踩踏氣吸式微型玉米排種器的設(shè)計與試驗

張亞新，邢麗華，張玉梅，季 偉，李 航

(赤峰學(xué)院 建筑與機械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

0 引言

我國大面積的后備土地資源集中在北方干旱地區(qū)[1-2]，在此區(qū)域內(nèi)農(nóng)民自行開墾的不規(guī)則小塊土地較多[3]。這種地塊由于其形狀特點，實現(xiàn)機械化，全自動化播種較為困難，因此農(nóng)民通常采用手提式或腳踏式玉米播種機進(jìn)行人工操作的半自動化播種。

手提式或腳踏式玉米播種機的核心部件是排種裝置。目前，播種機排種裝置按其排種原理可劃分為機械式排種裝置和氣吸式排種裝置[4-5]。機械式排種裝置造價低廉、結(jié)構(gòu)簡單，但排種均勻性較差[6]，且使用過程中種子機械破損率較高，難以適應(yīng)高速作業(yè)[7-10]。氣吸式排種器主要有組合吸孔氣吸式排種器及氣吸滾筒式排種器等[11]。其中，氣吸式排種器對種子大小、形狀的適應(yīng)性較強、充種效果好[12-13]，較機械式排種更易實現(xiàn)精量播種。

常見的氣吸式排種器輔助設(shè)備多，體積較大，無法安裝在人工操作的半自動化播種裝置上。因此，設(shè)計了一種安裝在腳踏式玉米播種機內(nèi)部，在氣吸、重力及慣性合成作用下的踩踏氣吸式微型玉米排種器。其原理為：踩踏時踏板與底座發(fā)生相對位移[14]，使密閉空間體積發(fā)生改變，產(chǎn)生氣壓，將玉米種子吸附在吸種管的吸口上，并在踏板彈起時利用慣性和防脫毛刷將玉米種子帶入導(dǎo)種管中，通過震動和重力滑落到排種嘴里，最終在撐開器打開播種嘴后實現(xiàn)玉米種子的精量播種。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

踩踏氣吸式微型玉米排種器是腳踏式播種機的重要組成部分，主要由支撐底座、踏板、復(fù)位氣缸、播種嘴撐開器、活塞缸 、密封圈、排種嘴、種箱、吸種管、導(dǎo)種管、防脫毛刷及凹型毛刷組成，如圖1所示。

1.支撐底座 2.踏板 3.復(fù)位氣缸 4.播種嘴撐開器 5活塞缸

主要技術(shù)參數(shù)如下：

整機質(zhì)量/kg：4

播種深度/mm：40～50

作業(yè)頻率/次·min-1：60～70

1.2 工作原理

復(fù)位氣缸、活塞缸、吸種管及播種嘴撐開器固定在踏板下側(cè)，隨踏板上下往復(fù)運動，踏板上方設(shè)置有密封的添種口及吸種管單向進(jìn)氣閥。踏板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.支撐底座 2.踏板 3.防滑凸起 4.吸種管單向進(jìn)氣閥 5添種口圖2 排種器踏板結(jié)構(gòu)圖

兩個復(fù)位氣缸安裝前保留較大的預(yù)緊力，使其在踏板失去踩踏力時能夠有較強的復(fù)位彈力；同時，復(fù)位氣缸在踏板上下運動時配合支撐底座側(cè)壁對踏板運動起導(dǎo)向作用，使踏板上安裝的活塞缸與支撐底座上固定的種箱之間相互運動平穩(wěn)、可靠。

踏板受到踩踏力時，帶動安裝在踏板下側(cè)的所有部件向下運動，活塞缸與種箱配合密封圈形成密閉的腔體。隨著踩踏力的增加，密閉腔體的壓力隨之增加，吸種管隨踏板向下運動插入種箱中的玉米種子中，此時壓力達(dá)到最大值并同時打開吸種管單向進(jìn)氣閥，氣體吹入吸種口中，玉米種子隨氣體進(jìn)入吸種口并堵塞吸種口。

踏板失去踩踏力時，在復(fù)位氣缸的作用下，踏板向上運動，密封腔體內(nèi)壓力減少，吸種管單向進(jìn)氣閥關(guān)閉，種箱側(cè)壁上的導(dǎo)種管滲入氣體，在逐漸減小的氣壓和慣性的雙重作用下，吸種口的種子向上進(jìn)入到防脫毛刷中；隨著吸種管繼續(xù)向上運動，種子在凹型毛刷、重力和震動的作用下，從吸種口脫落，滑入導(dǎo)種管中，并通過導(dǎo)種管最終落入排種嘴中；在下一次踩踏循環(huán)中，播種嘴撐開器隨踏板與支持底座發(fā)生相對位移，撐開排種嘴實現(xiàn)種子播種。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 吸種口尺寸參數(shù)

玉米種子的幾何尺寸決定吸種口的尺寸參數(shù)。為確定吸種口的各個重要參數(shù)，選取內(nèi)蒙古北方干寒地區(qū)近年種植范圍較為廣泛的“豐墾117”號玉米種子?！柏S墾117”號種子審定號為蒙審玉2014025，中熟品種，適合內(nèi)蒙古東部≥10℃、活動積溫2 350℃左右的范圍種植，其外形如圖3所示。

圖3 “豐墾117”玉米種子形狀

隨機測量1 000?！柏S墾117”號玉米種子，使用游標(biāo)卡尺測得其長度、寬度及厚度，如表1所示。

表1 “豐墾117”號玉米種子的三維尺寸

Table 1 3D measurement of corn seeds mm

長度寬度厚度最大值10.79.98.0最小值7.66.85.5平均值10.18.66.1

踩踏氣吸式微型玉米排種器在工作過程中，若使吸種、持種及排種順利進(jìn)行，則吸種管下端吸種口的形狀設(shè)計及關(guān)鍵參數(shù)的選取尤為重要。主要設(shè)計參數(shù)有吸種口長度Lk、吸種口最小直徑Dk、排氣孔直徑d、上傾角θ和下傾角φ，如圖4所示。

吸種口最小直徑Dk(即最小開口)應(yīng)能夠保證玉米種子中尺寸最大的進(jìn)入吸種口中?？紤]到精密播種的要求，吸種口最小直徑Dk應(yīng)確保兩粒玉米種子不同時擠入。假定單粒玉米種子在中心處被吸附，則

2β>Dk>α

式中β—玉米種子厚度的最小值；

α—玉米種子長度的最大值。

根據(jù)測量玉米種子三維尺寸的數(shù)據(jù)可知：β為5.5mm，α取值為10.7mm。由于兩粒最薄的種子同時相遇的可能性非常小，因此初步選定吸種口最小直徑Dk=11mm。

吸種口下傾角φ應(yīng)能夠保證在防脫毛刷部位對玉米種子有一定的攜持作用，同時還要能夠在導(dǎo)種管凹型毛刷處使種子在毛刷、震動及重力的作用下順利滑入導(dǎo)種管中，通過實驗確定吸種口下傾角φ=15°。吸種口上傾角θ應(yīng)保證種子順利進(jìn)入吸種口，同時在卸種時有利于順利振出，通過實驗確定吸種口上傾角θ=12°。

吸種口長度Lk能夠保證長度最大的玉米種子完全進(jìn)入吸種口中，避免被防脫毛刷刷落；排氣孔直徑d的選取應(yīng)避免最小的種子被吸入，因此選定吸種口長度Lk=11mm, 排氣孔直徑d=5mm。

圖4 吸種口尺寸參數(shù)

2.2 吸種管尺寸參數(shù)

吸種管由單向閥、導(dǎo)氣管及吸種嘴組成，如圖5所示。

吸種管的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括吸種桿長度Hd和吸種管直徑S。其中，吸種管直徑S與吸種口長度L的關(guān)系為

S=3L

(1)

由式(1)可以計算出排種管直徑S=33mm。排種管上端固定在踏板上，下端在踏板踏入最低端時，導(dǎo)氣管插入種箱底部的種子內(nèi)部，緊靠種箱底部，由此吸種管在原位時，最低端距種箱底部的距離即為踏板相對支撐底座的最大運動距離。同時，考慮到活塞缸與種箱的重合高度及活塞缸與種箱相對運動時的結(jié)構(gòu)干涉，吸種管長度滿足

(2)

式中H—密封腔總體高度，即踏板與種箱底部之間的距離。根據(jù)整個播種機的結(jié)構(gòu)[15]，選取H=192mm；

Hs—活塞缸與種箱相對運動的最大距離，即踏板相對支撐底座的最大運動距離；

Hq—吸種頭高度，由試驗獲得Hq=22mm；

δ—密封圈高度，即活塞缸與種箱重合高度，δ=8mm。

由式(2)可以計算出吸種管長度Hd=111mm。

1.單向進(jìn)氣閥 2.導(dǎo)氣管 3.吸種嘴

2.3 密封腔參數(shù)

密封腔結(jié)構(gòu)如圖6所示。密封腔主要參數(shù)有活塞缸長度、種箱高度及活塞缸與種箱相對運動的最大距離。其中，由式(2)可以計算出活塞缸與種箱相對運動的最大距離Hs=81mm。

根據(jù)圖6所示，密封腔主要參數(shù)的關(guān)系為

(3)

式中Hz—種箱高度;

Hp—活塞缸高度;

δ—密封圈高度，δ=8mm；

Hq—吸種頭高度。

由式(3)可以計算出種箱的高度Hz=111mm，活塞缸高度Hp=89mm。

1.活塞缸 2.上導(dǎo)種管 3.下導(dǎo)種管 4.排種嘴 5.種箱

3 田間試驗

3.1 試驗條件與設(shè)備

隨機選取玉米種子比分級后選取種子更能體現(xiàn)排種器的實際排種質(zhì)量，因此在5袋500g裝 “豐墾117”號玉米種子中隨機選取進(jìn)行試驗。

2016年11月，在赤峰學(xué)院智能農(nóng)牧機械研究所所屬的玉米實驗田進(jìn)行了踩踏氣吸式微型玉米排種器排種性能測試。試驗田地塊平坦，土質(zhì)為栗鈣土，屬于典型的北方半干旱耕作區(qū)，種植制度為玉米一年一熟。

試驗方法根據(jù)國家推薦性標(biāo)準(zhǔn)20865-2007給出的檢測方法進(jìn)行，主要檢測設(shè)備有秒表、游標(biāo)卡尺和卷尺等。

3.2 試驗方法

在不同頻率下測試排種器的工作性能，試驗前首先對所需要的田地進(jìn)行犁壟，為使試驗更貼近真實耕種情況，將壟犁成12條長30m、深18～23cm的短壟，并將為試驗特殊設(shè)計的草木灰盒加裝到排種器一側(cè)，方便確定播種位置。

試驗中，分別采用40、50、60、70、80、90次/min的播種頻率進(jìn)行排種，人為誤差控制在±3次/min，記錄數(shù)據(jù)，每種播種速率測量3次，取平均值。

3.3 試驗結(jié)果及分析

試驗測得腳踏氣吸式微型玉米排種器排種指標(biāo)如表2所示。

表2 不同播種頻率下的排種性能參數(shù)

Table 2 Performance of metering device under differert seeding frequency

播種頻率/次·分-1合格率/%重播率/%漏播率/%4066.032.0531.925085.441.6612.96091.823.454.737092.173.224.618088.906.095.019070.2510.6719.08

從測試數(shù)據(jù)可看出：排種器播種頻率在60～70次/min時，播種合格率為91.82%～92.17%，重播指數(shù)為3.22%～3.45%，漏播指數(shù)為4.61%～4.73%，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中對精密播種機播種合格率大于等于80%、重播率小于等于15%及漏播率小于等于8%的播種要求[16]。

由試驗可知：過快或過慢的播種頻率都會使踩踏氣吸式微型玉米排種器排種的合格率大幅度下降，主要原因是過快的播種頻率會使吸種管迅速插入到種箱底部的種子中，然后快速收起，玉米種子尚無法進(jìn)入吸種口中；過慢的播種頻率會使密封腔體內(nèi)壓縮空氣的過程減慢，而吸種管中的導(dǎo)氣管會有充足的時間將空氣通過單向閥排出密封腔體外，使玉米種子無法獲得足夠的氣壓作用進(jìn)入吸種口，進(jìn)而無法進(jìn)入排種嘴，造成大量漏播現(xiàn)象。

由試驗結(jié)果還可以看出：除去因壓力嚴(yán)重不足而導(dǎo)致大量種子無法進(jìn)入吸種口的播種頻率40次/min所測得的數(shù)據(jù)，重播率與播種速度存在一定的線性關(guān)系，即播種頻率越快，重播率越高。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：播種頻率過快使種子進(jìn)入上導(dǎo)種管后尚未滑動進(jìn)入下導(dǎo)種管時，排種器開始了下一個周期的工作，使種子滯留在上導(dǎo)種管中，致使1個或2個周期以后，滯留種子才能進(jìn)入下導(dǎo)種管中，因此造成玉米種子的重播，且重播次數(shù)、漏播次數(shù)及重播種子粒數(shù)都會隨著播種頻率的增加而增加。

4 結(jié)論

1)為解決漏播、重播、種子破損等問題，研制了踩踏氣吸式微型玉米排種器,主要由支撐底座、踏板、活塞缸、排種嘴、種箱、吸種管及導(dǎo)種管組成。工作時，人工踩踏踏板，帶動真空缸向下運動，配合密封圈與種箱形成密閉的腔體，通過氣壓將種子推入吸種口并堵塞吸種口；伴隨踩踏結(jié)束，種子隨吸種管向上運動，并進(jìn)入上導(dǎo)種管中，在重力、震動和毛刷的聯(lián)合作用下，經(jīng)下導(dǎo)種管滑入排種嘴中，并最終實現(xiàn)排種。

2)田間試驗表明：踩踏氣吸式微型玉米排種器在播種頻率為60～70次/min時，播種合格率為91.82%～92.17%，重播率為3.22%～3.45%，漏播率為4.61%～4.73%，均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中對精密播種機播種要求及玉米種植的農(nóng)藝要求。

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