氣吸式平貝母播種機的研制

李曉明 陳維剛 鄒雪劍

摘要：平貝母為密集型種植模式，目前只能人工播種。為解決平貝母機械化播種問題，研究設(shè)計一種氣吸式平貝母播種機。闡述該機的結(jié)構(gòu)型式、工作原理及關(guān)鍵部件的參數(shù)設(shè)計，通過性能試驗證明該機可以滿足平貝母播種使用要求。

關(guān)鍵詞：平貝母；播種機；氣吸式排種器；充種角度；投種角度；傳動比

中圖分類號：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2018）02-0017-04

平貝母為密集型種植模式，目前市場上并沒有能滿足種植農(nóng)藝要求的平貝母播種機，只能采用人工播種，存在效率低、勞動強度大、成本高、耗時長、損傷表皮、株距不均勻等問題。為解決平貝母機械化播種問題，研究設(shè)計一種氣吸式平貝母播種機，填補國內(nèi)在這方面的空白，為平貝母種植開辟新途徑。

1 整機結(jié)構(gòu)與工作原理

平貝母播種機主要由機架、風(fēng)機、種箱、推土鏟、鎮(zhèn)平輥、排種器、變速箱、地輪等部件組成（如圖1所示）。

機架為基礎(chǔ)部件，其余部件直接或間接固定在機架上。前部的推土鏟有兩部分鉸接點，拉桿調(diào)整端與機架前橫梁連接，定位端與鎮(zhèn)平輥支架連接，整體以斜角形式前行，完成清平畦面、整理種床。鎮(zhèn)平輥在機架下方通過支板與機架連接，在推土板后側(cè)，通過被動回轉(zhuǎn)的形式鎮(zhèn)平壓實種床。鎮(zhèn)平輥與推土鏟配合，為排種器投種提供平整的種床，避免因地勢不平而出現(xiàn)種子落地后繼續(xù)翻滾的情況，從而保證株距準(zhǔn)確性。風(fēng)機固定在上懸掛，為排種器提供負(fù)壓。地輪為排種器提供旋轉(zhuǎn)動力，并起到支撐整機的作用。變速箱針對不同株距調(diào)整相應(yīng)的傳動比，將從地輪輸入的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成不同的轉(zhuǎn)速傳遞給排種器。排種器在負(fù)壓的作用下由充種室將種子吸住，轉(zhuǎn)到投種點投放種子，完成吸排種作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 推土鏟

推土鏟要求既能平整畦面，又能防止兩側(cè)土回流，還能防止因土量大而從推土板上側(cè)翻越到后側(cè)。畦寬為800～850 mm，所以設(shè)計推土板的尺寸為：兩側(cè)翼板夾角130 °，兩側(cè)翼板末端相距1 065 mm，翼板高度195 mm（如圖2所示）。

2.2 鎮(zhèn)平輥

畦寬為800～850 mm，種床有效寬度應(yīng)大于850 mm，并具有一定越障能力，所以確定鎮(zhèn)平輥的外形尺寸為：長度915 mm，外徑216 mm（如圖3所示）。

2.3 排種器

平貝母排種器主要由排種器固定架、排種輥、氣腔、充種室、定位板、刻度盤等組成（如圖4所示）。氣腔兩端與風(fēng)機相連接，為排種器提供負(fù)壓，充種室中的平貝母種子在負(fù)壓的作用下被吸到吸種孔上，隨著排種輥一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)至投種區(qū)時，平貝母種子被投放，從而完成吸排種過程。定位板與排種器內(nèi)部的卸風(fēng)機構(gòu)在同一橫向界面上，這樣在外側(cè)查看定位板的位置，就能確定卸風(fēng)機構(gòu)在排種器內(nèi)部的位置。

2.4 卸風(fēng)裝置

卸風(fēng)裝置采用外層包有橡塑海綿管的滾輪組合結(jié)構(gòu)型式（如圖5所示）。滾輪外側(cè)包裹的橡塑海綿管與排種輥內(nèi)壁接觸形成一個密閉空間，當(dāng)充種孔經(jīng)過橡塑海綿管時，橡塑海綿管將充種孔覆蓋住，使充種孔處負(fù)壓瞬間消失，種子脫離排種輥，從而完成投種。

2.5 排種輥

播種過程中既要降低排種輥對種子表面的機械損傷，又要實現(xiàn)高速播種作業(yè)，還要保證充種率。針對以上幾點要求進(jìn)行排種輥的結(jié)構(gòu)設(shè)計（如圖6所示）。

2.5.1 排種輥外形尺寸 畦寬為800～850 mm，選定排種輥長度為840 mm；為降低排種輥旋轉(zhuǎn)的線速度，并考慮安裝空間和耗風(fēng)量的限制，選定排種輥外徑為300 mm，壁厚為2 mm。

2.5.2 孔數(shù) 播種行距為40 mm（共20行），且需要滿足株距調(diào)節(jié)范圍，因此確定周向分布30排孔，軸向分布20排孔，相鄰軸向兩排孔位置周向交錯排列，軸向孔距為40 mm排布。

2.5.3 孔徑 平貝母種子大小不一，圍繞直徑D為8～10 mm的種子進(jìn)行設(shè)計，吸種孔直徑d參考經(jīng)驗公式d=（0.6～0.7）D，因此確定吸種孔直徑為5 mm。

2.6 氣力系統(tǒng)主通道

氣力系統(tǒng)主通道位于平貝母排種器芯部，其結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮負(fù)壓區(qū)分布均勻性、氣力輸送與控制等因素，并通過試驗確定。采用均布長槽孔的空心管作為主通道，既能起到通風(fēng)作用，又能起到支承作用。確定氣腔外形尺寸為：外徑95 mm，壁厚8 mm，長度

1 250 mm（如圖7所示）。

3 主要參數(shù)分析

3.1 平貝母排種器充種角度

平貝母排種器充種過程中種子受力分析如圖8所示。

由圖8可以看出：充種過程中，種子在負(fù)壓的作用下被排種輥吸在排種輥表面，并隨排種輥一起轉(zhuǎn)動。F1為排種輥提供給平貝母的摩擦力；F2為平貝母自身的重力；F3為平貝母所受的離心力；F為排種輥的吸力；α為充種角。

排種輥的吸力要克服種子自身的重力和種子之間相互的摩擦力，因此排種輥的吸力要大于F1與F2的合力。受力公式為：

種子所受的吸力實質(zhì)上是由于吸種孔內(nèi)外壓差形成的，公式為：

由式（3）可知，平貝母種子能否被吸附在排種輥上，與種子物料特性、排種輥轉(zhuǎn)速、充種角度、負(fù)壓相關(guān)。結(jié)合大量的試驗數(shù)據(jù)得出，負(fù)壓值為4.5～5.0 kPa、充種角度為27 °時，充種效果最好。

3.2 平貝母排種器投種角度

平貝母種子被吸在排種輥上并隨之一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)到投種區(qū)時，由于外層包有橡塑海綿管的滾輪堵住了吸種孔，瞬間使得吸種孔內(nèi)外壓力一致，失去吸附力的平貝母種子脫離排種輥，下落的種子在慣性作用下一方面保持所在吸種孔處的線速度，另一方面在自身重力的作用下做自由落體運動。投種過程中種子運動分析如圖9所示，β為投種角度，V1為平貝母播種機的行進(jìn)速度，V2為平貝母隨排種輥旋轉(zhuǎn)的線速度。

理想的投種狀態(tài)為零速投種，即下落過程中種子在前進(jìn)方向的合速度為0。分析所得公式為：

由以上公式可知，投種角度需要根據(jù)平貝母播種機的前進(jìn)速度、排種輥轉(zhuǎn)速及排種輥直徑來確定。平貝母播種機的前進(jìn)速度在0.72～1.10 m/s之間，排種輥直徑為0.3 m，在理想的零速投種狀態(tài)下，計算得出投種區(qū)域為15～39 °之間。結(jié)合大量的試驗數(shù)據(jù)得出，投種角度為19 °時投種效果最好。

3.3 傳動比

根據(jù)平貝母播種農(nóng)藝要求，前后株距S分別為2，3，4 cm，地輪直徑D1為60 cm，排種輥外徑D2為30 cm，整機采用鏈傳動，其中地輪選用14齒、21齒鏈輪配比，平貝母排種器上的鏈板在空間準(zhǔn)許情況下盡量增多齒數(shù)，經(jīng)過多次驗證選用50齒，中間經(jīng)過2次變速。因此，在設(shè)定地輪旋轉(zhuǎn)1周的情況下，求得傳動比公式為：

1=（14/21）×i1×i2×i3×（π×D1）/30S

整機的傳動比經(jīng)理論數(shù)據(jù)與試驗所得（如圖10所示）。一級傳動為14，21齒，二級傳動為三鏈板塔輪（19，21，26齒）與兩鏈板塔輪（14，26齒），三級傳動為兩鏈板塔輪（14，26齒）與50齒。

4 結(jié)論

根據(jù)平貝母種植農(nóng)藝要求，結(jié)合理論與試驗數(shù)據(jù)，設(shè)計一種平貝母播種機。該機具有平整畦面、鎮(zhèn)壓種床、氣吸式排種器播種等功能。其主要工作機構(gòu)均為可調(diào)模式，可以適應(yīng)不同的農(nóng)藝要求：推土鏟可在縱向上以15 mm的間距調(diào)整3個高度等級；鎮(zhèn)平輥可在縱向上以10 mm的間距調(diào)整3個高度等級；平貝母排種器的投種角度為無極可調(diào)模式，可根據(jù)不同的行進(jìn)速度調(diào)整相應(yīng)的投種角度，依據(jù)行進(jìn)速度在0.72～1.10 m/s之間得出最佳投種角度為19 °。經(jīng)過多次試驗測得該機充種率≥93%，重播率≤14%，可以滿足平貝母播種使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 高筱鈞，周金華，賴慶輝.中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016（2）：20-28.

[2] 高筱鈞.氣吸式三七精密排種器設(shè)計與充種性能研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2016.

[3] 周金華.動力式三七精密播種機的設(shè)計與試驗研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2016.

[4] 周金華，賴慶輝，高筱鈞.滾輪圓刷式三七精密排種器的仿真分析與試驗驗證[J].浙江大學(xué)學(xué)報：農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2016（4）：509-516.