氣吸式單、雙排精密通用排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙立軍，顏珊珊，王宇杰，張玉鑫，韓一鳴，蔡曉華，許春林

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030;2.黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

精密排種器根據(jù)排種原理分成機(jī)械式與氣力式兩大類：機(jī)械式精密排種器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，但在充種、清種過程中，種子因受到擠壓而損傷，對(duì)于種子幾何形態(tài)也有相對(duì)嚴(yán)格的要求，且只適用于中低速作業(yè)，單粒播種的情況下工作效果差[1]；氣力式排種器中氣吸式排種器對(duì)種子幾何形態(tài)要求不高，且不需要事先進(jìn)行精選分級(jí)[2]，基本克服了機(jī)械式播種裝置的缺點(diǎn)。通過更換吸孔盤改變孔的大小和形態(tài)適應(yīng)不同作物的種植要求，并能實(shí)現(xiàn)逐粒點(diǎn)播，具有高速作業(yè)、較少傷種等優(yōu)點(diǎn)，所以絕大數(shù)高速精密播種機(jī)選用氣吸式排種器，在單粒精播方面有廣闊的應(yīng)用前景。

在氣吸式精密排種器的研究開發(fā)方面我國已有40年的歷史，已取得了很大進(jìn)展[3-5]；但在小粒作物播種方面仍與國外先進(jìn)排種器存在差距，隨著種子發(fā)芽率逐漸增高，種子價(jià)格提高，精密播種栽培技術(shù)的推廣是大勢所趨，農(nóng)民對(duì)精密播種機(jī)的需求將日益強(qiáng)烈。精密播種機(jī)將向以下方向發(fā)展：

1)隨著土地流轉(zhuǎn)的推進(jìn)，土地連片是必然趨勢，更加適合大農(nóng)機(jī)作業(yè)。大農(nóng)機(jī)以高速和高效為重要特征，配套作業(yè)機(jī)具的高速精密播種機(jī)將向高速作業(yè)方向發(fā)展[6-9]，作業(yè)核心部件的精密排種器也勢必向高速度和高效率方向發(fā)展。

2)精密播種機(jī)向著“一機(jī)多用”方向發(fā)展。精密播種機(jī)通過更換排種盤和開溝器等關(guān)鍵部件，可適合多種作物精密播種的作業(yè)需求，同時(shí)可進(jìn)行免耕播種作業(yè)，適應(yīng)性廣泛，可降低農(nóng)民購機(jī)成本。

3)由于氣吸式精密排種器對(duì)種子適應(yīng)能力強(qiáng)、不傷種且適合高速，這是研究的熱點(diǎn)，特別是要進(jìn)行精密排種器的參數(shù)優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)，以及大力開展對(duì)整個(gè)氣力系統(tǒng)的深入研究[10-11]。

4)高速精密播種機(jī)廣泛應(yīng)用機(jī)械、電子、液壓和計(jì)算機(jī)等技術(shù)。

目前，大豆壟上雙條、大壟壟上四條，玉米65～70cm單條是黑龍江省普遍采用的種植方式。大豆等規(guī)則粒形種子播種，多采用邊緣型孔式排種器或窩眼式排種器；玉米則采用勺輪、指架及氣吸平面多孔盤等不限制或少限制粒形形狀的排種器。目前，大豆雙條、玉米單條排種器不能通用，大豆雙條播種機(jī)不適合播玉米單條種子，玉米單條播種機(jī)也無法用一個(gè)排種盤精密的播出雙條大豆種子。如采用兩個(gè)排種器播種壟上雙條，通過更換排種器實(shí)現(xiàn)單條、雙條的播種，增加了制造成本，帶來更換困難。因此，如何用一個(gè)排種器完成黑龍江省的玉米單條、大豆雙條作物播種農(nóng)藝要求，成為黑龍江省排種器研究的重點(diǎn)內(nèi)容。為此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種新型的通用型排種器，只更換播種盤即可實(shí)現(xiàn)單條、雙條排種，降低制造成本、減少排種器的更換麻煩，從而實(shí)現(xiàn)精密、快捷的播種。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

新型氣吸式單、雙排精密通用排種器的排種盤與排種盤蓋構(gòu)成真空室，真空室一側(cè)吸氣接口與風(fēng)機(jī)相連通，另一側(cè)與儲(chǔ)種室相接。排種器進(jìn)行大豆播種作業(yè)時(shí)，大豆種粒經(jīng)種箱接口進(jìn)入排種器殼內(nèi)，種子在大氣壓與真空室內(nèi)負(fù)壓之間的負(fù)壓風(fēng)力作用下被吸附在排種盤的窩眼內(nèi)；隨大豆排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，由清種刷將多余種粒清除掉；繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至投種區(qū)后，擋種板將對(duì)應(yīng)位置的窩眼孔與真空室隔絕，種粒不再受內(nèi)外壓差的作用，種粒脫離大豆排種盤，受重力和慣性作用通過排種口自由落下，完成大豆雙條播種作業(yè)。

卸下大豆排種盤后安裝玉米排種盤，進(jìn)行玉米播種作業(yè)時(shí)，玉米排種盤的單排孔上通過外接空氣所提供的壓力吸附種粒，隨后種粒隨排種盤上軌道運(yùn)動(dòng)到清種區(qū)，清種區(qū)裝有多種可調(diào)式清種刀能剔除掉多余種粒；排種盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)至投種區(qū)后，由清種塊將所有種粒清除掉，此時(shí)種子在重力作用下由排種口落下，完成玉米單條播種作業(yè)。氣吸式單、雙排精密通用排種器基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

(a) 主視圖 (b) 左視圖 1.調(diào)節(jié)旋鈕 2.刻度盤 3.指針 4.清種刀 5.種箱接口 6.大豆排種盤 7.排種盤蓋 8.排種器殼 9.排種器殼 10.吸氣室 11.軸承端蓋 12.接口 13.擋風(fēng)板彈簧片 14.擋風(fēng)板彈簧 15.擋風(fēng)板 16.窩眼孔圖1 排種器結(jié)構(gòu)圖

2 排種器技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)

氣吸式單、雙排通用排種器主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

2.1 排種參數(shù)

充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、投種點(diǎn)的位置是主要的排種參數(shù)[13]，如圖2所示。玉米充種區(qū)50°～60°，攜種區(qū)160°～170°，清種區(qū)30°～40°；大豆充種區(qū)50°～60°，攜種區(qū)170°～180°，清種區(qū)5°～7°。通過計(jì)算和試驗(yàn)可確定投種點(diǎn)的位置，設(shè)置在排種盤垂線后方46°處。

2.2 排種盤結(jié)構(gòu)參數(shù)

排種盤直徑是主要結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，直徑越大則充種行程和充種時(shí)間越長，提高了播種速度。經(jīng)過計(jì)算分析，排種盤直徑為115mm。吸孔數(shù)和根據(jù)對(duì)播種距離的要求以及對(duì)播種機(jī)工作速度確定，應(yīng)滿足

(1)

其中，S為吸孔數(shù)；n為吸孔排數(shù)，單排取1，雙排孔取2；R為地輪滾動(dòng)半徑，取輪胎半徑的0.937倍；d為理論調(diào)整粒距；i為地輪到排種器軸的傳動(dòng)比。

經(jīng)計(jì)算大豆排種盤共兩排，單粒排種，40個(gè)/排，孔形狀采用圓形窩眼型孔；玉米排種盤取30個(gè)，單排單粒排種，孔形狀采用圓形平面型孔。

圖2 排種參數(shù)示意圖

2.3 真空室壓力p

為使吸孔能可靠地吸住種子，則真空室壓力應(yīng)滿足以下公式，即

(2)

其中，P0為大氣壓；P1為氣吸室真空壓力；K為吸孔可靠性系數(shù)；T為種子被吸到吸孔時(shí)所受的合外力；n為吸種口數(shù)；dx為吸種孔直徑。

在實(shí)際工作中，考慮到種子在自然條件下的分布和種粒之間的碰撞以及機(jī)器震動(dòng)、摩擦等影響，取吸孔可靠性系數(shù)K為1.8，帶入已知數(shù)據(jù)可得氣吸室的真空壓力最大為5.6kPa。

3 關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 清種刀與清種塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)在窩眼式與平面孔型排種盤之間的便捷替換，本排種器清種刀與排種器殼裝配為一體，安裝在排種器殼上的特制凹槽內(nèi)，使外刀面與接觸面處在同一平面上，在不影響玉米正常作業(yè)的情況下，不進(jìn)行拆除，可滿足大豆排種盤的正常工作，清種塊與清種刀處在同一平面并與玉米排種盤緊密貼合，清種塊與排種盤貼合部位接觸面的投影和氣吸孔的相對(duì)位置及角度應(yīng)保證不傷種且清種干凈。經(jīng)試驗(yàn)得出，當(dāng)清種塊斜面與種子圓周運(yùn)動(dòng)的切線方向呈25°夾角時(shí)，傷種率接近3%，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.2 氣吸室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)能夠在雙排窩眼式大豆排種盤和平面孔式玉米播種盤之間替換。由于大豆排種盤內(nèi)部自帶氣吸室，使玉米播種盤與大豆播種盤的安裝尺寸相一致，即玉米排種盤的氣吸室安裝時(shí)要補(bǔ)足軸向上的安裝尺寸。

圖3 清種塊位置圖

氣吸室結(jié)構(gòu)主要為了配合安裝尺寸和播種需要，采用以下結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

(a) 大豆排種盤 (b) 玉米排種盤圖3 氣吸室

4 排種器性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

選取排種器風(fēng)壓X1、作業(yè)速度X2作為試驗(yàn)因素，以排種合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)排種機(jī)具工作參數(shù)的要求，確定影響因素取值范圍，即風(fēng)壓5～9kPa、作業(yè)速度5～9km/h。因素水平表如表2所示。應(yīng)用Box-Behnken法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素水平表

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

續(xù)表3

4.2 方差分析結(jié)果

利用Design Expert7.0軟件對(duì)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多元回歸擬合。合格指數(shù)回歸決定系數(shù)為0.98，修正決定系數(shù)為0.96；漏播指數(shù)回歸決定系數(shù)為0.96，修正決定系數(shù)為0.98，這表明實(shí)測值與預(yù)測值之間的相關(guān)性較高，試驗(yàn)誤差相對(duì)較小。回歸模型顯著，能夠很好地描述試驗(yàn)結(jié)果，使用該方程代替真實(shí)的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行分析是可行的。回歸統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析結(jié)果

續(xù)表4

4.3 交互作用影響分析

根據(jù)二次多項(xiàng)模型利用Design Expert軟件繪出響應(yīng)面分析圖，可直觀地描述各因素對(duì)響應(yīng)值的影響和各個(gè)因素間的交互作用。由表4中各項(xiàng)系數(shù)的P值可知，風(fēng)壓、作業(yè)速度對(duì)排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)有極顯著影響。

排種器風(fēng)壓、作業(yè)速度對(duì)排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面分析如圖5和圖6所示。圖5中合格指數(shù)隨作業(yè)速度、風(fēng)壓呈先增大后減小的趨勢，圖6中漏播指數(shù)隨作業(yè)速度、風(fēng)壓呈先減小后增大的趨勢。

圖5 合格指數(shù)交互作用分析

圖6 漏播指數(shù)交互作用分析

4.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

當(dāng)排種器風(fēng)壓為6.61 kPa、作業(yè)速度為6.82km/h時(shí)，排種作業(yè)性能最優(yōu)，其合格指數(shù)為94.41%，漏播指數(shù)為3.67 %。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行10組試驗(yàn)驗(yàn)證，合格指數(shù)為93. 92%，漏播指數(shù)4.16%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1)本排種器能夠安裝兩類排種盤，殼體及排種器蓋通用，更換排種盤即可實(shí)現(xiàn)大豆雙行排種和玉米單行排種，極大降低了播種成本，且操作和更換簡單方便。

2)排種性能綜合指標(biāo)超過90%，在作業(yè)速度8km/h時(shí)，播出單條玉米種子的株距均勻性合格率達(dá)到95%，工作性能穩(wěn)定。

3)滿足黑龍江省等地區(qū)的大豆及玉米播種農(nóng)藝要求。