氣吸式糜子穴播排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳 濤,衣淑娟,李衣菲,董 浩,陶桂香,毛 欣

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) a.工程學(xué)院;b.電氣與信息學(xué)院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

糜子俗稱黃米,在我國(guó)主要分布于西北、華北、西南、東北、華南及華東等地山區(qū),新疆偶見(jiàn)有野生狀的。由于其谷粒富含淀粉,有著很好的食用價(jià)值,還可以用來(lái)釀酒,稈葉可為牲畜飼料。糜子性味甘、平、微寒、無(wú)毒,還是中國(guó)傳統(tǒng)的中草藥之一,是我國(guó)主要的雜糧作物。糜子粒徑和千粒質(zhì)量均較小,屬于小籽粒作物。根據(jù)小籽粒作物播種的農(nóng)藝要求,種溝內(nèi)的種子在近距離內(nèi)應(yīng)當(dāng)排列多粒,萌發(fā)時(shí)產(chǎn)生群體效應(yīng),易于破土出苗[1]。目前,糜子播種已經(jīng)從傳統(tǒng)的人工撒播發(fā)展成利用播種機(jī)進(jìn)行條播,但條播方式在糜子齊苗后需要通過(guò)人工間苗的方式使其保證合理株數(shù),存在費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、費(fèi)種的問(wèn)題[2]。由于我國(guó)糜子種植機(jī)械化程度很低,制約著糜子產(chǎn)業(yè)的的發(fā)展,所以對(duì)糜子進(jìn)行精量穴播是今后糜子播種的發(fā)展趨勢(shì),需要發(fā)展糜子精量穴播機(jī)械化[3]。開(kāi)發(fā)適合糜子特性的精量穴播排種器是發(fā)展糜子生產(chǎn)機(jī)械化的當(dāng)務(wù)之急。

1 氣吸式排種器組成及工作原理

氣吸式排種器主要由排種盤(pán)、殼體、風(fēng)管、刮種裝置及攪種裝置等組成,如圖1所示。

1.刮種刀 2.殼體 3.排種盤(pán) 4.風(fēng)管 5.攪種輪圖1 氣吸式排種器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of air - suction seed metering device

工作時(shí),風(fēng)機(jī)通過(guò)風(fēng)管與排種器連接,將負(fù)壓室內(nèi)空氣全部吸出,形成負(fù)壓;位于排種盤(pán)上的吸孔經(jīng)過(guò)充種區(qū)時(shí),通過(guò)因負(fù)壓而產(chǎn)生的吸力將種子吸附在吸孔上,完成充種;由于糜子籽粒較小,吸孔處容易吸附多余的種子,當(dāng)被吸附的種子隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)到刮種刀處時(shí),刮種刀將除吸孔以外的種子全部刮掉,完成清種;種子在負(fù)壓作用下繼續(xù)被吸附在吸孔上隨排種盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng),完成護(hù)種;當(dāng)種子轉(zhuǎn)動(dòng)到投種區(qū)時(shí),吸孔脫離了負(fù)壓室,負(fù)壓消失,種子依靠自身重力脫離吸孔落入到壟溝中,完成投種。

2 排種器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

排種盤(pán)作為排種器的核心部件,其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定著播種質(zhì)量,對(duì)播種質(zhì)量影響最顯著的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有吸孔直徑、吸孔的分布、負(fù)壓室真空度的設(shè)計(jì)及群組吸孔組數(shù)的設(shè)計(jì)等?，F(xiàn)有氣吸式排種器排種盤(pán)直徑一般為80～260mm[4],因糜子種子粒徑小且考慮排種器整體尺寸,本文選取排種盤(pán)直徑為150mm,厚度2.5mm,材料為鋁合金。

2.1 吸孔直徑的設(shè)計(jì)

吸孔直徑在播種作業(yè)過(guò)程當(dāng)中起著至關(guān)重要的作用,其直徑的大小主要由種子的外形尺寸決定。由于不同作物種子外形尺寸有著較大差異,為了使每個(gè)吸孔只吸附1粒種子,吸孔直徑大小要與種子外形尺寸相適應(yīng)。如果吸孔直徑與種子外形尺寸相差過(guò)大,則會(huì)使1個(gè)吸孔吸附多粒種子,使重播率增大[5];如果吸孔直徑與種子外形尺寸相差過(guò)小,則會(huì)因吸孔處負(fù)壓不足吸不上種子,使漏播率增大。同時(shí),孔徑的大小對(duì)于負(fù)壓室真空度也有著顯著的影響[6],孔徑和孔數(shù)也是影響播種合格指數(shù)的主要因素[7]。綜上所述,運(yùn)用計(jì)算公式,找到理論上的合適孔徑,并進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出的孔徑公式為[8]

d=(0.64～0.66)b

(1)

式中d—吸孔直徑(mm);

b—種子的平均寬度(mm)。

類似于糜子這種小籽粒種子,通常用算術(shù)平均徑來(lái)表示種子的平均寬度[9]。算術(shù)平均徑公式為

Da=(L+W+T)/3

(2)

其中,L、W、T分別為種子三軸尺寸的長(zhǎng)、寬、厚(mm)。

將測(cè)得的糜子三軸尺寸數(shù)值代入公式(1),算出的結(jié)果代入公式(2),最終選取吸孔直徑為1.5mm。

2.2 吸孔孔數(shù)及分布的設(shè)計(jì)

吸孔孔數(shù)及其分布由很多因素決定,如農(nóng)藝要求中播種粒距和播種合格率等,用于穴播排種器的吸孔大多成組分布[10],組的吸孔數(shù)由農(nóng)藝要求中的穴粒數(shù)決定,組數(shù)則由播種粒距決定。目前,大多數(shù)排種器排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)都由地輪驅(qū)動(dòng),地輪的轉(zhuǎn)速則由機(jī)組前進(jìn)速度決定。在機(jī)組前進(jìn)速度不變的條件下,每組的吸孔數(shù)越多,則穴粒數(shù)越多;但當(dāng)吸孔數(shù)過(guò)多時(shí),吸孔間的間隙就會(huì)過(guò)小,各吸孔處的氣流會(huì)發(fā)生干擾[5],影響播種質(zhì)量。在機(jī)組前進(jìn)速度和每組吸孔數(shù)一定的條件下,吸孔組數(shù)越多,播種粒距越小。按照糜子穴播的農(nóng)藝要求,每穴3～6粒種子,因此每組設(shè)置3個(gè)吸孔,在滿足孔數(shù)要求的情況下,根據(jù)公式(3)確定孔組數(shù),即

(3)

式中Z—孔組數(shù);

D—地輪直徑,取D=0.3194m;

δ—地輪滑移系數(shù),一般取δ=0.05～0.12;

Ip—傳動(dòng)比,取Ip=1;

S—穴距(m)。

計(jì)算得糜子排種盤(pán)孔組數(shù)為 33 ～ 37。根據(jù)排種盤(pán)線速度越低吸孔充種性能越好的原則,以及糜子穴播穴距要求,選擇Z=36。

2.3 轉(zhuǎn)速的設(shè)計(jì)

排種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)排種器的播種質(zhì)量有著重要影響[10]:隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)速增大,播種性能會(huì)提高,排種頻率會(huì)增加,粒距會(huì)減小;但轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),會(huì)由于經(jīng)過(guò)充種區(qū)時(shí)間過(guò)短而充種不足。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》要求,排種盤(pán)線速度不能超過(guò)0．35m/s。若沒(méi)有輔助裝置,一旦線速度高于這個(gè)值,工作性能將會(huì)大大下降。在實(shí)際田間播種作業(yè)中,由于外界環(huán)境因素的干擾,有必要對(duì)排種器進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn),改進(jìn)后的線速度能達(dá)到 0.5～0.8m/s。

2.4 負(fù)壓室真空度的設(shè)計(jì)

真空度在播種過(guò)程中起到產(chǎn)生吸力吸附種子的作用,其數(shù)值大小對(duì)播種質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[11]。吸室結(jié)構(gòu)分為圓環(huán)形和馬蹄形兩種。根據(jù)排種器的結(jié)構(gòu),為保證負(fù)壓室真空度一致性,此排種器選用馬蹄形吸室。通過(guò)參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知:排種器受到種子外界和自然環(huán)境的作用,對(duì)于氣吸式糜子精量排種器,負(fù)壓室真空度最大值要滿足以下公式[8],即

(4)

式中d—排種盤(pán)吸孔直徑(cm);

C—種子重心離吸種盤(pán)之間的距離(cm);

m—1粒種子的質(zhì)量(kg);

v—排種盤(pán)吸孔中心處的線速度(m/s);

r—排種盤(pán)吸孔處的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(m);

g—重力加速度,取g=9.81m/s2;

λ—種子的摩擦阻力綜合系數(shù),λ=(6～10)tgθ,θ為芽種的自然休止角;

K1—吸種可靠性系數(shù),取K1=1.8;

K2—外界條件系數(shù),取K2=1.6。

由公式(4)可知:負(fù)壓室真空度受很多因素影響,要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)公式計(jì)算出的的是臨界值,在工作時(shí)實(shí)際真空度要高于臨界值。參數(shù)選取越大,工作性能越好,不容易漏播;但過(guò)大時(shí),吸孔上易吸附多余的種子,使重播率上升;當(dāng)過(guò)小時(shí),吸孔處吸力不足,無(wú)法吸附種子,使漏播率上升。經(jīng)計(jì)算,在進(jìn)行糜子精量穴播時(shí)真空度范圍為 3～7kPa。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)選用黃糜子種子為研究對(duì)象,播種農(nóng)藝要求為穴距12～17cm,每穴3～6粒種子。在試驗(yàn)前測(cè)其尺寸、千粒質(zhì)量等特征,多次測(cè)量后取平均值,測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示。試驗(yàn)于2018年11月在土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,測(cè)試設(shè)備采用黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制的JPS - 12 型試驗(yàn)臺(tái)。

表1 糜子種子的特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of broom corn mille

3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時(shí),排種器固定在試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架上,將種子排在運(yùn)動(dòng)的輸送帶上,運(yùn)動(dòng)的輸送帶利用相對(duì)性原理模擬田間播種作業(yè)過(guò)程中機(jī)車及播種機(jī)的運(yùn)動(dòng);排種器排出的種子落在輸送帶上時(shí)會(huì)發(fā)生彈跳,在輸送帶上均勻的圖上油層,利用油的粘性將種子粘附在輸送帶上,從而保證種子落地位置的準(zhǔn)確性。每組測(cè)量250穴種子,每個(gè)試驗(yàn)水平進(jìn)行3組試驗(yàn),求平均值以降低誤差。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法 GB/T 6973-2005》《蔬菜穴播播種機(jī)技術(shù)條件》,將平均成穴距離[12]、重播率、漏播率及合格率作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo),則

式中B—種子數(shù)量>6的穴數(shù);

F—種子數(shù)量<3的穴數(shù);

E—3≤種子數(shù)量≤6的穴數(shù);

H—總穴數(shù)距離之和;

N—播種總穴數(shù)。

3.4 試驗(yàn)測(cè)試

選取排種軸轉(zhuǎn)速、真空度,機(jī)組前進(jìn)速度3個(gè)因素為試驗(yàn)因素,在固定其它參數(shù)不變的條件下,進(jìn)行單因素試驗(yàn),研究其對(duì)播種質(zhì)量的影響,如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖Fig.2 Test chart

3.4.1 排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)排種質(zhì)量的影響

在固定其它參數(shù)固定不變的條件下,選取排種軸轉(zhuǎn)速8、10、12、15、20r/min等5個(gè)水平做單因素試驗(yàn),各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖3、圖4所示。

圖3 排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)平均成穴距離的影響曲線Fig.3 The curve of the influence of the rotation speed of seeding axis on the average cavitation distance

圖4 排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)排種質(zhì)量的影響Fig.4 The curve of the influence of the rotation speed of seeding axis on the quality of seeding

由圖3可知:隨著排種軸轉(zhuǎn)速不斷增大,種子平均成穴距離逐漸減小,因?yàn)榕欧N軸轉(zhuǎn)速越快,單位時(shí)間內(nèi)投種頻率越高,使種子成穴距離減小;反之,則投種頻率越來(lái)越低,使成穴距離增大。在轉(zhuǎn)速處于10～12r/min之間時(shí),平均成穴距離處于12.5～16.9cm之間,符合糜子播種農(nóng)藝要求。

由圖4可知:隨著排種軸轉(zhuǎn)速的不斷增大,合格率先增大后減小。因?yàn)槊幼臃N子籽粒較小,且表面有芒刺,容易堆積[9],且試驗(yàn)中所用的排種器攪種輪和排種盤(pán)是連接在一起的,當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí),攪種輪對(duì)種子的攪動(dòng)效果較差,導(dǎo)致種子仍處于堆積狀態(tài)無(wú)法從種堆中分離出來(lái)吸附在吸孔上,漏播率增大;轉(zhuǎn)速升高時(shí),攪動(dòng)效果越來(lái)越好,吸孔上吸附的種子逐漸增多,合格率也隨之升高。圖4中,當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)12r/min時(shí),合格率呈現(xiàn)下降趨勢(shì),因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的升高,吸孔經(jīng)過(guò)充種區(qū)的時(shí)間縮短,吸孔來(lái)不及吸種導(dǎo)致合格率逐漸下降;轉(zhuǎn)速為10～15r/min時(shí),合格率較高。

3.4.2 機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)排種質(zhì)量的影響

在固定其它參數(shù)固定不變的條件下,選取種床帶轉(zhuǎn)速2.5、3、3.5、4、4.5km/h等5個(gè)水平做單因素試驗(yàn),各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)如5、圖6所示。

由圖5可知:隨種床帶速度的增大,平均成穴距離隨之不斷變大,因?yàn)榉N床帶速度越大,種床帶與排種器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越大,相當(dāng)于單位長(zhǎng)度種床帶上排種器的投種頻率減小,所以平均成穴距離變大;反之,則種床帶與排種器的相對(duì)速度變小,相當(dāng)于單位長(zhǎng)度種床帶上排種器投種頻率增大,所以平均成穴距離減小。當(dāng)種床帶速度為3.5～4km/h時(shí),平均成穴距離處于12～16cm之間,符合糜子播種農(nóng)藝要求。

圖5 機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)平均成穴距離的影響曲線Fig.5 Influence curve of unit speed on average cavitation distance

由圖6可知:隨著種床帶速度的增大,重播率、漏播率、合格率數(shù)值變化曲線較為平緩,所以種床帶速度對(duì)播種穴粒數(shù)的影響不顯著。在本試驗(yàn)中,種床帶速度模擬的是田間播種的機(jī)組前進(jìn)速度。在田間播種過(guò)程中,如果機(jī)組前進(jìn)速度過(guò)快,機(jī)具振動(dòng)就會(huì)加劇,對(duì)于糜子這種小籽粒種子,就會(huì)使落地效果變差;如果機(jī)組前進(jìn)速度過(guò)低,則會(huì)使播種效率降低。綜上所述和查閱相關(guān)文獻(xiàn),認(rèn)為機(jī)組前進(jìn)速度3～4km/h為合適范圍。

圖6 機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)排種質(zhì)量的影響曲線Fig.6 The influence curve of unit speed on seeding quality

3.4.3 真空度對(duì)排種質(zhì)量的影響

在固定其它參數(shù)固定不變的條件下,選取真空度3、4、5、6、7kPa等4個(gè)水平做單因素試驗(yàn),各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)如圖7、圖8所示。

圖7 真空度對(duì)平均成穴距離的影響曲線Fig.7 Curve of influence of vacuum degree on average cavitation distance

圖8 真空度對(duì)排種質(zhì)量的影響曲線Fig.8 The influence curve of vacuum degree on seed quality

由圖7可知:當(dāng)真空度由3kPa增大到7kPa時(shí),平均成穴距離由13.5cm增大到15.0cm,差異在1.5cm以內(nèi),變化不大,所以真空度對(duì)平均成穴距離的影響不顯著。

由圖8可知:隨著真空度的增大,合格率先上升后下降。因?yàn)楫?dāng)真空度較低時(shí),吸孔處產(chǎn)生的吸力較小,吸附的種子較少,漏播趨勢(shì)增加,致使漏播率升高;當(dāng)真空度增大時(shí),吸孔處產(chǎn)生的吸力也隨之增大,容易吸附多余的種子,重播趨勢(shì)增加,導(dǎo)致重播率升高。真空度為4～6kPa時(shí),合格率較高。

4 結(jié)論

1)排種盤(pán)作為排種器的核心部件,其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定播種質(zhì)量。通過(guò)理論分析,選取孔徑1.5mm,沿圓周方向成組分布,共36組,每組3個(gè)吸孔。

2)機(jī)組前進(jìn)速度越大,平均成穴距離越大。3～4km/h時(shí),平均成穴距離符合農(nóng)藝要求,機(jī)組前進(jìn)速度對(duì)播種合格率影響不明顯。

3)排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)平均成穴距離和播種合格率影響較為顯著,真空度對(duì)播種合格率影響比較明顯。排種軸轉(zhuǎn)速10～12r/min、真空度4～6kPa時(shí),播種質(zhì)量較好。