一種綠肥毛葉苕子種撒播機的設(shè)計

田德寶，廖結(jié)安

(1.北華大學(xué) 機械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2．塔里木大學(xué) 機械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

毛葉苕子(Vicia Villosa Roth)是一種耐寒、耐旱、耐瘠薄的優(yōu)質(zhì)綠肥，在種植毛葉苕子后既可以給土壤增肥也可以起到降低地表徑流防止土壤侵蝕的作用，毛葉苕子種養(yǎng)結(jié)合的方式，能夠促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)綠色健康可持續(xù)發(fā)展[1].毛葉苕子的旱地播種主要有人工種植、撒播和條播的方式，毛葉苕子的人工種植存在人工撒播不均及勞動強度大的缺點，造成綠肥減產(chǎn)和增大種植成本；毛葉苕子的條播要求為行距40～50 cm且采用耕翻后撒播，播深2～3 cm即可.播種毛葉苕子無論采用哪種方式播種后都需要耙平及鎮(zhèn)壓處理以保證其出苗率[1-2].

目前國內(nèi)外播種機種類繁多，針對不同種子特性具有專用播種機械或者通用型播種機械，能滿足中耕作物和某些蔬菜播種的農(nóng)藝要求[3].但是因為機械式播種機不適于高速作業(yè)，且對種子形狀要求較高、毀壞種子率較高，所以逐漸被風(fēng)力式播種機取代.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對氣流傳送裝置改善播種進(jìn)行了研究，從不同種子的物料特性、裝備的幾何形狀及尺寸等不同方面進(jìn)行了相關(guān)研究[4],主要在氣-固兩相流進(jìn)行大量數(shù)據(jù)研究實驗，分析裝置內(nèi)部流場分布和物料運動共性，盡量完善其結(jié)構(gòu)，使其具有良好的工作性能，使撒播種速度及質(zhì)量得以提升[5].本文主要采用流體力學(xué)的基本計算原理對撒播的種子在高壓氣體下的所需速度進(jìn)行反復(fù)驗證[6-7].在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了針對綠肥毛葉苕子種的專用撒播機，增大了毛葉苕子的播種速度，也減小了播種過程中對種子的傷害從而保證毛葉苕子種子的成活率.

1 綠肥毛葉苕子種撒播機結(jié)構(gòu)及工作原理

綠肥毛葉苕子種撒播機主要由旋耕機、高壓氣吹系統(tǒng)、排種系統(tǒng)、覆土系統(tǒng)、承重架、地輪及連接架等組成，見圖1.各主要部件尺寸參數(shù)，見表1.

由圖1及表1可知，綠肥毛葉苕子撒播機的總長度為2.5 m，播種幅寬為3.3 m，高度為1.5 m，最高播種速度為25 km/h.依據(jù)所選旋耕機最大寬幅為3 m，且毛葉苕子播種間隙距離為40～50 cm，因此設(shè)計播種系統(tǒng)總體長度為3.3 m，種箱兩端下料管之間距離為3 m，下料管與下料管之間距離設(shè)計為50 cm且可調(diào)節(jié).高壓氣吹系統(tǒng)安裝于旋耕機上，通過連接軸與旋耕機變速箱連接；承重架通過連接架與旋耕機連接；承重架上安裝有地輪和排種系統(tǒng)，地輪通過軸承螺紋固定于承重機架上；排種系統(tǒng)的種箱通過螺栓固定于承重架上，種箱內(nèi)部通過軸承螺紋安裝有下種器，下種箱底部下料口與噴種嘴連接；承重機架通過連接件與覆土輪連接.

(a)綠肥毛葉苕子種撒播機主視圖

(b)綠肥毛葉苕子種撒播機俯視圖圖1 撒播機主視圖及俯視圖

表1 撒播機主要部件尺寸參數(shù)

綠肥毛葉苕子種撒播機采用拖拉機提供動力并通過動力軸將拖拉機輸出力傳到旋耕機變速箱中，通過變速箱按照傳速比分別帶動旋耕刀和高壓氣泵工作.地輪在拖拉機的拖動下發(fā)生轉(zhuǎn)動，通過鏈輪鏈條帶動下種器工作，下種器按照設(shè)計要求將一定量的綠肥毛葉苕子種從料箱中下?lián)艿絿姺N嘴中，在高壓氣體帶動下一起撒播到土層中，同時覆土輪經(jīng)過將綠肥毛葉苕子種進(jìn)行覆蓋鎮(zhèn)壓.

2 氣流輸送速度

對于毛葉苕子種撒播機最重要的是氣流輸出速度的計算，如果氣流量過小無法將毛葉苕子種撒播到土層中，速度過大則可能會導(dǎo)致種子掩埋過深，因此合適的氣流速度對于撒播機具有重要意義，圖2為噴種嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)簡圖.

圖2 噴種管示意圖

設(shè)空氣速度為v，根據(jù)文獻(xiàn)[6]得

(1)

式中K1為物料粒度系數(shù)，查得K1=15；Ks為物料特性系數(shù)，一般取Ks=(2～5)×10-5；ρv為物料的密度，毛苕子ρv=297.8 kg/m3；l為輸送管道的長度m.

當(dāng)噴種管道長度l不超過50 mm時,Ksl可忽略不計.高壓風(fēng)管設(shè)計尺寸小于0.5 m，計算時忽略Ksl[5]，則帶入式(1)計算得v1=8.19 m/s.

考慮系統(tǒng)的密封性，計算出空氣速度需要增加10%的氣流量，即：

v=110%v1，

(2)

其中v1=8.19 m/s，由式(2)計算得v=9.009 m/s

取v=9.1 m/s.高壓泵輸送氣流速度v≥9.5 m/s時，便可以滿足要求，但我們要求高速氣流需要將種子射入土層0.5～2 m內(nèi)，因此要求空氣壓縮機提供的氣流速度必須達(dá)到強風(fēng)級別即v≥10.8 m/s才可以滿足需要.

3 排種系統(tǒng)設(shè)計

綠肥毛葉苕子種撒播機排種系統(tǒng)主要下種裝置包括：地輪、稱重機架、氣管、種箱支架、種箱、鏈輪鏈條、下種器、下種管、噴種管、噴種管支架等，如圖3所示.

圖3 排種裝置系統(tǒng)

如圖3所示，綠肥毛葉苕子種撒播機中最重要的為排種裝置，毛葉苕子種植行間隙由固定距離的噴嘴管決定，只需保證下種器均勻下種即可滿足要求.排種裝置動力來自地輪，需要地輪與下種器之間配合使用，因此在設(shè)計地輪直徑時充分考慮下種器的工作原理，保證在地輪轉(zhuǎn)動一周的時間段內(nèi)，下種器既要有良好的下種速度，同時也要保證均勻的下種量.

毛葉苕子撒播機地輪既是排種系統(tǒng)的動力源，也通過鏈輪鏈條與排種輪連接，是排種輪下種數(shù)量的依據(jù)，因此地輪的合理設(shè)計至關(guān)重要，圖4為地輪簡圖.

圖4 地輪簡圖

如圖4所示，依據(jù)撒播機最高撒播速度及現(xiàn)有地輪結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸，設(shè)計撒播機地輪直徑為300 mm，根據(jù)圓周公式可計算地輪周長為

C=2πr，

(3)

其中，地輪半徑r=0.15 m，由式(3)計算得C≈0.924 m.

地輪旋轉(zhuǎn)1周的播種次數(shù)k，取落地的第1顆種子與最后1顆種子之間距離為d=0.31 m，因此地輪轉(zhuǎn)動1周播種次數(shù)為：

(4)

由式(4)計算得k≈2.98，考慮播種實際整播種，假設(shè)地輪周長近似為1 m，可播種次數(shù)為k=3.

毛苕子種子質(zhì)量為25～30 g/1 000粒，為方便計算故取27.5 g/1 000粒毛苕子；單顆種子的大小為直徑1.2～2.3 mm，假設(shè)單顆毛葉苕子種子直徑為1.75 mm；毛葉苕子種1畝(1畝=666.67 m2)地的播種質(zhì)量為3～4 kg/畝，為計算方便取播種質(zhì)量為3.5 kg/畝；假設(shè)長為100 m寬為6.67 m，播種寬幅為3.3 m的撒播機共有7根下料管，剛好播種兩趟，由此可知播種1畝地所需要的種子質(zhì)量為2.5 g.

已知地輪旋轉(zhuǎn)1周下種3次，播種質(zhì)量為2.5 g，則播種器下種1次需要播種個數(shù)為：

(5)

式中，N為播種個數(shù)；m為每次播種質(zhì)量.由式(5)計算得N≈30.3，故取N=31個.

假設(shè)毛苕子種半徑為1.75 mm的圓,則可知單粒種子體積：

(6)

式中，V1為單顆毛葉苕子種體積.由式(6)計算得V1≈22.45 mm3.

由式(5)和式(6)聯(lián)立，可得下種器存種區(qū)體積：

V2=31V1，

(7)

由式(7)計算可知，下種器存種區(qū)體積V2=695.95 mm3.

如圖5所示，下種器等間距設(shè)計劃分3個存種區(qū)域，每個存種區(qū)體積為695.95 mm3.下種裝置的工作原理為地輪通過鏈輪鏈條等傳動比帶動下種器工作，地輪每轉(zhuǎn)動1周，下種器下料3次，每次下種量為31粒左右.地輪轉(zhuǎn)動速度越快，下種器同樣加快下種速度，從而大大提高了撒播機的工作效率及保證下種的均勻度.

圖5 下種器局部剖視圖

4 結(jié) 論

(1)綠肥毛葉苕子種撒播機最大特點是突破性地采用空氣壓縮機、旋耕機及播種機一體化設(shè)計，實現(xiàn)旋耕、撒播、覆土一體化作業(yè)，大大節(jié)約了播種時間和工作過程.

(2)毛葉苕子撒播機可一次性播種7行，播種幅寬為3.3 m，最高播種速度可達(dá)25 km/h，采用地輪等傳動臂帶動下種器工作，實現(xiàn)下種器下種速度與地輪轉(zhuǎn)動速度相一致，較大程度上保證撒播機高速工作下的播種均勻度.

(3)綠肥毛葉苕子種撒播機從根本上改變了綠肥毛葉苕子的播種現(xiàn)狀，具有播種均勻、撒播效率高、下種精確且不易堵塞的優(yōu)點，較大程度上節(jié)約種植時間，減輕了勞動者的勞動強度，提高了綠肥毛葉苕子的成活率，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)機械現(xiàn)代化的發(fā)展.