氣吹式排種器氣流輔助充種裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

楊春華，郝 勇，李軍宇，劉中峰

(山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西 太原 030006)

0 引言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中播種是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，播種的好壞決定了糧食是否會(huì)取得豐收，而播種的質(zhì)量如何又取決于播種機(jī)的性能質(zhì)量。播種機(jī)的核心部件是排種器，排種器的性能好壞直接影響播種質(zhì)量[1]。目前播種機(jī)的排種器分為機(jī)械式和氣力式，氣力式又分氣吸式和氣吹式。以播種玉米為例，國(guó)內(nèi)主要是勺輪機(jī)械式，國(guó)外幾乎是氣力式[2]。不論是機(jī)械式，還是氣力式，充種質(zhì)量是排種質(zhì)量的一個(gè)重要影響因素，甚至可以說(shuō)充種質(zhì)量直接決定了排種器的排種質(zhì)量[3-4]。氣吹式排種器具有非常優(yōu)良的性能，具有重播率低、漏播少、排種合格率高和不傷種等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)有的氣吹式排種器工作時(shí)，排種盤(pán)被驅(qū)動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)排種盤(pán)上的錐形孔轉(zhuǎn)到充種區(qū)的底端時(shí)，錐型孔內(nèi)會(huì)充入種子，種子是依靠自身重力和種子之間的摩擦力充入錐形孔的[5-6]。當(dāng)充入種子的錐孔轉(zhuǎn)到風(fēng)嘴下時(shí)，多余的種子被吹走，錐孔底部的種子被保留，錐孔內(nèi)種子的充填好壞，直接影響到風(fēng)嘴下清種的質(zhì)量，也代表排種效果如何[7-9]。種子只是依靠自身重力和種子之間的摩擦力充填錐孔，存在充填速度慢、充種效率低等問(wèn)題[6，8-9]。當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度低時(shí)，可以保證充填效果，當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速加快時(shí)，充填效果變差[10]。為了解決氣吹式排種器在充種過(guò)程中存在的以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)氣吹式排種器氣流輔助充種裝置，以提供間斷氣流的手段輔助提高充填合格率、充填性能和充種效率。

1 組成和結(jié)構(gòu)

氣吹式排種器主要由氣流輔助充種裝置、種箱、排種盤(pán)、排種器箱體、排種器箱體蓋、清種刀片、風(fēng)嘴、種子流調(diào)節(jié)板和排種軸等組成[11]。種箱與排種器箱體之間設(shè)有用來(lái)密封的橡膠墊，以防氣流流失，種箱下半部分為傾斜形狀，種子容易流動(dòng)到排種器箱體內(nèi)的充種區(qū)。排種器箱體內(nèi)又分有充種區(qū)和清種區(qū)等，是個(gè)不規(guī)則的精密鑄鋁件。排種盤(pán)垂直設(shè)置，直徑251 mm，中間開(kāi)有通孔并與排種軸相連，排種盤(pán)外圓周均勻布置了24個(gè)圓錐形孔，圓錐形孔的底部開(kāi)有3 mm的底孔，沿底孔一周開(kāi)有清種槽孔，清種刀片在排種口處經(jīng)過(guò)清種槽孔將錐形孔里的種子由錐形孔的底孔往外清出。通過(guò)調(diào)整種子流調(diào)節(jié)板的開(kāi)度，來(lái)控制排種器箱體充種區(qū)的種子量。排種器箱體蓋上設(shè)有出風(fēng)口，從風(fēng)嘴進(jìn)入排種器的氣流最后絕大部分從這個(gè)出風(fēng)口流出。

氣流輔助充種裝置由風(fēng)扇組件、進(jìn)氣管、上板、下板、左側(cè)板、右側(cè)板和柵欄條組成，風(fēng)扇組件由風(fēng)扇、風(fēng)扇軸和風(fēng)扇條形擋板組成，如圖1所示[12]。氣流輔助充種裝置位于氣吹式排種器充種箱腔體內(nèi)的底部，并且是沿著充種箱體底部的斜面進(jìn)行設(shè)置的。氣流輔助充種裝置的上板、下板、左側(cè)板和右側(cè)板通過(guò)固定連接形成矩形結(jié)構(gòu)，矩形結(jié)構(gòu)的上端與氣流的進(jìn)氣管相連接，矩形結(jié)構(gòu)的下端設(shè)置有使氣流均勻流出的柵欄條，同時(shí)可以阻擋種子進(jìn)入氣流輔助充種裝置的腔體。矩形結(jié)構(gòu)下端的柵欄條靠近氣吹式排種器內(nèi)的排種盤(pán)，與之相隔距離30 mm。氣流輔助充種裝置的風(fēng)扇組件位于矩形結(jié)構(gòu)內(nèi)的腔體中部，風(fēng)扇軸的兩端固定在氣流輔助充種裝置的左側(cè)板和右側(cè)板上，風(fēng)扇的中部具有與風(fēng)扇軸適配的中心孔，風(fēng)扇繞風(fēng)扇軸輕松轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)扇外壁上均勻分布著4個(gè)呈輻射狀形成的條形擋板，并形成十字形結(jié)構(gòu)。風(fēng)扇在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)風(fēng)扇條形擋板的外端面與氣流輔助充種裝置的腔體內(nèi)壁為間隙配合，風(fēng)扇軸與風(fēng)扇條形擋板均垂直于氣流的流動(dòng)方向。

2 工作過(guò)程及原理

種子從種箱進(jìn)入排種器箱體的充種區(qū)再進(jìn)入排種盤(pán)上的錐形孔里，排種盤(pán)在排種軸的驅(qū)動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)到清種區(qū)時(shí)，高速氣流從風(fēng)嘴流入排種盤(pán)上的錐形孔內(nèi)，流入錐形孔的氣流一小部分從錐形孔的底孔流出，其余大部分沿錐形孔壁折向流出。錐形孔內(nèi)的多粒種子，最底部的那顆種子在流入氣流和錐形孔底部流出氣流的壓力差，以及這顆種子上部折射氣流的作用下被牢牢壓向底部。當(dāng)錐形孔底部堵上了一顆種子時(shí)，流入錐形孔的氣流將在這顆種子上改變方向，沿錐形孔壁流出，這時(shí)多余的種子不論是在錐形孔內(nèi)的任何位置，都會(huì)隨著折射氣流飛出錐形孔。

1.進(jìn)氣管 2.種箱 3.左側(cè)板 4.右側(cè)板 5.風(fēng)扇軸 6.風(fēng)扇 7.上板 8.下板 9.柵欄條 10.排種盤(pán) 11.錐孔 12.腔體圖1 氣流輔助裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of air flow auxiliary device

氣流輔助充種裝置工作時(shí)，氣流從風(fēng)機(jī)出來(lái)大部分進(jìn)入氣吹式排種器的風(fēng)嘴，剩余的一部分進(jìn)入氣流輔助充種裝置的進(jìn)氣管，然后從進(jìn)氣管進(jìn)入氣流輔助充種裝置的腔體。進(jìn)入腔體內(nèi)的氣流經(jīng)過(guò)腔體內(nèi)中間位置的風(fēng)扇時(shí)，風(fēng)扇在氣流的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，由于風(fēng)扇的條形擋板間斷地隔斷氣流，從而使得氣流在經(jīng)過(guò)風(fēng)扇以后形成了一股一股的間隔氣流，形成的間隔氣流經(jīng)過(guò)柵欄條流出氣流輔助充種裝置的腔體，流入氣吹式排種器腔體的充種區(qū)。

種子靠重力從種箱進(jìn)入排種器腔體，堆積于氣流輔助充種裝置的上方及氣流輔助充種裝置與排種盤(pán)之間的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域是充種區(qū)，充種區(qū)的底部是個(gè)斜面。種子靠自身重力作用，通過(guò)充種區(qū)底部的斜面進(jìn)入排鐘盤(pán)上的錐形孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了充種。種子充填錐孔時(shí)，當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速處于低速時(shí)，充填效果還可以，當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速處于中速或高速時(shí)，充填效果就會(huì)變得越來(lái)越差。種子充填入錐形孔里，其分布狀態(tài)是任意的，概括起來(lái)有3種。第1種是錐形孔底部只存在一顆種子，這顆種子上疊加了被清走的種子，這種狀態(tài)是非常好的充填效果，多余的種子經(jīng)過(guò)風(fēng)嘴被清走，錐形孔內(nèi)只保留一顆種子。第2種是種子雖然進(jìn)了錐形孔，還沒(méi)來(lái)得及到達(dá)錐形孔底部時(shí)，已經(jīng)轉(zhuǎn)到了風(fēng)嘴下，這時(shí)錐形孔內(nèi)全部種子都被清走，這種充填效果很差。第3種是兩顆或三顆種子頂在錐形孔的中間位置，這種狀態(tài)有可能都被清走或都留在錐形孔內(nèi)，這種充填效果也不好。

當(dāng)間隔氣流進(jìn)入充種區(qū)，沿著氣吹式排種器充種區(qū)底部的斜面，將充種區(qū)底部的種子推向排種盤(pán)上的錐孔內(nèi)，由于是間隔氣流，在間隔期內(nèi)沒(méi)有輔助氣流作用的瞬間，充種區(qū)中部的種子流入到充種區(qū)底部，然后又被間隔氣流推向排種盤(pán)上的錐孔內(nèi)，就這樣充種區(qū)內(nèi)種子被一把一把地推向排種盤(pán)上的錐孔內(nèi)，從而提高了種子充填錐孔的速度。充種區(qū)底部的種子在間隔氣流的作用下，快速地充填錐孔，同時(shí)也帶動(dòng)和擾動(dòng)了充種區(qū)中部和頂部的種子，這樣充種區(qū)底部、中部和頂部的種子在氣流輔助充種作用下也變得輕快起來(lái)。

3 試驗(yàn)分析

2021年7月20日，在山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的JPS-12型排種器性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上分別做一般氣吹式排種器和具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器的試驗(yàn)。通過(guò)JPS-12型排種器性能檢測(cè)的控制臺(tái)，對(duì)風(fēng)壓、排種軸轉(zhuǎn)速、種子輸送帶等試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)定；通過(guò)JPS-12型排種器性能檢測(cè)的高速攝像機(jī)，對(duì)從排種器落到輸送帶黃油上種子的排列情況進(jìn)行成像取樣；最后通過(guò)JPS-12型排種器性能檢測(cè)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，獲得漏播指數(shù)、重播指數(shù)、粒距合格指數(shù)和排種合格指數(shù)等試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)上述的試驗(yàn)方法，選用玉米種子‘大豐30’為試驗(yàn)用種子，在1.0～1.5 kPa的風(fēng)壓區(qū)間內(nèi)，在不同的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速下獲得漏播指數(shù)、重播指數(shù)和排種合格指數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。設(shè)玉米株距為33 cm，取最小速度3.6 km/h，排種盤(pán)為24孔，即排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為7.5 r/min；取最大速度10.8 km/h，即排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為21 r/min。在最小轉(zhuǎn)速和最大轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，取8個(gè)數(shù)值，共計(jì)10個(gè)轉(zhuǎn)速，獲得10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。通過(guò)表1可以看出，具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器的漏播指數(shù)、重播指數(shù)和排種合格指數(shù)均明顯優(yōu)于一般氣吹式排種器。雖有個(gè)別在同樣的試驗(yàn)參數(shù)下一般氣吹式排種器的排種合格指數(shù)略高于具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器的排種合格指數(shù)，可能是試驗(yàn)中個(gè)別不確定的因素影響導(dǎo)致，屬于正?，F(xiàn)象。綜合分析，具有氣流輔助充種裝置的氣吹式排種器中的充種過(guò)程是積極的、主動(dòng)的，比一般氣吹式排種器表現(xiàn)良好。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of test data

4 結(jié)論

一般氣吹式排種器充種過(guò)程中，種子從排種器箱體的充種區(qū)進(jìn)入排種盤(pán)上的錐形孔時(shí)，會(huì)受到前進(jìn)方向上的加速度、減速度、排種盤(pán)的線速度、種子自重下流動(dòng)速度和各種摩擦力等因素的影響，相應(yīng)的充填效果也受到影響。僅僅只靠種子自身重力去克服上述的各種影響因素，達(dá)到合格的充填效果是不現(xiàn)實(shí)的。氣吹式排種器氣流輔助充種裝置的氣流，可以將充種箱體底部的種子一把一把地推向充種箱體側(cè)面排種盤(pán)上的錐孔內(nèi)，有助于種子快速填充進(jìn)錐孔內(nèi)，從而提高了充種的效率。采用間斷性氣流吹送種子，有助于使種子順序充填進(jìn)排種盤(pán)上的錐孔內(nèi)，達(dá)到充填合格率高的效果。輔助充種氣流使得充種區(qū)內(nèi)的所有種子變得輕快，提高了種子充填的性能。