氣吸式谷子穴播排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

朱佳駿，劉 軍，傅永斌，奚玉銀

（1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071000；2.張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河北 張家口 075000）

谷子是起源于我國(guó)的1 種傳統(tǒng)特色作物，數(shù)千年來一直作為我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)的主栽作物之一。2017 年我國(guó)谷子播種面積約為146.67 萬 hm2，其中在河北、山西、內(nèi)蒙古等地的種植面積較往年增加約為20%［1-3］。目前我國(guó)谷子播種大多采用條播方式，其生產(chǎn)成本高，工作效率低，間苗勞動(dòng)強(qiáng)度大，而采用穴播則具有可以準(zhǔn)確控制播種間距、出苗后長(zhǎng)勢(shì)均勻、田間分布整齊、避免谷種浪費(fèi)節(jié)約人力資源等優(yōu)點(diǎn)。目前在我國(guó)北方地區(qū)采用穴播種植方式取得了較好的效果，穴播是將來谷子種植方式發(fā)展的1 種趨勢(shì)，但傳統(tǒng)谷子穴播播種機(jī)的播種質(zhì)量較低，播種穴距合格率約為80%，穴粒數(shù)合格率約為75%，因此如何實(shí)現(xiàn)谷子精量穴播是谷子播種作業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)［4-5］。

排種器是播種裝備的核心部件，由于谷子存在質(zhì)量輕、體積小、易損傷、易堵塞等問題，目前多采用氣吸式排種器進(jìn)行谷子播種，該類排種器以氣流為載體完成播種，其對(duì)谷種損傷較小，浪費(fèi)較少。但存在清種結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本較高、種盤型孔易堵塞等問題［6-9］。因此，谷子氣吸式排種仍是國(guó)內(nèi)外精密排種器研究的重點(diǎn)［10-12］。針對(duì)谷子由于自身特性而不易實(shí)現(xiàn)精量播種的問題，本研究設(shè)計(jì)了1種氣吸式谷子精量穴播排種器，以解決傳統(tǒng)谷子條播排種器造成的田間出苗雜亂及出苗后間苗工作繁瑣的問題，滿足谷子種植農(nóng)業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)精量播種。

1 排種器組成結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 排種器組成結(jié)構(gòu)

本研究所設(shè)計(jì)的氣吸式導(dǎo)輪型排種器主要由導(dǎo)種輪殼體、導(dǎo)種輪、氣室體、排種盤、充種室、排種器長(zhǎng)軸、短軸等部件組成，如圖1 所示。充種室位于排種盤右側(cè)，氣室體位于排種盤左側(cè)，充種室與氣室體通過螺栓固定，將排種盤夾在兩者之間起到密封作用。導(dǎo)種輪位于排種盤下方，導(dǎo)種輪殼體將導(dǎo)種輪包裹，用以保護(hù)導(dǎo)種輪，排種器長(zhǎng)軸和短軸分別安裝于排種盤中心孔和導(dǎo)種輪中心孔，驅(qū)動(dòng)排種盤和導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 氣吸式導(dǎo)輪型谷子精量排種器組成結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Schematic diagram of the structure of the suction type guide wheel type millet precision seed metering device

1.2 排種器的工作原理

排種器長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過鏈條傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)。種子依次經(jīng)過充種區(qū)、吸種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、落種區(qū)、接種區(qū)、導(dǎo)種區(qū)和投種區(qū)。當(dāng)谷種投入充種區(qū)后，氣室體內(nèi)負(fù)壓將谷種吸附在排種盤型孔上隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過清種區(qū)時(shí)排種盤上多余的谷種被清種刀剔下，并重新落入充種區(qū)內(nèi)等待下一次吸種。此后谷種均勻地被吸附在排種盤上，經(jīng)攜種區(qū)到達(dá)落種區(qū)落入導(dǎo)種輪上的接種區(qū)中，經(jīng)導(dǎo)種區(qū)到達(dá)投種區(qū)落下投種。同時(shí)在排種過程中堵塞在型孔中的種皮等雜質(zhì)經(jīng)過清種區(qū)后被清理干凈，至此排種器完成播種過程，實(shí)現(xiàn)精量、穩(wěn)定播種。排種器工作原理如圖2 所示。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of seed metering device

2 排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 排種盤的設(shè)計(jì)

2.1.1 排種盤整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì) 排種盤是排種器結(jié)構(gòu)中的的關(guān)鍵部件，而排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)的重要因素之一就是排種盤的整體尺寸參數(shù)。其主要參數(shù)有種盤直徑D和型孔中心距種盤中心距離R。因此，建立充種時(shí)間與種盤型孔中心位置間方程如公式（1）所示。

整理上式可得：

式中t為充種時(shí)間，s；L為充種區(qū)弧長(zhǎng)，mm；α為充種區(qū)弧度，rad；ω為排種器轉(zhuǎn)速，r/min。

由公式（2）可知，充種時(shí)間僅與充種區(qū)弧度和排種盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，與排種盤直徑大小無關(guān)。但若種盤直徑較小，則種盤吸種型孔數(shù)量會(huì)減少，在排種轉(zhuǎn)速增大時(shí)會(huì)造成充種時(shí)間過短，充種不完全；若種盤直徑較大，則排種器整體結(jié)構(gòu)過大，風(fēng)機(jī)功率損耗增加，且對(duì)氣室體密封性的要求更為嚴(yán)格。通過查閱相關(guān)資料可知［13］，現(xiàn)有垂直圓盤氣吸式排種器種盤直徑一般為140 ～260 mm，經(jīng)過研究分析并驗(yàn)證后，取排種盤直徑為210 mm，型孔中心與種盤中心距離為95 mm，此時(shí)充種效果較好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.2 排種盤厚度的設(shè)計(jì) 若排種盤厚度較大，則型孔附近負(fù)壓不穩(wěn)，使谷種不易被均勻地吸附在排種盤上。本文所采用304 不銹鋼板作為排種盤材料，利用高精度數(shù)控激光切割機(jī)實(shí)現(xiàn)板上打孔。因此，若排種盤厚度較小則加工時(shí)會(huì)受熱導(dǎo)致排種盤整體平面度變差，影響吸種效果，排種盤厚度較大則會(huì)影響加工精度。經(jīng)查閱相關(guān)資料文獻(xiàn)后，最終確定排種盤厚度設(shè)計(jì)為1.5 mm 時(shí)排種效果最佳。

2.1.3 吸種型孔孔徑的設(shè)計(jì) 本文排種盤型孔設(shè)計(jì)采用圓柱直孔。由于型孔孔徑是影響吸種效果的關(guān)鍵因素，若型孔直徑較小，會(huì)導(dǎo)致對(duì)谷種吸附力不足；型孔直徑較大，會(huì)導(dǎo)致部分小粒谷種卡于型孔內(nèi)或部分型孔一孔多吸。因此，型孔直徑的選擇應(yīng)嚴(yán)格按谷種外形尺寸確定，通常按經(jīng)驗(yàn)公式［14-15］（3）確定型孔直徑：

式中d為吸種型孔直徑，mm；A為谷種等效平均直徑，mm。

本文采用‘張雜5 號(hào)’谷種進(jìn)行試驗(yàn)。通過利用游標(biāo)卡尺對(duì)試驗(yàn)谷種外形尺寸進(jìn)行測(cè)量和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)該谷種的平均直徑和球形度均近似呈正態(tài)分布，因此根據(jù)多次測(cè)量結(jié)果，取谷種的等效平均直徑為1.52 mm，并帶入公式（3），得d=（0.97 ～1.00） mm，因此，吸種型孔孔徑取1.00 mm。

2.1.4 吸種型孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 當(dāng)穴距與播種機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，排種盤上吸種型孔數(shù)量與排種盤轉(zhuǎn)速成反比。因此型孔數(shù)量越多越有利于氣吸式排種器的吸種性能，但是若吸種型孔數(shù)量較多且分布較為密集，則會(huì)出現(xiàn)大量一孔多吸的現(xiàn)象，造成排種器重播故障。故本文所設(shè)計(jì)排種盤型孔排列方式為每6 孔為1 組，采用縱橫排列方式，沿排種盤圓周方向均勻分布。但吸種型孔組數(shù)受種盤直徑大小和谷子尺寸的限制，其關(guān)系為

式中N為型孔組數(shù)；R為型孔中心距種盤中心距離，mm；l為排種盤上相鄰吸種型孔組心間的弧長(zhǎng)，mm；L為谷種長(zhǎng)度最大值，mm。

由于吸種型孔組心距種盤中心距離R=95 mm，谷種長(zhǎng)度最大值Lmax=2.10 mm。帶入公式（4）可得，型孔組數(shù)最大值N=16.7，因此取排種盤上吸種型孔組數(shù)設(shè)計(jì)為16 組。排種盤示意圖如圖3 所示。

圖3 排種盤示意圖Fig.3 Schematic diagram of seeding tray

2.2 氣室體的設(shè)計(jì)

氣室體通過連接風(fēng)機(jī)為排種器提供負(fù)壓，使充種室內(nèi)的谷種被吸附在排種盤上進(jìn)行排種。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上氣室體與排種盤、充種室、密封圈等零部件配合完成吸種、攜種、投種過程。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4 所示。

2.2.1 負(fù)壓風(fēng)機(jī)接口位置的設(shè)計(jì) 氣吸式排種器通過負(fù)壓風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓使谷種被吸附在排種盤上，因此負(fù)壓風(fēng)機(jī)接口位置的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)谷種的吸附效果產(chǎn)生直接影響。為合理選取負(fù)壓風(fēng)機(jī)接口位置，本文設(shè)計(jì)該位置與水平方向夾角分別為0°、45°、90°，并設(shè)定真空負(fù)壓為-1.8 kPa 進(jìn)行試驗(yàn)，利用數(shù)字壓差計(jì)檢測(cè)各處型孔負(fù)壓值。為便于觀察型孔端面壓力變化，對(duì)16 組型孔沿逆時(shí)針方向進(jìn)行編號(hào)，其中1#～12#完全處于真空狀態(tài)中，13#～16#處于大氣壓中，型孔編號(hào)如圖5 所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)負(fù)壓風(fēng)機(jī)接口位于0°時(shí)，充種區(qū)內(nèi)型孔端面壓強(qiáng)波動(dòng)明顯，不利于充種；當(dāng)負(fù)壓風(fēng)機(jī)接口位于90°時(shí)，氣流流場(chǎng)壓力均勻度較好，但在充種區(qū)其壓力較0°和45°小，不利于充種，并且投種區(qū)壓力值保持較大不利于落種。因此，綜合考慮將負(fù)壓風(fēng)機(jī)接口位置設(shè)置于其與水平方向成45°夾角處。

圖5 型孔編號(hào)Fig.5 Type hole number

圖6 不同風(fēng)機(jī)接口位置下各型孔處負(fù)壓值Fig.6 Negative pressure values at various holes at different interface positions

2.2.2 落種區(qū)角度的設(shè)計(jì) 在排種工作中谷種到達(dá)落種區(qū)，依靠慣性和自身重力作用落入導(dǎo)種輪進(jìn)行投種。因此以谷種質(zhì)心為原點(diǎn)，建立種子運(yùn)動(dòng)軌跡直角坐標(biāo)系，分析谷種下落過程。落種過程分析圖如圖7 所示。

圖7 落種過程分析圖Fig.7 Analysis diagram of planting process

設(shè)種子在投種點(diǎn)切線方向速度為V，則種子的運(yùn)動(dòng)軌跡為：

因此谷種由落種區(qū)投入接收區(qū)的條件為：

式中R1為排種盤半徑，mm；β為排種盤投種角度，°；d為谷種等效直徑，mm；t為谷種下落時(shí)間，s。根據(jù)本文設(shè)計(jì)要求可知，機(jī)組平均前進(jìn)速度V平=5 km/h，播種穴距X穴=10 cm，R1=105 mm，R=95 mm，d=2 mm，將以上參數(shù)帶入公式（5）和（6）得到滿足落種條件的最小角度β值約為15°。故排種器落種區(qū)和接種區(qū)的最小設(shè)計(jì)角度均為15°。

2.3 導(dǎo)種裝置的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)輪式導(dǎo)種裝置與排種盤通過鏈條實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)谷種隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)至落種區(qū)后，谷種在重力作用下落入導(dǎo)種裝置的接種區(qū)，并隨導(dǎo)種輪經(jīng)導(dǎo)種區(qū)穩(wěn)定地到達(dá)投種區(qū)，完成精量排種工作。該導(dǎo)種裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖8 所示。

圖8 導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of the structure of the seed guide device

2.3.1 導(dǎo)種輪參數(shù)及鏈輪齒數(shù)的設(shè)計(jì) 為滿足谷子穴播4 ～6 粒的要求，排種盤上每組型孔吸附的谷種應(yīng)全部落入導(dǎo)種輪上的每個(gè)穴腔中。即在單位時(shí)間t內(nèi)，排種盤轉(zhuǎn)過的型孔組數(shù)應(yīng)和導(dǎo)種輪穴腔轉(zhuǎn)過的數(shù)量相同，因此可得：

整理上式得：

式中M為排種盤上型孔組數(shù)；N為導(dǎo)種輪穴腔數(shù)；ω為排種盤轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；ω1為導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)數(shù)，r/min；i為鏈輪傳動(dòng)比；W1為排種器長(zhǎng)軸鏈輪齒數(shù)；W2為導(dǎo)種輪短軸鏈輪齒數(shù)。因此，由式（8）可知導(dǎo)種輪穴腔數(shù)只與傳動(dòng)鏈輪齒數(shù)有關(guān)。導(dǎo)種輪直徑D、穴腔數(shù)N與落種弧長(zhǎng)S的關(guān)系為：

由式（9)可知，N越大時(shí)落種弧長(zhǎng)S越小，則越不利于落種；D越大時(shí)落種弧長(zhǎng)S越大，則越有利于落種，但增大導(dǎo)種輪直徑D會(huì)使排種器整體結(jié)構(gòu)變大；因此經(jīng)綜合考慮，最終設(shè)定D=180 mm，N=16，W1=W2=24。

2.3.2 投種區(qū)角度的設(shè)計(jì) 當(dāng)位于導(dǎo)種輪穴腔內(nèi)的谷種運(yùn)動(dòng)到投種區(qū)后，種子在慣性作用下被投出，因此投種區(qū)開口角度的設(shè)計(jì)尤為重要。若投種區(qū)角度較小，則易造成由投種區(qū)落入地面的種子跳入相鄰穴腔內(nèi)，影響穴粒數(shù)合格率；若投種區(qū)角度較大，則種子落下時(shí)呈不規(guī)則分布，影響播種穴距合格率。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)投種區(qū)角度為15°、30°、45°，并設(shè)定真空負(fù)壓值為-1.8 kPa,排種器轉(zhuǎn)速為21 r/min 進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)連續(xù)排種300穴并進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，通過檢測(cè)各角度下的平均穴粒數(shù)合格率和平均穴距合格率來選取最優(yōu)投種區(qū)角度，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 各角度下排種性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Seeding performance test results at various angles

由試驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)投種區(qū)角度為30°時(shí)，其平均穴粒數(shù)合格率和平均穴距合格率相對(duì)較高，排種效果較好。因此，綜合考慮投種區(qū)角度設(shè)計(jì)為30°。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)材料 試驗(yàn)材料采用‘張雜谷5 號(hào)’谷種，其千粒重平均值為3.26 g，原始破損率0.06%。

試驗(yàn)設(shè)備采用JPS-12 試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)時(shí)將排種器固定在JPS-12 試驗(yàn)臺(tái)上，通過試驗(yàn)臺(tái)可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器運(yùn)轉(zhuǎn)，并且試驗(yàn)臺(tái)調(diào)速風(fēng)機(jī)為排種器氣室體提供負(fù)壓環(huán)境。由于排種器固定不動(dòng)且種床帶相對(duì)于排種器運(yùn)動(dòng)，因此，種床帶移動(dòng)速度可視為播種機(jī)在地面的前進(jìn)速度。臺(tái)架試驗(yàn)照片如圖9 所示。

圖9 JPS-12 試驗(yàn)臺(tái)臺(tái)架試驗(yàn)圖Fig 9 JPS-12 test bench test diagram

3.1.2 試驗(yàn)方法 為研究不同作業(yè)狀態(tài)對(duì)該排種器排種性能的影響，根據(jù)《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》［16］和《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》［17］的要求，設(shè)定谷子播種穴距為150 mm，利用JPS-12 試驗(yàn)臺(tái)單次連續(xù)采集不同作業(yè)狀態(tài)下的300 穴谷種，進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)。分別測(cè)得各作業(yè)狀態(tài)下的穴距合格指數(shù)，漏播指數(shù)、重播指數(shù)，并統(tǒng)計(jì)3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均穴距合格指數(shù)，漏播指數(shù)、重播指數(shù)，從而得到該排種器的整體排種性能。

3.1.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析 通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，可得各作業(yè)狀態(tài)下排種性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各作業(yè)狀態(tài)下排種性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Seeding performance test results under various operating conditions

由表2 可知，在設(shè)定谷子播種穴距恒定時(shí)，隨著機(jī)組前進(jìn)速度的增加，穴距合格指數(shù)和重播指數(shù)逐漸降低，漏播指數(shù)逐漸升高。并且在中速（5 km/h）作業(yè)狀態(tài)下，平均穴距合格指數(shù)不低于90%，平均重播指數(shù)和平均漏播指數(shù)均不高于5%。因此為了保證電控排種器在正常工作的前提下?lián)碛休^高的排種性能和效率，應(yīng)使機(jī)組在中速（5 km/h）作業(yè)狀態(tài)下勻速前進(jìn)。

3.2 田間試驗(yàn)

盡管臺(tái)架試驗(yàn)操作方便，各項(xiàng)條件可控性好，但是并不能完全模擬工作環(huán)境復(fù)雜的田間試驗(yàn)，因此，為了驗(yàn)證該氣吸式谷子精量穴播排種器設(shè)計(jì)的合理性和臺(tái)架試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，還需對(duì)排種器各項(xiàng)排種性能進(jìn)行田間試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)方法 當(dāng)拖拉機(jī)在各作業(yè)狀態(tài)下行駛至穩(wěn)定后，每次試驗(yàn)均隨機(jī)選取連續(xù)300 穴谷種進(jìn)行測(cè)量各作業(yè)狀態(tài)下的穴距合格指數(shù)，漏播指數(shù)、重播指數(shù)，并進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，最終統(tǒng)計(jì)得出3 次重復(fù)試驗(yàn)的平均穴距合格指數(shù)，漏播指數(shù)、重播指數(shù)［56-57］，從而檢測(cè)該電控排種器在田間工作時(shí)的排種性能。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析 通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)匯總，可得各作業(yè)狀態(tài)下排種性能田間試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 各作業(yè)狀態(tài)下排種性能田間試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Field test results of seeding performance under various operating conditions

由表3 可知，該排種器在中速作業(yè)狀態(tài)下排種性能最好，其穴距合格指數(shù)為89.22%，重播指數(shù)為4.33%，漏播指數(shù)為4.56%；在隨機(jī)加減速作業(yè)狀態(tài)下排種性能最差，其穴距合格指數(shù)為80.56%，重播指數(shù)為7.89%，漏播指數(shù)為11.78%。但相較于臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，該排種器在各作業(yè)狀態(tài)下的排種性能均略有下降，其主要原因是拖拉機(jī)在田間行駛時(shí)會(huì)由于路況不佳而使得排種器受到顛簸振動(dòng)，從而導(dǎo)致各項(xiàng)排種性能整體下降。

根據(jù)NY/T1823—2009《溫室蔬菜穴盤精密播種機(jī)技術(shù)條件》關(guān)于精密播種機(jī)作業(yè)性能指標(biāo)的規(guī)定：穴距合格指數(shù)≥80%，重播指數(shù)≤5%，漏播指數(shù)≤5%。可以得出該排種器在中速作業(yè)狀態(tài)下的各項(xiàng)排種性能指標(biāo)均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，為保證該排種器高效穩(wěn)定的運(yùn)行，應(yīng)使機(jī)組以中速狀態(tài)在田間勻速行駛。

4 結(jié)論

（1）通過對(duì)本文設(shè)計(jì)的氣吸式谷子精量穴播排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)分析，得出各部分最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)，從而使該排種器具備穩(wěn)定可靠的精量排種性能。

（2）通過排種器臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)表明，該排種器在中速作業(yè)狀態(tài)下排種效果最佳，其穴距合格率為89.22%；重播率為4.33%；漏播率為4.56%。因此該排種器可實(shí)現(xiàn)谷子的精量播種，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)藝農(nóng)機(jī)的要求。