气吸式播种机气力系统研究

苏 微，王福林，陈海涛，赖庆辉

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

气力系统是气吸式播种机的关键部分，主要包括气吸式排种器、气管和风机。气吸式精密排种器优点是对种子要求不严，不伤种，不需精选分级，排种性能好，能适应较高速的播种作业。气吸式排种器的排种机理一直是国内外学者研究的热点。Jafari Far等研究人员对排种盘的转速、型孔直径、真空度等因素对排种质量的影响进行了研究[2－6]；中国农机研究院李林、吉林农业大学盛江源、新疆农业大学杨宛章、中国农业大学庞昌乐和黑龙江省农业机械科学研究院谢宇峰等研究了气吸式排种器的排种理论以及排种盘厚度、型孔直径、真空度等主要参数对播种合格指数的影响规律[7－11]；但以上研究人员未对风量及播种机气力系统进行研究。本文将对此问题开展研究。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用种籽为大豆，粒径尺寸5～8 mm，千粒重为166.7 g，自然休止角25°。

1.2 仪器设备及方法

仪器设备：JPS－12计算机视觉精密排种器性能检测试验台（种距测量精度：±2 mm；种床带速度：3.6～12 km·h－1）和加野KA31型热敏式风速仪（风速测量范围：0～50 m·s－1；精度：±2%）。

排种试验和风量试验均在JPS－12计算机视觉精密排种器性能检测试验台进行，如图1所示。风速仪探头的安装位置如图2所示。理论株距为6.7 cm。试验按照GB6973－1986,“单粒（精密）播种机试验方法”进行排种器性能试验和检定。

图1 试验场景Fig.1 Experiment scene

图2 风速仪安装位置Fig.2 Sketch of mounted position for anemometer

风量的测定：利用风速仪测定出风速v，按照下式进行计算。

其中，D－通风管直径，0.035 m。

2 结果与分析

2.1 气室真空度和作业速度对播种合格率的影响

气室真空度和作业速度对播种合格率影响如图3所示。由图3可知，在同一真空度下，随着作业速度的升高，播种合格率均呈降低趋势。气室真空度为3和4 kPa时，作业速度由4 km·h－1增至9 km·h－1时，播种合格率由97%降至91%，由于作业速度增大，排种盘的转速增加，种子的惯性离心力增大导致大豆种子脱落，播种合格率下降；气室真空度为5 kPa时，作业速度由4 km·h－1增至9 km·h－1时，播种合格率由97%降至94%，播种合格率略有下降；气室真空度为6 kPa时，作业速度由4 km·h－1增至9 km·h－1时，播种合格率由94.5%降至90%，由于气室真空度较高，排种孔上吸附的种子数为1个以上，导致重播率上升，播种合格率下降；可知当气室真空度为5 kPa时，播种合格率下降趋势最缓，是较合适的真空度。

图3 真空度和作业速度对播种合格率的影响Fig.3 Effect of qualification percent on vacuum degree and operating speed

2.2 气室真空度和作业速度对漏播率的影响

气室真空度和作业速度对漏播率的影响如图4所示。由图4可知，当作业速度小于6 km·h－1时，气室真空度由3 kPa增至6 kPa时，对漏播率的影响较小，漏播率均在1.5%～2.5%之间，表明作业速度较低时，气室真空度对漏播率影响较小；当作业速度由6 km·h－1增加至9 km·h－1时，随着气室真空度的增加，漏播率呈上升趋势，气室真空度为3和4 kPa时，漏播率从2%增加到6.5%，上升趋势明显，说明随着排种盘的转速增加，惯性力增大，真空度小于4 kPa时，种子与种盘的吸附力小，种子从排种盘上脱落，导致漏播率下降；气室真空度为5和6 kPa时，漏播率从2%增加到3.5%，上升趋势不明显，略有上升，表明虽然作业速度增大，排种盘转速增加，同时惯性力增大，但由真空度为5和6 kPa产生的负压足可以使种子脱落的可能性较小，保证漏播率小于3.5%。

综合各真空度对播种合格率和漏播率的影响，可以看出，对于播种合格率而言，当真空度为4和5 kPa时，播种合格率在91%至97%之间，优于真空度为3和6 kPa，达到了排种器优等品的标准；对于漏播率而言，当真空度为5和6 kPa时，漏播率在1%至3.5%之间，优于真空度为3和4 kPa；可知，气室真空度为4、5和6 kPa时，确保了播种合格率大于90%，漏播率小于6%，保持良好的工作性能，考虑到在实际播种作业的振动影响，选定了5和6 kPa的气室真空度为较优的真空度。

图4 真空度和作业速度对漏播率的影响Fig.4 Effect of miss percent on vacuum degree and operating speed

2.3 风量的研究

由于真空度为5和6 kPa时，排种器在播种大豆工作性能较好，测量了在5和6 kPa真空度下随作业速度变化风量的变化情况，见图5。由图5可知，排种器的风量随着作业速度的略有上升的趋势；当气室真空度为5 kPa时，随着作业速度增加，排种器的风量由 7.4×10－3m3·s－1增至 8.0×10－3m3·s－1；当气室真空度为 6 kPa时，随着作业速度增加，排种器的风量由 8.0×10－3m3·s－1增至8.8×10－3m3·s－1。

图5 风量曲线Fig.5 Curve of air flow

2.4 真空度和风量特性曲线

以10行气吸式大豆窄行密植平作高速精密播种机为例，设计了播种机风管的布置形式，布置简图如图6所示，气力系统主要由主风管、排种器、支风管和风机组成。

图6 10行气吸式播种机气力系统布置Fig.6 Arrangement sketch of pneumatic system for 10-rows vacuum planter

10行气吸式播种机风量Q为：

Q=kQ1N

式中，k－泄漏系数，这里取1.05；Q1－一个排种器所需风量，由图5可得；N－排种器个数，这里取10。

10行气吸式播种机真空度p为：

p=p1+p2+p3

式中，p1－一个排种器所需真空度，取5 000～6 000 Pa；p2－沿程压力损失（Pa）；p3－局部压力损失（Pa）。

式中，λ－阻力系数，值约为0.01－0.03，这里取0.02；L－管子长度（m）；d－管子内径（m）；v－管内气体流速（m·s－1）。

式中，γ－空气比重（kg·m－3）；v1－小管中的平均速度（m·s－1）；v2－大管中的平均速度（m·s－1）。

通过以上公式，计算并绘制了10行气吸式播种机气力系统的真空度和风量特性曲线如图7所示。由图7可知，真空度的较优范围应在5.1 kPa至 6.2 kPa，风量在 7.5×10－2m3·s－1至 9.28×10－2m3·s－1。

图7 真空度和风量特性曲线Fig.7 Characteristic curve of air flow and vacuum

3 结论

通过对气吸式播种机气力系统的研究，得到了当作业速度在4～9 km·h－1时，排种器气室真空度为5、6 kPa，排种器的播种合格率大于90%，漏播率小于6%，保证了良好的作业性能，测定了气室真空度为5 kPa时，排种器的风量为7.4×10－3～8.0×10－3m3·s－1；真空度为 6 kPa时，排种器的风量为8.0×10－3～8.8×10－3m3·s－1，给出了 10行气吸式播种机气力系统的真空度和风量特性曲线，为气吸式播种机作业性能的提高和风机参数确定提供依据。

[1]张德文,李林,王惠民.精密播种机械[M].8版.北京:农业出版社,1982:25,73.

[2]Shearer S A,Holms R G.Precicion seed meeting with a sunmerged turbulent Air－jet[J].Transaction of the ASAE,1991,34(3):781－786.

[3]Jafari F J,Upadhyaya S K.Development and filed evaluation of a hydropeumatic planter for primed vegetable seeds[J].Transactions of the ASAE,1994,37(4):1069－1075.

[4]Guarella P,Pellerano A,Pascuzzi S.Experimental and theoretical performance of a vacuum seeder nozzle for vegetable seeds[J].J Agric Engng Res,1996,64:29－36.

[5]Karayl D,Barat Z B,Ozmerzi a.Mathematical modelling of vacuum pressure on a precicion seeder[J].Biosystems Engnineering,2004,87(4):437－444.

[6]Singh D C,Singh G,Saraswat D C.Optimization of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting cottonseeds[J].Biosystems Engnineering,2005,92(4):429－438.

[7]李林.气吸式排种器理论及试验的初步研究[J].农业机械学报,1979,10(3):56－63.

[8]盛江源,田宏炜,高玉林,等.吸盘式排种器几个基本参数的试验研究[J].农业机械学报,1989(3):102－104.

[9]杨宛章,孙学军,康秀生,等.气吸式播种机种子吸附过程研究[J].新疆农业大学学报,2001,24(4):49－53.

[10]庞昌乐,鄂卓茂,苏聪英,等.气吸式双层滚筒水稻播种器设计与试验研究[J].农业工程学报,2000,16(5):52－55.

[11]谢宇峰,陈立东,许剑平.单盘双条气吸式排种器的设计[J].农机化研究,2008(12):71－74.