气吹供种的滚筒式排种器的设计研究

马亚朋，高　捷，胡　斌，孙兴冻，李　阳

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000)



气吹供种的滚筒式排种器的设计研究

马亚朋，高捷，胡斌，孙兴冻，李阳

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000)

摘要：针对单穴单粒精量播种的农艺要求，设计了一种基于气流悬浮理论供种的滚筒式排种器。同时，利用三维软件建模，设计出排种器的总体结构，介绍了其工作原理及主要工作部件的结构参数，并搭建了排种器台架式试验台。试验验证表明：该排种器可以满足精量播种的设计要求，平均单粒指数为93.04%，平均多粒率为5.01%，平均漏播为1.59%。该研究为精量排种器的进一步设计研究和参数优化提供了新思路和理论依据。

关键词：精量排种器；滚筒式；气吹供种

0引言

精密排种器具有节省良种、不用间苗、田间植株分布均匀、可实现合理密植及利于苗期生长的优点，同时还有省时、省工及增产的效应。因此，精密排种器的研究已成为当今趋势，而排种器恰是精密播种机的关键部件。精密排种器播种质量的好坏主要取决于排种器的技术水平和性能。精密排种器按其工作原理可分为机械式和气力式[1]。气力技术以空气作为动力提供介质，具有取材容易、设备简单、造价低廉、环保节能及控制方便等优点[2]。同时，气力式播种机对种子形状和尺寸要求不严，无需精选分级，伤种少，易达到单粒点播，在农作物精量播种中应用广泛[3]。基于以上气力式排种器的优点，本文研制了一种利用空气作为介质使种子“沸腾”，借助压力差而实现吸种、清种、护种、投种的气吹供种滚筒式排种器。

1总体结构与工作原理

1.1总体结构方案设计

排种器试验台主要由电机、变频器、输送带、种箱、种箱供种板、种子、吸种滚筒、滚筒机架、穴盘、输送带机架、旋涡气泵、负压供气管、正压供气管、调节阀等部件组成，如图1所示。

1.电机　2.输送带　3.种箱　4.供种板　5.种子

1.2工作原理

工作时，变频器调整电机通过链传动带动输送带转动和滚筒顺时针转动,使其在同速状态下运转；旋涡气泵的负压供气管与支撑滚筒的负压轴连接，正压供气管与供种板下方的正压室连接；负压供气管往滚筒内腔内通负压，滚筒表面吸孔同负压相通，正压供气管往正压室内通正压，此时种箱内供种板上的种子在正压的作用下“沸腾”跳动；随着滚筒的转动，当吸种孔经过供种装置时，种子在吸种孔两侧负压差的作用下被吸附在吸种孔上，并随滚筒一起转动；随着滚筒的继续转动，当经过滚筒刷时，把吸种孔处多余的种子清理回种箱；当滚筒同一母线上的种子转到滚筒正下方对应穴盘孔位置时，随着负压的减弱，种子在气流与自身重力的作用下落入苗盘的穴孔中，完成投种过程。气吹供种的滚筒式排种器的整个工作过程可分为取种、清种、护种、投种4个阶段。

2主要工作部件参数设计

2.1滚筒式排种器的设计

滚筒式排种器是气吹供种滚筒式排种器的核心部件，主要由通负压的空心轴、带方形座的调心轴承、滚筒侧盖、滚筒及O型密封圈等组成，其结构示意图如图2所示。

1.空心轴　2.带方形座轴承　3.滚筒侧盖　4.自攻丝

其中，空心轴周向开四列线型排列的条形通气槽。为了保证滚筒安装密封性，滚筒侧盖和滚筒是紧配合，在接触周向采用自攻螺钉连接并涂密封胶；轴承座通过螺栓连接固定在滚筒侧盖上与滚筒形成联动；为避免侧盖孔、轴、和轴承座之间间隙，在轴上安装O型密封圈。工作时，空心轴安装在机架上固定不动，链轮带动滚筒转动。

2.1.1滚筒直径的设计

滚筒直径的大小对排种器的播种质量影响很大。排种器投种质量与滚筒直径的大小成反比，在同种型号转速相同情况下，滚筒直径的越大，滚筒吸孔处的种子线速度越大，不利于种子投中，空穴虑较多，投种质量下降；同时，滚筒直径越大，所需的负压气室空间也增加，风机提供的空气流量也随之增加，其功率消耗也随之增加。目前，国内外生产的气吸滚筒式播种器的滚筒直径多为140～260mm。因此，为了保证排种器的播种质量，本机选取滚筒直径为200mm。

2.1.2滚筒吸孔的设计

吸孔直径的大小对负压室所需的压差影响很大，吸孔的直径越大，所需吸附力越大。在负压相同情况下，小孔径处的吸附力往往相对于大孔径而不足，造成空穴增加。另外，吸孔孔径大小对单粒率、多粒率影响也很大，孔径尺寸减小，单粒率上升，多粒率下降；反之，多粒虑增加。但孔径太小不易加工且易被堵塞。所以，查有关研究资料[4]得知：吸孔直径按dk=(0.6-0.7)bc确定(bc为种子的平均宽度)。本文吸孔直径设计为1.5mm。

2.1.3滚筒吸孔的横向与周向排数

滚筒吸孔的横向排数必须与使用的穴盘相互匹配。本项目使用16×8黑色128孔PS标准穴盘，其外形尺寸为532(长)×278(宽)×44(高)(mm),两锥孔中心距为32mm,所以本机滚筒横向长度设计为320mm,开设8个吸孔，间距为32mm。

对于滚筒式排种器而言，提高育苗生产率的途径有两种：一是提高滚筒转速；二是增加滚筒周向吸孔排数。当滚筒周向吸孔排数一定时，为了提高生产率，滚筒转速必须增加；而转速的增加会导致吸孔吸附种子的时间相对缩短，从而造成吸种孔吸附表面空穴率增加而合格率下降。当转速一定时，周向吸种孔的数目会增加，吸种、投种的频率就会增加，而吸种孔数目的增加会导致两吸孔之间的距离缩短，负压气室内的气流泄露过多，从而对负压气室气流的稳定性有较大影响。综上所述，为了较好地验证性能，滚筒周向排数设计为与128孔穴盘相适应的周向排数为16的吸孔。

2.2供种板的设计

供种板由导种板及正压集气室组成，与滚筒成一定角度(大于小颗粒种子的滑动摩擦角)安装在种箱的下方。在靠近滚筒的一端设置有导种板，两导种板之间有规律排列的吹孔，其直径为1.5mm。正压集气室与供种板粘接在一起，在导种板的下方，作用是保证供种板上的种子在气流作用下能够产生“沸腾”，近似于悬浮状态。工作时，种子在倾斜安装的供种板上靠导种板及重力的作用下聚集在滚筒8个吸孔附近，当正压集气室通有气流时，番茄种子在导种槽内“沸腾”，为后续的滚筒吸孔取种做准备。为了能观察种子在供种板上的“沸腾”情况，供种板采用透明的亚克力玻璃制作，其尺寸为270(长)×146(宽)×2(厚)(mm)，结构如图3所示。

图3　供种板的结构示意图

2.3种箱的设计

种箱结构如图4所示。种箱固定安装在滚筒的一侧，与滚筒接触采用圆弧过渡面。为有利于观察供种板工作情况及种子在供种板上运动轨迹，采用透明的亚克力玻璃制作。考虑到滚筒两侧吸孔的中心距为224mm, 种箱长度必须大于滚筒两侧吸孔中心距，取种箱长度为280mm。

图4　种箱结构示意图

2.4传动系统的设计

传动系统结构主要由变频器、电机、电机主动链轮、输送带轴上双排链轮、滚筒链轮及穴盘输送带等组成，如图5所示。

图5　传动系统的结构示意图

为了实现滚筒式排种器能在多种环境下正常工作，考虑使用链传动。因为链传动能保证准确的平均传动比，整体没有弹性滑动和打滑现象，工作可靠，效率高，同时适应在温室大棚潮湿的环境工作。工作时，电机的动力通过链条传递给输送带的主动链轮和滚筒，根据气吹供种的滚筒式育苗播种机的实际需求，种子要能有效、准确地投到滚筒下侧的穴盘中，滚筒式排种器必须达到零速投种，即滚筒投种位置的线速度和输送带运送穴盘的速度大小一致。因此，考虑采用两级传动，其中一级传动比为3，二级传动比为2。链条型号为10A—1，链条节距为p=15.875mm，输送带电机主动链轮Z1=17,分度圆直径D1=86mm；双排链大链轮Z2=51,分度圆直径D2=258mm；双排链小链轮Z3=21,分度圆直径D3=106mm；滚筒电机链轮Z4=17,分度圆直径D4=86mm；滚筒链轮Z4=42，分度圆直径D4=212mm。

考虑到所使用的穴盘宽度为278mm,输送带带动穴盘移动，带宽务必大于穴盘宽度，同时要求带具有较好的弯曲性能,拉伸不变形、质量较轻，且尽可能保证横向和纵向的移动，所以输送带采用带挡板的PVC带,其抗拉伸强度240N/mm。穴盘插入两个挡板中间避免了纵向的移动，输送带带宽为295mm,挡板高度为30mm，挡板间距320mm。

2.5供气系统的选择

工作时，既要有正压气路通向正压集气室，同时又要负压气路连接滚筒空心轴，所以选择吸吹两用的涡旋气泵较合适。对于气吹供种的育苗播种机而言，正压气路作用是保证番茄种子在种箱供种板上产生“沸腾”跳动，负压气路保证滚筒内腔产生足够的负压吸附种子；在气路结构上，负压气路的密封性相对正压气路要求严格。通过预试验分析发现：负压达到15kPa、正压达到6kPa时，就能完全满足要求。综合考虑，选择广州巨劲机电制造有限公司生产的型号为GLB1500型旋风泵，最大压力28kPa，最大真空度21kPa，流量180m3/h，完全满足设计要求。

3试验及结果分析

3.1试验的基本条件

试验在新疆生产建设兵团农业机械重点实验室自制搭建的台架实验台上进行。试验选用米格尔87-5番茄种子，千粒质量为3.50g，含水率为5.90%，孔隙率为0.452，自然休止角为41°，种子与有机玻璃的滑动摩擦角为28°，纯度为96%。穴盘采用128穴/盘的标准穴盘。

3.2试验方案及结果统计

试验采用高速摄像机对滚筒吸种取种结果进行统计分析，按10s播1盘的连续播种，每播种5盘记为1组；从5盘中随机抽取3盘统计数据，重复6次，取其平均值。以GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[5]及排种器排种性能试验为目标，确定单粒指数S、多粒指数D和漏播指数L为判定排种性能的试验指标。其各试验指标的计算公式为

其中，N为理论排种数；n1为单粒排种数；n2为两粒以上排种数；n3为漏排种数。试验结果统计如表1所示。

表1　试验数据统计　　　　　 　　　　%

3.3结果分析

1)由表1可知：6组试验数据统计相差不是很大，证明所设计种排种器工作性能稳定、可靠。

2)由表1可知：6组试验数据统计的平均单粒指数为93.40%。这说明，该机基本满足对形状不规整小颗粒种子的播种精度要求，但是平均多粒指数5.01%与平均漏播指数1.59%仍然较高。如此高的平均多粒指数说明：这种颗粒小、形状不规整的种子在被滚筒吸孔吸附的瞬间，种子的空间稳定的姿态是影响排种器播种精度的主要因素。

3)由表1可知：6组试验数据统计的排种器的漏播指数变化不是很大，平均漏播指数1.59%，且空穴位没有规律。这表明，该机的漏播与吸孔被堵塞没有直接关系。

4结论

1)针对像番茄这种颗粒小、形状不规整且流动性差的种子颗粒分离效果不佳的问题，提出一种新的播种模式：利用空气作为介质使种子群达到“沸腾”状态而有效地分离,并借助压力差而达到有效取种的气吹供种滚筒式排种器。

2)针对如番茄种子这类小颗粒种子难于实现播种问题，设计了一种气吹供种的滚筒式排种器，并对其关键部件进行了结构设计和参数设计。

3)通过性能试验表明：其各项指标都达到了预期的要求，验证了参数设计的正确性，满足单了粒单穴的精量播种的农艺要求。

4)试验结果表明：平均单粒指数为93.04%，平均多粒指数为5.01%，平均漏播为1.59%。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0080-EA

Design Research of Cylinder Seed-metering Device Based on The Pneumatic Suspension Seed Supply

Ma Yapeng， Gao Jie， Hu Bin， Sun Xingdong， Li Yang

(Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：For single hole single grain precision sowing of agricultural requirements , designed a kind of cylinder seed-metering device for the species based on the principle of the pneumatic suspension seed supply. According to using 3D modeling software, we designed the overall structure of the metering device and introduced its working principle and structural parameters design of the main working parts, and built the seed-metering device platform based test bench.Through the test, the metering device could meet the design requirements of precision seeding, single seed rate reached more than 94%, multi grain rate and hole rate was below 5%, which will provide new ideas and theoretical basis for optimization design of parameters and the further precision seed metering device.

Key words：precision seed-metering device; cylinder; the pneumatic suspension seed supply

文章编号：1003-188X(2016)04-0080-04

中图分类号：S223.2+5

文献标识码：A

作者简介：马亚朋(1987-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail)mypjdzd@163.com。通讯作者：胡斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，硕士生导师，(E-mail)hb_mac@shzu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51265045)

收稿日期：2015-03-18