超窄行棉花精量排种器设计与性能试验

康建明，陈学庚，王士国，颜利民

(新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子　832000)



超窄行棉花精量排种器设计与性能试验

康建明，陈学庚，王士国，颜利民

(新疆农垦科学院机械装备研究所，新疆 石河子832000)

摘要：【目的】 针对目前新疆棉花播种行距大，喷洒脱叶剂受药效果差，导致机械采收采净率偏低的问题，研制了一种播种行距更窄，能实现高度密植的超窄行棉花精量排种器.【方法】 对超窄行精量棉花排种器的结构及参数进行理论分析，确定排种器的主要结构与性能参数.以排种器的单粒率、重播率、漏播率为排种性能评价指标，在PSY-1200鸭嘴滚筒式排种器性能实验台上进行排种器转速、负压区相对压力、落种角等运行参数的单因素及正交试验.【结果】 经田间测试，当排种器转速为41 r/min，负压区相对压力为-4500 Pa，落种角为60°时，排种器单粒率为93.5%，重播率为3.8%，漏播率为4.2%，单行株距均匀性变异系数为5.82%，双行行距稳定性变异系数为6.04%.【结论】 该排种器最小行距可调至4 cm，满足超窄行种植农艺要求且能实现精量播种.

关键词：棉花；精量排种器；超窄行

“矮、密、早、膜”是新疆棉花优质高产的关键技术措施，目前66 cm+10 cm的带状种植模式实现了农机与农艺的结合，但存在脱叶效果差、采净率低的问题[1].为提高脱叶效果，进一步适应采棉机结构，农业工作者提出了72 cm+4 cm，两窄行棉苗呈三角型配置的带状种植方式[2-6].生产实践表明，该配置模式能保证各植株养分的均匀分配，使脱叶催熟剂喷洒更为均匀，提高采净率[7].然而，现有的棉花精量播种机一般为专用机具，针对特定的种植模式，最窄行距为10 cm[8].因此，应开展超窄行精量播种技术的研究，以满足新疆棉花高密度种植的农艺要求.目前，国内外已有许多关于各类作物机械化密植种植模式的研究报道[9-12].

本文设计了一种棉花超窄行精量排种器，在并列的2个排种器之间安装同步器以实现同步行走，利用负压气吸取种与强制断气投种组合的排种原理，实现精量取种和精确投种，保证播种精度，并通过缩小行距，使两窄行之间的棉株交错分布，呈三角形状，满足了标准化株距和行距的农艺要求.

1排种器结构及工作原理

超窄行棉花精量排种器主要包括穴播器壳体、进种管、成穴器、排种器A和排种器B等，结构示意如图1所示.

1：排种壳体；2：进种管；3：排种器A；4： 成穴器；5：排种器B图1　排种器结构示意图Fig.1　Structure diagram of seed-metering device

工作时，吸种盘两侧在风机作用下形成压力差，使充种区的棉种被吸附在吸种盘上，多余棉种则随吸种盘转动时被刷种器清除.当单粒棉种运动到投种区时，负压消失，棉种脱离吸种盘落入分种盘，完成第1次投种；随着排种器转动，分种盘中的单粒棉种进入鸭嘴底部，当成穴器破膜入土开穴的同时，活动鸭嘴被强制打开，棉种在重力作用下落入种穴，完成第2次投种.

根据国际数据查新结果[13]，世界中耕作物播种机最小行距10 cm.超窄行精量排种器最小行距可调至4 cm，即宽行72 cm，窄行4 cm.

2主要结构及参数

2.1同步器

超窄行精量排种器是将排种器A和排种器B偏移若干角度后通过同步器连接在一起，工作时排种器A和B为一个整体.同步器即为排种器A上的凸起和排种器B上的凹腔.在排种器A和B的端盖上分别设置有3个位置连线呈等边三角形的凸起与凹腔，凸起与凹腔相配合后通过连接架与机架相连，如图2所示(为便于观察凸起和凹腔，将排种器A和排种器B拆卸).

图2　同步器结构示意图Fig.2　Structure of synchronizer

2.2吸种盘

2.2.1吸种盘直径吸种盘的直径和吸孔形状决定了棉种受力、气压大小及排种器整体结构尺寸等参数[14].现有的排种盘直径d一般为140～260 mm[15].考虑农艺株距的要求，吸种盘直径d取200 mm.吸种盘钢板制成，厚度为1.6 mm，表面光滑整洁.

2.2.2吸种盘吸孔直径吸种盘吸孔直径根据所播作物种子大小而定[15]，即：

d=(0.64-0.66)b

(1)

式中：d为吸孔直径(mm)；b为种子的平均宽度(mm).

通过对新疆主要种植棉种(‘新陆早12号’)尺寸的测量，棉种宽度b约为4.89 mm，计算得出吸种盘吸孔直径d=3.129～3.227 mm，本设计取吸孔直径d=3.20 mm.

2.2.3吸种盘吸孔数量根据超窄行农艺要求，棉种单行的适宜株距为120～140 mm，依据公式

(2)

式中：Z为吸孔数；γ为株距(mm)；D为排种器直径(mm)；δ为排种器滑移系数，取0.12；i为传动比，取1.

计算得出吸种盘吸孔数为14～15，本设计取14.

2.3排种器

2.3.1排种器直径排种器的直径D主要与播种株距γ、播种深度H及成穴器个数P有关，单圈成穴器分布越多，直径越大，反之越小.直径过小，穴播器的滑移率就会增加，影响播种性能.在不考虑滑移率的条件下，排种器直径D可根据以下公式计算：

(3)

根据超窄行棉花种植农艺要求，播种株距γ取120 mm，吸孔数Z取14，播种深度H取36 mm，可得排种器直径D为463 mm.

2.3.2排种器转速为提高播种机的工作效率，在保证播种质量的前提下应尽可能地提高排种器的转速.但随着转速的增加，种子所受离心力也随之增大，负压室所需的相对压力也相应增大；同时吸孔和种子的接触时间缩短，造成吸孔来不及吸种或吸种不牢脱落而导致空穴，另外，负压室相对压力过大也会使重播率上升.因此排种盘的转速的选择应综合考虑多方因素，其取值范围为37～49 r/min.

2.4负压室相对压力

负压室相对压力与种子在吸孔处的受力密切相关，种子在吸孔处的受力情况，如图3所示.

图3　吸孔处种子受力分析Fig.3　Force diagram of seed in absorbing

假想种子为理想散粒体，忽略种子间相互作用力，要保证种孔能顺利吸附一粒种子，应满足以下条件：

(4)

式中：Fn为单个吸孔的吸力(N)；FR为重力和离心力的合力(N)；d为吸孔直径(mm)；c为种子质心到吸种盘之间的距离(mm).

在实际作业中，穴播器受外界环境的影响，引入吸种可靠性系数K1和工作稳定可靠系数K2，负压室所需压力的最大值为[15]：

(5)

式中：m为单粒种子质量(kg)；g为重力加速度(m/s2)；v为取种盘吸孔线速度(m/s)；r为吸种盘吸孔分布半径(mm)；λ种子的摩擦阻力综合系数.

由上式可以看出，负压室相对压力的大小与种子形状、大小、吸孔直径和排种盘线速度有关.

2.5投种角度

投种是排种和落种运动的合成，忽略种子物理特性不同的影响，种子从排种器内同一点沿吸种盘吸孔分布圆的切向排出，受力分析如图4所示.种子脱离取种盘时的运动方程为：

(5)

式中：vx为种子运动的水平分速度(m/s)；vy为种子运动的竖直分速度(m/s)；v为播种机前进速度(m/s)；ω为取种盘角速度(rad/s)；θ为投种角(°)；t为种子下落时间(s)；r为吸种盘吸孔分布半径(mm).

图4　种子临界落种角的分析Fig.4　Analyses of critical seed drop-off angle

根据排种器设计要求，种子脱离种孔后应恰好落入相应的鸭嘴内，排种器转过的弧长AC与种子下落到穴孔内经过的水平距离lx相等.

lx=vt=(v-vrsinθ)t+rcosθ

(6)

(7)

式中：lx为排种器在时间t内滚过的距离(mm)；vr为种子实际运动速度(m/s).

由公式(5)-(7)可导出：

由上式可以看出，投种角θ与前进速度v和排种器尺寸有关，经计算，当排种盘转速为37～49r/min时，投种角范围为50°～65°.

3排种器性能试验

3.1单因素试验

3.1.1试验设计在前期试验基础上，以GB/T6973-2005为依据[16]，进行排种器转速、负压区相对压力和投种角对排种器性能指标的影响规律的单因素试验.试验在PSY-1200鸭嘴滚筒式排种器性能实验台上进行，获得了单粒率、重播率、漏播率等试验指标.

3.1.2排种器转速对排种性能的影响设定负压区相对压力为-4 500Pa，投种角为60°，根据播种机田间行驶速度确定排种器转速的5个水平为37、41、45、49、53r/min.通过试验获得的排种滚筒转速与排种性能各指标的关系曲线如图5所示.

图5　排种器转速与试验指标关系曲线Fig.5　Relationship between indexes and rotational speed of seeding cylinder

从图5可知，在排种器转速低于41 r/min时，随着排种转速的增大，单粒率和重播率一升一降，而漏播率略微下降.转速为41 r/min时，单粒率高达91.8%，漏播率最低达2.6%.这是因为吸孔在转速小于41 r/min时，充种时间较长，这导致部分吸孔吸附较多种子，从而造成重播率增高和单粒率降低.

当转速超过41 r/min后，由于充种时间开始变短，种子来不及吸附，这使得单粒率和漏播率随着转速的升高分别出现剧降和剧升现象，而重播率缓慢降至4%(此时转速为49%)之后再无明显变化.

3.1.3负压区相对压力对排种性能的影响设定排种器转速为41 r/min，投种角为60°，负压区相对压力的5个水平值为：-3 500、-4 000、-4 500、-5 000、-5 500 Pa.通过试验获得负压区相对压力与排种性能各指标的关系曲线如图6所示.

图6　负压区压力与试验指标关系曲线Fig.6　Relationship between indexes and negative pressure

从图6可知，随着负压区压力的升高，吸孔对种子吸附能力增强，单粒率逐渐上升，漏播率逐渐下降，与此同时重播率也不断升高；当负压值超过-4 500 Pa时，重播率继续升高，在负压-5 000 Pa时达到最大值6%，并趋于稳定，但单粒率可能因为吸孔吸附过量种子而出现下降趋势.

3.1.4投种角对排种性能的影响设定排种器转速为41 r/min，负压区相对压力值为-4500 Pa，投种角的5个水平值为：45°、50°、55°、60°、65°.通过试验获得投种角与排种性能各指标的关系曲线如图7所示.

从图7可以看出，随着投种角度的增大，单粒率和漏播率分别一升一降，重播率逐渐减小，当投种角度超过60°后，单粒率和漏播率分别出现一降一升的趋势.这是因为投种角过小时，种子脱离吸种口后下落时间较短，多粒种子滞留在排种口，造成漏播率和重播率都较高；当投种角度过大时，种子脱离吸种口后下落时间较长，当排种口打开时种子还在空中运动造成漏播率较高.

图7　投种角度与试验指标关系曲线Fig.7　Relationship between indexes and seed drop-off angle

3.2正交试验

3.2.1试验设计进行L16(45)正交试验[17-18]，正交试验因素水平见表1，每组试验重复3次.计算出的不同条件下单行株距均匀性变异系数、双行行距稳定性变异系数，见表2；正交试验极差分析见表3.

3.2.2试验结果分析由试验结果和极差分析可知，排种器转速、负压室相对压力和投种角度对单行株距均匀性和双行行距稳定性的影响依次减弱，使单行株距均匀性变异系数和双行行距稳定性变异系数最低的参数组合均为A2B3C3.

表1　正交试验因素水平

3.3验证试验

将超窄行精量排种器安装于2BMQ-12型棉花播种机上，按照最优试验结果确定的各参数，于2015年4月13日在第六师102团进行田间播种试验.在出苗后开展田间苗情株距测定.田间试验结果表明，该排种器单粒率为93.5%，重播率为3.8%，漏播率为4.2%，单行株距均匀性变异系数为5.82%，双行行距稳定性变异系数为6.04%，可满足超窄行棉花播种的农艺要求.

4结论

1)设计了一种超窄行精量排种器，确定了排种器的工作原理及其主要结构与性能参数.

2)单因素试验表明该排种器的单粒率、重播率和漏播率受排种器转速、负压室相对压力和投种角度的影响显著.当排种器转速为41 r/min，负压室相对压力为-4 500 Pa，投种角度为60°时，排种效果最好，单粒率为93.5%，重播率为3.8%和漏播率为4.2%.

表2　正交试验方案与结果

表3　正交试验极差

3)超窄行精量排种器单行株距均匀性和双行行距稳定性的正交试验表明，影响二者的主次因素依次为排种器转速、负压室相对压力和投种角度.当排种器转速为41 r/min，负压室相对压力为-4 500 Pa和投种角度为60°时，单行株距均匀性和双行行距稳定性的变异系数分别为5.82%和6.04%.

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(责任编辑胡文忠)

Design and experiment of precise metering device for cotton ultra narrow row

KANG Jian-ming,CHEN Xue-geng,WANG Shi-guo,YAN Li-min

(Mechanical Equipment Research Institute,Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science,Shihezi 832000,China)

Abstract：【Objective】 To design a gas suction precise metering device to suitable for cotton ultra narrow row planting pattern,in order to meet the machine pick cotton planting patterns of 72 cm+4 cm strip cropping pattern and improve the harvest rate of cotton.【Method】 The key part construction and design parameters were analyzed.A set of single factor and orthogonal experiments were based on the metering device test bed PSY-1200,determined the relationship of metering device performance (single grain rate,leakage rate of seeding,replay rate) and factors affecting.【Result】 According to the field test,when the rotational speed of precise metering device was 41 r/min,the vacuum was -4500 Pa,and the seed drop-off angle was 60°,the single grain rate,replay rate and leak seeding rate was 93.5%,3.8% and 4.2%,respectively.Single row planting distance uniformity coefficient of variation was 5.82%,and the stability of the double line spacing variation coefficient was 6.04%.【Conclusion】 The metering device minimum spacing can be adjusted to 4 cm,satisfy the ultra narrow row planting agronomic requirements and can achieve precise seeding.

Key words：cotton；ultra narrow row；precise metering device；experiment

通信作者：王士国，男，副研究员，硕士，主要从事农业机械设计与装备的研究.E-mail:362256015@qq.com

基金项目：国家科技支撑计划“干旱半干旱区节水农业技术集成与示范”项目(2011BAD29B00).

收稿日期：2015-10-22；修回日期：2015-11-17

中图分类号：S 223.2

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0134-06

第一作者：康建明(1984-)，男，助理研究员，硕士，主要从事农业机械设计与装备的研究.E-mail:kjm531@sina.com