一种双气道的气吸式棉花排种器的试验研究

杨 进，张晋国，赵 金，周国龙，王洪伟，赵晓顺，韩子乐

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)



一种双气道的气吸式棉花排种器的试验研究

杨 进，张晋国，赵 金，周国龙，王洪伟，赵晓顺，韩子乐

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定 071001)

介绍一种具有双气道的气吸式棉花排种器，通过开闭两条气道中的一条或同时开启两条气道，可以在1～3粒的穴播粒数之间快速调整；通过测量不同品种棉花种子的三维尺寸确定排种盘的尺寸；根据影响排种器性能和效率的主要因素在实验室进行台架试验，得出该气吸式棉花排种器在排种盘吸种孔直径为3mm、转速为30r/min及真空度为4.5kPa时使用效果较好的结论。

棉花；排种器；穴播粒数；双气道；台架试验

0 引言

棉花的种植由来已久，棉花为我国的主要经济作物之一。棉花为了提高播种的效率，提出了精量播种。精量播种是一种即省种又省工的播种方式，具有极高的经济效益，已成为今后农作物播种作业的发展方向，精密播种机是播种的关键，排种器又是精密播种机的核心部件[1]。

相对于其他农作物，棉花的播种作业因不同棉籽的发芽率有差别，需要调节其穴播粒数。目前，气吸式排种器的穴粒数调节装置是通过一个可滑动拨片拨去吸种孔上吸附的多余种子，并在排种时集合多个吸种孔所吸附的种子到一起进行排种[2]。

本文设计出一种具有双气道的气吸壳体，并设置两条独立的气吸管路，两条气吸管路可以自由开闭且互不影响。通过开闭两条气道中的一条或同时开启两条气道，并配合具有内外两圈的排种盘能够使穴播粒数在1～3粒之间快速调整。

1 排种器结构

气吸式排种器是通过风机吸走气道中的空气使气道中形成负压，同时旋转轴带动排种盘旋转，排种盘上的吸种孔旋转到对应的气道位置则吸附种子，排种盘上的吸种孔旋转到没有对应气道的位置则种子靠自重落下，进行排种。在种子室内还装有清种片，工作时可以剔除吸附的多余的种子；经过清种区时，清种片会将多余携带的种粒清回充种区[3]。经过清种，可以更好地保证精度，使每个型孔只留1粒种子。

气吸式排种器的主体结构有排种盘、两侧壳体、密封及管路等。

1.1 排种盘

因排种器具有双气道结构，因此排种盘(见图1)也设计成有两圈吸种孔的结构。对应外侧气道，排种盘外圈有相邻的两个吸种孔，即当外侧气道单独打开时，每穴排种数量为2粒；对应内侧气道，排种盘内圈有一个吸种孔，即单独打开内侧气道时，每穴播种数量为1粒；当两条气道同时打开时，吸种孔全部能够吸附种子，即每穴播种数量为3粒。

排种盘的直径直接影响穴播器的作业速度，当线速度一定时，排种盘直径较大，会使排种器的作业速度降低；但如果排种盘直径的选择过大，排种器的结构就越大，综合考虑，选取排种盘直径200mm[4]。

图1 排种盘

测量3种不同的棉花种子的三维尺寸(见表1)取平均值。从表1中可看出：如果想使两条气道对应的吸种孔上吸附的种子互不影响，内外圈吸种孔的间距应该≥10mm，外圈相邻的两个吸种孔之间的间距应大于5mm。

根据机械手册中确立吸种孔直径的公式[4]，有

D=(0.64～0.66)b

其中，b为种子的平均宽度。

吸种孔的直径加工出2mm和3mm两种，以进行进一步试验。

表1 种子尺寸

1.2 气道壳体

气道壳体具有双气道结构(见图2)，两条气道相邻，在气道壳体的另一侧加工出对应并独立的气道孔，引出连接管路。

气道部位加工出凹面，用来安装密封垫和排种盘，且凹面的尺寸正好等于密封垫和排种盘尺寸之和。当密封垫和排种盘安装好后，用螺栓固定上种子壳体使其之间无缝隙连接。

图2 气道壳体

1.3 种子壳体

种子壳体(见图3)是用来储存并提供排种盘工作时所需的种子，壳体右侧为吸种区域，排种盘旋转到左侧为护种区域，下端为排种区域。通常来说，排种器应尽可能地加大吸种区域，以保证充种率。

当排种盘旋转到上方区域时，受到震动等因素影响，吸附不牢固的种子会掉落到壳体内部的斜面上，并落回到吸种区。

图3 种子壳体

1.4 排种器整体结构

整个排种器装配爆炸图，如图4所示。

1.螺栓 2.种子壳体 3.排种盘 4.密封垫 5.卡簧 6.气道壳体 7.轴承 8.旋转轴 9.链轮 10.定位销 11.气道密封垫 12.气道堵板 13.管路

2 影响排种器的因素

据相关资料，气吸式排种器的排种均匀性和作业效率主要受气道的真空度、吸种孔的尺寸、排种盘的转速及投种高度等影响[5]。

2.1 气道真空度的影响

真空度的大小是影响排种器吸种率的决定因素，真空度越大时，种子的吸附能力越强；但会增加吸种孔吸附多余种子的概率，从而导致重播率增加。

2.2 吸种孔尺寸的影响

吸种孔的尺寸在种子允许范围内增加时，吸附能力增加，致使吸附多余种子，重播率增加。

2.3 排种盘的转速影响

排种盘旋转速度和机具前进速度共同作用影响了排种粒距的均匀性。

排种盘的旋转速度过大时，吸种孔在种子室停留的吸种时间就会减少，也就是说，减小了吸种区面积，所以要合理降低转速。

对以上影响因素进行分析，需要通过理论计算和试验研究结合的方法，得出一个适合棉花播种作业的理论依据，再通过试验台试验和田间试验的检验，最终高效应用于农业生产。

3 种子受力分析和台架试验

3.1 种子的受力分析

随着排种盘的旋转，吸种孔转到充种区时，种子吸附在吸种孔后主要受到种子重力、惯性力、吸附力和吸种孔支持力的作用[6，8]，如图5所示。

图5 种子吸附受力分析

随着排种盘的不断转动，种子所受的惯性力J的大小不变但方向持续变化，种子自身所受重力G的大小和方向都不变。如图5可见，种子所受重力和惯性力的合力T的大小和方向也在不断变化。

从吸种时最大后开始减小，当此吸种孔旋转到正上方时，种子重力和惯性力方向恰好相反，即此时吸种孔所需的吸附力最小。当种子在此吸种孔上继续旋转，所需要的吸附力又逐渐增大[6-8]。

因此，想要使吸种孔吸住种子不掉落，必须满足

F·D/2≥T·h

式中F—吸附力；

D—吸种孔的直径；

T—最大合力；

h—种子重心与排种盘的距离。

当种子脱离吸种孔后作具有初速度的自由落体运动(见图6)，沿排种器吸种孔分布圆的切向排出。

种子在脱离吸种孔后，下落过程不考虑空气阻力的因素，其下落时的运动方程为

式中 Vx—种子的水平绝对速度(m/s)；

Vy—种子的铅直绝对速度(m/s)；

ω—排种盘转速(rad/s)；

r—排种盘吸种孔分布圆半径(m)。

当落种时，种子速度的水平分量等于机具速度时，投种效果最好。

图6 种子脱离吸种孔的运动

3.2 台架试验台

本次用于试验的试验台(见图7、图8)可以调节影响排种器排种工作的多种影响因素，如可以调节负压大小(气道的真空度)、排种盘旋转速度、传送带的速度(即模拟机具前进速度大小)和排种器固定架的高度(即模拟投种高度)。

试验台的传送带上刷油膜来模拟土田条件，可以防止种子弹跳，且整个试验台可以随时停止试验和急停。

图7 试验台

3.3 试验及数据分析

检验排种器性能是否优秀的最重要的指标就是粒距准确。也就是说，合格率在试验中所占比例是否高于国家标准，且漏播率和重播率是否低于国家规定的比例。

通常查验漏播和重播是规定在大于1.5倍的种子设定粒距上没有播到种子就记录为漏播；而在0.5倍设定粒距中间有多余预设播种穴粒数的种子就记录为重播[6]。对于本试验，预设的穴粒数为1～3粒。

试验针对影响排种器的两个主要因素下进行，并对两种吸种孔(2mm和3mm)和两个气道(以下称一次排两粒种子的外侧气道为气道1，另为气道2)的开闭分别进行试验，取得试验数据。

图8 控制台

3.3.1 试验1

当真空度为3～5.5kPa时，进行不同吸种孔直径(2mm和3mm)下的吸种性能试验，试验中选取排种盘运转平稳时的中间段共计100个吸种孔进行统计，作为统计样本，如图9所示。漏吸和重吸比值均从排种盘上直接读取，重吸读取值为经过清种片后的结果。

图9 试验

从图9中可以看出：在不同的真空度的试验条件下，吸种孔尺寸为3mm的排种盘比尺寸为2mm的排种盘在吸种时漏吸率要好。而且，在重吸的问题上，因为有清种片的原因，差别并不明显。因此，以下试验选择排种盘上吸种孔为3mm的进行试验。

3.3.2 试验1

选择吸种孔为3mm的排种盘并对两条气道分别进行试验。当气吸室真空度设定为4kPa，选取排种盘转速 20、25、30、35、40r/min，并分别进行台架试验。

在试验开始后，操作控制台确定真空度是否达到设定值，打开油泵刷油膜，最后旋转排种器。在观察排种器运行平稳后，首先停止试验台的传送带，再停止油泵及排种器旋转。选取运行平稳的时段作为记录点，每一种试验各测 100 个粒距进行统计，如表2所示[6-7]。

表2 试验2

当设定气道真空度为定值时，随转速的提高，合格率在排种盘转速为30 r/min以前波动并不明显；但是，当达到一定转速后再继续增加转速会造成漏播率成倍数增长，合格率受此影响也会降低。

观察试验的吸种过程，在排种盘旋转的低转速区域内吸种孔吸取种子的数量会远高于高转速区域，但因清种装置的存在，在合理转速区域内，对于排种的重播率影响并不是很大。因此，在合适转速区域内，可以通过增加排种盘上吸种孔的数量降低转速。

3.3.3 试验3

选择吸种孔为3mm的排种盘并对两条气道分别进行试验，当排种盘转速设定为 30r/min，选取选取真空度值为 3、3.5、4、4.5、5kPa，并分别进行台架试验。

重复试验2的过程进行不同工况的试验，并记录数据,如表3所示[6-7]。

表3 试验3

当排种盘转速一定时，随着真空度值的不断增加，漏播现象得到很大改善，真空度值越高则漏播现象越低；而对于重播率，因清种装置的原因还是会表现不明显。

4 结论

1)通过试验，证明该排种器可以在两个气道之间自由切换，两个气道之间互不影响。

2)针对棉花种子，当吸种孔直径为3mm时，能在更宽值的排种盘转速和真空度区间内平稳工作。

3)当排种盘转速在合理的速度且定值的情况下，随着真空度的提高，播种合格率先是显著上升，然后又降低，重播率也提高了。当真空度在合理且定值时，随着排种盘转速的上升，播种合格率呈下降趋势，漏播率显著提高。当气吸室真空度在适当的范围，排种盘转速较低时，有利于提高排种器的排种质量。

[1] 于永良.结合新疆实际的棉花双膜覆盖机械式精量播种机的研发与应用[J].湖南农机,2013(7):3-5.

[2] 王凤花. 2BMP-2棉花铺膜播种机的排种器结构设计分析[J].山东农机,2002(4):12-13.

[3] 刘哲良.垂直圆盘气吸式排种器攫取种子过程分析[J].农机化研究,2012(7):70-72.

[4] 中国农机研究所.实用机械设计手册(上)[K].北京:机械工业出版社,1998.

[5] 陈立东.气吸式排种器性能参数设计及其对排种质量影响的试验研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学,2006.

[6] 刘文忠.气吸式排种装置排种性能试验研究[D].呼和浩特：内蒙古农业大学大学,2008.

[7] GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法[S].中华人民共和国标准.

[8] 赵湛.气吸滚筒式排种器吸种过程的动力学分析[J].农业工程学报,2011(7):112-113.

Experimental Study on a Kind of Double Air-way Suction Cotton Seeder

Yang Jin, Zhang Jinguo, Zhao Jin, Zhou Guolong, Wang Hongwei, Zhao Xiaoshun, Han Zile

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Agricultural University of Hebei, Baoding 071001, China)

Introduce a kind of double air-way suction cotton seeder, through open one of air-way or both of them at the same time,it can rapid adjust grain number from one to three. By measuring the three dimensions size of different varieties of cotton seeds, we determine the size of the metering plate; According to the main factors that influence the performance and efficiency of seed-metering device, we had a test in the laboratory, according to the test data, it is concluded that the air suction cotton seeder is be used better when diameter of suction hole is 3 mm, rotational speed is 30 r/min and vacuum degree is 4.5 kPa.

cotton;seed-metering device; number of dibbling grain; double air-way; bench test

2016-04-07

“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD06B00)

杨 进(1987-)，男，河北秦皇岛人，硕士研究生， (E-mail)yangjinbcd@163.com。

张晋国(1957-)，男，石家庄人，教授，博士生导师，(E-mail)zhangjinguo@hebau.edu.cn。

S223.2+5;S220.3

A

1003-188X(2017)05-0176-05