24穴棉花精量穴播器的设计与研究

彭 勇，温浩军※，潘佛雏，杨海涛

（1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000；2.新疆科神农业装备科技开发股份有限公司）

0 引言

新疆因其独特的地理位置，夏季日照时间长、气温高，成为中国棉花最大的种植基地[1]。棉花的播种是棉花种植过程中最为关键的环节，目前新疆棉花种植机械主要采用机械式和气吸式精量穴播器[2～3]，气吸式穴播器结构复杂、易漏气、耗能大；机械式穴播器结构简单、加工成本低、配套适应性好，更适合新疆棉花种植发展的趋势。但是，在目前常用的机械式穴播器中仍存在着卡种、漏种等现象，针对目前这一现状，笔者设计了一种操作简便、省时省力的24穴机械式精量穴播器。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

该机械式精量穴播器的结构如图1所示，主要有鸭嘴、主轴、充种器、穴拐臂、取种器、腰带、穴播器壳等组成。

1.2 工作原理

穴播器工作时，种子在穴播器内随着腰带转动，在穴播器前进过程中利用种子自身的重力和惯性，通过取种器上的穴窝眼拾取种子，达到精量播种的目的。

种子进入充种腔后种子群由于重力的作用都聚集在穴播器的下部，在充种器的搅动下种子分布在取种器取种位置，穴播器整体转动的过程中，种子落入取种器穴窝眼中，与定盘相配合的穴拐臂沿着定盘曲线面发生相对运动，种子在自身重力和惯性的作用下迅速脱离取种器窝眼，落入播种鸭嘴中，随后鸭嘴入土打孔种子落入种穴内，完成播种过程。

图1 精量穴播器机构示意

2 关键部件设计

2.1 取种器的设计

取种器是机械式精量穴播器实现精量播种的核心工作部件，其工作性能的好坏直接决定了穴播器播种质量。

该新型取种器主要由穴拐臂、穴取种座、穴窝眼座、穴窝眼组成，结构如图2所示，取种器的底端截面呈V型状，穴窝眼、穴拐臂通过穴窝眼座安装于穴取种座上。

2.2 穴窝眼的设计

穴窝眼的大小可根据棉花种子的物理特性进行设计分析，经试验数据统计分析，棉花种子平均直径为4 mm，结构如图3所示。

图3 穴窝眼结构

图4 腰带结构示意

2.3 鸭嘴的设计

通过田间试验，将腰带设计成如图4所示的结构形式，固定鸭嘴的成穴边线与过鸭嘴根部的半径成θ角，且θ在15°～25°时，具有良好的效果。穴播器在作业过程中滚动较平稳，利于保证对棉种的投种精度，保证投种质量，提高作业速度；鸭嘴出土过程中挂膜较小，通过性好，铺膜效果较好。

3 三维建模

随着CAD技术的迅速发展，SolidWorks可以通过数据转化接口，非常简便的将目前设计行业中几乎所有的机械CAD软件集成到本身的设计环境中来，也快速的被应用于各行各业的三维设计中[4]。

3.1 穴播器虚拟样机的建立

利用SolidWorks软件建立了穴播器各个零部件，其结构如图5所示。

根据穴播器工作原理和已建立的零部件对其进行装配，获得了穴播器整体三维模型如图6所示。

3.2 穴播器虚拟样机的干涉检查

穴播器中如果有的零件结构参数设计不合理或者装配关系不对，将会存在零件之间的干涉现象，导致后面的生产制造出现重大问题。这种现象往往因为零部件的个数较多，我们肉眼无法观察到，因此需要通过Solidworks零件装配中的干涉检查命令来用计算机检查穴播器之间的装配关系，确保穴播器安装关系的正确性。

图5 关键零部件三维模型

在Solidworks中完成穴播器的装配后，在菜单栏中点击“评估”→“干涉检查”→“选择装配体”命令，点击“确定”按钮，如果存在零部件之间的干涉现象，需要重新进行结构参数的修改，再建立三维模型重新对装配体干涉检查。

图6 穴播器三维模型

4 充种过程分析

棉花种子进入种子室呈散粒状分布，通过内圈的带动，在充种器的作用下种子汇集到充种区作半月形环流运动。此时种子进入取种器的方式主要有两种[5～7]：（1）种子的自身重力、离心力及种子群的作用力共同作用下进入取种器V型槽；（2）种子从最高点通过种子群平面到种子室直接进入取种器。呈半月形环流分布的种子从最高点掉落时的角速度ki=0，离心力p=0，下落时种子在重力mg的作用下产生冲击力Fi和种子的摩擦力Ff，进入取种器种子的速度则为v，与种子大小有关：

式中 hi—种子环流被带起的高度；s—种子的滑移长度；m—种子的质量；ti—冲击力Fi的作用时间；g—重力加速度。

5 结论

（1）针对现有的机械式棉花精量穴播器，利用棉花种子的物理特性设计了新型取种器，通过三维软件Solidworks建立了穴播器三维虚拟模型，通过干涉检查设计合理，所设计的穴播器，排种性能满足新疆棉花膜上精量播种的农艺要求。

（2）研究分析了穴播器充种作业的过程，种子主要有两种方式进入取种器，得出进入速度与种子大小有关