气吸式单、双排精密通用排种器的设计与试验

赵立军，颜珊珊，王宇杰，张玉鑫，韩一鸣，蔡晓华，许春林

(1.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030;2.黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

精密排种器根据排种原理分成机械式与气力式两大类：机械式精密排种器具有结构简单、成本低廉等优点，但在充种、清种过程中，种子因受到挤压而损伤，对于种子几何形态也有相对严格的要求，且只适用于中低速作业，单粒播种的情况下工作效果差[1]；气力式排种器中气吸式排种器对种子几何形态要求不高，且不需要事先进行精选分级[2]，基本克服了机械式播种装置的缺点。通过更换吸孔盘改变孔的大小和形态适应不同作物的种植要求，并能实现逐粒点播，具有高速作业、较少伤种等优点，所以绝大数高速精密播种机选用气吸式排种器，在单粒精播方面有广阔的应用前景。

在气吸式精密排种器的研究开发方面我国已有40年的历史，已取得了很大进展[3-5]；但在小粒作物播种方面仍与国外先进排种器存在差距，随着种子发芽率逐渐增高，种子价格提高，精密播种栽培技术的推广是大势所趋，农民对精密播种机的需求将日益强烈。精密播种机将向以下方向发展：

1)随着土地流转的推进，土地连片是必然趋势，更加适合大农机作业。大农机以高速和高效为重要特征，配套作业机具的高速精密播种机将向高速作业方向发展[6-9]，作业核心部件的精密排种器也势必向高速度和高效率方向发展。

2)精密播种机向着“一机多用”方向发展。精密播种机通过更换排种盘和开沟器等关键部件，可适合多种作物精密播种的作业需求，同时可进行免耕播种作业，适应性广泛，可降低农民购机成本。

3)由于气吸式精密排种器对种子适应能力强、不伤种且适合高速，这是研究的热点，特别是要进行精密排种器的参数优化和改进设计，以及大力开展对整个气力系统的深入研究[10-11]。

4)高速精密播种机广泛应用机械、电子、液压和计算机等技术。

目前，大豆垄上双条、大垄垄上四条，玉米65～70cm单条是黑龙江省普遍采用的种植方式。大豆等规则粒形种子播种，多采用边缘型孔式排种器或窝眼式排种器；玉米则采用勺轮、指架及气吸平面多孔盘等不限制或少限制粒形形状的排种器。目前，大豆双条、玉米单条排种器不能通用，大豆双条播种机不适合播玉米单条种子，玉米单条播种机也无法用一个排种盘精密的播出双条大豆种子。如采用两个排种器播种垄上双条，通过更换排种器实现单条、双条的播种，增加了制造成本，带来更换困难。因此，如何用一个排种器完成黑龙江省的玉米单条、大豆双条作物播种农艺要求，成为黑龙江省排种器研究的重点内容。为此，创新设计了一种新型的通用型排种器，只更换播种盘即可实现单条、双条排种，降低制造成本、减少排种器的更换麻烦，从而实现精密、快捷的播种。

1 总体结构和工作原理

新型气吸式单、双排精密通用排种器的排种盘与排种盘盖构成真空室，真空室一侧吸气接口与风机相连通，另一侧与储种室相接。排种器进行大豆播种作业时，大豆种粒经种箱接口进入排种器壳内，种子在大气压与真空室内负压之间的负压风力作用下被吸附在排种盘的窝眼内；随大豆排种盘转动，由清种刷将多余种粒清除掉；继续旋转至投种区后，挡种板将对应位置的窝眼孔与真空室隔绝，种粒不再受内外压差的作用，种粒脱离大豆排种盘，受重力和惯性作用通过排种口自由落下，完成大豆双条播种作业。

卸下大豆排种盘后安装玉米排种盘，进行玉米播种作业时，玉米排种盘的单排孔上通过外接空气所提供的压力吸附种粒，随后种粒随排种盘上轨道运动到清种区，清种区装有多种可调式清种刀能剔除掉多余种粒；排种盘继续旋转至投种区后，由清种块将所有种粒清除掉，此时种子在重力作用下由排种口落下，完成玉米单条播种作业。气吸式单、双排精密通用排种器基本结构图如图1所示。

(a) 主视图 (b) 左视图 1.调节旋钮 2.刻度盘 3.指针 4.清种刀 5.种箱接口 6.大豆排种盘 7.排种盘盖 8.排种器壳 9.排种器壳 10.吸气室 11.轴承端盖 12.接口 13.挡风板弹簧片 14.挡风板弹簧 15.挡风板 16.窝眼孔图1 排种器结构图

2 排种器技术参数设计

气吸式单、双排通用排种器主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

2.1 排种参数

充种区、清种区、携种区、投种点的位置是主要的排种参数[13]，如图2所示。玉米充种区50°～60°，携种区160°～170°，清种区30°～40°；大豆充种区50°～60°，携种区170°～180°，清种区5°～7°。通过计算和试验可确定投种点的位置，设置在排种盘垂线后方46°处。

2.2 排种盘结构参数

排种盘直径是主要结构参数之一，在结构允许的情况下，直径越大则充种行程和充种时间越长，提高了播种速度。经过计算分析，排种盘直径为115mm。吸孔数和根据对播种距离的要求以及对播种机工作速度确定，应满足

(1)

其中，S为吸孔数；n为吸孔排数，单排取1，双排孔取2；R为地轮滚动半径，取轮胎半径的0.937倍；d为理论调整粒距；i为地轮到排种器轴的传动比。

经计算大豆排种盘共两排，单粒排种，40个/排，孔形状采用圆形窝眼型孔；玉米排种盘取30个，单排单粒排种，孔形状采用圆形平面型孔。

图2 排种参数示意图

2.3 真空室压力p

为使吸孔能可靠地吸住种子，则真空室压力应满足以下公式，即

(2)

其中，P0为大气压；P1为气吸室真空压力；K为吸孔可靠性系数；T为种子被吸到吸孔时所受的合外力；n为吸种口数；dx为吸种孔直径。

在实际工作中，考虑到种子在自然条件下的分布和种粒之间的碰撞以及机器震动、摩擦等影响，取吸孔可靠性系数K为1.8，带入已知数据可得气吸室的真空压力最大为5.6kPa。

3 关键部位结构设计

3.1 清种刀与清种块设计

为了实现在窝眼式与平面孔型排种盘之间的便捷替换，本排种器清种刀与排种器壳装配为一体，安装在排种器壳上的特制凹槽内，使外刀面与接触面处在同一平面上，在不影响玉米正常作业的情况下，不进行拆除，可满足大豆排种盘的正常工作，清种块与清种刀处在同一平面并与玉米排种盘紧密贴合，清种块与排种盘贴合部位接触面的投影和气吸孔的相对位置及角度应保证不伤种且清种干净。经试验得出，当清种块斜面与种子圆周运动的切线方向呈25°夹角时，伤种率接近3%，其结构如图3所示。

3.2 气吸室结构设计

本设计能够在双排窝眼式大豆排种盘和平面孔式玉米播种盘之间替换。由于大豆排种盘内部自带气吸室，使玉米播种盘与大豆播种盘的安装尺寸相一致，即玉米排种盘的气吸室安装时要补足轴向上的安装尺寸。

图3 清种块位置图

气吸室结构主要为了配合安装尺寸和播种需要，采用以下结构，如图4所示。

(a) 大豆排种盘 (b) 玉米排种盘图3 气吸室

4 排种器性能试验

4.1 试验设计与方法

选取排种器风压X1、作业速度X2作为试验因素，以排种合格指数Y1、漏播指数Y2作为评价指标，根据排种机具工作参数的要求，确定影响因素取值范围，即风压5～9kPa、作业速度5～9km/h。因素水平表如表2所示。应用Box-Behnken法设计的试验方案及结果如表3所示。

表2 试验因素水平表

表3 试验方案与结果

续表3

4.2 方差分析结果

利用Design Expert7.0软件对表3中的试验数据进行二次多元回归拟合。合格指数回归决定系数为0.98，修正决定系数为0.96；漏播指数回归决定系数为0.96，修正决定系数为0.98，这表明实测值与预测值之间的相关性较高，试验误差相对较小。回归模型显著，能够很好地描述试验结果，使用该方程代替真实的试验点进行分析是可行的。回归统计分析结果如表4所示。

表4 方差分析结果

续表4

4.3 交互作用影响分析

根据二次多项模型利用Design Expert软件绘出响应面分析图，可直观地描述各因素对响应值的影响和各个因素间的交互作用。由表4中各项系数的P值可知，风压、作业速度对排种合格指数、漏播指数有极显著影响。

排种器风压、作业速度对排种合格指数、漏播指数交互作用的响应曲面分析如图5和图6所示。图5中合格指数随作业速度、风压呈先增大后减小的趋势，图6中漏播指数随作业速度、风压呈先减小后增大的趋势。

图5 合格指数交互作用分析

图6 漏播指数交互作用分析

4.4 试验结果与分析

当排种器风压为6.61 kPa、作业速度为6.82km/h时，排种作业性能最优，其合格指数为94.41%，漏播指数为3.67 %。根据优化结果进行10组试验验证，合格指数为93. 92%，漏播指数4.16%，与优化结果基本一致，误差在可接受范围内。

5 结论

1)本排种器能够安装两类排种盘，壳体及排种器盖通用，更换排种盘即可实现大豆双行排种和玉米单行排种，极大降低了播种成本，且操作和更换简单方便。

2)排种性能综合指标超过90%，在作业速度8km/h时，播出单条玉米种子的株距均匀性合格率达到95%，工作性能稳定。

3)满足黑龙江省等地区的大豆及玉米播种农艺要求。