气吸式水稻穴播排种器设计与性能试验

2019-12-21王洪超高瑞丽唐政林

农机化研究 2019年3期

王洪超，万霖，车刚，高瑞丽，唐政林

(黑龙江八一农垦大学农业机械化工程重点实验室，黑龙江大庆 163319)

0 引言

近年来，人口的逐渐增加，可利用土地的减小，导致全球粮食作物需求不断加大，而这种状况变得越来越严重[1]。在我国粮食品种中，水稻具有举足轻重的地位，因而国家不断加大力度扩大种植面积，确保人民的温饱[2]。与撒直播相比，水稻穴播是一种新型的直播方法，适合标准化作业，能够大量的节约稻种[3]。

国外对于水稻直播研究比较早，很多技术具有一定的先进性，以美国水稻机械化水平是最具有代表性[4]。直播能够节约水稻种子，减轻劳动力的消耗，促进经济的发展[5]。Navasero等学者设计并研发一种新型的水稻直播机，含有两级装置，第一级的作用主要是把种子从种箱取出，第二级的作用是把种子平均分配到各个排种器。国内水稻直播机最早是从谷物条播机改进的，但作业速度低、稳定性差[6]。排种器的自身机构和外部因素都会对排种造成一定的影响，如孔的形状和分布、群组吸孔数及气压大小等，采用合理的设计参数，才能达到最佳的状态[7-8]。

为解决上述问题，设计了一种穴播排种器，能够提高排种效果，实现高效快速作业。为此，探究种盘的孔径、孔数、转速和真空度对排种器的影响，并采用机械设计理论进行了设计。

1 气吸式排种器基本结构与原理

气吸式排种器由种盘、密封环、储种室及风压调节手柄等构成，如图1所示。

1.剔种装置 2.壳体 3.排种圆盘 4.吸气管 5.搅种轮

工作时，传动装置带动种盘转动，为作业提供动力。播种装置利用负压的吸力原理工作，稻种被吸在种盘上，随种盘共同转动。工作状态与地面是垂直的，排种盘上设有气流通道孔，固定在上面的搅种轮，防止流动性差的种子出现吸空现象。排种盘与气室之间采用密封圈连接，保证不漏气，另一侧与储种室种子接触。在壳体内部装有清种器，调节手柄可以改变位置，清除吸附多余的稻种。壳体外部与风机用钢丝塑料管连接，为播种装置提供足够的压力，壳体内部与大气压形成压力差。在工作状态下，储种室的稻种在搅种轮的作用下带到充种区，稻种在压力的作用下被吸附在种盘上。由于孔数很多，有的地方会吸附多余的种子，在携种区有剔种装置，把它清理掉。稻种最后到达清种区，没有气压的吸力，靠自身的重力进入输种管，落入种沟，结束播种过程。

2 气吸式排种器参数优化设计

排种盘作为核心零部件之一，决定着作业效果的好坏，影响较大的结构参数包括孔径大小的设计、吸孔的分布、群组吸孔组数的设计及气室真空度的设计等。

2.1 吸孔孔径的设计

吸孔的孔径在播种的过程中起到关键的作用，在设计孔径的大小时，首先要考虑种子的大小。由于不同作物的种子有很大差距，所以孔径一定要和种子相适应。其次，要考虑的就是要提供足够的气压，才能把稻种吸附在孔上。如果稻种和孔径相差太大，会造成漏气或一个孔径吸附多粒种子，使播种合格率受到一定的影响[9]；如果稻种和孔径相差太小，会导致气压不足，不能将稻种完全吸附在种盘上，引起漏种。同时，孔的大小对于气室真空度有着显著的作用[10]，孔径和孔数也是影响重播指数的主要因素[11]。运用公式计算，找到理论上的孔径，并进行验证。在实验的基础上总结出的孔径公式为[12]

d=(0.64～0.66)b

(1)

式中b—种子的平均宽度；

d—吸种孔直径。

结合水稻种子的平均宽度，最终选取孔径为1.5mm。孔采用锥形孔，气室另一侧的孔径为2.5mm。

2.2 吸种孔数的设计

吸孔孔数与许多因素都有关，如播种合格率及粒距等。在确保机车前进速度不变的情况下，随着孔数不断地增加，在播种过程中，粒距会不断地减小，当孔数达到一定的极限时，会导致播种混乱，各项评价指标都不合格。另一种情况，将孔数不断缩小，在播种过程中，粒距会不断地增大，当减小到一定的极限，漏播率极高。通过计算，找到理论上的孔数，并进行验证。该装置设计的目的是进行穴播，每穴满足2～4粒稻种。在满足孔数要求的情况下，确定孔组数。按照农业机械设计手册知[12]

(2)

式中Z—群组吸孔的组数；

D—地轮直径；

δ—地轮滑移系数，一般取0.05～0.12；

ip—传动比，取1；

S—穴距。

根据公式和农艺要求，确定组数为36，每组孔数为3。

2.3 排种盘转速的设计

排种盘的速度是评价排种性能的一个重要指标，随着转速的增加，播种的频率会逐渐增强，工作性能也会提高；同时，充种的时间也会缩短。进而导致漏播率加大，影响播种效果。由以上分析可知，在确保排种盘转速的情况下，找到合适的吸室真空度，才能达到最佳的播种效果。适当增大气室真空度，可以增大对稻种的吸附能力，但过大会导致重播率提高；转速变大的过程中，漏播现象明显，重播的几率变小[13]。排种盘转速的大小能够保证稻种的间距和粒数，同时还能提高稻种的合格指标，但孔径和孔数起到的作用不显著。

按照农业机械设计手册[12]，种盘速度不得大于0.35m/s。若没有增加任何辅助设备，一旦转速超过了这个值，工作性能将会大大下降。在实际农田作业中，由于外界因素的干扰，需要对排种器进行改进，通过改进的线速度能到0.5～0.8m/s。

2.4 气吸式真空度的确定

吸室真空度在播种过程中起到提供气压的作用，其大小将会直接影响吸种效果，间接地会对排种均匀度造成影响。吸室的结构根据吸种效果最终选择马蹄形，对于保证气室真空度一致性起到了很大的作用。从农业机械设计手册中能得到，排种器受到种子外界和自然环境的作用。对于水稻气吸式排种器，参照文献[14]，气室真空度最大值要满足公式，即

(3)

式中g—重力加速度(9.8m/s2)；

v—孔中心处的线速度(m/s)；

r—孔的转动半径(m)；

λ—芽种的摩擦阻力综合系数，λ=(6～10)·tanθ；θ为芽种的自然休止角；

C—种子重心偏离种盘的距离(cm)；

k1—吸种可靠性系数；

k2—外界条件系数。

由式(3)可知：影响真空度的因素有许多，计算过程要严格按照标准；通过公式得到的是临界值，在工作状态下要高于临界值。参数选取越大，工作性能越好，不容易漏播；但过大时，吸孔上出现多余的种子，使重播率上升；当过小时，压力不足，漏播现象显著。经计算，在进行水稻旱直播时真空度范围为2～6kPa。

2.5 排种器三维模型的确定

基于排种器结构的优化设计，通过UG软件完成三维建模。在建模环境下，按照设计好的尺寸绘制，再通过布尔运算、设计特征等相关命令初步建立三维模型，按照实体进行装配，并对其进行约束，如图2所示。通过干涉分析命令检测，模型不存在干涉现象。在仿真模块下，完成运动参数的设置，最后进行运动仿真和分析结果的输出，结果表明各部件工作稳定。

图2 排种器的三维模型

3 试验研究

3.1 试验准备

本试验选用龙粳33水稻种子作研究对象，实验前随机抽选100粒水稻种子，测量其尺寸特性，多次测量后取平均值，如表1所示。本试验于2017年3月在土槽实验室进行，试验选择气吸式排种器，测试设备采用JPS-12型试验台，其工作性能指标如表2所示。

表1 水稻种子的特性参数

表2 JPS-12 型试验台性能指标

3.2 试验评价指标

测试过程中，水平皮带速度模仿地轮的行进速度。排种盘的转速与种床带的前进速度按一定程度调整，工作状态稳定后，取中间数据作为统计样本。试验取250穴为统计样本，重复3次并取平均值。排种器试验台通过计算机的识别系统进行数据收集和处理，降低了人为因素造成的误差。根据水稻种植的田间要求，插秧种植时每穴要保证2±1株秧苗，为了保证水稻出苗率，每穴播2～4粒稻种，稻种穴距如图3所示。

图3 稻种穴距示意图

本文根据文献[15]，总结出评价指标。每穴小于2粒种子，属于漏播指标；每穴大于4粒种子，属于重播指标，则计算公式为

(4)

(5)

(6)

式中B—稻种数量≤1的穴数；

F—稻种数量≥5的穴数；

E—2≤稻种数量≤4的穴数；

N—全部穴数。

3.3 试验测试

影响排种质量的因素有转速、孔径及型孔的分布和数量等，其中转速和气吸室真空度为重要因素[16]。在孔径为1.5mm，其他因素保持固定的情况下，研究不同参数对其造成的影响，现场试验如图4所示。

图4 现场试验图

3.3.1 气吸室真空度对排种质量的影响

根据理论研究得[10]，真空度对排种质量的作用较显著。当气吸室压力过小，种子的漏播率会上升；气吸室压力过大，种子的重播率也会上升。为了探究最优的范围，需要对其展开试验。在转速为50r/min的环境下，研究不同气室真空度对排种质量造成的影响，选取5个真空度依次为2、3、4、5、6kPa，各项因素都达到稳定状态时，选取250穴作为统计样本，计算出各项评价指标，分析结果如图5所示。