关于谷子精量穴播机排种器的改进研究

河北农业大学 何天昊 张乐 王子冲 李紫源 张新雨 李明畅

引言

谷子的营养价值日益被人们认识。谷子种植之所以在旱作农业中占有很高的地位，是因为谷子具有抗寒、抗旱、适应性广的特点。传统的播种方式存在许多缺点，因此提出了精确播种的概念。精密农业要求精密播种机操作一定不能漏播，不能重复播种，播种均匀，播种深度相同。精密播种使大田作物分布均匀，播种深度一致，密度合理。由于建立了适当的种群结构，进而有力保证了作物对土壤养分和光照的利用程度。

1 谷子籽粒物理机械特性的研究分析

播种机械研发的重要理论基础就是种子的物理机械特性，我们在开发新品类农机产品时，对这种作物种子的物理力学特性进行分析是研究的首要任务[2]。华北平原种植的谷子品种多种多样，单一品种不能代表整体的水平。

种子的大小、饱满度和结实度可以通过千粒重来反映。数字大说明种子营养物质较多,长出的幼苗比较粗壮，容易取得高产。

1.1 选材与研究分析

1.1.1 材料选择

本试验随机选用了保213、冀谷19、安4585、济0506、安10-4172、201094六个品种作为研究对象，这些是在华北地区大面积种植的品种。试验用谷子由保定市农业科学所提供。

1.1.2 研究目标

影响排种器性能的谷籽物理机械特性。

1.2 种子外型尺寸及球形度的测定

随机选择50个谷粒，用游标卡尺测量长度L、宽度B和高度H，精度为0.02，并记录结果。将谷粒平放在水平板上，使穿过谷粒顶端的直线平行于卡尺的水平杆，轻轻推动卡尺夹住谷粒。当颗粒刚刚旋转时，记录刻度为长L。这次松开后，轻轻推动颗粒水平旋转90度，记录刻度为宽W。当第二次松开颗粒时，笔尖接触颗粒，轻轻推动卡尺将其旋转至平衡状态。此时，记录刻度为厚度H，小米的视觉观察类似球形，所以测量结果带入球形度公式[4]进行计算：

上式：L——种子长度(mm)；

B——种子宽度(mm)；

H——种子高度(mm)。

2 第二代样机排种器的研制

2.1 基于一代2BXQ-6型谷子播种机进行研发探索

一代2BXQ-6型谷子播种机，该机排种器为周向型孔气吸式，该排种器由中心芯轴、排种器壳体、断气阀、弹簧、断气阀支架及封盖组成，如图1所示。

图1 排种器的组装图

排种器外壳和盖子通过螺栓和密封胶固定连接，形成排种器气室。风道的中心轴安装在机架上，导流风道应与分流风道连通。机器运转时，风扇使气室产生负压，导致吸种壳两侧产生压差。气割滑块工作时负压消失，种子在自身重量和气割滑块推力的作用下落下，完成落种。排种器将再次进入排种区，排种工作将在此周期内完成。

2.2 试验后一代样机主要有以下突出问题

（1）排种器播种谷子成穴性不达标。

（2）断气滑块实现断气功能效果不理想，具有一定的滞后性，对清种工作完成不彻底。

（3）气流量对穴播量有着直接的影响，实际工作中拖拉机带动风机运转不稳定，气流量不易调整，从而致使穴播量不能得到精准控制。

2.3 排种器的优化选择

2.3.1 排种器的设计探索

阅读相关文献并对以往设计的排种器实验进行总结归纳，得到了较为合理的设计思路：以负压吸种式排种器作为优化基础，在排种器运转时通过负压进行吸种，投种通过断气的方式使种子依靠自身重力完成下落进入种植穴。

根据这一设计思路，设计了几种排种装置，后续实验表明，几种排种装置容易造成吸种孔堵塞和种子泄漏。

2.3.2 基于第一代原型基础优化设计的排种装置

双圆盘槽缝式排种器及吸式排种器都会考虑到密封问题。通过不锈钢冲压工艺使两圆盘表面尽可能的充分配合，双圆盘槽缝式排种器的设计具有很好的通用性、防堵塞性和投种横向聚拢性，由此确定双圆盘排种器为二代样机的核心部件。

2.4 双盘开槽排种器的结构和性能

2.4.1 结构和工作原理

气吸双盘槽式排种器的结构如图2所示，主要由轴塞、气室外壳、驱动轴、气道盘、吸种盘、容重侧盖等组成。

图2 双圆盘槽缝式排种器

转轴与吸种盘相连，另一端通过轴承装配至气室壳体上，气道盘与气室壳体通过密封胶粘连至一起；调节好压片将锯齿形刮种片压至气室壳体上。随后种子转至投种区，通过断气使种子在自身重力的作用下完成投种。吸种圆盘继续旋转，再次进入吸种区，如此循环达到吸排种的目的。

2.4.2 排种性能影响因素

采用吸种盘和气道盘组合的方式，两者叠合槽缝交汇形成吸种缝。然而对排种器排种质量的影响因素较多，主要有种盘直径d、气室内压力p、吸种圆盘的转速n、吸种槽缝的宽度b1、吸种槽缝的长度l和气道槽缝的宽度b2等。

2.4.3 排种器的工作参数

2.4.4 其他部件的设计

（1）气室设计

气室与气道盘通过粘接结合形成气室，气道盘上沿圆周方向开有300°的槽。为了达到最小的初始播种速度，采用播种装置的最低点，因此槽的末端被设置为粘合过程中的最低点。

（2）容种侧盖的设计

为了优化种子填充特性，含种子侧盖的种子填充角度应该使种子能够平稳地向下流动并在种子填充区域中积累。

3 结论与展望

本次项目对新改进的播种器在实验室进行了台架实验，对实验数据进行处理分析后得到结论，对播种器的改进达到了预期的目标。实验的结果与播种机的机械结构特点的总结如下：

3.1 实验的结果

（1）在实验前也分析了之前几代样机的实验室台架实验和田间播种实验，发现诸多问题，最后的实验结果还有继续提升的空间。

（2）在实验中考虑对排种器采取什么结构需要从之前的研究理论进行分析。在临界真空度和转速32rpm下，对不同槽缝宽度的种盘进行试验，分析得出槽缝宽度为0.3mm时效果最佳[5]。

改进后播种机的机组特点：

（1）为了能够适应不同行距的配置，在之前的基础上进一步优化了机械结构，在保证播种器性能的前提下，缩减了整体的机械结构

（2）为了保证播种的成穴性，继续采用上一代一体式的开沟，覆土机构，这样做可以使播种机的结构紧密，排种器与种沟的间距降低，因此避免了更多的外界因素影响。

3.2 建议与展望

精量穴播机的改进一直在继续，改进后的播种器解决了前几代样机中存在的几个问题，但是由于参与的时间与新冠疫情对实验进度的影响，新的样机没有参与田间播种实验，所以安装上改进后播种器的样机性能的还有一些不足。总结整个研究过程，对以后的研究提出以下建议：

（1）理论上安装改进后播种器的播种机极限工作速度是3.5km/h，但由于越来越高的播种作业要求，该播种机的效率将会越来越不能满足农民对高效播种的需要。在以后的优化中，建议增加排种盘槽缝的数目并优化对应的播种结构等，使其提高播种机极限播种作业的速度。

（2）建议在以后的研究当中通过计算机仿真软件的支持，优化排种器及其他机械结构。

（3）在以后进行的田间实验时要关注精量播种机的实际性能，重点关注改进后排种器的结构在实际使用中是否合理，在后续研究中加以改进。