新一代负压式谷子精量穴播机的设计与改进

河北农业大学 张乐 李紫源 张新雨 何天昊 王子冲

引言

谷子常年生长在高温环境，是一种耐旱稳重作物，具有耐受性差、适应性广、水利效益高、化肥、农药使用少等优点[1-2]。我国作为农业大国，对粮食小经济作物谷子的需求将会增加，成为我国农业发展的支柱作物[3]。因谷子播种难度高，特研制出一台播种效率高、均匀、成穴性好、穴距和穴粒合理的负压式谷子精量穴播机。

1 谷物种子的物理特性试验研究

为了使负压谷子精量穴播机更适合包衣谷子的播种和农艺要求[4]，对谷物种子的物理特性进行了研究，可为负压型谷子精密排种器的设计和试验提供依据。

1.1 谷物种子物理特性试验的材料选取

在这个实验中，谷物种子被包衣。种子包衣主要优点如下[5]：

（1）有效降低病虫害、省种省药。

（2）高营养、活力大、高生长率、具有强耐贮性。

（3）具有高球形度，流动性能好。

1.2 测定谷物种子物料特性

1.2.1 外形尺寸的测量

测量球形度，用X、Y、Z三轴对颗粒进行分类，并测量相应的三种形状和尺寸，代入球形度公式[6]：

1.2.2 测量千粒重

种子活力的重要指标是千粒重。种子颗粒饱满，即种子中营养物质相对较多，发芽整齐，发芽率高，并且植物的生命力很强[7]。在一定的条件下，1000粒种的重量是指千粒的重量[8]。千粒重的测量是采用科学的方法对谷种进行相应的检验、分析和鉴定。

2 排种器的设计与研究

2.1 新一代负压式谷子精量排种器的设计结构与工作原理

2.1.1 设计结构

主要装配：风室盖、风室体、排种轴、排种板、轴承、排种器、密封圈、传动装置等结构组装成。其基本结构如图1。

图1 新一代负压式谷子精量排种器结构图

2.1.2 工作原理

由螺栓将风室体和风室盖连接在一起，即为排种器。排种器内置密封圈，形成良好的密封的风室。如图2，排种器有三个工作区段：种子填充区、携带种子区以及浇出种子区。最开始在种子填充区，种子填充区是真空区域，利用负压吸附谷种；然后谷种脱离谷堆，到真空区域的边缘处，即携带种子区；到达携带种子区后卸掉谷物种子，即浇出种子区。此时，负压消失，重力作用于谷物种子，并自动落入种子孔中。这个位置还有刮擦将未掉落的谷物从种子盘上刮下来，确保种子掉落。为吸种孔下一次顺利吸附谷种提供方便，进行下一个循环。

图2 排种器的三个工作区段

3 排种器的台架试验

台架试验在室内进行，可通过人为性地加载各种环境和试验条件来模拟田间试验。与现场试验相比，台架试验方便、快捷、成本低，不受季节天气的影响，并可依靠自动控制手段对播种效果进行在线检测和处理，可进行多次重复试验，并且可以更容易、更可靠地对试验效果进行分析和评价[9]。

3.1 试验材料及试验装置

本试验采取JPS-12计算机视觉排种器试验台。本试验台包括风机、调速电动机、气流管道、风压测量设备、台架、控制台等装置。

3.2 试验方案

试验主要分三部分进行。第一步是通过单因素试验确定风室真空度和排种轴转速的最佳取值范围；第二步，根据单因素试验结果，设计正交试验方案，分析各试验因素对单行播种性能指标影响的主次顺序，并获得最优组合。第三步，对优化后的排种器进行综合性能测试，并将测试结果与穴播标准进行比较，判断是否符合精确穴播的要求。

3.3 正交试验试验方案

依据文献[10]和[11]，本正交试验通过对风室真空度的研究、排种轴转速和吸种孔径对穴粒数合格指标、穴距合格指标、空穴指数和穴距变异系数的影响可以获得主次顺序和较好的水平组合。

4 整机的设计与研究

4.1 整机结构

整机设计要求[12]：

（1）一次完成种植沟、种植、将土覆盖等过程。

（2）机器设计简单，便于操作。

（3）安全性高，便于田间作业运输。

（4）镇压轮的滑移率符合农艺要求。

（5）工作时振动小，具有好的稳定性，行距保持一致，播种的深度和播种量都很均匀。

（6）伤种的概率相较很低。

根据设计要求，该课题采用了Solidworks三维制图软件对整机各个部件进行了三维建模和装配，并且进行了结构参数的改进和优化，最终在河北哈哈机械集团有限公司完成整机的研制。播种机的整机结构由机架、风机、开沟器、排种器、覆土、镇压装置、传动装置和种箱等组成。

4.2 其他关键部件的结构和特点

4.2.1 机架

播种机的机架就是骨架，是机器的重中之重，每个组成部件要想稳定的展开工作，都需要机架的支撑。机架是由矩形管切割和焊接加工而成的，强度和刚度到位，设计简单，便于其他构件的安卸。机架的前端通过三点悬挂结构和拖拉机相连接，传动系统和排种装置与其后端相连接，种箱与其上方相连接。

4.2.2 风机

负压式谷子精量穴播机不能缺少风机和气管，风机和气管是排种器吸附谷物种子的动力来源。风机是由拖拉机带动旋转产生吸力，而气管是风机和排种器的连接枢纽，在两者之间传递吸力，从而使排种器可负压吸种。

4.2.3 开沟器、覆土及镇压装置

开沟器在种植沟[13]中起着作用。我们必须选择合适的开沟机，以确保播种的质量。镇压装置主要作用是均匀地覆盖和覆盖种子孔内的谷物。

4.2.4 传动装置和种箱

机组在拖拉机的牵引力下前进，镇压轮与地表接触并旋转，经传动装置最终带动排种轴旋转，从而实现播种。可以看出，镇压轮不仅仅是镇压装置，更是驱动装置，驱动装置是播种机排种器的动力来源。

种箱在播种时，为种子提供存放空间，容量合适的种箱可缩短播种作业时间，为播种提供便利。

5 结论与展望

本课题根据对谷子播种难度大的农艺特点，研制了负压型谷子精量穴播种机，其性能指标达到了文献[10]和[11]的技术要求。本课题研制的负压式谷子精量穴播机将精量穴播技术应用到了谷子的播种过程中，克服了机械式播种机的缺点。这将在农业装备的发展中展现新的篇章，对农业发展的战略结构改善具有重要意义。本课题的创新点主要包括：

（1）条播改为穴播。将穴播技术应用到了谷子播种的领域，满足了穴粒数要求，解决了缺苗断垅、间苗劳动量过大等问题。

（2）改进吸种孔。采用排种量大的吸种圆孔，合理的孔径、孔数及排列方式解决了难吸种、易堵塞、易伤种等问题。

（3）谷种包衣。对谷种进行包衣不仅提高了谷种的球形度，而且减少了堵塞，更便于播种。