一种绿肥毛叶苕子种撒播机的设计

田德宝，廖结安

(1.北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021；2．塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

毛叶苕子(Vicia Villosa Roth)是一种耐寒、耐旱、耐瘠薄的优质绿肥，在种植毛叶苕子后既可以给土壤增肥也可以起到降低地表径流防止土壤侵蚀的作用，毛叶苕子种养结合的方式，能够促进农牧业绿色健康可持续发展[1].毛叶苕子的旱地播种主要有人工种植、撒播和条播的方式，毛叶苕子的人工种植存在人工撒播不均及劳动强度大的缺点，造成绿肥减产和增大种植成本；毛叶苕子的条播要求为行距40～50 cm且采用耕翻后撒播，播深2～3 cm即可.播种毛叶苕子无论采用哪种方式播种后都需要耙平及镇压处理以保证其出苗率[1-2].

目前国内外播种机种类繁多，针对不同种子特性具有专用播种机械或者通用型播种机械，能满足中耕作物和某些蔬菜播种的农艺要求[3].但是因为机械式播种机不适于高速作业，且对种子形状要求较高、毁坏种子率较高，所以逐渐被风力式播种机取代.近年来，国内外学者对气流传送装置改善播种进行了研究，从不同种子的物料特性、装备的几何形状及尺寸等不同方面进行了相关研究[4],主要在气-固两相流进行大量数据研究实验，分析装置内部流场分布和物料运动共性，尽量完善其结构，使其具有良好的工作性能，使撒播种速度及质量得以提升[5].本文主要采用流体力学的基本计算原理对撒播的种子在高压气体下的所需速度进行反复验证[6-7].在此基础上，设计了针对绿肥毛叶苕子种的专用撒播机，增大了毛叶苕子的播种速度，也减小了播种过程中对种子的伤害从而保证毛叶苕子种子的成活率.

1 绿肥毛叶苕子种撒播机结构及工作原理

绿肥毛叶苕子种撒播机主要由旋耕机、高压气吹系统、排种系统、覆土系统、承重架、地轮及连接架等组成，见图1.各主要部件尺寸参数，见表1.

由图1及表1可知，绿肥毛叶苕子撒播机的总长度为2.5 m，播种幅宽为3.3 m，高度为1.5 m，最高播种速度为25 km/h.依据所选旋耕机最大宽幅为3 m，且毛叶苕子播种间隙距离为40～50 cm，因此设计播种系统总体长度为3.3 m，种箱两端下料管之间距离为3 m，下料管与下料管之间距离设计为50 cm且可调节.高压气吹系统安装于旋耕机上，通过连接轴与旋耕机变速箱连接；承重架通过连接架与旋耕机连接；承重架上安装有地轮和排种系统，地轮通过轴承螺纹固定于承重机架上；排种系统的种箱通过螺栓固定于承重架上，种箱内部通过轴承螺纹安装有下种器，下种箱底部下料口与喷种嘴连接；承重机架通过连接件与覆土轮连接.

(a)绿肥毛叶苕子种撒播机主视图

(b)绿肥毛叶苕子种撒播机俯视图图1 撒播机主视图及俯视图

表1 撒播机主要部件尺寸参数

绿肥毛叶苕子种撒播机采用拖拉机提供动力并通过动力轴将拖拉机输出力传到旋耕机变速箱中，通过变速箱按照传速比分别带动旋耕刀和高压气泵工作.地轮在拖拉机的拖动下发生转动，通过链轮链条带动下种器工作，下种器按照设计要求将一定量的绿肥毛叶苕子种从料箱中下拨到喷种嘴中，在高压气体带动下一起撒播到土层中，同时覆土轮经过将绿肥毛叶苕子种进行覆盖镇压.

2 气流输送速度

对于毛叶苕子种撒播机最重要的是气流输出速度的计算，如果气流量过小无法将毛叶苕子种撒播到土层中，速度过大则可能会导致种子掩埋过深，因此合适的气流速度对于撒播机具有重要意义，图2为喷种嘴结构参数简图.

图2 喷种管示意图

设空气速度为v，根据文献[6]得

(1)

式中K1为物料粒度系数，查得K1=15；Ks为物料特性系数，一般取Ks=(2～5)×10-5；ρv为物料的密度，毛苕子ρv=297.8 kg/m3；l为输送管道的长度m.

当喷种管道长度l不超过50 mm时,Ksl可忽略不计.高压风管设计尺寸小于0.5 m，计算时忽略Ksl[5]，则带入式(1)计算得v1=8.19 m/s.

考虑系统的密封性，计算出空气速度需要增加10%的气流量，即：

v=110%v1，

(2)

其中v1=8.19 m/s，由式(2)计算得v=9.009 m/s

取v=9.1 m/s.高压泵输送气流速度v≥9.5 m/s时，便可以满足要求，但我们要求高速气流需要将种子射入土层0.5～2 m内，因此要求空气压缩机提供的气流速度必须达到强风级别即v≥10.8 m/s才可以满足需要.

3 排种系统设计

绿肥毛叶苕子种撒播机排种系统主要下种装置包括：地轮、称重机架、气管、种箱支架、种箱、链轮链条、下种器、下种管、喷种管、喷种管支架等，如图3所示.

图3 排种装置系统

如图3所示，绿肥毛叶苕子种撒播机中最重要的为排种装置，毛叶苕子种植行间隙由固定距离的喷嘴管决定，只需保证下种器均匀下种即可满足要求.排种装置动力来自地轮，需要地轮与下种器之间配合使用，因此在设计地轮直径时充分考虑下种器的工作原理，保证在地轮转动一周的时间段内，下种器既要有良好的下种速度，同时也要保证均匀的下种量.

毛叶苕子撒播机地轮既是排种系统的动力源，也通过链轮链条与排种轮连接，是排种轮下种数量的依据，因此地轮的合理设计至关重要，图4为地轮简图.

图4 地轮简图

如图4所示，依据撒播机最高撒播速度及现有地轮结构参数尺寸，设计撒播机地轮直径为300 mm，根据圆周公式可计算地轮周长为

C=2πr，

(3)

其中，地轮半径r=0.15 m，由式(3)计算得C≈0.924 m.

地轮旋转1周的播种次数k，取落地的第1颗种子与最后1颗种子之间距离为d=0.31 m，因此地轮转动1周播种次数为：

(4)

由式(4)计算得k≈2.98，考虑播种实际整播种，假设地轮周长近似为1 m，可播种次数为k=3.

毛苕子种子质量为25～30 g/1 000粒，为方便计算故取27.5 g/1 000粒毛苕子；单颗种子的大小为直径1.2～2.3 mm，假设单颗毛叶苕子种子直径为1.75 mm；毛叶苕子种1亩(1亩=666.67 m2)地的播种质量为3～4 kg/亩，为计算方便取播种质量为3.5 kg/亩；假设长为100 m宽为6.67 m，播种宽幅为3.3 m的撒播机共有7根下料管，刚好播种两趟，由此可知播种1亩地所需要的种子质量为2.5 g.

已知地轮旋转1周下种3次，播种质量为2.5 g，则播种器下种1次需要播种个数为：

(5)

式中，N为播种个数；m为每次播种质量.由式(5)计算得N≈30.3，故取N=31个.

假设毛苕子种半径为1.75 mm的圆,则可知单粒种子体积：

(6)

式中，V1为单颗毛叶苕子种体积.由式(6)计算得V1≈22.45 mm3.

由式(5)和式(6)联立，可得下种器存种区体积：

V2=31V1，

(7)

由式(7)计算可知，下种器存种区体积V2=695.95 mm3.

如图5所示，下种器等间距设计划分3个存种区域，每个存种区体积为695.95 mm3.下种装置的工作原理为地轮通过链轮链条等传动比带动下种器工作，地轮每转动1周，下种器下料3次，每次下种量为31粒左右.地轮转动速度越快，下种器同样加快下种速度，从而大大提高了撒播机的工作效率及保证下种的均匀度.

图5 下种器局部剖视图

4 结 论

(1)绿肥毛叶苕子种撒播机最大特点是突破性地采用空气压缩机、旋耕机及播种机一体化设计，实现旋耕、撒播、覆土一体化作业，大大节约了播种时间和工作过程.

(2)毛叶苕子撒播机可一次性播种7行，播种幅宽为3.3 m，最高播种速度可达25 km/h，采用地轮等传动臂带动下种器工作，实现下种器下种速度与地轮转动速度相一致，较大程度上保证撒播机高速工作下的播种均匀度.

(3)绿肥毛叶苕子种撒播机从根本上改变了绿肥毛叶苕子的播种现状，具有播种均匀、撒播效率高、下种精确且不易堵塞的优点，较大程度上节约种植时间，减轻了劳动者的劳动强度，提高了绿肥毛叶苕子的成活率，促进了农业机械现代化的发展.