叶菜精量直播部件气力式窝眼排种器设计

邹 岚，张晓文，白洪涛

(北京市农业机械研究所有限公司，北京 100096)

0 引言

我国是小粒径种子作物种植大国，尤其是蔬菜种植。2018年我国农作物总播种面积16 590.24万hm2，2019年我国农作物总播种面积16 593.07万hm2，比上年末增加2.83万hm2，同比增长0.02%。蔬菜是我国种植业中仅次于粮食的第2大农作物。据统计，目前我国蔬菜面积为0.22亿hm2(3.35亿亩)左右，产量达7.69亿t，一年产能可以满足150亿人的吃菜需求[1-2]。蔬菜种植经济效益显著，但是目前小粒径蔬菜种子的播种方式仍以半机械化或人工播种为主，作业效率低、成本高、田间后期管理劳动强度大，致使综合效益低，成为小粒径蔬菜播种规模扩大的技术瓶颈。

根据叶菜机械化生产的农艺要求，对现有露地直播机型进行调研，发现存在的问题如下。一是播种方式采用窝眼式集排器，存在播种精度不高的问题[3]。二是稳定性及播种均匀性(深浅、粒数等)有待提高。三是因地块及土壤等作业环境变化，播种过程的控制系统及控制精度不完善。

针对小粒径作物种子粒径小、易破损、精播难及传统排种器属一器一行、结构复杂等问题，设计一种气力式窝眼精量排种器，该排种器采用正负气压组合式排种原理，可简化播种机的排种器结构与数量，提高排种器工作效率与工作质量，性能测试效果良好，满足设计要求[4-8]。

1 总体方案设计

1.1 播种机功能要求

研发的起垄铺膜播种机一次作业可完成起垄、施肥、铺滴灌带、覆膜、播种和覆土等工序，部分组件可拆卸组装。播种机由拖拉机动力输出轴驱动，关键部件排种器是精密窝眼轮式排种器；打孔机构为凸轮机构与曲柄滑块机构的组合；投种采用鸭嘴式机构，结构简单，能够实现入土最低点强制开启，保证投种的稳定性和低空穴率。

1.2 农艺要求

要求畦高10～15 cm，畦形近梯形，中间可铺1条滴灌带，覆膜后直接在膜上进行穴播，每畦播种2行，每穴播种2粒，播种深度最小为0.5 cm，播种后可覆土0.5 cm，播种3～5 d出苗。

2 排种器设计与性能测试

2.1 种子物理参数

选取大白菜种子作为机具播种对象，种子经过包衣后直径为3～5 mm，测得其物理参数如表1所示。

表1 大白菜种子物理参数

2.2 排种器结构设计

为了缩短窝眼的充种时间、减少对种子的损害，设计一种负压充种、正压排种的精密窝眼排种器，主要由种箱、排种轮、种刷、分压盒、传动轴和排种管等部分组成，其结构如图1～2所示。

1.种刷 2.窝眼 3.负压区 4.正压区 5.排种管 6.传动轴7.分压盒 8.种箱 9.排种轮 10.种子图1 气力式窝眼排种器结构Fig.1 Structure of pneumatic hole seed metering device

1.种子 2.种箱 3.传动轴 4.排种轮 5.分压盒 6.排种器架 7.排种器盖图2 排种器侧面剖视图Fig.2 Side sectional view of seed metering device

种箱、排种轮、种刷、传动轴和排种管按传统的窝眼排种器布置，在传统的排种轮上，在受种窝眼的底部钻通气孔，孔径不影响种子进入或者脱离窝眼，但能保障气流通过。在排种轮轮毂与加工出窝眼的轮缘之间加工出环形槽，槽的轴向深度使窝眼底部的通气孔与该空间贯通。排种轮结构如图3所示。

图3 排种轮结构Fig.3 Structure of seed metering wheel

分压盒是静止的环形圆盘，盘中心的圆孔套装在排种轮的轮毂上，排种轮的轮毂可在该孔内自由转动。分压盒内部是相互隔开的2个扇形空间，正压空间始于排种管起始点、终于种箱入口处，余者为负压空间。正负压空间分别通入正负压空气。在分压盒的轮缘上开有环形凹槽，该凹槽分为两段，每段与正负压空间对应，且与相应的空间用通气孔连通[9-11]。分压盒结构如图4所示。

图4 分压盒结构Fig.4 Structure of pressure distribution box

2.3 排种器工作原理

播种机工作时，传动轴带动排种轮转动，轮缘上的窝眼转动到分压盒的正压区和负压区时分别和正压空气和负压空气接通。假设窝眼从正压区顺时针开始向种箱内转动，当转入种箱内时，窝眼与负压空气接通吸入种子，然后继续转动，到种刷时，多余的种子被种刷刷掉，窝眼载一粒种子继续转动，当该窝眼进入排种管上方时，与正压空气接通，种子被吹入排种管，窝眼继续绕行，再一次进入种箱前，窝眼内总有正压空气吹出，窝眼中吸入的杂物被不断吹出。当该窝眼旋入种箱内时，再一次与负压空气接通，进入下一个负压吸种正压排种的工作循环。

该排种器的优点是，负压将种子保持在窝眼内，不用护种板遮蔽种子，取种时间短。用正压气流吹出种子，不用刚性的推种杆，避免损伤种子；正压空气吹出窝眼时清理窝眼，利于再次吸入种子[12-14]。

2.4 排种器性能测试

2.4.1 排种过程分析

根据试验种子的特性分析气力式窝眼排种器排种过程力学特征，将排种过程划分为3个弧段(图5)。α为吸种弧段，β为携种弧段，γ为投种弧段。

图5 排种器工作过程示意Fig.5 Working process schematic diagram of seed metering device

排种过程中，排种器的动盘绕定盘旋转，在α弧段吸种孔与吸室负压相通，依靠吸力取种，β段种子仍处于吸附状态，起到护种作用。在γ位置解除负压，同时施加正压完成投种过程。排种器行距、株距可调，可根据种子大小调整种勺，控制下种量。

2.4.2 吸种孔流场分析

吸种孔内气流场的稳定与否直接影响充种质量。吸种孔圆柱段直径为1.1 mm，排种盘厚度1 mm，在气室真空度为5、10、15、20 kPa情况下(排种器工作时要求真空度为5～20 kPa)，对其流场进行模拟分析得出，圆柱型结构的吸种孔，流场速度变化比较平稳，吸种端气流速度比较均匀，接近孔的平均流速，其流场分布有很好的均匀稳定性，接近理想充种条件。

2.4.3 排种器性能测试

根据JB/T 10293—2013《单粒(精密)播种机技术条件》，利用JXP-1型排种器性能检测试验台开展单因素试验研究。选用0.3 mm孔径的圆形吸嘴，播种时间设定如表2所示，不同播种时间下的性能测试结果如表3所示。

表2 播种时间设定

表3 不同播种时间下的播种性能

由表2～3可知，在低速下播种时，即吸嘴吸种时间为1.2 s、气吹吸嘴时间为0.4 s、气针清嘴时间为0.4 s时，播种生产率最低，为12 481.04穴/h，但重播率和空穴率都相对较好，分别为3.89%、3.22%。在高速下播种时，即吸嘴吸种时间为0.8 s、气吹吸嘴时间为0.2 s、气针清嘴时间为0.2 s时，播种生产率最高，为12 882.3穴/h，但重播率和空穴率相对较高，分别为4.73%、5.02%。在吸嘴吸种时间为1.0 s、气吹吸嘴时间为0.3 s、气针清嘴时间为0.3 s时，生产率、重播率及空穴率综合性能最优[15-16]。

3 结论

设计一种气力式窝眼排种器应用于叶菜精量直播机，可实现负压充种、正压投种，满足起垄、覆膜后直接膜上穴播，适用于中小籽粒球状种子的播种作业。性能测试结果表明，该排种器满足设计要求，其优点如下。

(1)排种精度高，重播率、漏播率低。采用气力排种，每个播种窝眼吸附一粒种子且吸种可靠，实现精量播种；播量均匀，总体播量稳定，误差范围小。在吸嘴吸种时间为1.0 s、气吹吸嘴时间为0.3 s、气针清嘴时间为0.3 s时，生产率、重播率及空穴率综合性能最优，分别为12 800穴/h、3.98%、3.95%。

(2)行距、穴距和穴粒数可调，可实现一穴一粒、一穴两粒和一穴三粒的精确播种。

(3)种子破损率低。排种器和种子接触时挤压受力小，只有种子被吸到吸种孔上时，与吸种孔之间存在由于负压吸力而产生的挤压，几乎不存在排种时种子破损情况。

(4)可通过更换传动链轮或更换具有不同吸种孔数量的吸种管实现播种量的调节，两种调节相配合，可以灵活调节播种量。