气吹式排种器气流辅助充种装置设计及试验

杨春华，郝 勇，李军宇，刘中峰

(山西省农业机械发展中心，山西 太原 030006)

0 引言

现代农业生产中播种是一个关键环节，播种的好坏决定了粮食是否会取得丰收，而播种的质量如何又取决于播种机的性能质量。播种机的核心部件是排种器，排种器的性能好坏直接影响播种质量[1]。目前播种机的排种器分为机械式和气力式，气力式又分气吸式和气吹式。以播种玉米为例，国内主要是勺轮机械式，国外几乎是气力式[2]。不论是机械式，还是气力式，充种质量是排种质量的一个重要影响因素，甚至可以说充种质量直接决定了排种器的排种质量[3-4]。气吹式排种器具有非常优良的性能，具有重播率低、漏播少、排种合格率高和不伤种等优点。现有的气吹式排种器工作时，排种盘被驱动进行转动，当排种盘上的锥形孔转到充种区的底端时，锥型孔内会充入种子，种子是依靠自身重力和种子之间的摩擦力充入锥形孔的[5-6]。当充入种子的锥孔转到风嘴下时，多余的种子被吹走，锥孔底部的种子被保留，锥孔内种子的充填好坏，直接影响到风嘴下清种的质量，也代表排种效果如何[7-9]。种子只是依靠自身重力和种子之间的摩擦力充填锥孔，存在充填速度慢、充种效率低等问题[6，8-9]。当排种盘转动速度低时，可以保证充填效果，当排种盘转速加快时，充填效果变差[10]。为了解决气吹式排种器在充种过程中存在的以上问题，本文设计气吹式排种器气流辅助充种装置，以提供间断气流的手段辅助提高充填合格率、充填性能和充种效率。

1 组成和结构

气吹式排种器主要由气流辅助充种装置、种箱、排种盘、排种器箱体、排种器箱体盖、清种刀片、风嘴、种子流调节板和排种轴等组成[11]。种箱与排种器箱体之间设有用来密封的橡胶垫，以防气流流失，种箱下半部分为倾斜形状，种子容易流动到排种器箱体内的充种区。排种器箱体内又分有充种区和清种区等，是个不规则的精密铸铝件。排种盘垂直设置，直径251 mm，中间开有通孔并与排种轴相连，排种盘外圆周均匀布置了24个圆锥形孔，圆锥形孔的底部开有3 mm的底孔，沿底孔一周开有清种槽孔，清种刀片在排种口处经过清种槽孔将锥形孔里的种子由锥形孔的底孔往外清出。通过调整种子流调节板的开度，来控制排种器箱体充种区的种子量。排种器箱体盖上设有出风口，从风嘴进入排种器的气流最后绝大部分从这个出风口流出。

气流辅助充种装置由风扇组件、进气管、上板、下板、左侧板、右侧板和栅栏条组成，风扇组件由风扇、风扇轴和风扇条形挡板组成，如图1所示[12]。气流辅助充种装置位于气吹式排种器充种箱腔体内的底部，并且是沿着充种箱体底部的斜面进行设置的。气流辅助充种装置的上板、下板、左侧板和右侧板通过固定连接形成矩形结构，矩形结构的上端与气流的进气管相连接，矩形结构的下端设置有使气流均匀流出的栅栏条，同时可以阻挡种子进入气流辅助充种装置的腔体。矩形结构下端的栅栏条靠近气吹式排种器内的排种盘，与之相隔距离30 mm。气流辅助充种装置的风扇组件位于矩形结构内的腔体中部，风扇轴的两端固定在气流辅助充种装置的左侧板和右侧板上，风扇的中部具有与风扇轴适配的中心孔，风扇绕风扇轴轻松转动，风扇外壁上均匀分布着4个呈辐射状形成的条形挡板，并形成十字形结构。风扇在转动时，每个风扇条形挡板的外端面与气流辅助充种装置的腔体内壁为间隙配合，风扇轴与风扇条形挡板均垂直于气流的流动方向。

2 工作过程及原理

种子从种箱进入排种器箱体的充种区再进入排种盘上的锥形孔里，排种盘在排种轴的驱动下做旋转运动，转动到清种区时，高速气流从风嘴流入排种盘上的锥形孔内，流入锥形孔的气流一小部分从锥形孔的底孔流出，其余大部分沿锥形孔壁折向流出。锥形孔内的多粒种子，最底部的那颗种子在流入气流和锥形孔底部流出气流的压力差，以及这颗种子上部折射气流的作用下被牢牢压向底部。当锥形孔底部堵上了一颗种子时，流入锥形孔的气流将在这颗种子上改变方向，沿锥形孔壁流出，这时多余的种子不论是在锥形孔内的任何位置，都会随着折射气流飞出锥形孔。

1.进气管 2.种箱 3.左侧板 4.右侧板 5.风扇轴 6.风扇 7.上板 8.下板 9.栅栏条 10.排种盘 11.锥孔 12.腔体图1 气流辅助装置结构Fig.1 Structure of air flow auxiliary device

气流辅助充种装置工作时，气流从风机出来大部分进入气吹式排种器的风嘴，剩余的一部分进入气流辅助充种装置的进气管，然后从进气管进入气流辅助充种装置的腔体。进入腔体内的气流经过腔体内中间位置的风扇时，风扇在气流的作用下转动，由于风扇的条形挡板间断地隔断气流，从而使得气流在经过风扇以后形成了一股一股的间隔气流，形成的间隔气流经过栅栏条流出气流辅助充种装置的腔体，流入气吹式排种器腔体的充种区。

种子靠重力从种箱进入排种器腔体，堆积于气流辅助充种装置的上方及气流辅助充种装置与排种盘之间的区域，这个区域是充种区，充种区的底部是个斜面。种子靠自身重力作用，通过充种区底部的斜面进入排钟盘上的锥形孔内，实现了充种。种子充填锥孔时，当排种盘转速处于低速时，充填效果还可以，当排种盘转速处于中速或高速时，充填效果就会变得越来越差。种子充填入锥形孔里，其分布状态是任意的，概括起来有3种。第1种是锥形孔底部只存在一颗种子，这颗种子上叠加了被清走的种子，这种状态是非常好的充填效果，多余的种子经过风嘴被清走，锥形孔内只保留一颗种子。第2种是种子虽然进了锥形孔，还没来得及到达锥形孔底部时，已经转到了风嘴下，这时锥形孔内全部种子都被清走，这种充填效果很差。第3种是两颗或三颗种子顶在锥形孔的中间位置，这种状态有可能都被清走或都留在锥形孔内，这种充填效果也不好。

当间隔气流进入充种区，沿着气吹式排种器充种区底部的斜面，将充种区底部的种子推向排种盘上的锥孔内，由于是间隔气流，在间隔期内没有辅助气流作用的瞬间，充种区中部的种子流入到充种区底部，然后又被间隔气流推向排种盘上的锥孔内，就这样充种区内种子被一把一把地推向排种盘上的锥孔内，从而提高了种子充填锥孔的速度。充种区底部的种子在间隔气流的作用下，快速地充填锥孔，同时也带动和扰动了充种区中部和顶部的种子，这样充种区底部、中部和顶部的种子在气流辅助充种作用下也变得轻快起来。

3 试验分析

2021年7月20日，在山西省农业机械化科学研究院重点实验室的JPS-12型排种器性能检测实验台上分别做一般气吹式排种器和具有气流辅助充种装置的气吹式排种器的试验。通过JPS-12型排种器性能检测的控制台，对风压、排种轴转速、种子输送带等试验参数进行调节设定；通过JPS-12型排种器性能检测的高速摄像机，对从排种器落到输送带黄油上种子的排列情况进行成像取样；最后通过JPS-12型排种器性能检测软件进行统计分析，获得漏播指数、重播指数、粒距合格指数和排种合格指数等试验数据。根据上述的试验方法，选用玉米种子‘大丰30’为试验用种子，在1.0～1.5 kPa的风压区间内，在不同的排种盘转速下获得漏播指数、重播指数和排种合格指数的试验数据，如表1所示。设玉米株距为33 cm，取最小速度3.6 km/h，排种盘为24孔，即排种盘转速为7.5 r/min；取最大速度10.8 km/h，即排种盘转速为21 r/min。在最小转速和最大转速区间内，取8个数值，共计10个转速，获得10组试验数据。通过表1可以看出，具有气流辅助充种装置的气吹式排种器的漏播指数、重播指数和排种合格指数均明显优于一般气吹式排种器。虽有个别在同样的试验参数下一般气吹式排种器的排种合格指数略高于具有气流辅助充种装置的气吹式排种器的排种合格指数，可能是试验中个别不确定的因素影响导致，属于正常现象。综合分析，具有气流辅助充种装置的气吹式排种器中的充种过程是积极的、主动的，比一般气吹式排种器表现良好。

表1 试验数据对比Tab.1 Comparison of test data

4 结论

一般气吹式排种器充种过程中，种子从排种器箱体的充种区进入排种盘上的锥形孔时，会受到前进方向上的加速度、减速度、排种盘的线速度、种子自重下流动速度和各种摩擦力等因素的影响，相应的充填效果也受到影响。仅仅只靠种子自身重力去克服上述的各种影响因素，达到合格的充填效果是不现实的。气吹式排种器气流辅助充种装置的气流，可以将充种箱体底部的种子一把一把地推向充种箱体侧面排种盘上的锥孔内，有助于种子快速填充进锥孔内，从而提高了充种的效率。采用间断性气流吹送种子，有助于使种子顺序充填进排种盘上的锥孔内，达到充填合格率高的效果。辅助充种气流使得充种区内的所有种子变得轻快，提高了种子充填的性能。