气吸式棉花精量播种器装置设计与试验

河北农业大学机电工程学院 孟令帅 马尔岚 范亚祖 张彦涛 谢明豪

前言

我国是世界上最大的棉花生产、消费国，又是棉纺织品、服装出口大国[1]。棉花既是我国重要的经济、作物，又是纺织、精细化工材料。不仅如此，棉花产业是农业生产中产业链最长、从业人员最多、商品化水平最高的产业。综上所述，棉花是关系国计民生的重要战略物资，促进棉花产业持续健康发展任务紧要。

棉花种植管理复杂，生产成本高、效率低下。近年来，随着中国城市现代化的快速发展，农村劳动力数量锐减，雇工费用大幅度增加，农民植棉积极性逐年下挫，棉花生产面临严峻挑战，棉花生产全程机械化迫在眉睫。

全程机械化植棉过程中播种环节是关键，而精量播种作为精准农业的一项重要内容不可忽视。影响播种机播种精密性的主要结构就是排种器，播种量和播种均匀性多种性能指标均与工作性能的优劣有关[2]。

排种器一般可分为两种：机械式排种器与气力式排种器[3]。二者中应用较广泛的是机械式排种器，其优点如下：结构简单、造价低廉、调节便利。但是由于机械式排种器存在排种脉动性、伤种率高、对播种均匀性、一致性、稳定性有不利影响，很难落实棉花的精量播种。

针对我国目前棉花播种机存在的以上问题，本项目研制了一款适用于棉花精量播种的气吸式播种器。其中的核心构件，气吸式棉花精密排种器的排种性能比机械式排种器的性能好很多。它具有省种、不伤种、通用于不同尺寸种子以及播种均匀性高，易实现精密播种等诸多优点[4]。

2 播种整体结构及工作原理

气吸式棉花播种器主要由排种、开沟、固定和传动装置四部分组成，结构如图1所示；排种装置内的种子由清种片侧面推离排种器，沿导种槽排出，或者由清种片直接引出排种器；开沟器可开出宽度和深度均适宜的种沟，引导种子掉入栽培沟，用湿土覆盖；固定传动装置使工作地面平整，保证播种深度的一致。

在整个工作过程中，气吸式播种机的风机产生负压后，由风机传送到播种机单体真空腔内。托盘吸附种子，在真空室的负压作用下一起转动。当种子转移出来之后，播种器就不再承受负压，种子在刮种器或重力的作用下落入沟里。

图1 棉花播种器结构图

3 播种器主要结构部件

3.1 排种器装置结构

气吸式排种器由负压气管、刮种片、密封垫片、真空室、气吸孔、密封和气吸圆盘等组成，结构如图2所示。

进气管与大气之间压力的差值称为气管负压，发动机进气管负压的大小与气缸活塞零件的磨损、进气管的密封性和供油系的调整有关。密封垫片用于设备、管道以及有流体的地方，可以起到密封作用。密封垫片经切割等多道工序制成，还可用于管道之间和机器设备的机件与机件之间的连接。等离子体运行的场所为真空室，在运行期间不仅要承受自身构件的重力及各种电场力，还要为真空室各构件提供相应的支撑。

图2 排种器装置图

3.2 固定装置结构

镇压装置由镇压轮、固定和支架组成，在镇压轮和固定架之间安装方管并在竖架上安装固定架，如图3所示。

图3 镇压装置图

4 试验台试验

4.1 试验设计

本试验利用试验台测定核心构件气吸式棉花精量排种器在不同作业参数下的排种效果，选“冀棉2016”棉花种子为试验材料，试验结果以粒距合格、重播、漏播等性能指标作评价指标。试验使用硬件设备JPS-12排种器性能检测试验台一台。理论株距为250mm，经公式（1）计算得每一种床带速度下的排种器转速。

式中：np为排种器转速，r/min;

vm为播种机前进速度，km/h；

S为株距，mm；

Z为排种盘型孔数。

试验各种选取作业前进速度与负压值两因素做单因素试验，每个试验进行多次以消除偶然性，每次试验均使用至少500粒棉花种子。据《单粒（精密）播种机技术条件》（JB/T 10293-2013）中规定，在种子、整地质量满足播种农艺要求的情况下，排种器的主要性能应能满足粒距合格、重播、漏播等性能指标要求。

4.2 试验结果与分析

如下图4、图5所示，在设定的三个不同的作业速度下，排种器重播指数、漏播指数和合格粒距变异系数三项指标随着作业速度的变化有些许波动，但总体来看仍较为平稳。当速度达到9km/h时，排种的粒距合格指数最高，排种效果最优；在设定的三个不同的工作负压压强值下，排种器的漏播指数随着负压的增加而渐渐变低，而重播指数则恰恰相反，随着负压值的增加重播率逐渐上升。在实际作业中应该根据播种效果恰当选择合适的负压值。综上所述，随着压强增加，排种器的合格粒距变异系数渐小，这说明负压值为-3.5kPa时排种器的株距变动幅度更小一些，排种效果更稳定优良。

图4 作业速度试验结果

图5 工作负压压强试验结果

5 性能试验

2022年4月在河北省衡水市、沧州市等棉花主产区进行田间试验，棉花精量播种机参数如表1所示。播种行数为3行，适宜行距为76cm可调，播种深度为1～3cm可调，穴距为10～20cm可调[5]，穴粒数3～5粒。2022年5月进行查苗试验，试验中随机地选择3个小区，每个小区中又随机选取3行作为试验样本进行测量，每行选取10m的距离，测取并记录10m内棉花植株的株距，收集完数据后，根据所得的测量数据计算平均合格粒距X、合格指数A、漏播指数M等参数，并选择粒距合格指数、重播指数、漏播指数、合格粒距变异系数作为播种精度的评价指标[6]。

表1 田间试验结果表

据《单粒（精密）播种机技术条件》JB/T 10293-2013中给出的单粒精密播种器的主要性能指标要求得出，播种器各项性能应满足：粒距合格指数≥80%，重播指数≤15%，漏播指数≤8%，合格粒距变异系数≤30%[7]。将田间试验所得的各项数据结果与以上指标做比对，可得此棉花精密播种机在三个小区内共9个样本里的试验结果满足标准中的性能指标要求，由此，播种机的播种精度达到了预期。