气吸式滚筒型排种器部件的设计

王启芳

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030031）

0 引言

精密播种省种省工省地力，和传统种植相比，苗齐苗全苗壮，达到增产的效果[1]。精密播种技术有机械式和气力式，气力式播种机特点是对种子的形状要求不严，伤种少，作业速度高[2]，可满足播种质量高、适应季节性强的农艺要求。近年来，气力式高速精密播种机的市场需求越来越大。

在气力滚筒式精播机的研制方面，台湾陈世铭研制了振荡式多用途真空播种机，吉林农大的盛江源研制了一种气吸式精密排种器，中国农大和广西北海市农机化所研制了2BZQ-300型气吸式双层滚筒水稻精密播种机。这类滚筒型排种器较多应用于小籽粒播种或育种，滚筒转速一般在10～20 rad/min，作业速度较低。在气力滚筒式播种机的研究方面，山东理工大学王国松采用垂直型分配器以气流为载体输送种子，山东农业大学张晓辉研究了排种管的长度及波纹管的有无对各行一致性的影响，华中农大雷小龙对集排器的导种管参数及供种速率进行了研究。这类研究的种子对象主要是小麦等条播作物，作业速度较高。在国外，气流辅助投种应用于高速精量播种的研究较多，瑞典Vaderstad、荷兰Kverneland、德国Amazone等播种机公司都是利用正压式气流一部分从型孔流出，一部分进入导种管，进行辅助投种[3]。

以上研究在气力滚筒式排种器方面取得了一定成果，在育种、小籽粒及小麦的播种领域应用多。和传统机具相比，提高了作业速度，提升了生产效率，但对玉米大豆等大籽粒种子的精量高速播种的研究还比较少。随着大豆需求量的增加，大豆的进口量越来越大，农业农村部全力推广大豆玉米带状复合种植技术。而大豆玉米播种机具数量少，速度慢，严重制约了此项技术的推广，因此研究适宜种植大豆玉米的播种机具有重要意义。本文主要研究设计一种播种大豆玉米的滚筒式排种器。

1 滚筒式排种器结构及工作原理

滚筒式排种器主要由链轮、空心轴、滚筒、卸种辊、前板、轴承及法兰、投种装置和种箱等组成（图1）。排种器的滚筒是一个封闭室，通过滚筒上的通孔与室外大气压相通，若干排通孔与滚筒轴垂直，按一定间距排列。空心轴上有吸气孔。排种器工作时，风机负压管通过空心管抽走滚筒内腔的空气，产生负压，使滚筒上通孔的两端形成负压差。空心轴固定在机架上，滚筒转动，当通孔经过种箱时，滚筒内腔的真空度使种子吸在通孔上，种子和滚筒一起转动。在清种区，由清种装置将多余种子清除，剩余单粒种子。种子转到落种位置时，卸种辊堵塞滚筒内壁的通孔，压差消失，种子在自重作用下落入投种装置的进种口。投种装置利用正压气流，辅助种子经输种管到达开沟器处。

图1 排种器结构示意图

2 排种滚筒件结构设计

排种滚筒是排种器的关键部件。它用圆管制成，表面开有若干排通孔，工作时靠滚筒内外的压力差吸附种子。其结构参数有滚筒直径D，吸附孔直径d，每排吸附孔数量Z。

2.1 种子被吸附过程分析

在理论分析时，设定种子在光滑的滚筒表面被负压吸附过程。由于种子大小形状不同，在种箱里受力较为复杂。假设种子是尺寸一样且均匀一致的球体，半径为r（m），密度为ρ（kg/m3），质量为m（kg），其运动是均匀加速度运动，被吸附过程用时t（s）。设吸附种子的力F大小方向一定，F的方向即在种子初始重心位置M和吸附完成时中心位置C的连线上。能把种子吸附到滚筒表面的必要条件是，滚筒在t时间内转动β角度，种子从M点到N点。忽略不计惯性力，种子的受力为吸附力F，重力G，摩擦力f（图2）。

图2 吸种过程受力示意图

由式（1）可知：

因此，种子被吸附的条件：

种子运动的加速度：

设种子距离滚筒表面最近距离为PM=x，由图1可知：

得吸附条件为：

式（8）中，得当x一定时，β和γ也是定值，δ随α的增大而增大，重力G在MN方向上的分力减小，种子产生的加速度增大，对吸种有利。由可知，滚筒转速增大，转过β的时间减小，来不及吸种或吸种不充分，漏播指数升高；随着x的增大，MN的距离增大，F很快变小，不利于吸种。

2.2 确定滚筒结构参数

2.2.1 吸附孔直径d

吸附孔的直径越大，风机负压力越高，会吸附更多的种子容易产生重播，反之吸附力不够会产生漏播。参照气吸式排种器设计经验和农业机械设计手册（上册）气吸式玉米排种器型孔直径参照表[4]，以及经验公式，孔径d=（0.64-0.66）b，b是种子的平均宽度[5]，以此进行综合设计。试验所用玉米平均宽度b为 8 mm，吸附孔直径d确定为5 mm。

2.2.2 滚筒直径D，每排吸附孔数量Z

滚筒直径、每排吸附孔数量和滚筒线速度的关系：

式（9）中，vj为机具前进速度（m/s）；

S为种子株距（m）；

Z为每排吸附孔数量；

vg为滚筒线速度（m/s）；

D为滚筒直径（m）。

滚筒线速度越低，吸附孔在充种区停留的时间越长，充种几率越高，反之漏播几率增加。式（9）中，当机具前进速度和株距一定时，滚筒直径越大和吸附孔数量越小时，滚筒线速度较大，不利于充种。因此，减少滚筒直径，增加吸附孔数量，对充种有利。考虑到滚筒太小时气流量不够会造成吸附力不够，也会制约每行吸附孔数量的增加，根据结构需要，本文采取滚筒直径D为0.28 m。设计机具前进速度为 14 km/h，滚筒线速度为0.3 m/s目标时，玉米试验株距为0.25 m，可得Z应大于32.56，选取Z=36。

3 清种装置的设计

3.1 清种装置结构

清种方法采用刮板式。清种装置由清种板和清种架组成，二者用螺栓固定。清种架与种箱连接，清种板相对清种架左右方向可以调整，以利于A、B两点中心和滚筒型孔中心线重合，旋转调整清种架，可调整A、B点和滚筒表面的距离。A、B两点之间的距离经试验确定为1～1.5 b，大于此值，重播率增加，小于此值，则漏播率增加（图3）。

图3 清种装置

3.2 卸种机构设计

卸种机构由卸种辊、伸缩管、定位板、弹簧、伸缩杆焊合组成。经固定架和空心轴相连，卸种辊由弹簧紧压在滚筒内壁上，卸种辊表面增加一层聚四氟乙烯，大大降低了卸种辊和滚筒的摩擦系数。

3.3 种箱设计

根据种箱的设计要求，除了种箱要有足够的容量、种子和箱体的摩擦角大于55°、箱体坚固耐用之外，种箱还要有合理的结构。种箱由钢板折弯和焊接而成，应保证种箱对滚筒有一定的包角。包角的作用有两个。一是包角增大，使种子的充填和滚筒表面的接触面积增大，种子堵塞使得通气的型孔数量减少，从而减小动力消耗，同样功率的风机对种子吸附力增强。二是包角增大，使充种的时间增加，提高了充种能力。包角的极限位置是种箱内的种子最高位置，应低于清种位置的5 cm，确保清种效果（图4）。

图4 种箱

4 试验条件及结果

4.1 试验条件

试验在山西省农机研究院播种机试验室进行。风压2 000～4 000 pa，机具前进速度14 km/h，理论株距25 cm。试验材料为先玉335，半马齿型，黄色，千粒重350 g，质量含水率13%。试验内容：考察在三种吸附孔直径4.5 mm、5 mm、5.5mm和三种负压2 500 pa、3 000 pa、3 500 pa情况下的指标，依据GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》，要求指标有粒距合格指数A=n1/N'×100%，重播指数D=n2/N'×100%，漏播指数M=n3/N'×100%。其中，n1为合格数，n2为重播数，n3为漏播数，N'为理论排种数。

4.2 试验结果

经试验，吸附孔直径为5 mm、负压为3 500 pa时效果最佳。粒距合格指数为97.2%，重播指数为2.09%，漏播指数为0.71%。根据JB/T10293-2013《单粒（精密）播种机技术条件》的作业性能指标，要求粒距合格指数大于75%，重播指数小于20%，漏播指数小于10%。因此，该排种器可满足株距25 cm和速度14 km/h的高速精播要求。