氣吹供種的滾筒式排種器的設(shè)計研究

馬亞朋，高　捷，胡　斌，孫興凍，李　陽

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

?

氣吹供種的滾筒式排種器的設(shè)計研究

馬亞朋，高捷，胡斌，孫興凍，李陽

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：針對單穴單粒精量播種的農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種基于氣流懸浮理論供種的滾筒式排種器。同時，利用三維軟件建模，設(shè)計出排種器的總體結(jié)構(gòu)，介紹了其工作原理及主要工作部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并搭建了排種器臺架式試驗(yàn)臺。試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該排種器可以滿足精量播種的設(shè)計要求，平均單粒指數(shù)為93.04%，平均多粒率為5.01%，平均漏播為1.59%。該研究為精量排種器的進(jìn)一步設(shè)計研究和參數(shù)優(yōu)化提供了新思路和理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：精量排種器；滾筒式；氣吹供種

0引言

精密排種器具有節(jié)省良種、不用間苗、田間植株分布均勻、可實(shí)現(xiàn)合理密植及利于苗期生長的優(yōu)點(diǎn)，同時還有省時、省工及增產(chǎn)的效應(yīng)。因此，精密排種器的研究已成為當(dāng)今趨勢，而排種器恰是精密播種機(jī)的關(guān)鍵部件。精密排種器播種質(zhì)量的好壞主要取決于排種器的技術(shù)水平和性能。精密排種器按其工作原理可分為機(jī)械式和氣力式[1]。氣力技術(shù)以空氣作為動力提供介質(zhì)，具有取材容易、設(shè)備簡單、造價低廉、環(huán)保節(jié)能及控制方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。同時，氣力式播種機(jī)對種子形狀和尺寸要求不嚴(yán)，無需精選分級，傷種少，易達(dá)到單粒點(diǎn)播，在農(nóng)作物精量播種中應(yīng)用廣泛[3]。基于以上氣力式排種器的優(yōu)點(diǎn)，本文研制了一種利用空氣作為介質(zhì)使種子“沸騰”，借助壓力差而實(shí)現(xiàn)吸種、清種、護(hù)種、投種的氣吹供種滾筒式排種器。

1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

排種器試驗(yàn)臺主要由電機(jī)、變頻器、輸送帶、種箱、種箱供種板、種子、吸種滾筒、滾筒機(jī)架、穴盤、輸送帶機(jī)架、旋渦氣泵、負(fù)壓供氣管、正壓供氣管、調(diào)節(jié)閥等部件組成，如圖1所示。

1.電機(jī)　2.輸送帶　3.種箱　4.供種板　5.種子

1.2工作原理

工作時，變頻器調(diào)整電機(jī)通過鏈傳動帶動輸送帶轉(zhuǎn)動和滾筒順時針轉(zhuǎn)動,使其在同速狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)；旋渦氣泵的負(fù)壓供氣管與支撐滾筒的負(fù)壓軸連接，正壓供氣管與供種板下方的正壓室連接；負(fù)壓供氣管往滾筒內(nèi)腔內(nèi)通負(fù)壓，滾筒表面吸孔同負(fù)壓相通，正壓供氣管往正壓室內(nèi)通正壓，此時種箱內(nèi)供種板上的種子在正壓的作用下“沸騰”跳動；隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，當(dāng)吸種孔經(jīng)過供種裝置時，種子在吸種孔兩側(cè)負(fù)壓差的作用下被吸附在吸種孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動；隨著滾筒的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)經(jīng)過滾筒刷時，把吸種孔處多余的種子清理回種箱；當(dāng)滾筒同一母線上的種子轉(zhuǎn)到滾筒正下方對應(yīng)穴盤孔位置時，隨著負(fù)壓的減弱，種子在氣流與自身重力的作用下落入苗盤的穴孔中，完成投種過程。氣吹供種的滾筒式排種器的整個工作過程可分為取種、清種、護(hù)種、投種4個階段。

2主要工作部件參數(shù)設(shè)計

2.1滾筒式排種器的設(shè)計

滾筒式排種器是氣吹供種滾筒式排種器的核心部件，主要由通負(fù)壓的空心軸、帶方形座的調(diào)心軸承、滾筒側(cè)蓋、滾筒及O型密封圈等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.空心軸　2.帶方形座軸承　3.滾筒側(cè)蓋　4.自攻絲

其中，空心軸周向開四列線型排列的條形通氣槽。為了保證滾筒安裝密封性，滾筒側(cè)蓋和滾筒是緊配合，在接觸周向采用自攻螺釘連接并涂密封膠；軸承座通過螺栓連接固定在滾筒側(cè)蓋上與滾筒形成聯(lián)動；為避免側(cè)蓋孔、軸、和軸承座之間間隙，在軸上安裝O型密封圈。工作時，空心軸安裝在機(jī)架上固定不動，鏈輪帶動滾筒轉(zhuǎn)動。

2.1.1滾筒直徑的設(shè)計

滾筒直徑的大小對排種器的播種質(zhì)量影響很大。排種器投種質(zhì)量與滾筒直徑的大小成反比，在同種型號轉(zhuǎn)速相同情況下，滾筒直徑的越大，滾筒吸孔處的種子線速度越大，不利于種子投中，空穴慮較多，投種質(zhì)量下降；同時，滾筒直徑越大，所需的負(fù)壓氣室空間也增加，風(fēng)機(jī)提供的空氣流量也隨之增加，其功率消耗也隨之增加。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的氣吸滾筒式播種器的滾筒直徑多為140～260mm。因此，為了保證排種器的播種質(zhì)量，本機(jī)選取滾筒直徑為200mm。

2.1.2滾筒吸孔的設(shè)計

吸孔直徑的大小對負(fù)壓室所需的壓差影響很大，吸孔的直徑越大，所需吸附力越大。在負(fù)壓相同情況下，小孔徑處的吸附力往往相對于大孔徑而不足，造成空穴增加。另外，吸孔孔徑大小對單粒率、多粒率影響也很大，孔徑尺寸減小，單粒率上升，多粒率下降；反之，多粒慮增加。但孔徑太小不易加工且易被堵塞。所以，查有關(guān)研究資料[4]得知：吸孔直徑按dk=(0.6-0.7)bc確定(bc為種子的平均寬度)。本文吸孔直徑設(shè)計為1.5mm。

2.1.3滾筒吸孔的橫向與周向排數(shù)

滾筒吸孔的橫向排數(shù)必須與使用的穴盤相互匹配。本項目使用16×8黑色128孔PS標(biāo)準(zhǔn)穴盤，其外形尺寸為532(長)×278(寬)×44(高)(mm),兩錐孔中心距為32mm,所以本機(jī)滾筒橫向長度設(shè)計為320mm,開設(shè)8個吸孔，間距為32mm。

對于滾筒式排種器而言，提高育苗生產(chǎn)率的途徑有兩種：一是提高滾筒轉(zhuǎn)速；二是增加滾筒周向吸孔排數(shù)。當(dāng)滾筒周向吸孔排數(shù)一定時，為了提高生產(chǎn)率，滾筒轉(zhuǎn)速必須增加；而轉(zhuǎn)速的增加會導(dǎo)致吸孔吸附種子的時間相對縮短，從而造成吸種孔吸附表面空穴率增加而合格率下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，周向吸種孔的數(shù)目會增加，吸種、投種的頻率就會增加，而吸種孔數(shù)目的增加會導(dǎo)致兩吸孔之間的距離縮短，負(fù)壓氣室內(nèi)的氣流泄露過多，從而對負(fù)壓氣室氣流的穩(wěn)定性有較大影響。綜上所述，為了較好地驗(yàn)證性能，滾筒周向排數(shù)設(shè)計為與128孔穴盤相適應(yīng)的周向排數(shù)為16的吸孔。

2.2供種板的設(shè)計

供種板由導(dǎo)種板及正壓集氣室組成，與滾筒成一定角度(大于小顆粒種子的滑動摩擦角)安裝在種箱的下方。在靠近滾筒的一端設(shè)置有導(dǎo)種板，兩導(dǎo)種板之間有規(guī)律排列的吹孔，其直徑為1.5mm。正壓集氣室與供種板粘接在一起，在導(dǎo)種板的下方，作用是保證供種板上的種子在氣流作用下能夠產(chǎn)生“沸騰”，近似于懸浮狀態(tài)。工作時，種子在傾斜安裝的供種板上靠導(dǎo)種板及重力的作用下聚集在滾筒8個吸孔附近，當(dāng)正壓集氣室通有氣流時，番茄種子在導(dǎo)種槽內(nèi)“沸騰”，為后續(xù)的滾筒吸孔取種做準(zhǔn)備。為了能觀察種子在供種板上的“沸騰”情況，供種板采用透明的亞克力玻璃制作，其尺寸為270(長)×146(寬)×2(厚)(mm)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　供種板的結(jié)構(gòu)示意圖

2.3種箱的設(shè)計

種箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。種箱固定安裝在滾筒的一側(cè)，與滾筒接觸采用圓弧過渡面。為有利于觀察供種板工作情況及種子在供種板上運(yùn)動軌跡，采用透明的亞克力玻璃制作。考慮到滾筒兩側(cè)吸孔的中心距為224mm, 種箱長度必須大于滾筒兩側(cè)吸孔中心距，取種箱長度為280mm。

圖4　種箱結(jié)構(gòu)示意圖

2.4傳動系統(tǒng)的設(shè)計

傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由變頻器、電機(jī)、電機(jī)主動鏈輪、輸送帶軸上雙排鏈輪、滾筒鏈輪及穴盤輸送帶等組成，如圖5所示。

圖5　傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)滾筒式排種器能在多種環(huán)境下正常工作，考慮使用鏈傳動。因?yàn)殒渹鲃幽鼙ＷC準(zhǔn)確的平均傳動比，整體沒有彈性滑動和打滑現(xiàn)象，工作可靠，效率高，同時適應(yīng)在溫室大棚潮濕的環(huán)境工作。工作時，電機(jī)的動力通過鏈條傳遞給輸送帶的主動鏈輪和滾筒，根據(jù)氣吹供種的滾筒式育苗播種機(jī)的實(shí)際需求，種子要能有效、準(zhǔn)確地投到滾筒下側(cè)的穴盤中，滾筒式排種器必須達(dá)到零速投種，即滾筒投種位置的線速度和輸送帶運(yùn)送穴盤的速度大小一致。因此，考慮采用兩級傳動，其中一級傳動比為3，二級傳動比為2。鏈條型號為10A—1，鏈條節(jié)距為p=15.875mm，輸送帶電機(jī)主動鏈輪Z1=17,分度圓直徑D1=86mm；雙排鏈大鏈輪Z2=51,分度圓直徑D2=258mm；雙排鏈小鏈輪Z3=21,分度圓直徑D3=106mm；滾筒電機(jī)鏈輪Z4=17,分度圓直徑D4=86mm；滾筒鏈輪Z4=42，分度圓直徑D4=212mm。

考慮到所使用的穴盤寬度為278mm,輸送帶帶動穴盤移動，帶寬務(wù)必大于穴盤寬度，同時要求帶具有較好的彎曲性能,拉伸不變形、質(zhì)量較輕，且盡可能保證橫向和縱向的移動，所以輸送帶采用帶擋板的PVC帶,其抗拉伸強(qiáng)度240N/mm。穴盤插入兩個擋板中間避免了縱向的移動，輸送帶帶寬為295mm,擋板高度為30mm，擋板間距320mm。

2.5供氣系統(tǒng)的選擇

工作時，既要有正壓氣路通向正壓集氣室，同時又要負(fù)壓氣路連接滾筒空心軸，所以選擇吸吹兩用的渦旋氣泵較合適。對于氣吹供種的育苗播種機(jī)而言，正壓氣路作用是保證番茄種子在種箱供種板上產(chǎn)生“沸騰”跳動，負(fù)壓氣路保證滾筒內(nèi)腔產(chǎn)生足夠的負(fù)壓吸附種子；在氣路結(jié)構(gòu)上，負(fù)壓氣路的密封性相對正壓氣路要求嚴(yán)格。通過預(yù)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)：負(fù)壓達(dá)到15kPa、正壓達(dá)到6kPa時，就能完全滿足要求。綜合考慮，選擇廣州巨勁機(jī)電制造有限公司生產(chǎn)的型號為GLB1500型旋風(fēng)泵，最大壓力28kPa，最大真空度21kPa，流量180m3/h，完全滿足設(shè)計要求。

3試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)的基本條件

試驗(yàn)在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制搭建的臺架實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行。試驗(yàn)選用米格爾87-5番茄種子，千粒質(zhì)量為3.50g，含水率為5.90%，孔隙率為0.452，自然休止角為41°，種子與有機(jī)玻璃的滑動摩擦角為28°，純度為96%。穴盤采用128穴/盤的標(biāo)準(zhǔn)穴盤。

3.2試驗(yàn)方案及結(jié)果統(tǒng)計

試驗(yàn)采用高速攝像機(jī)對滾筒吸種取種結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，按10s播1盤的連續(xù)播種，每播種5盤記為1組；從5盤中隨機(jī)抽取3盤統(tǒng)計數(shù)據(jù)，重復(fù)6次，取其平均值。以GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[5]及排種器排種性能試驗(yàn)為目標(biāo)，確定單粒指數(shù)S、多粒指數(shù)D和漏播指數(shù)L為判定排種性能的試驗(yàn)指標(biāo)。其各試驗(yàn)指標(biāo)的計算公式為

其中，N為理論排種數(shù)；n1為單粒排種數(shù)；n2為兩粒以上排種數(shù)；n3為漏排種數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計如表1所示。

表1　試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計　　　　　 　　　　%

3.3結(jié)果分析

1)由表1可知：6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計相差不是很大，證明所設(shè)計種排種器工作性能穩(wěn)定、可靠。

2)由表1可知：6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的平均單粒指數(shù)為93.40%。這說明，該機(jī)基本滿足對形狀不規(guī)整小顆粒種子的播種精度要求，但是平均多粒指數(shù)5.01%與平均漏播指數(shù)1.59%仍然較高。如此高的平均多粒指數(shù)說明：這種顆粒小、形狀不規(guī)整的種子在被滾筒吸孔吸附的瞬間，種子的空間穩(wěn)定的姿態(tài)是影響排種器播種精度的主要因素。

3)由表1可知：6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計的排種器的漏播指數(shù)變化不是很大，平均漏播指數(shù)1.59%，且空穴位沒有規(guī)律。這表明，該機(jī)的漏播與吸孔被堵塞沒有直接關(guān)系。

4結(jié)論

1)針對像番茄這種顆粒小、形狀不規(guī)整且流動性差的種子顆粒分離效果不佳的問題，提出一種新的播種模式：利用空氣作為介質(zhì)使種子群達(dá)到“沸騰”狀態(tài)而有效地分離,并借助壓力差而達(dá)到有效取種的氣吹供種滾筒式排種器。

2)針對如番茄種子這類小顆粒種子難于實(shí)現(xiàn)播種問題，設(shè)計了一種氣吹供種的滾筒式排種器，并對其關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計。

3)通過性能試驗(yàn)表明：其各項指標(biāo)都達(dá)到了預(yù)期的要求，驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計的正確性，滿足單了粒單穴的精量播種的農(nóng)藝要求。

4)試驗(yàn)結(jié)果表明：平均單粒指數(shù)為93.04%，平均多粒指數(shù)為5.01%，平均漏播為1.59%。

參考文獻(xiàn)：

[1]北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué).農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)(上冊)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,1995：201-207.

[2]柳召芹. 磁吸滾筒式穴盤精密播種器自動控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2008.

[3]胡建平，侯俊華，毛罕平. 磁吸式穴盤精密播種機(jī)的研制及試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(6)：122-125.

[4]張波屏.播種機(jī)械設(shè)計原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982:310-318.

[5]胡建平，李宣秋.磁吸滾筒式精密排種器試驗(yàn)及參數(shù)優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2007,23(9):115-117.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[S].北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.

[7]龐昌樂,鄂卓茂,蘇聰英,等.氣吸式雙層滾筒水稻播種器設(shè)計與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2000,16(5):52-55．

[8]張曉慧,宋建農(nóng).針狀氣吸式水稻精密播種機(jī)的設(shè)計與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(8):87-90.

[9]Guarella P，Pellerano A，Pascuzzi S．Experimental and theoretical performance of avacuum seeder nozzle for vegetable seeds[J]．J Agric Eng Res，1996，64：29-36．

[10]R．C．Singh，G．Singh，D．C．Saraswat．Optimization of Design and Operational Parameters of a Pneumatic Seed Metering Device for Planting Cottonseeds[J].Biosystems Engineering，2005，92(4)：429-438．

[11]陳進(jìn)，李耀明.氣吸振動式播種試驗(yàn)臺內(nèi)種子運(yùn)動規(guī)律的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2002,33(1):47-50.

[12]劉菊菊.滾筒氣力式蔬菜育苗穴盤排種器的研究[D].廣州：華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2004.

[13]李衛(wèi).驅(qū)動圓盤破茬式玉米免耕播種機(jī)試驗(yàn)研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[14]董春旺，棉花穴盤育苗精量播種機(jī)理論分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].石河子:石河子大學(xué)，2010.

[15]胡樹榮，馬成林，李慧珍,等.氣吹式排種器錐孔的結(jié)構(gòu)對排種質(zhì)量影響的研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1981,9(3)：21-31.

[16]徐東.蔬菜穴盤育苗滾筒式氣力精量播種裝置研究[D].沈陽:沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2007.

[17]Shafi S, Holmes R G. Air-jet seed metering a theoretical and experimental study[J]. Transactions of the ASAE, 1990,33(5):1432-1438.

[18]劉彩鈴，宋建農(nóng).氣吸式水稻缽盤精量播種裝置的設(shè)計與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2005,36(2):43-46.

Abstract ID:1003-188X(2016)04-0080-EA

Design Research of Cylinder Seed-metering Device Based on The Pneumatic Suspension Seed Supply

Ma Yapeng， Gao Jie， Hu Bin， Sun Xingdong， Li Yang

(Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：For single hole single grain precision sowing of agricultural requirements , designed a kind of cylinder seed-metering device for the species based on the principle of the pneumatic suspension seed supply. According to using 3D modeling software, we designed the overall structure of the metering device and introduced its working principle and structural parameters design of the main working parts, and built the seed-metering device platform based test bench.Through the test, the metering device could meet the design requirements of precision seeding, single seed rate reached more than 94%, multi grain rate and hole rate was below 5%, which will provide new ideas and theoretical basis for optimization design of parameters and the further precision seed metering device.

Key words：precision seed-metering device; cylinder; the pneumatic suspension seed supply

文章編號：1003-188X(2016)04-0080-04

中圖分類號：S223.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：馬亞朋(1987-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)mypjdzd@163.com。通訊作者：胡斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hb_mac@shzu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51265045)

收稿日期：2015-03-18