前后雙腔式高速精量穴播器的設計與試驗

李海潮，羅 昕，嫣博冉，陳 永，姜有忠，岳飛龍

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

棉花的種植由來已久，已成為我國的主要經(jīng)濟作物之一。新疆棉花種植面積、總產(chǎn)和單產(chǎn)連續(xù)15年位居全國第一位，已成為我國最大和最具潛力的棉花生產(chǎn)基地[1]。20世紀 70年代伊始，中國逐步開展了排種器的研究工作，所研制的排種器主要分為氣吸式穴播器和機械式穴播器兩種[2-3]。氣吸式排種器取種精度高，但結構復雜。其中，機械式穴播器對加工精度和加工成本的要求均較低，結構簡單，配套性好，適合我國的實際情況[4-5]；但是，在目前常用的機械式穴播器中依然存在著穴播器轉速提高時播種精度大幅降低(單粒率降低)的情況，無法達到高速狀態(tài)下精量播種的要求。

針對以上問題，筆者設計了一種全新的前后雙腔穴播器，該穴播器利用兩次充種和種子有序排列的方法，在穴播器轉速增大時依然保持較高的單粒率。臺架試驗表明：改進后的穴播器在高速狀態(tài)下依然能夠保持較高的單粒率，且排種均勻，種子破損少，能夠有效地節(jié)約成本、提高工作效率。

1 結構組成與工作過程

1.1 結構組成

前后雙腔穴播器結構如圖1所示。

1.動盤 2.腰帶總成 3.定盤 4.主軸 5.前后雙腔取種器圖1 前后雙腔穴播器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the two tandem cavities dibbler

前后雙腔取種器通過螺釘緊固在環(huán)形腰帶內側，環(huán)形腰帶外側均勻地分布著鴨嘴成穴器和鴨嘴撥片。當穴播器整體轉動時，動盤和環(huán)形腰帶一起轉動，取種器在一個轉動周期內完成精量播種。

1.2 穴播器工作過程

穴播器的工作過程如圖2所示。

在工作過程中，穴播器的動盤帶動環(huán)形腰帶一起轉動，種子群由于重力作用聚集在穴播器的下部；當取種器穿過種子群時，種子便開始在前腔第一次充種；隨著穴播器的轉動，由于重力作用和前腔V型槽的限制作用，多余的種子會掉落到種群中，進行清種，然后V型槽中剩余的種子開始進行有序排隊；隨著穴播器的繼續(xù)轉動，排成一列的種子在重力作用下從V型槽中向后腔移動，進行二次精量充種。V型槽與后腔之間通過圓孔相通，種子由圓孔進入到后腔之中，由于后腔是上窄下寬的梯形結構，因此初始時只能允許一粒種子進入到后腔中；當取種器轉動到投種點時，進入到后腔中的一粒種子就會翻滾掉落至鴨嘴成穴器中等待排出，其余沒有進入到后腔中的種子便會掉落在種子群中。

圖2 前后雙腔穴播器的工作過程圖Fig.2 Working process diagram of the two tandem cavities dibbler

2 前后雙腔取種器的設計

前后雙腔取種器是保證穴播器精量播種的重要零部件。取種器前腔結構如圖3所示。前腔與V型槽相連部分尺寸為l2，前腔體高度為h1，前腔底部寬度為d1。為了提高取種器取種性能，同時必須保證第一次充種數(shù)量足夠多，不會因為穴播器轉速高而產(chǎn)生空穴等問題，尺寸參數(shù)分別為

La≤l2≤1.3La

La≤d1≤1.3La

1.5La≤h1≤2La

式中La—種子長度的平均值。

如圖3所示，在清種階段要求多余的棉種從取種器中掉落，只留下大約3粒種子，為二次充種做準備。所以，V型槽的尺寸范圍為

3.2La≤l1≤3.5La

1.1Da≤h2≤1.3Da

1.1Da≤d2≤1.6Da

式中Da—種子寬度的平均值。

1.取種器前腔 2.取種器后腔 3.投種孔 4.V型槽圖3 前后雙腔取種器結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the two tandem cavities seed-taking device

3 工作過程分析

3.1 第一次充種

3.2 有序排列

當種子在V型槽中排成一列后分析種子的受力和運動情況，如圖4所示。

圖4 種子在V型槽中受力圖Fig.4 Forces acted on seeds in V groove

種子在取種器中由于向心力的作用緊貼V型槽底部，種子在有序排列階段沿V型槽移動，能夠克服摩擦阻力移動的條件為

mg·sinα>Ff

其中，β為V型槽夾角，β=75°；μ為棉種與V型槽的摩擦因數(shù)，μ=0.2；φ為棉種摩擦角，φ=30°。化簡公式得

3.3 二次充種

對種子第二次充種建立模型，并進行受力分析，如圖5所示。由圖5得

Fx=G·cosα-Fn1-Fn2·sinβ

Fy=G·sinα+F1-Ff-Fn2·cosβ=0

F1=2·G·cosα-2·Ff

Fx=m·r·ω2

ω=2·π·n

其中，F(xiàn)n1為種子受到V型槽邊緣的支持力;Fn2為種子在后腔的支持力；F1為種子間作用力；Ff為摩擦力；ω為腰帶總成角速度；n為腰帶總成轉速；r為取種器到中心距離。

圖5 種子二次充種受力分析Fig.5 Forces analysis of seeds in second seed-filling

4 試驗研究

4.1 試驗材料與設備

試驗用棉種選用中棉297-5號，試驗用的種子均經(jīng)過脫絨和人工精選，種子無破碎，其含雜率小于0.1%，種子均干燥，含水率為5.6%。棉種的尺寸(長度×寬度×厚度)為9.7mm×5.04mm×4.38mm，千粒質量為100g，自然休止角為35.28，滑動摩擦角為28.4。

試驗用穴播器的動盤與定盤采用標準制件，去除鴨嘴成穴器的腰帶總成部分采用3D打印加工制造。前后雙腔取種器根據(jù)試驗要求利用3D打印加工制造，固定在腰帶總成內側。將組裝完成的穴播器安裝在JPS-12排種器試驗臺上進行試驗，如圖6所示。

圖6 排種器性能試驗臺架Fig.6 Test platform of seed metering device on performance

4.2 試驗方法與結果

根據(jù)國家標準《單粒 (精密) 播種機試驗方法( GB /T6973 - 2005)》規(guī)定，排種器單粒率作為精量播種性能指標，進行L9(34)正交試驗，正交試驗因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平Table 1 Factor levels of orthogonal experiment mm

通過試驗臺改變穴播器的旋轉速度，將速度穩(wěn)定在58r/min(6.9km/h)進行試驗，測試150穴作為樣本數(shù)據(jù)，如此重復5次，計算出不同編號試驗的單粒率。正交試驗結果以及極差分析如表2所示。

表2 正交試驗方案與結果Table 2 Factor levels of orthogonal experiment

4.3 試驗分析

由試驗結果和極差分析可知：在高速狀態(tài)下，穴播器的單粒率能夠達到93%以上，符合國家規(guī)定；前腔寬度d1、V型槽寬度d2和后腔長度l3對穴播器高速狀態(tài)下的播種精度影響依次減弱；播種過程中要求單粒率越高越好，因此使得穴播器達到高速狀態(tài)下單粒率最高的組合為A3B2C3。

采用A3B2C3的參數(shù)組合，將穴播器轉速提高到60r/min(7.1km/h)進行驗證試驗，試驗取100穴作為樣本數(shù)據(jù)，重復3次，取平均值。試驗結果顯示：單粒率為94.1%，重播率為2.2%，漏播率為3.7%，完全能夠滿足新疆地區(qū)棉花高速精量播種的要求。

4 結論

1)前后雙腔取種器尺寸參數(shù)的合理對穴播器能夠在高速狀態(tài)下進行精量播種具有重要影響。本文對前后雙腔取種器的尺寸進行了設計，并對其工作原理進行了分析，試驗表明，前后雙腔穴播器能夠滿足高速播種的要求。

2)通過臺架排種正交試驗確定了前后雙腔取種器的最優(yōu)尺寸參數(shù)，對穴播器進行高速狀態(tài)下60r/min(7.1km/h)試驗驗證。結果顯示，其單粒合格率能保持在94%以上，完全能夠滿足棉花高速精量播種的要求。