氣吸式單、雙排精密通用排種器的設計與試驗

趙立軍，顏珊珊，王宇杰，張玉鑫，韓一鳴，蔡曉華，許春林

(1.東北農業大學 工程學院，哈爾濱 150030;2.黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

精密排種器根據排種原理分成機械式與氣力式兩大類：機械式精密排種器具有結構簡單、成本低廉等優點，但在充種、清種過程中，種子因受到擠壓而損傷，對于種子幾何形態也有相對嚴格的要求，且只適用于中低速作業，單粒播種的情況下工作效果差[1]；氣力式排種器中氣吸式排種器對種子幾何形態要求不高，且不需要事先進行精選分級[2]，基本克服了機械式播種裝置的缺點。通過更換吸孔盤改變孔的大小和形態適應不同作物的種植要求，并能實現逐粒點播，具有高速作業、較少傷種等優點，所以絕大數高速精密播種機選用氣吸式排種器，在單粒精播方面有廣闊的應用前景。

在氣吸式精密排種器的研究開發方面我國已有40年的歷史，已取得了很大進展[3-5]；但在小粒作物播種方面仍與國外先進排種器存在差距，隨著種子發芽率逐漸增高，種子價格提高，精密播種栽培技術的推廣是大勢所趨，農民對精密播種機的需求將日益強烈。精密播種機將向以下方向發展：

1)隨著土地流轉的推進，土地連片是必然趨勢，更加適合大農機作業。大農機以高速和高效為重要特征，配套作業機具的高速精密播種機將向高速作業方向發展[6-9]，作業核心部件的精密排種器也勢必向高速度和高效率方向發展。

2)精密播種機向著“一機多用”方向發展。精密播種機通過更換排種盤和開溝器等關鍵部件，可適合多種作物精密播種的作業需求，同時可進行免耕播種作業，適應性廣泛，可降低農民購機成本。

3)由于氣吸式精密排種器對種子適應能力強、不傷種且適合高速，這是研究的熱點，特別是要進行精密排種器的參數優化和改進設計，以及大力開展對整個氣力系統的深入研究[10-11]。

4)高速精密播種機廣泛應用機械、電子、液壓和計算機等技術。

目前，大豆壟上雙條、大壟壟上四條，玉米65～70cm單條是黑龍江省普遍采用的種植方式。大豆等規則粒形種子播種，多采用邊緣型孔式排種器或窩眼式排種器；玉米則采用勺輪、指架及氣吸平面多孔盤等不限制或少限制粒形形狀的排種器。目前，大豆雙條、玉米單條排種器不能通用，大豆雙條播種機不適合播玉米單條種子，玉米單條播種機也無法用一個排種盤精密的播出雙條大豆種子。如采用兩個排種器播種壟上雙條，通過更換排種器實現單條、雙條的播種，增加了制造成本，帶來更換困難。因此，如何用一個排種器完成黑龍江省的玉米單條、大豆雙條作物播種農藝要求，成為黑龍江省排種器研究的重點內容。為此，創新設計了一種新型的通用型排種器，只更換播種盤即可實現單條、雙條排種，降低制造成本、減少排種器的更換麻煩，從而實現精密、快捷的播種。

1 總體結構和工作原理

新型氣吸式單、雙排精密通用排種器的排種盤與排種盤蓋構成真空室，真空室一側吸氣接口與風機相連通，另一側與儲種室相接。排種器進行大豆播種作業時，大豆種粒經種箱接口進入排種器殼內，種子在大氣壓與真空室內負壓之間的負壓風力作用下被吸附在排種盤的窩眼內；隨大豆排種盤轉動，由清種刷將多余種粒清除掉；繼續旋轉至投種區后，擋種板將對應位置的窩眼孔與真空室隔絕，種粒不再受內外壓差的作用，種粒脫離大豆排種盤，受重力和慣性作用通過排種口自由落下，完成大豆雙條播種作業。

卸下大豆排種盤后安裝玉米排種盤，進行玉米播種作業時，玉米排種盤的單排孔上通過外接空氣所提供的壓力吸附種粒，隨后種粒隨排種盤上軌道運動到清種區，清種區裝有多種可調式清種刀能剔除掉多余種粒；排種盤繼續旋轉至投種區后，由清種塊將所有種粒清除掉，此時種子在重力作用下由排種口落下，完成玉米單條播種作業。氣吸式單、雙排精密通用排種器基本結構圖如圖1所示。

(a) 主視圖 (b) 左視圖 1.調節旋鈕 2.刻度盤 3.指針 4.清種刀 5.種箱接口 6.大豆排種盤 7.排種盤蓋 8.排種器殼 9.排種器殼 10.吸氣室 11.軸承端蓋 12.接口 13.擋風板彈簧片 14.擋風板彈簧 15.擋風板 16.窩眼孔圖1 排種器結構圖

2 排種器技術參數設計

氣吸式單、雙排通用排種器主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

2.1 排種參數

充種區、清種區、攜種區、投種點的位置是主要的排種參數[13]，如圖2所示。玉米充種區50°～60°，攜種區160°～170°，清種區30°～40°；大豆充種區50°～60°，攜種區170°～180°，清種區5°～7°。通過計算和試驗可確定投種點的位置，設置在排種盤垂線后方46°處。

2.2 排種盤結構參數

排種盤直徑是主要結構參數之一，在結構允許的情況下，直徑越大則充種行程和充種時間越長，提高了播種速度。經過計算分析，排種盤直徑為115mm。吸孔數和根據對播種距離的要求以及對播種機工作速度確定，應滿足

(1)

其中，S為吸孔數；n為吸孔排數，單排取1，雙排孔取2；R為地輪滾動半徑，取輪胎半徑的0.937倍；d為理論調整粒距；i為地輪到排種器軸的傳動比。

經計算大豆排種盤共兩排，單粒排種，40個/排，孔形狀采用圓形窩眼型孔；玉米排種盤取30個，單排單粒排種，孔形狀采用圓形平面型孔。

圖2 排種參數示意圖

2.3 真空室壓力p

為使吸孔能可靠地吸住種子，則真空室壓力應滿足以下公式，即

(2)

其中，P0為大氣壓；P1為氣吸室真空壓力；K為吸孔可靠性系數；T為種子被吸到吸孔時所受的合外力；n為吸種口數；dx為吸種孔直徑。

在實際工作中，考慮到種子在自然條件下的分布和種粒之間的碰撞以及機器震動、摩擦等影響，取吸孔可靠性系數K為1.8，帶入已知數據可得氣吸室的真空壓力最大為5.6kPa。

3 關鍵部位結構設計

3.1 清種刀與清種塊設計

為了實現在窩眼式與平面孔型排種盤之間的便捷替換，本排種器清種刀與排種器殼裝配為一體，安裝在排種器殼上的特制凹槽內，使外刀面與接觸面處在同一平面上，在不影響玉米正常作業的情況下，不進行拆除，可滿足大豆排種盤的正常工作，清種塊與清種刀處在同一平面并與玉米排種盤緊密貼合，清種塊與排種盤貼合部位接觸面的投影和氣吸孔的相對位置及角度應保證不傷種且清種干凈。經試驗得出，當清種塊斜面與種子圓周運動的切線方向呈25°夾角時，傷種率接近3%，其結構如圖3所示。

3.2 氣吸室結構設計

本設計能夠在雙排窩眼式大豆排種盤和平面孔式玉米播種盤之間替換。由于大豆排種盤內部自帶氣吸室，使玉米播種盤與大豆播種盤的安裝尺寸相一致，即玉米排種盤的氣吸室安裝時要補足軸向上的安裝尺寸。

圖3 清種塊位置圖

氣吸室結構主要為了配合安裝尺寸和播種需要，采用以下結構，如圖4所示。

(a) 大豆排種盤 (b) 玉米排種盤圖3 氣吸室

4 排種器性能試驗

4.1 試驗設計與方法

選取排種器風壓X1、作業速度X2作為試驗因素，以排種合格指數Y1、漏播指數Y2作為評價指標，根據排種機具工作參數的要求，確定影響因素取值范圍，即風壓5～9kPa、作業速度5～9km/h。因素水平表如表2所示。應用Box-Behnken法設計的試驗方案及結果如表3所示。

表2 試驗因素水平表

表3 試驗方案與結果

續表3

4.2 方差分析結果

利用Design Expert7.0軟件對表3中的試驗數據進行二次多元回歸擬合。合格指數回歸決定系數為0.98，修正決定系數為0.96；漏播指數回歸決定系數為0.96，修正決定系數為0.98，這表明實測值與預測值之間的相關性較高，試驗誤差相對較小。回歸模型顯著，能夠很好地描述試驗結果，使用該方程代替真實的試驗點進行分析是可行的。回歸統計分析結果如表4所示。

表4 方差分析結果

續表4

4.3 交互作用影響分析

根據二次多項模型利用Design Expert軟件繪出響應面分析圖，可直觀地描述各因素對響應值的影響和各個因素間的交互作用。由表4中各項系數的P值可知，風壓、作業速度對排種合格指數、漏播指數有極顯著影響。

排種器風壓、作業速度對排種合格指數、漏播指數交互作用的響應曲面分析如圖5和圖6所示。圖5中合格指數隨作業速度、風壓呈先增大后減小的趨勢，圖6中漏播指數隨作業速度、風壓呈先減小后增大的趨勢。

圖5 合格指數交互作用分析

圖6 漏播指數交互作用分析

4.4 試驗結果與分析

當排種器風壓為6.61 kPa、作業速度為6.82km/h時，排種作業性能最優，其合格指數為94.41%，漏播指數為3.67 %。根據優化結果進行10組試驗驗證，合格指數為93. 92%，漏播指數4.16%，與優化結果基本一致，誤差在可接受范圍內。

5 結論

1)本排種器能夠安裝兩類排種盤，殼體及排種器蓋通用，更換排種盤即可實現大豆雙行排種和玉米單行排種，極大降低了播種成本，且操作和更換簡單方便。

2)排種性能綜合指標超過90%，在作業速度8km/h時，播出單條玉米種子的株距均勻性合格率達到95%，工作性能穩定。

3)滿足黑龍江省等地區的大豆及玉米播種農藝要求。