集排滾筒式排種器氣力送種系統的設計與試驗

姜有忠，李繼霞，趙永滿，胡斌，羅昕

(1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832003 ；2.克拉瑪依職業技術學院機械工程系，新疆 克拉瑪依 834000)

棉花是新疆的主要經濟作物[1]，棉花生產過程中播種環節最為重要，隨著農業科技水平的不斷提高，近幾年新疆開始研究無膜播種技術，已初見成效，這將促使集排式精量播種機械快速發展.

現代農業生產越來越強調作業效率的重要性，對播種機械的播種效率、播種質量、整機緊湊度等有了更高的要求[2].新疆現有的機械式和氣力式棉花播種機主要以單排播種和重力投種為主，播種效率低、株距不均勻，嚴重影響播種質量.國外集排式播種機主要采取氣吸式取種和氣力式投種的方案，使整機結構復雜，能耗大，不靈活.國內華中農業大學團隊針對油菜籽等小顆粒種子研制了一種中央集排氣送式精量排種器[3].并對集排式排種器和氣流送種方面進行了深入的理論研究，利用氣流送種實現排種器遠距離投種，同時也使仿形機構和排種機構分離開來，減小整機的振動，增強了排種器的穩定性.何有璋等[4-5]對排種器的氣流送種進行了理論分析，對影響種子均勻性的因素如輸種管的長度、材料、直徑、彎曲度、輸送氣流速度等參數進行了試驗研究.上述研究主要針對小粒徑種子，而棉花等大顆粒種子株距均勻性不能有效解決.針對這一問題，本試驗研究棉花集排式精量播種方法和氣流送種特點，設計了一種集排滾筒式排種器氣力送種系統，通過性能試驗,進一步優化各個參數,完善功能部件結構,為集排滾筒式排種器氣力送種系統設計與應用提供科學依據[6].

1 總體結構與工作原理

1.1 集排滾筒式播種機總體結構設計

集排滾筒式播種機結構如圖1所示，主要包括機架、滾筒式排種器、氣力送種系統、傳動系統、開溝裝置和鎮壓裝置.滾筒式排種器由排種滾筒、護種罩、有序供種箱、滾筒軸、軸承座組成，軸承座安裝在護種罩兩側，排種滾筒通過滾筒軸和軸承座安裝在護種罩內，護種罩固定在機架上，種箱安裝在排種滾筒上方.氣送系統包括滑片式壓縮風機、輸氣管、導種器、輸種管等，輸氣管通過快速接頭安裝在風機和導種器上，輸種管一端連接導種器出口另外一端固定在開溝裝置上，鎮壓裝置設計了鎮壓輪調節桿可有效調節鎮壓輪高低，滑片式風機動力由車輛輸出軸連接減速器輸入軸傳遞，排種裝置的動力由地輪提供.

1：機架；2：風機 ；3.：有序供種箱；4：排種滾筒；5：送種裝置；6：鎮壓裝置；7：開溝器裝置；8：地輪.1：Frame； 2：Fan ；3.：Ordered Seed Box； 4：Seeding roller；5：Seed delivery device；6：Suppression device；7：Opener device；8.：Earth wheel.圖1 集排滾筒式播種機結構示意圖Figure 1 Schematic diagram of the collection drum type seeder

1.2 氣力送種系統工作原理

氣力送種系統主要由滑片式壓縮風機、導種裝置、集排式排種滾筒組成.集排式排種滾筒充種完成后，滾筒攜種轉動至滾筒下方投種區時，滑片式風機形成的正壓氣流通過輸氣管通入導種器，種子在重力、氣流形成的吸力、離心力的共同作用下掉入導種器中，同時正壓氣流將導種器中的種子通過輸種管加速輸送至開溝器中，完成投種過程，工作原理圖如圖2所示.

2 氣力送種系統主要部件設計

氣力送種系統主要由滑片式壓縮風機、導種裝置、輸種管、快速接頭等組成.該系統是完成投種的最后一步，系統性能的好壞直接影響播種株距均勻性.

1：種箱；2：供種機構；3：護種罩；4：排種滾筒；5：導種器；6：輸種管；7：快速接頭；8：輸氣管；9：滑片式壓縮風機.1：Seed box； 2：Seed supply agency；3：Seed guard；4：Seeding roller；5：Seed guide；6：Seed tube；7：Quick Connector； 8：Air pipe；9：Sliding vane compressor.圖2 排種系統工作原理示意圖Figure 2 Schematic diagram of the seeding system

表1 設計參數Table 1 Design parameters

2.1 滑片式壓縮風機的結構與選擇

“一器多行”播種，氣流輸送管中氣流的均勻性直接影響種子在溝槽中的均勻性，傳統的氣流分配是風機通過氣流分配器將氣流分配到各個輸送管中，這對氣流分配器的形狀和結構要求較高[7].傳統的氣流分配器都不能使每個出口的氣流達到均勻，從而使各行種子的株距均勻性差.本試驗通過滑片式壓縮風機的工作原理和特點，選擇滑片式壓縮風機作為供氣源，對進出風口結構進行獨立設計，使該結構的進氣口和出氣口都相互獨立，使各輸氣管中的氣流達到均勻，從而使送種管中的氣流達到均勻.該結構如圖3所示.綜合考慮，選擇合肥馬泰壓縮機有限責任公司生產的ERC1022型滑片式壓縮風機.

2.2 導種裝置的設計

導種裝置是氣力送種系統的關鍵部件，主要由快速接頭、導種器、鏈接板組成.該播種機為“一器六行”作業，所以該導種機構設計有6個導種器，導種器根據排種器排出種子的運動軌跡進行設計，每個導種器側邊都設計有進氣口并安裝有快速接頭，且下部為連接輸種管的圓形孔，輸氣管與滑片式風機出口的快速接頭和導種器進口的快速接頭連接，導種裝置與滾筒接觸面設計為弧形面并四邊安裝橡膠條，使之與滾筒密封接觸，導種裝置結構如圖4所示.

1：端蓋；2：殼體；3：帶輪 ；4.：進氣口；5：滑片；6：轉子；7：定子；8：出氣口.1：End cap；2：Case；3：Pulley ；4.：Air inlet；5：Slide；6：Rotor；7：Stator；8：Air outlet.圖3 滑片式壓縮風機結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of the vane air compressor

1：連接板 ；2：導種器；3：快速接頭.1：Connecting plate ；2：Seed guide； 3：Quick Connector.圖4 導種裝置結構示意圖Figure 4 Schematic diagram of the introduction device

導種器結構如圖5所示，導種器的作用是將排種器排出的種子順利導入輸種管中，導種器進氣口與水平夾角、出口直徑和結構對種子的運動都有很大影響.試驗初步設計了3種不同進氣角度的導種器，3種進氣口與水平夾角分別為30°、45°、60°，出口設計為20 mm，對3種結構的導種器進行試驗，選出最佳進氣角度.

圖5 導種器結構示意圖Figure 5 Schematic diagram of the classifier

2.3 輸種管的設計

在播種過程中種子輸送是導致田間植株分布不均勻和行間不一致性的主要原因[8-9]，由于輸種管的長度、材料、彎曲角度等因素的影響，種子在氣流的作用下，在輸種管中處于滑動、翻轉、滾動等運動狀態，影響了種子在種溝內的著地跳動，與原有落種點發生了一定的偏移，從而產生株距不均勻的情況，因此在送種系統設計中,輸種管的設計顯得尤為重要.

2.3.1 輸種管材料和管徑的確定 由于送種過程中種子在正壓氣流的作用下直接送入種溝內，為使種子順利送出，輸種管內表面盡量光滑，具有一定的彈性、耐腐蝕性、易更換和調整.所以本設計選取尼龍管作為輸種管材料(尼龍管的力學性能和化學性能都相對穩定且柔韌性好，彎曲靈活，內表面也相對光滑，經濟).本設計中輸種管選取圓形管，經過前期的預試驗和對導種器結構流場仿真確定輸種管直徑范圍為15～30 cm，選取輸種管內徑D1為16、20、24 mm 3個值進行試驗研究，取最佳值.

2.3.2 輸種管長度和彎曲角度的確定 由于該播種機為“一器六行”集中排種作業，每一行種子都是從導種器出口輸送到各行開溝器中，整機寬幅較大，每行的輸種管長度不同，開溝器越靠近排種滾筒中心的輸種管越短，所以各行輸種管長度依據導種器出口與地面的高度及開溝器的相對位置而定.考慮到整機結構和輸種管的長度，輸種管在導種器出口到開溝器安裝過程中會產生一定的彎曲度，不合適的彎曲度會增加種子在輸種管中的不確定性，本試驗彎曲角度θ初步設計為140°，后期選取θ為100°、120°、140° 3個值進行試驗，得出最佳彎曲角度.

本輸種管有兩處彎曲，彎曲角度θ均設計為140°，輸種管長度是由彎曲部分和直管部分構成，計算最短輸種管長度，則導種器出口到地面的高度設計為665 mm，導種器到對應開溝器的水平距離為600 mm，兩彎曲圓弧的曲率半徑為280 mm，3段直管長度約為550 mm，兩段彎管弧長約為720 mm，對應最短輸種管長度為1 170 mm(取整1 200 mm)，行距為65 mm，相應地計算出各行輸種管長度，可算出最長輸種管為2 360 mm(2 400 mm).

圖6 輸種管彎曲角度示意圖Figure 6 Schematic diagram of the bending angle of the seed tube

2.4 氣力送種過程分析

2.4.1 氣力輸送投種的特點 氣力輸送是利用正壓氣流將密閉管道中的物料輸送到一定位置的一種技術，屬于稀相氣力輸送[10-11].氣力輸送投種的主要作用是將排種器均勻排出的種子利用正壓氣流快速和均勻地輸送至種溝中)，是精量播種的最后環節；輸送過程的要求是不能破壞排種器已經形成的均勻種子間隔.相比重力送種(重力送種是種子在自身重力的作用下自由在管道中下落至種溝中，該種方式由于每個種子的質量不同下落的時間就不同，所以不能保證株距的均勻性.氣力輸送投種具有輸送方向靈活、輸送速度快、輸送距離遠、對種子外形要求低的特點[12-13].

2.4.2 種子在輸送管中的動力學分析 假設輸種管傾斜角為θ，種子在輸送過程中在傾斜管中受到重力、正壓氣流對種子的作用力、阻力，壓差力向下運動，隨著運動速度的加快，種子在管中的受力趨于平衡，以勻速下降，對種子的受力和運動進行分析，如圖7所示為種子在輸種管中受力圖.

圖7 種子受力圖Figure 7 Seed stress map

當種子趨于平衡運動滿足方程：

(1)

式中：G：種子在輸種管中所受重力，N；Fr：正壓氣流對種子的作用力，N；Ff：種子在管中所受阻力，N；F1：種子在管中所受壓差力，N；θ：輸種管傾斜角，(°)；a1：種子在輸種管的運動加速度；

根據氣固兩相流理論，可得種子受到氣流的作用力Fr為：

(2)

由于種子重度γr相比空氣重度γk角度，這里空氣重度可忽略，則：

(3)

種子的運動微分方程為：

(4)

將式(2)和(3)帶入(4)中得：

(5)

由懸浮速度的定義可得：

(6)

式中：γw：物料重度，N/m3；γk：輸送過程中空氣重度，N/m3；vF：種子在輸種管中的懸浮速度；vR相對運動速度，m/s；vs：氣流平均速度，m/s；C：流體對球體的粘性摩擦阻力系數；

將式(6)帶入(5)得到種子在管中運動的微分方程為：

(7)

3 氣力送種系統性能試驗

3.1 試驗目的

以研究氣流送種系統對株距均勻性的影響為目的，建立影響均勻性因素與評價指標的數學模型，研究分析了進氣口傾角、正壓力大小、輸種管直徑、輸種管彎曲角度、輸種管長度對株距均勻性的影響，確定各影響因素的主次關系和最優工作參數組合，為氣力送種系統的設計提供參考.

3.2 試驗臺及試驗材料

試驗選用新疆廣泛種植的新陸早60號棉花品種，水分小于5%，含雜率小于0.15%.測得棉種的幾何尺寸和物理機械特性如表2和表3所示.

表2 棉種幾何尺寸Table 2 Cotton Species mm

表3 棉種物理機械特性Table 3 Physical and mechanical properties of cotton seeds

本試驗在集排滾筒式排種器試驗臺基礎上安裝氣力送種裝置搭建氣力送種系統試驗臺，研究各影響因素與株距均勻性之間的關系，試驗過程中通過更換導種裝置和輸種管來改變進氣角度和輸種管直徑，通過控制風機轉速改變正壓力.試驗在石河子大學農業機械重點實驗室進行，試驗臺如圖7所示.

3.3 試驗方法及結果分析

3.3.1 試驗指標 依據農業行業標準《播種機質量評價技術規范》，用合格株距變異系數來評價播種株距均勻性，因此選取合格株距變異系數作為評價指標[14]，其評價指標標準如表4所示，變異系數計算公式如下：

表4 變異指標標準Table 4 Variation indicator standards

(8)

(9)

(10)

圖8 氣力送種系統試驗臺Figure 8 Air delivery system test bench

3.3.2 試驗數據統計 本試驗利用高速攝像對試驗結果進行分析，排種器工作時，利用高速攝像機將輸送帶上的種子記錄下來并進行保存，然后在計算機上通過Phantom軟件進行回放處理，捕捉輸送帶上的棉花種子，得出相鄰種子之間的距離，在同一水平中隨機統計3組數據，每組數據分析200個相鄰種子之間的間距，然后通過評價指標變異系數的計算方法得到合格株距變異系數.

3.3.3 試驗設計與分析 通過分析氣力送種系統結構，預試驗結果及仿真結果發現，影響株距均勻性的主要因素為進氣口角度(進氣角度)、正壓力、輸種管直徑(管徑)、輸種管彎曲角度(彎曲角度)、輸種管長度.設計四因素三水平的正交表L9(34)進行試驗(由于播種機各輸種管長度不同，所以只進行單因素試驗不再進行組合試驗)[15]，因素水平如表5所示，試驗方案及結果見表6，試驗結果分析見表7.

表5 因素水平編碼表Table 5 Factor level code table

表6 試驗方案及結果Table 6 Test plan and results

由表6可知，當進氣角度為45°，工作正壓力為1.6 kPa，輸種管直徑為20 mm，輸種管彎曲角度為140°時，株距變異系數最小，即株距均勻性最佳，滿足棉花機械化播種要求.

由表7可知，通過極差分析得出影響株距均勻性的主次因素為：進氣口角度>工作正壓力>輸種管彎曲角度>輸種管直徑，最優方案為A2B2D3C2,由此看出進氣口角度和工作正壓力對株距均勻性影響較大.對于進氣角度和工作正壓力，KA2

表7 試驗結果分析Table 7 Analysis of test results

4 結論

1) 根據集排式精量播種要求和氣力送種的特點，設計一種集排滾筒式排種器氣力送種系統，確定了主要部件的結構參數.

2) 通過理論分析氣力送種系統送種過程，建立了棉花種子的動力學模型，確定了株距均勻性與進氣口角度、正壓力、輸種管直徑、輸種管彎曲角度、輸種管長度等因素有關.

3) 選取四因素三水平正交組合試驗，通過極差分析得出影響株距均勻性的主次因素為：進氣口角度>工作正壓力>輸種管彎曲角度>輸種管直徑，最優參數組合為進氣角度45°，工作正壓力1.6 kPa，輸種管直徑20 mm，輸種管彎曲角度為140°.其株距變異系數達到最低，為16.58，滿足棉花精量投種的要求.