氣吸式滾筒型排種器部件的設計

王啟芳

（山西省農業機械發展中心，山西太原 030031）

0 引言

精密播種省種省工省地力，和傳統種植相比，苗齊苗全苗壯，達到增產的效果[1]。精密播種技術有機械式和氣力式，氣力式播種機特點是對種子的形狀要求不嚴，傷種少，作業速度高[2]，可滿足播種質量高、適應季節性強的農藝要求。近年來，氣力式高速精密播種機的市場需求越來越大。

在氣力滾筒式精播機的研制方面，臺灣陳世銘研制了振蕩式多用途真空播種機，吉林農大的盛江源研制了一種氣吸式精密排種器，中國農大和廣西北海市農機化所研制了2BZQ-300型氣吸式雙層滾筒水稻精密播種機。這類滾筒型排種器較多應用于小籽粒播種或育種，滾筒轉速一般在10～20 rad/min，作業速度較低。在氣力滾筒式播種機的研究方面，山東理工大學王國松采用垂直型分配器以氣流為載體輸送種子，山東農業大學張曉輝研究了排種管的長度及波紋管的有無對各行一致性的影響，華中農大雷小龍對集排器的導種管參數及供種速率進行了研究。這類研究的種子對象主要是小麥等條播作物，作業速度較高。在國外，氣流輔助投種應用于高速精量播種的研究較多，瑞典Vaderstad、荷蘭Kverneland、德國Amazone等播種機公司都是利用正壓式氣流一部分從型孔流出，一部分進入導種管，進行輔助投種[3]。

以上研究在氣力滾筒式排種器方面取得了一定成果，在育種、小籽粒及小麥的播種領域應用多。和傳統機具相比，提高了作業速度，提升了生產效率，但對玉米大豆等大籽粒種子的精量高速播種的研究還比較少。隨著大豆需求量的增加，大豆的進口量越來越大，農業農村部全力推廣大豆玉米帶狀復合種植技術。而大豆玉米播種機具數量少，速度慢，嚴重制約了此項技術的推廣，因此研究適宜種植大豆玉米的播種機具有重要意義。本文主要研究設計一種播種大豆玉米的滾筒式排種器。

1 滾筒式排種器結構及工作原理

滾筒式排種器主要由鏈輪、空心軸、滾筒、卸種輥、前板、軸承及法蘭、投種裝置和種箱等組成（圖1）。排種器的滾筒是一個封閉室，通過滾筒上的通孔與室外大氣壓相通，若干排通孔與滾筒軸垂直，按一定間距排列。空心軸上有吸氣孔。排種器工作時，風機負壓管通過空心管抽走滾筒內腔的空氣，產生負壓，使滾筒上通孔的兩端形成負壓差?？招妮S固定在機架上，滾筒轉動，當通孔經過種箱時，滾筒內腔的真空度使種子吸在通孔上，種子和滾筒一起轉動。在清種區，由清種裝置將多余種子清除，剩余單粒種子。種子轉到落種位置時，卸種輥堵塞滾筒內壁的通孔，壓差消失，種子在自重作用下落入投種裝置的進種口。投種裝置利用正壓氣流，輔助種子經輸種管到達開溝器處。

圖1 排種器結構示意圖

2 排種滾筒件結構設計

排種滾筒是排種器的關鍵部件。它用圓管制成，表面開有若干排通孔，工作時靠滾筒內外的壓力差吸附種子。其結構參數有滾筒直徑D，吸附孔直徑d，每排吸附孔數量Z。

2.1 種子被吸附過程分析

在理論分析時，設定種子在光滑的滾筒表面被負壓吸附過程。由于種子大小形狀不同，在種箱里受力較為復雜。假設種子是尺寸一樣且均勻一致的球體，半徑為r（m），密度為ρ（kg/m3），質量為m（kg），其運動是均勻加速度運動，被吸附過程用時t（s）。設吸附種子的力F大小方向一定，F的方向即在種子初始重心位置M和吸附完成時中心位置C的連線上。能把種子吸附到滾筒表面的必要條件是，滾筒在t時間內轉動β角度，種子從M點到N點。忽略不計慣性力，種子的受力為吸附力F，重力G，摩擦力f（圖2）。

圖2 吸種過程受力示意圖

由式（1）可知：

因此，種子被吸附的條件：

種子運動的加速度：

設種子距離滾筒表面最近距離為PM=x，由圖1可知：

得吸附條件為：

式（8）中，得當x一定時，β和γ也是定值，δ隨α的增大而增大，重力G在MN方向上的分力減小，種子產生的加速度增大，對吸種有利。由可知，滾筒轉速增大，轉過β的時間減小，來不及吸種或吸種不充分，漏播指數升高；隨著x的增大，MN的距離增大，F很快變小，不利于吸種。

2.2 確定滾筒結構參數

2.2.1 吸附孔直徑d

吸附孔的直徑越大，風機負壓力越高，會吸附更多的種子容易產生重播，反之吸附力不夠會產生漏播。參照氣吸式排種器設計經驗和農業機械設計手冊（上冊）氣吸式玉米排種器型孔直徑參照表[4]，以及經驗公式，孔徑d=（0.64-0.66）b，b是種子的平均寬度[5]，以此進行綜合設計。試驗所用玉米平均寬度b為 8 mm，吸附孔直徑d確定為5 mm。

2.2.2 滾筒直徑D，每排吸附孔數量Z

滾筒直徑、每排吸附孔數量和滾筒線速度的關系：

式（9）中，vj為機具前進速度（m/s）；

S為種子株距（m）；

Z為每排吸附孔數量；

vg為滾筒線速度（m/s）；

D為滾筒直徑（m）。

滾筒線速度越低，吸附孔在充種區停留的時間越長，充種幾率越高，反之漏播幾率增加。式（9）中，當機具前進速度和株距一定時，滾筒直徑越大和吸附孔數量越小時，滾筒線速度較大，不利于充種。因此，減少滾筒直徑，增加吸附孔數量，對充種有利?？紤]到滾筒太小時氣流量不夠會造成吸附力不夠，也會制約每行吸附孔數量的增加，根據結構需要，本文采取滾筒直徑D為0.28 m。設計機具前進速度為 14 km/h，滾筒線速度為0.3 m/s目標時，玉米試驗株距為0.25 m，可得Z應大于32.56，選取Z=36。

3 清種裝置的設計

3.1 清種裝置結構

清種方法采用刮板式。清種裝置由清種板和清種架組成，二者用螺栓固定。清種架與種箱連接，清種板相對清種架左右方向可以調整，以利于A、B兩點中心和滾筒型孔中心線重合，旋轉調整清種架，可調整A、B點和滾筒表面的距離。A、B兩點之間的距離經試驗確定為1～1.5 b，大于此值，重播率增加，小于此值，則漏播率增加（圖3）。

圖3 清種裝置

3.2 卸種機構設計

卸種機構由卸種輥、伸縮管、定位板、彈簧、伸縮桿焊合組成。經固定架和空心軸相連，卸種輥由彈簧緊壓在滾筒內壁上，卸種輥表面增加一層聚四氟乙烯，大大降低了卸種輥和滾筒的摩擦系數。

3.3 種箱設計

根據種箱的設計要求，除了種箱要有足夠的容量、種子和箱體的摩擦角大于55°、箱體堅固耐用之外，種箱還要有合理的結構。種箱由鋼板折彎和焊接而成，應保證種箱對滾筒有一定的包角。包角的作用有兩個。一是包角增大，使種子的充填和滾筒表面的接觸面積增大，種子堵塞使得通氣的型孔數量減少，從而減小動力消耗，同樣功率的風機對種子吸附力增強。二是包角增大，使充種的時間增加，提高了充種能力。包角的極限位置是種箱內的種子最高位置，應低于清種位置的5 cm，確保清種效果（圖4）。

圖4 種箱

4 試驗條件及結果

4.1 試驗條件

試驗在山西省農機研究院播種機試驗室進行。風壓2 000～4 000 pa，機具前進速度14 km/h，理論株距25 cm。試驗材料為先玉335，半馬齒型，黃色，千粒重350 g，質量含水率13%。試驗內容：考察在三種吸附孔直徑4.5 mm、5 mm、5.5mm和三種負壓2 500 pa、3 000 pa、3 500 pa情況下的指標，依據GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，要求指標有粒距合格指數A=n1/N'×100%，重播指數D=n2/N'×100%，漏播指數M=n3/N'×100%。其中，n1為合格數，n2為重播數，n3為漏播數，N'為理論排種數。

4.2 試驗結果

經試驗，吸附孔直徑為5 mm、負壓為3 500 pa時效果最佳。粒距合格指數為97.2%，重播指數為2.09%，漏播指數為0.71%。根據JB/T10293-2013《單粒（精密）播種機技術條件》的作業性能指標，要求粒距合格指數大于75%，重播指數小于20%，漏播指數小于10%。因此，該排種器可滿足株距25 cm和速度14 km/h的高速精播要求。