葉菜精量直播部件氣力式窩眼排種器設(shè)計(jì)

鄒 嵐，張曉文，白洪濤

(北京市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所有限公司，北京 100096)

0 引言

我國是小粒徑種子作物種植大國，尤其是蔬菜種植。2018年我國農(nóng)作物總播種面積16 590.24萬hm2，2019年我國農(nóng)作物總播種面積16 593.07萬hm2，比上年末增加2.83萬hm2，同比增長0.02%。蔬菜是我國種植業(yè)中僅次于糧食的第2大農(nóng)作物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國蔬菜面積為0.22億hm2(3.35億畝)左右，產(chǎn)量達(dá)7.69億t，一年產(chǎn)能可以滿足150億人的吃菜需求[1-2]。蔬菜種植經(jīng)濟(jì)效益顯著，但是目前小粒徑蔬菜種子的播種方式仍以半機(jī)械化或人工播種為主，作業(yè)效率低、成本高、田間后期管理勞動(dòng)強(qiáng)度大，致使綜合效益低，成為小粒徑蔬菜播種規(guī)模擴(kuò)大的技術(shù)瓶頸。

根據(jù)葉菜機(jī)械化生產(chǎn)的農(nóng)藝要求，對(duì)現(xiàn)有露地直播機(jī)型進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)存在的問題如下。一是播種方式采用窩眼式集排器，存在播種精度不高的問題[3]。二是穩(wěn)定性及播種均勻性(深淺、粒數(shù)等)有待提高。三是因地塊及土壤等作業(yè)環(huán)境變化，播種過程的控制系統(tǒng)及控制精度不完善。

針對(duì)小粒徑作物種子粒徑小、易破損、精播難及傳統(tǒng)排種器屬一器一行、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，設(shè)計(jì)一種氣力式窩眼精量排種器，該排種器采用正負(fù)氣壓組合式排種原理，可簡化播種機(jī)的排種器結(jié)構(gòu)與數(shù)量，提高排種器工作效率與工作質(zhì)量，性能測(cè)試效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求[4-8]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

1.1 播種機(jī)功能要求

研發(fā)的起壟鋪膜播種機(jī)一次作業(yè)可完成起壟、施肥、鋪滴灌帶、覆膜、播種和覆土等工序，部分組件可拆卸組裝。播種機(jī)由拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸驅(qū)動(dòng)，關(guān)鍵部件排種器是精密窩眼輪式排種器；打孔機(jī)構(gòu)為凸輪機(jī)構(gòu)與曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的組合；投種采用鴨嘴式機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)入土最低點(diǎn)強(qiáng)制開啟，保證投種的穩(wěn)定性和低空穴率。

1.2 農(nóng)藝要求

要求畦高10～15 cm，畦形近梯形，中間可鋪1條滴灌帶，覆膜后直接在膜上進(jìn)行穴播，每畦播種2行，每穴播種2粒，播種深度最小為0.5 cm，播種后可覆土0.5 cm，播種3～5 d出苗。

2 排種器設(shè)計(jì)與性能測(cè)試

2.1 種子物理參數(shù)

選取大白菜種子作為機(jī)具播種對(duì)象，種子經(jīng)過包衣后直徑為3～5 mm，測(cè)得其物理參數(shù)如表1所示。

表1 大白菜種子物理參數(shù)

2.2 排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了縮短窩眼的充種時(shí)間、減少對(duì)種子的損害，設(shè)計(jì)一種負(fù)壓充種、正壓排種的精密窩眼排種器，主要由種箱、排種輪、種刷、分壓盒、傳動(dòng)軸和排種管等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1～2所示。

1.種刷 2.窩眼 3.負(fù)壓區(qū) 4.正壓區(qū) 5.排種管 6.傳動(dòng)軸7.分壓盒 8.種箱 9.排種輪 10.種子圖1 氣力式窩眼排種器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of pneumatic hole seed metering device

1.種子 2.種箱 3.傳動(dòng)軸 4.排種輪 5.分壓盒 6.排種器架 7.排種器蓋圖2 排種器側(cè)面剖視圖Fig.2 Side sectional view of seed metering device

種箱、排種輪、種刷、傳動(dòng)軸和排種管按傳統(tǒng)的窩眼排種器布置，在傳統(tǒng)的排種輪上，在受種窩眼的底部鉆通氣孔，孔徑不影響種子進(jìn)入或者脫離窩眼，但能保障氣流通過。在排種輪輪轂與加工出窩眼的輪緣之間加工出環(huán)形槽，槽的軸向深度使窩眼底部的通氣孔與該空間貫通。排種輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排種輪結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of seed metering wheel

分壓盒是靜止的環(huán)形圓盤，盤中心的圓孔套裝在排種輪的輪轂上，排種輪的輪轂可在該孔內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。分壓盒內(nèi)部是相互隔開的2個(gè)扇形空間，正壓空間始于排種管起始點(diǎn)、終于種箱入口處，余者為負(fù)壓空間。正負(fù)壓空間分別通入正負(fù)壓空氣。在分壓盒的輪緣上開有環(huán)形凹槽，該凹槽分為兩段，每段與正負(fù)壓空間對(duì)應(yīng)，且與相應(yīng)的空間用通氣孔連通[9-11]。分壓盒結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 分壓盒結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of pressure distribution box

2.3 排種器工作原理

播種機(jī)工作時(shí)，傳動(dòng)軸帶動(dòng)排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，輪緣上的窩眼轉(zhuǎn)動(dòng)到分壓盒的正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)時(shí)分別和正壓空氣和負(fù)壓空氣接通。假設(shè)窩眼從正壓區(qū)順時(shí)針開始向種箱內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)入種箱內(nèi)時(shí)，窩眼與負(fù)壓空氣接通吸入種子，然后繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，到種刷時(shí)，多余的種子被種刷刷掉，窩眼載一粒種子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)該窩眼進(jìn)入排種管上方時(shí)，與正壓空氣接通，種子被吹入排種管，窩眼繼續(xù)繞行，再一次進(jìn)入種箱前，窩眼內(nèi)總有正壓空氣吹出，窩眼中吸入的雜物被不斷吹出。當(dāng)該窩眼旋入種箱內(nèi)時(shí)，再一次與負(fù)壓空氣接通，進(jìn)入下一個(gè)負(fù)壓吸種正壓排種的工作循環(huán)。

該排種器的優(yōu)點(diǎn)是，負(fù)壓將種子保持在窩眼內(nèi)，不用護(hù)種板遮蔽種子，取種時(shí)間短。用正壓氣流吹出種子，不用剛性的推種桿，避免損傷種子；正壓空氣吹出窩眼時(shí)清理窩眼，利于再次吸入種子[12-14]。

2.4 排種器性能測(cè)試

2.4.1 排種過程分析

根據(jù)試驗(yàn)種子的特性分析氣力式窩眼排種器排種過程力學(xué)特征，將排種過程劃分為3個(gè)弧段(圖5)。α為吸種弧段，β為攜種弧段，γ為投種弧段。

圖5 排種器工作過程示意Fig.5 Working process schematic diagram of seed metering device

排種過程中，排種器的動(dòng)盤繞定盤旋轉(zhuǎn)，在α弧段吸種孔與吸室負(fù)壓相通，依靠吸力取種，β段種子仍處于吸附狀態(tài)，起到護(hù)種作用。在γ位置解除負(fù)壓，同時(shí)施加正壓完成投種過程。排種器行距、株距可調(diào)，可根據(jù)種子大小調(diào)整種勺，控制下種量。

2.4.2 吸種孔流場(chǎng)分析

吸種孔內(nèi)氣流場(chǎng)的穩(wěn)定與否直接影響充種質(zhì)量。吸種孔圓柱段直徑為1.1 mm，排種盤厚度1 mm，在氣室真空度為5、10、15、20 kPa情況下(排種器工作時(shí)要求真空度為5～20 kPa)，對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析得出，圓柱型結(jié)構(gòu)的吸種孔，流場(chǎng)速度變化比較平穩(wěn)，吸種端氣流速度比較均勻，接近孔的平均流速，其流場(chǎng)分布有很好的均勻穩(wěn)定性，接近理想充種條件。

2.4.3 排種器性能測(cè)試

根據(jù)JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》，利用JXP-1型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)開展單因素試驗(yàn)研究。選用0.3 mm孔徑的圓形吸嘴，播種時(shí)間設(shè)定如表2所示，不同播種時(shí)間下的性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表2 播種時(shí)間設(shè)定

表3 不同播種時(shí)間下的播種性能

由表2～3可知，在低速下播種時(shí)，即吸嘴吸種時(shí)間為1.2 s、氣吹吸嘴時(shí)間為0.4 s、氣針清嘴時(shí)間為0.4 s時(shí)，播種生產(chǎn)率最低，為12 481.04穴/h，但重播率和空穴率都相對(duì)較好，分別為3.89%、3.22%。在高速下播種時(shí)，即吸嘴吸種時(shí)間為0.8 s、氣吹吸嘴時(shí)間為0.2 s、氣針清嘴時(shí)間為0.2 s時(shí)，播種生產(chǎn)率最高，為12 882.3穴/h，但重播率和空穴率相對(duì)較高，分別為4.73%、5.02%。在吸嘴吸種時(shí)間為1.0 s、氣吹吸嘴時(shí)間為0.3 s、氣針清嘴時(shí)間為0.3 s時(shí)，生產(chǎn)率、重播率及空穴率綜合性能最優(yōu)[15-16]。

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)一種氣力式窩眼排種器應(yīng)用于葉菜精量直播機(jī)，可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓充種、正壓投種，滿足起壟、覆膜后直接膜上穴播，適用于中小籽粒球狀種子的播種作業(yè)。性能測(cè)試結(jié)果表明，該排種器滿足設(shè)計(jì)要求，其優(yōu)點(diǎn)如下。

(1)排種精度高，重播率、漏播率低。采用氣力排種，每個(gè)播種窩眼吸附一粒種子且吸種可靠，實(shí)現(xiàn)精量播種；播量均勻，總體播量穩(wěn)定，誤差范圍小。在吸嘴吸種時(shí)間為1.0 s、氣吹吸嘴時(shí)間為0.3 s、氣針清嘴時(shí)間為0.3 s時(shí)，生產(chǎn)率、重播率及空穴率綜合性能最優(yōu)，分別為12 800穴/h、3.98%、3.95%。

(2)行距、穴距和穴粒數(shù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)一穴一粒、一穴兩粒和一穴三粒的精確播種。

(3)種子破損率低。排種器和種子接觸時(shí)擠壓受力小，只有種子被吸到吸種孔上時(shí)，與吸種孔之間存在由于負(fù)壓吸力而產(chǎn)生的擠壓，幾乎不存在排種時(shí)種子破損情況。

(4)可通過更換傳動(dòng)鏈輪或更換具有不同吸種孔數(shù)量的吸種管實(shí)現(xiàn)播種量的調(diào)節(jié)，兩種調(diào)節(jié)相配合，可以靈活調(diào)節(jié)播種量。