雙倉立式棉種齒盤穴播器設(shè)計與試驗*

陳勇，張學(xué)軍, 2，靳偉，張海濤，史增錄, 2，于永良

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，烏魯木齊市，830052； 2. 新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計實驗室重點實驗室，烏魯木齊市，830052；3. 新疆天誠農(nóng)機具制造有限公司，新疆鐵門關(guān)，843300)

0 引言

棉花錦葵科棉屬植物[1]，應(yīng)用范圍廣，棉花是紡織工業(yè)基礎(chǔ)原料，棉種可榨油[2]，棉稈是果木炭生產(chǎn)原料[3]，具有很高經(jīng)濟(jì)效益。新疆作為我國最大的陸地棉生產(chǎn)基地[4]，其種植面積占全國種植面積77.3%[5-6]，占新疆耕地面積60%以上[7]，因此確保棉花及時播種是保證農(nóng)民收入的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是，目前穴播器普遍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便的問題，一定程度上影響春季播種。

目前，穴播器有氣力式和機械式兩種[8]，氣力式對種子尺寸要求低，作業(yè)速度快[9-10]，但需要配備風(fēng)機提供動力且對機具密封性要求高[11-12]，應(yīng)用范圍較小。機械式穴播器結(jié)構(gòu)相對簡單、操作方便[8, 13]在新疆廣泛使用，但存在取種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維修的問題。

為進(jìn)一步提高機械式穴播器性能，簡化機械結(jié)構(gòu)。王吉奎等[14]設(shè)計了一種加持式棉花穴播器，其采用夾持原理，利用自重塊提供的杠桿力夾取棉種，單粒率可達(dá)94.2%。陳勇等[15]設(shè)計了一種交錯式穴播器,采用窩眼輪式總成取種，一次取兩粒種子，通過分流裝置進(jìn)入不同鴨嘴，單粒率可達(dá)93.6%。李娟娟等[16]利用EDEM仿真軟件探究窩眼輪振動頻率對充種效果影響，確定了最優(yōu)振動頻率，提高了取種合格率，但取種結(jié)構(gòu)依舊復(fù)雜。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單維修方便的雙倉立式棉種齒盤穴播器。穴播器由六大部件組成，通過部件相互配合分為儲種倉、輸種倉兩大倉室。結(jié)構(gòu)上雙倉通過取種齒盤完成雙倉分離，流程上通過取種齒盤銜接完成排種流程。

該穴播器通過結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，利用倉室傳遞取代復(fù)雜的機械傳輸，利用取種盤取締機械取種機構(gòu)，從工作原理上簡化了穴播器結(jié)構(gòu)。

為保證取種效果，本文著重對取種齒盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并依據(jù)設(shè)計參數(shù)試制樣機，開展田間驗證試驗，以期為棉花精量穴播器的設(shè)計提供參考。

1 雙倉立式棉種齒盤穴播器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 穴播器結(jié)構(gòu)

雙倉立式棉種齒盤穴播器如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)動盤、取種齒盤、隔種套總成、壓盤、隔種圈、定盤端蓋等組成。組裝時轉(zhuǎn)動盤與隔種套總成配合形成輸種倉，輸種倉與對應(yīng)取種孔同步轉(zhuǎn)動，取種齒盤、隔種圈、定盤端蓋組成儲種倉。

圖1 穴播器結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the hole planter structure1.定盤端蓋 2.隔種圈 3.壓盤 4.隔種套總成 5.取種齒盤 6.轉(zhuǎn)動盤

1.2 穴播器工作原理

穴播器工作原理如圖2所示，工作時，穴播器隨機具滾動，鴨嘴固定于隔種套總成上，隨著穴播器前進(jìn)，鴨嘴在種床上開出固定間距種穴。取種齒盤跟隨穴播器轉(zhuǎn)動，通過導(dǎo)種槽帶動孔口附近種層流動，當(dāng)取種孔進(jìn)入種群后，棉種沿導(dǎo)種槽下滑，孔口棉種在種間作用力和重力共同作用下進(jìn)入取種孔，未進(jìn)入孔口棉種因重力掉回種群，隨著取種盤轉(zhuǎn)動，未完全進(jìn)入取種孔棉種被清種裝置刷落。取種孔為半開放圓柱孔，隨著取種盤轉(zhuǎn)動取種孔內(nèi)棉種在重力作用下不斷轉(zhuǎn)動，改變方向，當(dāng)取種孔進(jìn)入一次投種區(qū)后，孔內(nèi)棉種沿傾斜內(nèi)壁滑落，通過隔種盤缺口進(jìn)入對應(yīng)輸種倉。取種孔轉(zhuǎn)出一次投種區(qū)后，隔種圈再次堵上缺口，棉種隨輸種倉旋轉(zhuǎn)至投種區(qū)，在重力作用下，沿間隔套內(nèi)壁滑入鴨嘴，待鴨嘴打開后進(jìn)入種穴，完成排種。

圖2 穴播器工作原理圖Fig. 2 Working principle diagram of the hole planter

2 穴播器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 穴播器半徑和鴨嘴數(shù)確定

穴播器直徑D是一個重要參數(shù)，其影響播種時穴播器轉(zhuǎn)速。當(dāng)機具前進(jìn)速度一定時，穴播器直徑越大，轉(zhuǎn)速越小，取種齒盤取種、清種時間越長，效果越好。但穴播器直徑過大，導(dǎo)致穴播器總質(zhì)量變大，造成播種深度過大。穴播器直徑還受株距S與播深h影響，其作用關(guān)系式如式(1)所示。

s=π(D+2h)/t

(1)

式中：h——播深指定鴨嘴超出轉(zhuǎn)動盤尺寸，mm；

t——鴨嘴數(shù)目，個。

根據(jù)實際測量現(xiàn)有播種器播深為2.5 cm、株距9 cm、轉(zhuǎn)動盤直徑取40 cm，代入式(1)可得鴨嘴數(shù)。

t=3.14(400+50)÷90=15.7

取整后鴨嘴數(shù)為16，將t反代后可得穴播器直徑，如式(2)所示。

(2)

根據(jù)棉花10+66種植模式，理論收獲株數(shù)要求[17]，穴播器直徑取410 mm，鴨嘴數(shù)取16。此時穴播器理論株距為80 mm，2.05 m寬膜6行種植的行間距為0.34 m，求得理論株數(shù)為20.6萬株，大于收獲株數(shù)18萬株，因此設(shè)計滿足要求。

2.2 取種齒盤直徑設(shè)計

取種齒盤(圖3)直徑是穴播器關(guān)鍵參數(shù)[18]，當(dāng)穴播器直徑和鴨嘴數(shù)一定時，取種盤直徑過小，無法排布所有取種孔。取種齒盤直徑過大，造成輸種倉體積變小，寬度變大，影響穴播器及時投種。依據(jù)現(xiàn)有立式取種盤直徑，取種齒盤直徑取230 mm，取種孔中心直徑d1為220 mm。

取種盤轉(zhuǎn)速與取種孔數(shù)關(guān)系如式(3)所示。

(3)

式中：v——機具前進(jìn)速度，km/h；

z——株距，80 mm；

n——取種盤轉(zhuǎn)速，r/min；

m——取種窩孔數(shù)，與鴨嘴數(shù)一致取16。

由式(3)可知，在機具行進(jìn)速度和株距相同的條件下，取種盤轉(zhuǎn)速和取種孔數(shù)成正比。取種孔數(shù)量越少，排種盤轉(zhuǎn)速低，取種效果好，但作業(yè)效率低。取種盤直徑一定時，取種孔數(shù)過多，相鄰取種孔間距小，相互干涉大。因此，為保證取種效果，合理選擇取種孔數(shù)尤為重要。

查閱資料可知，播種時作業(yè)速度為2.5～3.0 km/h，本文株距取80 mm，取種孔數(shù)為16，因此轉(zhuǎn)速n=32.36～38.8 r/min。

輸種倉由相鄰間隔套配合組成，整體呈等腰梯形。設(shè)等腰梯形上邊長為l0，相鄰取種孔對應(yīng)弧長設(shè)為l，上邊l0必須要大于取種孔中心弧長設(shè)為l，才能保證取種窩孔與輸種倉一一對應(yīng)。取種孔中心弧長l計算如式(4)所示。

(4)

將m=16、d=220，代入式(5)可得l=43<80。因此，取種孔數(shù)選定合理，且與鴨嘴數(shù)量吻合。

圖3 取種盤示意圖

Fig. 3 Schematic diagram of seed picking disc

2.3 取種孔尺寸

取種孔尺寸(圖4)是精量取種的關(guān)鍵，其尺寸取決于取種粒數(shù)、種子尺寸、取種方式等[19]。本次設(shè)計采用半開放圓柱孔，取種數(shù)為一粒，取種孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)以棉種平均尺寸作為設(shè)計依據(jù)。試驗棉種選用新疆地區(qū)廣泛種植早熟品種“新陸早66號”，稱重得其千粒重為96 g，隨機抽取1 000粒測量尺寸，并取平均數(shù)作為基礎(chǔ)值，記棉種平均長度為c0，平均寬度為b0，平均厚度為h0，根據(jù)棉種尺寸，取種孔尺寸要求如式(5)所示。

(5)

式中：C——取種孔長度，mm；

B——取種孔寬度，mm；

H——取種孔高度，mm；

Δc——孔長間隙，mm；

Δb——孔寬間隙，mm；

Δh——孔深間隙，mm。

由式(5)可知，取種孔寬度B是在棉種厚度h0基礎(chǔ)上添加孔寬間隙Δb，但取種孔寬度不能小于試驗用種平均寬度，以避免寬度方向過小，無法取種。對于取種孔高度，只要確保棉種質(zhì)心完全進(jìn)入取種孔，在清種區(qū)不被刷出即可。因此，取種孔深度設(shè)計為質(zhì)心高度，即三分之一棉種長度。

根據(jù)測量棉種三軸平均尺寸為9.03 mm×4.85 mm×4.32 mm，取種孔長度C取9.1 mm，孔寬B取4.9 mm，孔高H取3.6 mm。

圖4 取種孔結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Seed hole structure diagram

2.4 取種孔安置角確定

取種孔沿取種盤圓周均勻排布，取種孔安置角度發(fā)生變化時，會對取種盤充種區(qū)和清種區(qū)產(chǎn)生影響。將取種孔中心線與圓盤切線平行時視為0°，取種孔中心線偏向取種盤外側(cè)時視為安置角β，如圖5所示。

圖5 取種孔安置角示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the placement angle of the seed hole

取種孔角度為0°時，充種起始角降低，但因為取種盤曲率，存在一定取種死角，有效取種角度不大。取種孔安置角β存在時，充種起始角增大，棉種在種間作用力作用下進(jìn)入取種孔。但安置角過大造成充種區(qū)和清種區(qū)邊界模糊，不易清種。具體窩孔安置角度通過對孔口棉種進(jìn)行受力分析得出，如圖6所示。

(6)

式中：N——取種孔對棉種支持力，N；

ω——取種盤角速度，rad/s；

r——取種孔中心半徑，mm；

β——取種孔安置角度，(°)；

f——取種孔與棉種摩擦因數(shù)。

由式(6)可知，取種孔安置角度與取種盤轉(zhuǎn)速、取種齒盤半徑以及棉種在尼龍塑料上摩擦因數(shù)有關(guān)，綜合考慮實際轉(zhuǎn)速、函數(shù)值大小等因素，本文取種安置角取32°。

圖6 取種孔棉種受力分析圖Fig. 6 Force analysis diagram of the cotton seed with the seed hole

2.5 孔內(nèi)傾角確定

穴播器采用雙倉設(shè)計，儲種倉和輸種倉通過取種齒盤隔開，取種孔傾角(圖7)為取種孔接近輸種倉一側(cè)傾斜角，傾斜角大小由θ表示。

圖7 排種傾角結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the seed metering inclination angle structure1.隔種圈 2.取種齒盤 3.取種孔

當(dāng)取種孔隨穴播器轉(zhuǎn)動時，孔內(nèi)棉種在重力作用下不斷滑動，取種孔進(jìn)入一次投種區(qū)后，重力方向與取種孔傾角方向一致，棉種因重力滑落，進(jìn)入輸種倉，為避免隔種圈磕種，種子應(yīng)快速滑落，所以取種孔傾角因大于種子滑動摩擦角。經(jīng)檢測，棉種在尼龍塑料上滑動摩擦角為32°～35°之間，本文排種孔傾角取45°。

3 試驗與分析

3.1 試驗設(shè)備

試驗品種為“新陸早66號”，成熟期為126天，平均株高為700 mm，種植密度要求為270萬株/hm2。田間試驗設(shè)備有：東方紅400、雙倉立式齒盤穴播排種器樣機、鐵勺、轉(zhuǎn)速測量儀、皮尺、扳手、試驗記錄表等。

3.2 試驗指標(biāo)

按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973―2005規(guī)定[19]，將穴籽粒數(shù)大于1的記為重播p2，穴粒數(shù)小于1的記為空穴p3，單粒棉種視為合格，記為p1，計算公式如式(7)～式(9)所示。

(7)

(8)

(9)

式中：P——統(tǒng)計穴總數(shù)；

S1——合格率；

S2——重播率；

S3——空穴率。

3.3 試驗驗證

試驗地選在新疆農(nóng)二師鐵門關(guān)市，試驗用地為普通條田，長500 m，寬60 m，試驗開始前將試驗地平整完畢。行進(jìn)速度控制在3 km/h，轉(zhuǎn)換為穴播器轉(zhuǎn)速約為38 r/min，取種孔安置角取32°，孔內(nèi)傾角為45°。試驗方法為多次重復(fù)試驗，在機具行進(jìn)平穩(wěn)后隨機選取連續(xù)的260穴作為一個樣本組，對穴內(nèi)棉種數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，分別記錄一組內(nèi)合格數(shù)、重播穴數(shù)、空穴數(shù)數(shù)，樣本組共采集5組，取平均值作為試驗值。

圖8 試驗現(xiàn)場Fig. 8 Testing site

雙倉立式棉種齒盤穴播排種器進(jìn)行了田間重復(fù)驗證試驗，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示，雙倉立式棉種齒盤穴播器在試驗中平均播種合格率為94.5%、重播率為3.57%、空穴率為1.884%。

表1 試驗結(jié)果Tab. 1 Test results

4 結(jié)論

1) 本文針對現(xiàn)有棉花穴播器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修不便等問題，設(shè)計一種雙倉立式棉種齒盤穴播器。首先通過理論計算確定穴播器結(jié)構(gòu)參數(shù)，其次對其關(guān)鍵部件取種盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后根據(jù)雙倉同步條件判斷結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性，確定了取種盤直徑為230 mm、取種孔數(shù)為16、穴播器直徑為410 mm。

2) 根據(jù)單粒取種要求，結(jié)合試驗棉種三軸平均尺寸，確定了取種孔尺寸為9.1 mm×4.9 mm×3.6 mm。通過對孔口棉種受力分析，確定了取種孔安置角度為32°。

3) 為檢驗雙倉立式棉種齒盤穴播器作業(yè)性能，在新疆農(nóng)二師鐵門關(guān)市開展了田間重復(fù)驗證試驗，試驗按照單粒(精密)播種機試驗方法，以合格率、重播率、空穴率為檢驗指標(biāo)考核穴播器作業(yè)性能，田間試驗重復(fù)5組，每組統(tǒng)計260穴，取5組平均值作為試驗值，結(jié)果表明，合格率為94.5%，重播率為3.57%、空穴率為1.884%，作業(yè)性能滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。