趙明明，胡 軍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319 )

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油菜排種器的設(shè)計與試驗研究

趙明明，胡 軍

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319 )

北方春油菜多數(shù)以條播為主，但此播種方法浪費種子，不能達到油菜的播種要求。為此，以北方油菜種子雜303號油菜種子為試驗材料，通過對油菜種子物理特性的研究，設(shè)計了窩眼輪式排種器，并對排種器進行靜態(tài)試驗，研究了轉(zhuǎn)速、種子盒內(nèi)種子容積對排量和破損率的影響。試驗表明：窩眼輪轉(zhuǎn)速和種子盒內(nèi)種子容積對排量和破損率影響顯著；窩眼輪轉(zhuǎn)速為35.73r/min時，窩眼輪的排種量隨種子盒內(nèi)種子容積的增加而增大，種子的破損率隨種子盒內(nèi)種子容積的增加而增大；當種子盒內(nèi)種子的容積占種子盒容積的2/3時，窩眼輪的排種量隨窩眼輪轉(zhuǎn)速的增大而減少，種子的破損率隨窩眼輪轉(zhuǎn)速的增大而增大。該排種器播種精度高，可滿足春油菜的播種要求。

油菜；排種器；轉(zhuǎn)速；破損率

0 引言

播種作為作物生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，播種質(zhì)量在很大程度上決定作物的產(chǎn)量[1]。我國是油菜種植大國，油菜常年種植面積在0.07億hm2左右，總產(chǎn)量約1 200萬t。油菜不但出油率高，營養(yǎng)價值高，而且是很好的輪作倒茬作物[2]。

排種器是播種機的關(guān)鍵部件，傳統(tǒng)的播種機排種器有外槽輪式、氣力式、磨紋式、型孔盤式、窩眼輪式及指夾式等[3]，常用于玉米、大豆及小麥等大中粒種子播種，其播種質(zhì)量效果穩(wěn)定，但在實際生產(chǎn)中對油菜、花卉等小粒種子難以精量播種，功能單一，通用性差[4]。許多專家和學(xué)者對油菜播種進行研究，并取得了一些成果。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)徐金剛設(shè)計了雙低油菜精準直播窩眼式排種器，得到了轉(zhuǎn)速越高，排種均勻性越差、播量越不穩(wěn)定、破損指數(shù)也越大的結(jié)論[5]。 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)的趙進輝設(shè)計了油菜免耕直播排種器，并進行試驗，得到如下結(jié)論：隨著轉(zhuǎn)速的增加，油菜排種器的播量減少，而油菜排種器的均勻性變異系數(shù)和破碎率增大[6]。雖然許多排種器能夠?qū)崿F(xiàn)油菜的機械播種，但破損率高、播種精度較低，不能大面積推廣和使用。

針對上述問題，根據(jù)油菜的物理特性，本文設(shè)計了窩眼輪式排種器。窩眼輪式排種器具有通用性好、排種性能好、結(jié)構(gòu)簡單、投種高度低等優(yōu)點，適合油菜的播種要求。

1 排種器的結(jié)構(gòu)及工作原理

窩眼輪式油菜排種器主要由排種器殼體、排種輪、排種輪軸和護種板或者清種毛刷等構(gòu)成[7]，如圖1所示。

1.種子盒 2.刮種舌 3.毛刷輪 4.護種板 5.排種輪軸 6.排種輪 7.支架

工作時，種子從種子盒1經(jīng)輸種管靠自重流入并充滿排種器的容種腔中，進而充入窩眼輪上的型孔中；當種子被窩眼輪帶動轉(zhuǎn)至與刮種舌接觸時，刮種舌將型孔周圍未充入型孔及半充入型孔的種子清除并使之返回容種腔中重新充種；充入型孔中的種子隨著轉(zhuǎn)動窩眼輪的帶動轉(zhuǎn)過刮種舌后，在離心力和重力的作用下逐漸脫離型孔與護種板接觸，進而被導(dǎo)入導(dǎo)種筒內(nèi)，種子在導(dǎo)種筒拋物線工作面滑過，以“零速”被平穩(wěn)地投入種床,再經(jīng)過覆土裝置進行覆土，完成播種作業(yè)[8]。

2 排種器主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計

我國油菜主要分為冬油菜和春油菜兩大類。春油菜主要種植在華北長城一帶及東北地區(qū)，占全國種植面積的15%左右。近年來，由于油菜的具有油率高、營養(yǎng)價值高及抗焊性強等優(yōu)點，受到廣大農(nóng)民的青睞。通過對雜303號油菜種子的物理特性進行研究，針對春油菜的物理特性，本文設(shè)計了窩眼輪式排種器，來專門適應(yīng)我國春油菜的播種農(nóng)藝要求。

2.1 窩眼輪型孔形狀的選擇

提高排種器充種性能是改善單粒排種精度和提高播種速度的有效方法[9]。 窩眼輪型孔按照形狀分為錐柱形和圓柱形，如圖2所示。錐柱形型孔便于種子充填，減少刮種時種子損傷，所以具有較好的充種能力。錐柱形型孔采用開口錐形設(shè)計，其錐面能夠減小種子的滑出阻力，降低種子堵塞型孔的概率，進而減小種子受擠壓破損的可能，降低種子的破損率。所以，本設(shè)計中的窩眼輪型孔形狀選擇錐柱形型孔。

圖2 窩眼輪型孔形狀示意圖

2.2 窩眼輪型孔數(shù)目的計算

窩眼輪同一圓周上型孔的數(shù)目與窩眼輪直徑、機組前進速度、窩眼輪轉(zhuǎn)速和株距都有直接關(guān)系。設(shè)同一圓周上分布的型孔數(shù)目為Z，則[5-10]

(1)

式中n—地輪上的鏈輪和排種器上的鏈輪的傳動比；

D1—地輪直徑，此處取D1=560mm；

S—播種穴距(m)；

δ—地輪的滑移率(一般取5%～12%)，此處取δ=12%。

窩眼輪的半徑R=50mm是一定的，如果同一圓周上分布的型孔數(shù)太多，就會使兩個型孔間的距離過小，會影響株距的準確性；如果型孔數(shù)量過少，則相同轉(zhuǎn)速下播種量較少。因此，本設(shè)計中選定窩眼輪同一圓周上型孔的數(shù)量為Z=24，然后根據(jù)不同的株距S確定傳動比，即通過改變傳動比來改變窩眼輪的轉(zhuǎn)速，進而改變株距，同時播量也會改變[11]。

表1 排種系統(tǒng)的工作參數(shù)

2.3 窩眼輪型孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計

型孔結(jié)構(gòu)是影響充種率的主要因素[12]。春油菜的播種農(nóng)藝要求是5 250g/hm2，已知雜303號油菜種子的千粒質(zhì)量為3.03g,窩眼輪的型孔數(shù)目為24個時，每個型孔所容納的種子數(shù)目為5粒。油菜種子三軸平均直徑為1.7mm，那么當型孔直徑為φ4mm、深2.5mm、底部成120°角時，排種盤轉(zhuǎn)50轉(zhuǎn)的理論排種量為18.18g；而對加工出來的型孔進行試驗時，測得排種量為19.1g, 相當于平均每個型孔中容納種子的粒數(shù)為5.34粒種子，比理論值多0.34粒種子。因此，在此試驗基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了3種不同尺寸的型孔進行對比試驗，以確定最終的型孔結(jié)構(gòu)[13]。試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表2 不同型孔尺寸的試驗結(jié)果

這3種型孔的卡種次數(shù)依次為3、2、1，說明型孔的錐度越大，種子排種時越容易從型孔中下落，且要求實際排量與理論排量相一致。最后，本設(shè)計的窩眼輪結(jié)構(gòu)確定為型孔頂部圓直徑為φ4.6mm，型孔底部圓直徑為φ3.5mm，孔深2.8mm ，型孔底部成120°角。型孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.4 導(dǎo)種筒的設(shè)計

導(dǎo)種筒是實現(xiàn)精密播種的關(guān)鍵性部件之一，能夠減少種子在種床內(nèi)的彈跳，提高種子在種床內(nèi)粒距分布的均勻性。按“零速投種”原理，就要使種子在水平方向的分速度為0，即種子著床時的絕對速度與地面的夾角β(著地角)為90°。經(jīng)過前人反復(fù)地進行臺架試驗證明：在著地速度不是很小的情況下，種子的著地角β不是90°最佳，而是明顯地小于90°，約80°左右[14]。其工作參數(shù)如表3所示。

圖3 型孔結(jié)構(gòu)示意圖

窩眼輪直徑D/mm轉(zhuǎn)速n/r·min-1種子與導(dǎo)種筒摩擦系數(shù)μ著地角β/(°)著地速度va/m·s-1播種機前進速度vm/m·s-110054．80．4771．21．94

根據(jù)以下公式，求出導(dǎo)種筒工作曲線的方程，確定導(dǎo)種筒的工作面的形狀。

相對初速度值為

(2)

種子離開導(dǎo)種筒出口的相對速度vr為

(3)

取導(dǎo)種筒出口點的坐標為圓點(X=0.15m，Y=0.27m)，則在這個坐標下種子離開導(dǎo)種筒口的相對速度為

(4)

用速度三角形表示，如圖4所示。

圖4 速度三角形

(5)

根據(jù)公式(2)～式(5)[15]，得到v0=0.287m/s,vr=2.04m/s,v=2.05m/s,β=77.6°。利用式(6)～式(7)確定曲線參數(shù)，拋物線頂點的縱坐標h和拋物線頂點的橫坐標b，則

(6)

(7)

解得：b=197.680 5mm,h=286.689 2mm。

導(dǎo)種筒工作曲線方程為

Y=2.9X-0.007 3X2

圖5 導(dǎo)種筒工作變化曲線圖

根據(jù)工作曲線得到導(dǎo)種筒的坐標如表4所示。

表4 導(dǎo)種筒工作曲線坐標

3 臺架試驗及結(jié)果分析

3.1 儀器和設(shè)備

電子天平(精度為0.001g),游標卡尺(精度為0.02mm),窩眼輪式排種器，機架，調(diào)速電機，JTZ1控制器(調(diào)速范圍為0～1 200r/min),電動機等。

3.2 試驗材料

本試驗選擇的油菜種子為雜303號油菜種子，清潔度99.25%。該油菜種子產(chǎn)量高、籽粒大，種植面積廣，含油率在40%～45%之間,是較好的油菜品種。雜303號油菜種子的物理特性如表5所示。

表5 油菜種子物理特性

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1 排量的測定

每一組測定時間60s，用塑料杯收集排出的種子分別稱量，試驗轉(zhuǎn)分別為 26.75、35.73、54.84r/min取3個水平，每個水平下重復(fù)5組。利用電子天平稱出各出排出種子的凈質(zhì)量，并記錄試驗結(jié)果[16]。

轉(zhuǎn)速和種子盒內(nèi)種子容積對排量的影響顯著，如圖6所示。

圖6 排量隨種子容積的變化規(guī)律

由圖6可知：曲線呈上升趨勢，即當轉(zhuǎn)速一定時，隨著種子容積的增大，窩眼輪相同轉(zhuǎn)數(shù)的排種量不斷增大。這是因為當種子容積變大時，與窩眼輪表面接觸的種子受到種子間相互擠壓力的作用增大，種子充入型孔的機率較大，被帶入到護種區(qū)的種子增多，進而使得排種量變大。

排量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖7所示。由圖7可知：當種子盒內(nèi)種子容積一定時，隨著窩眼輪轉(zhuǎn)速的增大，其排種量不斷減少。這是由于轉(zhuǎn)速增大時，在充種區(qū)內(nèi)種子的充種時間縮短，種子進入型孔的機率減小，所以被帶入到護種區(qū)的種子減少，進而造成排種量減少。

圖7 排量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

3.3.2 破損率的測定

每一組測量時間300s，將排出的種子收集到一起，選出其中破碎損傷的種子稱其質(zhì)量，計算破碎種子質(zhì)量占樣本總質(zhì)量的百分比，再減去試驗前測定的原始破碎率[16]。

破損率隨種子容積的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知：隨著種子盒內(nèi)種子容積的增加，種子破損率加大。這是因為當種子容積增大時，還沒有完全進入型孔中的種子受到種子間相互擠壓力的作用增大，當窩眼輪轉(zhuǎn)到清種區(qū)時，受到型孔與刮種舌下邊沿的剪切作用較大，因而破損率增大。

圖8 破損率隨種子容積的變化規(guī)律

破損率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9可知：隨著窩眼輪轉(zhuǎn)速的升高，破損率會隨之升高，特別是高轉(zhuǎn)速工作下破損率明顯增大。這是因為轉(zhuǎn)速越高，還沒有完全進入型孔的種子進入護種區(qū)受窩眼輪和外殼的擠壓摩擦造成的破損越嚴重，還有型孔與刮種舌下邊沿的剪切作用，導(dǎo)致其破損率增大。

圖9 破損率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律

4 結(jié)論

1)通過對不同尺寸型孔的充排種性能試驗可知：當窩眼輪型孔結(jié)構(gòu)為型孔頂部圓直徑φ4.6mm、型孔底部圓直徑φ3.5mm、孔深2.8mm、型孔底部成120°時，型孔的充排種性能較好，并且隨著錐度的增大，種子在型孔中卡種的幾率變小。

2)試驗結(jié)果表明：當窩眼輪轉(zhuǎn)速為35.73r/min、種子盒內(nèi)裝滿種子時，排種器每公頃排種量為3 360.15g，種子破損率為1.49%，滿足油菜播種要求。

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Design and Experimental Research on Metering Device for Rape Seed

Zhao Mingming, Hu Jun

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319， China)

In general, most northern spring rape is given priority with drilling, but this sowing method is a waste of seed, and cannot meet the requirements of rape seeds. In this paper, taking the northern rape seeds 303 hybrid rape seeds as the experimental material, through the study of physical characteristics on rape seed, the eye socket wheel device has been designed, and static test was carried out on the metering device with the speed, the seed box volume on the displacement and the influence of the damaging rate. Test results showed that: the eye socket wheel speed and seed box volume have a significantly influence on displacement and the damaging rate. Eye socket wheel speed is 35.73 r/min, with the increase of the seed box volume, the eye socket round metering quantity increases, with the increase of the seed box volume, the damage rate of corn seed increases; when the seed box volume accounts for two-thirds of the seed box volume, eye socket round metering quantity decrease with litter of eye wheel speed increase, damage rate of corn seed with eye wheel speed increases. The sowing device is in high precision, it is easy to satisfy the requirement of the spring rape planting.

rape seed; metering device; speed; the damaging rate

2016-06-18

黑龍江省高校創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃項目 (2014TD010)

趙明明(1991-),女，黑龍江肇東人，碩士研究生，(E-mail) 1812107200@qq.com。

胡 軍(1972-)，男，江蘇新沂人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)gcxykj@126.com。

S223.2+6；S220.3

A

1003-188X(2017)08-0127-06