周 鵬,趙滿全,劉 飛,栗霞飛
(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院,呼和浩特 010000)
種子特性主要包括形態(tài)、生理、生化及物理4個(gè)方面。其中,種子物理機(jī)械特性對(duì)于研究精密排種器有著重要意義[1],是研究農(nóng)業(yè)播種機(jī)械的理論基礎(chǔ),也決定著機(jī)械播種設(shè)備的參數(shù)。因此,在優(yōu)化農(nóng)機(jī)設(shè)備前就必須充分了解種子物理特性,才能更好地發(fā)揮農(nóng)業(yè)播種機(jī)械的功能,滿足農(nóng)作物的作業(yè)要求,減少對(duì)種子的破損,提高農(nóng)業(yè)播種機(jī)械的播種合格指數(shù),從而達(dá)到增產(chǎn)、增收的目的[2]。目前,國(guó)內(nèi)外的諸多學(xué)者對(duì)種子物理機(jī)械特性已經(jīng)有了比較深入的研究,為農(nóng)業(yè)播種機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。
播種是農(nóng)業(yè)的基本環(huán)節(jié),播種質(zhì)量的好壞將直接影響到以后出苗率的高低[3]。隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展,播種機(jī)的技術(shù)水平也逐步提高?,F(xiàn)在的精密播種機(jī)具有不浪費(fèi)種子、農(nóng)作物植株分布均勻、省去了間苗環(huán)節(jié)、符合農(nóng)作物生長(zhǎng)需求、省功、省時(shí)及提高產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)。其中,排種器的質(zhì)量是影響播種機(jī)播種性能的主要因素[4]。
按照排種原理,精密排種器可以分為機(jī)械式和氣力式兩種。指夾式精密排種器屬于機(jī)械式,因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易、排種均勻及破損率低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于>精密播種機(jī)械中[5]。
指夾式排種器由排種盤、指夾器、顛簸帶、卸種口、凸輪、彈簧及指夾蓋等組成,如圖1所示。指夾式排種器工作過程:種子進(jìn)入夾種區(qū),隨著轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn),在彈簧作用下,指夾器夾持種子,轉(zhuǎn)到清種區(qū);由于顛簸帶表面凹凸不平,夾住的種子產(chǎn)生顛簸運(yùn)動(dòng),在清種毛刷的作用下,不穩(wěn)定的種子落入到種子堆,而夾持得最穩(wěn)定的1粒種子隨指夾器繼續(xù)轉(zhuǎn)到排種口排出,依靠導(dǎo)種帶到達(dá)開溝器的上方,經(jīng)導(dǎo)種管落入到種溝內(nèi),最終完成排種和下種過程。
1.排種盤 2.指夾器 3.顛簸帶 4.卸種口 5.凸輪 6.彈簧 7.指夾蓋
在田間作業(yè)過程中,指夾式排種器主要通過夾持充種、振動(dòng)清種和柔性導(dǎo)種等方式完成播種作業(yè)。其中,夾持充種過程是整個(gè)排種過程中最重要環(huán)節(jié)之一,其關(guān)鍵部件指夾器夾持性能的好壞直接影響到播種機(jī)播種質(zhì)量。
指夾式排種器的核心部件就是指夾器,由指夾、夾桿、彈簧耳、長(zhǎng)尾和短尾組成,如圖2所示。直接影響排種的性能沖種性能的有指夾器的形狀、指夾器張開角度和指夾器對(duì)種子的壓力。
1.指夾 2.夾桿 3.彈簧耳 4.長(zhǎng)尾 5.短尾
2.1.1 指夾器形狀
根據(jù)指夾夾持玉米種子的情況,指夾與玉米種子直接接觸,玉米種子形狀為扁。為了更好地夾持種子,指夾器的形狀必須滿足下面的幾點(diǎn)要求:
1)考慮到排種盤的形狀,其外邊緣是圓形的,而指夾器需要沿著排種盤外邊緣轉(zhuǎn)動(dòng),因此指夾的上下邊緣曲線需要遵循排種盤外邊緣的弧線。
2)指夾的寬度與種子的長(zhǎng)度應(yīng)該近似相等,以確保較好的填充效果。
3)指夾的長(zhǎng)度要適中,太短會(huì)引起漏播率上升,過長(zhǎng)會(huì)引起重播率上升。
4)指夾的形狀應(yīng)該滿足較好的夾持種子的效果。因此,設(shè)計(jì)波浪弧狀的指夾,使其有兩邊起伏,可使玉米種子被夾持得更加穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)順利充種。
2.1.2 指夾器張開角度
指夾張開時(shí)的形狀如漏斗一樣,其張開角度越大,玉米種子就很容易落入夾腔內(nèi),使得沖種效果大大改善;但也有弊端,會(huì)導(dǎo)致重播率在一定程度上提高。所謂精密排種器,就是在一個(gè)夾腔內(nèi)不允許有多粒玉米種子,然而最標(biāo)準(zhǔn)的就是每個(gè)夾腔內(nèi)只有1粒玉米種子,所以指夾的張開角度根據(jù)玉米種子的形狀而定。
對(duì)于扁形玉米種子而言,玉米種子在夾腔內(nèi)大概有3種夾持狀態(tài)。如果按照玉米種子長(zhǎng)度方向上來夾持的話,種子展現(xiàn)豎立的狀態(tài),指夾的張開角度最大;如果按照玉米種子寬度方向上來夾持的話,種子展現(xiàn)側(cè)立的狀態(tài);如果按照玉米種子厚度方向上來夾持的話,種子展現(xiàn)平躺的狀態(tài),指夾張開的角度最小。
考慮到指夾夾尾約束著指夾器的張開角度,可以調(diào)節(jié)指夾夾尾與指夾的相對(duì)角度,來改變指夾的張開角度。夾與夾尾的關(guān)系如圖3所示。
圖3 指夾張開角度
2.1.3 指夾對(duì)種子的壓力
指夾夾持玉米種子的壓力來自于彈簧。排種盤的外圈一共有12個(gè)指夾,每個(gè)相鄰的指夾由彈簧兒提供連接。每個(gè)指夾兩邊的彈簧對(duì)指夾的作用力是相等的,作用點(diǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的距離是相同的,而其力臂不相等,如圖4所示。其中,L2?L1,因此兩彈簧形成的力矩不等,p2?p1。兩者的力矩差使得指夾器的指夾間產(chǎn)生一定的壓力將種子夾持住。
圖4 指夾的受力圖
指夾對(duì)種子的壓力的大小關(guān)系到玉米種子被夾持的穩(wěn)定性,同樣影響到玉米種子的傷種情況??紤]到指夾對(duì)種子壓力過大會(huì)加快磨損指夾器的夾尾,所以指夾壓力的大小應(yīng)當(dāng)適中,并且可以調(diào)節(jié)拉簧的圈數(shù)或者鋼絲的直徑來改變壓力大小。如果拉簧的圈數(shù)變少或者鋼絲的直徑變大的話,指夾壓力就會(huì)變大;反之,指夾壓力就會(huì)變小。
在排種盤的卸種口的稍前方有顛簸帶,與卸種口相互連接,其形狀不光滑也不規(guī)則,有凸起和凹下。玉米種子沿著排種盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng),當(dāng)種子旋轉(zhuǎn)到顛簸帶時(shí),由于顛簸帶表面不規(guī)則,種子在高低起伏的作用下運(yùn)動(dòng)情況突然發(fā)生改變,玉米種子會(huì)從指夾種脫落,起到了清種的目的。
為了提高清種效果,顛簸帶的形狀需要滿足以下要求:
1)顛簸帶表面凹下的深度要適當(dāng),如果深度很大則會(huì)使得清種嚴(yán)重過量,從而導(dǎo)致漏播率大幅提高;
2)為了獲得最好的清種效果,顛簸帶的表面為不規(guī)則的曲面;
3)為了不造成玉米種子的破損,顛簸帶的凸起和凹下的臨界不能太尖銳,最好是光滑的,坡度拐角應(yīng)當(dāng)適中。
排種帶與指夾器一起轉(zhuǎn)動(dòng),擁有相對(duì)應(yīng)的12個(gè)容納種子的小室,可以接受從卸種口落下的種子。當(dāng)指夾夾持種子旋轉(zhuǎn)到卸種口時(shí),指夾就隨即張開角度,種子便落入排種葉片內(nèi);種子隨著排種葉片轉(zhuǎn)動(dòng),最后從排種器排出去。因此,排種帶的性能參數(shù)也在一定程度上影響到農(nóng)間植株分布的均勻性。
指夾式排種器排種性能與優(yōu)化試驗(yàn)在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)工科樓2樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)器材有指夾式排種器、排種試驗(yàn)臺(tái)、吸合式電磁振動(dòng)臺(tái)、內(nèi)丹4號(hào)玉米種子、薄橡膠墊和薄塑料墊。
3.2.1 試驗(yàn)方案
選擇橡膠和塑料兩種材料作為排種盤面附加材料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)研究,通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析,得出兩種材料在排種性能上的優(yōu)缺點(diǎn),最后確定最佳材料。首先在排種盤上夾指夾種的圓弧區(qū)域加上兩種材料,然后分別做排種性能試驗(yàn),記錄數(shù)據(jù)。
3.2.2 數(shù)據(jù)處理
查找制造廠說明書提供的指夾式排種器播種理論粒距,該排種器一共有6個(gè)檔位,最小檔位的理論粒距為7cm,每個(gè)檔位相差3cm,試驗(yàn)時(shí)的檔位為4檔,則試驗(yàn)時(shí)理論粒距為16cm。
試驗(yàn)時(shí),在種床帶穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將250個(gè)粒距作為1個(gè)樣本,對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行5次采集,對(duì)采集的數(shù)據(jù)求平均值,最后進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。根據(jù)《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[6],小于等于0.5倍理論粒距視為重播,在0.5~1.5倍理論粒距范圍內(nèi)視為合格,大于1.5倍理論粒距視為漏播。
精密排種器的3個(gè)主要性能指標(biāo)分別是粒距合格指數(shù)(合格率)A、重播指數(shù)(重播率)D、漏播指數(shù)(漏播率)M[7]。試驗(yàn)中各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的方法如下:
1)試驗(yàn)中以250個(gè)粒距為樣本進(jìn)行測(cè)量,以0.1Xr的間隔將樣本分成區(qū)域段,Xr表示理論粒距。
每個(gè)區(qū)域的變化量為
式中xi—區(qū)域段的中位數(shù)。
2)頻率圖分為下面區(qū)間,即
{Xi∈[0至≤0.5]}
{Xi∈[?0.5至≤1.5]}
{Xi∈[?1.5至≤2.5]}
{Xi∈[?2.5至≤3.5]}
{Xi∈[?3.5至+∞]}
如果
n,=∑ni{Xi∈[0至≤0.5]}
n,=∑ni{Xi∈[?0.5至≤1.5]}
n,=∑ni{Xi∈[?1.5至≤2.5]}
n,=∑ni{Xi∈[?2.5至≤3.5]}
n,=∑ni{Xi∈[?3.5至+∞]}
3)確立以下等式,即
合格數(shù)n1=N-2n2
4)排種性能指標(biāo)為
經(jīng)計(jì)算,改進(jìn)前排種器的合格指數(shù)為85.61%,重播指數(shù)為10.18%,漏播指數(shù)為 5.88%。添加橡膠薄墊的排種器合格指數(shù)為87.91%,重播指數(shù)為 8.23%,漏播指數(shù)為3.92%。添加塑料薄墊的排種器合格指數(shù)為83.24%,重播指數(shù)為11.31%,漏播指數(shù)為5.57%。
3.2.3 結(jié)果分析
通過兩種材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,添加橡膠薄墊的排種器在排種合格指數(shù)上有所提高,添加塑料薄墊的該排種器在排種合格指數(shù)上有所下降,最終選擇橡膠薄墊作為排種盤附加材料。
3.3.1 試驗(yàn)方案
根據(jù)前人的試驗(yàn)研究結(jié)果,此時(shí)選擇種床帶速度為4km/h,轉(zhuǎn)換后的排種盤轉(zhuǎn)速為15.63r/min。為了方便分析,振動(dòng)頻率選擇代表性的6、8、10、12、14、16Hz,并進(jìn)行單因素的試驗(yàn)研究。對(duì)每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)3次測(cè)量后,求其平均值,從而分析不同頻率下的排種性能的變化情況[8]。
3.3.2 數(shù)據(jù)圖像分析
頻率數(shù)據(jù)擬合曲線圖如圖5所示。由圖5可以看出:在不同的頻率下,排種合格率基本趨于穩(wěn)定,頻率對(duì)合格率影響并不大,重播率和漏播率幾乎沒有什么變化。當(dāng)頻率為14Hz時(shí),排種的合格指數(shù)最高,排種效果比較好,因此在該頻率下有助于改善播種不合理問題。
圖5 頻率數(shù)據(jù)擬合曲線圖
3.4.1 試驗(yàn)方案
振動(dòng)頻率選取14Hz,傳送帶速度選擇3、3.5、4、4.5、5、6km/h,進(jìn)行單因素試驗(yàn),對(duì)每組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行3次測(cè)量后,求其平均值,從而分析在不同傳送帶速度下的排種性能的變化情況[9]。
3.4.2 數(shù)據(jù)圖像分析
種床速度數(shù)據(jù)擬合曲線圖如圖6所示。由圖6可以看出:隨著排種盤轉(zhuǎn)速的不斷增加,排種的合格指數(shù)呈由高到低的趨勢(shì);當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為4km/h時(shí),排種合格指數(shù)達(dá)到最大值,排種效果最佳。因此,在實(shí)際田間作業(yè)時(shí),保持該速度可以有效地提高田間作業(yè)水平。
圖6 種床速度數(shù)據(jù)擬合曲線圖
1)添加橡膠薄墊的排種器在排種合格指數(shù)上有所提高,且符合農(nóng)業(yè)作業(yè)要求,故選擇橡膠材料作為排種盤附加材料。
2)該指夾式排種器在頻率為14Hz時(shí),排種的合格指數(shù)最高,排種效果比較好,有助于改善播種不合理問題。
3)指夾式排種器速度為4km/h左右時(shí),排種合格指數(shù)達(dá)到最大值,排種效果最佳。