王洪超，萬 霖，車 剛，高瑞麗，唐政林

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

近年來，人口的逐漸增加，可利用土地的減小，導(dǎo)致全球糧食作物需求不斷加大，而這種狀況變得越來越嚴(yán)重[1]。在我國糧食品種中，水稻具有舉足輕重的地位，因而國家不斷加大力度擴(kuò)大種植面積，確保人民的溫飽[2]。與撒直播相比，水稻穴播是一種新型的直播方法，適合標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，能夠大量的節(jié)約稻種[3]。

國外對于水稻直播研究比較早，很多技術(shù)具有一定的先進(jìn)性，以美國水稻機(jī)械化水平是最具有代表性[4]。直播能夠節(jié)約水稻種子，減輕勞動力的消耗，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[5]。Navasero等學(xué)者設(shè)計并研發(fā)一種新型的水稻直播機(jī)，含有兩級裝置，第一級的作用主要是把種子從種箱取出，第二級的作用是把種子平均分配到各個排種器。國內(nèi)水稻直播機(jī)最早是從谷物條播機(jī)改進(jìn)的，但作業(yè)速度低、穩(wěn)定性差[6]。排種器的自身機(jī)構(gòu)和外部因素都會對排種造成一定的影響，如孔的形狀和分布、群組吸孔數(shù)及氣壓大小等，采用合理的設(shè)計參數(shù)，才能達(dá)到最佳的狀態(tài)[7-8]。

為解決上述問題，設(shè)計了一種穴播排種器，能夠提高排種效果，實(shí)現(xiàn)高效快速作業(yè)。為此，探究種盤的孔徑、孔數(shù)、轉(zhuǎn)速和真空度對排種器的影響，并采用機(jī)械設(shè)計理論進(jìn)行了設(shè)計。

1 氣吸式排種器基本結(jié)構(gòu)與原理

氣吸式排種器由種盤、密封環(huán)、儲種室及風(fēng)壓調(diào)節(jié)手柄等構(gòu)成，如圖1所示。

1.剔種裝置 2.殼體 3.排種圓盤 4.吸氣管 5.攪種輪

工作時，傳動裝置帶動種盤轉(zhuǎn)動，為作業(yè)提供動力。播種裝置利用負(fù)壓的吸力原理工作，稻種被吸在種盤上，隨種盤共同轉(zhuǎn)動。工作狀態(tài)與地面是垂直的，排種盤上設(shè)有氣流通道孔，固定在上面的攪種輪，防止流動性差的種子出現(xiàn)吸空現(xiàn)象。排種盤與氣室之間采用密封圈連接，保證不漏氣，另一側(cè)與儲種室種子接觸。在殼體內(nèi)部裝有清種器，調(diào)節(jié)手柄可以改變位置，清除吸附多余的稻種。殼體外部與風(fēng)機(jī)用鋼絲塑料管連接，為播種裝置提供足夠的壓力，殼體內(nèi)部與大氣壓形成壓力差。在工作狀態(tài)下，儲種室的稻種在攪種輪的作用下帶到充種區(qū)，稻種在壓力的作用下被吸附在種盤上。由于孔數(shù)很多，有的地方會吸附多余的種子，在攜種區(qū)有剔種裝置，把它清理掉。稻種最后到達(dá)清種區(qū)，沒有氣壓的吸力，靠自身的重力進(jìn)入輸種管，落入種溝，結(jié)束播種過程。

2 氣吸式排種器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

排種盤作為核心零部件之一，決定著作業(yè)效果的好壞，影響較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)包括孔徑大小的設(shè)計、吸孔的分布、群組吸孔組數(shù)的設(shè)計及氣室真空度的設(shè)計等。

2.1 吸孔孔徑的設(shè)計

吸孔的孔徑在播種的過程中起到關(guān)鍵的作用，在設(shè)計孔徑的大小時，首先要考慮種子的大小。由于不同作物的種子有很大差距，所以孔徑一定要和種子相適應(yīng)。其次，要考慮的就是要提供足夠的氣壓，才能把稻種吸附在孔上。如果稻種和孔徑相差太大，會造成漏氣或一個孔徑吸附多粒種子，使播種合格率受到一定的影響[9]；如果稻種和孔徑相差太小，會導(dǎo)致氣壓不足，不能將稻種完全吸附在種盤上，引起漏種。同時，孔的大小對于氣室真空度有著顯著的作用[10]，孔徑和孔數(shù)也是影響重播指數(shù)的主要因素[11]。運(yùn)用公式計算，找到理論上的孔徑，并進(jìn)行驗(yàn)證。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上總結(jié)出的孔徑公式為[12]

d=(0.64～0.66)b

(1)

式中b—種子的平均寬度；

d—吸種孔直徑。

結(jié)合水稻種子的平均寬度，最終選取孔徑為1.5mm?？撞捎缅F形孔，氣室另一側(cè)的孔徑為2.5mm。

2.2 吸種孔數(shù)的設(shè)計

吸孔孔數(shù)與許多因素都有關(guān)，如播種合格率及粒距等。在確保機(jī)車前進(jìn)速度不變的情況下，隨著孔數(shù)不斷地增加，在播種過程中，粒距會不斷地減小，當(dāng)孔數(shù)達(dá)到一定的極限時，會導(dǎo)致播種混亂，各項評價指標(biāo)都不合格。另一種情況，將孔數(shù)不斷縮小，在播種過程中，粒距會不斷地增大，當(dāng)減小到一定的極限，漏播率極高。通過計算，找到理論上的孔數(shù)，并進(jìn)行驗(yàn)證。該裝置設(shè)計的目的是進(jìn)行穴播，每穴滿足2～4粒稻種。在滿足孔數(shù)要求的情況下，確定孔組數(shù)。按照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊知[12]

(2)

式中Z—群組吸孔的組數(shù)；

D—地輪直徑；

δ—地輪滑移系數(shù)，一般取0.05～0.12；

ip—傳動比，取1；

S—穴距。

根據(jù)公式和農(nóng)藝要求，確定組數(shù)為36，每組孔數(shù)為3。

2.3 排種盤轉(zhuǎn)速的設(shè)計

排種盤的速度是評價排種性能的一個重要指標(biāo)，隨著轉(zhuǎn)速的增加，播種的頻率會逐漸增強(qiáng)，工作性能也會提高；同時，充種的時間也會縮短。進(jìn)而導(dǎo)致漏播率加大，影響播種效果。由以上分析可知，在確保排種盤轉(zhuǎn)速的情況下，找到合適的吸室真空度，才能達(dá)到最佳的播種效果。適當(dāng)增大氣室真空度，可以增大對稻種的吸附能力，但過大會導(dǎo)致重播率提高；轉(zhuǎn)速變大的過程中，漏播現(xiàn)象明顯，重播的幾率變小[13]。排種盤轉(zhuǎn)速的大小能夠保證稻種的間距和粒數(shù)，同時還能提高稻種的合格指標(biāo)，但孔徑和孔數(shù)起到的作用不顯著。

按照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊[12]，種盤速度不得大于0.35m/s。若沒有增加任何輔助設(shè)備，一旦轉(zhuǎn)速超過了這個值，工作性能將會大大下降。在實(shí)際農(nóng)田作業(yè)中，由于外界因素的干擾，需要對排種器進(jìn)行改進(jìn)，通過改進(jìn)的線速度能到0.5～0.8m/s。

2.4 氣吸式真空度的確定

吸室真空度在播種過程中起到提供氣壓的作用，其大小將會直接影響吸種效果，間接地會對排種均勻度造成影響。吸室的結(jié)構(gòu)根據(jù)吸種效果最終選擇馬蹄形，對于保證氣室真空度一致性起到了很大的作用。從農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊中能得到，排種器受到種子外界和自然環(huán)境的作用。對于水稻氣吸式排種器，參照文獻(xiàn)[14]，氣室真空度最大值要滿足公式，即

(3)

式中g(shù)—重力加速度(9.8m/s2)；

v—孔中心處的線速度(m/s)；

r—孔的轉(zhuǎn)動半徑(m)；

λ—芽種的摩擦阻力綜合系數(shù)，λ=(6～10)·tanθ；θ為芽種的自然休止角；

C—種子重心偏離種盤的距離(cm)；

k1—吸種可靠性系數(shù)；

k2—外界條件系數(shù)。

由式(3)可知：影響真空度的因素有許多，計算過程要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)；通過公式得到的是臨界值，在工作狀態(tài)下要高于臨界值。參數(shù)選取越大，工作性能越好，不容易漏播；但過大時，吸孔上出現(xiàn)多余的種子，使重播率上升；當(dāng)過小時，壓力不足，漏播現(xiàn)象顯著。經(jīng)計算，在進(jìn)行水稻旱直播時真空度范圍為2～6kPa。

2.5 排種器三維模型的確定

基于排種器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，通過UG軟件完成三維建模。在建模環(huán)境下，按照設(shè)計好的尺寸繪制，再通過布爾運(yùn)算、設(shè)計特征等相關(guān)命令初步建立三維模型，按照實(shí)體進(jìn)行裝配，并對其進(jìn)行約束，如圖2所示。通過干涉分析命令檢測，模型不存在干涉現(xiàn)象。在仿真模塊下，完成運(yùn)動參數(shù)的設(shè)置，最后進(jìn)行運(yùn)動仿真和分析結(jié)果的輸出，結(jié)果表明各部件工作穩(wěn)定。

圖2 排種器的三維模型

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)選用龍粳33水稻種子作研究對象，實(shí)驗(yàn)前隨機(jī)抽選100粒水稻種子，測量其尺寸特性，多次測量后取平均值，如表1所示。本試驗(yàn)于2017年3月在土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)選擇氣吸式排種器，測試設(shè)備采用JPS-12型試驗(yàn)臺，其工作性能指標(biāo)如表2所示。

表1 水稻種子的特性參數(shù)

表2 JPS-12 型試驗(yàn)臺性能指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)評價指標(biāo)

測試過程中，水平皮帶速度模仿地輪的行進(jìn)速度。排種盤的轉(zhuǎn)速與種床帶的前進(jìn)速度按一定程度調(diào)整，工作狀態(tài)穩(wěn)定后，取中間數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計樣本。試驗(yàn)取250穴為統(tǒng)計樣本，重復(fù)3次并取平均值。排種器試驗(yàn)臺通過計算機(jī)的識別系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和處理，降低了人為因素造成的誤差。根據(jù)水稻種植的田間要求，插秧種植時每穴要保證2±1株秧苗，為了保證水稻出苗率，每穴播2～4粒稻種，稻種穴距如圖3所示。

圖3 稻種穴距示意圖

本文根據(jù)文獻(xiàn)[15]，總結(jié)出評價指標(biāo)。每穴小于2粒種子，屬于漏播指標(biāo)；每穴大于4粒種子，屬于重播指標(biāo)，則計算公式為

(4)

(5)

(6)

式中B—稻種數(shù)量≤1的穴數(shù)；

F—稻種數(shù)量≥5的穴數(shù)；

E—2≤稻種數(shù)量≤4的穴數(shù)；

N—全部穴數(shù)。

3.3 試驗(yàn)測試

影響排種質(zhì)量的因素有轉(zhuǎn)速、孔徑及型孔的分布和數(shù)量等，其中轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度為重要因素[16]。在孔徑為1.5mm，其他因素保持固定的情況下，研究不同參數(shù)對其造成的影響，現(xiàn)場試驗(yàn)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場試驗(yàn)圖

3.3.1 氣吸室真空度對排種質(zhì)量的影響

根據(jù)理論研究得[10]，真空度對排種質(zhì)量的作用較顯著。當(dāng)氣吸室壓力過小，種子的漏播率會上升；氣吸室壓力過大，種子的重播率也會上升。為了探究最優(yōu)的范圍，需要對其展開試驗(yàn)。在轉(zhuǎn)速為50r/min的環(huán)境下，研究不同氣室真空度對排種質(zhì)量造成的影響，選取5個真空度依次為2、3、4、5、6kPa，各項因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，選取250穴作為統(tǒng)計樣本，計算出各項評價指標(biāo)，分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)速在50r/min時的排種性能曲線

在轉(zhuǎn)速為50r/min，帶速固定的狀況下，不同真空度下得到的評價指標(biāo)曲線得出：隨著真空度的提高，使種子的吸附能力變強(qiáng)，導(dǎo)致重播率變高。漏播現(xiàn)象變少，種子合格率在70%～80%范圍變化。

3.3.2 排種盤轉(zhuǎn)速對排種質(zhì)量的影響

在真空度為4kPa的條件下，取不同的轉(zhuǎn)速檢測排種器的性能。試驗(yàn)中主要選取5個轉(zhuǎn)速依次為10、20、25、30、40r/min，各項因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，選取250穴作為統(tǒng)計樣本，計算出排種的評價指標(biāo)，分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 氣吸室真空度4kPa時的排種性能曲線

由圖6可知：隨著轉(zhuǎn)速的增大，重播率有下降的趨勢，而漏種率一直在上升。這種現(xiàn)象的原因是孔處的線速度變大，在充種區(qū)停留的時間變短，稻種被吸附的概率降低。除此之外，轉(zhuǎn)速與稻種的離心力成正比，當(dāng)氣室提供的吸附力小于離心力時，稻種從吸孔脫落。其中，種盤上種子間摩擦和碰撞，在較高的速度下易造成脫落。

3.3.3 投種高度對排種質(zhì)量的影響

投種高度的大小對排種性能是否有影響，進(jìn)行試驗(yàn)分析。在確保其他因素不變的情況，選取了不同的高度進(jìn)行試驗(yàn)，真空度壓力為3kPa、轉(zhuǎn)速為40r/min，選取250穴作為統(tǒng)計樣本，計算出排種的評價指標(biāo)，分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7得出：隨著高度的增長，合格率變化不顯著，重播和漏播現(xiàn)象也不顯著。因此，可以忽略高度的影響。

圖7 不同排種器高度的排種性能曲線

4 結(jié)論

1)根據(jù)理論分析得出影響排種的要素，其中氣吸室真空度和排種盤轉(zhuǎn)速對排種效果有著顯著的作用，作業(yè)高度的影響可忽略不計。

2)排種盤作為排種器的核心部件，根據(jù)種子的大小選取不同的吸孔孔徑，對于水稻種子，一般選1.5mm，排種性能最好。

3)當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為50r/min、氣吸室真空度在2～6kPa范圍內(nèi)時，重播率逐漸增大，最高達(dá)到28%，漏播率逐漸減小，合格變化范圍為70.8%～79.6%。

4)當(dāng)氣吸室真空度為4kPa、轉(zhuǎn)速為25r/min時，排種性能較好，合格率為96.4%。