康施為,倪向東,齊慶征,李樹峰,徐國杰

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院,新疆 石河子 832000)

0 引言

新疆作為全國最主要的棉花種植和生產(chǎn)基地,2017年的棉花播種面積達1 963.1×103khm2,總產(chǎn)量達408.2×104t,分別占全國的60.8%和74.4%[1]。在棉花生產(chǎn)過程中,播種起著重要的作用[2-5]。在精密播種領(lǐng)域,精密播種機械在迅速發(fā)展,作為核心部件的排種器,其性能決定著精密播種的質(zhì)量[6-7]。排種器按工作原理一般可分為機械式排種器和氣力式排種器兩類[8-9]:機械式排種器因其具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點,得到廣泛使用,但存在易傷種、對種子外形尺寸要求較高及播種作業(yè)速度不高等問題;氣力式排種器具有對種子外形尺寸要求不高、通過更換排種盤可適用于不同尺寸種子、采用氣力充種對種子損傷較小,作業(yè)速度快等特點,可實現(xiàn)精量播種。氣吸滾筒式排種器可滿足同時播種多行的要求,可實現(xiàn)“一器多行”式播種,能極大地提高排種效率,近年來在國內(nèi)外播種領(lǐng)域得到一定程度的應(yīng)用與推廣[10-14]。

本文針對目前現(xiàn)有氣吸滾筒式排種器存在的能耗大及吸孔易堵塞等問題,采用薄壁滾筒、氣流吹種與輪式清堵的氣吸滾筒式精密排種器,對排種器的工作原理進行分析,對關(guān)鍵零部件進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計,并通過排種性能試驗對排種裝置進行了驗證,為精密播種機械的設(shè)計提供理論依據(jù)與基礎(chǔ)。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣吸滾筒式棉花精密排種器主要由排種滾筒、氣流清種吹嘴、隔壓裝置及清堵滾輪等組成,如圖1所示。

1.機架 2.鏈輪 3.清堵滾輪 4.滾筒 5.投種器 6.氣吹風嘴 7.空心軸 8.種子箱 9.固定支架 10.充種隔壓板 11.負壓氣室 12.落種隔壓板 13.常壓氣室 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū)Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

1.2 工作原理

氣吸滾筒式棉花精密排種器工作時,通過外部電機驅(qū)動鏈輪,鏈輪帶動排種滾筒轉(zhuǎn)動;空心軸固定于固定軸座上,一端與風機連接,風機通過空心軸將滾筒內(nèi)氣體抽出,形成負壓,在排種滾筒吸孔處產(chǎn)生吸附力;當排種滾筒上的吸孔轉(zhuǎn)入種箱時,由于吸孔處有吸附力,種子被吸附在吸孔上隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動,進入清種區(qū);清種吹嘴借助氣流將多余種子吹回種箱,保證吸孔上只吸附1粒種子;當攜帶著種子的吸孔轉(zhuǎn)至第2隔壓板處時,滾筒內(nèi)的負壓被隔斷,吸孔處吸附力消失,種子在重力與離心力的作用下落入投種器投種口,經(jīng)投種器投送將種子撥入土壤,完成精密排種過程。

2 排種器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 滾筒直徑設(shè)計

排種器滾筒直徑對整機尺寸、滾筒吸孔軸向間隔、吸孔數(shù)量及負壓氣室大小等參數(shù)有著直接影響。滾筒直徑越大,可在滾筒圓周面排布的吸孔數(shù)目就越多,在播種機前進速度一定時,滾筒轉(zhuǎn)速越低;但滾筒直徑過大,滾筒內(nèi)所需負壓越大,對風機功率要求就會越高;滾筒直徑越小,整機尺寸越小,滾筒內(nèi)所需負壓越小,但吸孔數(shù)目也會越少,造成滾筒轉(zhuǎn)速過大,產(chǎn)生漏播,吸種效果差。目前,排種器滾筒直徑選取范圍一般為140～260mm[15],考慮到棉花的種子特性、整機尺寸及風機能耗等因素,最終選取滾筒直徑為250mm。

2.2 滾筒吸孔設(shè)計

滾筒式排種器吸孔的孔型一般有直孔、錐孔和沉孔。陳進[16]等人對影響氣吸式排種器吸種效果的吸孔氣流場進行了仿真和試驗研究,對孔型及孔徑對吸種效果進行了分析,得出直孔入口處的氣流速度好于錐孔和沉孔,吸種能力好。同時考慮到加工制造難度,確定吸孔類型為直孔。按照負壓與吸孔直徑的關(guān)系公式可得

(1)

式中P—吸孔的吸附力(kPa);

P0—大氣壓強(kPa);

P1—滾筒內(nèi)部真空度(kPa);

d—吸孔直徑(mm)。

由式(1)可知:吸附力P與吸孔直徑d的二次方成正比。當氣室負壓一定時,增大吸孔直徑,吸孔處的吸附力會得到明顯提高,但吸附力過大會加重重播;減小吸孔直徑,則吸孔處的吸附力減弱,加重漏播。為滿足棉花精密播種的要求,提高合格率,降低重播率與漏播率,需要合理選擇吸孔直徑。由經(jīng)驗公式[17]對吸孔直徑范圍進行計算,即

0.64b≤d≤0.66b

(2)

式中b—種子平均寬度(mm)。

棉花種子的尺寸如表1所示。

表1 棉花種子尺寸參數(shù)

綜上所述,根據(jù)新陸早48號棉花種子寬度分布及加工工藝,選取滾筒吸孔直徑為3.0～4.0 mm。

當排種器滾筒轉(zhuǎn)速與播種株距一定時,滾筒吸孔數(shù)目越多,滾筒轉(zhuǎn)速越慢,則充種效果越好[15],但吸孔數(shù)目不宜過多。相比于單列式吸孔排布方式,錯列式吸孔排布方式可在一定程度上增加吸孔數(shù)量,如圖2所示。

圖2 滾筒展開面吸孔結(jié)構(gòu)示意圖

為保證吸孔正常吸種,被吸附的種子間不能出現(xiàn)相互干涉現(xiàn)象,要求相鄰吸孔間弧長不得小于兩種子最大尺寸,則

Δl≥2lmax

(3)

Δl1≥2lmax

(4)

式中 Δl—兩相鄰吸孔間的周向弧長(mm);

Δl1—兩相鄰錯列式吸孔間的周向弧長(mm);

lmax—棉種長度最大尺寸(mm)。

最終確定滾筒采用錯列式吸孔,滾筒周向吸孔數(shù)目為48個,即兩孔間最小弧長為32 mm,滿足吸種要求。排種器采用“一器六行”的播種方式,滾筒軸向吸孔排數(shù)設(shè)計為6列,可提高排種效率同時簡化整機結(jié)構(gòu)。

2.3 隔壓裝置設(shè)計

隔壓裝置的作用是減小滾筒內(nèi)部負壓氣室空間大小,最大程度地降低風機的功率和能耗,在保證排種器正常吸種、攜種的前提下應(yīng)盡可能減小負壓氣室的空間,以降低風機能耗。隔壓裝置主要由空心軸與隔壓板構(gòu)成,如圖3所示。

1.落種隔壓板 2.空心軸 3.滾筒 4.負壓氣室 5.充種隔壓板 6.常壓氣室

考慮到吸種起始角與投種接受區(qū)域,充種隔壓板與水平軸的夾角設(shè)計為5°,以保證種子能被吸孔正常吸附;落種隔壓板與水平軸的夾角設(shè)計為30°,以保證準確投種。

2.4 清種裝置設(shè)計

在充種階段,有時吸孔會同時吸附兩?；蚨嗔７N子,少數(shù)種子會粘附在滾筒外壁上,隨滾筒轉(zhuǎn)動,進入投種器,導(dǎo)致重播。為了清除多余的種子,常采用剛性清種板、橡膠刮種片、各種形狀的剛性固定叉和氣流等清種方式[18]。采用接觸清種方式,會不可避免地對種子造成損傷,導(dǎo)致出苗率降低,且清種裝置會出現(xiàn)磨損,需定期更換;而采用氣流清種方式則可以避免直接與種子接觸,不會傷種,不需更換清種裝置,因此本文采用氣流清種方式。經(jīng)過預(yù)試驗觀察,在排種滾筒吸附的多粒種子中,種子主要呈前后或并列兩種形式。采用直吹清種的方式,會造成吸孔上的種子被同時吹落,反而增大了漏播率。為此,采用側(cè)向氣流吹種的方式,通過改變吹種角度,將吸孔上吸附不穩(wěn)定的種子吹落,而吸附較為穩(wěn)定的種子被留下,保證“一穴一?！?達到了良好的清種效果。

本文采用長方形吹嘴[19],可提供較小而又穩(wěn)定的氣流,滿足清種要求。清種裝置如圖4所示。清種吹嘴角度可調(diào)節(jié),以滿足不同角度要求。

2.5 清堵裝置設(shè)計

滾輪式清堵裝置的作用是將卡在吸孔內(nèi)的種子或其他雜質(zhì)推出,保證下一次的充種過程正常進行。在播種過程中,常常會出現(xiàn)種子或其他雜質(zhì)堵塞吸孔的現(xiàn)象,直接影響正常播種,因此清堵裝置的設(shè)計是十分必要的。清堵裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示,其核心部件為清堵滾輪。

1.吹嘴支架 2.氣吹清嘴

1.彈簧 2.清堵滾輪 3.軸 4.軸承 5.清種支架

清堵滾輪采用橡膠材料,通過彈簧壓緊滾輪軸,在彈簧壓力的作用下,滾輪與滾筒內(nèi)壁接觸產(chǎn)生摩擦力,在摩擦力和滾輪凸起與吸孔配合的共同作用下,清堵滾輪隨滾筒同步轉(zhuǎn)動。清堵滾輪凸起直接與滾筒吸孔配合,進而疏通吸孔。在設(shè)計滾輪凸起時,考慮到滾輪要隨滾筒同步轉(zhuǎn)動,滾輪凸起必須滿足至少兩個凸起同時與吸孔配合。經(jīng)過計算,確定清堵凸起數(shù)量為9個。滾輪如圖6所示。

3 試驗及結(jié)果分析

3.1 試驗材料及裝置

選取新陸早48號棉花種子為試驗對象,經(jīng)過人工挑選,將破損種子剔除,種子經(jīng)過干燥處理,含水率為5.6%。

試驗裝置由氣吸滾筒式精密排種器、JPS-12型排種器性能檢測試驗臺、風機、微型壓力表及輸氣管道等組成,如圖7所示。

圖6 清堵滾輪

3.2 試驗因素及指標的選取

試驗因素及水平范圍:滾筒轉(zhuǎn)速8～12 r/min,負壓3.5～4.5 kPa,吸孔直徑3.0～4.0 mm。

試驗指標:依據(jù)GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》,將合格指數(shù)、漏播指數(shù)及重播指數(shù)作為評價指標。各指標計算公式為

(5)

(6)

(7)

式中n1—1穴1粒種子的穴數(shù);

n2—1穴0粒種子的穴數(shù);

n3—1穴2粒及以上種子的穴數(shù)。

3.3 試驗方案與結(jié)果

通過預(yù)試驗觀察分析可知,影響排種器排種性能的主要因素有滾筒負壓、滾筒轉(zhuǎn)速和吸孔直徑。以上述影響因素為試驗因子,采用L9(34)正交表進行試驗,各因素間無交互作用,如表2、表3所示。

表2 試驗因素與水平

表3 試驗方案與試驗結(jié)果

3.4 試驗結(jié)果分析

運用Minitab17.1對試驗數(shù)據(jù)進行極差分析,結(jié)果如表4所示。

由極差分析結(jié)果可知:影響合格指數(shù)因素的主次順序為負壓、滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑,合格指數(shù)最優(yōu)水平組合為C3A2B2;影響漏播指數(shù)的因素主次順序為滾筒轉(zhuǎn)速、負壓大小、吸孔直徑,漏播指數(shù)最優(yōu)水平組合為A1C3B3;影響重播指數(shù)的因素主次順序為吸孔直徑、負壓大小、滾筒轉(zhuǎn)速,重播指數(shù)最優(yōu)水平組合為B2C3A2。

在排種器排種性能指標中,判斷排種性能指標的主要指標為合格指數(shù)與漏播指數(shù)[20]。對試驗因素進行方差分析,進一步分析影響因素對排種器合格指數(shù)、漏播指數(shù)的顯著性,結(jié)果如表5所示。

表4 極差分析結(jié)果

表5 方差分析結(jié)果

由上述試驗結(jié)果可知:當滾筒轉(zhuǎn)速為10r/min、負壓大小為4.5kPa、吸孔直徑為3.5mm時,排種合格率為93.8%、漏播率為1.9%、重播率為4.3%,排種效果最佳。

對試驗結(jié)果進行驗證,結(jié)果表明:在上述最優(yōu)參數(shù)組合下反復(fù)進行5次試驗,得到平均合格指數(shù)為93.2%,平均漏播指數(shù)為2.1%,平均重播指數(shù)為4.7%。

4 結(jié)論

1)采用氣流清種、隔壓板隔開氣室減小負壓氣室空間、滾輪式清堵裝置對吸孔進行清理等方式,設(shè)計了一種基于氣流吸種的滾筒式精密排種器。對排種器的工作原理進行了分析,并確定了主要結(jié)構(gòu)部件的參數(shù)。

2)通過臺架試驗,對影響排種器排種性能的主要因素進行了試驗與驗證,得到排種器的最優(yōu)工作參數(shù)為合格指數(shù)93.2%、漏播指數(shù)2.1%、重播指數(shù)4.7%。