陳 濤,衣淑娟,李衣菲,董 浩,陶桂香,毛 欣

(黑龍江八一農墾大學 a.工程學院;b.電氣與信息學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

糜子俗稱黃米,在我國主要分布于西北、華北、西南、東北、華南及華東等地山區(qū),新疆偶見有野生狀的。由于其谷粒富含淀粉,有著很好的食用價值,還可以用來釀酒,稈葉可為牲畜飼料。糜子性味甘、平、微寒、無毒,還是中國傳統(tǒng)的中草藥之一,是我國主要的雜糧作物。糜子粒徑和千粒質量均較小,屬于小籽粒作物。根據(jù)小籽粒作物播種的農藝要求,種溝內的種子在近距離內應當排列多粒,萌發(fā)時產(chǎn)生群體效應,易于破土出苗[1]。目前,糜子播種已經(jīng)從傳統(tǒng)的人工撒播發(fā)展成利用播種機進行條播,但條播方式在糜子齊苗后需要通過人工間苗的方式使其保證合理株數(shù),存在費時、費力、費種的問題[2]。由于我國糜子種植機械化程度很低,制約著糜子產(chǎn)業(yè)的的發(fā)展,所以對糜子進行精量穴播是今后糜子播種的發(fā)展趨勢,需要發(fā)展糜子精量穴播機械化[3]。開發(fā)適合糜子特性的精量穴播排種器是發(fā)展糜子生產(chǎn)機械化的當務之急。

1 氣吸式排種器組成及工作原理

氣吸式排種器主要由排種盤、殼體、風管、刮種裝置及攪種裝置等組成,如圖1所示。

1.刮種刀 2.殼體 3.排種盤 4.風管 5.攪種輪圖1 氣吸式排種器基本結構Fig.1 Structure of air - suction seed metering device

工作時,風機通過風管與排種器連接,將負壓室內空氣全部吸出,形成負壓;位于排種盤上的吸孔經(jīng)過充種區(qū)時,通過因負壓而產(chǎn)生的吸力將種子吸附在吸孔上,完成充種;由于糜子籽粒較小,吸孔處容易吸附多余的種子,當被吸附的種子隨排種盤轉到刮種刀處時,刮種刀將除吸孔以外的種子全部刮掉,完成清種;種子在負壓作用下繼續(xù)被吸附在吸孔上隨排種盤一起轉動,完成護種;當種子轉動到投種區(qū)時,吸孔脫離了負壓室,負壓消失,種子依靠自身重力脫離吸孔落入到壟溝中,完成投種。

2 排種器參數(shù)優(yōu)化設計

排種盤作為排種器的核心部件,其結構參數(shù)直接決定著播種質量,對播種質量影響最顯著的結構參數(shù)主要有吸孔直徑、吸孔的分布、負壓室真空度的設計及群組吸孔組數(shù)的設計等。現(xiàn)有氣吸式排種器排種盤直徑一般為80～260mm[4],因糜子種子粒徑小且考慮排種器整體尺寸,本文選取排種盤直徑為150mm,厚度2.5mm,材料為鋁合金。

2.1 吸孔直徑的設計

吸孔直徑在播種作業(yè)過程當中起著至關重要的作用,其直徑的大小主要由種子的外形尺寸決定。由于不同作物種子外形尺寸有著較大差異,為了使每個吸孔只吸附1粒種子,吸孔直徑大小要與種子外形尺寸相適應。如果吸孔直徑與種子外形尺寸相差過大,則會使1個吸孔吸附多粒種子,使重播率增大[5];如果吸孔直徑與種子外形尺寸相差過小,則會因吸孔處負壓不足吸不上種子,使漏播率增大。同時,孔徑的大小對于負壓室真空度也有著顯著的影響[6],孔徑和孔數(shù)也是影響播種合格指數(shù)的主要因素[7]。綜上所述,運用計算公式,找到理論上的合適孔徑,并進行驗證。在試驗的基礎上總結出的孔徑公式為[8]

d=(0.64～0.66)b

(1)

式中d—吸孔直徑(mm);

b—種子的平均寬度(mm)。

類似于糜子這種小籽粒種子,通常用算術平均徑來表示種子的平均寬度[9]。算術平均徑公式為

Da=(L+W+T)/3

(2)

其中,L、W、T分別為種子三軸尺寸的長、寬、厚(mm)。

將測得的糜子三軸尺寸數(shù)值代入公式(1),算出的結果代入公式(2),最終選取吸孔直徑為1.5mm。

2.2 吸孔孔數(shù)及分布的設計

吸孔孔數(shù)及其分布由很多因素決定,如農藝要求中播種粒距和播種合格率等,用于穴播排種器的吸孔大多成組分布[10],組的吸孔數(shù)由農藝要求中的穴粒數(shù)決定,組數(shù)則由播種粒距決定。目前,大多數(shù)排種器排種盤的轉動都由地輪驅動,地輪的轉速則由機組前進速度決定。在機組前進速度不變的條件下,每組的吸孔數(shù)越多,則穴粒數(shù)越多;但當吸孔數(shù)過多時,吸孔間的間隙就會過小,各吸孔處的氣流會發(fā)生干擾[5],影響播種質量。在機組前進速度和每組吸孔數(shù)一定的條件下,吸孔組數(shù)越多,播種粒距越小。按照糜子穴播的農藝要求,每穴3～6粒種子,因此每組設置3個吸孔,在滿足孔數(shù)要求的情況下,根據(jù)公式(3)確定孔組數(shù),即

(3)

式中Z—孔組數(shù);

D—地輪直徑,取D=0.3194m;

δ—地輪滑移系數(shù),一般取δ=0.05～0.12;

Ip—傳動比,取Ip=1;

S—穴距(m)。

計算得糜子排種盤孔組數(shù)為 33 ～ 37。根據(jù)排種盤線速度越低吸孔充種性能越好的原則,以及糜子穴播穴距要求,選擇Z=36。

2.3 轉速的設計

排種盤轉速對排種器的播種質量有著重要影響[10]:隨著排種盤轉速增大,播種性能會提高,排種頻率會增加,粒距會減小;但轉速過高時,會由于經(jīng)過充種區(qū)時間過短而充種不足。根據(jù)《農業(yè)機械設計手冊》要求,排種盤線速度不能超過0．35m/s。若沒有輔助裝置,一旦線速度高于這個值,工作性能將會大大下降。在實際田間播種作業(yè)中,由于外界環(huán)境因素的干擾,有必要對排種器進行適當?shù)母倪M,改進后的線速度能達到 0.5～0.8m/s。

2.4 負壓室真空度的設計

真空度在播種過程中起到產(chǎn)生吸力吸附種子的作用,其數(shù)值大小對播種質量起著至關重要的作用[11]。吸室結構分為圓環(huán)形和馬蹄形兩種。根據(jù)排種器的結構,為保證負壓室真空度一致性,此排種器選用馬蹄形吸室。通過參考《農業(yè)機械設計手冊》可知:排種器受到種子外界和自然環(huán)境的作用,對于氣吸式糜子精量排種器,負壓室真空度最大值要滿足以下公式[8],即

(4)

式中d—排種盤吸孔直徑(cm);

C—種子重心離吸種盤之間的距離(cm);

m—1粒種子的質量(kg);

v—排種盤吸孔中心處的線速度(m/s);

r—排種盤吸孔處的轉動半徑(m);

g—重力加速度,取g=9.81m/s2;

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

K1—吸種可靠性系數(shù),取K1=1.8;

K2—外界條件系數(shù),取K2=1.6。

由公式(4)可知:負壓室真空度受很多因素影響,要嚴格按照標準進行計算。通過公式計算出的的是臨界值,在工作時實際真空度要高于臨界值。參數(shù)選取越大,工作性能越好,不容易漏播;但過大時,吸孔上易吸附多余的種子,使重播率上升;當過小時,吸孔處吸力不足,無法吸附種子,使漏播率上升。經(jīng)計算,在進行糜子精量穴播時真空度范圍為 3～7kPa。

3 試驗

3.1 試驗準備

試驗選用黃糜子種子為研究對象,播種農藝要求為穴距12～17cm,每穴3～6粒種子。在試驗前測其尺寸、千粒質量等特征,多次測量后取平均值,測量數(shù)據(jù)如表1所示。試驗于2018年11月在土槽實驗室進行,測試設備采用黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院研制的JPS - 12 型試驗臺。

表1 糜子種子的特性參數(shù)Table 1 Characteristic parameters of broom corn mille

3.2 試驗方法

試驗時,排種器固定在試驗臺臺架上,將種子排在運動的輸送帶上,運動的輸送帶利用相對性原理模擬田間播種作業(yè)過程中機車及播種機的運動;排種器排出的種子落在輸送帶上時會發(fā)生彈跳,在輸送帶上均勻的圖上油層,利用油的粘性將種子粘附在輸送帶上,從而保證種子落地位置的準確性。每組測量250穴種子,每個試驗水平進行3組試驗,求平均值以降低誤差。

3.3 評價指標

參照《單粒(精密)播種機試驗方法 GB/T 6973-2005》《蔬菜穴播播種機技術條件》,將平均成穴距離[12]、重播率、漏播率及合格率作為試驗評價指標,則

式中B—種子數(shù)量>6的穴數(shù);

F—種子數(shù)量<3的穴數(shù);

E—3≤種子數(shù)量≤6的穴數(shù);

H—總穴數(shù)距離之和;

N—播種總穴數(shù)。

3.4 試驗測試

選取排種軸轉速、真空度,機組前進速度3個因素為試驗因素,在固定其它參數(shù)不變的條件下,進行單因素試驗,研究其對播種質量的影響,如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場試驗圖Fig.2 Test chart

3.4.1 排種軸轉速對排種質量的影響

在固定其它參數(shù)固定不變的條件下,選取排種軸轉速8、10、12、15、20r/min等5個水平做單因素試驗,各項評價指標如圖3、圖4所示。

圖3 排種軸轉速對平均成穴距離的影響曲線Fig.3 The curve of the influence of the rotation speed of seeding axis on the average cavitation distance

圖4 排種軸轉速對排種質量的影響Fig.4 The curve of the influence of the rotation speed of seeding axis on the quality of seeding

由圖3可知:隨著排種軸轉速不斷增大,種子平均成穴距離逐漸減小,因為排種軸轉速越快,單位時間內投種頻率越高,使種子成穴距離減小;反之,則投種頻率越來越低,使成穴距離增大。在轉速處于10～12r/min之間時,平均成穴距離處于12.5～16.9cm之間,符合糜子播種農藝要求。

由圖4可知:隨著排種軸轉速的不斷增大,合格率先增大后減小。因為糜子種子籽粒較小,且表面有芒刺,容易堆積[9],且試驗中所用的排種器攪種輪和排種盤是連接在一起的,當轉速較低時,攪種輪對種子的攪動效果較差,導致種子仍處于堆積狀態(tài)無法從種堆中分離出來吸附在吸孔上,漏播率增大;轉速升高時,攪動效果越來越好,吸孔上吸附的種子逐漸增多,合格率也隨之升高。圖4中,當轉速超過12r/min時,合格率呈現(xiàn)下降趨勢,因為隨著轉速的升高,吸孔經(jīng)過充種區(qū)的時間縮短,吸孔來不及吸種導致合格率逐漸下降;轉速為10～15r/min時,合格率較高。

3.4.2 機組前進速度對排種質量的影響

在固定其它參數(shù)固定不變的條件下,選取種床帶轉速2.5、3、3.5、4、4.5km/h等5個水平做單因素試驗,各項評價指標如5、圖6所示。

由圖5可知:隨種床帶速度的增大,平均成穴距離隨之不斷變大,因為種床帶速度越大,種床帶與排種器的相對運動速度越大,相當于單位長度種床帶上排種器的投種頻率減小,所以平均成穴距離變大;反之,則種床帶與排種器的相對速度變小,相當于單位長度種床帶上排種器投種頻率增大,所以平均成穴距離減小。當種床帶速度為3.5～4km/h時,平均成穴距離處于12～16cm之間,符合糜子播種農藝要求。

圖5 機組前進速度對平均成穴距離的影響曲線Fig.5 Influence curve of unit speed on average cavitation distance

由圖6可知:隨著種床帶速度的增大,重播率、漏播率、合格率數(shù)值變化曲線較為平緩,所以種床帶速度對播種穴粒數(shù)的影響不顯著。在本試驗中,種床帶速度模擬的是田間播種的機組前進速度。在田間播種過程中,如果機組前進速度過快,機具振動就會加劇,對于糜子這種小籽粒種子,就會使落地效果變差;如果機組前進速度過低,則會使播種效率降低。綜上所述和查閱相關文獻,認為機組前進速度3～4km/h為合適范圍。

圖6 機組前進速度對排種質量的影響曲線Fig.6 The influence curve of unit speed on seeding quality

3.4.3 真空度對排種質量的影響

在固定其它參數(shù)固定不變的條件下,選取真空度3、4、5、6、7kPa等4個水平做單因素試驗,各項評價指標如圖7、圖8所示。

圖7 真空度對平均成穴距離的影響曲線Fig.7 Curve of influence of vacuum degree on average cavitation distance

圖8 真空度對排種質量的影響曲線Fig.8 The influence curve of vacuum degree on seed quality

由圖7可知:當真空度由3kPa增大到7kPa時,平均成穴距離由13.5cm增大到15.0cm,差異在1.5cm以內,變化不大,所以真空度對平均成穴距離的影響不顯著。

由圖8可知:隨著真空度的增大,合格率先上升后下降。因為當真空度較低時,吸孔處產(chǎn)生的吸力較小,吸附的種子較少,漏播趨勢增加,致使漏播率升高;當真空度增大時,吸孔處產(chǎn)生的吸力也隨之增大,容易吸附多余的種子,重播趨勢增加,導致重播率升高。真空度為4～6kPa時,合格率較高。

4 結論

1)排種盤作為排種器的核心部件,其結構參數(shù)直接決定播種質量。通過理論分析,選取孔徑1.5mm,沿圓周方向成組分布,共36組,每組3個吸孔。

2)機組前進速度越大,平均成穴距離越大。3～4km/h時,平均成穴距離符合農藝要求,機組前進速度對播種合格率影響不明顯。

3)排種軸轉速對平均成穴距離和播種合格率影響較為顯著,真空度對播種合格率影響比較明顯。排種軸轉速10～12r/min、真空度4～6kPa時,播種質量較好。