河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 孟令帥 馬爾嵐 范亞祖 張彥濤 謝明豪

前言

我國是世界上最大的棉花生產(chǎn)、消費國，又是棉紡織品、服裝出口大國[1]。棉花既是我國重要的經(jīng)濟、作物，又是紡織、精細化工材料。不僅如此，棉花產(chǎn)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)業(yè)鏈最長、從業(yè)人員最多、商品化水平最高的產(chǎn)業(yè)。綜上所述，棉花是關(guān)系國計民生的重要戰(zhàn)略物資，促進棉花產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展任務緊要。

棉花種植管理復雜，生產(chǎn)成本高、效率低下。近年來，隨著中國城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動力數(shù)量銳減，雇工費用大幅度增加，農(nóng)民植棉積極性逐年下挫，棉花生產(chǎn)面臨嚴峻挑戰(zhàn)，棉花生產(chǎn)全程機械化迫在眉睫。

全程機械化植棉過程中播種環(huán)節(jié)是關(guān)鍵，而精量播種作為精準農(nóng)業(yè)的一項重要內(nèi)容不可忽視。影響播種機播種精密性的主要結(jié)構(gòu)就是排種器，播種量和播種均勻性多種性能指標均與工作性能的優(yōu)劣有關(guān)[2]。

排種器一般可分為兩種：機械式排種器與氣力式排種器[3]。二者中應用較廣泛的是機械式排種器，其優(yōu)點如下：結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、調(diào)節(jié)便利。但是由于機械式排種器存在排種脈動性、傷種率高、對播種均勻性、一致性、穩(wěn)定性有不利影響，很難落實棉花的精量播種。

針對我國目前棉花播種機存在的以上問題，本項目研制了一款適用于棉花精量播種的氣吸式播種器。其中的核心構(gòu)件，氣吸式棉花精密排種器的排種性能比機械式排種器的性能好很多。它具有省種、不傷種、通用于不同尺寸種子以及播種均勻性高，易實現(xiàn)精密播種等諸多優(yōu)點[4]。

2 播種整體結(jié)構(gòu)及工作原理

氣吸式棉花播種器主要由排種、開溝、固定和傳動裝置四部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示；排種裝置內(nèi)的種子由清種片側(cè)面推離排種器，沿導種槽排出，或者由清種片直接引出排種器；開溝器可開出寬度和深度均適宜的種溝，引導種子掉入栽培溝，用濕土覆蓋；固定傳動裝置使工作地面平整，保證播種深度的一致。

在整個工作過程中，氣吸式播種機的風機產(chǎn)生負壓后，由風機傳送到播種機單體真空腔內(nèi)。托盤吸附種子，在真空室的負壓作用下一起轉(zhuǎn)動。當種子轉(zhuǎn)移出來之后，播種器就不再承受負壓，種子在刮種器或重力的作用下落入溝里。

圖1 棉花播種器結(jié)構(gòu)圖

3 播種器主要結(jié)構(gòu)部件

3.1 排種器裝置結(jié)構(gòu)

氣吸式排種器由負壓氣管、刮種片、密封墊片、真空室、氣吸孔、密封和氣吸圓盤等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

進氣管與大氣之間壓力的差值稱為氣管負壓，發(fā)動機進氣管負壓的大小與氣缸活塞零件的磨損、進氣管的密封性和供油系的調(diào)整有關(guān)。密封墊片用于設備、管道以及有流體的地方，可以起到密封作用。密封墊片經(jīng)切割等多道工序制成，還可用于管道之間和機器設備的機件與機件之間的連接。等離子體運行的場所為真空室，在運行期間不僅要承受自身構(gòu)件的重力及各種電場力，還要為真空室各構(gòu)件提供相應的支撐。

圖2 排種器裝置圖

3.2 固定裝置結(jié)構(gòu)

鎮(zhèn)壓裝置由鎮(zhèn)壓輪、固定和支架組成，在鎮(zhèn)壓輪和固定架之間安裝方管并在豎架上安裝固定架，如圖3所示。

圖3 鎮(zhèn)壓裝置圖

4 試驗臺試驗

4.1 試驗設計

本試驗利用試驗臺測定核心構(gòu)件氣吸式棉花精量排種器在不同作業(yè)參數(shù)下的排種效果，選“冀棉2016”棉花種子為試驗材料，試驗結(jié)果以粒距合格、重播、漏播等性能指標作評價指標。試驗使用硬件設備JPS-12排種器性能檢測試驗臺一臺。理論株距為250mm，經(jīng)公式（1）計算得每一種床帶速度下的排種器轉(zhuǎn)速。

式中：np為排種器轉(zhuǎn)速，r/min;

vm為播種機前進速度，km/h；

S為株距，mm；

Z為排種盤型孔數(shù)。

試驗各種選取作業(yè)前進速度與負壓值兩因素做單因素試驗，每個試驗進行多次以消除偶然性，每次試驗均使用至少500粒棉花種子。據(jù)《單粒（精密）播種機技術(shù)條件》（JB/T 10293-2013）中規(guī)定，在種子、整地質(zhì)量滿足播種農(nóng)藝要求的情況下，排種器的主要性能應能滿足粒距合格、重播、漏播等性能指標要求。

4.2 試驗結(jié)果與分析

如下圖4、圖5所示，在設定的三個不同的作業(yè)速度下，排種器重播指數(shù)、漏播指數(shù)和合格粒距變異系數(shù)三項指標隨著作業(yè)速度的變化有些許波動，但總體來看仍較為平穩(wěn)。當速度達到9km/h時，排種的粒距合格指數(shù)最高，排種效果最優(yōu)；在設定的三個不同的工作負壓壓強值下，排種器的漏播指數(shù)隨著負壓的增加而漸漸變低，而重播指數(shù)則恰恰相反，隨著負壓值的增加重播率逐漸上升。在實際作業(yè)中應該根據(jù)播種效果恰當選擇合適的負壓值。綜上所述，隨著壓強增加，排種器的合格粒距變異系數(shù)漸小，這說明負壓值為-3.5kPa時排種器的株距變動幅度更小一些，排種效果更穩(wěn)定優(yōu)良。

圖4 作業(yè)速度試驗結(jié)果

圖5 工作負壓壓強試驗結(jié)果

5 性能試驗

2022年4月在河北省衡水市、滄州市等棉花主產(chǎn)區(qū)進行田間試驗，棉花精量播種機參數(shù)如表1所示。播種行數(shù)為3行，適宜行距為76cm可調(diào)，播種深度為1～3cm可調(diào)，穴距為10～20cm可調(diào)[5]，穴粒數(shù)3～5粒。2022年5月進行查苗試驗，試驗中隨機地選擇3個小區(qū)，每個小區(qū)中又隨機選取3行作為試驗樣本進行測量，每行選取10m的距離，測取并記錄10m內(nèi)棉花植株的株距，收集完數(shù)據(jù)后，根據(jù)所得的測量數(shù)據(jù)計算平均合格粒距X、合格指數(shù)A、漏播指數(shù)M等參數(shù)，并選擇粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格粒距變異系數(shù)作為播種精度的評價指標[6]。

表1 田間試驗結(jié)果表

據(jù)《單粒（精密）播種機技術(shù)條件》JB/T 10293-2013中給出的單粒精密播種器的主要性能指標要求得出，播種器各項性能應滿足：粒距合格指數(shù)≥80%，重播指數(shù)≤15%，漏播指數(shù)≤8%，合格粒距變異系數(shù)≤30%[7]。將田間試驗所得的各項數(shù)據(jù)結(jié)果與以上指標做比對，可得此棉花精密播種機在三個小區(qū)內(nèi)共9個樣本里的試驗結(jié)果滿足標準中的性能指標要求，由此，播種機的播種精度達到了預期。