李兆東 王晴晴 張亞蘭 王韋韋 楊 洋 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036)

0 引言

淮北平原糧食種植以小麥- 玉米輪作為主。因秸稈還田有助于減少霧霾和農(nóng)田水土流失、提高土壤肥力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)農(nóng)村土地分散經(jīng)營(yíng)逐漸向適度規(guī)模經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，該區(qū)域?qū)嵤┯衩捉斩掃€田下小麥高速精量聯(lián)合直播作業(yè)已成趨勢(shì)[1-4]。高速集中排種系統(tǒng)多采用機(jī)械供種與氣流輸送分配成行組合技術(shù)，可將種箱內(nèi)的無(wú)序種群成行且均勻的播入田間，該技術(shù)具有簡(jiǎn)化整機(jī)結(jié)構(gòu)、提高工作效率和降低種子破損率等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。由于小麥種子球形度低、流動(dòng)性差，供種裝置的供種性能對(duì)實(shí)現(xiàn)小麥精量播種至關(guān)重要，其影響后續(xù)的種子流輸送和均勻分配，制約了小麥播種機(jī)的可靠性和實(shí)用性。

為改善小麥種子的流動(dòng)性，提高其集排供種性能，一些機(jī)構(gòu)和相關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。意大利Maschio Gaspardo公司、德國(guó)Amazone公司、加拿大Fiexi- Coil公司以及美國(guó)John Deere和Case IH公司等研制集排氣力式播種機(jī)，其供種裝置多為帶有攪種機(jī)構(gòu)的槽輪式排種器實(shí)現(xiàn)精量供種[8]。常金麗等[9]研制的2BQ- 10型氣流一階式小麥排種系統(tǒng)，其采用軸推式外槽輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)供種量調(diào)節(jié)；劉立晶等[10]設(shè)計(jì)了一種帶有星形給料裝置的氣力式排種系統(tǒng)；趙曉順等[11]采用梯形槽縫與負(fù)壓吸附組合技術(shù)實(shí)現(xiàn)小麥的精量供種；雷小龍等[12-13]設(shè)計(jì)了一種具有傾斜錐孔輪與雙螺旋攪種機(jī)構(gòu)組合式小麥供種裝置，可有效提高小麥的供種性能。上述研究表明，小麥集排氣力式供種裝置仍以外槽輪式供種機(jī)構(gòu)為主，且多采用增設(shè)機(jī)械或氣力輔助機(jī)構(gòu)提高供種性能，其不足之處是供種裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且供種量調(diào)節(jié)范圍不大。因此，簡(jiǎn)化供種裝置結(jié)構(gòu)和增大供種范圍仍是需要解決的問(wèn)題。

本文根據(jù)小麥種子物料特性和農(nóng)藝種植要求，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、供種范圍大的小麥精量供種裝置，確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，開展型孔錐角、工作轉(zhuǎn)速、型孔輪數(shù)目對(duì)供種速率和穩(wěn)定性變異系數(shù)影響的研究，為研制適應(yīng)淮北平原玉米秸稈覆蓋地高性能小麥變量播種機(jī)提供依據(jù)。

1 供種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 小麥電控氣送式變量直播機(jī)

直播機(jī)主要由旋耕裝置、主機(jī)架、風(fēng)泵驅(qū)動(dòng)裝置、氣流輸送裝置、供種裝置、精量分配器、輸種管道、肥箱、種肥組合開溝裝置和鎮(zhèn)壓輥等組成，如圖1所示。

圖1 小麥電控氣送式變量直播機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of electric control air-assisted direct seeder for wheat1.旋耕裝置 2.主機(jī)架 3.風(fēng)泵驅(qū)動(dòng)裝置 4.氣流輸送裝置 5.供種裝置 6.精量分配器 7.輸種管道 8.肥箱 9.種肥組合開溝裝置 10.鎮(zhèn)壓輥

直播機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)供種裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，均勻種子流與風(fēng)泵產(chǎn)生的正壓氣流在料氣室混合輸送，經(jīng)由增壓管將種子輸送至分配器，分配器再將統(tǒng)一的種子流按行分配，被分配的種子流經(jīng)由輸種管道播入開溝器開出的種溝內(nèi)，完成播種的一個(gè)循環(huán)。

1.2 供種裝置

小麥供種裝置主要由種箱、供種殼體、充種室、充種調(diào)節(jié)板和供種機(jī)構(gòu)等組成，如圖2a所示。其中供種機(jī)構(gòu)為核心工作部件，主要包括型孔輪、填充輪、隔板和傳動(dòng)軸等，如圖2b所示。

圖2 小麥供種裝置Fig.2 Structure diagrams of seed feeding device for wheat1.種箱 2.充種調(diào)節(jié)板 3.供種殼體 4.充種室 5.卸種板 6.供種口 7.供種機(jī)構(gòu) 8.密封板 9.填充輪 10.型孔輪 11.隔板 12.傳動(dòng)軸

供種裝置工作區(qū)域包括充種區(qū)Ⅰ、攜種區(qū)Ⅱ和供種區(qū)Ⅲ。工作時(shí)，種子箱里的小麥種子在重力作用下進(jìn)入充種室，充種室內(nèi)的種子在種群側(cè)向壓力和鋸齒擾動(dòng)攜帶作用下充入型孔，并隨型孔一起轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制充種調(diào)節(jié)板與供種機(jī)構(gòu)的間隙，保證精量充填概率。攜有小麥種子的型孔運(yùn)動(dòng)至投種區(qū)時(shí)，種子在重力和離心力共同作用下經(jīng)供種口進(jìn)入料氣混合室，完成精量供種。

以工作幅寬為2 200 mm的直播機(jī)中的小麥供種裝置為研究對(duì)象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 小麥供種裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of seed feeding device for wheat

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1 型孔輪直徑

型孔輪顯著影響小麥精量供種效果，其直徑是確定型孔數(shù)、型孔輪線速度和種子慣性離心力等參數(shù)的依據(jù)。由小麥供種裝置可提供播量與種植農(nóng)藝所需播量可知

(1)

式中Qx——農(nóng)藝要求小麥播量，粒/s

B——直播機(jī)工作幅寬，m

vm——直播機(jī)前進(jìn)速度，m/s

a——直播行距，m

b——直播粒距，m

Qs——供種裝置播量，粒/s

M——供種裝置個(gè)數(shù)

N——型孔輪個(gè)數(shù)

Z——單個(gè)型孔輪徑向型孔數(shù)

λ——單個(gè)型孔充入種子數(shù)

n——型孔輪轉(zhuǎn)速，r/min

小麥供種裝置提供播量與小麥種植農(nóng)藝要求播量一致，由式(1)得

(2)

由式(2)可知，當(dāng)播種幅寬、行距、株距和機(jī)組前進(jìn)速度一定時(shí)，單個(gè)型孔輪徑向型孔數(shù)與型孔輪轉(zhuǎn)速成反比，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)一定范圍可通過(guò)增加型孔輪數(shù)降低轉(zhuǎn)速。滿足小麥種植農(nóng)藝要求時(shí)，型孔輪直徑不宜過(guò)大與過(guò)小：型孔輪直徑適當(dāng)增大，徑向型孔數(shù)增加，可適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速提高充種時(shí)間，改善充種性能，但相同轉(zhuǎn)速時(shí)型孔輪直徑過(guò)大種子線速度顯著增加，為避免投種時(shí)種子與供種殼體碰撞，以致供種裝置整體尺寸增大；型孔輪直徑過(guò)小，型孔數(shù)減少，轉(zhuǎn)速增加以致充種時(shí)間較短，供種性能顯著下降。根據(jù)前期研究型孔充種時(shí)間與型孔輪直徑大小無(wú)關(guān)，現(xiàn)用于直播小麥的傳統(tǒng)外槽輪直徑一般為50～80 mm，考慮供種裝置整體設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的型孔輪直徑為65 mm。

2.2 型孔設(shè)計(jì)

小麥種子呈橢球體、流動(dòng)性差，以致“平躺”、“側(cè)臥”和“豎立”充入型孔種子姿態(tài)存在隨機(jī)性[12,14-15]。理論分析表明，種子充入型孔的姿態(tài)概率與其截面面積成正比[16]，即

(3)

式中WP——種子平躺姿態(tài)概率，%

WC——種子側(cè)臥姿態(tài)概率，%

WL——種子豎立姿態(tài)概率，%

SP——種子平躺姿態(tài)截面積，mm2

SC——種子側(cè)臥姿態(tài)截面積，mm2

SL——種子豎立姿態(tài)截面積，mm2

種子充入型孔的姿態(tài)為完全隨機(jī)獨(dú)立事件，其概率總和為

WP+WC+WL=100%

(4)

聯(lián)立式(3)和式(4)，得

(5)

小麥3種姿態(tài)截面近似橢圓形，其截面積為

(6)

式中l(wèi)——小麥種子長(zhǎng)度，mm

w——小麥種子寬度，mm

t——小麥種子厚度，mm

隨機(jī)選取淮北平原3個(gè)常規(guī)品種100粒種子，測(cè)定其三軸尺寸，結(jié)合式(5)和式(6)計(jì)算出種子充入型孔的姿態(tài)概率，見(jiàn)表2。

表2 小麥種子三軸尺寸與姿態(tài)概率Tab.2 Triaxial size and postural probability ofwheat seeds

圖3 小麥型孔輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagrams of cell wheel for wheat1.軸孔 2.型孔 3.鋸齒 4.減重孔 5.型孔支撐體

根據(jù)表2可知，小麥種子“平躺”與“側(cè)臥”姿態(tài)概率之和約80%，其在充種區(qū)主要依靠自重以平躺與側(cè)臥的姿態(tài)充入型孔。小麥種子球形度低、流動(dòng)性差且易產(chǎn)生“卡種”現(xiàn)象，已有研究表明，對(duì)顆粒流擾動(dòng)可顯著提高充種性能[17-19]，而傳統(tǒng)外槽式型孔易產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象，降低供種均勻性[20]。為改善種子流連續(xù)充種與投種性能，避免投種環(huán)節(jié)“卡種”，兼顧簡(jiǎn)化供種裝置結(jié)構(gòu)，結(jié)合已有研究基礎(chǔ)[14-15,21]，本文設(shè)計(jì)了易于種子“平躺”與“側(cè)臥”姿態(tài)充種與投種的拋物線形型孔，其截面形狀如圖3所示。

為使2粒最大小麥種子以“平躺”或“側(cè)臥”姿態(tài)充入型孔且確保單個(gè)型孔至少充入3粒種子，同時(shí)便于種子在供種區(qū)順利從型孔中投出，根據(jù)已有研究[22]，本文型孔長(zhǎng)度lk、型孔寬度bk和型孔深度hk分別為

(7)

式中l(wèi)k——型孔長(zhǎng)度，mm

lmax——小麥種子最大長(zhǎng)度，mm

bk——型孔寬度，mm

wmax——小麥種子最大寬度，mm

kb——寬度調(diào)整系數(shù)，取1.3～2.0

hk——型孔深度，mm

kh——深度調(diào)整系數(shù)，取0.7～1.1

根據(jù)表2中小麥種子三軸尺寸，確定型孔長(zhǎng)度lk為10 mm，型孔寬度bk為7 mm，型孔深度hk為3 mm。

拋物線型孔可確保種子在型孔內(nèi)以“平躺”或“側(cè)臥”姿態(tài)流動(dòng)，避免投種時(shí)存在“卡種現(xiàn)象”。為獲取拋物線曲線，需結(jié)合拋物線特殊點(diǎn)位置坐標(biāo)與型孔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵尺寸確定。如圖4a所示，起始充種角α應(yīng)小于卸種角φ，卸種角需大于小麥自然休止角θ，根據(jù)上述小麥品種獲得小麥自然休止角θ≤35°，由此設(shè)計(jì)起始充種角α=35°；β為投種位置角，為簡(jiǎn)化供種裝置結(jié)構(gòu)和有效降低種子破損率，本文無(wú)增設(shè)護(hù)種裝置，同時(shí)兼顧避免“卡種”以及減少種子投出與供種殼體碰撞，則設(shè)計(jì)投種位置角β=40°。如圖4b所示，建立以拋物線對(duì)稱軸為y軸，拋物線底部切線為x軸的坐標(biāo)系，便于求解。根據(jù)型孔寬度為7 mm，最大深度為3 mm，兩切線夾角ζ與α、β的關(guān)系，可獲得限制方程

(8)

式中k——兩焦點(diǎn)連線所在直線斜率

x1、x2——兩焦點(diǎn)對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)值

γ——拋物線曲線兩焦點(diǎn)分別與中心點(diǎn)連線所夾銳角，(°)

圖4 型孔截面形狀曲線分析Fig.4 Curve analysis of section shape for type hole1.充種調(diào)節(jié)板 2.型孔輪 3.供種殼體 4.型孔

由式(8)可得

(9)

由式(9)可知，型孔曲線設(shè)計(jì)不是唯一的，k值越大型孔形狀越細(xì)深，k值越小型孔形狀越粗淺，細(xì)深的型孔容易“卡種”，粗淺的型孔充種能力有限，為確保設(shè)計(jì)型孔可容納不少于3粒種子且避免“卡種”現(xiàn)象，結(jié)合前期試驗(yàn)選取k=1可獲得較好的充種和投種效果。令k=1，解得x1=-1.540 2 mm，x2=2.839 3 mm。由此，得出型孔曲線方程

y=x2(x∈[-1.540 2 mm,2.839 3 mm])

(10)

2.3 型孔數(shù)量

供種輪采用拋物線形型孔交錯(cuò)布置方式，以改善外槽輪存在的脈動(dòng)現(xiàn)象和提高小麥顆粒擾動(dòng)性能。當(dāng)供種輪直徑確定時(shí)，適當(dāng)增加型孔數(shù)，可提高小麥充種性能，故型孔間距應(yīng)大于1倍型孔寬度且小于2倍型孔寬度，即

(11)

式中T——孔距，mm

Dp——型孔輪直徑，mm

由式(11)取整，得15

為提高充種時(shí)間和確保加工精度，本文試驗(yàn)確定型孔數(shù)Z為24，交錯(cuò)布置型孔對(duì)應(yīng)中心角為15°。為滿足淮北平原不同時(shí)期小麥播量，可通過(guò)供種輪數(shù)和供種轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。供種裝置可一次布置5個(gè)供種輪同時(shí)供種，供種輪材料為ABS工程塑料，采用3D打印技術(shù)試制。

2.4 型孔錐角與極限供種轉(zhuǎn)速分析

改善小麥種子充種性能是提高供種穩(wěn)定性和適應(yīng)變量播種的重要途徑，進(jìn)行充種過(guò)程分析對(duì)探究種子充填機(jī)理尤為重要[23]。由于小麥種子在充種室內(nèi)以散體顆粒形式連續(xù)運(yùn)動(dòng)，型孔隨型孔輪轉(zhuǎn)動(dòng)可主動(dòng)拾取多顆種子，以多顆種子充入型孔組成的質(zhì)點(diǎn)系為研究對(duì)象，假定種子為材質(zhì)均勻的剛體，不考慮研究對(duì)象與種群間摩擦力及振動(dòng)，受力分析如圖5所示。根據(jù)質(zhì)點(diǎn)系運(yùn)動(dòng)的法向和切向建立輔助坐標(biāo)系，其受力方程為

(12)

式中N1——型孔側(cè)壁對(duì)質(zhì)點(diǎn)系支撐力，N

Np——充種室內(nèi)種群對(duì)質(zhì)點(diǎn)系的側(cè)壓力，N

Ff——質(zhì)點(diǎn)系與型孔側(cè)壁間摩擦力，N

Fl——慣性離心力，N

G——質(zhì)點(diǎn)系重力，N

m——質(zhì)點(diǎn)系質(zhì)量，kg

σ——型孔錐角，(°)

ω——型孔輪角速度，rad/s

R——型孔輪半徑，m

μ——種子與型孔輪接觸表面摩擦因數(shù)，取0.55[24]

np——型孔輪工作轉(zhuǎn)速，r/min

圖5 小麥充種過(guò)程力學(xué)分析簡(jiǎn)圖Fig.5 Mechanics analysis diagram of seed-filling process1.型孔 2.型孔支撐體 3.鋸齒 4.種子

根據(jù)式(12)得出

(13)

其中a=cosσ-μsinσb=μcosσ+sinσ

由式(13)得知，起始充種角α與型孔錐角σ、小麥種子物料特性μ、型孔輪角速度ω、型孔輪直徑等有關(guān)。當(dāng)角速度確定時(shí)，起始充種角α與型孔錐角σ呈反比例變化；在起始充種角α相同時(shí)，型孔錐角σ與型孔輪角速度ω呈正相關(guān)。為確保充種區(qū)存量較少種子也能較好充入型孔，起始充種角α應(yīng)小于等于卸種角φ，即α≤35°，再結(jié)合供種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速10～100 r/min，可計(jì)算出型孔錐角σ范圍為8.02°～50.42°。

前期試驗(yàn)觀察，當(dāng)型孔輪工作轉(zhuǎn)速持續(xù)增加，充種區(qū)上部易發(fā)生“飛種”現(xiàn)象，將飛出型孔的種子視為質(zhì)點(diǎn)系，以質(zhì)點(diǎn)系脫離型孔后的臨界為研究對(duì)象，此時(shí)該質(zhì)點(diǎn)系受重力和慣性離心力作用，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理建立受力方程

(14)

式中αp——最大充填角，(°)

ωp——型孔輪極限角速度，rad/s

npM——極限供種轉(zhuǎn)速，r/min

Flmax——最大慣性離心力，N

由式(14)可得

(15)

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并結(jié)合前期試驗(yàn)，該供種機(jī)構(gòu)最大充填角αp∈[25°,45°]。為確保該供種裝置工作穩(wěn)定性，現(xiàn)取最大充填角的平均值，即αp=35°，將其代入式(15)，該小麥供種裝置極限供種轉(zhuǎn)速為125.6 r/min。

3 供種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

以淮北平原常用小麥品種百農(nóng)207為試驗(yàn)材料，其千粒質(zhì)量為51.19 g，含水率為8.07%。本試驗(yàn)在自行設(shè)計(jì)的主動(dòng)供種試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，如圖6所示。

圖6 主動(dòng)供種試驗(yàn)平臺(tái)Fig.6 Test platform of seed feeding device 1.種箱 2.供種裝置 3.排種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 4.平臺(tái)支架 5.編碼器控制電動(dòng)機(jī) 6.編碼器 7.排種控制器 8.車速模擬控制器

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為驗(yàn)證理論分析的合理性，進(jìn)行了型孔錐角驗(yàn)證試驗(yàn)，型孔錐角分別為10°、20°、30°、40°、50°，共5個(gè)梯度，工作轉(zhuǎn)速20、40、60 r/min取3個(gè)梯度；供種裝置工作性能試驗(yàn)，工作轉(zhuǎn)速分別為10、20、30、40、50、60、70、80、90、100 r/min，共10個(gè)梯度，供種輪數(shù)量1、2、3、4、5，共5個(gè)梯度；為滿足淮北平原玉米秸稈覆蓋下小麥在不同播期的供種量，開展了主動(dòng)供種驗(yàn)證試驗(yàn)，供種裝置提供的供種量分別為150、225、300、375、450 kg/hm2，共5個(gè)梯度，機(jī)組前進(jìn)速度分別為3.8、5.1、6.3、7.8、8.6、9.8 km/h，共6個(gè)梯度。上述試驗(yàn)均以供種速率、供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率為試驗(yàn)指標(biāo)

參照GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī) 試驗(yàn)方法》，開展供種裝置性能試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，用量杯收集供種口排出的小麥種子，采集時(shí)間為1 min，稱量其凈質(zhì)量，再拾取出破碎損傷種子稱量其質(zhì)量，重復(fù)6次，計(jì)算出不同處理下的供種速率、供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率

(16)

式中mv——平均供種速率，g/min

mvi——第i次的供種速率，g/min

j——試驗(yàn)次數(shù)，j=6

Pz——種子破損率，%

mp——破損種子質(zhì)量，g

mz——每個(gè)處理供種總質(zhì)量，g

CV——供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)，%

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1型孔錐角驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果分析

由表3可知，在轉(zhuǎn)速為20～60 r/min條件下，小麥供種速率隨傾角的增大呈先增加后減小趨勢(shì)，變異系數(shù)隨傾角的增大呈先降低后上升趨勢(shì)，傾角為40°拋物線型孔的供種穩(wěn)定性較優(yōu)，其穩(wěn)定性變異系數(shù)小于1.8%，該結(jié)果與型孔設(shè)計(jì)理論分析相吻合。試驗(yàn)中小麥種子破損率均低于0.2%，采用拋物線型孔交錯(cuò)布置設(shè)計(jì)的供種機(jī)構(gòu)完成充種、攜種和供種3個(gè)過(guò)程，簡(jiǎn)化了供種環(huán)節(jié)。

3.3.2主動(dòng)供種性能結(jié)果分析

為明確小麥供種范圍、適應(yīng)主動(dòng)供種要求，進(jìn)行了型孔輪數(shù)量與轉(zhuǎn)速對(duì)供種性能影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：小麥供種速率隨型孔輪數(shù)目和轉(zhuǎn)速增加呈上升趨勢(shì)，其供種速率范圍為30～1 500 g/min；供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨型孔輪數(shù)量增加呈下降趨勢(shì)；工作轉(zhuǎn)速在10～100 r/min內(nèi)，其穩(wěn)定性變異系數(shù)均小于2.0%，種子破損率均不大于0.2%。

表3 不同錐角的小麥供種性能Tab.3 Seed feed performance for wheat atdifferent cone angle

3.3.3主動(dòng)供種試驗(yàn)驗(yàn)證

為提高供種能力、實(shí)現(xiàn)主動(dòng)供種，以工作幅寬2.2 m直播機(jī)上安裝5個(gè)拋物線型孔輪的供種機(jī)構(gòu)獲取的試驗(yàn)結(jié)果為例，以工作轉(zhuǎn)速、機(jī)組前進(jìn)速度為自變量，以單位面積播量為因變量，構(gòu)建主動(dòng)供種預(yù)測(cè)模型

(17)

式中ms——播種機(jī)單位時(shí)間播量，kg/h

tb——播種機(jī)工作效率，h/hm2

mQ——單位面積播種量，kg/hm2

由式(17)得出安裝5個(gè)型孔輪的小麥供種量方程

(18)

結(jié)合式(18)，為驗(yàn)證小麥供種裝置主動(dòng)供種的精確度，在相同車速下對(duì)播量進(jìn)行測(cè)試，以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)模擬播種機(jī)行駛，排種控制系統(tǒng)采集編碼器模擬車速變化量，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)輸出頻率，控制步進(jìn)排種電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，測(cè)試過(guò)程如圖7所示。

表4 不同轉(zhuǎn)速與型孔輪數(shù)量時(shí)的供種性能Tab.4 Seed feeding performance for wheat at differentsawtooth-hole units and rotational speeds

圖7 主動(dòng)供種測(cè)試過(guò)程Fig.7 Test process of active sowing

匹配試驗(yàn)的動(dòng)力選用約翰迪爾- 854型拖拉機(jī)。設(shè)定不同的機(jī)組前進(jìn)速度和播種量，采集時(shí)間間隔1 min，重復(fù)6次取平均值，結(jié)果如表5所示。試驗(yàn)表明，模擬機(jī)組前進(jìn)速度不大于9.8 km/h時(shí)，供種輪式小麥供種裝置主動(dòng)供種較為準(zhǔn)確，其穩(wěn)定性變異系數(shù)均小于2.0%，滿足淮北平原變量播種需要。

表5 主動(dòng)供種匹配性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Matching test result of variable seed feeding

4 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證該供種裝置主動(dòng)供種性能，于2017年10月29日在安徽省蒙城縣秸稈還田正負(fù)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)示范區(qū)進(jìn)行，田間試驗(yàn)如圖8a所示，前茬作物為玉米，其秸稈覆蓋量為450～500 kg/hm2，試驗(yàn)以自行開發(fā)的小麥電控氣送式變量直播機(jī)為平臺(tái)，實(shí)際幅寬為2 m，播種10行，行距200 mm，型孔輪數(shù)目為5，牽引動(dòng)力為黃海金馬1304A- 1型拖拉機(jī)，機(jī)組前進(jìn)速度為6.1 km/h，根據(jù)農(nóng)戶需要試驗(yàn)播種量設(shè)定300 kg/hm2。2018年3月9日對(duì)小麥種植密度進(jìn)行測(cè)定，苗情長(zhǎng)勢(shì)如圖8b所示，每行選取5段，每段測(cè)量長(zhǎng)度為1 m，測(cè)定10行的小麥種植密度為230～270株/m2，其均勻性變異系數(shù)為21.97%，滿足JB/T 6274.1—2013《谷物播種機(jī) 技術(shù)條件》和小麥種植農(nóng)藝要求。

圖8 田間試驗(yàn)及苗情長(zhǎng)勢(shì)Fig.8 Field test and growing tendency of wheat

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種帶有傾斜型孔輪的小麥精量供種裝置，闡述了其結(jié)構(gòu)組成和供種原理，確定了型孔和型孔輪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。建立了型孔曲線限制方程，構(gòu)建了小麥充種過(guò)程力學(xué)模型，確定了型孔錐角較優(yōu)范圍為8.02°～50.42°，型孔輪穩(wěn)定工作極限供種轉(zhuǎn)速應(yīng)不大于125.6 r/min。

(2)臺(tái)架試驗(yàn)表明：在工作轉(zhuǎn)速20～60 r/min條件下，傾角為40°拋物線型孔的供種穩(wěn)定性較優(yōu)，其供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)小于1.8%，種子破損率低于0.2%；在型孔輪數(shù)量1～5、工作轉(zhuǎn)速10～100 r/min條件下，小麥供種速率隨型孔輪數(shù)目和轉(zhuǎn)速增加呈上升趨勢(shì)，其供種速率范圍為30～1 500 g/min；供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨型孔輪數(shù)量增加呈下降趨勢(shì)；工作轉(zhuǎn)速為10～100 r/min條件下，其穩(wěn)定性變異系數(shù)均小于2.0%，種子破損率均不大于0.2%。

(3)以安裝5個(gè)拋物線型孔輪供種機(jī)構(gòu)建立單位面積播種量數(shù)學(xué)模型進(jìn)行的主動(dòng)供種匹配試驗(yàn)得出，模擬機(jī)組前進(jìn)速度不大于9.8 km/h時(shí)，可實(shí)現(xiàn)較大范圍的主動(dòng)供種，其穩(wěn)定性變異系數(shù)均小于2.0%。該裝置用于實(shí)際直播小麥種植密度為230～270株/m2，均勻性變異系數(shù)為21.97%，滿足淮北平原小麥播種需要。

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