河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院 戎康椅 王藝穎 張帥 王雨 胡希晨

引言

油莎豆（Cyperus esculentus），又名油莎草、鐵荸薺、地下板栗、地下核桃、人參果和人參豆。油莎豆是一種新型的特種油料經(jīng)濟作物，塊莖的產(chǎn)量不僅高且富含油脂，被人們稱為植物中的“油料之王”，油莎豆油是新型的營養(yǎng)保健食用油，含有豐富的亞麻油酸和蛋白質(zhì)，還有營養(yǎng)價值很高的氨基酸，并含有豐富的礦物質(zhì)特別是鉀和磷，油莎豆油中鈉的含量較低，而且不含膽固醇，油的品質(zhì)也遠高于菜籽油和大豆油，是防止心腦血管疾病和高血脂的良好的保健食用油，油品曾獲得第二屆國際油糧品種博覽會的金杯獎。油莎豆的適應性很廣、根系發(fā)達、分蘗和再生能力較強，以收果為目的時宜選沙砂質(zhì)土壤。因此油莎豆是一種優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和綜合利用價值高的集糧、油、牧、飼為一體的經(jīng)濟作物。但我國油莎豆播種機械化發(fā)展水平停滯不前，嚴重制約了油莎豆工業(yè)化發(fā)展。

目前市場上現(xiàn)有的油莎豆播種機一般都是改進的機械式花生播種機，由于油莎豆種子籽粒較大，外型為不規(guī)則球體，且種子表面凹凸不平，很難實現(xiàn)油莎豆的精量播種，所以未被廣泛使用。而我國現(xiàn)有的氣力式播種機漏播率高，排種盤易變形，氣密性不好，可靠性差，不能夠達到油莎豆播種要求，油莎豆播種仍需要耗費大量的人工成本且效率低下，設(shè)計開發(fā)油莎豆精密播種機是油莎豆產(chǎn)業(yè)亟待解決的問題，本文從播種裝置各個設(shè)計角度出發(fā)，完善了各個機構(gòu)對播種的適應性，對今后油莎豆工業(yè)化發(fā)展有一定的積極作用。

1 油莎豆播種裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

油莎豆播種機主要由機架、氣吸式排種器、播種開溝器、覆土器、地輪組成。該裝置的簡圖如圖1所示:

圖1 氣吸式油莎豆播種機結(jié)構(gòu)簡圖

該氣吸式油莎豆精量鋪膜播種是在機架的前梁上安裝合墑器，機架的后梁上安裝播種總成。氣吸式排種器的吸室內(nèi)的風壓由風機通過風管連接來提供，離心式的風機被安裝在拖拉機的前保險杠上。風機工作時，風機的轉(zhuǎn)速大概為4500r/min。在播種機作業(yè)行走的過程中，通過地輪驅(qū)動傳動機構(gòu)使排種盤轉(zhuǎn)動時，排種盤上的吸種孔與油莎豆種子接觸，由于排種器氣室內(nèi)外的氣壓差而產(chǎn)生的吸附力使種子室內(nèi)的種子吸附在吸種孔上。為了提高種子的流動性和吸附性，在吸種孔的吸種側(cè)開有0.2mm～0.7mm的倒角，在排種盤上還安裝有攪拌裝置，該攪拌裝置按圓周方向均勻地分布在排種盤上，并分別位于相鄰兩吸種孔之間，種子經(jīng)過攪拌裝置攪拌種子使種子更好地被吸附。

該播種機采用的是鋤鏟式開溝器,開溝器位于氣吸式排種器的前方,排種器排出的種子落入開溝器開好的種溝內(nèi),而后由覆土器進行覆土。覆土器采用的是雙圓盤覆土器；地輪安裝在開溝器的后方。本機中地輪不僅作為驅(qū)動輪還作為鎮(zhèn)壓輪,在自重和彈簧的壓力下,對播種行進行鎮(zhèn)壓。在地輪的后方安裝可根據(jù)農(nóng)戶要求選擇易拆卸的鋪膜機構(gòu)或整形輪對播種完的表面鋪膜。

動力的傳動是依靠地輪驅(qū)動，隨后將動力通過鏈條傳遞給中間傳動軸，進而傳遞給排種器軸。傳動簡單可靠，粒距的調(diào)節(jié)是通過更換不同的鏈輪來實現(xiàn)的。整機同20馬力的拖拉機采用三點掛接式連接配套。

2 油莎豆播種機的主要工作部件

2.1 排種器

氣吸式排種器的吸附部件主要由真空室殼體、排種盤、密封減磨圈、真空連接管、風機等組成，如圖2所示。氣吸式排種器工作時由高速風機產(chǎn)生負壓，傳給排種單體的真空室。排種盤回轉(zhuǎn)時，在真空室負壓作用下吸附種子，并隨排種盤一起轉(zhuǎn)動。當種子轉(zhuǎn)出真空室后，不再承受負壓，靠自重或在刮種器作用下落在溝內(nèi)[2,8]。

圖2 氣吸式排種器結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 排種盤

排種盤為一垂直圓盤，排種盤的直徑越大，可安排的吸孔數(shù)量越多，從而有利于降低排種盤的轉(zhuǎn)速及線速度。但過大的排種盤會使排種機構(gòu)尺寸相應增大，吸室尺寸也增大，風機的消耗也相應增加；但為了防止種子的漏吸，要提高風機的轉(zhuǎn)速。隨著排種盤轉(zhuǎn)速的提高，種子與排種器上的吸種孔接觸的時間會縮短，吸種孔來不及吸附種子而造成漏吸，排種器的排種性能下降。因此，排種盤的直徑一般為140mm～260mm[3-4]。該播種機的排種盤是由1.2mm薄不銹鋼板制成，排種盤的直徑為200mm，排種盤上的吸種孔側(cè)開有0.2mm～0.7mm的倒角。結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示。

圖3 排種盤

2.3 排種器蓋

排種器蓋的內(nèi)部部分空間與排種盤配合形成儲種室，用來暫時存放種子，由于油莎豆種子表面凹凸不平且籽粒較大，所以種子流動性較小，在輸種管與種子室接觸處容易出現(xiàn)種子架空問題，針對這一問題，改進排種器蓋，在保證種位的情況下，提高輸種管與種子室的接觸面積，防止架空出現(xiàn)。其示意圖如圖4和圖5所示。

圖4 排種器蓋結(jié)構(gòu)簡圖

圖5 改進的排種器蓋結(jié)構(gòu)簡圖

3 播種性能試驗

2021年4月在河北省定州市李辛莊進行播種試驗。試驗指標為測量地輪滑移率、漏播率、播種機各行播量一致性及播種深度合格率：在作業(yè)地塊上用繩子量出20個播種機地輪周長的長度，然后在這段地塊上5次空播，數(shù)出播種機地輪實際轉(zhuǎn)的圈數(shù)，經(jīng)計算得出該播種機地輪的滑移率；比較不同吸種盤孔徑的漏播率；在每個輸種管下單獨放置接種容器，以30r/min的轉(zhuǎn)速，均勻地轉(zhuǎn)動地輪20圈，并數(shù)出每個接種容器里的油莎豆種子的個數(shù)，從而計算出各行播種機播種數(shù)量的變異系數(shù)；在每行內(nèi)隨機取10個測點，測量種子至地表的距離，然后計算覆土深度（h±1）mm范圍內(nèi)的點占總測定點的百分數(shù)，測量出播種深度合格率。然后以平均值為最終結(jié)果，數(shù)據(jù)如表1所示，并觀察其具體的長勢。

表1 播種試驗結(jié)果

根據(jù)JB/T 10291-2013《旱地栽植機械》中規(guī)定的旱地播種機的主要性能指標與播種精度指標要求需滿足：漏播率≤5%；合格率≥90%；將油莎豆田間試驗獲得各項結(jié)果與以上播種指標進行對比，參照表1結(jié)果可知，該氣吸式播種機的播種性能符合標準中的性能指標要求，播種機精度均達到了預期要求。