河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 孟令帥 馬爾嵐 范亞祖 張彥濤 謝明豪

前言

我國(guó)是世界上最大的棉花生產(chǎn)、消費(fèi)國(guó)，又是棉紡織品、服裝出口大國(guó)[1]。棉花既是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)、作物，又是紡織、精細(xì)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(zhǎng)、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(guó)計(jì)民生的重要戰(zhàn)略物資，促進(jìn)棉花產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康發(fā)展任務(wù)緊要。

棉花種植管理復(fù)雜，生產(chǎn)成本高、效率低下。近年來(lái)，隨著中國(guó)城市現(xiàn)代化的快速發(fā)展，農(nóng)村勞動(dòng)力數(shù)量銳減，雇工費(fèi)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(yán)峻挑戰(zhàn)，棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化迫在眉睫。

全程機(jī)械化植棉過(guò)程中播種環(huán)節(jié)是關(guān)鍵，而精量播種作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容不可忽視。影響播種機(jī)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(biāo)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(jī)械式排種器與氣力式排種器[3]。二者中應(yīng)用較廣泛的是機(jī)械式排種器，其優(yōu)點(diǎn)如下：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、調(diào)節(jié)便利。但是由于機(jī)械式排種器存在排種脈動(dòng)性、傷種率高、對(duì)播種均勻性、一致性、穩(wěn)定性有不利影響，很難落實(shí)棉花的精量播種。

針對(duì)我國(guó)目前棉花播種機(jī)存在的以上問(wèn)題，本項(xiàng)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(jī)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(shí)現(xiàn)精密播種等諸多優(yōu)點(diǎn)[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(kāi)溝、固定和傳動(dòng)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(dǎo)種槽排出，或者由清種片直接引出排種器；開(kāi)溝器可開(kāi)出寬度和深度均適宜的種溝，引導(dǎo)種子掉入栽培溝，用濕土覆蓋；固定傳動(dòng)裝置使工作地面平整，保證播種深度的一致。

在整個(gè)工作過(guò)程中，氣吸式播種機(jī)的風(fēng)機(jī)產(chǎn)生負(fù)壓后，由風(fēng)機(jī)傳送到播種機(jī)單體真空腔內(nèi)。托盤(pán)吸附種子，在真空室的負(fù)壓作用下一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)種子轉(zhuǎn)移出來(lái)之后，播種器就不再承受負(fù)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(fù)壓氣管、刮種片、密封墊片、真空室、氣吸孔、密封和氣吸圓盤(pán)等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

進(jìn)氣管與大氣之間壓力的差值稱(chēng)為氣管負(fù)壓，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管負(fù)壓的大小與氣缸活塞零件的磨損、進(jìn)氣管的密封性和供油系的調(diào)整有關(guān)。密封墊片用于設(shè)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(jī)器設(shè)備的機(jī)件與機(jī)件之間的連接。等離子體運(yùn)行的場(chǎng)所為真空室，在運(yùn)行期間不僅要承受自身構(gòu)件的重力及各種電場(chǎng)力，還要為真空室各構(gòu)件提供相應(yīng)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(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)利用試驗(yàn)臺(tái)測(cè)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(yàn)材料，試驗(yàn)結(jié)果以粒距合格、重播、漏播等性能指標(biāo)作評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)使用硬件設(shè)備JPS-12排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)一臺(tái)。理論株距為250mm，經(jīng)公式（1）計(jì)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(jī)前進(jìn)速度，km/h；

S為株距，mm；

Z為排種盤(pán)型孔數(shù)。

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

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如下圖4、圖5所示，在設(shè)定的三個(gè)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(xiàng)指標(biāo)隨著作業(yè)速度的變化有些許波動(dòng)，但總體來(lái)看仍較為平穩(wěn)。當(dāng)速度達(dá)到9km/h時(shí)，排種的粒距合格指數(shù)最高，排種效果最優(yōu)；在設(shè)定的三個(gè)不同的工作負(fù)壓壓強(qiáng)值下，排種器的漏播指數(shù)隨著負(fù)壓的增加而漸漸變低，而重播指數(shù)則恰恰相反，隨著負(fù)壓值的增加重播率逐漸上升。在實(shí)際作業(yè)中應(yīng)該根據(jù)播種效果恰當(dāng)選擇合適的負(fù)壓值。綜上所述，隨著壓強(qiáng)增加，排種器的合格粒距變異系數(shù)漸小，這說(shuō)明負(fù)壓值為-3.5kPa時(shí)排種器的株距變動(dòng)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(yàn)結(jié)果

圖5 工作負(fù)壓壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果

5 性能試驗(yàn)

2022年4月在河北省衡水市、滄州市等棉花主產(chǎn)區(qū)進(jìn)行田間試驗(yàn)，棉花精量播種機(jī)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(jìn)行查苗試驗(yàn)，試驗(yàn)中隨機(jī)地選擇3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)中又隨機(jī)選取3行作為試驗(yàn)樣本進(jìn)行測(cè)量，每行選取10m的距離，測(cè)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(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)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(píng)價(jià)指標(biāo)[6]。

表1 田間試驗(yàn)結(jié)果表

據(jù)《單粒（精密）播種機(jī)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(biāo)要求得出，播種器各項(xiàng)性能應(yīng)滿(mǎn)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(yàn)所得的各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果與以上指標(biāo)做比對(duì)，可得此棉花精密播種機(jī)在三個(gè)小區(qū)內(nèi)共9個(gè)樣本里的試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中的性能指標(biāo)要求，由此，播種機(jī)的播種精度達(dá)到了預(yù)期。