宋元萍

（山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展中心，山西太原 030031）

0 引言

近年來(lái)，精密播種技術(shù)發(fā)展速度快，機(jī)具類型多，其核心部件排種器可分為機(jī)械式和氣力式。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低，氣力式排種器在排種均勻性、穩(wěn)定性、精確性以及對(duì)種子外形尺寸要求方面有優(yōu)勢(shì)[1-3]。

隨著精密播種機(jī)研究的深入，為了得到更高的效率，精播機(jī)逐漸由小型化轉(zhuǎn)向大型化，由低速轉(zhuǎn)向高速，其他先進(jìn)技術(shù)如液壓、電子、PLC等技術(shù)也應(yīng)用到其中。在其他技術(shù)方面，也有探索，如傳統(tǒng)精播機(jī)的排種器多是一器一行，而滾筒型中央集排器可實(shí)現(xiàn)一器多行。此類排種器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化不臃腫，工作時(shí)不受開(kāi)溝器振動(dòng)的影響。

在育種方面，滾筒式排種器應(yīng)用比較廣泛。由于是小籽粒播種，作業(yè)空間一般在室內(nèi)，滾筒直徑小，種子離開(kāi)滾筒后和苗床距離近，直接靠重力下落直達(dá)種溝，不存在輸種問(wèn)題。而在田間作業(yè)時(shí)，從排種器到各行開(kāi)溝器的距離較長(zhǎng)，特別是針對(duì)玉米大豆等大籽粒種子的播種，要確保投種的均勻性，輸種投種問(wèn)題亟待解決。同時(shí)，高速播種作業(yè)是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，而高速播種瓶頸之一就是輸種環(huán)節(jié)，因此，輸種投種裝置的研究具有重要的意義。本文對(duì)氣吸式中央集排式播種機(jī)的排種輸種投種裝置進(jìn)行了研究設(shè)計(jì)。

1 概述

國(guó)外氣力式精播機(jī)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始研究，德國(guó)、意大利、法國(guó)、英國(guó)都具有較成熟的產(chǎn)品，如馬斯奇奧播種機(jī)、Hamiliton播種機(jī)、格蘭播種機(jī)及Amazone公司的ED系列、John Deere公司的Maxemerge pianters系列的播種機(jī)等。國(guó)內(nèi)氣力式播種機(jī)研究始于20世紀(jì)70年代，中國(guó)農(nóng)機(jī)院引進(jìn)研究了四臺(tái)國(guó)外精密播種機(jī)，經(jīng)改進(jìn)試制定型了我國(guó)精密播種機(jī)的雛形。80年代，各地科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始研制，山西省農(nóng)業(yè)機(jī)械化所研制了2BJ-4型氣吸式精密播種機(jī)，大連市農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所研究試制2BJQ-4氣力式播種機(jī)，遼寧省農(nóng)機(jī)所研制2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機(jī)等。90年代，精播機(jī)除了向聯(lián)合作業(yè)機(jī)方向拓展如鋪膜播種、旋耕施肥播種等，也在提高速度方面進(jìn)行了探究。如吉林工大的馬成林等研制的氣力輪式排種器，在種子進(jìn)入充種區(qū)時(shí)，由氣流送入，在自重和氣力強(qiáng)制作用下充填，臺(tái)架試驗(yàn)精播大豆粒距49 mm，作業(yè)速度8 km/h，粒距合格率96.9%，精播玉米粒距149 mm，作業(yè)速度 10 km/h，粒距合格率96.2%，提高了作業(yè)速度[4]。

2 排種輸種裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

排種輸種裝置是氣吸式中央集排式播種機(jī)的排種機(jī)構(gòu)，由滾筒、風(fēng)機(jī)、排種裝置、輸種軟管、投種口和穩(wěn)種輪組成（圖1）。吸附在排種滾筒上種子由卸種機(jī)構(gòu)作用而離開(kāi)滾筒表面，靠重力到達(dá)進(jìn)種管口，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流在排種裝置作用下，把種子吸入排種裝置然后加速送進(jìn)輸種軟管，輸種軟管中的氣固混合體在氣流作用下到達(dá)投種口，具有較大初速度的種子進(jìn)入種溝時(shí)有彈跳的趨勢(shì)，穩(wěn)種輪和土壤快速雙向擠壓種子進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)種子的單粒精播。

圖1 排種輸種裝置示意圖

3 排種裝置的設(shè)計(jì)

3.1 排種裝置的結(jié)構(gòu)

排種裝置是在中央集排器充種和清種后把種子直接送入開(kāi)溝器的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)（圖2），包括進(jìn)氣管、收縮段、進(jìn)種管和輸種段。進(jìn)氣管和風(fēng)機(jī)相連接，收縮段的收縮角用λ1表示，進(jìn)種管與輸種段軸線的夾角用λ2表示（圖2）。

圖2 投種示意圖

3.2 排種裝置工作過(guò)程

排種裝置工作表現(xiàn)在受限流體在通過(guò)縮小的過(guò)流斷面時(shí)，流體出現(xiàn)流速增大的現(xiàn)象，流速與過(guò)流斷面成反比，由伯努利定律可知，流速增大，流體壓力降低。根據(jù)文丘里效應(yīng)的原理，當(dāng)氣體氣流吹過(guò)阻擋物時(shí)，在阻擋物的背面上方端口附近氣壓相對(duì)較低，從而產(chǎn)生吸附作用并導(dǎo)致空氣的流動(dòng)。

氣流從文丘里管的入口進(jìn)入，在文丘里管里面流動(dòng)，把氣流由粗變細(xì)，以加快氣體流速，少部分通過(guò)截面很小的噴管排出。在經(jīng)過(guò)管道的最窄處時(shí)，動(dòng)態(tài)壓力達(dá)到最大值，靜態(tài)壓力達(dá)到最小值，氣體的速度因?yàn)橥鳈M截面面積減小而上升。整個(gè)涌流都要在同一時(shí)間內(nèi)經(jīng)歷管道縮小過(guò)程，因而壓力也在同一時(shí)間減小，進(jìn)而產(chǎn)生壓力差，這個(gè)壓力差給流體提供了一個(gè)外在吸力。隨之截面逐漸減小，壓縮空氣的壓強(qiáng)減小，流速變大，這時(shí)就在吸附腔的進(jìn)口內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)真空度，使氣體在文丘里管出口的后側(cè)形成一個(gè)“真空”區(qū)，真空區(qū)靠近工件時(shí)會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生一定的吸附作用。

精量播種技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是高速高效，作業(yè)過(guò)程要求投種必須平穩(wěn)。因?yàn)楦咚僮鳂I(yè)遇到田間地理?xiàng)l件的變化會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，排種器排出的種子和輸種管碰撞反彈，導(dǎo)致原來(lái)的粒距發(fā)生變化影響株距的一致性[5]。文丘里管利用氣流輔助投種，管內(nèi)氣固混流，氣流加速種子運(yùn)動(dòng)，減少輸種過(guò)程種子與管壁碰撞的概率，從而保證輸種過(guò)程中粒距的變化。研究表明，尤其是高速作業(yè)時(shí)，氣流輔助投種優(yōu)勢(shì)更加明顯[6]。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的正壓氣流從進(jìn)風(fēng)口流入，遇到收縮段流向輸種管，由于文丘里效應(yīng)，氣體流速增大，壓力降低，氣壓小于大氣壓形成負(fù)壓，進(jìn)種口的真空將種子吸入并加速種子在進(jìn)種口和輸種管的移動(dòng)，從而達(dá)到氣流輔助輸種的效果。

3.3 排種裝置參數(shù)確定

文丘里排種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)有進(jìn)氣管直徑D1，收縮角λ1，進(jìn)種管直徑D2，輸種段直徑D3，進(jìn)種管和輸種段的安裝角λ2（圖3）。

圖3 排種裝置參數(shù)示意圖

D1的直徑選取和風(fēng)機(jī)出口管的直徑一致36 mm。收縮角λ1過(guò)大氣流速度變化小，形成負(fù)壓小產(chǎn)生吸附力不夠，收縮角λ1過(guò)小，易產(chǎn)生氣流旋渦，對(duì)種子運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)不利。同時(shí)，收縮段作為和輸種管的過(guò)渡連接部分不易太長(zhǎng)，研究表明，收縮角λ1為70°時(shí)壓強(qiáng)變化明顯，氣流場(chǎng)均勻。進(jìn)種管直徑D2大于玉米的最大長(zhǎng)度尺寸，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)玉米種子的最大尺寸為12.98 mm，平均寬度8 mm，平均厚度5.09 mm，因管道里氣固混流并根據(jù)塑料管的規(guī)格，進(jìn)種管直徑D2取 20 mm。同理，確定輸種管直徑D3，考慮到實(shí)際連接安裝需要，進(jìn)種管和輸種段要相交連接，輸種段直徑略大于進(jìn)種管，輸種段直徑D3取25 mm。由于種子從進(jìn)種管被吸入后在輸種段流過(guò)，為使種子平滑過(guò)渡，安裝角λ2應(yīng)小于90°，考慮到加工難易程度，選取λ2為70°[7]。

4 零速投種、投種口角度θ及投種口與壓種輪距離L

零速投種現(xiàn)象指種子出了投種口后沿水平方向上的絕對(duì)速度為0，種子沿鉛垂方向下落。為使投種過(guò)程減少種子在種溝的彈跳滾動(dòng)，設(shè)投種口水平方向向后，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度vq（m/s）與種子水平運(yùn)動(dòng)速度vx（m/s）相等時(shí)，種子僅有自由落體運(yùn)動(dòng)（圖4）。設(shè)種子在落地瞬間壓種輪壓住的條件：

圖4 投種示意圖

H'為種口向后時(shí)落種口與地面的垂直距離（m），L'為種口向后時(shí)投種口與壓種輪距離（m），t為落種時(shí)間（s），g為重力加速度（m/s2）。當(dāng)播種機(jī)達(dá)到14 km/s時(shí)，L=1.79H1/2。經(jīng)驗(yàn)算，L值太小，即投種口沿水平方向向后不可取。設(shè)種子離開(kāi)投種口時(shí)投種角為θ，且此時(shí)種子只受重力作用而不受其他力，則：

V為種子離開(kāi)投種口時(shí)的絕對(duì)速度（m/s），θ為種子出口速度方向與垂直向下方向夾角（°），H為落種口與地面的垂直距離（m），L為投種口與壓種輪距離（m）。種子下落過(guò)程的水平位移主要與種子離開(kāi)投種口時(shí)的速度v、機(jī)具前進(jìn)速度vq以及投種角為θ有關(guān)，而種子離開(kāi)投種口時(shí)的速度v與管道內(nèi)正壓力產(chǎn)生的加速度有關(guān)。

壓種輪設(shè)置。理想狀況是種子落地瞬間，壓種輪正好和土壤雙向壓種，若壓種輪位置設(shè)置在種子無(wú)壓種輪時(shí)落地點(diǎn)的后方，即失去作用，設(shè)置在落地點(diǎn)前方，則種子在落地前，可完成壓種。因此，影響壓種效果的因素有管道內(nèi)正壓力和種子運(yùn)動(dòng)方向，它們決定種子離開(kāi)投種口時(shí)的速度v。機(jī)具前進(jìn)速度vq和速度v決定種子的水平位移，而投種口與壓種輪距離決定能否有效壓種。

5 試驗(yàn)條件及結(jié)果

5.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在山西省運(yùn)城市夏縣裴介鎮(zhèn)進(jìn)行，播種機(jī)正壓150～350 mba，機(jī)具前進(jìn)速度8 km/h，理論株距 14 cm。試驗(yàn)材料為大豆，橢圓形，黃色，百粒重28 g。試驗(yàn)內(nèi)容是考察三種投種口角度25°、30°和35°，三種正壓150 mbar、300 mbar、350 mbar與三種投種口與壓種輪距離60 mm、75 mm、90 mm情況下的粒距合格指數(shù)。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)試驗(yàn)，正壓200～300 mbar，投種口角度φ為30°，投種口與壓種輪距離L為75 mm，當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度8 m/s時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果粒距合格指數(shù)為90%。JB/T10293-2013《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》的作業(yè)性能指標(biāo)要求是粒距合格指數(shù)需大于75%[8]，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合國(guó)家機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。