油菜精量播种机气力式排种器设计与试验

吴小伟，武文娟，钟志堂，通信作者，史志中，赵敏

（1.江苏省农业机械技术推广站，南京 210017； 2.南京交通职业技术学院 汽车工程学院，南京211188）



油菜精量播种机气力式排种器设计与试验

吴小伟1，武文娟2，钟志堂1，通信作者，史志中1，赵敏1

（1.江苏省农业机械技术推广站，南京 210017； 2.南京交通职业技术学院 汽车工程学院，南京211188）

摘 要：根据油菜精量播种技术的农机、农艺要求，提出了气力式油菜精量播种机排种器的设计方案，对排种器结构和工作过程进行了分析。以秦油10号为试验用种，种子发芽率在85%左右，设计播量为0.63～4.41 kg/hm2，取播量为1.8 kg/hm2、拖拉机行进速度为2.6 km/h进行田间试验。结果表明，油菜播种机田间实际出苗数与设计播量之间播种均匀性变异系数为2.4%，说明该播种机排种器播种均匀性好，达到播种质量标准。

关键词：油菜；气力式；排种器；均匀性；性能试验

目前，油菜产区机械直播技术一直处于示范阶段[1]，且价格昂贵，极大地影响了农民种植油菜的积极性。采用油菜精量播种技术[2]，可省种、省工、壮苗增产，节约种子60%～70%，节约间、定苗用工270～345 h/hm2，增产12%以上。国外对油菜变量播种技术研究较早，且多是大型联合作业机具[3-4]，较难适应我国农田分散经营模式。我国专家学者在排种器的结构设计和后期试验验证方面做了大量工作，如设计了偏心轮式变幅宽变量排种器[5]、以电磁力为动力源的自动供种系统和正负气压组合式精量播种机等[6-9]，确定了排量与转速的数学模型及种子在流场中受力情况[10-14]，并对排种器的性能进行了田间试验[15]。虽然多位专家在油菜精量播种机方面进行了大量研究，但与播种机匹配的多为专用拖拉机，增加了小型生产农户的作业成本，较难实现一机多用的经济生产方式。针对上述油菜播种技术研究进展及油菜精量播种技术存在的问题，文中设计了一种新型的油菜播种机排种器，生产效率高且方便选择匹配的拖拉机，真正做到了一机多用，降低了生产成本，增加了经济效益。

1 排种器总成设计

1.1 单排气力式排种器

参照其他排种器结构特征，结合油菜播种的播量等技术条件，设计了单排气力式排种器，其优点在于：结构紧凑，不影响气室的密封效果，只要改变排种盘的传动比即可改变株距，实现一穴一粒的精量播种，适用于中小颗粒种子播种，节种率达40%以上，且播种后不需间苗，结构如图1所示。

图1 单排气力式排种器结构和配针（注：l.基座；2.排种盘；3.围堰；4.气孔；5.空心管；6.吸种小孔；7.负压仓；8.吸气孔；9.吹气孔；10.环形凸堰；11.凸台；12.密封圈；13.轴承；14.短轴）

从图1看出，排种器主要由排种盘和垂直地面的基座组成，排种盘上安装了12个空心管，对应均匀设置了12个贯穿围堰的气孔，排种盘围堰与基座之间设有密封圈，同时基座上设有与排种盘围堰配合的环形凸堰，基座与排种盘围堰之间形成一个负压仓。真空泵的吸气口通过管路与基座上的吸气孔连接，真空泵的出气口通过管路与凸台中的吹气孔连接。

1.2 双排气力式排种器

双排排种器可以实现一个排种盘进行双排播种，同时N个排种器可以串接形成多级排种器，具有效率较高、成本较低等优点。与单排气力式排种器相比，减少因漏吸带来的漏播，播种后不需要补苗，可以保证基本苗。双排气力式排种器基本结构如图2所示。

图2 双排气力式排种器结构（注：1.吸种小孔；2.围堰；3.环形围堰；4.吸气孔；5.基座；6.传动轴；7.吹气孔；8.密封圈；9.空心管；10.正压仓；11.轴承；12.链轮；13.排种盘；14.负压仓；15.气孔）

由图2可见，基座与排种盘同心设置，基座的中心设有轴孔，传动轴穿过轴孔与排种盘固定连接，排种盘端面中心设有链轮；排种盘与基座之间形成负压仓；基座沿排种盘内壁向前延伸一凸台，凸台中含有一正压仓，从正压仓到基座轴心的连线与垂线的夹角Q 为±5°。当采用多个排种盘时，它们之间的动力传递如下：传动轴端穿过基座的轴孔与本级排种盘固定连接，另一端与下一级排种盘端面固定连接，形成串接的多级排种器。

根据对上述两种排种器的分析，单排的单个排种器结构简单，但一个排种机构只能播种一行，而且每穴理论排种只有1粒，在遇到气压不稳漏吸或者所播种子存缺陷时，将会产生空穴现象。双排的单个排种器结构复杂，加工制造困难，单体成本增加，每穴理论排种有2粒，在遇到所播种子存在缺陷时，可以减少空穴现象产生的几率。同时在试验过程中发现，双排结构的排种器对加工制造以及安装精度要求较高，稍有偏差正压仓和负压仓将会产生漏气和串气现象，导致气泵的吹气口与正压仓相接后，对吸种效果影响很大；但若不接吹气，吸种孔若吸上杂质后容易堵塞。

因此结合两者的优点，排种器本体结构选用单排排种器的结构，但将与其配套的空心管上的小孔数量进行改变，加工出一管一孔、一管两孔和一管三孔3种型号的空心管以供不同种植情况下使用，结构如图1所示。排种器对于密封要求高，因此设计驱动方式时，未设置轴传动，而是采用拨片带动排种器的动盘转动。排种器的播量调节可通过更换传动链轮改变传动比或更换具有不同吸种孔数量的吸种针来实现，两种调节方式配合使用，播种量调节范围为15～105万粒/hm2。其播量范围不仅可满足油菜直播要求，还可满足蕃茄等其他作物的直播要求。

2 排种器工作过程分析

由于气力式油菜排种器主要靠吸力把种子从充种区吸出来，完成吸种、携种、投种过程，因此需要根据排种器正常吸种、排种的工作条件及油菜籽本身特点，对排种器吸、排种工作区域进行动力学分析，找出能够实现工作的边界条件。按照排种器工作特点，将工作过程划分为正压区、负压区和过渡区3个工作区（图3）。正压区和负压区通过气管与气泵相连，可实现第一、第三区域内形成负压，第二、第五区域内形成正压，第四、第六为工作过渡区。

图3 排种器工作过程各段示意图（注：1.排种盘；2.排种盒；3.清种装置；4.气室隔板）

排种器内设负压仓和正压仓，通过气路管道，负压仓与真空泵的吸气口相连，正压仓与吹气口相连。排种器通过中间传动机构由镇压轮带动转动，当吸种管随排种器转动至吸种区时，吸种管与排种器负压仓连通，油菜种子被吸种管上的吸种孔吸上，当吸种管随排种器转至排种区时，油菜种子失去负压并被排种器正压仓内的气流吹离吸种管，落入土壤。排种器工作时，排种盘顺时针转动，携吸种孔进入第一工作区，油菜籽在重力和负压作用下落入充种区；排种盘继续进入第二工作区转动，在正压力的作用下，充种区内多余的种子被吹出落入种箱内；排种盘继续转动进入第三工作区，由于该区域具有一定的负压真空度，油菜籽可以克服离心力和重力的影响继续留在排种器的护种区；排种盘转动经过过渡区IV（第四区）时，负压吸附作用逐渐消失；排种盘进入正压区V（第五工作区）时，油菜籽在重力和正压力作用下落入投种区；排种盘接着转动经过过渡区VI（第六区）再次进入充种区第一工作区（I区），开始下一个排种过程。一般负压区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ角度为225°[16]，正压区V角度为50°，过渡区Ⅳ、Ⅵ角度为85°。

2.1 吸种过程种子受力分析

要使油菜籽顺利地吸附到吸种管上并随排种器转动完成投种过程，排种器气室必须具有足够的真空度。在满足足够真空度的条件下，同时还要满足最小功耗要求，因此需要求出正常工作时所需要的最小临界真空度值。有研究表明，吸种时，被吸附种子受到种子群摩擦力的影响，同时种子间摩擦力大于自身重力[11]，因此排种器正常工作条件下，需要的临界真空度值产生在吸种区，求出能保证正常吸种的临界真空度值即可。吸种过程中种子受力情况如图4所示。

图4 吸种过程种子受力分析

式中：d为吸种孔直径（m）；C为种子重心与吸种管之间的距离（在此为种子半径），（m）；Q为G、F、J合力（N）；P为吸力（Pa）；N为吸种孔孔对种子的反作用力（N）。

引入吸力P与真空度Hc的关系式：

由式(1)、式(2)可计算出最小真空度Hc应满

足如下条件：

根据平行四边行法则求得：种子重力G与离心力J的合力为：

式中：A为吸种角度。

同理得出种子间摩擦力F与种子重力G与离心力J的合力R的合力为：

式中：B为摩擦力F与R之间的夹角。

计算得出：

由式(3)、式(6)得出真空度Hc应满足的条件为：

在油菜播种实际工作中，排种器工作性能还受种子本身条件等因素影响，因此在计算真空度时还需考虑以下影响因素：吸种可靠性系数K1、工作稳定性可靠性系数K2和种子含水率影响系数K3，由此计算得：

要确定最小真空度Hc的临界值，即式（8）的右边要取最大值，则cosA＝1，cosB＝1，代入化简得：

则气室真空度Hc的最小取值为：

K1为吸种可靠性系数，K1＝1.8～2.0；K2为工作稳定性可靠性系数，K2＝1.6～2.0；K3为种子含水率影响系数，K3＝1.1～1.2。

要使种子能可靠地吸附在排种器吸种管上，排种器气室里的真空度必须大于真空度临界值Hcmin，在携种过程中，由于少了种子间摩擦阻力F的影响，携种过程所需要的真空度临界值小于充种区，因此满足充种时的气室真空度值即可满足携种时的气室真空度工作条件，取携种时的真空度值为充种时真空度值。

根据设计分析，选择200 mm作为排种盘直径试验研究参数，取1 mm孔径作为试验研究参数，油菜籽按每千粒4.2 g，种子直径按较大的2 mm计算[6]，取机具行进速度为2.6 km/h[18]，将相关参数代入式（10）得最小真空度为3.24 kPa，因此选择370 W真空泵作为试验对象。

2.2 投种过程种子分析

排种器投种过程采用气力推种，当排种器吸种管转到水平位置且种子和吸种孔都朝下时进行投种。投种时，种子自身初速度为随排种器旋转的线速度和机器前进速度的合速度，受到自身重力G、推种气流气力T和空气阻力F的作用，投种时油菜籽受力情况如图5所示。

图5 油菜籽投种受力情况

由图5看出，r为种子旋转半径，种子所受力的合力方向与rw方向都是垂直向下，在合力的作用下，种子下落的速度将快速增加，而种子在前进方向的水平速度与机器前进速度一致，将使种子在落种管中下落时与落种管的相对速度只有垂直方向的速度，因此不会与落种管发生碰撞，保证了投种精度。

3 排种器田间试验

3.1 试验条件

试验用种为秦油10号，作业行数为6行，设计播量为15～105万粒/hm2（按每千粒4.2 g[6]，计算得出播量为0.63～4.41 kg/hm2），取播量1.8 kg/hm2为试验数据，取行进速度为2.6 km/h[18]。试验田块为全喂入联合收割机收获后的晚稻田，砂性土壤，试验用地0.5 hm2；播种作业前先对田块进行耕翻，耕深12 cm以上，地表无残茬、杂草；地块平整、土壤松碎，含水率32%。

3.1.1 试验方法

试验田出苗后，各取8个试样点[5]，每个试样点以3 m为取样段，每段分3节，每1 m为一节，数出每一节的出苗株数。在油菜长到3片叶龄时，随机将边长为1 m的正方形框放到地面上，记录每单位面积框内的幼苗株数，然后换算成每公顷的出苗数。采样结果见表1。

表1 油菜田间出苗数

按照播量计算公式[21]：

播量误差按计算公式为：

式中，A为样段中平均出苗数（株），A＝36；B 为行距，B＝350 mm；N0为油菜籽千粒重（g）；δ为播种量误差（%）；L 为取样长度（m），L＝3 m；G 为实际出苗量（kg/hm2）；G0为设计播量（kg/hm2），G0＝1.8 kg/hm2。

将相关数据代入式（11）、式（12），计算出实际出苗量G＝1.44 kg/hm2，实际出苗量与设计播种量的误差δ＝20%。

3.1.2 播种均匀性变异系数

播种均匀性是指种子在行内纵向分布的均匀程度，是衡量作物田间分布质量的主要指标，试验时，往往测定单位长度上种子粒数，用各段种子数的变异系数来比较。根据表1中油菜田间出苗分布情况的试验数据即可计算出播种均匀性变异系数，公式如下：

式中，X为每段种子粒数（粒）；X为每段平均种子数（粒），X＝38；n为分段个数，n＝8； S为标准差（粒）；V 为播种均匀性变异系数（%）。

经计算得出，油菜田间播种均匀性变异系数为2.4%，说明所设计的油菜排种器满足精量播种要求。

3.2 结果分析

（1）从田间实际出苗数与设计播量看，田间实际出苗数与设计播量之间的误差为20%，分析原因可能是：排种器在排种过程中存在少量的种子破碎导致不能出苗，另外由于天气、种子纯度等非人为因素也会对种子的出苗率造成一定的影响。同时，一般油菜种子发芽率在85%左右，经过综合分析，与试验数据基本相符。

（2）经过计算，排种器播种均匀性变异系数为2.4%，说明排种器排种均匀性良好，达到了播种质量标准要求。

4 结论

所设计的油菜精量播种机结构简单、安装容易，机具经优化设计，无需对用户的轮拖进行任何改造，可以很容易地与轮拖进行连接安装，且工作稳定可靠。

采用气力式排种器，每个针孔上可只吸附1粒种子且吸种可靠，重播漏播率低，可以精确地实现每行、每亩精量播种，各行播量均匀，总体播量稳定，误差范围小，排种精度高，大大减少了后期间苗的工作量。

经试验，所设计的油菜排种器播种均匀性变异系数满足设计要求，说明该播种机播种均匀性好，达到了播种质量标准要求，如大面积推广可获得较显著的经济效益。

参考文献：

[1]张宇文，孟庆立，张文超，等.我国油菜播种机械的现状和问题[J].农业机械，2012（1）：107-109．

[2]张宇文，李秋孝，王西红，等.油菜精量播种技术研究[J].西北农业学报，2002，11（2）：93-96．

[3]Yazgi A，Degirmencioglu A.Optimisation of the seed spacing uniformity performance of a vacuum-type precision seeder using response surface methodology[J].Biosystems Engineering，2007，97（3）: 347-356.

[4]Gaikwad B B，Sirohi N P S.Design of a low-cost pneumatic seeder for nursery plug trays[J].Biosystems Engineering，2008，99（3）：322-329.

[5]吴明亮，官春云，汤楚宙，等.2BYF-6 型油菜免耕直播联合播种机田间试验研究[J].农业工程学报，2007，23（11）：172-175.

[6]田波平，廖庆喜，黄海东，等.2BFQ-6 型油菜精量联合直播机的设计[J].农业机械学报，2008，39（10）：211-213.

[7]廖庆喜，李继波，覃国良.气力式油菜精量排种器试验[J].农业机械学报，2009，40（8）：44-48.

[8]廖庆喜，黄吉星，刘光，等.油菜播种机槽孔轮式精量排种器设计与试验[J].农业机械学报，2011，42（2）：63-66.

[9]刘曙光，尚书旗，杨然兵，等.油菜育种播种机自动供种系统设计[J].农业机械学报，2011，42（7）：91-95.

[10]吴明亮，官春云，罗海峰，等.2BYD-6 型油菜浅耕直播施肥联合播种机设计与试验[J].农业工程学报，2010，26（11）：136-140.

[11]吴明亮，官春云，高晓燕，等.偏心轮型孔轮式排种器排种油菜极限转速试验[J].农业工程学报，2010，26（6）：119-123.

[12]赵湛，李耀明，陈进，等.气吸滚筒式排种器吸种过程的动力学分析[J].农业工程学报，2011，27（7）：112-116．

[13]廖庆喜，张宁，张朋玲，等.一器多行离心式油菜排种器[J].农业机械学报，2012，43（2）：48-51，95.

[14]廖庆喜，杨波，李旭，等.内充气吹式油菜精量排种器气室流场仿真与试验[J].农业机械学报，2012，43（4）：51-54.

[15]杨松，廖庆喜，陈立，等.2BFQ-6 型油菜精量联合直播机播种油菜的田间植株分布规律[J].农业工程学报，2011，27（11）：23-28.

[16]郭超永.联合气力式油菜籽精量排种器的研究[D].武汉：华中农业大学，2009.

[17]陈学庚，卢勇涛.气吸滚筒式棉花精量穴播器排种性能试验[J].农业机械学报，2010，41（8）：35-38.

[18]高晓燕.油菜变量播种系统试验研究[D].长沙：湖南农业大学，2011.

Design and Experiment of Pneumatic Precision Metering Device for Rapeseed

WU Xiao-wei1,WU Wen-juan2,ZHONG Zhi-tang1，Corresponding Author,SHI Zhi-zhong1,ZHAO Min1
（1.Agricultural Machinery Technology Extension Station of Jiangsu Province,Nanjing 210017,China; 2.Department of Automobile Engineering,Nanjing Communications Institute of Technology,Nanjing 211188,China）

Abstract:According to the requirements of agricultural and agronomic of rapeseed precision metering technology,this study proposed the design scheme of pneumatic precision metering device for rapeseed and analyzed the structure and working process of the metering device.Field experiment conditions as follows: take Qin You No.10 for the tested seed,seed germination about 85%,the design seeding rate is 0.63～4.41 kg/hm2,take 1.8 kg/hm2as test seeding number,the tractor speed is 2.6 km/h.After tested,the sowing uniformity variation coefficient between the actual number of rape sprout in field and design seeding rate is 2.4%,this result indicate that the seeder have a good uniformity,and meet the seed quality standards.

Key words:rapeseed; pneumatic; metering device; uniformity; performance test

通信作者：钟志堂（1964-），男，江苏南京人，研究员，硕士，主要从事农业机械化技术方向研究。E-mail：Zhongzhitang64@sina.com。

作者简介：吴小伟（1985-），男，江苏南京人，工程师，硕士，主要从事农业机械化技术及装备方向研究。E-mail：wxw0920@163.com。

基金项目：江苏省农机三项工程项目“油菜生产机械化技术集成推广”（NJ2013-34、NJ2014-27）；农业部2011年优势农产品重大技术推广项目“农机农艺结合示范与推广”（2130106）

收稿日期：2015-08-30

文章编号：1008-5394（2016）01-0028-06

中图分类号：S223.2

文献标识码：A