前后双腔式高速精量穴播器的设计与试验

李海潮，罗 昕，嫣博冉，陈 永，姜有忠，岳飞龙

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引言

棉花的种植由来已久，已成为我国的主要经济作物之一。新疆棉花种植面积、总产和单产连续15年位居全国第一位，已成为我国最大和最具潜力的棉花生产基地[1]。20世纪 70年代伊始，中国逐步开展了排种器的研究工作，所研制的排种器主要分为气吸式穴播器和机械式穴播器两种[2-3]。气吸式排种器取种精度高，但结构复杂。其中，机械式穴播器对加工精度和加工成本的要求均较低，结构简单，配套性好，适合我国的实际情况[4-5]；但是，在目前常用的机械式穴播器中依然存在着穴播器转速提高时播种精度大幅降低(单粒率降低)的情况，无法达到高速状态下精量播种的要求。

针对以上问题，笔者设计了一种全新的前后双腔穴播器，该穴播器利用两次充种和种子有序排列的方法，在穴播器转速增大时依然保持较高的单粒率。台架试验表明：改进后的穴播器在高速状态下依然能够保持较高的单粒率，且排种均匀，种子破损少，能够有效地节约成本、提高工作效率。

1 结构组成与工作过程

1.1 结构组成

前后双腔穴播器结构如图1所示。

1.动盘 2.腰带总成 3.定盘 4.主轴 5.前后双腔取种器图1 前后双腔穴播器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the two tandem cavities dibbler

前后双腔取种器通过螺钉紧固在环形腰带内侧，环形腰带外侧均匀地分布着鸭嘴成穴器和鸭嘴拨片。当穴播器整体转动时，动盘和环形腰带一起转动，取种器在一个转动周期内完成精量播种。

1.2 穴播器工作过程

穴播器的工作过程如图2所示。

在工作过程中，穴播器的动盘带动环形腰带一起转动，种子群由于重力作用聚集在穴播器的下部；当取种器穿过种子群时，种子便开始在前腔第一次充种；随着穴播器的转动，由于重力作用和前腔V型槽的限制作用，多余的种子会掉落到种群中，进行清种，然后V型槽中剩余的种子开始进行有序排队；随着穴播器的继续转动，排成一列的种子在重力作用下从V型槽中向后腔移动，进行二次精量充种。V型槽与后腔之间通过圆孔相通，种子由圆孔进入到后腔之中，由于后腔是上窄下宽的梯形结构，因此初始时只能允许一粒种子进入到后腔中；当取种器转动到投种点时，进入到后腔中的一粒种子就会翻滚掉落至鸭嘴成穴器中等待排出，其余没有进入到后腔中的种子便会掉落在种子群中。

图2 前后双腔穴播器的工作过程图Fig.2 Working process diagram of the two tandem cavities dibbler

2 前后双腔取种器的设计

前后双腔取种器是保证穴播器精量播种的重要零部件。取种器前腔结构如图3所示。前腔与V型槽相连部分尺寸为l2，前腔体高度为h1，前腔底部宽度为d1。为了提高取种器取种性能，同时必须保证第一次充种数量足够多，不会因为穴播器转速高而产生空穴等问题，尺寸参数分别为

La≤l2≤1.3La

La≤d1≤1.3La

1.5La≤h1≤2La

式中La—种子长度的平均值。

如图3所示，在清种阶段要求多余的棉种从取种器中掉落，只留下大约3粒种子，为二次充种做准备。所以，V型槽的尺寸范围为

3.2La≤l1≤3.5La

1.1Da≤h2≤1.3Da

1.1Da≤d2≤1.6Da

式中Da—种子宽度的平均值。

1.取种器前腔 2.取种器后腔 3.投种孔 4.V型槽图3 前后双腔取种器结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the two tandem cavities seed-taking device

3 工作过程分析

3.1 第一次充种

3.2 有序排列

当种子在V型槽中排成一列后分析种子的受力和运动情况，如图4所示。

图4 种子在V型槽中受力图Fig.4 Forces acted on seeds in V groove

种子在取种器中由于向心力的作用紧贴V型槽底部，种子在有序排列阶段沿V型槽移动，能够克服摩擦阻力移动的条件为

mg·sinα>Ff

其中，β为V型槽夹角，β=75°；μ为棉种与V型槽的摩擦因数，μ=0.2；φ为棉种摩擦角，φ=30°。化简公式得

3.3 二次充种

对种子第二次充种建立模型，并进行受力分析，如图5所示。由图5得

Fx=G·cosα-Fn1-Fn2·sinβ

Fy=G·sinα+F1-Ff-Fn2·cosβ=0

F1=2·G·cosα-2·Ff

Fx=m·r·ω2

ω=2·π·n

其中，Fn1为种子受到V型槽边缘的支持力;Fn2为种子在后腔的支持力；F1为种子间作用力；Ff为摩擦力；ω为腰带总成角速度；n为腰带总成转速；r为取种器到中心距离。

图5 种子二次充种受力分析Fig.5 Forces analysis of seeds in second seed-filling

4 试验研究

4.1 试验材料与设备

试验用棉种选用中棉297-5号，试验用的种子均经过脱绒和人工精选，种子无破碎，其含杂率小于0.1%，种子均干燥，含水率为5.6%。棉种的尺寸(长度×宽度×厚度)为9.7mm×5.04mm×4.38mm，千粒质量为100g，自然休止角为35.28，滑动摩擦角为28.4。

试验用穴播器的动盘与定盘采用标准制件，去除鸭嘴成穴器的腰带总成部分采用3D打印加工制造。前后双腔取种器根据试验要求利用3D打印加工制造，固定在腰带总成内侧。将组装完成的穴播器安装在JPS-12排种器试验台上进行试验，如图6所示。

图6 排种器性能试验台架Fig.6 Test platform of seed metering device on performance

4.2 试验方法与结果

根据国家标准《单粒 (精密) 播种机试验方法( GB /T6973 - 2005)》规定，排种器单粒率作为精量播种性能指标，进行L9(34)正交试验，正交试验因素水平如表1所示。

表1 正交试验因素水平Table 1 Factor levels of orthogonal experiment mm

通过试验台改变穴播器的旋转速度，将速度稳定在58r/min(6.9km/h)进行试验，测试150穴作为样本数据，如此重复5次，计算出不同编号试验的单粒率。正交试验结果以及极差分析如表2所示。

表2 正交试验方案与结果Table 2 Factor levels of orthogonal experiment

4.3 试验分析

由试验结果和极差分析可知：在高速状态下，穴播器的单粒率能够达到93%以上，符合国家规定；前腔宽度d1、V型槽宽度d2和后腔长度l3对穴播器高速状态下的播种精度影响依次减弱；播种过程中要求单粒率越高越好，因此使得穴播器达到高速状态下单粒率最高的组合为A3B2C3。

采用A3B2C3的参数组合，将穴播器转速提高到60r/min(7.1km/h)进行验证试验，试验取100穴作为样本数据，重复3次，取平均值。试验结果显示：单粒率为94.1%，重播率为2.2%，漏播率为3.7%，完全能够满足新疆地区棉花高速精量播种的要求。

4 结论

1)前后双腔取种器尺寸参数的合理对穴播器能够在高速状态下进行精量播种具有重要影响。本文对前后双腔取种器的尺寸进行了设计，并对其工作原理进行了分析，试验表明，前后双腔穴播器能够满足高速播种的要求。

2)通过台架排种正交试验确定了前后双腔取种器的最优尺寸参数，对穴播器进行高速状态下60r/min(7.1km/h)试验验证。结果显示，其单粒合格率能保持在94%以上，完全能够满足棉花高速精量播种的要求。