集排滚筒式排种器气力送种系统的设计与试验

姜有忠，李继霞，赵永满，胡斌，罗昕

(1.石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832003 ；2.克拉玛依职业技术学院机械工程系，新疆 克拉玛依 834000)

棉花是新疆的主要经济作物[1]，棉花生产过程中播种环节最为重要，随着农业科技水平的不断提高，近几年新疆开始研究无膜播种技术，已初见成效，这将促使集排式精量播种机械快速发展.

现代农业生产越来越强调作业效率的重要性，对播种机械的播种效率、播种质量、整机紧凑度等有了更高的要求[2].新疆现有的机械式和气力式棉花播种机主要以单排播种和重力投种为主，播种效率低、株距不均匀，严重影响播种质量.国外集排式播种机主要采取气吸式取种和气力式投种的方案，使整机结构复杂，能耗大，不灵活.国内华中农业大学团队针对油菜籽等小颗粒种子研制了一种中央集排气送式精量排种器[3].并对集排式排种器和气流送种方面进行了深入的理论研究，利用气流送种实现排种器远距离投种，同时也使仿形机构和排种机构分离开来，减小整机的振动，增强了排种器的稳定性.何有璋等[4-5]对排种器的气流送种进行了理论分析，对影响种子均匀性的因素如输种管的长度、材料、直径、弯曲度、输送气流速度等参数进行了试验研究.上述研究主要针对小粒径种子，而棉花等大颗粒种子株距均匀性不能有效解决.针对这一问题，本试验研究棉花集排式精量播种方法和气流送种特点，设计了一种集排滚筒式排种器气力送种系统，通过性能试验,进一步优化各个参数,完善功能部件结构,为集排滚筒式排种器气力送种系统设计与应用提供科学依据[6].

1 总体结构与工作原理

1.1 集排滚筒式播种机总体结构设计

集排滚筒式播种机结构如图1所示，主要包括机架、滚筒式排种器、气力送种系统、传动系统、开沟装置和镇压装置.滚筒式排种器由排种滚筒、护种罩、有序供种箱、滚筒轴、轴承座组成，轴承座安装在护种罩两侧，排种滚筒通过滚筒轴和轴承座安装在护种罩内，护种罩固定在机架上，种箱安装在排种滚筒上方.气送系统包括滑片式压缩风机、输气管、导种器、输种管等，输气管通过快速接头安装在风机和导种器上，输种管一端连接导种器出口另外一端固定在开沟装置上，镇压装置设计了镇压轮调节杆可有效调节镇压轮高低，滑片式风机动力由车辆输出轴连接减速器输入轴传递，排种装置的动力由地轮提供.

1：机架；2：风机 ；3.：有序供种箱；4：排种滚筒；5：送种装置；6：镇压装置；7：开沟器装置；8：地轮.1：Frame； 2：Fan ；3.：Ordered Seed Box； 4：Seeding roller；5：Seed delivery device；6：Suppression device；7：Opener device；8.：Earth wheel.图1 集排滚筒式播种机结构示意图Figure 1 Schematic diagram of the collection drum type seeder

1.2 气力送种系统工作原理

气力送种系统主要由滑片式压缩风机、导种装置、集排式排种滚筒组成.集排式排种滚筒充种完成后，滚筒携种转动至滚筒下方投种区时，滑片式风机形成的正压气流通过输气管通入导种器，种子在重力、气流形成的吸力、离心力的共同作用下掉入导种器中，同时正压气流将导种器中的种子通过输种管加速输送至开沟器中，完成投种过程，工作原理图如图2所示.

2 气力送种系统主要部件设计

气力送种系统主要由滑片式压缩风机、导种装置、输种管、快速接头等组成.该系统是完成投种的最后一步，系统性能的好坏直接影响播种株距均匀性.

1：种箱；2：供种机构；3：护种罩；4：排种滚筒；5：导种器；6：输种管；7：快速接头；8：输气管；9：滑片式压缩风机.1：Seed box； 2：Seed supply agency；3：Seed guard；4：Seeding roller；5：Seed guide；6：Seed tube；7：Quick Connector； 8：Air pipe；9：Sliding vane compressor.图2 排种系统工作原理示意图Figure 2 Schematic diagram of the seeding system

表1 设计参数Table 1 Design parameters

2.1 滑片式压缩风机的结构与选择

“一器多行”播种，气流输送管中气流的均匀性直接影响种子在沟槽中的均匀性，传统的气流分配是风机通过气流分配器将气流分配到各个输送管中，这对气流分配器的形状和结构要求较高[7].传统的气流分配器都不能使每个出口的气流达到均匀，从而使各行种子的株距均匀性差.本试验通过滑片式压缩风机的工作原理和特点，选择滑片式压缩风机作为供气源，对进出风口结构进行独立设计，使该结构的进气口和出气口都相互独立，使各输气管中的气流达到均匀，从而使送种管中的气流达到均匀.该结构如图3所示.综合考虑，选择合肥马泰压缩机有限责任公司生产的ERC1022型滑片式压缩风机.

2.2 导种装置的设计

导种装置是气力送种系统的关键部件，主要由快速接头、导种器、链接板组成.该播种机为“一器六行”作业，所以该导种机构设计有6个导种器，导种器根据排种器排出种子的运动轨迹进行设计，每个导种器侧边都设计有进气口并安装有快速接头，且下部为连接输种管的圆形孔，输气管与滑片式风机出口的快速接头和导种器进口的快速接头连接，导种装置与滚筒接触面设计为弧形面并四边安装橡胶条，使之与滚筒密封接触，导种装置结构如图4所示.

1：端盖；2：壳体；3：带轮 ；4.：进气口；5：滑片；6：转子；7：定子；8：出气口.1：End cap；2：Case；3：Pulley ；4.：Air inlet；5：Slide；6：Rotor；7：Stator；8：Air outlet.图3 滑片式压缩风机结构示意图Figure 3 Schematic diagram of the vane air compressor

1：连接板 ；2：导种器；3：快速接头.1：Connecting plate ；2：Seed guide； 3：Quick Connector.图4 导种装置结构示意图Figure 4 Schematic diagram of the introduction device

导种器结构如图5所示，导种器的作用是将排种器排出的种子顺利导入输种管中，导种器进气口与水平夹角、出口直径和结构对种子的运动都有很大影响.试验初步设计了3种不同进气角度的导种器，3种进气口与水平夹角分别为30°、45°、60°，出口设计为20 mm，对3种结构的导种器进行试验，选出最佳进气角度.

图5 导种器结构示意图Figure 5 Schematic diagram of the classifier

2.3 输种管的设计

在播种过程中种子输送是导致田间植株分布不均匀和行间不一致性的主要原因[8-9]，由于输种管的长度、材料、弯曲角度等因素的影响，种子在气流的作用下，在输种管中处于滑动、翻转、滚动等运动状态，影响了种子在种沟内的着地跳动，与原有落种点发生了一定的偏移，从而产生株距不均匀的情况，因此在送种系统设计中,输种管的设计显得尤为重要.

2.3.1 输种管材料和管径的确定 由于送种过程中种子在正压气流的作用下直接送入种沟内，为使种子顺利送出，输种管内表面尽量光滑，具有一定的弹性、耐腐蚀性、易更换和调整.所以本设计选取尼龙管作为输种管材料(尼龙管的力学性能和化学性能都相对稳定且柔韧性好，弯曲灵活，内表面也相对光滑，经济).本设计中输种管选取圆形管，经过前期的预试验和对导种器结构流场仿真确定输种管直径范围为15～30 cm，选取输种管内径D1为16、20、24 mm 3个值进行试验研究，取最佳值.

2.3.2 输种管长度和弯曲角度的确定 由于该播种机为“一器六行”集中排种作业，每一行种子都是从导种器出口输送到各行开沟器中，整机宽幅较大，每行的输种管长度不同，开沟器越靠近排种滚筒中心的输种管越短，所以各行输种管长度依据导种器出口与地面的高度及开沟器的相对位置而定.考虑到整机结构和输种管的长度，输种管在导种器出口到开沟器安装过程中会产生一定的弯曲度，不合适的弯曲度会增加种子在输种管中的不确定性，本试验弯曲角度θ初步设计为140°，后期选取θ为100°、120°、140° 3个值进行试验，得出最佳弯曲角度.

本输种管有两处弯曲，弯曲角度θ均设计为140°，输种管长度是由弯曲部分和直管部分构成，计算最短输种管长度，则导种器出口到地面的高度设计为665 mm，导种器到对应开沟器的水平距离为600 mm，两弯曲圆弧的曲率半径为280 mm，3段直管长度约为550 mm，两段弯管弧长约为720 mm，对应最短输种管长度为1 170 mm(取整1 200 mm)，行距为65 mm，相应地计算出各行输种管长度，可算出最长输种管为2 360 mm(2 400 mm).

图6 输种管弯曲角度示意图Figure 6 Schematic diagram of the bending angle of the seed tube

2.4 气力送种过程分析

2.4.1 气力输送投种的特点 气力输送是利用正压气流将密闭管道中的物料输送到一定位置的一种技术，属于稀相气力输送[10-11].气力输送投种的主要作用是将排种器均匀排出的种子利用正压气流快速和均匀地输送至种沟中)，是精量播种的最后环节；输送过程的要求是不能破坏排种器已经形成的均匀种子间隔.相比重力送种(重力送种是种子在自身重力的作用下自由在管道中下落至种沟中，该种方式由于每个种子的质量不同下落的时间就不同，所以不能保证株距的均匀性.气力输送投种具有输送方向灵活、输送速度快、输送距离远、对种子外形要求低的特点[12-13].

2.4.2 种子在输送管中的动力学分析 假设输种管倾斜角为θ，种子在输送过程中在倾斜管中受到重力、正压气流对种子的作用力、阻力，压差力向下运动，随着运动速度的加快，种子在管中的受力趋于平衡，以匀速下降，对种子的受力和运动进行分析，如图7所示为种子在输种管中受力图.

图7 种子受力图Figure 7 Seed stress map

当种子趋于平衡运动满足方程：

(1)

式中：G：种子在输种管中所受重力，N；Fr：正压气流对种子的作用力，N；Ff：种子在管中所受阻力，N；F1：种子在管中所受压差力，N；θ：输种管倾斜角，(°)；a1：种子在输种管的运动加速度；

根据气固两相流理论，可得种子受到气流的作用力Fr为：

(2)

由于种子重度γr相比空气重度γk角度，这里空气重度可忽略，则：

(3)

种子的运动微分方程为：

(4)

将式(2)和(3)带入(4)中得：

(5)

由悬浮速度的定义可得：

(6)

式中：γw：物料重度，N/m3；γk：输送过程中空气重度，N/m3；vF：种子在输种管中的悬浮速度；vR相对运动速度，m/s；vs：气流平均速度，m/s；C：流体对球体的粘性摩擦阻力系数；

将式(6)带入(5)得到种子在管中运动的微分方程为：

(7)

3 气力送种系统性能试验

3.1 试验目的

以研究气流送种系统对株距均匀性的影响为目的，建立影响均匀性因素与评价指标的数学模型，研究分析了进气口倾角、正压力大小、输种管直径、输种管弯曲角度、输种管长度对株距均匀性的影响，确定各影响因素的主次关系和最优工作参数组合，为气力送种系统的设计提供参考.

3.2 试验台及试验材料

试验选用新疆广泛种植的新陆早60号棉花品种，水分小于5%，含杂率小于0.15%.测得棉种的几何尺寸和物理机械特性如表2和表3所示.

表2 棉种几何尺寸Table 2 Cotton Species mm

表3 棉种物理机械特性Table 3 Physical and mechanical properties of cotton seeds

本试验在集排滚筒式排种器试验台基础上安装气力送种装置搭建气力送种系统试验台，研究各影响因素与株距均匀性之间的关系，试验过程中通过更换导种装置和输种管来改变进气角度和输种管直径，通过控制风机转速改变正压力.试验在石河子大学农业机械重点实验室进行，试验台如图7所示.

3.3 试验方法及结果分析

3.3.1 试验指标 依据农业行业标准《播种机质量评价技术规范》，用合格株距变异系数来评价播种株距均匀性，因此选取合格株距变异系数作为评价指标[14]，其评价指标标准如表4所示，变异系数计算公式如下：

表4 变异指标标准Table 4 Variation indicator standards

(8)

(9)

(10)

图8 气力送种系统试验台Figure 8 Air delivery system test bench

3.3.2 试验数据统计 本试验利用高速摄像对试验结果进行分析，排种器工作时，利用高速摄像机将输送带上的种子记录下来并进行保存，然后在计算机上通过Phantom软件进行回放处理，捕捉输送带上的棉花种子，得出相邻种子之间的距离，在同一水平中随机统计3组数据，每组数据分析200个相邻种子之间的间距，然后通过评价指标变异系数的计算方法得到合格株距变异系数.

3.3.3 试验设计与分析 通过分析气力送种系统结构，预试验结果及仿真结果发现，影响株距均匀性的主要因素为进气口角度(进气角度)、正压力、输种管直径(管径)、输种管弯曲角度(弯曲角度)、输种管长度.设计四因素三水平的正交表L9(34)进行试验(由于播种机各输种管长度不同，所以只进行单因素试验不再进行组合试验)[15]，因素水平如表5所示，试验方案及结果见表6，试验结果分析见表7.

表5 因素水平编码表Table 5 Factor level code table

表6 试验方案及结果Table 6 Test plan and results

由表6可知，当进气角度为45°，工作正压力为1.6 kPa，输种管直径为20 mm，输种管弯曲角度为140°时，株距变异系数最小，即株距均匀性最佳，满足棉花机械化播种要求.

由表7可知，通过极差分析得出影响株距均匀性的主次因素为：进气口角度>工作正压力>输种管弯曲角度>输种管直径，最优方案为A2B2D3C2,由此看出进气口角度和工作正压力对株距均匀性影响较大.对于进气角度和工作正压力，KA2

表7 试验结果分析Table 7 Analysis of test results

4 结论

1) 根据集排式精量播种要求和气力送种的特点，设计一种集排滚筒式排种器气力送种系统，确定了主要部件的结构参数.

2) 通过理论分析气力送种系统送种过程，建立了棉花种子的动力学模型，确定了株距均匀性与进气口角度、正压力、输种管直径、输种管弯曲角度、输种管长度等因素有关.

3) 选取四因素三水平正交组合试验，通过极差分析得出影响株距均匀性的主次因素为：进气口角度>工作正压力>输种管弯曲角度>输种管直径，最优参数组合为进气角度45°，工作正压力1.6 kPa，输种管直径20 mm，输种管弯曲角度为140°.其株距变异系数达到最低，为16.58，满足棉花精量投种的要求.