双仓立式棉种齿盘穴播器设计与试验*

陈勇，张学军, 2，靳伟，张海涛，史增录, 2，于永良

(1. 新疆农业大学机电工程学院，乌鲁木齐市，830052； 2. 新疆农业工程装备创新设计实验室重点实验室，乌鲁木齐市，830052；3. 新疆天诚农机具制造有限公司，新疆铁门关，843300)

0 引言

棉花锦葵科棉属植物[1]，应用范围广，棉花是纺织工业基础原料，棉种可榨油[2]，棉秆是果木炭生产原料[3]，具有很高经济效益。新疆作为我国最大的陆地棉生产基地[4]，其种植面积占全国种植面积77.3%[5-6]，占新疆耕地面积60%以上[7]，因此确保棉花及时播种是保证农民收入的关键环节。但是，目前穴播器普遍存在结构复杂，维修不便的问题，一定程度上影响春季播种。

目前，穴播器有气力式和机械式两种[8]，气力式对种子尺寸要求低，作业速度快[9-10]，但需要配备风机提供动力且对机具密封性要求高[11-12]，应用范围较小。机械式穴播器结构相对简单、操作方便[8, 13]在新疆广泛使用，但存在取种结构复杂，不易维修的问题。

为进一步提高机械式穴播器性能，简化机械结构。王吉奎等[14]设计了一种加持式棉花穴播器，其采用夹持原理，利用自重块提供的杠杆力夹取棉种，单粒率可达94.2%。陈勇等[15]设计了一种交错式穴播器,采用窝眼轮式总成取种，一次取两粒种子，通过分流装置进入不同鸭嘴，单粒率可达93.6%。李娟娟等[16]利用EDEM仿真软件探究窝眼轮振动频率对充种效果影响，确定了最优振动频率，提高了取种合格率，但取种结构依旧复杂。

针对以上问题，本文设计了一种结构简单维修方便的双仓立式棉种齿盘穴播器。穴播器由六大部件组成，通过部件相互配合分为储种仓、输种仓两大仓室。结构上双仓通过取种齿盘完成双仓分离，流程上通过取种齿盘衔接完成排种流程。

该穴播器通过结构创新，利用仓室传递取代复杂的机械传输，利用取种盘取缔机械取种机构，从工作原理上简化了穴播器结构。

为保证取种效果，本文着重对取种齿盘进行结构设计，并依据设计参数试制样机，开展田间验证试验，以期为棉花精量穴播器的设计提供参考。

1 双仓立式棉种齿盘穴播器结构与工作原理

1.1 穴播器结构

双仓立式棉种齿盘穴播器如图1所示，主要由转动盘、取种齿盘、隔种套总成、压盘、隔种圈、定盘端盖等组成。组装时转动盘与隔种套总成配合形成输种仓，输种仓与对应取种孔同步转动，取种齿盘、隔种圈、定盘端盖组成储种仓。

图1 穴播器结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of the hole planter structure1.定盘端盖 2.隔种圈 3.压盘 4.隔种套总成 5.取种齿盘 6.转动盘

1.2 穴播器工作原理

穴播器工作原理如图2所示，工作时，穴播器随机具滚动，鸭嘴固定于隔种套总成上，随着穴播器前进，鸭嘴在种床上开出固定间距种穴。取种齿盘跟随穴播器转动，通过导种槽带动孔口附近种层流动，当取种孔进入种群后，棉种沿导种槽下滑，孔口棉种在种间作用力和重力共同作用下进入取种孔，未进入孔口棉种因重力掉回种群，随着取种盘转动，未完全进入取种孔棉种被清种装置刷落。取种孔为半开放圆柱孔，随着取种盘转动取种孔内棉种在重力作用下不断转动，改变方向，当取种孔进入一次投种区后，孔内棉种沿倾斜内壁滑落，通过隔种盘缺口进入对应输种仓。取种孔转出一次投种区后，隔种圈再次堵上缺口，棉种随输种仓旋转至投种区，在重力作用下，沿间隔套内壁滑入鸭嘴，待鸭嘴打开后进入种穴，完成排种。

图2 穴播器工作原理图Fig. 2 Working principle diagram of the hole planter

2 穴播器结构参数确定

2.1 穴播器半径和鸭嘴数确定

穴播器直径D是一个重要参数，其影响播种时穴播器转速。当机具前进速度一定时，穴播器直径越大，转速越小，取种齿盘取种、清种时间越长，效果越好。但穴播器直径过大，导致穴播器总质量变大，造成播种深度过大。穴播器直径还受株距S与播深h影响，其作用关系式如式(1)所示。

s=π(D+2h)/t

(1)

式中：h——播深指定鸭嘴超出转动盘尺寸，mm；

t——鸭嘴数目，个。

根据实际测量现有播种器播深为2.5 cm、株距9 cm、转动盘直径取40 cm，代入式(1)可得鸭嘴数。

t=3.14(400+50)÷90=15.7

取整后鸭嘴数为16，将t反代后可得穴播器直径，如式(2)所示。

(2)

根据棉花10+66种植模式，理论收获株数要求[17]，穴播器直径取410 mm，鸭嘴数取16。此时穴播器理论株距为80 mm，2.05 m宽膜6行种植的行间距为0.34 m，求得理论株数为20.6万株，大于收获株数18万株，因此设计满足要求。

2.2 取种齿盘直径设计

取种齿盘(图3)直径是穴播器关键参数[18]，当穴播器直径和鸭嘴数一定时，取种盘直径过小，无法排布所有取种孔。取种齿盘直径过大，造成输种仓体积变小，宽度变大，影响穴播器及时投种。依据现有立式取种盘直径，取种齿盘直径取230 mm，取种孔中心直径d1为220 mm。

取种盘转速与取种孔数关系如式(3)所示。

(3)

式中：v——机具前进速度，km/h；

z——株距，80 mm；

n——取种盘转速，r/min；

m——取种窝孔数，与鸭嘴数一致取16。

由式(3)可知，在机具行进速度和株距相同的条件下，取种盘转速和取种孔数成正比。取种孔数量越少，排种盘转速低，取种效果好，但作业效率低。取种盘直径一定时，取种孔数过多，相邻取种孔间距小，相互干涉大。因此，为保证取种效果，合理选择取种孔数尤为重要。

查阅资料可知，播种时作业速度为2.5～3.0 km/h，本文株距取80 mm，取种孔数为16，因此转速n=32.36～38.8 r/min。

输种仓由相邻间隔套配合组成，整体呈等腰梯形。设等腰梯形上边长为l0，相邻取种孔对应弧长设为l，上边l0必须要大于取种孔中心弧长设为l，才能保证取种窝孔与输种仓一一对应。取种孔中心弧长l计算如式(4)所示。

(4)

将m=16、d=220，代入式(5)可得l=43<80。因此，取种孔数选定合理，且与鸭嘴数量吻合。

图3 取种盘示意图

Fig. 3 Schematic diagram of seed picking disc

2.3 取种孔尺寸

取种孔尺寸(图4)是精量取种的关键，其尺寸取决于取种粒数、种子尺寸、取种方式等[19]。本次设计采用半开放圆柱孔，取种数为一粒，取种孔的结构参数以棉种平均尺寸作为设计依据。试验棉种选用新疆地区广泛种植早熟品种“新陆早66号”，称重得其千粒重为96 g，随机抽取1 000粒测量尺寸，并取平均数作为基础值，记棉种平均长度为c0，平均宽度为b0，平均厚度为h0，根据棉种尺寸，取种孔尺寸要求如式(5)所示。

(5)

式中：C——取种孔长度，mm；

B——取种孔宽度，mm；

H——取种孔高度，mm；

Δc——孔长间隙，mm；

Δb——孔宽间隙，mm；

Δh——孔深间隙，mm。

由式(5)可知，取种孔宽度B是在棉种厚度h0基础上添加孔宽间隙Δb，但取种孔宽度不能小于试验用种平均宽度，以避免宽度方向过小，无法取种。对于取种孔高度，只要确保棉种质心完全进入取种孔，在清种区不被刷出即可。因此，取种孔深度设计为质心高度，即三分之一棉种长度。

根据测量棉种三轴平均尺寸为9.03 mm×4.85 mm×4.32 mm，取种孔长度C取9.1 mm，孔宽B取4.9 mm，孔高H取3.6 mm。

图4 取种孔结构图Fig. 4 Seed hole structure diagram

2.4 取种孔安置角确定

取种孔沿取种盘圆周均匀排布，取种孔安置角度发生变化时，会对取种盘充种区和清种区产生影响。将取种孔中心线与圆盘切线平行时视为0°，取种孔中心线偏向取种盘外侧时视为安置角β，如图5所示。

图5 取种孔安置角示意图Fig. 5 Schematic diagram of the placement angle of the seed hole

取种孔角度为0°时，充种起始角降低，但因为取种盘曲率，存在一定取种死角，有效取种角度不大。取种孔安置角β存在时，充种起始角增大，棉种在种间作用力作用下进入取种孔。但安置角过大造成充种区和清种区边界模糊，不易清种。具体窝孔安置角度通过对孔口棉种进行受力分析得出，如图6所示。

(6)

式中：N——取种孔对棉种支持力，N；

ω——取种盘角速度，rad/s；

r——取种孔中心半径，mm；

β——取种孔安置角度，(°)；

f——取种孔与棉种摩擦因数。

由式(6)可知，取种孔安置角度与取种盘转速、取种齿盘半径以及棉种在尼龙塑料上摩擦因数有关，综合考虑实际转速、函数值大小等因素，本文取种安置角取32°。

图6 取种孔棉种受力分析图Fig. 6 Force analysis diagram of the cotton seed with the seed hole

2.5 孔内倾角确定

穴播器采用双仓设计，储种仓和输种仓通过取种齿盘隔开，取种孔倾角(图7)为取种孔接近输种仓一侧倾斜角，倾斜角大小由θ表示。

图7 排种倾角结构示意图Fig. 7 Schematic diagram of the seed metering inclination angle structure1.隔种圈 2.取种齿盘 3.取种孔

当取种孔随穴播器转动时，孔内棉种在重力作用下不断滑动，取种孔进入一次投种区后，重力方向与取种孔倾角方向一致，棉种因重力滑落，进入输种仓，为避免隔种圈磕种，种子应快速滑落，所以取种孔倾角因大于种子滑动摩擦角。经检测，棉种在尼龙塑料上滑动摩擦角为32°～35°之间，本文排种孔倾角取45°。

3 试验与分析

3.1 试验设备

试验品种为“新陆早66号”，成熟期为126天，平均株高为700 mm，种植密度要求为270万株/hm2。田间试验设备有：东方红400、双仓立式齿盘穴播排种器样机、铁勺、转速测量仪、皮尺、扳手、试验记录表等。

3.2 试验指标

按照国家标准GB/T6973―2005规定[19]，将穴籽粒数大于1的记为重播p2，穴粒数小于1的记为空穴p3，单粒棉种视为合格，记为p1，计算公式如式(7)～式(9)所示。

(7)

(8)

(9)

式中：P——统计穴总数；

S1——合格率；

S2——重播率；

S3——空穴率。

3.3 试验验证

试验地选在新疆农二师铁门关市，试验用地为普通条田，长500 m，宽60 m，试验开始前将试验地平整完毕。行进速度控制在3 km/h，转换为穴播器转速约为38 r/min，取种孔安置角取32°，孔内倾角为45°。试验方法为多次重复试验，在机具行进平稳后随机选取连续的260穴作为一个样本组，对穴内棉种数进行统计，分别记录一组内合格数、重播穴数、空穴数数，样本组共采集5组，取平均值作为试验值。

图8 试验现场Fig. 8 Testing site

双仓立式棉种齿盘穴播排种器进行了田间重复验证试验，对试验数据进行了统计，结果如表1所示，双仓立式棉种齿盘穴播器在试验中平均播种合格率为94.5%、重播率为3.57%、空穴率为1.884%。

表1 试验结果Tab. 1 Test results

4 结论

1) 本文针对现有棉花穴播器结构复杂，维修不便等问题，设计一种双仓立式棉种齿盘穴播器。首先通过理论计算确定穴播器结构参数，其次对其关键部件取种盘进行结构设计，最后根据双仓同步条件判断结构参数的合理性，确定了取种盘直径为230 mm、取种孔数为16、穴播器直径为410 mm。

2) 根据单粒取种要求，结合试验棉种三轴平均尺寸，确定了取种孔尺寸为9.1 mm×4.9 mm×3.6 mm。通过对孔口棉种受力分析，确定了取种孔安置角度为32°。

3) 为检验双仓立式棉种齿盘穴播器作业性能，在新疆农二师铁门关市开展了田间重复验证试验，试验按照单粒(精密)播种机试验方法，以合格率、重播率、空穴率为检验指标考核穴播器作业性能，田间试验重复5组，每组统计260穴，取5组平均值作为试验值，结果表明，合格率为94.5%，重播率为3.57%、空穴率为1.884%，作业性能满足国家标准。