一器双排交错排种器及开沟装置的设计及其机制

王 珏， 杨 欣， 侯为康， 王建合， 何建华， 张 亮

(1.河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001； 2.河北省农机化技术推广服务总站，河北石家庄 051001)

通信作者：杨 欣，博士，教授，主要从事农业机械设计研究。E-mail：yangxin@hebau.edu.cn。

棉花是我国主要的经济作物之一，是纺织工业的主要原料，也是人们的生活必需品，棉花生产在农业生产中占有重要地位[1]。河北省地处我国黄河流域优势棉产区北界，棉花种植面积占全国的10%，具有十分重要的地位[2]。但近几年，河北省棉花种植面积呈逐年下降趋势。造成棉花种植面积减少的重要原因之一是棉花种植、管理和收获等主要靠人工作业，该模式机械化程度低、劳动强度极大[3-4]。在国家棉花产业技术体系推动下，我国新疆地区棉花种植机械化水平得到大幅提升。2014年新疆地方系统棉花机播水平达99.31%，新疆生产建设兵团棉花机播达到100%[5]。据目前国内几种主要使用的采棉机机型收获作业技术要求，棉花种植行距必须是76 cm等行距种植模式，为了增加单位面积的株数和产量，新疆多采用(66+10)cm的种植模式。

为了使棉花实现机械化采收，河北省棉花产业技术体系借鉴新疆的种植模式，并结合河北省当地条件推行的(68+8)cm宽窄行种植模式，同时进行错位种植使棉株呈规律性的等腰三角形排列[6]。

为了满足新种植模式棉花的播种要求，设计一种一器双排交错排种器及开沟装置。排种器的充排种能力、排种精度和排种效率等是衡量其设计和工作质量的重要指标[7-8]，基于这些指标进行理论分析，确定关键参数；并对棉花双排交错精量排种器进行排种机制的解析，构建排种器主要工作过程的充种、清种、护种、投种的运动学与动力学模型；最后进行田间试验，验证其性能指标。

1 结构及工作原理

1.1 主要结构理论基础

根据机采棉种子的特性和棉花播种单体的技术要求，设计棉花一器双排交错排种器及开沟装置[9]。该装置由开沟器、箱体、排种轮、排种轴、毛刷轮、毛刷轴、护种板、清种板、清种合页装置、密封装置组成(图1)。

在箱体的空腔内通过排种轴错位15°配装左排种轮和右排种轮；左排种轮和右排种轮上分别均匀分布12个能存放2～3 粒棉花种子的窝眼，并且2排窝眼之间的距离是8 cm。在箱体侧上方使用毛刷轴对称配装左右毛刷轮；左右护种板对称配装在箱体侧壁上，左右护种板上端与左右毛刷轮紧贴，下方与左右排种轮相切；右清种板和左清种板放置在左右护种板的下端，通过双头螺栓对称固定在箱体上，弧形端相切于排种轮的清种槽内，清理从护种板回转下来的种子。开沟器配装在箱体下端，其前连接板通过U型螺栓与机架前横梁连接，牵引播种单体前进作业，为排种器开沟。合页装置安装在箱体后下方，在播种完成后，可打开合页，清理箱体里剩余的种子。

1.2 工作原理

机具作业时，开沟器提前开沟，左右排种轮随着排种轴在外力的作用下作圆周回转运动。由于自身的重力，棉籽分别进入左右排种轴窝眼内，且随排种轮作圆周运动。左右毛刷轮可以清理掉多余的棉籽，只保留下窝眼内的2～3粒种子。紧接着左右护种板保护棉籽回转到水平及以下位置(此时不会由于自身的重力和惯性提前掉落)，当棉籽到达左右清种板区域时，左右清种板清理掉窝眼内的棉籽，棉籽掉落在种槽内，完成1次播种周期。由于错位15°配装左排种轮和右排种轮，并且2排窝眼之间的距离是8 cm，最终实现双行错位播种。

2 一器双排交错排种器及开沟装置结构参数

2.1 排种器基本结构参数

2.1.1 排种轮型孔形状 排种轮型孔尺寸受不同作物、不同种子和不同播种精度的影响，种子的物理特征、参数直接影响型孔的大小和形状。本研究选取新陆早32号棉籽进行研究，脱绒棉棉籽的外形接近椭球体，但棉籽两端差异很大，其中一端呈锥形，另一端呈半圆球状，而且脱绒棉棉籽籽皮有部分凹陷和凸起。根据棉籽的粒型特点将棉籽的粒型基本界定在圆锥形和椭圆形之间。

本研究选取的有助于充种和减轻清种板对种子的损伤的半球形形状的型孔带有倒角，根据技术要求，每个型孔须要容纳(2±1)粒种子，设计计算时，按2粒分析计算，型孔的直径d和高度h要满足：

(1)

式中：d为型孔直径，mm；h为型孔深度，mm；lmax为棉花籽最大尺寸，mm；lmin为棉花籽最小尺寸，mm；K为间隙，mm。

根据经验，化简得：

d≈1.1lmax～1.3lmax；

(2)

h≈0.9lmax～1.1lmax。

(3)

取lmax≈9 mm，代入公式(2)与公式(3)中，得d≈9.9～11.7 mm，h≈8.1～9.9 mm，实际设计中取d=10.0 mm，倒角为45°；h=8.5 mm。

2.1.2 排种轮直径 排种轮直径的设计也尤为重要，设计得较大会导致排种器及其他部件增大；设计得太小会导致充种困难。因此，排种轮直径设计时，既要满足种子良好的填充性能，又要保证相对合理的部件结构，窝眼式排种轮直径一般为80～200 mm[10]，本研究选择直径为130 mm的排种轮。

2.1.3 型孔数 型孔数量与排种轮线速度vp，机具作业速度vm，排种轮直径D等有以下关系：

E=πD(1+δ)vm/(vpL)。

(4)

式中：E为型孔数；D为排种轮直径；δ为地轮滑移率；vm为机具作业速度；vp为排种轮线速度；L为穴距或株距。

由“3.1”节可知，排种轮线速度不能大于0.161 7 m/s，取vp=0.1 m/s，设计中取播种机前进作业速度vm=3.0 km/h，穴距L=28.0 mm，地轮滑移率δ=10%，得型孔数E=12。

2.2 开沟器基本结构参数

开沟器的结构简图如图2所示，为了增加开沟器的耐磨性，使用3 mm厚的65锰钢板制造。图2中α为入土角，其值较小时，入土能力强，工作阻力小，但会导致铧尖过长，强度和耐磨性差，同时沟槽深度也不够；其值较大时，强度和沟槽深度能达到要求，但是入土能力不足，前进阻力也比较大。所以，必须选择合适的入土角。试验研究表明，芯铧式开沟器入土角在15°～25°最合适，此设计选择的入土角α=25°。

入土隙角ε是土壤表面和开沟器底面构成的夹角，开沟器入土性能也受ε值的影响。ε值过小，入土能力较差，增大了摩擦阻力致使底面磨损严重；ε值较大，致使沟槽底面不平，回土提前，ε值取5°～10°最合理，本研究中入土隙角ε=5°。γ为斜切角，芯铧开沟器的斜切角过大，杂物不易通过，容易造成缠挂和堵塞；斜切角过小时，切断杂物的能力较弱，斜切角一般取60°～75°，本设计中斜切角γ=60°。铧高H过高会壅土增加工作阻力，本研究中铧高取H=140 mm。开沟器幅宽B主要作用为控制垄作幅宽，由苗幅宽度决定，本开沟器幅宽B=120 mm。

3 排种过程力学分析

窝眼轮排种器作业时，可以分为充种过程、清种过程、护种过程和投种过程，且分别对应在4个区域内完成[11]，具体情况如图3所示。设计排种器时，有必要对4个过程进行力学分析计算，为尺寸参数的进一步设计奠定理论基础。

3.1 充种过程力学分析

充种过程中，种子群底层种子随着排种轮的转动而转动，箱体内堆积的种子产生垂直压力，从而产生摩擦力阻碍底层种子充种。此过程种子还受到诸多力的影响，为了便于分析计算，上层种子的厚度、空气阻力和底层种子的转矩等忽略不计[12]。

当排种轮作业转动时，流经窝眼的棉籽，受重力G、离心力P和种群相互作用力F的作用，结果如图4所示。

由图4种子受力分析可得：

F+Gsinα-P=ma；

(5)

N-Gcosα=0。

(6)

由公式(5)、(6)可知，当转速过大时，离心力P增大，大于重力G和F的合力，种子将无法落入型孔内，导致充种率下降。种子的中心恰巧运动到型孔的另一边时是临界状态，把这时的转速称为极限圆周速度。

如图5所示，由运动学原理可知，种子落入型孔的过程可分为沿型孔切线的匀速运动和法线的匀加速运动。假设尖端向下，种子充种用时为t，则通过的切线位移为

(7)

法向方向的位移为

(8)

合并公式(7)与公式(8)可得：

(9)

式中：v表示型孔的线速度，m/s；D表示型孔的直径，m；h表示种子长度，m；棉花光籽尺寸为0.009 m；bmax表示最大宽度，m；t表示时间，s；棉籽尺寸为0.006 m；g表示重力加速度，m/s2，取9.8 m/s2。

由“2.1.1”确定型孔直径为10 mm，代入数据到公式(9)中，得型孔的极限线速度为v=0.161 7 m/s。

3.2 清种过程力学分析

在窝眼轮排种器中，清种过程存在3种互相作用的力，即种子、排种轮以及毛刷轮三者之间的作用力。多余的种子从排种轮与毛刷轮夹缝中被清除出来，种子破碎也多发生在此过程中[13]。因此，有必要研究种子在此状况下的受力情况，结果如图6所示。

毛刷轮切线与排种轮切线的夹角用β表示，种子与排种轮间的摩擦角用φ1表示，正压力用N1表示，摩擦力用F1表示；O1、O2分别为种子与毛刷轮圆心；R1、R2分别为排种轮、毛刷轮对种子的支撑力与摩擦力的合力；r为毛刷轮半径；种子与毛刷轮之间的摩擦角用φ2表示，正压力用N2表示，摩擦力用F2表示。当种子处于平衡状态时可得：

(10)

受力分析可知，棉籽不被夹住的力学关系为

F1≤N2sinα+F2cosα。

(11)

或者

(12)

则有

N1=N2cosα-F2sinα=N2cos(α+φ2)/cosφ2。

(13)

公式(12)与(13)变换后可得：

tanφ1≤tan(α+φ2)。

(14)

即

α≥φ1-φ2。

(15)

由公式(15)可得，种子不被毛刷轮与排种轮夹住，则夹角α值应该不小于φ1与φ2之差。为解决种子被夹住或夹坏，可以通过改变排种轮的材料来缩减动摩擦因数μ1，但这会增加种子相对排种轮的速度，从而影响充种性能，所以此方法不可用。另一种减小种子损伤的途径是改变毛刷轮的反弹清种能力，加大毛刷轮摩擦力，或是减小毛刷轮直径，用来加大α值。

由图6的几何关系可以求出：

(16)

式中：r0表示种子厚度，mm；r表示毛刷轮半径，mm。

在本设计中r取值为70 mm，棉花种子厚度r0取值范围为3.22～6.00 mm，代入数值到公式(16)得α取值在24.2°～32.9°，本研究取α=30°。

3.3 护种过程力学分析

种子在护种过程下的受力情况如图7所示。由此可知，种子在护种过程中受到的合力为

F0=N0+G+P0=mRω2。

(17)

式中：F0表示种子所受合力，N；N0表示排种轮作用在种子上的力，N；G表示种子的重力，N；P0表示护种板作用在种子上的力，N；m表示种子的质量，kg；R表示种子与排种轴间的长度，mm；ω排种轮角速度，n/min。

种子作圆周运动，按“3.1”节的结果线速度按 0.161 7 m/s 计算，种子的千粒质量为95 g，可知F远小于种子能够承受的最小载荷13.7 N[14]，得在护种区种子不会被压碎。

3.4 投种过程力学分析

种子在投种过程中的受力情况如图8所示，由此可知种子在护种过程中受到的合力为

F=N+G+T。

(18)

式中：N表示排种轮作用在种子上的力，N；T表示清种板作用在种子上的力，N。当T=0时，即种子还没有碰到清种板就下落，此种情况为理想效果，投种质量最好；当T≠0时，即种子没有自由下落，而是依靠清种板推送强制下落，以防止漏播。

4 田间试验

4.1 试验条件及方法

参考GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[15]的标准，于2016年4月初棉花种植季节在河北省石家庄鹿泉试验田进行作业试验，结果如图9所示。石家庄市鹿泉区(38°01′N，113°58′E)位于石家庄市西部，海拔492.0 m，年平均降水量578.5 mm，年平均温度12.9 ℃，无霜期191 d，土壤类型为褐土，属于半湿润大陆性季风气候[15]。试验时，土壤含水率20%左右，地面坡度小于5°，比较平坦。空气温度平均为20°左右。

4.2 试验结果与分析

4.2.1 穴粒数测定 根据农艺和旋播机技术要求，行距为(68+8)cm，穴距为28 cm，播深2～3 cm，每穴2～3粒种子，测定时按照双粒播种试验方法，种子之间小于10 cm按1穴计算，每穴种子多于3粒按多粒计算。

由于机具是膜下播种，作业完成后，把地块分为5个长条区域，在每个区域中找到播种行，在中间选取1点，以此点为始。移开薄膜，拨走土壤，连续测50个种穴，记录好每穴种粒数。分析计算数据可获得双粒率、3粒率、多粒率、单粒率以及空穴率(表1)。

由表1可知，在机具作业速度为3.0 km/h时，排种器的部分性能指标分别为双粒率82.8%，3粒率9.6%，多粒率 2.0%，单粒率4.4%，空穴率1.2%。

4.2.2 穴距均匀性测定 测定范围应在播种起始位置的 20 m 之外，测量长度大于理论设计的250个穴距长度。机具理论穴距Xr为280 mm。利用习惯统计法，反映穴距均匀性的指标有粒距合格率、漏播率、重播率。其中穴距在Xr±0.5Xr之间为合格，大于1.5Xr为漏播，小于0.5Xr为重播。本研究中小于140 mm为重播，大于420 mm为漏播。计算公式如下

(19)

(20)

(21)

式中：n1表示合格穴距数量；n2表示漏播穴距数量；n3表示重播穴距数量；N表示实测穴距数量。

把测量数据统计分析后代入公式(19)～(21)中，汇总结果如表2所示。

表2 播种质量指标

为更加直观地判断所测穴距与理论穴距的分布情况，对250个穴距样本进行编号，绘制成图10。从图10可以看出，大部分测量值趋于理论值上下，不合格的样本数较少，说明穴距合格率较高，粒距均匀性优良，机具播种性能良好。

4.2.3 播深一致性 为保证后期棉花出苗率，应满足本地农艺要求的播深，播深合格，则相应苗期长势好、整齐。依据GB/T6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[15]，检测设备包括钢尺、卷尺及取土铲；沿播种幅宽，在田间依照S形选取5个样本区段，1个样本随机选取20穴测定播深；总数为100个样本，测量播深，统计数据见表3。

表3 播深合格率

虽然田间试验可能会受到环境、操作、人为等一系列因素的影响，导致一些差异，但总体上来讲，该机具播种性能达到了国家相关标准，符合棉花产业体系及农艺技术要求[16-17]，能够满足现阶段棉花种植的需求。

5 结论

本研究结合河北省推行的种植模式，创新设计出一种棉花双排交错精量播种开沟组合装置，通过排种轴错位15°装配左、右排种轮，实现错位播种。通过分析计算，确定了棉花双排交错精量排种器和开沟装置关键部件的参数；对棉花双排交错精量排种器进行排种机制解析，构建排种器主要工作过程的充种、清种、护种、投种的运动学与动力学模型。本研究进行了田间试验和性能鉴定检测，结果表明，棉花双排交错精量播种开沟组合装置穴距合格指数为94.8%，重播指数为4.4%，漏播数为0.8%。性能指标均达到设计要求，满足国家相关标准技术指标。

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