宋元萍

（山西省农业机械发展中心，山西太原 030031）

0 引言

近年来，精密播种技术发展速度快，机具类型多，其核心部件排种器可分为机械式和气力式。机械式排种器结构简单造价低，气力式排种器在排种均匀性、稳定性、精确性以及对种子外形尺寸要求方面有优势[1-3]。

随着精密播种机研究的深入，为了得到更高的效率，精播机逐渐由小型化转向大型化，由低速转向高速，其他先进技术如液压、电子、PLC等技术也应用到其中。在其他技术方面，也有探索，如传统精播机的排种器多是一器一行，而滚筒型中央集排器可实现一器多行。此类排种器优点是结构简化不臃肿，工作时不受开沟器振动的影响。

在育种方面，滚筒式排种器应用比较广泛。由于是小籽粒播种，作业空间一般在室内，滚筒直径小，种子离开滚筒后和苗床距离近，直接靠重力下落直达种沟，不存在输种问题。而在田间作业时，从排种器到各行开沟器的距离较长，特别是针对玉米大豆等大籽粒种子的播种，要确保投种的均匀性，输种投种问题亟待解决。同时，高速播种作业是未来发展趋势，而高速播种瓶颈之一就是输种环节，因此，输种投种装置的研究具有重要的意义。本文对气吸式中央集排式播种机的排种输种投种装置进行了研究设计。

1 概述

国外气力式精播机从20世纪50年代开始研究，德国、意大利、法国、英国都具有较成熟的产品，如马斯奇奥播种机、Hamiliton播种机、格兰播种机及Amazone公司的ED系列、John Deere公司的Maxemerge pianters系列的播种机等。国内气力式播种机研究始于20世纪70年代，中国农机院引进研究了四台国外精密播种机，经改进试制定型了我国精密播种机的雏形。80年代，各地科研机构开始研制，山西省农业机械化所研制了2BJ-4型气吸式精密播种机，大连市农业机械化研究所研究试制2BJQ-4气力式播种机，辽宁省农机所研制2BQ-6型气吸式播种中耕通用机等。90年代，精播机除了向联合作业机方向拓展如铺膜播种、旋耕施肥播种等，也在提高速度方面进行了探究。如吉林工大的马成林等研制的气力轮式排种器，在种子进入充种区时，由气流送入，在自重和气力强制作用下充填，台架试验精播大豆粒距49 mm，作业速度8 km/h，粒距合格率96.9%，精播玉米粒距149 mm，作业速度 10 km/h，粒距合格率96.2%，提高了作业速度[4]。

2 排种输种装置的结构和工作原理

排种输种装置是气吸式中央集排式播种机的排种机构，由滚筒、风机、排种装置、输种软管、投种口和稳种轮组成（图1）。吸附在排种滚筒上种子由卸种机构作用而离开滚筒表面，靠重力到达进种管口，风机产生的气流在排种装置作用下，把种子吸入排种装置然后加速送进输种软管，输种软管中的气固混合体在气流作用下到达投种口，具有较大初速度的种子进入种沟时有弹跳的趋势，稳种轮和土壤快速双向挤压种子进行定位，实现种子的单粒精播。

图1 排种输种装置示意图

3 排种装置的设计

3.1 排种装置的结构

排种装置是在中央集排器充种和清种后把种子直接送入开沟器的关键部件，其结构（图2），包括进气管、收缩段、进种管和输种段。进气管和风机相连接，收缩段的收缩角用λ1表示，进种管与输种段轴线的夹角用λ2表示（图2）。

图2 投种示意图

3.2 排种装置工作过程

排种装置工作表现在受限流体在通过缩小的过流断面时，流体出现流速增大的现象，流速与过流断面成反比，由伯努利定律可知，流速增大，流体压力降低。根据文丘里效应的原理，当气体气流吹过阻挡物时，在阻挡物的背面上方端口附近气压相对较低，从而产生吸附作用并导致空气的流动。

气流从文丘里管的入口进入，在文丘里管里面流动，把气流由粗变细，以加快气体流速，少部分通过截面很小的喷管排出。在经过管道的最窄处时，动态压力达到最大值，静态压力达到最小值，气体的速度因为通流横截面面积减小而上升。整个涌流都要在同一时间内经历管道缩小过程，因而压力也在同一时间减小，进而产生压力差，这个压力差给流体提供了一个外在吸力。随之截面逐渐减小，压缩空气的压强减小，流速变大，这时就在吸附腔的进口内产生一个真空度，使气体在文丘里管出口的后侧形成一个“真空”区，真空区靠近工件时会对工件产生一定的吸附作用。

精量播种技术的发展趋势是高速高效，作业过程要求投种必须平稳。因为高速作业遇到田间地理条件的变化会产生振动，排种器排出的种子和输种管碰撞反弹，导致原来的粒距发生变化影响株距的一致性[5]。文丘里管利用气流辅助投种，管内气固混流，气流加速种子运动，减少输种过程种子与管壁碰撞的概率，从而保证输种过程中粒距的变化。研究表明，尤其是高速作业时，气流辅助投种优势更加明显[6]。风机产生的正压气流从进风口流入，遇到收缩段流向输种管，由于文丘里效应，气体流速增大，压力降低，气压小于大气压形成负压，进种口的真空将种子吸入并加速种子在进种口和输种管的移动，从而达到气流辅助输种的效果。

3.3 排种装置参数确定

文丘里排种装置结构参数有进气管直径D1，收缩角λ1，进种管直径D2，输种段直径D3，进种管和输种段的安装角λ2（图3）。

图3 排种装置参数示意图

D1的直径选取和风机出口管的直径一致36 mm。收缩角λ1过大气流速度变化小，形成负压小产生吸附力不够，收缩角λ1过小，易产生气流旋涡，对种子运动平稳不利。同时，收缩段作为和输种管的过渡连接部分不易太长，研究表明，收缩角λ1为70°时压强变化明显，气流场均匀。进种管直径D2大于玉米的最大长度尺寸，经统计，试验玉米种子的最大尺寸为12.98 mm，平均宽度8 mm，平均厚度5.09 mm，因管道里气固混流并根据塑料管的规格，进种管直径D2取 20 mm。同理，确定输种管直径D3，考虑到实际连接安装需要，进种管和输种段要相交连接，输种段直径略大于进种管，输种段直径D3取25 mm。由于种子从进种管被吸入后在输种段流过，为使种子平滑过渡，安装角λ2应小于90°，考虑到加工难易程度，选取λ2为70°[7]。

4 零速投种、投种口角度θ及投种口与压种轮距离L

零速投种现象指种子出了投种口后沿水平方向上的绝对速度为0，种子沿铅垂方向下落。为使投种过程减少种子在种沟的弹跳滚动，设投种口水平方向向后，当机具前进速度vq（m/s）与种子水平运动速度vx（m/s）相等时，种子仅有自由落体运动（图4）。设种子在落地瞬间压种轮压住的条件：

图4 投种示意图

H'为种口向后时落种口与地面的垂直距离（m），L'为种口向后时投种口与压种轮距离（m），t为落种时间（s），g为重力加速度（m/s2）。当播种机达到14 km/s时，L=1.79H1/2。经验算，L值太小，即投种口沿水平方向向后不可取。设种子离开投种口时投种角为θ，且此时种子只受重力作用而不受其他力，则：

V为种子离开投种口时的绝对速度（m/s），θ为种子出口速度方向与垂直向下方向夹角（°），H为落种口与地面的垂直距离（m），L为投种口与压种轮距离（m）。种子下落过程的水平位移主要与种子离开投种口时的速度v、机具前进速度vq以及投种角为θ有关，而种子离开投种口时的速度v与管道内正压力产生的加速度有关。

压种轮设置。理想状况是种子落地瞬间，压种轮正好和土壤双向压种，若压种轮位置设置在种子无压种轮时落地点的后方，即失去作用，设置在落地点前方，则种子在落地前，可完成压种。因此，影响压种效果的因素有管道内正压力和种子运动方向，它们决定种子离开投种口时的速度v。机具前进速度vq和速度v决定种子的水平位移，而投种口与压种轮距离决定能否有效压种。

5 试验条件及结果

5.1 试验条件

试验在山西省运城市夏县裴介镇进行，播种机正压150～350 mba，机具前进速度8 km/h，理论株距 14 cm。试验材料为大豆，椭圆形，黄色，百粒重28 g。试验内容是考察三种投种口角度25°、30°和35°，三种正压150 mbar、300 mbar、350 mbar与三种投种口与压种轮距离60 mm、75 mm、90 mm情况下的粒距合格指数。

5.2 试验结果

经试验，正压200～300 mbar，投种口角度φ为30°，投种口与压种轮距离L为75 mm，当机具前进速度8 m/s时，试验结果粒距合格指数为90%。JB/T10293-2013《单粒（精密）播种机技术条件》的作业性能指标要求是粒距合格指数需大于75%[8]，实验结果符合国家机械行业标准。