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文獻綜述
文 獻 綜 述
題 目： 氣吸滾筒式精密排種器的研究進展
氣吸滾筒式精密排種器的研究進展
摘要:世界各國都很重視精量播種技術，精密播種可以節(jié)約大量的種子，節(jié)省田間間苗定苗用工，增加作物產量。本設計在對國內外現有的氣吸滾筒式精密排種器深入研究的基礎上，對原有的設計進行了改進并制造了一種新型的氣吸滾筒式精密排種器。使該排種器具有以下的特點:首先，對主軸結構進行了優(yōu)化設計，采用了一根主軸形成兩個壓腔的設計方法，既保證了同軸度又減少了軸承的磨損，大大延長了軸承的使用壽命。其次，由于采用了彈簧結構，在隔氣板與滾筒內壁接觸轉動的過程中，減少了因摩擦而導致的磨損漏氣的問題。第三，對種箱進行了激振，使種子在種箱中形成“沸騰”狀態(tài)，更有利于滾筒的吸種。
關鍵詞:精密播種;排種器;有限元分析;理論分析;氣吸滾筒式精密排種器;
1.1 研究小顆粒種子精播技術的目的和意義
世界各國都很重視精量播種技術，發(fā)達國家已基本實現大、中粒作物的精量播種，節(jié)本增效顯著，但對油菜、谷子等小顆粒作物的精播技術有待進一步的研究【1】。本文以油菜種子為例，探討了小顆粒種子的精播問題。
油菜是世界上重要的油料作物之一，成熟的油菜籽多為球形或近似球形的小顆粒，其直徑為1.27-2.05mm【2，3】。油菜在我國常年種植面積約為800萬公頃，其種子含油量為30%-50%，是我國重要的油料作物。長期以來，我國油菜種植面積和總產量均居世界第一，占世界油菜種植面積和總產量的30%左右。根據資料顯示，1996年以來，菜籽油占我國食用植物油消費量的近35%。當前我國油菜產業(yè)的種植面積大、總產量高，市場需求量和發(fā)展?jié)摿Χ己艽蟆?000年全國油菜種植面積擴大到800萬公頃，產量達到1013萬噸。隨著人們生活水平的提高，對植物油的消費也日益增長，加工能力膨脹對油料需求加大，我國從1999年開始進口油菜籽，1999年以來每年進口油菜籽250萬噸左右，特別是近幾年來，進口油菜籽產品的數量有呈現大幅度上升的趨勢【4】。
自20世紀80年代以來，我國雙低油菜發(fā)展迅速，但油菜播種基本為開溝人工溜種，播量較大，不但浪費種子，勞動強度大，而且播種質量難以保證，遇干早缺苗嚴重，遇雨澇出苗過稠，間苗、定苗費工，并易形成高腳弱苗，影響產量。因此對優(yōu)質油菜種子進行精密播種迫在眉睫。精密播種優(yōu)越性有如下幾點:
1. 精密播種可以節(jié)約大量種子。
2. 節(jié)省田間間苗定苗用工。精密播種苗齊苗壯，不擁擠，可提高田間間苗定苗工效，甚至可以取消間苗定苗工作。
3. 可增加作物產量。精密播種的苗分布均勻，透風透光性好，能充分利用土壤中的水分營養(yǎng)。苗期發(fā)育好，苗齊苗壯，可增產10%-30%。
本課題根據油菜種子的特性，對其精密播種部件一滾筒氣吸式精密排種器開展研究工作，為推進精播小顆粒種子的機械化進程開創(chuàng)一條新路。
1.2 國內外氣力式精密排種器的發(fā)展概況
精密排種器按其工作原理可分為機械式和氣力式。氣力式排種器包括氣吸式、氣吹式、氣壓式三種;機械式主要有窩眼輪式、圓盤式、指夾式等。氣力式排種器具有對種子適應性強，損傷輕等優(yōu)點。
1.2.1 國外氣力式排種器的發(fā)展概況
在國外的產品中，精密排種器主要以針式和滾筒式為主，滾筒式排種器的效率比針式播種機的效率更高【5】。
國外從20世紀50年代末開始出現氣力式精密排種器。20世紀60年代以來，前蘇聯(lián)、英、德等國都相繼提出了麥類作物精播理論，并對小麥精播機做了大量的試驗研究。1976年前后，德國研制了GS-23氣吸式小麥精密播種機，其排種器是由種子室和真空室組成，但是該機難以實現單粒排種，而且播種均勻度很差，重播嚴重。后來法國研制出一種單粒氣吸式小區(qū)播種機，它的排種器是一個安裝在轉軸上的金屬盤，盤的周緣分布著若干個吸嘴與圓盤內腔的真空負壓相連。該機通過更換不同的吸嘴可以播種小麥、玉米、向日葵等作物。奧地利的Wintersteiger自走式小麥精播機也屬于氣吸式精量播種機，該機的排種器是一對組合吸縫盤和驅動格輪，由兩個不同形狀隙縫的交叉形成一系列不同形狀的吸孔。它沒有輸種管，排種器與開溝器融于一體，投種點低，有利于精密粒距的形成。該機主要用于田間小區(qū)試驗，在許多國家和地區(qū)得到推廣應用。為了滿足本國經濟發(fā)展的要求，盡快提高精密播種機的作業(yè)速度，近十年來，歐美國家著重對氣力式精密排種器進行了研究【6】。當前，國外播種機械的發(fā)展方向已從對排種器的結構研究轉移到對播種原理的研究上，比如蔬菜種子的精播問題。目前國外正在利用一些新的播種原理，如日本提出的靜電播種，英國提出的液體播種等?，F在廣泛流傳的一種先進的科學播種方法——種子帶播種，它起源于日本，這種播種方法已在世界范圍內被廣泛采用【7】。
目前較為成熟的產品主要有英國產的Hamilton播種機，有針式、滾筒式兩種。Hamilton針式播種機從秋海棠等極小的種子到甜瓜等大種子均可進行播種，播種精度高達99.9%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度可達2400行/小時(128穴的穴盤最多每小時可播150盤);Hamilton滾筒式播種機是適用于大中型育苗場的高效率精密播種機，適合絕大部分花卉、蔬菜等種子，播種精度可達99%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度高達18000行/小時(128穴的穴盤最多每小時可播1100盤)。這兩種播種機均可以無級調速，能在各種穴盤、平盤或栽培缽中播種，并可進行每穴單粒、雙?；蚨嗔Ｐ问降牟シN。韓國大東機電株式會社生產的真空氣吸式播種機，適用于小于瓜類種子的各類蔬菜種子及花卉種子，分為全自動和半自動兩種機型，全自動機型的工作程序包括基質混拌、裝盤、挖穴、播種、覆土、噴水等，半自動機型包括挖穴、覆土兩項程序。此外，還有美國的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播種系統(tǒng)等【8】。
1.2.2 國內氣力式排種器的發(fā)展概況
我國從20世紀60年代開始研制氣力式播種機，當時遼寧省農機所研制了6行氣吸式播種機，該機可精播玉米、大豆、花生。但是由于風機及萬向節(jié)傳動故障多，工作不可靠，沒能得到推廣。20世紀70年代我國加強了半精量和精量播種技術的引進、研究和試驗。1979年中國農機院引進了4種精播機(西德氣吸、氣吹兩種，法國氣吸式，美國指夾式)，并分別對它們的性能，結構參數以及影響因素進行了試驗和研究，在此基礎上研制出了我國的定型產品:2BJ-6型、2BJ-4型氣吹式精量播種機。遼寧省農機研究所也經多年的改進試驗研制出了與鐵牛-55拖拉機配套的2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機。該機采用垂直圓盤氣吸式排種器，可精播玉米、大豆、高粱、棉籽，完成起壟、播種、中耕、培土等作業(yè)。20世紀80年代我國擴大了精播機的試驗、示范推廣。各地根據本地情況研制出了不同型號的氣力式播種機，如威海市農機所研制出了2BT-2型氣吸式花生套種播種機，煙臺地區(qū)農機所研制的2BHQ-5型氣吸式花生播種機，大連市農機化所研制的2BJQ-4型氣力式播種機，山西省農機所研制的2BJ-4型氣吸式精密播種機。“八五”期間，北京農業(yè)工程大學研制出了2XB-300型孔齒盤轉動式穴盤育苗精量播種機，該裝置適合于播中等大小的丸?；N子。到了20世紀90年代播種機由單一播種發(fā)展到了播種、施肥、鋪膜聯(lián)合作業(yè)。近幾年，精密播種技術得到了進一步發(fā)展，如華南農業(yè)大學研制的HNJ97-1型水稻精量播種機，利用電磁振動原理實現精量播種，但其造價較高。南京農機化研究所和江蘇大學共同研制的2QB-330型氣吸振動式秧苗盤精量播種機，應用振動氣吸的原理，每穴1-2粒種子的播種合格率達到了90%以上【6，9，10】。
對于氣吸針式排種器，在我國自行研制的蔬菜、花卉工廠化育苗播種機中已開始應用，而對于滾筒氣吸式排種器，由于其氣密性很難控制等原因，由我國自行設計制造的專門用于蔬菜、花卉工廠化育苗的滾筒氣吸式排種器還很少。
1.3 國內幾種典型的氣吸滾筒式精密排種器【11】
(1) 臺灣的陳世銘等研制的“振蕩式多用途真空播種機”，采用的就是滾筒型氣吸式排種器。該裝置采用了錐形孔和振動裝置來改善播種器的充種性能，然后用高速氣流來清除多余的種子。為避免清種的高速氣流對吸孔處的流場造成破壞，滾筒上吸孔的分布采用的是五刻劃形式(即沿圓周方向五等分滾筒來分布吸孔)。這樣每播一盤，滾筒需要轉動幾圈才能完成。為了保持較高的生產率，滾筒的轉速較高。另外，因為采用了錐形吸孔，簡單的切斷負壓不能保證卸種的一致性和準確性，所以又用了高速氣流從內側沿吸孔軸線方向來把種子吹落。
(2) 廣西林科所研制的4LRZ-10000型流動式容器育苗裝播作業(yè)線，播種裝置采用的也是氣吸式滾筒型排種器。滾筒轉動時把種子吸附在滾筒圓周面上，通過切斷真空，種子靠自重下落到容器內。該裝置采用的是凸臺式吸孔，吸嘴孔徑的大小按種子千粒重而定，播南方的濕地松種子，孔徑為1毫米，播經過精選后裹成直徑為4-5毫米的種子丸，孔徑為1.2毫米。播種有種率可達95%以上。該裝置采用真空泵作負壓源(型號為2X-8)，這套生產線的生產率比較低，每小時才播種10000穴。育苗容器輸送帶的運行速度為0.05米/秒，播種機構的播種滾筒轉速為7轉/分。
(3) 吉林農業(yè)大學的盛江源等為了解決人參小行距精密播種的問題，也研制了一種氣吸式滾筒型排種器。工作時，風機進風口與滾筒軸(空心軸)相連，將滾筒內抽成一定的真空度，當滾筒經過種箱時，凸臺上的吸孔將種子吸住，并隨滾筒旋轉至卸壓區(qū)，此時卸壓輥將吸孔堵住，吸孔內外壓差消失，種子靠自重落入接種杯內，經輸種管排入播行。他們運用正交試驗的方法，通過臺架試驗，得到了試驗因素的最優(yōu)組合。
(4) 由中國農業(yè)大學和廣西北海市農機化研究所研制的氣吸式雙層滾筒水稻播種器【12】，采用雙層滾筒結構(外層壁薄、光滑、孔徑小、內層孔徑大)使吸孔卡不住雜質，有效地解決了吸孔堵塞的難題。其結構簡圖如圖1-1所示，工作原理為:滾筒內腔是一全封閉的真空負壓室，表面有與秧盤穴孔相對應的小孔和真空室相通。工作時。抽氣機構抽走滾筒內腔的空氣.產生負壓.使吸孔的兩端形成負壓)}-.演筒續(xù)固定軸轉動，當吸孔經過種子箱時，種子在吸孔負壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒一起轉動。當轉至滾筒正下方時，吸孔內端進入增壓室，負壓被切斷并處于增壓狀態(tài)，種子在自重及正壓作用下落入秧盤的穴孔中.滾筒和秧盤在同步輸送機構的帶動下，實現滾筒上的吸孔與秧盤上的穴孔一一對應，滾筒不斷轉動，秧盤不斷隨同步輸送機構前進，從而達到連續(xù)對穴播種的目的。
1.4 本文研究的內容
由于原有的氣吸滾筒式精密排種器存在漏氣量大、排種不均勻、轉動不靈活及磨損嚴重等問題，本課題就其機構進行優(yōu)化設計，使之能具有結構簡單，生產效率較高等優(yōu)點，能夠用于播種油菜等小顆粒作物。本論文開展以下幾方面工作:
1. 對原有氣吸滾筒式精密排種器進行改進設計及優(yōu)化。對其吸種及排種過程進行了理論分析，得到了吸附力、吸種高度、排種誤差、碰撞角和碰撞速度等數學模型，并對影響吸排種效果的因素進行了分析。
2. 建立種子在吸孔氣流作用下的受力模型，研究種子的吸附條件，分析各種因素對播種質量的影響。
3. 運用ANSYS有限元分析軟件對排種器進行氣流場分析和模擬，分析吸孔的形狀、導程和吸孔孔徑的大小對吸種性能的影響。同時對吸種滾筒正負壓區(qū)進行模擬仿真。
4. 采用正交試驗法設計試驗方案，對滾筒氣吸式排種器參數進行優(yōu)化，研究其轉速，吸孔負壓，吸孔形狀、大小及種箱振動頻率等與單粒率、空穴率的關系，以提高其性能。
5.對該排種器進行了試驗研究，著重對吸孔的形狀、吸孔的孔徑、吸孔的內外壓差、種箱振動頻率、吸種滾筒轉速五個關鍵因素進行了分析。運用DPS軟件對試驗數據進行了處理。通過極差和方差分析，得出了影響試驗因素的主次順序及最優(yōu)組合。
5.運用二次多項式回歸模型，建立單粒率、空穴率與各個顯著因素的關系式。以油菜種子為試驗對象，經過組合選優(yōu)及試驗驗證，當吸孔孔徑為1 mm，吸孔為錐形孔，吸孔壓差為2kPa，振動頻率為80Hz,滾筒轉速為14 r/min時，單粒率達到92%,空穴率為4%。
6. 運用回歸分析，建立試驗指標與幾個顯著因素的關系式。
通過對氣吸滾筒式精密排種器的理論分析、計算機仿真及試驗研究，得到了一些規(guī)律，為其實際應用奠定了基礎。
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