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文獻(xiàn)綜述 文 獻(xiàn) 綜 述 題 目： 氣吸滾筒式精密排種器的研究進(jìn)展 氣吸滾筒式精密排種器的研究進(jìn)展 摘要:世界各國都很重視精量播種技術(shù)，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(chǎn)量。本設(shè)計在對國內(nèi)外現(xiàn)有的氣吸滾筒式精密排種器深入研究的基礎(chǔ)上，對原有的設(shè)計進(jìn)行了改進(jìn)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(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，采用了一根主軸形成兩個壓腔的設(shè)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(jié)構(gòu)，在隔氣板與滾筒內(nèi)壁接觸轉(zhuǎn)動的過程中，減少了因摩擦而導(dǎo)致的磨損漏氣的問題。第三，對種箱進(jìn)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(guān)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(shù)的目的和意義 世界各國都很重視精量播種技術(shù)，發(fā)達(dá)國家已基本實現(xiàn)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(shù)有待進(jìn)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(chǎn)量均居世界第一，占世界油菜種植面積和總產(chǎn)量的30%左右。根據(jù)資料顯示，1996年以來，菜籽油占我國食用植物油消費(fèi)量的近35%。當(dāng)前我國油菜產(chǎn)業(yè)的種植面積大、總產(chǎn)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(kuò)大到800萬公頃，產(chǎn)量達(dá)到1013萬噸。隨著人們生活水平的提高，對植物油的消費(fèi)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(jìn)口油菜籽，1999年以來每年進(jìn)口油菜籽250萬噸左右，特別是近幾年來，進(jìn)口油菜籽產(chǎn)品的數(shù)量有呈現(xiàn)大幅度上升的趨勢【4】。 自20世紀(jì)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(fèi)種子，勞動強(qiáng)度大，而且播種質(zhì)量難以保證，遇干早缺苗嚴(yán)重，遇雨澇出苗過稠，間苗、定苗費(fèi)工，并易形成高腳弱苗，影響產(chǎn)量。因此對優(yōu)質(zhì)油菜種子進(jìn)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(chǎn)量。精密播種的苗分布均勻，透風(fēng)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(chǎn)10%-30%。 本課題根據(jù)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(jìn)精播小顆粒種子的機(jī)械化進(jìn)程開創(chuàng)一條新路。 1.2 國內(nèi)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(jī)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(jī)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(yīng)性強(qiáng)，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(chǎn)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(jī)的效率更高【5】。 國外從20世紀(jì)50年代末開始出現(xiàn)氣力式精密排種器。20世紀(jì)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(jī)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(jī)，其排種器是由種子室和真空室組成，但是該機(jī)難以實現(xiàn)單粒排種，而且播種均勻度很差，重播嚴(yán)重。后來法國研制出一種單粒氣吸式小區(qū)播種機(jī)，它的排種器是一個安裝在轉(zhuǎn)軸上的金屬盤，盤的周緣分布著若干個吸嘴與圓盤內(nèi)腔的真空負(fù)壓相連。該機(jī)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(jī)也屬于氣吸式精量播種機(jī)，該機(jī)的排種器是一對組合吸縫盤和驅(qū)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(jī)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(yīng)用。為了滿足本國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求，盡快提高精密播種機(jī)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(jìn)行了研究【6】。當(dāng)前，國外播種機(jī)械的發(fā)展方向已從對排種器的結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)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。現(xiàn)在廣泛流傳的一種先進(jìn)的科學(xué)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(nèi)被廣泛采用【7】。 目前較為成熟的產(chǎn)品主要有英國產(chǎn)的Hamilton播種機(jī)，有針式、滾筒式兩種。Hamilton針式播種機(jī)從秋海棠等極小的種子到甜瓜等大種子均可進(jìn)行播種，播種精度高達(dá)99.9%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度可達(dá)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(jī)是適用于大中型育苗場的高效率精密播種機(jī)，適合絕大部分花卉、蔬菜等種子，播種精度可達(dá)99%(對干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度高達(dá)18000行/小時(128穴的穴盤最多每小時可播1100盤)。這兩種播種機(jī)均可以無級調(diào)速，能在各種穴盤、平盤或栽培缽中播種，并可進(jìn)行每穴單粒、雙?；蚨嗔Ｐ问降牟シN。韓國大東機(jī)電株式會社生產(chǎn)的真空氣吸式播種機(jī)，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(jī)型，全自動機(jī)型的工作程序包括基質(zhì)混拌、裝盤、挖穴、播種、覆土、噴水等，半自動機(jī)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(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況 我國從20世紀(jì)60年代開始研制氣力式播種機(jī)，當(dāng)時遼寧省農(nóng)機(jī)所研制了6行氣吸式播種機(jī)，該機(jī)可精播玉米、大豆、花生。但是由于風(fēng)機(jī)及萬向節(jié)傳動故障多，工作不可靠，沒能得到推廣。20世紀(jì)70年代我國加強(qiáng)了半精量和精量播種技術(shù)的引進(jìn)、研究和試驗。1979年中國農(nóng)機(jī)院引進(jìn)了4種精播機(jī)(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(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響因素進(jìn)行了試驗和研究，在此基礎(chǔ)上研制出了我國的定型產(chǎn)品:2BJ-6型、2BJ-4型氣吹式精量播種機(jī)。遼寧省農(nóng)機(jī)研究所也經(jīng)多年的改進(jìn)試驗研制出了與鐵牛-55拖拉機(jī)配套的2BQ-6型氣吸式播種中耕通用機(jī)。該機(jī)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(jì)80年代我國擴(kuò)大了精播機(jī)的試驗、示范推廣。各地根據(jù)本地情況研制出了不同型號的氣力式播種機(jī)，如威海市農(nóng)機(jī)所研制出了2BT-2型氣吸式花生套種播種機(jī)，煙臺地區(qū)農(nóng)機(jī)所研制的2BHQ-5型氣吸式花生播種機(jī)，大連市農(nóng)機(jī)化所研制的2BJQ-4型氣力式播種機(jī)，山西省農(nóng)機(jī)所研制的2BJ-4型氣吸式精密播種機(jī)。“八五”期間，北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制出了2XB-300型孔齒盤轉(zhuǎn)動式穴盤育苗精量播種機(jī)，該裝置適合于播中等大小的丸粒化種子。到了20世紀(jì)90年代播種機(jī)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(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，如華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的HNJ97-1型水稻精量播種機(jī)，利用電磁振動原理實現(xiàn)精量播種，但其造價較高。南京農(nóng)機(jī)化研究所和江蘇大學(xué)共同研制的2QB-330型氣吸振動式秧苗盤精量播種機(jī)，應(yīng)用振動氣吸的原理，每穴1-2粒種子的播種合格率達(dá)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(jī)中已開始應(yīng)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(shè)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(nèi)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(jī)”，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(zhuǎn)動幾圈才能完成。為了保持較高的生產(chǎn)率，滾筒的轉(zhuǎn)速較高。另外，因為采用了錐形吸孔，簡單的切斷負(fù)壓不能保證卸種的一致性和準(zhǔn)確性，所以又用了高速氣流從內(nèi)側(cè)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(zhuǎn)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(nèi)。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(jīng)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(dá)95%以上。該裝置采用真空泵作負(fù)壓源(型號為2X-8)，這套生產(chǎn)線的生產(chǎn)率比較低，每小時才播種10000穴。育苗容器輸送帶的運(yùn)行速度為0.05米/秒，播種機(jī)構(gòu)的播種滾筒轉(zhuǎn)速為7轉(zhuǎn)/分。 (3) 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)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(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與滾筒軸(空心軸)相連，將滾筒內(nèi)抽成一定的真空度，當(dāng)滾筒經(jīng)過種箱時，凸臺上的吸孔將種子吸住，并隨滾筒旋轉(zhuǎn)至卸壓區(qū)，此時卸壓輥將吸孔堵住，吸孔內(nèi)外壓差消失，種子靠自重落入接種杯內(nèi)，經(jīng)輸種管排入播行。他們運(yùn)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(nóng)業(yè)大學(xué)和廣西北海市農(nóng)機(jī)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(jié)構(gòu)(外層壁薄、光滑、孔徑小、內(nèi)層孔徑大)使吸孔卡不住雜質(zhì)，有效地解決了吸孔堵塞的難題。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1-1所示，工作原理為:滾筒內(nèi)腔是一全封閉的真空負(fù)壓室，表面有與秧盤穴孔相對應(yīng)的小孔和真空室相通。工作時。抽氣機(jī)構(gòu)抽走滾筒內(nèi)腔的空氣.產(chǎn)生負(fù)壓.使吸孔的兩端形成負(fù)壓)}-.演筒續(xù)固定軸轉(zhuǎn)動，當(dāng)吸孔經(jīng)過種子箱時，種子在吸孔負(fù)壓差的作用下被吸附在吸孔上隨滾筒一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)至滾筒正下方時，吸孔內(nèi)端進(jìn)入增壓室，負(fù)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(jī)構(gòu)的帶動下，實現(xiàn)滾筒上的吸孔與秧盤上的穴孔一一對應(yīng)，滾筒不斷轉(zhuǎn)動，秧盤不斷隨同步輸送機(jī)構(gòu)前進(jìn)，從而達(dá)到連續(xù)對穴播種的目的。 1.4 本文研究的內(nèi)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(zhuǎn)動不靈活及磨損嚴(yán)重等問題，本課題就其機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使之能具有結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)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(jìn)行改進(jìn)設(shè)計及優(yōu)化。對其吸種及排種過程進(jìn)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(shù)學(xué)模型，并對影響吸排種效果的因素進(jìn)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(zhì)量的影響。 3. 運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對排種器進(jìn)行氣流場分析和模擬，分析吸孔的形狀、導(dǎo)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(fù)壓區(qū)進(jìn)行模擬仿真。 4. 采用正交試驗法設(shè)計試驗方案，對滾筒氣吸式排種器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研究其轉(zhuǎn)速，吸孔負(fù)壓，吸孔形狀、大小及種箱振動頻率等與單粒率、空穴率的關(guān)系，以提高其性能。 5.對該排種器進(jìn)行了試驗研究，著重對吸孔的形狀、吸孔的孔徑、吸孔的內(nèi)外壓差、種箱振動頻率、吸種滾筒轉(zhuǎn)速五個關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。運(yùn)用DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)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(guān)系式。以油菜種子為試驗對象，經(jīng)過組合選優(yōu)及試驗驗證，當(dāng)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(zhuǎn)速為14 r/min時，單粒率達(dá)到92%,空穴率為4%。 6. 運(yùn)用回歸分析，建立試驗指標(biāo)與幾個顯著因素的關(guān)系式。 通過對氣吸滾筒式精密排種器的理論分析、計算機(jī)仿真及試驗研究，得到了一些規(guī)律，為其實際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) [1] 張宇文,李秋孝,王西紅,等.油菜精量播種技術(shù)研究.西北農(nóng)業(yè)學(xué)報.2002,11(2):93-96 [2] 蔣愛民，章超華.食品原科學(xué).北京:中國農(nóng)業(yè)出版社.2000 [3] 李詩龍.油菜籽的物理特性淺析.中國油脂.2005,30(2):17-20 [4] 劉文冰.淺析我國油菜生產(chǎn)的現(xiàn)狀與發(fā)展.中國種業(yè).2005, 1: 17 [5] 牛菊菊.滾筒氣力式蔬菜育苗穴盤排種器的研究[碩士學(xué)位論文].華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2004 [6] 劉桂蘭.我國氣力式播種機(jī)的發(fā)展.農(nóng)村牧區(qū)機(jī)械化.1996,(4):17 [7] 石宏,李達(dá).目前國內(nèi)外播種機(jī)械發(fā)展走向(II).農(nóng)業(yè)機(jī)械化與電氣化.2000,2 [8] 邱秀麗.針孔氣力式蔬菜育苗穴盤排種器的研究[碩士學(xué)位論文].華南農(nóng)業(yè)大學(xué),2004 [9] 張敏.氣吸滾筒式水稻精量播種裝置的理論與試驗研究[碩士學(xué)位論文].江蘇大學(xué),2006 [10]吳國瑞,李耀明.氣吸式精量播種裝置的研究設(shè)計.農(nóng)機(jī)化研究.1998(1): 55-58 [11]肖有益.氣吸式滾筒型穴盤育苗用排種器的試驗研究匯[碩士學(xué)位論文].北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué),1998 [12]龐昌樂,鄂卓茂,蘇聰英,等.氣吸式雙層滾筒水稻播種器設(shè)計與試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報.2000,16(5):52-55 5