文 獻(xiàn) 綜 述題 目： 氣吸滾筒式精密排種器的研究進(jìn)展 文獻(xiàn)綜述1氣吸滾筒式精密排種器的研究進(jìn)展摘要:世界各國(guó)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(jì)在對(duì)國(guó)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(duì)原有的設(shè)計(jì)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(diǎn):首先，對(duì)主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用了一根主軸形成兩個(gè)壓腔的設(shè)計(jì)方法，既保證了同軸度又減少了軸承的磨損，大大延長(zhǎng)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(dòng)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(duì)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(guó)都很重視精量播種技術(shù)，發(fā)達(dá)國(guó)家已基本實(shí)現(xiàn)大、中粒作物的精量播種，節(jié)本增效顯著，但對(duì)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(guó)常年種植面積約為800萬公頃，其種子含油量為30%-50%，是我國(guó)重要的油料作物。長(zhǎng)期以來，我國(guó)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(guó)食用植物油消費(fèi)量的近35%。當(dāng)前我國(guó)油菜產(chǎn)業(yè)的種植面積大、總產(chǎn)量高，市場(chǎng)需求量和發(fā)展?jié)摿Χ己艽蟆?000年全國(guó)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(duì)植物油的消費(fèi)也日益增長(zhǎng)，加工能力膨脹對(duì)油料需求加大，我國(guó)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(shì)【4】 。自20世紀(jì)80年代以來，我國(guó)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(dòng)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(duì)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(diǎn):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(yíng)養(yǎng)。苗期發(fā)育好，苗齊苗壯，可增產(chǎn)10%-30%。氣吸滾筒式精密排種器的研究進(jìn)展2本課題根據(jù)油菜種子的特性，對(duì)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(guó)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(duì)種子適應(yīng)性強(qiáng)，損傷輕等優(yōu)點(diǎn)。1.2.1 國(guó)外氣力式排種器的發(fā)展概況在國(guó)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(guó)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(guó)都相繼提出了麥類作物精播理論，并對(duì)小麥精播機(jī)做了大量的試驗(yàn)研究。1976年前后，德國(guó)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(shí)現(xiàn)單粒排種，而且播種均勻度很差，重播嚴(yán)重。后來法國(guó)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(gè)安裝在轉(zhuǎn)軸上的金屬盤，盤的周緣分布著若干個(gè)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(duì)組合吸縫盤和驅(qū)動(dòng)格輪，由兩個(gè)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(diǎn)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(yàn)，在許多國(guó)家和地區(qū)得到推廣應(yīng)用。為了滿足本國(guó)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(guó)家著重對(duì)氣力式精密排種器進(jìn)行了研究【6】 。當(dāng)前，國(guó)外播種機(jī)械的發(fā)展方向已從對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)研究轉(zhuǎn)移到對(duì)播種原理的研究上，比如蔬菜種子的精播問題。目前國(guó)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(guó)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(guó)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(duì)干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度可達(dá)2400行/小時(shí)(128穴的穴盤最多每小時(shí)可播150盤);Hamilton滾筒式播種機(jī)是適用于大中型育苗場(chǎng)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(duì)干凈、規(guī)矩的種子)，播種速度高達(dá)18000行/小時(shí)(128穴的穴盤最多每小時(shí)可播1100盤)。這兩種播種機(jī)均可以無級(jí)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、雙粒或多粒形式的播種。韓國(guó)大東機(jī)電株式會(huì)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(dòng)和半自動(dòng)兩種機(jī)型，全自動(dòng)機(jī)型的工作程序包括基質(zhì)混拌、文獻(xiàn)綜述3裝盤、挖穴、播種、覆土、噴水等，半自動(dòng)機(jī)型包括挖穴、覆土兩項(xiàng)程序。此外，還有美國(guó)的Blaclanore, Speedling, VanDana精量播種系統(tǒng)等【8】 。1.2.2 國(guó)內(nèi)氣力式排種器的發(fā)展概況我國(guó)從20世紀(jì)60年代開始研制氣力式播種機(jī)，當(dāng)時(shí)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(dòng)故障多，工作不可靠，沒能得到推廣。20世紀(jì)70年代我國(guó)加強(qiáng)了半精量和精量播種技術(shù)的引進(jìn)、研究和試驗(yàn)。1979年中國(guó)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(guó)氣吸式，美國(guó)指夾式)，并分別對(duì)它們的性能，結(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)和研究，在此基礎(chǔ)上研制出了我國(guó)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(yàn)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(guó)擴(kuò)大了精播機(jī)的試驗(yàn)、示范推廣。各地根據(jù)本地情況研制出了不同型號(hào)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(tái)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)?！鞍宋濉逼陂g，北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制出了2XB-300型孔齒盤轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)原理實(shí)現(xiàn)精量播種，但其造價(jià)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(dòng)式秧苗盤精量播種機(jī)，應(yīng)用振動(dòng)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(duì)于氣吸針式排種器，在我國(guó)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(duì)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(guó)自行設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)幾種典型的氣吸滾筒式精密排種器【11】(1) 臺(tái)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(dòng)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(duì)吸孔處的流場(chǎng)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(dòng)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?yàn)椴捎昧隋F形吸孔，簡(jiǎn)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(dòng)式容器育苗裝播作業(yè)線，播種裝置采用的氣吸滾筒式精密排種器的研究進(jìn)展4也是氣吸式滾筒型排種器。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(tái)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(hào)為2X-8)，這套生產(chǎn)線的生產(chǎn)率比較低，每小時(shí)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(shí)，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(shí)，凸臺(tái)上的吸孔將種子吸住，并隨滾筒旋轉(zhuǎn)至卸壓區(qū)，此時(shí)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(yàn)的方法，通過臺(tái)架試驗(yàn)，得到了試驗(yàn)因素的最優(yōu)組合。(4) 由中國(guó)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(jiǎn)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(duì)應(yīng)的小孔和真空室相通。工作時(shí)。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(dòng)，當(dāng)吸孔經(jīng)過種子箱時(shí)，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(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)至滾筒正下方時(shí)，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(dòng)下，實(shí)現(xiàn)滾筒上的吸孔與秧盤上的穴孔一一對(duì)應(yīng)，滾筒不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，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(duì)穴播種的目的。文獻(xiàn)綜述51.4 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(dòng)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(jì)，使之能具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率較高等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)原有氣吸滾筒式精密排種器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及優(yōu)化。對(duì)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(duì)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(duì)播種質(zhì)量的影響。3. 運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件對(duì)排種器進(jìn)行氣流場(chǎng)分析和模擬，分析吸孔的形狀、導(dǎo)程和吸孔孔徑的大小對(duì)吸種性能的影響。同時(shí)對(duì)吸種滾筒正負(fù)壓區(qū)進(jìn)行模擬仿真。4. 采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，對(duì)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(dòng)頻率等與單粒率、空穴率的關(guān)系，以提高其性能。5.對(duì)該排種器進(jìn)行了試驗(yàn)研究，著重對(duì)吸孔的形狀、吸孔的孔徑、吸孔的內(nèi)外壓差、種箱振動(dòng)頻率、吸種滾筒轉(zhuǎn)速五個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行了分析。運(yùn)用DPS軟件對(duì)試驗(yàn)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(yàn)因素的主次順序及最優(yōu)組合。5.運(yùn)用二次多項(xiàng)式回歸模型，建立單粒率、空穴率與各個(gè)顯著因素的關(guān)系式。以油菜種子為試驗(yàn)對(duì)象，經(jīng)過組合選優(yōu)及試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)吸孔孔徑為1 mm，吸孔為錐形孔，吸孔壓差為2kPa，振動(dòng)頻率為80Hz,滾筒轉(zhuǎn)速為14 r/min時(shí)，單粒率達(dá)到92%,空穴率為4%。6. 運(yùn)用回歸分析，建立試驗(yàn)指標(biāo)與幾個(gè)顯著因素的關(guān)系式。通過對(duì)氣吸滾筒式精密排種器的理論分析、計(jì)算機(jī)仿真及試驗(yàn)研究，得到了一些規(guī)律，為其實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。氣吸滾筒式精密排種器的研究進(jìn)展6參考文獻(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(bào).2002,11(2):93-96[2] 蔣愛民，章超華.食品原科學(xué).北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社.2000[3] 李詩龍.油菜籽的物理特性淺析.中國(guó)油脂.2005,30(2):17-20[4] 劉文冰.淺析我國(guó)油菜生產(chǎn)的現(xiàn)狀與發(fā)展.中國(guó)種業(yè).2005, 1: 17[5] 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