文 獻 綜 述題 目: 氣吸滾筒式精密排種器的研究進展 文獻綜述1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(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(jié)構(gòu)進行了優(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大到800萬公頃,產(chǎn)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(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,不但浪費種子,勞動強度大,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%。氣吸滾筒式精密排種器的研究進展2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,為推進精播小顆粒種子的機械化進程開創(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(yīng)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(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(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,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(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(dāng)前,國外播種機械的發(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?,F(xiàn)在廣泛流傳的一種先進的科學(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,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(diào)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(chǎn)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(zhì)混拌、文獻綜述3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(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,當(dāng)時遼寧省農(nóng)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(fēng)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(jì)70年代我國加強了半精量和精量播種技術(shù)的引進、研究和試驗。1979年中國農(nóng)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(jié)構(gòu)參數(shù)以及影響因素進行了試驗和研究,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。遼寧省農(nóng)機研究所也經(jīng)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(jì)80年代我國擴大了精播機的試驗、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,如威海市農(nóng)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(nóng)機所研制的2BHQ-5型氣吸式花生播種機,大連市農(nóng)機化所研制的2BJQ-4型氣力式播種機,山西省農(nóng)機所研制的2BJ-4型氣吸式精密播種機。“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,該裝置適合于播中等大小的丸?;N子。到了20世紀(jì)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(shù)得到了進一步發(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,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,應(yīng)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(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” ,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,播種裝置采用的氣吸滾筒式精密排種器的研究進展4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行速度為0.05米/秒,播種機構(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)機進風(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構(gòu)前進,從而達到連續(xù)對穴播種的目的。文獻綜述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)動不靈活及磨損嚴(yán)重等問題,本課題就其機構(gòu)進行優(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行改進設(shè)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(shù)學(xué)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(zhì)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(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)鍵因素進行了分析。運用DPS軟件對試驗數(shù)據(jù)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(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,單粒率達到92%,空穴率為4%。6. 運用回歸分析,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)。氣吸滾筒式精密排種器的研究進展6參考文獻[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, 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