李國梁，尚書旗，王東偉，楊　薇，李建東

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島　266109;2.中機美諾科技股份有限公司，北京　100083；3山東省種業(yè)裝備工程研究中心，山東 青島　266109)

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小區(qū)條播機離心分種裝置的試驗研究

李國梁1,3，尚書旗1,3，王東偉1,3，楊薇2，李建東2

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島266109;2.中機美諾科技股份有限公司，北京100083；3山東省種業(yè)裝備工程研究中心，山東 青島266109)

摘要：為了解決小區(qū)條播機分種不均勻、行間一致性差的問題，在原有錐體格盤式排種器的基礎(chǔ)上加裝了離心分種裝置，由量孔漏斗、分配頭、離心分配器及電機等組成。工作時，電機帶動離心分配器高速轉(zhuǎn)動，從而將從量孔漏斗落下的種子甩向分配頭的各個通道,提高了分種均勻性。同時，對該裝置進行了試驗研究，確定影響分種均勻性的因素；并通過正交試驗確定最優(yōu)值，為進一步改進和研制適合我國小區(qū)播種的排種器提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：排種器；小區(qū)條播機；離心分種裝置；離心分配器；分種均勻性

0引言

糧食既是關(guān)系國計民生和國家經(jīng)濟安全的重要戰(zhàn)略資源，也是人民群眾最基本的生活資料[1]。只有實現(xiàn)糧食基本自給、供求大體平衡，才能避免引發(fā)糧食危機。我國人口占世界的22%，耕地面積卻僅占世界的10%，人均耕地面積嚴重不足。因此，加快我國種子的繁育和多出優(yōu)良品種，從而提高糧食單位面積產(chǎn)量成為解決糧食問題的關(guān)鍵[2]。

在國外育種作業(yè)朝著機械化、智能化方向發(fā)展的同時，我國育種工作者基本還是以人工播種為主，不僅增加了育種工作者的勞動強度，降低了繁育良種的效率，也導(dǎo)致了育種工作者的試驗誤差。

因此，亟需設(shè)計一臺適應(yīng)我國小區(qū)播種作業(yè)的小區(qū)條播機，從而提升我國育種單位的育種實力，改變國內(nèi)育種單位的育種規(guī)模小、育種手段較為落后的現(xiàn)狀，提高育種工作效率、節(jié)省投資、縮短新品種的推出周期，從而加快我國優(yōu)良品種的繁育進程，最終解決糧食問題。

小區(qū)條播機最重要的部件是排種器。錐體離心式排種器是目前應(yīng)用最為廣泛、排種效果較好的排種器[3]，原理是在原有的錐體格盤式排種器的基礎(chǔ)上加裝了離心分種裝置，使得分種均勻性得到顯著提高。

本文對離心分種裝置進行研究，確定影響分種均勻性的因素，并通過試驗確定最優(yōu)值，為進一步改進和研制適合我國小區(qū)播種的排種器提供依據(jù)。

1結(jié)構(gòu)及工作原理

小區(qū)條播機離心分種裝置由量孔漏斗、安裝座、分配頭、 離心分配器及驅(qū)動電機等組成[4]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.量孔漏斗　2.安裝架　3.分配頭　4.離心分配器

工作過程中，隨著播種機向前行走，錐體格盤也隨之轉(zhuǎn)動，格盤內(nèi)的種子通過排種口均勻連續(xù)地排進量孔漏斗中，量孔漏斗將排種口排出的分散的種子流匯聚成較為集中的種子流，落在離心分配器的中央；電機帶動離心分配器轉(zhuǎn)動，將從量孔漏斗落下來的種子均勻地分配到分配頭的各個排種孔中，以實現(xiàn)均勻分種。

離心分種過程是關(guān)系到各行排種均勻性的重要的過程，量孔漏斗的結(jié)構(gòu)參數(shù)、離心分配器的結(jié)構(gòu)形式和轉(zhuǎn)速等都能直接影響到分種效果[5]。

2分種均勻性影響因素

2.1量孔漏斗結(jié)構(gòu)

量孔漏斗的目的是將種子聚集在一起，防止種子落到離心分配器的外部，造成分種不均[6]。對種子在漏斗上的運動進行受力分析(見圖2)，其主要受種子自身重力、種子與量孔漏斗表面的滑動摩擦力、空氣阻力(由于種子的運動速度較小，忽略不計)及漏斗內(nèi)斜面對它的彈力作用從量孔漏斗斜面滑落到離心分配器的中心。以種子沿著母線方向為x軸，垂直于母線斜向上的方向為y軸，建立坐標系。根據(jù)牛頓動力學(xué)原理，列受力方程為

(1)

由于在y軸方向上，種子不能有運動，則在y軸方向上加速度為0；在x軸方向種子要能加速下滑，由此化簡式(1)可得

m0gsinβ-μm0gcosβ=m0ax>0

化簡得μ

(2)

因為在設(shè)計時，鑄造錐體與鑄造量孔漏斗所選的材料是同一種，則量孔漏斗的內(nèi)錐體母線與水平線的夾角β都要大于種子與鑄造材料的滑動摩擦角。

圖2　量孔漏斗結(jié)構(gòu)及種子受力分析

對于量孔漏斗的出口直徑，其尺寸參數(shù)的確定應(yīng)該考慮到種子在不同排種量下的流動量的大小，既要保證種子在最大排種量時不會發(fā)生堵塞的現(xiàn)象，還影響離心分種過程的正常進行及分種均勻性[7]。

一般情況下，出口的直徑的大小可以通過實驗來確定，根據(jù)有關(guān)育種機械研究者的實驗結(jié)論，可知出口直徑與種子的尺寸參數(shù)存在著函數(shù)關(guān)系。以小麥為例，量孔漏斗下出口最小直徑dmin與種子的長度b、寬度c之間的經(jīng)驗公式為

(3)

式中dmin—量孔漏斗下端出口最小直徑；

b—種子的平均長度；

c—種子的平均寬度。

因此，在設(shè)計量孔漏斗時，測定農(nóng)業(yè)物料物性參數(shù)，確定下端出口的直徑大小使其大于最小直徑，有利于減少離心分種過程中的不可控影響因素。

另外，在設(shè)置量孔漏斗下端與離心分配器中心之間的距離時，要考慮到對離心分種過程的影響。高速旋轉(zhuǎn)的離心分配器會產(chǎn)生一定的氣流，若量孔漏斗下端與離心分配器中心之間的距離偏大，種子從量孔漏斗落出到達離心分配器的時間過長，在氣流的作用下種子的下落軌跡可能發(fā)生變化，直接落到離心分配器的平臺上；而不是離心分配器的中央?yún)^(qū)域，影響正常離心分種，進而影響分種效果。

2.2離心分配器結(jié)構(gòu)

離心分種裝置最關(guān)鍵的部件就是離心分配器，其通過離心力的作用將從量孔漏斗落下來的種子均勻分配到分配頭的各個排種孔中[8]。離心分配器的結(jié)構(gòu)型式、轉(zhuǎn)速直接關(guān)系到種子在離心分配器上的運動情況。

分錐式離心分配器是應(yīng)用較為廣泛的一種分配器形式，它利用其中間的分種錐體將從量孔漏斗中落下的種子分散到各個方向。凸臺采用三角形式，有利于種子與凸臺壁碰撞從而獲得速度。

當(dāng)分配頭旋轉(zhuǎn)時，分配到各個方向上的種子與凸臺的側(cè)壁發(fā)生碰撞，從而使得落到分配頭上的種子獲得速度，飛入分配頭的各個排種口中。其結(jié)構(gòu)及在其上的種子的受力圖如圖3所示。

對從量孔漏斗落到分錐式離心分配器上的單個種子進行受力分析(見圖3)，以種子的半徑方向向外的方向為x軸正方向，離心分配器平面上垂直于x軸的與種子運動分運動相同的方向為y軸正方向，以垂直離心分配器的水平面豎直向上的方向為z軸正方向建立坐標系。由圖3可知：種子在離心分配器水平面上，受兩個方向的力，在x軸正方向受到離心力FB的作用，在于種子運動方向相反的方向受到離心分配器表面的摩擦力Fμ的作用；在z軸上，受到種子自身的重力和離心分配器的豎直向上的彈力FN的作用。

圖3　分錐式離心分配器

種子落到離心分配器表面上時，種子有向上彈起的趨勢。由于離心分配器的轉(zhuǎn)速非常高，在x軸方向上離心力的作用下使種子向偏離離心分配器中心的方向運動；在y軸方向上，由于受離心分配器的旋轉(zhuǎn)和種子自身慣性力的作用使種子向種子所處的位置的線速度反方向運動；最后，種子與高速轉(zhuǎn)動的離心分配器壁體碰撞，進入分配頭的排種口內(nèi)。

根據(jù)種子的運動分析可知，在x軸方向加速運動，種子在y軸方向上是減速運動，在z軸方向上是加速運動，則其受力方程為

(4)

對稱分隔式離心分配器是較為常見的一種分配器形式，它與對稱分錐式離心分配器的不同之處在于他采用分隔臺代替了分種錐，而且凸臺邊緣采用了圓滑過渡的形式代替了三角形式。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　分隔式離心分配器

對稱分隔式離心分配器中間的分隔臺能將落下來的種子分為兩部分。當(dāng)對稱分隔式離心分配器旋轉(zhuǎn)時，落到分配器表面的種子被分隔臺分成兩部分，并與分隔臺及凸臺壁發(fā)生碰撞從而獲得速度落入分配頭的各個排種口中。

種子在對稱分錐式離心分配器的受力及運動規(guī)律基本與種子在對稱分錐式離心分配器上的運動規(guī)律一樣，這里不再做分析。

對稱喇叭口式離心分配器與分錐式及分隔式離心分配器不同，分錐式和分隔式離心分配器是利用離心力使得凸臺壁與種子碰撞從而進入分配頭的排種口；而喇叭口式離心分配器是利用離心力使種子直接甩出到排種口內(nèi)。該分配器的形式如圖5所示。

圖5　喇叭口式離心分配器

喇叭口式離心分配器的結(jié)構(gòu)如同一個喇叭一樣，凸臺中間凸起，種子下落時首先落到凸起的頂端，然后被均勻分配到凸起底部。

對稱喇叭口式離心分配器的工作原理：種子落到球形邊槽內(nèi)，隨著離心分配器的高速旋轉(zhuǎn)，離心力的作用使種子沿著斜面向上滑動[9]。對在斜面上運動的種子進行受力分析(見圖5)，以沿著斜面向外為x軸正方向，以垂直于斜面向上為y軸正方向建立坐標系。通過分析可知：種子在斜面上受自身重力、斜面的摩擦力(忽略圓周方向上的摩擦力)、斜面的彈力及離心力共同的作用下沿著斜面向上運動，最后進入分配頭的分配口中。

根據(jù)分析可知，在x軸方向上，由于離心分配器的高速旋轉(zhuǎn)，種子是加速運動飛出去，即ax>0；y軸方向上，種子沒有相對運動，則y軸方向的加速度為0。則種子的在斜面的受力方程為

(5)

2.3離心分配器轉(zhuǎn)速

離心分配器轉(zhuǎn)速是影響分種均勻性的又一大因素[10]。對離心分配器的轉(zhuǎn)速進行分析：離心分配器的轉(zhuǎn)速越快，種子落到離心分配器上之后所獲得的速度也就越快；但是，并不是說速度越快，離心分種均勻性就越好，通常情況下，離心分配器轉(zhuǎn)速在1 000r/min左右。

3離心分種性能試驗

3.1試驗方法與評價指標

以小麥為試驗研究對象，對錐體離心式排種裝置的離心分種性能進行試驗研究。試驗時，將種子均勻地分到格盤的每個格槽內(nèi)，隨著錐體格盤的勻速轉(zhuǎn)動，將150g種子排到離心分配器中央，在離心力的作用下分到各個排種口中，對每個排種口排出的種子量用電子天平稱量,計算各行排量一致性變異系數(shù)[11]，則有

(6)

3.2試驗因素及水平

為了確定各影響因素對離心分種過程的影響程度，設(shè)計正交試驗方案進行試驗分析，選取的試驗因素與水平如表1所示。

表1　試驗因素水平表

3.3試驗方案與試驗結(jié)果

根據(jù)所選的試驗方案與水平數(shù)，根據(jù)試驗設(shè)計的正交試驗的理論選用L9(34)，試驗方案與試驗結(jié)果如表2所示。

表2　試驗方案與試驗結(jié)果

續(xù)表2

由表2可知：在G因素二水平下，離心分種效果明顯；F因素的一水平排種均勻效果明顯；E因素的3個水平對離心分種效果的影響差異不大，亦即G2F1E2。因此，E因素是影響各行排量一致性變異系數(shù)的次要因素，3個水平之間的影響效果差別不大。

4結(jié)論

1)對種子經(jīng)過量孔漏斗滑落的過程進行受力分析，并列平衡方程，推導(dǎo)出μ

2)對種子流在分錐式離心分配器、分隔式離心分配器、喇叭口式離心分配器中分種過程進行分析可知：分錐式離心分配器、分隔式離心分配器的分種過程主要是依靠離心力使種子與凸臺壁碰撞進入分配頭的排種口內(nèi)；而喇叭口式離心分配器主要是靠離心力將種子甩如分配頭的排種口內(nèi)。

3)在正交試驗的離心分配器的轉(zhuǎn)速、離心分配器的結(jié)構(gòu)型式、量孔漏斗底端及離心分配器距離3種試驗因素中，離心分配器的轉(zhuǎn)速、離心分配器的結(jié)構(gòu)型式變化對離心分種系統(tǒng)分種均勻性的影響最顯著，量孔漏斗底端與離心分配器距離的變化對離心分種系統(tǒng)的分種均勻性影響不顯著。其中，當(dāng)離心分配器的結(jié)構(gòu)型式采用對稱分隔式、離心分配器的轉(zhuǎn)速為1 200rad/s、量孔漏斗底端與離心分配器距離為25mm時，排種效果最佳。

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Test Study on Centrifugal Distribution Device of Plot Drill

Li Guoliang1，3, Shang Shuqi1，3, Wang Dongwei1，3, Yang Wei2, Li Jiandong2

(1.College of Electric Mechanical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109，China; 2.Menoble CO. ,LTD, Beijing 100083，China; 3.Seed Equipment Engineering Research Center of Shandong Province, Qingdao 266109，China)

Abstract：In order to solve the problem of the community drilling machine minute uneven, interline consistency is poor, the centrifugal seed device was installed on the original metering device of the cone disc. The device is composed of a measuring hole funnel, distribution head, centrifugal distributor, motor and other components, When the work motor driven centrifugal distributor rotate with high speed, which will be from the orifice funnel falling seed flung in all channel distribution head, improve the uniformity of the minutes. On the analysis and research of the device, to determine the factors affecting the minutes uniformity, and through the test to determine the optimal value, for the improvement and development for China's community seeding metering device provides the basis.

Key words：metering device; community drilling machine; centrifugal seed device; centrifugal distributor; minutes uniformity

文章編號：1003-188X(2016)03-0213-05

中圖分類號：S223+.26

文獻標識碼：A

作者簡介：李國梁(1989-)，男，山東泰安人，碩士研究生，(E-mail)450779516@qq.com。通訊作者：尚書旗(1958-)，男，山東青州人，教授，博士生導(dǎo)師, (E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

基金項目：山東省農(nóng)業(yè)良種工程項目(20140503)；國家“948計劃”項目(2013-Z40)；公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203028.4)

收稿日期：2015-02-21