張亞新，張立華，季 偉，張玉梅

(赤峰學院 建筑與機械工程學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

0 引言

我國玉米壟作區(qū)一半以上都集中在干旱、半干旱地區(qū),少雨、災害頻繁等自然因素是產(chǎn)量低而不穩(wěn)的主要原因。在北方大部分地區(qū)，農(nóng)民自行開墾的土地較多[1-4]，這種自行開墾的土地形狀不規(guī)則，地表凹凸不平，地塊狹小細長，耕種難以實現(xiàn)機械化，在耕種的過程中浪費較多的勞力和時間，農(nóng)民每年連續(xù)耕種的隨機性很大，這也是玉米產(chǎn)量不穩(wěn)的重要因素。

目前，市場上出售的適用于自開采、小區(qū)域、不規(guī)則土地玉米種植設備[5]主要有手提式玉米播種機和腳踏式玉米播種機,這兩種播種機由于機構(gòu)原因和價格因素,其排種原理都是采用機械式進行排種,機械式排種方式雖然結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉以及可靠性較為突出，但是排種均勻性較差、傷種多且很難實現(xiàn)精量播種，而氣動式播種能有效的避免這些缺點。

氣動技術以空氣作為動力提供介質(zhì)， 具有取材容易、設備簡單、造價低廉、環(huán)保節(jié)能，已在農(nóng)業(yè)工程領域廣泛應用[6]。氣動式播種機對種子形狀和尺寸要求不嚴，傷種少，易實現(xiàn)單粒點播，在精量播種中應用廣泛[7-8]，因此針對機械式吸排種裝置在手提式玉米播種機和腳踏式玉米播種機中使用的弊端設計了單缸氣動式玉米吸排種裝置，實現(xiàn)了人力、氣源和重力共同作用下的氣動播種。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)與技術參數(shù)

單缸氣動式玉米吸排種裝置是手提式玉米播種機和腳踏式玉米播種機的重要組成部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.排氣孔 2.吸種管 3.活塞缸 4.密封圈 5.防脫毛刷支架 6.種箱 7.螺栓孔 8.底座 9.排種口 10.下導種管 11.防脫毛刷 12.吸種口 13.上導種管 14.添種口

單缸氣動式玉米吸排種裝置主要由氣孔、吸種管、活塞缸、防脫毛刷、種箱、底座、上下導種管，以及添種口組成。

其主要技術參數(shù)如下：

整機質(zhì)量/kg：2.8

作業(yè)頻率/次·min-1：60～70

1.2 工作原理

活塞缸與種箱形成體積可變的密閉空間，結(jié)合部安裝密封圈，防止氣體外泄。活塞缸與種箱發(fā)生相對運動使密閉空間體積減小，產(chǎn)生氣壓推動種子進入吸種口?；钊醉敳吭O置添種口和排氣孔，排氣孔貫穿吸種管，與吸種口連接，在密閉空間內(nèi)壓強增加時，內(nèi)部與外部形成壓差，產(chǎn)生氣流，推進種子進入吸種口中?；钊着c種箱復位時，吸種管隨活塞缸上移帶動種子進入防脫毛刷中，吸種管繼續(xù)上移從防脫毛刷上側(cè)露出，在氣流、振動及重力的作用下使種子落入上導種管，并在活塞缸錯開種箱上的凹槽后滑入下導種管，最終通過排種口排出。

2 吸排種裝置的簡化模型

單缸氣動式玉米吸排種裝置的作業(yè)對象為中等顆粒的玉米種子，屬于散粒體中的粗粒體。吸排種裝置中的吸種口與玉米種子的尺寸相近。吸種口結(jié)構(gòu)如圖2所示，每次吸種過程中能與吸種口接觸的玉米種子最多2～3粒。當玉米種子有多粒與吸種口接觸時，由于其位置不完全對稱，受力也不盡相同，在氣體壓力的作用下，只能有一粒玉米種子進入吸種口中。在整個吸種過程中，由于種子受到的氣壓未達到其變形的壓力，因此將單缸氣動式玉米吸排種裝置的力學模型簡化為單剛體系統(tǒng)[9]。

1.排氣孔 2.吸種管 3.吸種口 4.玉米種子

影響單缸氣動式玉米吸排種裝置吸排種效果的因素有很多，為了便于力學分析，忽略次要因素，對模型進行簡化。吸排種裝置采用的種子為“豐墾117”號玉米種子，其幾何尺寸如表1所示。

表1 “豐墾117”號玉米種子的三維尺寸

由表1可知：“豐墾117”號玉米種子的長度、寬度和厚度相差不大，可假設玉米種子外形為尺寸均勻一致的球形剛體，受到的作用力全部作用于質(zhì)心。

種箱內(nèi)種子的厚度對吸種效果有較大影響。研究表明：種箱內(nèi)種子的厚度越厚，種箱與活塞缸相對運動越慢，種子較難進入吸種口。因此，假設玉米種子在種箱內(nèi)均勻分布，且厚度為2～3層，吸種口吸入的種子為最底層的上一層種子。在吸排種過程中，種子受到氣流場繞流、自身重力、其他種子的作用力及空氣阻力作用?？紤]到空氣阻力與種子的運動速度成正比，由于種子吸入吸種口時，運動速度較小，因此忽略空氣阻力對種子的影響。

3 吸排種裝置的動力學模型

3.1 玉米種子在吸排種過程中的運動分析

單缸氣動式玉米吸排種裝置安裝在手提式玉米播種機和腳踏式玉米播種機上工作，由于手提式或腳踏式播種機在播種過程中存在著劇烈的振動。種箱內(nèi)的種子為粗粒體，經(jīng)播種機的振動后向上拋擲，呈現(xiàn)出“沸騰”狀態(tài)；當播種機的播種口沒入土壤后，振動停止，在重力作用下，玉米種子均勻分布于吸種口周圍，種子進入吸排種階段。

吸種階段：玉米種子在氣流場負壓、吸種口及其他種子的作用下，由靜止進入到吸種口中。持種階段：種子受到自身的重力、氣流場壓力及吸種口的支持力,使種子隨吸種口上移至防脫毛刷中。排種階段：種子因振動呈懸浮狀態(tài)，受氣流場正壓和自身重力作用，從吸種口中脫離，落入上導種管中，并在重力作用下滑入下導種管中，最終落入排種口中。

3.2 玉米種子吸種過程中的動力學模型

在吸種過程中,玉米種子受力分析如圖3所示。在吸種過程中,玉米種子在氣流場負壓、吸種口及其他種子的作用下發(fā)生運動。其運動開始于吸種口邊緣,由于種子在吸種口邊緣的過程非常短,因此近似認為玉米種子的運動狀態(tài)未發(fā)生變化,可按靜力學平衡條件分析其運動的臨界條件。

圖3 吸種階段受力分析

沿吸種管的軸向和徑向建立笛卡兒坐標系，種子即將進入吸種口的臨界狀態(tài)列平衡方程為

(1)

FQ≥

(2)

式中FQ—氣流場對種子的作用力(N)；

Fzx—吸入種子周圍其他種子對吸入種子壓力以及摩擦力合力在x軸方向分量(N)；

Ff—吸種口對吸入種子的摩擦力(N)；

θ—氣流場對玉米種子吸入方向與x軸夾角(rad)；

φ—吸入角(rad)；

Fn—吸種口對玉米種子的支持力(N)；

洞庭湖所面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)很大，對策和機制的設定需要落實，只有首先統(tǒng)一好一系列制度，才能聯(lián)動濕地旅游業(yè)的建設開發(fā)，才能具體落實行動。統(tǒng)一好管理與服務人員對生態(tài)經(jīng)濟區(qū)濕地旅游業(yè)的管理服務能力，才能打造一個良好的景區(qū)的招牌。只有集結(jié)眾人力量去落實湖區(qū)環(huán)境的保護，才有濕地旅游業(yè)的發(fā)展。當洞庭湖區(qū)人民的生活不斷改善，問題都得到有效解決，人民才既能坐擁金山銀山、又能共享綠水青山，那時洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟區(qū)必然已是秀美富饒的新經(jīng)濟增長狀態(tài)。

Fzy—吸入種子周圍其他種子對吸入種子壓力以及摩擦力合力在y軸方向分量(N)；

G—吸入玉米種子所受的重力(N)。

在吸種過程中，種子受到的主要作用力是氣流產(chǎn)生的，玉米種子處在一定流速的氣流場中，根據(jù)流體力學原理，繞流阻力的計算公式為[10]

(3)

式中Cd—無因次系數(shù)；

s—種子在垂直運動方向的平面投影面積(m2);

ρ—空氣密度(kg/m3);

V—氣流速度(m/s)。

由式(2)和式(3)可知

CdsρV2≥

(4)

由式(3)和式(4)可知：玉米種子被吸入的作用力大小與氣流速度的二次方成正比,氣流速度與活塞缸和種箱的相對運動即播種頻率成正比,因此播種頻率是種子被吸入的最重要參數(shù)。同時,吸入作用力與種子在垂直運動方向的平面投影面積成正比,即種子越大在相同的氣流場受到的力也越大,但這種增量因參數(shù)的原因遠小于質(zhì)量增加引起的運動阻力,因此較小的種子更容易被吸進吸種口。即增加播種頻率或選用較小的玉米種子可以大大提高吸種效果。此外，小范圍增加吸種口吸入角也有利于種子被吸附。

3.3 玉米種子持種過程中的動力學模型

玉米種子進入吸種口以后，活塞缸與種箱的相對位置再次發(fā)生變化，由壓縮密閉空間轉(zhuǎn)為擴展密閉空間，吸種管隨活塞缸相對種箱向上運動，攜帶吸種口的種子進入防脫毛刷中。在進入防脫毛刷之前有50mm左右的持種階段，其受力分析如圖4所示。

圖4 持種階段受力分析

由圖4可知：沿吸種管的軸向為y軸方向和徑向為x軸方向，建立笛卡兒坐標系，種子沿吸種管的軸向運動，其動力學方程為

(5)

式中a(t)—玉米種子在持種階段的y軸方向上加速度(m/s2)；

Fyn(t)—吸種口對玉米種子y軸方向的支持力(N)；

G—吸入玉米種子所受的重力(N)。

因為G=mg，式(5)變?yōu)?/p>

(6)

由式(6)可知：玉米種子在吸種口的作用下沿吸種管軸向加速運動進入防脫毛刷中，在整個持種過程中，種子所受的支持力隨時間發(fā)生變化，沿吸種管軸向運動的加速度亦隨時間變化。吸種口是種子所受支持力的施力體，其作用方向平行于種子的運動方向，是種子沿吸種管軸向運動的主要因素。

玉米種子沿徑向受力情況如圖4所示。種子未發(fā)生沿徑向的相對運動，即在徑向受力保持了平衡狀態(tài)，因此可按靜力學平衡條件分析其受力，則有

Fxn(t)=FQ(t)

(7)

式中Fxn(t)—吸種口對玉米種子x軸方向的支持力(N)；

FQ(t)—持種過程中，氣流場對種子的作用力(N)。

由式(7)可知：玉米種子在進入防脫毛刷之前的持種階段，受到的徑向力有兩個：一個是氣流場對種子的作用力；另一個是吸種口對種子的徑向支持力。這兩個力都隨時間發(fā)生變化，但徑向支持力是隨著氣流場對種子的作用力改變而變化的。在吸種口持種過程中，活塞缸與種箱形成壓縮密閉空間雖然增大了，但內(nèi)部的壓力仍大于外部壓力，氣流的方向仍是向x向的正方向，對種子的作用是吸緊的，因此實現(xiàn)了吸種口的可靠持種。

3.4 玉米種子排種過程中的動力學模型

玉米種子在排種過程中所受的力如圖5所示。

圖5 排種階段的受力分析

吸種管攜帶玉米種子通過防脫毛刷后，活塞缸運動到最高點，帶動吸種管急停，玉米種子在慣性的作用下撞擊吸種口上下沿，多數(shù)時間是在懸浮過程中。玉米種子在這個階段受到自身重力和氣流場的作用，此時活塞缸與種箱形成的密閉空間體積最大，密閉空間內(nèi)部的壓力小于外部的壓力，氣流從外部通過到吸種管的排氣孔進入密閉空間。在吸種口吹出的時候，作用在玉米種子上、懸浮過程動力方程為

(8)

式中a(t2)—玉米種子在排種階段的加速度(m/s2)；

FQc—種子在排種階段受到氣流場的作用力(N)；

由式(8)可知：玉米種子在氣流的作用下，從吸種口滑落到上導種管，經(jīng)下導種管最終落入排種孔。氣流的大小是種子被吹出的主要因素，活塞缸復位速度決定氣流的大小，復位越快，氣流越大，種子越容易被吹出，因此在安裝過程中，選用復位力大的復位彈簧或復位氣缸。

4 吸排種試驗

4.1 試驗設備與方法

為檢驗單缸氣動式玉米吸排種裝置的性能,設計了一套可調(diào)節(jié)運動頻率的往復運動系統(tǒng)，模擬排種裝置在實際應用中的運動情況。

試驗過程分兩步進行：第1步采用未分級種子，在不同袋裝的5kg “豐墾117”號玉米種子混合后，隨機選取進行試驗，試驗中分別采用50、60、70、80次/min的播種頻率進行吸排種試驗，記錄數(shù)據(jù)，每種播種速率測試3次，取平均值，確定最佳播種頻率。第2步利用特殊的篩網(wǎng)，將玉米種子分為3級，分別是：種子最大尺寸小于7mm、種子最小尺寸大于8mm及最小尺寸大于等于7mm,最大尺寸小于等于8mm的玉米種子，采用最佳播種頻率播種，記錄單缸氣動式玉米吸排種裝置的排種性能參數(shù)。

4.2 試驗結(jié)果及分析

通過實驗室試驗測得單缸氣動式玉米吸排種裝置在不同播種頻率下的排種指標如表2所示。

表2 不同播種頻率下的排種性能參數(shù)

從表2測試數(shù)據(jù)可看出：播種頻率在50、60、70次/min時，隨著播種頻率越高，播種的合格率越高，即吸種口的吸種性能越好，試驗結(jié)果與動力學模型的分析結(jié)果一致。但并非越快的播種頻率，吸種性能越好，因為加速度需要時間才能產(chǎn)生大的速度，進而產(chǎn)生位移。播種頻率過快，雖然使氣流場對玉米種子能產(chǎn)生較大的加速度，同時也加快了吸種管在種層內(nèi)部的抽離速度，反而影響了吸種效果。因此，排種器播種頻率在70次/min時，播種合格率為94.22%，為最佳播種頻率。

以70次/分的播種頻率對不同尺寸的玉米種子進行吸排種試驗，測得的排種指標如表3所示。

表3 不同種子尺寸下的排種性能參數(shù)

由表3可以看出：尺寸較大的種子，漏播率高，隨著種子尺寸的減小，漏播率也隨之減少，與動力學模型的分析結(jié)果一致，即在相同的氣流場吸力的作用下，較小的種子容易吸入吸種口。

5 結(jié)論

1)單缸氣動式玉米吸排種裝置隨播種速率的增加，吸排種效果呈開口向下的拋物線狀，頻率在70次/min時，播種合格率為94.22%，為最佳播種頻率。94.22%為實驗室測得播種合格率，實際生產(chǎn)中，由于震動、傾斜、受力不連續(xù)以及運動狀態(tài)復雜等原因，實際合格率低于94.22%。

2)種子較大容易漏播，種子較小容易重播，因此在設計吸種口尺寸時應按所作用種子的平均直徑進行設計。

3)活塞缸與種箱在壓縮后復位越快，玉米種子在排種階段越容易被吹出吸種口。因此，安裝單缸氣動式玉米吸排種裝置在手提式或腳踏式玉米播種機時，需要選用復位力較大的復位彈簧或復位氣缸。

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