王業(yè)成 靳亞東 羅嗣博 孫 浩 陳海濤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

排種器是播種機(jī)的核心部件，其性能是保證播種機(jī)播種質(zhì)量的前提[1-4]。集排式排種器采用1個排種部件進(jìn)行多行播種，可以簡化播種單體結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)、減小播種機(jī)重量，降低成本，解決大豆窄行密植農(nóng)藝對播種機(jī)的要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬幅、高效播種作業(yè)，成為排種器的發(fā)展方向[5-9]。

氣力式排種器，是利用氣流壓力差從種子群中攫取分離出單粒種子，并依次等間距地排出投入到種床中，實(shí)現(xiàn)精密播種作業(yè)。為了減小單粒種子從種子群間分離的阻力[10-12]，目前普遍采用機(jī)械攪拌種子方式和氣力、振動種子沸騰的方式[13-16]，強(qiáng)制種室內(nèi)種子間的相對運(yùn)動，便于單粒種子從種子群內(nèi)分離。機(jī)械攪拌種子裝置和機(jī)械振動方式不能避免由重力引起的種子間作用力，其降低單粒種子從種子群間分離的阻力是有限的，而采用氣力沸騰的方式存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消耗風(fēng)壓等問題，目前僅在室內(nèi)、小粒種子和有粘性種子精量播種機(jī)上少量使用。

本文采用滑落吸種、碰撞清種的方式設(shè)計(jì)一種集排式精量排種器。吸種時種子在重力及滾筒摩擦力的作用下，與吸孔同向并加速向下運(yùn)動，從而減小重力引起的種子間作用力，降低單粒種子從種子群內(nèi)分離的阻力，同時增大吸種行程，降低種子相對滾筒速度，從而改善排種器充種性能，提高播種質(zhì)量。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，集排式精量排種器主要由種箱、殼體、滾筒、導(dǎo)種板、送種管、提升裝置及傳動裝置等組成。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagrams of seed-metering device1.殼體 2.種室 3.種子 4.導(dǎo)種板 5.滾筒 6.送種管 7.進(jìn)種管 8.提升裝置 9.種箱 10.傳動裝置 11.毛刷 12.氣室 13.板簧 14.連桿

如圖2所示，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的正壓氣流通過進(jìn)氣口進(jìn)入排種器殼體內(nèi)，在滾筒吸孔內(nèi)外壓差的作用下種子吸附在滾筒吸孔上，實(shí)現(xiàn)充種過程。

圖2 排種器工作過程示意圖Fig.2 Schematic diagram for working process of seed-metering device1.殼體 2.種子 3.滾筒 4.壓種氣流 5.送種管 6.未被吸附種子 7.已吸附種子 8.自由滑落種子 9.提升裝置

當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動時，種子群在滾筒摩擦力及其重力作用下，沿導(dǎo)種板由靜止以一定的加速度向下滑落，種子間距逐漸增大，從而減小了種子間作用力，降低了單粒種子從種子群內(nèi)分離的阻力。加速滑落的種子在滾筒某一位置區(qū)域可以達(dá)到與滾筒表面相同的線速度，在該位置吸附種子，可以減小種子慣性力對吸種效果的影響。

清種時，加速下落的種子與滾筒上已吸附種子存在一定的速度差，通過導(dǎo)種板控制下落種子的軌跡、速度，使其與已吸附種子發(fā)生一系列輕微碰撞，使已吸附種子由靜摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的動摩擦狀態(tài)，吸力較大的種子將擠掉吸力較弱的種子，實(shí)現(xiàn)清種過程。

投種時，滾筒的吸孔被密封，在重力及送種口氣流場的作用下，種子與滾筒表面分離，進(jìn)入送種管，經(jīng)送種管氣力運(yùn)送至投種口進(jìn)行投種，實(shí)現(xiàn)投種過程。未被吸附的種子通過提升裝置提升至滾筒上方的種室內(nèi)，準(zhǔn)備進(jìn)行下次充種。

2 排種器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 排種滾筒設(shè)計(jì)

排種滾筒直徑為211 mm，采用1 mm彈性不銹鋼鋼板制成，兩端分別固定安裝有法蘭，以提高其剛度。

吸孔直徑d采用經(jīng)驗(yàn)公式[17]

d=(0.64～0.66)b

(1)

式中b——種子的平均寬度，mm

根據(jù)大豆幾何特性，大豆種子平均寬度b為5.1～7.3 mm[18]，由式(1)可得孔徑d為3.26～4.82 mm，取吸孔直徑為3.5 mm。

根據(jù)所播作物的株距和行距要求，考慮播種機(jī)作業(yè)速度及排種器性能等因素[19]，選擇周向吸孔數(shù)為45個，軸向每排吸孔間距為50 mm。

2.2 充種過程分析

排種器工作時，種子在滾筒摩擦力及其重力的作用下由靜止開始加速滑落。為簡化分析，忽略種子間作用力，種子未脫離滾筒時受力分析如圖3所示。

圖3 種子受力分析Fig.3 Force analysis for seed

沿種子滑落軌跡的切向、法向建立其動力學(xué)方程

(2)

其中

式中φ——種子相對初始位置的轉(zhuǎn)角，rad

s——種子相對初始位置的路程，mm

aτ——種子切向加速度，m/s2

an——種子法向加速度，m/s2

m——種子質(zhì)量，gR——滾筒半徑，mm

ω——滾筒角速度，rad/s

FS——種子對滾筒的摩擦力，N

FQ——由吸孔內(nèi)外壓差形成的種子吸附力，N

FN——滾筒對種子的支持力，N

f——滾筒與種子的摩擦因數(shù)

Φ——各種因素對種子所受吸附力影響的修正系數(shù)

Δp——?dú)んw內(nèi)氣壓，kPa

vr——種子與滾筒表面相對速度

當(dāng)未吸附種子從滾筒表面滑落時，忽略種子受到的滾筒摩擦力及吸附力，由式(2)可得種子滑落線速度及滾筒對種子的支持力

(3)

(4)

當(dāng)種子被滾筒吸孔吸附時，種子與滾筒表面相對速度vr=0，為保證種子被吸孔吸附，要求滾筒對種子的支持力FN>0，則

(5)

由式(5)可知，種子能否被滾筒吸孔吸附并隨滾筒轉(zhuǎn)動，與殼體內(nèi)氣壓Δp、吸孔直徑d、滾筒角速度ω、種子物料特性(Φ、m)、滾筒半徑R等因素有關(guān)。

取播種機(jī)作業(yè)速度為4～12 km/h，即滾筒角速度ω為2.20～6.70 rad/s。取Φ=0.15，f=0.3，大豆顆粒質(zhì)量m=0.256 g，吸孔直徑d=3.5 mm，滾筒半徑R=104.5 mm，可求得排種器工作時所需氣壓Δp為3.0～5.2 kPa?？紤]到排種器實(shí)際作業(yè)情況復(fù)雜，本文考察排種器性能試驗(yàn)時，氣壓取值范圍為3～7 kPa。

2.3 清種過程分析

當(dāng)滾筒吸孔吸附多粒種子時，已吸附種子之間的間距變小，如果讓滑落種子從已吸附種子之間穿過，將與其發(fā)生碰撞，并擾動、清除多余吸附的種子。

分析下落種子與已吸附種子之間的相對速度，如圖4a、4b所示，取下落種子為動點(diǎn)，把動系固定在滾筒表面，應(yīng)用點(diǎn)的速度合成定理

va=ve+vr

(6)

式中va——種子相對排種器的絕對速度，m/s

ve——滾筒表面的牽連速度，m/s

獲得相對速度與水平方向的夾角

(7)

式中k——絕對速度與牽連速度的比值

α——絕對速度(導(dǎo)種板)與牽連速度的夾角，rad

如圖4a所示，在充種區(qū)域初始階段，種子滑落的絕對速度va小于滾筒的牽連速度ve，此時相對速度vr隨著導(dǎo)種板夾角α減小、絕對速度va增大而減小。為提高充種質(zhì)量，在充種區(qū)域應(yīng)減小種子相對滾筒的速度vr，即減小導(dǎo)種板夾角α，使滑落的種子在重力作用下獲得較大的加速度，提高絕對速度va。如圖4b所示，在清種區(qū)域，種子下落速度va已經(jīng)達(dá)到或大于滾筒的牽連速度ve，此時相對速度vr隨著導(dǎo)種板夾角α、絕對速度va的增大而增大。較大的相對速度vr可以提高種子間的碰撞強(qiáng)度。

圖4 種子運(yùn)動分析Fig.4 Seed motion analyses1.下落種子 2.導(dǎo)種板 3.吸孔 4.已吸附種子

如圖4c所示，當(dāng)下落種子從已吸附單粒種子中間穿過，不發(fā)生碰撞時，下落種子相對速度vr與水平方向的最大夾角

(8)

式中l(wèi)0——吸孔之間臨界距離，mm

如圖4d所示，增大導(dǎo)種板夾角α可以在有限的下落高度S內(nèi)，增加下落種子從吸孔中間穿過的次數(shù)p，提高種子間碰撞的頻率。當(dāng)吸孔之間距離為l1時，下落種子通過吸孔次數(shù)p為

(9)

式中B——導(dǎo)種通道寬度，mm

根據(jù)導(dǎo)種板結(jié)構(gòu)，得到S=300 mm、B=30 mm，由式(9)獲得通過吸孔次數(shù)p，如圖5所示。在絕對速度與牽連速度比值k相同的條件下，通過吸孔次數(shù)p隨導(dǎo)種板夾角α的增加而增大。當(dāng)k<0.8時，通過吸孔次數(shù)p隨速度比值k的增加而增大；當(dāng)k≥1時，速度比值k的變化對通過吸孔次數(shù)p的影響較小。

圖5 通過吸孔次數(shù)變化曲線Fig.5 Curves of number through suction hole

2.4 密封裝置

排種器密封結(jié)構(gòu)決定著排種器工作的可靠性，密封裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖6所示。

圖6 密封裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.6 Structure diagram of sealing device 1.波紋管 2.氣室 3.連桿 4.板簧 5.導(dǎo)氣管 6.排種滾筒

導(dǎo)氣管固定安裝在排種器殼體上并與外界相通，4個板簧的兩端分別與導(dǎo)氣管2個連桿連接，連桿在2個板簧的限制下做水平移動，氣室與每個連桿端部的球鉸鏈連接，實(shí)現(xiàn)氣室在2個球鉸鏈處沿y方向及沿滾筒軸線方向位移的限制，在板簧水平彈性力及氣壓的作用下，浮動的氣室與滾筒以較大的力緊密貼合，同時氣室上固定柔性密封條以較小的貼合力實(shí)現(xiàn)氣室與滾筒之間間隙的密封，從而減少氣體的泄漏和減小密封部件工作阻力。

為了確保滾筒運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，避免氣室與滾筒之間自鎖，應(yīng)合理設(shè)計(jì)氣室鉸接點(diǎn)位置。

氣室受力如圖7a所示，設(shè)氣室對滾筒的正壓力及摩擦力均勻分布，其合力作用線方程為

圖7 氣室受力圖Fig.7 Free body diagrams of air chamber

(10)

(11)

其中

∑M0(F)=-2qflR-2qfR2θ0

式中Fx——?dú)馐遗c滾筒之間正壓力與摩擦力合力在x軸的分力，N

Fy——?dú)馐遗c滾筒之間正壓力與摩擦力合力在y軸的分力，N

qf——?dú)馐遗c滾筒之間摩擦力，N

qN——?dú)馐遗c滾筒之間正壓力，N

l——?dú)馐已貪L筒軸向邊長，mm

θ——正壓力與水平軸線的夾角，rad

θ0——?dú)馐覍?yīng)的圓心半角，rad

為使氣室正應(yīng)力均勻分布，應(yīng)取氣室的鉸接點(diǎn)位于氣室正壓力與摩擦力合力作用線上，保證氣室與滾筒之間的密封可靠性。

如圖7b所示，陰影區(qū)域?yàn)闈L筒對氣室端部的全約束力作用線所在區(qū)域，其中φf為摩擦角。為了避免滾筒吸孔內(nèi)殘留的種子可能與氣室之間出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象，安裝氣室鉸接點(diǎn)A應(yīng)位于全約束力作用線所在區(qū)域的外側(cè)，來保證排種滾筒轉(zhuǎn)動平穩(wěn)。

取R=104.5 mm，l=210 mm，θ0=81°，f=0.3，可由式(11)得合力作用線方程y=0.3x-82.4。取鉸接點(diǎn)A位于合力作用線上，并靠近滾筒(氣室邊緣)處?？紤]鉸接點(diǎn)結(jié)構(gòu)安裝尺寸，如圖7所示，取鉸接點(diǎn)A的坐標(biāo)xA=71 mm，yA=-61 mm，來實(shí)現(xiàn)氣室正壓力均勻分布和避免出現(xiàn)自鎖現(xiàn)象。

3 排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)選用“黑農(nóng)38”大豆為樣本，千粒質(zhì)量為265.6 g，三軸尺寸為(7.15±0.45) mm、(5.63±0.43) mm、(6.71±0.40) mm。試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。

如圖8所示，試驗(yàn)裝置主要由JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺、U型壓力計(jì)、高速攝像機(jī)(PhantomV5.1-4G，Vision Research， Inc. USA)和傳動系統(tǒng)等組成。

圖8 試驗(yàn)裝置Fig.8 Experimental device1.U型壓力計(jì) 2.集排式精量排種器 3.JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺 4.光源 5.高速攝像機(jī)

3.2 試驗(yàn)方法

參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，選取合格指數(shù)A、重播指數(shù)D、漏播指數(shù)M為測試指標(biāo)，氣壓、作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行雙因素重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)因素和水平如表1所示。試驗(yàn)共25組，每組重復(fù)3次，取3次測試數(shù)據(jù)的均值作為該組試驗(yàn)結(jié)果。

表1 試驗(yàn)因素與水平Tab.1 Factors and levels of experiment

應(yīng)用高速攝像技術(shù)對每個吸孔吸附粒數(shù)進(jìn)行測量，其拍攝速率為300 幀/s。每次試驗(yàn)分別統(tǒng)計(jì)250個吸孔吸附種子的粒數(shù)，吸附1粒種子為單粒，吸附2粒及以上為多粒，未吸附種子為空穴。

各試驗(yàn)指標(biāo)為

(12)

(13)

(14)

式中n1——單粒種子個數(shù)

n2——多粒種子個數(shù)

n3——空穴個數(shù)

N′——理論排種個數(shù)

氣壓為排種器工作時，排種器殼體內(nèi)的正壓值，采用U型壓力計(jì)進(jìn)行測定。應(yīng)用JPS-12型精密排種器性能檢測試驗(yàn)臺進(jìn)行作業(yè)速度的測量，測量誤差小于0.5%。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖9a所示，當(dāng)氣壓為3、4 kPa時，合格指數(shù)隨作業(yè)速度增大呈下降趨勢，當(dāng)氣壓為3 kPa，作業(yè)速度為10～12 km/h時，合格指數(shù)小于95%，此時排種器不能滿足使用要求。當(dāng)氣壓為5、6、7 kPa時，合格指數(shù)隨作業(yè)速度變化呈先上升后下降趨勢，合格指數(shù)大于95%，排種器滿足使用要求。

如圖9b所示，漏播指數(shù)隨作業(yè)速度增大呈上升趨勢，隨氣壓增大呈下降趨勢。其中，氣壓為3 kPa時，種子所受吸附力較小，漏播指數(shù)明顯高于其它氣壓，漏播指數(shù)隨作業(yè)速度顯著增大；氣壓為5～7 kPa時，種子所受吸附力較大，漏播指數(shù)小于2%。

如圖9c所示，重播指數(shù)一直保持較低水平。其中，當(dāng)氣壓為3、4 kPa時，重播指數(shù)為0；氣壓為5、6、7 kPa時，重播指數(shù)小于2%，重播指數(shù)隨作業(yè)速度增大呈下降趨勢。

圖9 氣壓與作業(yè)速度對排種性能的影響Fig.9 Influence of air pressure and working speed on seed-metering performance

圖10 清種過程高速影像Fig.10 High-speed images of cleaning process

應(yīng)用高速攝像技術(shù)觀察多余吸附種子被下落種子碰撞清除過程，如圖10a所示，氣壓為7 kPa，作業(yè)速度8 km/h，各幅圖片間隔時間2 ms，實(shí)線圓圈為已吸附種子，虛線圓圈為多余吸附種子。下落種子流與已吸附種子發(fā)生碰撞，干擾已吸附種子，吸力較大種子將擠掉吸力較弱種子，從第6幅圖片起，吸附力較弱種子逐漸遠(yuǎn)離吸孔，直至脫離滾筒，完成清種過程。

已吸附種子被下落種子清除過程如圖10b所示，氣壓為3 kPa，作業(yè)速度10 km/h，各幅圖片間隔時間4 ms，實(shí)線圓圈為已吸附種子。下落種子流以較高的速度與已吸附種子發(fā)生碰撞，種子所受碰撞力大于其吸附力，使其脫離滾筒，發(fā)生漏播現(xiàn)象。

下落種子有必要采用導(dǎo)種板控制其運(yùn)動軌跡、速度，來延長滾筒的吸附區(qū)域，降低滑落種子的速度，使滑落種子與滾筒吸孔的運(yùn)動軌跡多次交叉，實(shí)現(xiàn)對已吸附種子進(jìn)行多次小碰撞干擾，可靠地清除多余吸附種子，并避免單粒已吸附種子被清除，從而提高排種器的工作質(zhì)量。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種滑落吸種、碰撞清種方式的集排式精量排種器，結(jié)構(gòu)簡單，無機(jī)械清種裝置，種子適應(yīng)性好，可滿足大豆精量播種的作業(yè)要求。

(2)對充種區(qū)域的種子進(jìn)行運(yùn)動分析，確定了種子吸附時排種器所需氣壓范圍，分析了下落種子相對滾筒的速度及其通過吸孔的次數(shù)。設(shè)計(jì)了多自由度密封結(jié)構(gòu)，確定了氣室鉸接的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高了氣室與滾筒密封的可靠性。分析并應(yīng)用高速攝像技術(shù)觀察了排種器滑落吸種、碰撞清種的工作過程。

(3)試驗(yàn)研究表明，當(dāng)氣壓為3、4 kPa，作業(yè)速度為4～12 km/h時，合格指數(shù)隨作業(yè)速度增大呈下降趨勢；當(dāng)氣壓為5、6、7 kPa，作業(yè)速度為4～12 km/h時，合格指數(shù)隨作業(yè)速度增大呈先上升后下降趨勢；漏播指數(shù)隨氣壓增大呈下降趨勢，且隨作業(yè)速度增大呈上升趨勢；重播指數(shù)一直保持較低水平。當(dāng)氣壓為5 kPa、作業(yè)速度8 km/h時，合格指數(shù)大于95%，漏播指數(shù)小于2%，能適應(yīng)高速作業(yè)。

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