垂直圆盘排种器

垂直圆盘排种器（精选3篇）

垂直圆盘排种器 篇1

摘要：目前,我国玉米精量播种面积较大,其中采用垂直圆盘气吸式播种技术进行播种的较多,但该项技术在高速作业时存在排种器攫取种子效果不佳的问题,即出现少播或漏播的现象。为此,针对该问题开展相关技术研究,从理论上对垂直圆盘式气吸式排种器攫取种子的过程及有关参数进行分析,找出解决该问题的方法,提高机械化作业效率。

关键词：排种器,垂直圆盘,气吸式,种子

0 引言

精量播种技术是针对一穴多粒、广种薄收的传统耕种方式提出的新的耕种栽培措施。该项播种技术采用机械化作业,播种质量好,行距、株距规范,分布均匀,具有省种、省工、苗壮、高产等优点,是一项重要的节本增效工程,是现代化农业发展的必然趋势[1],应用前景广泛。但是精量播种机的作业速度在很大程度上受排种器单位时间内按一定的时间间隔均匀连续地排出种子数量的限制,即排种频率的限制;排种频率又取决于吸种孔能够攫取种子的排种盘的极限转速。

为了提高播种机的作业速度,实现高效率机械化作业,需要研究排种器的结构参数、吸种孔攫取种子的动力参数与排种盘极限转速之间的关系。本文拟以排种辽单565玉米种子为例,用两相流动理论对排种盘攫取种子的过程进行分析,得出排种盘的极限速度与各动力参数之间的关系。

1 气吸排种器的工作原理

气吸室的环形气吸道通过塑料软管与风机的进气口接通,工作时气吸道被吸成负压,气吸道的空腔被排种盘封闭,排种盘的两侧形成压力差;吸种区的种子与排种盘接触,排种盘转到使吸种孔进入吸种区时,吸种孔从吸种区内攫取一粒种子。当吸有种子的吸种孔转动到吸种道终止处时,吸种孔上的种子在自重的作用下落入种沟,完成排种器的排种过程,如图1所示。

2 吸种孔攫取种子过程的分析

由于气吸室的负压的作用,吸种孔外侧的空气流入吸种孔。在吸种孔附近形成气流流速场,吸种孔附近的种子在气流的作用下受力,被吸种孔攫取,为了分析攫取种子的过程,应了解气流速度场的速度分布及种子在势力场中的受力和运动规律。

2.1 吸种孔附近的气流速度场分析

吸种孔内侧为气吸道,气压为P,如图2所示。吸种孔外侧以吸种孔中心线上某点为球心,各同心球面为等势面,各等势面的能量为常数,则

${\rm P}{}_R+\frac{1}{2}\rho u{}_{{}_R}^2=C$

假定吸种孔外侧静压为0,那么等势面的气流速度为

式中 u1—吸种孔内的气流速度;

ε1—收缩系数,薄壁平口流体出流,ε1=0.64;

A—吸种孔面积,A=1/4πd2;

d—吸种孔直径。

应该指出,以球面为等势面是近似的,沿排种盘方向及排种处附近的气流速度要略低一些。

吸种孔外侧与大气接通,可以看作一个很大的容器,容器的尺寸比吸种孔尺寸大得多,故可看做u0=0。由于吸种孔内气流速度很大,远大于热量的传递速度,所以均按绝热过程处理,根据压缩性流体一元运动基本理论,并注意到

$\rho =\rho {}_0\left(\frac{{\rm P}}{{\rm P}{}_0}\right){}^{\frac{1}{{\rm K}}}$

故可得流径孔口的气流速度为

$u{}_1=\phi \sqrt{\frac{2{\rm K}}{{\rm K}-1}-\frac{{\rm P}{}_0}{\rho {}_0}\left[1-\left(\frac{{\rm P}}{{\rm P}{}_0}\right){}^{\frac{{\rm K}-1}{{\rm K}}}\right]}(2)$

式中 φ—流速系数,薄壁平口流体出流,φ=0.97;

K—绝热指数(双原子气体),K=1.4;

P—气吸室内空气的绝对压力;

P0—大气压力(Pa),P0=0.101×106;

ρ0—空气密度(kg/m3),当t=14℃时,ρ0=1.23。

将式(2)带入式(1),得到吸种孔外气流速度的一般公式

$u=\frac{\epsilon {}_{1}A\phi }{2\text{π}R{}^2}\sqrt{\frac{2{\rm K}}{{\rm K}-1}\cdot \frac{{\rm P}{}_0}{\rho {}_0}\left[1-\left(\frac{{\rm P}}{{\rm P}{}_0}\right){}^{\frac{{\rm K}-1}{{\rm K}}}\right]}(3)$

2.2 势力场中种子的受力分析

2.2.1 固定床层的压力降

从观察排种器攫取种子过程发现,绝大多数吸种孔是从吸种区的表面攫取种子,这是因为吸种孔在吸种区的内部,吸种孔外的气流要通过比较厚的种子床层,气流通过固定床层的压力降,在高雷诺数(Re>1 000)的情况下,由Ergun(厄贡)用下式给出

式中 ΔP—气流通过固定种子床层的压力降(Pa);

H—固定种子床层厚度(m);

ε—种子的孔隙率,ε=Vn/V,经实测辽单565玉米种子,ε=0.36;

Vn —床层内种子之间空隙的体积(m3);

V —床层内散粒子(种子)的总体积(m3);

ϕ—颗粒(种子)的球形度,ϕ=0.65;

dS—当量直径(m),dS =0.008;

uA—空床流速。

流速是按空床层截面积A计算的流速。即式(3)代入式(4)中,由于空床流速是R的函数,所以床层压降可以表示为微分形式

$\text{d}(\Delta {\rm P})=1.75\frac{1-\epsilon }{\epsilon {}^3}\cdot \frac{\rho u{}_A}{\text{ϕ}d{}_S}(\frac{u{}_{1}A\epsilon {}_1}{2\text{π}R{}^2}){}^2\text{d}R$

积分得

$\Delta {\rm P}=\left(1.75\frac{1-\epsilon }{\epsilon {}^3}\cdot \frac{\rho u{}_1^{2}A{}^2\epsilon {}_1{}^2}{4\text{π}{}^2\text{ϕ}d{}_S}\right)\left(-\frac{1}{3R{}^3}\right)│{}_{R{}_1}^{E{}_0}(5)$

积分限的确定:固定床层的厚度,R1=0.036m。由于与吸种孔尺寸相比,种子尺寸比较大,种子的尺寸不可能忽略。所以,积分上限应以种子当量半径计算。则

R0=0.004m

把已知数据代入式(5)得

ΔP = -0.288u${}_1^2$

由式(2)当气吸室内压力为2.75×103Pa时,吸种孔内气流速度为

u1=57.69m/s

则 ΔP =0.96×103Pa

2.2.2 种子在势力场中的受力

处于气流速度场中的种子,受到气流的作用力,由于种子的体积相对比较大,气流速度高,种子的形状不易使流体绕流,而较早发生附面层分离,在种子后面全部形成漩涡区,此时压差阻力占主要地位,通常将这一区域称为涡流压差阻力区(牛顿区),在此区域种子的受力与其所在点的气流速度的关系为

$F=\frac{\text{π}}{8}C\rho d{}_S^{2}u{}^2{\rm K}{}_S(6)$

式中 C—阻力系数,C=0.44,在106>Re=uds/V≥500,即牛顿区近似等于常数;

ρ—空气密度(kg/m3),ρ=1.23;

dS —种子的当量直径(m),当温度为14℃时dS =0.008;

u—种子所在点的气流速度;

KS—种子的形状系数,KS=1.06。

3 排种盘的极限速度分析

吸种区表层的种子在吸种孔外气流产生的作用力的作用下而运动,在被吸种孔攫取种子的瞬间,其速度达到最大值。如果吸种孔(排种盘)的线速度低于种子达到的最大速度则这粒种子将与排种盘一起运动,排种盘的吸种孔完成了从吸种区攫取种子的过程;如果吸种孔的线速度高于使种子运动的最高线速度则吸种孔不能攫取种子,所以种子在气流作用下产生的最大速度,就是排种盘能够正常工作的极限速度。这里还应指出,吸种孔是作圆周运动,由于吸种过程是在瞬间完成的,与排盘的直径比较是很小的一段圆弧,故可看成是直线运动,且可以不考虑向心加速度和哥氏加速度的影响。

吸种孔从吸种区表面攫取种子的过程,可以看成质点在势力场中的运动过程,种子从初始位置到被吸种孔攫取所得到的动能增量为

式中 m—种子的质量;

V—种子被吸种孔攫取的瞬间的速度;

V0—种子的初速度。

种子在势力场中运动的元功为

dU=FXdX+FYdY+FZdZ (8)

将式(3)代入式(6)有

$F=\frac{\text{π}}{8}C\rho d{}_S^2{\rm K}{}_S\frac{\epsilon {}_1^{2}A{}^2\phi {}^2}{4\text{π}{}^{2}R{}^4}\sqrt{\frac{2{\rm K}}{{\rm K}-1}-\frac{{\rm P}{}_0}{\rho {}_0}\left[1-\left(\frac{{\rm P}}{{\rm P}{}_0}\right){}^{\frac{{\rm K}-1}{{\rm K}}}\right]}$

${\rm K}{}_1=\frac{\text{π}}{8}C\rho d{}_S^2{\rm K}{}_S\frac{\epsilon {}_1^{2}A{}^2\phi {}^2}{4\text{π}{}^2}\sqrt{\frac{2{\rm K}}{{\rm K}-1}-\frac{{\rm P}{}_0}{\rho {}_0}\left[1-\left(\frac{{\rm P}}{{\rm P}{}_0}\right){}^{\frac{{\rm K}-1}{{\rm K}}}\right]}$

$F={\rm K}{}_1/R{}^4=\frac{{\rm K}{}_{1}R}{R{}^5}$

$F{}_X=\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^5}X‚F{}_Y=\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^5}Y‚F{}_{{\rm Z}}=\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^5}{\rm Z}-G(9)$

其中,种子重力G=mg。

将式(9)代入式(8)则种子的元功为

$\text{d}U=\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^5}x\text{d}x+\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^5}y\text{d}y+\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^5}z\text{d}z=\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^4}\text{d}R-G\text{d}z$

种子由初始位置M0到被吸种孔攫取位置M,其动能增量为

$U={\displaystyle \int }{}_{{\rm M}{}_0}^{{\rm M}}\text{d}U={\displaystyle \int }{}_{{\rm M}{}_0}^{{\rm M}}\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^4}\text{d}R-G{\displaystyle \int }{}_{{\rm M}{}_0}^{{\rm M}}\text{d}z(10)$

吸种孔从其接近的地方吸取种子,从观察可知他们的相对位置一般不超过吸种孔直径的2/3,即

当种子被吸种孔攫取后u=u1ε,则

2Πr02 = A

$R{}_0=\sqrt{\frac{\text{π}}{4}d{}^2/2\text{π}}=\frac{d}{2\sqrt{2}}$

Z=R·sinθ

当θ=90°时,种子自下向上被吸种孔攫取,是种子可能得到速度最小的状态,此时Z=R,Z0=R0。

解式(10)得到种子被吸种孔攫取时,获得的动能的增量为

$\begin{array}{l}U={\displaystyle \int }{}_{E{}_0}^R\frac{{\rm K}{}_1}{R{}^4}\text{d}R-{\displaystyle \int }{}_{R{}_0}^{R}G\text{d}z=\\ \frac{\left(128\sqrt{2}-27\right){\rm K}{}_1}{24d{}^3}-\frac{8-3\sqrt{2}}{12}Gd(11)\end{array}$

假定待吸种子的初速度V0=0,将式(11)代入式(7)则

$V=\sqrt{\frac{128\sqrt{2}-27}{12d{}^{3}G}g{\rm K}{}_1-\frac{8-3\sqrt{2}}{6}gd}(12)$

将K1代入上式并整理后得排种盘的极限转速为

Vlim=

$SQR\left\{89963.44136\frac{{\rm K}{}_{S}d{}_S^{2}d}{G}\left[1-\left(\frac{{\rm P}}{{\rm P}{}_0}\right){}^{\frac{{\rm K}-1}{{\rm K}}}\right]-6.14328246d\right\}(13)$

4 结论

1)由式(3)可以看出,吸种孔外气流速度受吸种孔面积A影响较大,并且成正比关系。

2)由于气流在吸种区内固定床层产生0.96×103Pa的压力降,吸种孔的剩余压力只有1.785×103Pa,攫取种子的能力大大降低,即使吸种孔攫取了种子,也会在周围其他种子的挤压和摩擦作用下离开吸种孔。因此,吸种孔主要是从吸种区的表层攫取种子。

3)吸种孔直径直接影响种子在势力场中的受力大小。

4)由式(13)可以看出,排种盘的极限转速取决于种子的物理几何特性:种子的重力G,当量直径dS,种子的形状KS,排种盘吸种孔直径d,气吸室内的压力等因素。

综上所述,排种盘在攫取种子的过程中,吸种孔直径d的大小对攫取种子的效果有着直接的影响,因此针对不同玉米种子品种,应匹配与其相适应的吸种孔直径d,以达到最佳的攫取种子效果,避免种子少播或漏播的现象发生。同时,建议在满足农艺要求的前提下,应规范玉米种子物理几何特性,以满足机械化排种要求,使农机与农艺更好地融合,进而提高机械化作业效率。

参考文献

[1]马成林.精密播种理论[M].长春:吉林科学技术出版社,1999.

[2]佟庆理.两相流动理论基础[M].北京:冶金工业出版社,1982.

[3]刘洋,孙占祥,于希臣,等.辽宁省玉米精量播种技术现状及发展对策[J].杂粮作物,2003,23(4):217-218.

[4]李林.气吸式排种器理论及试验的初步研究[J].农业机械学报,1995,11(4):57-61.

垂直圆盘排种器 篇2

内充式垂直圆盘排种器具有结构简单、工作可靠、适应性强的特点[1]，因而被广泛应用到现代化花生播种机中。排种盘是花生排种器的核心工作部件，其结构、转速对最后排种的双粒率和伤种率具有重要影响[2]。

目前广泛应用的排种盘无法根据种子的大小来调节内孔的大小，只能实现一定宽度范围内种子的排种。为此，设计了一种调整挡板装置，它与排种盘配合，能调节内孔的大小，提高了花生排种器的精播率。

1 花生排种器结构改进

现在较多的花生排种器都是定值排种，即只能排一定宽度范围内的花生种子。由于复式型孔尺寸为固定值，当遇到花生尺寸较小时就会造成多粒排种，无法达到精播，也不利于节省种子。针对以上问题，设计了一种新型调整挡板结构，如图1所示。该装置固定在排种盘上，与复式型孔的内孔配合，当播种较小种子时装上调整挡板，当播种较大种子时卸下调整挡板，通过改变内孔的大小提高了花生排种器的精播范围。

一般的复式型孔的宽度是D=14 mm，调整挡板的厚度是d=3 mm。因此，正常排种盘能的排种宽度为l1=7～14 mm，加入调整挡板后可排种子宽度为l2=5～11 mm。

当花生排种器在遇到较小宽度种子时，在不需要更换排种盘的前提下，安装上调整挡板后可顺利实现播种。这样既能实现正常精播种，又节省了材料和制造成本。

2 清种区种子运动分析

经过充种后，要求内孔中的种子能够顺利地进入有护种板保护的护种区，护种板与竖直方向的夹角β=18°。考虑一种极限状态，当内孔运动到最高点时，并且内孔中的种子运动到内孔和外孔的边缘时，在下一刻近似做平抛运动[3,4,5]，如图2所示。只要保证种子能够运动到护种板A点之上，就能进入护种区，则在相同的世间t内种子的位移必须满足的条件为

式中ω1—低速圆盘角速度;

R—种子运动半径。

化简后得圆盘角速度为

带入数值后解得:ω1=1.4 rad/s。这表明，只要内孔中种子的角速度大于1.4rad/s，无论内孔中的种子处在什么位置，都能保证进入护种区。经过充种区的充种后，不仅内孔中有种子，而且外孔中也会有多余的种子。内孔中的种子要进入护种区，而外孔中多余的种子需要在清种区清除掉，以保证双粒率。

在排种轮进入清种区后，外孔中的种子主要受到重力、离心力、支反力和摩擦力。由于种子在转动的过程中运动状态随时变化，并具有随机性，因而很难判断种子受力的大小和方向。为此简化考虑，假设外孔中的种子运动到最高点时受力如图3所示。

由于圆盘做匀速圆周运动，此时种子必须满足的一个条件，即

式中ω2—高速圆盘角速度;

R—种子运动半径。

解方程，得角速度为，带入数值解得ω2=6.84rad/s。

当ω>ω2时，外孔中的种子会进入护种区，因而要找到合适的圆盘角速度ω，必须满足ω1<ω<ω2。此时，才会有内孔中的种子能够进入护种区，外孔中的种子不能进入护种区。由此，得出排种盘的角速度范围为1.4rad/s<ω<6.84rad/s。

3 虚拟样机仿真

3.1 结构组成及工作过程

该新型圆盘排种器主要由外壳、排种盘、种子箱、护种板、调整盘、挡板和传动轴组成。

播种机工作时，排种盘在地轮的带动下转动，种子由种子箱进入排种盘内腔，并随着排种盘的转动而进入复式型孔中，然后排出排种器。整个过程分为4个阶段:充种、清种、护种和投种。

清种问题是排种器4个阶段中的关键问题，它关乎到播种的准确率和出芽率。清种过程中，主要考虑复式型孔外孔中的种子被清掉，而且内孔中的种子能够顺利进入护种区。要较好地达到这一目的，主要考虑排种盘的转速。当速度较大时，外孔中的种子就会进入护种区，造成多排种;若排种盘速度较小，就会造成内孔中的种子进入不到内孔中，造成少排种。

3.2 模型建立

首先用UG进行排种器单体的零件建模和装配，并进行干涉检验。在建模中应用拉伸、倒角、扫描等特征，使用复制、圆形阵列和组等操作工具，装配过程运用同心、接触等约束，并进行动态干涉检查。最后，将模型导出为Para solid格式的文件[6]。

将保存的模型导入到ADAMS中，首先通过UNITS选项设置单位，调整重力方向，外壳与地面加固定副连接，排种盘和外壳之间加转动副。在内孔和外孔中的种子分别与外壳、排种盘和护种板之间加接触约束，如图4所示。

3.3 仿真结果与数据分析

为得到较理想的排种速度，在仿真时应达到以下要求:内孔中的种子在进入护种区瞬时的运动轨迹没有发生改变，从而能保证排种轮转速不稳定时种子不会碰到护种板端面;同时，外孔中的种子在清种的时候能够碰到护种板内弧面的上半部分，这样种子与护种板内弧面近似切向接触并沿着弧面滑下，避免种子与护种板或是排种轮发生垂直碰撞对种子造成损伤。

已经知道种子在完成排种的过程中，排种盘的角速度为1.4<ω<6.84rad/s，(即80°/s<ω<392°/s)，通过二分法取速度范围的中间值进行仿真，观察种子运动轨迹是否满足要求。继续选择速度区间，并取中间值依次仿真，直到找到种子较理想的运动状态。试验数据如表1和表2所示。

由表1第5次仿真得到一个满足要求的数据，并以该数据为基础向两端再次运用二分法，如表2所示，从而使得满足要求的速度值和不满足要求的速度值之差不超过2°/s。

如表2第2次仿真和第3次仿真所示，第2次仿真满足要求，第3次仿真不满足要求，并且两次仿真的速度只差小于2°/s。

如表2第6次仿真和第7次仿真所示，第6次仿真结果满足要求，第7次仿真结果不满足要求，并且两次仿真的速度值只差小于2°/s。

取个较小的满足要求的速度值—第7次仿真速度值184.79°/s，取一个较大速度值—第11次仿真速度值193.35°/s，即得较小且理想的排种盘角速度范围为184.79°/s<ω<193.35°/s(3.22 rad/s<ω<3.37rad/s)。

在ADAMS/PostProcessor界面上点击plot_tracking按钮，得出被点播和清掉的种子的位移、速度等相关仿真参数，如图5和图6所示。

由图5和图6对比可知:随着排种盘角速度ω的增大，清种区相应减小，并且当排种盘角速度ω较小时清种效果较好。当排种盘角速度ω=2 rad/s时，种子在较小的位移就被清掉;当速度ω=3.3rad/s时，清种区较适中，不仅能清掉外孔中的种子，还能保证内孔中的种子顺利进入护种区。由图7可以看出:当ω≥5rad/s时，在该速度下的种子线速度较大，因而在水平位移上容易打在护种板端面或者直接进入护种区，造成多排，影响排种质量。由此可见，排种盘的角速度对排种器的排种质量有重要影响，较小的线速度有利于清种，但是在生产实践中会影响到生产效率，因此速度大小要合理。

图8与图9是同一角速度下、不同内孔深度d的种子位移图线。图8显示种子在0.425s左右就分离，顺利实现清种;而图9显示在0.5s时种子才开始分离。由此可见，复式型孔内孔的深度越大，多余的种子越不容易清掉，会造成清种区域变小，从而影响排种器的排种性能。

4 结论

1)通过对现有花生排种器结构分析，设计了一种能调整内孔宽度大小的调整挡板结构。在不更换排种盘的情况下，提高了排种器的精排种范围，节省了材料和成本。

2)通过建立数学模型，计算分析了花生种子在排种器内部的运动状态，并通过ADAMS模拟仿真获得了较准确、合理的排种盘角速度范围:3.22rad/s<ω<3.37rad/s。

3)通过试验观察和对种子位移曲线的分析，得出了不同排种盘角速度和不同内孔深度分别对排种性能的影响。当排种盘角速度较小时，清种效果较好;当排种盘角速度过大时，外孔中的种子会被排到护种区，造成多排。内孔深度增大，清种区会变小，多余的种子则不容易被清掉。

摘要：针对现有花生排种器只能定量排种的弊端,设计了一种调整挡板结构。其通过改变内孔宽度的大小实现对较小种子的排种,提高了排种器的精播率。建立了清种区种子的运动数学模型,计算出了排种盘的角速度范围,在此基础上通过ADAMS仿真得到了较为理想的排种盘角速度范围,并通过分析内孔和外孔中种子的运动轨迹曲线得到了不同排种盘角速度和不同内孔深度对清种区大小的影响,为排种器的改进和发展提供了一定的理论参考。

关键词：垂直圆盘排种器,调整挡板,ADAMS,仿真,内充式

参考文献

[1]胡建平,毛罕平.精密播种技术的研究与创新[J].农机化研究,2003(4):52-53,59.

[2]赵月霞,蹇兴东.机械式精密排种器清种过程分析[J].农业机械学报,2006,37(11):193-194.

[3]孙齐磊,张晓辉.排种器的机理及影响因素的研究[J].农机化研究,2002(3):40-41.

^[4^]郭雪峰^,李成华^,刘玉静^,等^.基于ADAMS的勺式玉米精密排种器的动态仿真^[J^].农机化研究^,2007(6):146^-148^.

[5]王吉奎,坎杂,曹卫彬,等.内侧充种式棉花穴播器的充种和清种机理[J].农业机械学报,2006,37(6):42-44,62.

垂直圆盘排种器 篇3

作物种植过程中, 播种质量的好坏主要取决于花生播种机排种器的作业效果[1]。由汪遵元等提出的复式内侧充种排种装置结构简单, 在花生、玉米等作物的穴播上得到广泛的应用[2]。但试验发现, 传统排种器破碎率仍较高, 碎屑滞留在护种板与圆盘间造成卡死现象; 在有些工况状态下, 重播率或空穴率比较严重。

为此, 重点研究了播种器种子在充种区的填充方式和种子进入护种区时可能发生的磕种和分离不清等问题, 对传统垂直圆盘排种器的充种区和护种板进行分析, 将传统护种板前端更换新材料, 采用全新的待清种与投放种快速分离原理, 并通过试验验证改进的可行性。

1 排种器结构及工作原理

1. 1 结构

内侧充种圆盘排种器主要由内侧充种式排种轮、双侧护种板、清种专用壳体、活动清种挡圈、清种口和驱动轴等结构组成, 如图1 所示。

1. 2 工作原理

全过程共经历充种→清种→护种→投种4 个阶段。种子从种盒充进排种器腔体中, 排种盘由驱动轴带动回转, 搅动花生种子群; 充种区种子在离心力、重力的合力作用下, 由径向填入外型孔, 目标种再充入内窝孔, 实现精确定量, 个别卡在内窝定量孔进种口的种子经辅助装置调整进入内窝孔。在清种区, 外型孔中多数种子受重力调节作用, 滑落回种腔, 个别卡滞在内窝孔入口处的种子由清种装置扫落。在投种区, 待投放种子失去壳体外壁支撑, 受离心力等组成的合力作用向下向后甩出投种口。

2 充种区工作原理与改进

2. 1 排种器充种原理分析

排种盘充种型孔由外复式型孔和内窝定量孔两部分组成, 其形态特征关系到充种过程能否顺利进行。播种起始时, 种子通常在种腔的1 /2 ~ 1 /4 之间, 排种盘在4 ~ 12km /h的工作角速度下, 种子群形成之字形运动的颗粒流。在此, 提取1 粒经过完整流动过程最终进入内窝定量孔的种子进行运动轨迹和受力分析: 花生种子由排种盘带动提升至合力平衡位置, 种子因惯性继续提升致使重力超过提升合力; 之后, 种子开始沿种子群囤积的种子上部回流层滑落, 与提升层起始处种子发生推碰混合, 部分动量水平大的花生种克服提升力涌入外复式型孔, 稳定层随排种工作的进行逐渐剖离成回流层和提升层[3]。完成流动过程预进入内窝定量孔的种子受力分析如图2 所示。种子沿内窝定量孔轴线向里的填充力为

式中G—种子自身重力, G =mg;

F1—种子受的种间作用力;

F2—种子所受排种盘提升力;

Ff—种子受的外壁摩擦力;

Fn2—种子受的窝孔作用力。

2. 2 充种辅助装置原理分析

此分析限于未卡滞微观个体; 对于卡滞情况, 本设计通过对壳体内壁加装突起的方法, 打破型孔内种子群静态平衡, 增加种子群环形流动次数, 在小范围增加摩擦力基础上大幅增加充种效果。有时排种器会遇到种子余量达不到1 /4 要求或排种器工作速度缓慢等情况, 种子群无法形成椭圆轨迹形态的种子流而是被复式型孔分割在互补干涉的空间内。因为流动性变差, 种子间卡滞堆积现象也随即出现。本文采用在排种器壳体上的充种区域内侧端面加设充种突起的方式 ( 见图3) , 使种子不再平滑接触壳体壁, 排种盘转动过程中随突起开始做径向跳动, 强制地完成类回流层的翻种动作, 达到与正常排种器工作时相同的排种工作。

3 护种部件前端防伤种隔种板设计

3. 1 普通护种板对清种过程的影响

护种板的形态特征对破碎率、双粒率和漏播率有很大影响。普通外复式型孔外表面与护种板内表面相距很近, 必然对未清净的种子产生大小相等、方向相反的破坏性剪切力, 对鲁花10 号、兴花1 号等高产大粒花生能造成高达1. 6% ~ 2. 5% 的破碎率。排种器中破碎花生难以挑出, 对花生种的发芽率和其他花生苗的生长有不良的影响, 在不改进护种板的情况下仅靠改变清种区角度只能使3 者达到相对平衡的关系, 播种质量得不到根本解决。

3. 2 试验结果

3. 2. 1 护种板基础结构形式

为解决上述现有护种板存在的缺陷, 设计了一种入口渐收式柔性防伤种护种板, 将护种板前端改成厚度变化的橡胶型隔种板, 使目标投放种与待清除种有效分离。本设计有两点出发点: 1从排种器的性能上考虑。倾斜角度合适的橡胶结构克服了传统排种器易碎种的弊端, 进而避免了磕种时机械不规则振动导致已充实种粒被惯性带出内窝孔, 空穴率也随之降低。2从植物学上考虑。种子磕碰现象发生后, 种子内部生理机能将发生破坏, 较高的破碎率极大地浪费了种子资源[4]。如果经过改进将种子柔性的清除或引导到投种区, 可避免磕种对种子的损坏, 确保了播下的种子成长发育成完整植株, 对种子和土地资源都是一种很好的保护。

3. 2. 2 隔种板材质

护种板材质直接影响着护种区各部件参数的选择, 工作状态各部件之间的配合间隙工作交角也建立在良好的材质基础上[5]。橡胶材质的拉伸率通常达100% 以上, 有一定的抗撕裂强度, 减震减压性能较强, 与金属和塑料相比性能优势明显; 但橡胶种类繁杂, 物理参数较多, 橡胶护种板性能主要考虑减缓冲击的软度、提高分离效率的回弹性和高频长时间工作下抗老化特性。

现依据橡胶在排种器工作状态下最主要性能参数回弹性 ( 高、中、中低、低、极低) 分别选取天然橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、聚氨酯进行种子破碎率的试验分析研究。使用试验用有机玻璃壳体排种器将5 种材料制作的橡胶护壁安置在护种板前端开槽处, 试验用鲁花10 号花生种, 以6km /h的均衡速率转动排种盘投放500 粒种子; 停机检查破损掉皮情况, 每种材料重复试验3 次, 破损率取平均值, 所得试验数据作图如图4 所示。

试验中, 丁腈橡胶与氟橡胶破碎率均低于0. 4% , 但氟橡胶耐温、耐老化性强, 在试验效果相差不大的情况下, 本设计优选JASOF401-95 氟橡胶。具体性能参数如下:

性能:耐温、抗老化性

密度/g·cm-3:1.4

强度/MPa:≥7.0

邵氏硬度:70shore-A

伸长/%:≥250

3. 2. 3 橡胶隔种板基本结构形态

在材料确定为氟橡胶情况下, 为避免排种盘转动过程中与橡胶隔种板前端间隙过小, 花生发生磕种时将橡胶隔种板挤断变形, 共讨论了以下两种方案。

1) 方案1: 将橡胶隔种板制作成向下弯曲形态, 弯曲半径8mm, 如图5 ( a) 所示: 设计依据是结构简单、便于加工, 可减少直接剪切花生种的几率。但是此结构也存在不足 ( 见图5 ( b) ) , 在两虚线中间部分a处的花生种子仍无法规避剪切力对表皮的伤害。该处橡胶受花生种挤压回弹方向正对排种盘孔边沿, 残余冲击仍可能造成种子破碎, 长时间挤压橡胶折弯处也会加速橡胶隔种板2 老化, 软度回弹性下降, 影响工作性能。该方案不够合理。

方案2: 将橡胶隔种板做成类楔形, 如图6 所示。其前端与充种孔边沿错开约2 /5 花生宽度大小的间隙, 前端折弯, 尾部与护种板衔接形成兼收口。此种方案橡胶隔种板加工与拆装都非常简便, 前端隔种板与型孔下沿口错开2 /5 花生宽度, 避开对花生种子产生的剪切力; 最前端薄至全厚度1 /3, 分隔种子迅速, 可有效地克服上方案1 存在的缺陷。因此, 新型隔种板初步采用该结构形式。

设计参数如下: 隔种板上表面摩擦因数0. 1, 下表面做磨砂处理摩擦因数0. 6, 前端折弯半径2mm, 型孔底面与水平面呈20°夹角。

3. 2. 4 橡胶隔种版分离原理的分析

隔种板改进设计中充分运用95 氟橡胶材料特性, 当花生种子对橡胶隔种板冲量的大小超过氟橡胶本身抵抗张应变能力 ( 即杨式模量) 时, 95 氟橡胶表现为柔性弯曲; 反之, 氟橡胶整体表现为刚性。图7所示为清种区内排种盘匀速转动时型孔与种子相对位置与速度变化情况。种子随排种盘运动, 型孔壁可假设不施加力, 即种子做抛射角度为 ɑ 的斜抛体运动[6], 种子可被分隔板清除的掉落位置为隔种板中间截面处, 此时现阶段末速度为Vp, 则有

水平方向速度: Vx= V0cosα

竖直方向速度: Vy= V0sinα - gt

由斜抛运动可得扁平种子实现清种极限初速度V0为

式中g—重力加速度;

α—抛射角度。

试验表明, 一般排种盘的线速度Vp不宜超过0. 7m / s, 超过此值后清种性能大大恶化。经试验测算可知, 在排种盘以线速度V0为0. 7m /s工作条件下, 花生种产生冲击力约为5. 8N, 未超过95 氟橡胶最低弹性应变。

清种区末端清种情况分两种: 1 花生种分离清楚, 顺利完成清种。2花生重心位于护种板上表面直径圆与隔种板中截面直径圆中间所夹区域, 形态为长轴直立的椭球型花生种子, 易在此处磕种。此时, 橡胶隔种板向上向内蜷缩, 卸掉冲击力的同时配合型孔下端面向下推挤种子, 完成清种。

4 排种器性能试验

4. 1 试验材料及试验装置

试验用花生为鲁花11 号。试验装置主要有JPS-12 型排种器试验台及按照设计思路自制的内充种式垂直圆盘排种器[7], 排种盘复式型孔数9 个。

4. 2 试验方案

排种器性能试验以理论粒距作为试验因素, 取常规株距20、15cm两个水平; 由计算机控制种子输送带模拟机具实际行走情况选择0. 4、0. 5、0. 6 m /s3 个水平。同一条件下, 每种试验水平重复3 次[8]。

试验按国标GB /T6973 -2005 实施, 以粒距合格率、重播率、漏播率、变异率及破碎率作为性能评价的指标。

4. 3 性能试验结果分析

试验结果如表1 所示。根据机械行业标准《中耕作物精密播种机产品质量分等》JB /T51017 -1999[9], 理论粒距在20cm和15cm两水平下, 3 种行走速度的株距合格率、重播率、漏播率及株距变异系数均达到了优等品的标准。

5 结论

1) 利用前端装有防伤种隔种板的护种板取代传统固定式护种板, 有效地减少了种子的破碎率, 相比传统排种器破碎率减少0. 6% 。

2) 以株距和作业速度为影响因素, 对排种性能进行了测试, 结果表明: 作业速度为0. 4 ~ 0. 6m /s、理论粒距为20 cm时, 粒距合格率≥91 . 77 % , 重播率≤5. 16% , 漏播率≤2. 73% ; 粒距为15cm时, 合格率≥87. 43% , 重播率≤5. 01% , 漏播率≤7. 06% 。排种性能指标满足花生播种农艺要求。

3) 充种区的圆形突起与护种板前端的防伤种隔种板的设计为大幅提高内充种式垂直圆盘排种器的播种性能的研究提供了新的设计思路。

摘要：内侧充种圆盘排种器在花生播种等方面有着广泛的应用, 但中高速度下播种效果不理想, 原因是充种区种子易卡滞, 护种板入口处未清净种子分离不清易发生磕种。为此, 在原有排种器的基础上, 添加了辅助充种装置, 在清种区与护种板入口处衔接位置设计出一种全新的防伤种隔种板, 并就隔种板橡胶的特性、排种盘转速这两个影响新设计性能的因素进行了理论分析。基于JPS-12型排种器试验台, 对改进后的排种器进行了排种性能试验, 测得重播率、漏播率、破碎率等主要性能指标。试验表明, 改进后的内充种式圆盘排种器在15cm和20 cm两理论粒距水平下均达到优等品标准。

关键词：内充种式圆盘排种器,花生,辅助充种,防伤种,橡胶隔种板

参考文献

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