振動對種子流出過程的作用分析

尤曉東

摘要：研究播種機種箱中種子的運動機理。闡述種子在種箱內的狀態及種子架空的形成與消失，分析振動過程中種子的運動情況、振幅對種子移動的影響及振動時種子流出量，以期為播種機播種裝置的設計提供理論依據。

關鍵詞：振動；種子；運動規律；作用；分析

中圖分類號：S223.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）12-0020-02

播種機工作時，儲存在種箱中的種子從種箱向排種器中流動，然后在排種器的投送下，按要求落入土壤中，完成排種作業。種子從種箱中流入排種器的過程遵循散粒體力學理論，現分析振動對種子流出過程的作用。

1 種子儲存在種箱內的狀態

基于對大量研究資料的綜合分析，種子的壓力傳遞和流動規律可概括為以下幾點：

1） 種子對種箱底板的壓力遠遠小于種子柱的重力。其原因是種子重力的一部分以側向推力形式作用于種箱側壁，另一部分重力則為側壁對種子的摩擦力所平衡。

2） 種子對種箱底板的壓力隨其數量的增加而增加，到達極限值后，壓力不再增加。

3） 種子排出時，種子流出口上空必然形成拋物面形拱橋。由于種子處于非平衡狀態，所以落粒拱發生周期性崩塌，繼而重新形成。

2 種子架空的形成和消失

種子只有在通過直徑不大的孔時才形成架空，架空往往發生在箱底和側壁上壓力增大或保持平衡的區域。為了讓最接近出口的種子通過出口，垂直壓力Py必須大于側邊種子的摩擦力F，即Py>Pxtgφ，式中φ為摩擦角。

為了使種子在通過出口時均勻、穩定，必須減小種子間的摩擦系數。然而每種物料之間的摩擦系數都是常數，想要在不改變其物態的情況下改變摩擦系數是不可能的。因此，只有通過減小正壓力的辦法來減小摩擦力，具體方法是減少種子接觸，例如使種子變成振動狀態下的“沸騰狀態”。

3 振動過程中種子的運動情況

振動底板表面的種子會隨著振動規律地變化，可能與底板一起運動，也可能作跳躍運動。

假設種箱底板以特定規律在垂直面內振動，當底板向上運動時，作用于種子的力為重力mg和慣性力ma（此處a為種子的加速度），即P=ma+mg。

每粒種子對底板的壓力都是P。在底板運動的最上端，加速度改變符號，慣性力改變方向，此時作用于種子的力將是P=mg-ma。而且，如果a≤g，則種子與底板一起運動；如果a>g，則種子在底板上作跳躍運動。

當底板開始向下運動時，作用在種子上的力為P=mg-ma，種子蹦起的條件是a>g。在底板向下運動的末端，力mg和ma具有相同的符號，而且P=mg+ma。由此可見，振動時作用在種子上的力不僅有重力和上層種子的壓力，還有慣性力；同時，作用在種子之間的力就從0（當a=g時）增加到K（此處K為系數，與上層種子壓力有關）。這些力的變化頻率決定于振動頻率。

當種子間的作用力等于0或趨近于0時，摩擦力也趨近于0，種子的流動就不會產生架空；當P從0增長到最大值時，則可能產生架空。

如果振動的半周期遠遠小于形成架空和破壞架空的時間，則種子從出口流出的過程將是不均勻的；隨著振動頻率的增加，流出過程將趨向均勻；如果進一步增加振動頻率，則又可能減低振動對該過程的影響，其原因是縮短了種子處于不受互相壓力作用的自由狀態的時間。問題在于：種子向下運動時帶有加速度g，當振動加速度a>g時，種子可能來不及落到原始位置，就碰上了向上運動的底板，因而又獲得了附加加速度。由于慣性力的作用，種子在接觸點的壓力反而增大了。因此，為了使種子從出口均勻地流出，必須選擇最適當的振動頻率。

振動頻率的粗略計算可按照下述條件進行。振動頻率應為：便于在種子通過出口或處于流出區域時，受到的互相作用不應少于一次，這樣才有利于破壞種子間的牽連。換言之，當種子從上向下運動經過等于自己平均長度一半的距離時，它必須承受多于一次的振動。即：

ω>或ω>

式中：t為種子下落H高度所需的時間。最佳振動頻率大體上可由H等數值決定。

4 振幅對種子移動的影響

假設一個充滿種子的種箱，振動從箱底向上傳，先由箱底傳遞給下層種子，再經下層種子傳遞給上層種子；當裝種高度相當大時，上層種子處于相對靜止狀態，振動僅存在于下層。由于種子的相對位移振動逐漸衰減，振幅越大，發生運動的種子層高度就越大，同時，運動層內部的種子間距也越拉越大。此時，流動性好的種子由出口流出所需的振幅必然比流動性差的種子要小些。因為流動性差的種子表面有茸毛，要消除其互相牽連，必須有較大的相對位移。

5 振動時種子通過出口的流量

流體動力學中，確定液體流量采用以下公式：

q=μF0

式中：μ為阻力系數；F0為出口截面積；z為液面高度。

當種子自由流出時，可以用謝敏諾夫和卡契夫公式來確定其流量。在振動作用下，種子表現為準液體狀態，且具有變方向加速特征，破壞單粒種子間的接觸，也就使決定自然休止角的內摩擦系數趨近于0。在流出過程中，作用于種子的力有重力mg、慣性力

±ma和介質阻力F。在力作用下種子運動微分方程為：

由此可見：流出速度由種子的自由落體速度和振動垂直分速度組成。

種子的自由落體高度H0可由下式給出：

H0=Rtga

式中：R為出口半徑；a為種子的休止角。

種子下落高度H在振動時等于振幅A，而加速度a又等于振動加速度。代入公式得到：

6 結論

在計算種子流量時考慮到幾個系數：K1和K2，它們與出口直徑和內摩擦系數有關；在振動的作用下，種子流的密度會發生變化，所以還要考慮到系數K3。

將式（1）代入流量公式可得：

由式（2）可以得出結論：1） 種子流量與出口面積成正比；2） 種子流量與振動作用有著一定的線性關系。

參考文獻

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