基于振動調序有序充種滾筒式排種器設計與試驗

李繼霞,姜有忠,黃光迪,趙永滿,胡 斌,羅 昕

(1.石河子大學 a.機械電氣工程學院,b.新疆建設兵團農業機械重點實驗室,新疆 石河子 832003;2.克拉瑪依職業技術學院 機械工程系,新疆 克拉瑪依 834000 )

0 引言

棉花一直是我國生產的關鍵經濟作物[1],而播種是棉花生產過程中最重要的環節。精量播種是現代農作物播種的主要方式,可為種子提供均勻一致的發芽環境和生長環境,實現苗齊、苗全和苗壯,增加農作物產量,同時節約良種,減少用工,降低了投入成本。

氣力式排種器具有種子適應性強、不傷種、適應高速作業等優勢,但其結構復雜,價格高,能耗較大,制造、使用成本較高,且無法與傳統的精少量播種機或小型播種機配套。機械式精量排種器主要依據種子重力、離心力充填型孔來定量取種,相比氣力式排種器具有結構簡單、配套性好、制造和使用成本低等優點;但是機械式精密排種器種箱種子起拱,且隨著作業速度的提高排種質量不斷下降及容易傷種,直接制約了其應用推廣的規模和范圍[2]。張宇文等人[3]針對窩眼輪式排種器窩眼在取種過程中因種子受擠壓堵塞問題,提出加一機械推力在排種孔底部,并推導出能與窩眼孔平穩嚙合的撥種齒的曲線方程。龔麗農等人[4]設計了一種自動補種裝置的精量排種器,包括主排種器和副排種器,通過檢測控制系統在合適的時間使副排種器進行補種,實現了排種器有效補種。上述方法都不能很好地解決種箱種子起拱和窩孔堵塞問題,無法滿足“一穴一粒”精量播種的要求。

針對上述問題,結合國內外排種器種群起拱問題研究現狀,提出有序供種的思想,設計了一種基于振動調序有序充種的滾筒式排種器,通過控制種箱中棉種的運動姿態,實現排種器的有序充種。同時,以供種傾角、滾筒轉速、窩孔開口大小為影響因素,展開排種性能影響的試驗研究,尋找各因素間的最佳參數組合,為滾筒式排種器的設計提供新的思路。

1 排種器結構與工作原理

基于振動調序有序充種滾筒式排種器主要由種箱箱體、供種機構、排種滾筒及護種罩等組成,如圖1所示。

1.箱體 2.隔種板 3.供種板銷 4.調序排隊供種板 5.排種滾筒 6.護種罩 7.取種窩孔圖1 排種器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the metering device。

排種器工作過程分為供種、充種、攜種、投種4個過程,工作時地輪通過鏈帶動排種滾筒轉動。排種滾筒表面設計有凸臺,供種板一端通過供板銷安裝在箱體上,另一端與滾筒表面接觸;滾筒上的凸臺隨滾筒的轉動驅動供種板圍繞供種板銷上下振動,種箱中的種群依靠重力、摩擦力及支撐力作用下向下流動,通過隔種板使種群薄化;基于種子“沸騰”運動減阻原理,薄化后的種群進入振動供種機構中,在供種板上供種腔內撥種齒輔助機構的引導和調整下,使種群單粒化和姿態統一化,然后種子在振動和重力作用下填充進入供種腔內的V型槽中,有序排成一隊;滾筒上的窩孔轉動至出料口時,種子依靠種子相互作用力、重力、摩擦力及支撐力等作用填充進入滾筒窩孔中,排種滾筒再攜種轉動至滾筒下方投種區時,棉種在自身重力的作用下從滾筒窩孔中脫落。

2 排種器關鍵部件結構設計

2.1 有序供種箱的設計

有序供種箱包括箱體、隔種板及振動調序排隊供種機構:箱體通過螺栓安裝在機架上,隔種板橫向安裝在種箱內,振動調序排隊供種機構傾斜安裝于供種箱下部。振動調序排隊供種機構由排種滾筒、調序排隊供種板和供種板銷組成:供種板銷橫向安裝在箱體兩側壁面上,調序排隊供種板上端鉸接于供種板銷,下端與排種滾筒外表面搭接;調序排隊供種板上設計有供種腔,供種腔內設計有前后兩個調序撥種齒和V型排隊槽;排種滾筒外表面設計有等距的凸臺。當排種滾筒轉動時,滾筒外表面上的凸臺將驅動搭接在其上的調序排隊供種板下端圍繞供種板銷上下振動,使種子進入其上面的供種腔,在振動和調序撥種齒作用下實現沿長軸方向首尾相連地均勻連續向下滑動;然后,在V型排隊槽中有序排成一隊,當排種滾筒取種窩孔轉動至出料口時,種子在聯合作用下滑入取種窩孔,實現有序排隊充種。有序供種箱結構如圖2所示,供種板結構如圖3所示。

1.箱體 2.隔種板 3.銷 4.供種機構圖2 有序供種箱結構示意圖Fig.2 Schematic diagram ofordered seedbox Structure。

1. 撥齒1 2. 撥齒2 3. V型槽圖3 供種板結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structureof the seed plate。

供種腔是滾筒式排種器實現有序充種的前提,其工作性能的好壞直接影響排種器的性能。為解決排種器在充種過程中種箱內種群起拱導致充種性能差的問題,提出了有序充種的思路,設計了有序供種腔,實現精量取種。供種腔由單邊雙撥種齒和V型槽組成,結構如圖4所示。撥種齒作用是將進入供種腔內的種群單?；驼{整種子姿態,使種子以統一的姿態進入V型供種槽,即種子長軸直立進入V型槽。種子進入撥種齒前的姿態有3種可能,即平躺、側立、直立,如圖5所示。直立是種子進入供種腔最理想狀態,不需要撥種齒的調整可直接順利進入V型槽;平躺和側立的種子經過撥種齒1調整后,種子為直立姿態可直接進入V型槽,種子在兩撥種齒之間的空間內經過一定的反轉后再次經過撥齒2調整為直立姿態進入V型槽。撥種齒設計不佳將導致種子堵塞,不能有效充種,影響排種器排種性能。

圖4 供種腔結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of the seedcavity structure。

圖5 種子進入撥齒姿態示意圖Fig.5 Schematic diagram of the seed entering the tooth。

根據設計要求和前期的改進試驗,撥種齒尺寸設計需滿足的條件為

(1)

其中,d1為撥齒1進種口的寬度(mm);d2為撥齒2進種口的寬度(mm);d3為撥種齒下邊長度(mm);d4為撥種齒上邊長度(mm);lmax為種子長度的最大值(mm);la為種子的平均長度(mm)。

V型槽尺寸設計需滿足的條件為

(2)

其中,h1為V型槽高度(mm);d5為型槽開口寬度(mm)。

選取新疆常用品種新陸60號作用研究對象,棉種長度分布在7.85～9.10mm范圍內,平均長度為8.47mm;棉種寬度分布在4.42～5.10mm范圍內,平均寬度為4.76mm;自然休止角為37°;滑動摩擦角為18.2°。結合棉種的物料特性,最終確定腔體設計參數如下:d1=13mm,d2=9mm,d3=10mm,d4=12mm,α=75,β=120°。

2.2 排種滾筒的設計

排種滾筒是完成充種、攜種、投種的核心部件[5]。綜合考慮到滾筒轉速、充種性能、供種機構振動頻率等因素,為使供種機構形成機械式振動,排種滾筒表面設計有凸臺,初步設計為1.5mm;考慮到機械式滾筒排種器易傷種、凸臺磨損、材料加工工藝性等因素,選取聚四氟乙烯為排種滾筒的加工材料[6]。

2.2.1 滾筒直徑和窩孔數的確定

排種滾筒的直徑的大小直接影響滾筒線速度、窩孔數量和整機結構布局。播種機前進速度vm與滾筒線速度vn的關系式[7]為

(3)

其中,vn為滾筒線速度(m/s);vm為播種機前進速度(km/h);D為排種滾筒直徑(mm);M為窩孔中棉種數量;ε為播種機地輪滑移率,取ε=10%;Z為滾筒周向窩孔數量;S0為棉種株距 ,根據農藝要求取S0=100mm。

滾筒線速度直接決定排種滾筒充種性能。滾筒線速度過高,充種窩孔經過充種口的時間短,充種幾率低[8]。所以,限制了播種機的前進速度,取播種機前進速度vm=3km/h。由式(3)可知:假設在窩孔數Z和其他參數一定時,滾筒直徑D與滾筒線速度vn成正比,減小滾筒直徑可降低滾筒線速度vn。當播種機前進速度vm=3km/h時,vn≤0.3m/s。綜合考慮排種器充種性能和整機結構布局,取排種滾筒直徑D=160mm。

由式(3)得出:在其他參數一定下,窩孔數Z與滾筒線速度vn成反比,增加周向窩孔數可以減小滾筒線速度。為確保排種器充種性能vn≤0.3m/s,則由式(3)可得

(4)

將滾筒直徑D=160mm、滾筒線速度vn=0.3m/s及播種機前進速度vm=3km/h帶入式(4)可得:Z≥16.7。綜合考慮排種器充種性能和供種機構振動頻率,周向窩孔數設計為Z=18。

2.2.2 窩孔設計

充種窩孔的形狀、尺寸是影響排種器充種性能的主要因素[9]。窩孔尺寸過大,將導致多粒現象;尺寸過小,將導致漏播現象。根據棉花種子的物料特性與每孔1粒的設計要求,考慮棉種近似為卵形,設計窩孔結構如圖6所示。窩孔的寬度D和深度H應滿足以下條件,即

圖6 窩孔結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the hole structure。

(5)

其中,da為棉種平均長度(mm);dmin為棉種最小長度(mm);dmax為棉種最大長度(mm);D為窩孔寬度(mm);H為窩孔深度(mm);J為孔壁間隙(mm)。

對種子充種過程進行運動分析,則充種窩孔經過充種口需滿足的關系式[10]為

(6)

vn=wR

其中,vn為排種滾筒線速度(m/s);S為窩孔開口長度(mm);w為排種滾筒角速度(rad/s);R為滾筒半徑(mm);n為滾筒轉速(r/min)。

由式(6)可得

(7)

由式(7)可知:在滾筒轉速和滾筒半徑一定時,窩孔開口弧長S與經過的時間Δt成正比,即窩孔開口長度L越長,經過充種區的時間越長,充種性能提高;但窩孔開口長度L過長,會增加多粒率現象。根據試驗得出L的范圍為

1.2dmax

(8)

其中,da為棉種平均長度(mm);dmax為棉種長度最大值(mm)。

綜合考慮,窩孔尺寸設計為:寬度D=9mm,深度H=9mm,振動凸臺h=1.5mm。取開口長度L=11、13、15mm等3個值進行試驗研究。

2.3 排種器供種過程分析

傳統機械式排種器充種主要為種群填充式充種,種群起拱嚴重影響排種器充種性能。為解決該問題,提出有序供種的思想。首先,使隔種板將種箱種的種群薄化;然后,通過振動供種機構中供種板上供種腔內的單邊雙撥種齒將薄化后的種群進一步單?；头N子姿態統一化;最后,進一步進入V型槽中,排成1隊,實現定向有序排隊。V型槽是有序排隊的關鍵結構,對V型槽中排成1隊的種子進行受力和運動分析,如圖7所示。

圖7 V型槽種子受力圖Fig.7 V-groove seed force diagram。

種子在V型槽種向下運動受力方程為

(9)

(10)

其中,∑Fx為棉種在X軸上的合力(N);∑Fy為棉種在Y軸上的合力(N);FN為V型槽對種子的作用力(N);G為種子自身重力(N);Ff為V型槽對種子的摩擦力(N);β供種機構傾角(°);α為V槽夾角,α=75°;φ為種子摩擦角,φ=20°;u為棉種與V型槽的靜摩擦因數。

由式(9)和(10)可得種子下滑的力學條件為

(11)

由于供種機構的振動角較小,種子在V型槽中的反向滑動可忽略,則供種機構的運動加速度為

ax=hw2sinwtcosε

(12)

ay=hw2sinwtsinε

(13)

其中,ax為x方向加速度(m/s2);ay為y方向加速度(m/s2);h為供種機構振幅(mm);w為振動圓頻率(rad/s);ε為供種機構振動角(°)。

種子沿V型槽運動x方向和y方向的相對加速度為Δax、Δay,則

mgsinβ-Ff=m(ax+Δax)

(14)

FN-mgcosβ=m(ay+Δay)

(15)

Ff=tanφ1·FN

(16)

在種子向下滑動瞬時,Δax、Δay為零,則由式(12)～(13)可得種子向下滑動的相位角φk為

(17)

其中,φk為種子向下滑動的相位角(°);E為滑行指數。

為使種子均勻有序地向下滑動,提高供種效率,應使滑行指數E≥1,本文選擇供種機構傾角為38°。

3 排種器排種性能試驗

3.1 試驗準備

試驗選用新疆廣泛種植的新陸早60號品種,水分小于5%,含雜率小于0.15%。測得棉種的幾何尺寸和物理機械特性如表1、表2所示。

表1 棉種幾何尺寸Table 1 Cotton Species mm。

表2 棉種物理機械特性Table 2 Physical and mechanical properties of cotton seeds。

為了研究方便,試驗以單排進行,利用2BFC-1型單體播種機和自制機架搭建的試驗平臺進行試驗,將設計3D打印的種箱和排種滾筒安裝在該播種機上。試驗在石河子大學農業機械重點實驗室進行,試驗臺如圖8所示。

圖8 基于振動調序有序充種滾筒式排種器試驗臺Fig.8 Single row drum type seed meter test bench。

3.2 試驗方法及結果分析

3.2.1 試驗方法

試驗參照國家標準GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》,以單粒率、多粒率、漏播率作為判定排種器排種性能指標[11]。排種器工作穩定后,記錄排出的250個穴孔中每穴的種子數量,重復3次。各試驗指標計算公式為

其中,n1為 穴孔中種子為1粒種子的總穴數;n2為穴孔中種子數大于2粒的總穴數;n3為穴孔中無種子的總穴數。

3.2.2 試驗設計與分析

通過前期的預試驗和理論分析,確定影響基于振動調序有序充種滾筒式排種器排種性能的主要因素為供種傾角、 滾筒轉速及窩孔開口大小,選擇三因素三水平的正交表L9(34)進行實驗[12]。因素水平如表3所示,試驗方案與結果如表4所示,正交試驗結果極差分析如表5所示。

表3 試驗因素及水平Table 3 Factors and levels of experiment。

表4 實驗方案及結果Table 4 Design and results of experiment。

續表4。

表5 分析結果Table 5 Results of analysis。

3.2.3 結果分析

1)由表4可知:供種傾角為38°、滾筒轉速為8r/min、窩孔開口大小為15mm時,單粒率90.24%,多粒率4.45%,漏播率2.09%,排種性能達到最佳。

2)由表4可知:試驗數據統計相差不明顯。這表明,所設計的基于振動調序有序充種滾筒式排種器工作性能穩定。

3)由表5可知:影響排種器單粒率、多粒率、漏播率的主次因素為供種傾角、滾筒轉速、窩孔大小,單粒率的最優參數組合為A2B2C3。

4 結論

1)根據排種器設計要求和新疆棉種機械物理特性,提出基于有序供種方案,設計了一種基于振動調序有序充種滾筒式排種器,確定了關鍵零部件的結構與參數。

2)理論分析了有序供種過程,建立了棉花種子的動力學模型。確定了供種機構傾角為38°,周向窩孔數Z為18個,且充種性能與供種傾角、窩孔開口大小、滾筒轉速等因素有關。

3)采用三因素三水平正交試驗得出最佳參數組合,即供種傾角38°、滾筒轉速8r/min、窩孔開口15mm,此時單粒率90.24%,多粒率4.45%,漏播率2.09%。影響排種性能因素的主次順序為供種傾角、滾筒轉速、窩孔開口大小。