水稻排種器振動板橫向振動分析與試驗

俞亞新, 張 翔, 吳 飛, 劉 磊

(1. 浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院, 杭州 310018; 2. 浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室, 杭州 310018)

水稻排種器振動板橫向振動分析與試驗

俞亞新1,2, 張 翔1,2, 吳 飛1,2, 劉 磊1,2

(1. 浙江理工大學(xué)機械與自動控制學(xué)院, 杭州 310018; 2. 浙江省種植裝備技術(shù)重點實驗室, 杭州 310018)

為進(jìn)一步提高超級稻有序排列播種精度,對振動式排種器振動板的橫向振動特性進(jìn)行了研究。首先闡述了振動式排種器的工作原理,建立了振動板橫向振動的力學(xué)模型,并對稻種在振動板上的躍起運動進(jìn)行分析;再利用振動測試采集儀等設(shè)備對振動板進(jìn)行振動測試,分析了激振頻率、振動板角對振動板橫向振動的影響,得到板面的橫向振動規(guī)律,提出了排種器振動板上導(dǎo)向板布置的區(qū)域為:400 mm×300 mm;再連接V型槽輸送已定向排序稻種的設(shè)計方案。試驗結(jié)果表明,在激振頻率為4.5 Hz、振幅為3.5 mm、振動板傾角為10°、導(dǎo)向板曲率為2.65時,該設(shè)計方案可以有效避免稻種的躍起,實現(xiàn)均勻有序播種,滿足超級稻有序、連續(xù)播種的要求。

矩形平板; 橫向振動; 水稻; 排種器; 農(nóng)業(yè)機械

0 引 言

近年來,由于振動式排種具有不傷種、適應(yīng)不同水稻品種的特點,振動式排種器得到廣泛研究與應(yīng)用,主要有機械振動式、電磁振動式、氣力振動式等[1-4]。振動式排種器的振動參數(shù)是播種裝置設(shè)計與應(yīng)用的重要參數(shù),很多學(xué)者對此開展了研究,如王朝輝等[5-6]測試和分析了工作參數(shù)對超級稻育秧播種效果的影響;劉彩玲等[7]研究了種盤振動對氣吸式精量播種裝置工作性能的影響;吳國瑞等[8]、陳書法等[9]進(jìn)行了水稻播種機振動試驗研究,得到了滿足穴盤精量播種振動頻率、振幅的范圍。

筆者提出了利用帶導(dǎo)向板的振動板來輸送超級稻種子,滿足種子均勻有序排列播種的要求[10];對振動式排種器整體進(jìn)行有限元分析,得到了排種器的固有頻率,為排種器激振器工作頻率選擇提供依據(jù)[11]。然而,在前期試驗中[10]發(fā)現(xiàn)板的橫向振動會引起種子在振動板面上的跳躍,影響排序播種效果。因此,本文在原有研究[10]的基礎(chǔ)上,對振動板的橫向振動特性進(jìn)行研究,分析水稻種子在振動板上的躍起規(guī)律,為合理布置弧形導(dǎo)向板區(qū)域、優(yōu)化稻種定向排序區(qū)域、提高播種的均勻性提供基礎(chǔ)。

1 振動式排種器的結(jié)構(gòu)組成與工作原理

振動式超級稻排種器的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示,主要由振動器、板簧、振動板、種箱、弧形導(dǎo)向板、V型槽、燕尾槽等組成。振動板與振動器、板簧通過鉸鏈連接在一起,振動器安裝在振動板的高側(cè),激振力的方向與板彈簧垂直。振動系統(tǒng)中板簧的長度、振動板的傾角等均可調(diào)整。

圖1 振動式排種器結(jié)構(gòu)

振動式超級稻排種器基本工作原理是:排種器的振動板在振動器激勵下,做往復(fù)運動;稻種在重力、牽連慣性力、摩擦力的共同作用下,在振動板上沿著弧形導(dǎo)向板往前運動,實現(xiàn)定向排序(種尖朝胚胎),再通過V型槽實現(xiàn)均勻播種[12]。

2 種子在振動板上的運動分析

2.1 振動板的橫向振動分析

本文所設(shè)計的振動式排種器的振動板是矩形薄板結(jié)構(gòu),大小為600 mm×460 mm×2 mm,剛度較小,在外部激勵的作用下會產(chǎn)生變形[13]。根據(jù)播種排序要求,稻種在振動板上不能產(chǎn)生跳躍,以免影響排序播種。

根據(jù)薄板彎曲理論,可得到薄板小撓度振動的運動微分方程為[14]:

(1)

設(shè)矩形薄板受迫振動微分方程解的形式為:

(2)

式(2)中:Tmn(t)為薄板振動的廣義坐標(biāo),Wmn(x,y)為振型函數(shù)。

從圖1可以看到,該矩形振動板由4根板彈簧連接,屬于四邊簡支的情形。取振型函數(shù)為:

由能量法可求得矩形薄板的固有頻率為:

(3)

式(3)中:a為板沿x方向的長度,b為板沿y方向的長度。

根據(jù)振動板參數(shù)可知,ρ=7 820 kg/m3、E=200 GPa、μ=0.28,可得振動板的固有頻率ω11=79.6 Hz。

2.2 稻種在振動板上躍起條件分析

圖2是稻種在振動板導(dǎo)向板位置的受力分析圖。α是振動板與水平面的夾角,ε是牽連慣性力與水平面之間的夾角。稻種在振動板上受到的力有:振動板對稻種的支撐力FN1,振動板與與稻種之間之間的摩擦力Ff1,弧形導(dǎo)向板與稻種之間的摩擦力Ff2,牽連慣性力Fs=mAω2cos(ωt+φ)。

由圖2可得稻種垂直于板面的平衡方程為:

FN1+FSsin(α-ε)-mgcosα=0。

圖2 稻種的振動板導(dǎo)向板段受力分析

種子離開振動板躍起的邊界條件為:

FN1=0。

所以稻種在振動板上運動時,不產(chǎn)生躍起的加速度條件為:

as≤gcosα。

3 振動測試與結(jié)果分析

3.1 試驗材料與設(shè)備

圖3是試驗臺照片。振動板由4根厚度為5 mm×1 mm支撐板簧,板簧固定在底座上。振動板尺寸:600 mm×460 mm×2 mm。儀器參數(shù)如下:振動器由可變行程、頻率的行程控制型比例電磁鐵驅(qū)動,實現(xiàn)振動器可變振幅、頻率的振動;加速度傳感器:PCB;分析儀:AVANT MI-7000系列數(shù)據(jù)采集與分析儀。

圖3 試驗臺照片

3.2 試驗設(shè)計

測試連接圖如圖4所示。加速度傳感器安裝在由振動器激勵的振動板各測點處,經(jīng)放大器和信號采集儀將信號傳遞給計算機。

圖4 測試連接

板面上的導(dǎo)向板和V型槽對板面的振動情況影響較小,振動測試時去除。為反映整塊振動板的振動情況,采用均勻布置測試點的方法,如圖5所示。

測試點為6×5共30個點。其中x1到x6的坐標(biāo)分別為80、180、280、380、480、580 mm。y1到y(tǒng)5的坐標(biāo)分別為50、140、230、320、410 mm。因為所設(shè)計的試驗臺須考慮有序播種的情況,根據(jù)預(yù)試驗的結(jié)果[10],α取值小于稻種在振動板上的摩擦角,選取10、15、20°三個水平;振動器頻率的取值為:4、4.5、5 Hz,振幅取3.5 mm。

圖5 振動板測試點布局

3.3 測試結(jié)果與分析

圖6是振動式播種器中x1線上5個點和y3線的6個點在α分別為5、10、15°時,振動頻率別為4、4.5、5 Hz時各測點的情況。

圖6 各測試點測試結(jié)果

從圖6(a)—圖6(c)中可以看出,振動板的x方向上,離振動器越遠(yuǎn),振動越強。產(chǎn)生上述情況的原因是遠(yuǎn)離振動器的支撐板簧的晃動容易引起扭曲變形,共振等問題,振動會加劇。從圖6(a)中可以看出,當(dāng)α=5°時,躍起臨界線與加速度線的交點在離振動器400 mm左右的位置,即在x<400 mm區(qū)域種子在振動板上不躍起。從圖6(b)、(c)中可以看出:隨著α增大,除個別點外,交點普遍往振動器方向偏移,即板面躍起區(qū)域增加。

從圖6(d)—圖6(f)中可以看出,y方向的振動情況以振動器為中心呈現(xiàn)對稱分布,遠(yuǎn)離振動器振動逐漸加強,而在振動器正對的位置振動最弱。產(chǎn)生這種情況的原因是沿振動板y向的兩端,受到支撐板簧和側(cè)面擋板的約束,使振動板產(chǎn)生了變形,但強度較x方向末端要弱很多。

4 播種試驗

圖7是試驗研究的振動式排種器。振動板上的弧形導(dǎo)向板及對應(yīng)的V型槽各設(shè)為4條,V型槽對準(zhǔn)秧盤中的溝槽,保證稻種落入秧盤成行。試驗中采用標(biāo)準(zhǔn)育秧盤,規(guī)格為580 mm×280 mm×30 mm。試驗所用的超級稻種為國稻6號。

4.1 試驗參數(shù)的確定

根據(jù)振動試驗結(jié)果和綜合稻種排序要求[10],試驗參數(shù)為:振動板角α=10°,振動方向角ε=10°,振動頻率為4.5 Hz,振幅為3.5 mm,導(dǎo)向板表面高摩擦系數(shù)材料為2 000#砂紙,弧形導(dǎo)向板的曲率為ρ=2.65。導(dǎo)向板的尾端連接光滑的V型槽,V型槽尾端靠近育種盤。

4.2 試驗結(jié)果

從圖7中可以看出,種子基本能按照條狀均勻有序的分布在種床上,育秧盤中4行稻種總數(shù)為368粒(按20行進(jìn)行育秧,則每個秧盤可以達(dá)到1 850粒),滿足育秧盤能夠形成毯狀秧苗的所需要不少于1 400～1 700粒稻種的要求。

圖7 振動式播種器

實測超級稻的定向排序率為87.3%,運動速度為0.017 m/s,折合成標(biāo)準(zhǔn)育秧盤盤數(shù)每小時可以達(dá)到105盤左右。

5 結(jié) 論

本文所設(shè)計的排種器中振動平板為矩形薄板結(jié)構(gòu),剛度較小,外部縱向激勵下易產(chǎn)生橫向變形等問題,從而引起種子在振動板面上的跳躍,影響排序播種效果。本文對振動板橫向進(jìn)行理論分析與試驗研究,得到如下結(jié)論。

a) 振動板面x和y方向的不同位置點對種子的躍起有影響,表現(xiàn)為遠(yuǎn)離振動器振動加強。

b) 振動頻率和板面角與種子的躍起呈正向變化。隨著激振頻率或振動板傾角的增大,種子的躍起程度也增加。

c) 為了實現(xiàn)稻種的排序運動,導(dǎo)向板設(shè)置在種子不產(chǎn)生跳躍的區(qū)域進(jìn)行。本排種器中,在激振頻率4.5 Hz左右,振動板傾角10°左右,導(dǎo)向板設(shè)置的區(qū)域為:x<400 mm,30 mm

d) 根據(jù)理論分析和試驗結(jié)果,提出在x>400 mm區(qū)域采用V型槽來保證已排序的稻種形成均勻的種子流。試驗結(jié)果證明弧形導(dǎo)向板和V型槽的設(shè)計能有效保證稻種有序排列及達(dá)到連續(xù)均勻的播種。

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(責(zé)任編輯： 康 鋒)

Analysis and Test of Transverse Vibration of Vibrating Plate of Rice Seed Metering Device

YUYa-xin1,2,ZHANGXiang1,2,WUFei1,2,LIULei1,2

(1. School of Mechanical Engineering & Automation, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China; 2.Zhejiang Province Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology,Hangzhou 310018, China)

The transverse vibration feature of the vibrating plate of vibrating-type seed metering device is studied with a view to further improve the seeding accuracy in an ordered arrangement of super hybrid rice. The design scheme is as follows. Firstly, the operational principle of vibrating type seed metering device is stated, a mechanical model of transverse vibration of vibrating plate is built, and analysis on the leaping movement of rice seed on vibrating plate is made; then vibration test of vibrating plate is made with vibration test acquisition instrument and other equipment, the effect of excitation frequency and the angle of vibrating plate on transverse vibration of vibrating plate is analyzed, and the laws of transverse vibration of plate are drawn, and it is pointed out that the area for arranging guide plate on vibrating plate of seed metering device is: 400×300 mm; a V-shaped trough is connected for conveying rice seeds that have been arranged in a certain direction. Experimental results show that when excitation frequency is 4.5 Hz, amplitude is 3.5 mm, the inclination of vibrating plate is 10°, and the curvature of guide plate is 2.65, implementing the design scheme can effectively prevent rice seed from leaping, realize uniformly and orderly seeding, and meet the requirements for ordered and continuous seeding of super hybrid rice.

rectangle plate; transverse vibration; rice; seed metering device; agricultural machinery

1673- 3851 (2015) 01- 0078- 04

2014-05-15

浙江省自然科學(xué)基金(LY12E05028);浙江理工大學(xué)521人才計劃

俞亞新(1974-),女,江蘇常州人,副教授,主要從事機構(gòu)分析、機械動力學(xué)方面的研究。

S223.2

A