一器多行環(huán)槽推送式排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究

葉大明，曹成茂，丁　冉，詹　超

( 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥　230036 )

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一器多行環(huán)槽推送式排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)及研究

葉大明，曹成茂，丁冉，詹超

( 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥230036 )

摘要：設(shè)計(jì)了一種適用于水稻穴直播的一器多行環(huán)槽推送式排種器，分析了排種器的工作原理和種子在出種口的受力及運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)排種器的清種和護(hù)種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的設(shè)計(jì)，并對(duì)精播條件進(jìn)行了理論計(jì)算，推算出排種盤的理論最大轉(zhuǎn)速。在結(jié)合農(nóng)藝對(duì)播種穴距要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了穴距可調(diào)機(jī)構(gòu)，改變不同齒輪嚙合得到不同傳動(dòng)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)播種的穴距可在一定范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)，并通過pro/E對(duì)穴距可調(diào)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。結(jié)果表明：穴距可調(diào)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比符合理論傳動(dòng)比要求，穴距可調(diào)范圍合理，排種器工作可靠。

關(guān)鍵詞：排種器；精播；穴距可調(diào)；Pro/E運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

0引言

我國是世界上的農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)種植過程中播種機(jī)是非常重要的裝備。其與傳統(tǒng)種植模式相比，機(jī)械化直播省去了育苗、移栽等繁瑣工序，大大提高了播種效率。而排種器是播種機(jī)的關(guān)鍵部件，排種器的護(hù)種、清種和排種精確能力是衡量其作業(yè)質(zhì)量的主要指標(biāo)，其設(shè)計(jì)是否合理將直接影響農(nóng)作物種植質(zhì)量及成本[1-2]。傳統(tǒng)排種器大多是一器單行式，要完成多行播種時(shí)播種機(jī)上需要安裝多個(gè)排種器，導(dǎo)致播種機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，排種均勻性和穩(wěn)定性不高，排種器在排種過程中很容易產(chǎn)生卡種、傷種、漏播等問題。這些問題一直沒有被很好地重視和解決，在一定程度上影響了播種機(jī)的發(fā)展[3-4]。穴距涉及到播種量和大田基本苗數(shù)，對(duì)確保直播水稻通風(fēng)采光的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮有重要的作用。傳統(tǒng)排種器自身不具有穴距可調(diào)機(jī)構(gòu)，要完成穴距可調(diào)播種作業(yè)需要依靠改變牽引機(jī)械的速度來實(shí)現(xiàn)[5-6]。針對(duì)以上情況，本文設(shè)計(jì)了一種自帶穴距可調(diào)裝置的一器多行環(huán)槽推送式排種器，可提高精播效率。

1總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1　總體結(jié)構(gòu)

該排種器為圓盤環(huán)槽式排種器，主要由種箱、分流瓦片、排種盤、清種刷、排種器底盤、排種管、調(diào)速裝置、傳動(dòng)軸、換向錐齒輪齒輪、動(dòng)力軸等構(gòu)成，如圖1所示。

圖1　排種器總體結(jié)構(gòu)圖

排種器種箱內(nèi)有柱椎形分流瓦片，可實(shí)現(xiàn)8個(gè)區(qū)同時(shí)進(jìn)行分流充種。種箱下面是圓環(huán)狀的排種盤，排種盤邊緣均勻分布8個(gè)種槽，每個(gè)種槽兩內(nèi)側(cè)壁分別以螺釘方式安裝有軟質(zhì)毛刷，用來清種和護(hù)種。排種盤鑲嵌在底盤中，初始狀態(tài)是排種盤上的8個(gè)種槽與底盤上的8個(gè)排種孔是相互錯(cuò)開的，形成充種區(qū)。隨著傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，排種盤在底盤中做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)種槽與底盤落種口錯(cuò)開時(shí)，處于充種狀態(tài)；當(dāng)種槽與底盤落種口重合時(shí)，處于排種狀態(tài)。底盤底面邊緣對(duì)應(yīng)開有8個(gè)排種口，每一個(gè)排種口處都安裝了排種管，同時(shí)排種底盤上加載了穴距可調(diào)裝置；通過調(diào)節(jié)輸入軸上的齒輪與輸出軸上的不同齒輪進(jìn)行嚙合傳動(dòng)改變輸出軸的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)速度可調(diào)。排種器通過1對(duì)換向錐齒輪能夠很好地解決排種器的位置安裝和動(dòng)力傳遞。

1.2　工作原理

排種器工作時(shí)，種箱中的種子通過分流瓦片將種子分別分流到8個(gè)不同的充種區(qū)，通過輸出軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)排種盤在排種器底盤中攜帶種子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過種槽中軟質(zhì)毛刷的推送作用將種子推送到排種器底盤的落種口處；排種器底盤落種口兩端呈斜坡狀，避免了排種盤與底盤的剛性接觸造成傷種，同時(shí)斜坡上多余的種子會(huì)由軟質(zhì)毛刷沿著傾斜面將其掃下，其余種子在自身重力的作用下落入輸種管，進(jìn)行多行作業(yè)。

2清種和護(hù)種裝置

2.1　排種盤及底盤清種和護(hù)種裝置

排種盤是排種器的核心零部件之一，排種盤的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)精播的重要條件[2]。排種盤為圓環(huán)狀，排種盤環(huán)形邊緣處開有8個(gè)種槽，每個(gè)槽對(duì)應(yīng)1行的排種；該排種盤1次播8行，每個(gè)槽的兩內(nèi)側(cè)壁上都分別以螺釘?shù)姆绞桨惭b了軟質(zhì)毛刷，毛刷與排種器底盤上表面為柔性接觸，避免了種子與側(cè)壁的剛性接觸。排種盤及底盤結(jié)構(gòu)示意圖如圖2和圖3所示。

1.傳動(dòng)軸孔　2.種槽　3.軟毛刷

1.傳動(dòng)軸孔　2.落種口

排種器底盤上8個(gè)落種口，兩側(cè)呈傾斜角度為30°的斜坡形。當(dāng)種子開始進(jìn)入落種口處時(shí)，大部分種子會(huì)做自由落體或平拋運(yùn)動(dòng)從落種口落下，少許種子沿著斜坡在軟質(zhì)毛刷的推送下相繼從落種口落下，從而避免了種子與排種盤的剛性接觸，起到了良好的護(hù)種作用。排種器排種過程中清種和護(hù)種原理如圖4所示。

1.排種盤　2.軟質(zhì)毛刷　3.種子　4.排種器底盤

2.2　精播理論分析

精量播種不僅對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有所要求，對(duì)排種盤的轉(zhuǎn)速也一定的要求，轉(zhuǎn)速過大或過小都將直接影響充種性能、投種粒數(shù)及位置的精準(zhǔn)度[7-8]。排種器在排種過程中，排種盤的轉(zhuǎn)速n是一定的，種子在排種盤推送的作用下相繼進(jìn)入落種口。為了使確定數(shù)量的種子能夠完全從落種口落下，要求排種盤最大轉(zhuǎn)速不能超過某一臨界值，這是保證能夠?qū)崿F(xiàn)精播的必要條件。

種子經(jīng)毛刷推送至落種口處存在3種落種狀態(tài)[9-11]：①種子沿斜坡滑落至落種口；②種子做自由落體落入排種口；③種子在毛刷推送作用下做平拋運(yùn)動(dòng)。其落種示意圖如圖5所示。

圖5　種子落種狀態(tài)示意圖

針對(duì)上述3種情況種子的受力分析如下：

1)當(dāng)種子沿斜坡滑落時(shí)，種子受到自身重力為

G=mg

(1)

斜坡對(duì)種子的法向支撐力FN為

FN=mgcosθ

(2)

斜坡對(duì)種子的切向摩擦力為

f=μFN

(3)

對(duì)種子進(jìn)行受力分析，可得

mgsinθ-f=ma

(4)

f=μFN

(5)

2)當(dāng)種子做自由落體進(jìn)入落種口時(shí)，種子只受自身重力作用，則有

G=mg

(6)

3)當(dāng)種子做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，種子在豎直方向也只受自身重力作用，則有

G=mg

(7)

式中m—種子質(zhì)量(kg)；

g—重力加速度(m/s2)；

μ—種子與斜坡面之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)；

θ—斜坡面與水平面之間夾角(°)。

設(shè)上述3種落種狀態(tài)從種子進(jìn)入落種口開始到種子幾何中心低于落種口上端所需時(shí)間分別為t1、t2、t3，分別對(duì)種子在3種狀態(tài)時(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析可得：第1種狀態(tài)下，種子由排種盤將種子推送到落種口處種子將沿落種口處的斜坡下滑至落種口底端；第2種狀態(tài)下，種子由排種盤推送到落種口處，種子將做平拋運(yùn)動(dòng)落至落種口底端；第3種狀態(tài)下，種子將在落種口處做自由落體運(yùn)動(dòng)，從而落至排種口底端。由以上分析可得

(8)

H=l1+l2

(9)

(10)

(11)

(12)

ω=2πn

(13)

(14)

式中s—斜坡長度(m)；

a—種子沿斜坡下滑加速度(m/s2)；

φ—落種口對(duì)應(yīng)的弧度(rad)；

ω—排種盤的角速度(rad/s)；

總之，在實(shí)際的教學(xué)過程中，教師們需要不斷思考如何提高課堂教學(xué)的效率，努力探索提高教學(xué)質(zhì)量的方法，課前充分的準(zhǔn)備，備實(shí)、備精課程，課堂激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，分配好課堂教學(xué)的時(shí)間，讓教師的教學(xué)更具有實(shí)用性和藝術(shù)性。初升的太陽，每天只有一次，含苞的花朵，每年只有一次，而我們的青春，人生只有一次，讓我們一起珍惜青春，在這最有作為的時(shí)刻，讓有效教學(xué)的信念深深扎根在我們的心里，去譜寫出我們教育人生最美妙的篇章。

g—重力加速度(m/s2)；

l1—排種盤種槽高度(m)；

l2—斜坡高度(m)；

n—排種盤的轉(zhuǎn)速(r/s)；

θ—斜坡面與水平面之間夾角(°)。

排種器要實(shí)現(xiàn)精播，必須要求每個(gè)種槽中的種子全部排出落種口，這就要求每個(gè)種槽中所有種子落至排種口下端的時(shí)間小于1排種盤轉(zhuǎn)過1個(gè)出種口長度所需要的時(shí)間，即

t1≤t且t2≤t且t3≤t

(15)

根據(jù)前面對(duì)種子受力分析及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，整理得

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

由式(19)、式(20)可知：排種器若能正常排種實(shí)現(xiàn)精播，排種盤的理論最大轉(zhuǎn)速主要與出種口所對(duì)應(yīng)的弧度φ、種槽的高度l1、斜坡高度l2、斜坡傾斜度θ有關(guān)。本文排種器出種口所對(duì)應(yīng)的弧度為φ=0.384rad(22°)，種槽的高度為l1=0.016m，斜坡高度l2=0.005m，斜坡傾斜角θ=30°。取種子與種槽內(nèi)壁之間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)u=0.5[12]，種子重力加速度取g=9.8m/s2，代入式(20 ) 、(21)得：n1≤0.689r/s，n2≤0.923r/s，n3≤0.923r/s。

由于排種盤轉(zhuǎn)過一個(gè)出種口的時(shí)間不能小于最后落種的時(shí)間，所以排種盤的轉(zhuǎn)速取3者中最小值，即排種盤的理論最大轉(zhuǎn)速為0.689r/s。

3穴距可調(diào)機(jī)構(gòu)

種苗的通風(fēng)和采光是否充分主要取決于種苗之間的穴距，穴距大小將直接影響種苗的生長特性[5-6]。此次設(shè)計(jì)的排種器自帶穴距可調(diào)裝置，該機(jī)構(gòu)通過螺釘與排種器底盤進(jìn)行連接，輸出軸帶動(dòng)排種盤旋轉(zhuǎn)，穴距可調(diào)裝置為6速可調(diào)；通過調(diào)速把手可調(diào)節(jié)輸入軸與輸出軸上不同齒輪嚙合，在張緊彈簧的作用下可得到不同的傳動(dòng)比，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)排種的穴距可調(diào)；輸出軸通過錐齒輪嚙合由主傳動(dòng)軸提供動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

1.調(diào)速把手　2.動(dòng)力輸入軸　3.彈簧　4.機(jī)殼　5.主傳動(dòng)齒輪

穴距可調(diào)裝置調(diào)速原理圖如圖7所示。

圖7　排種器調(diào)速機(jī)構(gòu)原理圖

調(diào)速的原理在于排種器輸出軸上的齒輪組，動(dòng)力輸入軸與輸出軸齒輪組上的不同齒輪嚙合，就可以得到不同的傳動(dòng)比，從而控制排種器輸出軸的轉(zhuǎn)速起到調(diào)速的目的。根據(jù)調(diào)速裝置傳動(dòng)原理圖中齒輪的齒數(shù)，可以計(jì)算排種器動(dòng)力輸入軸和輸出軸之間的傳動(dòng)比i的最大值和最小值，進(jìn)而得到傳動(dòng)比i值的范圍。設(shè)傳動(dòng)比最大值為imax，最小值為imin，則

由此可得，排種器動(dòng)力輸入軸和輸出軸之間的傳動(dòng)比i值的范圍為0.89~1.67。

4Pro/E在調(diào)速機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用

Pro/E的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是通過對(duì)機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副及驅(qū)動(dòng)器,使其運(yùn)動(dòng), 以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)模擬。針對(duì)需要了解的參數(shù)可以定義模擬測(cè)量, 從而獲得參數(shù)的變化曲線[13-14]。

4.1　機(jī)構(gòu)模型建立

先將首機(jī)架以缺省形式固定，然后依次裝配調(diào)速機(jī)構(gòu)子組件、排種盤、動(dòng)力傳遞齒輪和種箱。其中，調(diào)速機(jī)構(gòu)輸出軸與排種盤以銷釘形式連接，輸入軸上的錐齒輪與動(dòng)力軸上的錐齒輪以齒輪副連接。裝配連接的模型如圖8所示。

圖8　連接后的組件模型

4.2　添加伺服電機(jī)

伺服電動(dòng)機(jī)是組件運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的動(dòng)力源, 可以為連接接頭設(shè)定各種位置、速度和加速度, 使機(jī)構(gòu)以某種特定的方式運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)施加位置、速度和加速度的方式是通過時(shí)間函數(shù)的形式來表達(dá)的, 通過定義時(shí)間函數(shù)(如常數(shù)、線性函數(shù)、自定義函數(shù)等)，可以得出每一時(shí)間各個(gè)主體的位置(輪廓)。進(jìn)入應(yīng)用程序中機(jī)構(gòu)模塊, 在動(dòng)力輸入軸上添加一臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī), 將它的運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置成逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)的速度大小設(shè)為常數(shù), 模數(shù)A=3 600°/s。

4.3　執(zhí)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及仿真結(jié)果

定義運(yùn)動(dòng)學(xué)分析, 可以計(jì)算機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中主體的各種運(yùn)動(dòng)特性。設(shè)置分析的總時(shí)間為10s，分別仿真6組不同齒輪嚙合時(shí)排種盤的位置和速度，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9　排種盤的位置曲線

圖10　排種盤的速度曲線

5結(jié)論

1)通過對(duì)排種器清種和護(hù)種結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得種子在排種槽中的剛性接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越佑|；同時(shí)，落種口斜坡形的特殊結(jié)構(gòu)使得多余的種子被毛刷掃走，有效地解決了排種過程中傷種和卡種的現(xiàn)象。

2)通過Pro/E對(duì)穴距可調(diào)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析, 并獲得所需要的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù), 避免了復(fù)雜的計(jì)算, 使得在二維圖紙上難以表達(dá)和設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)變得直觀和易于修改。通過對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程的模擬, 可以觀察到運(yùn)動(dòng)軌跡、位移，以及是否存在干涉現(xiàn)象, 便于工藝參數(shù)的修改和機(jī)構(gòu)的優(yōu)化，驗(yàn)證穴距可調(diào)機(jī)構(gòu)的可靠性。

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Abstract ID:1003-188X(2016)10-0036-EA

Design and Research of Multi-line Metering Device with Ring Groove Push Movement

Ye Daming, Cao Chengmao, Ding Ran, Zhan Chao

(College of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China)

Abstract：A multi-line metering device was designed for hill-drop of rice with ring groove push movement. Working principle of the multi-line metering device and force on dropping seed were analyzed, improvement design of structure for cleaning and protecting seeds were made, and the theoretical maximum speed of the metering plate was investigated by theoretical calculation of precision sowing condition. On the base of agronomic requirement for hole distance, a hole space adjustable mechanism was designed. It’s change gears engagement to obtain different transmission ratio and realized the sowing distance adjustable under the certain range. Kinematics simulation analysis for the hole space adjustable mechanism was made on the base of Pro/E, the results showed that the transmission ratio can meet the theoretical request, the adjustable range of hole distance is rational and device working stable and performance well.

Key words：seed-metering device; precision seeding; hole space adjustable; kinematics simulation of Pro/E

中圖分類號(hào)：S223.2；S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-188X(2016)08-0036-05

作者簡介：葉大明(1989-)，男，安徽六安人，碩士研究生，(E-mail)12646423@qq.com。通訊作者：曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

基金項(xiàng)目：“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD14B13)

收稿日期：2015-08-03