垂直圓盤氣吸式排種器的理論分析與研究

王曉東，王衛(wèi)兵，馬華永，馮靜安，付 威，田 心

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832001；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832001；3.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832002)

?

垂直圓盤氣吸式排種器的理論分析與研究

王曉東1,2，王衛(wèi)兵1,2，馬華永1,2，馮靜安1,2，付 威1,2，田 心3

(1.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832001；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,新疆 石河子 832001；3.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832002)

排種器是播種機(jī)的核心部件，其可靠性和穩(wěn)定性直接影響播種質(zhì)量。為此，針對(duì)垂直圓盤氣吸式排種器，分析了其結(jié)構(gòu)及工作原理，應(yīng)用理論解析方法對(duì)種子在工作時(shí)進(jìn)行了受力分析，并對(duì)種子隨排種盤運(yùn)動(dòng)和種子脫離吸種孔時(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論探討，找到影響垂直圓盤氣吸式排種器工作的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，且推導(dǎo)出相應(yīng)公式，為播種機(jī)工作參數(shù)的設(shè)定提供了理論支持與依據(jù)。

種子；排種器；垂直圓盤；氣吸式

0 引言

新疆天山北坡滴灌小麥免耕復(fù)播“雙滴” 高效種植模式的需求。目前復(fù)播作物精量播種一般采用垂直圓盤氣吸式排種器進(jìn)行播種作業(yè)[1]。精量播種的含義就是把預(yù)定的種子按照農(nóng)藝要求播到土壤中預(yù)定的某個(gè)位置[2]。它對(duì)種子在種床內(nèi)的三維空間坐標(biāo)和播量上要求非常精確，包括行距、粒距、播種深度和每穴粒數(shù)。目前，播種機(jī)用的精量排種器主要分為兩種：氣力式排種器和機(jī)械式排種器[3-4]。氣力式排種器與機(jī)械式精密排種器相比，具有省種、對(duì)種子尺寸要求不嚴(yán)、適應(yīng)性強(qiáng)、不傷種、高作業(yè)速度及易于實(shí)現(xiàn)單粒精播等優(yōu)點(diǎn)。氣力式排種器在田間播種作業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，因此研究氣吸式排種器的工作原理對(duì)提高排種器的工作性能具有十分重要的意義，亟待加強(qiáng)氣力式排種器的相關(guān)理論研究。

1 氣吸式排種裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理

本研究針對(duì)應(yīng)用最為廣泛的垂直圓盤氣吸式排種器，其根據(jù)不同的作物可以方便地更換排種盤，以滿足玉米、大豆、高粱、棉花等不同作物的精密播種。排種器主要由種子箱、種子室、氣吸室、排種盤、攪拌輪、種子調(diào)節(jié)板及杠桿式雙柱刮種器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。

1.排種軸 2.排鐘器外殼(包括氣吸室、充種區(qū)、吸種區(qū)、攜種區(qū))3.動(dòng)力輸入錐齒輪 4.傳動(dòng)錐齒輪 5.排種盤 6.攪拌輪 7.排種器外殼(刮種器、種子室)

驅(qū)動(dòng)輪通過傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的氣流通過氣吸管使氣吸室的氣道產(chǎn)生負(fù)壓；當(dāng)排種盤的吸種孔轉(zhuǎn)入氣吸道時(shí)，小孔一側(cè)為負(fù)壓，另一側(cè)則處于種子室，種子即在壓力差作用下被吸附在排種盤的吸種孔上，種子隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)種子離開氣吸道末端后，隨著負(fù)壓消失，種子靠自身重力經(jīng)導(dǎo)種管落入開溝器開出的種床內(nèi)；每個(gè)吸種孔通常吸附1～2粒種子，而多余的種子在經(jīng)過刮種器時(shí)被刮掉，實(shí)現(xiàn)排種器的單粒排種[6-7]。

2 種子的受力分析

當(dāng)排種器工作時(shí)，種子所受外力主要有種子重力G、種子旋轉(zhuǎn)慣性力J、吸孔吸附力F及吸孔處產(chǎn)生的支持力N。種子離開種子群開始移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力可忽略，如圖2所示[8]。

圖2 種子的受力分析圖

圖2中：G為種子所受重力；J為種子所受慣性力；T為G、J的合力；d為吸種孔直徑；h為種子重心與排種盤的距離；F為種子所受吸附力；N為種子所受支持力。

J=mrω2

其中，ω為排種盤的角速度；r為種子重心到排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)軸的距離。

當(dāng)排種盤進(jìn)行等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，慣性力的大小將保持恒定，但其方向在不斷改變，重力的方向和大小都是恒定不變的。由圖2可以看出：開始吸種時(shí)合力最大，隨后逐步減小，最后到達(dá)排種盤頂部時(shí)所受的合力最小，然后又開始增大；當(dāng)與方向相反的時(shí)候，此時(shí)要求吸孔的吸附力最小，要求的真空度也最小。當(dāng)種子慢慢的轉(zhuǎn)過頂部逐漸下降時(shí)所受合力又逐漸增大。計(jì)算真空室所需最小真空壓力時(shí)，應(yīng)以充種區(qū)所需真空壓力為基準(zhǔn)，因此要使吸孔吸住種子，必須滿足下列條件[9]，則

F·d/2≥T·h

(1)

式中 F—種子受到的吸附力，其值F=(πd2/4)(P1-P2)；

P1—大氣壓力；

P2—真空室壓力。

由公式(1)可以得出：當(dāng)孔徑增大時(shí)，孔徑的面積也隨之增大，這時(shí)吸附種子所需的真空度將降低，排種性能將逐漸提高；然而，當(dāng)孔徑增大到一定數(shù)值時(shí)，漏氣量會(huì)逐漸地增大，排種性能又開始逐漸降低。因此，吸種孔直徑需要根據(jù)種子的尺寸來確定，由試驗(yàn)方法確定的吸種孔直徑為[9-10]

d=(0.64～0.66)b

(2)

其中，b為種子的平均寬度。

吸室的真空度直接影響到排種孔吸種的性能，各吸種孔處的均勻程度對(duì)排種質(zhì)量有較大影響。對(duì)于不同類型和品種的種子，都有一個(gè)最佳的真空度范圍。真空度減小時(shí)，漏吸率會(huì)增大；當(dāng)真空度超過一定值時(shí)，重吸率會(huì)增加。在實(shí)際工作中，由于風(fēng)機(jī)與排種器之間存在管路壓力損失及機(jī)器振動(dòng)的影響，在設(shè)計(jì)時(shí)真空度應(yīng)取大值。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，吸室所需真空度的最大值計(jì)算公式為

(3)

式中HCMAX—?dú)馕秸婵斩茸畲笾?kPa)；

C—種子重心離排種盤之間距(cm)；

m— 一粒種子的質(zhì)量(kg)；

v—排種盤吸孔中心處的線速度(m/s)；

r—排種盤吸孔處的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑(m)；

g—重力加速度(g/s)；

λ—種子的摩擦阻力綜合系數(shù),λ=(6～10)tanγ，γ為種子自然休止角；

K1—吸種可靠性系數(shù)，一般在種子千粒質(zhì)量小、形狀近似球形時(shí)選擇較小值，反之則選擇較大值，一般的中耕作物，如大豆、玉米、高粱等取k1=1.8～2.0；

K2—工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)，一般K2=1.6～2.0，種子千粒質(zhì)量大時(shí)取大值。

由計(jì)算公式(3)可知：氣吸式排種器所需真空度極限值與吸孔直徑、排種盤吸孔處線速度及種子物理特性等有關(guān)[11-13]。

吸室的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，即圓環(huán)形和馬蹄形。由文獻(xiàn)[5]可知，氣吸室流場(chǎng)滿足

(4)

(5)

(6)

式中 ωx—假設(shè)微團(tuán)(質(zhì)點(diǎn))x方向的旋轉(zhuǎn)角速度；

ωy—假設(shè)微團(tuán)(質(zhì)點(diǎn))y方向的旋轉(zhuǎn)角速度；

ωz—假設(shè)微團(tuán)(質(zhì)點(diǎn))z方向的旋轉(zhuǎn)角速度。

由式(4)～式(6)可以看出：氣吸室為等勢(shì)流場(chǎng)，即氣吸室內(nèi)部壓力相等，與氣吸室形狀無關(guān)。

由于在吸孔附近存在壓力差，氣流產(chǎn)生流動(dòng)，所以種子會(huì)受到氣流的作用力，其在流體中的受力如圖3所示。設(shè)種子負(fù)壓面所受壓力為P1，正壓面所受壓力為大氣壓力Pa，那么推動(dòng)種子移動(dòng)的力為Pa-P1，所以根據(jù)伯努利方程可得[14-16]

(7)

(8)

式中 ρ—空氣的密度(kg·m-3)；

r—種子與吸孔的距離(m)；

y—種子偏離吸種孔中心的橫向距離(m)；

Q—空氣流量(m3/s)；

C—吸孔半徑(m)。

(9)

其中，R為種子半徑。

若假設(shè)種子為圓形，且取種子當(dāng)量半徑為a，對(duì)種子受力在其平面上進(jìn)行積分，可得種子的受力為

(10)

圖3 種子在流體中的受力

3 種子運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

種子的運(yùn)動(dòng)包括兩部分：一部分是種子隨排種盤一起運(yùn)動(dòng)；另一部分則是種子脫離吸種孔后所作的具有初速度的自由落體運(yùn)動(dòng)。由文獻(xiàn)[7]可知：由于種子的物理特征不完全一致等因素，雖然有少數(shù)種子的排種位置不一，但大部分種子還是在排種器的同一點(diǎn)，沿排種器吸種孔分布圓的切向排出，如圖4所示。

圖4 種子的運(yùn)動(dòng)與受力圖

當(dāng)種子脫離吸孔后受到的作用力為重力G及空氣阻力F，若將種子視為一質(zhì)量為M的質(zhì)點(diǎn)，則種子脫離吸孔后的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式(15)、式(16)即為種子脫離吸孔后的運(yùn)動(dòng)微分方程。

kpx、kpy—種子的漂浮系數(shù)；

g—重力加速度。

如果種子的初速度已知，則可求出種子在下落過程中任意時(shí)刻的速度。如果將種子未脫離吸孔時(shí)的速度確定為初速度時(shí)，則由圖4根據(jù)速度合成定理可得[17-18]

Vox=Vε-Vrsinθ

(17)

Voy=Vrcosθ

(18)

若設(shè)機(jī)器前進(jìn)速度(輸送帶速度)為V，排種盤吸種孔分布圓半徑為r，排種盤角速度為ω，種子脫離吸孔時(shí)吸孔和中心的連線與水平軸夾角為θ，則Ve=V,Vr=rω。式(17)、式(18)成為

Vox=V-rωsinθ

(19)

Voy=rωcosθ

(20)

由式(19)、式(20)分別對(duì)式(15)、式(16)積分，得種子在任意時(shí)刻的速度為

Vx=-Voxe-kpxt

(21)

(22)

若種子在脫離吸孔后的下落過程中不考慮空氣阻力的影響，則得出種子脫離吸種孔后的運(yùn)動(dòng)方程為

Vx=V-ωrsinθ

(23)

Vy=ωrcosθ+gt

(24)

4 結(jié)論

1)由公式可知：種子在氣流中的作用力F與吸孔的面積及種子和吸種孔的距離有很大關(guān)系。即隨著吸種孔面積的增大，吸種孔吸力顯著增大；隨著種子與吸種孔距離的增大，種子所受吸力急劇減小；距離增大到一定值后，所受吸力減至最小值為零。所以，吸種孔應(yīng)盡量與種子接觸。

2)對(duì)種子脫離吸種孔后的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，獲得種子運(yùn)動(dòng)方程，可在垂直氣吸式排種器針對(duì)不同作物不同播種模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作參數(shù)的設(shè)定過程起相應(yīng)的指導(dǎo)作用。

[1] 馬華永. 滴灌條件下茬地免耕精量播種機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與研究[D]. 石河子：石河子大學(xué),2014.

[2] 張波屏.播種機(jī)械設(shè)計(jì)原理[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

[3] 孫齊磊,趙洪林,張曉輝.排種器的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].山東農(nóng)機(jī),2002(2):8-9.

[4] Wu Ming, Tang Chunzhou. The Present Situation and Countermeasures about Seeding Apparatus of Paddy Precision Seeder[J].Chinese Agricultural Mechanization,2003(3):30-31.

[5] 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院.實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上)[K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998.

[6] 劉哲良,張旭東,張旭,等.垂直圓盤氣吸式排種器攫取種子過程分析[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(7):70-72,77.

[7] 郭輝,韓長(zhǎng)杰,楊宛章.提高氣吸式垂直圓盤排種器性能的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(10):34-36,43.

[8] 張波屏.現(xiàn)代種植機(jī)械工程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[9] 陳立東.氣吸式排種器性能參數(shù)設(shè)計(jì)及其對(duì)排種質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究[D].大慶:黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),2006.

[10] 趙佳樂,賈洪雷,姜鑫銘,等.大豆播種機(jī)偏置雙圓盤氣吸式排種器[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2013(8):78-83.

[11] 羅昕,胡斌,黃力櫟,等.氣吸式穴盤育苗精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(11):130-132,140.

[12] 楊宛章,孫學(xué)軍,康秀生.氣吸式播種機(jī)種子吸附過程研究[J].新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2001(4):49-53.

[13] 朱光明,楊林,李洪文.2BQMF-5型氣吸式施肥免耕播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008(7):84-86.

[14] 袁月明,馬旭,金漢學(xué),等.氣吸式水稻芽種排種器氣室流場(chǎng)研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005(6):42-45.

[15] 袁月明,馬旭,梁旭,等.氣吸式水稻芽種直播排種器性能的試驗(yàn)研究[J].吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(6):690-693.

[16] 尹海燕.水稻芽播氣吸式排種器的試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué),2004.

[17] 袁月明.氣吸式水稻芽種直播排種器的理論及試驗(yàn)研究[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué),2005.

[18] 張建平,李飛雄.氣吸式排種器排種均勻性的Monte Carlo模擬[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1994(1):56-62.Abstract ID:1003-188X(2017)02-0075-EA

Theoretical Analysis and Research of Vertical Disc Air-Suction Metering Device

Wang Xiaodong1,2, Wang Weibing1,2, Ma Huayong1,2, Feng Jingan1,2, Fu Wei1,2, Tian Xin3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832001, China; 2.Key Laboratory of Agricultural Machinery, Xinjiang Production and Construction Corps , Shihezi 832001,China; 3.Xinjiang Tianfu Energy Co. Ltd., Shihezi 832002,China)

The seed-metering device is the core component of seeder, its reliability and stability directly affect the seeding quality. Aimed at the vertical disc air-Suction metering device, the paper analyzed the structure and working principle, applied the theory analysis method to make the Stress Analysis according to the movement of seeds work, and made theoretical discussion about the movement of Seeds move with the planter plate and break away from the suction pore to find the main structural parameters that may affect work performance of vertical Disc Air-Suction Metering Device, and derive the corresponding formula to provide theoretical support and basis for setting the operating parameters of planter.

seeds; seed-metering device; vertical disc; air-suction

2016-01-04

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD42B03)；石河子大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目 (2012ZRKXYQ05)

王曉東(1976-)，男，新疆石河子人，講師，碩士，(E-mail)363235385@qq.com。

付 威(1977-)，男，黑龍江五常人，副教授，碩士生導(dǎo)師，博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0075-04