前后雙腔式高速精量穴播器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李海潮，羅 昕，嫣博冉，陳 永，姜有忠，岳飛龍

(石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引言

棉花的種植由來已久，已成為我國的主要經(jīng)濟(jì)作物之一。新疆棉花種植面積、總產(chǎn)和單產(chǎn)連續(xù)15年位居全國第一位，已成為我國最大和最具潛力的棉花生產(chǎn)基地[1]。20世紀(jì) 70年代伊始，中國逐步開展了排種器的研究工作，所研制的排種器主要分為氣吸式穴播器和機(jī)械式穴播器兩種[2-3]。氣吸式排種器取種精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其中，機(jī)械式穴播器對加工精度和加工成本的要求均較低，結(jié)構(gòu)簡單，配套性好，適合我國的實(shí)際情況[4-5]；但是，在目前常用的機(jī)械式穴播器中依然存在著穴播器轉(zhuǎn)速提高時(shí)播種精度大幅降低(單粒率降低)的情況，無法達(dá)到高速狀態(tài)下精量播種的要求。

針對以上問題，筆者設(shè)計(jì)了一種全新的前后雙腔穴播器，該穴播器利用兩次充種和種子有序排列的方法，在穴播器轉(zhuǎn)速增大時(shí)依然保持較高的單粒率。臺架試驗(yàn)表明：改進(jìn)后的穴播器在高速狀態(tài)下依然能夠保持較高的單粒率，且排種均勻，種子破損少，能夠有效地節(jié)約成本、提高工作效率。

1 結(jié)構(gòu)組成與工作過程

1.1 結(jié)構(gòu)組成

前后雙腔穴播器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.動盤 2.腰帶總成 3.定盤 4.主軸 5.前后雙腔取種器圖1 前后雙腔穴播器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the two tandem cavities dibbler

前后雙腔取種器通過螺釘緊固在環(huán)形腰帶內(nèi)側(cè)，環(huán)形腰帶外側(cè)均勻地分布著鴨嘴成穴器和鴨嘴撥片。當(dāng)穴播器整體轉(zhuǎn)動時(shí)，動盤和環(huán)形腰帶一起轉(zhuǎn)動，取種器在一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)完成精量播種。

1.2 穴播器工作過程

穴播器的工作過程如圖2所示。

在工作過程中，穴播器的動盤帶動環(huán)形腰帶一起轉(zhuǎn)動，種子群由于重力作用聚集在穴播器的下部；當(dāng)取種器穿過種子群時(shí)，種子便開始在前腔第一次充種；隨著穴播器的轉(zhuǎn)動，由于重力作用和前腔V型槽的限制作用，多余的種子會掉落到種群中，進(jìn)行清種，然后V型槽中剩余的種子開始進(jìn)行有序排隊(duì)；隨著穴播器的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，排成一列的種子在重力作用下從V型槽中向后腔移動，進(jìn)行二次精量充種。V型槽與后腔之間通過圓孔相通，種子由圓孔進(jìn)入到后腔之中，由于后腔是上窄下寬的梯形結(jié)構(gòu)，因此初始時(shí)只能允許一粒種子進(jìn)入到后腔中；當(dāng)取種器轉(zhuǎn)動到投種點(diǎn)時(shí)，進(jìn)入到后腔中的一粒種子就會翻滾掉落至鴨嘴成穴器中等待排出，其余沒有進(jìn)入到后腔中的種子便會掉落在種子群中。

圖2 前后雙腔穴播器的工作過程圖Fig.2 Working process diagram of the two tandem cavities dibbler

2 前后雙腔取種器的設(shè)計(jì)

前后雙腔取種器是保證穴播器精量播種的重要零部件。取種器前腔結(jié)構(gòu)如圖3所示。前腔與V型槽相連部分尺寸為l2，前腔體高度為h1，前腔底部寬度為d1。為了提高取種器取種性能，同時(shí)必須保證第一次充種數(shù)量足夠多，不會因?yàn)檠úテ鬓D(zhuǎn)速高而產(chǎn)生空穴等問題，尺寸參數(shù)分別為

La≤l2≤1.3La

La≤d1≤1.3La

1.5La≤h1≤2La

式中La—種子長度的平均值。

如圖3所示，在清種階段要求多余的棉種從取種器中掉落，只留下大約3粒種子，為二次充種做準(zhǔn)備。所以，V型槽的尺寸范圍為

3.2La≤l1≤3.5La

1.1Da≤h2≤1.3Da

1.1Da≤d2≤1.6Da

式中Da—種子寬度的平均值。

1.取種器前腔 2.取種器后腔 3.投種孔 4.V型槽圖3 前后雙腔取種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the two tandem cavities seed-taking device

3 工作過程分析

3.1 第一次充種

3.2 有序排列

當(dāng)種子在V型槽中排成一列后分析種子的受力和運(yùn)動情況，如圖4所示。

圖4 種子在V型槽中受力圖Fig.4 Forces acted on seeds in V groove

種子在取種器中由于向心力的作用緊貼V型槽底部，種子在有序排列階段沿V型槽移動，能夠克服摩擦阻力移動的條件為

mg·sinα>Ff

其中，β為V型槽夾角，β=75°；μ為棉種與V型槽的摩擦因數(shù)，μ=0.2；φ為棉種摩擦角，φ=30°?；喒降?/p>

3.3 二次充種

對種子第二次充種建立模型，并進(jìn)行受力分析，如圖5所示。由圖5得

Fx=G·cosα-Fn1-Fn2·sinβ

Fy=G·sinα+F1-Ff-Fn2·cosβ=0

F1=2·G·cosα-2·Ff

Fx=m·r·ω2

ω=2·π·n

其中，F(xiàn)n1為種子受到V型槽邊緣的支持力;Fn2為種子在后腔的支持力；F1為種子間作用力；Ff為摩擦力；ω為腰帶總成角速度；n為腰帶總成轉(zhuǎn)速；r為取種器到中心距離。

圖5 種子二次充種受力分析Fig.5 Forces analysis of seeds in second seed-filling

4 試驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)用棉種選用中棉297-5號，試驗(yàn)用的種子均經(jīng)過脫絨和人工精選，種子無破碎，其含雜率小于0.1%，種子均干燥，含水率為5.6%。棉種的尺寸(長度×寬度×厚度)為9.7mm×5.04mm×4.38mm，千粒質(zhì)量為100g，自然休止角為35.28，滑動摩擦角為28.4。

試驗(yàn)用穴播器的動盤與定盤采用標(biāo)準(zhǔn)制件，去除鴨嘴成穴器的腰帶總成部分采用3D打印加工制造。前后雙腔取種器根據(jù)試驗(yàn)要求利用3D打印加工制造，固定在腰帶總成內(nèi)側(cè)。將組裝完成的穴播器安裝在JPS-12排種器試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 排種器性能試驗(yàn)臺架Fig.6 Test platform of seed metering device on performance

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《單粒 (精密) 播種機(jī)試驗(yàn)方法( GB /T6973 - 2005)》規(guī)定，排種器單粒率作為精量播種性能指標(biāo)，進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平Table 1 Factor levels of orthogonal experiment mm

通過試驗(yàn)臺改變穴播器的旋轉(zhuǎn)速度，將速度穩(wěn)定在58r/min(6.9km/h)進(jìn)行試驗(yàn)，測試150穴作為樣本數(shù)據(jù)，如此重復(fù)5次，計(jì)算出不同編號試驗(yàn)的單粒率。正交試驗(yàn)結(jié)果以及極差分析如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Factor levels of orthogonal experiment

4.3 試驗(yàn)分析

由試驗(yàn)結(jié)果和極差分析可知：在高速狀態(tài)下，穴播器的單粒率能夠達(dá)到93%以上，符合國家規(guī)定；前腔寬度d1、V型槽寬度d2和后腔長度l3對穴播器高速狀態(tài)下的播種精度影響依次減弱；播種過程中要求單粒率越高越好，因此使得穴播器達(dá)到高速狀態(tài)下單粒率最高的組合為A3B2C3。

采用A3B2C3的參數(shù)組合，將穴播器轉(zhuǎn)速提高到60r/min(7.1km/h)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)取100穴作為樣本數(shù)據(jù)，重復(fù)3次，取平均值。試驗(yàn)結(jié)果顯示：單粒率為94.1%，重播率為2.2%，漏播率為3.7%，完全能夠滿足新疆地區(qū)棉花高速精量播種的要求。

4 結(jié)論

1)前后雙腔取種器尺寸參數(shù)的合理對穴播器能夠在高速狀態(tài)下進(jìn)行精量播種具有重要影響。本文對前后雙腔取種器的尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對其工作原理進(jìn)行了分析，試驗(yàn)表明，前后雙腔穴播器能夠滿足高速播種的要求。

2)通過臺架排種正交試驗(yàn)確定了前后雙腔取種器的最優(yōu)尺寸參數(shù)，對穴播器進(jìn)行高速狀態(tài)下60r/min(7.1km/h)試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果顯示，其單粒合格率能保持在94%以上，完全能夠滿足棉花高速精量播種的要求。