不同型式小籽粒精少量排种器排种性能比较分析

孙静鑫，郭玉明，杨作梅

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)



不同型式小籽粒精少量排种器排种性能比较分析

孙静鑫，郭玉明*，杨作梅

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

摘要：由于谷子、糜子、蔬菜等小籽粒种子的体积小、质量轻等，适用于这些种子精少量播种的成熟机具目前还较少，为此本文对国内近年来开发的各类小籽粒排种器型式，进行比较分析。主要针对目前应用于小籽粒播种的环槽式、异型螺旋槽式、窝眼轮式3种排种方式的排种器进行分析，探索研究小籽粒排种过程在充种、清种、护种、投种等阶段的动力学特性，不同排种装置小籽粒种子在这些阶段的运动状态变化和摩擦特性的异同，以及对种子损伤程度的分析等。通过比较得出结论：种子在窝眼轮式排种器的充种区、护种区和投种区的受损伤程度最低，而种子在窝眼轮式排种器的清种区的破碎率最高。

关键词：小籽粒；精少量播种；排种器性能分析；动力学特性；三种型式

小籽粒主要包括谷子、黍子、牧草、油菜、糜子和蔬菜种子等，这些种子在生产中大都要求机械播种时实现精少量播种，以免除后续的费时费力的人工间苗，但是由于种子的体积小，质量轻，以及有的品种形状不规则等，利用现有的小麦、玉米等谷物播种机无法实现精少量播种，因此研制满足小籽粒播种要求的精少量播种机有着重要的现实意义。目前小籽粒播种装备有人力或者畜力拉的木耧、手推自行车改造的播种机、手扶式自走播种机、拖拉机牵引播种机等[1]。国内外对于小籽粒精少量播种机的研究已有许多成果，国外主要采用真空式、垂直排种盘式、穴式、以及螺旋式小籽粒排种器[2]，但主要是大中型，不能满足国内需求。国内目前的小籽粒播种机主要有环槽式、异型螺旋槽式、窝眼轮式等排种器，本文通过分析了上述几种排种器在充种、清种、护种、投种等阶段小籽粒种子的运动状态变化及动力学特性，摩擦特性的异同，以及对种子损伤程度等性能，旨在通过性能分析和结构优化，研制出一种从结构和参数均能满足生产需求的可控量小籽粒精少量播种装备。

1排种器的结构比较分析

1.1　环槽式

环槽式精少量播种机的排种器主要由高频振动系统、排种器壳体和排种轮组成[3]。环槽式排种器排种过程如图1所示。

图1　排种器排种过程示意图Fig.1　Sketch of the metering device in metering process

1.2　窝眼轮式

窝眼轮式精少量播种机的排种器主要由排种轴、窝眼轮、清种刷、护种板排种器盒等组成[4]。窝眼轮式排种器的排种过程如图2所示。

图2　排种器排种过程示意图Fig.2　Sketch of the metering device in metering process

1.3　异型螺旋槽式

异型螺旋槽式排种器是主要由带螺旋线型槽的实心圆轴，套筒等组成[5]。

从结构上，窝眼轮式排种器比其他2种排种器多一个清种刷，同时为了防止种子在投种区卡在窝眼内不能正常投种的情况，有些学者在窝眼轮的投种区增加了一个推种轮，这就使其结构更加复杂；环槽式排种器为了保障正常充种和排种，附加一个高频振荡系统；所以，相比较而言，异型螺旋槽式排种器的结构最简单、精巧。

2排种器的运动学和动力学比较分析

2.1　充种区

2.1.1充种区种子的受力分析

随着窝眼轮的转动，由于充种区的种子受重力G、其他种子对其的作用力F、离心力P等的作用，会进入窝眼内[6]。当第一粒种子进入到窝眼后，紧接着第二粒种子也进入到同一窝眼，并将第一粒种子压至窝眼的底部，使其相对于窝眼轮是相对静止的，然后随着窝眼轮的转动，进入到清种区。所以在清种区和护种区对第一粒种子不作分析，只对第二粒种子进行分析。

在该阶段，种子受到重力G，其他种子对其的作用力F，窝眼内壁对其的支持力N1和摩擦力f，种子的受力示意图如图3所示。

图3　充种区种子受力图Fig.3　Force map of seed in filling region

而在环槽式排种器的充种区，种子受受到重力G，其他种子对其的压力N1和摩擦力F1，排种轮内壁对其的支持力N和摩擦力F2。受力示意图如图4所示。

图4　充种区种子受力图Fig.4　Force map of seed in filling region

在异型螺旋槽式排种器的充种区，种子受到重力G，在轴的xoy平面上的支持力N2和摩擦力f2，在轴的Z方向的支持力N1和摩擦力f1，受力示意图如图5所示。

图5　充种区种子受力图Fig.5　Force map of seed in filling region

从图3～图5受力分析可以看出，种子在窝眼轮式排种器和环槽式排种器中的受力相同点：F与N1都是种子群对进入充种区种子的作用力；不同的是：种子在窝眼轮式排种器的充种区中的受力个数(4个)少于种子在另外两种排种器中的受力个数(5个)，并且种子在窝眼轮式排种器的充种区中所受的摩擦力个数只有1个，这就使种子的破碎率最低。由图3可得：

式中，μ为种子与窝眼内壁的摩擦系数，α为种子重心与原点的连线和水平线之间的夹角。

由图4可得：

式中，μ1为种子与种子之间的摩擦力，μ2为种子与排种轮内壁之间的摩擦力。

由图5可得：

式中，f1=μN1，f2=μN2,螺旋角为α，N1=Ncosα，N2=Nsinα。

2.1.2充种区种子的速度、加速度比较

种子在窝眼轮式排种器中的加速度为：

种子在环槽式排种器中的加速度为：

种子在异型螺旋槽式排种器中的加速度为：

种子在窝眼内的运动可分解为沿图3中F方向的变加速运动和沿窝眼轮切线方向的匀速圆周运动。由于窝眼轮是匀速转动的，且排种轴的角速度为ω，所以α=ωt，即速度为：

种子在环槽式排种器中的速度为：

种子在异型螺旋槽式排种器中的速度为：

以上分析都是以排种轮作为参考系，所以不考虑种子相对于地面的速度、加速度。

以谷子为例，谷子单粒重为3.2×10-6kg,种子之间的摩擦系数μ1=0.51[7]，种子与铝的摩擦系数为μ2=0.25[8]，根据散体力学基础，估计带动层种子挤压力F=1.6×10-4N，ω=π/6 rad·s-1[7]，代入上式，经计算得出：种子在环槽式排种器中的充种加速度、速度均最大，在异型螺旋槽式排种器中的速度、加速度均最小，但是种子在窝眼轮式排种器的充种区的充程最短，所用时间最短，所以充种最快。

综上所述，在充种区，窝眼轮式排种器的充种效果较好。

2.2　清种区

2.2.1清种区种子的受力分析

对窝眼轮式排种器进行分析。种子进入窝眼轮式排种器的清种区后，要经过清种刷作用，清种刷对种子既有压力N3，也有摩擦力f，清种刷与种子之间的摩擦系数为μ′。为了方便解决问题，种子与种子之间的摩擦力先忽略不计。受力示意图如图6所示。

图6　清种区种子受力图Fig.6　Force map of seed in clearing region

由图可得：

从公式中可看出，μ和μ′对种子的影响比较大。种子在被清种刷作用时，会有一个沿如图所示f方向的运动，当运动到窝眼的另一侧时才停止运动。

2.2.2清种区种子的速度、加速度分析

种子在窝眼轮式排种器中清种区的加速度为：

种子在窝眼轮式排种器中清种区的速度为：

由上式可看出：种子的速度与(N1，F，μ′,β,θ)有关，当种子离开窝眼的内侧时，不再受支持力N1，这时种子的速度只和(F，μ′,β,θ)有关。当种子随着窝眼轮的转动离开清种区时，由于重力的作用恢复到之前的位置，然后随窝眼一起做匀速圆周运动。

在窝眼轮式排种器的所有区域中，种子在清种区所受的摩擦力最大，所以种子所受的损害程度最高。

2.3　护种区

2.3.1护种区种子的受力分析

种子经过窝眼轮式排种器的清种区，进入到护种区。在护种区，窝眼内壁对种子的支持力N1，种子受护种板的支持力N2，护种板对种子的摩擦力为f，其他种子对其的作用力F。受力示意图如图7所示。

图7　护种区种子受力图Fig.7　Force map of seed in protection region

环槽式排种器第一阶段的受力示意图如图8所示。

图8　护种区种子受力图Fig.8　Force map of seed in protection region

环槽式排种器第二阶段的受力示意图如图9所示。

图9　护种区种子受力图Fig.9　Force map of seed in protection region

异型螺旋槽式排种器的护种区的受力示意图如图10和图11所示。

图10　护种区种子受力图Fig.10　Force map of seed in protection region

图11　护种区种子受力图Fig.11　Force map of seed in protection region

从以上受力分析可以看出，种子在环槽式排种器中的受力个数最少，但是一直受到护种板的摩擦力。种子在异型螺旋槽式排种器中也受护种板对其的摩擦力，并且护种行程比较长。种子在窝眼轮式排种器中分两种情况：一种是窝眼内只有一粒种子，则护种板对种子的作用力为0，种子就不受护种板的摩擦力，种子所受摩擦力最小，这是最理想的状态；另一种是窝眼内有两粒种子，种子便会受到护种板的挤压力，若护种板随窝眼轮一起运动，便会大大降低了对种子的作用[9]。由于摩擦力是影响种子破碎率的重要因素，所以种子在窝眼轮排种器的护种区的破碎率最低。

由图7可得：

由图8和图9可得：

其中，f=μ2N。

式中，f1=Gsinα,N1=Gcosα,f2=Gsinθ,N2=Gcosθ。

2.3.2护种区种子的速度、加速度分析

种子在窝眼轮式排种器中的加速度为：

种子在环槽式排种器中的加速度为：

第一阶段：a=gcosβ-μ2gsinβ+μ2ω2r

第二阶段：a=gsinγ-μ2gcosγ

种子在异型螺旋槽式排种器中的加速度为：

由此可得：种子在该阶段相对于窝眼轮来说处于平衡状态。

种子在窝眼轮式排种器中的速度为：v=0

种子在环槽式排种器中的速度为：第一阶段：

种子在异型螺旋槽式排种器中的速度为：第一阶段：

第二阶段的加速度为0，所以速度大小等于第一阶段的末速度。从运动学角度来看，种子在窝眼轮式排种器中的速度、加速度都为0，而种子在另外两种排种器中的速度都不为0。

综上所述，在护种区，种子在窝眼轮式排种器中所受的损伤程度最低，护种效果最好。

2.4　投种区

2.4.1投种区种子的受力分析

种子在窝眼轮式排种器的投种区的运动及受力可分两个阶段：第一个阶段是种子即将离开窝眼轮，但是仍在窝眼轮上；第二个阶段是种子已经离开窝眼轮，作类平抛运动。

N1为窝眼的内壁对种子的支持力，种子水平方向的初速度就是由支持力N1提供。 在第二个阶段，当种子离开窝眼轮时，只受种子自身重力的作用(不计空气阻力)。种子第一、二阶段的受力示意图如图12所示。

图12　投种区种子受力图Fig.12　Force map of seed in seeding region

图13　投种区种子受力图Fig.13　Force map of seed in seeding region

种子在环槽式排种器的投种区有一个20°滞后角，受力示意图如图13所示，种子受重力G和下一粒种子对其的作用力F(不计空气阻力),然后做类平抛运动。

种子在异型螺旋槽式排种器的投种区只受重力G作用(不计空气阻力)，由于在护种区末端具有速度，所以种子在三维空间做类平抛运动。

G=ma

由图12可得 ：

由图13可得 ：

2.4.2投种区对种子的速度、加速度分析

种子在窝眼轮式排种器的投种区加速度为：

a=g

种子在环槽式排种器的投种区加速度为：

种子在异型螺旋槽式排种器中的加速度为：

a=g

种子在窝眼轮式排种器的投种区速度为：

种子在环槽式排种器的投种区速度为：

种子在异型螺旋槽式排种器中的速度为：

通过计算，比较分析得出：在该区域，种子在窝眼轮式排种器中受力较少，水平速度、加速度较小，受损伤程度较低。

3结论

1)经计算得出：种子在环槽式排种器中的充种加速度、速度均最大，在异型螺旋槽式排种器中的速度、加速度均最小，但是种子在窝眼轮式排种器的充种区的充程最短，充种最快。所以，在充种区，窝眼轮式排种器的充种效果较好。

2)种子在窝眼轮式排种器的清种区所受的摩擦力最大，所以种子所受的损害程度最高。因此设计小籽粒精少量排种器时应将清种刷或者清种板改为清种槽，将强制刷种式改为靠重力清种，降低种子的损伤程度[11]。

3)从动力学角度分析得出：种子在窝眼轮式排种器的护种区所受摩擦力最小，而摩擦力是影响种子破碎率的重要因素，所以种子在窝眼轮排种器的护种区的破碎率最低。从运动学角度来分析得出：种子在窝眼轮式排种器中的速度、加速度都为0，而种子在另外两种排种器中的速度都不为0。所以，在护种区，种子在窝眼轮式排种器中所受的损伤程度最低，护种效果最好。

4)通过计算，比较分析得出：在该区域，种子在窝眼轮式排种器中受力较少，水平速度、加速度较小，受损伤程度较低。

参考文献

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[4]李宝筏.农业机械学[M].北京:中国农业出版社,2003:60-66.

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(编辑：马荣博)

Comparison and analysis of different types of small quantity metering device for small grain crops

Sun jingxin, Guo yuming*, Yang zuomei

(CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China)

Abstract:Due to the small volume and light weight of the millet、prosomillet、vegetables and other small seeds,the precise and small quantity seeding successful equipment that used to those seeds is less, in this paper, in view of the domestic in recent years, comparatively analysis various types of small grain row device. Mainly for the application in the small grain crops planting’ring groove, Shaped spiral groove, nest eyes wheeled etc. 3 metering devices were analyzed. Explore and research on small grain seeding process dynamical characteristics in filling region, cleaning region, protection region and seeding region.Analysis the degree of seed damage and explore the different metering device for small grain seeds in the similarities and differences between these phases of motion state change and friction characteristics. By comparison,the results showed that the damage degree of the seed in the nest eyes wheel type was lowest where in the seed filling region, the protection region and the seeding region , but the breakage rate of the seed in the nest eyes wheel type where in the clearing region was the highest.

Key words:Small grain crops; Small quantity sowing; Analysis of the performance of metering device; Dynamic characteristics; Three types

中图分类号：S223.2

文献标识码：A

文章编号：1671-8151(2016)01-0065-07

基金项目：山西省科技攻关重点项目(20090311043)；科技部成果转化项目(2009GB2A300037)；教育部2012 年高等学校博士学科点专项科研基金联合资助课题(20121403120003)

通讯作者：*郭玉明，教授，博士生导师。Tel:13934186326；E-mail: guoyuming99@sina.com

作者简介：孙静鑫(1991-)，男(汉)，山西运城人，硕士研究生，研究方向：农业机械化及装备工程

收稿日期：2015-10-21修回日期：2015-11-25