小区条播机离心分种装置的试验研究

李国梁，尚书旗，王东伟，杨　薇，李建东

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛　266109;2.中机美诺科技股份有限公司，北京　100083；3山东省种业装备工程研究中心，山东 青岛　266109)



小区条播机离心分种装置的试验研究

李国梁1,3，尚书旗1,3，王东伟1,3，杨薇2，李建东2

(1.青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛266109;2.中机美诺科技股份有限公司，北京100083；3山东省种业装备工程研究中心，山东 青岛266109)

摘要：为了解决小区条播机分种不均匀、行间一致性差的问题，在原有锥体格盘式排种器的基础上加装了离心分种装置，由量孔漏斗、分配头、离心分配器及电机等组成。工作时，电机带动离心分配器高速转动，从而将从量孔漏斗落下的种子甩向分配头的各个通道,提高了分种均匀性。同时，对该装置进行了试验研究，确定影响分种均匀性的因素；并通过正交试验确定最优值，为进一步改进和研制适合我国小区播种的排种器提供理论依据。

关键词：排种器；小区条播机；离心分种装置；离心分配器；分种均匀性

0引言

粮食既是关系国计民生和国家经济安全的重要战略资源，也是人民群众最基本的生活资料[1]。只有实现粮食基本自给、供求大体平衡，才能避免引发粮食危机。我国人口占世界的22%，耕地面积却仅占世界的10%，人均耕地面积严重不足。因此，加快我国种子的繁育和多出优良品种，从而提高粮食单位面积产量成为解决粮食问题的关键[2]。

在国外育种作业朝着机械化、智能化方向发展的同时，我国育种工作者基本还是以人工播种为主，不仅增加了育种工作者的劳动强度，降低了繁育良种的效率，也导致了育种工作者的试验误差。

因此，亟需设计一台适应我国小区播种作业的小区条播机，从而提升我国育种单位的育种实力，改变国内育种单位的育种规模小、育种手段较为落后的现状，提高育种工作效率、节省投资、缩短新品种的推出周期，从而加快我国优良品种的繁育进程，最终解决粮食问题。

小区条播机最重要的部件是排种器。锥体离心式排种器是目前应用最为广泛、排种效果较好的排种器[3]，原理是在原有的锥体格盘式排种器的基础上加装了离心分种装置，使得分种均匀性得到显著提高。

本文对离心分种装置进行研究，确定影响分种均匀性的因素，并通过试验确定最优值，为进一步改进和研制适合我国小区播种的排种器提供依据。

1结构及工作原理

小区条播机离心分种装置由量孔漏斗、安装座、分配头、 离心分配器及驱动电机等组成[4]，结构如图1所示。

1.量孔漏斗　2.安装架　3.分配头　4.离心分配器

工作过程中，随着播种机向前行走，锥体格盘也随之转动，格盘内的种子通过排种口均匀连续地排进量孔漏斗中，量孔漏斗将排种口排出的分散的种子流汇聚成较为集中的种子流，落在离心分配器的中央；电机带动离心分配器转动，将从量孔漏斗落下来的种子均匀地分配到分配头的各个排种孔中，以实现均匀分种。

离心分种过程是关系到各行排种均匀性的重要的过程，量孔漏斗的结构参数、离心分配器的结构形式和转速等都能直接影响到分种效果[5]。

2分种均匀性影响因素

2.1量孔漏斗结构

量孔漏斗的目的是将种子聚集在一起，防止种子落到离心分配器的外部，造成分种不均[6]。对种子在漏斗上的运动进行受力分析(见图2)，其主要受种子自身重力、种子与量孔漏斗表面的滑动摩擦力、空气阻力(由于种子的运动速度较小，忽略不计)及漏斗内斜面对它的弹力作用从量孔漏斗斜面滑落到离心分配器的中心。以种子沿着母线方向为x轴，垂直于母线斜向上的方向为y轴，建立坐标系。根据牛顿动力学原理，列受力方程为

(1)

由于在y轴方向上，种子不能有运动，则在y轴方向上加速度为0；在x轴方向种子要能加速下滑，由此化简式(1)可得

m0gsinβ-μm0gcosβ=m0ax>0

化简得μ

(2)

因为在设计时，铸造锥体与铸造量孔漏斗所选的材料是同一种，则量孔漏斗的内锥体母线与水平线的夹角β都要大于种子与铸造材料的滑动摩擦角。

图2　量孔漏斗结构及种子受力分析

对于量孔漏斗的出口直径，其尺寸参数的确定应该考虑到种子在不同排种量下的流动量的大小，既要保证种子在最大排种量时不会发生堵塞的现象，还影响离心分种过程的正常进行及分种均匀性[7]。

一般情况下，出口的直径的大小可以通过实验来确定，根据有关育种机械研究者的实验结论，可知出口直径与种子的尺寸参数存在着函数关系。以小麦为例，量孔漏斗下出口最小直径dmin与种子的长度b、宽度c之间的经验公式为

(3)

式中dmin—量孔漏斗下端出口最小直径；

b—种子的平均长度；

c—种子的平均宽度。

因此，在设计量孔漏斗时，测定农业物料物性参数，确定下端出口的直径大小使其大于最小直径，有利于减少离心分种过程中的不可控影响因素。

另外，在设置量孔漏斗下端与离心分配器中心之间的距离时，要考虑到对离心分种过程的影响。高速旋转的离心分配器会产生一定的气流，若量孔漏斗下端与离心分配器中心之间的距离偏大，种子从量孔漏斗落出到达离心分配器的时间过长，在气流的作用下种子的下落轨迹可能发生变化，直接落到离心分配器的平台上；而不是离心分配器的中央区域，影响正常离心分种，进而影响分种效果。

2.2离心分配器结构

离心分种装置最关键的部件就是离心分配器，其通过离心力的作用将从量孔漏斗落下来的种子均匀分配到分配头的各个排种孔中[8]。离心分配器的结构型式、转速直接关系到种子在离心分配器上的运动情况。

分锥式离心分配器是应用较为广泛的一种分配器形式，它利用其中间的分种锥体将从量孔漏斗中落下的种子分散到各个方向。凸台采用三角形式，有利于种子与凸台壁碰撞从而获得速度。

当分配头旋转时，分配到各个方向上的种子与凸台的侧壁发生碰撞，从而使得落到分配头上的种子获得速度，飞入分配头的各个排种口中。其结构及在其上的种子的受力图如图3所示。

对从量孔漏斗落到分锥式离心分配器上的单个种子进行受力分析(见图3)，以种子的半径方向向外的方向为x轴正方向，离心分配器平面上垂直于x轴的与种子运动分运动相同的方向为y轴正方向，以垂直离心分配器的水平面竖直向上的方向为z轴正方向建立坐标系。由图3可知：种子在离心分配器水平面上，受两个方向的力，在x轴正方向受到离心力FB的作用，在于种子运动方向相反的方向受到离心分配器表面的摩擦力Fμ的作用；在z轴上，受到种子自身的重力和离心分配器的竖直向上的弹力FN的作用。

图3　分锥式离心分配器

种子落到离心分配器表面上时，种子有向上弹起的趋势。由于离心分配器的转速非常高，在x轴方向上离心力的作用下使种子向偏离离心分配器中心的方向运动；在y轴方向上，由于受离心分配器的旋转和种子自身惯性力的作用使种子向种子所处的位置的线速度反方向运动；最后，种子与高速转动的离心分配器壁体碰撞，进入分配头的排种口内。

根据种子的运动分析可知，在x轴方向加速运动，种子在y轴方向上是减速运动，在z轴方向上是加速运动，则其受力方程为

(4)

对称分隔式离心分配器是较为常见的一种分配器形式，它与对称分锥式离心分配器的不同之处在于他采用分隔台代替了分种锥，而且凸台边缘采用了圆滑过渡的形式代替了三角形式。其结构如图4所示。

图4　分隔式离心分配器

对称分隔式离心分配器中间的分隔台能将落下来的种子分为两部分。当对称分隔式离心分配器旋转时，落到分配器表面的种子被分隔台分成两部分，并与分隔台及凸台壁发生碰撞从而获得速度落入分配头的各个排种口中。

种子在对称分锥式离心分配器的受力及运动规律基本与种子在对称分锥式离心分配器上的运动规律一样，这里不再做分析。

对称喇叭口式离心分配器与分锥式及分隔式离心分配器不同，分锥式和分隔式离心分配器是利用离心力使得凸台壁与种子碰撞从而进入分配头的排种口；而喇叭口式离心分配器是利用离心力使种子直接甩出到排种口内。该分配器的形式如图5所示。

图5　喇叭口式离心分配器

喇叭口式离心分配器的结构如同一个喇叭一样，凸台中间凸起，种子下落时首先落到凸起的顶端，然后被均匀分配到凸起底部。

对称喇叭口式离心分配器的工作原理：种子落到球形边槽内，随着离心分配器的高速旋转，离心力的作用使种子沿着斜面向上滑动[9]。对在斜面上运动的种子进行受力分析(见图5)，以沿着斜面向外为x轴正方向，以垂直于斜面向上为y轴正方向建立坐标系。通过分析可知：种子在斜面上受自身重力、斜面的摩擦力(忽略圆周方向上的摩擦力)、斜面的弹力及离心力共同的作用下沿着斜面向上运动，最后进入分配头的分配口中。

根据分析可知，在x轴方向上，由于离心分配器的高速旋转，种子是加速运动飞出去，即ax>0；y轴方向上，种子没有相对运动，则y轴方向的加速度为0。则种子的在斜面的受力方程为

(5)

2.3离心分配器转速

离心分配器转速是影响分种均匀性的又一大因素[10]。对离心分配器的转速进行分析：离心分配器的转速越快，种子落到离心分配器上之后所获得的速度也就越快；但是，并不是说速度越快，离心分种均匀性就越好，通常情况下，离心分配器转速在1 000r/min左右。

3离心分种性能试验

3.1试验方法与评价指标

以小麦为试验研究对象，对锥体离心式排种装置的离心分种性能进行试验研究。试验时，将种子均匀地分到格盘的每个格槽内，随着锥体格盘的匀速转动，将150g种子排到离心分配器中央，在离心力的作用下分到各个排种口中，对每个排种口排出的种子量用电子天平称量,计算各行排量一致性变异系数[11]，则有

(6)

3.2试验因素及水平

为了确定各影响因素对离心分种过程的影响程度，设计正交试验方案进行试验分析，选取的试验因素与水平如表1所示。

表1　试验因素水平表

3.3试验方案与试验结果

根据所选的试验方案与水平数，根据试验设计的正交试验的理论选用L9(34)，试验方案与试验结果如表2所示。

表2　试验方案与试验结果

续表2

由表2可知：在G因素二水平下，离心分种效果明显；F因素的一水平排种均匀效果明显；E因素的3个水平对离心分种效果的影响差异不大，亦即G2F1E2。因此，E因素是影响各行排量一致性变异系数的次要因素，3个水平之间的影响效果差别不大。

4结论

1)对种子经过量孔漏斗滑落的过程进行受力分析，并列平衡方程，推导出μ

2)对种子流在分锥式离心分配器、分隔式离心分配器、喇叭口式离心分配器中分种过程进行分析可知：分锥式离心分配器、分隔式离心分配器的分种过程主要是依靠离心力使种子与凸台壁碰撞进入分配头的排种口内；而喇叭口式离心分配器主要是靠离心力将种子甩如分配头的排种口内。

3)在正交试验的离心分配器的转速、离心分配器的结构型式、量孔漏斗底端及离心分配器距离3种试验因素中，离心分配器的转速、离心分配器的结构型式变化对离心分种系统分种均匀性的影响最显著，量孔漏斗底端与离心分配器距离的变化对离心分种系统的分种均匀性影响不显著。其中，当离心分配器的结构型式采用对称分隔式、离心分配器的转速为1 200rad/s、量孔漏斗底端与离心分配器距离为25mm时，排种效果最佳。

参考文献：

[1]郑月男.新型小区播种机排种系统的设计与试验研究[D].青岛：青岛农业大学，2011.

[2]刘曙光.小区育种播种机关键装置的设计与机理分析[D].沈阳：沈阳农业大学,2011.

[3]刘曙光，尚书旗，杨然兵，等.小区播种机的发展分析[J].农机化研究，2011，33(3)：237-241.

[4]张海军，韩正晟，王丽维.小区种子收普及和提高田间育种机械化水平获机械的研究现状与发展[J].湖南农业科学，2008(6)：102-104.

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[9]李建东,杨薇,高波,等.全自动化的小区精量播种机的研制[J].农机化研究，2014，36(4):60-64.

[10]王琛,刘扬,段俊兆,等.育种试验小区播种机排种器性能及应用分析[J].农业机械，2012(28)：124-126.

[11]连政国,王建刚,杨兆慧,等.小区播种机械化在中国的发展(英文)[J].农业工程学报，2012(S2)：140-145.

Test Study on Centrifugal Distribution Device of Plot Drill

Li Guoliang1，3, Shang Shuqi1，3, Wang Dongwei1，3, Yang Wei2, Li Jiandong2

(1.College of Electric Mechanical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109，China; 2.Menoble CO. ,LTD, Beijing 100083，China; 3.Seed Equipment Engineering Research Center of Shandong Province, Qingdao 266109，China)

Abstract：In order to solve the problem of the community drilling machine minute uneven, interline consistency is poor, the centrifugal seed device was installed on the original metering device of the cone disc. The device is composed of a measuring hole funnel, distribution head, centrifugal distributor, motor and other components, When the work motor driven centrifugal distributor rotate with high speed, which will be from the orifice funnel falling seed flung in all channel distribution head, improve the uniformity of the minutes. On the analysis and research of the device, to determine the factors affecting the minutes uniformity, and through the test to determine the optimal value, for the improvement and development for China's community seeding metering device provides the basis.

Key words：metering device; community drilling machine; centrifugal seed device; centrifugal distributor; minutes uniformity

文章编号：1003-188X(2016)03-0213-05

中图分类号：S223+.26

文献标识码：A

作者简介：李国梁(1989-)，男，山东泰安人，硕士研究生，(E-mail)450779516@qq.com。通讯作者：尚书旗(1958-)，男，山东青州人，教授，博士生导师, (E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

基金项目：山东省农业良种工程项目(20140503)；国家“948计划”项目(2013-Z40)；公益性行业(农业)科研专项(201203028.4)

收稿日期：2015-02-21