定量容腔可变的立式圆盘排种器机理研究与结构设计

郭丽峰，刘宏新，李彦龙，王　盼，王奕娇

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨　150030)



定量容腔可变的立式圆盘排种器机理研究与结构设计

郭丽峰，刘宏新，李彦龙，王盼，王奕娇

(东北农业大学 工程学院，哈尔滨150030)

摘要：针对传统的机械式排种器需将种子按尺寸分级，对不同尺寸种子更换排种盘的缺陷，在立式圆盘上设计了一种可通过调节容腔深度来改变大小的组合勺形复式型孔，从而实现不同容腔深度对不同尺寸的大豆进行充种的目的。为此，研究了这种组合勺形复式型孔的结构及排种器的工作原理，通过理论分析确定了这种组合勺形复式型孔的各项特征结构及参数如下：内基圆半径6.5mm，外基圆半径8mm，种勺内倾角75°，种勺外倾角30°，种勺倾角范围25°~35°，种勺厚度2mm，充种倾角40°，清种倾角40°，清种区域角60°。种子尺寸范围在4.5~6.0mm、6.0~8.0mm、8.0~10.5mm、10.5~13.0mm时，分别对应的调节间隙范围为0~3mm、2~5mm、3~8mm、5~12mm。样机试验表明：此组合勺形复式型孔只需对结构进行简单的调节，即可实现对不同尺寸种子的播种。

关键词：农业装备；精量排种器；定量容腔；组合勺形复式型孔

0引言

机械式精密排种器的基本工作原理是在排种轮或排种盘上均匀地分布一定形状的型孔，使其能够容纳一定量的种子[1]。型孔是机械式排种器完成充、排工作的基本结构[2]。型孔结构主要是从易于种子充填及多余种子脱离型孔的角度设计，其形状和尺寸是各类排种盘最为重要的特征参数，是精密排种器对随机种子群实现精确定量分配的基础。所以，型孔的形状和尺寸直接影响排种器的工作性能，决定了排种器的适应性与精确性[1-3]。目前常见的型孔有圆柱形型孔、窝眼型孔、內窝型孔、带引种环槽型孔、勺轮式型孔及指夹式型孔等[4-6]，其共同特点是为了达到精确播种的目的，均需要将种子按照不同尺寸进行分级，对每一级都有一种相对应型孔尺寸的排种盘，这样既增加了成本，使用也不方便[7-8]。为了解决种子尺寸适应性的问题，出现了一些复式型孔[9-10]，如适用于内充式垂直圆盘排种器的复式型孔[7,11]、用于组合內窝孔玉米精密排种器的组合內窝型孔[12-13]。这两种型孔均由内孔和外孔组成，内孔的尺寸对种子的形状和尺寸要求严格，如果种子尺寸偏大，在排种时容易造成内孔堵塞、卡种的现象。还有一种适用于变容量型孔轮式排种器的变容量型孔[1,14]，这种型孔是通过改变调节舌的位置来改变型孔的容量，当形状不规则的种子在型孔中的位置不一定时，无法精确调节型孔的大小。由于立式圆盘具有结构紧凑、轴向尺寸小的特点，这些复式型孔均不适用于立式圆盘[2,15-16]。立式圆盘排种器具有轴向尺寸小、结构简单、传动方便、投种准确、株距变异尺寸小及伤种率低等诸多优点，在农业生产中得到较多的应用[2,15,17-18]。为此，设计出一种适用于立式圆盘排种器的可变型孔，既要满足对不同尺寸种子进行充种的要求，又要实现不更换排种盘，只通过径向调节容腔深度即可达到改变型孔容积大小的目的。为了实现这一目的，本文将立式圆盘排种器的內窝型孔改为由充种勺轮、调节挡板和护种板组合而成的复式型孔，只需要径向调节调节挡板的位置就可以实现对不同尺寸的大豆种子的播种。

1组合勺形复式型孔的结构和工作原理

1.1　结构

组合勺形复式型孔结构由种勺、充种勺轮、导种轮和调节机构组成。双腔复式型孔排种器组件及型孔结构示意图如图1所示。

1.2　工作原理

种子由输种管进入排种器充种腔后，在排种轴的转动下进入由种勺和调节挡板10、12组成的型孔中，如图1所示。充种勺轮4、6和导种轮同轴旋转，当转至调节挡板10、12最顶端时，由于失去依托，种子依靠自身重力进入导种轮上的导种轮槽中，在护种板3、7的保护下转到排种器最下端的投种口进行投种，如图2所示。通过改变调节挡板10、12与充种勺轮4、6之间的距离改变型孔的深度，从而适应不同品种及尺寸的大豆播种。

(a)　立式圆盘可变容量型孔排种器组件结构

(b)　型孔结构

图2　排种器工作过程

2特征及辅助参数分析

2.1　特征参数分析

2.1.1基圆半径

将基圆结构分为内基圆与外基圆两部分，内基圆指种子进入型孔的空间，外基圆是指为了便于清种而在内基圆外部增加的带有倾角的斜面，此斜面所围成的圆周称为外基圆。基圆结构及各参数如图3所示。

图3　基圆结构及各参数

1)内基圆半径R1。内基圆半径直接影响了种子能否进入型孔：半径过大不仅浪费空间，还容易增加重播率；半径过小会导致种子无法正常进入型孔，造成漏播。所以，为了保证最大的种子充入型孔，内基圆半径的值一定要大于最大种子的半径。由大豆的粒长分布区域为4.5~13mm，将内基圆半径设定为6.5mm。

2)外基圆半径R2。为了便于充入1粒以上种子的型孔清除多余种子，需要添加清种倾角η。外基圆半径为

R2=R1+hatanη

(1)

其中，ha为充种勺轮厚度，ha=2mm；η为清种倾角。

2.1.2种勺内外倾角

1)内倾角α。参见图3所示，种勺位于型孔内基圆内侧，故设计种勺弯曲半径等于内基圆半径R1的值为13mm。种勺的弧长设计满足小于两个最小种子的直径之和，大于1个最大种子的直径；且要考虑到种子在种勺中的滑动距离，设计种勺弧长为8.5 mm。故内倾角为

(2)

经计算取整得α=75°。

2)外倾角β。外倾角为种勺最高点与水平面之间的夹角，则有

(3)

经计算取整得β=30°。

2.1.3种勺厚度h

种勺厚度越大，种子带动层越高，从而引起清种区范围减小。种勺厚度过小会导致高速转动下种盘强度不够，综合以上原因，将种勺厚度h设定为2mm。种勺厚度示意图如图4所示，带动层高度示意图如图5所示。

图4　种勺厚度示意图

图5　带动层高度示意图

2.1.4种勺倾角θ

种勺倾角示意图参见图3所示。为了避免充入型孔中的种子随着排种盘的转动被其它种子带出，需要将种勺内表面向型孔中心倾斜一定的角度，使种子在型孔中与调节挡板贴合。当种勺倾角太小时，不容易使种子进入型孔，从而造成漏播；当此倾角过大时，容易造成种子被其它种子带出，也会造成漏播。初步确定种勺倾角θ的范围为25°~35°。

2.1.5充种倾角γ

为了避免种子在种勺斜面上发生自锁，使其能够在充填区顺利进入导种轮的导种环槽中，需要使充种环槽的充种倾角大于大豆与种盘之间的静摩擦角。即充种倾角γ需要满足

γ>φr

(4)

其中，φr为大豆与排种盘之间的静摩擦角。

在大豆与尼龙之间的静摩擦因数为0.27、含水率为20%的情况下，大豆与尼龙之间的静摩擦倾角φr≈21°。充种倾角示意图如图6所示。此角度的确定只要保证大豆能够克服壁面的摩擦力顺利进入型孔即可，由反复试验确定充种倾角为40°。

图6　充种倾角示意图

2.1.6清种倾角η

清种倾角示意图如图7所示，与充种倾角类似，当清种倾角大于大豆与壁面之间的静摩擦角时，多余的种子才会被清除，确定清种倾角与充种倾角相同，即η=40°。

图7　清种倾角示意图

2.1.7清种区域角ε

清种区域角是指清除多余种子的范围角，要满足能够将最大直径的种子清除出去而防止堵塞型孔，最大直径的种子为13mm，清种区域角为

(5)

经计算取整得ε=60°。

清种区域角示意图8所示。

2.2　辅助结构分析

型孔的辅助结构参数包括排种盘直径D1、节圆直径D2、种勺宽度l1、充种勺轮厚度l2、导种轮厚度l3、护种板厚度l4、调节挡板厚度l5、充填区厚度l6、导种轮槽挡片厚度l7、导种轮槽档片长度l8及型孔个数k。辅助结构示意图如图9所示。

图8　清种区域角示意图

图9　辅助结构示意图

2.2.1排种盘组件

排种盘组件由充种勺轮、导种轮、护种板和调节挡板构成，三维示意图参见图1(a)所示。充种勺轮和导种轮均与排种轴连接，充种勺轮上的型孔与导种轮上的导种轮槽一一对应。为了防止各部件间的干涉现象，护种板和调节挡板加工成环槽形状，护种板固定安装在壳体上，与其它组件互不接触，避免摩擦。调节挡板在充种勺轮和导种轮之间径向移动，通过调节其与充种勺轮的位置来改变型孔的大小。

2.2.2辅助结构参数

制作的排种盘直径D1=220mm；节圆直径D2=200mm；种勺厚度l1=2mm；充种勺轮厚度l2=2mm；导种轮厚度l3=2mm；护种板厚度l4=1.5mm；调节挡板厚度l5=1.5mm；导种轮槽挡片厚度l7=1mm；导种轮槽档片长度l8=19mm。

型孔个数的确定以型孔互不干涉的条件下尽量多的布置型孔为原则，公式为

(6)

其中，D2=200mm，R2参见式(1)；k1为两型孔之间的安全距离，取k1=6，经计算取整得k=30。

2.3　调节档位分析

根据种子大小尺寸域的分布特点[19-21]，将种子根据等效直径分为以下4个区域：4.5~6.0mm；6.0~8.0mm；8.0~10.5mm；10.5~13.0mm[22]。通过调整调节挡板与充种勺轮之间的间隙d来改变型孔的大小，如图10所示。

图10　调节挡板与充种勺之间的间隙示意图

型孔深度计算公式为

H=h+l2+d

(7)

其中，h为种勺厚度；l2为充种勺轮厚度，l2=2mm；d为调节间隙。

设大豆种子直径为D，每一档最小的大豆种子直径为Dmin，最大的大豆种子直径为Dmax。型孔含种示意图参见图1(b)所示。

为了使最大的种子能够顺利进入型孔且不被带动层中的种子带出，需要满足

(8)

将各尺寸域的最大、最小种子直径代入上式，经计算取整得出d的范围分别为

0≤d1≤3，2≤d2≤5，3≤d3≤8

5≤d4≤12

(9)

即各尺寸域种子所对应的调节挡板的调节间隙范围如下：

当种子尺寸范围在4.5~6mm时，调节间隙范围为0mm≤d1≤3mm；

当种子尺寸范围在6.0~8.0mm时，调节间隙范围为2mm≤d2≤5mm；

当种子尺寸范围在8.0~10.5mm时，调节间隙范围为3mm≤d3≤8mm；

当种子尺寸范围在10.5~13.0mm时，调节间隙范围为5mm≤d4≤12mm。

3样机试制与试验

根据理论分析确定的型孔的形状、大小及适播尺寸域种子的调节间隙进行排种器样机试制及试验，以漏播指数(M)和重播指数(D)为目标函数，试验数据对照如表1所示。

表1　试制与试验数据对照表

试验结果如表2所示。

表2　试验结果

由试验结果可以看出：各个挡位在不同速度下作业均能达到较低的重播率和漏播率，从而证明了这种组合勺形复式型孔立式圆盘排种器可以满足不同尺寸域大豆种子的播种要求。

4结论

在立式圆盘上设计的勺形复式型孔，有效解决了通过更换不同排种盘来实现对不同尺寸大豆进行播种而造成的成本高、操作复杂的问题，只需要改变调节挡板的位置来调节型孔容腔深度即可满足对不同尺寸域的大豆进行播种的要求。型孔的各项特征结构参数如下：内基圆半径6.5mm，外基圆半径8mm，种勺内倾角75°，种勺外倾角30°，种勺倾角范围25°~35°,种勺厚度2mm，充种倾角40°，清种倾角40°，清种区域角60°。种子尺寸范围在4.5~6mm时的调节间隙范围为0~3mm；种子尺寸范围6~8mm时的调节间隙为2~5mm；种子尺寸范围8~10.5mm时的调节间隙为3~8mm；种子尺寸范围10.5~13mm时的调节间隙为5~12mm。

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Mechanism Research and Structure Design on Variable Quantify Vessel for Vertical Plate Precision Planter

Guo Lifeng，Liu Hongxin，Li Yanlong，Wang Pan，Wang Yijiao

(College of Engineering,Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Aiming to solve the problem that seeds always graded and different planter plate should be selected existing in a mechanical seed-metering device, a kind of combinational compound hole of spoon-type were designed on vertical plate, its volume can be changed by regulate the depth of cavity, so as to achieve the goal of seeding with different sizes of soybean at different depth of cavity. The structure of the hole and working principle of the seed-metering device were detailed, and the feature structure and parameters were confirmed through theoretical analysis. For the radius of inside base circle is 6.5mm, the radius of outside base circle is 8mm, the inner angle of seed spoon is 75°, the outer angle of seed spoon is 60°, the range of angle of seed spoon is 25°-35°, the thickness of seed spoon is 2mm, the filling angle is 40°, the cleaning angle is 40°, the cleaning area angle is 60°. The appropriate size ranges of sowing seeds are 4.5-6.0, 6.0-8.0, 8.0-10.5, 10.5-13.0 mm respectively, and the clearance ranges of adjusting are 0-3.0, 2.0-5.0, 3.0-8.0, 5.0-12.0 mm respectively. The prototype testing show that this combinational compound hole of spoon-type can meet the requirement of seeding with all sizes of soybeans only need to make a simple adjust on the structure.

Key words：agricultural equipment; precision seed-metering device; quantify vessel; combinational compound hole of spoon-type

中图分类号：S223．2;S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0141-06

作者简介：郭丽峰(1986-)，女，河北邢台人，工程师，硕士，(E-mail)lifeng_guo@126.com。通讯作者：刘宏新(1971-)，男，黑龙江穆棱人，教授，博士生导师，(E-mail)Lcc98@neau.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51275086)

收稿日期：2015-10-19