基于振动排序技术的马铃薯播种机设计与分析

姜化凯，于文强，李学强，孙 军

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000；2.山东希成农业机械科技有限公司，山东 乐陵 253600)



基于振动排序技术的马铃薯播种机设计与分析

姜化凯1，于文强1，李学强2，孙 军1

(1.山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000；2.山东希成农业机械科技有限公司，山东 乐陵 253600)

马铃薯播种设备形式多样，但国内现有设备大都很难避免播种时普遍存在的漏播、重播问题，造成马铃薯出芽率低、出芽不均匀，生产率低下。为此，首次将振动排序技术引入马铃薯播种设备, 在排种环节使用电磁振动盘, 通过实验验证并得出数据。该设计能够较好地改善马铃薯的漏播与重播问题，提出了一种全新形式的马铃薯播种装备，提高了马铃薯的播种质量和效率。

排种器；振动盘；模态分析；播种机；马铃薯

0 引言

马铃薯是一种适应环境能力强、分布范围广的粮食作物。我国是世界上马铃薯产量最大的国家，且国家积极推广马铃薯主粮化战略，马铃薯现今已成为第四大主粮。因此，提高马铃薯产量是重中之重。现有马铃薯播种设备,如勺链式、薯夹式和针刺式等马铃薯播种机等都存在很大程度上的漏播、重播及出芽率低等缺陷[1-3],严重制约了马铃薯的生产效率。为此，设计了振动式马铃薯播种设备。该设备首次将振动排序技术[4]引入马铃薯播种设备，在分选环节采用了电磁振动盘，振动盘将薯种进行单行排序，排序后的薯种由传送装置输送，有效地改善了在播种过程中存在的重播、漏播的问题，大大地提高了马铃薯的生产率。

1 振动式马铃薯播种机模型建立

首先运用三维设计软件完成振动排种式马铃薯播种设备三维实体模型的创建。该播种机主要由种箱、机架、电磁振动盘、排种输送装置、地轮、镇压轮及覆土盘等结构组成，如图1所示。马铃薯播种机作业时，种箱内的种薯滑落安装在种箱下部的电磁振动盘的倒锥形料斗内，此时电磁振动盘内部的电磁铁带动振动盘工作，将掉落在振动盘中的种薯依次按顺序单行排列并沿着振动盘内的螺旋轨道输送到排种输送带上。配套拖拉机的悬挂机构与马铃薯悬挂机架上的三点悬挂处相连接，马铃薯播种机的地轮在配套拖拉机的带动下经过传动链条将地轮输送来的动力传递给排种输送带，然后由排种盘将排列好的薯种依次送入到相应位置的地垄上；随后镇压轮进行镇压，覆土盘进行覆土工作，完成种薯的播种工作。

1.地轮 2.振动盘 3.种箱 4.排种输送装置 5.镇压轮 6.覆土盘 7.开沟犁

2 排种输送装置内部结构设计

排种输送部分由地轮、传动链条、链轮、输送带及排种盘等组成。在牵引机械的牵引作用下，地轮转动带动传动链条转动，在传动链的作用下带动输送带转动，经过振动排序后的薯种通过输送带被运送至排种盘处，并落入排种盘上间隔一定距离的种勺内，由于种勺的转动使得薯种按一定的株距播种到地垄上。传动部分设计如图2所示。

1.传动链条 2.驱动轮 3.输送带 4.排种盘

在传动装置内部，经振动盘排序后的薯种按单行排列，依次进入排种输送带并沿输送带被运送至排种盘处；由于排种盘上方的胶皮挡板作用，薯种只能进入种勺内并在排种盘的转动下按一定株距播种到地里；随后镇压轮进行镇压，覆土盘进行覆土，完成种薯的播种工作。

株距的计算公式为

式中R—地轮半径；

i—地轮与播种盘的传动比；

N—排种盘上的种勺数目。

3 电磁振动盘运动分析

电磁振动盘主要由可控制变频器、倒锥形料斗、螺旋形轨道、脉冲电磁铁及弹簧片等组成。料斗下面的电磁铁在脉冲电流的作用下，可以使料斗垂直方向上下振动，由于弹簧片(弹簧片为6组，呈圆周排列)的倾斜，使料斗绕其垂直轴做扭摆振动；料斗内的薯种由于受到这种振动，使薯种沿着螺旋轨道由低到高移动，并自动排列定向，直至上部出料口而到达螺旋轨道出口处；通过振动技术将料斗内无序的薯种自动有序地定向排列整齐、准确地输送薯种进入下一级传送装置。振动盘工作原理如图3所示。

振动盘的工作过程：由于电磁铁的吸引和支承弹簧的反向复位作用，使料斗产生高速、高频(40～60次/s)、微幅(0.5～1mm)振动，使工件逐步向高处移动。

I>0时，料斗在电磁铁的吸引下向左下方运动，工件由于受惯性作用而脱离轨道，向右上方滑移运动。薯种受力分析如图4所示。

由图4可得

I=0时，料斗在支承弹簧作用下向右上方复位，工件依靠它与轨道的摩擦而随轨道向右上方运动，并逐渐被加速。薯种受力分析如图5所示。

1.薯种 2.螺旋轨道 3.弹簧片 4.脉冲电磁铁 5.底座

图4 I>0时薯种受力分析

图5 I=0时薯种受力分析

由图5可得

进入下一个循环，如此不断重复此过程实现了薯种在螺旋轨道上的攀升运动。单个薯种在螺旋轨道上的运动轨迹如图6所示。

4 播种机振动分析

4.1 机架模态分析

振动模态是弹性结构固有的、整体的特性。通过模态分析方法搞清楚播种机在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预测播种机结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动响应。模态分析[5-7]的目的是确定机架的固有频率和振型，从而保证播种机在振动盘的振动频率范围内不会发生共振。播种机机架结构的动态特性主要表现为扭转和弯曲振动，由于低阶振型对机架的影响程度相比高阶要大得多，因此结合实际分析计算机架的前5阶固有频率和振型，对应的振型如图7～图11及表1所示。

图6 薯种运动轨迹示意图

图7 机架第1阶模态

图8 机架第2阶模态

图9 机架第3阶模态

图10 机架第4阶模态

图11 机架第5阶模态

模态阶次频率/Hz振型特征18．1076横梁和挡板侧弯28．2276横梁和挡板侧弯312．169横梁弯曲413．582横梁弯曲514．251横梁和挡板扭转

在实际的薯种排序过程中，振动盘的振动频率一般在40～60Hz内，根据薯种爬升速度，选择一适合的频率[8]。模态分析的结果显示：前5阶固有频率都小于电磁振动盘的工作频率；牵引机械发动机的怠速频率一般为53Hz左右，牵引机械的行驶频率大约在135～200Hz之间。因此，播种机机架不会受外部激励的影响产生共振现象。

4.2 试验播种单元振动分析

为了试验振动式播种机的播种效果，设计了如图12所示的薯种排序实验用播种单元。该播种单元由机架、电磁振动盘、三点悬挂装置、开沟犁、覆土盘、车轮等装置组成。该播种单元工作时采用三点悬挂装置由牵引机械牵引。

通过分析振动式排种器播种单元在田间作业由地面引起振动的叠加合成，得出合成振动对排种效率的影响规律。利用数字调频振动送料控制器输出振动频率在40～60Hz、输出电流在6A范围内的任一取值，驱动振动排种器的振动盘运动，观察马铃薯种块在排种器螺旋槽中的运动情况，记录种块的运动速度、振动频率、振幅和设备的振动噪声，实时观测，避免设备共振发生。

1.输送管道 2.覆土盘 3.振动盘 4.开沟犁 5.三点悬挂装置

利用皮尺、钢板尺测量预先已平整好的可耕种土地的表面特征，设定一水平基准，在长度5 000mm范围内每相距50mm测量土地的起伏变化数值，共设100个观测点，测后绘制土地表面波动曲线。在宽度方向相距4 000mm测绘地面的第2条波动曲线，方法同上，如图13所示。将所得两条振动曲线在A、B、C、D4处位置合成，得到4条合成振动曲线，再依次将这4条曲线与振动盘的振动规律合成，得出振动排种器的实际振动曲线，分析其对排种效率的影响。

图13 试验原理图

将控制振动盘的数字变频控制器的振动频率调制60Hz，通过测量地面观测点处的起伏变化情况，绘出叠加合成后的振动曲线。从而间接反映左右车轮的振动曲线，并对曲线的振动情况进行分析，判定对排种效率的影响情况。

图14、图15是播种单元叠加合成后的左、右两轮振动合成曲线。从振动曲线的最大和最小振幅可以看出，振动盘的振动作用与耕地起伏波动叠加后对排种效果影响微弱，播种作业可以正常进行。

图14 马铃薯播种设备左车轮振动曲线

图15 马铃薯播种设备右车轮振动曲线

5 结论

1)将振动分选技术引入马铃薯播种环节，薯种经电磁振动盘排序后进入排种输送装置，在保证株距的基础上有效地改善了播种过程中的漏播、重播问题。

2)播种机机架模态分析结果显示：机架振动固有频率避开了振动盘的工作频率和牵引机械发动机的怠速及行驶频率， 避免了共振现象的发生， 确认了机架运动符合动态特性要求。

3)播种单元排序试验结果表明，耕地起伏波动与排种器振动盘振动叠加后对排种效率影响微弱， 可正常完成播种工作。

[1] 杜宏伟, 尚书旗, 杨然兵, 等.我国马铃薯机械化播种排种技术研究与分析[J].农机化研究,2011,33(2):214-217.

[2] 刘全威, 吴建民,王蒂,等.马铃薯播种机的研究现状及进展[J].农机化研究,2013,35(6):238-241.

[3] 宋言明,王芬娥.国内外马铃薯机械的发展概况[J].农机化研究,2008(9):224-227.

[4] 王应彪,赵学观,徐丽明,等.振动技术在农业生产中的应用进展 [J].中国农业大学学报,2013,18(6):231-236.

[5] 俞亚新,李剑敏,邵鑫超,等.振动式排种器的模态分析与试验研究[J].浙江理工大学学报,2011,28(1):69-72.

[6] 杨家武,何璐璐,刘宝全,等.基于ANSYS的振动盘给料器动态分析[J].现代科学仪器,2011:87-90.

[7] 于文强,王兰美,赵相路,等.单行牵引式马铃薯收获机摆动筛仿真优化分析[J].农机化研究,2015，37(6):37-40.

[8] 何玉静.马铃薯播种机新型排种机构的研究[D].北京：中国农业大学,2006.

The Design and Analysis of Potato Planting Machine Based on Vibration Sorting Technology

Jiang Huakai1，Yu Wenqiang1，Li Xueqiang2，Sun Jun1

(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000,China; 2.Shandong Transce Agricultural Machinery Technology Co.,Ltd, Leling 253600,China)

The planting equipment of potato with a variety of forms,but most of the existing equipment are difficult to avoid some issues such as leakage broadcast, replay, then causes the potato sprouting rate is low, sprouting is not uniform, and the inefficient production.In this paper, the vibration sorting technology is first introduced into the potato planting equipment, and the electromagnetic vibrating disc is used in the part of plant, and the data were verified by experiments.This design can improve the leakage and weight of potato, and put forward a new kind of planting equipment of potato, which can improve the quality and efficiency of potato.

seed-metering device; vibration disc;modal analysis; seeding machine

2015-12-03

山东省重点研发计划项目(2015GNC112012)

姜化凯(1991-)，男，济南人，硕士研究生，(E-mail)960566134@qq.com。

于文强(1976-)，男，天津人，副教授，硕士生导师，(E-mail)ywq@sdut.edu.cn。

S233.2+6

A

1003-188X(2017)01-0111-05