垂直圆盘气吸式排种器的理论分析与研究

王晓东，王卫兵，马华永，冯静安，付 威，田 心

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832001；2.新疆生产建设兵团农业机械重点实验室,新疆 石河子 832001；3.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832002)



垂直圆盘气吸式排种器的理论分析与研究

王晓东1,2，王卫兵1,2，马华永1,2，冯静安1,2，付 威1,2，田 心3

(1.石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子 832001；2.新疆生产建设兵团农业机械重点实验室,新疆 石河子 832001；3.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832002)

排种器是播种机的核心部件，其可靠性和稳定性直接影响播种质量。为此，针对垂直圆盘气吸式排种器，分析了其结构及工作原理，应用理论解析方法对种子在工作时进行了受力分析，并对种子随排种盘运动和种子脱离吸种孔时的运动进行理论探讨，找到影响垂直圆盘气吸式排种器工作的主要结构参数，且推导出相应公式，为播种机工作参数的设定提供了理论支持与依据。

种子；排种器；垂直圆盘；气吸式

0 引言

新疆天山北坡滴灌小麦免耕复播“双滴” 高效种植模式的需求。目前复播作物精量播种一般采用垂直圆盘气吸式排种器进行播种作业[1]。精量播种的含义就是把预定的种子按照农艺要求播到土壤中预定的某个位置[2]。它对种子在种床内的三维空间坐标和播量上要求非常精确，包括行距、粒距、播种深度和每穴粒数。目前，播种机用的精量排种器主要分为两种：气力式排种器和机械式排种器[3-4]。气力式排种器与机械式精密排种器相比，具有省种、对种子尺寸要求不严、适应性强、不伤种、高作业速度及易于实现单粒精播等优点。气力式排种器在田间播种作业中得到了广泛的应用，因此研究气吸式排种器的工作原理对提高排种器的工作性能具有十分重要的意义，亟待加强气力式排种器的相关理论研究。

1 气吸式排种装置的结构及工作原理

本研究针对应用最为广泛的垂直圆盘气吸式排种器，其根据不同的作物可以方便地更换排种盘，以满足玉米、大豆、高粱、棉花等不同作物的精密播种。排种器主要由种子箱、种子室、气吸室、排种盘、搅拌轮、种子调节板及杠杆式双柱刮种器等组成，结构如图1所示[5]。

1.排种轴 2.排钟器外壳(包括气吸室、充种区、吸种区、携种区)3.动力输入锥齿轮 4.传动锥齿轮 5.排种盘 6.搅拌轮 7.排种器外壳(刮种器、种子室)

驱动轮通过传动系统带动排种盘转动，由风机产生的气流通过气吸管使气吸室的气道产生负压；当排种盘的吸种孔转入气吸道时，小孔一侧为负压，另一侧则处于种子室，种子即在压力差作用下被吸附在排种盘的吸种孔上，种子随排种盘一起转动；当种子离开气吸道末端后，随着负压消失，种子靠自身重力经导种管落入开沟器开出的种床内；每个吸种孔通常吸附1～2粒种子，而多余的种子在经过刮种器时被刮掉，实现排种器的单粒排种[6-7]。

2 种子的受力分析

当排种器工作时，种子所受外力主要有种子重力G、种子旋转惯性力J、吸孔吸附力F及吸孔处产生的支持力N。种子离开种子群开始移动时产生的摩擦力可忽略，如图2所示[8]。

图2 种子的受力分析图

图2中：G为种子所受重力；J为种子所受惯性力；T为G、J的合力；d为吸种孔直径；h为种子重心与排种盘的距离；F为种子所受吸附力；N为种子所受支持力。

J=mrω2

其中，ω为排种盘的角速度；r为种子重心到排种盘转动轴的距离。

当排种盘进行等速转动时，惯性力的大小将保持恒定，但其方向在不断改变，重力的方向和大小都是恒定不变的。由图2可以看出：开始吸种时合力最大，随后逐步减小，最后到达排种盘顶部时所受的合力最小，然后又开始增大；当与方向相反的时候，此时要求吸孔的吸附力最小，要求的真空度也最小。当种子慢慢的转过顶部逐渐下降时所受合力又逐渐增大。计算真空室所需最小真空压力时，应以充种区所需真空压力为基准，因此要使吸孔吸住种子，必须满足下列条件[9]，则

F·d/2≥T·h

(1)

式中 F—种子受到的吸附力，其值F=(πd2/4)(P1-P2)；

P1—大气压力；

P2—真空室压力。

由公式(1)可以得出：当孔径增大时，孔径的面积也随之增大，这时吸附种子所需的真空度将降低，排种性能将逐渐提高；然而，当孔径增大到一定数值时，漏气量会逐渐地增大，排种性能又开始逐渐降低。因此，吸种孔直径需要根据种子的尺寸来确定，由试验方法确定的吸种孔直径为[9-10]

d=(0.64～0.66)b

(2)

其中，b为种子的平均宽度。

吸室的真空度直接影响到排种孔吸种的性能，各吸种孔处的均匀程度对排种质量有较大影响。对于不同类型和品种的种子，都有一个最佳的真空度范围。真空度减小时，漏吸率会增大；当真空度超过一定值时，重吸率会增加。在实际工作中，由于风机与排种器之间存在管路压力损失及机器振动的影响，在设计时真空度应取大值。根据文献[8]，吸室所需真空度的最大值计算公式为

(3)

式中HCMAX—气吸式真空度最大值(kPa)；

C—种子重心离排种盘之间距(cm)；

m— 一粒种子的质量(kg)；

v—排种盘吸孔中心处的线速度(m/s)；

r—排种盘吸孔处的转动半径(m)；

g—重力加速度(g/s)；

λ—种子的摩擦阻力综合系数,λ=(6～10)tanγ，γ为种子自然休止角；

K1—吸种可靠性系数，一般在种子千粒质量小、形状近似球形时选择较小值，反之则选择较大值，一般的中耕作物，如大豆、玉米、高粱等取k1=1.8～2.0；

K2—工作稳定可靠性系数，一般K2=1.6～2.0，种子千粒质量大时取大值。

由计算公式(3)可知：气吸式排种器所需真空度极限值与吸孔直径、排种盘吸孔处线速度及种子物理特性等有关[11-13]。

吸室的结构形式主要有两种，即圆环形和马蹄形。由文献[5]可知，气吸室流场满足

(4)

(5)

(6)

式中 ωx—假设微团(质点)x方向的旋转角速度；

ωy—假设微团(质点)y方向的旋转角速度；

ωz—假设微团(质点)z方向的旋转角速度。

由式(4)～式(6)可以看出：气吸室为等势流场，即气吸室内部压力相等，与气吸室形状无关。

由于在吸孔附近存在压力差，气流产生流动，所以种子会受到气流的作用力，其在流体中的受力如图3所示。设种子负压面所受压力为P1，正压面所受压力为大气压力Pa，那么推动种子移动的力为Pa-P1，所以根据伯努利方程可得[14-16]

(7)

(8)

式中 ρ—空气的密度(kg·m-3)；

r—种子与吸孔的距离(m)；

y—种子偏离吸种孔中心的横向距离(m)；

Q—空气流量(m3/s)；

C—吸孔半径(m)。

(9)

其中，R为种子半径。

若假设种子为圆形，且取种子当量半径为a，对种子受力在其平面上进行积分，可得种子的受力为

(10)

图3 种子在流体中的受力

3 种子运动学分析

种子的运动包括两部分：一部分是种子随排种盘一起运动；另一部分则是种子脱离吸种孔后所作的具有初速度的自由落体运动。由文献[7]可知：由于种子的物理特征不完全一致等因素，虽然有少数种子的排种位置不一，但大部分种子还是在排种器的同一点，沿排种器吸种孔分布圆的切向排出，如图4所示。

图4 种子的运动与受力图

当种子脱离吸孔后受到的作用力为重力G及空气阻力F，若将种子视为一质量为M的质点，则种子脱离吸孔后的运动微分方程为

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式(15)、式(16)即为种子脱离吸孔后的运动微分方程。

kpx、kpy—种子的漂浮系数；

g—重力加速度。

如果种子的初速度已知，则可求出种子在下落过程中任意时刻的速度。如果将种子未脱离吸孔时的速度确定为初速度时，则由图4根据速度合成定理可得[17-18]

Vox=Vε-Vrsinθ

(17)

Voy=Vrcosθ

(18)

若设机器前进速度(输送带速度)为V，排种盘吸种孔分布圆半径为r，排种盘角速度为ω，种子脱离吸孔时吸孔和中心的连线与水平轴夹角为θ，则Ve=V,Vr=rω。式(17)、式(18)成为

Vox=V-rωsinθ

(19)

Voy=rωcosθ

(20)

由式(19)、式(20)分别对式(15)、式(16)积分，得种子在任意时刻的速度为

Vx=-Voxe-kpxt

(21)

(22)

若种子在脱离吸孔后的下落过程中不考虑空气阻力的影响，则得出种子脱离吸种孔后的运动方程为

Vx=V-ωrsinθ

(23)

Vy=ωrcosθ+gt

(24)

4 结论

1)由公式可知：种子在气流中的作用力F与吸孔的面积及种子和吸种孔的距离有很大关系。即随着吸种孔面积的增大，吸种孔吸力显著增大；随着种子与吸种孔距离的增大，种子所受吸力急剧减小；距离增大到一定值后，所受吸力减至最小值为零。所以，吸种孔应尽量与种子接触。

2)对种子脱离吸种孔后的运动进行了动力学分析，获得种子运动方程，可在垂直气吸式排种器针对不同作物不同播种模式的结构设计和工作参数的设定过程起相应的指导作用。

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Theoretical Analysis and Research of Vertical Disc Air-Suction Metering Device

Wang Xiaodong1,2, Wang Weibing1,2, Ma Huayong1,2, Feng Jingan1,2, Fu Wei1,2, Tian Xin3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832001, China; 2.Key Laboratory of Agricultural Machinery, Xinjiang Production and Construction Corps , Shihezi 832001,China; 3.Xinjiang Tianfu Energy Co. Ltd., Shihezi 832002,China)

The seed-metering device is the core component of seeder, its reliability and stability directly affect the seeding quality. Aimed at the vertical disc air-Suction metering device, the paper analyzed the structure and working principle, applied the theory analysis method to make the Stress Analysis according to the movement of seeds work, and made theoretical discussion about the movement of Seeds move with the planter plate and break away from the suction pore to find the main structural parameters that may affect work performance of vertical Disc Air-Suction Metering Device, and derive the corresponding formula to provide theoretical support and basis for setting the operating parameters of planter.

seeds; seed-metering device; vertical disc; air-suction

2016-01-04

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD42B03)；石河子大学科学技术研究发展计划项目 (2012ZRKXYQ05)

王晓东(1976-)，男，新疆石河子人，讲师，硕士，(E-mail)363235385@qq.com。

付 威(1977-)，男，黑龙江五常人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0075-04