水稻穴直播排种器创新设计与试验研究

王洪超,万 霖,车 刚,王紫玉,李海龙

(黑龙江八一农垦大学 农业机械化工程重点实验室,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

发明问题的解决理论是引导人们进行创新设计的一种科学体系,包含了多种解决问题的方法,也提供了多种工具来寻求创新方向,主要有技术矛盾分析、牧场分析和最终理想解等工具。大量实践证实,TRIZ理论具有适应性强的特点,可以更快速地实现产品的创新设计,得到质量更好、性能更优的新产品[1-3]。

排种是种植过程中最重要的环节,其效果取决于排种器的性能,但其内部结构不规则,设计有一定的难度。若TRIZ理论能够应用在排种上,将推动农业机械化的发展。赵明明等人应用TRIZ理论对农用喷雾喷头进行创新设计,最终设计成出电感应的喷头[4]。李芮等人结合40种发明原理完成设计,将传动设计成齿轮啮合种盘转动的电动气吸式排种器[5]。杨家升等人应用TRIZ理论对粮食扦样器结构加以改进,提高了工作效率,并完善了功能[6]。

针对目前水稻排种器存在的排种盘与壳体存在摩擦、穴播量不稳定及机车速度对播种性能影响大的问题,应用TRIZ理论对目前存在问题进行系统的分析,设计出一种传动简单、气压损失小且漏播率低的排种结构。

1 TRIZ理论

20世纪80年代,由G.S.Altshuller等人提出的创新设计理论是一套通用型和系统性很强的新型理论[7-10]。TRIZ是进行产品创新设计采取的工具,也可以对产品发展趋势进行预测,并提供相应的理论为人们解决发现的问题[11]。

针对产品使用中存在的问题,先将其定义为一个TRIZ问题。首先判断问题的性质,是技术矛盾还是物理矛盾;然后利用分离原理或应用矛盾矩阵从40个发明原理中找到合适的原理,根据相符合的原理提出相应的解决方案,并对其进行评估;效果好的方案可以继续实施,不符合则反馈回去继续分析。求解过程如图1所示。

图1 问题求解过程

2 水稻穴直播排种器的创新设计

2.1 问题的描述

目前,精量排种方面存在以下问题:①排种盘与壳体之间存在摩擦。排种器在工作时,排种盘转动过程中与壳体之间有摩擦,在一定程度上造成磨损,且对气密性也有影响。②现有的水稻机械直播中主要采用机械式排种器,存在穴播量不稳定、漏播和重播影响着水稻的生产效益的问题。应采用精量播种避免稻种过量,且在播种的同时尽可能避免对稻种的损伤。③排种器结构相对简单,成本低,但对种子尺寸要求严格,无法适应高速作业及解决种子破损率高等问题。气力式精量排种器不仅克服了机械式排种器的缺点,还具有吸种可靠、清种准确及排种成穴性好等优点,易于实现穴播排种作业,但其机构复杂,成本和技术要求高[12-13]。

2.2 系统完备性分析

系统的作用是履行功能,系统完备性法要求系统包含动力装置、输送装置、执行装置、控制装置,如图2所示。对于排种盘,可以优化其结构和形状,进而改善吸种效果,提高播种合格率。吸孔对于吸种有很大的作用,为了方便投种和充种,将吸孔设计成圆柱孔。本设计中吸孔的直径为1.6mm。

图2 完备性法则

2.3 九屏图分析

随着直播技术的发展,各种各样形式的排种器诞生,减轻了劳动强度,效率明显提高,且能适应各种播种作业速度。根据九屏图的分析,新型的排种器将推动农业机械的发展,降低了装置的复杂性,如图3所示。

2.4 技术矛盾

排种器工作时,稻种已经足够被吸附在排种盘上,如果增大气压,将造成风机功率的消耗。传统排种器结构比较繁琐,若简化排种器的传动系统和降低自动化程度,将会导致控制系统复杂性增加。对应查看阿奇舒勒矛盾矩阵表(见表1)得到参考创新原理,最终确定了方案。

提出方案1:采用联接方式将排种盘与负压腔室连接起来同步转动,避免了磨损。

提出方案2:改变传统直播机的传动方式,将多级链轮传动改为单级链传动,简化传动装置。

提出方案3:将负压腔室设计成带螺旋叶片,促进气体流动,增大吸附力,提高装置的稳定性。

提出方案4:将链条裁剪掉,增加电机,对链轮进行单链传动,简化了结构,给排种盘提供充足的驱动力。

图3 九屏图

表1 阿奇舒勒矛盾矩阵

2.5 物理矛盾

技术矛盾是由系统中的两个参数导致的;物理矛盾是由系统中的一个参数导致的,即对同一个参数有不同的要求。水稻穴播气吸式排种器工作时,对气吸室的气压需求是不同的:在吸附种子时,需要大的气压;为了不损伤种子的物理特性,需要小的气压。这即为一对物理矛盾,如图4所示。

图4 技术矛盾转为物理矛盾

通过“气吸室的气压既要大又要小”这个物理矛盾,得出方案5:在风机外安装气压调节装置,根据不同的需要进行调节,使气压充分利用并保证播种效果。

2.6 物场模型

直播机的结构要简单、稳定性高,这就要求排种器的排种盘转速精确。通过物场分析,得出:

S1—排种盘

S2—直播机

F1—机械场

直播机和排种盘为两个物质,二者的作用关系为:直播机提供动力驱动排种盘,提供支撑力,所以选择机械场。传统的直播机提供给排种盘的动力稳定性支持是不足的,因而得出问题的物场模型,如图5所示。

图5 物场模型

选择标准解法第3级,其中的一般解法为:①用另一个场F2代替F1;②增加另一个场F2来强化有用的效应;③增加S3并加上另一个场F2来增强效应。通过分析,选用;④来解决该物场模型中效应不足的问题,增加一个物质S3(电机)。新的物场模型如图6所示。

图6 新的物场模型

提出方案6:充分利用排种器周围的空间,设计一种调节方便、不阻碍排种性能的装置,在导种管上安装监测系统。

2.7 技术方案整理

综合以上分析工具总结方案,设计了一种嵌入旋转气腔式水稻穴直播排种器,主要由底盘、轴承、螺旋叶片和种子分离盘组成,如图7所示。通过风机接头将气体输送到气室内部,为工作提供足够的风压。底盘和排种盘密封形成负压气室,在链轮的带动下进行旋转运动。在负压腔内安装有轴承和密封装置,内部固定的橡胶刷,在清种区域堵住吸孔。稻种在多种外界因素的作用下,最终完成播种作业。

1.端盖 2.卸种装置 3.吸孔 4.分离盘 5.搅种装置 6.轴承 7.橡胶刷 8.底盘 9.螺旋叶片 10.链轮 11.壳体 12风机接头

3 排种器模型设计与试验分析

3.1 排种器三维模型的设计及有限元分析

借助了CAD技术对产品进行虚拟样机的设计,完成了参数的确定,部件间无干涉。各项指标符合加工生产要求,如图8所示。

图8 三维图

对排种器关键部件排种盘进行有限元分析,确保能正常工作。定义材料属性为结构钢。首先进行网格划分,再添加约束和载荷。排种盘的厚度面作为约束面,吸种面设置为压力面,对排种盘施加3 000Pa的载荷,方向为负压气室一侧,判断排种盘是否断裂及受力情况。ANSYS分析结果如图9所示。由变形分布云图和应力云图可知:最小变形在排种盘最外侧为0mm,最大变形在排种盘中间位置为0.172mm;在负载情况下,气吸式排种盘最小应力为3 132Pa,最大应力为14.861MPa。

图9 负载时排种盘的变形和压力云图

3.2 试验分析

3.2.1 试验方案

试验装置如图10所示。种子品种选取龙粳33,每穴播入3～6粒种子属于合格,每次试验取250穴,3次测量取平均值。在其他因素不变的情况下,试验研究排种盘转速、充种高度和气室真空度3个因素对合格指数的影响,设计3因素3水平正交试验[14]。因素水平如表2所示,试验方案及结果如表3所示。

图10 试验现场图

表2 正交试验3因素3水平安排表

表3 试验方案及结果

3.2.2 结果分析

排种合格指数的极差和方差分析如表4、表5所示。分析可知,影响装置合格率的主次因素为排种盘转速>气室真空度>充种高度,合格率较优的方案为A2B2C2。试验选取的因素对合格率的影响都比较显著,但排种盘转速影响最大。

表4 合格指数极差分析表

表5 合格指数方差分析表

4 结论

运用TRIZ理论完成创新设计,该排种器符合农艺播种要求,结构精简,便于安装,对风压要求低,适应于粳稻的穴直播。完成了排种器的三维建模,并对排种盘进行了有限元分析,满足强度要求,可以使用。试验结果表明:影响播种合格率主要和次要因素的顺序为排种盘转速、气室真空度和填种高度。当排种盘转速20r/min、气室真空度4kPa,充种高度10cm时,性能最优。