基于振动调序有序充种滚筒式排种器设计与试验

李继霞,姜有忠,黄光迪,赵永满,胡 斌,罗 昕

(1.石河子大学 a.机械电气工程学院,b.新疆建设兵团农业机械重点实验室,新疆 石河子 832003;2.克拉玛依职业技术学院 机械工程系,新疆 克拉玛依 834000 )

0 引言

棉花一直是我国生产的关键经济作物[1],而播种是棉花生产过程中最重要的环节。精量播种是现代农作物播种的主要方式,可为种子提供均匀一致的发芽环境和生长环境,实现苗齐、苗全和苗壮,增加农作物产量,同时节约良种,减少用工,降低了投入成本。

气力式排种器具有种子适应性强、不伤种、适应高速作业等优势,但其结构复杂,价格高,能耗较大,制造、使用成本较高,且无法与传统的精少量播种机或小型播种机配套。机械式精量排种器主要依据种子重力、离心力充填型孔来定量取种,相比气力式排种器具有结构简单、配套性好、制造和使用成本低等优点;但是机械式精密排种器种箱种子起拱,且随着作业速度的提高排种质量不断下降及容易伤种,直接制约了其应用推广的规模和范围[2]。张宇文等人[3]针对窝眼轮式排种器窝眼在取种过程中因种子受挤压堵塞问题,提出加一机械推力在排种孔底部,并推导出能与窝眼孔平稳啮合的拨种齿的曲线方程。龚丽农等人[4]设计了一种自动补种装置的精量排种器,包括主排种器和副排种器,通过检测控制系统在合适的时间使副排种器进行补种,实现了排种器有效补种。上述方法都不能很好地解决种箱种子起拱和窝孔堵塞问题,无法满足“一穴一粒”精量播种的要求。

针对上述问题,结合国内外排种器种群起拱问题研究现状,提出有序供种的思想,设计了一种基于振动调序有序充种的滚筒式排种器,通过控制种箱中棉种的运动姿态,实现排种器的有序充种。同时,以供种倾角、滚筒转速、窝孔开口大小为影响因素,展开排种性能影响的试验研究,寻找各因素间的最佳参数组合,为滚筒式排种器的设计提供新的思路。

1 排种器结构与工作原理

基于振动调序有序充种滚筒式排种器主要由种箱箱体、供种机构、排种滚筒及护种罩等组成,如图1所示。

1.箱体 2.隔种板 3.供种板销 4.调序排队供种板 5.排种滚筒 6.护种罩 7.取种窝孔图1 排种器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the metering device。

排种器工作过程分为供种、充种、携种、投种4个过程,工作时地轮通过链带动排种滚筒转动。排种滚筒表面设计有凸台,供种板一端通过供板销安装在箱体上,另一端与滚筒表面接触;滚筒上的凸台随滚筒的转动驱动供种板围绕供种板销上下振动,种箱中的种群依靠重力、摩擦力及支撑力作用下向下流动,通过隔种板使种群薄化;基于种子“沸腾”运动减阻原理,薄化后的种群进入振动供种机构中,在供种板上供种腔内拨种齿辅助机构的引导和调整下,使种群单粒化和姿态统一化,然后种子在振动和重力作用下填充进入供种腔内的V型槽中,有序排成一队;滚筒上的窝孔转动至出料口时,种子依靠种子相互作用力、重力、摩擦力及支撑力等作用填充进入滚筒窝孔中,排种滚筒再携种转动至滚筒下方投种区时,棉种在自身重力的作用下从滚筒窝孔中脱落。

2 排种器关键部件结构设计

2.1 有序供种箱的设计

有序供种箱包括箱体、隔种板及振动调序排队供种机构:箱体通过螺栓安装在机架上,隔种板横向安装在种箱内,振动调序排队供种机构倾斜安装于供种箱下部。振动调序排队供种机构由排种滚筒、调序排队供种板和供种板销组成:供种板销横向安装在箱体两侧壁面上,调序排队供种板上端铰接于供种板销,下端与排种滚筒外表面搭接;调序排队供种板上设计有供种腔,供种腔内设计有前后两个调序拨种齿和V型排队槽;排种滚筒外表面设计有等距的凸台。当排种滚筒转动时,滚筒外表面上的凸台将驱动搭接在其上的调序排队供种板下端围绕供种板销上下振动,使种子进入其上面的供种腔,在振动和调序拨种齿作用下实现沿长轴方向首尾相连地均匀连续向下滑动;然后,在V型排队槽中有序排成一队,当排种滚筒取种窝孔转动至出料口时,种子在联合作用下滑入取种窝孔,实现有序排队充种。有序供种箱结构如图2所示,供种板结构如图3所示。

1.箱体 2.隔种板 3.销 4.供种机构图2 有序供种箱结构示意图Fig.2 Schematic diagram ofordered seedbox Structure。

1. 拨齿1 2. 拨齿2 3. V型槽图3 供种板结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the structureof the seed plate。

供种腔是滚筒式排种器实现有序充种的前提,其工作性能的好坏直接影响排种器的性能。为解决排种器在充种过程中种箱内种群起拱导致充种性能差的问题,提出了有序充种的思路,设计了有序供种腔,实现精量取种。供种腔由单边双拨种齿和V型槽组成,结构如图4所示。拨种齿作用是将进入供种腔内的种群单粒化和调整种子姿态,使种子以统一的姿态进入V型供种槽,即种子长轴直立进入V型槽。种子进入拨种齿前的姿态有3种可能,即平躺、侧立、直立,如图5所示。直立是种子进入供种腔最理想状态,不需要拨种齿的调整可直接顺利进入V型槽;平躺和侧立的种子经过拨种齿1调整后,种子为直立姿态可直接进入V型槽,种子在两拨种齿之间的空间内经过一定的反转后再次经过拨齿2调整为直立姿态进入V型槽。拨种齿设计不佳将导致种子堵塞,不能有效充种,影响排种器排种性能。

图4 供种腔结构示意图Fig.4 Schematic diagram of the seedcavity structure。

图5 种子进入拨齿姿态示意图Fig.5 Schematic diagram of the seed entering the tooth。

根据设计要求和前期的改进试验,拨种齿尺寸设计需满足的条件为

(1)

其中,d1为拨齿1进种口的宽度(mm);d2为拨齿2进种口的宽度(mm);d3为拨种齿下边长度(mm);d4为拨种齿上边长度(mm);lmax为种子长度的最大值(mm);la为种子的平均长度(mm)。

V型槽尺寸设计需满足的条件为

(2)

其中,h1为V型槽高度(mm);d5为型槽开口宽度(mm)。

选取新疆常用品种新陆60号作用研究对象,棉种长度分布在7.85～9.10mm范围内,平均长度为8.47mm;棉种宽度分布在4.42～5.10mm范围内,平均宽度为4.76mm;自然休止角为37°;滑动摩擦角为18.2°。结合棉种的物料特性,最终确定腔体设计参数如下:d1=13mm,d2=9mm,d3=10mm,d4=12mm,α=75,β=120°。

2.2 排种滚筒的设计

排种滚筒是完成充种、携种、投种的核心部件[5]。综合考虑到滚筒转速、充种性能、供种机构振动频率等因素,为使供种机构形成机械式振动,排种滚筒表面设计有凸台,初步设计为1.5mm;考虑到机械式滚筒排种器易伤种、凸台磨损、材料加工工艺性等因素,选取聚四氟乙烯为排种滚筒的加工材料[6]。

2.2.1 滚筒直径和窝孔数的确定

排种滚筒的直径的大小直接影响滚筒线速度、窝孔数量和整机结构布局。播种机前进速度vm与滚筒线速度vn的关系式[7]为

(3)

其中,vn为滚筒线速度(m/s);vm为播种机前进速度(km/h);D为排种滚筒直径(mm);M为窝孔中棉种数量;ε为播种机地轮滑移率,取ε=10%;Z为滚筒周向窝孔数量;S0为棉种株距 ,根据农艺要求取S0=100mm。

滚筒线速度直接决定排种滚筒充种性能。滚筒线速度过高,充种窝孔经过充种口的时间短,充种几率低[8]。所以,限制了播种机的前进速度,取播种机前进速度vm=3km/h。由式(3)可知:假设在窝孔数Z和其他参数一定时,滚筒直径D与滚筒线速度vn成正比,减小滚筒直径可降低滚筒线速度vn。当播种机前进速度vm=3km/h时,vn≤0.3m/s。综合考虑排种器充种性能和整机结构布局,取排种滚筒直径D=160mm。

由式(3)得出:在其他参数一定下,窝孔数Z与滚筒线速度vn成反比,增加周向窝孔数可以减小滚筒线速度。为确保排种器充种性能vn≤0.3m/s,则由式(3)可得

(4)

将滚筒直径D=160mm、滚筒线速度vn=0.3m/s及播种机前进速度vm=3km/h带入式(4)可得:Z≥16.7。综合考虑排种器充种性能和供种机构振动频率,周向窝孔数设计为Z=18。

2.2.2 窝孔设计

充种窝孔的形状、尺寸是影响排种器充种性能的主要因素[9]。窝孔尺寸过大,将导致多粒现象;尺寸过小,将导致漏播现象。根据棉花种子的物料特性与每孔1粒的设计要求,考虑棉种近似为卵形,设计窝孔结构如图6所示。窝孔的宽度D和深度H应满足以下条件,即

图6 窝孔结构示意图Fig.6 Schematic diagram of the hole structure。

(5)

其中,da为棉种平均长度(mm);dmin为棉种最小长度(mm);dmax为棉种最大长度(mm);D为窝孔宽度(mm);H为窝孔深度(mm);J为孔壁间隙(mm)。

对种子充种过程进行运动分析,则充种窝孔经过充种口需满足的关系式[10]为

(6)

vn=wR

其中,vn为排种滚筒线速度(m/s);S为窝孔开口长度(mm);w为排种滚筒角速度(rad/s);R为滚筒半径(mm);n为滚筒转速(r/min)。

由式(6)可得

(7)

由式(7)可知:在滚筒转速和滚筒半径一定时,窝孔开口弧长S与经过的时间Δt成正比,即窝孔开口长度L越长,经过充种区的时间越长,充种性能提高;但窝孔开口长度L过长,会增加多粒率现象。根据试验得出L的范围为

1.2dmax

(8)

其中,da为棉种平均长度(mm);dmax为棉种长度最大值(mm)。

综合考虑,窝孔尺寸设计为:宽度D=9mm,深度H=9mm,振动凸台h=1.5mm。取开口长度L=11、13、15mm等3个值进行试验研究。

2.3 排种器供种过程分析

传统机械式排种器充种主要为种群填充式充种,种群起拱严重影响排种器充种性能。为解决该问题,提出有序供种的思想。首先,使隔种板将种箱种的种群薄化;然后,通过振动供种机构中供种板上供种腔内的单边双拨种齿将薄化后的种群进一步单粒化和种子姿态统一化;最后,进一步进入V型槽中,排成1队,实现定向有序排队。V型槽是有序排队的关键结构,对V型槽中排成1队的种子进行受力和运动分析,如图7所示。

图7 V型槽种子受力图Fig.7 V-groove seed force diagram。

种子在V型槽种向下运动受力方程为

(9)

(10)

其中,∑Fx为棉种在X轴上的合力(N);∑Fy为棉种在Y轴上的合力(N);FN为V型槽对种子的作用力(N);G为种子自身重力(N);Ff为V型槽对种子的摩擦力(N);β供种机构倾角(°);α为V槽夹角,α=75°;φ为种子摩擦角,φ=20°;u为棉种与V型槽的静摩擦因数。

由式(9)和(10)可得种子下滑的力学条件为

(11)

由于供种机构的振动角较小,种子在V型槽中的反向滑动可忽略,则供种机构的运动加速度为

ax=hw2sinwtcosε

(12)

ay=hw2sinwtsinε

(13)

其中,ax为x方向加速度(m/s2);ay为y方向加速度(m/s2);h为供种机构振幅(mm);w为振动圆频率(rad/s);ε为供种机构振动角(°)。

种子沿V型槽运动x方向和y方向的相对加速度为Δax、Δay,则

mgsinβ-Ff=m(ax+Δax)

(14)

FN-mgcosβ=m(ay+Δay)

(15)

Ff=tanφ1·FN

(16)

在种子向下滑动瞬时,Δax、Δay为零,则由式(12)～(13)可得种子向下滑动的相位角φk为

(17)

其中,φk为种子向下滑动的相位角(°);E为滑行指数。

为使种子均匀有序地向下滑动,提高供种效率,应使滑行指数E≥1,本文选择供种机构倾角为38°。

3 排种器排种性能试验

3.1 试验准备

试验选用新疆广泛种植的新陆早60号品种,水分小于5%,含杂率小于0.15%。测得棉种的几何尺寸和物理机械特性如表1、表2所示。

表1 棉种几何尺寸Table 1 Cotton Species mm。

表2 棉种物理机械特性Table 2 Physical and mechanical properties of cotton seeds。

为了研究方便,试验以单排进行,利用2BFC-1型单体播种机和自制机架搭建的试验平台进行试验,将设计3D打印的种箱和排种滚筒安装在该播种机上。试验在石河子大学农业机械重点实验室进行,试验台如图8所示。

图8 基于振动调序有序充种滚筒式排种器试验台Fig.8 Single row drum type seed meter test bench。

3.2 试验方法及结果分析

3.2.1 试验方法

试验参照国家标准GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》,以单粒率、多粒率、漏播率作为判定排种器排种性能指标[11]。排种器工作稳定后,记录排出的250个穴孔中每穴的种子数量,重复3次。各试验指标计算公式为

其中,n1为 穴孔中种子为1粒种子的总穴数;n2为穴孔中种子数大于2粒的总穴数;n3为穴孔中无种子的总穴数。

3.2.2 试验设计与分析

通过前期的预试验和理论分析,确定影响基于振动调序有序充种滚筒式排种器排种性能的主要因素为供种倾角、 滚筒转速及窝孔开口大小,选择三因素三水平的正交表L9(34)进行实验[12]。因素水平如表3所示,试验方案与结果如表4所示,正交试验结果极差分析如表5所示。

表3 试验因素及水平Table 3 Factors and levels of experiment。

表4 实验方案及结果Table 4 Design and results of experiment。

续表4。

表5 分析结果Table 5 Results of analysis。

3.2.3 结果分析

1)由表4可知:供种倾角为38°、滚筒转速为8r/min、窝孔开口大小为15mm时,单粒率90.24%,多粒率4.45%,漏播率2.09%,排种性能达到最佳。

2)由表4可知:试验数据统计相差不明显。这表明,所设计的基于振动调序有序充种滚筒式排种器工作性能稳定。

3)由表5可知:影响排种器单粒率、多粒率、漏播率的主次因素为供种倾角、滚筒转速、窝孔大小,单粒率的最优参数组合为A2B2C3。

4 结论

1)根据排种器设计要求和新疆棉种机械物理特性,提出基于有序供种方案,设计了一种基于振动调序有序充种滚筒式排种器,确定了关键零部件的结构与参数。

2)理论分析了有序供种过程,建立了棉花种子的动力学模型。确定了供种机构倾角为38°,周向窝孔数Z为18个,且充种性能与供种倾角、窝孔开口大小、滚筒转速等因素有关。

3)采用三因素三水平正交试验得出最佳参数组合,即供种倾角38°、滚筒转速8r/min、窝孔开口15mm,此时单粒率90.24%,多粒率4.45%,漏播率2.09%。影响排种性能因素的主次顺序为供种倾角、滚筒转速、窝孔开口大小。