振動(dòng)對(duì)種子流出過(guò)程的作用分析

尤曉東

摘要：研究播種機(jī)種箱中種子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。闡述種子在種箱內(nèi)的狀態(tài)及種子架空的形成與消失，分析振動(dòng)過(guò)程中種子的運(yùn)動(dòng)情況、振幅對(duì)種子移動(dòng)的影響及振動(dòng)時(shí)種子流出量，以期為播種機(jī)播種裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：振動(dòng)；種子；運(yùn)動(dòng)規(guī)律；作用；分析

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）12-0020-02

播種機(jī)工作時(shí)，儲(chǔ)存在種箱中的種子從種箱向排種器中流動(dòng)，然后在排種器的投送下，按要求落入土壤中，完成排種作業(yè)。種子從種箱中流入排種器的過(guò)程遵循散粒體力學(xué)理論，現(xiàn)分析振動(dòng)對(duì)種子流出過(guò)程的作用。

1 種子儲(chǔ)存在種箱內(nèi)的狀態(tài)

基于對(duì)大量研究資料的綜合分析，種子的壓力傳遞和流動(dòng)規(guī)律可概括為以下幾點(diǎn)：

1） 種子對(duì)種箱底板的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于種子柱的重力。其原因是種子重力的一部分以側(cè)向推力形式作用于種箱側(cè)壁，另一部分重力則為側(cè)壁對(duì)種子的摩擦力所平衡。

2） 種子對(duì)種箱底板的壓力隨其數(shù)量的增加而增加，到達(dá)極限值后，壓力不再增加。

3） 種子排出時(shí)，種子流出口上空必然形成拋物面形拱橋。由于種子處于非平衡狀態(tài)，所以落粒拱發(fā)生周期性崩塌，繼而重新形成。

2 種子架空的形成和消失

種子只有在通過(guò)直徑不大的孔時(shí)才形成架空，架空往往發(fā)生在箱底和側(cè)壁上壓力增大或保持平衡的區(qū)域。為了讓最接近出口的種子通過(guò)出口，垂直壓力Py必須大于側(cè)邊種子的摩擦力F，即Py>Pxtgφ，式中φ為摩擦角。

為了使種子在通過(guò)出口時(shí)均勻、穩(wěn)定，必須減小種子間的摩擦系數(shù)。然而每種物料之間的摩擦系數(shù)都是常數(shù)，想要在不改變其物態(tài)的情況下改變摩擦系數(shù)是不可能的。因此，只有通過(guò)減小正壓力的辦法來(lái)減小摩擦力，具體方法是減少種子接觸，例如使種子變成振動(dòng)狀態(tài)下的“沸騰狀態(tài)”。

3 振動(dòng)過(guò)程中種子的運(yùn)動(dòng)情況

振動(dòng)底板表面的種子會(huì)隨著振動(dòng)規(guī)律地變化，可能與底板一起運(yùn)動(dòng)，也可能作跳躍運(yùn)動(dòng)。

假設(shè)種箱底板以特定規(guī)律在垂直面內(nèi)振動(dòng)，當(dāng)?shù)装逑蛏线\(yùn)動(dòng)時(shí)，作用于種子的力為重力mg和慣性力ma（此處a為種子的加速度），即P=ma+mg。

每粒種子對(duì)底板的壓力都是P。在底板運(yùn)動(dòng)的最上端，加速度改變符號(hào)，慣性力改變方向，此時(shí)作用于種子的力將是P=mg-ma。而且，如果a≤g，則種子與底板一起運(yùn)動(dòng)；如果a>g，則種子在底板上作跳躍運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)?shù)装彘_(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，作用在種子上的力為P=mg-ma，種子蹦起的條件是a>g。在底板向下運(yùn)動(dòng)的末端，力mg和ma具有相同的符號(hào)，而且P=mg+ma。由此可見(jiàn)，振動(dòng)時(shí)作用在種子上的力不僅有重力和上層種子的壓力，還有慣性力；同時(shí)，作用在種子之間的力就從0（當(dāng)a=g時(shí)）增加到K（此處K為系數(shù)，與上層種子壓力有關(guān)）。這些力的變化頻率決定于振動(dòng)頻率。

當(dāng)種子間的作用力等于0或趨近于0時(shí)，摩擦力也趨近于0，種子的流動(dòng)就不會(huì)產(chǎn)生架空；當(dāng)P從0增長(zhǎng)到最大值時(shí)，則可能產(chǎn)生架空。

如果振動(dòng)的半周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于形成架空和破壞架空的時(shí)間，則種子從出口流出的過(guò)程將是不均勻的；隨著振動(dòng)頻率的增加，流出過(guò)程將趨向均勻；如果進(jìn)一步增加振動(dòng)頻率，則又可能減低振動(dòng)對(duì)該過(guò)程的影響，其原因是縮短了種子處于不受互相壓力作用的自由狀態(tài)的時(shí)間。問(wèn)題在于：種子向下運(yùn)動(dòng)時(shí)帶有加速度g，當(dāng)振動(dòng)加速度a>g時(shí)，種子可能來(lái)不及落到原始位置，就碰上了向上運(yùn)動(dòng)的底板，因而又獲得了附加加速度。由于慣性力的作用，種子在接觸點(diǎn)的壓力反而增大了。因此，為了使種子從出口均勻地流出，必須選擇最適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)頻率。

振動(dòng)頻率的粗略計(jì)算可按照下述條件進(jìn)行。振動(dòng)頻率應(yīng)為：便于在種子通過(guò)出口或處于流出區(qū)域時(shí)，受到的互相作用不應(yīng)少于一次，這樣才有利于破壞種子間的牽連。換言之，當(dāng)種子從上向下運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)等于自己平均長(zhǎng)度一半的距離時(shí)，它必須承受多于一次的振動(dòng)。即：

ω>或ω>

式中：t為種子下落H高度所需的時(shí)間。最佳振動(dòng)頻率大體上可由H等數(shù)值決定。

4 振幅對(duì)種子移動(dòng)的影響

假設(shè)一個(gè)充滿種子的種箱，振動(dòng)從箱底向上傳，先由箱底傳遞給下層種子，再經(jīng)下層種子傳遞給上層種子；當(dāng)裝種高度相當(dāng)大時(shí)，上層種子處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，振動(dòng)僅存在于下層。由于種子的相對(duì)位移振動(dòng)逐漸衰減，振幅越大，發(fā)生運(yùn)動(dòng)的種子層高度就越大，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)層內(nèi)部的種子間距也越拉越大。此時(shí)，流動(dòng)性好的種子由出口流出所需的振幅必然比流動(dòng)性差的種子要小些。因?yàn)榱鲃?dòng)性差的種子表面有茸毛，要消除其互相牽連，必須有較大的相對(duì)位移。

5 振動(dòng)時(shí)種子通過(guò)出口的流量

流體動(dòng)力學(xué)中，確定液體流量采用以下公式：

q=μF0

式中：μ為阻力系數(shù)；F0為出口截面積；z為液面高度。

當(dāng)種子自由流出時(shí)，可以用謝敏諾夫和卡契夫公式來(lái)確定其流量。在振動(dòng)作用下，種子表現(xiàn)為準(zhǔn)液體狀態(tài)，且具有變方向加速特征，破壞單粒種子間的接觸，也就使決定自然休止角的內(nèi)摩擦系數(shù)趨近于0。在流出過(guò)程中，作用于種子的力有重力mg、慣性力

±m(xù)a和介質(zhì)阻力F。在力作用下種子運(yùn)動(dòng)微分方程為：

由此可見(jiàn)：流出速度由種子的自由落體速度和振動(dòng)垂直分速度組成。

種子的自由落體高度H0可由下式給出：

H0=Rtga

式中：R為出口半徑；a為種子的休止角。

種子下落高度H在振動(dòng)時(shí)等于振幅A，而加速度a又等于振動(dòng)加速度。代入公式得到：

6 結(jié)論

在計(jì)算種子流量時(shí)考慮到幾個(gè)系數(shù)：K1和K2，它們與出口直徑和內(nèi)摩擦系數(shù)有關(guān)；在振動(dòng)的作用下，種子流的密度會(huì)發(fā)生變化，所以還要考慮到系數(shù)K3。

將式（1）代入流量公式可得：

由式（2）可以得出結(jié)論：1） 種子流量與出口面積成正比；2） 種子流量與振動(dòng)作用有著一定的線性關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

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