不同型式小籽粒精少量排種器排種性能比較分析

孫靜鑫，郭玉明，楊作梅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

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不同型式小籽粒精少量排種器排種性能比較分析

孫靜鑫，郭玉明*，楊作梅

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：由于谷子、糜子、蔬菜等小籽粒種子的體積小、質(zhì)量輕等，適用于這些種子精少量播種的成熟機具目前還較少，為此本文對國內(nèi)近年來開發(fā)的各類小籽粒排種器型式，進行比較分析。主要針對目前應(yīng)用于小籽粒播種的環(huán)槽式、異型螺旋槽式、窩眼輪式3種排種方式的排種器進行分析，探索研究小籽粒排種過程在充種、清種、護種、投種等階段的動力學(xué)特性，不同排種裝置小籽粒種子在這些階段的運動狀態(tài)變化和摩擦特性的異同，以及對種子損傷程度的分析等。通過比較得出結(jié)論：種子在窩眼輪式排種器的充種區(qū)、護種區(qū)和投種區(qū)的受損傷程度最低，而種子在窩眼輪式排種器的清種區(qū)的破碎率最高。

關(guān)鍵詞：小籽粒；精少量播種；排種器性能分析；動力學(xué)特性；三種型式

小籽粒主要包括谷子、黍子、牧草、油菜、糜子和蔬菜種子等，這些種子在生產(chǎn)中大都要求機械播種時實現(xiàn)精少量播種，以免除后續(xù)的費時費力的人工間苗，但是由于種子的體積小，質(zhì)量輕，以及有的品種形狀不規(guī)則等，利用現(xiàn)有的小麥、玉米等谷物播種機無法實現(xiàn)精少量播種，因此研制滿足小籽粒播種要求的精少量播種機有著重要的現(xiàn)實意義。目前小籽粒播種裝備有人力或者畜力拉的木耬、手推自行車改造的播種機、手扶式自走播種機、拖拉機牽引播種機等[1]。國內(nèi)外對于小籽粒精少量播種機的研究已有許多成果，國外主要采用真空式、垂直排種盤式、穴式、以及螺旋式小籽粒排種器[2]，但主要是大中型，不能滿足國內(nèi)需求。國內(nèi)目前的小籽粒播種機主要有環(huán)槽式、異型螺旋槽式、窩眼輪式等排種器，本文通過分析了上述幾種排種器在充種、清種、護種、投種等階段小籽粒種子的運動狀態(tài)變化及動力學(xué)特性，摩擦特性的異同，以及對種子損傷程度等性能，旨在通過性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研制出一種從結(jié)構(gòu)和參數(shù)均能滿足生產(chǎn)需求的可控量小籽粒精少量播種裝備。

1排種器的結(jié)構(gòu)比較分析

1.1　環(huán)槽式

環(huán)槽式精少量播種機的排種器主要由高頻振動系統(tǒng)、排種器殼體和排種輪組成[3]。環(huán)槽式排種器排種過程如圖1所示。

圖1　排種器排種過程示意圖Fig.1　Sketch of the metering device in metering process

1.2　窩眼輪式

窩眼輪式精少量播種機的排種器主要由排種軸、窩眼輪、清種刷、護種板排種器盒等組成[4]。窩眼輪式排種器的排種過程如圖2所示。

圖2　排種器排種過程示意圖Fig.2　Sketch of the metering device in metering process

1.3　異型螺旋槽式

異型螺旋槽式排種器是主要由帶螺旋線型槽的實心圓軸，套筒等組成[5]。

從結(jié)構(gòu)上，窩眼輪式排種器比其他2種排種器多一個清種刷，同時為了防止種子在投種區(qū)卡在窩眼內(nèi)不能正常投種的情況，有些學(xué)者在窩眼輪的投種區(qū)增加了一個推種輪，這就使其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜；環(huán)槽式排種器為了保障正常充種和排種，附加一個高頻振蕩系統(tǒng)；所以，相比較而言，異型螺旋槽式排種器的結(jié)構(gòu)最簡單、精巧。

2排種器的運動學(xué)和動力學(xué)比較分析

2.1　充種區(qū)

2.1.1充種區(qū)種子的受力分析

隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動，由于充種區(qū)的種子受重力G、其他種子對其的作用力F、離心力P等的作用，會進入窩眼內(nèi)[6]。當(dāng)?shù)谝涣７N子進入到窩眼后，緊接著第二粒種子也進入到同一窩眼，并將第一粒種子壓至窩眼的底部，使其相對于窩眼輪是相對靜止的，然后隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動，進入到清種區(qū)。所以在清種區(qū)和護種區(qū)對第一粒種子不作分析，只對第二粒種子進行分析。

在該階段，種子受到重力G，其他種子對其的作用力F，窩眼內(nèi)壁對其的支持力N1和摩擦力f，種子的受力示意圖如圖3所示。

圖3　充種區(qū)種子受力圖Fig.3　Force map of seed in filling region

而在環(huán)槽式排種器的充種區(qū)，種子受受到重力G，其他種子對其的壓力N1和摩擦力F1，排種輪內(nèi)壁對其的支持力N和摩擦力F2。受力示意圖如圖4所示。

圖4　充種區(qū)種子受力圖Fig.4　Force map of seed in filling region

在異型螺旋槽式排種器的充種區(qū)，種子受到重力G，在軸的xoy平面上的支持力N2和摩擦力f2，在軸的Z方向的支持力N1和摩擦力f1，受力示意圖如圖5所示。

圖5　充種區(qū)種子受力圖Fig.5　Force map of seed in filling region

從圖3～圖5受力分析可以看出，種子在窩眼輪式排種器和環(huán)槽式排種器中的受力相同點：F與N1都是種子群對進入充種區(qū)種子的作用力；不同的是：種子在窩眼輪式排種器的充種區(qū)中的受力個數(shù)(4個)少于種子在另外兩種排種器中的受力個數(shù)(5個)，并且種子在窩眼輪式排種器的充種區(qū)中所受的摩擦力個數(shù)只有1個，這就使種子的破碎率最低。由圖3可得：

式中，μ為種子與窩眼內(nèi)壁的摩擦系數(shù)，α為種子重心與原點的連線和水平線之間的夾角。

由圖4可得：

式中，μ1為種子與種子之間的摩擦力，μ2為種子與排種輪內(nèi)壁之間的摩擦力。

由圖5可得：

式中，f1=μN1，f2=μN2,螺旋角為α，N1=Ncosα，N2=Nsinα。

2.1.2充種區(qū)種子的速度、加速度比較

種子在窩眼輪式排種器中的加速度為：

種子在環(huán)槽式排種器中的加速度為：

種子在異型螺旋槽式排種器中的加速度為：

種子在窩眼內(nèi)的運動可分解為沿圖3中F方向的變加速運動和沿窩眼輪切線方向的勻速圓周運動。由于窩眼輪是勻速轉(zhuǎn)動的，且排種軸的角速度為ω，所以α=ωt，即速度為：

種子在環(huán)槽式排種器中的速度為：

種子在異型螺旋槽式排種器中的速度為：

以上分析都是以排種輪作為參考系，所以不考慮種子相對于地面的速度、加速度。

以谷子為例，谷子單粒重為3.2×10-6kg,種子之間的摩擦系數(shù)μ1=0.51[7]，種子與鋁的摩擦系數(shù)為μ2=0.25[8]，根據(jù)散體力學(xué)基礎(chǔ)，估計帶動層種子擠壓力F=1.6×10-4N，ω=π/6 rad·s-1[7]，代入上式，經(jīng)計算得出：種子在環(huán)槽式排種器中的充種加速度、速度均最大，在異型螺旋槽式排種器中的速度、加速度均最小，但是種子在窩眼輪式排種器的充種區(qū)的充程最短，所用時間最短，所以充種最快。

綜上所述，在充種區(qū)，窩眼輪式排種器的充種效果較好。

2.2　清種區(qū)

2.2.1清種區(qū)種子的受力分析

對窩眼輪式排種器進行分析。種子進入窩眼輪式排種器的清種區(qū)后，要經(jīng)過清種刷作用，清種刷對種子既有壓力N3，也有摩擦力f，清種刷與種子之間的摩擦系數(shù)為μ′。為了方便解決問題，種子與種子之間的摩擦力先忽略不計。受力示意圖如圖6所示。

圖6　清種區(qū)種子受力圖Fig.6　Force map of seed in clearing region

由圖可得：

從公式中可看出，μ和μ′對種子的影響比較大。種子在被清種刷作用時，會有一個沿如圖所示f方向的運動，當(dāng)運動到窩眼的另一側(cè)時才停止運動。

2.2.2清種區(qū)種子的速度、加速度分析

種子在窩眼輪式排種器中清種區(qū)的加速度為：

種子在窩眼輪式排種器中清種區(qū)的速度為：

由上式可看出：種子的速度與(N1，F(xiàn)，μ′,β,θ)有關(guān)，當(dāng)種子離開窩眼的內(nèi)側(cè)時，不再受支持力N1，這時種子的速度只和(F，μ′,β,θ)有關(guān)。當(dāng)種子隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動離開清種區(qū)時，由于重力的作用恢復(fù)到之前的位置，然后隨窩眼一起做勻速圓周運動。

在窩眼輪式排種器的所有區(qū)域中，種子在清種區(qū)所受的摩擦力最大，所以種子所受的損害程度最高。

2.3　護種區(qū)

2.3.1護種區(qū)種子的受力分析

種子經(jīng)過窩眼輪式排種器的清種區(qū)，進入到護種區(qū)。在護種區(qū)，窩眼內(nèi)壁對種子的支持力N1，種子受護種板的支持力N2，護種板對種子的摩擦力為f，其他種子對其的作用力F。受力示意圖如圖7所示。

圖7　護種區(qū)種子受力圖Fig.7　Force map of seed in protection region

環(huán)槽式排種器第一階段的受力示意圖如圖8所示。

圖8　護種區(qū)種子受力圖Fig.8　Force map of seed in protection region

環(huán)槽式排種器第二階段的受力示意圖如圖9所示。

圖9　護種區(qū)種子受力圖Fig.9　Force map of seed in protection region

異型螺旋槽式排種器的護種區(qū)的受力示意圖如圖10和圖11所示。

圖10　護種區(qū)種子受力圖Fig.10　Force map of seed in protection region

圖11　護種區(qū)種子受力圖Fig.11　Force map of seed in protection region

從以上受力分析可以看出，種子在環(huán)槽式排種器中的受力個數(shù)最少，但是一直受到護種板的摩擦力。種子在異型螺旋槽式排種器中也受護種板對其的摩擦力，并且護種行程比較長。種子在窩眼輪式排種器中分兩種情況：一種是窩眼內(nèi)只有一粒種子，則護種板對種子的作用力為0，種子就不受護種板的摩擦力，種子所受摩擦力最小，這是最理想的狀態(tài)；另一種是窩眼內(nèi)有兩粒種子，種子便會受到護種板的擠壓力，若護種板隨窩眼輪一起運動，便會大大降低了對種子的作用[9]。由于摩擦力是影響種子破碎率的重要因素，所以種子在窩眼輪排種器的護種區(qū)的破碎率最低。

由圖7可得：

由圖8和圖9可得：

其中，f=μ2N。

式中，f1=Gsinα,N1=Gcosα,f2=Gsinθ,N2=Gcosθ。

2.3.2護種區(qū)種子的速度、加速度分析

種子在窩眼輪式排種器中的加速度為：

種子在環(huán)槽式排種器中的加速度為：

第一階段：a=gcosβ-μ2gsinβ+μ2ω2r

第二階段：a=gsinγ-μ2gcosγ

種子在異型螺旋槽式排種器中的加速度為：

由此可得：種子在該階段相對于窩眼輪來說處于平衡狀態(tài)。

種子在窩眼輪式排種器中的速度為：v=0

種子在環(huán)槽式排種器中的速度為：第一階段：

種子在異型螺旋槽式排種器中的速度為：第一階段：

第二階段的加速度為0，所以速度大小等于第一階段的末速度。從運動學(xué)角度來看，種子在窩眼輪式排種器中的速度、加速度都為0，而種子在另外兩種排種器中的速度都不為0。

綜上所述，在護種區(qū)，種子在窩眼輪式排種器中所受的損傷程度最低，護種效果最好。

2.4　投種區(qū)

2.4.1投種區(qū)種子的受力分析

種子在窩眼輪式排種器的投種區(qū)的運動及受力可分兩個階段：第一個階段是種子即將離開窩眼輪，但是仍在窩眼輪上；第二個階段是種子已經(jīng)離開窩眼輪，作類平拋運動。

N1為窩眼的內(nèi)壁對種子的支持力，種子水平方向的初速度就是由支持力N1提供。 在第二個階段，當(dāng)種子離開窩眼輪時，只受種子自身重力的作用(不計空氣阻力)。種子第一、二階段的受力示意圖如圖12所示。

圖12　投種區(qū)種子受力圖Fig.12　Force map of seed in seeding region

圖13　投種區(qū)種子受力圖Fig.13　Force map of seed in seeding region

種子在環(huán)槽式排種器的投種區(qū)有一個20°滯后角，受力示意圖如圖13所示，種子受重力G和下一粒種子對其的作用力F(不計空氣阻力),然后做類平拋運動。

種子在異型螺旋槽式排種器的投種區(qū)只受重力G作用(不計空氣阻力)，由于在護種區(qū)末端具有速度，所以種子在三維空間做類平拋運動。

G=ma

由圖12可得 ：

由圖13可得 ：

2.4.2投種區(qū)對種子的速度、加速度分析

種子在窩眼輪式排種器的投種區(qū)加速度為：

a=g

種子在環(huán)槽式排種器的投種區(qū)加速度為：

種子在異型螺旋槽式排種器中的加速度為：

a=g

種子在窩眼輪式排種器的投種區(qū)速度為：

種子在環(huán)槽式排種器的投種區(qū)速度為：

種子在異型螺旋槽式排種器中的速度為：

通過計算，比較分析得出：在該區(qū)域，種子在窩眼輪式排種器中受力較少，水平速度、加速度較小，受損傷程度較低。

3結(jié)論

1)經(jīng)計算得出：種子在環(huán)槽式排種器中的充種加速度、速度均最大，在異型螺旋槽式排種器中的速度、加速度均最小，但是種子在窩眼輪式排種器的充種區(qū)的充程最短，充種最快。所以，在充種區(qū)，窩眼輪式排種器的充種效果較好。

2)種子在窩眼輪式排種器的清種區(qū)所受的摩擦力最大，所以種子所受的損害程度最高。因此設(shè)計小籽粒精少量排種器時應(yīng)將清種刷或者清種板改為清種槽，將強制刷種式改為靠重力清種，降低種子的損傷程度[11]。

3)從動力學(xué)角度分析得出：種子在窩眼輪式排種器的護種區(qū)所受摩擦力最小，而摩擦力是影響種子破碎率的重要因素，所以種子在窩眼輪排種器的護種區(qū)的破碎率最低。從運動學(xué)角度來分析得出：種子在窩眼輪式排種器中的速度、加速度都為0，而種子在另外兩種排種器中的速度都不為0。所以，在護種區(qū)，種子在窩眼輪式排種器中所受的損傷程度最低，護種效果最好。

4)通過計算，比較分析得出：在該區(qū)域，種子在窩眼輪式排種器中受力較少，水平速度、加速度較小，受損傷程度較低。

參考文獻

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(編輯：馬榮博)

Comparison and analysis of different types of small quantity metering device for small grain crops

Sun jingxin, Guo yuming*, Yang zuomei

(CollegeofEngineering，ShanxiAgriculturalUniversity，Taigu030801，China)

Abstract:Due to the small volume and light weight of the millet、prosomillet、vegetables and other small seeds,the precise and small quantity seeding successful equipment that used to those seeds is less, in this paper, in view of the domestic in recent years, comparatively analysis various types of small grain row device. Mainly for the application in the small grain crops planting’ring groove, Shaped spiral groove, nest eyes wheeled etc. 3 metering devices were analyzed. Explore and research on small grain seeding process dynamical characteristics in filling region, cleaning region, protection region and seeding region.Analysis the degree of seed damage and explore the different metering device for small grain seeds in the similarities and differences between these phases of motion state change and friction characteristics. By comparison,the results showed that the damage degree of the seed in the nest eyes wheel type was lowest where in the seed filling region, the protection region and the seeding region , but the breakage rate of the seed in the nest eyes wheel type where in the clearing region was the highest.

Key words:Small grain crops; Small quantity sowing; Analysis of the performance of metering device; Dynamic characteristics; Three types

中圖分類號：S223.2

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-8151(2016)01-0065-07

基金項目：山西省科技攻關(guān)重點項目(20090311043)；科技部成果轉(zhuǎn)化項目(2009GB2A300037)；教育部2012 年高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金聯(lián)合資助課題(20121403120003)

通訊作者：*郭玉明，教授，博士生導(dǎo)師。Tel:13934186326；E-mail: guoyuming99@sina.com

作者簡介：孫靜鑫(1991-)，男(漢)，山西運城人，碩士研究生，研究方向：農(nóng)業(yè)機械化及裝備工程

收稿日期：2015-10-21修回日期：2015-11-25