多軌單排復位式巨菌草排種器的設(shè)計

童向亞，鄭書河，林長山，朱　舟，葉大鵬

(福建農(nóng)林大學 機電工程學院，福州　350002)

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多軌單排復位式巨菌草排種器的設(shè)計

童向亞，鄭書河，林長山，朱舟，葉大鵬

(福建農(nóng)林大學 機電工程學院，福州350002)

摘要：由于巨菌草種苗個體間直徑差異較大，導致在其短莖扦插繁殖的排種器排種過程中頻繁出現(xiàn)卡種及排種不連續(xù)等問題。針對上述問題，設(shè)計了一種新型多軌單排復位式巨菌草排種器。通過對排種器各關(guān)鍵部件的建模和分析，以及多層復位彈簧的調(diào)試，優(yōu)化并確定排種器各層K值方程，推導出各層滑軌長度及與卡板的角度，成功實現(xiàn)了排種器滿載時各層卡板豎直于同一垂面，從而使得儲種、排種及導種的有序進行。同時，對排種器質(zhì)量和體積參數(shù)進行了優(yōu)化，得出體積和質(zhì)量參數(shù)與彈簧彈性系數(shù)影響不大的結(jié)論，從而可最大限度地利用排種空間，提高單個排種器的儲種量。

關(guān)鍵詞：巨菌草；菌種；排種器；滑軌

0引言

適宜巨菌草荒地、平原大面積種植的自動化機械已經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)并向市場推廣。然而，適宜巨菌草丘陵、山地環(huán)境種植的以短莖扦插方式繁殖的種植機械還是相對匱乏。為實現(xiàn)菌草產(chǎn)業(yè)的全程自動化，預切種式山地巨菌草種植機械的研發(fā)將成為必然發(fā)展趨勢，而決定該種植機械種植作業(yè)性能的關(guān)鍵因素是排種器的性能[1-2]。為此，設(shè)計了一種新型多軌單排復位式巨菌草排種器，可實現(xiàn)巨菌草種植過程的自動落種，同時兼具體積小、儲種量大、可依次單根落種、耐摔抗震的特點。

1結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

排種器主要由排種器箱、排種滑軌機構(gòu)、半自動種苗門閥機構(gòu)和導種排口4部分組成，如圖1所示。排種滑軌由上滑軌、下滑軌、蝴蝶夾、彈簧和滑軌擋板5部分組成。在排種滑軌機構(gòu)中，上滑軌上端固定在排種器上端，下滑軌上端通過蝴蝶夾與上滑軌連接，且下滑軌擋板通過彈簧與排種器上端支撐桿連接，上、下滑軌共7個，中間有6層種槽進行排種；在下滑軌的出口處固定有定長的卡板，卡板的長度由各滑軌的實際下移距離決定，長度設(shè)置為2～8mm。半自動種苗門閥機構(gòu)由內(nèi)擋板、外擋板、彈簧和旋轉(zhuǎn)銷軸4部分組成。通過將外擋板與箱體外殼板結(jié)合為一體，設(shè)計內(nèi)擋板成為可前后移動的推板，兩板之間用彈簧連接，兩擋板幾何中心位置的中間旋轉(zhuǎn)銷軸內(nèi)端與內(nèi)擋板固接；銷軸中部上下兩側(cè)帶有的矩形凸臺，外擋板中心位置有與凸臺間隙配合的孔，旋轉(zhuǎn)銷軸凸臺到凸臺孔的位置，然后壓住使其深入，再次旋轉(zhuǎn)后便能卡住內(nèi)擋板，固定排種口大小。排種器上端裝配有上導槽，最底層滑軌下端與外擋板下端連接有下導種槽，導種槽左端開有推種槽。

1．上滑軌　2.蝴蝶夾　3.下滑軌　4.彈簧1　5.滑軌擋板

1.2工作原理

當菌種大量排入時，菌種在內(nèi)擋板的作用下，將有序儲存在排種器內(nèi)。準備排種時，旋轉(zhuǎn)銷軸90°，內(nèi)擋板在彈簧作用下向后平移，菌種在重力和滑軌引導的作用下，將依次滑落。各下滑軌由彈簧連接于排種器上端的支撐桿上，保證下滑軌在空載情況下上移，和其上下層的滑軌保持一定距離。當某一層下軌道上載有菌種時，利用菌種的自重，使該層下滑軌下移，在該層下滑軌右端卡板的作用下，卡住下層下滑軌的菌種，以此保證在其上層軌道的菌種排空之前，各下層軌道的菌種無法排出。當該層下滑軌上的菌種全部排出時，在彈簧的作用下，該層軌道自復位，下級軌道上升到一定的位置，開始排種，進而實現(xiàn)菌種的有序單個連續(xù)排種。菌種出排口后，推種機構(gòu)經(jīng)推種槽將菌種順著下導種槽排入種溝。

2關(guān)鍵部件力學建模與分析

2.1下滑軌及卡板模型

下滑軌及排口處卡板的主要作用為：首先，當上層下滑軌菌種未排空前，限制所在滑軌上的菌種；其次，保證菌種能相對水平地滾動，并在限定位置處滑出；最后，在排口卡板與內(nèi)擋板間形成接近豎直的間隙，保證菌種滑落空間的垂直度，保證菌種不會互卡或卡在其他下滑軌的出口處，如圖2所示。

圖2　各卡板和內(nèi)擋板排種示意圖

各層滑軌在初始狀態(tài)時，若各滑軌末端卡板在同一平面上，且排口卡板與下滑軌角度固定；滿載時，各層卡板在豎直方向產(chǎn)生錯位，使得低層到高層的排口口徑寬窄不一，引發(fā)卡種[3]，如圖3所示。針對上述問題，在滿載時，設(shè)計下滑軌排口與排口上卡板皆在同一平面上，從而使得在初始狀態(tài)下各層滑軌的長度與圖3設(shè)計值相比有所增加。由于菌種與滑軌間存在間隙，各層滑軌下壓菌草產(chǎn)生的角度變化量將逐層累積[4]，因此在滿載狀態(tài)下各層下滑軌與卡板間的角度均不同，如圖4所示。為保證菌種滑落時，各層排口處卡板能在一條直線上，各下滑軌排口卡板與下滑軌間的初始夾角應設(shè)計為不相同的值，如圖5所示。改進后，各層滑軌的長度值、排口卡板與下滑軌的角度值均可通過建立數(shù)學模型得出。

圖3　空載時各滑軌排口與卡板在同一平面示意圖

圖4　滿載時滑軌排口與卡板在同一平面示意圖

圖5　初始狀態(tài)下滑軌與卡板間的角度差異示意圖

根據(jù)連續(xù)排種的需求[5-6]，卡板與下滑軌的長度設(shè)計時必須滿足以下條件：

1)各層菌種滿載時，各層下滑軌的排口近似在同一平面上。

2)各層菌種滿載時，各層下滑軌排口的卡板近似在同一平面上。

3)下滑軌載種面存在一定的彎曲，且各層下滑軌平面相平行，其間隙大于30mm。

依據(jù)上述條件，為解決下滑軌長度及其與排口卡板夾角的參數(shù)設(shè)計問題，建立以下數(shù)學模型：設(shè)各層下滑軌與水平面的夾角為θi，從最底層往上推，依次設(shè)為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，滑軌長度為Ci，從最底層往上推，依次設(shè)為C1、C2、C3、C4、C5、C6，各層下滑軌排口卡板與各滑軌的角度為φi，從最底層往上推，依次設(shè)為φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6。各層上滑軌間的距離和下滑軌的距離都為a，巨菌草半徑為r，各層下滑軌間的距離為x。

根據(jù)圖6和以上參數(shù)設(shè)定，建立各滑軌角度與其長度的數(shù)學關(guān)系，則有

(1)

(2)

(3)

φi=90°+θi

(4)

圖6　滑軌及卡板示意圖

為滿足連續(xù)排種條件1)，使?jié)M載時各下滑軌排口外邊緣近似在同一鉛垂線上，需求出初始狀態(tài)時各滑軌長度。已知最底層的滑軌長度Ci以及與水平面所成的角度θi，結(jié)合式(1)和式(2)，可求得上一層的滑軌長度Ci+1及與水平面所成的角度θi+1。以此類推，求出每一層的滑軌長度、與水平面所成的角度和卡板與各滑軌的角度。為滿足連續(xù)排種條件2)，由式(4)可推出滑軌排口卡板與下滑軌間的角度值變化規(guī)律情況。

2.2滑種導軌排種力學模型

排種器借助滑軌和與之相連的彈簧實現(xiàn)巨菌草的分層排種。當上層滑軌上僅剩1根菌種時，其下移的距離足夠限制下層滑軌菌種的排出；而當菌種排出后，借助彈簧的回復力，上層滑軌上移的空間足夠讓下層菌種排出。建立單一下滑軌的力學模型，如圖7所示。

圖7　下滑軌受力分析簡圖

根據(jù)圖7，設(shè)蝴蝶夾與上支撐桿的垂直距離為a，蝴蝶夾與下滑軌彈簧固定處的距離為b，下滑軌彈簧固定處與下滑軌排種口的距離為c；菌種排出前，下滑軌與垂直距離的角度為θ，菌種排出后下滑軌與垂直距離的角度為θ′，單根菌種重G，下滑軌自重G1，蝴蝶夾質(zhì)量忽略不計[7]；菌種排出前后，彈簧受力F1，菌種排出后彈簧重F2，兩者受力之差為ΔF；菌種排出前后，彈簧由X1拉長為X2，彈簧形變量之差為ΔX；菌種排出前后，下滑軌末端移動距離為d；菌種排出前后，彈簧與滑軌連接點變化距離為Y1，Y1與彈簧拉伸后軸線所成的夾角為σ。

根據(jù)巨菌草種植農(nóng)藝要求，設(shè)計c為0.06m，菌種排出前后下滑軌移動距離d為0.005m。根據(jù)下滑軌受力分析簡圖，以蝴蝶夾為受力分析點，由受力平衡可求出巨菌草滑落前后彈簧受力之差ΔF，則有

(5)

(6)

(7)

菌種排出前，彈簧長X1為

X1=a+bcosθ

(8)

菌種排出前后，彈簧與滑軌連接點變化距離Y1，由等腰三角形相似性得

則

(9)

設(shè)Y1與彈簧拉伸后軸線所成的夾角為σ，則Y1與下滑軌所成角度為(θ+σ)，且

則

(10)

由余弦定理得

(11)

ΔX=X1-X2

(12)

由式(7)～式(12)得

由已知設(shè)計得：b=0.06m，d=0.005m，θ=60°。已知G的取值為0.1 kg，a的取值由層數(shù)決定，由實際種植要求，a取值如表1所示。

表1　距離a的取值

將a、b、d、θ、G代入上式，經(jīng)數(shù)值計算可得K、C曲線圖，如圖8、圖9所示。

圖8　K與C關(guān)系曲線圖

圖9　不同a值下K-C特性曲線

由圖9可得：當a值不同時，各曲線之間存在微小的偏移，但位移量極小，幾乎可忽略?？梢奱值對彈簧K值的影響極小，即提高箱體高度和增大儲種量對彈簧的使用影響不大，因此可實現(xiàn)不更換彈簧而實現(xiàn)箱體儲種量的增大。將表1的a值代入數(shù)學模型求得理論K值，如表2所示。

表2　理論C和K的值

續(xù)表2

3調(diào)試與實驗結(jié)果分析

3.1下滑軌彈簧調(diào)試

由上述滑軌的排種力學模型，得到一系列滑軌彈簧所需的理論K值及各下滑軌及對應卡板的長度。同時，通過繪制加工圖紙，制造該菌種排種器，如圖10(a)所示?？紤]到制造成本問題，以及試驗得出該電批拉力彈簧彈性系數(shù)隨加載的增大而略微逐漸減小的特性，在排種器初期設(shè)計時，采用其作為調(diào)試彈簧。

如圖10(b)，通過該物理樣機，結(jié)合菌種排種過程，合理推理并調(diào)節(jié)彈簧長度和K值，以各滑軌空載時彈性系數(shù)要求為初始值，則當菌種填入時各彈簧的實際彈性系數(shù)必將比理論值小。即各滑軌裝載菌種越多，其滑軌下移的距離越大，導致更下層滑軌排口尺寸大于上層滑軌，有利于菌種自下而上的逐級排出。

圖10　排種器樣機及放種過程

3.2實驗結(jié)果分析

以理論計算的K值為依據(jù)(見表3)，采用“多減少補”原則，通過采取不同圈數(shù)的彈簧進行反復實驗驗證，調(diào)試出各層滑軌在未加載時所需的實際K值。

表3　K值對比表

根據(jù)理論和實際K值散點圖，選擇采用多項式擬合的方法對K值進行優(yōu)化，結(jié)果如圖11所示。其相關(guān)系數(shù)為0.994 56，擬合曲線與數(shù)據(jù)吻合較好。由此得到優(yōu)化后排種器各層所需K值方程為

K′=56676.28098-4907.35969K+ 106.27015K2

(13)

圖11　多項式擬合結(jié)果

由于滑軌層數(shù)有限，數(shù)據(jù)量較少，產(chǎn)生擬合誤差是難以避免的，而且由于排種器加工精度、裝配精度不高和下滑軌部分的卡板未固定在外部等原因，導致各層滑軌端部不在同一直線上，使得實際K值存在誤差。

4結(jié)論

1)通過獨特的彈簧滑軌自復位結(jié)構(gòu)和半自動種苗門閥機構(gòu)，適應于不同形狀和尺寸的菌種，實現(xiàn)了菌種分層單根依次排出的功能，適用于小型菌草種植機械的精密播種。

2)通過參數(shù)化滑軌及卡板等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)，以及對滑軌排種力學模型的理論計算，確定種箱下滑軌所需的彈性系數(shù)K的理論值，推導出滑軌長度與出口處卡板的角度，保證了當排種器滿載時，各層卡板基本在同一直線上且與出口閥門保持需求間距。通過制造和不斷調(diào)試排種器，得出所需實際K值，兩組K值數(shù)據(jù)的進一步擬合，優(yōu)化了排種器各層所需K值方程，提高了排種器的設(shè)計制作效率與制作精準度，避免卡種現(xiàn)象的產(chǎn)生。

3)由不同a和G1值情況下相應K與C關(guān)系曲線，可證明排種器本身體積、自重的增大對彈簧彈性系數(shù)影響不大。也就是說，增大排種器儲種量與制造材料，導致排種器空間與自重的增大，并不會影響各層滑軌上彈簧所需的彈性系數(shù)。

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Design and Research on Multi-track and Single-row Resetting Type Seeder for Pennisetum Sp.

Tong Xiangya， Zheng Shuhe， Lin Changshan， Zhu Zhou， Ye Dapeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract：Due to larger diameter difference in seeds of Pennisetum sp.,there is plugging and incontinuity, which frequently emerge in seeder for Short stem cuttings propagation. Aiming at these problems,a kind of Multi-track and single-row resetting type Seeder is designed for Pennisetum sp.Through modeling and analysis of each key components on seeder metering device and debugging multilayer resetting spring,K value equation is optimized and determined for seeder metering device,each layer slide track length and the angle between card board and slide track is deduced. Each layer card board being in the same vertical surface is realized when seeder is full load, so as to makes seeder-storing, seeder-metering and seeder-guiding sequential. Further, the quality and volume parameters of seeder is optimized, and it is concluded that volume and quality parameters have little effect on spring elasticity, which could maximize the seeding space and quantity in single type seeder.

Key words：pennisetum sp.; seed; seed metering device; slide track

文章編號：1003-188X(2016)02-0091-05

中圖分類號：S223.2+6；S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：童向亞 (1990-)，男，湖南湘潭人，碩士研究生，( E-mail) 18396533700@163.com。通訊作者：葉大鵬(1971-)，男，福建霞浦人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)fau_ydp@hotmail.com。

基金項目：福建省科技重大專項(2014NZ0002-1)；國家菌草工程技術(shù)研究中心開放基金項目(JCJJ14002)

收稿日期：2015-01-12