單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置動(dòng)力學(xué)模型的研究

張亞新，張立華，季 偉，張玉梅

(赤峰學(xué)院 建筑與機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

0 引言

我國玉米壟作區(qū)一半以上都集中在干旱、半干旱地區(qū),少雨、災(zāi)害頻繁等自然因素是產(chǎn)量低而不穩(wěn)的主要原因。在北方大部分地區(qū)，農(nóng)民自行開墾的土地較多[1-4]，這種自行開墾的土地形狀不規(guī)則，地表凹凸不平，地塊狹小細(xì)長，耕種難以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，在耕種的過程中浪費(fèi)較多的勞力和時(shí)間，農(nóng)民每年連續(xù)耕種的隨機(jī)性很大，這也是玉米產(chǎn)量不穩(wěn)的重要因素。

目前，市場上出售的適用于自開采、小區(qū)域、不規(guī)則土地玉米種植設(shè)備[5]主要有手提式玉米播種機(jī)和腳踏式玉米播種機(jī),這兩種播種機(jī)由于機(jī)構(gòu)原因和價(jià)格因素,其排種原理都是采用機(jī)械式進(jìn)行排種,機(jī)械式排種方式雖然結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉以及可靠性較為突出，但是排種均勻性較差、傷種多且很難實(shí)現(xiàn)精量播種，而氣動(dòng)式播種能有效的避免這些缺點(diǎn)。

氣動(dòng)技術(shù)以空氣作為動(dòng)力提供介質(zhì)， 具有取材容易、設(shè)備簡單、造價(jià)低廉、環(huán)保節(jié)能，已在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[6]。氣動(dòng)式播種機(jī)對(duì)種子形狀和尺寸要求不嚴(yán)，傷種少，易實(shí)現(xiàn)單粒點(diǎn)播，在精量播種中應(yīng)用廣泛[7-8]，因此針對(duì)機(jī)械式吸排種裝置在手提式玉米播種機(jī)和腳踏式玉米播種機(jī)中使用的弊端設(shè)計(jì)了單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置，實(shí)現(xiàn)了人力、氣源和重力共同作用下的氣動(dòng)播種。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置是手提式玉米播種機(jī)和腳踏式玉米播種機(jī)的重要組成部分，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.排氣孔 2.吸種管 3.活塞缸 4.密封圈 5.防脫毛刷支架 6.種箱 7.螺栓孔 8.底座 9.排種口 10.下導(dǎo)種管 11.防脫毛刷 12.吸種口 13.上導(dǎo)種管 14.添種口

單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置主要由氣孔、吸種管、活塞缸、防脫毛刷、種箱、底座、上下導(dǎo)種管，以及添種口組成。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

整機(jī)質(zhì)量/kg：2.8

作業(yè)頻率/次·min-1：60～70

1.2 工作原理

活塞缸與種箱形成體積可變的密閉空間，結(jié)合部安裝密封圈，防止氣體外泄?；钊着c種箱發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)使密閉空間體積減小，產(chǎn)生氣壓推動(dòng)種子進(jìn)入吸種口?；钊醉敳吭O(shè)置添種口和排氣孔，排氣孔貫穿吸種管，與吸種口連接，在密閉空間內(nèi)壓強(qiáng)增加時(shí)，內(nèi)部與外部形成壓差，產(chǎn)生氣流，推進(jìn)種子進(jìn)入吸種口中。活塞缸與種箱復(fù)位時(shí)，吸種管隨活塞缸上移帶動(dòng)種子進(jìn)入防脫毛刷中，吸種管繼續(xù)上移從防脫毛刷上側(cè)露出，在氣流、振動(dòng)及重力的作用下使種子落入上導(dǎo)種管，并在活塞缸錯(cuò)開種箱上的凹槽后滑入下導(dǎo)種管，最終通過排種口排出。

2 吸排種裝置的簡化模型

單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置的作業(yè)對(duì)象為中等顆粒的玉米種子，屬于散粒體中的粗粒體。吸排種裝置中的吸種口與玉米種子的尺寸相近。吸種口結(jié)構(gòu)如圖2所示，每次吸種過程中能與吸種口接觸的玉米種子最多2～3粒。當(dāng)玉米種子有多粒與吸種口接觸時(shí)，由于其位置不完全對(duì)稱，受力也不盡相同，在氣體壓力的作用下，只能有一粒玉米種子進(jìn)入吸種口中。在整個(gè)吸種過程中，由于種子受到的氣壓未達(dá)到其變形的壓力，因此將單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置的力學(xué)模型簡化為單剛體系統(tǒng)[9]。

1.排氣孔 2.吸種管 3.吸種口 4.玉米種子

影響單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置吸排種效果的因素有很多，為了便于力學(xué)分析，忽略次要因素，對(duì)模型進(jìn)行簡化。吸排種裝置采用的種子為“豐墾117”號(hào)玉米種子，其幾何尺寸如表1所示。

表1 “豐墾117”號(hào)玉米種子的三維尺寸

由表1可知：“豐墾117”號(hào)玉米種子的長度、寬度和厚度相差不大，可假設(shè)玉米種子外形為尺寸均勻一致的球形剛體，受到的作用力全部作用于質(zhì)心。

種箱內(nèi)種子的厚度對(duì)吸種效果有較大影響。研究表明：種箱內(nèi)種子的厚度越厚，種箱與活塞缸相對(duì)運(yùn)動(dòng)越慢，種子較難進(jìn)入吸種口。因此，假設(shè)玉米種子在種箱內(nèi)均勻分布，且厚度為2～3層，吸種口吸入的種子為最底層的上一層種子。在吸排種過程中，種子受到氣流場繞流、自身重力、其他種子的作用力及空氣阻力作用?？紤]到空氣阻力與種子的運(yùn)動(dòng)速度成正比，由于種子吸入吸種口時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度較小，因此忽略空氣阻力對(duì)種子的影響。

3 吸排種裝置的動(dòng)力學(xué)模型

3.1 玉米種子在吸排種過程中的運(yùn)動(dòng)分析

單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置安裝在手提式玉米播種機(jī)和腳踏式玉米播種機(jī)上工作，由于手提式或腳踏式播種機(jī)在播種過程中存在著劇烈的振動(dòng)。種箱內(nèi)的種子為粗粒體，經(jīng)播種機(jī)的振動(dòng)后向上拋擲，呈現(xiàn)出“沸騰”狀態(tài)；當(dāng)播種機(jī)的播種口沒入土壤后，振動(dòng)停止，在重力作用下，玉米種子均勻分布于吸種口周圍，種子進(jìn)入吸排種階段。

吸種階段：玉米種子在氣流場負(fù)壓、吸種口及其他種子的作用下，由靜止進(jìn)入到吸種口中。持種階段：種子受到自身的重力、氣流場壓力及吸種口的支持力,使種子隨吸種口上移至防脫毛刷中。排種階段：種子因振動(dòng)呈懸浮狀態(tài)，受氣流場正壓和自身重力作用，從吸種口中脫離，落入上導(dǎo)種管中，并在重力作用下滑入下導(dǎo)種管中，最終落入排種口中。

3.2 玉米種子吸種過程中的動(dòng)力學(xué)模型

在吸種過程中,玉米種子受力分析如圖3所示。在吸種過程中,玉米種子在氣流場負(fù)壓、吸種口及其他種子的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)開始于吸種口邊緣,由于種子在吸種口邊緣的過程非常短,因此近似認(rèn)為玉米種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)未發(fā)生變化,可按靜力學(xué)平衡條件分析其運(yùn)動(dòng)的臨界條件。

圖3 吸種階段受力分析

沿吸種管的軸向和徑向建立笛卡兒坐標(biāo)系，種子即將進(jìn)入吸種口的臨界狀態(tài)列平衡方程為

(1)

FQ≥

(2)

式中FQ—?dú)饬鲌鰧?duì)種子的作用力(N)；

Fzx—吸入種子周圍其他種子對(duì)吸入種子壓力以及摩擦力合力在x軸方向分量(N)；

Ff—吸種口對(duì)吸入種子的摩擦力(N)；

θ—?dú)饬鲌鰧?duì)玉米種子吸入方向與x軸夾角(rad)；

φ—吸入角(rad)；

Fn—吸種口對(duì)玉米種子的支持力(N)；

洞庭湖所面臨的發(fā)展挑戰(zhàn)很大，對(duì)策和機(jī)制的設(shè)定需要落實(shí)，只有首先統(tǒng)一好一系列制度，才能聯(lián)動(dòng)濕地旅游業(yè)的建設(shè)開發(fā)，才能具體落實(shí)行動(dòng)。統(tǒng)一好管理與服務(wù)人員對(duì)生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)濕地旅游業(yè)的管理服務(wù)能力，才能打造一個(gè)良好的景區(qū)的招牌。只有集結(jié)眾人力量去落實(shí)湖區(qū)環(huán)境的保護(hù)，才有濕地旅游業(yè)的發(fā)展。當(dāng)洞庭湖區(qū)人民的生活不斷改善，問題都得到有效解決，人民才既能坐擁金山銀山、又能共享綠水青山，那時(shí)洞庭湖生態(tài)經(jīng)濟(jì)區(qū)必然已是秀美富饒的新經(jīng)濟(jì)增長狀態(tài)。

Fzy—吸入種子周圍其他種子對(duì)吸入種子壓力以及摩擦力合力在y軸方向分量(N)；

G—吸入玉米種子所受的重力(N)。

在吸種過程中，種子受到的主要作用力是氣流產(chǎn)生的，玉米種子處在一定流速的氣流場中，根據(jù)流體力學(xué)原理，繞流阻力的計(jì)算公式為[10]

(3)

式中Cd—無因次系數(shù)；

s—種子在垂直運(yùn)動(dòng)方向的平面投影面積(m2);

ρ—空氣密度(kg/m3);

V—?dú)饬魉俣?m/s)。

由式(2)和式(3)可知

CdsρV2≥

(4)

由式(3)和式(4)可知：玉米種子被吸入的作用力大小與氣流速度的二次方成正比,氣流速度與活塞缸和種箱的相對(duì)運(yùn)動(dòng)即播種頻率成正比,因此播種頻率是種子被吸入的最重要參數(shù)。同時(shí),吸入作用力與種子在垂直運(yùn)動(dòng)方向的平面投影面積成正比,即種子越大在相同的氣流場受到的力也越大,但這種增量因參數(shù)的原因遠(yuǎn)小于質(zhì)量增加引起的運(yùn)動(dòng)阻力,因此較小的種子更容易被吸進(jìn)吸種口。即增加播種頻率或選用較小的玉米種子可以大大提高吸種效果。此外，小范圍增加吸種口吸入角也有利于種子被吸附。

3.3 玉米種子持種過程中的動(dòng)力學(xué)模型

玉米種子進(jìn)入吸種口以后，活塞缸與種箱的相對(duì)位置再次發(fā)生變化，由壓縮密閉空間轉(zhuǎn)為擴(kuò)展密閉空間，吸種管隨活塞缸相對(duì)種箱向上運(yùn)動(dòng)，攜帶吸種口的種子進(jìn)入防脫毛刷中。在進(jìn)入防脫毛刷之前有50mm左右的持種階段，其受力分析如圖4所示。

圖4 持種階段受力分析

由圖4可知：沿吸種管的軸向?yàn)閥軸方向和徑向?yàn)閤軸方向，建立笛卡兒坐標(biāo)系，種子沿吸種管的軸向運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)方程為

(5)

式中a(t)—玉米種子在持種階段的y軸方向上加速度(m/s2)；

Fyn(t)—吸種口對(duì)玉米種子y軸方向的支持力(N)；

G—吸入玉米種子所受的重力(N)。

因?yàn)镚=mg，式(5)變?yōu)?/p>

(6)

由式(6)可知：玉米種子在吸種口的作用下沿吸種管軸向加速運(yùn)動(dòng)進(jìn)入防脫毛刷中，在整個(gè)持種過程中，種子所受的支持力隨時(shí)間發(fā)生變化，沿吸種管軸向運(yùn)動(dòng)的加速度亦隨時(shí)間變化。吸種口是種子所受支持力的施力體，其作用方向平行于種子的運(yùn)動(dòng)方向，是種子沿吸種管軸向運(yùn)動(dòng)的主要因素。

玉米種子沿徑向受力情況如圖4所示。種子未發(fā)生沿徑向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即在徑向受力保持了平衡狀態(tài)，因此可按靜力學(xué)平衡條件分析其受力，則有

Fxn(t)=FQ(t)

(7)

式中Fxn(t)—吸種口對(duì)玉米種子x軸方向的支持力(N)；

FQ(t)—持種過程中，氣流場對(duì)種子的作用力(N)。

由式(7)可知：玉米種子在進(jìn)入防脫毛刷之前的持種階段，受到的徑向力有兩個(gè)：一個(gè)是氣流場對(duì)種子的作用力；另一個(gè)是吸種口對(duì)種子的徑向支持力。這兩個(gè)力都隨時(shí)間發(fā)生變化，但徑向支持力是隨著氣流場對(duì)種子的作用力改變而變化的。在吸種口持種過程中，活塞缸與種箱形成壓縮密閉空間雖然增大了，但內(nèi)部的壓力仍大于外部壓力，氣流的方向仍是向x向的正方向，對(duì)種子的作用是吸緊的，因此實(shí)現(xiàn)了吸種口的可靠持種。

3.4 玉米種子排種過程中的動(dòng)力學(xué)模型

玉米種子在排種過程中所受的力如圖5所示。

圖5 排種階段的受力分析

吸種管攜帶玉米種子通過防脫毛刷后，活塞缸運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)，帶動(dòng)吸種管急停，玉米種子在慣性的作用下撞擊吸種口上下沿，多數(shù)時(shí)間是在懸浮過程中。玉米種子在這個(gè)階段受到自身重力和氣流場的作用，此時(shí)活塞缸與種箱形成的密閉空間體積最大，密閉空間內(nèi)部的壓力小于外部的壓力，氣流從外部通過到吸種管的排氣孔進(jìn)入密閉空間。在吸種口吹出的時(shí)候，作用在玉米種子上、懸浮過程動(dòng)力方程為

(8)

式中a(t2)—玉米種子在排種階段的加速度(m/s2)；

FQc—種子在排種階段受到氣流場的作用力(N)；

由式(8)可知：玉米種子在氣流的作用下，從吸種口滑落到上導(dǎo)種管，經(jīng)下導(dǎo)種管最終落入排種孔。氣流的大小是種子被吹出的主要因素，活塞缸復(fù)位速度決定氣流的大小，復(fù)位越快，氣流越大，種子越容易被吹出，因此在安裝過程中，選用復(fù)位力大的復(fù)位彈簧或復(fù)位氣缸。

4 吸排種試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

為檢驗(yàn)單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置的性能,設(shè)計(jì)了一套可調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)頻率的往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，模擬排種裝置在實(shí)際應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)情況。

試驗(yàn)過程分兩步進(jìn)行：第1步采用未分級(jí)種子，在不同袋裝的5kg “豐墾117”號(hào)玉米種子混合后，隨機(jī)選取進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)中分別采用50、60、70、80次/min的播種頻率進(jìn)行吸排種試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，每種播種速率測(cè)試3次，取平均值，確定最佳播種頻率。第2步利用特殊的篩網(wǎng)，將玉米種子分為3級(jí)，分別是：種子最大尺寸小于7mm、種子最小尺寸大于8mm及最小尺寸大于等于7mm,最大尺寸小于等于8mm的玉米種子，采用最佳播種頻率播種，記錄單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置的排種性能參數(shù)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)測(cè)得單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置在不同播種頻率下的排種指標(biāo)如表2所示。

表2 不同播種頻率下的排種性能參數(shù)

從表2測(cè)試數(shù)據(jù)可看出：播種頻率在50、60、70次/min時(shí)，隨著播種頻率越高，播種的合格率越高，即吸種口的吸種性能越好，試驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)力學(xué)模型的分析結(jié)果一致。但并非越快的播種頻率，吸種性能越好，因?yàn)榧铀俣刃枰獣r(shí)間才能產(chǎn)生大的速度，進(jìn)而產(chǎn)生位移。播種頻率過快，雖然使氣流場對(duì)玉米種子能產(chǎn)生較大的加速度，同時(shí)也加快了吸種管在種層內(nèi)部的抽離速度，反而影響了吸種效果。因此，排種器播種頻率在70次/min時(shí)，播種合格率為94.22%，為最佳播種頻率。

以70次/分的播種頻率對(duì)不同尺寸的玉米種子進(jìn)行吸排種試驗(yàn)，測(cè)得的排種指標(biāo)如表3所示。

表3 不同種子尺寸下的排種性能參數(shù)

由表3可以看出：尺寸較大的種子，漏播率高，隨著種子尺寸的減小，漏播率也隨之減少，與動(dòng)力學(xué)模型的分析結(jié)果一致，即在相同的氣流場吸力的作用下，較小的種子容易吸入吸種口。

5 結(jié)論

1)單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置隨播種速率的增加，吸排種效果呈開口向下的拋物線狀，頻率在70次/min時(shí)，播種合格率為94.22%，為最佳播種頻率。94.22%為實(shí)驗(yàn)室測(cè)得播種合格率，實(shí)際生產(chǎn)中，由于震動(dòng)、傾斜、受力不連續(xù)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜等原因，實(shí)際合格率低于94.22%。

2)種子較大容易漏播，種子較小容易重播，因此在設(shè)計(jì)吸種口尺寸時(shí)應(yīng)按所作用種子的平均直徑進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3)活塞缸與種箱在壓縮后復(fù)位越快，玉米種子在排種階段越容易被吹出吸種口。因此，安裝單缸氣動(dòng)式玉米吸排種裝置在手提式或腳踏式玉米播種機(jī)時(shí)，需要選用復(fù)位力較大的復(fù)位彈簧或復(fù)位氣缸。

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