氣力圓盤式胡蘿卜精量排種器的設(shè)計

徐蘇陽,李 驊,齊新丹,白明超,胡 童

(1.南京工業(yè)大學 機械與動力工程學院,南京 211816;2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,南京 210031;3.南京農(nóng)業(yè)大學 工學院,南京 210031)

0 引言

胡蘿卜作為蔬菜的一種重要成員,具有“小人參”的美稱,其富含多種營養(yǎng)元素,具有降低膽固醇、預(yù)防心臟病和腫瘤疾病等功效[1]。據(jù)FAO統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國是世界上胡蘿卜生產(chǎn)的第一大國,種植面積約占世界的40.1%,但單產(chǎn)卻位于全世界的第32位,僅僅為世界的平均水平,與發(fā)達國家種植胡蘿卜的水平具有一定的差距[2]。為了提高胡蘿卜的單產(chǎn)且確保胡蘿卜的質(zhì)量,保證每株胡蘿卜在生長過程中都吸收到充足的養(yǎng)分,需使用精量播種的方法進行播種。

精量播種主要可分為機械式播種與氣力式播種[3]。氣力式播種具有工作性能穩(wěn)定、效率高及傷種率低的優(yōu)點,已成為現(xiàn)代化播種的一種發(fā)展方向[4-5]。國外在氣力式精量播種方面研究較早,特別是在玉米、大豆等谷物播種方面的技術(shù)已經(jīng)非常成熟,現(xiàn)已對播種小粒蔬菜種子進行大量的研究工作[6-8]。我國雖然起步比較晚,但已在播種玉米、水稻、大豆等糧食作物方面取得很大的研究成果[9-11],但針對小籽粒蔬菜種子方面的研究現(xiàn)大量存在于播種油菜類等圓粒徑種子[12-13],對外形較為不規(guī)則的小粒種子研究較少。

針對胡蘿卜種子籽粒小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則,且種子有四列的毛邊、播種的粒距小、現(xiàn)有的精量排種器不易對其實現(xiàn)有效充種及容易發(fā)生堵塞的狀況[14],為了提高播種效率,通過理論計算設(shè)計一種多型孔排種盤及一種輔助充種裝置。同時,通過理論分析設(shè)計了胡蘿卜種子清種裝置及清堵裝置,利用正壓對型孔中堵塞的種子或者雜質(zhì)進行正壓清理,有效防止堵塞的型孔干擾下一次的充種與排種。最后,通過臺架試驗對所設(shè)計的胡蘿卜精量排種器進行驗證試驗,研究結(jié)果為胡蘿卜精量排種器的設(shè)計提供有力的參考。

1 整體設(shè)計及工作原理

1.1 整體設(shè)計

氣力圓盤式胡蘿卜精密排種器主要由負壓殼體、密封圈、排種盤、攪種輪、清種裝置、輔助落種裝置、傳動裝置、箱體和種箱等組成,如圖1所示。

1.負壓出口 2.密封圈 3.密封圈固定件 4.排種盤 5.種群擋板 6.清種裝置 7.種箱 8.傳動裝置 9.箱體 10.輔助落種裝置11.攪種輪 12.正壓入口圖1 胡蘿卜精量排種器的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of carrot precision seed metering device

傳動軸通過一端的六棱柱與排種盤配合實現(xiàn)對排種盤的徑向定位,通過箱體上安裝的耐磨裝置與負壓殼體固定的密封圈實現(xiàn)對排種盤的軸向定位。排種盤上均勻分布著型孔和擾種柱;箱體的外側(cè)設(shè)有進種口,進種口連接著種箱,內(nèi)側(cè)設(shè)有直擋板,用于控制種群高度;負壓腔室由負壓殼體、密封圈與排種盤組成,吸氣口固定于負壓殼體上并與負壓腔室相通;正壓腔室設(shè)置在負壓殼體的正下方并與排種盤正下方的型孔相通。

1.2 工作原理

工作時,可將排種器按照不同的工作內(nèi)容將工作區(qū)域劃分為充種區(qū)Ⅰ、清種區(qū)Ⅱ、攜種區(qū)Ⅲ、落種區(qū)Ⅳ、清堵區(qū)Ⅴ及過渡區(qū)Ⅵ,如圖2所示。

Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.落種區(qū) Ⅴ.清堵區(qū) Ⅵ.過渡區(qū)圖2 胡蘿卜精量排種器的工作區(qū)域劃分圖Fig.2 Working area division diagram of carrot precision seed metering device

圖3 充種裝置Fig.3 Seed filling device

圖4 清種裝置Fig.4 Seed cleaning device

排種器工作過程分為輔助充種、碰撞清種、單粒攜種、重力與碰撞落種和正壓清堵5個過程。工作時,種箱內(nèi)的種子依靠重力通過直擋板可調(diào)大小的落種口進入充種區(qū),充種區(qū)內(nèi)的攪種輪由排種盤上擾種柱帶動隨之轉(zhuǎn)動,從而使充種區(qū)內(nèi)堆積的種群處于離散狀態(tài)。此時,風機的負壓氣流通過負壓腔到達排種盤的型孔處,并將種子吸附在型孔處,種子隨著排種盤進行轉(zhuǎn)動,完成充種過程。當種子到達清種區(qū)時,型孔處的種子多次碰撞帶有圓弧形的清種裝置,處于型孔邊緣的種子受碰撞的沖擊力,導致其所受的負壓吸力小于所碰撞的力,落入充種區(qū),完成清種過程。隨后,型孔處的單粒種子在負壓吸力的作用下經(jīng)過攜種區(qū)到達落種區(qū)。到達落種區(qū)的種子由于負壓氣流被阻擋,種子失去負壓吸力,依靠重力作用完成落種。有少許種子依然卡在型孔上,不能依靠重力落種,在排種器底部設(shè)有輔助碰撞落種裝置。當種子到達輔助落種裝置時,依靠種子與輔助落種裝置的碰撞力實現(xiàn)落種,達到了清堵的目的。排種盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動到達正壓清堵區(qū),正壓管中的正壓氣流通過正壓腔到達種盤型孔處,對種盤型孔進行清堵,完成清堵過程。種盤經(jīng)過一小段過渡區(qū)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)返回充種區(qū),進入下一個循環(huán)。

2 排種盤的設(shè)計

2.1 型孔直徑

排種盤型孔直徑是確保胡蘿卜種子能夠有效地被型孔所吸附的重要條件之一,取決于種子的幾何尺寸等物料特性?，F(xiàn)隨機選取內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學院蔬菜所研制的“金紅六號”胡蘿卜種子50粒,測量胡蘿卜種子的長、寬、厚三軸尺寸,結(jié)果如表1所示。

表1 “金紅六號”胡蘿卜種子三軸尺寸測量結(jié)果Table 1 Triaxial size measurement results of “Jinhong No.6”carrot seeds mm

型孔直徑根據(jù)胡蘿卜種子的平均寬度有關(guān)[15],其計算公式為

dx=(0.64～0.66)b

(1)

式中dx—型孔直徑(mm);

b—種子的平均寬度(mm)。

由表1可知:胡蘿卜種子的平均寬度為2.11mm,則型孔直徑可選范圍為1.35～1.40mm。但是,由于胡蘿卜種子外形為舟形,中間寬、兩頭小,如若按平均寬度計算孔徑,當此尺寸型孔吸附胡蘿卜種子時,兩頭細小的胡蘿卜種子將概率性直接插入型孔中,從而加大落種的難度,甚至會造成堵塞。因此,設(shè)計孔徑時應(yīng)該按照胡蘿卜種子最小寬度進行計算,即胡蘿卜種子最小寬度為1.65mm,所計算得排種盤孔徑的大小為1mm。

2.2 排種盤直徑

排種盤直徑是確定整個排種器的結(jié)構(gòu)尺寸重要參數(shù),決定了型孔位置、型孔線速度、型孔數(shù)量、種子在型孔上所受的慣性力及風機所提供的負壓值的大小[16]。型孔接觸充種區(qū)的時間越少,種子充種時長就越短,容易造成充種不充分,從而導致漏播。為此,探究了排種盤直徑D與充種時長t(即指排種盤轉(zhuǎn)過1圈,排種盤上1個型孔所接觸充種區(qū)的時間)的關(guān)系,計算公式為

(2)

式中l(wèi)c—充種弧長(m);

vc—型孔的線速度(m/s);

α—充種區(qū)的角度(°);

dc—型孔的中心到排種盤邊沿的距離(m);

n—排種盤的轉(zhuǎn)速(r/min)。

由式(2)可得

(3)

由式(3)可得:充種時長t僅與充種區(qū)角度和排種盤轉(zhuǎn)速有關(guān)系,與排種盤直徑?jīng)]有直接關(guān)系,改變排種盤直徑并不能增加充種時長。排種盤直徑的確定應(yīng)根據(jù)型孔的數(shù)目與排種器的整體結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。胡蘿卜種子籽粒小,且按照農(nóng)藝要求株距為5～7cm,考慮多種因素將排種盤直徑定為220mm,型孔圓直徑為190mm。

2.3 型孔數(shù)量

在相同播種量的情況下,型孔數(shù)量是確定排種盤轉(zhuǎn)速的主要因素,而排種盤轉(zhuǎn)速是影響充種性能的重要條件之一[17-18]。型孔直徑大小與粒距l(xiāng)決定了型孔的數(shù)量。型孔數(shù)量Z的計算公式為

(4)

式中vb—播種機的速度(m/s);

vc—型孔的線速度(m/s)。

由式(4)化簡可得

(5)

由式(5)可知:型孔數(shù)量與排種盤轉(zhuǎn)速成反比,與播種機行走速度成正比;增加型孔數(shù)量可降低排種盤轉(zhuǎn)速,從而增加充種時長,提高排種器的工作性能;增加型孔數(shù)量可增加播種機的作業(yè)速度,提高作業(yè)效率,從而達到高效精量播種的目的。

【十五天之后，子棱提著箱子，腳如鉛重，茉莉跟著他的后頭，雖然不舍，但臉上卻是從沒有過的幸福。子棱突然間放下箱子，回轉(zhuǎn)身。

根據(jù)農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊[19],播種機的作業(yè)速度應(yīng)小于等于18km/h。因此,設(shè)計排種盤的轉(zhuǎn)速不大于50r/min。根據(jù)農(nóng)藝播種要求,播種胡蘿卜種子的株距為5～7cm。根據(jù)式(5),可計算得到型孔數(shù)最少為85.71。

由于胡蘿卜種子為不規(guī)則形狀,且每一個胡蘿卜種子彎曲的程度都不相同,經(jīng)過多次試驗可知:當胡蘿卜種子被吸入型孔時,吸入的姿態(tài)各不相同,且被型孔吸住的部位也不一樣。所以,當設(shè)計型孔數(shù)量時,應(yīng)考慮型孔之間的間距,避免種子間首尾接觸,干擾排種器的工作性能;另外,相鄰型孔之間的間距s應(yīng)大于胡蘿卜種子最大長度5.42cm。

相鄰吸孔間距s的計算公式為

(6)

根據(jù)公式(6),計算得到型孔數(shù)量Z應(yīng)小于110.13。為獲得型孔處相同的負壓與風速時,型孔數(shù)越多,風機所提供的負壓就越大,消耗的能量就會增加。所以,當達到所要求的條件時,為確保加工精度,取型孔數(shù)量為90,相鄰型孔的角度為4°。

3 其他關(guān)鍵裝置的設(shè)計

3.1 充種裝置

現(xiàn)有的氣力式精量排種器在工作過程中很難將種子從種群中快速地分離出,以便于被型孔有效地吸附,從而造成型孔漏吸種子,降低排種器的工作性能[20-21]。為此,設(shè)計一種充種裝置,通過設(shè)計在種盤上的擾種柱帶動種群中的擾種輪,對種群進行擾種。

充種裝置的原理:帶有葉片狀的擾種輪固定在箱體上,擾種柱隨著排種盤轉(zhuǎn)動,隨之帶動擾種輪轉(zhuǎn)動,從而使種群里的種子處于離散狀態(tài),容易被型孔所吸附。擾種輪葉片與排種盤上擾種柱的設(shè)計是充種裝置設(shè)計的關(guān)鍵。種群堆積處的種子大多處于靜止或者被堆壓的狀態(tài)時,容易形成架空狀態(tài),增加充種失敗的概率,導致充種不充分,降低排種器的工作性能。所以,擾種輪安裝位置應(yīng)該選擇箱體種群的入種口(即種群堆積處),應(yīng)選取箱體直徑為140mm處(種群堆積處)為擾種輪中心的安裝位置。型孔圓的直徑為190mm,擾種柱圓的直徑應(yīng)小于型孔圓直徑,擾種柱轉(zhuǎn)動時需碰撞處于種群中的擾種輪葉片,因此選取擾種柱圓dx為160mm。

擾種柱的目的是帶動擾種輪葉片進行持續(xù)的轉(zhuǎn)動:當擾種柱與擾種輪葉片的數(shù)量過于少時,擾種輪將斷斷續(xù)續(xù)地轉(zhuǎn)動,種群里的種子不會達到一直流動的狀態(tài),影響充種效果;擾種柱與擾種輪葉片過多時,容易造成擾種輪受力不均勻,降低排種盤與擾種輪的壽命,且易使排種盤加工的困難,排種盤加工成本增加。擾種柱與擾種輪葉片最優(yōu)的數(shù)量的設(shè)計依據(jù)是:第1個擾種柱接觸擾種輪葉片時,帶動擾種輪轉(zhuǎn)動;第1個擾種柱剛離開擾種輪時,第2個擾種柱開始接觸擾種輪,從而使擾種柱持續(xù)不斷得帶動擾種輪轉(zhuǎn)動。則有

(7)

式中l(wèi)x—兩相鄰擾種柱之間的弧長(m);

ax—兩相鄰擾種柱之間的角度(°);

dx—擾種柱圓直徑(m);

lj—與兩相鄰擾種柱接觸的葉片之間的弧長(m);

aj—與兩相鄰擾種柱接觸的葉片之間的角度(°);

dj—擾種柱接觸點圓直徑(m)。

擾種柱圓與接觸圓相切,但接觸圓隨著排種盤的轉(zhuǎn)動發(fā)生改變,則通過式(7)近似可計算得axdx=ajdj。擾種柱接觸點圓直徑dj不能取太小,否則會使力矩小,容易造成擾種輪與擾種柱接觸力增大,顯著降低其使用壽命,因此取dj=45mm。經(jīng)過對排種器的整體結(jié)構(gòu)與充種區(qū)的考慮,選擇ax=40°,擾種柱為9個均勻分布在排種盤的表面。其中,aj=135°,葉片間的角度為45°,葉片數(shù)為8個。

3.2 清種裝置

由于胡蘿卜種子的形狀不規(guī)則且大小不一,在充種過程中胡蘿卜種子往往會以不同的姿態(tài)被排種盤型孔吸住,會造成一個型孔會出現(xiàn)吸附兩?；蛘叨嗔５姆N子的狀況,從而降低排種器的工作性能。所以,排種器在完成充種過程后進行清種是十分有必要的。

清種過程的質(zhì)量是決定排種器工作性能的重要因素之一:清種不充分,重吸的種子無法及時有效地被刮掉,容易形成重播;過度清種,容易使型孔內(nèi)的種子被完全清空,且易對種子進行損傷,從而造成漏播。

所設(shè)計清種裝置可分為10種清種等級,根據(jù)清種件第1個圓弧中心到型孔中心的距離進行確定清種度等級,如表2所示。

表2 清種度等級與清種件到型孔中心距的關(guān)系Table 2 The relation between seed cleaning grade and center distance from seed cleaning parts to holes

3.3 清堵裝置

國內(nèi)外許多氣力式排種器在工作過程中容易發(fā)生型孔堵塞的問題,從而造成循環(huán)式漏播,影響排種器的工作性能[22]。由于胡蘿卜種子呈不規(guī)則形狀,中間寬,兩頭小,在充種過程中會有一小部分胡蘿卜種子直立于型孔中,在落種區(qū)不易于靠自身重力下落,會造成型孔的堵塞。胡蘿卜種子在箱體運動過程中,有些剛性比較差的種子經(jīng)過碰撞后容易發(fā)生斷裂,產(chǎn)生大小不一的種子碎屑,這些碎屑有的被吸入負壓室中,有的被吸入卡在型孔中,從而導致型孔的堵塞。這些堵塞如果不及時做清堵處理,會造成播種時大量的漏播,從而影響播種質(zhì)量。針對于播種胡蘿卜的排種器容易發(fā)生堵塞的問題,在落種區(qū)后添加清堵裝置是有必要的。

所設(shè)計的排種器的清堵原理是利用正壓將堵塞在型孔中的堵塞物吹出排種器外,因此將清堵口設(shè)計在排種器的正下方,此處為種子已完成落種的區(qū)域,不會影響排種器的排種性能。合理有效地設(shè)計清堵口的氣壓是清堵裝置的關(guān)鍵,清堵裝置只是排種器完成有效排種的一種輔助裝置,在保證有效清堵的作用后,應(yīng)盡可能減少風機提供正壓的消耗。經(jīng)臺架測試試驗可知:將堵塞在型孔中的雜質(zhì)用正壓清出需要0.6kPa。以下選取正壓0.6kPa為正壓清堵參數(shù)進行試驗。

4 臺架試驗驗證

4.1 試驗條件

試驗選用內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學院蔬菜所研制的“金紅六號”胡蘿卜種子為試驗對象,將所設(shè)計的排種器利用機械加工與3D打印技術(shù)加工完成,并合理地搭放在試驗臺架上。試驗臺架由傳送帶、傳送帶電機與變頻器組成,通過調(diào)整變頻器的頻率控制傳送帶的速度,利用傳送帶模擬田間試驗。排種器由變頻電機帶動,通過數(shù)顯智能調(diào)速器進行控制。選用高壓旋渦風機型號HG1500,功率1500W,旋渦機提供負壓與正壓,通過變頻器控制負壓與正壓值,變頻器2200W;壓力表負壓表范圍為-10～0kPa,正壓為0～1kPa;通過壓力計測量出氣口的風壓,并隨時檢測氣室內(nèi)壓穩(wěn)定性。試驗裝置如圖5、圖6所示。

圖5 試驗裝置整體實物圖Fig.5 Overall physical picture of test equipment

圖6 試驗裝置部分實物圖Fig.6 Some physical picture of the test device

4.2 試驗驗證方法與結(jié)果

通過改變風機的頻率,取風機進口的負壓值為1.6kPa、清堵正壓為0.6kPa,調(diào)節(jié)清種裝置,將清種等級設(shè)為5,通過調(diào)節(jié)傳送帶上電機控制開關(guān)頻率,調(diào)節(jié)傳送帶的速度為6km/h。利用式(8),計算出播種速度對應(yīng)的排種盤轉(zhuǎn)速分別為18.56 r/min。

(8)

式中vb—播種速度(km/h);

n—種盤的轉(zhuǎn)速(r/min);

Z—排種盤上吸孔數(shù),取Z=90。

依據(jù)《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法》進行試驗結(jié)果評定。為了方便統(tǒng)計數(shù)據(jù),記錄180穴種子間的粒距,試驗重復3次,結(jié)果如表3所示。由表3可知:漏播率為4.07%,重播率為14.53%,合格率為81.48%,在此條件下所設(shè)計的胡蘿卜精量排種器的排種性能較為良好。

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results %

5 結(jié)論

1)氣力圓盤式胡蘿卜精量排種器,通過負壓進行吸附種子,采用充種裝置、清種裝置、重力與碰撞原理與清堵裝置,依次進行輔助充種、清種、落種及正壓清堵的過程。

2)根據(jù)農(nóng)藝要求與理論分析,確定排種盤相關(guān)參數(shù)如下:型孔直徑1mm,排種盤直徑220mm,型孔圓直徑190mm,型孔數(shù)量90,相鄰兩型孔間角度為4°。

3)通過理論計算得出充種裝置的相關(guān)重要尺寸,對清種裝置進行清種度等級劃分。清堵裝置設(shè)置在落種過程后,并通過試驗將清種正壓定為0.6kPa。

4)通過臺架對所設(shè)計的氣力圓盤式胡蘿卜精量排種器進行試驗驗證。在氣室負壓為1.6kPa、清堵正壓為0.6kPa、播種速度為6km/h與清種等級為5的工作參數(shù)條件下,胡蘿卜精量排種器排種性能良好,合格率達到81.48%,為小籽粒不規(guī)則蔬菜種子的精量播種提供了重要參考。