葉大明，曹成茂，丁　冉，詹　超

( 安徽農業(yè)大學 工學院，合肥　230036 )

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一器多行環(huán)槽推送式排種器的優(yōu)化設計及研究

葉大明，曹成茂，丁冉，詹超

( 安徽農業(yè)大學 工學院，合肥230036 )

摘要：設計了一種適用于水稻穴直播的一器多行環(huán)槽推送式排種器，分析了排種器的工作原理和種子在出種口的受力及運動情況，對排種器的清種和護種結構進行了合理的設計，并對精播條件進行了理論計算，推算出排種盤的理論最大轉速。在結合農藝對播種穴距要求的基礎上，設計了穴距可調機構，改變不同齒輪嚙合得到不同傳動比，進而實現(xiàn)播種的穴距可在一定范圍內可調節(jié)，并通過pro/E對穴距可調結構進行了運動學仿真分析。結果表明：穴距可調機構傳動比符合理論傳動比要求，穴距可調范圍合理，排種器工作可靠。

關鍵詞：排種器；精播；穴距可調；Pro/E運動學仿真

0引言

我國是世界上的農業(yè)大國，在農業(yè)種植過程中播種機是非常重要的裝備。其與傳統(tǒng)種植模式相比，機械化直播省去了育苗、移栽等繁瑣工序，大大提高了播種效率。而排種器是播種機的關鍵部件，排種器的護種、清種和排種精確能力是衡量其作業(yè)質量的主要指標，其設計是否合理將直接影響農作物種植質量及成本[1-2]。傳統(tǒng)排種器大多是一器單行式，要完成多行播種時播種機上需要安裝多個排種器，導致播種機結構復雜，排種均勻性和穩(wěn)定性不高，排種器在排種過程中很容易產生卡種、傷種、漏播等問題。這些問題一直沒有被很好地重視和解決，在一定程度上影響了播種機的發(fā)展[3-4]。穴距涉及到播種量和大田基本苗數(shù)，對確保直播水稻通風采光的優(yōu)點發(fā)揮有重要的作用。傳統(tǒng)排種器自身不具有穴距可調機構，要完成穴距可調播種作業(yè)需要依靠改變牽引機械的速度來實現(xiàn)[5-6]。針對以上情況，本文設計了一種自帶穴距可調裝置的一器多行環(huán)槽推送式排種器，可提高精播效率。

1總體結構及工作原理

1.1　總體結構

該排種器為圓盤環(huán)槽式排種器，主要由種箱、分流瓦片、排種盤、清種刷、排種器底盤、排種管、調速裝置、傳動軸、換向錐齒輪齒輪、動力軸等構成，如圖1所示。

圖1　排種器總體結構圖

排種器種箱內有柱椎形分流瓦片，可實現(xiàn)8個區(qū)同時進行分流充種。種箱下面是圓環(huán)狀的排種盤，排種盤邊緣均勻分布8個種槽，每個種槽兩內側壁分別以螺釘方式安裝有軟質毛刷，用來清種和護種。排種盤鑲嵌在底盤中，初始狀態(tài)是排種盤上的8個種槽與底盤上的8個排種孔是相互錯開的，形成充種區(qū)。隨著傳動軸的轉動，排種盤在底盤中做旋轉運動，當種槽與底盤落種口錯開時，處于充種狀態(tài)；當種槽與底盤落種口重合時，處于排種狀態(tài)。底盤底面邊緣對應開有8個排種口，每一個排種口處都安裝了排種管，同時排種底盤上加載了穴距可調裝置；通過調節(jié)輸入軸上的齒輪與輸出軸上的不同齒輪進行嚙合傳動改變輸出軸的轉速，進而實現(xiàn)速度可調。排種器通過1對換向錐齒輪能夠很好地解決排種器的位置安裝和動力傳遞。

1.2　工作原理

排種器工作時，種箱中的種子通過分流瓦片將種子分別分流到8個不同的充種區(qū)，通過輸出軸的旋轉帶動排種盤在排種器底盤中攜帶種子做旋轉運動，通過種槽中軟質毛刷的推送作用將種子推送到排種器底盤的落種口處；排種器底盤落種口兩端呈斜坡狀，避免了排種盤與底盤的剛性接觸造成傷種，同時斜坡上多余的種子會由軟質毛刷沿著傾斜面將其掃下，其余種子在自身重力的作用下落入輸種管，進行多行作業(yè)。

2清種和護種裝置

2.1　排種盤及底盤清種和護種裝置

排種盤是排種器的核心零部件之一，排種盤的形狀和結構參數(shù)是實現(xiàn)精播的重要條件[2]。排種盤為圓環(huán)狀，排種盤環(huán)形邊緣處開有8個種槽，每個槽對應1行的排種；該排種盤1次播8行，每個槽的兩內側壁上都分別以螺釘?shù)姆绞桨惭b了軟質毛刷，毛刷與排種器底盤上表面為柔性接觸，避免了種子與側壁的剛性接觸。排種盤及底盤結構示意圖如圖2和圖3所示。

1.傳動軸孔　2.種槽　3.軟毛刷

1.傳動軸孔　2.落種口

排種器底盤上8個落種口，兩側呈傾斜角度為30°的斜坡形。當種子開始進入落種口處時，大部分種子會做自由落體或平拋運動從落種口落下，少許種子沿著斜坡在軟質毛刷的推送下相繼從落種口落下，從而避免了種子與排種盤的剛性接觸，起到了良好的護種作用。排種器排種過程中清種和護種原理如圖4所示。

1.排種盤　2.軟質毛刷　3.種子　4.排種器底盤

2.2　精播理論分析

精量播種不僅對排種器的結構設計有所要求，對排種盤的轉速也一定的要求，轉速過大或過小都將直接影響充種性能、投種粒數(shù)及位置的精準度[7-8]。排種器在排種過程中，排種盤的轉速n是一定的，種子在排種盤推送的作用下相繼進入落種口。為了使確定數(shù)量的種子能夠完全從落種口落下，要求排種盤最大轉速不能超過某一臨界值，這是保證能夠實現(xiàn)精播的必要條件。

種子經(jīng)毛刷推送至落種口處存在3種落種狀態(tài)[9-11]：①種子沿斜坡滑落至落種口；②種子做自由落體落入排種口；③種子在毛刷推送作用下做平拋運動。其落種示意圖如圖5所示。

圖5　種子落種狀態(tài)示意圖

針對上述3種情況種子的受力分析如下：

1)當種子沿斜坡滑落時，種子受到自身重力為

G=mg

(1)

斜坡對種子的法向支撐力FN為

FN=mgcosθ

(2)

斜坡對種子的切向摩擦力為

f=μFN

(3)

對種子進行受力分析，可得

mgsinθ-f=ma

(4)

f=μFN

(5)

2)當種子做自由落體進入落種口時，種子只受自身重力作用，則有

G=mg

(6)

3)當種子做平拋運動時，種子在豎直方向也只受自身重力作用，則有

G=mg

(7)

式中m—種子質量(kg)；

g—重力加速度(m/s2)；

μ—種子與斜坡面之間的滑動摩擦因數(shù)；

θ—斜坡面與水平面之間夾角(°)。

設上述3種落種狀態(tài)從種子進入落種口開始到種子幾何中心低于落種口上端所需時間分別為t1、t2、t3，分別對種子在3種狀態(tài)時的運動進行分析可得：第1種狀態(tài)下，種子由排種盤將種子推送到落種口處種子將沿落種口處的斜坡下滑至落種口底端；第2種狀態(tài)下，種子由排種盤推送到落種口處，種子將做平拋運動落至落種口底端；第3種狀態(tài)下，種子將在落種口處做自由落體運動，從而落至排種口底端。由以上分析可得

(8)

H=l1+l2

(9)

(10)

(11)

(12)

ω=2πn

(13)

(14)

式中s—斜坡長度(m)；

a—種子沿斜坡下滑加速度(m/s2)；

φ—落種口對應的弧度(rad)；

ω—排種盤的角速度(rad/s)；

總之，在實際的教學過程中，教師們需要不斷思考如何提高課堂教學的效率，努力探索提高教學質量的方法，課前充分的準備，備實、備精課程，課堂激發(fā)學生的學習興趣，分配好課堂教學的時間，讓教師的教學更具有實用性和藝術性。初升的太陽，每天只有一次，含苞的花朵，每年只有一次，而我們的青春，人生只有一次，讓我們一起珍惜青春，在這最有作為的時刻，讓有效教學的信念深深扎根在我們的心里，去譜寫出我們教育人生最美妙的篇章。

g—重力加速度(m/s2)；

l1—排種盤種槽高度(m)；

l2—斜坡高度(m)；

n—排種盤的轉速(r/s)；

θ—斜坡面與水平面之間夾角(°)。

排種器要實現(xiàn)精播，必須要求每個種槽中的種子全部排出落種口，這就要求每個種槽中所有種子落至排種口下端的時間小于1排種盤轉過1個出種口長度所需要的時間，即

t1≤t且t2≤t且t3≤t

(15)

根據(jù)前面對種子受力分析及運動學分析，整理得

(16)

(17)

(18)

(19)

(20)

(21)

由式(19)、式(20)可知：排種器若能正常排種實現(xiàn)精播，排種盤的理論最大轉速主要與出種口所對應的弧度φ、種槽的高度l1、斜坡高度l2、斜坡傾斜度θ有關。本文排種器出種口所對應的弧度為φ=0.384rad(22°)，種槽的高度為l1=0.016m，斜坡高度l2=0.005m，斜坡傾斜角θ=30°。取種子與種槽內壁之間的滑動摩擦因數(shù)u=0.5[12]，種子重力加速度取g=9.8m/s2，代入式(20 ) 、(21)得：n1≤0.689r/s，n2≤0.923r/s，n3≤0.923r/s。

由于排種盤轉過一個出種口的時間不能小于最后落種的時間，所以排種盤的轉速取3者中最小值，即排種盤的理論最大轉速為0.689r/s。

3穴距可調機構

種苗的通風和采光是否充分主要取決于種苗之間的穴距，穴距大小將直接影響種苗的生長特性[5-6]。此次設計的排種器自帶穴距可調裝置，該機構通過螺釘與排種器底盤進行連接，輸出軸帶動排種盤旋轉，穴距可調裝置為6速可調；通過調速把手可調節(jié)輸入軸與輸出軸上不同齒輪嚙合，在張緊彈簧的作用下可得到不同的傳動比，進而實現(xiàn)排種的穴距可調；輸出軸通過錐齒輪嚙合由主傳動軸提供動力，其結構示意圖如圖6所示。

1.調速把手　2.動力輸入軸　3.彈簧　4.機殼　5.主傳動齒輪

穴距可調裝置調速原理圖如圖7所示。

圖7　排種器調速機構原理圖

調速的原理在于排種器輸出軸上的齒輪組，動力輸入軸與輸出軸齒輪組上的不同齒輪嚙合，就可以得到不同的傳動比，從而控制排種器輸出軸的轉速起到調速的目的。根據(jù)調速裝置傳動原理圖中齒輪的齒數(shù)，可以計算排種器動力輸入軸和輸出軸之間的傳動比i的最大值和最小值，進而得到傳動比i值的范圍。設傳動比最大值為imax，最小值為imin，則

由此可得，排種器動力輸入軸和輸出軸之間的傳動比i值的范圍為0.89~1.67。

4Pro/E在調速機構中的應用

Pro/E的運動學仿真是通過對機構添加運動副及驅動器,使其運動, 以實現(xiàn)機構的動態(tài)模擬。針對需要了解的參數(shù)可以定義模擬測量, 從而獲得參數(shù)的變化曲線[13-14]。

4.1　機構模型建立

先將首機架以缺省形式固定，然后依次裝配調速機構子組件、排種盤、動力傳遞齒輪和種箱。其中，調速機構輸出軸與排種盤以銷釘形式連接，輸入軸上的錐齒輪與動力軸上的錐齒輪以齒輪副連接。裝配連接的模型如圖8所示。

圖8　連接后的組件模型

4.2　添加伺服電機

伺服電動機是組件運動學分析的動力源, 可以為連接接頭設定各種位置、速度和加速度, 使機構以某種特定的方式運動。伺服電動機施加位置、速度和加速度的方式是通過時間函數(shù)的形式來表達的, 通過定義時間函數(shù)(如常數(shù)、線性函數(shù)、自定義函數(shù)等)，可以得出每一時間各個主體的位置(輪廓)。進入應用程序中機構模塊, 在動力輸入軸上添加一臺伺服電動機, 將它的運動方向設置成逆時針旋轉。伺服電機的速度大小設為常數(shù), 模數(shù)A=3 600°/s。

4.3　執(zhí)行運動學仿真及仿真結果

定義運動學分析, 可以計算機構運動過程中主體的各種運動特性。設置分析的總時間為10s，分別仿真6組不同齒輪嚙合時排種盤的位置和速度，結果如圖9和圖10所示。

圖9　排種盤的位置曲線

圖10　排種盤的速度曲線

5結論

1)通過對排種器清種和護種結構進行合理的優(yōu)化設計，使得種子在排種槽中的剛性接觸轉變?yōu)槿嵝越佑|；同時，落種口斜坡形的特殊結構使得多余的種子被毛刷掃走，有效地解決了排種過程中傷種和卡種的現(xiàn)象。

2)通過Pro/E對穴距可調機構運動特性進行了分析, 并獲得所需要的運動學參數(shù), 避免了復雜的計算, 使得在二維圖紙上難以表達和設計的運動變得直觀和易于修改。通過對機構運動過程的模擬, 可以觀察到運動軌跡、位移，以及是否存在干涉現(xiàn)象, 便于工藝參數(shù)的修改和機構的優(yōu)化，驗證穴距可調機構的可靠性。

參考文獻：

[1]王業(yè)成，邱立春，張文嬌，等． 摩擦型立式圓盤精密排種器的設計與試驗[J]．農業(yè)工程學報， 2012， 28( 1):22 - 26．

[2]廖慶喜，高煥文，臧英．玉米水平圓盤精密排種器型孔的研究[J]．農業(yè)工程學報，2003，19(2):109-113．

[3]俞亞新,趙勻,張斌.水稻播種機的研究現(xiàn)狀與展望[J].農機化研究, 2007(9):5- 8.

[4]李志偉, 邵耀堅.電磁振動式水稻穴盤精量播種機的設計與試驗[J].農業(yè)機械學報, 2000, 31(5):32-34.

[5]李國林，宋煒，毛俐，等．國內外幾種主要排種器的特點[J]．農業(yè)科技與裝備，2011(8):70-73.

[6]李順，馬榮朝，古強，等.水稻播種機排種裝置的設計[J].農機化研究,2012,34(9):135-138.

[7]王沖，宋建農，王繼承，等．穴孔式水稻排種器投種過程分析[J].農業(yè)機械學報，2010,41(8):39-42．

[8]廖慶喜，黃吉星，劉光，等.油菜播種機槽孔輪式精量排種器設計與試驗[J]．農業(yè)機械學報， 2011，42(2) : 63-66．

[9]梁寶忠，趙永亮，趙金英，等．水稻直播機設計與試驗[J]．農業(yè)機械學報，2012(S1)：63-66．

[10]夏連明，王相友，耿端陽，等．丸粒化玉米種子精密排種器[J]．農業(yè)機械學報， 2011， 42(6) : 53-57．

[11]王沖，宋建農，王繼承，等.穴孔式水稻排種器投種過程分析[J]．農業(yè)機械學報，2010，41(8):39-42．

[12]程緒鐸，陸琳琳，石翠霞．小麥摩擦特性的試驗研究[J]．中國糧油學報， 2012， 27(4):15-19．

[13]郭仁生.基于MATLAB和Pro/ENG INEER優(yōu)化設計實例解析[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2007.

[14]高秀華.機械三維動態(tài)設計仿真技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.

Abstract ID:1003-188X(2016)10-0036-EA

Design and Research of Multi-line Metering Device with Ring Groove Push Movement

Ye Daming, Cao Chengmao, Ding Ran, Zhan Chao

(College of Engineering，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China)

Abstract：A multi-line metering device was designed for hill-drop of rice with ring groove push movement. Working principle of the multi-line metering device and force on dropping seed were analyzed, improvement design of structure for cleaning and protecting seeds were made, and the theoretical maximum speed of the metering plate was investigated by theoretical calculation of precision sowing condition. On the base of agronomic requirement for hole distance, a hole space adjustable mechanism was designed. It’s change gears engagement to obtain different transmission ratio and realized the sowing distance adjustable under the certain range. Kinematics simulation analysis for the hole space adjustable mechanism was made on the base of Pro/E, the results showed that the transmission ratio can meet the theoretical request, the adjustable range of hole distance is rational and device working stable and performance well.

Key words：seed-metering device; precision seeding; hole space adjustable; kinematics simulation of Pro/E

中圖分類號：S223.2；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0036-05

作者簡介：葉大明(1989-)，男，安徽六安人，碩士研究生，(E-mail)12646423@qq.com。通訊作者：曹成茂(1964-)，男，安徽六安人，教授，碩士生導師，博士，(E-mail)caochengmao@sina.com。

基金項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD14B13)

收稿日期：2015-08-03