郭麗峰，劉宏新，李彥龍，王　盼，王奕嬌

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱　150030)

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定量容腔可變的立式圓盤排種器機(jī)理研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

郭麗峰，劉宏新，李彥龍，王盼，王奕嬌

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱150030)

摘要：針對傳統(tǒng)的機(jī)械式排種器需將種子按尺寸分級，對不同尺寸種子更換排種盤的缺陷，在立式圓盤上設(shè)計(jì)了一種可通過調(diào)節(jié)容腔深度來改變大小的組合勺形復(fù)式型孔，從而實(shí)現(xiàn)不同容腔深度對不同尺寸的大豆進(jìn)行充種的目的。為此，研究了這種組合勺形復(fù)式型孔的結(jié)構(gòu)及排種器的工作原理，通過理論分析確定了這種組合勺形復(fù)式型孔的各項(xiàng)特征結(jié)構(gòu)及參數(shù)如下：內(nèi)基圓半徑6.5mm，外基圓半徑8mm，種勺內(nèi)傾角75°，種勺外傾角30°，種勺傾角范圍25°~35°，種勺厚度2mm，充種傾角40°，清種傾角40°，清種區(qū)域角60°。種子尺寸范圍在4.5~6.0mm、6.0~8.0mm、8.0~10.5mm、10.5~13.0mm時(shí)，分別對應(yīng)的調(diào)節(jié)間隙范圍為0~3mm、2~5mm、3~8mm、5~12mm。樣機(jī)試驗(yàn)表明：此組合勺形復(fù)式型孔只需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡單的調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)對不同尺寸種子的播種。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)裝備；精量排種器；定量容腔；組合勺形復(fù)式型孔

0引言

機(jī)械式精密排種器的基本工作原理是在排種輪或排種盤上均勻地分布一定形狀的型孔，使其能夠容納一定量的種子[1]。型孔是機(jī)械式排種器完成充、排工作的基本結(jié)構(gòu)[2]。型孔結(jié)構(gòu)主要是從易于種子充填及多余種子脫離型孔的角度設(shè)計(jì)，其形狀和尺寸是各類排種盤最為重要的特征參數(shù)，是精密排種器對隨機(jī)種子群實(shí)現(xiàn)精確定量分配的基礎(chǔ)。所以，型孔的形狀和尺寸直接影響排種器的工作性能，決定了排種器的適應(yīng)性與精確性[1-3]。目前常見的型孔有圓柱形型孔、窩眼型孔、內(nèi)窩型孔、帶引種環(huán)槽型孔、勺輪式型孔及指夾式型孔等[4-6]，其共同特點(diǎn)是為了達(dá)到精確播種的目的，均需要將種子按照不同尺寸進(jìn)行分級，對每一級都有一種相對應(yīng)型孔尺寸的排種盤，這樣既增加了成本，使用也不方便[7-8]。為了解決種子尺寸適應(yīng)性的問題，出現(xiàn)了一些復(fù)式型孔[9-10]，如適用于內(nèi)充式垂直圓盤排種器的復(fù)式型孔[7,11]、用于組合內(nèi)窩孔玉米精密排種器的組合內(nèi)窩型孔[12-13]。這兩種型孔均由內(nèi)孔和外孔組成，內(nèi)孔的尺寸對種子的形狀和尺寸要求嚴(yán)格，如果種子尺寸偏大，在排種時(shí)容易造成內(nèi)孔堵塞、卡種的現(xiàn)象。還有一種適用于變?nèi)萘啃涂纵喪脚欧N器的變?nèi)萘啃涂譡1,14]，這種型孔是通過改變調(diào)節(jié)舌的位置來改變型孔的容量，當(dāng)形狀不規(guī)則的種子在型孔中的位置不一定時(shí)，無法精確調(diào)節(jié)型孔的大小。由于立式圓盤具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸小的特點(diǎn)，這些復(fù)式型孔均不適用于立式圓盤[2,15-16]。立式圓盤排種器具有軸向尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單、傳動方便、投種準(zhǔn)確、株距變異尺寸小及傷種率低等諸多優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到較多的應(yīng)用[2,15,17-18]。為此，設(shè)計(jì)出一種適用于立式圓盤排種器的可變型孔，既要滿足對不同尺寸種子進(jìn)行充種的要求，又要實(shí)現(xiàn)不更換排種盤，只通過徑向調(diào)節(jié)容腔深度即可達(dá)到改變型孔容積大小的目的。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本文將立式圓盤排種器的內(nèi)窩型孔改為由充種勺輪、調(diào)節(jié)擋板和護(hù)種板組合而成的復(fù)式型孔，只需要徑向調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)擋板的位置就可以實(shí)現(xiàn)對不同尺寸的大豆種子的播種。

1組合勺形復(fù)式型孔的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1　結(jié)構(gòu)

組合勺形復(fù)式型孔結(jié)構(gòu)由種勺、充種勺輪、導(dǎo)種輪和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。雙腔復(fù)式型孔排種器組件及型孔結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2　工作原理

種子由輸種管進(jìn)入排種器充種腔后，在排種軸的轉(zhuǎn)動下進(jìn)入由種勺和調(diào)節(jié)擋板10、12組成的型孔中，如圖1所示。充種勺輪4、6和導(dǎo)種輪同軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)至調(diào)節(jié)擋板10、12最頂端時(shí)，由于失去依托，種子依靠自身重力進(jìn)入導(dǎo)種輪上的導(dǎo)種輪槽中，在護(hù)種板3、7的保護(hù)下轉(zhuǎn)到排種器最下端的投種口進(jìn)行投種，如圖2所示。通過改變調(diào)節(jié)擋板10、12與充種勺輪4、6之間的距離改變型孔的深度，從而適應(yīng)不同品種及尺寸的大豆播種。

(a)　立式圓盤可變?nèi)萘啃涂着欧N器組件結(jié)構(gòu)

(b)　型孔結(jié)構(gòu)

圖2　排種器工作過程

2特征及輔助參數(shù)分析

2.1　特征參數(shù)分析

2.1.1基圓半徑

將基圓結(jié)構(gòu)分為內(nèi)基圓與外基圓兩部分，內(nèi)基圓指種子進(jìn)入型孔的空間，外基圓是指為了便于清種而在內(nèi)基圓外部增加的帶有傾角的斜面，此斜面所圍成的圓周稱為外基圓?；鶊A結(jié)構(gòu)及各參數(shù)如圖3所示。

圖3　基圓結(jié)構(gòu)及各參數(shù)

1)內(nèi)基圓半徑R1。內(nèi)基圓半徑直接影響了種子能否進(jìn)入型孔：半徑過大不僅浪費(fèi)空間，還容易增加重播率；半徑過小會導(dǎo)致種子無法正常進(jìn)入型孔，造成漏播。所以，為了保證最大的種子充入型孔，內(nèi)基圓半徑的值一定要大于最大種子的半徑。由大豆的粒長分布區(qū)域?yàn)?.5~13mm，將內(nèi)基圓半徑設(shè)定為6.5mm。

2)外基圓半徑R2。為了便于充入1粒以上種子的型孔清除多余種子，需要添加清種傾角η。外基圓半徑為

R2=R1+hatanη

(1)

其中，ha為充種勺輪厚度，ha=2mm；η為清種傾角。

2.1.2種勺內(nèi)外傾角

1)內(nèi)傾角α。參見圖3所示，種勺位于型孔內(nèi)基圓內(nèi)側(cè)，故設(shè)計(jì)種勺彎曲半徑等于內(nèi)基圓半徑R1的值為13mm。種勺的弧長設(shè)計(jì)滿足小于兩個最小種子的直徑之和，大于1個最大種子的直徑；且要考慮到種子在種勺中的滑動距離，設(shè)計(jì)種勺弧長為8.5 mm。故內(nèi)傾角為

(2)

經(jīng)計(jì)算取整得α=75°。

2)外傾角β。外傾角為種勺最高點(diǎn)與水平面之間的夾角，則有

(3)

經(jīng)計(jì)算取整得β=30°。

2.1.3種勺厚度h

種勺厚度越大，種子帶動層越高，從而引起清種區(qū)范圍減小。種勺厚度過小會導(dǎo)致高速轉(zhuǎn)動下種盤強(qiáng)度不夠，綜合以上原因，將種勺厚度h設(shè)定為2mm。種勺厚度示意圖如圖4所示，帶動層高度示意圖如圖5所示。

圖4　種勺厚度示意圖

圖5　帶動層高度示意圖

2.1.4種勺傾角θ

種勺傾角示意圖參見圖3所示。為了避免充入型孔中的種子隨著排種盤的轉(zhuǎn)動被其它種子帶出，需要將種勺內(nèi)表面向型孔中心傾斜一定的角度，使種子在型孔中與調(diào)節(jié)擋板貼合。當(dāng)種勺傾角太小時(shí)，不容易使種子進(jìn)入型孔，從而造成漏播；當(dāng)此傾角過大時(shí)，容易造成種子被其它種子帶出，也會造成漏播。初步確定種勺傾角θ的范圍為25°~35°。

2.1.5充種傾角γ

為了避免種子在種勺斜面上發(fā)生自鎖，使其能夠在充填區(qū)順利進(jìn)入導(dǎo)種輪的導(dǎo)種環(huán)槽中，需要使充種環(huán)槽的充種傾角大于大豆與種盤之間的靜摩擦角。即充種傾角γ需要滿足

γ>φr

(4)

其中，φr為大豆與排種盤之間的靜摩擦角。

在大豆與尼龍之間的靜摩擦因數(shù)為0.27、含水率為20%的情況下，大豆與尼龍之間的靜摩擦傾角φr≈21°。充種傾角示意圖如圖6所示。此角度的確定只要保證大豆能夠克服壁面的摩擦力順利進(jìn)入型孔即可，由反復(fù)試驗(yàn)確定充種傾角為40°。

圖6　充種傾角示意圖

2.1.6清種傾角η

清種傾角示意圖如圖7所示，與充種傾角類似，當(dāng)清種傾角大于大豆與壁面之間的靜摩擦角時(shí)，多余的種子才會被清除，確定清種傾角與充種傾角相同，即η=40°。

圖7　清種傾角示意圖

2.1.7清種區(qū)域角ε

清種區(qū)域角是指清除多余種子的范圍角，要滿足能夠?qū)⒆畲笾睆降姆N子清除出去而防止堵塞型孔，最大直徑的種子為13mm，清種區(qū)域角為

(5)

經(jīng)計(jì)算取整得ε=60°。

清種區(qū)域角示意圖8所示。

2.2　輔助結(jié)構(gòu)分析

型孔的輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)包括排種盤直徑D1、節(jié)圓直徑D2、種勺寬度l1、充種勺輪厚度l2、導(dǎo)種輪厚度l3、護(hù)種板厚度l4、調(diào)節(jié)擋板厚度l5、充填區(qū)厚度l6、導(dǎo)種輪槽擋片厚度l7、導(dǎo)種輪槽檔片長度l8及型孔個數(shù)k。輔助結(jié)構(gòu)示意圖如圖9所示。

圖8　清種區(qū)域角示意圖

圖9　輔助結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1排種盤組件

排種盤組件由充種勺輪、導(dǎo)種輪、護(hù)種板和調(diào)節(jié)擋板構(gòu)成，三維示意圖參見圖1(a)所示。充種勺輪和導(dǎo)種輪均與排種軸連接，充種勺輪上的型孔與導(dǎo)種輪上的導(dǎo)種輪槽一一對應(yīng)。為了防止各部件間的干涉現(xiàn)象，護(hù)種板和調(diào)節(jié)擋板加工成環(huán)槽形狀，護(hù)種板固定安裝在殼體上，與其它組件互不接觸，避免摩擦。調(diào)節(jié)擋板在充種勺輪和導(dǎo)種輪之間徑向移動，通過調(diào)節(jié)其與充種勺輪的位置來改變型孔的大小。

2.2.2輔助結(jié)構(gòu)參數(shù)

制作的排種盤直徑D1=220mm；節(jié)圓直徑D2=200mm；種勺厚度l1=2mm；充種勺輪厚度l2=2mm；導(dǎo)種輪厚度l3=2mm；護(hù)種板厚度l4=1.5mm；調(diào)節(jié)擋板厚度l5=1.5mm；導(dǎo)種輪槽擋片厚度l7=1mm；導(dǎo)種輪槽檔片長度l8=19mm。

型孔個數(shù)的確定以型孔互不干涉的條件下盡量多的布置型孔為原則，公式為

(6)

其中，D2=200mm，R2參見式(1)；k1為兩型孔之間的安全距離，取k1=6，經(jīng)計(jì)算取整得k=30。

2.3　調(diào)節(jié)檔位分析

根據(jù)種子大小尺寸域的分布特點(diǎn)[19-21]，將種子根據(jù)等效直徑分為以下4個區(qū)域：4.5~6.0mm；6.0~8.0mm；8.0~10.5mm；10.5~13.0mm[22]。通過調(diào)整調(diào)節(jié)擋板與充種勺輪之間的間隙d來改變型孔的大小，如圖10所示。

圖10　調(diào)節(jié)擋板與充種勺之間的間隙示意圖

型孔深度計(jì)算公式為

H=h+l2+d

(7)

其中，h為種勺厚度；l2為充種勺輪厚度，l2=2mm；d為調(diào)節(jié)間隙。

設(shè)大豆種子直徑為D，每一檔最小的大豆種子直徑為Dmin，最大的大豆種子直徑為Dmax。型孔含種示意圖參見圖1(b)所示。

為了使最大的種子能夠順利進(jìn)入型孔且不被帶動層中的種子帶出，需要滿足

(8)

將各尺寸域的最大、最小種子直徑代入上式，經(jīng)計(jì)算取整得出d的范圍分別為

0≤d1≤3，2≤d2≤5，3≤d3≤8

5≤d4≤12

(9)

即各尺寸域種子所對應(yīng)的調(diào)節(jié)擋板的調(diào)節(jié)間隙范圍如下：

當(dāng)種子尺寸范圍在4.5~6mm時(shí)，調(diào)節(jié)間隙范圍為0mm≤d1≤3mm；

當(dāng)種子尺寸范圍在6.0~8.0mm時(shí)，調(diào)節(jié)間隙范圍為2mm≤d2≤5mm；

當(dāng)種子尺寸范圍在8.0~10.5mm時(shí)，調(diào)節(jié)間隙范圍為3mm≤d3≤8mm；

當(dāng)種子尺寸范圍在10.5~13.0mm時(shí)，調(diào)節(jié)間隙范圍為5mm≤d4≤12mm。

3樣機(jī)試制與試驗(yàn)

根據(jù)理論分析確定的型孔的形狀、大小及適播尺寸域種子的調(diào)節(jié)間隙進(jìn)行排種器樣機(jī)試制及試驗(yàn)，以漏播指數(shù)(M)和重播指數(shù)(D)為目標(biāo)函數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)對照如表1所示。

表1　試制與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對照表

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2　試驗(yàn)結(jié)果

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出：各個擋位在不同速度下作業(yè)均能達(dá)到較低的重播率和漏播率，從而證明了這種組合勺形復(fù)式型孔立式圓盤排種器可以滿足不同尺寸域大豆種子的播種要求。

4結(jié)論

在立式圓盤上設(shè)計(jì)的勺形復(fù)式型孔，有效解決了通過更換不同排種盤來實(shí)現(xiàn)對不同尺寸大豆進(jìn)行播種而造成的成本高、操作復(fù)雜的問題，只需要改變調(diào)節(jié)擋板的位置來調(diào)節(jié)型孔容腔深度即可滿足對不同尺寸域的大豆進(jìn)行播種的要求。型孔的各項(xiàng)特征結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：內(nèi)基圓半徑6.5mm，外基圓半徑8mm，種勺內(nèi)傾角75°，種勺外傾角30°，種勺傾角范圍25°~35°,種勺厚度2mm，充種傾角40°，清種傾角40°，清種區(qū)域角60°。種子尺寸范圍在4.5~6mm時(shí)的調(diào)節(jié)間隙范圍為0~3mm；種子尺寸范圍6~8mm時(shí)的調(diào)節(jié)間隙為2~5mm；種子尺寸范圍8~10.5mm時(shí)的調(diào)節(jié)間隙為3~8mm；種子尺寸范圍10.5~13mm時(shí)的調(diào)節(jié)間隙為5~12mm。

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Mechanism Research and Structure Design on Variable Quantify Vessel for Vertical Plate Precision Planter

Guo Lifeng，Liu Hongxin，Li Yanlong，Wang Pan，Wang Yijiao

(College of Engineering,Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China)

Abstract：Aiming to solve the problem that seeds always graded and different planter plate should be selected existing in a mechanical seed-metering device, a kind of combinational compound hole of spoon-type were designed on vertical plate, its volume can be changed by regulate the depth of cavity, so as to achieve the goal of seeding with different sizes of soybean at different depth of cavity. The structure of the hole and working principle of the seed-metering device were detailed, and the feature structure and parameters were confirmed through theoretical analysis. For the radius of inside base circle is 6.5mm, the radius of outside base circle is 8mm, the inner angle of seed spoon is 75°, the outer angle of seed spoon is 60°, the range of angle of seed spoon is 25°-35°, the thickness of seed spoon is 2mm, the filling angle is 40°, the cleaning angle is 40°, the cleaning area angle is 60°. The appropriate size ranges of sowing seeds are 4.5-6.0, 6.0-8.0, 8.0-10.5, 10.5-13.0 mm respectively, and the clearance ranges of adjusting are 0-3.0, 2.0-5.0, 3.0-8.0, 5.0-12.0 mm respectively. The prototype testing show that this combinational compound hole of spoon-type can meet the requirement of seeding with all sizes of soybeans only need to make a simple adjust on the structure.

Key words：agricultural equipment; precision seed-metering device; quantify vessel; combinational compound hole of spoon-type

中圖分類號：S223．2;S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0141-06

作者簡介：郭麗峰(1986-)，女，河北邢臺人，工程師，碩士，(E-mail)lifeng_guo@126.com。通訊作者：劉宏新(1971-)，男，黑龍江穆棱人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)Lcc98@neau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275086)

收稿日期：2015-10-19