王業(yè)成 孫 浩 李寶權(quán) 韓 星 陳海濤

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

0 引言

排種器是影響播種機性能的關(guān)鍵部件[1-5]，集排式排種器使用1個排種部件進行多行播種，簡化了播種單體結(jié)構(gòu)，降低了播種成本，極大提高了播種效率，成為排種器的發(fā)展趨勢[6-10]。

氣力式排種器對種子尺寸要求不高，作業(yè)時不傷種，可完成高速精量播種作業(yè)。為了提高排種器種子吸附效率，減小單粒種子分離阻力，一般采用機械攪種裝置，通過機械振動、氣力擾動方式改善充種性能。

為清除吸附到型孔上的多余種子，通常采用機械式刮種片進行清種作業(yè)[11-15]。刮種片與各型孔之間需要有足夠高的安裝、調(diào)整精度，并且需參照種子品種、大小的不同，通過調(diào)整刮種元件的位置來提高排種性能，該裝置增加了排種器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性[16-18]。

為此，本文設(shè)計一種大豆集排帶式排種器，其結(jié)構(gòu)為開放式半圓筒結(jié)構(gòu)，種子在氣壓力和離心力的作用下吸附到型孔上，半圓筒結(jié)構(gòu)底部的種子在摩擦力的作用下隨著排種帶向上運動，減小種子與型孔之間的相對速度，改善充種性能；清種振動裝置通過柔性排種帶使型孔振動，擾動多余吸附的種子，降低單粒種子從種子群內(nèi)分離的阻力，完成清種過程，改善充種性能，提高播種質(zhì)量。通過探究氣壓、作業(yè)速度、清種振動頻率對排種性能的影響規(guī)律，尋求最優(yōu)工作參數(shù)組合，為集排式排種器的設(shè)計提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

設(shè)計的集排帶式排種器如圖1所示，主要由種箱、排種帶、種帶支架、送種管、支撐輪、殼體、主動滾筒、從動滾筒、清種振動裝置等組成。

主動滾筒與從動滾筒相互平行安置在種帶支架上，其外周套有排種帶，種帶支架上端通過鉸鏈，下端通過螺栓連接在主機架上，方便排種帶的更換。排種帶外周面半包在支撐輪上，受到支撐輪和氣壓的作用，柔性的排種帶形成開放式半圓筒結(jié)構(gòu)。在殼體與兩支撐輪、排種帶之間安裝有浮動的密封裝置，形成密閉的氣室結(jié)構(gòu)。排種器采用雙進氣口結(jié)構(gòu)，來降低各型孔之間的氣壓差異，提高充種性能。

清種振動裝置與排種帶半圓筒結(jié)構(gòu)的外側(cè)接觸，位于已吸附種子與殼體內(nèi)種子分離處，激振力通過種帶的變形，實現(xiàn)種子的振動，來清除多余吸附的種子。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of seed-metering device1.種箱 2.排種帶 3.種帶支架 4.支撐輪 5.殼體 6.進氣口 7.送種管 8.主動滾筒 9、14.從動滾筒 10.已吸附的種子 11.清種振動裝置 12.種子堆積區(qū) 13.下落種子

1.2 工作原理

如圖1b所示，排種器工作時，排種帶在主動滾筒摩擦力的作用下帶動支撐輪、從動滾筒開始運動；風(fēng)機產(chǎn)生的正壓氣流由進氣口進入殼體，排種器內(nèi)的種子堆積在充種區(qū)域處，底層種子在排種帶摩擦力的作用下隨排種帶向上運動，而表層種子在重力的作用下沿堆積斜面向下滑落，實現(xiàn)充種區(qū)內(nèi)的種子翻滾、循環(huán)流動。在排種帶型孔內(nèi)外壓差和離心力的作用下種子吸附在型孔上，實現(xiàn)充種過程。

振動裝置的激振力，通過排種帶傳遞給排種帶另一側(cè)的種子。在振動的作用下，已經(jīng)被型孔吸附的種子由穩(wěn)定的靜摩擦平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的動摩擦狀態(tài)，利用種子間吸附力的差異，吸力較大的種子將擠掉其它吸力較弱的種子，形成型孔單粒吸附，實現(xiàn)清種過程。同時充種區(qū)的種子受到激振力的作用，種子的流動性被提高，進一步降低種子的分離阻力，改善充種性能。

當已吸附的種子隨排種帶運動到其半圓筒結(jié)構(gòu)的頂端時，排種帶覆蓋在主動滾筒上，使型孔兩側(cè)的氣壓差消失，種子在其自身重力及送種管入口流場的作用下，進入到送種管中，排入種溝內(nèi)，完成排種過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與分析

2.1 充種過程分析

充種時，型孔經(jīng)過種子堆積區(qū)，種子在氣壓力、重力、離心力作用下吸附在型孔上，其受力分析如圖2所示。

圖2 充種過程受力分析Fig.2 Force analysis of absorbing stage

沿半圓筒的法向建立其動力學(xué)方程

man=FR+FN-FQ-mgcosθ

(1)

其中

an=ω2R

式中m——單粒種子質(zhì)量，g

an——種子的法向加速度，m/s2

FN——型孔對種子的支持力，N

FQ——氣體對種子的壓力，N

FR——種子被吸附時所受的阻力，N

ω——排種帶角速度，rad/s

R——支撐輪半徑，mm

θ——種子被吸附時，與水平方向夾角，(°)

當種子被型孔吸附并隨著排種帶向上運動時，型孔對種子的支持力FN≥0，由式(1)可知

FQ≥FR-m(ω2R+gcosθ)

(2)

其中

式中 Δp——型孔處氣壓差，kPa

d——型孔直徑，mm

Φ——各種因素對種子所受吸附力影響的修正系數(shù)

由式(1)、(2)可知排種器所需的型孔處氣壓差Δp主要與型孔直徑d、種子被吸附時所受的阻力FR、排種帶角速度ω、支撐輪半徑R、充種位置、種子物料特性(Φ、m)等有關(guān)。在充種區(qū)域種子受到重力、離心力的作用，有利于型孔吸附種子。

排種帶半徑的減小可降低型孔吸附種子所需的壓力。

型孔處較大的氣壓差Δp可以使種子被型孔可靠地吸附，但過大的氣壓差會增大排種器重播指數(shù)，增加能耗。本文通過排種器性能試驗，確定氣壓取值范圍為3～5 kPa。

2.2 清種過程分析

清種裝置的激振力通過排種帶傳遞給排種帶另一側(cè)的種子，使種子與排種帶、種子與種子之間產(chǎn)生微小的錯動，當型孔氣壓場內(nèi)的種子由穩(wěn)定的靜摩擦平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的動摩擦運動狀態(tài)時，利用種子間吸附力的差異，吸力較大的種子將擠掉其它吸力較弱的種子，形成型孔單粒吸附，實現(xiàn)清種過程。同時充種區(qū)的種子受到激振力的作用，提高種子流動性，將進一步降低單粒種子從種子群中分離的阻力，利于型孔吸附種子。

在清種區(qū)域，當ω2R=g時，多余吸附的種子將不能主動脫離排種帶；當ω2R

(3)

式中x——種子在坐標系中的水平坐標值

y——種子在坐標系中的豎直坐標值

v——排種帶線速度，m/s

x0——種子脫離的初始水平坐標值

y0——種子脫離的初始豎直坐標值

φ——種子脫離排種帶時，其脫離位置與水平方向夾角，(°)

vx——種子在水平方向上的速度,m/s

vy——種子在豎直方向上的速度,m/s

t——種子運動時間，s

當x=0時，下落種子與投種管入口豎直距離h為

(4)

由式(4)可知，距離h主要與支撐輪半徑R、脫離夾角φ和排種帶線速度v有關(guān)。

取播種機作業(yè)速度為6～14 km/h，大豆種植株距為100 mm，排種帶線速度v為0.28～0.64 m/s，當排種帶最大線速度v=0.7 m/s時，下落種子與排種帶最高點距離h變化曲線如圖3所示。在支撐輪半徑R相同條件下，距離h隨種子脫離位置φ的增加而減小。在脫離位置φ相同條件下，距離h隨支撐輪半徑R的增加而增加，當脫離位置φ>55°時，距離h增加較快，當脫離位置φ<55°時，距離h增加緩慢。

圖3 下落種子與排種帶最高點距離隨種子與水平方向夾角變化曲線Fig.3 Changing curves of seed distance from the highest point of seed row

圖4 下落種子與排種帶最高點距離隨排種帶線速度變化曲線Fig.4 Changing curves of seed distance from the highest point of seed row

取下落種子脫離位置φ=55°，下落種子與排種帶最高點距離h變化曲線如圖4所示。在支撐輪半徑R相同條件下，距離h隨排種帶線速度v的增加而減小。排種帶線速度v相同的條件下，距離h隨著支撐輪半徑R的增大而減小。

為避免下落種子進入投種管入口吸場內(nèi)，取距離h>50 mm，當排種帶線速度v=0.7 m/s、支撐輪半徑R=200 mm、種子脫離位置φ=55°時，滿足要求。

2.3 清種振動裝置設(shè)計

清種振動裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。清種振動裝置通過偏心塊勻速轉(zhuǎn)動，使排種帶、種子振動，擾動已吸附的多余種子，實現(xiàn)清種過程。

圖5 清種振動裝置結(jié)構(gòu)簡圖Fig.5 Structure diagram of clear seed vibrating device1.機架 2.板簧 3.振動電機 4.探頭 5.排種帶

振動裝置的力學(xué)模型如圖5b所示，其動力學(xué)微分方程為

(5)

式中m1——電機及配件等效質(zhì)量，g

m2——偏心塊質(zhì)量，g

s——探頭運動位移，mm

k——板簧剛度，N/m

e——偏心塊的偏心距，mm

ωt——激振圓頻率(電機角速度)，rad/s

tr——電機轉(zhuǎn)動時間，s

微分方程(5)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

(6)

其中

式中ωn——系統(tǒng)固有頻率，rad/s

E——彈性模量，GPa

I——慣性矩，mm4

L1——板簧長度，mm

c——板簧厚度，mm

B——板簧寬度，mm

2.4 排種帶設(shè)計

在氣壓作用下排種帶半圓筒結(jié)構(gòu)受力如圖6所示。

圖6 排種帶受力示意圖Fig.6 Sketch of force analysis for seed conveyor belt

取排種帶微段為研究對象，沿n向建立平衡方程

(7)

式中FT——排種帶截面所受拉力，N

p——排種帶承受的內(nèi)壓，kPa

l——排種帶寬度，mm

dγ——排種帶微段夾角，rad

D——支撐輪直徑，mm

由式(7)可得排種帶所受拉力為

(8)

由式(8)可知排種帶各截面所受拉力FT相同，在氣壓作用下排種帶可保持穩(wěn)定的開放式半圓筒形狀，確保了排種器密封和工作性能的穩(wěn)定。排種帶各截面所受拉力FT與排種帶承受的內(nèi)壓p、排種帶寬度l、支撐輪直徑D成正比。

排種器選用厚度為1 mm的單層聚酯纖維布的聚氯乙烯輸送帶作為排種帶，能夠滿足強度要求。

大豆平均寬度為5.1～7.3 mm[19]，型孔直徑d計算采用經(jīng)驗公式[20]

d=(0.64～0.66)b

(9)

式中b——種子寬度，mm

可得型孔直徑d為3.26～4.82 mm，取型孔直徑為4 mm。根據(jù)作物株距和行距要求，考慮播種機作業(yè)速度及排種器性能等因素，取排種帶周向型孔數(shù)為100個，即兩孔之間弧長為16.5 mm，排種帶軸向型孔數(shù)為6個且間距為50 mm。

2.5 進氣口設(shè)計

為了降低各型孔之間氣壓差異，運用有限單元法，對不同進氣口位置進行仿真分析。取進氣口相同截面，其位置Ⅰ為單進氣口裝置，位于殼體中部，位置Ⅱ、位置Ⅲ分別為雙進氣口裝置，對稱地布置于殼體第2、4型孔處和殼體第1、6型孔處。取入口邊界氣流速度57 m/s、靜壓力2 kPa，對型孔中心流速和型孔中心上方5 mm處的壓力進行監(jiān)測。各型孔流速、壓力如表1所示，進氣口在位置Ⅱ時各型孔之間流速的差異、壓力的差異小于進氣口位置Ⅰ和Ⅲ。

表1 不同位置處的流速和壓力Tab.1 Velocity and pressure at different positions

圖7 排種器氣室壓力分布云圖Fig.7 Gas chamber pressure distribution cloud diagram of seed-metering device1.進氣口 2.帶輪軸 3.型孔

進氣口在位置Ⅱ時，氣室壓力云圖如圖7所示，排種器的內(nèi)部壓力分布較為均勻，各型孔中心上方5 mm處的壓力為4.63～4.79 kPa，變異系數(shù)為1.34%，最小壓力為4.63 kPa，滿足充種要求。

2.6 密封裝置設(shè)計

排種器密封結(jié)構(gòu)決定著排種器工作的性能和可靠性，密封裝置的結(jié)構(gòu)簡圖如圖8所示。

圖8 密封裝置簡圖Fig.8 Structure diagram of sealing device1.滾筒 2.板簧 3.密封塊 4.支撐輪 5.殼體 6.鋼板 7.薄橡膠板 8.排種帶

殼體四周與板簧的一端連接，每個板簧的另一端分別固裝一個密封塊，密封塊與密封塊之間鉸鏈連接，從而形成浮動的鏈式結(jié)構(gòu)。在板簧彈性力及氣壓的作用下，各個密封塊隨著其接觸面的起伏而運動，使密封塊與支撐輪、排種帶緊密貼合，減少殼體與支撐輪、排種帶之間的氣體泄漏；板簧上覆蓋安裝有薄橡膠板，實現(xiàn)各個板簧之間的密封。密封塊采用聚四氟乙烯材料制作，來減小摩擦力，確保排種器運行平穩(wěn)。

單位長度密封塊與排種帶之間的密封壓力為

(10)

其中

式中F——密封塊與支撐輪、排種帶之間壓力，N

F0——板簧形變所引起的預(yù)壓力，N

δ——板簧變形量，mm

L2——板簧及密封塊承受氣壓部分長度，mm

由式(10)可知，密封塊與支撐輪、排種帶之間的壓力F由板簧形變所引起的預(yù)壓力F0和作用在板簧上的氣壓p構(gòu)成。當密封塊隨著支撐輪、排種帶起伏運動時，降低板簧的剛度，即增大長度L2、減小其厚度c，可以減小預(yù)壓力F0的變化。當氣壓p增大時，密封壓力F增大，可以減小排種器在高氣壓時的氣體泄漏量。在板簧對密封塊實現(xiàn)定位功能的條件下，可以適當增加其長度L2，來降低預(yù)壓力F0的變化，增大氣壓p對壓力F的影響。

3 排種器參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗材料與設(shè)備

試驗材料選用“黑農(nóng)38”大豆種子。試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種器實驗室實施。

試驗裝置主要由大豆集排帶式排種器、JPS-12型排種器性能試驗臺、U型風(fēng)壓測量儀和高速攝像機(PhantomV5.1-4G，Vision Rsesarch Inc.，美國)等組成，如圖9所示。

圖9 試驗裝置Fig.9 Experimental device1.U型風(fēng)壓測量儀 2.集排帶式排種器 3.JPS-12型排種器性能試驗臺 4.光源 5.高速攝像機

3.2 試驗方法

排種器工作時振動裝置通過對種子的往復(fù)激振力實現(xiàn)清種過程，同時增加充種區(qū)種子流動性，降低種子分離阻力改善充種性能。通過預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)當振動裝置位于已吸附種子與殼體內(nèi)種子分離的位置時，可獲得較好的充種、清種性能，其位置如圖1b所示，選取其振動頻率范圍為20～80 Hz。

根據(jù)大豆壟上雙行種植模式的株距要求，選取大豆種植株距為100 mm。采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法[21]，參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，選取氣壓、作業(yè)速度、清種振動頻率為試驗因素，以合格指數(shù)y1、重播指數(shù)y2、漏播指數(shù)y3為試驗指標，試驗因素編碼如表2所示，每組試驗均重復(fù)3次，取3次數(shù)據(jù)均值作為試驗結(jié)果。應(yīng)用Design-Expert軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Factors and coding of test

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表3所示，x1、x2、x3為試驗因素編碼值。應(yīng)用Design-Expert軟件對y1、y2、y3進行回歸模型方差分析，如表4所示，分別得到y(tǒng)1、y2、y3回歸方程為

(11)

(12)

(13)

據(jù)表4可得，回歸方程(11)～(13)的P<0.01，表明極顯著；失擬項P>0.05，失擬項不顯著，表明方程(11)～(13)能正確反映y1、y2、y3與x1、x2、x3之間的關(guān)系。根據(jù)方程各因素回歸系數(shù)的大小，可得到影響合格指數(shù)y1的主次順序為：x2、x1、x3，影響重播指數(shù)y2的主次順序為：x3、x1、x2，影響漏播指數(shù)y3的主次順序為：x2、x1、x3。

3.3.2各因素對各性能指標的影響與分析

通過Design-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)處理繪制出各因素對各性能指標作用響應(yīng)曲面圖，如圖10～12所示。

表3 試驗結(jié)果Tab.3 Test design and results

如圖10a所示，當清種振動頻率x3位于中心水平(50 Hz)時，隨著作業(yè)速度的增加合格指數(shù)逐漸減小，隨著氣壓的增加合格指數(shù)先增大后減小。如圖10b所示，當作業(yè)速度x2位于中心水平(10 km/h)時，隨著清種振動頻率的增加，合格指數(shù)先增大后減小，隨著氣壓的增加，合格指數(shù)先增大后減小。如圖10c所示，當氣壓x1位于中心水平(4 kPa)時，隨著作業(yè)速度的增加合格指數(shù)減小，隨著清種振動頻率的增加合格指數(shù)先增大后減小。

如圖11a所示，當清種振動頻率x3位于中心水平(50 Hz)時，隨著作業(yè)速度的增加重播指數(shù)減小，隨著氣壓的增加重播指數(shù)增加。如圖11b所示，當作業(yè)速度x2位于中心水平(10 km/h)時，隨著氣壓的增加重播指數(shù)增加，隨著清種振動頻率的增加重播指數(shù)先減小后增大。如圖11c所示，當氣壓x1位于中心水平(4 kPa)時，隨著作業(yè)速度的增加重播指數(shù)減小，隨著清種振動頻率的增加重播指數(shù)先減小后增大。

表4 方差分析結(jié)果Tab.4 Results of variance analysis

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

圖10 各因素對排種器合格指數(shù)的影響Fig.10 Effects of all factors on qualified index of seed-metering device

圖11 各因素對排種器重播指數(shù)的影響Fig.11 Effects of all factors on multiple index of seed-metering device

圖12 各因素對排種器漏播指數(shù)的影響Fig.12 Effects of all factors on missing index of seed-metering device

如圖12a所示，當清種振動頻率x3位于中心水平(50 Hz)時，隨著作業(yè)速度的增加漏播指數(shù)增大，隨著氣壓的增加漏播指數(shù)減小。如圖12b所示，當作業(yè)速度x2位于中心水平(10 km/h)時，隨著氣壓的增加漏播指數(shù)減小，隨著清種振動頻率的增加漏播指數(shù)增大。如圖12c所示，當氣壓x1位于中心水平(4 kPa)時，隨著作業(yè)速度的增加漏播指數(shù)增大，隨著清種振動頻率的增加漏播指數(shù)增大。

當作業(yè)速度增加時，型孔經(jīng)過充種區(qū)域時間減少，充種成功率低，導(dǎo)致合格指數(shù)和重播指數(shù)減小,漏播指數(shù)增加。當氣壓增加時，型孔處壓差變大，種子易被吸附，當氣壓過大時易出現(xiàn)型孔吸附多粒種子的情況，導(dǎo)致合格指數(shù)先增大后減小，重播指數(shù)增大，漏播指數(shù)減小。排種帶與振動裝置接觸并發(fā)生振動，當清種振動頻率增加時，種子流動性增強，導(dǎo)致合格指數(shù)先增大，當清種振動頻率繼續(xù)增加時，排種帶受到的碰撞次數(shù)增加，型孔吸附的種子減少，導(dǎo)致合格指數(shù)先增大后減小，漏播指數(shù)增大。當清種振動頻率過大時，排種帶與振動裝置之間存在微小的抖動間隙，致使排種帶振幅減小，導(dǎo)致重播指數(shù)先減小后增大。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗

選取編碼值-1～1為因素范圍，即當氣壓3.4～4.6 kPa，作業(yè)速度7.6～12.4 km/h，清種振動頻率32.2～67.8 Hz時，采用多重響應(yīng)法中的目標函數(shù)對影響因素氣壓、作業(yè)速度和清種振動頻率進行優(yōu)化，以合格指數(shù)、重播指和漏播指數(shù)為性能指標函數(shù)進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)和約束條件為

(14)

運用Design-Expert軟件對其進行優(yōu)化求解，得出最佳優(yōu)化參數(shù)：氣壓為4.4 kPa、作業(yè)速度為10.5 km/h、清種振動頻率為44.6 Hz時，合格指數(shù)90.65%、重播指數(shù)1.97%、漏播指數(shù)7.38%。

為了驗證優(yōu)化分析結(jié)果正確性，在上述最優(yōu)參數(shù)組合試驗條件下，以“黑農(nóng) 38”大豆種子為試驗材料進行5次驗證試驗，得到合格指數(shù)平均值為 90.65%，重播指數(shù)平均值為1.97%，漏播指數(shù)平均值為7.38%。驗證試驗結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)果可信。

4 結(jié)論

(1) 設(shè)計了一種開放式半圓結(jié)構(gòu)的大豆集排帶式排種器，其利用排種帶摩擦力對種子群進行擾動，通過清種振動裝置對種子的影響改善充種、清種性能，其結(jié)構(gòu)簡單，種子適應(yīng)性好，可滿足大豆精量播種的作業(yè)要求。

(2)分析了充種、清種工作過程及種子脫離排種帶后的運動規(guī)律，設(shè)計了支撐輪、清種振動裝置、排種帶、進氣口位置、密封裝置等關(guān)鍵部件。

(3)通過三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗，分析了各因素對合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)的影響規(guī)律，確定大豆集排帶式排種器最佳工作參數(shù)組合：氣壓4.4 kPa、作業(yè)速度10.5 km/h、清種振動頻率44.6 Hz，此時排種器性能指標為：合格指數(shù)90.65%、重播指數(shù)1.97%、漏播指數(shù)7.38%。