基于振動排序技術的馬鈴薯播種機設計與分析

姜化凱，于文強，李學強，孫 軍

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000；2.山東希成農業機械科技有限公司，山東 樂陵 253600)

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基于振動排序技術的馬鈴薯播種機設計與分析

姜化凱1，于文強1，李學強2，孫 軍1

(1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000；2.山東希成農業機械科技有限公司，山東 樂陵 253600)

馬鈴薯播種設備形式多樣，但國內現有設備大都很難避免播種時普遍存在的漏播、重播問題，造成馬鈴薯出芽率低、出芽不均勻，生產率低下。為此，首次將振動排序技術引入馬鈴薯播種設備, 在排種環節使用電磁振動盤, 通過實驗驗證并得出數據。該設計能夠較好地改善馬鈴薯的漏播與重播問題，提出了一種全新形式的馬鈴薯播種裝備，提高了馬鈴薯的播種質量和效率。

排種器；振動盤；模態分析；播種機；馬鈴薯

0 引言

馬鈴薯是一種適應環境能力強、分布范圍廣的糧食作物。我國是世界上馬鈴薯產量最大的國家，且國家積極推廣馬鈴薯主糧化戰略，馬鈴薯現今已成為第四大主糧。因此，提高馬鈴薯產量是重中之重。現有馬鈴薯播種設備,如勺鏈式、薯夾式和針刺式等馬鈴薯播種機等都存在很大程度上的漏播、重播及出芽率低等缺陷[1-3],嚴重制約了馬鈴薯的生產效率。為此，設計了振動式馬鈴薯播種設備。該設備首次將振動排序技術[4]引入馬鈴薯播種設備，在分選環節采用了電磁振動盤，振動盤將薯種進行單行排序，排序后的薯種由傳送裝置輸送，有效地改善了在播種過程中存在的重播、漏播的問題，大大地提高了馬鈴薯的生產率。

1 振動式馬鈴薯播種機模型建立

首先運用三維設計軟件完成振動排種式馬鈴薯播種設備三維實體模型的創建。該播種機主要由種箱、機架、電磁振動盤、排種輸送裝置、地輪、鎮壓輪及覆土盤等結構組成，如圖1所示。馬鈴薯播種機作業時，種箱內的種薯滑落安裝在種箱下部的電磁振動盤的倒錐形料斗內，此時電磁振動盤內部的電磁鐵帶動振動盤工作，將掉落在振動盤中的種薯依次按順序單行排列并沿著振動盤內的螺旋軌道輸送到排種輸送帶上。配套拖拉機的懸掛機構與馬鈴薯懸掛機架上的三點懸掛處相連接，馬鈴薯播種機的地輪在配套拖拉機的帶動下經過傳動鏈條將地輪輸送來的動力傳遞給排種輸送帶，然后由排種盤將排列好的薯種依次送入到相應位置的地壟上；隨后鎮壓輪進行鎮壓，覆土盤進行覆土工作，完成種薯的播種工作。

1.地輪 2.振動盤 3.種箱 4.排種輸送裝置 5.鎮壓輪 6.覆土盤 7.開溝犁

2 排種輸送裝置內部結構設計

排種輸送部分由地輪、傳動鏈條、鏈輪、輸送帶及排種盤等組成。在牽引機械的牽引作用下，地輪轉動帶動傳動鏈條轉動，在傳動鏈的作用下帶動輸送帶轉動，經過振動排序后的薯種通過輸送帶被運送至排種盤處，并落入排種盤上間隔一定距離的種勺內，由于種勺的轉動使得薯種按一定的株距播種到地壟上。傳動部分設計如圖2所示。

1.傳動鏈條 2.驅動輪 3.輸送帶 4.排種盤

在傳動裝置內部，經振動盤排序后的薯種按單行排列，依次進入排種輸送帶并沿輸送帶被運送至排種盤處；由于排種盤上方的膠皮擋板作用，薯種只能進入種勺內并在排種盤的轉動下按一定株距播種到地里；隨后鎮壓輪進行鎮壓，覆土盤進行覆土，完成種薯的播種工作。

株距的計算公式為

式中R—地輪半徑；

i—地輪與播種盤的傳動比；

N—排種盤上的種勺數目。

3 電磁振動盤運動分析

電磁振動盤主要由可控制變頻器、倒錐形料斗、螺旋形軌道、脈沖電磁鐵及彈簧片等組成。料斗下面的電磁鐵在脈沖電流的作用下，可以使料斗垂直方向上下振動，由于彈簧片(彈簧片為6組，呈圓周排列)的傾斜，使料斗繞其垂直軸做扭擺振動；料斗內的薯種由于受到這種振動，使薯種沿著螺旋軌道由低到高移動，并自動排列定向，直至上部出料口而到達螺旋軌道出口處；通過振動技術將料斗內無序的薯種自動有序地定向排列整齊、準確地輸送薯種進入下一級傳送裝置。振動盤工作原理如圖3所示。

振動盤的工作過程：由于電磁鐵的吸引和支承彈簧的反向復位作用，使料斗產生高速、高頻(40～60次/s)、微幅(0.5～1mm)振動，使工件逐步向高處移動。

I>0時，料斗在電磁鐵的吸引下向左下方運動，工件由于受慣性作用而脫離軌道，向右上方滑移運動。薯種受力分析如圖4所示。

由圖4可得

I=0時，料斗在支承彈簧作用下向右上方復位，工件依靠它與軌道的摩擦而隨軌道向右上方運動，并逐漸被加速。薯種受力分析如圖5所示。

1.薯種 2.螺旋軌道 3.彈簧片 4.脈沖電磁鐵 5.底座

圖4 I>0時薯種受力分析

圖5 I=0時薯種受力分析

由圖5可得

進入下一個循環，如此不斷重復此過程實現了薯種在螺旋軌道上的攀升運動。單個薯種在螺旋軌道上的運動軌跡如圖6所示。

4 播種機振動分析

4.1 機架模態分析

振動模態是彈性結構固有的、整體的特性。通過模態分析方法搞清楚播種機在某一易受影響的頻率范圍內的各階主要模態的特性，就可以預測播種機結構在此頻段內在外部或內部各種振源作用下產生的實際振動響應。模態分析[5-7]的目的是確定機架的固有頻率和振型，從而保證播種機在振動盤的振動頻率范圍內不會發生共振。播種機機架結構的動態特性主要表現為扭轉和彎曲振動，由于低階振型對機架的影響程度相比高階要大得多，因此結合實際分析計算機架的前5階固有頻率和振型，對應的振型如圖7～圖11及表1所示。

圖6 薯種運動軌跡示意圖

圖7 機架第1階模態

圖8 機架第2階模態

圖9 機架第3階模態

圖10 機架第4階模態

圖11 機架第5階模態

模態階次頻率/Hz振型特征18．1076橫梁和擋板側彎28．2276橫梁和擋板側彎312．169橫梁彎曲413．582橫梁彎曲514．251橫梁和擋板扭轉

在實際的薯種排序過程中，振動盤的振動頻率一般在40～60Hz內，根據薯種爬升速度，選擇一適合的頻率[8]。模態分析的結果顯示：前5階固有頻率都小于電磁振動盤的工作頻率；牽引機械發動機的怠速頻率一般為53Hz左右，牽引機械的行駛頻率大約在135～200Hz之間。因此，播種機機架不會受外部激勵的影響產生共振現象。

4.2 試驗播種單元振動分析

為了試驗振動式播種機的播種效果，設計了如圖12所示的薯種排序實驗用播種單元。該播種單元由機架、電磁振動盤、三點懸掛裝置、開溝犁、覆土盤、車輪等裝置組成。該播種單元工作時采用三點懸掛裝置由牽引機械牽引。

通過分析振動式排種器播種單元在田間作業由地面引起振動的疊加合成，得出合成振動對排種效率的影響規律。利用數字調頻振動送料控制器輸出振動頻率在40～60Hz、輸出電流在6A范圍內的任一取值，驅動振動排種器的振動盤運動，觀察馬鈴薯種塊在排種器螺旋槽中的運動情況，記錄種塊的運動速度、振動頻率、振幅和設備的振動噪聲，實時觀測，避免設備共振發生。

1.輸送管道 2.覆土盤 3.振動盤 4.開溝犁 5.三點懸掛裝置

利用皮尺、鋼板尺測量預先已平整好的可耕種土地的表面特征，設定一水平基準，在長度5 000mm范圍內每相距50mm測量土地的起伏變化數值，共設100個觀測點，測后繪制土地表面波動曲線。在寬度方向相距4 000mm測繪地面的第2條波動曲線，方法同上，如圖13所示。將所得兩條振動曲線在A、B、C、D4處位置合成，得到4條合成振動曲線，再依次將這4條曲線與振動盤的振動規律合成，得出振動排種器的實際振動曲線，分析其對排種效率的影響。

圖13 試驗原理圖

將控制振動盤的數字變頻控制器的振動頻率調制60Hz，通過測量地面觀測點處的起伏變化情況，繪出疊加合成后的振動曲線。從而間接反映左右車輪的振動曲線，并對曲線的振動情況進行分析，判定對排種效率的影響情況。

圖14、圖15是播種單元疊加合成后的左、右兩輪振動合成曲線。從振動曲線的最大和最小振幅可以看出，振動盤的振動作用與耕地起伏波動疊加后對排種效果影響微弱，播種作業可以正常進行。

圖14 馬鈴薯播種設備左車輪振動曲線

圖15 馬鈴薯播種設備右車輪振動曲線

5 結論

1)將振動分選技術引入馬鈴薯播種環節，薯種經電磁振動盤排序后進入排種輸送裝置，在保證株距的基礎上有效地改善了播種過程中的漏播、重播問題。

2)播種機機架模態分析結果顯示：機架振動固有頻率避開了振動盤的工作頻率和牽引機械發動機的怠速及行駛頻率， 避免了共振現象的發生， 確認了機架運動符合動態特性要求。

3)播種單元排序試驗結果表明，耕地起伏波動與排種器振動盤振動疊加后對排種效率影響微弱， 可正常完成播種工作。

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[8] 何玉靜.馬鈴薯播種機新型排種機構的研究[D].北京：中國農業大學,2006.

The Design and Analysis of Potato Planting Machine Based on Vibration Sorting Technology

Jiang Huakai1，Yu Wenqiang1，Li Xueqiang2，Sun Jun1

(1.School of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000,China; 2.Shandong Transce Agricultural Machinery Technology Co.,Ltd, Leling 253600,China)

The planting equipment of potato with a variety of forms,but most of the existing equipment are difficult to avoid some issues such as leakage broadcast, replay, then causes the potato sprouting rate is low, sprouting is not uniform, and the inefficient production.In this paper, the vibration sorting technology is first introduced into the potato planting equipment, and the electromagnetic vibrating disc is used in the part of plant, and the data were verified by experiments.This design can improve the leakage and weight of potato, and put forward a new kind of planting equipment of potato, which can improve the quality and efficiency of potato.

seed-metering device; vibration disc;modal analysis; seeding machine

2015-12-03

山東省重點研發計劃項目(2015GNC112012)

姜化凱(1991-)，男，濟南人，碩士研究生，(E-mail)960566134@qq.com。

于文強(1976-)，男，天津人，副教授，碩士生導師，(E-mail)ywq@sdut.edu.cn。

S233.2+6

A

1003-188X(2017)01-0111-05