氣吹懸浮供種滾筒式播種機吸附取種理論分析

陳 永，王科杰，羅 昕，李俊偉，胡 斌，張 歡

( 石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003 )

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氣吹懸浮供種滾筒式播種機吸附取種理論分析

陳 永，王科杰，羅 昕，李俊偉，胡 斌，張 歡

( 石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832003 )

根據(jù)新疆番茄穴盤育苗排種器播種過程對種子的“單粒單穴”的農(nóng)業(yè)工藝要求，創(chuàng)新設(shè)計了一種基于氣吹懸浮供種方式的滾筒式番茄育苗播種機，解決了精密播種過程中多粒、空穴、漏播等問題。通過介紹播種機的主要結(jié)構(gòu)及其播種原理，分析排種器吸附取種過程及種子瞬時吸附受力，得出滾筒吸附取種的條件。通過樣機試驗及吸附取種理論分析，得出影響播種機取種性能主要指標的主次關(guān)系依次為種箱結(jié)構(gòu)氣室正壓力、吸孔的直徑、滾筒轉(zhuǎn)速。當種箱結(jié)構(gòu)氣室正壓力為2.0kPa、吸孔直徑為1.5mm、滾筒轉(zhuǎn)速為12r/min時，取種綜合效果效果較理想。同時，通過試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理，得出較優(yōu)水平組合，統(tǒng)計結(jié)果為：單粒率92.5%，多粒率5.3%，空穴率3.0%。氣吹懸浮供種滾筒式育苗排種器的播種效果較佳，可滿足農(nóng)藝要求。

番茄育苗播種機；氣吹供種；精量播種

0 引言

育苗播種是通過播種的方式培育幼苗，使苗木分布均勻、合理，是農(nóng)業(yè)機械化及現(xiàn)代化的重要環(huán)節(jié)之一。穴盤育苗播種器是穴盤育苗精量播種機的核心部件，按結(jié)構(gòu)原理分為機械式和氣吸式[1]。其中，氣吸式播種機利用氣流取種、攜種、清種和投種，具有生產(chǎn)率高、種子適應(yīng)性強和不傷種等優(yōu)點[2]，是精密播種器的研究方向[3]。番茄在新疆占有很大的比重，是主要的經(jīng)濟作物之一。氣吹懸浮排種器的對象多為丸粒化或者外形規(guī)整的種子，而外形規(guī)整或者丸粒的種子價格高，通常丸粒種子的價格為非丸粒種子的4～8倍，不易被大多數(shù)的農(nóng)民用戶實際接受。非丸粒化番茄種子的主要特點為均勻性較差、結(jié)構(gòu)尺寸小、外形不規(guī)整、流動性差、外部有毛易產(chǎn)生靜電且形狀不規(guī)整，只通過設(shè)計種箱氣室和吸種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，研究氣室流場均勻性很難滿足其“單粒單穴”的精量播種技術(shù)新要求。因此，迫切需要研究開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn) “一穴一粒”技術(shù)要求的加工番茄(非丸粒化種子)穴盤育苗精量播種機。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)

氣吹懸浮供種的滾筒式育苗排種器主要由電動機、調(diào)頻器、供種箱、供種板、圓形滾筒、穴播盤、機架、吸吹雙用鼓風泵及管路調(diào)壓閥等零部件組成，如圖1所示。其特點是通過對育苗播種器的氣吹懸浮工作原理及排種過程的理論分析,得到了吸附力、隔板垂直高度、供種高度、種層數(shù)和種子厚度等力學(xué)與數(shù)學(xué)模型, 為種箱和氣室壓力、吸孔直徑及運動參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。

1.電動機 2.調(diào)頻器 3.傳送帶 4.供種箱 5.供種板 6.種子 7.圓形滾筒 8.機架 9.穴播盤 10.傳送帶機架 11.吸吹雙用鼓風泵 12.負壓管路調(diào)壓閥 13.正壓管路調(diào)壓閥

1.2 工作原理及過程

排種器工作時，調(diào)頻器調(diào)整電動機，高速級為帶傳動，具有打滑作用；低速級為鏈傳動。排種器通過電動機帶動傳送帶、鏈轉(zhuǎn)動；滾筒上的負壓軸通過機架及負壓氣路支撐，正壓氣室通過供種板相連；氣壓及氣流通過負壓管路進入位于滾筒表面的吸孔，吸孔通過管道的壓力差吸取種子；種箱的供種板種子在氣流的作用下產(chǎn)生“沸騰”跳動，滾筒上毛刷，刷掉吸孔多余的種子，種子掉回種箱；當供種箱的多粒種子進入滾筒，且在同一條母線上，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，種子在自身重力和氣流壓力的作用下，落入穴播盤的苗孔，完成一次投種的過程，然后依次循環(huán)往復(fù)下去，完成吸取種子、清理種子、保護種子及投放種子4個過程。

2 吸附取種過程的力學(xué)分析

若種子由于種毛間摩擦產(chǎn)生靜電作用彼此吸附，黏附一起的多粒種子會受到種群間擠壓力和摩擦力的阻礙作用，單粒種子很難脫附其他的多粒種子。因此，假設(shè)種子在供種箱中均勻分布，吸種孔吸附種群表層的種子。因種子之間吸附時間及過程短暫，分析時可視為種子瞬間的運動狀態(tài)暫未發(fā)生改變，根據(jù)力學(xué)原理，分析靜力學(xué)的平衡條件[4]。假設(shè)施加在供種板上氣吹力豎直向上，按照兩種情況：①若種層面在排種器軸線以上；②若種層面在排種器軸線以下，沿排種器滾筒的切線方向和法線方向建立二維直角坐標系,如圖2所示。

圖2 種層在滾筒軸線不同位置受力分析

為便于力學(xué)分析，以種粒為研究對象，對被吸附時的臨界狀態(tài)建立平衡受力方程、探討種層在滾筒軸線不同位置時所需吸附力的大小關(guān)系。

供種板上物料在黏附過程中，番茄種子在氣室氣流場的作用效果下，由靜止開始加速運動，相對于滾筒速度為零，所以分析這一階段的離心力為零。首先對圖2(a)進行分析，則

(1)

(2)

FNf=FNtanφ,FNf2=FNGXtanφ2

(3)

化簡得到

Q=(G-F1)sinδ-FNGX+

(4)

若忽略種子間的相互作用，則種子能夠被有效吸附的條件為

(5)

同理，若種層在滾筒軸線以下，如圖2(b)所示，則

(6)

其中，F(xiàn)NGX為供種板上其余種子對被吸附種子在X軸方向的合力(N)；FNGY為供種板上其余種子對被吸附種子在Y軸方向的合力(N)；G為種子自身重力(N)；FN為滾筒對吸附種子的法向壓力(N)；FNf為滾筒對種子的切向摩擦力(N)；F1為氣室對種子的氣流懸浮力(N)；F1的方向垂直于供種板；Q為滾筒里面的氣流場對種子的吸附力(N)；FNf2為種子間的內(nèi)摩擦力(N)；φ為滾筒與種子間的摩擦角(rad)；φ2為種粒與種粒之間的內(nèi)摩擦角(rad)；δ為取種時位置角，也就是吸取種子開始時種子質(zhì)心和滾筒中心連線與滾筒水平中心線之間的夾角(rad)。

2.1 種子瞬時吸附受力

要使種子被滾筒從種群中有效吸附吸附力最小，需要比較上兩式分母的大小。分析余弦函數(shù)可知，種層在排種器軸線以上所需的吸附力較小。

本模型中，氣室對種子的氣吹力方向并非豎直向上，而是垂直于供種板。種層在滾筒軸線以上時，種子吸附階段受力分析如圖3所示。

圖3 種子吸附階段受力分析

由圖3可知，受力平衡方程為

(7)

(8)

FNf=FNtanφ,FNf2=FNGXtanφ2

(9)

FNf=FNGX·tanφ2+Gcosδ-F1cos(δ+θ)-FNGY

(10)

種子能被有效吸附的條件為

Q≥-Gsinδ-FNGX+F1sin(δ-θ)+

(11)

其中，F(xiàn)NGX、FNGY都與種箱中種子層高度有關(guān)。若忽略種子間的相互作用力，則

(12)

化簡得

(13)

其中，θ為供種板與水平面的夾角(rad)。

根據(jù)流體力學(xué)原理[5]，番茄種子受到繞流阻。流繞阻力來自排種器內(nèi)部氣流場對種粒的黏附力，其推算公式為

(14)

其中，Cd為無因次系數(shù)，與物料形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)有關(guān),無量綱；S為種子在垂直于運動方向的平面上的投影面積(m2)；ρ 為空氣密度(kg/m3)；V0為氣流速度(m/s)。

Guarella．P研究[6]認為：吸種孔的幾何形狀決定了其附近的流場均勻性，氣體流場的分布呈圓錐體，形狀為放射狀，并得出吸孔的氣流速度，則

(15)

(16)

其中，d為種子當量直徑(m)；q為氣流量(m3/s)；γ為孔錐角；R為種子離吸孔的距離；L為種子厚度(m)。

從以上分析可以得到

4F1cos(δ-θ+φ)]/(4sinφ)

(17)

式(17)表明[7]：種子能否被有效吸附，與滾筒與番茄種子之間的摩擦角φ、流體參數(shù)(ρ,q)、番茄種子的物料特性(ρs,Cd,d,L)、吸氣孔的結(jié)構(gòu)形式(r)及番茄種子距離吸孔的距離(R)等因素有關(guān)。

上述分析表明：90°的錐角能獲得最大的吸種保持力；增大取種位置角 δ、供種板與水平面的夾角θ、種子與滾筒間的摩擦角φ，可以減小吸種所需的負壓吸力。因此，在吸種階段，提高取種位置角和滾筒型腔的負壓值、選擇較為合理的滾筒材料、增大滾筒與番茄種子之間的摩擦因數(shù)，利于改善及提高試驗的吸種效果。

2.2 種子吸住時受力

種子被滾筒吸附時，種子與滾筒相對速度為零，離開吸種區(qū)，隨滾筒一起轉(zhuǎn)動。當種子被吸附住、隨著滾筒轉(zhuǎn)動過程中，除受到吸力Q、重力G、支持力FN及滾筒對種子的摩擦力FNf(θ=270°)外，還受到慣性離心P的作用。本文假設(shè)種子順時針旋轉(zhuǎn)方向為負，番茄種子都能被吸附到最低點，在此瞬時氣流場由負壓切換到正壓，番茄種子在重力和正壓等作用下投種，種粒在被黏附的過程中，滾筒轉(zhuǎn)角β的范圍為δ<β≤270°。種子在δ<β≤90°、90°<β≤180°、 180°<β≤270°這3個不同范圍內(nèi)，相對于滾筒的運動趨勢不同，所受支持力FN的方向不同，因此所受摩擦力方向、瞬時角度也不同。其受力分析如圖4所示。

圖4 種子被吸住后隨滾筒運動過程中的受力分析

moving with the roller

將動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化成靜力學(xué)問題來分析，在3個轉(zhuǎn)動范圍內(nèi)沿法線和切線方向分別列平衡方程。

1)滾筒轉(zhuǎn)角范圍為δ<β≤90°，如圖4(a)所示，則

(18)

FNf=FNtanφ,P=mω2R1

(19)

轉(zhuǎn)動過程中能夠有效吸附的條件為

(20)

所需最小吸附力為β=α?xí)r，則

(21)

2)當滾筒轉(zhuǎn)角范圍為90°<β≤180°時，如圖4(b)所示，則

(22)

FNf=FNtanφ,P=mω2R1

(23)

轉(zhuǎn)動過程中能夠有效吸附的條件為

(24)

所需最小吸附力為β=180°時，則

(25)

3)滾筒轉(zhuǎn)角范圍為180°<β≤270°，如圖4(c)所示，則

(26)

FNf=FNtanφ,P=mω2R1

(27)

轉(zhuǎn)動過程中能夠有效吸附的條件為

(28)

所需最小吸附力為β=270°時，則

Q=m(ω2R1+g)

(29)

滾筒外表面與種子間的摩擦因數(shù)tanφ的范圍為0.2～0.4之間[8]。綜上可知，被黏附的種粒隨滾筒運動過程中所需的最小吸附力為β=180°時，則

(30)

種子被吸附后，所受吸附力Q主要由滾筒氣腔內(nèi)外氣壓差ΔP產(chǎn)生，則

(31)

其中，φ為吸孔附近種子與滾筒的摩擦角(rad)；β為種子質(zhì)心位置與滾筒中心的連線與滾筒軸線所在水平面的夾角(rad)；ω為滾筒角速度；R1為滾筒的半徑；Sk為滾筒上吸孔的截面積(m2)；dk為滾筒上吸孔的半徑(m)。

(32)

式(32)表明：番茄種粒被黏附后能否隨滾筒一起轉(zhuǎn)動到預(yù)定的排種位置，與滾筒內(nèi)外腔壓力差(ΔP)、滾筒的轉(zhuǎn)速大小(ω)、滾筒上吸種孔的直徑(dk)、番茄種粒的質(zhì)量(m)、滾筒半徑(R1)及番茄種子與滾筒表面之間的摩擦因子(tanφ)等因素有關(guān)。增加滾筒上吸種的直徑d1、吸種氣腔內(nèi)外的真空度ΔP及滾筒表面與種子之間的摩擦因數(shù)tanφ，可以提高被吸附的效果；但過大的吸種孔直徑和較高的型腔內(nèi)外的真空度會增大種子的吸附力，容易多吸番茄種子，造成一穴多粒，堵住排種口，大量的種子不能及時排出，降低了播種效率。因而，滾筒內(nèi)外腔壓力差應(yīng)采取吸附力超過番茄種粒質(zhì)量10倍以上的力，按照10倍以上的力選取試驗的吸附力；而滾筒上吸孔種直徑按dk=(0.6～0.7)bc選取(bc為番茄種粒的平均直徑)。選擇較為合理的滾筒表層的材料，可以減小摩擦，即提高番茄種子與滾筒表面之間的摩擦因數(shù)tanφ。提高滾筒的轉(zhuǎn)速可以提高精密播種效率，但滾筒直徑增大、轉(zhuǎn)速提高，質(zhì)量越大，番茄種粒的慣性力P增大，將很難確保番茄種粒被有效吸附，從而難以保證“單粒單穴”。根據(jù)研究及試驗可知：合理的滾筒圓周速度范圍為(0.4～0.6m/s)，但最大圓周速度不能超過0.6m/s。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 材料與方法

試驗在石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院兵團農(nóng)業(yè)重點實驗室進行，采用課題組研制的氣吹供種滾筒式播種機試驗樣機，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場試驗圖

現(xiàn)場試驗所使用的穴播盤8×16，穴盤的整體尺寸為532mm×278mm。

試驗材料：偶斯帝番茄種子，飽和度98%，純度97%，發(fā)芽率>85%，含水率<6%；三軸尺寸平均值分別為3.46、2.43、0.77mm，差異性較大；千粒質(zhì)量為3.10g，孔隙率為0.524，休止角為41°，在有機玻璃上的滑動摩擦角是26°。

試驗選取4種不同孔徑的吸孔進行研究，滾筒式播種機外喇叭吸孔在滾筒孔壁上的從前到后的分布情況依次為：①、②Φ1.1mm；③、④Φ1.3mm；⑤、⑥Φ1.5mm；⑦、⑧Φ1.7mm。利用高速攝像對滾筒吸孔取種結(jié)果進行分析。

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 試驗結(jié)果統(tǒng)計

根據(jù)試驗情況，結(jié)果統(tǒng)計如表3所示，試驗指標如表4所示。通過試驗樣機試驗及分析得出影響播種機取種性能主要指標的因主次關(guān)系依序為種箱結(jié)構(gòu)氣室正壓力、吸孔的直徑、滾筒的轉(zhuǎn)速。當種箱結(jié)構(gòu)氣室正壓力為2.0kPa、吸孔直徑為1.5mm、滾筒轉(zhuǎn)速為12r/min時，取種綜合效果效果較理想。通過試驗設(shè)計及數(shù)據(jù)處理，得出較優(yōu)水平組合。其統(tǒng)計結(jié)果為：當單粒率92.5%、多粒率5.3%、空穴率3.0%時，育苗排種器的播種效果較佳。

表3 試驗結(jié)果

表4 試驗指標

5 結(jié)論

1) 當播種機種箱結(jié)構(gòu)氣室正壓力為2.0kPa、吸孔直徑為1.5mm、滾筒轉(zhuǎn)速為12r/min時，單粒率92.5%，多粒率5.3%，空穴率3.0%。此時滾筒式育苗排種器的播種效果較佳，能夠較好地滿足精量播種的農(nóng)藝技術(shù)新需求。

2) 供種板與播種機種箱結(jié)構(gòu)氣室黏接在一起，種箱結(jié)構(gòu)氣室的作用是保證供種板上的種子能夠在氣吹懸浮氣流及力等的作用下產(chǎn)生沸騰，使種子近似懸浮的狀態(tài)。氣室的流場均勻性將直接影響播種機滾筒上與穴播盤對應(yīng)的所有吸孔的取種均勻性，包括影響種子的單粒率、多粒率及空穴率。通過試驗樣機測試及分析發(fā)現(xiàn)：當試驗的種子未加正壓氣吹懸浮供種時，滾筒上吸孔吸附的多粒率較高，高達78%。原因是番茄種子是非丸形狀，呈矮、卵形且扁平，種子尺寸較小、外形不規(guī)整、種子流動性弱且對象為番茄種子，其外表面覆了細小的粗毛，種子在接觸過程中會產(chǎn)生靜電，其作用較強。當正壓結(jié)構(gòu)氣室工作時，由于正壓作用，對供種板上種子產(chǎn)生氣吹力，種子間的相互作用力減少，種群之間的靜電作用削弱，滾筒吸附種子的單粒率也隨之增加，空穴率、多粒率也相應(yīng)降低。

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Theoretical Analysis of Cylinder Seed-metering Device and Adsorption Species Based on the Pneumatic Suspension Seed Supply

Chen Yong, Wang Kejie, LuoXin, Li Junwei, Hu Bin, Zhang Huan

(College of Mechanical and Electrical Engineering ,Shihezi University,Shihezi 832003,China)

According to the tomato plug seedling row for seeding process of seeds of the "single grain of single point" of the agricultural technology in Xinjiang, innovation designs a machine based on gas blowing suspension and suppling way of drum type tomato seeding , precision seeding in the process of multi-particle, hole, leakage sowing problem is solved. Through the introduction of the main structure of the seeder and seeding principle, analyze row for adsorption from process and seed instantaneous adsorption force and draw roller adsorption from the conditions. The primary and secondary relationship of the main indicators of the performance of the plant is the main index of the air chamber pressure, the diameter of the suction hole and the rotating speed of the drum. When the gas chamber of the box structure is 2.0kPa, the suction hole diameter is 1.5mm, when the drum speed is 12r/min, the effect of the combined effect is more ideal. And through the experimental design and data processing, it is concluded that the optimal level combination, the statistical results: rate of single seed:92.5%, multi-grain rate: 5.3%, the rate of hole:3.0%, air blowing suspended for roller type seedling row the seeding effect better, meet the agricultural requirements.

tomato seedling planter; the pneumatic suspension seed supply; precision seeding

2016-03-16

國家自然科學(xué)基金項目(51265045)；石河子大學(xué)重大科技攻關(guān)計劃(gxjs2010-zdgg03-02)

陳 永(1987-)，男，河南信陽人，碩士研究生， (E-mail)1376368424@qq.com。

羅 昕(1969-)，女，四川隆昌人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)1187169629@qq.com。

S3223.2+5

A

1003-188X(2017)04-0021-06