垂直圓盤氣吸式排種器的理論分析與研究

王曉東，王衛兵，馬華永，馮靜安，付 威，田 心

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832001；2.新疆生產建設兵團農業機械重點實驗室,新疆 石河子 832001；3.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832002)

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垂直圓盤氣吸式排種器的理論分析與研究

王曉東1,2，王衛兵1,2，馬華永1,2，馮靜安1,2，付 威1,2，田 心3

(1.石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832001；2.新疆生產建設兵團農業機械重點實驗室,新疆 石河子 832001；3.新疆天富能源股份有限公司，新疆 石河子 832002)

排種器是播種機的核心部件，其可靠性和穩定性直接影響播種質量。為此，針對垂直圓盤氣吸式排種器，分析了其結構及工作原理，應用理論解析方法對種子在工作時進行了受力分析，并對種子隨排種盤運動和種子脫離吸種孔時的運動進行理論探討，找到影響垂直圓盤氣吸式排種器工作的主要結構參數，且推導出相應公式，為播種機工作參數的設定提供了理論支持與依據。

種子；排種器；垂直圓盤；氣吸式

0 引言

新疆天山北坡滴灌小麥免耕復播“雙滴” 高效種植模式的需求。目前復播作物精量播種一般采用垂直圓盤氣吸式排種器進行播種作業[1]。精量播種的含義就是把預定的種子按照農藝要求播到土壤中預定的某個位置[2]。它對種子在種床內的三維空間坐標和播量上要求非常精確，包括行距、粒距、播種深度和每穴粒數。目前，播種機用的精量排種器主要分為兩種：氣力式排種器和機械式排種器[3-4]。氣力式排種器與機械式精密排種器相比，具有省種、對種子尺寸要求不嚴、適應性強、不傷種、高作業速度及易于實現單粒精播等優點。氣力式排種器在田間播種作業中得到了廣泛的應用，因此研究氣吸式排種器的工作原理對提高排種器的工作性能具有十分重要的意義，亟待加強氣力式排種器的相關理論研究。

1 氣吸式排種裝置的結構及工作原理

本研究針對應用最為廣泛的垂直圓盤氣吸式排種器，其根據不同的作物可以方便地更換排種盤，以滿足玉米、大豆、高粱、棉花等不同作物的精密播種。排種器主要由種子箱、種子室、氣吸室、排種盤、攪拌輪、種子調節板及杠桿式雙柱刮種器等組成，結構如圖1所示[5]。

1.排種軸 2.排鐘器外殼(包括氣吸室、充種區、吸種區、攜種區)3.動力輸入錐齒輪 4.傳動錐齒輪 5.排種盤 6.攪拌輪 7.排種器外殼(刮種器、種子室)

驅動輪通過傳動系統帶動排種盤轉動，由風機產生的氣流通過氣吸管使氣吸室的氣道產生負壓；當排種盤的吸種孔轉入氣吸道時，小孔一側為負壓，另一側則處于種子室，種子即在壓力差作用下被吸附在排種盤的吸種孔上，種子隨排種盤一起轉動；當種子離開氣吸道末端后，隨著負壓消失，種子靠自身重力經導種管落入開溝器開出的種床內；每個吸種孔通常吸附1～2粒種子，而多余的種子在經過刮種器時被刮掉，實現排種器的單粒排種[6-7]。

2 種子的受力分析

當排種器工作時，種子所受外力主要有種子重力G、種子旋轉慣性力J、吸孔吸附力F及吸孔處產生的支持力N。種子離開種子群開始移動時產生的摩擦力可忽略，如圖2所示[8]。

圖2 種子的受力分析圖

圖2中：G為種子所受重力；J為種子所受慣性力；T為G、J的合力；d為吸種孔直徑；h為種子重心與排種盤的距離；F為種子所受吸附力；N為種子所受支持力。

J=mrω2

其中，ω為排種盤的角速度；r為種子重心到排種盤轉動軸的距離。

當排種盤進行等速轉動時，慣性力的大小將保持恒定，但其方向在不斷改變，重力的方向和大小都是恒定不變的。由圖2可以看出：開始吸種時合力最大，隨后逐步減小，最后到達排種盤頂部時所受的合力最小，然后又開始增大；當與方向相反的時候，此時要求吸孔的吸附力最小，要求的真空度也最小。當種子慢慢的轉過頂部逐漸下降時所受合力又逐漸增大。計算真空室所需最小真空壓力時，應以充種區所需真空壓力為基準，因此要使吸孔吸住種子，必須滿足下列條件[9]，則

F·d/2≥T·h

(1)

式中 F—種子受到的吸附力，其值F=(πd2/4)(P1-P2)；

P1—大氣壓力；

P2—真空室壓力。

由公式(1)可以得出：當孔徑增大時，孔徑的面積也隨之增大，這時吸附種子所需的真空度將降低，排種性能將逐漸提高；然而，當孔徑增大到一定數值時，漏氣量會逐漸地增大，排種性能又開始逐漸降低。因此，吸種孔直徑需要根據種子的尺寸來確定，由試驗方法確定的吸種孔直徑為[9-10]

d=(0.64～0.66)b

(2)

其中，b為種子的平均寬度。

吸室的真空度直接影響到排種孔吸種的性能，各吸種孔處的均勻程度對排種質量有較大影響。對于不同類型和品種的種子，都有一個最佳的真空度范圍。真空度減小時，漏吸率會增大；當真空度超過一定值時，重吸率會增加。在實際工作中，由于風機與排種器之間存在管路壓力損失及機器振動的影響，在設計時真空度應取大值。根據文獻[8]，吸室所需真空度的最大值計算公式為

(3)

式中HCMAX—氣吸式真空度最大值(kPa)；

C—種子重心離排種盤之間距(cm)；

m— 一粒種子的質量(kg)；

v—排種盤吸孔中心處的線速度(m/s)；

r—排種盤吸孔處的轉動半徑(m)；

g—重力加速度(g/s)；

λ—種子的摩擦阻力綜合系數,λ=(6～10)tanγ，γ為種子自然休止角；

K1—吸種可靠性系數，一般在種子千粒質量小、形狀近似球形時選擇較小值，反之則選擇較大值，一般的中耕作物，如大豆、玉米、高粱等取k1=1.8～2.0；

K2—工作穩定可靠性系數，一般K2=1.6～2.0，種子千粒質量大時取大值。

由計算公式(3)可知：氣吸式排種器所需真空度極限值與吸孔直徑、排種盤吸孔處線速度及種子物理特性等有關[11-13]。

吸室的結構形式主要有兩種，即圓環形和馬蹄形。由文獻[5]可知，氣吸室流場滿足

(4)

(5)

(6)

式中 ωx—假設微團(質點)x方向的旋轉角速度；

ωy—假設微團(質點)y方向的旋轉角速度；

ωz—假設微團(質點)z方向的旋轉角速度。

由式(4)～式(6)可以看出：氣吸室為等勢流場，即氣吸室內部壓力相等，與氣吸室形狀無關。

由于在吸孔附近存在壓力差，氣流產生流動，所以種子會受到氣流的作用力，其在流體中的受力如圖3所示。設種子負壓面所受壓力為P1，正壓面所受壓力為大氣壓力Pa，那么推動種子移動的力為Pa-P1，所以根據伯努利方程可得[14-16]

(7)

(8)

式中 ρ—空氣的密度(kg·m-3)；

r—種子與吸孔的距離(m)；

y—種子偏離吸種孔中心的橫向距離(m)；

Q—空氣流量(m3/s)；

C—吸孔半徑(m)。

(9)

其中，R為種子半徑。

若假設種子為圓形，且取種子當量半徑為a，對種子受力在其平面上進行積分，可得種子的受力為

(10)

圖3 種子在流體中的受力

3 種子運動學分析

種子的運動包括兩部分：一部分是種子隨排種盤一起運動；另一部分則是種子脫離吸種孔后所作的具有初速度的自由落體運動。由文獻[7]可知：由于種子的物理特征不完全一致等因素，雖然有少數種子的排種位置不一，但大部分種子還是在排種器的同一點，沿排種器吸種孔分布圓的切向排出，如圖4所示。

圖4 種子的運動與受力圖

當種子脫離吸孔后受到的作用力為重力G及空氣阻力F，若將種子視為一質量為M的質點，則種子脫離吸孔后的運動微分方程為

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

式(15)、式(16)即為種子脫離吸孔后的運動微分方程。

kpx、kpy—種子的漂浮系數；

g—重力加速度。

如果種子的初速度已知，則可求出種子在下落過程中任意時刻的速度。如果將種子未脫離吸孔時的速度確定為初速度時，則由圖4根據速度合成定理可得[17-18]

Vox=Vε-Vrsinθ

(17)

Voy=Vrcosθ

(18)

若設機器前進速度(輸送帶速度)為V，排種盤吸種孔分布圓半徑為r，排種盤角速度為ω，種子脫離吸孔時吸孔和中心的連線與水平軸夾角為θ，則Ve=V,Vr=rω。式(17)、式(18)成為

Vox=V-rωsinθ

(19)

Voy=rωcosθ

(20)

由式(19)、式(20)分別對式(15)、式(16)積分，得種子在任意時刻的速度為

Vx=-Voxe-kpxt

(21)

(22)

若種子在脫離吸孔后的下落過程中不考慮空氣阻力的影響，則得出種子脫離吸種孔后的運動方程為

Vx=V-ωrsinθ

(23)

Vy=ωrcosθ+gt

(24)

4 結論

1)由公式可知：種子在氣流中的作用力F與吸孔的面積及種子和吸種孔的距離有很大關系。即隨著吸種孔面積的增大，吸種孔吸力顯著增大；隨著種子與吸種孔距離的增大，種子所受吸力急劇減小；距離增大到一定值后，所受吸力減至最小值為零。所以，吸種孔應盡量與種子接觸。

2)對種子脫離吸種孔后的運動進行了動力學分析，獲得種子運動方程，可在垂直氣吸式排種器針對不同作物不同播種模式的結構設計和工作參數的設定過程起相應的指導作用。

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Theoretical Analysis and Research of Vertical Disc Air-Suction Metering Device

Wang Xiaodong1,2, Wang Weibing1,2, Ma Huayong1,2, Feng Jingan1,2, Fu Wei1,2, Tian Xin3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Shihezi University, Shihezi 832001, China; 2.Key Laboratory of Agricultural Machinery, Xinjiang Production and Construction Corps , Shihezi 832001,China; 3.Xinjiang Tianfu Energy Co. Ltd., Shihezi 832002,China)

The seed-metering device is the core component of seeder, its reliability and stability directly affect the seeding quality. Aimed at the vertical disc air-Suction metering device, the paper analyzed the structure and working principle, applied the theory analysis method to make the Stress Analysis according to the movement of seeds work, and made theoretical discussion about the movement of Seeds move with the planter plate and break away from the suction pore to find the main structural parameters that may affect work performance of vertical Disc Air-Suction Metering Device, and derive the corresponding formula to provide theoretical support and basis for setting the operating parameters of planter.

seeds; seed-metering device; vertical disc; air-suction

2016-01-04

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAD42B03)；石河子大學科學技術研究發展計劃項目 (2012ZRKXYQ05)

王曉東(1976-)，男，新疆石河子人，講師，碩士，(E-mail)363235385@qq.com。

付 威(1977-)，男，黑龍江五常人，副教授，碩士生導師，博士，(E-mail)fuwei001@126.com。

S223.2；S220.3

A

1003-188X(2017)02-0075-04