氣吸滾筒式棉花精密排種器的設計與試驗

2020-10-17 01:03:40康施為倪向東齊慶征李樹峰徐國杰

農機化研究 2020年6期

康施為,倪向東,齊慶征,李樹峰,徐國杰

(石河子大學機械電氣工程學院,新疆石河子 832000)

0 引言

新疆作為全國最主要的棉花種植和生產基地,2017年的棉花播種面積達1 963.1×103khm2,總產量達408.2×104t,分別占全國的60.8%和74.4%[1]。在棉花生產過程中,播種起著重要的作用[2-5]。在精密播種領域,精密播種機械在迅速發展,作為核心部件的排種器,其性能決定著精密播種的質量[6-7]。排種器按工作原理一般可分為機械式排種器和氣力式排種器兩類[8-9]:機械式排種器因其具有結構簡單、成本低等優點,得到廣泛使用,但存在易傷種、對種子外形尺寸要求較高及播種作業速度不高等問題;氣力式排種器具有對種子外形尺寸要求不高、通過更換排種盤可適用于不同尺寸種子、采用氣力充種對種子損傷較小,作業速度快等特點,可實現精量播種。氣吸滾筒式排種器可滿足同時播種多行的要求,可實現“一器多行”式播種,能極大地提高排種效率,近年來在國內外播種領域得到一定程度的應用與推廣[10-14]。

本文針對目前現有氣吸滾筒式排種器存在的能耗大及吸孔易堵塞等問題,采用薄壁滾筒、氣流吹種與輪式清堵的氣吸滾筒式精密排種器,對排種器的工作原理進行分析,對關鍵零部件進行了結構設計,并通過排種性能試驗對排種裝置進行了驗證,為精密播種機械的設計提供理論依據與基礎。

1 排種器結構與工作原理

1.1 總體結構

氣吸滾筒式棉花精密排種器主要由排種滾筒、氣流清種吹嘴、隔壓裝置及清堵滾輪等組成,如圖1所示。

1.機架 2.鏈輪 3.清堵滾輪 4.滾筒 5.投種器 6.氣吹風嘴 7.空心軸 8.種子箱 9.固定支架 10.充種隔壓板 11.負壓氣室 12.落種隔壓板 13.常壓氣室 Ⅰ.充種區 Ⅱ.清種區Ⅲ.攜種區 Ⅳ.投種區

1.2 工作原理

氣吸滾筒式棉花精密排種器工作時,通過外部電機驅動鏈輪,鏈輪帶動排種滾筒轉動;空心軸固定于固定軸座上,一端與風機連接,風機通過空心軸將滾筒內氣體抽出,形成負壓,在排種滾筒吸孔處產生吸附力;當排種滾筒上的吸孔轉入種箱時,由于吸孔處有吸附力,種子被吸附在吸孔上隨著滾筒一起轉動,進入清種區;清種吹嘴借助氣流將多余種子吹回種箱,保證吸孔上只吸附1粒種子;當攜帶著種子的吸孔轉至第2隔壓板處時,滾筒內的負壓被隔斷,吸孔處吸附力消失,種子在重力與離心力的作用下落入投種器投種口,經投種器投送將種子撥入土壤,完成精密排種過程。

2 排種器關鍵部件的結構設計

2.1 滾筒直徑設計

排種器滾筒直徑對整機尺寸、滾筒吸孔軸向間隔、吸孔數量及負壓氣室大小等參數有著直接影響。滾筒直徑越大,可在滾筒圓周面排布的吸孔數目就越多,在播種機前進速度一定時,滾筒轉速越低;但滾筒直徑過大,滾筒內所需負壓越大,對風機功率要求就會越高;滾筒直徑越小,整機尺寸越小,滾筒內所需負壓越小,但吸孔數目也會越少,造成滾筒轉速過大,產生漏播,吸種效果差。目前,排種器滾筒直徑選取范圍一般為140～260mm[15],考慮到棉花的種子特性、整機尺寸及風機能耗等因素,最終選取滾筒直徑為250mm。

2.2 滾筒吸孔設計

滾筒式排種器吸孔的孔型一般有直孔、錐孔和沉孔。陳進[16]等人對影響氣吸式排種器吸種效果的吸孔氣流場進行了仿真和試驗研究,對孔型及孔徑對吸種效果進行了分析,得出直孔入口處的氣流速度好于錐孔和沉孔,吸種能力好。同時考慮到加工制造難度,確定吸孔類型為直孔。按照負壓與吸孔直徑的關系公式可得

(1)

式中P—吸孔的吸附力(kPa);

P0—大氣壓強(kPa);

P1—滾筒內部真空度(kPa);

d—吸孔直徑(mm)。

由式(1)可知:吸附力P與吸孔直徑d的二次方成正比。當氣室負壓一定時,增大吸孔直徑,吸孔處的吸附力會得到明顯提高,但吸附力過大會加重重播;減小吸孔直徑,則吸孔處的吸附力減弱,加重漏播。為滿足棉花精密播種的要求,提高合格率,降低重播率與漏播率,需要合理選擇吸孔直徑。由經驗公式[17]對吸孔直徑范圍進行計算,即

0.64b≤d≤0.66b

(2)

式中b—種子平均寬度(mm)。

棉花種子的尺寸如表1所示。

表1 棉花種子尺寸參數

綜上所述,根據新陸早48號棉花種子寬度分布及加工工藝,選取滾筒吸孔直徑為3.0～4.0 mm。

當排種器滾筒轉速與播種株距一定時,滾筒吸孔數目越多,滾筒轉速越慢,則充種效果越好[15],但吸孔數目不宜過多。相比于單列式吸孔排布方式,錯列式吸孔排布方式可在一定程度上增加吸孔數量,如圖2所示。

圖2 滾筒展開面吸孔結構示意圖

為保證吸孔正常吸種,被吸附的種子間不能出現相互干涉現象,要求相鄰吸孔間弧長不得小于兩種子最大尺寸,則

Δl≥2lmax

(3)

Δl1≥2lmax

(4)

式中 Δl—兩相鄰吸孔間的周向弧長(mm);

Δl1—兩相鄰錯列式吸孔間的周向弧長(mm);

lmax—棉種長度最大尺寸(mm)。

最終確定滾筒采用錯列式吸孔,滾筒周向吸孔數目為48個,即兩孔間最小弧長為32 mm,滿足吸種要求。排種器采用“一器六行”的播種方式,滾筒軸向吸孔排數設計為6列,可提高排種效率同時簡化整機結構。

2.3 隔壓裝置設計

隔壓裝置的作用是減小滾筒內部負壓氣室空間大小,最大程度地降低風機的功率和能耗,在保證排種器正常吸種、攜種的前提下應盡可能減小負壓氣室的空間,以降低風機能耗。隔壓裝置主要由空心軸與隔壓板構成,如圖3所示。

1.落種隔壓板 2.空心軸 3.滾筒 4.負壓氣室 5.充種隔壓板 6.常壓氣室

考慮到吸種起始角與投種接受區域,充種隔壓板與水平軸的夾角設計為5°,以保證種子能被吸孔正常吸附;落種隔壓板與水平軸的夾角設計為30°,以保證準確投種。

2.4 清種裝置設計

在充種階段,有時吸孔會同時吸附兩粒或多粒種子,少數種子會粘附在滾筒外壁上,隨滾筒轉動,進入投種器,導致重播。為了清除多余的種子,常采用剛性清種板、橡膠刮種片、各種形狀的剛性固定叉和氣流等清種方式[18]。采用接觸清種方式,會不可避免地對種子造成損傷,導致出苗率降低,且清種裝置會出現磨損,需定期更換;而采用氣流清種方式則可以避免直接與種子接觸,不會傷種,不需更換清種裝置,因此本文采用氣流清種方式。經過預試驗觀察,在排種滾筒吸附的多粒種子中,種子主要呈前后或并列兩種形式。采用直吹清種的方式,會造成吸孔上的種子被同時吹落,反而增大了漏播率。為此,采用側向氣流吹種的方式,通過改變吹種角度,將吸孔上吸附不穩定的種子吹落,而吸附較為穩定的種子被留下,保證“一穴一粒”,達到了良好的清種效果。

本文采用長方形吹嘴[19],可提供較小而又穩定的氣流,滿足清種要求。清種裝置如圖4所示。清種吹嘴角度可調節,以滿足不同角度要求。

2.5 清堵裝置設計

滾輪式清堵裝置的作用是將卡在吸孔內的種子或其他雜質推出,保證下一次的充種過程正常進行。在播種過程中,常常會出現種子或其他雜質堵塞吸孔的現象,直接影響正常播種,因此清堵裝置的設計是十分必要的。清堵裝置結構如圖5所示,其核心部件為清堵滾輪。

1.吹嘴支架 2.氣吹清嘴

1.彈簧 2.清堵滾輪 3.軸 4.軸承 5.清種支架

清堵滾輪采用橡膠材料,通過彈簧壓緊滾輪軸,在彈簧壓力的作用下,滾輪與滾筒內壁接觸產生摩擦力,在摩擦力和滾輪凸起與吸孔配合的共同作用下,清堵滾輪隨滾筒同步轉動。清堵滾輪凸起直接與滾筒吸孔配合,進而疏通吸孔。在設計滾輪凸起時,考慮到滾輪要隨滾筒同步轉動,滾輪凸起必須滿足至少兩個凸起同時與吸孔配合。經過計算,確定清堵凸起數量為9個。滾輪如圖6所示。