水稻穴直播排種器創新設計與試驗研究

王洪超,萬 霖,車 剛,王紫玉,李海龍

(黑龍江八一農墾大學 農業機械化工程重點實驗室,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

發明問題的解決理論是引導人們進行創新設計的一種科學體系,包含了多種解決問題的方法,也提供了多種工具來尋求創新方向,主要有技術矛盾分析、牧場分析和最終理想解等工具。大量實踐證實,TRIZ理論具有適應性強的特點,可以更快速地實現產品的創新設計,得到質量更好、性能更優的新產品[1-3]。

排種是種植過程中最重要的環節,其效果取決于排種器的性能,但其內部結構不規則,設計有一定的難度。若TRIZ理論能夠應用在排種上,將推動農業機械化的發展。趙明明等人應用TRIZ理論對農用噴霧噴頭進行創新設計,最終設計成出電感應的噴頭[4]。李芮等人結合40種發明原理完成設計,將傳動設計成齒輪嚙合種盤轉動的電動氣吸式排種器[5]。楊家升等人應用TRIZ理論對糧食扦樣器結構加以改進,提高了工作效率,并完善了功能[6]。

針對目前水稻排種器存在的排種盤與殼體存在摩擦、穴播量不穩定及機車速度對播種性能影響大的問題,應用TRIZ理論對目前存在問題進行系統的分析,設計出一種傳動簡單、氣壓損失小且漏播率低的排種結構。

1 TRIZ理論

20世紀80年代,由G.S.Altshuller等人提出的創新設計理論是一套通用型和系統性很強的新型理論[7-10]。TRIZ是進行產品創新設計采取的工具,也可以對產品發展趨勢進行預測,并提供相應的理論為人們解決發現的問題[11]。

針對產品使用中存在的問題,先將其定義為一個TRIZ問題。首先判斷問題的性質,是技術矛盾還是物理矛盾;然后利用分離原理或應用矛盾矩陣從40個發明原理中找到合適的原理,根據相符合的原理提出相應的解決方案,并對其進行評估;效果好的方案可以繼續實施,不符合則反饋回去繼續分析。求解過程如圖1所示。

圖1 問題求解過程

2 水稻穴直播排種器的創新設計

2.1 問題的描述

目前,精量排種方面存在以下問題:①排種盤與殼體之間存在摩擦。排種器在工作時,排種盤轉動過程中與殼體之間有摩擦,在一定程度上造成磨損,且對氣密性也有影響。②現有的水稻機械直播中主要采用機械式排種器,存在穴播量不穩定、漏播和重播影響著水稻的生產效益的問題。應采用精量播種避免稻種過量,且在播種的同時盡可能避免對稻種的損傷。③排種器結構相對簡單,成本低,但對種子尺寸要求嚴格,無法適應高速作業及解決種子破損率高等問題。氣力式精量排種器不僅克服了機械式排種器的缺點,還具有吸種可靠、清種準確及排種成穴性好等優點,易于實現穴播排種作業,但其機構復雜,成本和技術要求高[12-13]。

2.2 系統完備性分析

系統的作用是履行功能,系統完備性法要求系統包含動力裝置、輸送裝置、執行裝置、控制裝置,如圖2所示。對于排種盤,可以優化其結構和形狀,進而改善吸種效果,提高播種合格率。吸孔對于吸種有很大的作用,為了方便投種和充種,將吸孔設計成圓柱孔。本設計中吸孔的直徑為1.6mm。

圖2 完備性法則

2.3 九屏圖分析

隨著直播技術的發展,各種各樣形式的排種器誕生,減輕了勞動強度,效率明顯提高,且能適應各種播種作業速度。根據九屏圖的分析,新型的排種器將推動農業機械的發展,降低了裝置的復雜性,如圖3所示。

2.4 技術矛盾

排種器工作時,稻種已經足夠被吸附在排種盤上,如果增大氣壓,將造成風機功率的消耗。傳統排種器結構比較繁瑣,若簡化排種器的傳動系統和降低自動化程度,將會導致控制系統復雜性增加。對應查看阿奇舒勒矛盾矩陣表(見表1)得到參考創新原理,最終確定了方案。

提出方案1:采用聯接方式將排種盤與負壓腔室連接起來同步轉動,避免了磨損。

提出方案2:改變傳統直播機的傳動方式,將多級鏈輪傳動改為單級鏈傳動,簡化傳動裝置。

提出方案3:將負壓腔室設計成帶螺旋葉片,促進氣體流動,增大吸附力,提高裝置的穩定性。

提出方案4:將鏈條裁剪掉,增加電機,對鏈輪進行單鏈傳動,簡化了結構,給排種盤提供充足的驅動力。

圖3 九屏圖

表1 阿奇舒勒矛盾矩陣

2.5 物理矛盾

技術矛盾是由系統中的兩個參數導致的;物理矛盾是由系統中的一個參數導致的,即對同一個參數有不同的要求。水稻穴播氣吸式排種器工作時,對氣吸室的氣壓需求是不同的:在吸附種子時,需要大的氣壓;為了不損傷種子的物理特性,需要小的氣壓。這即為一對物理矛盾,如圖4所示。

圖4 技術矛盾轉為物理矛盾

通過“氣吸室的氣壓既要大又要小”這個物理矛盾,得出方案5:在風機外安裝氣壓調節裝置,根據不同的需要進行調節,使氣壓充分利用并保證播種效果。

2.6 物場模型

直播機的結構要簡單、穩定性高,這就要求排種器的排種盤轉速精確。通過物場分析,得出:

S1—排種盤

S2—直播機

F1—機械場

直播機和排種盤為兩個物質,二者的作用關系為:直播機提供動力驅動排種盤,提供支撐力,所以選擇機械場。傳統的直播機提供給排種盤的動力穩定性支持是不足的,因而得出問題的物場模型,如圖5所示。

圖5 物場模型

選擇標準解法第3級,其中的一般解法為:①用另一個場F2代替F1;②增加另一個場F2來強化有用的效應;③增加S3并加上另一個場F2來增強效應。通過分析,選用;④來解決該物場模型中效應不足的問題,增加一個物質S3(電機)。新的物場模型如圖6所示。

圖6 新的物場模型

提出方案6:充分利用排種器周圍的空間,設計一種調節方便、不阻礙排種性能的裝置,在導種管上安裝監測系統。

2.7 技術方案整理

綜合以上分析工具總結方案,設計了一種嵌入旋轉氣腔式水稻穴直播排種器,主要由底盤、軸承、螺旋葉片和種子分離盤組成,如圖7所示。通過風機接頭將氣體輸送到氣室內部,為工作提供足夠的風壓。底盤和排種盤密封形成負壓氣室,在鏈輪的帶動下進行旋轉運動。在負壓腔內安裝有軸承和密封裝置,內部固定的橡膠刷,在清種區域堵住吸孔。稻種在多種外界因素的作用下,最終完成播種作業。

1.端蓋 2.卸種裝置 3.吸孔 4.分離盤 5.攪種裝置 6.軸承 7.橡膠刷 8.底盤 9.螺旋葉片 10.鏈輪 11.殼體 12風機接頭

3 排種器模型設計與試驗分析

3.1 排種器三維模型的設計及有限元分析

借助了CAD技術對產品進行虛擬樣機的設計,完成了參數的確定,部件間無干涉。各項指標符合加工生產要求,如圖8所示。

圖8 三維圖

對排種器關鍵部件排種盤進行有限元分析,確保能正常工作。定義材料屬性為結構鋼。首先進行網格劃分,再添加約束和載荷。排種盤的厚度面作為約束面,吸種面設置為壓力面,對排種盤施加3 000Pa的載荷,方向為負壓氣室一側,判斷排種盤是否斷裂及受力情況。ANSYS分析結果如圖9所示。由變形分布云圖和應力云圖可知:最小變形在排種盤最外側為0mm,最大變形在排種盤中間位置為0.172mm;在負載情況下,氣吸式排種盤最小應力為3 132Pa,最大應力為14.861MPa。

圖9 負載時排種盤的變形和壓力云圖

3.2 試驗分析

3.2.1 試驗方案

試驗裝置如圖10所示。種子品種選取龍粳33,每穴播入3～6粒種子屬于合格,每次試驗取250穴,3次測量取平均值。在其他因素不變的情況下,試驗研究排種盤轉速、充種高度和氣室真空度3個因素對合格指數的影響,設計3因素3水平正交試驗[14]。因素水平如表2所示,試驗方案及結果如表3所示。

圖10 試驗現場圖

表2 正交試驗3因素3水平安排表

表3 試驗方案及結果

3.2.2 結果分析

排種合格指數的極差和方差分析如表4、表5所示。分析可知,影響裝置合格率的主次因素為排種盤轉速>氣室真空度>充種高度,合格率較優的方案為A2B2C2。試驗選取的因素對合格率的影響都比較顯著,但排種盤轉速影響最大。

表4 合格指數極差分析表

表5 合格指數方差分析表

4 結論

運用TRIZ理論完成創新設計,該排種器符合農藝播種要求,結構精簡,便于安裝,對風壓要求低,適應于粳稻的穴直播。完成了排種器的三維建模,并對排種盤進行了有限元分析,滿足強度要求,可以使用。試驗結果表明:影響播種合格率主要和次要因素的順序為排種盤轉速、氣室真空度和填種高度。當排種盤轉速20r/min、氣室真空度4kPa,充種高度10cm時,性能最優。