勺式高粱精量排種器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張榮芳,劉 虎,位國(guó)建,周紀(jì)磊,史 嵩,李 慧,何騰飛

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院,濟(jì)南 250010)

0 引言

高粱抗旱、耐瘠、耐鹽堿、適應(yīng)性強(qiáng),是我國(guó)重要的雜糧作物。在近幾年國(guó)內(nèi)糧食充足的情況下,高粱主要用于釀酒和飼料。作為釀造業(yè)的主要原料,其需求量逐年增大,近兩年種植面積也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。但是國(guó)內(nèi)高粱在播種和收獲的過(guò)程中,主要還是依靠人工完成,勞動(dòng)強(qiáng)度大,生產(chǎn)效率低[-4],迫切需要種植業(yè)的全程機(jī)械化。針對(duì)這一問題,開發(fā)適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)要求的高粱播種機(jī)械,提高生產(chǎn)效率,具有重要的意義[5]。

王希英等[6]針對(duì)勺輪式玉米排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種組合曲面式取種凹勺;王運(yùn)等[7]探討了影響排種器性能的因素;賈雙林等[8]對(duì)玉米勺式排種器清種和遞種過(guò)程進(jìn)行了受力分析。本文針對(duì)現(xiàn)有的高粱勺輪式排種器播種精度較低的問題,對(duì)勺輪盤的勺窩孔進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),并通過(guò)臺(tái)架和田間試驗(yàn)驗(yàn)證播種性能,力求提高排種器的播種精度。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

勺輪式高粱精量排種器主要由進(jìn)種室、勺輪盤、隔籽盤、導(dǎo)種盤、底座等部件組成,如圖1所示。其中,勺輪盤是決定排種器性能的重要部件之一,設(shè)計(jì)的合理性直接影響機(jī)具的作業(yè)質(zhì)量。

1.進(jìn)種室 2.勺輪盤 3.隔籽盤 4.導(dǎo)種盤 5.底座 6.調(diào)速手柄 7.調(diào)速齒輪 8.支撐架 9.調(diào)速軸 10.輸出軸 11.保護(hù)殼圖1 勺輪式高粱精量排種器Fig.1 Structure of scoop wheel type metering device for sorghum seeds

1.2 工化原理

勺輪式高粱精量排種器分為充種過(guò)程、清種過(guò)程、攜種過(guò)程、護(hù)種過(guò)程、投種過(guò)程等5個(gè)工作過(guò)程,如圖2所示。播種作業(yè)時(shí),高粱種子經(jīng)進(jìn)種室進(jìn)入排種器,落在排種器充種區(qū);輸出動(dòng)力通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳至調(diào)速軸,帶動(dòng)勺輪盤旋轉(zhuǎn),勺輪盤上的取種勺在旋轉(zhuǎn)到達(dá)充種區(qū)攪拌種子的同時(shí)完成取種過(guò)程,將種子存儲(chǔ)在種勺的異形孔中;經(jīng)過(guò)清種區(qū)時(shí)刮掉多余的未在異形孔中的種子,隨著種勺轉(zhuǎn)動(dòng),種勺轉(zhuǎn)到攜種區(qū)時(shí),種子落入導(dǎo)種盤中,經(jīng)過(guò)護(hù)種區(qū);種勺轉(zhuǎn)到投種區(qū)時(shí),種子在此受重力的作用脫離種勺,完成投種。

圖2 整機(jī)與工作區(qū)域劃分Fig.2 Division of machine and working area

2 勺輪式精量排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高粱種子的外形尺寸是排種器設(shè)計(jì)的主要依據(jù),結(jié)合高粱農(nóng)藝種植要求,主要優(yōu)化改進(jìn)符合高粱種子尺寸的勺窩孔形狀、確定合理的種勺數(shù)量及勺輪盤尺寸。要實(shí)現(xiàn)高粱種子隨勺輪盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而不掉落,需保證勺輪盤與隔籽盤之間有充足的囊種空間;要實(shí)現(xiàn)高粱種子經(jīng)遞種口能順利地進(jìn)入導(dǎo)種盤U型槽并隨之轉(zhuǎn)動(dòng),必須要設(shè)計(jì)合適的遞種口參數(shù)。

2.1 勺輪盤直徑

勺輪盤的直徑對(duì)種勺數(shù)量、整體尺寸、種勺管長(zhǎng)的尺寸和型孔線速度等結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定有著重要的作用。勺輪盤直徑一般在140～260mm范圍內(nèi),由于高粱種子粒小,且兼顧高粱排種器整體的設(shè)計(jì),選擇180mm。

2.2 勺窩孔的參數(shù)化設(shè)計(jì)

勺窩孔的尺寸既要保證高粱種子在充種過(guò)程中能以任何形態(tài)被種勺舀起,又要使得勺窩孔大小只能容納1粒種子;對(duì)勺窩孔的形狀要求是多余的種子在清種過(guò)程中能依靠自身重力離開勺窩。考慮以上因素,參照賈雙林等[8]對(duì)勺輪式玉米排種器的設(shè)計(jì),把勺窩孔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。為符合清種時(shí)依靠重力能自動(dòng)下落且種子到達(dá)遞種口能進(jìn)入導(dǎo)種盤,勺窩孔需設(shè)計(jì)成一個(gè)具有一定角度的曲面。該曲面為相貫面,實(shí)際由一個(gè)傾斜的圓柱面和一個(gè)四面體相貫而成,去掉二者的相交部分,在四面體上形成的面就是勺窩孔內(nèi)面,如圖3所示。

圖3 勺窩形狀圖Fig.3 Scoop socket shape diagram

為保證在充種過(guò)程中,勺窩大小只能容納一粒種子,要求圓柱的最小半徑應(yīng)大于高粱種子的最大半徑且小于兩粒高粱種子的半徑和,即2R種子max>R圓柱min>R種子max。

根據(jù)資料顯示,高粱種子的直徑在3.6～4.9mm之間。為確保單粒播種精度,取R圓柱分別為3、4、5mm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

設(shè)計(jì)時(shí),勺窩孔與勺輪盤垂直面之間需存在一個(gè)傾斜的角度,該角度與圓柱和垂直勺輪盤面之間傾斜的角度θ是相等的,目的是保證種子到達(dá)攜種區(qū)后能依靠自身的重力滑向遞種口,而不留在勺窩孔內(nèi)。這就要求種子在圓柱傾斜的角度θ方向上的重力分力大于種子與勺窩孔的摩擦力,即最小θ為

arctanμ種勺=θ

其中,μ種勺代表種勺間的動(dòng)摩擦因數(shù)。實(shí)際上,高粱種子運(yùn)動(dòng)時(shí)需要首先克服靜摩擦力,所以在實(shí)際計(jì)算中應(yīng)計(jì)算靜摩擦力。通過(guò)試驗(yàn),得到高粱與有機(jī)玻璃的靜摩擦因數(shù)為0.328。經(jīng)計(jì)算,當(dāng)種勺材料為有機(jī)玻璃時(shí),θ=18.16°。為保留一定的囊腫空間,取θ=19°、20°、21°時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

排種器的排種效果取決于勺輪盤在取種時(shí)勺窩孔內(nèi)的種子數(shù)量、位置以及在種子到達(dá)遞種口時(shí)能否及時(shí)正確進(jìn)入導(dǎo)種盤內(nèi),而能否順利完成此過(guò)程,勺窩孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)是關(guān)鍵因素。為尋找合適的勺窩孔結(jié)構(gòu)尺寸,在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)勺窩結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍進(jìn)行了理論分析。為了獲得最佳的排種效果,確定相貫面的圓柱半徑和圓柱與垂直勺輪盤面之間傾斜的角度為兩個(gè)影響因素,選取3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn),以得出排種效果最佳狀態(tài)下的勺窩結(jié)構(gòu)參數(shù)兩影響因素的最優(yōu)組合。

3.1 試驗(yàn)條件與裝置

試驗(yàn)材料選用本地種植范圍較廣的濟(jì)梁3號(hào)高粱品種,其物理特性參數(shù)如表1所示。在試驗(yàn)過(guò)程中,排種檢測(cè)裝置選用黑龍江農(nóng)科院購(gòu)買的排種試驗(yàn)臺(tái)加自主研制的驅(qū)動(dòng)檢測(cè)裝置,如圖4所示。試驗(yàn)時(shí),排種器安裝在試驗(yàn)臺(tái)上,由試驗(yàn)臺(tái)自帶的電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng);排種器上連接控制檢測(cè)裝置,導(dǎo)種管安裝在排種器投種口下方;在導(dǎo)種管下方安裝拍照傳感裝置,并經(jīng)數(shù)據(jù)線傳到控制面板上,檢測(cè)結(jié)果直接經(jīng)軟件處理后在顯示屏上顯示。在此,通過(guò)種子計(jì)數(shù)軟件記錄2000粒種子的狀態(tài)。

表1 高粱種子的外形尺寸Table 1 Geometric sizes of sorghum mm

圖4 排種性能檢測(cè)裝置Fig.4 Measuring device for seeding performance

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973-2005《單粒(精密)播種試驗(yàn)方法》,確定合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)的計(jì)算公式為

式中A—合格指數(shù)(%);

D—重播指數(shù)(%);

M—漏播指數(shù)(%);

n1—1粒種子播種數(shù);

n2—1粒以上種子播種數(shù);

n3—漏播數(shù);

N—理論排種數(shù)。

3.2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

為了尋找最優(yōu)排種效果下勺窩孔的結(jié)構(gòu)參數(shù),對(duì)所選的2個(gè)關(guān)鍵影響參數(shù)進(jìn)行了兩因素三水平的正交試驗(yàn)。在理論分析所得的取值范圍前提下,遵循高粱農(nóng)藝單粒精量播種要求,安排因素水平具體如表2所示,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。表3中,A、B為因素水平值。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Experimental factors and level

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Test design scheme and results

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了方差分析,如表4所示。由表4可以看出:組成相貫面的圓柱半徑、圓柱與垂直勺輪盤面之間傾斜的角度θ對(duì)排種性能具有不同程度的影響。其中,漏播指數(shù)受兩個(gè)參數(shù)的影響較大,合格指數(shù)和重播指數(shù)都只受圓柱半徑的影響較大,圓柱與垂直勺輪盤面之間傾斜的角度對(duì)合格指數(shù)和重播指數(shù)影響較小。

表4 方差分析Table 4 Analysis of range of each indicator

圓柱半徑對(duì)合格指數(shù)和重播指數(shù)均具有顯著影響。其中,重播指數(shù)與圓柱半徑呈正相關(guān),這是因?yàn)閳A柱半徑的增加增大了勺窩孔的充種空間,在勺輪取種時(shí)多粒種子充種概率提高,且充足的囊種空間使得清種過(guò)程中不易清除多余的種子,導(dǎo)致重播指數(shù)上升。

兩個(gè)因素對(duì)漏播指數(shù)的影響均為極其顯著。其中,漏播指數(shù)與圓柱半徑呈負(fù)相關(guān),這是因?yàn)閳A柱半徑的增大能增加充種空間,提高了充種率,減少漏播情況的發(fā)生;圓柱與垂直勺輪盤面之間傾斜的角度與漏播指數(shù)呈正相關(guān),隨著圓柱與垂直勺輪盤面之間傾斜的角度增大,在種子到達(dá)遞種口時(shí)可以有效進(jìn)入導(dǎo)種盤的U型孔內(nèi)。

綜合試驗(yàn)分析中兩個(gè)參數(shù)對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響情況,并結(jié)合實(shí)際播種需要,即合格指數(shù)較高、兼顧重播指數(shù)較低和漏播指數(shù)盡量少的原則[9],最終確定A2B3為較優(yōu)組合,即圓柱半徑4mm、傾斜角21°。

3.4 排種性能田間試驗(yàn)

按上述試驗(yàn)中的最佳參數(shù)組合對(duì)所設(shè)計(jì)的勺輪盤進(jìn)行3D打印,安裝在播種機(jī)上進(jìn)行田間試驗(yàn)。選取試驗(yàn)場(chǎng)地長(zhǎng)50m,土壤性質(zhì)為壤土,播種前提前進(jìn)行旋耕碎土整地處理。排種器轉(zhuǎn)速40r/min,每次試驗(yàn)長(zhǎng)度50m,連續(xù)播種3次。在每次播種試驗(yàn)過(guò)后抽取20個(gè)點(diǎn),測(cè)量播種深度和株距。播種深度試驗(yàn)結(jié)果如圖5(a)所示,播種株距試驗(yàn)結(jié)果如圖5(b)所示。3次試驗(yàn)共記錄60個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù),均在要求范圍之內(nèi)。其中,最小播深3.2cm,最大播深5cm,最小播種株距27cm,最大播種株距34cm。具體檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental result %

圖5 播種試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Seeding test results

4 結(jié)論

1)依據(jù)排種器的工作原理和設(shè)計(jì)原則,對(duì)排種器勺窩孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì),確定了影響排種效果的因素,并對(duì)其影響因素進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),為后續(xù)高粱排種器的進(jìn)一步改進(jìn)研究奠定了理論基礎(chǔ)。

2)對(duì)勺輪盤結(jié)構(gòu)通過(guò)正交試驗(yàn)確定了相貫面的圓柱半徑4mm,圓柱與垂直勺輪盤面之間傾斜的角度21°時(shí)排種器效果最佳。在該條件下進(jìn)行播種試驗(yàn)性能測(cè)試,株距合格指數(shù)89.5%,漏播指數(shù)2.36%,重播指數(shù)5.57%,滿足設(shè)計(jì)要求。