油菜小麥兼用精量排種器的設計

油菜小麥兼用精量排種器的設計

0小麥排種器的研制根據(jù)實際生產(chǎn)，播種效率和質(zhì)量是影響油茶、小麥等作物機械生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的中心因素。作為種植機的核心部件，其性能直接決定著茄子和小麥播種機的排斥性能。目前國內(nèi)外針對油菜、小麥的種子特征開展專用排種器的研究已有相關文獻報道,本文針對油菜和小麥的物料特性,研究開發(fā)了一種氣力式油菜、小麥兼用精量排種器。該排種器采用填補空間實現(xiàn)充種,在重力和氣力作用下排種,可有效防止型孔堵塞;通過更換兩種不同形狀型孔的排種滾輪,并調(diào)節(jié)型孔角度、排種滾輪轉(zhuǎn)速和護種板之間的關系實現(xiàn)油菜、小麥排種的兼用。1油菜式氣生果皮混播器、小麥帶的設計1.1種氣結(jié)構(gòu)組成氣力式油菜、小麥兼用排種器主要由罩殼、排種滾輪、護種板、種子箱、隔氣板、平衡氣孔、進氣管、氣室、卸種口、排種管和支座等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。1.2排種器工作原理油菜、小麥兼用型精量排種器主要采用填補空間實現(xiàn)充種,在重力和氣力作用下排種,可有效防止型孔堵塞。該排種器通過更換兩種不同形狀型孔的排種滾輪,并調(diào)節(jié)型孔角和護種板護種角之間的關系實現(xiàn)油菜、小麥排種的兼用。該排種器的工作原理如圖2所示,當排種器工作時,充種區(qū)的種子在重力和種子群等綜合作用下填補型孔形成新的空間,充種區(qū)的種子群高度通過輸種管末端開口部控制,以防止種子滑落到護種區(qū)。充滿種子的型孔隨著排種滾輪進入清種區(qū),在種子重力和護種板沿圓弧折彎處作用下清除型孔內(nèi)多余的種子。此時型孔內(nèi)只有1粒種子,種子在護種板保護作用下隨排種滾輪轉(zhuǎn)到排種區(qū),脫離護種板的作用。排種區(qū)通過進氣管與風機正壓出口連接,使得氣室與卸種口處形成壓力差,種子在重力、離心力以及氣室壓力的綜合作用下均勻地排入排種管,完成排種作業(yè)。為保證卸種過程中種子受力均勻,設計有平衡氣孔,以調(diào)節(jié)氣室壓力。2排種器護種板設計排種滾輪、護種板和氣室結(jié)構(gòu)是排種器的關鍵結(jié)構(gòu)。其中,排種滾輪主要起囊取與分離種子的作用,其上加工有型孔,是排種器核心部件。護種結(jié)構(gòu)主要由護種板、右罩殼組成,護種板的護種角影響排種器的護種效果和種子破損情況。氣室結(jié)構(gòu)影響氣流壓力的均勻性和穩(wěn)定性,繼而影響排種均勻性,是造成型孔堵塞的關鍵因素。2.1型孔尺寸設計排種滾輪的結(jié)構(gòu)如圖3所示,排種滾輪圓周上均布有型孔,型孔形狀及大小由油菜、小麥種子的外形尺寸確定。油菜子近似球形,故選用圖3中1所示的圓柱形型孔;小麥長度方向與其他兩向的尺寸相比有明顯差別,故選擇圖3中2所示長圓形型孔。根據(jù)內(nèi)充式排種設計原理,選取排種滾輪外徑D為160mm,型孔設計經(jīng)驗公式:式中C——種子的三維尺寸,即種子長、寬、厚,mmB——型孔長度,mm依據(jù)公式(1),參考油菜、小麥種子的幾何尺寸,確定油菜型孔直徑為3mm、小麥型孔l=t=4mm(如圖3所示);油菜、小麥型孔厚均為4mm,排種滾輪內(nèi)徑為152mm。α為排種滾筒加工時型孔傾角,即型孔內(nèi)壁面與排種滾筒徑向的夾角,合適的α角不但能夠保證充入多顆種子的型孔進入護種區(qū)前完成自助清種,避免型孔內(nèi)種子與護種板之間的剪切而導致的種子破損,而且有助于種子在排種區(qū)順利排出。依據(jù)油菜、小麥休止角,選擇油菜、小麥的α分別為:α1=30°、α2=45°。2.2氣室結(jié)構(gòu)分析結(jié)果護種板焊接在右罩殼上,與排種滾輪成間隙配合(如圖4所示),其作用是保證種子在運送過程中不脫離型孔,順利到達投種區(qū)。護種板包角為θ=0.806π+β,其中0.806π由氣室結(jié)構(gòu)分析計算得出,護種角β大小與排種滾輪圓周線速度、型孔角α密切相關;護種板始端設有弧形凹陷區(qū),使種子平滑過渡到護種區(qū),避免型孔內(nèi)種子受到護種板的剪切作用而破損。2.3氣室流量平衡公式氣室結(jié)構(gòu)是由隔氣板、右罩殼和排種滾輪內(nèi)腔形成的,如圖1中的5所示。其作用是通過進氣管輸入氣體,使排種滾輪內(nèi)腔與卸種口形成壓力差,從而保證排種器順利完成排種作業(yè),有效防止型孔堵塞。為保證氣室里氣流穩(wěn)定,提高播種均勻性,在右罩殼上開有一平衡氣孔以調(diào)節(jié)氣室氣體流量、穩(wěn)定氣室壓力值。平衡氣孔與進氣管關系由氣室流量平衡公式可得,氣室流量q公式為:式中A——進出氣截面積,m2v——氣體流速,m/sT——氣體流動方向與進出氣口橫截面法線夾角的余弦值要使得氣室壓力穩(wěn)定,氣室的流量需為凈流量,即q=q進+q出=0。由于氣室較小,氣體流速v可忽略其變化,為常數(shù),現(xiàn)假定T=1(氣體流進出平行于橫截面法線),則有:q進=?A進dA=?A進dA進=q出=?A出dA=?A出dA出(2)式中q進——進氣流量,m3/sq出——出氣流量,為q型+q平,m3/s由公式(2)可知A進=A出,因型孔的大小已確定,所以型孔出氣量q型以及型孔截面積A型都為已知,故可知平衡氣孔和進氣管大小的關系。另因氣室密封性,所選取的進氣管截面積較大,故選取進氣管直徑為:油菜12mm,小麥18mm,平衡氣孔均為4mm。氣室區(qū)域即為排種區(qū)域,其大小由型孔角α和種子休止角確定,型孔進入排種區(qū)時,型孔內(nèi)壁面與圖1中4a2隔氣板所形成的夾角必須大于種子休止角,故選擇氣室區(qū)域為0.194π,如圖6中所示。3輪轉(zhuǎn)速、護種板油菜、小麥兼用型排種器工作過程分為充種、清種、護種和卸種4個過程。其中排種滾輪轉(zhuǎn)速Vp直接影響該排種器充種效果;護種板β角決定油菜、小麥兼用型排種器的清種效果,影響種子的破損率;所需最小氣室壓力p、型孔角α直接影響排種器的排種效果,因此該排種器的關鍵參數(shù)為型孔角α、護種板β角、氣室壓力p和排種滾輪轉(zhuǎn)速Vp。3.1種子極限線速度充種區(qū)種子在型孔上方運動的過程中,其質(zhì)心降至低于型孔上表面時,才能保證進入型孔。按照自由落體方程可求出直徑為d的球形種子的充種極限線速度:Vip≤(Ai?di2)gdi??√Vip≤(Ai-di2)gdi(3)式中Vp——排種滾輪線速度,m/sA——型孔的直徑,md——種子的直徑,mg——重力加速度,m/si——為1、2;其中1表示油菜子、2表示小麥參照文獻中部分參數(shù),由公式(3)可知排種滾輪的極限線速度,油菜種子的充種極限線速度為V1p≤0.18m/s;假設小麥種子是臥躺在型孔內(nèi),小麥端面最大處的質(zhì)心在型孔內(nèi)時,小麥必充入型孔內(nèi),則小麥種子的充種極限線速度為V2p≤0.13m/s。3.2排種板及護種板選擇忽略種子與型孔壁的摩擦,則種子受力如圖5所示。其受力分析中假設小麥臥躺在型孔內(nèi),可知中間剖面近似圓形,故其受力如圖5虛線圓所示,圖中實線圓代表的是油菜子軸心剖面。油菜、小麥的物料特性迥異,其受力的質(zhì)心有所不同,圖中O為油菜質(zhì)心,O′為小麥質(zhì)心,但充種區(qū)受力的形式基本相同;由力學平衡方程可知:式中G——種子重力mig,NF——種子受到的離心力mirω2i,NN——種子受到型孔壁面的支撐力,NΦ——重力與Y軸夾角,ωt+αω——排種滾輪轉(zhuǎn)速,r/minr——排種滾輪半徑,m為使排種滾輪在重力作用下實現(xiàn)自動清除型孔外側(cè)種子,則必有∑Y>0,即要使清除的種子有沿排種滾輪徑向的運動,由公式(4)可得其徑向加速度ε:當型孔充有多顆種子時,型孔外側(cè)種子的質(zhì)心不在型孔內(nèi)時,種子就會自助清除;若型孔外側(cè)種子質(zhì)心在型孔內(nèi),需要種子在重力等作用下使其質(zhì)心偏離型孔內(nèi),后做自由落體運動滑落到充種區(qū)。型孔內(nèi)種子只有型孔的傾角向下才有徑向的運動趨勢,選取圖5中π/2-α位置為起始點,到剛進入護種板內(nèi)為終止點,計算出型孔內(nèi)種子相對位移s,此階段需要的時間t=π/2?βi?αiωit=π/2-βi-αiωi,則有:為確保型孔內(nèi)的種子不被護種板剪切,依據(jù)前面所設計護種板的功能以及型孔大小的經(jīng)驗公式,選擇合適的相對位移s,油菜子選擇為1.5～2mm、小麥選擇為0.7～1.2mm。排種滾輪的轉(zhuǎn)速為ViprVipr,代入公式(6)可以得出護種板護種角、型孔角和排種滾輪線速度之間的關系為:由前面求解得排種滾輪極限線速度、型孔角;由公式(7)得出護種板護種角β:即31.5°<β1<43.2°,36.18°<β2<41.4°型孔內(nèi)的種子經(jīng)過清種區(qū)后,進入護種區(qū),在護種板的保護下,種子順利進入投種區(qū);排種滾輪運動過程中,護種板相對于罩殼靜止,充入種子的型孔進入護種區(qū)域后,在護種板支撐下實現(xiàn)護種功能。3.3種子型孔堵塞此過程種子主要受到重力G、離心力F、型孔壁與種子的摩擦力f、支持力N以及氣體壓力P等,其受力圖如圖6所示。一般而言,大中粒徑種子在重力和離心力的作用下可以完成卸種,此時型孔壁與種子的摩擦力可以忽略。型孔堵塞的產(chǎn)生一般是由于經(jīng)過清種區(qū)后型孔內(nèi)仍充有多顆種子并與護種板產(chǎn)生擠壓等作用,發(fā)生種子破損,導致其與型孔內(nèi)壁摩擦力變大,經(jīng)卸種區(qū)后仍未能卸除,造成型孔堵塞。對于油菜等質(zhì)量較小的小粒徑種子,僅靠重力和離心力的作用難以甚至不能完成卸種。故本文的排種器設計有氣室,通過在氣室與排種口之間形成正壓力差,配合重力和離心力一起作用,使卸種順利實現(xiàn),從而有效避免了型孔堵塞。由圖6可知:式中γ——氣壓力與重力夾角,為-0.194π+ωtfi——種子與型孔內(nèi)壁摩擦力,為μiNi,Nμ——種子與型孔內(nèi)壁摩擦系數(shù)為確保種子在氣體壓力作用下完成卸種作業(yè),種子在型孔剛進入充種區(qū)時其位移s必須大于型孔厚度4mm。由公式(8)可知此階段種子的位移為:通過前文可知排種滾輪線速度以及型孔角,由壓強公式可知:式中S——型孔截面積,m2型孔的截面積:由公式(9)—公式(11)可知氣室壓強P的取值為:P1>342Pa、P2>458Pa。4種床帶速度和株距試驗材料:油菜子華雜4號,種子千粒質(zhì)量為4.1g,粒徑范圍1.5～2.5mm,含水率7.1%,自然休止角27.6°;小麥華麥13號,種子千粒質(zhì)量37.7g、休止角25°,含水率4.68%。試驗設備:哈爾濱博納科技有限公司生產(chǎn)的JPS-12型排種器性能檢測試驗臺。試驗參數(shù)選擇:最佳排種滾輪線速度為0.06～0.12m/s<Vp,種床帶前進速度為2.4km/h(模擬機具田間作業(yè)行走速度)。由于較低的排種滾輪線速度會使播種作物株距較大,有利于測量,因此選擇排種滾輪線速度為0.06m/s,則理論株距為80mm;氣室壓力過大會泄漏到充種區(qū),影響種子流,擾亂充種區(qū)充種過程,故選擇氣壓為:P1=400Pa>342Pa,P2=500Pa>458Pa;護種板β角考慮實際工況存在振動以及為了便于加工,故選擇護種板β角比理論上的上限值略大,即π/4。試驗設計:隨機在種床帶上選取10段,測量單位長度內(nèi)合格株距數(shù)。所設計排種器型孔可充入1～2粒種子,在排種器工作過程中,種床帶上有2粒種子距離較近,可視為同一型孔內(nèi)排出。合格指數(shù)Y計算公式為:式中n——測試符合設定株距總數(shù)N——總株距數(shù)圖7所示為氣力式油菜小麥兼用型精量排種器在排種器試驗臺上播種油菜和小麥的試驗效果,圖7(b)中小麥株距與實際生產(chǎn)中有差異,可通過調(diào)節(jié)種床帶速度減小其理論株距,但本試驗為了便于測量,故設計其在種床帶上理論株距較大。圖8為所測試10段內(nèi)種子株距的分布,測得株距合格指數(shù)Y分別為:油菜83.1%、小麥63.6%,滿足油菜、小麥農(nóng)藝種植要求。5排種器性能分析(1)實現(xiàn)油菜、小麥兼用排種功能可有效提高機具的利用率,提出應用填補空間實現(xiàn)充種;利用重力和壓力差排種及防止型孔堵塞原理,分析確定該排種器