排种机构范文（精选6篇）
排种机构 第1篇
当前,水稻育种专家已经培育出许多超级稻品种并在国内大面积推广应用。超级稻因其分蘖能力强,田间栽植每穴保苗( 2±1) 株[1,2,3,4,5,6,7]。我国现有机插秧苗均为盘育毯状秧苗,为了保证超级稻机械化栽植质量,需要在每张标准机插育秧盘( 280mm×580mm) 内精播稻种2 500粒左右,盘播干种量60 ~ 80g,同时使所播种子在秧盘内呈均匀分布或具有一定的定向排列规律[8,9],保证盘育毯状秧苗生长的均匀度和整齐度,实现插秧机秧爪每次取秧均有2±1株健壮秧苗的理想效果。目前,国内外已经研制出许多先进的水稻育秧精密播种设备[10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]。其中,一些设备可满足钵盘精量播种与落种定位要求,但是针对超级稻机插毯状苗育秧盘播种,因盘播量低、稻种在育秧盘上没有秧钵约束,以及落种撒播无序、定位性差,分布不匀,很难培育出适合机插的秧苗,造成机插秧漏插率和伤秧率较高,影响超级稻高产优势的发挥。现有的水稻育秧播种设备在播量精准性和投种准确性等方面还不能很好地满足超级稻机插育秧播种的农艺要求[20]。
在对纸夹定位水稻精密育秧设备[21]研究基础上,设计了一种新型定向排种装置,实现了种子均沿其长轴方向单粒步进排种,保证超级稻种子定量定向播种的农艺要求。本文重点对影响定向排种装置种子分离喂送机构运动轨迹的姿态和位移的主要参数进行了分析与优选,旨在为超级稻植生带育秧设备定向排种装置的设计提供理论依据。
1 超级稻定向排种装置结构与工作原理
超级稻种子定向排种装置主要由种箱、左右侧板、多杆机构、定向滑道、清种辊刷、前后固定支架及同步传动系统等构成,如图1所示。
其中,前后固定架的两端分别与左右侧板固装成一体,一组定向滑道以相同间距并列排布,两端分别固装到前、后固定架上构成组合滑道,其断面缝隙由上部呈V字槽形、下部呈I字形排列的Y形组合缝隙构成。带有锯齿状的种子分离板位于该Y形缝隙内并由前后两组多杆机构驱动,以一定频率做D形轨迹运动。其中,近似直线轨迹与滑道平行,作为分离板沿滑道方向推动种子移动轨迹,而曲线则为分离板回位轨迹。分离板运行一个完整的D形轨迹,滑道内的种子向排种口端推进一个固定距离。
工作过程: 种箱位于组合滑道的一端,其内的种子首先落入由定向滑道构成的一组V型长槽内,位于V形长槽缝隙内带有锯齿状的种子分离板在多杆机构驱动下以一定频率做D形轨迹运动,将V型槽内杂乱无章的种子呈步进式向排种口端推进; 由于种子在移动的同时受滑道斜槽面和自身重力的作用,逐渐自动调整其长轴方向与滑道同向排列并移动。因为D形轨迹直线段与滑道一致,所以种子分离板每运行一个完整的D形轨迹,定向排列的种子就可沿V型长槽向排种口端移动固定距离; 随着分离板的连续运行,定向种子即可由排种口排出。为此,通过改变种子分离板的运动频率,就可控制定向种子在单位时间内由排种口排出的种子粒数。
2 种子分离喂送机构
种子分离喂送机构是实现种子分离、定向和步进式输送的关键,主要由前后两组五杆机构、同步传动系统、分离板和托盘构成,如图2所示。其中,一组分离板与滑道相同间距并列固装在托盘上,前后2组五杆机构的输出端与托盘铰接并驱动托盘和分离板作D形轨迹运动,前后两组五杆机构通过同步传动系统实现同步驱动。
2. 1 多杆机构数学模型的建立与主要参数的确定
多杆机构结构简单并能方便实现已知的运动规律及再现已知的运动轨迹[22,23]。
本设计中,种子分离板理想运动轨迹为D字形,作业状态如图3所示。该五杆机构由曲柄AD、连杆AB、摇杆BC、支架DC和输出杆AE构成,相应各杆长度分别设为l1、l2、l3、l4、l5,单位为mm。建立以O为原点、水平方向为X轴、垂直方向为Y轴的直角坐标系。过点A作支架DC的平行线AK与AC夹角为α、与连杆AB夹角为β ,输出杆AE与x轴方向夹角为γ。
图3中D为曲柄OA的转动中心; x0、y0为转动中心的初始位置 ( mm) ; ω为曲柄逆时针转动角速 度( rad /s) ; θ1支架DC与x方向夹角( °) ; θ2曲柄DA与x方向夹角( °) ; θ3连杆AB与输出杆AE夹角( 拐角)( °) ; S轨迹水平位移( mm) ; H轨迹垂直位移( mm) ;Ⅰ推种开始点; Ⅱ推种结束点; Ⅲ轨迹最低点; E为输出点。
曲柄AD端点A的坐标为
输出杆AE端点E的坐标为
由图3知
联立式( 1) ~ 式( 6) 得端点E坐标方程为
由式( 7) 可知,影响端点E轨迹的主要参数有各杆杆长( l1、l2、l3、l4、l5) 、支架安装角θ1和曲柄转角θ2,以及输出杆AE与连杆AB的夹角θ3。改变相关参数,就可求出输出杆端点E运动轨迹上任意点的坐标或改变运动轨迹的位置、形状、姿态与位移大小。
2. 2 多杆机构计算机辅助分析与仿真
根据上述所建输出杆端点E的数学模型,采用Visual Basic6. 0语言编写了可视化的五杆机构计算机辅助分析与仿真程序,如图4所示。
通过人机对话方式,只要改变各杆的长度、连杆拐角、支架安装角这7个主要参数中任意一个参数值大小,就可获得相应的输出点E运动轨迹位置、姿态及再现输出点E的轨迹。
3 主要参数对分离板运动学特性的影响分析
在种子分离喂送机构中,分离板的轨迹和姿态对种子的单粒分离、有序输送起决定作用,由输出杆端点E运动轨迹的位置、姿态和水平与垂直位移确定。借助上述仿真程序,下面分析几个主要参数对分离板运动轨迹的姿态和位移的影响。
3. 1 各杆长度( l1、l2、l3、l4、l5)
各杆长度( l1、l2、l3、l4、l5) 对分离板运动轨迹的姿态、位置和位移的影响如图5所示。
3. 1. 1 曲柄 DA 的长度 l1
当参数l2= 80mm、l3= 90mm、l4= 130mm、l5=125mm、支架安装角为θ1= 64°、连杆拐角θ3= 12°保持不变时,曲柄长度l1与输出杆端点E运动轨迹的姿态和位移的关系如图5( a) 所示。随着曲柄DA长度的增加,输出杆端点E运动轨迹的轮廓整体逐渐扩大; 工作段平直且长度增加,轨迹左右两端圆弧曲率半径均逐渐变小,曲柄DA长度的变化对轨迹的姿态无影响。但是,运动轨迹的水平位移和垂直位移均随着曲柄DA长度的增加相应变大。
3. 1. 2 连杆 AB 的长度 l2
当参数l1= 27mm、l3= 90mm、l4= 130mm、l5=125mm、支架安装角为θ1= 64°、连杆拐角θ3= 12°保持不变时,连杆长度l2与输出杆端点E运动轨迹的姿态和位移的关系如图5( b) 所示。随着连杆AB长度的增加,输出杆端点E的运动轨迹曲线前端基本不变; 后端逐渐下降,原平直轨迹段逐渐后倾,连杆AB长度的变化对轨迹姿态有较大影响。此外,运动轨迹的水平位移和垂直位移随着连杆AB长度的增加变小。
3. 1. 3 摇杆 BC 的长度 l3
当参数l1= 27mm、l2= 80mm、l4= 130mm、l5=125mm、支架安装角为θ1= 64°、连杆拐角θ3= 12°保持不变时,摇杆BC的长度l3与输出杆端点E运动轨迹的姿态和位移的关系如图5( c) 所示。随着摇杆BC长度的缩短,输出杆端点E运动轨迹曲线整体近似向上平移,左端圆角曲率半径逐渐变小,原来平直轨迹段逐渐变成后高前低,轨迹的姿态发生变化,并且沿水平和垂直方向位移均增大。即摇杆BC长度的变化对轨迹的姿态和位移均有较大影响。
3. 1. 4 支架 DC 的长度 l4
当参数l1= 27mm、l2= 80mm、l3= 90mm、l5=125mm、支架安装角为θ1= 64°、连杆拐角 θ3= 12°保持不变时,支架DC的长度l4与输出杆端点E运动轨迹的姿态和位移的关系如图5( d) 所示。随着支架DC长度的增加,输出杆端点E运动轨迹平直段逐渐前低后高,左端圆角曲率半径逐渐变小,支架DC长度的变化对分离板运动轨迹的姿态和水平与垂直位移均有较大影响。
3. 1. 5 输出杆 AE 的长度 l5
当参数l1= 27mm、l2= 80mm、l3= 90mm、l4=130mm、支架安装角为θ1= 64°、连杆拐角θ3= 12°保持不变时,输出杆AE长度l5变化与其端点E运动轨迹的姿态和位移的关系如图5( e) 所示。随着输出杆AE长度的增加,其端点E的运动轨迹的姿态变化极小,但轨迹的轮廓整体在向右偏上逐渐移动。即输出杆AE长度l5的变化对轨迹的姿态几乎无影响,对轨迹的位置和在水平和垂直方向位移均有影响。
3. 2 两个角度( θ1、θ3)
两个角度为支架安装角θ1和连杆拐角θ3,二者对分离板运动轨迹的姿态、位置和位移的影响如图6所示。
3. 2. 1 支架安装角 θ1
当参数l1= 27mm、l2= 80mm、l3= 90mm、l4=130mm、l5= 125mm、连杆拐角θ3= 12°保持不变时,安装角θ1与输出杆端点E运动轨迹的姿态和位移的关系如图6( a) 所示。随着安装角θ1角度的增大,输出杆端点E运动轨迹曲线的轮廓整体在逐渐逆时针旋转,轨迹的姿态有较大变化。
3. 2. 2 连杆拐角 θ3
当参数l1= 27mm、l2= 80mm、l3= 90mm、l4=130mm、l5= 125mm、连杆拐角θ1= 64°保持不变时,拐角θ3与输出杆端点E运动轨迹的姿态和位移的关系如图6( b) 所示。随着拐角θ3角度的增大,输出杆端点移,轨迹的姿态和在水平与垂直方向的位移变化均较小。
4 五杆机构参数优选与分析
4. 1 参数优选
通过分析五杆机构主要参数( l1、l2、l3、l4、l5) 对输出点E运动轨迹的形状、姿态和在水平与垂直位移的影响,以超级稻定向排种装置设计的轨迹姿态和沿水平( x轴) 方向移动的距离14 mm≤S≤16 mm作为限定条件,应用图4中五杆机构计算机辅助分析与仿真程序,获得理想的输出点E运动轨迹的形状和姿态后,再用鼠标点击轨迹上推种开始点Ⅰ、结束点Ⅱ两点的位置( 见图3) ,即可测出沿x轴方向Ⅰ、Ⅱ两点距离是否满足设计行程S的要求; 经过反复修正,最终获得一组理想的参数组合,即l1= 7. 7mm、l2= 23mm,l3= 26mm、l4= 37mm、l5= 36mm、θ1= 64°、θ3= 12°。其运动轨迹如图7所示。其中,Ⅳ、Ⅴ近似直线段与x轴方向平行,轨迹的姿态满足设计要求; 同时轨迹的水平位移S = 15. 2mm,垂直位移H = 9mm,均达到设计要求。
4. 2 轨迹、速度和加速度分析
为了检验优选设计后的五杆机构的运动特性是否满足设计要求。在ADAMS /View交互图形环境中建立优选后机构的几何体,并确定各点位置,令曲柄以3r / s的速度旋转,运用ADAMS对机构输出点E进行运动仿真。1个周期中输出点E水平位移和垂直位移曲线如图8所示,速度和加速度曲线如图9所示。水平位移曲线下降段从位置Ⅱ到曲柄逆时针 转过接近191°的位置Ⅰ为止,即ⅡⅢⅠ 为回程段,上升段Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅱ为工作行程段。由图8中水平位移曲线得,位置点Ⅰ至Ⅳ的水平位移为15. 6mm。由垂直位移曲线可知,曲柄从位置Ⅱ逆时针旋转约91°时,输出点E达到最低位置点Ⅲ,再转159°时到达轨迹最高位置点Ⅳ,其垂直位移为9. 2mm,与上述基本吻合。
由图9输出点水平速度分量与加速度分量曲线可见,两条曲线均较圆滑。其中,在工作行程段开始点Ⅰ和结束点Ⅱ的速度均为零,曲线升降平缓圆滑,表明该机构工作平稳。工作行程终止时速度为零,能够保证定向移动的种子完成一个进程后稳定定位。在回程段ⅡⅢⅠ先加速后减速,有利于缩短回程时间,提高工效。
运动仿真结果进一步表明: 设计的五杆机构驱动分离板在其工作行程和回程的速度和加速度曲线都很圆滑,没有急速拐点,对实现机构运动的平稳性十分有利,其运动特性达到设计要求。
5 结论
1) 针对超级稻定向播种装置种子分离板推种运行轨迹( D形轨迹) 的设计需要,设计出驱动种子分离板的五杆机构。以种子分离板的运动轨迹为优化目标,基于杆件长度和角度等参数建立了该五杆机构的数学模型,并基于该数学模型编写了五杆机构计算机辅助分析与仿真软件,通过人机对话方式能够实时模拟该机构运动状态,辅助分析相关参数对机构输出点E运动轨迹的姿态、位置及水平和垂直两方向位移的影响,完成参数的优选。
2) 相关参数对输出点E运动状态的影响: 曲柄长度l1和输出杆长度l5对轨迹的姿态影响可以忽略,支架安装角θ1和连杆拐角θ3对轨迹的形状无影响,其它相关参数对输出点运动轨迹的姿态、位置以及水平和垂直两个方向的位移均有不同程度的影响。根据设计的运动轨迹的姿态、位置及水平与垂直位移,优选出一组五杆机构的结构参数。即l1= 7. 7mm,l2=23mm,l3= 26mm,l4= 37mm,l5= 36mm,支架安装角为θ1= 64°,拐角θ3= 12°。
3) 运用ADAMS对优选后机构输出点E进行运动仿真,其运动特性达到设计要求。
摘要：为进一步提高超级稻精密育秧播种精度,设计开发了一种定向排种装置,建立了单粒种子分离机构的数学模型,并用Visual Basic6.0语言编写了该机构的辅助分析和仿真程序。同时,分析了主要参数对该机构运动轨迹的姿态和位移的影响:五杆机构中的曲柄长度l1对分离板运动轨迹的姿态无影响,但对分离板在x轴和y轴方向的位移有较大影响;连杆长度l2和摇杆长度l3不仅对分离板运动轨迹的形状和姿态影响较大,而且对分离板在x轴和y轴方向的位移也有较大影响;支架安装角θ1、输出杆长度l5及其与连杆的夹角θ3对分离板运动轨迹的形状影响较小,但对分离板运动轨迹的姿态和在x轴和y轴方向的位移均有较大影响。根据参数影响分析结果,以分离板运动的设计轨迹为优化目标,通过人机交互方式对该机构进行了运动仿真,得到了一组较优机构参数。利用Adams软件对优选后的机构进行了运动学仿真,其输出点轨迹、速度和加速度满足设计要求。仿真结果可为北方粳稻植生带育秧设备定向排种装置的设计提供理论依据。
排种器排种性能模糊综合评价 第2篇
据资料检索, 关于振动排种器在小型水稻直播机上的应用问题, 广西大学农机化研究室对电磁振动式直播机进行过研究, 对影响排种性能的各因素 (电流、电压、频率或芽长等) 进行过试验研究, 但都为单因素的, 多因素正交试验未见有报道。因此, 为了进一步了解影响振动排种器工作性能的主要因素对排种器工作性能的影响机理、强弱、大小以及因素相互作用情况等, 本研究选择水稻直播机的振动排种器作为研究对象, 进行多因素正交试验研究。
1 振动排种器结构及工作原理
该排种器在电磁振动排种器的基础上, 按播量要求, 分档加接分流盘, 具体结构如图1所示。
1.种子箱 2.主排种盘 3.小V形槽横截面 4.分流器 5.接种器6.导种器 7.集种器 8.电磁铁 9.弹簧片
该排种器的工作原理是:当电磁铁产生变化, 其电磁力作用于排种盘后, 由于排种盘由弹簧片支撑, 从而产生振动, 这时排种盘把来自种子箱的种子向前推送;当种子到达分流盘孔时, 由于盘的振动和部分种子架空, 使架空的种子振落或分流, 落入集种器回收, 而剩下处于V形槽内的种子继续向前移动;当到达分流盘出口时, 落入接种器, 实现分流与排种。
2 试验设计
本研究参考GB9478-88《谷物条播机试验方法》进行室内试验。由于单因素试验法往往割断事物本来的内部联系, 不能全面与客观地反映其内在的规律, 且试验量大, 因此采用多因素、多水平正交试验。
2.1 因素水平选择
考虑电气系统 (电压、电流或频率) 对排种性能有较大的影响, 同时分流式排种器主要做水稻直播。播种时的种子一般为发芽期, 不同的芽根长度对排种器的影响也较大, 弹簧角度对排种器性能影响的试验研究不多, 且易控制, 因此应选取上述5个因素。但考虑到试验工作中芽长对变异系数的影响已有较多的试验数据, 且芽长不易控制, 最终选择了弹簧倾角及输入电流、电压、激振频率等4个因素作为试验的研究因素, 且每个因素取3个水平, 见表1所示。
2.2 试验指标
水稻直播机播种质量的好坏主要由排种器的性能各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数来决定, 因此本试验选取这两个重要变异系数作为试验指标。
2.3 试验方法
由于上述4个因素对排种器性能的影响并非完全是线性关系, 故试验选取4因素二次正交回归旋转设计的试验方法。其回归方程一般形式为[1]
undefined
式中 b0常数项;
bj线性项系数;
bij交互项系数;
bjj平方项系数;
p因子个数。
2.4 试验安排与结果统计
根据因素水平表, 选取正交表L27 (313) 安排试验, 用试验结果计算各回归系数, 得出排种器性能随4个因素的回归方程。
对于1水平, 各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数为
Y1=-47.291+0.403x2x3-8.8910-2x22
Y2=-502.922+21.560x1-0.211x12-
7.0910-2x1x3
对于2水平, 各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数为
Y1=-6.923+0.061x2x3
Y2=-10.845+0.003x1x4-0.007x3x4
对于3水平, 各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数为
Y1=1.866+0.012x22
Y2=-44.694+0.085x1x3
3 模糊综合评价
模糊综合评价可对不具有任何规律的各种因素进行分析, 即使是与数量无关的因素, 也可以量化。基于各因素对各分流盘和各指标影响规律的不同, 因此选择模糊综合评判来判断各因素对排种性能影响的重要顺序。
3.1 因素集U和决断集V的确定
3.1.1 因素集U的确定
从技术可行性的角度来选取参加决策的各因素, 建立因素集。本试验分析采用多层次综合评价的三级模型。
因素集U={U各, U总}, 其中每一因素又由若干基本因素确定。
U各={U1盘, U2盘, U3盘}
U总={U′1盘, U′2盘, U′3盘}
其中, 每一因素又由若干个更基本的因素所确定。
Ui盘={Ui1, Ui2, Ui3, Ui4}
U′i盘={Ui1, Ui2, Ui3, Ui4}
式中 Ui1弹簧倾角;
Ui2电流频率;
Ui3输入电压;
Ui4输入电流。
3.1.2 各因素的权重和权重集
对于一个因素集, 每个因素的重要程度是不同的, 把这种重要程度定量化, 就是对各个因素Ui赋予相对应的权重集。各权重满足归一化条件, 即undefined, 且各权重的确定应根据具体问题做分配, 以符合每一种实际情况。
3.1.3 决断集V的确定
从播种质量考虑, 选取V={好, 中, 差};对V盘, 按步长=3, 分为V盘={好, 中, 差};对V′盘, 按步长=1.5, 分为V′盘={好, 中, 差}。决断集的加权平均值可作为期望分析的结果。
3.2 模糊关系的建立
模糊数学理论中, 对因素集U中的每一个因素Ui单独做一个评判undefined, 这可看作是U到V的一个模糊映射f, 即
f:UT (V) , uif (ui) ∈T (V)
由undefined可诱导出模糊关系undefined, 即
undefined
undefined可由模糊关系矩阵R∈μnm表示。
undefined
其中:m=3, n=4。模糊关系R可诱导U到V的模糊线性变换Tf。
3.2.1 单因素评判
从因素集的分析可知, 影响这一问题的因素有4个, 但是具体到某一特指因素时, 它又将会对这一问题有何影响, 这就需要单因素评判, 也就是确定在单个因素作用下分析的问题对评价集中多个离散值的隶属程度, 这一点需要从试验结果中加以具体分析。以1水平为例, 分析结果如下:
1) 弹簧倾角对评价集V1盘、V′1盘中各离散值的隶属度分析。
undefined
2) 激振频率对评价集中离散值的隶属度分析。
undefined
3) 电压对评价集中各离散值的隶属度分析。
undefined
4) 电流对评价集中各离散值的隶属度分析。
undefined
3.2.2 多因素综合评判
由上述单因素集为模糊矩阵的行便可构成多因素评判分析矩阵。仍以1水平为例, 则有
undefined
由undefined与undefined的构成过程可知, undefined与undefined是因素集V到评判集U的模糊关系矩阵。这样, 若已知影响评价分析问题的各个因素的权重分配集A, 以及单因素评判分析undefined和undefined, 即可通过模糊变换为
undefined
由此得到综合评判结果。其中, bj (j=1, 2, 3, 4) 称为模糊综合评判指标, 其含义是在综合考虑所有影响问题的因素时, 评判对象对评价集V中第j个元素的隶属度。
3.3 模型的求解与分析
3.3.1 模型的求解
模型的求解可从模型因素集U={U1, U2, U3, U4}这4个因素来考虑。
以1水平为例, 取U11为权重的侧重点, 得模糊变换为
undefined
3.3.2 模型的分析
1) 对Vij做极性转换。 Vij=min{V′1j, V′2j, V′3j, V′4j}/V′ij, V′ij为原始数据, 即Vij= (1, 0.667, 0.353) , V′JPij= (1, 0.667, 0.429) 。
2) 以加权平均作为分析结果。由Vi=Σbijvij/Σbij (j=1, 2, 3) 得出的数据如表2所示。
由表2可知:数值越大, 所对应的因素对指标各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数的影响也越大。
由一级分析可看出, 4个因素对不同播量分流盘影响的重要程度不同。播量大时, 激振频率和弹簧倾角对各行排量一致性变异系数的影响较大;播量小时, 电流和电压对各行排量一致性变异系数影响较大;同时, 播量大时, 激振频率和电压对总排量稳定性的影响较大;播量小时, 弹簧倾角对总排量的稳定性增强。
3) 结合3个分流盘, 以3个分流盘权重各为1/3作为二级分析, 得到二级评判表, 如表3所示。
由二级分析可以看出:结合3个分流盘考虑时, 激振频率对各行排量一致性变异系数影响最大, 其它因素对各行排量一致性变异系数影响差异不大;簧倾角对总排量稳定性变异系数的影响最大, 电压和激振频率对总排量稳定性变异系数的影响较大, 电流对总排量稳定性变异系数的影响最小。
4) 结合各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数做三级分析, 两个指标各取权重0.5, 得到数据如表4所示。
作为对两个变异系数的综合考虑, 从三级分析可得知:弹簧倾角对排种性能的影响最大, 激振频率对排种性能影响的程度较大, 电压对排种性能影响相对较小, 电流对排种性能影响最小。
4 结论
本文设计了小型水稻直播机排种器的4个因素 (弹簧倾角、激振频率、电压和电流) 的正交试验, 建立了各行排量的变异系数和总排量变异系数的数学模型, 研究了不同参数对分流式排种器的影响。采用多级模糊综合分析, 最初一级以4个试验因素为因素集, 以试验数据结果各行排量一致性和总排量稳定性变异系数为评判集分别做出评判;再将初次评判结果结合3个分流盘情况做出二级评判;最后对两个变异系数做出三级评判, 判定参数重要性顺序, 具体结论如下:
1) 4个因素对排种性能影响的重要性顺序依次为弹簧倾角、激振频率、电压和电流。
2) 模糊综合分析方法得出的结论与利用统计方法得出的结论基本一致, 证明模糊综合分析方法也可用于农业机械的试验研究。
摘要：以振动排种器为研究对象, 选用弹簧倾角、激振频率、电压和电流等4个参数, 设计了4因素三水平的正交试验, 建立了各行排量一致性变异系数和总排量稳定性变异系数随4个参数变化的回归方程。采用三级模糊综合评判, 得出了4个因素对排种性能影响的重要性顺序, 依次为弹簧倾角、激振频率、电压和电流。
关键词：排种器,排种性能,模糊综合评价
参考文献
[1]茆诗松, 丁元.回归分析及试验设计[M].上海:华东师范大学出版社, 1986.
[2]杨坚.2BDH-8自走型分流式小型水稻直播机[J].农业机械学报, 1998 (1) :55-59.
[3]张学义.电磁振动播种机振动系统的研究[J].广西农业机械, 1992 (2) :1-4.
气吸式排种装置排种性能分析 第3篇
目前,国内外常见的排种器按其能否形成等时距均匀种子流、精确控制排种量分为精密排种器和非精密排种器。精密排种装置主要有机械式和气力式两种。机械式排种器结构简单,在实际应用中占有一定比例;但对种子尺寸要求严,排种频率低,无法适应高速作业。气力式排种器包括气吸式、气吹式和气压式3种形式。气吸式精密排种装置作为气力式的一种形式,不伤种子、对种子尺寸要求不严、通用性好,可实现一机多用。
1 气吸式排种装置的基本结构及工作原理
1.1 总体构造
免耕播种机的气吸式排种装置,主要由机架、风机、气管、排种器、储种箱、导种管、双圆盘式开沟器、支承地轮、覆土圆盘及调节装置等组成(如图1所示)。排种管位于圆盘开沟器中央。
1.2 气吸式排种器结构及工作原理
气吸式排种器的基本结构,如图2所示。气吸式排种器是应用气吸原理进行排种的,其排种圆盘呈垂直状安装在种子箱底面,一侧与种子室相接,另一侧与气吸室相接,在排种圆盘上开有气流通道孔。排种盘上设有搅拌轮,以防种子架空,并通过压紧装置压住排种盘以减少漏气。在种子室内还装有刮种板,工作时可以剔除多余的种子。气吸室和风机相连,风机工作时使气吸室产生真空度,因而在排种盘两侧形成一定的压力差,在压力差的作用下,种子被吸附在吸种孔上。由于排种盘的转动,当吸种孔带着种子通过刮种板时,多余的种子便被剔除掉。当排种盘旋转到离开气吸室时,便失去了对种子的吸附作用,此时种子便靠自身的质量下落,经导种管落入种沟。排种盘继续旋转,由毛刷刷净吸种孔,吸种孔再次进入气吸室,在压力差的作用下再次吸附种子,如此循环连续进行排种。
2 试验方法及评价指标
根据《GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法》[1](以下简称《方法》),精密排种器的排种性能试验一般分为台架试验和田间试验。台架试验是在实验室里可控的条件下,利用试验设备和试验材料对一台机器或者一个部件模拟田间环境及工作条件,重复进行试验,使试验结果尽可能良好的重复出现,在尽可能短的时间内,获得机器或部件的性能数据。台架试验以其方便、快捷,不受播种季节的制约,同时又具有容易实现自动化控制、在线数据采集和处理、试验成本低等优点。台架试验又分为静态试验和动态试验。静态试验是指播种单体处于静止状态,排种装置在实际作业转速下运转。为了模拟播种机与地面的相对移动,可用一条粘胶带以相当播种机的作业速度在播种单体下方移动。动态试验是将单体安装在移动式小车上,然后恒速平稳地通过粘胶带上方,前进速度与播种机的实际作业速度相等。相比较而言,田间试验是对整个机器在作物、土壤、气候、地表等条件是变化的和基本上不加控制的情况下进行的工作性能和物理性能试验。
评价排种器性能的最重要的指标是粒距的精确性,它包括合格率、漏播率、重播率3个具体指标,这3个指标分别是合格数、重播数、漏播数占全部样本粒距数的百分比。合格数是指实际粒距在0.5Xr~1.5Xr(Xr理论粒距,是由生产厂家按照农业技术要求来确定的)之间的样本数,而把实际粒距小于0.5Xr的样本数称为重播数,把实际粒距大于1.5Xr的样本数称为漏播数。按照《方法》中的规定为
为建立上述概念,划分了以下区间
N'测区内的总粒距数;
N试验测定的种子总数。
从而,可以得到排种器的性能指标,即
3 气吸式排种装置排种性能影响因素分析
3.1 结构参数对排种性能的影响
对气吸式排种装置排种性能影响较大的结构参数主要是吸种孔的直径、结构形式以及吸种孔的数量和分布形式。
种子在吸附过程中的受力分析,如图3所示。
排种器工作时,若忽略摩擦力的作用,则种子主要受到重力G,惯性力为J及吸孔对种子的支持力N。其中,J=m Rω2(m为种子质量;R为种子重心到排种盘中心的距离;ω为排种盘的角速度),T是重力G与惯性力J的合力,d为吸孔直径。
要使吸孔吸住种子,必须满足下列条件,即
式中F种子受到的吸附力,F=(πd24)(Pa-P1)。
其中,Pa为大气压力,P1为真空室压力。
由式(9)可以看出,随着孔径的增大,孔径面积增大,吸附种子所需要的真空度降低,排种性能逐渐提高;而当孔径增大到一定值时,漏气量逐渐增大,排种性能又开始逐渐降低[2]。因此,吸种孔直径需要根据种子的尺寸来确定,由试验方法确定的吸种孔直径如下式[3,4],即
式中b种子平均宽度。
吸种孔的数量要在不影响吸种、刮种和落种的前提下尽可能多。但吸种孔的数量又与播种速度、播种频率和粒距有关系。当机器作业速度一定时,随着吸种孔数量的增多,排种盘的转速降低,充种时间长,排种性能提高,但当吸种孔数量增大到一定值后,则会由于两孔之间距离太近而发生干扰,影响排种性能。
3.2 工作参数对排种性能的影响
气吸室真空度和排种盘的转速是工作过程中影响排种性能的两个主要因素。
3.2.1 气吸室真空度对排种性能的影响
根据文献[4],气吸室所需真空度最大值的计算公式为
式中Hcmax气吸式真空度最大值(k Pa);
C种子重心离排种盘之间距(cm);
m一粒种子的质量(kg);
v排种盘吸孔中心处的线速度(m/s);
r排种盘吸孔处的转动半径(m);
g重力加速度(g/s2);
λ种子的摩擦阻力综合系数,λ=(6~10)tanθ,θ为种子自然休止角;
K1吸种可靠性系数,取1.8~2.0,种子千粒质重小,形状近似球形时取小值;
K2外界条件系数,取1.8~2.0,种子千粒质重大时取大值。
由式(11)可知,气吸式排种器所需真空度的最大值与吸孔直径、吸孔处线速度及种子物理特性等有关。
对于不同类型和品种的种子都有一个最佳的真空度范围,真空度减小时,漏吸率会增大,当真空度超过最佳值时,重吸率会增加。在实际工作中,由于风机与排种器之间存在管路压力损失及机器振动的影响,在设计时真空度应取大值。
3.2.2 排种器转速对排种性能的影响
为提高播种机的工作效率,在保证播种质量前提下排种盘的转速应尽可能地取最大值。但是,随着转速提高,种子的离心惯性力增大,由式(9)知,气吸室所需的真空度也需增大;同时,吸孔和种子的接触时间缩短,造成吸孔来不及吸种或吸种不牢脱落而导致空穴,合格率下降,这又要求适当提高真空度。但真空度太大会使重播率上升,清种压力增大[5]。所以,排种盘的转速的选择应综合考虑。
4 结束语
气吸式排种装置的结构和原理已经基本趋于成熟,试验方法和手段逐渐完善,但影响其性能的因素很多,如何在结构设计和优化以及试验过程中考虑多因素、多水平及其因素间的交互作用对排种性能的影响,提高排种效率应该是今后研究的重点。
摘要：气吸式排种装置以其省种、不伤种、对种子尺寸要求不严、适应力强、易于实现单粒精播和作业速度高等优点,得到了广泛应用。为此,从结构和工作原理入手,对影响气吸式排种装置工作性能的主要因素进行了分析,并介绍了相关的试验方法,为今后免耕播种机气吸式排种装置排种性能试验提供参考。
关键词：播种机,气吸式,性能,试验方法
参考文献
[1]GB/T6973-2005,单粒(精密)播种机试验方法[S].
[2]Kushwaha,R.L.,R.K.Foster.Field Evaluation of Grain Drill Furrow Openers Under Conserva-tion and Convention Tillage Systems[J].Cana dian Agricultural Engineering,1993,35(4):253-263.
[3]张波屏.现代种植机械工程[M].北京:机械工业出版社,1997.
[4]中国农机研究所.实用机械设计手册(下)[K].北京:机械工业出版社,1998.
排种机构 第4篇
关键词：气吸式排种器,玉米,正交试验
0引言
近年来, 随着种子加工处理技术和精密播种技术的不断发展, 精密播种机的广泛应用已成为现代播种技术的主要特征和发展方向。精密播种机在国外被广泛地用来点播玉米、大豆、棉花、高粱和甜菜等中耕作物[1 - 4], 优点是: 节省良种, 不用间苗; 精播田间植株分布均匀, 达到合理密植, 利于苗期生长, 提高产量。 影响精密播种机播种质量的因素很多, 但主要取决于排种器的排种性能[5]。精密排种器按其采用的排种原理不同大致可分为两大类: 机械式和气力式。机械式精密排种器的类型主要有水平圆盘式、倾斜圆盘式、垂直窝眼轮式、指夹式和带式排种器[6]。机械式排种器具有结构简单、造价低廉、工作可靠性较好、制造工艺要求不高等优点, 在实际应用中占很大比例, 一般不适于高速作业, 多用于中小型播种机上[7]。气力式排种器主要包括: 气吸式、气压式和气吹式3种类型。由于气力式排种器适用强、通用性好、不损伤种子、对种子的形状尺寸要求不严等优点, 在国内外现已广泛应用于各种播种机上。目前, 国内外气力式精密播种机主要应用在中耕作物上[8 - 9]。
为了了解和掌握气吸式排种器的排种性能, 本文对其进行了性能试验测试, 并对影响排种性能的各因素进行单因素试验和正交试验分析, 确定因素的主次及最优参数组合, 为农业生产以及排种器的结构改进和性能优化提供参考依据。
1气吸式排种器的工作原理
气吸式排种器主要由真空室壳体、排种盘、充种室、真空连接管和风机等组成, 结构如图1所示。
1.排种盘2.种子室3.真空连接管4.真空室壳体
气吸式排种器是应用气吸原理进行排种的, 其排种圆盘呈垂直状安装在种子箱底面, 一侧与种子室相接, 另一侧与气吸室相接, 在排种圆盘上开有气流通道孔。排种盘上设有搅拌轮, 以防种子架空, 并通过压紧装置压住排种盘以防种子架空, 同时压住排种盘以减少漏气。在种子室内还装有刮种板, 工作时可以剔除多余的种子。气吸室和风机相连, 风机工作时使气吸室产生真空, 从而在排种盘两侧形成一定的压力差。在该压力差的作用下, 种子被吸附在吸种孔上随排种盘一起旋转。由于排种盘的转动, 当吸种孔带着种子通过刮种板时, 多余的种子便被剔除掉。在排种盘旋转到离开气吸室时, 便失去了对种子的吸附作用, 此时种子便靠自身的重力或推种器的作用掉落, 经导种管落入种沟。排种盘继续旋转, 吸种孔再次进入气吸室, 在压力差的作用下再次吸附种子, 如此循环往复, 从而完成单粒精密排种。
2试验材料和方法
2. 1试验材料与设备
试验材料为内单4号玉米种子, 测量100粒种子的长、宽、高3个方向上的尺寸, 取其平均值, 得到该种子的3轴尺寸: 长10. 2mm, 宽9. 8mm, 高5. 6mm; 含水率为14. 0% , 千粒质量为380g。本试验所选用的排种器为气吸式排种器, 试验在黑龙江省农业机械工程科学研究院设计制造的JPS - 12排种器性能检测试验台上进行。
2. 2试验方法
排种器试验台由输送带做种床, 并模拟播种机的田间作业速度进行运动。试验时排种器固定不动, 输送带 ( 种床) 相对于排种器运动; 排种器在固定位置把玉米种子排在喷有油层的种床输送带上, 种子被油层黏住随带一起运动, 机器视觉系统对种床带上的排种情况进行实时摄录和处理, 从而测得种子粒距, 并达到检测排种均匀性等各项指标的目的。试验数据统一由排种器试验台的识别系统采集并处理, 同时人工对比以减少人为误差的影响。试验过程中, 取排种盘和种床带运转平稳时的中间段作为统计样本, 每一工况试验测量250个粒距, 重复3次, 取其平均值。对试验结果的统计和评价标准依据《GB /T 6973 - 2005单粒 ( 精密) 播种机试验方法》, 若测得粒距小于或等于0. 5Xr ( Xr为设定的理论粒距) 为重播, 在0. 5Xr ~ 1. 5Xr之间为合格, 大于1. 5Xr为漏播。
2. 3单因素试验
2. 3. 1气吸室真空度对排种性能的影响
气吸室真空度 ( 即排种盘吸孔所需的吸力) 直接影响到排种孔吸种的性能, 它与种子的形状、大小、吸孔直径和排种盘线速度等有关。对于不同类型和品种的种子都有一个最佳的真空度范围: 当真空度减小时, 漏吸率会增大; 当真空度超过一定值时, 重吸率会增加。
种床带前进速度为5. 4m /h, 排种盘速度为40r / min, 气吸室工作风压选取1. 5, 2. 0, 2. 5, 3. 0, 3. 5, 4. 0, 4. 5, 5. 0k Pa 8个水平做单因素试验, 每组试验重复做3次取平均值, 分别分析气吸室工作风压的变化对排种器排种性能的影响。试验数据拟合曲线如图2所示, 由曲线可拟合出排种性能指标的回归方程。
合格指数回归方程为
重播指数回归方程为
漏播指数回归方程为
式中x气吸室工作风压 ( k Pa) ;
A排种合格指数 (%) ;
D排种重播指数 (%) ;
M排种漏播指数 (%) ;
R相关系数。
从图2中可以看出, 在其他因素参数保持不变的情况下, 随着气吸室工作风压的增大, 排种器的合格指数先升高后降低, 在中间某一位置时达到最大值; 而漏播指数先降低后升高, 在某一位置时达到最小值; 重播指数呈不断升高的趋势。气吸室工作风压低时, 排种盘吸孔处的吸附力太小, 无法正常吸附种子, 从而造成严重的漏播现象, 此时排种器合格指数和重播指数都较小。气吸室工作风压高时, 由于排种盘吸孔处有足够的真空吸力, 可能吸附多余种子, 导致排种器的重播指数增大, 此时漏播指数较小。工作风压在3 ~ 5k Pa时, 排种性能较好。
2. 3. 2排种盘转速对排种性能的影响
种床带前进速度为5. 4km /h, 气吸室工作风压4. 0k Pa, 排种盘转速选取5. 0, 10. 0, 15. 0, 20. 0, 30. 0, 40. 0, 50, 60, 70r / min9个水平做单因素试验, 每组试验重复做3次取平均值, 分别分析排种轮速度的变化对排种器排种性能的影响。试验数据拟合曲线如图3所示, 由曲线可拟合出排种性能指标的回归方程。
合格指数回归方程为
重播指数回归方程为
漏播指数回归方程为
式中x排种轮转速 ( r /min) 。
由拟合曲线可以看出, 随着排种盘转速的增大, 排种器播玉米时的单粒合格指数呈下降趋势, 重播指数和漏播指数升高。排种盘速度太慢时, 吸种孔有充分的时间吸附充种室的种子, 种子随排种盘旋转, 经刮种器将多余的种子剔除掉, 从而保证较高的单粒合格指数, 但工作效率太低, 影响正常生产; 排种盘转速太快时, 充种室内的种子可能没有来得及被吸附, 导致吸孔漏吸数目增加, 从而造成严重漏播现象。排种盘转速在15 ~ 40r /min时, 排种性能指标较好。
2. 4正交试验设计
由单因素试验和试验数据处理分析知, 当排种盘转速为14 ~ 40r /min, 气吸式真空度为3 ~ 5k Pa时试验指标较优。为了确定试验因素的主次顺序和参数的最优因素组合, 正交试验时选取排种盘转速和窝眼长度设计2因素3水平的正交试验, 如表1所示。考虑两者的交互左右, 使用L9 ( 34) 正交表, 试验方案结果和极差分析如表2所示。
试验目标是玉米单粒合格指数越高越好, 漏播指数与重播指数越低越好。从表2可以看出, 对于单粒合格指数, 因素对实验指标影响的主次顺序为A, B, A B, 最优组合是A1B3; 对于试验指标重播指数, 因素影响的主次顺序为A, B, A B, 最优组合是A1B3; 对于漏播指数, 因素影响的主次顺序为A, B, A B, 最优组合为A1B2。根据以上分析并经综合平衡, 最后得出本试验的最优因素组合为A1B3。试验结果为: 当排种盘转速为43r /min、气吸式真空度为4. 5k Pa时, 试验结果最优, 即玉米单粒合格指数为89. 10% , 漏播指数为6. 42% 。
*代表显著和比较显著;**代表非常显著。
表3的方差分析表明: 对于单粒合格指数, 排种盘转速A的影响非常显著, 气吸式真空度B对试验指标的影响不显著, 因素的主次顺序为排种盘转速A, 气吸式真空度B, 可见排种盘转速是影响玉米单粒合格指数的主要因素; 对于重播指数, 排种盘转速A的影响非常显著, 气吸式真空度B对试验指标影响不显著; 对于漏播指数, 排种盘转速A对试验指标的影响一般显著, 气吸式真空度B的影响不显著。试验结果的方差分析所得因素的主次顺序与直观分析所得结论是一致的, 说明极差分析是准确的。通过直观分析和方差分析得出, 因素水平的最佳组合为A1B3, 即排种盘转速为43r/ min, 气吸式真空度为4. 5k Pa时, 试验指标最优。
3结论
1) 通过对排种器倾斜角度的单因素试验得出倾斜角度的改变对气吸式排种器排种质量的影响不大。
2) 随着排种盘转速的增大, 排种器的合格指数呈先升高后降低趋势, 在中间某一位置达到最大值; 重播指数大体呈下降趋势, 但漏播指数有明显上升趋势; 排种轮转速在35 ~ 55r /min范围内时, 排种性能较好。
3) 随着气吸室真空度的增大, 排种器粒距合格指数呈先逐渐上升, 达到最大值然后下降, 重播指数呈上升趋势, 漏播指数逐渐下降; 当气吸室工作风压在3. 5 ~ 4. 5k Pa范围时, 排种器的综合排种性能较好。
4) 通过正交试验极差与方差分析得出, 排种盘转速是影响气吸式排种器排种性能的主要因素, 满足排种器排种条件的最优组合为: 排种盘转速为39r /min, 气吸室真空度为4. 5k Pa。此时, 玉米单粒合格指数达到91% , 漏播指数为1. 14% , 符合农业机械单粒精密播种的标准要求。
参考文献
[1]Barut, Zeliha Bereket.Effect of different operating parameters on seed holding in the single seed metering unit of a pneumatic planter[J].Turkish Journal of Agricultural Machinery, 2004, 28 (6) :435-441.
[2]P Guarella, A Pellerano, S Pascuzzi.Experimental and Theoretical Performance of a Vacuum Seeder Nozzle for Vegetable Seeds[J].J.agric.Engng Res., 1996, 64:29-36.
[3]Zulin Z, Upadhyaya S K.Hydropneumatic seeder for primed seed[J].Tuansactions of the ASAE, 1998, 41 (2) :307-314.
[4]D Karayl, Z B Barat.Mathematical Modelling of Vacuum Pressure on a Precision Seeder[J].Biosystems Engineering, 2004, 87 (4) :437-444.
[5]石宏, 李达.目前国内外播种机械发展走向 (Ⅰ) [J].农业机械化与电气化, 2000 (1) :47.
[6]张泽平, 马成林.精播排种器及排种理论研究进展[J].吉林工业大学学报, 1995 (4) :112-117.
[7]崔清亮, 秦刚, 王明富.几种典型精密排种器的对比分析[J].山西农业大学学报:自然科学版, 2003, 23 (1) :69-71.
[8]吴明亮, 汤楚宙, 李明, 等.水稻精密播种机排种器研究的现状与对策[J].中国农机化, 2003 (3) :30-31.
排种机构 第5篇
三七( panax notoginseng) 为五加科人参属多年生草本植物,是我国传统名贵中药,为五加科人参属多年生草本植物,具有定痛消肿、活血化瘀的攻效,使用了近1 000年多,享有“南国神草”“金不换”“参中之王”的称赞,在食品、药品、化妆品、保健品等领域使用广泛。云南省文山州大量种植三七,人工种植三七的历史亦有400年多,三七种植面积常年保持在0. 47万hm2,年产三七干品500万kg以上,是中国乃至全球三七的原产地和生产基地。2008年,文山州全州三七产业完成总产值21. 52亿元、销售收入23. 78亿元。据不完全统计,以三七为原料的生产企业在中国有近500家,三七药品有400种多。文山州三七产业已被云南省政府列为全省生物资源和“云药”开发的重点,并进入国家中药现代化科技产业基地建设。
国外适宜蔬菜、小麦或中耕作物种子的精密排种器技术成熟[1],但尚未见到适宜三七的精密排种的排种器。精密排种器按其工作原理和结构形式主要分为: 气力式精密排种器和机械式精密排种器。机械式精密排种器主要有水平圆盘式、窝眼轮式、倾斜圆盘式、立式圆盘式、组合内窝孔式、带式、倾斜勺式及指夹式等结构[2,3]。气力式精密排种器主要有气吸式、气吹式、气压式。窝眼轮式排种器通用性好、结构简单、容易制作、成本低,调节方便,使用可靠。本文主要研究前期设计的窝眼轮式三七排种器的受力和运动规律。
1 排种器工作原理
图1所示为排种器结构图,由种子箱、滚筒、型孔、清种刷、护种板及排种管组成[4,5,6]。
图2所示是窝眼轮式三七排种器的工作原理图。排种器分为充种区、清种区、护种区、投种区4个工作区域。
在滚筒圆周上均匀分布型孔,型孔为半球形。当滚筒逆时针转动时,种箱中的种子在重力、摩擦力和其他种子的作用力下,种子沿导种槽进入型孔,随滚筒一起运动,完成充种过程。由于型孔的孔径比种子的直径大及种子尺寸的不固定等多种原因使得部分孔中有多颗种子,也可能没有种子。为了清除多余的种子,设计了滚筒型刷子,此工作区域为清种区。清种刷在种子进入护种区前清扫掉窝眼上多余的种子,降低了种子直接进入护种区受到剪切和挤压而损坏的概率,从而降低破损率[7]。清种后为了防止种子从型孔中滑出掉落和保护种子,有弧形护种板挡住和保护种子,此区域为护种区。没有了护种板的作用,种子在重力作用下掉落,在种子掉落区域为投种区。在投种区下面是排种管,其作用是约束种子的运动,让种子落地时保持一定的种距和行距。
2 各阶段受力及运动规律分析
排种器的工作过程大致可分为以下4个阶段: 充种过程、清种过程、护种过程和投种过程。
2. 1 充种过程受力及运动规律分析
当窝眼轮转动时,种子受到离心力P、重力G和种子群对其作用力F的作用。一般情况下,在种子群和重力对其作用力下种子会进入型孔,但是并不是所有状态种子都能进入型孔。当窝眼轮转速过大,重力与作用力F尚未作用,型孔就已越过。临届状态是种子的质心刚好运动到型孔的另一侧所在的圆周上,此位置时种子可能翻转进入型孔也有可能继续转动越过型孔,此时把排种轮的转速称为排种轮的极限转速。充种时种子的受力图如图3所示。
把重力G分解后有
为了便于说明问题,在此先忽略F的作用。型孔主体的直径为D,长度为X,种子的半径为e,窝眼轮的半径为R,仅从运动学的角度分析可知,种子进入型孔的运动过程可分解为一个沿排种器法线方向初速为零的匀加速运动和一个沿排种器切线方向的匀速运动,在充种时间内,种子完全落入型孔中,种子沿排种器切线方向位移小于等于D + X - e。从上述分析可知,种子在垂直排种器切线方向的位移为
由于种子充入型孔的最大切向位移等于D + X e,有
式中υrmax—排种轮与种子的相对极限速度。
联立式( 2) 、式( 3) 得
拖带层第1层种子的质心速度为
在匀速圆周运动中有υ = ωr ,联立式( 4) 、式( 5)可得排种轮的极限转速为
2. 2 携种过程受力及运动规律分析
种子进入型孔内,随着窝眼一起运动就进入了携种阶段。种子在运动过程中位置不同其受力情况也不同,把它分为3个阶段如图4所示。
3个阶段的数学方程分别为
种子在重力作用下滑出种子一部分与护种板接触作用且相对型孔相对静止,与滚筒一起做匀速圆周运动。
2. 3 投种过程种子受力及运动规律分析
2. 3. 1投种时种子受力及运动规律分析
窝眼轮投种时,种子应顺利无阻碍地被抛出排种器的壳体外,并且尽量地实现“零速”投种,即种子离开窝眼之后在水平方向相对地面的速度为0,有利于提高投种的精度[4]。投种时不能出现被抛出的种子与投种口后壁发生碰撞反弹,破坏播种的均匀性; 更不能出现种子还没有完全离开投种口,型孔就已到达投种口后壁,造成型孔棱边与投种口后壁棱边相互“剪切”种子,从而导致种子破损。所以,对投种区的包角θ提出了相应要求。种子以初速度ν 被抛投出时,建立如图5所示的直角坐标系。
种子的运动可分解为一个垂直运动和一个水平运动,其速度分别为υx、υy,排种器以υ2的速度运动。
当υ一定,θ增大时,υx增大,而υy减小,从而投种区所对应中心角需增大。
2. 3. 2种子与排种管壁接触过程的受力及运动规律分析
图6为排种管测量尺寸图。投种过程是一个很复杂的过程,由于种子脱离排种器时的不确定性,使得分析变得复杂。在此,只是对一种假定情况下的分析。假设种子离开排种器就与排种管壁接触,且沿管壁下滑,离开管壁后做类平抛运动,最后落地,如图7所示。
在这过程中种子受到重力G、支持力N、摩擦力F的作用下做匀加速运动,初速度为υ0。
由图6、图7可得
把重力分解在沿摩擦力F、支持力N两个方向,滑动摩擦角—塑料 板 ( °) 取29. 5°,滑动摩擦 因素为tan29. 5°。则有
将式( 13) 带入式( 14) 得
种子以初速度υ在排种管壁斜面上做匀加速直线运动,把υ0分解x方向和y方向,x方向有一速度V2,υ0= ωr ,则有
由式( 16) 得
种子在做匀加速运动,则有
种子做类平抛运动的速度为υ ,H为类平抛运动开始点到落地点的高度,t ' 为运动时间,d为排种圆管的直径。则有
将式( 21) 代入式( 22) 得
将式( 21) 代入式( 23) 得
联立式( 24) 、式( 25) 可通过排种管高度求解排种管直径或通过排种管直径求解高度,为三七排种器的排种管的设计提供一定的参考。
3 总结
通过对三七种子在窝眼轮式排种器3个排种阶段的受力与运动分析,得到排种轮的极限转速,以及在保证播种精度的条件下排种管直径和高度的关系式,结合本文为以后播种机的选型与改进提供相关依据。
1) 影响充种阶段种子能否进入型孔的排种轮极限转速为
2) 在排种阶段,种子脱离型孔进入排种管斜面的速度为排种轮的线速度,当经过斜面进入竖管,种子做类平抛运动的速度为
3) 排种管直径d和排种管高度H之间的关系式为
排种机构 第6篇
排种器是播种机的核心部件,其排种性能直接影响播种作业的质量。研究排种器的排种性能一般采用理论分析和试验方法。油菜种子是生物质材料,个体间的机械特性呈各向异性,理论分析时一般将油菜种子视为各向同性刚体,研究的结果存在一定的误差。试验研究时,需要制造出排种器样机和试验装置,特别是研究结构参数对排种性能的影响时,势必要制作一系列的排种器,试验成本较高、周期长。随着计算机软件技术和硬件水平的提高,近年来有学者采用计算机辅助设计和分析技术( CAD /CAE) 对排种器的工作性能进行研究。刘俊峰在建立排种器各工作过程数学模型的基础上,用Visual Basic编程,对排种器工作过程中种子的运动进行动态模拟[1]。于建群、付宏等将Auto CAD与离散元法结合开发出精密排种器的集成分析设计系统,并运用该系统对玉米、大豆等排种器进行设计研究[2]。纪玉杰通过对AutoCAD二次开发,对玉米精密排种器工作过程进行离散元仿真分析[3]。廖庆喜、石林榕采用EDEM软件分别对离心式排种器和水平圆盘排种器的排种性能进行了仿真分析[4,5]。心男基于EDEM - FLUENT耦合对气吹式排种器工作过程进行了仿真分析[6]。本文基于离散元法对偏心型孔轮式油菜排种器排种过程进行仿真分析,研究种子箱中活动籽粒的分布规律,测定、考查排种均匀性和各行排量一致性等性能参数,探明排种量随型孔轮转速的变化规律,并进行试验验证。
1 型孔轮式排种器的结构和主要参数
型孔轮式排种器的结构如图1所示。
工作时,转轴经小齿轮带动内齿型孔轮转动,种子箱中的种子在重力、相互挤压力及型孔轮的搅动综合作用下,充到型孔中并随型孔轮一起运转; 清种毛刷刷掉型孔外沿外面多余的种子,充填到型孔中的种子随型孔轮运转到护种环下部开槽处时,靠自重落下投种。型孔轮上有3圈型孔,沿轴向均匀分布,每圈12个。型孔呈圆柱型,内径为5mm,主要用于油菜籽播种。
2排种器的离散元模型的建立
油菜籽是散粒物料,在播种作业中表现出复杂的运动和力学行为,适宜用离散元法来求解。油菜籽粒表面光滑、无粘附力、流动性好,形态为球形,在仿真计算中将其简化为硬球模型。排种作业时,籽粒和籽粒之间、籽粒和实体边界之间有接触和分离两种状态。籽粒之间的物理机械特性呈各向异性,从统计意义上看在特定范围内呈正态分布。籽粒之间、籽粒与壳体和型孔轮之间的接触模型,选用Hertz - Mindlin无滑动接触模型。试验用油菜籽为湘杂油1613号,其物理特性参数及接触参数如表1所示。
为减少计算量,对实体模型进行简化。省略与籽粒没有直接接触的零件,因为暂不研究籽粒与外壳、籽粒与卸种板的作用力,将外壳与卸种板联成一体,建立其内腔的表面模型; 型孔轮采用实体模型建立。几何模型简化为由型孔轮和壳体两个零件组装而成的装配体,两零件的材料为钢材。将几何模型导入离散元软件EDEM,设置好物理特性参数、接触参数、运动参数,建立籽粒模型和粒子工厂,生成籽粒并充填,得到离散元仿真模型,如图2所示。
3 仿真计算及后处理分析
仿真计算分成两步进行: 先用1. 2s的时间生成10 000粒( 40g) 油菜籽粒,添加到种子箱; 再在1. 2 ~5. 2s时间,依次设定型孔轮以转速20、40、60、80、100r / min运转,进行排种仿真。仿真的时间步长一般取理论最大步长TR的20% ~ 40%[10]。本模型仿真计算的时间步长取35% TR,采用4CPU并行计算。仿真完成,进行后处理。
3. 1 籽粒的排种过程分析
排种器的排种过程包括囊种、清种、护种、投种等过程。将型孔轮以点线形式显示,仅截取种子箱局部各关键时刻点的图片,如图3所示。
图3 ( a) 为10 000粒油菜籽装入种子箱时的截图。由图3( a) 可见: 籽粒随机落入种子箱的一个位置,在重力、摩擦力、碰撞力联合作用达到稳定状态;在型孔轮的上表面籽粒随机紧凑分布,测定充填的孔隙率为4. 19×10- 9; 图3( b) 中的点线为型孔的轮廓线,此时最上面的一排3个型孔分别有3、4、5粒种子冲入型孔,第2排型孔有籽粒开始进入型孔; 到达图3( c) 时,第1排型孔中籽粒从种子分离开来; 图3( d)显示第1排型孔完成充种过程。
为了呈现某粒种子完整的排种过程,将排种器壳体透明显示,选定其中的1粒种子,设置以流线方式显示,以不同的颜色代表籽粒的速度; 在后处理模块中,录制排种图片和动画。
图4为4770#籽粒经历的囊种—清种—护种—投种的排种过程图。该粒种子在1. 88s时,进入第3排的型孔; 在2. 24s通过清种毛刷; 2. 24 ~ 3. 22s这一时间段在型孔轮和护种环的联合作用下,完成护种过程; 在3. 26s时从型孔中脱出、投种。逐桢播放动画,可截取囊种、投种等关键时刻点的图片。
3. 2 排种量的测定方法
在型孔轮3排型孔的投种口分别设置一个网格单元组,可以统计出从型孔轮开始转动到仿真结束时,3个投种口的每个时步的排种量和累计排种量。图5为型孔轮以20rpm转过后5. 2s时3排型孔的累计排种量,从左至右分别为81、76、80粒。
4 结果与分析
4. 1 种子箱中种群运动分析
籽粒落到种子箱中,稳定状态时是无序地、随机地分布在种子箱中,如图3 ( a) 所示。随着型孔轮的转动,紧贴型孔轮外表面的籽粒在摩擦力作用下,随着型孔轮运动,种子群逐渐并沿圆周方向排列成行( 见图4) ) ; 充入型孔的种子由上面和两边的籽粒补充入行,碰到清种毛刷的籽粒被反向刷回到种子箱内。为了研究种子箱中籽粒的运动情况,将种子箱中的种子沿型孔轮的径向方向,由内向外每隔4mm分成7层( 见图6) ,统计每层中活动籽粒的数目( 见图7) 。由图7可知: 最内层型孔中的籽粒均随着型孔轮在运动,由内向外,活动的籽粒数目越来越少。第4层中活动的籽粒仅占35% ,并且速度均低于0. 048m /s。可见,型孔轮搅动的籽粒主要集中在靠近型孔轮表面的内面3层,3层以外被搅动的籽粒很少。
4. 2 排种均匀性分析
排种均匀性是指种子在同一行内纵向分布的均匀程度,是衡量作物田间分布质量的主要指标。一般用每穴种子数的变异系数来衡量: 变异系数越小,表示每穴播量越均匀。仿真计算完成后,对每个型孔建立一个选择集,统计型孔轮在回转1圈中每行每穴的籽粒数目。钢质型孔轮在仿真计算完成后,抽取1圈,对每行每穴的排种量进行统计分析,如表3所示。由表3可知: 排种均匀性变异系数随着型孔轮转速的增大而增大,当型孔轮的转速为20、40、60r /min时,排种均匀性变异系数远小于谷物播种机技术条件( JB /T6274. 1 - 2001 ) 中规定的45% ,每行排种的均性较好。随着转速的增加,排种器的囊种性能变差; 当转速超过80r /min时开始有漏播,排种均匀性变异系数超过45%。因此,本排种器适宜的工作转速小于80r/min。
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4. 3 各行排种量一致性分析
各行排种量一致性是衡量作物田间分布质量的主要指标,主要反映排种器的制造精度、排量控制和调节机机构设计合理性等方面的问题。一般用各行排种颗粒数的变异系数来比较: 变异系数越小,各行排量的一致性越好。由表2可统计出5种转速下3行之间的排种颗粒数变异系数。前3种转速下分别为3. 35% 、4. 6% 、2. 94% ,排种颗粒数变异系数很小,3行排种量的一致性好。转速80r /min和100r /min时,分别为17. 21% 和17. 17% ,排种颗粒数变异系数比前3种转速时的明显偏大,说明转速超过80r /min后排种的一致性变差。
4. 4 转速与排种量的关系
排种量分为单圈排种量和每分钟的排种总量。由表2可统计出型孔轮转过一圈的累计排种量( 单圈排种量) 。单圈排种量随转速的增加反而减小,如图8所示。这是由于转速越高,型孔来不及充满种子,就转过种子箱,进入后续的清种护种过程; 但每分钟的排种量并不是单调递减的。型孔轮转速较低时,排种量随转速的增大而增大,当转速超过80r /min后,每分钟的总排种量略有下减少。这是由于转速越高,单位时间内转过的圈数多,排种量就大。因此,比较不同转速下单圈排种量更就有实际意义。
5 试验验证
验证试验在湖南省现代农业装备工程技术研究中心的排种试验台上实施。试验台主要由机架、调速电机、输送皮带、电 控装置等 组成; 另外,还用到MP200B电子天平( 称量范围200g、精度0. 01g ) 、DT- 2235A接触式数字转速仪及秒表等试验设备。
将排种器及接种杯安装到试验台上,调速电机通过联轴器和排种器连接,试验装置如图9所示。
用转速仪标定好主轴转速,使型孔轮的转速依次为20、40、60、80、100r /min,在种子箱种加入50g试验油菜籽,用量杯接住排种口。启动电动机,同时开始计时,连续运行2min,称量每行的排种量并换算成每分钟的排种量,重复4次取平均值。试验结果如表4所示。对比分析试验数据与仿真结果 ( 见图10) 可见: 各种转速下,每行的排种量试验值比仿真值偏大,计算试验值和仿真值的相关系数为0. 81。这说明,仿真分析的结果是可信的。
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6 结论
1) 采用Solid Works软件建立偏心型孔轮排种器的三维实体模型,基于离散单元法对其排种过程进行仿真分析。研究了种子箱中活动籽粒的分布规律,详细分析了充种过程和投种过程,给出籽粒排种全过程的运动线图,测定了投种角、排种量等参数。
2) 对型孔轮5种转速下的排种过程进行数值模拟得知: 每分钟的排种量随着转速的增大而增大,单圈排种量随着转速的增加反而减小。试验验证的结果和数值模拟的结果基本一致。型孔轮转速在20 ~60r / min时,排种均匀性和3行排种的一致性较好; 型孔轮转速超过80r /min后,开始出现漏播。因此,本排种器适宜的工作转速小于80r /min。
