双粒舵轮气吸式精密穴播器的设计

中 文 摘 要I摘 要本文针对玉米的播种要求设计出了性能可靠、结构简单、布局合理的双粒舵轮气吸式穴播器，实现一穴两粒精播玉米的功能。气吸式排种器是利用高速风机产生负压传给真空室，在真空室负压作用下吸附种子，并随排种盘一起转动。当种子转出真空室后，不再承受负压，就靠自重或在刮种器作用下下落，完成一次排种，对种子外形尺寸要求不严，伤种率小，排种质量高。而舵轮式穴播器可实现作物的定距、定穴、定行的精密播种，具有投种准确、可靠，无空穴等特点。因此可集成气吸排种和舵轮成穴播种技术，实现精量、精密播种，最大限度的减少空穴率。本文对舵轮穴播技术与气吸排种原理进行了理论分析，给出了相应的结构参数和气吸参数，并对影响播种质量的各种因素进行了分析，从而设计出了双粒舵轮气吸式精密穴播器的整体结构。此穴播器能一次性完成双粒气吸排种与成穴点播，保证每穴必有种子，最大限度的杜绝了空穴率，提高了播种精度和播种质量，保证高出苗率，满足了农民朋友的要求。关键词：双粒；气吸式；舵轮；精密播种；穴播器英 文 摘 要- II -AbstractIn this paper, requirements of maize planting design and reliable performance, simple structure, reasonable layout of the two-particle bunch planting wheel air-suction device, to achieve a two point function of precision sowing corn. Air-suction metering device is the use of high-speed blower vacuum chamber to produce negative pressure in the vacuum chamber under negative pressure adsorption seeds, and seed set in conjunction with the rotation. When the seeds out of the vacuum chamber, the vacuum is no longer affordable, we rely on self-scraping device or under the whereabouts of the completion of the first seed to seed size not strict, the rate of injury of the small, high-quality seed. Hill-drop and wheel-type can be fixed from the crop, will be point, the Precision line will be planted with species for accurate, reliable, non-hole and so on. It can be integrated suction and seed planting wheel cavitation technology, precision, precision planting, the maximum rate of decrease in the hole.In this paper, bunch planting wheel technology and the principle of suction seed theoretical analysis, given the structural parameters of the corresponding parameters and air absorption, and the quality of the impact of planting a variety of factors are analyzed in order to design a dual-grain wheel precision air-suction the overall structure of hill-drop device. This hill-drop device can complete the two-particle one-time seed-suction cavitation and demand, to ensure that there is each hole seeds, put an end to the maximum rate of the hole to improve the accuracy and sowing the seed quality, and ensure a high germination rate, to meet a friend of farmers requirements.Key words: Two-particle; air-suction; wheel-type ;precision planter; hill-drop planter目 录- III -目 录摘 要 . IABSTRACT（英文摘要） . II目 录 . III第一章 引 言 . 11.1 课题研究的意义 . 11.2 精密播种器国内外发展及趋势 . 21.2.1 国外精密播种机的发展情况 . 21.2.2 国内精密播种机的发展情况 . 31.2.3 播种机的发展趋势 . 5第二章舵轮气吸式排种器的理论分析 . 72.1 舵轮穴播器的理论分析和参数设计 . 72.1.1 成 穴 器 的 原 理 分 析 . 72.1.2 成 穴 器 的 运 动 方 式 . 82.1.3 舵 轮 盘 半 径 R 与 成 穴 器 个 数 Z 的 确 定 . 92.1.4 鸭 嘴 斜 角 a 的 确 定 . 102.1.5 入 土 鸭 嘴 高 度 h 的 确 定 . 102.1.6 入 土 鸭 嘴 宽 度 l 的 确 定 . 112.2 舵轮气吸式排种器的机理分析 . 112.2.1 种 子 在 吸 附 过 程 中 的 区 间 划 分 . 112.2.2 种 子 在 吸 附 过 程 中 的 受 力 分 析 . 122.2.3 真 空 度 的 分 析 . 132.3 投种高度与投种速度对播种质量的影响 . 142.4 最佳落种角与种子运动轨迹在水平面上投影距离的确定 . 14 2.5 凸轮的结构参数设计 . 172.5.1 凸轮的轮廓设计 . 172.5.2 凸轮偏心角的确定 . 172.6 本章小结 . 18目 录- IV -第三章 双粒舵轮气吸式精密穴播器的设计 . 203.1 工作原理 . 203.2 主要工作部件的设计 . 213.2.1 吸 种 盘 与 搅 种 器 的 设 计 . 213.2.2 舵 轮 穴 播 盘 总 成 的 设 计 . 243.2.3 储 种 盘 的 设 计 . 253.2.4 吸 风 盘 的 设 计 . 263.2.5 刮种器及刮种调节器的设计 . 273.2.6 鸭 嘴 及 鸭 嘴 转 动 的 设 计 . 283.3 本章小结 . 29第四章 影响播种质量因素理论与穴播器故障分析 . 304.1 影响播种质量因素理论分析 . 304.1.1 种子落入种床时的动能对播种质量的影响 . 304.1.2 排种盘转速与真空压力对播种质量的影响 . 304.1.3 吸孔型式和吸孔直径对排种质量的影响 . 314.1.4 投种高度与投种速度的对播种质量的影响 . 314.1.5 刮种器与拖拉机作业速度对播种质量的影响 . 324.2 双粒舵轮气吸式穴播器一般故障及其产生原因 . 324.3 本章小结 . 33第五章 结论 . 34参考文献 . 35致谢 . 36第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 课题研究的意义玉米是我国三大粮食作物之一，其种植面积和总产量仅次于美国，居世界第二位。玉米籽粒含有丰富的营养，它不但是重要的粮食，而且是发展畜牧业的重要饲料，又是轻工业、食品业等不可缺少的原料之一。同时玉米秸秆也是优质饲料、医药、化工和建材原料。因此，玉米生产对工农业的发展起着举足轻重的作用，搞好玉米生产加工对农业、农民、农村乃至整个国民经济都有重要意义 1。玉米播种是玉米种植生产过程中第一道工序，也是保证玉米丰产丰收的一个关键环节。“种好收一半”是长期生产实践对播种重要性的总结，合理的推广应用玉米精密播种机械已成为实现玉米增产增收的关键。玉米精密播种机械化技术是一项涉及农机、农艺、土肥、种子、植保等多学科的综合性的先进技术，目前发达国家已经形成相当完善的体系，并普及推广应用。我国从上世纪50 年代开始开发和研究精密播种机以来，至今没有得到全面的推广应用。原因在于一方面人们对传统农业种植方式的习惯或迷恋和对精密播种技术的认识与了解不够深入，另一方面是实现玉米精密播种机械化的关键机具性能不完善，以及实现精密播种相应的配套环节不健全 2。精量穴播器能大大提高种子利用率，节约种子，降低成本，是农业增产丰收的重要措施之一。穴播器是播种机的核心部件，是决定播种机特性和工作性能的主要因素。播种机工作性能的优劣将直接影响到播种作业生产率及作物出苗的质量，所以必须对穴播器进行研究。首先，在精量播种实施过程中，无论是在理论上还是实际应用中依然存在不少问题。针对这些问题本文通过对双粒舵轮气吸式精密穴播机的研究，对玉米精量播种技术的实践具有理论指导意义。其次，精量播种能减少成本，减少田间间苗、定苗用工。如本课题研究的双粒舵轮气吸式精密穴播机能在中国广大地区推广应用，实现对玉米的精量播第一章 引 言- 2 -种，降低玉米种植过程中的成本，提高生产效益，因此，进行本课题的研究对玉米生产和国民经济的增长都具有较高的应用价值 3。由此可见，正确认识当前玉米精密播种机械化的研究现状，弄清其发展趋势，对于开发和研制符合农艺要求的玉米精密播种机械，推动玉米精密播种机械化技术的发展和指导实际生产具有重要的现实意义。第一章 引 言- 3 -1.2 精密播种器国内外发展及趋势1.2.1 国外精密播种机的发展情况目前在欧美国家中，耕作的播种已基本实现精密化。精密播种机的核心部件是排种器。国外现在正在生产和使用的精密排种器主要可分为两大类。机械类主要有窝眼轮式、垂直圆盘式、水平圆盘式、倾斜圆盘式、指夹式等。气力式排种器的型式主要有气吸式、气吹式、气压式三种。气 力 式 精 密 播 种 是 一 项先 进 的 播 种 技 术 。 国 外 气 力 式 精 密 播 种 机 主 要 应 用 在 中 耕 作 物 上 ， 按 排 种 原理 可 分 为 气 吸 式 、 气 压 式 和 气 吹 式 三 类 播 种 机 4。气压式是靠种子重力和刮种器完成刮种，如美国的哈维斯特公司的 Cyclo-500 型气压式播种机的播种器，主要由排种滚筒、毛刷刮种器、橡胶卸种轮等部件组成。作业时，风机将气流压入排种滚轮和种箱，种子在自重和气压差的作用下，被压附在窝眼内并随之转到上部，多余的种子由自重回落，少数窝眼上存在的多粒种子由毛刷刮下，因而转到上部的各窝眼内仅留下一粒种子，形成单粒精密播种。该播种器工作可靠、均匀度高。与气压式相比，气吹式播种器是用高速气流吹走多余的种子 5，如德国贝克尔公司的 acromat-型气吹式播种机利用增压气流清种，使窝眼内仅保留一粒种子，还利用余压充种，播种幅宽大，速度高，生产率也高 6。在这三种类型的播种器中，气吸式垂直圆盘式因结构紧凑，排种性能和通用性较好，可以精密点播、穴播多种作物而被国外许多精密播种机所采用。其工作原理是垂直圆盘上的吸孔利用圆盘两侧形成的负压吸种，随着播种盘的旋转将种子带入无吸力区，种子靠自重落入种沟。如南斯拉夫的泼尼玛什-型气吸式播种机的播种机构采用气吸式垂直圆盘式，盘的一面是真空室与风机吸风口相连，使种子室产生负压。盘的另一面是种子室，作业时播种盘旋转，吸孔在充种区吸附种子，经过刮种器刮掉多余的种子，从而使每个吸孔只保留一粒种子。种子在开沟器上方转出真空室，吸力消失，种子靠自重下落到种沟里。能够节约种子和节省劳力，但也有整机重量大、需要大马力拖拉机配套、使用不方便等缺点 7。在 1976 年前后，德国研制了 GS-23 气吸式小麦精密播种机，其播种器是由种子室和真空室组成，但是该机难以实现单粒排种，而且播种均匀度很差，重播严重。后来，法国研制出一种单粒第一章 引 言- 4 -气吸式小区播种机，它的播种器是一个安装在转轴上的金属盘，盘的周缘侧布着若干个吸嘴与圆盘内腔的真空负压相连。该机通过更换不同的吸嘴可以播种小麦、玉米，向日葵等作物。但是，由于小麦和中耕作物种子形状的差异，用改进后的中耕作物的精密播种机不能达到小麦精播的技术要求 8。80 年代初，奥地利 Winterstersteiger 公司研制成功了由一个固定的带螺旋槽的圆盘和一个带有径向槽的圆盘相叠的组合吸孔式播种器的小区精密播种机。该机通用性好，可播种各种规格的种子，精确性高，无清种装置，具有良好的单粒播种效果，在世界各国的小区育种作业中得到广泛应用，但该机成本高，结构复杂，作业速度低，不能应用大田生产 9。目前，在欧美等西方国家已广泛使用气力式精密播种机械，精密播种机上除了设有完善的整地、施肥、喷药、覆土及镇压装置外，液压技术及电子技术也广泛应用在播种机上。其中气流一阶分配式、集排式排种系统已大量应用在谷物条播机上。同时，新的排种理论也相继应用到播种机械中，如荷兰 VISSER 公司、美国 BLACKMORE 公司的针式（又称吸嘴式）精密播种机、美国文图尔公司的齿盘式精密播种机等 10。分析上述国外精密播种器的研究状况看出，国外已对精密播种机进行了长期的研究，结构样式多种多样，满足了中耕作物和某些蔬菜播种的农艺要求，并已实现系列化、标准化和通用性。而气力式精密播种器对种子规格和形状要求不严格，播种均匀性好。1.2.2 国内精密播种机的发展情况我国精密播种技术的研究已有 40 多年的历史。早在 20 世纪 60 年代中期精密播种技术的核心精密播种机就已问世。20 世纪 70 年代末，国家农机部曾在吉林省搞了玉米万亩精密播种试验点。由于当时尚不具备推广精密播种技术的农艺要求，这项技术没能普及推广。我国的排种器型式主要也是气力式和机械式两大类，其它还有磁力式和振动式等。我国的各种排种器大多适应的工作速度较低。机械式精密排种器和气力式排种器各有利弊，各有其不同的适用条件，气力式造价较机械式高许多。播种尺寸变异较大的作物种子，如玉米，以使用气力式播种机为宜。就我国的实际国情，机械式精密播种机在我国将发展的快一些，而气力式播种机将局限于一些种玉米、花生的较富裕地区。第一章 引 言- 5 -精量播种机的发展是随精播技术的发展而发展起来的。随着育种学、种子处理加工技术、农药、除草剂与水利灌溉技术的不断发展与完善，使种子的田间出苗率和保苗率有了一定保证，这给精密播种技术的应用创造了条件，推动了这一技术的研究与发展。我国精量播种机的研制与生产始于 20 世纪 70 年代，进入 80 年代日臻完善，到目前已处于成熟阶段。在国产的 136 种型号精量播种机中，大部分产地分布于东北、华北、西北地区，这与我国主要农作物大豆、玉米、高粱、小麦的种植主产区分布是相适应的。精密播种是指将定量的种子按精确的粒距与播深播入土壤中。我国目前生产的精播机可分为 3 类：（1）单粒精密播种机；（2）穴播机；（3）少、小量条播机。第一种类型机具，主要适用于大豆、玉米、高粱大粒或圆形种子的垄上和平地单粒等距点播，其中尤以大豆播种采用的最多，主要种植代表地区为东北。第二种类型机具，主要适用于玉米、高粱的定距定量穴播。仅具有穴播单项功能的机具很少，大多是兼有第一类和第二类的通用性机型，既可单粒等距点播，更换型孔式排种轮，又可进行等距定量穴播。第三种类型机具，主要适用于小麦的少、小量条播 11。近几年来，随着国外不同类型精密播种机的相继引进，我国精密排种器的研制工作已取得了很大的进步，新式播种机和不同型式的排种器也不断出现。例如，吉林工业大学李成华研制成功的倾斜圆盘勺式排种器、江苏大学胡建平等发明的磁吸式精密播种机都是较新型的精密排种器；北京农业工程大学研制的振动式排种器及双辊动静式排种器 12，其精播小麦机速高于 4km/h，但作业性能差；黑龙江八一农垦大学新研制的 XGJP 多用型孔式精密排种器是高速精播大豆等小粒距作物的一种机械式排种器，其播种速度达 11km/h，但需严格精选种子才能工作；被称为我国在机械式精密排种器研制方面的一次重大突破的内侧囊种垂直圆盘式排种器，排种频率为 22.11 次/s，株距合格率达 90%；中国农机院研制的 2BJ-16 气力式精密排种器采用气吹原理，也具有较高的排种频率；吉林工业大学研制的气力轮式精密排种器可高速精播小粒距作物，作业速度较高，粒距合格率达 91%，而且所需气源全压为 4.1kPa，同其它高速精播排种器相比，具有结构简单、制造容易、操作方便等优点。新式播种机和不同型第一章 引 言- 6 -式的排种器也不断出现，如吉林工业大学李成华博士后研制成功的倾斜园盘勺式排种器，于建群博士的直播式玉米播种机等都是比较新颖的精密播种机 13。1.2.3 播种机的发展趋势当前，国内外播种机械发展总的趋势有以下几个方面：1、提高播种机的适应性是当前播种机主要发展方向之一。如在一台播种机上换装不同形式的开沟器，行距可调和同一型号有不同行数的变型，以适应不同地区、不同土壤的要求采用通用性好的排种器或在一台播种机上换装不同型式的排种器，以适应多种作物和多种形式排种点、穴、条播的要求。增加播种量调节的级数和精细度，以适应不同种子和播量的要求。2、单粒精密播种机迅速发展。在国外，中耕作物如甜菜、玉米、棉花和某些蔬菜、豆类的播种都已大量采用精密播种，主要采用机械式和气力式两种精密播种机。由于气力式播种机对种子尺寸要求不严，不需精选分级，容易达到单粒精播，而且通用性较好，又能适合较高速播种，因此使用气力式播种机越来越多。为了达到单粒精播，提高株距均匀性，大多采用可精调的刮种器，将多余的种子清除掉为了降低投种高度，减小种子下抛速度与前进速度之间的相对速差，而设置导种轮或导种管。但是，精密播种受高速作业的影响很大，高速精密播种机还有待进一步发展、完善 14。3、提高作业效率是播种机发展的重要一环，是播种机械发展的第一走向。没有效率就无发展而言，效率是发展的最终追求目标。提高工作速度和增加工作幅度提高工作速度及增加工作幅度用以提高播种的生产效率是近年来播种机发展中最为普遍的趋向。随着高速排种器的发展，特别是大功率拖拉机的不断发展，近年来播种机工作速度提高的很快。目前国外谷物播种机的工作速度，就其本身来说，已达到 15km/h，个别机型甚至达 20km/h，已达到驾驶员所能忍受的极限速度。但在目前实际使用中，由于受整地质量、土壤各方面条件的限制，工作速度大多采用 812km/h。由于播种速度的提高不是无限制的，速度过高将导致播种质量的恶化。所以，尽管提高工作速度是提高播种机组生产率的最经济途径，但由于工作速度的提高受诸多方面因素的影响，因而速度的提高有一定限制。第一章 引 言- 7 -总 之 ， 现 代 种 植 业 中 ， 精 密 播 种 技 术 迅 速 发 展 ， 与 此 相 应 的 精 密 播 种 机械 的 研 制 和 生 产 也 将 更 加 迫 切 ， 特 别 是 精 密 播 种 器 新 原 理 新 结 构 的 研 制 和 开发 势 在 必 行 。 现 有 播 种 器 对 种 子 适 应 性 差 ， 今 后 应 加 强 高 水 平 通 用 播 种 器 的研 制 。 广泛采用新原理、新结构、新材料、新工艺，以减轻重量、减小阻力、延长使用寿命和保养周期，降低生产、使用费用，是近代播种机发展的另一特点 15。第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 7 -第二章 舵轮穴播技术与气吸排种原理的理论分析该研究将舵轮穴播技术与气吸排种原理有机结合，本章就舵轮穴播技术与气吸排种原理及影响播种质量的参数进行理论分析，并对种子的力学和运动特性进行理论分析。2.1 舵轮穴播器的理论分析和参数设计2.1.1 成穴器的原理分析成穴器是舵轮穴播技术的关键，其工作原理(如图 2-1)是工作时，舵轮在机架的牵引和土壤对入土器总成的反作用力下在地面上滚动，当轮盘上的各分种腔转到落种口处时，由排种器连续排下的种子落入分种腔，随着舵轮的滚动而汇入入土器总成的鸭嘴状出口，在该入土器总成插入土壤到达预定深度时，滑块开始沿凸轮爬升，经压杆顶起的内套筒强制打开其鸭嘴状出口，将种子投入穴中。随着舵轮的滚动，该入土器总成出土，其滑块在弹簧的作用下沿凸轮曲面回落，内套筒收回，关闭鸭嘴状出口。各入土器总成随舵轮的滚动重复上述工作，形成连续作业 16。 图 2-1 双粒舵轮气吸式穴播器第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 8 -舵轮穴播器理论分析：以凸轮的中心为原点，机器的前进方向为 X 轴，竖直向上为 Y 轴，则入土端的参数方程为：(2-1)tdRdtvxsl 00co)H()式中：v 播种机前进速度 大轮盘半径s 大轮盘转动的角速度t 播种机运动的时间 X 入土端沿播种机前进方向的位移Y 入土端垂直方向的位移 H入土器在轮盘外的长度 图 2-2 穴播器入土端运动迹入土器入土端的运动轨迹为摆线，如图 2-2 所示 17。2.1.2 成穴器的运动方式成穴器是播种机的关键部件之一，当舵轮穴播器工作时，成穴轮沿地面滚动，鸭嘴依次压入土中，打孔并挤压出一定深度的穴孔。穴孔的形状和大小与成穴器的结构参数和运动参数有关。图 2-3 成穴器运动简图图中： 为成穴轮半径，a 为鸭嘴后面斜角，h 为入土器在轮盘外的长度，5R第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 9 -H 为播深， 为鸭嘴转角， 为鸭嘴最外端半径 ，R 为滚动hRHhRsh半径，R=R /(1- )， 为成穴轮滑移率，滑移量 ，成穴轮转s slnlS2n 圈时实际通过的距离，L 为鸭嘴的宽度。若成穴轮在地面上滚动时作纯滚动，则成穴轮轮缘上各点的运动轨迹是一摆线，而入土器是安装在成穴轮外的锥体，所以入土器上各点的运动轨迹属于余摆线。通过实际观察及理论分析得知，成穴轮滚动时并非作纯滚动，而是有一定量的滑移。如果考虑成穴轮的滑移对成穴器穴孔轮廓的影响，则入土器上各点的运动轨迹会因滑移量 S 的不同而变化。为了对穴孔形成的过程便于分析。首先建立坐标系如图 2-3，XOY 平面垂直于轮盘轴线，坐标原点 O 位于轮盘轴线以下 R 处，R= /（1-S)，在 MY 平面上，轮盘的滚动实际上相当于半径5为 R 的圆沿 OX 的纯滚动。那么打孔过程中鸭嘴上任一点的运动方程为其参数方程：（2-)sin(1xs2）（2-)cos(1Rys3）式中 R 为鸭嘴上该点与轮盘轴心的距离。Y 为鸭嘴上任一点与轮盘轴心的连线，与鸭嘴中点与轮盘轴心连线之间的夹角。当鸭嘴上任一点取在鸭嘴中点与轮盘轴心连线的右侧时，Y 角前取负号；当鸭嘴上任一点取在鸭嘴中点与轮盘轴心连线的左侧时，Y 角前取正号。2.1.3 舵轮盘半径 R 与成穴器个数 Z 的确定轮盘半径 R 主要与播种穴距、播种深度、成穴器个数等有关，其大小对穴孔大小有一定影响。一般的播种穴距大，一圈成穴器个数分布多，就要求轮盘第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 10 -半径大；反之则小。根据成穴规律，穴孔纵剖面为“V”字形，在相同播深的情况下，轮盘半径越大穴孔越小，但轮盘尺寸过大，增加整机的重量，对整组悬挂极为不利。考虑上述诸因素，经反复试验，轮盘半径 R 以 160300mm 为宜。穴播器工作时有一定滑移，经理论分析，穴播器的实际滚动半径 为S(2-4)10)(Rshk式中 h0为鸭嘴在轮盘外的高度； 为作物的播种深度；k 为一常数，可通1h过试验确定，其值与土壤松软程度有关，当土壤表层及深层均很松软，k 取1/2，当土壤表层很松软，深层较坚硬 k 取 1。(2-5)L）（ 2/hRZ0(2-6)20一般来说，R 和 Z 应综合确定，首先初选 R 值，代入(2-5)式计算 Z 值，若穴播器用作种肥间隔播施，Z 必须取与计算值相邻的偶数，若只用作播种或施肥用则即可取奇数也可取偶数，但为了便于加工一般取偶数。Z 确定后，再反过来用(2-6)式确定 R。取 Z 为 8，经计算得 R=175mm。2.1.4 鸭嘴斜角 a 的确定 由图 2-3 可以看出，此时孔是近似于垂直地表的插入形成的，因而可以避免土壤自下而上进入入土器内。在保证鸭嘴工作时不堵土不挖土的情况下鸭嘴后面角。可按下式确定：（2-hRasrco7）经过计算后选取 a=40 。02.1.5 入土鸭嘴高度 h 的确定入土鸭嘴高度 h 不仅影响孔深还影响出土时的尖端刮土，根据玉米的播深第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 11 -要求 H=35mm，据式（2-)90cos(1aHkh8）其中 ，经计算后选取 h=57mm。.251k2.1.6 入土鸭嘴宽度 L 的确定根据成穴轮盘的直径和保证种子下落过程中不与鸭嘴发生碰撞，在一般情况下取（2-)90tan(2hkL9）其中 经计算后选取 L=29mm。6.42k2.2 舵轮气吸排种机理分析气吸式排种装置的吸附部件主要由吸种盘、吸风盘、储种盘、真空连接管、风机等组成。气吸式排种器的工作过程为：吸种盘的一侧为真空室，真空室通过吸风道在储种盘与风机相通，另一侧与储种盘相接。风机工作时，真空室形成负压，吸种盘转到吸种区时，种子依靠真空室的内外压差被吸附在吸孔上，并与吸种盘一起运动，吸种盘将种子携带至投种区，投种区的吸种盘两侧均与大气相通，真空度为零，种子在重力的作用下下落，投入鸭嘴中。2.2.1 种子在吸附过程中的区间划分本试验采用气吸原理来吸附种子，靠种子自重下落的方式来进行投种。图（2-4）为本试验采用的气吸式排种器吸种盘的弧段分区 18。第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 12 -图 2-4 吸种盘弧段分区图根据吸种过程的不同来划分，吸种盘被分为吸种区、携种区、和空程三部分，如图 2-4 所示。排种器沿反时针方向旋转，空程区间结束后，在 A 点处，吸种孔进入吸种区，在此区间内，种子在负压的作用下被吸附于吸种孔上；当旋转至 B 点时，在刮种器的作用下，吸附的多粒种子变成双粒，此时为携种区；当旋转至投种点 C 点处时，此时压力平衡，种子靠自重下落，掉入种沟内，吸种孔随后转入空程区，经过空程区后又进入吸种区开始下一个循环。2.2.2 种子在吸种过程中的受力分析种子在吸附过程中的受力分析，如图 2-5 所示。图 2-5 种子受力分析第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 13 -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=mR 2(m 为种子质量； R 为种子重心到排种盘中心的距离； 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Fd/2T h (2-10)式中，F 种子受到的吸附力， F=(d 24)(Pa-P 1)。其中，Pa 为大气压力，P 1 为真空室压力。由式(2-10)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。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，d=(0.640.66)b (2-11)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。2.2.3 真空度的分析真空压力的大小受种子类型及品种的制约，每一种作物品种都真空压力的大小受种子类型及品种的制约，每一种作物品种都有一个最佳的真空压力范围。真空度减小时，漏吸率会增大，当真空度超过最佳值时，重吸率将会增加。同时，随着真空度的增大，漏吸率减小，重吸率略有增加，排种性能有所改善，但对排种质量影响不明显。原因是气压值过低时吸附力不足以克服种子的重力使囊种率下降漏播增加，反之，重播增加。实际工作中由于风机与排种器之间存在管路压力损失（一般为 40%左右）及机器振动的影响，在设计时一般取值第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 14 -稍大。吸室真空度（即吸种盘吸种孔所需的吸力）直接影响到吸种孔吸种的性能，它与种子的形状、大小、吸种孔直径和吸种盘线速度等有关。如果吸室真空度过大，一个吸种孔上就可能吸附几粒种子，从而出现重播现象，因此吸室所需真空度不是越大越好，有必要限制吸室所需真空度最大值Hcmax，根据种子受力及其运动过程的特点，按（2-12）式可计算出吸室所需真空度最大值 Hcmax19。（2-)1(280231max grvdCkc12）式（2-10 ）中：d吸种盘上的吸种孔直径，d=3mm；C种子重心和排种盘之间的距离，C=0.3mm；m粒种子的质量，m=千粒重/1000=51.432/1000=5.143210 -4kg；Vr吸种盘吸孔中心线速度，Vr=0.58m/s ；r吸种盘吸孔处的转动半径，r=0.08m；g重力加速度，g=9.8(N/kg)；种子的摩擦阻力综合系数，=(610)tg ， 为种子的自然休止角；=10tg28=5.32；K1吸种可靠系数，即考虑种子架空或相互碰撞而影响吸种效果所必须增大真空度。K 1=1.82（一般种子千粒重小，形状近似球形，选择较小值），K1=2；K2外界条件系数，即考虑外界震动或冲击对种子吸附的影响；K2=1.62（种子千粒重大时， K2 选大值），取 K2=1.8。第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 15 -由（2-12 ）式可以看出，Hcmax 与吸孔直径、种子的物理机械特性（种子的重量、形状和自然休止角）、吸种孔处的线速度、吸种孔旋转半径等因素有密切关系。气吸式排种器所需真空度最大值可以通过给出相应数据算得，求得Hcmax=5.82kPa。2.3 投种高度与投种速度对播种质量的影响投种高度(投种口至种沟底面的距离)是决定投种时间的重要参数，对排种均匀性有很大影响。从排种口均匀排出的种子经过这段路程后，由于受空气阻力和导种管壁碰撞的影响，使种子无法保持初始时的均匀间距。投种高度愈大，种子经历的路程愈长，所受的干扰就愈大，加剧种子分布均匀性变差。因此，应尽量采取与种子下落轨迹相吻合的曲率及降低投种高度。2.4 最佳落种角与种子运动轨迹在水平面上投影距离的确定播种机在作业运动中，最适宜的落种角 (见图 2-6)所示，图 2-6 为种子脱离吸种孔后的速度分析图。在种子运动过程中，为了选择吸种盘的最佳落种角，我们假定种子的运动不受冲击作用，无碰撞，忽略空气阻力，其中落种角 为种子落种所沿吸种盘的径向方向与垂直方向的夹角，以吸种盘转动的反方向为落种角的正方向。图 2-6 种子速度分析图播种机处于任一工况，在定坐标系中。种子离开排种盘到与土壤接触时为止，种子运动轨迹在水平面上的投影距离为：第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 16 -x=(V m-Vx)t （2-13）式中：Vm播种机的前进速度(m s)；Vx投种时种子初速度的水平分速度(ms)；t种子下落时间(S)。为了选择落种角及确定落种角改变时对播种均匀度的影响，我们假定种子是一些质点，其运动不受结构要素的冲击作用，没有碰撞，忽略空气阻力，并认为排种盘转动的反方向为落种角的正方向，由此确定种子初速度的水平分速度和垂直分速度分别为：Vx=Vncos Vy=sin (2-14)种子在排种盘投种口的速度 V。实际上等于种子与排种盘同步转动时的线诛度。用具有韧速度的自由落体公式，可确定种子下落时间：Vyt+gt2=yt=(-Vy+ )g-1 （2-gy15）Y=Y0+R(1-cos)式中：Y0半径为 R 的排种盘圆周到地面的距离(m)；y落种点 A 到地面的距离(m)；考虑到(2-14)和(2-15)，公式(2-13)可写成：x=(V-V oCOS)-V osin+V o2sin2a+2gYo+R(1-cosa)/2g-1 (2-16)x 愈大，则种子与开沟器碰撞的机会增加，使种子在种沟内分布的均匀性变差。理论上当 Vm=V。COSa 时(即种子从投种口出来的绝对速度等于下落速度) 使 x=0。而如果使吸种盘与舵轮盘同步前进，改变投种方向，使种子直第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 17 -接落在舵轮盘内，则可以保证种子顺利由成穴器播入土壤中，此时在设计时只需考虑怎样选择最优投种点，保证种子进入成穴器内且发生最小弹跳，经分析后确定最适宜的落种角 a=22.5。从而改善了种子在种沟内粒距的均匀性。其设计图如下：图 2-7 吸种孔与成穴器角度2.5 凸轮的结构参数设计2.5.1 凸轮的轮廓设计当舵轮式穴播器工作时，由于凸轮的转动，推动活动鸭嘴运动，在穴孔最底端点将鸭嘴打开投种，投种结束后鸭嘴出土，靠弹簧拉力将关闭。准备进行下一次充种，所以凸轮是投种过程最重要的一个零部件，凸轮的轮廓形状就间接地决定了打孔和播种的准确性和一致性。凸轮设计就是根据功能需求确定从动件的运动规律，然后计算凸轮的轮廓曲线。凸轮的轮廓型形状是由从动件所需要的运动规律决定的。从动件需要什么样的运动，凸轮就相应地有什么样的轮廓形状。一定的凸轮形状，就决定从动件一个相应运动规律。凸轮轮廓形状与从动件的运动规律之间存在着一定的依第二章 舵轮穴播机数与气吸排种原理的理论分析- 18 -存关系。图 2-8 所示为凸轮机构，最小向径 r 称为基圆，h 为鸭嘴的最大行程，w 为凸轮的旋转角速度，由 A0 到 B 凸轮旋转角度用 0 表示，由 B1 到 B2 凸轮旋转1角度用 1 表示。凸轮机构 等速运动规律图 2-8 凸轮机构示意图2.5.2 凸轮偏心角的确定从动件的运动规律是与凸轮轮廓的形状对应的，为保证鸭舌打开的时候不堵土，关闭的时候不夹土，设计和安装凸轮时应使入土器鸭嘴到 A 点(最深位置)鸭