勺式玉米排种器工作原理及动力学分析研究

1、    勺式玉米排种器工作原理及动力学分析研究    李德鑫+于文昌+芦磊摘要：玉米排种器是玉米播种机的主要工作部件，其结构与性能设计直接影响播种质量。阐述勺式玉米排种器的结构与工作原理，详细分析排种器充种、清种、投种过程中种子的受力情况，以期为该类型排种器的设计与改进提供理论依据。关键词：玉米；排种器；原理；受力分析：s223.2 ：a ：1674-1161（2017）02-0035-03玉米排种器是玉米播种机的主要工作部件，排种器的精度和实用性直接影响播种进程与质量。以倾斜圆盘勺式排种器为例，研究勺式玉米排种器的工作原理及动力学分析，为提高玉米排种器

2、的精度提供新的可能性。1 玉米排种器的结构与工作过程倾斜圆盘勺式排种器主要由投种轮、分种盘、种箱及外壳等组成（如图1所示）。在工作过程中，玉米种子从种箱中掉落到分种盘，并在重力作用下落入排种轮毂的轮孔，经主轴的转动在到达出口处掉落，完成投种的过程。同时要保证种子在土壤中排列分布均匀化，实现精准投种。2 玉米排种器的工作原理当排种器在外界动力的作用下工作时，箱体内部的种子由于自身的重力原因落入分种箱充种。在主轴的带动下，分种勺盘也转动，此时种子在分种勺的作用下进行分种，这个过程呈现的是圆周运动轨迹；当被分种勺带动到装置的顶部时，种子便会落入排种轮内，由排种轮的转动带动种子送达投种口；当种子到达投

3、种口时，便会由于离心力的作用和自身重力原因脱落于土壤中；而后依靠播种器的尾部支撑轮等装置进行覆土和镇压。3 玉米排种器的动力学分析种子在排种器中的运动可分为3个部分：充种、清种和投种。在排种器动态运行的过程中，种子的运行受设备的影响较大。由于种子受到各种综合的作用力，若对其做精准的受力分析，过程非常复杂。为此，简化物理过程和物理量为：1） 视玉米种子为球体，种子半径r，质量m；2） 简化掉种子之间的相互碰撞力，以单位种子为研究对象。以此分析种子在装置中的不同阶段的受力过程。3.1 充种时种子受力分析1） 分种勺侧面种子的充种极限角。初始阶段，大量的种子涌进排种器内，状态无任何规律，贴近分种勺的

4、种子随着运动的过程进入勺内，其他未进入分种勺的种子会在重力和离心力的作用下绕中心转动。以进入分种勺的种子为研究对象，其受力情况如图2所示。种子在分种勺的位置的角度记为；种子受力主要有重力、离心力、分种勺面的静摩擦力和隔板间的滑动摩擦力，用符号分别记为mg，m2r，fn和f。通过受力分析，计算出种子在分种勺的极限充种角度bc。式中：'为导种台倾角；为种子静摩擦角；'为种子滑动摩擦角；r为种子质心距主轴心距离；为角速度。2） 分种勺侧面种子的回落角。散落在边缘的种子会掉入种子群内部，此时其受力情况如图3所示。通过列出受力平衡方程，计算出种子掉落在种群的角度bh。3.2 清种时种子受

5、力分析1） 确定初始清种角度。分种勺在旋转的同时会远离充种区，设此时的角度为1。位于空间中散落的种子回落清种。假设种子在排种器上的支持力为n，若n>0，种子便不会下落；若n0，则种子会沿着内壁掉下。为便于受力分析，首先建立xoy坐標系统，x轴方向与导种台面平行，y轴为垂直方向（如图4所示）。列出动作初始时种子在重力和离心力、支持力的作用下产生的关系方程并求解。式中：为导种台倾斜的角度；为排种器角度；为角速度。2） 确定清种结束角度。在整个清种过程中，随装置的旋转，多余的种子会回落到充种区。只有在一定角度时，分种勺内剩余能够进入护种阶段的种子。记此时的角度为2，称该角度为清种结束角，如图5

6、所示。清种结束角的确定直接影响到清种过程，角度过大过小都不合适。角度过小不能充分进行清种过程；角度过大会发生重播现象。此外，该角度的设计也会涉及到投种口位置的确定。列出清种过程结束时种子的受力关系方程与2的公式。3） 确定完全清种角度。完全清种角6的受力分析简图如图6所示。当清种结束，保留在分种勺内的种子呈现的受力关系方程为：式中：为分种勺底面的倾角；1为种子与排种器内壁的摩擦角；2为种子与分种勺之间的摩擦角；5为分种勺中仅存的一粒种子开始滑落时的角度。3.3 投种时种子受力分析在投种的过程中，种子的运行速度会逐渐下降，此时集中在种子上的3个力的受力关系方程为：式中：1为种子与排种器内壁的摩擦

7、角；为排种器的垂直倾角；7为玉米种子开始减速时的角度。在经过如图7所示的角度之后，种子的行进速度会下降，并且小于轮毂的速度，因此会产生沿内壁切向向上的趋势，而发生碰撞被投种子的可能。为了安全起见，设计时应使7的角度接近于理论设计时的投种角0，从而避免强制投种的现象。参考文献1 李成华，高玉芝.倾斜圆盘气吹式播种器设计及试验研究j.沈阳农业大学学报，2007，38（6）：830-836.2 廖庆喜，李继波，贾国良.气力式油菜精量排种器的试验j.农业机械学报，2009，40（8）：44-48.3 中国农业机械化科学研究院.农业机械设计手册（上册）m.北京：中国农业科学技术出版社，2007：343-

8、346.4 曹丽方.倾斜圆盘勺式玉米精量排种器的改进设计j.南方农机，2016（7）：46.5 王浩.气压组合勺式玉米精量排种器的设计及试验研究d.保定：河北农业大学，2015.research on working principle and kinetic analysis ofscoop model corn seed-metering deviceli dexin， yu wenchang， lu lei（heilongjiang institute of agricultural mechanical engineering science， harbin 150081， china

9、）abstract： corn seed-metering device is the main working part of corn planter， the design of structure and performance will influence directly the quality of sowing. this paper expounded the structure and working principle of scoop model corn seed-metering device， and analyzed in detail the seed force condition in the process of filling seed， cleaning seed and seed charge when seed-metering was working， in order to provide theoretical ba