油菜小麦兼用精量排种器的设计

油菜小麦兼用精量排种器的设计

0小麦排种器的研制根据实际生产，播种效率和质量是影响油茶、小麦等作物机械生产效率和经济效益的中心因素。作为种植机的核心部件，其性能直接决定着茄子和小麦播种机的排斥性能。目前国内外针对油菜、小麦的种子特征开展专用排种器的研究已有相关文献报道,本文针对油菜和小麦的物料特性,研究开发了一种气力式油菜、小麦兼用精量排种器。该排种器采用填补空间实现充种,在重力和气力作用下排种,可有效防止型孔堵塞;通过更换两种不同形状型孔的排种滚轮,并调节型孔角度、排种滚轮转速和护种板之间的关系实现油菜、小麦排种的兼用。1油菜式气生果皮混播器、小麦带的设计1.1种气结构组成气力式油菜、小麦兼用排种器主要由罩壳、排种滚轮、护种板、种子箱、隔气板、平衡气孔、进气管、气室、卸种口、排种管和支座等组成,其结构如图1所示。1.2排种器工作原理油菜、小麦兼用型精量排种器主要采用填补空间实现充种,在重力和气力作用下排种,可有效防止型孔堵塞。该排种器通过更换两种不同形状型孔的排种滚轮,并调节型孔角和护种板护种角之间的关系实现油菜、小麦排种的兼用。该排种器的工作原理如图2所示,当排种器工作时,充种区的种子在重力和种子群等综合作用下填补型孔形成新的空间,充种区的种子群高度通过输种管末端开口部控制,以防止种子滑落到护种区。充满种子的型孔随着排种滚轮进入清种区,在种子重力和护种板沿圆弧折弯处作用下清除型孔内多余的种子。此时型孔内只有1粒种子,种子在护种板保护作用下随排种滚轮转到排种区,脱离护种板的作用。排种区通过进气管与风机正压出口连接,使得气室与卸种口处形成压力差,种子在重力、离心力以及气室压力的综合作用下均匀地排入排种管,完成排种作业。为保证卸种过程中种子受力均匀,设计有平衡气孔,以调节气室压力。2排种器护种板设计排种滚轮、护种板和气室结构是排种器的关键结构。其中,排种滚轮主要起囊取与分离种子的作用,其上加工有型孔,是排种器核心部件。护种结构主要由护种板、右罩壳组成,护种板的护种角影响排种器的护种效果和种子破损情况。气室结构影响气流压力的均匀性和稳定性,继而影响排种均匀性,是造成型孔堵塞的关键因素。2.1型孔尺寸设计排种滚轮的结构如图3所示,排种滚轮圆周上均布有型孔,型孔形状及大小由油菜、小麦种子的外形尺寸确定。油菜子近似球形,故选用图3中1所示的圆柱形型孔;小麦长度方向与其他两向的尺寸相比有明显差别,故选择图3中2所示长圆形型孔。根据内充式排种设计原理,选取排种滚轮外径D为160mm,型孔设计经验公式:式中C——种子的三维尺寸,即种子长、宽、厚,mmB——型孔长度,mm依据公式(1),参考油菜、小麦种子的几何尺寸,确定油菜型孔直径为3mm、小麦型孔l=t=4mm(如图3所示);油菜、小麦型孔厚均为4mm,排种滚轮内径为152mm。α为排种滚筒加工时型孔倾角,即型孔内壁面与排种滚筒径向的夹角,合适的α角不但能够保证充入多颗种子的型孔进入护种区前完成自助清种,避免型孔内种子与护种板之间的剪切而导致的种子破损,而且有助于种子在排种区顺利排出。依据油菜、小麦休止角,选择油菜、小麦的α分别为:α1=30°、α2=45°。2.2气室结构分析结果护种板焊接在右罩壳上,与排种滚轮成间隙配合(如图4所示),其作用是保证种子在运送过程中不脱离型孔,顺利到达投种区。护种板包角为θ=0.806π+β,其中0.806π由气室结构分析计算得出,护种角β大小与排种滚轮圆周线速度、型孔角α密切相关;护种板始端设有弧形凹陷区,使种子平滑过渡到护种区,避免型孔内种子受到护种板的剪切作用而破损。2.3气室流量平衡公式气室结构是由隔气板、右罩壳和排种滚轮内腔形成的,如图1中的5所示。其作用是通过进气管输入气体,使排种滚轮内腔与卸种口形成压力差,从而保证排种器顺利完成排种作业,有效防止型孔堵塞。为保证气室里气流稳定,提高播种均匀性,在右罩壳上开有一平衡气孔以调节气室气体流量、稳定气室压力值。平衡气孔与进气管关系由气室流量平衡公式可得,气室流量q公式为:式中A——进出气截面积,m2v——气体流速,m/sT——气体流动方向与进出气口横截面法线夹角的余弦值要使得气室压力稳定,气室的流量需为净流量,即q=q进+q出=0。由于气室较小,气体流速v可忽略其变化,为常数,现假定T=1(气体流进出平行于横截面法线),则有:q进=∬A进dA=∬A进dA进=q出=∬A出dA=∬A出dA出(2)式中q进——进气流量,m3/sq出——出气流量,为q型+q平,m3/s由公式(2)可知A进=A出,因型孔的大小已确定,所以型孔出气量q型以及型孔截面积A型都为已知,故可知平衡气孔和进气管大小的关系。另因气室密封性,所选取的进气管截面积较大,故选取进气管直径为:油菜12mm,小麦18mm,平衡气孔均为4mm。气室区域即为排种区域,其大小由型孔角α和种子休止角确定,型孔进入排种区时,型孔内壁面与图1中4a2隔气板所形成的夹角必须大于种子休止角,故选择气室区域为0.194π,如图6中所示。3轮转速、护种板油菜、小麦兼用型排种器工作过程分为充种、清种、护种和卸种4个过程。其中排种滚轮转速Vp直接影响该排种器充种效果;护种板β角决定油菜、小麦兼用型排种器的清种效果,影响种子的破损率;所需最小气室压力p、型孔角α直接影响排种器的排种效果,因此该排种器的关键参数为型孔角α、护种板β角、气室压力p和排种滚轮转速Vp。3.1种子极限线速度充种区种子在型孔上方运动的过程中,其质心降至低于型孔上表面时,才能保证进入型孔。按照自由落体方程可求出直径为d的球形种子的充种极限线速度:Vip≤(Ai−di2)gdi−−√Vip≤(Ai-di2)gdi(3)式中Vp——排种滚轮线速度,m/sA——型孔的直径,md——种子的直径,mg——重力加速度,m/si——为1、2;其中1表示油菜子、2表示小麦参照文献中部分参数,由公式(3)可知排种滚轮的极限线速度,油菜种子的充种极限线速度为V1p≤0.18m/s;假设小麦种子是卧躺在型孔内,小麦端面最大处的质心在型孔内时,小麦必充入型孔内,则小麦种子的充种极限线速度为V2p≤0.13m/s。3.2排种板及护种板选择忽略种子与型孔壁的摩擦,则种子受力如图5所示。其受力分析中假设小麦卧躺在型孔内,可知中间剖面近似圆形,故其受力如图5虚线圆所示,图中实线圆代表的是油菜子轴心剖面。油菜、小麦的物料特性迥异,其受力的质心有所不同,图中O为油菜质心,O′为小麦质心,但充种区受力的形式基本相同;由力学平衡方程可知:式中G——种子重力mig,NF——种子受到的离心力mirω2i,NN——种子受到型孔壁面的支撑力,NΦ——重力与Y轴夹角,ωt+αω——排种滚轮转速,r/minr——排种滚轮半径,m为使排种滚轮在重力作用下实现自动清除型孔外侧种子,则必有∑Y>0,即要使清除的种子有沿排种滚轮径向的运动,由公式(4)可得其径向加速度ε:当型孔充有多颗种子时,型孔外侧种子的质心不在型孔内时,种子就会自助清除;若型孔外侧种子质心在型孔内,需要种子在重力等作用下使其质心偏离型孔内,后做自由落体运动滑落到充种区。型孔内种子只有型孔的倾角向下才有径向的运动趋势,选取图5中π/2-α位置为起始点,到刚进入护种板内为终止点,计算出型孔内种子相对位移s,此阶段需要的时间t=π/2−βi−αiωit=π/2-βi-αiωi,则有:为确保型孔内的种子不被护种板剪切,依据前面所设计护种板的功能以及型孔大小的经验公式,选择合适的相对位移s,油菜子选择为1.5～2mm、小麦选择为0.7～1.2mm。排种滚轮的转速为ViprVipr,代入公式(6)可以得出护种板护种角、型孔角和排种滚轮线速度之间的关系为:由前面求解得排种滚轮极限线速度、型孔角;由公式(7)得出护种板护种角β:即31.5°<β1<43.2°,36.18°<β2<41.4°型孔内的种子经过清种区后,进入护种区,在护种板的保护下,种子顺利进入投种区;排种滚轮运动过程中,护种板相对于罩壳静止,充入种子的型孔进入护种区域后,在护种板支撑下实现护种功能。3.3种子型孔堵塞此过程种子主要受到重力G、离心力F、型孔壁与种子的摩擦力f、支持力N以及气体压力P等,其受力图如图6所示。一般而言,大中粒径种子在重力和离心力的作用下可以完成卸种,此时型孔壁与种子的摩擦力可以忽略。型孔堵塞的产生一般是由于经过清种区后型孔内仍充有多颗种子并与护种板产生挤压等作用,发生种子破损,导致其与型孔内壁摩擦力变大,经卸种区后仍未能卸除,造成型孔堵塞。对于油菜等质量较小的小粒径种子,仅靠重力和离心力的作用难以甚至不能完成卸种。故本文的排种器设计有气室,通过在气室与排种口之间形成正压力差,配合重力和离心力一起作用,使卸种顺利实现,从而有效避免了型孔堵塞。由图6可知:式中γ——气压力与重力夹角,为-0.194π+ωtfi——种子与型孔内壁摩擦力,为μiNi,Nμ——种子与型孔内壁摩擦系数为确保种子在气体压力作用下完成卸种作业,种子在型孔刚进入充种区时其位移s必须大于型孔厚度4mm。由公式(8)可知此阶段种子的位移为:通过前文可知排种滚轮线速度以及型孔角,由压强公式可知:式中S——型孔截面积,m2型孔的截面积:由公式(9)—公式(11)可知气室压强P的取值为:P1>342Pa、P2>458Pa。4种床带速度和株距试验材料:油菜子华杂4号,种子千粒质量为4.1g,粒径范围1.5～2.5mm,含水率7.1%,自然休止角27.6°;小麦华麦13号,种子千粒质量37.7g、休止角25°,含水率4.68%。试验设备:哈尔滨博纳科技有限公司生产的JPS-12型排种器性能检测试验台。试验参数选择:最佳排种滚轮线速度为0.06～0.12m/s<Vp,种床带前进速度为2.4km/h(模拟机具田间作业行走速度)。由于较低的排种滚轮线速度会使播种作物株距较大,有利于测量,因此选择排种滚轮线速度为0.06m/s,则理论株距为80mm;气室压力过大会泄漏到充种区,影响种子流,扰乱充种区充种过程,故选择气压为:P1=400Pa>342Pa,P2=500Pa>458Pa;护种板β角考虑实际工况存在振动以及为了便于加工,故选择护种板β角比理论上的上限值略大,即π/4。试验设计:随机在种床带上选取10段,测量单位长度内合格株距数。所设计排种器型孔可充入1～2粒种子,在排种器工作过程中,种床带上有2粒种子距离较近,可视为同一型孔内排出。合格指数Y计算公式为:式中n——测试符合设定株距总数N——总株距数图7所示为气力式油菜小麦兼用型精量排种器在排种器试验台上播种油菜和小麦的试验效果,图7(b)中小麦株距与实际生产中有差异,可通过调节种床带速度减小其理论株距,但本试验为了便于测量,故设计其在种床带上理论株距较大。图8为所测试10段内种子株距的分布,测得株距合格指数Y分别为:油菜83.1%、小麦63.6%,满足油菜、小麦农艺种植要求。5排种器性能分析(1)实现油菜、小麦兼用排种功能可有效提高机具的利用率,提出应用填补空间实现充种;利用重力和压力差排种及防止型孔堵塞原理,分析确定该排种器