小粒径气力滚筒式排种器排种参数阈值确定

小 粒 径 气 力 滚 筒 式 排 种 器 排 种 参 数 阈 值 确 定 雍凯1，伍德林1，李君1，吴崇友2，曹成茂1 ( 1 安徽农业大学 工学院，合肥230036;2 农业部南京农业机械化研究所，南京 210014) 摘要: 以自主研发设计的小粒径气力滚筒式排种器为研究对象， 选取油菜作为典型小粒径种子， 通过受力分 析， 建立种子运动轨迹方程。应用 MATLAB 软件分析其主要性能参数投种角度和正压区排种孔压强， 得出种子 的投种角度和正压区排种孔压强对水平运动位移及其绝对值的影响关系， 并给出最优搭配表， 确定投种角度与 正压区排种孔压强阈值， 从而提高排种过程的稳定性。结果表明， 当投种角度为 1 256 6 ( 72) 、 压强在 10 15Pa 和投种角度为 1 335 2( 76 5) 、 压强在 10 20Pa 时， 排种过程稳定。分析结果可为小粒径气力滚筒式排 种器的局部结构进一步优化和改进提供必要的理论依据。 关键词:排种器;投种角度;投种孔压强;阈值分析;MATLAB 中图分类号:S2232 +5 文献标识码:A 文章编号:1003 188X( 2015) 02 0052 05 0引言 小粒径种子是指平均直径小于3mm 的种子， 主要 包括油菜、 谷子、 芝麻以及部分蔬菜、 花卉和林业种子 等 1。我国小粒径种子机械化播种领域的难点是精 量播种技术， 传统精量播种技术已无法满足现阶段新 设备、 新农艺、 新技术的要求， 新兴精良播种技术是未 来发展方向。其中， 气力播种技术是新兴精良播种技 术的主要代表。该技术在保证精量播种的前提下， 还 能减少种子的受损率， 提高发芽率。目前， 国内外对 气力式排种器的研究还处于分析和实验阶段， 具体投 入到生产中的较少2 3 。小粒径气力滚筒式排种器是 一款通用性的播种设备， 相比国内推广的垂直圆盘气 力式排种器， 具有更好的播种均匀性和稳定性。目 前， 国内外对气力式排种器的研究虽多， 但大部分都 局限于气室结构对流场影响的分析4 7 ， 对气力式排 种器的排种过程和种子运动轨迹的分析涉及甚少。 例如， 李继波 8 的正负气压组合式油菜精量排种器的 仿真分析及其试验研究， 采用流固耦合方式对排种过 程做了简易模拟， 也仅仅证实了分析的可行性， 尚未 有实质性进展。 针对这些问题， 为了模拟气力式排种器的排种轨 迹， 本文建立了影响排种轨迹的主要参数关系方程， 收稿日期:2014 02 22 基金项目:农业科技成果转化资金项目( 2012GB23260545) 作者简介:雍凯( 1988 ) ， 男， 安徽芜湖人， 硕士研究生， ( E mail) 756702094 qq com。 通讯作者:伍 德 林 ( 1970 ) ， 男， 安 徽 桐 城 人， 副 教 授， ( E mail) wudelin 126 com。 利用 MATLAB 软件， 分析排种过程中影响种子运动的 相关因素， 为后期分析气力式排种器落种均匀性和稳 定性提供理论基础， 为该机构的实际生产和推广应用 提供必要的技术支撑和依据。 1排种器结构和排种轨迹模型 1 1小粒径气力滚筒式排种器结构及原理 小粒径气力滚筒式排种器主要由种箱、 排种滚 筒、 气室体架和排种管等组成， 如图 1 所示。 1 排种管2 排种滚筒 3 种箱 4 负压出气口5 气室体架6 正压进气口 图 1小粒径气力滚筒式排种器三维结构示意图 Fig 1Three dimensional structure diagram of pneumatic roller type metering device for small size particles 种箱通过紧固件固定在气室体架上， 气室体架与 排种滚筒构成封闭的负压气室和正压气室， 负压气室 贯穿种箱吸种区域和携种区域， 正压气室连通排种 管。其中， 气室体架固定安装于播种机上， 其负压出 25 2015 年 2 月 农 机 化 研 究第 2 期 DOI:10.13427/ ki.njyi.2015.02.013 气口和正压进气口分别连接气泵吸气口和吹气口; 而 排种滚筒在正常工作情况下是匀速转动的， 并将种箱 中通过负压吸附的种子转动至排种区域通过正压吹 送排种。 1 2排种轨迹模型 小粒径种子的物理特性各不相同， 油菜籽形状趋 于标准球形， 有较强的韧性， 具有典型的小粒径种子 的特性， 所以采用油菜籽作为研究对象。 建立油菜籽在正压区运动轨迹的模型假设如下: 排种滚筒转动到正压区， 气流通过型孔对小粒径种 子产生瞬间冲击力， 使种子脱离排种滚筒; 小粒径 种子脱离排种滚筒后， 气流场对种子再无作用力; 种子脱离排种盘瞬间， 其速度与脱离前的速度相等。 此模型大体接近种子的真实轨迹， 便于对种子轨 迹进行直观分析， 可将排种器模型和种子轨迹联系在 一起， 为排种器结构设计提供依据。 本文以此模型建立种子的运动学模型， 并建立影 响排种器排种轨迹的主要参数关系方程， 通过 MAT- LAB 对方程进行处理， 得出达到要求范围的水平位移 所对应的主要参数阈值9。 2排种器排种过程相关参数优化 2 1排种瞬间种子受力模型 通过第 2 种模型建立种子排种瞬间受力分析图， 如图 2 所示。 图 2小粒径气力滚筒式排种器排种瞬间种子受力分析 Fig2Transient force analysis of seeding of pneumatic roller type metering device for small size particles 图 2 中， A 为种子原点， B 为导管右端点， L 为种子 运动的水平距离。为了使种子落种过程中不碰撞导种 管， 必须满足 0 L 0 04m( L 为 A 点到 B 点距离) 。 建立种子的运动学模型为 F阻= F cos F = PS V平= V sin V = 30 r L = V平t + at2 2 F阻= ma 式中F阻 F 在水平方向上的分力; F 气流通过排种孔对小粒径种子所产生的冲 击力; 投种角度; P 正压区排种孔处压强; S种子受力面积; V平 V 在水平方向上的分速度; V 种子脱离排种滚筒瞬间的速度矢量; 排种滚筒转动的角速度， =15r/min; r排种滚筒半径; L 在水平面上种子运动的距离; t运动时间; m单粒种子质量; a水平方向上的加速度。 2 2MatLab 分析模型 影响种子运动轨迹的主要因素是正压区排种孔 压强和投种角度。 建立正压区排种孔压强、 投种角度与种子运动的 水平位移之间的关系方程为 L = ( 0 3 sin /20) ( 0 045 cos P/4 66) 由于上式反映的是种子最终位移的具体数值( 包 括负值) ， 无法从中明显观测到水平位移接近 0 时的 投种角度和压强的对应关系， 因此建立正压区排种孔 压强、 投种角度与种子运动的水平位移的绝对值之间 的关系方程， 即 L1= | L | = | ( 0 3 sin /20) ( 0 045 cos P/4 66)| 由实验得出: 正压区排种孔压强应该在 10 20Pa 之间， 才能保证吸附种子的同时又不因压力过大损伤 种子。由理论分析可知: 种子从排种到落地的时间 t 基本在 0 2 0 3s 之间， 分析采用 t =0 3s。又由经验 得出: 投种角度在 45 90之间， 才能保证种子在落 种过程中趋于垂直线。 针对上述分析和方程， 为了更细致地观察排种孔 压强、 投种角度对水平位移的影响， 建立了 4 种分析 35 2015 年 2 月 农 机 化 研 究第 2 期 模型: 模型1， 正压区压强( 0， 20) ， 投种角度( 0， /2) ; 模型 2， 正压区压强( 0， 20) ， 投种角度( /4， /2) ; 模 型 3， 正压区压强( 10， 20) ， 投种角度( 0， /2) ; 模型 4， 正压区压强( 10， 20) ， 投种角度( /4， /2) 。 为了便于直观分析， 用 MATLAB7 0 软件对模型 进行图像化处理， 通过得出的曲面分析各因素对性能 指标的影响规律以及排种性能指标的变化规律， 得出 最优参数。 2 3水平位移分析 图 3 为种子 t =0 3s 时种子运动的最终位移等值 线图。从模型 1 中可以看出: 投种角对水平位移的影 响呈现一定的非线性， 压强越大， 变化越明显; 模型 2 是投种角在( /4， /2) 时种子的水平位移， 和模型 1 类似， 说明压强的影响大于投种角的影响; 从模型 3 可以观察到: 排种孔压强在( 10， 20) 时， 随着投种角度 的增大， 水平位移逐渐增加， 此阶段压强的影响不明 显; 模型 4 是重点区域模型， 从中可以看出: 水平位移 为 0 时， 投种角度基本保持在( 1， 2) 之间。 图 3水平位移等值线图 Fig 3Isoline of horizontal displacement 2 4水平位移绝对值分析 图4 为水平位移绝对值等值线图。从模型1 中看 出: 在水平位移绝对值为 0 时， 投种角与压强成一定 的非线性关系; 在投种角为( 0， /4) 时， 压强上升缓 慢; 在投种角为( /4，/2) 时， 压强上升迅速。模型 2、 模型 3 分别针对投种角度和压强范围局部化， 投种 角度对最大水平位移影响明显。模型 4 反映了两个 参数具体范围内、 水平位移趋于 0 时的对应关系。对 比图 3 和图 4 中水平位移为 0 的曲线可知， 左边都是 负值， 右边都是正值， 所以选取参数时采用图中曲线 偏右区域。 45 2015 年 2 月 农 机 化 研 究第 2 期 图 4水平位移绝对值等值线图 Fig 4Isoline of horizontal displacement of absolute value 2 5最优水平位移对应关系 等直线图能看出一定关联， 但还需要具体数值才 能得出参数， 所以需要导出水平位移等值线图中模型 4 的数据。由于水平位移为 0 的投种角主要在后 6 段， 所以仅导出投种角后 6 段数据。表 1 为型孔压强 和投种角度分别对应的种子运动距离。 表 1不同投种角和压强对应种子运动距离关系 Table 1Corresponding movement distance of seed based on different seed throwing angle and pressurem 压强/Pa 投种角 1 178 11 256 61335 21413 71492 31570 8 100 006 60 015 00023 30031 40039 40047 1 110 002 90 012 00021 00029 90038 60047 1 120 000 80 009 00018 80028 40037 90047 1 130 004 50 006 00016 50026 90037 10047 1 140 008 20 003 00014 30025 40036 40047 1 150 011 90 000 10012 00023 90035 60047 1 160 015 60 002 90009 80022 40034 90047 1 170 019 30 005 90007 50020 90034 10047 1 180 023 00 008 90005 20019 40033 30047 1 190 026 70 011 90003 00017 80032 60047 1 200 030 40 014 90000 70016 30031 80047 1 从表 1 中可以看出: 随着压强的增大， 种子运动 距离呈减小趋势， 其中最大投种角度 1 570 8( /2) 对 应的种子运动距离为统一的 0 047 1m。因为落种时 间 t 是确定的， 此时水平方向只有固定的速度， 所以种 子水平运动位移也是固定的。表1 中， 1 413 7( 81) 、 1 492 3( 85 5) 、 1 570 8( 90) 对应的各种压强下的 种子运动距离都偏大， 容易碰撞导管壁， 所以排除; 而 1 178 1( 67 5) 对应的运动距离基本为负值， 对应的 种子运动过程会碰撞排种管左壁， 所以也排除; 当投 种角度为 1 256 6( 72) 、 压强在 10 15Pa 和投种角 度为 1 335 2( 76 5) 、 压强在 10 20Pa 时， 所对应的 种子运动距离都为正值， 并且小于 0 04m， 因此这些 数据对应的种子运动是符合要求的。 3结论 1) 通过 Pro/E 软件绘制小粒径气力滚筒式排种 器， 简化结构并绘制排种瞬间种子受力分析图， 为后 期分析提供理论依据。 2) 根据排种过程实际情况， 突出主要因素， 忽略 次要因素， 建立了排种轨迹模型， 既提高了分析效率 又不失准确性。 3) 通过 MATLAB 软件分析关系方程， 得出投种角 度和正压区排种孔压强对种子水平位移的影响关系 图， 最后得出最优搭配表。当投种角度为 1 256 6 55 2015 年 2 月 农 机 化 研 究第 2 期 ( 72) 、 压强在10 15Pa 和投种角度为 1 335 2( 76 5) 、 压强在 10 20Pa 时， 种子运动水平位移在 0 0 04m 范围内， 至此阈值范围确定。 参考文献: 1 张宁， 廖庆喜 我国小粒径种子播种技术与装备的应用与 研究进展 J 中国农机化， 2012( 1) : 93 96， 103 2Wanjura， D F and E B Hudspeth， Performance of vacuum wheels metering individual cottonseedJ Transaction of ASAE ， 1969， 12( 6) : 775 777 3Chaudhuri， D Performance Evaluation of Various Types of Furrow Openers on Seed DrillsJ Journal of agriculture Engineering esearch， 2001， 79( 2) : 125 137 4 Zulin Z， Upadhyaya S KHydropneumatic seeder for primed seed J Tuansactions of the ASAE， 1998， 41( 2) : 307 314 5Guarella P， Pellerano A， Pascuzzi S Experimental and theo- retical performance of a vacuum seeder nozzle for vegetable seeds J journal of agriculture Engineering esearch， 1996， 64: 29 36 6 Singh C， Singh GSaraswat D C Optimisation of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting cottonseedsJ Biosystems Engineering， 2005， 92( 4) : 429 438 7Karayel D， Barut Z B， Ozmerzi A Mathematical modeling of vacuum pressure on a precision seeder J Biosystems Engi- neering， 2004， 87( 4) : 437 444 8 李继波 正负气压组合式油菜精量排种器的仿真分析及 其试验研究 D 武汉: 华中农业大学， 2009 9 杨松华， 孙裕晶， 马成林， 等 气力轮式精密排种器参数优 化 J 农业工程学报， 2008( 2) : 116 120 Parameters Threshold of the Seeding for Air driven Cylinder Seeder on Small Seeds Yong Kai1，Wu Delin1，Li Jun1，Wu Chongyou2，Cao Chengmao1 ( 1 Engineering College，Anhui Agricultural University，Hefei 230036，China;2 Nanjing esearch Institute for Agri- culture Mechanization，Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China) Abstract:This research focuses on the independently innovated and designed air driven cylinder seeder on small seeds，while taking rapeseeds as the typical small seeds，through stress analysis，formula of the movement of the seeds is set up Through MATLAB analysis for the study of major performance parameters such as the angle of seeding and the pressure at the feeding outlet in the positive pressure area，the influence of the seeding angle and the p