球勺内窝孔小麦精量排种器充种机理的研究.pdf

文章编号:1000 - 1573(2001)01 - 0056 - 05 球勺内窝孔小麦精量排种器充种机理的研究 杨 欣, 刘俊峰, 崔和瑞, 李建华 (河北农业大学 机电工程学院,河北 保定071001) 摘要:球勺内窝孔小麦精量排种器是以复式型孔为排种元件,应用多力联合充种原理,在结构工艺上是内侧充种垂 直圆盘排种器应用于分蘖作物的新突破。从充种角度阐明其排种元件的位置和结构特点;对种子在充种过程中的 受力状况进行了分析,论述了种子在重力、 离心力、 摩擦力和种间挤推力的联合作用下以填补空间、 相向速度差、 同 向速度差的三种充种途径及机理。 关 键 词:精量;内窝孔;排种器;充种 中图分类号: S 23 文献标识码:A Study of seed2filling mechanism on wheat precision seedermeter with ball2spoon shaped inner2cell Y ANG Xin , LIU Jun2feng , CUI He2rui , LI Jian2hua (School of Mechanical and Electrical Engineering , Agricultural University of Heibei , Baoding 071001 , China) Abstract : Wheat precision seedermeter of ball2spoon shaped inner2cell was a new breakthrough that the verti2 cal2plate feed of seed2cell filling on inside seedermeter apply to tillering crop in structure and technology. The seedermeters seeding element is double holes and seeding fill into the double hole with cooperation of multi2 force. This paper expounded the position and configuration of seeding element in point of seed2filling. With the cooperation of gravity , centrifugal force and driving force between seeds , three ways and mechanism of seed2 filling such as filling space , relative speed discrepancy and same speed discrepancy were discussed. Key words : precise quantity; seedermeter; filling seed 排种器是播种机的核心部件,其主要任务是将种箱内的种子化整为零,产生等时距均匀种子流。而提高 排种均匀性的关键则在于提高在各种速度下型孔(或吸孔)的充种性能,使充种系数在多变的条件下都保持 约100 %的高水平。 球勺内窝孔小麦精量排种器(以下简称排种器)以球勺复式型孔为排种元件,是专门为精播小麦而设计 开发的一种新型排种器。该排种器在结构工艺上对用于中耕作物的内侧充种垂直圆盘排种器进行了改型和 优化设计,其球勺复式型孔更加适应小麦种子特性,具有充种性能好,清种破碎少,投种均匀可靠等优 点1 ,2。从充种角度研究排种器的结构特点、 充种方式和受力状态诸机理。 1 排种器的结构及工作过程 1. 1 排种器结构 排种器的结构如图1所示,由壳体、 排种轮、 轴和径向护种板构成。排种轮是其核心件。排种元件为球 收稿日期:2000 - 09 - 13 基金项目:国家自然科学基金课题(59575042) 作者简介:杨 欣(1974 - ) ,男,河北省定州市人,农业机械化专业在读硕士研究生. 第24卷第1期河 北 农 业 大 学 学 报Vol. 24 No. 1 2001年1月Journal of Agricultural University of Hebei Jan. 2001 11壳体; 21排种轮; 31轴; 41径向护种板 图1 排种器的结构 Fig.1 Configuration of seedermeter 勺复式型孔,分两排均布于排种轮的轮缘上。 1. 2 排种器工作过程 该排种器的球勺复式型孔以 “填补空间” 和 “舀取” 两种基本原理分种,型 腔容积定量排种,无带动层。 工作过程如图2所示,种子由壳体侧边的进种口进入排种器内腔,积聚 在腔内的种子在旋转排种轮的带动下,形成环流种群。在重力、 离心力和种 子间推挤力的联合作用下,种子由排种轮内侧充入复式型孔的大孔,随排种 轮转动型孔上行,重力、 摩擦力使种子充入球勺形内窝孔定量;转至清种区, 内窝孔以外的种子靠重力和离心力的合力作用滑落(或滚落 ) , 实现清种;稳 定于内窝孔中的定粒种子转至护种区,在径向护种板的托护下,送到投种口 投出。 2 排种元件的结构及位置 2. 1 排种元件的结构 图2 排种器工作过程 Fig. 2 Working principle of seedermeter a.径向柱面型孔; b.径向锥面型孔; c.球勺型孔 图3 型孔的结构形式 Fig.3 Configuration of double hole 该排种器的排种元 件 球勺复式型孔, 是由内侧充种垂直圆盘 排种器演变而来。在其 结构的优化设计过程 中,出现了三种结构形 式,如图3所示。同条 件下,在SD175型沙 带式排种器试验台上进 行定性对比试验,径向 柱面型孔塞种、 伤种严重,径向锥面型孔可行,球勺型孔伤种率低,不塞种,每孔粒数均匀一致,效果最佳。 图4 球勺形复式型孔 Fig.4 Ball2spoon shaped double hole 图5 型孔的位置 Fig.5 Position of double holes 球勺复式型孔由 “球勺形内窝孔” 和 “充种大孔” 复合而成,它们之间由平滑的圆弧连接(如图 3c) 。 “充 种大孔” 是种子由排种轮内腔进入 “球勺形内窝孔” 的通道。为了使种子很容易地进入内窝孔中,充种大孔朝 内腔方向有一个锥度(如图4) ,同时为了使内窝孔中的定量种子在清种区不易滚落出来,将复式型孔设计成 大孔偏离中心线 2,球勺内窝孔反方向偏离中心线 1。内窝孔对种子进行精确定量,为了使种子在投种区 能顺利投出而不堵塞,其底部设计为球面,光滑无死角。这样,内窝定量孔就很象一个勺,既利于种子的 “舀 入”,又利于种子的 “倒出” 。 2. 2 球勺复式型孔在排种轮上的位置 该排种器为 “一器两 行” 小麦精量排种器,与 内侧充种垂直圆盘排种 器相 比,其 排 种 元 件 球勺复式型孔,数 目有所增加,单个型孔 的尺寸有所减小,呈两 排交错均匀地分布在排 种轮缘上(如图5所 示)。这样,就更加适合 小麦种子的特点,保证 播种均匀性,避免出现 75第1期杨 欣等:球勺内窝孔小麦精量排种器充种机理的研究 “丛生” 和 “断条” 。 图6 排种器腔内种子受力和运动 Fig.6 Force and movement of seed in seedermeter 3 单粒种子在排种器内腔的受力及运动3 ,4 设排种轮以角速度旋转,种子与排种轮内壁间摩擦系数f ,种 子质量m ,种子绝对运动角速度1。如图6所示,建立极坐标系r 。 3. 1 单粒种子在排种器内腔受到的作用力 重 力:W=mg;离心力: F2=mR 2 1;支持力:N ;摩擦力: F1。 其中, m 种子质量; g 重力加速度; R 排种轮内缘半 径;1 种子绝对运动角速度。 由于空气阻力较小,将其忽略。 3. 2 单粒种子在不同条件下的运动形式 设种子的位置角是时且不受切向惯性力,建立种子平衡方程 组: F2+ Wcos+ N =0 F1- Wsin=0 (1) 将种子受力代入(1)式得: mR 2 1+ mgcos- N =0 F1+ mgsin=0 (2) 因为在排种器工作过程中,内腔中的种子在充种区与排种轮内壁接触,在清种区有可能产生接触,所以, 对单粒种子的运动分析仅限于0180 区域。在此区域内,当种子受到排种轮内壁的支持力N 0时,种子 就脱离内壁落下。在不同条件下种子的运动形式及状况如表1所示: 表1 不同条件下种子的运动形式及状况 Table 1 Movement of seed on different conditions 种子受力情况 Forces on seed 种子绝对运动角速度(1) Absolute movement angular velocity of seed 种子绝对运动状况 Absolute movement conditions of seed 种子相对于排种轮运动状况 Seed movement conditions with metering rotor N 01 0且 F1-W= 0 1 g sin( - 0 1 g sin( -1) Rsin 0且 F1-W 0 g cos( -) R 1 g sin( -1) Rsin23,这样就形成了同向速度差V2。由于 图8 种子速度变化 Fig.8 Seed speed change V1 和 V2的存在,复式型孔中如果还没有充满足够的种子,那么在 重力和离心力的作用下,种子还会充入复式型孔,形成同向运动方式 充种。 4. 2 不同充种途径受力分析 由以上分析知,种子在充种区主要是以填补空间方式充种,其次 是回流种子与复式型孔二者之间相向运动速度差,第三是上升种子与 复式型孔间的同向运动速度差。三种不同的充种方式,其受力状态各 不相同。 4.2. 1 填补空间方式充种时受力分析 当复式型孔刚进入环流层种 子始端时,也就是复式型孔刚刚驶出护种板的末端,造成新的空间,种 子塌落,迅速填补空间。种子在此填补空间过程中,在垂直方向上由静止向加速运动转变。设种子加速度为 a,则根据达郎伯原理可知,种子受到的惯性力为Fg= -ma(“-” 号表示其方向与重力相反)。 图9 填补空间充种时受力 Fig.9 Forces of filling space 如图9所示,在垂直方向上平衡方程为: W + Fcos+ Fg=0 式中:W 重力; F 上层种子的推挤力; 推挤力与重力方 向夹角。 将重力和惯性力代入平衡式解得种子填补空间的加速度为 = g + Fcos m 实际上,底层种子受到上层种子推挤力,主要是回流种子的动能 冲击造成的,动能冲击作用小于重力作用,故在填补空间方式充种时, 重力的作用大于推挤力作用。 4.2. 2 相向运动方式充种时受力分析 当复式型孔进入ab段时,由于种子与排种轮内壁的摩擦,种子运动 方向连续改变,速度大小迅速减小,向种子与排种轮接触的瞬间零速转变,即V10。此时种子的受力情况 如图10所示: 重 力:W=mg; 离心力:P=m ab 2 2 ab 设二者作用方向夹角为(值很小 ) , 则种子受到的合力为 F合= W + Pcos = m ( g + ab 2 2 abcos) 由于值较小,说明重力W与离心力P是基本一致的。又由于ab弧段的曲率较大且角速度ab值不高,所 以离心力充种作用虽然存在,但作用不大,故相向运动充种ab段主要是重力充种。 4. 2. 3 同向运动方式充种时受力分析 当复式型孔进入bc段时,同样由于种子与排种轮内壁的摩擦,回流 95第1期杨 欣等:球勺内窝孔小麦精量排种器充种机理的研究 图10 相向运动充种时受力 Fig.10 Forces of relative movement filling seed 种子的速度连续而迅速地由0 1,同向速度差V1较大。此时种子 的受力情况如图11所示。 重 力:W=mg 离心力:P=m bc 2 2 bc 设二者作用方向夹角为(值也很小 ) , 则种子受到的合力为 F合= W + Pcos = m ( g + bc 2 2 bccos) 同样:值较小,重力W与离心力P基本一致。bc弧段的曲率较大且 图11 同向运动充种bc段受力 Fig.11 Forces of same movement filling seed from b to c 角速度bc值不高,离心力充种作用虽然存在,但作用不大 ,仍然主要 是重力充种。 当型孔由bc段进入到cd段后,由于排种轮内壁的摩擦力和种间 的摩擦力的作用,第一层种子的角速度1值不断增大,种子的位置也 随排种轮旋转而升高。此时此位置,种子受到的重力和离心力如图12 所示。重力方向竖直向下,与垂直法线呈角。离心力方向则与法线 方向相同。 重 力:W=mg;离心力:P=mR1 2 1. 种子受到的充种合力为: F合= W + Pcos+ P = m( gcos+ R1 2 1) 图12 同向运动充种cd段受力 Fig.12 Forces of same movement filling seed from c to d 随着种子位置的升高,值增大, cd的前段1值逐渐增大,即离 心力充种所占比重逐渐增大