电动排种器试验设计毕业论文.doc

电动排种器试验设计毕业论文目 录1 前言11.1 本研究的目的与意义11.2 国内外研究现状11.3 国内外常用排种器的分类11.4 几种主要排种器的介绍21.5 排种器今后的发展趋势和要求72 排种器工作性能及实验分析82.1 排种器工作性能的分析82.2 排种器的实验分析152.3 小结213 排种器的设计223.1排种器的总体结构及工作原理223.2 排种盘的设计223.3 排种器的装配过程仿真233.4 排种器的运动仿真263.5 小结284 电动机的选择及连接284.1 电动机型号的选择284.2 电动机和排种器的连接294.3 小结295 结语29参考文献30致 谢32I1 前言1.1 本研究的目的与意义随着社会的发展，播种机具已经从原始的“播种耧”发展到现今的撒播机、条播机、穴播机和精播机等多种形式的播种机具；播种机的主要构成部分排种部件或排种装置，即排种器，也从远古的“瓠”发展到现今先进的振动气吸式排种器、液力排种器、集中式排种器等。1.2 国内外研究现状1.2.1 排种器在国外的发展20世纪40年代，国外就开始研制各种精密播种机，如今已达到相当完善的程度，不仅能保证单粒精密播种，而且在播种机上设有完善的整地、覆土、镇压及施肥、喷药装置2。50年代研制出的气力式精密排种器，现已应用于播种机的多种成熟机型。气力式排种器又分为负压式和正压式。负压式也叫气吸式，如法国的纽玛西姆精密排种器，其主要工作部件是一个竖直、带有吸孔的排种盘。正压式又分为气压式和气吹式两种。气压式是靠种子重力和刮种器完成刮种，如赛可罗排种器。该排种器是一种气压集中排种式，主要由排种滚筒、毛刷刮种器、橡胶卸种轮等部件组成，排种滚筒的圆周上有8排窝眼孔。气吹式排种器是用高速气流吹走多余的种子，如埃落玛特气吹式排种器。该排种器主要由型孔轮、气流喷嘴、推种板等组成，型孔轮的轮周均匀分布着锥形通孔3。1.2.2 排种器在国内的发展国内排种器早期发展多为条播类如槽轮式、离心式、匙式等。而精密播种技术发展比较迟，20世纪70年代才开始研究精密播种机，但其发展速度非常快，所涉及到的排种器形式十分广泛。如各种圆盘式排种器、气吸式、气压式、气吹式排种器等，而具有我国独创特色的窝眼轮式排种器、纹盘式排种器、锥盘式精密排种器获得了大量应用4。1.3 国内外常用排种器的分类目前，国内外常用的排种器按播种方式可分为条播和穴播两大类。条播排种器有外槽轮式、内槽轮式、拨轮式、勺式、磨盘式、花盘式、离心式及气力式等；穴播排种器有各种型孔盘式（水平的、竖直的及倾斜的）、型孔轮式、型孔带式、指夹式以及各种气力式（气吸式、气吹式及气送式等）。按排种器能否形成等时距均匀种子流和精确控制排种量，分为精密排种器和非精密排种器。精密排种器主要有机械式和气力式2种，其中气力式排种器包括气吸式、气吹式和气压式3种形式。1.4 几种主要排种器的介绍1.4.1 外槽轮式排种器我国大部分谷物条播机均采用外槽轮式排种器，由排种盒、排种轴、外槽轮、阻塞轮及排种舌等组成。排种轴通过轴销带动外槽轮转动，用槽轮齿将种子排入输种管。槽轮转动时，阻塞轮不转，内齿形挡盘（又叫花挡盘）则随槽轮一起转动。阻塞套与内齿形挡盘可防止种子从种子盒的两个侧壁漏出。槽轮转动时，凹槽内种子随槽轮一起转动。在槽轮外面有一层种子随槽轮齿及凹槽内种子一起转动，这一层种子称为带动层；在带动层外，则是不流动的静止层。带动层内种子的运动速度低于槽轮的圆周速度， 且向外递减为零。凹槽排种器和带动层排种均为强制排种，因而外槽轮排种器的排种量比较稳定。但是，凹槽排种具有脉动性，导致种子在行内分布的均匀性较差。槽轮在排种盒内的伸出长度，称为槽轮工作长度。轴向移动排种轴，可改变槽轮工作长度，以调节播量。1. 种箱 2. 排种轮 3. 种子 4. 排种舌图 1-1 外槽轮排种器外槽轮式排种器的特点是：1） 通用性好，能播各种粒型的光滑种子，如麦类、高粱、豆类、玉米、谷子和油菜等。2） 播种量稳定，受地面不平度、种子箱内种子存量及机器前进速度的影响较小。3） 播量调整机构的结构较简单，调整方便可靠。4） 结构简单，制造容易。5） 各行播量一致性较好，但种子在行内分布有脉动现象，均匀性较差，且排种均匀性受机器震动的影响非常大。1.4.2 圆盘式排种器圆盘式排种器主要用于中耕作物穴播和单粒精密播种。按圆盘回转平面的位置可分为水平、倾斜和竖直3 种形式。水平圆盘排种器构造比较简单，工作可靠，在机器前进速度较低时工作质量良好，因而应用很广泛。排种盘有周边型孔式（称为槽盘）及型孔式（称为孔盘，可为圆孔、椭圆孔或其他型孔）两类。周边型孔式对种子粒型的适应性比较好，所以应用较好。型孔盘还可分为穴播型和单粒型。穴播型每孔可容纳几粒种子，用于穴播。单粒型每孔只能容纳一粒种子，适用于单粒精密播种。如果在开沟器上装有成穴装置，则单粒型型孔盘也可用于穴播。但是水平圆盘式排种器从排种口到种沟沟底距离（投种高度）较大，种子在投种过程中受导种管管壁的阻碍，而且在沟底的弹跳较大，会影响株距而降低株距合格率。采用倾斜圆盘可降低出种口高度，但其传动比较复杂。竖直圆盘排种器投种高度小，圆盘的后向分速可部分抵消机器前进速度， 降低种子到达沟底时绝对速度的水平分速，减少种子在沟底的弹跳，其传动也比较简单。但竖直圆盘型孔的充种性能稍差。在高速作业时，圆盘式排种器充种都比较困难，播种质量不易保证。1. 输种管 2. 排种器壳体 3. 护种板 4. 刷种轮 5. 第二充种室6. 种箱 7. 第一充种室 8. 链条 9. 种子 10. 排种轮图 1-2 型孔式精量排种器1.推种器 2.刮种器 3.排种圆盘图 1-3 水平圆盘式排种器图 1-4 双锥面水平圆盘三维模型1.4.3 气吸式排种器气吸式排种装置是利用空气真空度产生的吸力工作的，其主要工作部件是一个带有吸孔的竖直排种圆盘。排种盘的背面有真空室，真空室与风机吸风口相连接，使真空室内存在负压。排种盘的另一面是种子室。当排种盘回转时，在真空室负压作用下，种子被吸附于吸孔上，并随排种盘一起转动。当种子转出真空室后，不再承受负压，就靠自身质量或在推种器作用下落到种沟内。刮种片（播量校正片）的作用是除去吸孔上多余的种子，其位置可调整。排种盘可以更换，以改变吸孔大小和盘上吸孔数，使之适应不同种子尺寸形状， 并通过播种传动比和盘上吸孔数的改变，实现要求的株距。1.气吸室 2.排种盘 3.存种室 4.刮种器 5.排种器体图 1-5 气吸式精密排种器气吸式排种器的优点是：对种子尺寸形状要求不严格，通用性好，用吸孔吸种可提高播种机作业速度。但是，气吸式排种器充种室种子群状态不合理会影响排种性能；回转的排种盘与不动的真空室配合，气密性要求高，结构较复杂，且容易磨损；刮种片的调整也比较麻烦；此外，一般气压（或真空度） 在 300800 mm H2O 时，对风机及其动力传递结构要求较高。1.4.4 气吹式排种器气吹式排种器由德国贝克公司首先研制成功的5。其排种装置是轮周制成有锥形通孔的行孔轮，用气流喷嘴代替刮种器，使每个型孔只充入一粒种子而实现精密播种。气流清种原理是当充满种子的型孔通过气流喷嘴时，气流通过锥形型孔、型孔底部的小孔进入型孔轮内腔再排入大气。因气流通过种子与小孔的缝隙时速度较高，形成压差，因而使一粒种子贴紧在锥形型孔的底部，多余的种子则被喷嘴喷出高速气流吹出型孔。充有一粒种子的型孔进入护种器后卸压，靠重力或用排种板将种子推出型孔，排入种沟6。文献7合理地在量纲分析的基础上，去得了充填压对充填层种子的平均作用力模型，并回归实验数据得出了型孔极限速度的公式，初步揭示了气吹式排种器的充种原理。目前，美国约翰迪尔公司生产的播种机上很多应用的是气吹式排种器，其技术水平居于世界领先地位。1.排种器壳体 2.清种器 3.吹嘴 4.进种管 5.型孔轮 6.推种轮图 1-6 气吹式排种器气吹式排种器的特点是：1） 型孔为圆锥形，容积较大，因而充种性能好。2） 对种子的形状和尺寸要求不很严格，不分级的种子也可用。3） 播种不同作物种类只要更换型孔轮并相应地改变气压；调整株距只需改变传动比。4） 充种性能好，可提高机具工作速度。1.4.5 振动气吸式排种器振动式气吸播种装置由供盘机构、输送机构、播底土装置、播种装置、覆土装置、喷水装置和托盘等组成，由输送机构将各部分按顺序串接而成。播种装置是精密穴播机的核心，包括吸种部件和振动部件。吸种部件由吸嘴、吸种板、气室、吸气管、阀门和真空泵等组成；振动部件由电磁激振器、振动弹簧、种盘和吸铁等组成，种盘和吸铁固定连接。工作时，打开激振器，选择合适的振动参数，使种盘内稻种相互分离，成抛掷运动状态；开启真空泵，旋开阀门，使吸种部件气室内形成一定负压； 将吸种部件移动到种盘正上方，并接近抛掷运动状态稻种；稻种在气室负压的作用下被均匀地吸附在吸种板的吸嘴上；吸种后，将吸种部件移至育秧穴盘上方适当位置， 迅速释放气室内负压，稻种靠自身重力落入育秧穴盘（即投种），从而实现对靶精播。振动气吸式播种装置采用激振机构使种子产生抛掷运动， 以克服种子间的内摩擦力而形成“准流体”， 在气力作用下由吸种部件上的吸嘴完成精密播种。种子的抛掷状态、气力参数和吸嘴结构及参数直接影响排种装置的排种性能：种子抛掷运动有利于吸种运动的进行；合理的气力参数有利于吸种运动的完成；吸嘴结构的优化有利于排种性能的提高。北京农业工程大学研制的这栋实拍中期精播小麦机速高于4km/h 时，作业性能不是很理想8。1.4.6 集排式排种器目前的集排式排种器根据结构原理主要分为机械式和气力式两种。与机械式集排式排种器相比较，气力式对种子的形状尺寸要求较低，损伤率小，能适应高速作业的优点。一阶或多阶集排式排种器现已在欧洲国家广泛使用，取得了交好的作业效果。集排式排种器又称集中排种器。集中排种器或中心排种器（或系统）是排种器发展的最新成就。气流式集中排种器是以气流为输送动力，设计时根据气力输送的特点， 在满足农艺要求的基础上应力求结构紧凑、满足播种性能、节省劳动力为主。工作时，系统电机带动种子定量排种槽轮转动，按照播量需要定量派出种子流；在喷射器的喉管处，种子流与离心风机产生的气流交汇，并混合成种子与空气的混合流；该混合流沿垂直输送管路向上输送， 经褶皱形增压管增压，进入气流分配器，进行按行分配排种；统一的粗大种子流分为多份细种子流，沿各种子输送管输送至开沟器，实现气流统一输送的“一器多行”排种。集中排种器的缺点是，排种定量器转速、播量以及褶皱增压管长度对各行排量一致性有一定影响，相关技术还需要不断完善。1.5 排种器今后的发展趋势和要求我国针对排种器的研究已经达到一定的水平，今后排种器将朝着高效、高性能、高精度、高适应性方向发展。1) 研究适合高速作业的排种器。水稻种植随着国家规模化种植政策的推行，大田块规模经营势在必行。大面积播种要求作业机器作业速度不低于8km/h。但是排种器自身的排种速度直接制约了直播机的播种速度，如水平圆盘式排种器的排种盘线速度的许用值较低，对高速播种的适用性较差，因此发展适合高速作业的水稻排种器迫在眉睫。2) 提高排种器的作业性能和精度。目前出现的排种器作业性能不是很高，要实现连续正常作业就要求机具具有良好的工作性能，不能漏播也不能多播。特别是现有排种器很少有检查漏播的检测系统，因此要实现排种器连续正常作业就必须要加强其作业性能。同时，随着超级稻的出现和发展，农艺上要求每穴种子最多不超过两粒，最少保证一粒，少于一粒造成漏播，多于两粒则抑制植株的分蘖能力，影响产量，同时造成优良种子的浪费，这又对排种器的播种精度提出了很高的要求。3) 发展新的排种理论。排种器的发展经历了从机械式到气力式的过程，由于气力式排种器对种子性状的要求低，适应性强等优点得到了很大的发展。现在排种器又有了新的发展，如电磁振荡式排种器、液力排种器、集排式排种器。随着科技的进步与发展，电、气、液压控制日臻完善，对排种器的研究应跳出传统领域，可采用光电控制等辅助手段，实现排种器排种的精密控制。4) 排种器的发展与农艺相结合。按照农艺要求，水稻要达到高产稳产必需要满足一定时间的生长期和适宜的生长温度。直播时，为了缩短田间生长时间在播种前先浸种，使其破胸露白，但是这样种子在播种时极易受到机械力的伤害，影响出苗率。因此，农艺和农机应该相互结合研究，培育适合机械化直播的品种，缩短水稻生长期，减少播种前浸种出芽环节，这将会给水稻排种器的研究带来新的发展。2 排种器工作性能及实验分析排种器是播种机的核心部件，是决定播种机特性和播种质量的主要因素。排种器工作性能的优劣将直接影响到播种机工作效率及作物出苗的质量，所以，了解影响排种器工作性能的因素十分必要。2.1 排种器工作性能的分析2.1.1 排种器的排种均匀性精密播种是提高种植业效益的重要手段。排种均匀性是精密播种重要性能指标之一。如何提高精密播种机排种均匀性，成为研究精密播种机的关键。目前提高排种均匀性的研究，主要是从排种器的结构参数和运动参数分析9-10，但对种子的尺寸均齐性和排种器的加工误差对排种均匀性的影响，还缺乏分析和研究。本文用粒距变异系数的大小来衡量排种器的排种均匀性，从播种机的工作过程入手，用数学的方法，分析了种子的尺寸误差和排种器的加工精度误差与排种器的结构参数对排种均匀性的共同影响，旨在从种子精选分级和排种器的加工方面提高排种器的排种均匀性。2.1.1.1 种子尺寸的影响排种器投种示意图如图2-1所示。投种口所对圆心角= 40。A点为投种点，当种子重心到达A点时投种。此时大孔前壁到达B点（查资料可知，投种时种子稳定地靠在大孔前壁上11）则有： (2-1)式中: x 为种子长；R 为排种轮外径；c 为种子厚度；为投种时种子质心同投种口起始位置对应的圆心角。图 2-1 排种器投种示意由式(1)可知，是种子尺寸x的函数，种子尺寸x是随机变量，并服从正态分布XN(，2)，X 的概率密度为: (2-2)其中、可由试验测量种子尺寸的结果统计获得，为种子长度的平均值；，代表种子尺寸的均齐性，越大，种子均齐性越差。因而也是一随机变量, 其概率密度函数为: (2-3)方差为： (2-4)假设种子尺寸均齐一致，每次投种的值不变，则= 0，投种时间间隔一致，时间间隔为: (2-5)式中: 为排种轮转速，Z 为排种轮圆周型孔数，则粒距为: (2-6)式中: Vm 为机组前进速度。实际上种子尺寸服从某一正态分布，因此，排种的时间间隔不一致。令相临两种子尺寸为xi，xi-1，投种时间间隔为: (2-7)不考虑种子厚度尺寸的影响，种子投出后为抛物运动12，种子运动的初始状态和投种高度一致，粒距仅同投种时间间隔相关。粒距为: (2-8)粒距的均值为: （2-9）粒距的方差为: (2-10)则: ，粒距均匀性变异系数为: (2-11)所以，粒距均匀性变异系数随种子尺寸方差D(X)的增大而增大；同时，粒距均匀性变异系数随型孔数Z的增大而增大，随排种轮半径R的增大而减小。如果减小型孔数Z和增大排种轮半径R，就可以减小种子尺寸不均性对粒距均匀性的影响。排种轮参数Z=12，R=0.11m时, 如果种子尺寸方差D(X)=2=0.1296mm，由式(2-11)得：C=62.5%。可见，种子尺寸不均性对粒距均匀性影响是很大的，因而，为提高排种均匀性，对种子进行精选分级是非常重要的。2.1.1.2 型孔加工误差的影响1） 型孔位置精度的影响型孔位置误差是一服从正态分布的随机变量，其方差为D()。令种子尺寸和型孔尺寸均齐一致，相邻两型孔的位置误差分别为i和i-1，则投种时间间隔为: (2-12)粒距为: (2-13)粒距的均值为: (2-14)粒距的方差为: (2-15)粒距均匀性变异系数为: (2-16)粒距均匀性变异系数随型孔位置精度误差增大而增大；随型孔数的增加而增大。2） 型孔尺寸精度的影响种子尺寸精度误差是一服从正态分布的随机变量，其方差为D()。令种子和型孔位置均齐一致，相邻两型孔大孔尺寸的加工误差分别为i和i-1，则相邻两种子的投种间隔为: (2-17)粒距为: (2-18)粒距的均值为: (2-19)粒距的方差为: (2-20)粒距的均匀性变异系数为: (2-21)粒距均匀性变异系数随型孔大孔尺寸加工误差的增大而增大；随型孔数的增加而增大；随排种轮半径的增大而减小。2.1.1.3 与结构参数的共同影响种子尺寸和排种器型孔的精度误差与位置误差是3个相互独立的变量，则三变量共同影响时，粒距的均值为: (2-22)三变量共同影响时粒距的方差为: (2-23)则粒距均匀性变异系数为: (2-24)1） 排种轮半径R的影响由式(2-24)可知，粒距均匀性变异系数随R的增大而减小，即R的增大可以改善粒距均匀性；同时，R的增大又可降低种子尺寸不均性、型孔加工的位置误差和尺寸误差对粒距均匀性的影响。所以，在结构尺寸允许范围内，R应尽可能取大值。现有型孔式排种器的排种轮，内侧充种垂直圆盘式排种器的半径R = 110 mm，水平圆盘排种器的半径为100 mm 左右，气吸式排种器排种盘半径为70130 mm，气吹式排种器排种盘半径为124.5 mm12。所以排种轮半径一般为70130 mm。2） 圆周型孔数的影响由式(2-24)可知，粒距均匀性变异系数随Z的增加而增加，排种均匀性随Z的增加而变坏；同时，Z的降低加大了种子尺寸不均性、型孔加工的位置误差和尺寸误差对粒距均匀性的影响。因此，为提高排种均匀性，圆周型孔数不应选择太大。当然，排种轮尺寸和型孔尺寸也对型孔数目有限制。排种频率，型孔数目减少，n 必然降低，播种机工作速度也降低。如果为了保证工作速度而提高，充种率必然下降，即漏播率增加。漏播率l 是排种轮转速的递增函数。令l = l()，则有，因为，所以 (2-25)l 是Z 的递减函数，Z 减小，l 上升。所以，从漏播角度，型孔数的增加又可使粒距均匀性变好。本试验研究Z = 836 范围内为宜。2.1.1.4 小结通过以上分析，可以得出如下结论：1） 随着种子尺寸均齐性的提高和型孔加工误差的降低，排种器的排种均匀性提高。2） 排种器的圆周型孔数降低和半径增大，可以降低种子尺寸差异和型孔加工误差对排种均匀性的影响。3） 排种器排种轮半径R = 70130 mm， 圆周型孔数Z = 836，排种器性能较好。排种的均匀性受种子尺寸的均齐性、排种器的加工误差和排种器的结构参数的共同影响。因此, 提高排种器的排种均匀，必须对种子的精选分级、提高排种器型孔的加工精度、适当降低排种器的型孔数并增大排种轮半径。对于型孔式排种器而言。条播排种过程一般是将整箱种子形成连续不断的种子流。按精确排种量的要求，应该是精确、可控、定量地从种子箱中分离出种子，形成等时距、均匀的种子流，但实际上受多种因素影响达不到理想的要求，原因是受分离元件和定量元件的工作质量及环境条件的限制。外槽轮排种器是靠槽轮转动时齿脊拨动种子强制排种，槽轮转到凹槽处排出的种子较多，齿脊处较少，因此种子流呈脉动现象，影响排种的均匀度。在加工槽轮时将槽轮的轮槽交错排列，或将正槽做成螺旋斜槽，有助于提高均匀性，但仍不能从根本上消除排种脉动现象，这是外槽轮排种器的基本缺陷。根据种子的粒型不同，可以调节外槽轮排种器的清种舌的开口，改变排种间隙。但间隙过大，一部分种子可能自流排出，影响排种均匀性和播量稳定性，有些播种机在清种舌上方安装毛刷或弹性刮种器，可有效地提高排种均匀性和播量稳定性；间隙过小，种子损伤率增大，影响出苗率。纹盘式排种器分离元件的圆弧状条纹，在纹盘端面上形成头尾搭接的槽沟，所拨动形成的种子流比外槽轮式细而均匀，脉动性小，因此排种均匀性优于外槽轮式，但在控量调整、机械制造方面有不足之处。锥面型孔盘式排种器设计了便于种子囊入的沿圆周切线方向排列的、与小麦种子形状相似的长圆形型孔，型孔前壁设有引种倒角，以利种子顺利囊入；后壁设有退种倒角，以利多余种子顺利退出；型孔向下呈喇叭状，以利种子在投种时顺利投落；型孔之间有导种槽连接，辅助种子囊入型孔。利用锥盘转动时的旋转离心力和斜面分力，将箱内种子压力集中在窄小的平面环带上，增加种子的主动填充能力，可以大大改善囊种条件，提高囊种性能。2.1.2 点(穴)播型孔式排种器的充种能力型孔盘和窝眼轮的排种质量取决于型孔和窝眼的充种效果。为了获得高的充种率，种子必须精选并按尺寸分级，形状不规则的种子还要进行丸粒化加工，以保证籽粒大小均匀。型孔的形状和尺寸对充种性能的影响在确定型孔尺寸时，要使种子在填充几率较大的情况下按一定的排列方式设计。试验表明，扁粒玉米种子常以侧立或竖立状态从种箱侧壁向下运动进入型孔。由于摩擦力和离心力的关系，而以侧立式型孔充种方式较好。排种盘的线速度对种子充填性能及投种准确性有直接影响。若线速度过高，型孔通过充种区时间短，种子有可能来不及进入型孔，会造成漏播。采用较大的排种盘直径，可以增加充种路程及充种时间，有利于提高充种系数。气吸式排种器的吸附能力气吸式排种器的吸附能力取决于气吸室真空度，真空度越大，吸孔吸附种子的能力越强，不易产生漏吸；但真空度过大，一个吸孔吸附多粒种子的可能性加大，会产生重播。此外，吸孔直径越大，吸孔处对种子的吸力越大，可减少漏吸，但会增加重吸。目前，采用加大真空度以减少漏吸，同时采用清种器来清除多吸的种子。如在水平圆盘排种器的基础上，增设倒种台，利用其侧面压力充种。具有中国特色的磨盘式精密排种器就是利用特殊结构，利用锥体及其转动时产生的离心力加速了种子的主动充种过程，从而提高了排种器的充种性能。在一般的外侧充种的垂直圆盘排种器中，离心力与重力相反，不利于充种。而Cyclo气压式播种机采用内侧充种垂直圆盘排种器，利用种子重力、离心力和气流压力同时作用充种13。Snyder K A 的研究表明14，由于种子质量很小，种子离心力不是一个重要因素，这个理仅为排种轮气流压力作用在种子上里的3%。近年来的研究注意到了种子群之间的影响。如Pycer B M15的研究表明，Cyclo-500型气压式排种器滚筒内种子层厚度对充填性能有很大影响，种子皮太厚，增加了种子间的摩擦和碰撞，种子间易堵塞不易填充或把已压附的种子碰掉，出现空穴。KABAKOB B M16对气吸式排种器充种问题也进行了研究，再研究了气吸式排种器的空气动力学、不同形状和孔径的排种盘以及各种结构的搅动器后，发现充种频率不高主要是由于种子室结构不合理。改进的结构是在种子箱底部和种子室的过渡区加一块挡板，这样种子顺着搅动器转向，并自流到搅动器表面，立即被带动形成环流。经试验，改进后的排种器充种频率大有提高。2.1.3 清种方式对于点(穴)播排种器，种子充入型孔时可能附带多余的种子而必须加以清除，以保证精量播种。刮板式和刷轮式清种法适用于水平型孔盘、窝眼轮等形式的排种器。刮板或刷轮需有弹簧保持一定的弹性，以免伤种，并能可靠的清除多余种子。刷轮以自身的旋转作用，用轮缘将多余的种子刷走，刷轮的线速度应大于或等于型孔线速度的34倍。气吸式排种器上常用齿片式清种器；气吹式排种器上常用气流清种，原理新颖，效果较好。2.1.4 排种器的同步传动对于已有的排种器，为保证在播种机前进时播种排量与动力机转速快慢无关，排种器的排种速度必须与播种机的前进速度严格同步。因此，播种机排种器均由地轮驱动。对于本试验设计，排种器的排种速度必须与电动机的转速严格同步，即排种器由电动机驱动。2.2 排种器的实验分析下面对几种播种机分别对空载和充种时的拉力、功率和转速等进行了试验测定。2.2.1 2BM-2免耕播种机(小麦)表 2-1 2BM-2免耕播种机(小麦)试验测定单位：力F（N）拉力状态第一组第二组第三组第四组第五组平均值空载（F1）16.615.214.717.715.616.0充种（F2）24.523.923.226.325.624.7距离 S = 330 mm = 0.33 m扭矩：空载时 T1 = F1 * S = 16.0 * 0.33 Nm = 5.28 Nm (2-26) 充种时 T2 = F2 * S = 24.7 * 0.33 Nm = 8.151 Nm (2-27)此处为实验室图片图 2-2 2BM-2免耕播种机(小麦)空载状态下试验测定此处为实验室图片图 2-3 2BM-2免耕播种机(小麦)充种状态下试验测定2.2.2 大豆垄间套种冬小麦免耕播种机表 2-2 大豆垄间套种冬小麦免耕播种机试验测定单位：力F（N）拉力状态第一组第二组第三组第四组第五组平均值空载（F1）16.417.818.019.820.418.5充种（F2）24.122.525.623.724.524.1距离 S = 330 mm = 0.33 m扭矩：空载时 T1 = F1 * S = 18.5 * 0.33 Nm = 6.105 Nm (2-28) 充种时 T2 = F2 * S = 24.1 * 0.33 Nm = 7.953 Nm (2-29)此处为实验室图片图 2-4 大豆垄间套种冬小麦免耕播种机空载状态下试验测定此处为实验室图片 图 2-5 大豆垄间套种冬小麦免耕播种机充种状态下试验测定2.2.3 大豆窄行密植平作高速精密播种机表 2-3 大豆窄行密植平作高速精密播种机试验测定单位：力F（N）拉力状态第一组第二组第三组第四组第五组平均值空载（F1）6.46.07.48.19.17.4充种（F2）10.511.612.813.213.012.2距离：拉力与圆心之间的距离 S = 265 mm = 0.265 m扭矩：空载时 T1 = F1 * S = 7.4 * 0.265 Nm = 1.961 Nm (2-30) 充种时 T2 = F2 * S = 12.2 * 0.265 Nm = 3.233 Nm (2-31)转速：作业速率 V = 10 km/h = 10 * 1000/60 m/min = 166.7 m/min (2-32) 地轮直径 D = 490 mm = 0.49 m 周长 L = d = 3.14 * 0.49 m = 1.5386 m (2-33) 由每分钟行进 166.7 m 及每转 1.5386 m ，可得 转速 n = 166.7/1.5386 r/min = 108.54 r/min (2-34)功率：由 T = 9550 P/n，得 P = Tn/9550 空载时 P1 = T1n/9550 = 1.961 * 108.54/9550 kW = 22.3 W (2-35) 充种时 P2 = T2n/9550 = 3.233 * 108.54/9550 kW = 36.7 W (2-36)此处为实验室图片图 2-6 大豆窄行密植平作高速精密播种机试验测定2.3 小结本节对排种器的工作性能进行了比较全面的分析和阐述，并得出了影响排种器工作性能的因素有排种器的排种均匀性、充种能力、清种方式和同步传动等。另外，本节还对现有的2BM-2免耕播种机(小麦)、大豆垄间套种冬小麦免耕播种机和大豆窄行密植平作高速精密播种机三种播种机排种器进行了试验测定与分析，了解了三种播种机排种器的转速及功率，为本试验设计后续做了铺垫。3 排种器的设计3.1排种器的总体结构及工作原理本试验中排种器选择气吸式排种器。气吸式排种器主要由排种器壳体、剔种装置、排种盘、搅种轮、排种器盖和播量调节机构等零部件组成，其结构如图图3-1所示。图 3-1 气吸式排种器三维结构图排种器在工作时，种箱内的种子流人排种器储种室，排种盘将吸种室和充种室隔开，储种室与充种室相接，吸种室通过软管与风机相连。当风机工作时，使吸种室内形成一定真空度，因而使排种盘两侧产生压力差，在压力差的作用下，排种盘上的窝眼孔处产生吸附力，将充种室中的种子吸住；当吸人一粒种子时，种子会将窝眼内的吸种孔堵死，保证只有一粒种子进入窝孔；当种子随排种盘转动到刮种装置部位时，刮种装置会将窝孔处多余种子清除掉，只保留一粒种子以保证不出现重播。种子继续随排种盘旋转至导种管上方的播种无吸力区域后，由于种子失去了风压对其的吸附力，便依靠自身重力及离心力的作用，落入导种管进入种沟完成播种过程。3.2 排种盘的设计排种盘是排种器的关键零件，其结构设计优劣直接影响排种器的性能。本排种盘采用双排窝孔形式布置，其结构如图3-2所示。图 3-2 吸种盘结构图窝孔形式及孔径的大小对所需的吸种室真空度影响很大。真空度小，漏播率偏大；真空度较大，则重播率增大。因此，窝孔形式及孔径大小直接影响着排种器对种子的吸附能力。适当形状的型孔有助于提高排种器的囊种。该排种器采用的是窝孔式型孔，能够很大程度上提高种子的囊种率，窝孔直径为5 mm。窝孔的数量与播种速度、频率及粒距有关，窝孔的数量应在不影响排种器吸种、清种和排种的情况下尽量多些，以便提高播种速度。在播种机速度一定的情况下，随着窝孔数的增多，排种盘的转速则应相应降低，以保证有足够的充种时间，提高排种性能。然而，随着窝孔数量的增多，相邻两窝孔之间的距离会变小。当窝孔数量逐渐增加到一定数值时，两窝孔间就会出现吸种相互干扰现象，使得种子在排种器上的排列出现混乱，导致排种性能逐渐降低。考虑以上因素，本文设计采用90孔，其内外圈各45孔。3.3 排种器的装配过程仿真3.3.1 零件建模零件建模是三维设计的基础，用SolidWorks软件可以快捷、准确地建立零件模型。排种器每一个组成零件通过拉伸、旋转、扫掠和抽壳等方法生成零件实体，并建立合适的约束条件和特征间父子关系，可通过模型树了解零件的设计过程，灵活地进行修改。3.3.2 零件装配装配体采用自下向上设计，先确定排种器外壳作为固定件，其他零件在固定件的基础上按照装配关系依次导入进行装配。各个零件之间加上所需的同轴、两平面平行以及两平面重合等约束关系，最终得到排种器装配图。其模拟装配过程如图3-3所示。图 3-3 SolidWorks模拟装配过程3.3.3 干涉检验通过对装配体进行干涉检查、碰撞检查和动态间隙检测，可发现干涉并知道干涉区域，结果如图3-4所示。图3-4中，圆圈区域即为干涉区域，此时应对模型进行修改，直到获得满意的结果。图 3-4 干涉检测在Solidworks环境下，对排种器进行动态的模拟装配过程，经优化设计出的三维装配图如图3-5所示。图 3-5 排种器三维装配图3.4 排种器的运动仿真影响气吸式排种器排种性能的因素较多，如窝孔的孔径、窝孔数量、排种盘的转速、作业速度和真空室压力值等。其中，排种盘转速和作业速度的关系对气吸式排种器排种性能的提高具有重要意义，而作业速度又是评价排种器的重要指标。排种盘转速的确定应是在保证国标株距合格指数的前提下机车具有最高的工作速度。排种盘转速越高，种子在转动的过程中产生的离心力越大，吸种室所需的真空度也就越大。为防止出现漏吸，需适当提高风机的转速，而风机转速受生产条件限制。随着排种盘转速的提高，吸种孔与种子的接触时间会大大缩短，会产生来不及吸种或吸种不充分等问题，导致种子脱落，造成空穴、漏播率提高以及株距合格率下降，这也需要适当提高真空度。因此，为保证气吸式排种器的充种时间及排种质量，排种盘的转速要合理。在实际生产中，排种的动力由地轮经过传动机构到达排种器。地轮与排种器之间有着固定的传动比，而地轮的转速与作业速度(地面与播种机的相对速度)相关，因此在仿真模型中定义地面与地轮之间为齿轮齿条传动，用以简化模型，并提高实验数据的准确性。由试验测得，在吸种室真空压力为0.004MPa的条件下，转速接近58.2r/min时，排种性能稳定性最好，如图3-6所示。此时有较充分的充种时间，重播率及漏播率均较小。因此，以播种大豆种子为例，将排种器的转速定为58.2r/min进行排种状态的运动仿真，如图3-6所示。图 3-6 排种盘转速为58.2r/min时排种器的运动仿真模拟仿真中将播种大豆的理论株距定为5.5cm，在保证株距及播种均匀性等前提下，得出仿真模型的机车作业速度为8.529km/h，如图3-7所示。图 3-7 仿真模型中大豆的株距5.5cm3.5 小结1) 利用SolidWorks对排种器进行三维实体装配和设计，并进行干涉检验，在设计阶段发现问题，提高了设计质量和效率，缩短了研制周期。2) 在一定的排种性能指标条件下，排种器的转速与作业速度有一个最佳匹配值，排种器的转速与机车作业速度分别为58.2r/min和8.529km/h。3) 对气吸式排种器进行运动仿真，得出相关的技术参数，为气吸式排种器的理论研究和生产实践提供了参考依据。4 电动机的选择及连接4.1 电动机型号的选择4.1.1 机组动力计算机组的功率为：P=Fzv (4-1)式中：P机组消耗功率，W；Fz机组作业阻力，N；v机组作业速度，m/s。4.1.1.1 作业阻力Fz的确定机组作业阻力主要包括开沟器、排种器、排肥器、覆土器的工作阻力和行走轮的滚动阻力等，其中排种器、排肥器以及传动件的摩擦阻力很小17-19，一般可以被忽略，因此：Fz=Fk+Ff+Fx (4-2)式中：Fk开沟器工作阻力，N；Ff覆土器工作阻力，N；Fx行走轮滚动阻力，N。查资料20，得Fz=Fk+Ff+Fx=520N。4.1.1.2 作业速度v的确定查资料21-24，得，正常情况下，人的步行速度为5 km/h。田间作业时，人的步行速度会适当减慢，取3.6 km/h。即v = 1 m/s (4-3)4.1.1.3 机组消耗功率P的计算由式(4-1)得P=Fzv=5201=520W (4-4)考虑功率储备等因素25，取P=750W。4.1.2 电瓶及电动机的选择采用电瓶，可选用48 V、950 Ah的电瓶2块；功率为750W的ZD-72 型电动机1个4.2 电动机和排种器的连接本设计选择电动机和排种器通过同轴直接连接的方式，中间通过轴和联轴器连接。4.3 小结本试验设计是电动排种器，即排种器的转速由电动机驱动，避免了以往排种器需要控制和协调排种器的转速和机车作业速度，为农业生产提供了方便，节约了时间。5 结语通过一个学期的努力，终于圆满地完成了这次毕业设计。本毕业设计课题涉及电机和排种器，设计内容丰满，专业性强，是我们学习锻炼的好题材。首先根据排种器的种类及特点、工作性能及实验分析，然后设计排种器，并进行装配及运动仿真，以AutoCAD二维设计软件和SolidWorks为开发工具，绘制排种器的二维及三维图；然后选择电动机的型号，并设计其与排种器的连接方式及相关计算，进而设计出整个电动排种器。主要结果如下：（1）论文较全面的阐述了排种器的概况和发展现状，对现有排种器的结构和工作原理进行了全面的分析，制定了本设计的方案，并对各个部分进行了设计计算。（2）通过对主要部件的设计，得到了各个部件的基本参数，并在电脑上利用AutoCAD建立的二维模型，实现了零部件的数字化设计。（3）根据机械设计及力学原理，对本设计的关键零部件进行了相关分析，验证了设计的合理性与可靠性，并通过实验进行了验证。（4）运用SolidWorks三维设计软件对电动排种器进行了造型和运动仿真设计。通过设计过程中的资料收集分析、排种器设计和电机的选用等，我对本专业在农业生产中的应用有了更深的认识，对播种机中的排种器有了进一步的了解。我认为电动排种器为我们带来了巨大的契机，它节省时间，而且播种更准确，驱动更方便。尽管这项技术在中国的推广应用还未开始，但由于其独特的优势，必将引起广大用户、科技人员以及农业生产部门的高度关注。但我相信通过科研机构和工程技术人员的共同努力，借鉴之前的研究成果，我国的电动排种器的应用将得到较快的推广和发展。本设计包括设计说明书和全套图纸，由于实际工作经验不足，且水平有限，设计中难免出现错误和漏洞，还望各位老师谅解指正。- 30 -参考文献1 邱梅贞.中国农业机械技术发展史M.北京：北京工业出版社，1993，69 - 82.2 吴明亮，汤楚宙，李明等.水稻精密播种机排种器研究的现状与对策J.中国农机化，2003，(3):30 - 31.3 杜辉，樊桂菊，刘波.气力式精量播种机与排种器的研究现状J.农业装备技术，2002，(3).4 李宣秋，胡建平.精密播种技术及磁吸滚筒式穴盘排种器的研究J.农业装备技术，2007，33(1):17 - 19.5 张守勤等.贝克公司气吹式排种器性能试验报告.贝克公司，1990.6 侯宝章.气吹式排种器工作原理初探.见：精播技术论文集.中国农机院，1983.7 马成林.气吹式排种器充填远离的研究.农业机械学报，1981(4）.8 陈怡群.振动排种及振动式排种器应用于精播的研究硕士学位论文.北京：北京农业大学，1982.9 李建华.2BF-8 型小麦精密播种机播种均匀性研究D.保定：河北农业大学，2000.10 KACHMAN S D. 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