内置轮式气吸排种器设计与试验_毛世维.pdf

吉林农业大学学报 2023，45（2）：243-252http:/Email:jlndxb Journal of Jilin Agricultural University内置轮式气吸排种器设计与试验*毛世维1，李洪刚2，黄东岩3，袁洪印4*1.吉林农业大学工程技术学院，长春130118；2.吉林省农业机械研究院，长春130022；3.吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春 130025；4.长春光华学院，长春130033摘 要：针对现有气吸式垂直圆盘结构排种器存在阻力大、大风机功率损耗严重、转轴驱动风机传动不稳、风机外置结构复杂等问题，采用轮式、内置电力小风机的结构，设计了一种新型轮式玉米精密气吸排种器，使风机与排种器一体式结合，达到损耗小、传动稳、结构简便的效果。确定其主要部件的结构参数，建立种子在吸附过程的力学模型。以玉米种子为播种对象，以作业速度、气吸室真空度为影响因素，运用二次正交旋转组合试验方法，建立种子吸附过程力学模型，分析各因素对排种质量影响规律，并通过对排种器性能参数优化，排种器在真空度3.05.7 kPa和作业速度低于10 km/h时，其合格指数能够达到90%以上，重播和漏播指数均小于5%，并验证试验结果可靠，为轮式气吸排种器研究奠定基础。关键词：玉米；内置轮式；气吸排种器中图分类号：S223.2 文献标志码：A 文章编号：1000-5684（2023）02-0243-10DOI：10.13327/j.jjlau.2021.5411引用格式：毛世维，李洪刚，黄东岩，等.内置轮式气吸排种器设计与试验 J.吉林农业大学学报，2023，45（2）：243-252.Design and Test of Built-in Wheeled Air Suction Seed Metering Device*MAO Shiwei1，LI Honggang2，HUANG Dongyan3，YUAN Hongyin4*1.College of Engineering and Technology，Jilin Agricultural University，Changchun 130118，China；2.Jilin Agricultural Machinery Research Institute，Changchun 130022，China；3.Key Laboratory of Bionics Engineering of Ministry of Education，Jilin University，Changchun 130025，China；4.Changchun Guanghua University，Changchun 130033，ChinaAbstract：In view of the problems existing in the air suction vertical disk structure seed metering device,such as high resistance,serious power loss of big fan,unstable transmission of rotary shaft drive fan,and complex external structure of fan,a new type of wheeled corn precision air suction seed metering device was designed with the structure of wheeled and built-in electric small fan,which makes the fan and seed metering device integrated to achieve the effect of small loss,stable transmission,and simple structure.The structural parameters of its main components were determined,and the mechanical model of the seed adsorption process was established.Taking corn seeds as the seeding object,the operating speed and the vacuum degree of the air suction chamber as the influencing factors,using the quadratic orthogonal rotation combination test method,the mechanical model of the seed adsorption process was established,the rules of the effectes of various factors on seed metering quality were analyzed,and the performance parameters of the seed metering device were optimized.*基金项目：吉林省农机院科研项目（CZ201803191）作者简介：毛世维，男，在读研究生，研究方向：农业生产过程机械化。收稿日期：2019-09-24*通信作者：袁洪印，E-mail：。吉林农业大学学报 2023 年 4 月Journal of Jilin Agricultural University 2023，AprilWhen the vacuum degree of the seed-metering device was 3.0-5.7 kPa and the operating speed was lower than 10 km/h,its qualification index could reach 90%above,and the indexes of replay and leakage seeding were less than 5%.The test results are verified to be reliable,laying a foundation for the research of the wheeled air suction seed metering device.Key words：corn；built-in wheel；air suction metering device玉米作为我国的第一代粮食产物，在全国34 个省市自治区都有种植，它作为我国粮、经、果、饲兼用的作物，在我国粮食安全上占据着主导地位1-2。在东北地区玉米生产过程中，播种是一个必不可少的环节。排种器作为精密播种机的核心部件3-6，其性能直接影响播种机的作业效率和作业质量，同时也影响作物的种植质量和农民的劳动效率。如今，国内外对排种器的研究有很多，用于实际生产的播种机主流依然是气吸工作原理7-11，而国内气吸式排种器的结构大多是垂直圆盘式12，主要用于播种玉米、大豆等作物，在实际作业条件下，由于排种器的大风机是由拖拉机转轴所驱动的，并且连接粗长的排气管，如果转轴的转速较低的话，容易导致吸孔吸力不足以至于漏播严重；田间作业的振动频率也会出现种子吸不上而漏播的现象；吸种圆盘与排种器是密封的，而吸力阻滞着圆盘转动，使圆盘存在磨损现象；并且风机外置需要的大排气管连接出现功率损耗大问题。针对上述气吸排种器存在的问题，设计一种新型的内置电力风机、轮式结构的气吸排种器，完成种子从吸种到顺利投种，实现对玉米种子的精量播种。1整体结构与工作原理1.1排种装置结构内置轮式气吸排种器主要由壳体、排种轮、内圈一体、搅种器、搅种电机、刮种杆、剃种板、卸种板、风机以及密封带等组成，主要结构见图1。1.2工作原理内置轮式气吸排种器工作过程分为充种、清种、携种、投种、无种过渡这5个过程。排种器工作时，种箱里的种子由搅种电机驱动搅种器转动使种子填充到型孔处，来自风机负压的气流通过负压腔将负压传递到吸孔处，种子在负压作用下被吸附于型孔上，完成充种；链轮带动排种轮转动，种子随排种轮到达清种区，沿排种轮两侧交错安装有刮种杆，在型孔处刮种杆将吸附力不大的多余种子剔除掉，并重新落回充种区，完成清种；种子随着排种轮转动来到投种区，排种轮内部设计有固定不动的内圈，从源头来隔绝型孔处的负压吸力，便于种子受重力作用下落，由于不能完全隔绝气流，剃种板将不能完全掉落的种子剔除到剃种板内顺着管内下落，从而完成投种；排种轮旋转至过渡区，在密封块的作用下堵塞型孔从而减小气流损失，返回充种区，依次循环完成玉米播种作业。1.3种子吸附时的力学分析种子在运动过程中大致分为2个阶段，分别是吸附阶段和吸住阶段，由于种子吸附的时间较短，且受力情况复杂，为方便分析而忽略次要因素的影响13-14。分析玉米种子由静止到运动这个过程的力学变化，建立坐标系联立方程来求解。以型孔表面种子为研究对象，进行受力分析，由图2可见，平衡方程15：|Fx=Ns-FQ-Nacos(+)-fasin(+)-Gsin=0Fy=fs+Nasin(+)-facos(+)-Gcos=0，1.风机罩；2.风机；3.胶皮密封圈；4.滤网；5.内圈一体；6.密封带；7.剃种板；8.弹簧；9.排种轮；10.密封板；11.刮种杆；12.壳体；13.搅种器；14.卸种板；15.箱体盖板；16.挡板；17.轴承座；18.搅种电机；19.电机罩图1内置轮式气吸排种器结构Fig.1Structure of built-in wheeled air suction seed metering device244毛世维，等：内置轮式气吸排种器设计与试验吉林农业大学学报 Journal of Jilin Agricultural Universityfs=Nstansfa=Natana，式中，Ns为排种轮对种子的支持力（N）；Na种群对种子的支持力（N）；FQ为种子吸附力（N）；fs为排种轮对种子的摩擦力（N）；fa为种群对种子的摩擦力（N）；为Ns水平方向的夹角，（）；为吸种角，（）；a为自然休止角，（）；s为摩擦系数。种子可以被吸附上的条件为FQNs-Nacos(+)-fasin(+)-Gsin，忽略种子之间相互作用力，则简化为FQGcostans-Gsin=Gcos(+s)sins，种子所受吸附力实质就是内外压强差形成，其方程为FQ=CdS022，式中，Cd为阻尼力系数；S为气流方向的投影面积（m2）；为空气密度（kg/m3）。玉米的形状为头尖尾圆，可近似为椭圆，而种子在种箱里的型态是不确定的，但其投影面积在气流方向上是一定的，为保证有可靠的吸附力，取种子的投影面的短轴长度计算，则公式为FQ=18CdL202。研究表明，吸孔处的流场呈现圆锥的放射状。设锥角为2，距锥顶中心距离为x，则气流截面积：S=2xh=2x2(1-cos)，由此推导距离为x时气流速度为=QS=Q2x2(1-cos)，吸附条件为FQ=3CdQ2128zLgx4(1-cos)cos(+a)sina。由上式可知，影响种子吸附的主要因素：种子的物料特性（z、Cd、L），距离型孔的距离（x），气流影响系数（、Q），种子与排种轮的摩擦角（a），吸孔所形成锥角（）等因素有关。种子吸附力与种子距型孔距离（x）成反比，因此本排种器设计种箱位置更加贴近排种轮，使吸附力需求更易满足；吸附力与气流流速有关，气流流速越大，吸力也就越大，种子距型孔越近，越容易吸附，增大气体流量和减小种子吸孔距离可提高吸附能力。1.4玉米吸住时的力学分析种子被吸附于排种轮上相对静止地转动，它的受力因此改变，一方面是绕流阻力变化为型孔负压的吸力；另一方面是随排种轮转动所产生的离心力。种子受力分析见图3，建