氣圓盤(pán)式胡蘿卜精量排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

氣圓盤(pán)式胡蘿卜精量排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

0特色精量播種作為重要的蔬菜種類(lèi)的胡蘿卜，它被稱(chēng)為“小人參”。它富含各種養(yǎng)分，可以減少膽固醇，預(yù)防心臟病和腫瘤疾病。精量播種主要可分為機(jī)械式播種與氣力式播種針對(duì)胡蘿卜種子籽粒小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則,且種子有四列的毛邊、播種的粒距小、現(xiàn)有的精量排種器不易對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效充種及容易發(fā)生堵塞的狀況1全球設(shè)計(jì)和工作原則1.1傳動(dòng)軸和排種盤(pán)的安裝氣力圓盤(pán)式胡蘿卜精密排種器主要由負(fù)壓殼體、密封圈、排種盤(pán)、攪種輪、清種裝置、輔助落種裝置、傳動(dòng)裝置、箱體和種箱等組成,如圖1所示。傳動(dòng)軸通過(guò)一端的六棱柱與排種盤(pán)配合實(shí)現(xiàn)對(duì)排種盤(pán)的徑向定位,通過(guò)箱體上安裝的耐磨裝置與負(fù)壓殼體固定的密封圈實(shí)現(xiàn)對(duì)排種盤(pán)的軸向定位。排種盤(pán)上均勻分布著型孔和擾種柱;箱體的外側(cè)設(shè)有進(jìn)種口,進(jìn)種口連接著種箱,內(nèi)側(cè)設(shè)有直擋板,用于控制種群高度;負(fù)壓腔室由負(fù)壓殼體、密封圈與排種盤(pán)組成,吸氣口固定于負(fù)壓殼體上并與負(fù)壓腔室相通;正壓腔室設(shè)置在負(fù)壓殼體的正下方并與排種盤(pán)正下方的型孔相通。1.2種盤(pán)清堵過(guò)程工作時(shí),可將排種器按照不同的工作內(nèi)容將工作區(qū)域劃分為充種區(qū)Ⅰ、清種區(qū)Ⅱ、攜種區(qū)Ⅲ、落種區(qū)Ⅳ、清堵區(qū)Ⅴ及過(guò)渡區(qū)Ⅵ,如圖2所示。排種器工作過(guò)程分為輔助充種、碰撞清種、單粒攜種、重力與碰撞落種和正壓清堵5個(gè)過(guò)程。工作時(shí),種箱內(nèi)的種子依靠重力通過(guò)直擋板可調(diào)大小的落種口進(jìn)入充種區(qū),充種區(qū)內(nèi)的攪種輪由排種盤(pán)上擾種柱帶動(dòng)隨之轉(zhuǎn)動(dòng),從而使充種區(qū)內(nèi)堆積的種群處于離散狀態(tài)。此時(shí),風(fēng)機(jī)的負(fù)壓氣流通過(guò)負(fù)壓腔到達(dá)排種盤(pán)的型孔處,并將種子吸附在型孔處,種子隨著排種盤(pán)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng),完成充種過(guò)程。當(dāng)種子到達(dá)清種區(qū)時(shí),型孔處的種子多次碰撞帶有圓弧形的清種裝置,處于型孔邊緣的種子受碰撞的沖擊力,導(dǎo)致其所受的負(fù)壓吸力小于所碰撞的力,落入充種區(qū),完成清種過(guò)程。隨后,型孔處的單粒種子在負(fù)壓吸力的作用下經(jīng)過(guò)攜種區(qū)到達(dá)落種區(qū)。到達(dá)落種區(qū)的種子由于負(fù)壓氣流被阻擋,種子失去負(fù)壓吸力,依靠重力作用完成落種。有少許種子依然卡在型孔上,不能依靠重力落種,在排種器底部設(shè)有輔助碰撞落種裝置。當(dāng)種子到達(dá)輔助落種裝置時(shí),依靠種子與輔助落種裝置的碰撞力實(shí)現(xiàn)落種,達(dá)到了清堵的目的。排種盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)正壓清堵區(qū),正壓管中的正壓氣流通過(guò)正壓腔到達(dá)種盤(pán)型孔處,對(duì)種盤(pán)型孔進(jìn)行清堵,完成清堵過(guò)程。種盤(pán)經(jīng)過(guò)一小段過(guò)渡區(qū)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)返回充種區(qū),進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。2平板設(shè)計(jì)2.1胡蘿卜種子型孔尺寸排種盤(pán)型孔直徑是確保胡蘿卜種子能夠有效地被型孔所吸附的重要條件之一,取決于種子的幾何尺寸等物料特性?，F(xiàn)隨機(jī)選取內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院蔬菜所研制的“金紅六號(hào)”胡蘿卜種子50粒,測(cè)量胡蘿卜種子的長(zhǎng)、寬、厚三軸尺寸,結(jié)果如表1所示。型孔直徑根據(jù)胡蘿卜種子的平均寬度有關(guān)=(0.64～0.66)式中—種子的平均寬度(mm)。由表1可知:胡蘿卜種子的平均寬度為2.11mm,則型孔直徑可選范圍為1.35～1.40mm。但是,由于胡蘿卜種子外形為舟形,中間寬、兩頭小,如若按平均寬度計(jì)算孔徑,當(dāng)此尺寸型孔吸附胡蘿卜種子時(shí),兩頭細(xì)小的胡蘿卜種子將概率性直接插入型孔中,從而加大落種的難度,甚至?xí)斐啥氯?。因?設(shè)計(jì)孔徑時(shí)應(yīng)該按照胡蘿卜種子最小寬度進(jìn)行計(jì)算,即胡蘿卜種子最小寬度為1.65mm,所計(jì)算得排種盤(pán)孔徑的大小為1mm。2.2數(shù)量、種子在型孔上所受的慣性力及風(fēng)機(jī)所提供的負(fù)壓值的計(jì)算排種盤(pán)直徑是確定整個(gè)排種器的結(jié)構(gòu)尺寸重要參數(shù),決定了型孔位置、型孔線速度、型孔數(shù)量、種子在型孔上所受的慣性力及風(fēng)機(jī)所提供的負(fù)壓值的大小式中—型孔的線速度(m/s);—充種區(qū)的角度(°);—型孔的中心到排種盤(pán)邊沿的距離(m);—排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速(r/min)。由式(2)可得(3)由式(3)可得:充種時(shí)長(zhǎng)2.3型孔數(shù)量對(duì)插種器性能的影響在相同播種量的情況下,型孔數(shù)量是確定排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的主要因素,而排種盤(pán)轉(zhuǎn)速是影響充種性能的重要條件之一式中—型孔的線速度(m/s)。由式(4)化簡(jiǎn)可得(5)由式(5)可知:型孔數(shù)量與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速成反比,與播種機(jī)行走速度成正比;增加型孔數(shù)量可降低排種盤(pán)轉(zhuǎn)速,從而增加充種時(shí)長(zhǎng),提高排種器的工作性能;增加型孔數(shù)量可增加播種機(jī)的作業(yè)速度,提高作業(yè)效率,從而達(dá)到高效精量播種的目的。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)由于胡蘿卜種子為不規(guī)則形狀,且每一個(gè)胡蘿卜種子彎曲的程度都不相同,經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)可知:當(dāng)胡蘿卜種子被吸入型孔時(shí),吸入的姿態(tài)各不相同,且被型孔吸住的部位也不一樣。所以,當(dāng)設(shè)計(jì)型孔數(shù)量時(shí),應(yīng)考慮型孔之間的間距,避免種子間首尾接觸,干擾排種器的工作性能;另外,相鄰型孔之間的間距相鄰吸孔間距(6)根據(jù)公式(6),計(jì)算得到型孔數(shù)量3其他重要設(shè)備的設(shè)計(jì)3.1擾種盤(pán)的安裝位置及數(shù)量現(xiàn)有的氣力式精量排種器在工作過(guò)程中很難將種子從種群中快速地分離出,以便于被型孔有效地吸附,從而造成型孔漏吸種子,降低排種器的工作性能充種裝置的原理:帶有葉片狀的擾種輪固定在箱體上,擾種柱隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng),隨之帶動(dòng)擾種輪轉(zhuǎn)動(dòng),從而使種群里的種子處于離散狀態(tài),容易被型孔所吸附。擾種輪葉片與排種盤(pán)上擾種柱的設(shè)計(jì)是充種裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。種群堆積處的種子大多處于靜止或者被堆壓的狀態(tài)時(shí),容易形成架空狀態(tài),增加充種失敗的概率,導(dǎo)致充種不充分,降低排種器的工作性能。所以,擾種輪安裝位置應(yīng)該選擇箱體種群的入種口(即種群堆積處),應(yīng)選取箱體直徑為140mm處(種群堆積處)為擾種輪中心的安裝位置。型孔圓的直徑為190mm,擾種柱圓的直徑應(yīng)小于型孔圓直徑,擾種柱轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)需碰撞處于種群中的擾種輪葉片,因此選取擾種柱圓擾種柱的目的是帶動(dòng)擾種輪葉片進(jìn)行持續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng):當(dāng)擾種柱與擾種輪葉片的數(shù)量過(guò)于少時(shí),擾種輪將斷斷續(xù)續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng),種群里的種子不會(huì)達(dá)到一直流動(dòng)的狀態(tài),影響充種效果;擾種柱與擾種輪葉片過(guò)多時(shí),容易造成擾種輪受力不均勻,降低排種盤(pán)與擾種輪的壽命,且易使排種盤(pán)加工的困難,排種盤(pán)加工成本增加。擾種柱與擾種輪葉片最優(yōu)的數(shù)量的設(shè)計(jì)依據(jù)是:第1個(gè)擾種柱接觸擾種輪葉片時(shí),帶動(dòng)擾種輪轉(zhuǎn)動(dòng);第1個(gè)擾種柱剛離開(kāi)擾種輪時(shí),第2個(gè)擾種柱開(kāi)始接觸擾種輪,從而使擾種柱持續(xù)不斷得帶動(dòng)擾種輪轉(zhuǎn)動(dòng)。則有式中—兩相鄰擾種柱之間的角度(°);—擾種柱圓直徑(m);—與兩相鄰擾種柱接觸的葉片之間的弧長(zhǎng)(m);—與兩相鄰擾種柱接觸的葉片之間的角度(°);—擾種柱接觸點(diǎn)圓直徑(m)。擾種柱圓與接觸圓相切,但接觸圓隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生改變,則通過(guò)式(7)近似可計(jì)算得3.2種子清種過(guò)程的影響由于胡蘿卜種子的形狀不規(guī)則且大小不一,在充種過(guò)程中胡蘿卜種子往往會(huì)以不同的姿態(tài)被排種盤(pán)型孔吸住,會(huì)造成一個(gè)型孔會(huì)出現(xiàn)吸附兩粒或者多粒的種子的狀況,從而降低排種器的工作性能。所以,排種器在完成充種過(guò)程后進(jìn)行清種是十分有必要的。清種過(guò)程的質(zhì)量是決定排種器工作性能的重要因素之一:清種不充分,重吸的種子無(wú)法及時(shí)有效地被刮掉,容易形成重播;過(guò)度清種,容易使型孔內(nèi)的種子被完全清空,且易對(duì)種子進(jìn)行損傷,從而造成漏播。所設(shè)計(jì)清種裝置可分為10種清種等級(jí),根據(jù)清種件第1個(gè)圓弧中心到型孔中心的距離進(jìn)行確定清種度等級(jí),如表2所示。3.3清堵口國(guó)內(nèi)外許多氣力式排種器在工作過(guò)程中容易發(fā)生型孔堵塞的問(wèn)題,從而造成循環(huán)式漏播,影響排種器的工作性能所設(shè)計(jì)的排種器的清堵原理是利用正壓將堵塞在型孔中的堵塞物吹出排種器外,因此將清堵口設(shè)計(jì)在排種器的正下方,此處為種子已完成落種的區(qū)域,不會(huì)影響排種器的排種性能。合理有效地設(shè)計(jì)清堵口的氣壓是清堵裝置的關(guān)鍵,清堵裝置只是排種器完成有效排種的一種輔助裝置,在保證有效清堵的作用后,應(yīng)盡可能減少風(fēng)機(jī)提供正壓的消耗。經(jīng)臺(tái)架測(cè)試試驗(yàn)可知:將堵塞在型孔中的雜質(zhì)用正壓清出需要0.6kPa。以下選取正壓0.6kPa為正壓清堵參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。4臺(tái)灣試驗(yàn)驗(yàn)證4.1試驗(yàn)臺(tái)架和排種器試驗(yàn)選用內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院蔬菜所研制的“金紅六號(hào)”胡蘿卜種子為試驗(yàn)對(duì)象,將所設(shè)計(jì)的排種器利用機(jī)械加工與3D打印技術(shù)加工完成,并合理地搭放在試驗(yàn)臺(tái)架上。試驗(yàn)臺(tái)架由傳送帶、傳送帶電機(jī)與變頻器組成,通過(guò)調(diào)整變頻器的頻率控制傳送帶的速度,利用傳送帶模擬田間試驗(yàn)。排種器由變頻電機(jī)帶動(dòng),通過(guò)數(shù)顯智能調(diào)速器進(jìn)行控制。選用高壓旋渦風(fēng)機(jī)型號(hào)HG1500,功率1500W,旋渦機(jī)提供負(fù)壓與正壓,通過(guò)變頻器控制負(fù)壓與正壓值,變頻器2200W;壓力表負(fù)壓表范圍為-10～0kPa,正壓為0～1kPa;通過(guò)壓力計(jì)測(cè)量出氣口的風(fēng)壓,并隨時(shí)檢測(cè)氣室內(nèi)壓穩(wěn)定性。試驗(yàn)裝置如圖5、圖6所示。4.2種盤(pán)轉(zhuǎn)速和顆粒距試驗(yàn)通過(guò)改變風(fēng)機(jī)的頻率,取風(fēng)機(jī)進(jìn)口的負(fù)壓值為1.6kPa、清堵正壓為0.6kPa,調(diào)節(jié)清種裝置,將清種等級(jí)設(shè)為5,通過(guò)調(diào)節(jié)傳送帶上電機(jī)控制開(kāi)關(guān)頻率,調(diào)節(jié)傳送帶的速度為6km/h。利用式(8),計(jì)算出播種速度對(duì)應(yīng)的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速分別為18.56r/min。(8)式中—種盤(pán)的轉(zhuǎn)速(r/min);—排種盤(pán)上吸孔數(shù),取依據(jù)《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定。為了方便統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),記錄180穴種子間的粒距,試驗(yàn)重復(fù)3次,結(jié)果如表3所示。由表3可知:漏播率為4.07%,重播率為14.53%,合格率為81.48%,在此條件下所設(shè)計(jì)的胡蘿卜精量排種器的排種性能較為良好。5輔助排種裝置清種過(guò)程1)氣力圓盤(pán)式胡蘿卜精量排種器,通