振动对种子流出过程的作用分析

尤晓东

摘要：研究播种机种箱中种子的运动机理。阐述种子在种箱内的状态及种子架空的形成与消失，分析振动过程中种子的运动情况、振幅对种子移动的影响及振动时种子流出量，以期为播种机播种装置的设计提供理论依据。

关键词：振动；种子；运动规律；作用；分析

中图分类号：S223.2 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）12-0020-02

播种机工作时，储存在种箱中的种子从种箱向排种器中流动，然后在排种器的投送下，按要求落入土壤中，完成排种作业。种子从种箱中流入排种器的过程遵循散粒体力学理论，现分析振动对种子流出过程的作用。

1 种子储存在种箱内的状态

基于对大量研究资料的综合分析，种子的压力传递和流动规律可概括为以下几点：

1） 种子对种箱底板的压力远远小于种子柱的重力。其原因是种子重力的一部分以侧向推力形式作用于种箱侧壁，另一部分重力则为侧壁对种子的摩擦力所平衡。

2） 种子对种箱底板的压力随其数量的增加而增加，到达极限值后，压力不再增加。

3） 种子排出时，种子流出口上空必然形成抛物面形拱桥。由于种子处于非平衡状态，所以落粒拱发生周期性崩塌，继而重新形成。

2 种子架空的形成和消失

种子只有在通过直径不大的孔时才形成架空，架空往往发生在箱底和侧壁上压力增大或保持平衡的区域。为了让最接近出口的种子通过出口，垂直压力Py必须大于侧边种子的摩擦力F，即Py>Pxtgφ，式中φ为摩擦角。

为了使种子在通过出口时均匀、稳定，必须减小种子间的摩擦系数。然而每种物料之间的摩擦系数都是常数，想要在不改变其物态的情况下改变摩擦系数是不可能的。因此，只有通过减小正压力的办法来减小摩擦力，具体方法是减少种子接触，例如使种子变成振动状态下的“沸腾状态”。

3 振动过程中种子的运动情况

振动底板表面的种子会随着振动规律地变化，可能与底板一起运动，也可能作跳跃运动。

假设种箱底板以特定规律在垂直面内振动，当底板向上运动时，作用于种子的力为重力mg和惯性力ma（此处a为种子的加速度），即P=ma+mg。

每粒种子对底板的压力都是P。在底板运动的最上端，加速度改变符号，惯性力改变方向，此时作用于种子的力将是P=mg-ma。而且，如果a≤g，则种子与底板一起运动；如果a>g，则种子在底板上作跳跃运动。

当底板开始向下运动时，作用在种子上的力为P=mg-ma，种子蹦起的条件是a>g。在底板向下运动的末端，力mg和ma具有相同的符号，而且P=mg+ma。由此可见，振动时作用在种子上的力不仅有重力和上层种子的压力，还有惯性力；同时，作用在种子之间的力就从0（当a=g时）增加到K（此处K为系数，与上层种子压力有关）。这些力的变化频率决定于振动频率。

当种子间的作用力等于0或趋近于0时，摩擦力也趋近于0，种子的流动就不会产生架空；当P从0增长到最大值时，则可能产生架空。

如果振动的半周期远远小于形成架空和破坏架空的时间，则种子从出口流出的过程将是不均匀的；随着振动频率的增加，流出过程将趋向均匀；如果进一步增加振动频率，则又可能减低振动对该过程的影响，其原因是缩短了种子处于不受互相压力作用的自由状态的时间。问题在于：种子向下运动时带有加速度g，当振动加速度a>g时，种子可能来不及落到原始位置，就碰上了向上运动的底板，因而又获得了附加加速度。由于惯性力的作用，种子在接触点的压力反而增大了。因此，为了使种子从出口均匀地流出，必须选择最适当的振动频率。

振动频率的粗略计算可按照下述条件进行。振动频率应为：便于在种子通过出口或处于流出区域时，受到的互相作用不应少于一次，这样才有利于破坏种子间的牵连。换言之，当种子从上向下运动经过等于自己平均长度一半的距离时，它必须承受多于一次的振动。即：

ω>或ω>

式中：t为种子下落H高度所需的时间。最佳振动频率大体上可由H等数值决定。

4 振幅对种子移动的影响

假设一个充满种子的种箱，振动从箱底向上传，先由箱底传递给下层种子，再经下层种子传递给上层种子；当装种高度相当大时，上层种子处于相对静止状态，振动仅存在于下层。由于种子的相对位移振动逐渐衰减，振幅越大，发生运动的种子层高度就越大，同时，运动层内部的种子间距也越拉越大。此时，流动性好的种子由出口流出所需的振幅必然比流动性差的种子要小些。因为流动性差的种子表面有茸毛，要消除其互相牵连，必须有较大的相对位移。

5 振动时种子通过出口的流量

流体动力学中，确定液体流量采用以下公式：

q=μF0

式中：μ为阻力系数；F0为出口截面积；z为液面高度。

当种子自由流出时，可以用谢敏诺夫和卡契夫公式来确定其流量。在振动作用下，种子表现为准液体状态，且具有变方向加速特征，破坏单粒种子间的接触，也就使决定自然休止角的内摩擦系数趋近于0。在流出过程中，作用于种子的力有重力mg、惯性力

±ma和介质阻力F。在力作用下种子运动微分方程为：

由此可见：流出速度由种子的自由落体速度和振动垂直分速度组成。

种子的自由落体高度H0可由下式给出：

H0=Rtga

式中：R为出口半径；a为种子的休止角。

种子下落高度H在振动时等于振幅A，而加速度a又等于振动加速度。代入公式得到：

6 结论

在计算种子流量时考虑到几个系数：K1和K2，它们与出口直径和内摩擦系数有关；在振动的作用下，种子流的密度会发生变化，所以还要考虑到系数K3。

将式（1）代入流量公式可得：

由式（2）可以得出结论：1） 种子流量与出口面积成正比；2） 种子流量与振动作用有着一定的线性关系。

参考文献

[1] 赵立新，郑立允，刘志民，等.气动振动器气吸播种机的种子振动性能研究[J].农业工程学报，2005（7）：65-68.

[2] 张石平，陈进，李耀明.振动气吸式穴盘精量播种装置种子群“沸腾”运动分析[J].农业工程学报，2008（7）：20-24.

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