单缸气动式玉米吸排种装置动力学模型的研究

2018-07-03张亚新张立华张玉梅

农机化研究 2018年7期

张亚新，张立华，季伟，张玉梅

(赤峰学院建筑与机械工程学院，内蒙古赤峰 024000)

0 引言

我国玉米垄作区一半以上都集中在干旱、半干旱地区,少雨、灾害频繁等自然因素是产量低而不稳的主要原因。在北方大部分地区，农民自行开垦的土地较多[1-4]，这种自行开垦的土地形状不规则，地表凹凸不平，地块狭小细长，耕种难以实现机械化，在耕种的过程中浪费较多的劳力和时间，农民每年连续耕种的随机性很大，这也是玉米产量不稳的重要因素。

目前，市场上出售的适用于自开采、小区域、不规则土地玉米种植设备[5]主要有手提式玉米播种机和脚踏式玉米播种机,这两种播种机由于机构原因和价格因素,其排种原理都是采用机械式进行排种,机械式排种方式虽然结构简单、价格低廉以及可靠性较为突出，但是排种均匀性较差、伤种多且很难实现精量播种，而气动式播种能有效的避免这些缺点。

气动技术以空气作为动力提供介质，具有取材容易、设备简单、造价低廉、环保节能，已在农业工程领域广泛应用[6]。气动式播种机对种子形状和尺寸要求不严，伤种少，易实现单粒点播，在精量播种中应用广泛[7-8]，因此针对机械式吸排种装置在手提式玉米播种机和脚踏式玉米播种机中使用的弊端设计了单缸气动式玉米吸排种装置，实现了人力、气源和重力共同作用下的气动播种。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构与技术参数

单缸气动式玉米吸排种装置是手提式玉米播种机和脚踏式玉米播种机的重要组成部分，其总体结构如图1所示。

1.排气孔 2.吸种管 3.活塞缸 4.密封圈 5.防脱毛刷支架 6.种箱 7.螺栓孔 8.底座 9.排种口 10.下导种管 11.防脱毛刷 12.吸种口 13.上导种管 14.添种口

单缸气动式玉米吸排种装置主要由气孔、吸种管、活塞缸、防脱毛刷、种箱、底座、上下导种管，以及添种口组成。

其主要技术参数如下：

整机质量/kg：2.8

作业频率/次·min-1：60～70

1.2 工作原理

活塞缸与种箱形成体积可变的密闭空间，结合部安装密封圈，防止气体外泄。活塞缸与种箱发生相对运动使密闭空间体积减小，产生气压推动种子进入吸种口。活塞缸顶部设置添种口和排气孔，排气孔贯穿吸种管，与吸种口连接，在密闭空间内压强增加时，内部与外部形成压差，产生气流，推进种子进入吸种口中。活塞缸与种箱复位时，吸种管随活塞缸上移带动种子进入防脱毛刷中，吸种管继续上移从防脱毛刷上侧露出，在气流、振动及重力的作用下使种子落入上导种管，并在活塞缸错开种箱上的凹槽后滑入下导种管，最终通过排种口排出。

2 吸排种装置的简化模型

单缸气动式玉米吸排种装置的作业对象为中等颗粒的玉米种子，属于散粒体中的粗粒体。吸排种装置中的吸种口与玉米种子的尺寸相近。吸种口结构如图2所示，每次吸种过程中能与吸种口接触的玉米种子最多2～3粒。当玉米种子有多粒与吸种口接触时，由于其位置不完全对称，受力也不尽相同，在气体压力的作用下，只能有一粒玉米种子进入吸种口中。在整个吸种过程中，由于种子受到的气压未达到其变形的压力，因此将单缸气动式玉米吸排种装置的力学模型简化为单刚体系统[9]。

1.排气孔 2.吸种管 3.吸种口 4.玉米种子

影响单缸气动式玉米吸排种装置吸排种效果的因素有很多，为了便于力学分析，忽略次要因素，对模型进行简化。吸排种装置采用的种子为“丰垦117”号玉米种子，其几何尺寸如表1所示。

表1 “丰垦117”号玉米种子的三维尺寸

由表1可知：“丰垦117”号玉米种子的长度、宽度和厚度相差不大，可假设玉米种子外形为尺寸均匀一致的球形刚体，受到的作用力全部作用于质心。

种箱内种子的厚度对吸种效果有较大影响。研究表明：种箱内种子的厚度越厚，种箱与活塞缸相对运动越慢，种子较难进入吸种口。因此，假设玉米种子在种箱内均匀分布，且厚度为2～3层，吸种口吸入的种子为最底层的上一层种子。在吸排种过程中，种子受到气流场绕流、自身重力、其他种子的作用力及空气阻力作用。考虑到空气阻力与种子的运动速度成正比，由于种子吸入吸种口时，运动速度较小，因此忽略空气阻力对种子的影响。

3 吸排种装置的动力学模型

3.1 玉米种子在吸排种过程中的运动分析

单缸气动式玉米吸排种装置安装在手提式玉米播种机和脚踏式玉米播种机上工作，由于手提式或脚踏式播种机在播种过程中存在着剧烈的振动。种箱内的种子为粗粒体，经播种机的振动后向上抛掷，呈现出“沸腾”状态；当播种机的播种口没入土壤后，振动停止，在重力作用下，玉米种子均匀分布于吸种口周围，种子进入吸排种阶段。

吸种阶段：玉米种子在气流场负压、吸种口及其他种子的作用下，由静止进入到吸种口中。持种阶段：种子受到自身的重力、气流场压力及吸种口的支持力,使种子随吸种口上移至防脱毛刷中。排种阶段：种子因振动呈悬浮状态，受气流场正压和自身重力作用，从吸种口中脱离，落入上导种管中，并在重力作用下滑入下导种管中，最终落入排种口中。

3.2 玉米种子吸种过程中的动力学模型

在吸种过程中,玉米种子受力分析如图3所示。在吸种过程中,玉米种子在气流场负压、吸种口及其他种子的作用下发生运动。其运动开始于吸种口边缘,由于种子在吸种口边缘的过程非常短,因此近似认为玉米种子的运动状态未发生变化,可按静力学平衡条件分析其运动的临界条件。

图3 吸种阶段受力分析

沿吸种管的轴向和径向建立笛卡儿坐标系，种子即将进入吸种口的临界状态列平衡方程为

(1)

FQ≥

(2)

式中FQ—气流场对种子的作用力(N)；

Fzx—吸入种子周围其他种子对吸入种子压力以及摩擦力合力在x轴方向分量(N)；

Ff—吸种口对吸入种子的摩擦力(N)；

θ—气流场对玉米种子吸入方向与x轴夹角(rad)；

φ—吸入角(rad)；

Fn—吸种口对玉米种子的支持力(N)；

洞庭湖所面临的发展挑战很大，对策和机制的设定需要落实，只有首先统一好一系列制度，才能联动湿地旅游业的建设开发，才能具体落实行动。统一好管理与服务人员对生态经济区湿地旅游业的管理服务能力，才能打造一个良好的景区的招牌。只有集结众人力量去落实湖区环境的保护，才有湿地旅游业的发展。当洞庭湖区人民的生活不断改善，问题都得到有效解决，人民才既能坐拥金山银山、又能共享绿水青山，那时洞庭湖生态经济区必然已是秀美富饶的新经济增长状态。

Fzy—吸入种子周围其他种子对吸入种子压力以及摩擦力合力在y轴方向分量(N)；

G—吸入玉米种子所受的重力(N)。

在吸种过程中，种子受到的主要作用力是气流产生的，玉米种子处在一定流速的气流场中，根据流体力学原理，绕流阻力的计算公式为[10]

(3)

式中Cd—无因次系数；

s—种子在垂直运动方向的平面投影面积(m2);

ρ—空气密度(kg/m3);

V—气流速度(m/s)。

由式(2)和式(3)可知

CdsρV2≥

(4)

由式(3)和式(4)可知：玉米种子被吸入的作用力大小与气流速度的二次方成正比,气流速度与活塞缸和种箱的相对运动即播种频率成正比,因此播种频率是种子被吸入的最重要参数。同时,吸入作用力与种子在垂直运动方向的平面投影面积成正比,即种子越大在相同的气流场受到的力也越大,但这种增量因参数的原因远小于质量增加引起的运动阻力,因此较小的种子更容易被吸进吸种口。即增加播种频率或选用较小的玉米种子可以大大提高吸种效果。此外，小范围增加吸种口吸入角也有利于种子被吸附。

3.3 玉米种子持种过程中的动力学模型

玉米种子进入吸种口以后，活塞缸与种箱的相对位置再次发生变化，由压缩密闭空间转为扩展密闭空间，吸种管随活塞缸相对种箱向上运动，携带吸种口的种子进入防脱毛刷中。在进入防脱毛刷之前有50mm左右的持种阶段，其受力分析如图4所示。

图4 持种阶段受力分析

由图4可知：沿吸种管的轴向为y轴方向和径向为x轴方向，建立笛卡儿坐标系，种子沿吸种管的轴向运动，其动力学方程为

(5)

式中a(t)—玉米种子在持种阶段的y轴方向上加速度(m/s2)；

Fyn(t)—吸种口对玉米种子y轴方向的支持力(N)；

G—吸入玉米种子所受的重力(N)。

因为G=mg，式(5)变为

(6)

由式(6)可知：玉米种子在吸种口的作用下沿吸种管轴向加速运动进入防脱毛刷中，在整个持种过程中，种子所受的支持力随时间发生变化，沿吸种管轴向运动的加速度亦随时间变化。吸种口是种子所受支持力的施力体，其作用方向平行于种子的运动方向，是种子沿吸种管轴向运动的主要因素。

玉米种子沿径向受力情况如图4所示。种子未发生沿径向的相对运动，即在径向受力保持了平衡状态，因此可按静力学平衡条件分析其受力，则有

Fxn(t)=FQ(t)

(7)

式中Fxn(t)—吸种口对玉米种子x轴方向的支持力(N)；

FQ(t)—持种过程中，气流场对种子的作用力(N)。

由式(7)可知：玉米种子在进入防脱毛刷之前的持种阶段，受到的径向力有两个：一个是气流场对种子的作用力；另一个是吸种口对种子的径向支持力。这两个力都随时间发生变化，但径向支持力是随着气流场对种子的作用力改变而变化的。在吸种口持种过程中，活塞缸与种箱形成压缩密闭空间虽然增大了，但内部的压力仍大于外部压力，气流的方向仍是向x向的正方向，对种子的作用是吸紧的，因此实现了吸种口的可靠持种。

3.4 玉米种子排种过程中的动力学模型

玉米种子在排种过程中所受的力如图5所示。

图5 排种阶段的受力分析

吸种管携带玉米种子通过防脱毛刷后，活塞缸运动到最高点，带动吸种管急停，玉米种子在惯性的作用下撞击吸种口上下沿，多数时间是在悬浮过程中。玉米种子在这个阶段受到自身重力和气流场的作用，此时活塞缸与种箱形成的密闭空间体积最大，密闭空间内部的压力小于外部的压力，气流从外部通过到吸种管的排气孔进入密闭空间。在吸种口吹出的时候，作用在玉米种子上、悬浮过程动力方程为

(8)

式中a(t2)—玉米种子在排种阶段的加速度(m/s2)；

FQc—种子在排种阶段受到气流场的作用力(N)；

由式(8)可知：玉米种子在气流的作用下，从吸种口滑落到上导种管，经下导种管最终落入排种孔。气流的大小是种子被吹出的主要因素，活塞缸复位速度决定气流的大小，复位越快，气流越大，种子越容易被吹出，因此在安装过程中，选用复位力大的复位弹簧或复位气缸。

4 吸排种试验

4.1 试验设备与方法

为检验单缸气动式玉米吸排种装置的性能,设计了一套可调节运动频率的往复运动系统，模拟排种装置在实际应用中的运动情况。

试验过程分两步进行：第1步采用未分级种子，在不同袋装的5kg “丰垦117”号玉米种子混合后，随机选取进行试验，试验中分别采用50、60、70、80次/min的播种频率进行吸排种试验，记录数据，每种播种速率测试3次，取平均值，确定最佳播种频率。第2步利用特殊的筛网，将玉米种子分为3级，分别是：种子最大尺寸小于7mm、种子最小尺寸大于8mm及最小尺寸大于等于7mm,最大尺寸小于等于8mm的玉米种子，采用最佳播种频率播种，记录单缸气动式玉米吸排种装置的排种性能参数。

4.2 试验结果及分析

通过实验室试验测得单缸气动式玉米吸排种装置在不同播种频率下的排种指标如表2所示。

表2 不同播种频率下的排种性能参数

从表2测试数据可看出：播种频率在50、60、70次/min时，随着播种频率越高，播种的合格率越高，即吸种口的吸种性能越好，试验结果与动力学模型的分析结果一致。但并非越快的播种频率，吸种性能越好，因为加速度需要时间才能产生大的速度，进而产生位移。播种频率过快，虽然使气流场对玉米种子能产生较大的加速度，同时也加快了吸种管在种层内部的抽离速度，反而影响了吸种效果。因此，排种器播种频率在70次/min时，播种合格率为94.22%，为最佳播种频率。

以70次/分的播种频率对不同尺寸的玉米种子进行吸排种试验，测得的排种指标如表3所示。