勺式高粱精量排种器关键部件设计与试验

2023-10-17张荣芳位国建周纪磊何腾飞

农机化研究 2023年12期

张荣芳,刘虎,位国建,周纪磊,史嵩,李慧,何腾飞

(山东省农业机械科学研究院,济南 250010)

0 引言

高粱抗旱、耐瘠、耐盐碱、适应性强,是我国重要的杂粮作物。在近几年国内粮食充足的情况下,高粱主要用于酿酒和饲料。作为酿造业的主要原料,其需求量逐年增大,近两年种植面积也呈现上升趋势。但是国内高粱在播种和收获的过程中,主要还是依靠人工完成,劳动强度大,生产效率低[-4],迫切需要种植业的全程机械化。针对这一问题,开发适应现代农业机械化作业要求的高粱播种机械,提高生产效率,具有重要的意义[5]。

王希英等[6]针对勺轮式玉米排种器优化设计了一种组合曲面式取种凹勺;王运等[7]探讨了影响排种器性能的因素;贾双林等[8]对玉米勺式排种器清种和递种过程进行了受力分析。本文针对现有的高粱勺轮式排种器播种精度较低的问题,对勺轮盘的勺窝孔进行优化改进,并通过台架和田间试验验证播种性能,力求提高排种器的播种精度。

1 结构组成及工作原理

1.1 结构组成

勺轮式高粱精量排种器主要由进种室、勺轮盘、隔籽盘、导种盘、底座等部件组成,如图1所示。其中,勺轮盘是决定排种器性能的重要部件之一,设计的合理性直接影响机具的作业质量。

1.进种室 2.勺轮盘 3.隔籽盘 4.导种盘 5.底座 6.调速手柄 7.调速齿轮 8.支撑架 9.调速轴 10.输出轴 11.保护壳图1 勺轮式高粱精量排种器Fig.1 Structure of scoop wheel type metering device for sorghum seeds

1.2 工化原理

勺轮式高粱精量排种器分为充种过程、清种过程、携种过程、护种过程、投种过程等5个工作过程,如图2所示。播种作业时,高粱种子经进种室进入排种器,落在排种器充种区;输出动力通过链传动将动力传至调速轴,带动勺轮盘旋转,勺轮盘上的取种勺在旋转到达充种区搅拌种子的同时完成取种过程,将种子存储在种勺的异形孔中;经过清种区时刮掉多余的未在异形孔中的种子,随着种勺转动,种勺转到携种区时,种子落入导种盘中,经过护种区;种勺转到投种区时,种子在此受重力的作用脱离种勺,完成投种。

图2 整机与工作区域划分Fig.2 Division of machine and working area

2 勺轮式精量排种器的结构设计

高粱种子的外形尺寸是排种器设计的主要依据,结合高粱农艺种植要求,主要优化改进符合高粱种子尺寸的勺窝孔形状、确定合理的种勺数量及勺轮盘尺寸。要实现高粱种子随勺轮盘的转动而不掉落,需保证勺轮盘与隔籽盘之间有充足的囊种空间;要实现高粱种子经递种口能顺利地进入导种盘U型槽并随之转动,必须要设计合适的递种口参数。

2.1 勺轮盘直径

勺轮盘的直径对种勺数量、整体尺寸、种勺管长的尺寸和型孔线速度等结构参数的确定有着重要的作用。勺轮盘直径一般在140～260mm范围内,由于高粱种子粒小,且兼顾高粱排种器整体的设计,选择180mm。

2.2 勺窝孔的参数化设计

勺窝孔的尺寸既要保证高粱种子在充种过程中能以任何形态被种勺舀起,又要使得勺窝孔大小只能容纳1粒种子;对勺窝孔的形状要求是多余的种子在清种过程中能依靠自身重力离开勺窝。考虑以上因素,参照贾双林等[8]对勺轮式玉米排种器的设计,把勺窝孔的结构进行改进。为符合清种时依靠重力能自动下落且种子到达递种口能进入导种盘,勺窝孔需设计成一个具有一定角度的曲面。该曲面为相贯面,实际由一个倾斜的圆柱面和一个四面体相贯而成,去掉二者的相交部分,在四面体上形成的面就是勺窝孔内面,如图3所示。

图3 勺窝形状图Fig.3 Scoop socket shape diagram

为保证在充种过程中,勺窝大小只能容纳一粒种子,要求圆柱的最小半径应大于高粱种子的最大半径且小于两粒高粱种子的半径和,即2R种子max>R圆柱min>R种子max。

根据资料显示,高粱种子的直径在3.6～4.9mm之间。为确保单粒播种精度,取R圆柱分别为3、4、5mm时进行试验验证。

设计时,勺窝孔与勺轮盘垂直面之间需存在一个倾斜的角度,该角度与圆柱和垂直勺轮盘面之间倾斜的角度θ是相等的,目的是保证种子到达携种区后能依靠自身的重力滑向递种口,而不留在勺窝孔内。这就要求种子在圆柱倾斜的角度θ方向上的重力分力大于种子与勺窝孔的摩擦力,即最小θ为

arctanμ种勺=θ

其中,μ种勺代表种勺间的动摩擦因数。实际上,高粱种子运动时需要首先克服静摩擦力,所以在实际计算中应计算静摩擦力。通过试验,得到高粱与有机玻璃的静摩擦因数为0.328。经计算,当种勺材料为有机玻璃时,θ=18.16°。为保留一定的囊肿空间,取θ=19°、20°、21°时进行试验验证。

3 试验设计与数据分析

排种器的排种效果取决于勺轮盘在取种时勺窝孔内的种子数量、位置以及在种子到达递种口时能否及时正确进入导种盘内,而能否顺利完成此过程,勺窝孔的结构参数是关键因素。为寻找合适的勺窝孔结构尺寸,在设计过程中对勺窝结构参数的取值范围进行了理论分析。为了获得最佳的排种效果,确定相贯面的圆柱半径和圆柱与垂直勺轮盘面之间倾斜的角度为两个影响因素,选取3个水平进行正交试验,以得出排种效果最佳状态下的勺窝结构参数两影响因素的最优组合。

3.1 试验条件与装置

试验材料选用本地种植范围较广的济梁3号高粱品种,其物理特性参数如表1所示。在试验过程中,排种检测装置选用黑龙江农科院购买的排种试验台加自主研制的驱动检测装置,如图4所示。试验时,排种器安装在试验台上,由试验台自带的电机驱动排种盘转动;排种器上连接控制检测装置,导种管安装在排种器投种口下方;在导种管下方安装拍照传感装置,并经数据线传到控制面板上,检测结果直接经软件处理后在显示屏上显示。在此,通过种子计数软件记录2000粒种子的状态。

表1 高粱种子的外形尺寸Table 1 Geometric sizes of sorghum mm

图4 排种性能检测装置Fig.4 Measuring device for seeding performance

根据国家标准GB/T6973-2005《单粒(精密)播种试验方法》,确定合格指数、漏播指数、重播指数的计算公式为

式中A—合格指数(%);

D—重播指数(%);

M—漏播指数(%);

n1—1粒种子播种数;

n2—1粒以上种子播种数;

n3—漏播数;

N—理论排种数。

3.2 试验方案与结果

为了寻找最优排种效果下勺窝孔的结构参数,对所选的2个关键影响参数进行了两因素三水平的正交试验。在理论分析所得的取值范围前提下,遵循高粱农艺单粒精量播种要求,安排因素水平具体如表2所示,试验结果如表3所示。表3中,A、B为因素水平值。

表2 试验因素与水平Table 2 Experimental factors and level

表3 试验方案与结果Table 3 Test design scheme and results

3.3 试验结果与分析

对试验结果进行了方差分析,如表4所示。由表4可以看出:组成相贯面的圆柱半径、圆柱与垂直勺轮盘面之间倾斜的角度θ对排种性能具有不同程度的影响。其中,漏播指数受两个参数的影响较大,合格指数和重播指数都只受圆柱半径的影响较大,圆柱与垂直勺轮盘面之间倾斜的角度对合格指数和重播指数影响较小。

表4 方差分析Table 4 Analysis of range of each indicator

圆柱半径对合格指数和重播指数均具有显著影响。其中,重播指数与圆柱半径呈正相关,这是因为圆柱半径的增加增大了勺窝孔的充种空间,在勺轮取种时多粒种子充种概率提高,且充足的囊种空间使得清种过程中不易清除多余的种子,导致重播指数上升。

两个因素对漏播指数的影响均为极其显著。其中,漏播指数与圆柱半径呈负相关,这是因为圆柱半径的增大能增加充种空间,提高了充种率,减少漏播情况的发生;圆柱与垂直勺轮盘面之间倾斜的角度与漏播指数呈正相关,随着圆柱与垂直勺轮盘面之间倾斜的角度增大,在种子到达递种口时可以有效进入导种盘的U型孔内。

综合试验分析中两个参数对3个指标的影响情况,并结合实际播种需要,即合格指数较高、兼顾重播指数较低和漏播指数尽量少的原则[9],最终确定A2B3为较优组合,即圆柱半径4mm、倾斜角21°。

3.4 排种性能田间试验

按上述试验中的最佳参数组合对所设计的勺轮盘进行3D打印,安装在播种机上进行田间试验。选取试验场地长50m,土壤性质为壤土,播种前提前进行旋耕碎土整地处理。排种器转速40r/min,每次试验长度50m,连续播种3次。在每次播种试验过后抽取20个点,测量播种深度和株距。播种深度试验结果如图5(a)所示,播种株距试验结果如图5(b)所示。3次试验共记录60个试验数据,均在要求范围之内。其中,最小播深3.2cm,最大播深5cm,最小播种株距27cm,最大播种株距34cm。具体检验结果如表5所示。