电动排种器试验设计.docx

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电动排种器试验设计

电动排种器试验设计

学生姓名：

XXX

指导教师：

XXX

所在院系：

XXX学院

所学专业：

XXX

研究方向：

XXX

XX年XX月

XXXBachelorDegreePaperRegisterNumber：

XXX

Electricmeteringdevicetrialdesign

Candidate：

XXX

Supervisor：

XXX

Faculty：

XXX

Major：

XXX

Specialty：

XXX

XXX

摘要：

播种是农业生产过程中的基本环节，播种质量的优劣是农业增产的前提。

随着农业生产技术的发展和播种方式的更新，近30年来我国的播种技术和播种机械有了很大的发展[1]。

排种器是播种机的核心工作部件，其特性和工作性能对播种质量有着直接的影响。

电动机不仅可以使排种器轴转动达到均匀排种的目的，还可以通过调节电动机的转速来调整最适合种子生长的间距，用来适应不同作物的生长条件，能够极大地改善播种质量，从而达到增产的目的。

本文较全面的阐述了排种器的概况和国内外研究现状，探讨排种器的研究发展方向，分析了排种器的工作性能及结构特点，并进行了试验分析。

通过现有的排种器的研究成果，本文设计了电动排种器，制定了设计方案，并对各个部分进行了设计计算。

通过对主要零件的设计，在电脑上利用AutoCAD软件对其进行了零件图的绘制，建立了二维模型。

利用Solidworks软件对排种器进行三维实体装配和设计，并进行了干涉检验和运动仿真。

关键词：

播种；播种机；电动；排种器

Abstract:

Sowingintheprocessofagriculturalproductionisthebasiclink,Sowingthestandorfallofqualityisthepremiseoftheagriculturalproduction.Alongwiththedevelopmentofagriculturalproductiontechnologyandtherenewalofthesowingstyles,plantingtechnologyplantingmachineshasdevelopedsofastinourcountrynearly30years[1].Thedeviceisthecoreoftheseederworkingparts.Itscharacteristicandworkingperformancequalitytosowhasadirectimpact.Motorcannotonlymakethedevicetoshaftrotationtoreacheventhepurpose,alsocanadjustthespeedmotortoadjustthemostsuitableforthegrowthoftheseedspacing,usedtoadapttodifferentcropgrowthcondition,cangreatlyimprovethequalityofsow,soastoachievethepurposeofincreasing.Thispapercomprehensivelyexpoundedthedeviceofthegeneralsituationandresearchstatusfromdomesticandabroad,discussesthedevicetothedevelopingdirectionoftheresearch.Thispaperanalyzestheperformanceofthedevicetoworkandstructuralfeatures,andwastestedandanalyzed.Throughtheexistingthedeviceofresearchresults,thispaperdesignedthepowerthedevice,andformulatedadesignproject,andeachpartofcalculationindesign.Throughthedesignofthemainparts,usingAutoCADsoftwareonthecomputerinthecomponentdrawing,a2Dmodel.UseSolidworkssoftwareforthedevicefor3dentityassemblyanddesign,andinterferenceininspectionandmovementsimulation.

Keywords:

Sow;Seeder;Electric; Thedevice

1前言

1.1本研究的目的与意义

随着社会的发展，播种机具已经从原始的“播种耧”发展到现今的撒播机、条播机、穴播机和精播机等多种形式的播种机具；播种机的主要构成部分——排种部件或排种装置，即排种器，也从远古的“瓠”发展到现今先进的振动气吸式排种器、液力排种器、集中式排种器等。

1.2国内外研究现状

1.2.1排种器在国外的发展

20世纪40年代，国外就开始研制各种精密播种机，如今已达到相当完善的程度，不仅能保证单粒精密播种，而且在播种机上设有完善的整地、覆土、镇压及施肥、喷药装置[2]。

50年代研制出的气力式精密排种器，现已应用于播种机的多种成熟机型。

气力式排种器又分为负压式和正压式。

负压式也叫气吸式，如法国的纽玛西姆精密排种器，其主要工作部件是一个竖直、带有吸孔的排种盘。

正压式又分为气压式和气吹式两种。

气压式是靠种子重力和刮种器完成刮种，如赛可罗排种器。

该排种器是一种气压集中排种式，主要由排种滚筒、毛刷刮种器、橡胶卸种轮等部件组成，排种滚筒的圆周上有8排窝眼孔。

气吹式排种器是用高速气流吹走多余的种子，如埃落玛特气吹式排种器。

该排种器主要由型孔轮、气流喷嘴、推种板等组成，型孔轮的轮周均匀分布着锥形通孔[3]。

1.2.2排种器在国内的发展

国内排种器早期发展多为条播类如槽轮式、离心式、匙式等。

而精密播种技术发展比较迟，20世纪70年代才开始研究精密播种机，但其发展速度非常快，所涉及到的排种器形式十分广泛。

如各种圆盘式排种器、气吸式、气压式、气吹式排种器等，而具有我国独创特色的窝眼轮式排种器、纹盘式排种器、锥盘式精密排种器获得了大量应用[4]。

1.3国内外常用排种器的分类

目前，国内外常用的排种器按播种方式可分为条播和穴播两大类。

条播排种器有外槽轮式、内槽轮式、拨轮式、勺式、磨盘式、花盘式、离心式及气力式等；穴播排种器有各种型孔盘式（水平的、竖直的及倾斜的）、型孔轮式、型孔带式、指夹式以及各种气力式（气吸式、气吹式及气送式等）。

按排种器能否形成等时距均匀种子流和精确控制排种量，分为精密排种器和非精密排种器。

精密排种器主要有机械式和气力式2种，其中气力式排种器包括气吸式、气吹式和气压式3种形式。

1.4几种主要排种器的介绍

1.4.1外槽轮式排种器

我国大部分谷物条播机均采用外槽轮式排种器，由排种盒、排种轴、外槽轮、阻塞轮及排种舌等组成。

排种轴通过轴销带动外槽轮转动，用槽轮齿将种子排入输种管。

槽轮转动时，阻塞轮不转，内齿形挡盘（又叫花挡盘）则随槽轮一起转动。

阻塞套与内齿形挡盘可防止种子从种子盒的两个侧壁漏出。

槽轮转动时，凹槽内种子随槽轮一起转动。

在槽轮外面有一层种子随槽轮齿及凹槽内种子一起转动，这一层种子称为带动层；在带动层外，则是不流动的静止层。

带动层内种子的运动速度低于槽轮的圆周速度，且向外递减为零。

凹槽排种器和带动层排种均为强制排种，因而外槽轮排种器的排种量比较稳定。

但是，凹槽排种具有脉动性，导致种子在行内分布的均匀性较差。

槽轮在排种盒内的伸出长度，称为槽轮工作长度。

轴向移动排种轴，可改变槽轮工作长度，以调节播量。

1.种箱2.排种轮3.种子4.排种舌

图1-1外槽轮排种器

外槽轮式排种器的特点是：

1）通用性好，能播各种粒型的光滑种子，如麦类、高粱、豆类、玉米、谷子和油菜等。

2）播种量稳定，受地面不平度、种子箱内种子存量及机器前进速度的影响较小。

3）播量调整机构的结构较简单，调整方便可靠。

4）结构简单，制造容易。

5）各行播量一致性较好，但种子在行内分布有脉动现象，均匀性较差，且排种均匀性受机器震动的影响非常大。

1.4.2圆盘式排种器

圆盘式排种器主要用于中耕作物穴播和单粒精密播种。

按圆盘回转平面的位置可分为水平、倾斜和竖直3种形式。

水平圆盘排种器构造比较简单，工作可靠，在机器前进速度较低时工作质量良好，因而应用很广泛。

排种盘有周边型孔式（称为槽盘）及型孔式（称为孔盘，可为圆孔、椭圆孔或其他型孔）两类。

周边型孔式对种子粒型的适应性比较好，所以应用较好。

型孔盘还可分为穴播型和单粒型。

穴播型每孔可容纳几粒种子，用于穴播。

单粒型每孔只能容纳一粒种子，适用于单粒精密播种。

如果在开沟器上装有成穴装置，则单粒型型孔盘也可用于穴播。

但是水平圆盘式排种器从排种口到种沟沟底距离（投种高度）较大，种子在投种过程中受导种管管壁的阻碍，而且在沟底的弹跳较大，会影响株距而降低株距合格率。

采用倾斜圆盘可降低出种口高度，但其传动比较复杂。

竖直圆盘排种器投种高度小，圆盘的后向分速可部分抵消机器前进速度，降低种子到达沟底时绝对速度的水平分速，减少种子在沟底的弹跳，其传动也比较简单。

但竖直圆盘型孔的充种性能稍差。

在高速作业时，圆盘式排种器充种都比较困难，播种质量不易保证。

1.输种管2.排种器壳体3.护种板4.刷种轮5.第二充种室

6.种箱7.第一充种室8.链条9.种子10.排种轮

图1-2型孔式精量排种器

1.推种器2.刮种器3.排种圆盘

图1-3水平圆盘式排种器

图1-4双锥面水平圆盘三维模型

1.4.3气吸式排种器

气吸式排种装置是利用空气真空度产生的吸力工作的，其主要工作部件是一个带有吸孔的竖直排种圆盘。

排种盘的背面有真空室，真空室与风机吸风口相连接，使真空室内存在负压。

排种盘的另一面是种子室。

当排种盘回转时，在真空室负压作用下，种子被吸附于吸孔上，并随排种盘一起转动。

当种子转出真空室后，不再承受负压，就靠自身质量或在推种器作用下落到种沟内。

刮种片（播量校正片）的作用是除去吸孔上多余的种子，其位置可调整。

排种盘可以更换，以改变吸孔大小和盘上吸孔数，使之适应不同种子尺寸形状，并通过播种传动比和盘上吸孔数的改变，实现要求的株距。

1.气吸室2.排种盘3.存种室4.刮种器5.排种器体

图1-5气吸式精密排种器

气吸式排种器的优点是：

对种子尺寸形状要求不严格，通用性好，用吸孔吸种可提高播种机作业速度。

但是，气吸式排种器充种室种子群状态不合理会影响排种性能；回转的排种盘与不动的真空室配合，气密性要求高，结构较复杂，且容易磨损；刮种片的调整也比较麻烦；此外，一般气压（或真空度）在300～800mmH2O时，对风机及其动力传递结构要求较高。

1.4.4气吹式排种器

气吹式排种器由德国贝克公司首先研制成功的[5]。

其排种装置是轮周制成有锥形通孔的行孔轮，用气流喷嘴代替刮种器，使每个型孔只充入一粒种子而实现精密播种。

气流清种原理是当充满种子的型孔通过气流喷嘴时，气流通过锥形型孔、型孔底部的小孔进入型孔轮内腔再排入大气。

因气流通过种子与小孔的缝隙时速度较高，形成压差，因而使一粒种子贴紧在锥形型孔的底部，多余的种子则被喷嘴喷出高速气流吹出型孔。

充有一粒种子的型孔进入护种器后卸压，靠重力或用排种板将种子推出型孔，排入种沟[6]。

文献[7]合理地在量纲分析的基础上，去得了充填压对充填层种子的平均作用力模型，并回归实验数据得出了型孔极限速度的公式，初步揭示了气吹式排种器的充种原理。

目前，美国约翰迪尔公司生产的播种机上很多应用的是气吹式排种器，其技术水平居于世界领先地位。

1.排种器壳体2.清种器3.吹嘴4.进种管5.型孔轮6.推种轮

图1-6气吹式排种器

气吹式排种器的特点是：

1）型孔为圆锥形，容积较大，因而充种性能好。

2）对种子的形状和尺寸要求不很严格，不分级的种子也可用。

3）播种不同作物种类只要更换型孔轮并相应地改变气压；调整株距只需改变传动比。

4）充种性能好，可提高机具工作速度。

1.4.5振动气吸式排种器

振动式气吸播种装置由供盘机构、输送机构、播底土装置、播种装置、覆土装置、喷水装置和托盘等组成，由输送机构将各部分按顺序串接而成。

播种装置是精密穴播机的核心，包括吸种部件和振动部件。

吸种部件由吸嘴、吸种板、气室、吸气管、阀门和真空泵等组成；振动部件由电磁激振器、振动弹簧、种盘和吸铁等组成，种盘和吸铁固定连接。

工作时，打开激振器，选择合适的振动参数，使种盘内稻种相互分离，成抛掷运动状态；开启真空泵，旋开阀门，使吸种部件气室内形成一定负压；将吸种部件移动到种盘正上方，并接近抛掷运动状态稻种；稻种在气室负压的作用下被均匀地吸附在吸种板的吸嘴上；吸种后，将吸种部件移至育秧穴盘上方适当位置，迅速释放气室内负压，稻种靠自身重力落入育秧穴盘（即投种），从而实现对靶精播。

振动气吸式播种装置采用激振机构使种子产生抛掷运动，以克服种子间的内摩擦力而形成“准流体”，在气力作用下由吸种部件上的吸嘴完成精密播种。

种子的抛掷状态、气力参数和吸嘴结构及参数直接影响排种装置的排种性能：

种子抛掷运动有利于吸种运动的进行；合理的气力参数有利于吸种运动的完成；吸嘴结构的优化有利于排种性能的提高。

北京农业工程大学研制的这栋实拍中期精播小麦机速高于4km/h时，作业性能不是很理想[8]。

1.4.6集排式排种器

目前的集排式排种器根据结构原理主要分为机械式和气力式两种。

与机械式集排式排种器相比较，气力式对种子的形状尺寸要求较低，损伤率小，能适应高速作业的优点。

一阶或多阶集排式排种器现已在欧洲国家广泛使用，取得了交好的作业效果。

集排式排种器又称集中排种器。

集中排种器或中心排种器（或系统）是排种器发展的最新成就。

气流式集中排种器是以气流为输送动力，设计时根据气力输送的特点，在满足农艺要求的基础上应力求结构紧凑、满足播种性能、节省劳动力为主。

工作时，系统电机带动种子定量排种槽轮转动，按照播量需要定量派出种子流；在喷射器的喉管处，种子流与离心风机产生的气流交汇，并混合成种子与空气的混合流；该混合流沿垂直输送管路向上输送，经褶皱形增压管增压，进入气流分配器，进行按行分配排种；统一的粗大种子流分为多份细种子流，沿各种子输送管输送至开沟器，实现气流统一输送的“一器多行”排种。

集中排种器的缺点是，排种定量器转速、播量以及褶皱增压管长度对各行排量一致性有一定影响，相关技术还需要不断完善。

1.5排种器今后的发展趋势和要求

我国针对排种器的研究已经达到一定的水平，今后排种器将朝着高效、高性能、高精度、高适应性方向发展。

1）研究适合高速作业的排种器。

水稻种植随着国家规模化种植政策的推行，大田块规模经营势在必行。

大面积播种要求作业机器作业速度不低于8km/h。

但是排种器自身的排种速度直接制约了直播机的播种速度，如水平圆盘式排种器的排种盘线速度的许用值较低，对高速播种的适用性较差，因此发展适合高速作业的水稻排种器迫在眉睫。

2）提高排种器的作业性能和精度。

目前出现的排种器作业性能不是很高，要实现连续正常作业就要求机具具有良好的工作性能，不能漏播也不能多播。

特别是现有排种器很少有检查漏播的检测系统，因此要实现排种器连续正常作业就必须要加强其作业性能。

同时，随着超级稻的出现和发展，农艺上要求每穴种子最多不超过两粒，最少保证一粒，少于一粒造成漏播，多于两粒则抑制植株的分蘖能力，影响产量，同时造成优良种子的浪费，这又对排种器的播种精度提出了很高的要求。

3）发展新的排种理论。

排种器的发展经历了从机械式到气力式的过程，由于气力式排种器对种子性状的要求低，适应性强等优点得到了很大的发展。

现在排种器又有了新的发展，如电磁振荡式排种器、液力排种器、集排式排种器。

随着科技的进步与发展，电、气、液压控制日臻完善，对排种器的研究应跳出传统领域，可采用光电控制等辅助手段，实现排种器排种的精密控制。

4）排种器的发展与农艺相结合。

按照农艺要求，水稻要达到高产稳产必需要满足一定时间的生长期和适宜的生长温度。

直播时，为了缩短田间生长时间在播种前先浸种，使其破胸露白，但是这样种子在播种时极易受到机械力的伤害，影响出苗率。

因此，农艺和农机应该相互结合研究，培育适合机械化直播的品种，缩短水稻生长期，减少播种前浸种出芽环节，这将会给水稻排种器的研究带来新的发展。

2排种器工作性能及实验分析

排种器是播种机的核心部件，是决定播种机特性和播种质量的主要因素。

排种器工作性能的优劣将直接影响到播种机工作效率及作物出苗的质量，所以，了解影响排种器工作性能的因素十分必要。

2.1排种器工作性能的分析

2.1.1排种器的排种均匀性

精密播种是提高种植业效益的重要手段。

排种均匀性是精密播种重要性能指标之一。

如何提高精密播种机排种均匀性，成为研究精密播种机的关键。

目前提高排种均匀性的研究，主要是从排种器的结构参数和运动参数分析[9-10]，但对种子的尺寸均齐性和排种器的加工误差对排种均匀性的影响，还缺乏分析和研究。

本文用粒距变异系数的大小来衡量排种器的排种均匀性，从播种机的工作过程入手，用数学的方法，分析了种子的尺寸误差和排种器的加工精度误差与排种器的结构参数对排种均匀性的共同影响，旨在从种子精选分级和排种器的加工方面提高排种器的排种均匀性。

2.1.1.1种子尺寸的影响

排种器投种示意图如图2-1所示。

投种口所对圆心角θ=40°。

A点为投种点，当种子重心到达A点时投种。

此时大孔前壁到达B点（查资料可知，投种时种子稳定地靠在大孔前壁上[11]）则有：

（2-1）

式中:

x为种子长；R为排种轮外径；c为种子厚度；α为投种时种子质心同投种口起始位置对应的圆心角。

图2-1排种器投种示意

由式

（1）可知，α是种子尺寸x的函数，种子尺寸x是随机变量，并服从正态分布X～N（

，σ2），X的概率密度为:

（2-2）

其中

、σ可由试验测量种子尺寸的结果统计获得，

为种子长度的平均值；

，代表种子尺寸的均齐性，σ越大，种子均齐性越差。

因而α也是一随机变量,其概率密度函数为:

（2-3）

方差为：

（2-4）

　　假设种子尺寸均齐一致，每次投种的α值不变，则Δα=0，投种时间间隔一致，时间间隔为:

（2-5）

式中:

ω为排种轮转速，Z为排种轮圆周型孔数，则粒距为:

（2-6）

式中:

Vm为机组前进速度。

实际上种子尺寸服从某一正态分布，因此，排种的时间间隔不一致。

令相临两种子尺寸为xi，xi-1，投种时间间隔为:

（2-7）

　　不考虑种子厚度尺寸的影响，种子投出后为抛物运动[12]，种子运动的初始状态和投种高度一致，粒距仅同投种时间间隔相关。

粒距为:

（2-8）

粒距的均值为:

（2-9）

粒距的方差为:

（2-10）

则:

，粒距均匀性变异系数为:

（2-11）

　　所以，粒距均匀性变异系数随种子尺寸方差D（X）的增大而增大；同时，粒距均匀性变异系数随型孔数Z的增大而增大，随排种轮半径R的增大而减小。

如果减小型孔数Z和增大排种轮半径R，就可以减小种子尺寸不均性对粒距均匀性的影响。

排种轮参数Z=12，R=0.11m时,如果种子尺寸方差D（X）=σ2=0.1296mm，由式（2-11）得：

C=62.5%。

可见，种子尺寸不均性对粒距均匀性影响是很大的，因而，为提高排种均匀性，对种子进行精选分级是非常重要的。

2.1.1.2型孔加工误差的影响

1）型孔位置精度的影响

型孔位置误差是一服从正态分布的随机变量，其方差为D（θ）。

令种子尺寸和型孔尺寸均齐一致，相邻两型孔的位置误差分别为θi和θi-1，则

投种时间间隔为:

（2-12）

粒距为:

（2-13）

粒距的均值为:

（2-14）

粒距的方差为:

（2-15）

粒距均匀性变异系数为:

（2-16）

粒距均匀性变异系数随型孔位置精度误差增大而增大；随型孔数的增加而增大。

2）型孔尺寸精度的影响

种子尺寸精度误差是一服从正态分布的随机变量，其方差为D（φ）。

令种子和型孔位置均齐一致，相邻两型孔大孔尺寸的加工误差分别为φi和φi-1，则

相邻两种子的投种间隔为:

（2-17）

粒距为:

（2-18）

粒距的均值为:

（2-19）

粒距的方差为:

（2-20）

粒距的均匀性变异系数为:

（2-21）

　　粒距均匀性变异系数随型孔大孔尺寸加工误差的增大而增大；随型孔数的增加而增大；随排种轮半径的增大而减小。

2.1.1.3与结构参数的共同影响

种子尺寸和排种器型孔的精度误差与位置误差是3个相互独立的变量，则三变量共同影响时，粒距的均值为:

（2-22）

　　三变量共同影响时粒距的方差为:

（2-23）

　　则粒距均匀性变异系数为:

（2-24）

1）排种轮半径R的影响

由式（2-24）可知，粒距均匀性变异系数随R的增大而减小，即R的增大可以改善粒距均匀性；同时，R的增大又可降低种子尺寸不均性、型孔加工的位置误差和尺寸误差对粒距均匀性的影响。

所以，在结构尺寸允许范围内，R应尽可能取大值。

现有型孔式排种器的排种轮，内侧充种垂直圆盘式排种器的半径R=110mm，水平圆盘排种器的半径为100mm左右，气吸式排种器排种盘半径为70～130mm，气吹式排种器排种盘半径为124.5mm[12]。

所以排种轮半径一般为70～130mm。

2）圆周型孔数的影响

由式（2-24）可知，粒距均匀性变异系数随Z的增加而增加，排种均匀性随Z的增加而变坏；同时，Z的降低加大了种子尺寸不均性、型孔加工的位置误差和尺寸误差对粒距均匀性的影响。

因此，为提高排种均匀性，圆周型孔数不应选择太大。

当然，排种轮尺寸和型孔尺寸也对型孔数目有限制。

排种频率

，型孔数目减少，n必然降低，播种机工作速度也降低。

如果为了保证工作速度而提高ω，充种率必然下降，即漏播率增加。

漏播率l是排种轮转速ω的递增函数。

令l=l（ω），则有

，因为

，所以

（2-25）

l是Z的递减函数，Z减小，l上升。

所以，从漏播角度，型孔数的增加又可使粒距均匀性变好。

本试验研究Z=8～36范围内为宜。

2.1.1.4小结

通过以上分析，可以得出如下结论：

1）随着种子尺寸均齐性的提高和型孔加工误差的降低，排种器的排种均匀性提高。

2）排种器的圆周型孔数降低和半径增大，可以降低种子尺寸差异和型孔加工误差对排种均匀性的影响。

3）排种器排种轮半径R=70～13