一器多行离心式油菜排种器_廖庆喜

引言
目前， 我国油菜生产仍采用以人工或半机械化 作业为主的作业方式， 机械直播比例不足 15% ， 作 。且传统的排种器 业工序繁多， 成本高， 效率低 要完成多行播种作业时播种机上需 多为一器单行， 同时安装多个排种器， 播种机结构复杂。 与传统排 种器相比， 集排器能成倍提高排种效率， 简化播种机 ［4 6 ］ 。 结构， 使整机紧凑， 满足高速、 宽幅作业的要求 本文设计的离心式排种器即为集排器的一种 ， 依靠 离心力实现一器四行排种， 播量精确可调， 结构简单 且不伤种， 可以提高油菜机械化程度， 保证油菜种子 在田间最合理的分布， 减少田间间苗用工， 从而实现 油菜稳产高产。
Centrifugal Metering Device for Rapeseed
Liao Qingxi Zhang Ning Zhang Pengling Yang Bo
（ College of Engineering，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070 ，China）
图2 Fig． 2
油菜籽在锥筒中受力分析示意图 Sketch of stress analysis on rapeseed in metering device
种时作圆周运动， 沿着有倾角的出种孔顺利排出。 清种部件采用塑料刷安装在内锥筒上部 ， 随着内锥 筒旋转， 当清种刷运动到出种孔时， 可以将孔中的油 菜籽顶出， 同时也对出种孔进行清理， 防止其发生堵 塞。 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4）
图6 Fig． 6 转速与破碎率关系曲线 图5 Fig． 5 转速对总排量变异系数的影响 Impact of rotation speed on stability of total displacement
Impact of rotation speed on damage rate
2. 14% ， 之后随着转速增加， 各行排量变异系数稍有 增加。总排量变异系数随转速增加也呈现先减后增 的趋势， 转速在 165 r / min 时达到最小为 2. 9% ， 之 后随转速增加总排量变异系数也有所增加 ， 其增幅 不太明显。但在速度高于 165 r / min 时种子破碎率 有明显的增加。试验表明内锥筒转速越低， 种子破 碎率越小。其中转速为 120 r / min 时破碎率最小， 为 0. 1% ； 转速为150 r / min时破碎率为 0. 32% 。 2. 2 正交试验 单因素排种器静态试验表明： 排种器内锥筒转 速在 150 165 r / min 时各行排量一致性及总播量稳 定性都较好。其中各行排量一致性、 总排量稳定性 3 及破碎 率 项 指 标 在 内 锥 筒 转 速 为 150 r / min 和 165 r / min 时差异不大， 因此正交试验重点考察单个 出种孔在不同条件下的排量稳定性变异系数 。由于 出种孔孔径对每分钟出种量影响较大， 出种孔倾角 则影响着种子排出时的状态， 对播量也有影响， 因此 选取对试验指标有显著影响的内锥筒转速 、 出种孔 孔径和出种孔倾角 3 个因素作正交试验。 2. 2. 1 试验设计
［1 3 ］
1
1． 1
排种器结构原理及主要参数
离心式排种器结构及工作原理
离心式油菜排种器主要包括种箱、 进种口、 盖 内锥筒、 外锥筒、 清种刷和驱动轴等， 结构示意图 板、 如图 1 所示。 工作时， 油菜籽由种箱经进种口均匀连续地流 ， 入内锥筒中 驱动轴带动内锥筒旋转， 内锥筒中的油 菜籽在离心力的作用下沿内锥筒壁上升至由盖板控 制的高度， 经位于盖板下方外锥筒筒壁上的出种孔 排出。播种行数即取决于出种孔的个数， 本文设计 的是一器四行离心式排种器， 故出种口为 4 个。 实 际应用中可根据播种需要增加出种孔个数从而实现 更多行数的播种（ 一般不大于 10 行 ） 。 清种刷安装
［10 12 ］ 。 验材料， 称量采用精度为 0. 01 g 的电子天平 测定项目为： 各行排量一致性； 总排量稳定性； 种子 破碎率。
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农
业
机
械
学
报
2012年
（ 1 ） 各行排量一致性测定 每一组测定时间 60 s， 用塑料杯收集各出种孔 排出的种子， 分别称量， 试验转速 120 210 r / min 取 7 个水平， 每个水平下重复 5 组。 利用电子天平称 并记录试验结果。 出各出种孔排出种子的净质量， 测定每行的平均排量后， 计算平均排量、 各行间排量 的标准差和变异系数。 （ 2 ） 总排量稳定性测定 每一组测量时间 60 s， 将 4 个出种孔排出的种 子收集 到 一 起 称 量， 试 验 转 速 120 210 r / min 取 7 个水平， 每个水平下重复 5 组。 计算 5 次重复试 验的平均排量、 标准差和变异系数。 （ 3 ） 破碎率测定 每一组测量时间 300 s， 将 4 个出种孔排出的种 子收集到一起， 选出其中破碎损伤的种子称其质量 ， 计算破碎种子质量占样本总质量的百分比 ， 再减去 试验前测定的原始破碎率。 2. 1. 2 试验结果分析 单因素试验结果表明， 排种器排量随内锥筒转 速增加呈 现 先 增 后 减 小 的 趋 势， 排种临界转速为 120 r / min， 与理论计算分析的结果接近。 当转速为 120 195 r / min 时， 排种器排量随转速增加而增加， 超过 195 r / min 之后， 随转速增加排种器排量有所减 小。内锥筒转速与排量的关系如图 3 所示， 转速与 各行排量变异系数、 总排量变异系数、 破碎率的关系 5、 6 所示。 分别如图 4 、
ω min =
Sketch of centrifugal metering device
1． 种箱 2． 进种口 3． 盖板 4． 清种刷 7． 外锥筒 8． 内锥筒 9． 驱动轴
由式（ 6 ） 可知， 油菜籽从锥筒中顺利排出所需 的最低转速主要取决于内锥筒的半径 r 及倾角 θ。 5］可知， 由文献［ 离心式排种器锥筒倾角应大于种 子的自然休止角（ 油菜籽自然休止角约为 28ʎ ） 。 但 由式（ 6 ） 可知， 内锥筒倾角大则排种所需最低转速 也大， 易造成种子的破损。本文加工了半径 75 mm、 倾角 60ʎ 和半径 75 mm、 倾角 45ʎ 的 2 组内锥筒进行 了试验， 其 中 倾 角 为 45ʎ 的 内 锥 筒 排 种 效 果 较 好。 将参数： φ = 9. 26ʎ （ 试验测得的华油杂 9 号油菜种 r = 75 mm 代 子在光滑铝板上滑动摩擦角 ） 、 θ = 45ʎ 、 入得 ω min = 13. 4 rad / s， 即所需内锥 筒 最 低 转 速 为 128 r / min， 与试验验证结果基本符合。 合理的出种孔孔形结构及布置方式能使排种器 ［9 ］ 有较好的排种性能 。 排种器出种孔共 4 个， 沿外 锥筒上边缘均匀分布， 为保证油菜种子能够均匀连 续地排出， 采用的出种孔孔径 D 应满足 d max ＜ D ＜ 2 d min （ d 为油菜籽直径 ） 。 外锥筒材料为铸铝， 种子 在离开锥筒时是沿着内锥筒旋转的切线方向飞出 ， 如果出种孔按照垂直钻孔的方式加工， 则油菜籽不 容易进入， 并且油菜籽与出种孔壁、 导种管可能发生 多次碰撞， 易造成油菜籽的破损， 同时也延长了种子 的下落时间， 导致投种均匀性变差。 为减少油菜籽 与出种孔壁的碰撞， 除了减小出种孔壁厚之外， 出种 孔沿内锥筒旋转方向应有一定的倾角， 油菜籽在出
第2 期
廖庆喜 等： 一器多行离心式油菜排种器
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— —摩擦角 — —内锥筒倾角 θ— φ— 由力学分析知， 排种的必要条件为 mrω2 cosθ≥mgsinθ + F 将 f 代入， 得 ω≥ 令
图1 Fig． 1 离心式油菜排种器示意图
5． 出种孔 6． 出种管
（ 5）
槡
g tan（ θ + φ） r g tan（ θ + φ） r （ 6）
Abstract A centrifugal metering device was designed for rapeseed． Working principle of the centrifugal metering device was analyzed，and its main structural and performance parameters were investigated． The relationship among rotation speed with the delivery capacity，coefficient of variation，stability of total displacement and damage rate was concluded through the captive test of seeding device． The experimental results showed that the rotating speed was 150 r / min， the diameter of discharge holes was 3. 2 mm， the tilt angle of discharge holes was 15ʎ ，the delivery coefficient of variation was 2. 38% and performance test of the device on the rack demonstrated that seeding uniformity coefficient of variation was 18. 2% ． Key words Rapeseed，Metering device，Centrifugal
离心力 F = mrω 重力 G = mg 锥筒内壁反作用力 N = mrω2 sinθ 式中 m— — —种子质量 — —锥筒角速度 ω— r— — —油菜籽所在位置的锥筒半径
2
2
2. 1
排种性能试验
单因素试验 试验设计
2. 1. 1
将排种器固定在机架上， 保持机具静止状态， 试 以华杂 9 号油菜种子为试 验以调速电动机为动力，
槡
于内锥筒壁上， 可以清除多余的种子并在发生堵塞 时对出种孔进行清理。离心式排种器播种量可通过 调节进种口开度及锥筒转速来控制 。 由散粒体在容器内流动规律可知散粒体流出的 ［5 ］ 量取决 于 出 口 直 径 和 散 粒 体 在 容 器 中 的 高 度 。 据此设计种箱及进种口， 进种口位于种箱底部， 通过 进种口与固定套上开口面积的配合可调节进种口开 度， 使内锥筒中向外流出的种子量和由种箱进来的 种子量保持恒定不变。 1. 2 主要结构与参数 离心式排种器设计中最重要的结构参数是内锥 筒的倾角、 出种孔的孔形、 出种孔的布置方式及清种 部件。对排种效果影响最大的运行参数是内锥筒的 ［7 8 ］ 。假设种子由进种口进入排种锥筒后， 转速 即 获得与锥筒相同的回转速度， 并受到以下各力作用 （ 图 2 ） （ 忽略种子之间相互作用） ：
2012年2月 DOI： 10． 6041 / j． issn． 10001298． 2012． 02． 010
农 业 机 械 学 报
第 43 卷 第 2 期
一器多行离心式油菜排种器
廖庆喜 张 宁 张朋玲 杨 波
（ 华中农业大学工学院，武汉 430070 ）
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【摘要】 设计了一种适用于油菜一器多行排种的离心式排种器， 分析了离心式油菜排种器的工作原理， 确定 了排种器的主要结构和性能参数 。研究了排种器锥筒转速与排量 、 各行排量一致性、 总排量稳定性、 破碎率等的关 系； 正交试验表明， 在排种器锥筒转速为 150 r / min、 出种孔直径为 3. 2 mm、 出种孔倾角为 15ʎ 时， 单行播量稳定性变 异系数最小， 为 2. 38% ， 播种均匀性变异系数为 18. 2% 。 关键词： 油菜 排种器 离心式 文献标识码： A 1298 （ 2012 ） 02004804 文章编号： 1000中图分类号： S223
0219 修回日期： 20110401 收稿日期： 2011* 高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（ 20090146110016 ） 、 13 ） 和中央高校基本科研 国家油菜产业技术体系专项资助项目（ CARS业务费资助项目（ 2011PY021 ） Email： liaoqx@ mail． hzau． edu． cn 作者简介： 廖庆喜， 教授， 博士生导师， 主要从事油菜播种机械和高粗茎秆作物收获机械研究，