多轨单排复位式巨菌草排种器的设计

童向亚，郑书河，林长山，朱　舟，叶大鹏

(福建农林大学 机电工程学院，福州　350002)



多轨单排复位式巨菌草排种器的设计

童向亚，郑书河，林长山，朱舟，叶大鹏

(福建农林大学 机电工程学院，福州350002)

摘要：由于巨菌草种苗个体间直径差异较大，导致在其短茎扦插繁殖的排种器排种过程中频繁出现卡种及排种不连续等问题。针对上述问题，设计了一种新型多轨单排复位式巨菌草排种器。通过对排种器各关键部件的建模和分析，以及多层复位弹簧的调试，优化并确定排种器各层K值方程，推导出各层滑轨长度及与卡板的角度，成功实现了排种器满载时各层卡板竖直于同一垂面，从而使得储种、排种及导种的有序进行。同时，对排种器质量和体积参数进行了优化，得出体积和质量参数与弹簧弹性系数影响不大的结论，从而可最大限度地利用排种空间，提高单个排种器的储种量。

关键词：巨菌草；菌种；排种器；滑轨

0引言

适宜巨菌草荒地、平原大面积种植的自动化机械已经陆续出现并向市场推广。然而，适宜巨菌草丘陵、山地环境种植的以短茎扦插方式繁殖的种植机械还是相对匮乏。为实现菌草产业的全程自动化，预切种式山地巨菌草种植机械的研发将成为必然发展趋势，而决定该种植机械种植作业性能的关键因素是排种器的性能[1-2]。为此，设计了一种新型多轨单排复位式巨菌草排种器，可实现巨菌草种植过程的自动落种，同时兼具体积小、储种量大、可依次单根落种、耐摔抗震的特点。

1结构和工作原理

1.1结构组成

排种器主要由排种器箱、排种滑轨机构、半自动种苗门阀机构和导种排口4部分组成，如图1所示。排种滑轨由上滑轨、下滑轨、蝴蝶夹、弹簧和滑轨挡板5部分组成。在排种滑轨机构中，上滑轨上端固定在排种器上端，下滑轨上端通过蝴蝶夹与上滑轨连接，且下滑轨挡板通过弹簧与排种器上端支撑杆连接，上、下滑轨共7个，中间有6层种槽进行排种；在下滑轨的出口处固定有定长的卡板，卡板的长度由各滑轨的实际下移距离决定，长度设置为2～8mm。半自动种苗门阀机构由内挡板、外挡板、弹簧和旋转销轴4部分组成。通过将外挡板与箱体外壳板结合为一体，设计内挡板成为可前后移动的推板，两板之间用弹簧连接，两挡板几何中心位置的中间旋转销轴内端与内挡板固接；销轴中部上下两侧带有的矩形凸台，外挡板中心位置有与凸台间隙配合的孔，旋转销轴凸台到凸台孔的位置，然后压住使其深入，再次旋转后便能卡住内挡板，固定排种口大小。排种器上端装配有上导槽，最底层滑轨下端与外挡板下端连接有下导种槽，导种槽左端开有推种槽。

1．上滑轨　2.蝴蝶夹　3.下滑轨　4.弹簧1　5.滑轨挡板

1.2工作原理

当菌种大量排入时，菌种在内挡板的作用下，将有序储存在排种器内。准备排种时，旋转销轴90°，内挡板在弹簧作用下向后平移，菌种在重力和滑轨引导的作用下，将依次滑落。各下滑轨由弹簧连接于排种器上端的支撑杆上，保证下滑轨在空载情况下上移，和其上下层的滑轨保持一定距离。当某一层下轨道上载有菌种时，利用菌种的自重，使该层下滑轨下移，在该层下滑轨右端卡板的作用下，卡住下层下滑轨的菌种，以此保证在其上层轨道的菌种排空之前，各下层轨道的菌种无法排出。当该层下滑轨上的菌种全部排出时，在弹簧的作用下，该层轨道自复位，下级轨道上升到一定的位置，开始排种，进而实现菌种的有序单个连续排种。菌种出排口后，推种机构经推种槽将菌种顺着下导种槽排入种沟。

2关键部件力学建模与分析

2.1下滑轨及卡板模型

下滑轨及排口处卡板的主要作用为：首先，当上层下滑轨菌种未排空前，限制所在滑轨上的菌种；其次，保证菌种能相对水平地滚动，并在限定位置处滑出；最后，在排口卡板与内挡板间形成接近竖直的间隙，保证菌种滑落空间的垂直度，保证菌种不会互卡或卡在其他下滑轨的出口处，如图2所示。

图2　各卡板和内挡板排种示意图

各层滑轨在初始状态时，若各滑轨末端卡板在同一平面上，且排口卡板与下滑轨角度固定；满载时，各层卡板在竖直方向产生错位，使得低层到高层的排口口径宽窄不一，引发卡种[3]，如图3所示。针对上述问题，在满载时，设计下滑轨排口与排口上卡板皆在同一平面上，从而使得在初始状态下各层滑轨的长度与图3设计值相比有所增加。由于菌种与滑轨间存在间隙，各层滑轨下压菌草产生的角度变化量将逐层累积[4]，因此在满载状态下各层下滑轨与卡板间的角度均不同，如图4所示。为保证菌种滑落时，各层排口处卡板能在一条直线上，各下滑轨排口卡板与下滑轨间的初始夹角应设计为不相同的值，如图5所示。改进后，各层滑轨的长度值、排口卡板与下滑轨的角度值均可通过建立数学模型得出。

图3　空载时各滑轨排口与卡板在同一平面示意图

图4　满载时滑轨排口与卡板在同一平面示意图

图5　初始状态下滑轨与卡板间的角度差异示意图

根据连续排种的需求[5-6]，卡板与下滑轨的长度设计时必须满足以下条件：

1)各层菌种满载时，各层下滑轨的排口近似在同一平面上。

2)各层菌种满载时，各层下滑轨排口的卡板近似在同一平面上。

3)下滑轨载种面存在一定的弯曲，且各层下滑轨平面相平行，其间隙大于30mm。

依据上述条件，为解决下滑轨长度及其与排口卡板夹角的参数设计问题，建立以下数学模型：设各层下滑轨与水平面的夹角为θi，从最底层往上推，依次设为θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6，滑轨长度为Ci，从最底层往上推，依次设为C1、C2、C3、C4、C5、C6，各层下滑轨排口卡板与各滑轨的角度为φi，从最底层往上推，依次设为φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ6。各层上滑轨间的距离和下滑轨的距离都为a，巨菌草半径为r，各层下滑轨间的距离为x。

根据图6和以上参数设定，建立各滑轨角度与其长度的数学关系，则有

(1)

(2)

(3)

φi=90°+θi

(4)

图6　滑轨及卡板示意图

为满足连续排种条件1)，使满载时各下滑轨排口外边缘近似在同一铅垂线上，需求出初始状态时各滑轨长度。已知最底层的滑轨长度Ci以及与水平面所成的角度θi，结合式(1)和式(2)，可求得上一层的滑轨长度Ci+1及与水平面所成的角度θi+1。以此类推，求出每一层的滑轨长度、与水平面所成的角度和卡板与各滑轨的角度。为满足连续排种条件2)，由式(4)可推出滑轨排口卡板与下滑轨间的角度值变化规律情况。

2.2滑种导轨排种力学模型

排种器借助滑轨和与之相连的弹簧实现巨菌草的分层排种。当上层滑轨上仅剩1根菌种时，其下移的距离足够限制下层滑轨菌种的排出；而当菌种排出后，借助弹簧的回复力，上层滑轨上移的空间足够让下层菌种排出。建立单一下滑轨的力学模型，如图7所示。

图7　下滑轨受力分析简图

根据图7，设蝴蝶夹与上支撑杆的垂直距离为a，蝴蝶夹与下滑轨弹簧固定处的距离为b，下滑轨弹簧固定处与下滑轨排种口的距离为c；菌种排出前，下滑轨与垂直距离的角度为θ，菌种排出后下滑轨与垂直距离的角度为θ′，单根菌种重G，下滑轨自重G1，蝴蝶夹质量忽略不计[7]；菌种排出前后，弹簧受力F1，菌种排出后弹簧重F2，两者受力之差为ΔF；菌种排出前后，弹簧由X1拉长为X2，弹簧形变量之差为ΔX；菌种排出前后，下滑轨末端移动距离为d；菌种排出前后，弹簧与滑轨连接点变化距离为Y1，Y1与弹簧拉伸后轴线所成的夹角为σ。

根据巨菌草种植农艺要求，设计c为0.06m，菌种排出前后下滑轨移动距离d为0.005m。根据下滑轨受力分析简图，以蝴蝶夹为受力分析点，由受力平衡可求出巨菌草滑落前后弹簧受力之差ΔF，则有

(5)

(6)

(7)

菌种排出前，弹簧长X1为

X1=a+bcosθ

(8)

菌种排出前后，弹簧与滑轨连接点变化距离Y1，由等腰三角形相似性得

则

(9)

设Y1与弹簧拉伸后轴线所成的夹角为σ，则Y1与下滑轨所成角度为(θ+σ)，且

则

(10)

由余弦定理得

(11)

ΔX=X1-X2

(12)

由式(7)～式(12)得

由已知设计得：b=0.06m，d=0.005m，θ=60°。已知G的取值为0.1 kg，a的取值由层数决定，由实际种植要求，a取值如表1所示。

表1　距离a的取值

将a、b、d、θ、G代入上式，经数值计算可得K、C曲线图，如图8、图9所示。

图8　K与C关系曲线图

图9　不同a值下K-C特性曲线

由图9可得：当a值不同时，各曲线之间存在微小的偏移，但位移量极小，几乎可忽略。可见a值对弹簧K值的影响极小，即提高箱体高度和增大储种量对弹簧的使用影响不大，因此可实现不更换弹簧而实现箱体储种量的增大。将表1的a值代入数学模型求得理论K值，如表2所示。

表2　理论C和K的值

续表2

3调试与实验结果分析

3.1下滑轨弹簧调试

由上述滑轨的排种力学模型，得到一系列滑轨弹簧所需的理论K值及各下滑轨及对应卡板的长度。同时，通过绘制加工图纸，制造该菌种排种器，如图10(a)所示。考虑到制造成本问题，以及试验得出该电批拉力弹簧弹性系数随加载的增大而略微逐渐减小的特性，在排种器初期设计时，采用其作为调试弹簧。

如图10(b)，通过该物理样机，结合菌种排种过程，合理推理并调节弹簧长度和K值，以各滑轨空载时弹性系数要求为初始值，则当菌种填入时各弹簧的实际弹性系数必将比理论值小。即各滑轨装载菌种越多，其滑轨下移的距离越大，导致更下层滑轨排口尺寸大于上层滑轨，有利于菌种自下而上的逐级排出。

图10　排种器样机及放种过程

3.2实验结果分析

以理论计算的K值为依据(见表3)，采用“多减少补”原则，通过采取不同圈数的弹簧进行反复实验验证，调试出各层滑轨在未加载时所需的实际K值。

表3　K值对比表

根据理论和实际K值散点图，选择采用多项式拟合的方法对K值进行优化，结果如图11所示。其相关系数为0.994 56，拟合曲线与数据吻合较好。由此得到优化后排种器各层所需K值方程为

K′=56676.28098-4907.35969K+ 106.27015K2

(13)

图11　多项式拟合结果

由于滑轨层数有限，数据量较少，产生拟合误差是难以避免的，而且由于排种器加工精度、装配精度不高和下滑轨部分的卡板未固定在外部等原因，导致各层滑轨端部不在同一直线上，使得实际K值存在误差。

4结论

1)通过独特的弹簧滑轨自复位结构和半自动种苗门阀机构，适应于不同形状和尺寸的菌种，实现了菌种分层单根依次排出的功能，适用于小型菌草种植机械的精密播种。

2)通过参数化滑轨及卡板等关键部件的结构，以及对滑轨排种力学模型的理论计算，确定种箱下滑轨所需的弹性系数K的理论值，推导出滑轨长度与出口处卡板的角度，保证了当排种器满载时，各层卡板基本在同一直线上且与出口阀门保持需求间距。通过制造和不断调试排种器，得出所需实际K值，两组K值数据的进一步拟合，优化了排种器各层所需K值方程，提高了排种器的设计制作效率与制作精准度，避免卡种现象的产生。

3)由不同a和G1值情况下相应K与C关系曲线，可证明排种器本身体积、自重的增大对弹簧弹性系数影响不大。也就是说，增大排种器储种量与制造材料，导致排种器空间与自重的增大，并不会影响各层滑轨上弹簧所需的弹性系数。

参考文献：

[1]宋井玲, 杨自栋, 杨善东,等.一种新型内充种式精密排种器[J].农机化研究, 2013, 35(6)：90-93.

[2]李洪昌, 高芳, 赵湛,等.国内外精密排种器研究现状与发展趋势[J].中国农机化, 2014(2)：12-16.

[3]曹文, 丁俊华, 李再臣. 机械式精密排种器的研究与设计[J].农机化研究, 2009, 31(7)：142-145.

[4]尚家杰. 可利用重力与离心力充种的立式圆盘排种器研究[D].哈尔滨：东北农业大学,2013.

[5]曹成茂,王安民,秦宽,等.一器多行环槽推送式排种器设计与试验[J].农业机械学报,2014(4):128-134.

[6]Richard B, Benjamin C, Rockwell M T，et al. Vacuum Seed Sowing Manifold：a novel device for high-throughput sowing of Arabidopsis seeds[J].Plant Methods, 2013, 91：41.

[7]Wiersma J J, Killam A S, Westhoff J. A Retrofit for Plot Drills to Enable Automated Seed Metering[J]. Crop Science, 2014, 542：654-658.

Design and Research on Multi-track and Single-row Resetting Type Seeder for Pennisetum Sp.

Tong Xiangya， Zheng Shuhe， Lin Changshan， Zhu Zhou， Ye Dapeng

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China)

Abstract：Due to larger diameter difference in seeds of Pennisetum sp.,there is plugging and incontinuity, which frequently emerge in seeder for Short stem cuttings propagation. Aiming at these problems,a kind of Multi-track and single-row resetting type Seeder is designed for Pennisetum sp.Through modeling and analysis of each key components on seeder metering device and debugging multilayer resetting spring,K value equation is optimized and determined for seeder metering device,each layer slide track length and the angle between card board and slide track is deduced. Each layer card board being in the same vertical surface is realized when seeder is full load, so as to makes seeder-storing, seeder-metering and seeder-guiding sequential. Further, the quality and volume parameters of seeder is optimized, and it is concluded that volume and quality parameters have little effect on spring elasticity, which could maximize the seeding space and quantity in single type seeder.

Key words：pennisetum sp.; seed; seed metering device; slide track

文章编号：1003-188X(2016)02-0091-05

中图分类号：S223.2+6；S220.3

文献标识码：A

作者简介：童向亚 (1990-)，男，湖南湘潭人，硕士研究生，( E-mail) 18396533700@163.com。通讯作者：叶大鹏(1971-)，男，福建霞浦人，教授，硕士生导师，博士，(E-mail)fau_ydp@hotmail.com。

基金项目：福建省科技重大专项(2014NZ0002-1)；国家菌草工程技术研究中心开放基金项目(JCJJ14002)

收稿日期：2015-01-12