开沟器长度设计方法的研究

开沟器长度设计方法的研究任文涛 刘 涌[摘要] 本文利用运动学方法，建立了无输种管式精量播种机零速投种的数学模型，分析了实现零速投种的条件；建立了种子下落过程中位移、速度的数学模型，开沟器底刃端点与排种器轴心水平距离的数学模型，以及开沟器长度的参数计算模型。

应用理论研究成果对研制的垂直圆盘刷种轮式排种器的参数进行了改进，收到了较好效果。

本研究成果为类似播种机的设计供了依据。

[叙词] 播种机排种器开沟器零速投种The Design Method of Length of Drill Opener(Ren Wentao, Liu Yong. Shenyang Agricultural University, Shenyang, China, 110161)AbstractThe mathematical model of zero sowing speed at planters without feeding pipeline was established by using kinematics method and the condition of realizing zero sowing speed was analyzed. The model of displacement and speed of seed were built up as the seed dropping. The model of horizontal distance between the front (or back) point of drill opener and sowing axle and the model of length parameters of the drill opener were set up. By using the theoretical study results, the modification of the developed vertical disc brush wheel type seeding apparatus was curried up and the results were proved well. The results of the study offered a reference for the similarity sowing machine.Keywords: Sowing machine Seeding apparatus Drill opener Zero sowing speed1 引言排种器和开沟器是播种机的两个最重要的工作部件，穴距准确性是精量播种机的重要性能指标之一。

目前常见的有采用型孔轮、型孔带式排种器的机械式精量播种机，还有采用气吸式、气吹式排种器的气力式精量播种机等。

在这些播种机上一般都不用输种管，目的是避免因种子从排种器脱离后与输种管的随机碰撞而造成的穴距不准。

然而对于这种类型的播种机，在满足工作性能要求的前提下，开沟器底刃的长度至少应为多大？开沟器与排种器轴之间的相对安装位置应满足什么条件？等有关问题的理论研究尚少。

2 零速投种的概念及实现零速投种的条件2.1 坐标系的建立与种子运动参数方程如图1所示，在播种过程中，充入型孔的种子一边与型孔轮轴一起随着播种机向前平动，一边绕着型孔轮轴转动，可见种子的运动是两者的合成。

建立了如图所示的坐标系以后（坐标原点选在型孔处于C点时，排种轮中心所处的空间位置），则：种子运动的位移参数方程为：x(t)=V m t +R cos(ωt)--------------------(1)y(t)=Rsin(ωt) ---------------------(2)式中：V m 是播种机前进速度（设为匀速直线运动）R 是排种轮半径ω 是排种轮的回转角速度t 是排种轮的运动时间（相对于起始位置时刻）1 任文涛，沈阳农业大学农业工程学院教授，博士生导师，110161沈阳市2 刘涌，沈阳农业大学农业工程学院工程硕士，110161沈阳市α 是投种角(参见图2) H 是排种轴的安装高 在排种过程中，种子与型孔轮一起运动的速度方程为； V x (t)=V m - R ω sin (ωt)-------------(3) V y (t)= R ωcos (ωt) -------------(4) 2.2 零速投种的概念与实现条件 所谓零速投种是指在投种时刻(t α )，种子绝对运动速度的水平分量为零〔2〕，即 V x (t α)=0 由（3）式得： V m - R ω sin (ωt α)=0 ---------（5）因在投种时刻, 900 -ωt α=α, 故：V m - R ωcos (α) = 0因为：cos (α)≤1 ， 故要满足零速投种，必有：（V m /R ω）≤1 -----------------（6）可见，只有在型孔的圆周运动速度（R ω）大于或等于播种机前进运动速度V m 时，才有可能实现零速投种。

在零速投种状态下，种子落地时绝对运动速度铅垂向下，种子与地面即使有碰撞引起的反弹，一般都会垂直向上弹起，再铅垂下落在原来的位置上，进而保证穴距准确。

假如不是零速投种，种子落地时的绝对运动速度的水平分量不为零，种子与种沟碰撞后可能有沿水平速度方向的二次或更多次的弹起，穴距将很难保证。

因此，在设计播种机时应尽量实现零速投种。

在零速投种条件下，若再使投种角α=0，则ωt α=900 ，故：V y (t α) = 0。

若不考虑风对种子下落过程的影响，这是一种最理想的参数配合。

因为，若同为零速投种且投种高度相同，则在V y (t α) = 0条件下，种子落地时的与地面碰撞的能量最小，穴距更准确。

3 开沟器长度与各参数的关系3.1 种子脱离型孔后的运动分析：如图1所示，种子在脱离型孔的时刻，其运动速度模型为：V x (t α)= V m - R ω cos (α)-------------(7) V y (t α) = R ωsin (α) -------------(8)可见，当V x (t α)=0；V y (t α)=0时，相对于地面而言，种子脱离型孔以后，将按照自由落体规律下落。

当V x (t α)=0；V y (t α)≠0时，种子脱离型孔以后，将按照有初速度的落体运动规律下落。

当V x (t α)≠0；V y (t α)=0时，种子脱离型孔以后，将按照初速度不为零的平抛规律下落。

当V x (t α) ≠0；V y (t α) ≠0时，种子脱离型孔以后，将按照初速度不为零的斜抛规律下落。

设种子从排种口排出开始，直到到达地面为止，所用的时间为T ，则有：2)(t V )cos(2y gT T R H +=−αα -----------------(9) 由（8）（9）式解得： ()()g R R H g R T αϖααϖsin cos 2sin 2−−+= -------------------(10)设脱离型孔以后，种子相对于开沟器的位移为F,则：图1 种子运动参数方程的建立 1 型孔轮2 开沟器 3型孔轨迹αϖαϖαsin )sin ()(×××=××−−×=−×=T R T R V T V Tt V T V F m m x m-----------------------(11)3.2 开沟器长度的参数分析研究开沟器长度设计与开沟器安装位置问题可以利用种子的绝对运动轨迹，也可以利用种子相对于机架（开沟器）的运动轨迹，比较而然，相对轨迹的方法简单。

图2是种子下落过程中相对于开沟器的运动轨迹。

图中：K 为开沟器底刃最前端距排种轴的距离W 为开沟器的长度F 为通过（12）式算出的种子相对水平位移，其它符号同前。

由图2可见，保证种子落在开沟器底刃最前点之后的条件是:)sin (max αR F K −≤ -------------(12)保证中子落在开沟器底刃最后点之前的条件是：αsin min R F W K −≥+ ----------(13)在一般的精量播种机上，其穴距的调整主要是通过改变排种轮与地轮之间的传动比或更换排种轮的方法进行的。

而改变传动比就意味着改变了排种轮的转动角速度。

假设排种轮角速度的最小值为min ϖ，最大值为max ϖ。

则种子相对位移的最小值为：αϖcos min min ×××=T R F -------(14)种子相对位移的最大值为：αϖcos max max ×××=T R F ----------(15)由（12）式可知，要保证种子落在开沟器底刃最前点之后，K 必须满足：αsin min max R F K −≤ ，即：ααϖsin cos min max R T R K −×××≤ ------------------(16)可见，开沟器的安装必须满足（16）式的要求。

由（13）式可知，要保证中子落在开沟器底刃最后点之前，W 必须满足：αsin max ×−−≥R K F W mia ，即：ααϖsin cos max max ×−−×××≥R K T R W mia整理得：)(cos min max min ϖϖα−×××≥T R W --------------------(17)可见，开沟器的长度参数至少要大于（17）算出的数值。

图2 种子相对运动轨迹1种子箱 2排种轮 3开沟器4. 种子落地时的能量分析及对穴距准确性的影响假设种子落地时绝对速度的水平分量为V xd 垂直分量为V yd ，若忽略空气对种子空间运动的阻碍作用，则：V xd =V x (t α)= V m - R ωcos (α) ---------------(18) V yd = V y (t α)+ gT())cos (2sin 2ααϖR H g R −+= ----------(19)故种子落地时的绝对运动速度大小为：22yd xd d V V V += ()())cos (2sin cos 22ααϖαϖR H R R V m −++−= -------------------(20)种子落地时绝对运动速度与播种机前进方向水平线的夹角为：β= tg -1 (V yd / V xd ) -----------------(21)种子落地时与地面碰撞的动量为：E = m V d ---------------------（22）式中：m 为种子的质量。