行走式排种试验台优化设计.docx
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行走式排种试验台优化设计
摘要
精密播种机性能试验是农机测试的重要组成部分,也是研制和开发新型精密播种机不可缺少的重要环节。
虽然田间试验可以客观、准确地反映机具的性能,但由于受地点、季节、设备等因素的影响,试验周期长,费用高。
因此,播种机尤其是作为主要工作部件的排种器试验通常是在实验室内进行,以加快试验进程,提高试验的方便性、可靠性和可重复性。
对排种器试验台进行改进,是为了使排种器在实验室内能够更好地模仿在田间试验和作业的各种情况,以便将其调试到最适宜的工作状态,提高生产效率。
排种器是播种机的核心部件,排种器的排种性能好坏直接影响播种机的工作性能。
排种器实验台是对排种器性能测试的主要手段,测试过程可以不受田间各种条件的限制,人为地创造各种工况,达到实际工作中的田间仿真,并且对排种器的性能及各主要参数进行深入广泛地试验研究,并提供可靠的设计依据。
关键词:
精量播种排种器试验模拟
Abstract
Precisionseedingagriculturalperformancetestisanimportantpartofthetestaswellasresearchanddevelopmentofnewprecisionseederindispensableessential.Althoughthefieldexperimentcanbeobjectivelyandaccuratelyreflecttheperformanceofmachinery,butbecauseofthelocation,season,equipmentandotherfactors,longtestcycle,thehighcost.Therefore,theplanterinparticularasthemainworkingpartsofthemeteringdeviceinthelaboratorytestisusuallycarriedoutinordertoexpeditethetrialprocess,toimprovetheconvenienceoftest,reliabilityandrepeatability.Meteringdevicetoimprovethetest-bedistoenablethemeteringdeviceinthelaboratorytobettermimicinthefieldtestingandoperationofthevarioussituationsinordertodebugthemostappropriateworkingconditionsandboostproductionefficiency.
Plantermeteringdeviceisthecorecomponent,meteringdeviceperformanceoftheseedplanteradirectimpactonperformance.Testmeteringdevicemeteringdeviceisthemainmeansofperformancetests,thetestingprocesscannotfieldavarietyofconditions,artificiallycreatingavarietyofworkingconditionsontheperformanceofseed-meteringdeviceandthemainparametersin-depthandextensivepilotstudyandprovideareliablebasisforthedesign.
Keywords:
precisionseedingmeteringtestsimulation
目录
1.绪论4
1.1排种试验台改进设计研究的目的和意义4
1.2排种试验台的使用现状5
1.3国外精密排种的研究现状5
1.4国内精密排种的研究现状6
1.5几种传统排种器的结构特点及存在的问题7
1.5.1结构特点7
1.5.2存在的问题8
1.6排种器的新发展9
1.7本机改进设计的内容9
2.穴播器排种试验台的结构与组成10
2.1排种试验台的工作原理10
2.2主要工作部件10
2.2.1动力部分10
2.2.2传动部分10
3.穴播器排种试验台主要工作部件的设计11
3.1轨道长度的确定11
3.2箱体前进速度的确定11
3.3排种盘转速的调整范围12
3.4计算电机额定功率12
3.5计算电机额定功率12
3.6电机选用13
3.6.1用常规方法选用变频电机的缺陷13
3.6.2正确选用变频电机的方法13
3.6.3负载容量曲线选变频电机14
3.6.4结论15
3.7链传动的设计计算16
3.8轴的设计计算17
4.结论18
设计心得及致谢19
参考文献20
1.绪论
1.1排种试验台改进设计研究的目的和意义
排种器的英文名称含有定量、分配或排出之意。
排种器是整体与个体之间的梳流环或装置。
其前端是混沌的整体或不定量的集合散粒体,是成堆成箱的种子群,不具有个体属性和种子的播种属性,不能赖以出苗或长成植物,并收获结籽。
分离和定量是种子获得播种属性的初始阶段。
当定量分离的种子被先后有序地定植于田间的特定坐标位置以后,种子才最终获得了播种属性,才具备了发芽、出苗、保苗、生长和收获的种子属性。
排种器的工作实质乃是一个化整为零的矛盾统一体,是一个种子梳流的系统工程。
排种过程就是化整为零的过程。
排种器研究设计的任务就在于解决化整为零过程中出现的种种问题和矛盾:
群体化与个体的矛盾;分离对象(种子)与分离元件的矛盾;分离数量与分离精度的矛盾;种子流断面与播量要求的矛盾;分离流量均匀度与限流器件的矛盾。
总的来说就是种子流均匀度、稳定性与分离元件、定量元件的机械作用的矛盾。
精密播种机性能试验是农机测试的重要组成部分,也是研制和开发新型精密播种机不可缺少的重要环节。
虽然田间试验可以客观、准确地反映机具的性能,但由于受地点、季节、设备等因素的影响,试验周期长,费用高。
因此,播种机尤其是作为主要工作部件的排种器试验通常是在实验室内进行,以加快试验进程,提高试验的方便性、可靠性和可重复性。
对排种器试验台进行改进,是为了使排种器在实验室内能够更好地模仿在田间试验和作业的各种情况,以便将其调试到最适宜的工作状态,提高生产效率。
排种器是播种机的核心部件,排种器的排种性能好坏直接影响播种机的工作性能。
排种器实验台是对排种器性能测试的主要手段,测试过程可以不受田间各种条件的限制,人为地创造各种工况,对排种器的性能及各主要参数进行深入广泛地试验研究,并提供可靠的设计依据。
近年来,我国播种机械发展迅速,需求量不断增加,适宜高速作业的气力式排种器等各种新型排种器得到了日益广泛的应用。
为了高效率地研制和改进排种器,应用排种器试验台进行室内台架试验十分必要。
因此,对其性能进行深入的试验研究或鉴定,探索排种技术规律,并为科研人员提供可靠的设计依据,具有重要意义。
另一方面,使学生了解机械设计的一般思路方法,提高学生综合运用知识分析问题、解决问题的能力;通过实践训练,巩固所学知识,加深对所学知识的理解;深化学生对本学科性质的认识,增强学生的学习兴趣;培养学生扎实的工作作风和坚忍不拔、吃苦耐劳的精神;使学生树立科学的世界观和人生观。
1.2排种试验台的使用现状
播种机试验台应能完成GB/T6973—1986、GB/T9478—1988标准所规定的主要测试内容,包括播种均匀性,排种(肥)性能,排种(肥)量范围,种肥量对排种(肥)性能的影响,作业速度变化和机具倾斜对播种均匀性的影响,种子破损率等。
同时,试验台应能适应多种类型播种机的整机试验,和对排种器播种单体的试验能力。
目前国内的播种机试验台有两种型式,一是排种器试验台,二是整机试验台,主要存在以下问题:
1)功能单一,即适用于排种器的不适用于整机,反之亦然;2)排种器试验台一般局限于机械式排种器,且只能进行精播试验,不能做条播试验;3)不能做倾斜试验;4)种子粒距测量方法落后或不完善,准确度低,不能有效模拟机具工作状态进行测量;5)传动装置噪声大;6)作业速度分级调整,不易符合实况,影响测量准确性;7)自动化程度低,数据处理方法落后。
针对以上缺陷,农业部农机试验鉴定总站与中国农业大学工学院共同研制了一种比较完善的2BST-160型播种机性能试验台。
1.3国外精密排种的研究现状
国外精密播种的研究是从40年代就开始了,目前在欧美国家中,耕作的播种已基本实现精密化。
精密播种机的核心部件是排种器。
国外现在正在生产和使用的精密排种器主要可分为两大类。
机械类主要有窝眼轮式、垂直圆盘式、水平圆盘式、倾斜圆盘式、指夹式等。
气力式排种器的型式主要有气吸式、气吹式、气压式三种。
为了解决形状不规则、重量轻的蔬菜种子的播种问题,目前国外正在利用一些新的播种原理。
如日本人提出的适合蔬菜的静电播种;英国人提出的适合蔬菜的液体播种、适合牧草的超音速播种等。
现在广泛流传的一种先进的科学播种方法———种子带播种起源于日本,这种方法有许多优点:
其一,种苗长短一致;其二,种子浪费几乎为零;其三,可大大节约时间和劳动力,并且可高效率高质量的满足播种需要。
现在种子带这种播种方法在世界范围内广泛采用,如台湾、韩国、欧美等地区和国家都在使用这种新技术。
液压技术目前在国外播种机的应用也日益广泛,液压装置的功能多种多样。
美国塞科尔500型气压式播种机用液压马达驱动风机。
东德A-697型精密播种机装有供驱动排种锥体的液压马达,当地轮滑动时,液压马达启动,以保证排种锥体的转速与机器前进速度相协调。
还有一些播种机上采用液压油缸升降、变换工作状态、运输状态以及用油缸控制开沟器的起落等。
1.4国内精密排种的研究现状
精密播种机在其发展过程中经历了两个阶段,即定量穴播阶段和单粒(精密)播种阶段。
定量穴播阶段主要性能指标是穴距、穴长和每穴粒数,试验测定的主要项目有穴距、穴长及其变异系数、(n±1)粒穴数占的百分率。
现在,农艺对穴长已不做要求;单粒(精密)播种阶段主要性能指标是粒距合格指数、重播指数、漏播指数、标准差及合格粒距的变异系数,其中田间作业试验测定的主要项目为播种粒距。
在精密播种机的结构参数确定之后,田间作业质量、机器的前进速度、滑移率(滑转率)是影响其性能指标的主要因素。
播种机的性能指标有3项:
一是粒距合格率,表示机具正常作业的状态,排种器精确等距排种,传动系统稳定可靠,滑移率小,输种管和开沟器对种子流的重新改组小,沟底平整,种子散射少;二是重播指数,表示机具的排种性能在量的方面超过了预定要求,使单粒排种变成双粒或多粒排种,其原因是传动机构传速比失调、刮种器失灵不能清除多余的种子或种子尺寸偏小等;三是漏播指数,表示机具的排种能力不足,其原因是种子与型孔不协调、大粒种子偏多、型孔堵塞或者是传动系统滑移过大等。
以上3项指标从不同方面反映了精密播种机的设计水平、制造质量和使用条件等技术状态,对正确评价机具的技术性能、查找机具的故障与失误以及机具的改进提高有很大的帮助。
粒距标准差与合格粒距的变异系数表示单粒种子的粒距分布均匀性。
迄今为止,我国的播种机械专家、学者几乎涉猎了世界上所有的排种器形式,属于引进、仿制、研究、探讨的有:
外槽轮排种器;离心式排种器;内侧囊种式排种器;垂直圆盘式排种器;水平圆盘式排种器;倾斜圆盘式排种器;气吸式排种器;气压式排种器等等。
属于我国独创特色的获得大量生产应用的排种器有:
辽宁70-2型窝眼轮式排种器;鲁抗的摆杆式排种器;张波屏的纹盘式排种器;张波屏的锥盘式小麦精密排种器等等。
室内模拟试验是在控制的条件下进行的,利用有效的试验设备和试验材料,对一台机器或一个部件模拟与田间基本相同的环境及工作条件,重复进行试验,使试验结果可能合理、良好地重复出现,在尽可能短的时间内,获得机器或其部件的性能数据资料。
实验室试验最适合对不同的设计方案进行快速的对比性试验,其试验结果可以立刻被所有有关人员利用,而且试验不受季节的限制。
测定播种机排种均匀性的试验,是性能试验中在实验室进行比在田间进行更为可靠的一个例子。
对某些类型的整台机器来说,在田间试验季节之前,先在实验室进行性能试验可以大大节省研制时间和科研费用。
1.5几种传统排种器的结构特点及存在的问题
1.5.1结构特点
1)外槽轮式排种器
工作时外槽轮旋转,种子靠重力充满槽轮凹槽,并被槽轮带着一起旋转进行强制排种;处于槽轮外面的一层种子在槽轮外圆的拨动和种子粒间的摩擦力作用下也被带动,这一层种子称为带动层。
带动层内的种子运动速度不等,位于槽轮圆周界面上的速度最大,但仍低于槽轮速度,距槽轮中心愈远,速度愈小,直至为零。
带动层外的种子不受外槽轮作用,为相对静止层,该层内的种子仅靠重力作用而自流。
由槽轮强制带出和带动层带出的种子从排种舌上掉入输种管,然后经开沟器落入种沟内。
外槽轮排种器的播量取决于槽轮的有效工作长度和转速。
外槽轮排种器的通用性好,能播麦类、高粱、豆类、玉米、粟类和油菜等各种粒型的光滑种子,特别适合播麦类、高粱等粒型的种子。
它的排种均匀性稍差,槽轮凹槽强制排种,使种子流呈脉动现象,影响了均匀性。
播麦类、高粱等中等粒型的种子能做到强制排种,播量不受地块不平度、作业速度及种箱充满程度的影响而保持稳定。
各行排量一致性较好,可以分别调整槽轮的工作长度使各行排量基本一致。
而且它的结构简单,容易制作,成本低,调节方便,使用可靠。
2)水平圆盘式排种器
水平圆盘式排种器是一种较早使用的播中耕作物的排种器,它以更换排种盘来实现穴播或单粒点播多种中耕作物。
它的主要工作部件是一个水平排种圆盘,圆盘周边有根据种子尺寸、粒型和种子排序制成的型孔。
当圆盘由地轮通过链轮和锥齿轮转动而回转时,种箱内的种子靠自重充入型孔并随型孔转到刮种器处,由刮种舌将型孔上的多余种子刮去。
留在型孔内的种子运动到排种口时,在自重和推种器的作用下,离开型孔落入种沟,完成排种过程。
水平圆盘排种器的特点是结构简单、工作可靠、均匀性好;可换装能播带绒棉籽的棉花排种器,作为棉花条播机使用;还可换装磨盘式排种器以条播中耕作物,扩大播种机的使用范围。
3)气吸式排种器
气吸式排种器是利用真空吸力原理排种的。
当排种圆盘回转时,在真空室负压作用下,种子被吸附于吸孔上,随圆盘一起转动。
种子转到圆盘下方位置时,附有种子的吸孔处于真空室之外吸力消失,种子靠重力或推种器下落到种沟内。
这种排种器通用性好,更换具有不同大小吸孔和不同吸孔数的排种盘,便可适应各种不同尺寸的种子及株距要求。
1.5.2存在的问题
外槽轮式排种器虽然具有结构简单,工作比较可靠,播量调整方便等优点,但这种排种器在排种过程中,排量有脉动现象,排种均匀性差。
此外,它的排种均匀性受机器振动的影响较大。
水平圆盘排种器的排种盘线速度的许用值较低,从而对高速播种的适用性较差。
实验表明,当播种速度超过6~7km/h后,空穴率增加,播种质量明显下降。
在单粒精密播种时,对尺寸要求严格,种子必须按尺寸分级,增加了播种作业工序。
并且这种排种器要按照各种种子的不同尺寸级配备相应的排种盘,增加了备用件制造、选配、使用及保管的复杂性。
气吸式排种器充种室种子群状态不合理影响排种性能,气室密封要求高,结构复杂,且易磨损。
此外,一般气压(或真空度)在300~800mmH2O,对风机及其动力传递结构要求较高。
1.6排种器的新发展
目前,排种器又有了新发展,如电磁振荡式排种器、液力排种器、集排式排种器等。
其中一阶或多阶集排式排种器已在欧洲国家广泛使用,取得了较好的作业效果。
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,是指一个排种部件、一个种子箱或一个统一的输种系统同时进行3行或3行以上的多行播种的装置,有的多阶集排式播种机已达到一器60余行的播种能力。
它是对一器一行排种器的革新和发展,是播种机高速高效的需要,也是排种器结构原理多样化发展的结果。
根据结构原理和应用范围,集中排种系统可分为机械式、气流式、气压气送式等集排。
1.7本机设改进计的内容
1)对排种器试验台进行改进与设计;
2)增加机构,进行田间地面仿真;
2.穴播器排种试验台的结构与组成
2.1排种试验台的工作原理
在田间测试播种机排种性能时,排种器随拖拉机向前进方向移动。
该试验台模拟田间播种时的情况,排种器悬挂在箱体,随箱体在固定轨道上行走。
2.2.主要工作部件
由箱体,电机,减速器,链轮,链条,行走轮,吸尘器等组成。
2.2.1动力部分
实验台有一台电机,一台吸尘器。
2.2.2传动部分
传动部件:
电机,减速器,链轮,链条,行走轮轴,行走轮。
传动路线:
电机——减速器——链传动——行走轮——箱体——排种器
3.行走式排种器试验台主要工作部件的设计
3.1行走轨道的确定
考虑到本排种器试验台采用人工测得粒距,试验标准上必须1次连续测得超过120个粒距样本的要求,一段很短的种床带就可以满足。
然而,有时希望还能从种床带上直观地观察一小段排种实况,而种床带刹车后还会运行一段距离。
基于以上两个方面,把种床带有效长度定为11.4m(120x9.5)较合适。
轨道参数:
名称
长度(m)
宽度(cm)
箱体轨道间隙(cm)
排种器轨道间隙(cm)
箱体轨道与排种器轨道间距(cm)
轨道
12
4
37
5
17
3.2箱体速度的确定
当前,国内外的中耕作物精播机作业速度一都在5-8km/h左右,部分先进的气力式播种机可达l0-l2km/h。
一般说来,速度超过l0km/h,播种质量就有明显下降的趋势,且试验标准要求,播种机试验前进速度为0.83—3m/s(3—l0.8km/h)。
排种器试验台的设计,除了满足现有播种机的实际速度要求之外,还应提高其测试范围,从而种床带前进速度确定为1.5—14km/h。
我国新疆建设兵团棉花播种速度不超过5km/h(1.39m/s)。
现在一般为3.5km/h。
箱体参数:
名称
最大行走速度(km/h)
箱体长度(mm)
箱体高度(mm)
箱体宽度(mm)
箱体
5
1120
750
460
3.3排种盘转速的调整范围
从现有国内外先进的中耕作物精播机的作业速度来看,其前进速度在12km/h时,则对应的排种盘转速一般在20~200r/min之间。
所以,本试验台排种盘转速调试范围为15~150r/min。
3.4计算电机额定转矩
(1)运动中箱体所需的驱动扭力
为
148.2975N
式中G箱体总重量100KG
钢与钢之间的摩擦系数f=0.15。
(2)链轮所需的驱动转矩为
9.49
式中R为链轮半径R=0.064m
(3)电机的额定转矩为
9.49/5=1.898
式中i—电机与链轮传动比,i=5
3.5计算电机额定功率
(1)链轮在箱体最大前进速度下的转数为
式中Vm箱体最大前进速度,Vm=5km/h,R为行走轮半径R=0.05m
(2)在箱体最大前进速度下驱动电机的转数
r/min
由于采用专用变频电机,电机频率范围内大部
分处于恒功率工作状态,则电机额定功率
为
=1.898
1325/9550=0.2633kw
3.6电机选用
3.6.1用常规方法选用变频电机的缺陷
常规选用电机的方法是,先按负载性质及环境条件选择电动机的类型,然后按负载转矩及转速初选电机功率、转矩,最后校验电动机最小起动转矩、允许的最大飞轮力矩及过载转矩、电动机的发热等。
如起重机起升电机,其电机静功率
式中
为了满足电动机起动时间和不过热的要求,电机实际功率P≥KN(K为重复短时工作制系数,JC=25,K=0.8~0.9;JC=40,K=0.9~1.0;
JC=60,K=1.1~1.2)。
通过计算能得出变频电机的功率,但不能准确选出最适合生产机械电机极数、负载容量的变频电机,显然这种方法对选择变频电机有缺陷。
3.6.2正确选用变频电机的方法
根据负载容量曲线选择电机容量,是一种高效、切实可行的方法。
利用负载容量曲线选择电机容量时,特别要注意在低频率段,连续负载容量曲线减弱是电机的冷却容量减少的结果。
在弱磁点范围内f>50Hz),变频器的输出电压不能增加是负载容量减少的因素。
适当选择电机额定转速,使电机在整个运行速度范围内,连续负载容量尽可能高。
这样可使机械设备稳定可靠地工作,避免出现不稳定因素。
如某机械设备需恒转矩,要求速度范围:
510-1750r/min。
可选电机:
4极电机,额定转速1500r/min;2极电机,额定转速3000r/min;6极电机,额定转速1000r/min。
在负载容量曲线上画出3台不同额定转速的电机工作区,设备要求速度范围是510-1750r/min。
由图1可知按连续负载容量尽可能高的原则,曲线1比较合适,即选4极电机,转速1500r/min。
从上述的实例可看出,如不选4极电机而错误地选择2极或6极电动机,显然设备不在最佳的工作状态中。
所以先从负载容量曲线计算选电机,然后考虑电机额定功率必须大于所驱动机械要求的连续功率。
这样选出的变频电机符合设备工况要求。
3.6.3用负载容量曲线选变频电机
某机械设备要求:
电机工作负载为恒定转矩25N·m,起动转矩32N·m(在开始约is时间内),供电电压Ue=380V,需最小速度Nmin=600r/min,最大速度Nmax=1500r/min。
变频电机选择步骤
(1)选择电机
由电机负载容量曲线(图2),根据连续负载尽可能高的原则,选4极电机,频率f=50Hz,同步速度n=1500r/min。
(2)计算电机功率容量等级
与连续负载转矩(25N·m)所对应的功率为P=nM/9550=1500x25/9550=3.9kW。
电机起动峰值过载容量为125%。
由图2连续负载容量曲线知,连续负载容量在600r/min时为89%,在1500r/min时为96%(曲线1)。
1——电机的连续负载曲线
2——电机的短时过载和峰值过载连续负载曲线
3——电机的短时过载和峰值过载连续负载曲线
4——电机短时过载和峰值过载连续负载曲线
(3)核算在临界点上所需电机转矩起动临界点:
峰值过载容量极限125%,所需电机额定转矩=32/1.25=25.6N·m;最小速度nmi。
二600r/min,频率f=20Hz时临界点:
25/0.89=28N·m。
最大速度n_二1500r/min,频率f=50Hz时临界点:
25/0.96=26N·m。
根据最大转矩选型,则电机功率P二1500x28
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