多轨单排复位式巨菌草排种器的设计

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． 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。

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，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，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。

根据连续排种的需求，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。
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


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。

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;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



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。


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。



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。

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。

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

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（略）