錐向離心式排種器的設計與數值模擬及試驗

黃英超，李沐桐

(1.海南經貿職業技術學院，海口 571127；2.廣東省現代農業裝備研究所，廣州 510635)

0 引言

目前，國內外播種機主要分為氣力式和機械式，以指夾式精量排種器為代表的機械排種器[1-2]要通過夾持充種、振動清種及柔性導種等方式完成播種作業。由于播種玉米類型的多樣性，種粒尺寸間具有一定差異，使得指夾式排種器在高速作業時的充種能力下降、種粒破碎率高、振動劇烈，造成作業效率和質量偏低及適應范圍有限等問題,導致指夾式排種器逐減淡出主導市場。以高速、精量為特點的氣吸式排種為當今主流作業方式，其充種方式主要由配裝的風機轉動產生負壓氣流，使籽粒運動到負壓域時被吸入種盤型孔。然而，在寬幅作業過程中充種所需的總負壓力需求增大會引起風機系統的轉速增加，導致震動加劇并使能耗大幅度升高；同時，氣吸式排種器在排播過程中籽粒落種瞬時速度穩定性較差[3]，引起粒距合格率較低。為此，以低能耗、高效率、高精度為目標，設計了一種錐盤離心式精量排種器，旨在以離心動力方式給予籽粒初始動能，通過內部種道結構作用力使籽粒在運動中有序排列，從而將籽粒按規律排播。

錐盤離心動力充種方式的提出，替代了傳統氣力式所需的獨立風機系統。本文中，運用EAlink模塊將離散元軟件EDEM與多體動力學分析軟件Adams進行耦合仿真排種性能虛擬試驗，分析了籽粒產生漏播、重播現象的主要原因，并研究了粒運動規律及其排種性能變化規律，可為進一步的優化設計提供理論基礎和參考依據。

1 排種器組成及工作原理

錐盤離心式排種器主要由固定充種管、離心錐盤、排種盤、導種輪、U型豁口式固定板和端蓋等部件組成，如圖1、圖2所示。

工作原理：作業時，外輸入動力通過主動雙鏈輪驅動離心錐盤相對于排種盤轉動，籽粒從固定充種管進入到離心錐盤與排種盤之間的腔室內，在離心錐盤上的錐形充種槽離心力和旋轉力作用下使種子運動；在環形護種片和擋種塊配合下，種子依次充入到坡狀弧形引種槽孔內，并排落在導種輪上；與此同時，主動雙鏈輪的旋轉運動通過鏈條驅動從動鏈輪轉動，經驅動軸帶動導種輪回轉，完成排種作業。其中，清堵片可將卡牢在錐形充種槽內的種子清出，避免漏播。

2 玉米籽粒離散模型建立

以我國東北地區種植的玉米籽粒為研究對象，選取5種不同品種玉米籽粒進行分類試驗研究，根據目前玉米種植調研情況，按形狀通過人工分級清選出有明顯差異的玉米籽粒，如圖3所示。統計數據平均值如表1所示。

1.固定充種管 2.主動雙鏈輪 3.鏈條 4.從動鏈輪 5.支撐軸 6.端蓋 7.排種盤 8.離心錐盤 9.U型豁口式固定板 10.導種輪

1.固定充種管 2.主動雙鏈輪 3.離心錐盤 4.擋種塊 5.排種盤 6.U型豁口式固定板 7.端蓋 8.導種輪 9.從動鏈輪 10.環形護種片 11.清堵片 12.坡狀弧形引種槽孔 13.錐形充種槽圖2 離心錐盤式排種器裝配爆炸圖Fig.2 Assembly explosion diagram of centrifugal cone type seed metering devic

圖3 不同種類玉米籽粒樣本圖Fig.3 Grain sample map of different kinds of corn

續表1

以5種有顯著特點品種的玉米籽粒的外形尺寸為依據，按其長、寬、厚的尺寸均值進行EDEM顆粒模型填充，如圖4所示。在虛擬仿真環境中，設定籽粒的泊松比為0.386，剪切模量為1.96×108Pa，密度為1.23kg/m3。

圖4 籽粒三維模型建立Fig.4 The establishment of three dimensional model of grain

3 虛擬試驗模型的設定

3.1 關鍵部件模型設計及主要參數設定

整體部件運用三維制圖軟件SolidWorks對排種器進行設計建模，將模型導入EDEM軟件中，如圖5所示。根據文獻參考設置離心錐盤和排種盤材料為鋁合金，泊松比為0.42，切剪模量為1.7×1010Pa，密度為7 800kg/m3；清堵片材料為橡膠，泊松比為0.47，剪切模量為2.7×106Pa，密度為960kg/m3。

虛擬試驗的接觸模型設定為Hertz-Mindlin無滑動類型，顆粒總量為1 500個，時間步長設定為30%，包含充種時間在內，總時間初步設定為10s。

圖5 仿真狀態及顆粒流線圖

3.2 排種虛擬仿真分析

根據上述分析及田間作業實際情況，排種器工作轉速分別選取為45、50、55、60 、65、70、75r/min，對每種尺寸等級的籽粒進行7組仿真虛擬試驗(共35組)。

通過虛擬仿真試驗可以發現：排種器作業效果主要表現為單播、重播及漏播3種狀態。為便于觀察，設置排種盤和離心錐盤的可視形式為透視類型，如圖6所示。其中，圖6(a)為單播狀態，充種槽內的單顆籽粒有序正常的推送進入出種口，并順利進入導中帶。圖6(b)為重播狀態，充種槽末端內的多顆籽粒單次同時進入出種口。在多組虛擬試驗中，小球形籽粒重播現象較嚴重，主要是由于籽粒尺寸較小，當充種槽末端運動到出種口附近時，過小的籽粒可同時堆積在充種槽末端并排出，加之環形滑槽與清堵片位置對小球形籽粒適應性差所致。圖6(c)為漏播狀態，充種槽內的籽粒未被推送惡進入出種口。在多組虛擬試驗中，馬齒形籽粒出現漏播現象嚴重，主要原因是籽粒尺寸較大，在高速離心狀態下籽粒間摩擦力劇烈，易在充種槽內相互擠壓導致無法被清堵片及時疏通至堵塞。

圖6 充種過程中籽粒的3種狀態

3.3 仿真結果與數據分析

根據仿真觀測記錄，在相等工作轉速下，籽粒到達末端的出種口時的3種姿態出現的概率為：平躺21%，側臥66%，橫立13%。可見，側臥姿態出現的概率明顯高于其他兩種，符合上述分析與推測。

根據GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，選取合格指數S、重播指數D和漏播指數M為虛擬試驗指標，其計算公式為

式中N—理論排種數；

n0—空漏排種數；

n1—單粒排種數；

n2—重復排種數。

由仿真試驗可知：工作轉速在45～75r/min范圍內，錐盤離心排種器對大圓粒形玉米籽粒排種性能最優，其合格率大于92.4%；就小圓粒籽粒而言，其排種性能次之；對于馬齒形和小球形籽粒來說，排種性能相對較差，但合格率高于82%。當工作轉速大于65r/min時，排種器對馬齒形籽粒漏播率達到8.8%以上，已不能滿足精密播種要求。

采用ORIGIN軟件對仿真數據進行整理，如圖7所示。當工作轉速逐漸增加后，整體排播性能皆呈下降趨勢。由圖7(a)可知：排種合格率隨工作轉速增加而降低，此時排種器對大圓粒形尺寸籽粒合格率最高，對小球形和馬齒形籽粒合格率最低；當工作轉速降低后，排種器對大圓粒籽粒有較好適應性，對小球形和馬齒形籽粒次之。由圖7(b)可知：排種器重播率隨工作轉速增加變化不大，此時對小球形尺寸籽粒重播率最高，對楔形尺寸籽粒重播率次之，其余尺寸籽粒重播率相近。由圖7(c)可知：排種器漏播率隨工作轉速增加而增加，對馬齒形尺寸籽粒漏播率最高，其余尺寸籽粒漏播率相近；工作轉速為60r/min時，對馬齒形尺寸籽粒漏播率為7.3%；工作轉速大于60r/min時，排種器對馬齒形尺寸籽粒漏播率增長顯著升高。

圖7 仿真試驗排播性能曲線Fig.7 Changing trend of metering performance in simulation test

4 排種性能試驗

為驗證仿真分析結果，在黑龍江省農業機械工程科學研究院排種器實驗室進行臺架試驗。以在黑龍江省農科院玉米所采集的馬齒形、大圓粒、小圓粒、楔形和小球形5種玉米籽粒作為試驗品種，試驗設備采

用JPS-12排種器性能檢測試驗臺。當籽粒掉落至刷有油層的種床帶上后，借助圖像采集處理裝置進行實時檢測，進而測定排種性能及其試驗指標，如圖8所示。

1.試驗臺架 2.種床帶 3.傳動系統 4.排種器 5.圖像采集裝置

在試驗過程中，分別以45、50、55、60、65、70、75r/min轉速進行工作，對5種類型玉米籽粒進行3次重復試驗，其結果數據取平均值作為最終結果，如表2所示。由表2可知，排種性能隨玉米籽粒尺寸及工作轉速變化規律基本一致。在相同工況(45～75r/min)下，臺架與仿真的試驗結果進行對比，合格率最大誤差為5.8%。其產生原因不能排除仿真試驗的局限性(例如，同類型玉米籽粒模型尺寸全部相同；仿真過程中無法實現籽粒破碎的計算，造成對結果的干擾)；另一方面，在臺架試驗過程中，經過分級清選的同種玉米籽粒仍存在差異性，且排種器在工作中的機具震動不可避免，但誤差均在可接受范圍內。總體而言，臺架試驗結果與仿真結果基本相同。

表2 排種性能試驗結果

“作業速度”表示種床帶反向運動速度，即為播種機具前進速度。

5 結論與討論

1) 設計了離心錐盤式排種器，研究了充種與排種過程中籽粒的運動與受力情況，分析可得：隨著工作轉速的增加，籽粒所受壓力呈先增大、再減小、后增加的趨勢。

2)通過虛擬試驗，研究了不同尺寸等級籽粒產生重播、漏播問題的主要原因，并得到籽粒到達末端的出種口時的3種姿態出現的概率為：平躺21%、側臥66%、橫立13%。虛擬試驗表明：在選定工作轉速范圍內，錐盤離心式排種器對大圓粒形玉米籽粒排種性能最佳，對小圓粒和楔形籽粒排種性能次之，對馬齒形和小球形籽粒排種性能較差，排種器對各尺寸等級籽粒的排種性能隨著工作轉速的增加皆呈下降趨勢。在相同工況下進行臺架驗證試驗，結果與仿真基本相同。

3)離心錐盤式排種器臺架試驗可知：以作業速度8.5km/h、工作轉速60r/min工況下的試驗結果與文獻[15]中常規指夾式排種器性能對比，其作業速度提高了2.5km/h，排種合格率提高了5.5%。通過試驗臺攝像處理裝置測得籽粒破損率為0.4%，優于JB /T 10293—2001《單粒( 精密) 播種機技術條件》中指標，滿足精密播種要求。

4)所設計的離心錐盤式排種器對大圓粒與小圓粒有良好的適應性，滿足農藝要求，在作業效率和排種質量上有一定提升。與當今氣吸式排種器相對比，具有結構簡單、工作穩定、操作輕便的特點；但在小球形和馬齒形籽粒的適應性上仍需對關鍵部件進行獨立改進設計。