窩孔式玉米排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真*

劉榮輝 ，賈雙林

（1.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院機(jī)械與土木工程學(xué)院，吉林 吉林 132101；2.北華大學(xué)教務(wù)處，吉林 吉林 132021）

0 引言

山區(qū)、耕作面積小的田地環(huán)境不適合機(jī)械化耕作，人力驅(qū)動的滾動內(nèi)窩孔式排種器因具有適應(yīng)性強(qiáng)、操作方便、結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)村個(gè)體家庭[1-3]。隨著育種技術(shù)的發(fā)展，玉米單粒播種可以節(jié)約種子成本、減少田間用工成本，所以提高排種器的播種精度成為近年來部分學(xué)者研究的重點(diǎn)[4-5]。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的周勇設(shè)計(jì)了內(nèi)充種組合型孔式播量可調(diào)棉花精量排種器，解決了內(nèi)窩孔口堵塞和播量不可調(diào)的問題；西南大學(xué)的蔣光兵研究了鴨嘴式玉米點(diǎn)播裝置，避免了播種過程中土壤擾動對播種準(zhǔn)確性的影響；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的王金武針對坡地環(huán)境下排種差、性能不穩(wěn)定的情況，設(shè)計(jì)了間歇同步補(bǔ)種裝置，提高了坡地環(huán)境下的播種精度。

本文以內(nèi)窩孔式排種器為研究對象，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一款能夠同步補(bǔ)種的新型排種器，并對其工作過程進(jìn)行了仿真分析，以期提高該排種器的播種精度。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

內(nèi)窩孔式排種器主要由種箱、排種補(bǔ)種裝置、導(dǎo)種板、鴨嘴開合器、殼體、端蓋等幾部分組成，如圖1 所示。其中，排種補(bǔ)種裝置為核心部件，由窩孔盤、補(bǔ)種盤、棘輪、毛刷、缺種檢測臂、支撐架、軸等零件組成[6-9]，如圖2 所示。

圖1 排種器總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 排種補(bǔ)種裝置

1.2 工作原理

種子由種箱進(jìn)入充種室，在重力作用下，處于可填充位置的種子進(jìn)入窩孔盤和補(bǔ)種盤的型孔內(nèi)，完成充種過程；當(dāng)帶有多余玉米種子的充種型孔運(yùn)動到清種區(qū)時(shí)，清種毛刷將窩孔邊緣多余的種子清出，完成清種過程；當(dāng)含有種子的型孔轉(zhuǎn)到排種區(qū)時(shí)，種子在重力和導(dǎo)種板的雙重作用下進(jìn)入排種器殼體外側(cè)的鴨嘴中，最終通過鴨嘴的開合完成排種過程[10]。

當(dāng)窩孔盤型孔中有種子時(shí)，缺種檢測臂被型孔中的種子抬起，迫使棘輪無法轉(zhuǎn)動，從而使補(bǔ)種盤不轉(zhuǎn)動，窩孔內(nèi)的種子不能排出；當(dāng)窩孔盤型孔內(nèi)出現(xiàn)漏種情況時(shí)，缺種檢測臂無法被種子抬起，棘爪保持原位，棘輪帶動補(bǔ)種盤旋轉(zhuǎn)一定角度，完成補(bǔ)種作業(yè)。

2 種子分類與仿真模型建立

為了驗(yàn)證該排種器的工作性能，以離散元理論為基礎(chǔ)，采用仿真軟件對其工作過程進(jìn)行模擬，分析影響排種器工作性能的指標(biāo)，為排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)[11-12]。

通過觀察伊單56 玉米種子的外觀形狀，將其劃分成長扁形、球錐形、類球形、不規(guī)則形四個(gè)類型，如圖3所示。

圖3 伊單56 玉米種子幾何形狀分類

長扁形玉米種子前后兩個(gè)面較為平整，頂部較尖，底部較寬，整體形狀偏長、偏扁；球錐形玉米種子底部圓潤，呈現(xiàn)半球形，側(cè)面呈現(xiàn)出比較明顯的四棱錐形；類球形玉米種子長、寬、高三軸尺寸相差不大，整體接近于球形；不規(guī)則形玉米種子的形狀沒有明顯特征，形狀特征也無規(guī)律性。

按照以上分類方法，選取3 000 粒伊單56 玉米種子，按不同形狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到各類型種子在總數(shù)中的占比，如表1所示。

表1 不同形狀玉米種子占比

通過測量統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)可以看出，玉米種子中球錐形、長扁形所占比例較多，分別為40.07%和42%，這兩種類型的玉米種子占了總體的82.07%，而其余兩種所占比例較少。

種子分類后，隨機(jī)挑選出各種形狀種子各100粒，分別測量其三維尺寸平均值，具體如表2所示。

表2 不同形狀玉米種子尺寸分布平均值

以表2 數(shù)據(jù)為依據(jù)，在EDEM 中建立長扁形、球錐形、類球形三種類型玉米種子的仿真模型，如圖4所示。在仿真過程中按照表1 各種形狀玉米種子的占比生成種子仿真模型[13]。

圖4 各種類型玉米種子仿真模型

3 工作過程仿真及分析

為了驗(yàn)證排種器播種精度，采用EDEM 軟件對排種器工作過程進(jìn)行仿真分析。首先對排種器模型進(jìn)行簡化處理，然后進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置，再對充種、清種、護(hù)種、排種過程進(jìn)行觀察，統(tǒng)計(jì)工作過程中的重播和漏播情況，并進(jìn)行分析[14-16]。

3.1 充種階段

以表1中不同形狀種子所占比例為依據(jù)生成1 000粒種子，并從種箱底部進(jìn)入充種區(qū)域，隨著窩孔盤和補(bǔ)種盤的轉(zhuǎn)動，種子逐一進(jìn)入各輪型孔中，完成充種過程，如圖5所示。

圖5 充種階段圖

3.2 清種階段

清種過程是窩孔盤轉(zhuǎn)到清種區(qū)內(nèi)，型孔內(nèi)多余的種子在清種毛刷的作用下被清除的過程，如圖6 所示。清種過程直接關(guān)系到排種器的重播指數(shù)和漏播指數(shù)，重播狀態(tài)和漏播狀態(tài)分別如圖7、圖8 所示，清種不徹底將造成重播，過度清種將造成漏播[17-18]。

圖6 清種階段圖

圖7 重播狀態(tài)圖

圖8 漏播狀態(tài)圖

3.3 排種階段

型孔內(nèi)未被清除的種子，隨著窩孔輪的轉(zhuǎn)動，運(yùn)動到排種區(qū)域，在重力的作用下，完成排種過程[19-20]，如圖9 所示。若出現(xiàn)漏播狀態(tài)，則補(bǔ)種輪完成補(bǔ)種過程，如圖10所示。

圖9 排種階段圖

圖10 補(bǔ)種階段圖

3.4 性能指標(biāo)分析

以窩孔盤轉(zhuǎn)速作為影響排種性能的指標(biāo)因素，分析播種盤轉(zhuǎn)速對排種器性能的影響，統(tǒng)計(jì)三種轉(zhuǎn)速下的實(shí)際播種量、重播量、漏播量[21-23]，得到的結(jié)果如表3所示。

表3 排種信息統(tǒng)計(jì)表

將根據(jù)各參數(shù)計(jì)算公式計(jì)算出的各指標(biāo)隨不同轉(zhuǎn)速變化的值填入表格，結(jié)果如表4所示。

表4 排種盤轉(zhuǎn)速對排種性能的影響

從表3 和表4 中可以看出，轉(zhuǎn)速過低或過高都不利于合格指數(shù)的上升，原因是低速時(shí)的充種過程效果較好，造成重播指數(shù)上升；高速時(shí)的排種盤轉(zhuǎn)速高，種子的離心力大，造成種子運(yùn)動的不確定性增加，重播指數(shù)上升，排種性能急劇惡化。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為60 r/min 時(shí)，重播指數(shù)和漏播指數(shù)都比較低，合格指數(shù)較高[24-25]。

4 結(jié)論

1）課題組設(shè)計(jì)了一款可進(jìn)行漏播檢測并能及時(shí)補(bǔ)種的新型窩孔式玉米排種器，介紹了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理。

2）為了提高仿真準(zhǔn)確性，以伊單56 玉米種子為研究對象，對種子外形進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，分別對各類型種子進(jìn)行尺寸測量，并依據(jù)三軸尺寸平均值建立仿真模型。

3）對排種器三維模型進(jìn)行簡化后，采用EDEM軟件對其工作過程進(jìn)行了仿真分析，得到排種盤轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，排種精度最高的結(jié)果。