玉米钵育播种机排种器优化设计平台的研究

浦兰娟，张　伟，刘　岩

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319)



玉米钵育播种机排种器优化设计平台的研究

浦兰娟，张伟，刘岩

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319)

摘要：采用精密播种机对农田作物进行播种，是提高播种质量和节约用种的主要方式之一。玉米钵盘育秧可以避免环境因素带来的影响，但是玉米钵育播种机排种器结构复杂，设计加工难度大。针对这一问题，采用VB程序语言开发了一种玉米钵育播种机排种器优化设计平台。该平台通过对不同播种方式工作过程运动学和动力学的分析，优化出其结构和性能参数，为玉米钵育播种机排钟器的研究提供了一种方便、可靠的研究平台。

关键词：玉米钵育；排种器；优化设计

0引言

作为农业大国，我国粮食年总产量已达到6×108万t，其中玉米年产量占世界第二位，是不可或缺的粮食作物。东北地区是我国玉米的主要产区之一，但东北地区气候条件差，容易遭遇低温冷害，严重影响玉米的生长，造成减产[1]。针对这一问题，可以采用玉米钵盘育秧移栽方式来解决，提前在温室大棚里用钵盘培育玉米秧苗，避开低温冷害，再将秧苗移栽到大田里，有利于玉米稳产高产。目前，较成熟的育秧移栽作物有水稻和蔬菜等，而玉米钵盘育秧播种还停留在人工和半机械化程度。玉米钵育播种机主要在大棚内使用，需要搬运和转移，所以应具备体积小、质量轻，并且能够满足钵育播种农艺要求等特点。排种器是播种机的关键部件，因此玉米钵育播种机排种器的研究尤为重要。

农业机械的研究早期普遍使用传统的设计方法，先对机械进行理论推导与分析，然后通过得到的结构设计参数，进行样机的制作及试验。如果样机的试验结果不能满足相应的农艺要求，则需要重新进行理论推导与分析、样机的试制及试验，直到样机的试验结果能够满足农艺要求，证明该设计是合理的。传统的设计方法过程繁琐，设计的机械只适用于部分特定的地域及环境，通用性不强[2-3]。

随着计算机程序和软件应用的快速发展，农业机械的传统设计方法渐渐被现代设计方法所取代，越来越多的研究者们使用计算机辅助分析及设计软件来对农业机械进行研究设计[4]。吉林大学于建群、付宏团队通过对Cundall提出的离散元法进行详细的分析，开发了离散元法分析软件、计算流体力学及CFD与CAD集成方法等关键技术，构建了集设计与性能分析于一体的设计平台，实现了通过修改CAD模型来快速对玉米精密排种器进行结构设计、虚拟仿真和性能分析，方便了参数优化[5-7]。赵匀等人利用农机计算机辅助分析(machinery computer aided analyzing，CAA)，对农业机械领域的多种机构进行了研究，提出了使用VB程序语言建立农业机械优化设计软件的方法，简化了机构的研究设计过程。试验结果表明：该方法切实可行，且使用该软件设计出来的农业机械能够满足实际作业农艺要求[8-9]。

计算机辅助设计与分析，是目前农业机械领域设计与研究普遍使用的手段及方法，具有计算准确、快速，能够替代研究者完成一部分工作等优点。目前，使用较多的农机软件有CAD、Visual Basic、Visual C++、ANSYS及ADAMS等。其中，Visual Basic软件不但可以进行二次开发，而且具有较强的可视性及人机交互性，是理想的平台开发软件[10]。因此，本文选择使用Visual Basic软件来进行玉米钵育播种机排种器优化设计平台的开发，通过人机交互的形式来实现玉米钵育播种机排种器的快速设计及优化，使排种器不必因为播种区域、播种条件等因素的改变而重新进行设计，具有一定的通用性。

1平台应用范围和主要功能

该玉米钵育播种机排种器优化设计平台主要应用于玉米钵育播种，玉米种子品种、秧盘规格、播种区域等的改变，同样可以通过平台来设计并优化出排种器的结构及性能参数，可以为研究设计及优化玉米钵育播种机排种器的工作人员提供设计参考。

根据排种器结构及性能特点，确定平台主要具有以下功能：

1)能够进行排种器类型的选择。排种器有很多种类型，平台对排种器进行了分类，并且分别进行了设计，供使用者选择。

2)能够进行排种器设计的分析。平台可以根据输入的相关玉米种子及钵盘参数，计算出相应的排种器结构设计参数；通过排种器结构设计参数，可以得到相关运动轨迹变化规律曲线及种子受力变化曲线图，能够输出并保存相关的运动曲线及受力变化曲线图。

3)能够进行排种器设计的优化。根据输入的排种器设计的相关参数，通过人机交互，可以得出最优的设计参数，使机构的动力学性能良好，能够满足排种器的工作要求。

2平台的基本设计原理

2.1排种器类型选择

玉米精密排种器，常用的有机械和气力两种形式[11]：机械式主要包括圆盘式、勺轮式、窝眼轮式和指夹式等；气力式包括气吸式及气吹式和气压式。

机械式排种器制造成本低、结构简单[12-13]。工作时，主要依靠种子自身重力进行排种，通过改变排种器上型孔的形状及尺寸，可以用来播种不同品种的玉米种子；根据玉米育秧钵盘的尺寸来设计型孔的排布形式，可以使种子正好落入钵盘内。气力式排种器工作效率高，适于高速作业[14]。工作时，通过风机产生不同形式的力，可以使一定数量的玉米种子进入排种器，从而完成充种、投种等工作[15]。

机械式和气力式排种器各有优势，而且均能够满足玉米钵育播种机排种器每穴1粒种子的农艺要求，能将玉米种子排入相应的钵盘内，所以玉米钵育播种机排种器优化设计平台的设计选择分别对机械式及气力式排种器进行设计及优化。

2.2平台设计原理

平台设计时，要根据排种器的结构及性能来确定平台设计的具体内容。

玉米钵育播种机排种器一般包括排种器、清种刷、护种板及导种板等，种子在排种器内经过充种、清种、护种及投种过程后，落入到相对应的钵盘内，并且每个穴内播种1粒玉米种子。通过对排种器结构组成及工作原理的分析，可以确定排种器的结构设计参数主要有排种器型孔的形状、尺寸等，影响因素有玉米种子尺寸及钵盘尺寸。

排种器分为充种、清种、护种、投种4个区域，种子在每个区域内的运动情况不同。玉米种子从种箱内进入到充种区域并从充种区域离开的运动轨迹，是种子的充种轨迹；玉米种子从进入到离开清种区的运动轨迹，是种子的清种轨迹；玉米种子从进入到离开护种区的运动轨迹，是种子的护种轨迹；玉米种子离开投种板下落到钵盘的轨迹，是种子的投种轨迹。对这4个区域内的玉米种子进行运动学分析，可以得到玉米种子的运动轨迹，以此来分析排种器的结构设计参数是否合理。

玉米种子在排种器内随着排种器运动的过程中，每个阶段的受力情况均不相同。

1)充种阶段。种子从种箱进入排种器型孔内，理想状态是每个型孔内有1粒玉米种子。此时种子受到自身重力及排种器对种子的作用力，通过分析可以得到种子此时的受力公式。

2)清种阶段。清种刷会清除掉排种器型孔内多余的种子，使型孔内只留有1粒玉米种子。此时，种子受到清种刷的清扫力、种子间的相互作用力、种子自身重力以及运动产生的摩擦力。清种刷的安装位置不同，清扫力不同，所以清种刷的角度可以作为排种器设计的优化参数，优化目标是经过清种刷作用后型孔内只有1粒玉米种子。

3)护种阶段。护种板能保证玉米种子在达到投种合适位置之前不离开排种器，玉米种子受到自身重力、护种板给的作用力以及摩擦力。护种板的安装位置直接决定了导种板的位置，所以护种板的起始安装角度和终止安装角度是排种器设计的优化参数，优化目标是使导种板的安装位置与下方钵盘相对应。

4)投种阶段。种子受到自身重力、排种器的支持力及摩擦力的作用，经导种板完成排种工作。导种板的安装位置直接决定了种子的下落起始位置，所以导种板的设计位置是排种器设计的优化参数，优化目标是玉米种子正好落入下方对应的钵盘内。

对排种器结构进行运动学及动力学分析，建立数学模型，将数学模型转换为计算机程序语言，编写到Visual Basic软件中。根据输入的玉米种子及钵盘参数，平台需要能够快速计算出排种器的结构设计参数，可以进行运动学分析及动力学优化，能够绘制出种子运动轨迹及受力变化曲线图，并且具有对数据、图形进行保存的功能。

3平台设计

以窝眼轮式玉米钵育播种机排种器为例，对窝眼轮式玉米钵育播种机排种器进行结构组成、工作原理、运动学及动力学分析，通过分析确定平台的主要设计内容。

3.1结构组成及工作原理

窝眼轮式排种器主要由种箱、刮种刷、清种滚刷、导种板及窝眼轮等组成，如图1所示。

1.种箱　2.刮种刷　3.清种滚刷　4.护种板

窝眼轮式排种器分为充种、清种、护种和投种4个区域，如图2所示。

排种器工作时，种箱内的种子因重力作用落入窝眼轮型孔内，随着窝眼轮以一定的转速旋转；旋转到刮种刷及清种滚刷位置时，刮种刷及清种滚刷清理掉多余种子，只留1粒玉米种子在型孔内；经过护种板护种后，玉米种子在导种口失去护种板作用而靠重力落入下方的钵盘内。

根据玉米种子与窝眼型孔相互位置关系的分析，得到窝眼型孔直径d与深度h的表达式为

amax

(1)

cmax

(2)

d=amax+Δ

(3)

其中，a为玉米种子长度(mm)，b为玉米种子宽度(mm)，c为玉米种子厚度(mm)，Δ为玉米种子与窝眼型孔间隙(mm)。

为了保证充种时间和空间，窝眼轮圆周方向上应至少均布20个窝眼型孔，根据窝眼型孔个数的设计，得到窝眼轮直径D为

(4)

其中，N为窝眼型孔个数；k为相邻窝眼间距离(mm)；d为窝眼型孔直径(mm)，且k>d。

通过对窝眼轮式玉米钵育播种机排种器进行结构组成及工作原理的分析后，可以确定优化设计平台中窝眼轮型孔尺寸、个数及窝眼轮直径等为排种器的结构设计参数，而玉米种子的品种、尺寸等是排种器结构设计参数的影响因素。

3.2运动学及动力学分析

窝眼轮式玉米钵育播种机排种器分为充种、清种、护种和投种4个工作过程，每个工作过程中种子的运动及受力情况均不相同。

3.2.1充种过程

在排种器工作的初始阶段，种子在种箱内成堆积状态。排种器工作后，种箱底层与窝眼轮相接触的种子会随着窝眼轮的转动而产生运动，依靠自身重力进入窝眼型孔内。分析此时种子的运动情况，可得到种子在充种阶段的运动轨迹为

(5)

其中，g为重力加速度(m/s2)；t为种子进入窝眼型孔时间(s)。

此时，充种过程中种箱内的种子靠自身重力以及种子群体之间的相互作用力下从窝眼滚筒外侧充入窝眼内，玉米种子主要受到自身重力以及窝眼轮对种子的作用力，如图3所示。

图3　种子充种时受力图

种子受到的合力F为

F=G+f

(6)

其中，G为种子重力(N)；f为窝眼轮对种子的作用力(N)。

3.2.2清种过程

窝眼滚筒继续转动至清种区，可得到清种阶段种子的运动轨迹为

(7)

其中，v0为运动初始速度(m/s)；R为窝眼轮中心到窝眼内种子质心的距离(mm)；θ为清种阶段种子开始运动时刻与x轴的夹角(°)；ω为窝眼轮角速度(rad/s)；t为运动时间(s)。

此时，刮种刷和扫种滚刷将多余的种子扫出窝眼型孔，使窝眼型孔内只剩余1粒种子。种子受到刮种刷的清扫力、种子间的相互作用力、种子自身重力，以及运动产生的摩擦力，如图4所示。

图4　清种种子受力图

当这些力处于平衡状态时，方程式为

(8)

其中，F为刮种刷对种子的作用力(N)；N为种子间的相互作用力(N)；f为种子运动产生的摩擦力(N)；G为种子自身重力(N)。

3.2.3护种过程

窝眼型孔中的种子经过清种区后，随着窝眼轮的转动进入到护种区，此阶段玉米种子的运动轨迹为

(9)

其中，v0为运动初始速度(m/s)；R为窝眼轮中心到窝眼内种子质心的距离(mm)；θ为护种阶段种子开始运动时刻与x轴的夹角(°)；ω为窝眼轮角速度(rad/s)；t为运动时间(s)。

护种区内，玉米种子受到自身重力、护种板给的作用力及摩擦力，如图5所示。

图5　种子在护种区受力

此时，种子受力平衡，则有

(10)

P=mrω2

其中，α为种子与竖直方向的夹角(°)；P为护种板对种子的作用力(N)；F为摩擦力(N)。

3.2.4投种过程

种子在窝眼型孔内随排种轮一起运动，经过护种区后进入到排种器的投种区域。由于在投种过程中，种子随窝眼轮一起运动，所以投种阶段的种子运动轨迹就是玉米种子的下落轨迹，则有

(11)

其中，v0为运动初始速度(m/s)；R为窝眼轮中心到窝眼内种子质心的距离(mm)；θ为护种阶段种子初始运动时刻与x轴的夹角(°)；ω为窝眼轮角速度(rad/s)，t为运动时间(s)。

在投种区时，种子靠自身重力、窝眼轮给的支持力及摩擦力的作用脱高窝眼，经导种板完成排种工作，如图6所示。

图6　投种时种子受力分析

在投种初始阶段，玉米种子相对窝眼轮是静止状态，种子受力为

(12)

其中，φ为导种板与水平方向的夹角(°)；ω为窝眼轮角速度(rad/s)；FNr为窝眼型孔对种子径向作用力(N)；FS为窝眼型孔对种子的摩擦力(N)；FNφ为窝眼对种子的法向作用力(N)。

通过上述对窝眼轮式玉米钵育播种机排种器运动学及动力学的分析，建立了玉米种子的运动轨迹及受力数学模型，将这些数学模型转换为计算机程序语言，即可编写到平台软件中。

3.3优化参数及目标

通过对窝眼轮式玉米钵育播种机排种器的结构分析，还能计算出扫种滚刷的安装角度α、护种板安装角度β、导种板安装角度γ，则有

(13)

(14)

(15)

其中:d为窝眼型孔直径(mm)；R为扫种滚刷半径(mm)；H为窝眼型孔内多余种子质心到窝眼型孔内的距离(mm)。

窝眼轮式玉米钵育播种机排种器的扫种刷安装角度、护种板安装角度、导种板安装角度即为排种器结构设计的优化参数。通过人机交互的形式，结合玉米种子在窝眼轮式玉米钵育播种机排种器中的动力学分析，可以进行排种器设计的优化，优化目标即每穴一粒种子，玉米种子下落后正好进入相应的钵盘内。

对窝眼轮式玉米钵育播种机排种器的研究设计，得到了窝眼轮式玉米钵育播种机排种器优化设计平台的主要内容。其它类型的排种器设计方案略有不同，但是差异不大。根据上述排种器分析过程，即可进行玉米钵育播种机排种器优化设计平台其他部分的开发建立。

4结论

1)使用VB软件建立了玉米钵育播种机排种器优化设计平台，主要应用于玉米钵育播种，能够对排种器进行类型选择、设计分析及设计优化。

2)根据排种器类型、结构及性能，对排种器进行结构组成、工作原理、运动学及动力学分析，确定了玉米钵育播种机排种器优化设计平台的基本设计原理。

3)通过优化设计平台对窝眼轮式玉米钵育播种机排种器结构参数进行设计，得到了排种器结构设计参数及充种、清种、护种、投种过程中玉米种子的运动轨迹。通过平台优化功能及排种器动力学分析，确定了窝眼轮式排种器优化参数为扫种刷安装角度、护种板安装角度、护种板安装角度，优化目标为钵盘内每穴播种1粒种子且满足玉米钵育播种的农艺要求。

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Research on the Optimum Design Platform of Corn Bowl Seedling Seeder Metering Device

Pu Lanjuan, Zhang Wei, Liu Yan

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Abstract：It is one of the main ways to improve the quality and save the seed by using the precise sowing machine to sow the field crops. Corn bowl seedling tray can avoid the influence caused by environmental factors, but corn bowl seedling seeder metering device is complex in structure, is difficulty for design and processing. Aiming at this problem, a kind of optimization design platform of the corn bowl is developed by using VB programming language.The platform through the analysis of the kinematics and dynamics of the effects of different planting patterns, its structure and performance parameters were optimized, for corn bowl seedling seeder metering device research provides a convenient and reliable research platform.

Key words：corn bowl; seed metering device; optimum design

文章编号：1003-188X(2016)05-0077-06

中图分类号：S223.2;S220.3

文献标识码：A

作者简介：浦兰娟(1990-)，女，黑龙江双鸭山人，硕士研究生，(E-mail)382949150@qq.com。通讯作者：张伟(1966-)，男，辽宁大连人，教授，博士生导师，(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金项目：黑龙江省高校创新团队建设计划项目(2014TD010)

收稿日期：2015-07-22