立式浅盆型复合种盘大豆排种器结构设计与参数优化

刘宏新 徐晓萌 付露露 王 晨

东北农业大学，哈尔滨，150030



立式浅盆型复合种盘大豆排种器结构设计与参数优化

刘宏新 徐晓萌 付露露 王 晨

东北农业大学，哈尔滨，150030

为满足机械式精密排种器高速作业的要求，以增加充填力的方式对立式圆盘排种器进行改进，设计了一种利用重力与离心力以及种子间相互作用力作为复合力进行充种的双腔立式浅盆型复合种盘机械式精密排种器，并对排种盘的特征参数进行了优化。利用离散元仿真分析软件EDEM对立式浅盆型种盘进行了以排种盘直径、折边倾角、作业速度为影响因素，充填率为性能指标的三因素五水平二次正交旋转组合仿真设计，并运用Design-expert 8.0软件对数据进行了处理，获得了排种盘最优的结构参数组合，同时利用物理样机试验进行了验证。研究结果表明：立式浅盆型种盘的最佳结构参数组合为排种盘直径234 mm、折边倾角68°，在8 ～12 km/h高速作业时，合格率均能达到90%以上。研究结果为产品定型提供了定量的依据。

机械式精密排种器；浅盆型复合种盘；结构设计；参数优化

0 引言

立式圆盘排种器属于机械式精密排种器的一种，因具有结构简单、成本低廉、可靠性高等优点而被广泛应用于大豆的播种作业中，但该型排种器充填力较单一，不适应高速作业而只被应用于小型低速机具上，所以若能设计一种能够适应高速作业的机械式排种器将是最理想的选择[1-3]。

目前国内外专家学者对大豆机械式精密排种器的研究以结构创新居多，但对关键部件的研究和对排种性能影响因素的研究不够深入。同时，由于大豆这种作物具有离散的特点，理论分析时需要进行大量简化与假设[4-5]，因而导致精密排种的相关理论至今不能完善与成熟。

为此，国内外专家学者不断探索和引入新的研究方法，其中离散元法的应用带动了排种器研究领域的新发展。Zhang等[6]利用离散元法建立了一种近似椭球的组合球模型，LoCurto等[7]借助于Zhang的组合球模型，对大豆的具体流动过程进行了模拟；廖庆喜等[8]对离心式排种器工作过程中油菜籽的运动过程进行仿真分析，确定了油菜籽的运动规律；于建群等[9-11]采用离散元法对型孔轮式排种器、组合内窝孔排种器、内充式排种器的排种过程及工作性能进行仿真分析，结合实际试验证明了离散元法分析排种器的可行性。

针对大豆精播的要求，本文在对复合充填力充种机理研究[12]的基础上，对立式圆盘排种器进行改进，设计了一种双腔立式浅盆型复合种盘排种器，对其工作原理进行分析，并对其特征参数进行研究，运用EDEM(engineering discrete element method)软件对其进行二次正交旋转组合仿真设计，优化得出最优的结构参数组合，并通过台架试验进行验证，进而最大限度地发挥其结构特点，为该机构的实际生产和推广应用提供必要的技术支撑和依据。

1 排种器结构与工作原理

1.1 总体结构

立式浅盆型复合种盘排种器的设计方案基于“内部降速加外部组合增频”的高速排种理论[13]，采用双腔形式，主要由左右壳体、左右壳体内板、复合排种盘、左右护种板、排种轴及其组件等组成，定义其型号为2B-JP-FP-01。两个排种盘分别与其相应的壳体内板组合并通过螺栓连接在一起，左右护种板通过螺栓分别固定在两侧的壳体上，最后通过排种轴将其装配完整。装配后以左右壳体内板为界分成两个独立的排种机构，各自具有完整的充种、排种功能，装配关系如图1所示，图中，αq为清种区域角，(°)；αc为充种区域角，(°)；αt为投种区域角，(°)；αk为护种区域角，(°)；ω为排种盘角速度，rad/s。

(a)主视图 (b)侧视图(拆去左壳体)1，11.检视窗 2，10.左右壳体 3，8.左右护种板 4.复合排种盘总成 5，7.左右壳体内板 6.上盖 9.排种轴及其组件图1 双腔立式浅盆型复合种盘排种器

立式浅盆型复合种盘采用型孔加密的方式来有效降低排种轴的转速，减少漏播现象的发生，同时，该种盘是将立式种盘的型孔端面内折进而引入复合力进行充种，此种设计既保留了传统立式圆盘排种器轴向尺寸小等特点，又能解决立式圆盘充填力单一的问题，使其能够满足高速作业的需求。

1.2 工作原理

种子由种箱下落通过导种管充入到排种器容腔内，当达到一定高度时，排种盘在排种轴带动下按图1b所示方向旋转，种子利用重力与离心力以及种子间相互作用力作为复合力充入到型孔内，完成充种过程，随即转入清种区，利用复合力清除多余的种子，型孔内的种子存留在护种板与型孔的封闭空间内进入到护种区，最后随排种盘转动到容腔下部进入到投种区，由投种口投出，完成排种作业。

2 关键部件结构改进设计

2.1 排种盘

由于原有立式圆盘的充填力较单一，故以增加充填力的方式对排种盘的结构进行改进，将立式种盘型孔端面内折成浅盆状，考虑以下两种方案。

(a)主视图 (b)剖视图

(c)型孔剖视图图2 立式浅盆型种盘方案1

(1)方案1采用不同壁厚的折边，形式如图2所示。此种方案的优点是种盘外侧端面垂直于种盘，便于与种盘配合的壳体的加工，缺点是型孔均布在种盘上，型孔与种盘外侧成一定夹角，加工工艺复杂，难以保证每个型孔加工的一致性，同时，由于折边内侧端面与外侧端面形成一定的夹角，导致型孔的内部空间过大，易造成重种现象，如图2c所示。

(2)方案2在方案1的基础上进行改进，即在原有排种盘内壁结构外张成浅盆状的基础上，采用均匀壁厚的折边，使种盘折边外侧形成与内侧平行的外锥面，如图3所示。此种形式在增加充填力的同时，又能使种盘上的型孔便于加工且保证型孔的定量容腔，以达到精播的要求。

(a)主视图 (b)剖视图图3 立式浅盆型种盘方案2

2.2 型孔形状与参数

利用CATIA草图约束动画的方法模拟排种盘的运动过程，以型孔中心线与排种盘竖直中心线的夹角为“参数”创建草图动画，如图4所示。图4中，两条虚线圆圈区域为排种盘，阴影区域为护种板，O为中心点。当型孔的含种边处于水平时，以型孔内的种粒恰好与护种板相切为限，此时的型孔含种边与型孔中心线的夹角即为型孔内面倾角β的极限值，由图4a可知，βmin=56°。若内面倾角β小于56°，则种粒未到达护种板之前便脱离了型孔，造成漏播；型孔内面倾角β较大将导致型孔容腔内部空间过大，易发生一个型孔内充入两粒种子即重种现象，如图4a所示。

(a)草图约束动画(b)草图约束动画对话框图4 草图约束及其对话框

本研究为了保证型孔的含种性能以及型孔定量充种，对原有型孔结构进行了改进。在型孔其他基本尺寸保持不变的前提下(种盘厚度H=8 mm,外引导面深度dh=1 mm,基圆半径r0=4.5 mm，外面倾角ψ=78°[13])，将型孔的内面倾角β由56°降为40°，此时能够大大缩小型孔的内部空间，同时，为了提高型孔的含种性能，在型孔的含种边一侧加一含种环槽，改进后的型孔结构如图5所示。此型孔在加工时，梯形铣刀沿着种盘折边的垂直方向，以型孔中心线为轴进行旋转切割，然后将轴线向下偏移1 mm，用相同铣刀沿下移后的轴线进行进给，此时沿型孔的含种边的进给量减小1 mm,此型孔的加工工艺简单，工艺性良好。

(a)三维图(b)剖视图图5 型孔结构及参数

3 仿真方案设计

3.1 仿真参数选择及取值域

3.1.1 排种盘直径

排种盘直径是排种器的基本结构特征参数，决定了排种器壳体以及其他附属零部件的结构及尺寸。在能够达到配套机组所要求的作业速度并保证作业质量的前提下，确定其最小直径是该因素研究的主要目标之一。本研究选取的排种盘直径范围是140～240 mm[13]。

3.1.2 折边倾角

折边倾角是指排种盘折边与竖直方向的夹角，是立式浅盆型复合种盘排种器的特征参数。折边倾角过小会造成重力与离心力沿型孔轴向方向上的分力减小进而削弱其对种子充填的作用，影响排种器的充填能力；折边倾角过大造成轴向尺寸增大的同时，离心力也会对清种产生负面影响。合适的折边倾角既能充分利用重力与离心力对种子的充填作用，还能减小轴向尺寸，因此确定最佳的折边倾角也是该因素研究的一个主要目标。本文选取的折边倾角范围是0°～90°[12]。

3.1.3 作业速度

作业速度对播种机组生产率及作业质量有着直接的影响，该因素是衡量播种机性能优劣的重要指标之一。每一种型号的排种器根据不同的结构特征及其工作原理均有其能够适应的作业速度限值。本研究选取播种作业速度范围是4 ～12 km/h[13]。

播种作业速度v的选取直接关系到排种轴转速n的大小，同时由于该排种器采用双腔结构，所以排种轴转速n与播种作业速度v的关系由下式确定：

(1)

式中，n为排种轴的转速，r/min；v为作业速度，km/h；mk为单盘型孔个数；l为理论株距，l=10cm。

随着排种轴转速的增大，种子向型孔内充填的时间缩短，种子充填率随之减小，因此，排种轴转速是影响排种器充种质量的重要因素之一。

3.2 多因素组合仿真方案设计

根据排种器的结构及工作特点，选取作业速度、折边倾角以及排种盘直径为组合仿真因素，选取充填率为响应目标函数进行三因素五水平的二次正交旋转组合仿真设计。因素水平编码表见表1。各因素代号及水平域分别为：播种作业速度v(4 ～12km/h)，折边倾角α(0°～90°)，排种盘直径d(140～240mm)。排种盘的型孔个数由排种盘直径和折边倾角共同确定。响应指标及代号为充填率yt。

表1 因素水平编码表

4 模型的建立

4.1 接触模型

因Hertz模型是利用两物体间相对位置与它们各自所受力处的曲率半径进行对比，同时计算法向和切向受力，能够较好地反映硬质刚性物体间的力学行为特点，所以本研究的颗粒与颗粒、颗粒与壁面之间的计算模型均采用Hertz-Mindlin模型[14-15]。大豆颗粒体之间以及大豆与壁面之间的静摩擦因数分别为0.45、0.3，动摩擦因数分别为0.05、0.01，恢复系数均为0.6[16]。

4.2 颗粒体模型

大豆的形状近似为椭球，所以本研究采用四面体构形方法创建颗粒体模型。设置颗粒体模型的半径为3.6 mm，泊松比为0.25，剪切模量为1.04 MPa，密度为1228 kg/m3，并自动获取其余属性[17]。颗粒类型选择正态分布。

4.3 排种器模型

利用CATIA机械零件参数化设计模块，设计以排种盘直径和折边倾角作为主驱动参数的系列排种盘并配合相应尺寸的护种板及壳体等部件装配成排种器模型导入到EDEM中。为便于分析并提高仿真运算速度，将大豆颗粒运动过程中与接触无关的部件去掉，简化后的排种器模型如图6所示。将左右排种盘合并，将其设置为转动件，定义其材料和类型，设置旋转轴的位置和方向、转动初速度和转动开始及结束的时间。其余部件组合并设置成固定件,材料设置成steel，由于采用双腔结构的模型，在排种器模型上方创建双重颗粒工厂，如图6所示。后处理模块中，在排种器投种口下方建立一个Grid bin group(方格组)，用以记录并实时显示进入其间的颗粒总数，为后续充填率的计算提供依据。

图6 EDEM中的排种器仿真模型

5 仿真结果与分析

5.1 仿真结果

仿真结果如表2所示。

5.2 回归方程

根据仿真数据，建立充填率与仿真因素的原始回归方程：

yt= 85.96-5.93x1+6.10x2+2.65x3+

1.38x1x3-1.15x2x3

(2)

对式(2)进行分析，得出方差分析表(表3)。

由表3可知，F检验的结果表明：F2>F0.01(9,13)=4.19,F1

yt=86.39-5.93x1+6.10x2+2.65x3+

将上式中的试验因素实际量转化，得回归方程为

表2 仿真数据

表3 方差分析表

yt=100.19-4.29v-0.38α+0.09d+

3.16×10-3α2+0.04vα

(3)

根据多元二次回归中各因素重要性的计算方法[18]，作业速度、折边倾角和排种盘直径对充填率的贡献率分别为1.381、2.257和0.089，因此，各因素对充填率的影响程度由大到小依次为折边倾角、作业速度和排种盘直径。

5.3 各因素对充填率的影响规律

当排种盘直径置于零水平(190 mm)时，作业速度和折边倾角对充填率的影响规律如图7a所示：当作业速度处于低水平时，折边倾角对充填率影响不大；当作业速度处于高水平时，折边倾角与充填率成正相关关系，随着倾角的增大，折边倾角对提高充填率的作用变得明显，这是由于角度逐渐增大，使得重力与离心力沿轴线方向上的分力增大，进而增加充填力所致。

当折边倾角置于零水平(45°)时，作业速度和排种盘直径对充填率的影响规律如图7b所示：低速时，排种盘直径水平变化对充填率影响有限，随作业速度的提高，大直径的排种盘对充填率的利好作用逐渐增大，可有效弥补速度增加带来的负面影响。

当作业速度置于零水平(8 km/h)时，排种盘直径和折边倾角对充填率的影响规律如图7c所示：折边倾角小于零水平时，倾角的变化对充填率的影响很小，当折边倾角处于较低水平时，随着排种盘直径的增大，充填率缓慢上升；折边倾角大于零水平时，随着倾角的增大，充填率呈明显上升趋势，当折边倾角处于高水平时，排种盘直径对充填率的作用不明显。

(a)v和α对充填率影响曲线曲面图

(b)v和d对充填率影响曲线曲面图

(c)α和d对充填率影响曲线曲面图图7 各因素对充填率的影响

5.4 参数组合优化分析

采用主目标函数法进行优化求解，由于折边倾角α<71°[12]，故本文选取因素变量作为约束条件的范围为x1∈[8 km/h,12 km/h]，x2∈[0°,70°]，x3∈[140 mm,240 mm]，充填率的参数优化区域如图8所示。由图8可知，若使充填率达到95%以上，则在作业速度为8 km/h时，排种盘直径取200～240 mm，折边倾角取60°～70°；在作业速度为10 km/h时，排种盘直径取233～240 mm，折边倾角取68°～70°。

1.v=8 km/h，yt=90% 2.v=10 km/h，yt=90% 3.v=8 km/h，yt=95% 4.v=10 km/h，yt=95%图8 参数优化区域

6 样机试制与试验

6.1 样机试制

在满足充种质量的前提下，综合考虑降低成本和排种器单体的质量，确定双腔立式浅盆型复合种盘排种器的种盘直径为234 mm，折边倾角为68°，样机如图9所示。为了便于观察和检测排种器的作业情况，使用有机玻璃材料加工两个检视窗，分别安装在左右两个壳体的下部，同时将左右壳体内板也加工成有机玻璃材质，以便观察排种器的充种、清种情况，其余部件均采用铸铝。

(a)零部件(b)总装图9 排种器样机

6.2 试验

将双腔立式浅盆型复合种盘排种器安装在JPS-12计算机视觉排种器性能检测试验台(哈尔滨博纳科技有限公司制造)上，整体布局如图10所示。本试验选用黑农38的大豆种子作为试验对象，排种盘的直径为234 mm，单盘型孔数为40，设置种床带速度与排种轴的转速如表4所示，试验数据采集及统计遵照GB 6973-86单粒(精密)播种机试验方法[19]进行，每组试验重复3次以上，剔除明显异常数据的情况下取均值，试验结果如表4所示。

根据JB/T 10293-2001中耕作物精密播种机产品质量分等[20]，由表4可知，此排种器在高速作业即作业速度达到8 km/h以上时，合格率均能达到90%以上，具备了良好的高速作业能力，该排种器属于优等品。

1.综合操作台 2.种箱 3.导种管 4.双腔立式浅盆型种盘排种器5.JPS-12计算机视觉排种器性能检测试验台图10 样机测试系统

种床带速度(km/h)排种轴转速(r/min)合格率(%)48．3399．81612．5099．56816．6798．421020．8395．131225．0091．36

7 结论

(1)根据回归方程分析，在仿真与试验的参数取值域内，影响立式浅盆型排种器充填率的主次顺序为折边倾角、作业速度和排种盘直径。

(2)根据EDEM仿真结果，结合精密播种机的评价标准，由Design-expert 8.0软件优化得出：立式浅盆型复合种盘排种器的最佳组合参数是排种盘直径为234 mm、折边倾角为68°。样机试验表明，此排种器在作业速度分别为8 km/h、10 km/h和12 km/h(对应排种盘转速分别为16.67 r/min、20.83 r/min和25.00 r/min)时，合格率分别为98.42%、95.13%和91.36%，具备了良好的高速作业能力。

[1] 丛锦玲，廖庆喜，曹秀英，等. 油菜小麦兼用排种盘的排种器充种性能[J]. 农业工程学报，2014，30(8)：30-39. Cong Jinling, Liao Qingxi, Cao Xiuying, et al. Seed Filling Performance of Dual-purpose Seed Plate in Metering Device for Both Rapeseed & Wheat Seed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of The CSAE), 2014, 30(8):30-39.

[2] 胡建平，毛罕平. 精密播种技术的研究与创新[J].农机化研究，2003(4):52-53,59. Hu Jianping, Mao Hanping. A Study and Innovation on Precision Seeding Technology[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2003(4):52-53,59.

[3] 林叙彬. 精密排种器的研究进展[J].现代农业装备，2012(7):48-49. Lin Xubin. Research Progress of Precision Metering Device [J]. Moderm Agricultural Equipments, 2012(7):48-49.

[4] Deng Xiaoyan, Li Xu, Shu Caixia, et al. Mathematical Model and Optimization of Structure and Operating Parameters of Pneumatic Precision Metering Device for Rapeseed[J]. Journal of Food, Agriculture & Environment， 2010，8(3/4)(Part 1):318-322.

[5] Raji A O, Favier J F. Model for the Deformation in Agricultural and Food Particulate Materials Under Bulk Compressive Loading Using Discrete Element Method. Ⅰ. Theory, Model Development and Validation[J]. Journal of Food Engineering，2004，64(3):359-371.

[6] Zhang X, Vu-Quoc L. A Method to Extract the Mechanical Properties of Particles in Collision Based on a Newelasto-plastic Normal Force-displacement Model [J]. Mechanics of Materials, 2002, 34: 779-794.

[7] LoCurto G J, Zhang X, Zakirov V， et al.Soybean Impacts: Experiments and Dynamic Simulations[J].Transactions of the ASAE, 1997, 40(3): 789-794.

[8] 廖庆喜， 张朋玲， 廖宜涛，等. 基于EDEM的离心式排种器排种性能数值模拟[J]. 农业机械学报，2014,45(2)：109-114. Liao Qingxi, Zhang Pengling, Liao Yitao, et al. Numerical Simulation on Seeding Performance of Centrifugal Rape-seed Metering Device Based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(2): 109-114.

[9] 于建群，王刚，心男，等.形孔轮式排种器工作过程与性能仿真[J].农业机械学报, 2011, 42(12): 83-87. Yu Jianqun, Wang Gang, Xin Nan,et al. Simulation Analysis of Working Process and Performance of Cell Wheel Metering Device [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(12): 83-87.

[10] 李政权，于建群，张尉林，等.内充式排种器工作过程和性能的离散元法仿真分析[J].农业工程学报，2011,27(11): 32-36. Li Zhengquan, Yu Jianqun, Zhang Weilin, et al. Simulation Analysis of Working Process and Performance of Inside-filling Seed Metering Device by Discrete Element Method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2011, 27(11): 32-36.

[11] 于建群， 申燕芳， 牛序堂，等. 组合内窝孔精密排种器清种过程的离散元法仿真分析[J].农业工程学报，2008，24(5) :105-108. Yu Jianqun, Shen Yanfang, Niu Xutang, et al.DEM Simulation and Analysis of the Clearing Process in Precision Metering Device with Combination inner-cell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2008,24(5) :105-108.

[12] 刘宏新，徐晓萌，郭丽峰，等. 具有复合充填力的立式浅盆型种盘排种器充种机理[J]. 农业工程学报，2014，30(21)：9-16. Liu Hongxin, Xu Xiaomeng, Guo Lifeng, et al. Research on Seed-filling Mechanism of Vertical Shallow Basin Type Seed-metering Device With Composite Filling Force[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 9-16.

[13] 刘宏新. 大豆密植平播机关键部件研究及整机设计[M]. 北京：中国农业出版社，2007.

[14] 胡国明. 颗粒系统的离散元素法分析仿真[M]. 武汉：武汉理工大学出版社，2010.

[15] 王国强，郝万军，王继新. 离散单元法及其在EDEM上的实践[M]. 西安：西北工业大学出版社，2010.

[16] Resort G S, Nevada C R. Material and Interaction Properties of Selected Grains and Oil Seeds for Modeling Discrete Particles [J]. ASABE Annual International Meeting, 2009(7): 3-16.

[17] 王福林，尚家杰，刘宏新，等. EDEM颗粒体仿真技术在排种机构研究上的应用[J]. 东北农业大学学报，2013，44(2)：110-114. Wang Fulin, Shang Jiajie, Liu Hongxin, et al. Application of EDEM Particles Simulation Technology on Seed-metering Device Research [J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2013, 44(2): 110-114.

[18] 辛涛. 回归分析与实验设计[M]. 北京：北京师范大学出版社，2010.

[19] GB-6973-86单粒(精密)播种机试验方法[S].北京：中国标准出版社，1986.

[20] JB/T 10293-2001中耕作物精密播种机产品质量分等[S].北京：中国标准出版社，1999.

(编辑 苏卫国)

Design and Parameter Optimization on Vertical Shallow-basin Type Composites Seed-plate Soybean Seed-metering Devices

Liu Hongxin Xu Xiaomeng Fu Lulu Wang Chen

Northeast Agricultural University,Harbin，150030

To meet the working requirements of mechanical precision seed-metering device at high speed, a vertical shallow basin-type composite seed-plate seed-metering device with double cavity was designed, the seed-metering device might utilize gravity, centrifugal force and interaction force among the seeds to increase the filling force, improve the filling performance of seed-metering device at high speed. And in order to obtain the structure parameters of seed-metering devices to further improve the quality of precision seeding, the software of EDEM was utilized to make the three factors and five levels of all factors rotational quadratic orthogonal experiments which took the diameter of seed-plate, folding angle, working speed as the influence factors, and filling rate as the performance index， the experimental scheme was designed. And Design-expert 8.0 software was used to deal with the simulation data, the optimal structural parameters of the seed plate were obtained, the physical prototype test was made to verify the values of simulation. The experimental results show that when the diameter of seed plate is as 234 mm, folding angle is as 68°, qualified rate may be beyond 90% at the high-speed area(working speed in the range of 8 km/h to 12 km/h), the optimized parameters may meet the demands of high speed operations, which will provide the basis and

for the product approval.

mechanical precision seed-metering device; shallow-basin type composite seed-plate; structure design; parameter optimization

2015-12-28

国家自然科学基金资助项目(51275086)

S223.23

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.22.005

刘宏新，男，1971年生。东北农业大学工程学院教授、博士研究生导师。研究方向为现代农业装备、数字化设计、CAD&CAE。徐晓萌，女，1991年生。东北农业大学工程学院硕士研究生。付露露，女，1992年生。东北农业大学工程学院硕士研究生。王 晨，男，1990年生。东北农业大学工程学院硕士研究生。