勺轮式玉米排种器运动机理的研究

李 鑫，籍俊杰，冯晓静

(1.河北农业大学 机电工程学院， 河北 保定 071001，2.河北省农林科学院 粮油作物研究所，石家庄 050035)

0 引言

据中国统计局统计数据，2015年中国玉米产量为2.25亿t，占全世界的22.98%，位居世界第二，仅次于美国。玉米作为我国第二大经济作物，在食品业、饲料加工业、工业上用途广泛。随着玉米的大面积种植，提高播种质量是保证高产的重要环节[1-2]。精量播种使作物植株分布均匀，通光透光性好，能充分利用土壤的营养面积和水分，苗期发育健壮，群体长势均衡，有利于扩大良种覆盖面积，可达到提高产量的目的。我国幅员辽阔，玉米种植形式多样，随着高产、抗逆的优良玉米杂交种不断选育成功与推广，水利设施的不断完善，化肥、农药施用水平的提高，以及养殖业、加工业大量需求的拉动，我国的玉米种植面积迅速扩大[3]。

排种器是播种机的核心部件，主要功能是把种箱中的玉米籽粒化整为零，让其独立运动，均匀地进行播种。勺轮式玉米排种器能够实现单粒精播，其充种性能好、清种伤种小、投种均匀性高、生产制造成本低、通用性高，但其工作速度低。因此，通过研究该排种器的结构特点、充种方式和受力状态等诸多机理，能够为其设计改进提供相应的支撑[4]。

1 勺轮式排种器的结构及工作过程

1.1 勺轮式排种器的结构

勺轮式排种器是玉米精密播种机的核心部件，其结构参数优劣直接影响玉米精密播种的质量。勺轮式排种器由排种器壳体、导种轮、隔板、勺轮、轴、轴承及透明盖等零部件组成，如图1所示。

1.排种器壳体 2.导种轮 3.轴 4.轴承 5.隔板 6.勺轮 7.透明盖图1 勺轮式排种器结构组成Fig.1 Structural components of spoon-wheel seedmeter

1.2 勺轮式排种器的工作过程

勺轮式排种器具有舀种、清种、递种、护种及投种5个运动过程，如图2所示。

图2 勺轮式排种器工作过程Fig.2 Working process of spoon-wheel seedmeter

1.2.1 舀种

玉米籽粒由排种器透明盖上的籽粒通道进入勺轮室。当轴转动时，带动导种轮及勺轮转动，随着勺轮旋转；当舀勺进入籽粒群，舀勺和籽粒产生相对运动，籽粒在重力、离心力和籽粒间推挤作用下进入勺内，即舀种过程；当种勺继续旋转，脱离种子群后，舀种结束，进入清种区。

1.2.2 清种

勺轮舀勺转至一定的位置时，舀勺上充附多个玉米籽粒会在重力的作用下掉落回籽粒群中，只有稳定于舀勺内的籽粒被带动继续运动。

1.2.3 递种

舀勺内只留下1粒籽粒继续转动，当携带籽粒的舀勺转到隔板上调节孔槽开口处时，籽粒在重力、离心力作用下滑入导种轮上与之相对应排种孔槽内，完成递种过程。

1.2.4 投种

导种轮带动籽粒与勺轮同步转动，籽粒进入护种区，回转到排种壳体下后方投中口处时，籽粒在重力、离心力作用下脱离排种器投种。

2 籽粒充种方式、途径

2.1 充种方式

通过观察可知：玉米籽粒在排种器充种区域的运动时，籽粒呈环流层的形式存在，从籽粒运动的剖面可以看出其分为4个区域，即上升区域Ⅰ、塌落区域Ⅱ、回流区域Ⅲ及相对静止区域Ⅳ；在重力、离心力、摩擦力、种子群体间推挤力的作用下，以填补空间、相向速度差和同向速度差这3种方式进行充种,如图3所示。

图3 籽粒环流层剖面Fig.3 Seed circulation layer

2.2 充种途径

籽粒在排种器充种区域的运动时，只有上升区域Ⅰ的最外层和勺轮直接接触，其他区域未和勺轮接触。在充种过程中，主要有3条途径进行充种。

2.2.1 第1条途径

当勺轮刚刚进入到籽粒环流层处，勺轮的舀勺为未充种状态，其舀勺留有一定的空间，玉米籽粒此时在重力、离心力、籽粒间推挤力的综合作用下迅速填补到舀勺中的空间，引起籽粒的流动，进行充种运动；当籽粒填充到舀勺中，籽粒随着勺轮一起转动，在转动的过程中，籽粒间的推挤力将舀勺中的籽粒稳定在舀勺中。

2.2.2 第2条途径

舀勺和籽粒以相对运动的方式充种。由于种种原因，在之前的运动过程中玉米籽粒未能有效地进入到舀勺中，当舀勺运动到ab区域段时，回流区域Ⅲ中的玉米籽粒迎面撞入到舀勺中，二者为相向运动，回流种子在重力和相向速度Vsinβ的联合作用进行舀勺的充种。

2.2.3 第3条途径

3 玉米籽粒充种时的受力分析

根据上述3种不同的充种方式可知：玉米籽粒主要以空间填补的方式进行充种，其次是回流的玉米籽粒和勺轮的相向运动进行充种，再次是上升区域的玉米籽粒和勺轮的同向运动进行充种。在这3种不同方式下，其受力状态也是不一样，如图4所示。

图4 籽粒充种途径及充种方式Fig.4 The routes and the ways of seed-filling

3.1 填补方式充种

玉米籽粒在运动的过程中沿着排种器的径向，在重力加速度和回流的玉米籽粒速度的垂直分量V1y的综合作用下进行充种，其受力情况如下：

重力为

W=mg

(1)

回流玉米籽粒的动能为

(2)

(3)

动能为

F=mgH·sin2β

(4)

比较重力W和动能作用F的大小，由于sinβ<1，g=9.8m/s2，R=0.1m,H<1m,外加动能抵消一部分的摩擦力，W/F=mg/mgH·sin2β，因此W>F，重力大于玉米籽粒回流的动能。

3.2 相向运动方式充种

当勺轮进入到ab段时，由于玉米籽粒在玉米籽粒和勺轮之间的摩擦力f1的作用，当玉米籽粒接触到舀勺的内壁时，玉米籽粒的速度骤减至零；随后随着舀勺一起运动，此时玉米籽粒的受力为

(5)

此种充种方式是在重力和离心力的综合作用下进行的，由于W>P2，所以重力是其充种的主要方式。

3.3 同向运动方式充种

4 基于EDEM的运动分析

4.1 几何模型建立

为了方便虚拟试验的模拟和计算，将无关的部件约束和部件去除，利用三维建模软件Pro/E对排种器进行实体建模，给予必要的约束，把最终文件转化成EDEM可以识别的.igs格式，如图5所示。

应用C语言对分析中的种子及排种器进行弹性函数编译，通过EDEM软件中的应用编程接口(API，application programming interface)完成弹力的赋值加载[5]。通过查阅文献，最终得出排种器为铝合金，其泊松比为0.24，剪切模量为2.7×1010Pa,密度为2 700kg/m3。

4.2 玉米籽粒模型的建立

由于玉米籽粒品种多种多样，本试验选取其中的郑丹958为研究对象，通过人工清选分级，选取适中的籽粒进行样品采样，随机抽取1 000个籽粒进行测量，对测量结果进行平均化处理，最终确定其外形尺寸长为10.2mm、上宽为8mm、下宽为5.8mm、上厚为4.5mm、下厚为3.7mm。在EDEM中，玉米籽粒是通过多球面组合的方式进行填充，最终虚拟试验中玉米籽粒的形态如图6所示。同时，设置籽粒的泊松比为0.4，剪切模量为1.37×108Pa,密度为1 197kg/m3。

图5 勺轮式精量排种器仿真模型Fig.5 Simulation model of spoon-wheel precision seed-metering device

图6 玉米籽粒EDEM模型Fig.6 EDEM model of corn grain

4.3 其他参数的设定

由于玉米籽粒之间无黏附作用，故在EDEM软件中选择Hertz-Mindlin(no slip)built-in模型为虚拟实验的接触模型[6]。籽粒之间和籽粒与排种器间接触参数如表1所示。

表1 仿真模型材料接触参数Table 1 Material contact parameters of simulation model

设置颗粒工厂以10 000个/s的速率生成初速度为0的籽粒模型，其重力加速度为9.81m/s2,总量为1 400粒；排种器选择转动，其初始运动时间为0.5s,转速设置为30r/min。

4.4 玉米籽粒的运动过程

由EDEM仿真可知：玉米籽粒在排种器中充种区域的运动时，籽粒呈环流层的形式存在，籽粒的运动具有4个区域，即上升区域Ⅰ、塌落区域Ⅱ、回流区域Ⅲ及相对静止区域Ⅳ，如图7所示。

图7 基于EDEM的种子环流层剖面Fig.7 The kinds and ways of seed-filling in EDEM simulation processes

由图7可以看出：玉米籽粒的环流层与理论分析中环流层相符合，其中的4个区域，即上升区域Ⅰ、塌落区域Ⅱ及回流区域Ⅲ、相对静止区域Ⅳ相一致。在上升区域Ⅰ中，玉米籽粒沿着环流层的外层至里层在勺轮的搅动作用下，受离心力和重力的作用，沿着勺轮转动的方向做圆周运动；当玉米籽粒运动到塌落区域Ⅱ时，籽粒所受的重力大于离心力，此时玉米籽粒在环流层会出现塌陷的现象；塌陷的玉米籽粒在回流区域Ⅲ进行回流至勺轮接触籽粒群的起始位置；相对静止区域Ⅳ中的玉米籽粒在该区域低速转动不与其他玉米籽粒发生替换，保持一定的定量守恒。

在重力、离心力、摩擦力、种子群体间推挤力的作用下，以填补空间、相向速度差和同向速度差这3种方式进行充种，其充种过程如图8所示。

(a) 填补空间 (b) 相向速度差 (c) 同向速度差图8 EDEM仿真中籽粒的3种充种方式Fig.8 Three kinds of seed-filling in EDEM simulation processes

由图8(a)可知：以填补空间的方式进行充种的玉米籽粒为排种器未工作时掉入到舀勺中或者工作后勺轮刚进入籽粒群时，填补舀勺的玉米籽粒。这一类充种方式的玉米籽粒，在充种前没有在排种器中运动。由图8(b)可知：以相对速度差方式进行充种的玉米籽粒为排种工作后，勺轮转动带动的玉米籽粒到达一定高度回落的或者舀勺在递种过程中未进入递种轮回落的籽粒。这一类充种方式的玉米籽粒，在完成有效的充种之前，其在排种器中进行了多次转动。由图8(c)可知：舀勺经过籽粒群后，由于种种原因未能进行充种，勺轮转动时，靠舀勺最近的环流层的玉米籽粒随着舀勺一起转动，在重力和离心力的作用下，籽粒慢慢地进入到舀勺中。这一类充种方式的玉米籽粒慢慢地跟随勺轮转动，逐步进入舀勺中。

5 结论

勺轮式玉米精密排种器是以“勺径侧三作用充种方式”或“勺径二作用充种方式”进行充种。其主要靠重力和玉米籽粒间的推挤力进行填补空间方式充种，主要依靠重力进行相向运动方式充种；主要依靠重力和离心力进行同向运动方式充种。基于EDEM软件分析可知： 其运动轨迹和充种方式与理论分析一致，勺轮式玉米精密排种器在高低速作业条件下充种率可以达到100%。