锥向离心式排种器的设计与数值模拟及试验

黄英超，李沐桐

(1.海南经贸职业技术学院，海口 571127；2.广东省现代农业装备研究所，广州 510635)

0 引言

目前，国内外播种机主要分为气力式和机械式，以指夹式精量排种器为代表的机械排种器[1-2]要通过夹持充种、振动清种及柔性导种等方式完成播种作业。由于播种玉米类型的多样性，种粒尺寸间具有一定差异，使得指夹式排种器在高速作业时的充种能力下降、种粒破碎率高、振动剧烈，造成作业效率和质量偏低及适应范围有限等问题,导致指夹式排种器逐减淡出主导市场。以高速、精量为特点的气吸式排种为当今主流作业方式，其充种方式主要由配装的风机转动产生负压气流，使籽粒运动到负压域时被吸入种盘型孔。然而，在宽幅作业过程中充种所需的总负压力需求增大会引起风机系统的转速增加，导致震动加剧并使能耗大幅度升高；同时，气吸式排种器在排播过程中籽粒落种瞬时速度稳定性较差[3]，引起粒距合格率较低。为此，以低能耗、高效率、高精度为目标，设计了一种锥盘离心式精量排种器，旨在以离心动力方式给予籽粒初始动能，通过内部种道结构作用力使籽粒在运动中有序排列，从而将籽粒按规律排播。

锥盘离心动力充种方式的提出，替代了传统气力式所需的独立风机系统。本文中，运用EAlink模块将离散元软件EDEM与多体动力学分析软件Adams进行耦合仿真排种性能虚拟试验，分析了籽粒产生漏播、重播现象的主要原因，并研究了粒运动规律及其排种性能变化规律，可为进一步的优化设计提供理论基础和参考依据。

1 排种器组成及工作原理

锥盘离心式排种器主要由固定充种管、离心锥盘、排种盘、导种轮、U型豁口式固定板和端盖等部件组成，如图1、图2所示。

工作原理：作业时，外输入动力通过主动双链轮驱动离心锥盘相对于排种盘转动，籽粒从固定充种管进入到离心锥盘与排种盘之间的腔室内，在离心锥盘上的锥形充种槽离心力和旋转力作用下使种子运动；在环形护种片和挡种块配合下，种子依次充入到坡状弧形引种槽孔内，并排落在导种轮上；与此同时，主动双链轮的旋转运动通过链条驱动从动链轮转动，经驱动轴带动导种轮回转，完成排种作业。其中，清堵片可将卡牢在锥形充种槽内的种子清出，避免漏播。

2 玉米籽粒离散模型建立

以我国东北地区种植的玉米籽粒为研究对象，选取5种不同品种玉米籽粒进行分类试验研究，根据目前玉米种植调研情况，按形状通过人工分级清选出有明显差异的玉米籽粒，如图3所示。统计数据平均值如表1所示。

1.固定充种管 2.主动双链轮 3.链条 4.从动链轮 5.支撑轴 6.端盖 7.排种盘 8.离心锥盘 9.U型豁口式固定板 10.导种轮

1.固定充种管 2.主动双链轮 3.离心锥盘 4.挡种块 5.排种盘 6.U型豁口式固定板 7.端盖 8.导种轮 9.从动链轮 10.环形护种片 11.清堵片 12.坡状弧形引种槽孔 13.锥形充种槽图2 离心锥盘式排种器装配爆炸图Fig.2 Assembly explosion diagram of centrifugal cone type seed metering devic

图3 不同种类玉米籽粒样本图Fig.3 Grain sample map of different kinds of corn

续表1

以5种有显著特点品种的玉米籽粒的外形尺寸为依据，按其长、宽、厚的尺寸均值进行EDEM颗粒模型填充，如图4所示。在虚拟仿真环境中，设定籽粒的泊松比为0.386，剪切模量为1.96×108Pa，密度为1.23kg/m3。

图4 籽粒三维模型建立Fig.4 The establishment of three dimensional model of grain

3 虚拟试验模型的设定

3.1 关键部件模型设计及主要参数设定

整体部件运用三维制图软件SolidWorks对排种器进行设计建模，将模型导入EDEM软件中，如图5所示。根据文献参考设置离心锥盘和排种盘材料为铝合金，泊松比为0.42，切剪模量为1.7×1010Pa，密度为7 800kg/m3；清堵片材料为橡胶，泊松比为0.47，剪切模量为2.7×106Pa，密度为960kg/m3。

虚拟试验的接触模型设定为Hertz-Mindlin无滑动类型，颗粒总量为1 500个，时间步长设定为30%，包含充种时间在内，总时间初步设定为10s。

图5 仿真状态及颗粒流线图

3.2 排种虚拟仿真分析

根据上述分析及田间作业实际情况，排种器工作转速分别选取为45、50、55、60 、65、70、75r/min，对每种尺寸等级的籽粒进行7组仿真虚拟试验(共35组)。

通过虚拟仿真试验可以发现：排种器作业效果主要表现为单播、重播及漏播3种状态。为便于观察，设置排种盘和离心锥盘的可视形式为透视类型，如图6所示。其中，图6(a)为单播状态，充种槽内的单颗籽粒有序正常的推送进入出种口，并顺利进入导中带。图6(b)为重播状态，充种槽末端内的多颗籽粒单次同时进入出种口。在多组虚拟试验中，小球形籽粒重播现象较严重，主要是由于籽粒尺寸较小，当充种槽末端运动到出种口附近时，过小的籽粒可同时堆积在充种槽末端并排出，加之环形滑槽与清堵片位置对小球形籽粒适应性差所致。图6(c)为漏播状态，充种槽内的籽粒未被推送恶进入出种口。在多组虚拟试验中，马齿形籽粒出现漏播现象严重，主要原因是籽粒尺寸较大，在高速离心状态下籽粒间摩擦力剧烈，易在充种槽内相互挤压导致无法被清堵片及时疏通至堵塞。

图6 充种过程中籽粒的3种状态

3.3 仿真结果与数据分析

根据仿真观测记录，在相等工作转速下，籽粒到达末端的出种口时的3种姿态出现的概率为：平躺21%，侧卧66%，横立13%。可见，侧卧姿态出现的概率明显高于其他两种，符合上述分析与推测。

根据GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，选取合格指数S、重播指数D和漏播指数M为虚拟试验指标，其计算公式为

式中N—理论排种数；

n0—空漏排种数；

n1—单粒排种数；

n2—重复排种数。

由仿真试验可知：工作转速在45～75r/min范围内，锥盘离心排种器对大圆粒形玉米籽粒排种性能最优，其合格率大于92.4%；就小圆粒籽粒而言，其排种性能次之；对于马齿形和小球形籽粒来说，排种性能相对较差，但合格率高于82%。当工作转速大于65r/min时，排种器对马齿形籽粒漏播率达到8.8%以上，已不能满足精密播种要求。

采用ORIGIN软件对仿真数据进行整理，如图7所示。当工作转速逐渐增加后，整体排播性能皆呈下降趋势。由图7(a)可知：排种合格率随工作转速增加而降低，此时排种器对大圆粒形尺寸籽粒合格率最高，对小球形和马齿形籽粒合格率最低；当工作转速降低后，排种器对大圆粒籽粒有较好适应性，对小球形和马齿形籽粒次之。由图7(b)可知：排种器重播率随工作转速增加变化不大，此时对小球形尺寸籽粒重播率最高，对楔形尺寸籽粒重播率次之，其余尺寸籽粒重播率相近。由图7(c)可知：排种器漏播率随工作转速增加而增加，对马齿形尺寸籽粒漏播率最高，其余尺寸籽粒漏播率相近；工作转速为60r/min时，对马齿形尺寸籽粒漏播率为7.3%；工作转速大于60r/min时，排种器对马齿形尺寸籽粒漏播率增长显著升高。

图7 仿真试验排播性能曲线Fig.7 Changing trend of metering performance in simulation test

4 排种性能试验

为验证仿真分析结果，在黑龙江省农业机械工程科学研究院排种器实验室进行台架试验。以在黑龙江省农科院玉米所采集的马齿形、大圆粒、小圆粒、楔形和小球形5种玉米籽粒作为试验品种，试验设备采

用JPS-12排种器性能检测试验台。当籽粒掉落至刷有油层的种床带上后，借助图像采集处理装置进行实时检测，进而测定排种性能及其试验指标，如图8所示。

1.试验台架 2.种床带 3.传动系统 4.排种器 5.图像采集装置

在试验过程中，分别以45、50、55、60、65、70、75r/min转速进行工作，对5种类型玉米籽粒进行3次重复试验，其结果数据取平均值作为最终结果，如表2所示。由表2可知，排种性能随玉米籽粒尺寸及工作转速变化规律基本一致。在相同工况(45～75r/min)下，台架与仿真的试验结果进行对比，合格率最大误差为5.8%。其产生原因不能排除仿真试验的局限性(例如，同类型玉米籽粒模型尺寸全部相同；仿真过程中无法实现籽粒破碎的计算，造成对结果的干扰)；另一方面，在台架试验过程中，经过分级清选的同种玉米籽粒仍存在差异性，且排种器在工作中的机具震动不可避免，但误差均在可接受范围内。总体而言，台架试验结果与仿真结果基本相同。

表2 排种性能试验结果

“作业速度”表示种床带反向运动速度，即为播种机具前进速度。

5 结论与讨论

1) 设计了离心锥盘式排种器，研究了充种与排种过程中籽粒的运动与受力情况，分析可得：随着工作转速的增加，籽粒所受压力呈先增大、再减小、后增加的趋势。

2)通过虚拟试验，研究了不同尺寸等级籽粒产生重播、漏播问题的主要原因，并得到籽粒到达末端的出种口时的3种姿态出现的概率为：平躺21%、侧卧66%、横立13%。虚拟试验表明：在选定工作转速范围内，锥盘离心式排种器对大圆粒形玉米籽粒排种性能最佳，对小圆粒和楔形籽粒排种性能次之，对马齿形和小球形籽粒排种性能较差，排种器对各尺寸等级籽粒的排种性能随着工作转速的增加皆呈下降趋势。在相同工况下进行台架验证试验，结果与仿真基本相同。

3)离心锥盘式排种器台架试验可知：以作业速度8.5km/h、工作转速60r/min工况下的试验结果与文献[15]中常规指夹式排种器性能对比，其作业速度提高了2.5km/h，排种合格率提高了5.5%。通过试验台摄像处理装置测得籽粒破损率为0.4%，优于JB /T 10293—2001《单粒( 精密) 播种机技术条件》中指标，满足精密播种要求。

4)所设计的离心锥盘式排种器对大圆粒与小圆粒有良好的适应性，满足农艺要求，在作业效率和排种质量上有一定提升。与当今气吸式排种器相对比，具有结构简单、工作稳定、操作轻便的特点；但在小球形和马齿形籽粒的适应性上仍需对关键部件进行独立改进设计。