型孔可变凸轮式大豆精量排种器的设计与试验

2024-05-22陶珍董慧峰许洋洋傅晓珍李瑞芳

江苏农业科学 2024年7期

陶珍董慧峰许洋洋傅晓珍李瑞芳

陶珍，董慧峰，许洋洋，等. 型孔可变凸轮式大豆精量排种器的设计与试验［J］. 江苏农业科学，2024，52（7）：192-197.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.026

（1.郑州工业应用技术学院工程训练与创新中心，河南新郑 451100； 2.郑州工业应用技术学院机电工程学院，河南新郑 451100； 3.黄河明珠水利水电建设有限公司，河南三门峡 472000）

摘要：为提高窝眼轮式大豆排种器的工作性能，对排种盘结构进行优化改进，设计了一种型孔可变凸轮式大豆精量排种器，对排种器的结构、工作原理等进行了分析。根据大豆种子的几何尺寸确定了排种器结构的关键参数：排种盘直径为200 mm、宽度为50 mm、型孔直径为12 mm、型孔深度为15 mm、凸轮偏距为7 mm。利用EDEM软件对大豆排种器进行仿真试验，并对试验结果进行响应面分析，得到最优参数组合：排种盘转速为34.68 r/min、转速比为1.59、型孔数量为24.23个，排种合格率为98.132 4%。选取排种盘转速为35 r/min、转速比为1.6、型孔数量为24个进行台架试验，得到排种器合格率为97.64%，与仿真试验结果之间的误差相对较小，能够满足实际作业要求。

关键词：大豆；排种器；型孔可变；凸轮；EDEM仿真；响应面分析

中图分类号：S223.2 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2024）07-0192-06

排种器是播种机的核心部件，直接影响播种质量［1］，目前排种器的型式主要分为2种［2-3］：机械式和气力式，其中机械式排种器具有结构简单、成本低等优点，在我国使用较为广泛［4-5］。为提高机械式排种器的充种性能，相关研究人员开展了大量工作，黄玉祥等针对大豆播种过程中排种器充种效果差的问题，设计了一种侧置导引式排种器，利用导引板实现种子有序充种，提高了充种性能［6］。刘宏新等为提高充种指数，设计了双腔立式复合圆盘排种器，通过对充填力学进行分析确定了倾斜角为20°［7］。陈玉龙等设计了一种凸勺排种器，利用EDEM软件进行仿真分析，确定了凸勺半径和倾角［8］。李阳等在传统窝眼轮式排种器的基础上设计了一种大豆凸轮排种器，利用凸轮推杆机构控制型孔深度，實现型孔容积可变［9］。安雪等针对大豆播种机作业过程中株距可变性，采用步进电机对排种器转速进行控制，实现株距快速调节［10］。顿国强等为提高排种器的充种性能，对种子与型孔尺寸间的关系进行研究分析，确定了型孔均径比范围为1.43～1.87［11］。屈哲等为提高排种器对种子的适应性，对排种器的型孔参数进行优化，并利用EDEM软件进行仿真分析［12］。牛媛媛等设计了一种自扰动内勺式排种器，通过排种器内部的扰动杆对种子群进行搅动，从而提高充种效果［13］。贾洪雷等设计了一种双凹面摇杆式排种器，利用凸轮控制摇杆摆臂实现取种、排种作业［14］。刘龙等为适应种子在型孔内的充种效果，设计了一种种窝可调式内充种排种器，通过改变排种盘型孔容积提高播种质量［15］。以上研究主要通过对排种器的结构进行设计与优化，提高排种器的作业性能。

本研究从大豆种子多粒预充种的角度出发，设计一种型孔可变凸轮式大豆精量排种器，通过凸轮半径的变化控制型孔容积的大小，实现大豆种子在充种过程中进行多粒充种。

1 排种器结构与工作原理

1.1 整体结构

排种器结构如图1所示，主要由壳体、种箱、排种盘、凸轮、清种毛刷等组成。其中，凸轮通过螺栓固定在排种器壳体上，排种盘由排种轴带动，清种毛刷与排种盘在链条传动下做同向运动。与传统的窝眼轮式排种器不同，该排种器通过凸轮半径的不同使型孔具有多粒预充种的功能，实现型孔容积可变。

1.2 工作原理

大豆排种器工作过程主要分为充种、清种、携种和投种4个阶段，如图2所示。当排种器工作时，靠近排种盘型孔的种子在自重和种子间挤压力共同作用下，使靠近型孔的2粒种子优先进入型孔，随着排种盘的转动，在凸轮的作用下，型孔容积逐渐变小，将型孔内上部的种子向上顶出，使型孔内只保留1粒种子，完成充种；随着排种盘的继续转动，携种型孔经过清种区，在清种毛刷的作用下，将型孔周边多余的种子清出，完成清种；清种后的携种型孔在排种盘的转动作用下进入携种区，将种子携送至投种口部位，完成携种；当携种型孔运动至投种区时，型孔的种子在重力和离心力的作用下脱离型孔完成投种。

2 关键部件设计

2.1 大豆种子几何尺寸测量

在排种器关键结构参数设计过程中，应根据种子的实际形态和尺寸进行选取，以此提高播种质量。选取河南省种植较多的商豆1201品种作为研究对象，随机选取100粒种子对其三轴尺寸［（长（L）、宽（W）、厚（T）］进行测量，结果见表1。

大豆的几何均径Dg和球度Sp的计算公式分别为：

Dg=3LWT；（1）

Sp=3LWT×100%。（2）

式中：L为种子的长，mm；W为种子的宽，mm；T为种子的厚度，mm。

计算可得商豆1201种子的均径为7.37 mm，标准差为1.13 mm，球度为86.73%。

2.2 排种盘直径的确定

排种盘完成排种器工作过程中的取种、清种和携种作业，排种盘的结构设计对排种器的工作性能具有重要影响。根据文献［6］选取排种盘直径D为200 mm左右，排种盘宽度B为50 mm，如图3所示。

2.3 型孔结构参数的确定

型孔结构直接影响排种器的工作性能，是排种器结构的核心设计参数。目前窝眼轮式大豆排种器普遍使用的型孔形状主要有圆柱形、锥柱形和半球形，本研究选取圆柱形作为型孔结构。在作业过程中为防止漏播，种子在充种时先进行2粒预充种，种子在型孔内的状态存在多种情况，主要有9种（图4）。

相关研究表明，窝眼直径应为种子均径的1.5～1.7倍［11］。在预充种过程中，型孔每次充种个数与型孔参数和种子大小有直接关系。根据排种器的作业原理，在工作时，为了能够顺利完成充种，至少要保证2粒种子能够进入型孔，结合种子尺寸和充种状态，则型孔参数需满足：

2T≤h≤2L

1.5Dg≤b≤1.7Dg。（3）

式中：T为种子厚度均值，mm；L为种子长度均值，mm；Dg为种子均径，mm；h为型孔深度，mm；b为型孔直径，mm。

由表1可知，商豆1201种子的长度均值L为 8.554 mm，厚度均值T为6.291 mm，均径Dg为 7.37 mm，带入公式（3）计算可得：12.582 mm≤h≤17.108 mm、11.055 mm≤b≤12.529 mm，故选取型孔深度为15 mm、型孔直径为12 mm。

2.4 凸轮结构参数的确定

凸轮是控制排种盘型孔深度的关键结构。在充种区前部预充种时保证型孔内能够容纳2粒种子，在充种区后部型孔深度逐渐变小，[JP2]使型孔内只保留1粒种子，凸轮结构如图5所示。为保证在充种区后部使型孔只保留1粒种子，凸轮偏距s应满足：

s≤h2。（4）

由排种盘参数可知，型孔深度h为15 mm，即凸轮偏距s≤7.5 mm，故选偏距s为7 mm。

3 排种器性能仿真试验

3.1 参数设置

利用Solidworks软件对排种器进行建模并简化模型，并将文件导入到EDEM 2.6中，根据前述的大豆种子尺寸参数，建立种子模型，颗粒间的接触模型选择Hertz-Mindlin无滑动模型，排种器参数选取见表2［16-18］。

在仿真过程中，设置颗粒生成数为500粒，生成速率为5 000粒/s，颗粒类型为正态分布，仿真模型如图6所示。

3.2 仿真试验

3.2.1 试验设计

为获取大豆排种器的最佳参数，

根据相关文献，选取排种盘转速A为30、40、50 r/min；转速比B（毛刷与排种盘的转速比）为1.0、1.5、2.0；型孔数量C为18、22、26个，在EDEM 2.6软件中进行仿真试验，试验因素与水平取值见表3。

3.2.2 仿真试验结果

根据表3进行仿真试验，结果见表4。根据试验结果对响应参数进行分析并建立数学模型。

3.2.3 排种合格率的回归结果分析

根据响应面Box-Behnken模型，将各因素进行回归拟合，得到排种合格率y的回归模型：

y=97.43-1.57A-0.111 2B+1.07C-0.407 5AB-0.665AC+0.29BC-1.9A2-0.751 8B2-1.32C2。（5）

式中：A、B、C分别为排种盘转速、转速比、型孔数量。

由表5中方差分析结果可知，模型极显著（P＜0.000 1）、失拟项不显著（P=0.096 8）、模型的调整决定系数为0.992 4，说明所得回归数学模型与实际结果拟合精度高，即此仿真模型的结果可用于排种器性能的分析和预测。在回归方程中，各因素系数的绝对值大小能够直接反映该因素对工作性能影响的大小，各因素对排种器合格率的影响大小次序为A>C>B。

3.2.4 排种合格率与各参数响应曲面分析

根据表4中的试验数据，制作各因素对排种合格率的响应曲面图，能够更加直观地表现出各因素与排种合格率之间的关系，如图7至图9所示。

由排种盘转速（A）和转速比（B）的响应曲面图（图7）可知，排种合格率随排种盘转速（A）的曲面变化相对明显，而随转速比（B）的曲面变化相对平缓。当型孔数量（C）处于0水平、转速比（B）为定值时，排种合格率y随着排种盘转速（A）的增大呈现先升高后降低的趋势，且存在一个最优值。当排种盘转速（A）为定值时，排种合格率y随着转速比（B）的增大呈现先升高后降低的趋势，但曲面变化相对平缓，存在一个最优值。

由排种盘转速（A）和型孔数量（C）的响应曲面图（图8）可知，排种合格率随型孔数量（C）的曲面变化相对明显，而随排种盘转速（A）的曲面变化相对平缓。当转速比（B）处于0水平、型孔数量（C）为定值时，排种合格率y随着排种盘转速（A）的增大呈现先升高后降低的趋势，且存在一个最优值。当排种盘转速（A）为定值时，排种合格率y随着型孔数量（C）的增大呈現先升高后降低的趋势，且曲面变化相对明显，存在一个最优值。

由转速比（B）和型孔数量（C）的响应曲面图（图9）可知，排种合格率随型孔数量（C）的曲面变化相对明显，而随转速比（B）的曲面变化相对平缓。当排种盘转速（A）处于0水平、型孔数量（C）为定值时，排种合格率y随着转速比（B）的增大呈现先升高后降低的趋势，且存在一个最优值。当转速比（B）为定值时，排种合格率y随着型孔数量（C）的增大呈现先升高后降低的趋势，且曲面变化相对明显，存在一个最优值。

由响应面BBD模型优化得到大豆排种器的排种性能试验最佳参数：排种盘转速为34.68 r/min、转速比为1.59、型孔数量为24.23个，此时排种合格率的最大值为98.132 4%。

4 验证试验

为了检验大豆排种器在仿真优化参数条件下的排种性能，为方便排种器参数设置，选取排种盘转速为35 r/min、转速比为1.6、型孔数量为24个。2023年4月15日在河南农业大学机电工程学院农机实验室内将排种器搭建在STB-700排种器性能试验台（中国农业大学研制）上进行验证试验，待排种器工作稳定后，统计50粒大豆种子的排种合格率，重复5次试验取其平均值，试验结果表明排种合格率为97.64%，与仿真试验在最优参数组合条件下的预测值相差0.492 4%，说明该模型拟合度较高，响应面优化模型的可靠性高，能够用来对排种器参数优化设计进行预测。

5 结论

本研究设计了一种型孔可变凸轮式大豆精量排种器，通过对排种器的结构、工作原理进行分析，根据种子的几何尺寸确定了排种器的基本参数：排种盘直径为200 mm、宽度为50 mm、型孔直径为 12 mm、型孔深度为15 mm、凸轮偏距为7 mm。

采用EDEM软件对排种盘的转速、转速比和型孔数量在不同参数组合下进行仿真试验，根据试验结果得到排种器最优参数组合：排种盘转速为34.68 r/min、转速比为1.59、型孔数量为24.23个，在此条件下排种合格率的最大值为98.132 4%。台架试验结果表明，当排种盘转速为35 r/min、转速比为1.6、型孔数量为24个时，排种合格率为97.64%。

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