勺式精量玉米排种器取种凹勺改进设计与试验

王希英，王金武，唐汉，江东旋，李超，高军伟

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨 150088）

勺式精量玉米排种器取种凹勺改进设计与试验

王希英1,2，王金武1*，唐汉1，江东旋1，李超1，高军伟1,2

（1.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江农业工程职业学院，哈尔滨 150088）

为满足精密播种作业，以勺式精量玉米排种器为研究载体，建立充种过程动力学模型，分析工作转速对种勺持种性能影响，设计一种组合曲面式取种凹勺。以工作转速、种勺长度、种勺高度和种勺包角为试验因素，排种合格指数和变异系数为试验指标，进行EDEM正交虚拟排种试验。结果表明，影响排种器排种性能因素依次为：工作转速、种勺包角、种勺长度、种勺高度。排种器工作转速20 r·min-1、种勺长度14 mm、种勺高度13.5 mm、种勺包角19°时，排种质量最优，合格指数为92.35%，变异系数为11.23%。通过台架验证性试验，结果显示，台架试验结果与虚拟仿真基本一致，排种器作业质量随工作转速增加而降低，合格指数最大误差为4.9%。

排种器；取种凹勺；设计；试验；EDEM

网络出版时间2015-12-25 13:11:02[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20151225.1311.040.html

王希英,王金武,唐汉,等.勺式精量玉米排种器取种凹勺改进设计与试验[J].东北农业大学学报,2015,46(12):79-85.

Wang Xiying,Wang Jinwu,Tang Han,et al.Improve design and experiment on spoon of spoon precision seed metering device[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(12):79-85.(in Chinese with English abstract)

精密排种器是实现精量播种核心部件，按其工作原理分为机械式和气力式两类[1-2]。气力式排种器具有通用性好、可靠性高等优点，但存在结构复杂、故障率高等问题。现阶段机械式排种器因结构简单、维修方便、造价低廉等特点被广泛使用[3]。勺式排种器作为机械式排种器，是目前应用最广泛排种器之一。但作业过程存在作业性能不稳定、难以适应高速作业等缺点，无法满足精密播种要求。

国内外学者对此类排种器研究较多，以结构形式创新居多。李成华等研制出倾斜圆盘勺式排种器，并对充种、清种及投种过程进行理论分析，为其关键部件结构优化提供理论[4]。孙士明等以4种不同形状尺寸等级玉米种子为研究对象，通过台架试验研究勺式排种器播种适应性[5]。曹成茂等将机械勺与气吹两种方式结合，创新设计适用于水稻直播气吹辅助勺轮式排种器[6]。以上研究可见，通过优化设计与创新提高机械式排种器性能潜力较大。

近些年随计算机技术发展，离散元素法（Discrete element method，DEM）及其数值模拟仿真软件EDEM在农业工程领域广泛应用[7-10]，为研究颗粒群体运动规律提供良好平台与手段。本文以勺式精量排种器为研究载体，建立充种过程动力学模型，分析玉米籽粒尺寸及工作转速对种勺持种性能影响，设计一种组合曲面式取种凹勺。在此基础上，运用离散元软件EDEM作正交排种虚拟试验，对排种器关键部件取种凹勺优化改进，并通过台架试验验证仿真结果合理性。

1　排种器结构与工作原理

1.1主要结构

如图1a所示，排种器主要由充种壳体、取种凹勺、勺盘、导种轮、排种盘、导种护罩和排种轴等部件组成。其中取种凹勺是排种器核心部件之一，其结构设计与尺寸参数合理性直接影响机具作业质量。取种勺盘由18个取种凹勺通过勺盘连接成组合件，与排种盘及导种轮依次固定于排种轴上。排种盘由镀锌钢板制成，以增加玉米籽粒摩擦系数，其表面设有60°导种口，以便于清种与导种间过渡。导种轮上设有18个凹槽，与排种盘及导种护罩形成18个导种室。排种器后端盖设有窥视孔，可实时对导种区监测。

图1　勺式精量玉米排种器Fig.1Spoon precision seed metering device

1.2工作原理

排种器工作过程主要分为充种、清种、导种和投种4个阶段，如图1b所示。正常作业时，玉米籽粒由种箱填充至充种室内，机具行走轮通过链传动将动力传至排种轴，并带动取种勺盘旋转运动，玉米籽粒在取种勺盘旋转搅动作用下分种，形成速度不等圆周种子层。在籽粒自身重力、籽粒间碰撞摩擦力及种勺支持力共同作用下进入种勺凹孔内，完成充种过程。当种勺推送籽粒至排种器顶部时，由于力系方向变化，使悬于勺口多余种子在重力作用下滑落，完成清种过程。单粒玉米由导种口投入排种器背面导种室内，导种轮与勺盘同步旋转，将单粒籽粒送入投种口投放，完成导种、投种过程，实现精量播种作业。

2　关键部件结构设计与分析

2.1取种凹勺结构设计

取种凹勺是排种器关键部件之一，其结构形状及尺寸参数直接影响排种器充种、清种及导种效果。本文以玉米籽粒几何参数为设计依据，对充种、持种过程进行动力学分析，优化设计一种组合曲面式取种凹勺。

如图2所示，组合曲面式取种凹勺主要工作部位为三段不同功能凹曲面，即侧切弧面、过渡弧面和支撑弧面。侧切弧面由倾斜圆柱体与种勺顶部斜交形成曲面，其倾斜角随种勺深度增加而逐渐增大，曲面转过单位角度，其径向开口宽度相同，在充种推送过程中，对籽粒切向分种，以平衡排种盘产生摩擦力。过渡弧面是由三维空间曲线组成，此区域种勺深度较大，平衡籽粒自身重力，以提高种勺持种过程流畅性，增强籽粒重力清种作用。支撑弧面为光滑圆角曲面，推送过程中支撑籽粒，实现运动平衡状态，减少充种过程对籽粒损伤。取种凹勺顶端曲面、三维空间曲面、经过曲面开口边与种子作用平行平面及排种盘平面共同组成空间持种区间。结构参数主要包括种勺长度L、种勺高度H和种勺包角θ。

为提高取种凹勺持种性能，减少充种室内种群对种勺碰撞及摩擦作用，防止出现伤种现象，种勺外表面为光滑过渡设计。种勺结构参数主要与玉米籽粒总体尺寸有关。种勺持种空间过大不利清除多余籽粒，出现重播现象；空间过小持种推送过程中易发生籽粒脱落、滑移，出现漏播现象。曲面包角与玉米籽粒自然堆积角关系密切，直接影响充种持种作用，角度过大，种勺对籽粒把持作用增强，出现多粒籽粒同时稳定存在现象；角度过小，种勺对籽粒把持作用减小，在充种阶段可顺利充种，但运动至导种口时籽粒易回落充种区内。设计应遵循：

图2　取种凹勺结构Fig.2Diagram of seed metering spoon

为提高取种、种勺、持种适应范围，优化结构参数，本文选取黑龙江地区种植范围较广3种玉米品种（德美亚1号、绥玉7号和佳禾158），测量籽粒外形尺寸及自然堆积角。根据式（1）、式（2）及玉米籽粒物理参数，设计取种种勺长度L=（13～18）mm，种勺高度H=（6～14）mm，种勺包角θ=（17～28）°。

2.2充种过程动力学分析

充种持种过程是排种器最重要工作环节之一，在此过程中种子自身重力、籽粒间碰撞摩擦力及种勺支持力组成相互平衡力系，以保证种勺与籽粒平稳运动。图3为充种持种过程动力学分析，以玉米籽粒为研究对象，分析工作转速与持种稳定性关系，具体如下：

图3　持种运动过程受力分析Fig.3Diagram of the force applied to the moving seed

由于种勺持种进入导种阶段位置固定，即充种持种角为定值，因此种勺旋转角（φ+ωt）随排种盘旋转运动不断变化，但始终保持在（0，π）范围内，根据达朗贝尔原理，将平衡力系沿径向及切向分解

式中，G-玉米籽粒所受重力（N）；（φ+ωt）-种勺旋转角（°）；ω-种勺运动角速度（rad·s-2）；at-玉米籽粒切向加速度（m·s-2）；FN1-种勺过渡弧面对籽粒支持力（N）；FN2-种勺侧切弧面对籽粒推送力（N）；Fs-玉米籽粒与排种盘间摩擦力（N）；Fe-玉米籽粒所受离心力，其值为（mRω2，N）；μ-籽粒与排种盘间摩擦因数。PN-排种盘面对籽粒支持力（N）；F'N-种勺侧切弧面对籽粒护种压力（N）。

对式（3）中径向力分解，并二阶求导得

式（5）中sin（φ+ωt）恒大于零，因此可判断其二阶导数小于零，即种勺过渡弧面支持力函数以凸曲线趋势变化，分析可知，随工作转速逐渐增加，种勺对玉米籽粒作用力先增大后减小。

3　EDEM排种仿真虚拟试验

为优化取种凹勺结构参数，提高排种器充种持种性能和稳定性，以工作转速、种勺长度、种勺高度和种勺包角为试验因素，排种合格指数和变异系数为试验指标，运用离散元仿真软件EDEM进行正交排种虚拟试验。

3.1几何模型建立

为便于仿真模拟及计算，应用三维软件Pro/E对排种器建模，以igs.格式导入EDEM软件中，如图4所示。设定种勺材料为铝合金，泊松比0.42，剪切模量1.7×1010Pa，密度2 700 kg·m-3。排种盘材料为钢，泊松比0.3，剪切模量7×1010Pa，密度7800kg·m-3[11]。

3.2玉米籽粒离散模型建立

以德美亚1号玉米籽粒外形尺寸为参考依据，按长、宽、厚频率分布均值建立三维模型[12]，在EDEM软件中通过多球面组合方式填充，模拟颗粒状态见图5。根据文献设置玉米颗粒泊松比0.357，剪切模量2.17×108Pa，密度1 250 kg·m-3[11]。

图5　EDEM玉米种子模型Fig.5EDEM model of corn grain

3.3其他参数设定

由于玉米种子表面无黏附作用，因此选择Hertz-Mindlin无滑动模型为虚拟试验接触模型[10]。根据充种壳体内实际情况，设置EDEM颗粒工厂以800个·s-1速率生成初速度为0 m·s-1玉米种子模型，总量为1 200粒，生成颗粒总时间为1.5 s，以保证充种区内有足够量颗粒模型用于仿真。

3.4排种虚拟仿真过程

为保证仿真连续性，设置固定时间步长为4.2×10-6s，Rayleigth时间步长10%，总时间为20 s（前1.5 s为充种过程）。每次模拟后在投种口处设置网格单元体，以便计算排种性能相关指标。

如图6所示，为排种器虚拟作业过程。图中彩色颗粒不同颜色变化表示其运动速度变化，通过分析即可清楚表示玉米颗粒运动状态。为便于观察仿真过程中充种、清种及导种状态，设置排种器后侧导种室为虚隐状态，图6b和6c为虚隐后排种器工作状态。

3.5试验因素和指标

为检测取种凹勺作业性能，确定较优种勺结构参数，选取工作转速、种勺长度、种勺高度和种勺包角为影响因素。根据GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》，选取合格指数和变异系数为试验指标，计算公式如下：

式中，N-理论排种数；n1-单粒排种数；σ-排种标准差；S-合格指数；C-变异系数。

通过改变取种凹勺参数化模型，进行虚拟正交仿真试验。根据理论分析和实际作业转速要求，进行单因素预试验，以合理控制因素变化范围，因素水平编码如表1所示。

图6　EDEM排种仿真Fig.6EDEM simulation process of seed metering

3.6试验方案与结果分析

考虑试验因素间交互作用相对较小，可忽略其影响，根据正交试验“尽可能选用小号正交表”原则，选用L9（34）正交表，试验方案和结果见表2。

分析可知，排种合格指数越大，表明取种凹勺充种持种性能最好，排种作业性能越高；排种变异系数越小，表示排种作业性能越稳定。由试验结果可知，影响合格指数S各因素主次顺序为工作转速A＞种勺包角D＞种勺长度B＞种勺宽度C，较优因素水平组合为A1B1C3D2。影响变异系数C各因素主次顺序为工作转速A＞种勺长度B＞种勺包角D＞种勺宽度C，较优因素水平组合为A1B3C2D2。以高合格指数低变异系数为原则，确定影响取种凹勺持种性能因素主次顺序为工作转速A＞种勺包角D＞种勺长度B＞种勺宽度C，较优因素水平组合为A1B1C3D2。在此基础上虚拟验证试验，即排种器工作转速20 r·min-1、种勺长度14 mm、种勺高度13.5 mm、种勺包角19°时，得到虚拟合格指数92.35%，变异系数11.23%。

4　试验

为验证仿真试验优化结果，进行排种器台架试验。试验地点为东北农业大学排种性能实验室。试验品种选取德美亚1号玉米籽粒，通过分级清选处理，保证种子间形状尺寸基本一致。试验样机为勺式精量玉米排种器，根据仿真优化结果，制造取种凹勺结构参数为：种勺长度14 mm、种勺高度13.5 mm、种勺包角19°。试验仪器采用黑龙江省农业工程科学研究院研制JPS-12型排种器性能检测试验台。试验过程中排种器固定不动，种床带相对于排种器反向运动，种子从排种口落至涂有油层种床带上，通过试验台图像采集处理装置实时检测，以准确测定各项排种性能指标[13]，如图7所示。

表2　试验方案和结果Table 2Results and design of tests

图7　排种性能试验台Fig.7Test bench of seeding performances experiments

试验过程中，分别以15、20、25、30、35、40、45 r·min-1工作转速排种，保证每组试验测定玉米种子取种量为1 200粒，设定链轮传动比为1∶1.4，其他各项参数保持恒定。

参考GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》选取合格指数和变异系数为试验指标，3次重复试验，统计处理数据取平均值作为试验结果，如图8所示。

图8　排种质量变化趋势Fig.8Trend diagram of seeding performances

根据台架试验结果与EDEM虚拟仿真对比可见，台架试验结果与虚拟仿真基本一致，合格指数随工作转速增加而降低，变异系数随工作转速增加而增加。工作转速（20 r·min-1）时，优化后取种凹勺排种合格指数为88.03%，变异系数为12.57%，台架试验与虚拟仿真最大误差为4.9%，造成误差主要原因可能是实际作业环境、机具作业状态及种子形状差异与理想状态存在差距，但误差在可接受范围内。

5　结论

a.以勺式精量玉米排种器为研究载体，建立充种过程动力学模型，分析玉米籽粒尺寸及工作转速对种勺持种性能影响，设计组合曲面式取种凹勺。

b.以工作转速、种勺长度、种勺高度和种勺包角为试验因素，排种合格指数和变异系数为试验指标，以EDEM正交排种虚拟试验。结果表明，影响排种器排种性能因素依次为：工作转速、种勺包角、种勺长度、种勺宽度。排种器工作转速20 r·min-1、种勺长度14 mm、种勺高度13.5 mm、种勺包角19°时，排种性能最优，其合格指数为92.35%，变异系数为11.23%。

c.台架验证性试验结果表明，台架试验结果与虚拟仿真基本一致，排种器作业质量随工作转速增加而降低；工作转速20 r·min-1时，合格指数为88.03%，台架试验与仿真结果合格指数最大误差为4.9%。

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Improve design and experiment on spoon of spoon precision seed metering device

WANG Xiying1,2,WANG Jinwu1,TANG Han1,JIANG Dongxuan1,LI Chao1, Gao Junwei1,2(1.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China; 2.School of Engineering,Heilongjiang Vocation Institute of Agricultural Engineering,Harbin 150088,China)

In order to meet the requirements of precision planting,with spoon precision seed metering device as the study carrier,the dynamical filling-seed model of spoon was established,and then analyzing the influence of rotational speed to improve seeding performance.The optimal design of structural parameters of spoon was conducted based on the analysis of the working principle.The discrete element method(DEM)model of spoon precision seed metering was established.The orthogonal seeding performance experiments of numerical simulation were carried out with the rotational speed,the length of spoon,the width of spoon and the wrap angle of spoon as the experiment factors,the seeding qualified index and the seeding coefficient as the experimental indexes.The simulation results showed that the primary and secondary order of the effects of every factor was the rotational speed,the wrap angle of spoon,the length of spoon and the width of spoon.The rotational speed was 20 r·min-1,the length of spoon was 14 mm,the width of spoon is 13.5 mm and the wrap angle of spoon was 19°,and the seeding qualified index was 92.35%,the seeding coefficient was 11.23%.In the same condition,the bench test was done.The test results showed that with the increaseof rotational speed,the seeding quantity had a decreasing trend,and the maximum error of the qualified index was 4.9%,this paper could provide the guidance and direction for the research of mechanical precision seed-metering device and its key components.

metering device;spoon;design;experiment;EDEM

S223.2

A

1005-9369（2015）12-0079-07

2015-09-09

“十二五”国家科技支撑计划资助项目（2014BAD06B04）

王希英（1982-），女，博士，讲师，研究方向为农业机械装备。E-mail:wxy_820221@163.com

王金武，教授，博士生导师，研究方向为田间机械及机械可靠性。E-mail:jinwuw@163.com