大豆凸轮排种器的设计与优化

李阳 雷一腾 胡斌

摘要：垂直圆盘窝眼轮式排种器是目前我国广泛使用的一种机械式排种器，但其存在伤种和投种精确度差等问题，为了提高窝眼轮式排种器的投种精确度，设计了1种凸轮推杆结构的窝眼式排种器，对其主要部件进行研究设计和理论计算，利用离散元软件EDEM对排种器进行仿真试验，并利用Design-Expert软件设计BBD（Box-Behnken design）响应曲面试验，进行优化求解，得到排种器的最优参数为型孔直径9.5 mm，深度6.8 mm;台架验证试验表明，排种器在小于8 km/h的速度下，可以满足精密播种要求。

關键词：排种器;凸轮;离散元;响应曲面法

对于大豆、玉米等中耕作物，精密播种以单粒为主，保证粒距和播深一致才能为增产丰收提供保障。大豆排种器按照工作原理可分为机械式和气力式[1-3]，由于气力式排种器须配备风机及管路，造价高且使用维护复杂，目前国内依然以机械式排种器为主。机械式排种器分为垂直圆盘窝眼轮式[4]、水平圆盘式[5-6]、勺式[7]、指夹式等，其中被广泛用于大豆播种作业的是窝眼轮式排种器。传统的窝眼轮式排种器加工成本低，结构简单，但工作速度较低，播种的粒距均匀性以及对不同粒径种子的通用性较差。为了提高窝眼轮式排种器的排种性能，本研究设计了1种大豆凸轮式排种器，对其进行离散元仿真优化，得到排种器的最优参数，并进行台架试验验证。

1 排种器的结构及工作原理

凸轮排种器采用凸轮推杆机构实现定点强制排种，排种器的结构见图1。

该排种器在传统垂直圆盘窝眼轮式排种器内加入凸轮推杆机构，依靠凸轮外廓曲线控制推杆在型孔中有规律地伸缩，从而使型孔容积可变，在型孔容积变小的过程中实现强制排种。型孔容积可变式精密排种器工作过程如下：在储种室内，种子依靠重力充填入型孔，转动到清种区时，清种刷把多余的种子清除，使型孔内仅含有1粒种子;随后在橡胶护种板的保护下，携带种子的型孔运动到最下方的排种区。在此之前型孔的容积保持不变，但在排种区，推杆运动到凸轮的升程阶段，推杆向外运动，型孔容积变小，迫使型孔内的种子排出，即使种子堵塞在型孔中也能顺利排出;排出种子的型孔转过投种区后，推杆运动到凸轮的回程阶段，推杆便在弹簧压缩力作用下回缩，型孔容积由小变大，随后再次进入储种室，进入下一次排种循环。在排种过程中凸轮推杆机构使种子在排种器固定位置强制排出，从而保证整个排种过程是可控的，即仅存在强制排种，各种子在排种器同一位置排种，进而形成均匀的排种时距，可保证形成明显等时距的均匀种子流。各种子间排种时距一致，排种位置相同，从而种子运行轨迹相同，这样便提高了排种器的排种粒距一致性。

2 关键部件设计与理论分析

2.1 型孔圆盘的设计

5 结论

本研究设计了1种凸轮排种器，由凸轮带动推杆运动，使型孔的大小不断变化，提高了窝眼轮式排种器的排种性能。通过理论计算，对型孔圆盘和凸轮结构进行设计，并利用离散元仿真，采用BBD响应曲面试验方法，对排种器的直径、倒角和深度进行优化设计，得到型孔直径的最优值为9.5 mm，型孔深度为6.8 mm。台架试验表明，当速度小于8 km/h时，排种器的排种性能满足精密播种要求。

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