气力式玉米精量排种器的动力学分析与仿真

李 猛

（河北农业大学，河北 保定 071001）

在农业生产过程中，播种是首要环节，播种质量会直接影响农业收成。精量播种是将农作物播种到沟或洞中，并以一种高精度的粒度、距离和播种高度来覆盖土壤的过程。精量播种可以减少种子使用量、缩短间苗时间、使作业过程省时省力，而且不会污染种子，能够给幼苗创造一个良好的生长环境、提高作物的质量和产量、实现农民增产增收。排种器是精量播种机的核心部件，排种器的质量将直接影响整个机器的使用性能。对排种器的结构和关键参数进行研究和优化，可以显著增加播种质量［1］。采用现代设计方法和计算机仿真技术对排种器进行研究，模拟产品的应用场景和动力学测试，降低了传统设计中对物理模型的依赖，极大提高了设计效率。

气力式玉米精量播种机的排种器利用气流压力差从种子室攫取单位种子并依次将其排出，与机械式精量播种机相比，具有不伤种子、对种子外形尺寸要求不严、整机通用性好、作业速度高等优点。

1 排种器的结构与工作原理

气压组合孔式玉米精量排种器主要由排种盘、壳体、推种板、输种管和侧挡板等部件组成（见图1）。其工作原理是通过在排种盘上建立曲线导槽，与气流共同作用，使种子流动起来。气流进入后，形成压力差，种子随排种盘一起运动，刮种器和推种板形成双侧清种结构，保证了播种的单粒性，而侧挡板保证了种子下落的方向，当种子运动到一定位置，就会自由落体掉入输种管，完成排种工作［2］。

图1 气压组合孔式玉米精量排种器结构简图

气吸式玉米精量排种器主要由气室、排种盘、刮种器、搅种轮、排种轴及壳体6部分组成（见图2）。其工作原理是种子初始从储存的地方到达气吸式玉米精量排种器的内部，通过气室和风机互相配合的方式，形成压力差，使种子可以吸附在排种盘上，与此同时，搅种轮一直在搅拌种子，使种子动起来，便于刮种器将多余的种子剔除，只剩下合适数量的种子。在投种区内，排种盘的两边和空气相通，此时没有真空度，压力差消失之后种子便不能吸附在排种盘上，做自由落体运动进入到导种管，完成排种工作［3］。

图2 气吸式玉米精量排种器结构简图

2 排种器相关部件参数的确定

排种盘的直径很重要，直径越大，型孔数越多，在同样条件下，转速会越低，有利于吸种。但其直径也不可过大，如果排种盘尺寸过大，则负压气室会增加，风机消耗也会增加。而玉米种子质量较小，所需风压低，风压功率消耗小，因此，合适的直径为140～260 mm。

排种盘的导槽在设计上有利有弊，优点是可以使种子运动起来，缺点是种子容易被卡住，从而出现漏播或者损坏种子的问题。因此，需要在排种盘上设计一条曲线，让种子在合适的时间和距离上掉落。播种玉米时，玉米之间的距离要保证相等且适宜，不能过宽也不能过窄，不能过远也不能过近，过窄或过近会导致发育较好的玉米植株抢夺养分，而另一颗无法长出玉米，降低收成；而过远或过宽会浪费播种面积，同样会导致产量下降。所以，一定要保证两株玉米之间的距离相等，且种子必须做匀速直线运动。通过运动学分析，排种盘的导槽轨迹是一条渐开线。

气压组合孔式排种盘的组合型孔包括排种盘导槽和导槽与下壳体相接触的部分，其主要设计参数包括型孔外径、型孔内径、型孔锥角、型孔中心到曲线导槽的长度。

气吸式玉米精量排种器吸孔的个数受多方面条件影响。在保证吸种、刮种、落种正常进行的情况下，应该让吸孔尽可能多一些，但吸孔数不宜太多，太多时吸孔之间距离太近会增加刮种难度，而且也会增加漏气的风险，使排种性能下降，严重的可能导致机器不能使用。孔径大小需要根据种子的大小来确定，在合理范围内，孔径越大，吸附种子需要的真空度就越低，但当吸孔直径超过一定值之后，会导致种子不能沾满吸孔，产生漏气现象，进而降低排种性能［4］。

3 排种器建模和运动仿真

本文采用Solidworks软件进行三维建模，然后用Ad‐ams软件进行运动仿真分析，在Adams软件中对排种器模型定义约束和运动，并施加作用力［5］（见图3）。首先，采用Adams软件的旋转驱动命令。其次，对轴和壳体2个零件旋转的部件施加运动指令：270 d*time，对直线运动部件添加2个直线运动指令：1 250*time，并给机器添加适合的力。采用Adams仿真功能，分别模拟气压组合孔式和气吸式玉米精量排种器中种子与排种器运动的过程。对排种器充种过程进行仿真，气压组合孔式和气吸式均可通过if语句相乘的方式来实现种子运动这一充种过程。在Adams软件中，点击函数编辑器，并输入以下函数关系式：，当设定仿真时间为2.0 s、旋转运动为4.71 rad/s时，气吸式排种器，0.0～0.1 s时间内种子不动，搅种轮旋转；0.1 s后，种子随搅种轮一起运动。而气压组合孔式排种器，0.0～0.1 s时间内种子不动，排种盘旋转，0.1 s后种子随排种盘一起运动。对排种器清种过程进行仿真，分析气压组合孔式和气吸式排种器清种过程排种孔中心与轴心的连线与重力方向的夹角变化以及种子在真空室范围内所受摩擦力的变化。

图3 对模型定义约束和运动

通过对两种排种器结构和运动过程的仿真，笔者发现气吸式排种器不仅在结构上相对简单，而且其排种盘上分布的导槽曲线能够适应任何非规则形状种子，并且能在高速的情况下高效完成工作。