勺輪式排種器設(shè)計(jì)與大豆種子離散元法排種仿真

袁桂珍，張 濤，劉月琴，3

(1.烏蘭察布職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070)

勺輪式排種器設(shè)計(jì)與大豆種子離散元法排種仿真

袁桂珍1，張 濤2，劉月琴2，3

(1.烏蘭察布職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，呼和浩特 010018；3.內(nèi)蒙古機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，呼和浩特 010070)

排種器作為播種機(jī)關(guān)鍵部件，其工作性能與可靠性直接影響播種機(jī)整體作業(yè)質(zhì)量。機(jī)械式排種器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，勺輪式排種器作為機(jī)械式排種器的一種，在硬度較大、較規(guī)則種子播種作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。為此，應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一種勺輪式排種器，應(yīng)用離散元軟件對(duì)排種器排種大豆種子進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，得到了排種器工作性能較好的工作參數(shù)。由離散元軟件計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬結(jié)果得到：勺輪組合轉(zhuǎn)速為10～13 r/min，排種器種子室內(nèi)種子數(shù)量在1 800～2 100粒時(shí)，排種器整體工作性能較好；且適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)可提高本設(shè)計(jì)的排種器的工作性能。該研究為勺輪式排種器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一種方法。

排種器；取種勺；離散元；重播；漏播

0 引言

大豆作為黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古等地區(qū)重要經(jīng)濟(jì)作物被廣泛種植。大豆機(jī)械化精密播種是大豆機(jī)械化耕作重要組成部分。大豆精密排種器是機(jī)械化精密播種的基礎(chǔ)，其作用是將種子室內(nèi)的大豆種群按照播種要求一粒一粒落入導(dǎo)種管中。精密排種器分為機(jī)械式和氣力式兩大類。氣力式精密排種器具有不傷種、可靠性高、適合形狀不規(guī)則種子等優(yōu)點(diǎn)，但其具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高及故障率高等問(wèn)題。機(jī)械式排種器不宜播種易受傷種子和形狀不規(guī)則種子，但因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在播種硬度較大、較規(guī)則種子中得到廣泛應(yīng)用[1～3]。

隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬在農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化方面，得到了廣泛應(yīng)用。離散單元法(Discrete element method，DEM)可對(duì)排種器的排種過(guò)程進(jìn)行模擬，應(yīng)用離散元的后處理部分可得到種子室內(nèi)種群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而對(duì)單粒種子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確分析，為播種機(jī)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一種較好的方法[4-6]。

為此，應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計(jì)了一種勺輪式大豆排種器，且應(yīng)用離散元軟件對(duì)該排種器進(jìn)行了排種

大豆仿真分析，對(duì)關(guān)鍵部件勺輪組合和排種口進(jìn)行了優(yōu)化。離散元軟件模擬了勺輪組合不同轉(zhuǎn)速、排種室內(nèi)不同種子數(shù)量和振動(dòng)對(duì)大豆排鐘性能的影響，且分析了排種器較好的工作性能參數(shù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

勺輪式排種器結(jié)構(gòu)主要由排種器殼體、排種器軸、取種勺、導(dǎo)種護(hù)板、勺盤(pán)和排種口組成[7]，如圖1所示。

1.排種器殼體 2.排種器軸 3.取種勺 4.導(dǎo)種護(hù)板 5.勺盤(pán) 6.排種口

1.2 勺輪組合結(jié)構(gòu)

排種器勺輪組合由取種勺和勺盤(pán)組成，如圖2所示。其中，18個(gè)取種勺圓周分布固定在勺盤(pán)上，工作時(shí)排種器軸帶動(dòng)勺輪組合轉(zhuǎn)動(dòng)，完成取種、護(hù)種和投種的工作過(guò)程。

圖2 勺輪組合模型

1.3 排種器殼體組合結(jié)構(gòu)

排種器殼體組合由排種器殼體、導(dǎo)種護(hù)板、排種口和排種口擋板組成，如圖3所示。導(dǎo)種護(hù)板將排種器殼體分為兩個(gè)室：一側(cè)為種子室，一側(cè)為導(dǎo)種室。導(dǎo)種室與種子室下側(cè)聯(lián)通，排種口與導(dǎo)種室聯(lián)通。排種口內(nèi)測(cè)與導(dǎo)種室連接處安裝有排種口擋板，當(dāng)種子室內(nèi)種子過(guò)多時(shí)，排種口擋板阻止種子進(jìn)入排種口；當(dāng)勺輪組合轉(zhuǎn)速低，離心力小時(shí)，排種口擋板阻止種子落回種子室，起到引導(dǎo)種子進(jìn)入排種口的作用。

1.排種器殼體 2.導(dǎo)種護(hù)板 3.排種口 4.排種口擋板

1.4 排種器工作原理

工作時(shí)，大豆種子由排種器上邊的種箱經(jīng)過(guò)排種器入口進(jìn)入到種子室。由于種子室下邊與導(dǎo)種室聯(lián)通，進(jìn)入導(dǎo)種室下邊的種子與排種器勺輪組合接觸；當(dāng)排種器軸帶動(dòng)勺輪組合轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，種子進(jìn)入到種勺里，種勺完成取種工作；隨后，種子隨種勺一起轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入導(dǎo)種室，轉(zhuǎn)過(guò)種勺運(yùn)動(dòng)軌跡的最高點(diǎn)，到達(dá)投種處，完成護(hù)種工作；到達(dá)投種點(diǎn)后種子在重力和離心力作用下落入排種口，排種口下側(cè)與導(dǎo)種管連接，種子進(jìn)入導(dǎo)種管內(nèi)，完成排種作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 取種勺的設(shè)計(jì)

取種勺是本排種器的關(guān)鍵零件，其形狀、結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)影響勺輪組合的取種、護(hù)種和投種的工作性能，且直接影響排種器整體作業(yè)質(zhì)量。更換不同取種勺，可完成不同種子的播種作業(yè)。

本取種勺的設(shè)計(jì)以黑龍江省農(nóng)科院佳木斯分院選育的合豐55大豆原種為依據(jù)，種子包裝給出的種子凈度為99%，含水率為13.5%。隨機(jī)取20粒大豆種子作為測(cè)量種子，應(yīng)用精度為0.01mm的內(nèi)徑千分尺測(cè)量20粒大豆種子長(zhǎng)、寬、高三軸尺寸，取平均值分別為6.953、6.812、6.152mm，20粒種子的長(zhǎng)、寬、高三軸尺寸最大值分別為7.929、7.485、7.078mm。

經(jīng)過(guò)幾次離散元仿真修正后，取種勺尺寸如圖4所示。取種勺左側(cè)主要作用為取種，右側(cè)主要作用為護(hù)種和投種。當(dāng)取種處較大時(shí)，取兩粒種子情況較多，即重播較多；當(dāng)取種處較小時(shí)，漏播較多。本文取種勺取種處內(nèi)測(cè)半徑尺寸設(shè)計(jì)為4mm。護(hù)種和投種處尺寸的大小主要影響投種點(diǎn)高度和投種速度。

圖4 取種勺尺寸圖

取種勺三維模型放大圖如圖5所示。取種勺外邊緣處有1.5 mm凸起擋板，防止種子未達(dá)到投種點(diǎn)時(shí)掉落。

圖5 取種勺三維模型圖

2.2 勺輪組合的設(shè)計(jì)與工作原理

18個(gè)取種勺均勻固定在勺盤(pán)半徑為82.5mm的圓周上，組成勺輪組合，工作過(guò)程如圖6所示。取種區(qū)下邊的取種勺內(nèi)側(cè)與種群充分接觸，使一些種子進(jìn)入取種勺且隨著取種勺一起轉(zhuǎn)動(dòng)，取種勺內(nèi)側(cè)與種群的接觸面積越來(lái)越?。划?dāng)取種勺轉(zhuǎn)動(dòng)到取種區(qū)頂端時(shí)，只會(huì)有一粒種子繼續(xù)在取種勺的取種處，隨勺輪組合轉(zhuǎn)動(dòng)到護(hù)種區(qū)，經(jīng)過(guò)導(dǎo)種室上邊進(jìn)入投種區(qū)。在投種區(qū)上側(cè)，由于重力和離心力的作用，種子從取種勺的左側(cè)向右側(cè)滾動(dòng)，當(dāng)取種勺轉(zhuǎn)動(dòng)到投種區(qū)下側(cè)時(shí)，種子沿著取種勺滾落，落入排種口，或下落到排種口擋板外側(cè)，進(jìn)入排種口，完成排種作業(yè)。

如果種子室內(nèi)種子數(shù)量過(guò)多，可能會(huì)兩粒種子進(jìn)入取種區(qū)上側(cè)的取種勺內(nèi)，由于排種器工作時(shí)的振動(dòng)作用，可使得兩粒種子中上邊的那粒在護(hù)種區(qū)的左側(cè)落入種子室，使護(hù)種區(qū)的上側(cè)只有一粒種子。

圖6 勺輪組合工作過(guò)程

3 離散元模擬方案

3.1 離散元方法簡(jiǎn)介

離散元法(Discrete element method，DEM)是20世紀(jì)70年代由Cundall提出的計(jì)算密相顆粒群體力學(xué)行為的一種數(shù)值方法[8]。它是一種不連續(xù)的數(shù)值計(jì)算方法，從離散元的塊體接觸問(wèn)題入手，采用動(dòng)態(tài)松弛法，并根據(jù)牛頓第二定律及力與位移的關(guān)系確定力、位移、速度、加速度之間的關(guān)系，適合散粒物料的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬，可較好地模擬與分析排種器的排種中過(guò)程[9]。

3.2 離散元模擬方案

設(shè)置重力加速度方向與物料本身參數(shù)與物料接觸參數(shù)。本文排種計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，設(shè)置排種器殼體組合材料為有機(jī)玻璃，設(shè)置勺輪組合材料為鋼。物料物理參數(shù)如表1所示[10]。

表1 物料物理參數(shù)

1)顆粒模型設(shè)置：離散元仿真中大豆種子模型由9個(gè)球面組成，模型的長(zhǎng)、寬、高三軸尺寸分別為6.95、6.81、6.15mm，定義材料為大豆。

2)幾何體設(shè)置。將SolidWorks軟件設(shè)計(jì)的勺輪式排種器三維模型導(dǎo)入離散元軟件幾何體部分。設(shè)置排種器殼體組合材料為有機(jī)玻璃；設(shè)置勺輪組合材料為鋼；設(shè)置勺輪組合的運(yùn)動(dòng)為定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸為垂直勺盤(pán)平面且經(jīng)過(guò)圓心的直線，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)閺恼婵错槙r(shí)針?lè)较騕11-12]。

3)顆粒工廠設(shè)置：顆粒工廠形狀為長(zhǎng)方體，上平面與排種器上平面平行，模擬種箱。設(shè)置4個(gè)顆粒工廠，第1、2、3個(gè)顆粒工廠為仿真1s內(nèi)靜態(tài)生成一定數(shù)量顆粒，使種子室底部在開(kāi)始仿真時(shí)有一定量種子；第4個(gè)顆粒工廠開(kāi)始時(shí)間為1s，顆粒生成形式為動(dòng)態(tài)生成，生成顆粒速度為12粒/s[13～14]。

4 離散元仿真結(jié)果與分析

4.1 不同轉(zhuǎn)速離散元仿真

本組離散元仿真勺輪組合轉(zhuǎn)速分別為6、12、18、24r/min[15]。排種器在理想無(wú)振動(dòng)條件下完成排種。勺輪組合4個(gè)轉(zhuǎn)速條件下分別完成100個(gè)取種勺的排種仿真，由軟件后處理部分回放仿真過(guò)程，記錄排種器的漏播個(gè)數(shù)與重播個(gè)數(shù)。由Origin軟件得到的排種器漏播個(gè)數(shù)與重播個(gè)數(shù)隨勺輪組合轉(zhuǎn)速變化曲線如圖8所示。

圖7 離散元軟件模擬排種過(guò)程

圖8 不同勺輪組合轉(zhuǎn)速重播和漏播百分比

由圖8可以得到：隨著勺輪組合轉(zhuǎn)速的增大，排種器重播率降低，但漏播率增長(zhǎng)速度較快；勺輪組合轉(zhuǎn)速較大時(shí)，取種勺與大豆種群接觸時(shí)間較短，無(wú)振動(dòng)時(shí)種群流動(dòng)性較差，大豆種子不能夠充分進(jìn)入取種勺內(nèi)測(cè)。所以，無(wú)振動(dòng)條件下，排種器較好工作性能為勺輪組合轉(zhuǎn)速小于12r/min；勺輪組合轉(zhuǎn)速大于18r/min時(shí)，排種器工作性能較差；勺輪組合轉(zhuǎn)速在10～13r/min時(shí)，排種整體工作性能較好。

4.2 不同種子數(shù)量離散元仿真

本組離散元仿真種子室內(nèi)種子數(shù)量分別為1 500、1 800、2 100、2 400。排種器在理想無(wú)振動(dòng)條件下完成排種過(guò)程，勺輪組合轉(zhuǎn)速為12r/min。離散元軟件數(shù)值模擬100個(gè)取種勺的取種工作，由軟件后處理部分回放仿真過(guò)程，記錄排種器的漏播個(gè)數(shù)與重播個(gè)數(shù)。由Origin軟件得到的排種器漏播個(gè)數(shù)與重播個(gè)數(shù)隨種子室內(nèi)種子數(shù)量變化曲線如圖9所示。

由圖9得到：隨著種子室內(nèi)種子數(shù)量的增多，排種器漏播率降低，重播率升高。種子數(shù)量小于1 800粒時(shí)，由于種子數(shù)量過(guò)少，大豆種群在取種區(qū)上端的高度較低，取種勺運(yùn)動(dòng)到取種區(qū)上端時(shí)，不能與足夠數(shù)量的種群接觸，一部分取種勺未能充種就進(jìn)入了護(hù)種區(qū)；種子室內(nèi)種子數(shù)量多于2 100粒時(shí)，種子上平面的高度高于取種區(qū)，取種勺轉(zhuǎn)動(dòng)到護(hù)種區(qū)時(shí)，還有部分種子進(jìn)入取種勺，而此時(shí)的取種勺的種子會(huì)隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，形成重播。所以，種子室內(nèi)種子數(shù)量對(duì)排種性能影響較大；當(dāng)種群上平面能夠達(dá)到取種區(qū)的上邊而低于護(hù)種區(qū)下端時(shí)，排種器工作性能較好。本文設(shè)計(jì)的排種器種子室內(nèi)種子數(shù)量在1 800～2 100粒時(shí)，排種器工作性能較好。

圖9 不同種子數(shù)量重播和漏播百分比

4.3 振動(dòng)條件下離散元仿真

在離散元前處理的幾何體部分，將排種器殼體組合的運(yùn)動(dòng)設(shè)置為振動(dòng)幅值為1mm、振動(dòng)頻率問(wèn)10Hz的振動(dòng)[16]。勺輪組合設(shè)置為12r/min的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，且設(shè)置與排種器殼體運(yùn)動(dòng)參數(shù)相同的正弦振動(dòng)，都從1s開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。離散元仿真計(jì)算100個(gè)取種勺的取種工作，由軟件后處理部分回放仿真過(guò)程，記錄排種器的漏播個(gè)數(shù)與重播個(gè)數(shù)。由未加振動(dòng)與加上振動(dòng)條件下對(duì)比得到:振動(dòng)條件下，排種器漏播百分比可降低3%。振動(dòng)條件下，大豆種群整體運(yùn)動(dòng)速度增大，內(nèi)摩擦力減小，有利于取種勺與種群充分接觸，增加了取種區(qū)上邊種子進(jìn)入取種勺的數(shù)量[17-18]；且由于振動(dòng)使第2個(gè)進(jìn)入取種勺的種子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可在護(hù)種區(qū)的下端掉落回到種子室。所以，適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)可提高本文排種器的工作性能。

5 結(jié)論與討論

5.1 結(jié)論

1) 排種器整體較好工作性能參數(shù)為：勺輪組合轉(zhuǎn)速為10～13r/min，排種器種子室內(nèi)種子數(shù)量為1 800～2 100粒。

2) 適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)可提高本排種器的工作性能。

5.2 討論

1)本文只對(duì)大豆種子進(jìn)行了取種勺設(shè)計(jì)與仿真，還可改變?nèi)》N勺形狀與尺寸等參數(shù)，使排種器適合其他較規(guī)則種子的排種作業(yè)。

2)本文設(shè)計(jì)的排種器只適合中低速排種，中高速排種性能較差，可適當(dāng)改進(jìn)，使之適合中高速排種作業(yè)。

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Design of a Spoon Wheel Type Seed Metering Device and Simulation of Soybean Seeds By Discrete Element Method

Yuan Guizhen1,Zhang Tao2, Liu Yueqin2，3

( 1.Wulanchabu Vocational College，Wulanchabu 012000，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China;3.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics, Hohhot 010070，China)

Seed metering device as a key component of the seeding machine, its working performance and reliability directly affect the overall quality of the seeding machine. Mechanical sowing machine has the advantages of simple structure, low cost, convenient maintenance.The wheel metering device as a mechanical metering device of a widely used seeding with regular shape and hardness seeds. In this paper,the Solidworks software is used to design a spoon wheel type seed metering device, and the discrete element method is used to simulate the seed sowing seeds of the seed metering device, and the working conditions of the seed metering device are obtained.Simulation results are obtained by the discrete element software: the whole working performance of the seed metering device was better when the wheel rotation speed was 10～13 r/min; the number of seeds in the seed room was 1800～2100.And appropriate vibration can improve the performance of the designed device. This paper provides a method for the design and optimization of the spoon wheel type seed metering device.

seed metering device; spoon; discrete element method; reseeding; miss-seeding

2016-09-01

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(2015NJZY327)

袁桂珍(1980-)，女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，講師，(E-mail)1142674952@qq.com。

劉月琴( 1977-)，女，內(nèi)蒙古察右前旗人，副教授，碩士，(E-mail)liuyueqin103@126. com。

S223.2

A

1003-188X(2017)11-0025-05