氣力式玉米精量排種器的動力學(xué)分析與仿真

李 猛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，播種是首要環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量會直接影響農(nóng)業(yè)收成。精量播種是將農(nóng)作物播種到溝或洞中，并以一種高精度的粒度、距離和播種高度來覆蓋土壤的過程。精量播種可以減少種子使用量、縮短間苗時間、使作業(yè)過程省時省力，而且不會污染種子，能夠給幼苗創(chuàng)造一個良好的生長環(huán)境、提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量、實現(xiàn)農(nóng)民增產(chǎn)增收。排種器是精量播種機的核心部件，排種器的質(zhì)量將直接影響整個機器的使用性能。對排種器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)進行研究和優(yōu)化，可以顯著增加播種質(zhì)量［1］。采用現(xiàn)代設(shè)計方法和計算機仿真技術(shù)對排種器進行研究，模擬產(chǎn)品的應(yīng)用場景和動力學(xué)測試，降低了傳統(tǒng)設(shè)計中對物理模型的依賴，極大提高了設(shè)計效率。

氣力式玉米精量播種機的排種器利用氣流壓力差從種子室攫取單位種子并依次將其排出，與機械式精量播種機相比，具有不傷種子、對種子外形尺寸要求不嚴(yán)、整機通用性好、作業(yè)速度高等優(yōu)點。

1 排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理

氣壓組合孔式玉米精量排種器主要由排種盤、殼體、推種板、輸種管和側(cè)擋板等部件組成（見圖1）。其工作原理是通過在排種盤上建立曲線導(dǎo)槽，與氣流共同作用，使種子流動起來。氣流進入后，形成壓力差，種子隨排種盤一起運動，刮種器和推種板形成雙側(cè)清種結(jié)構(gòu)，保證了播種的單粒性，而側(cè)擋板保證了種子下落的方向，當(dāng)種子運動到一定位置，就會自由落體掉入輸種管，完成排種工作［2］。

圖1 氣壓組合孔式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)簡圖

氣吸式玉米精量排種器主要由氣室、排種盤、刮種器、攪種輪、排種軸及殼體6部分組成（見圖2）。其工作原理是種子初始從儲存的地方到達(dá)氣吸式玉米精量排種器的內(nèi)部，通過氣室和風(fēng)機互相配合的方式，形成壓力差，使種子可以吸附在排種盤上，與此同時，攪種輪一直在攪拌種子，使種子動起來，便于刮種器將多余的種子剔除，只剩下合適數(shù)量的種子。在投種區(qū)內(nèi)，排種盤的兩邊和空氣相通，此時沒有真空度，壓力差消失之后種子便不能吸附在排種盤上，做自由落體運動進入到導(dǎo)種管，完成排種工作［3］。

圖2 氣吸式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)簡圖

2 排種器相關(guān)部件參數(shù)的確定

排種盤的直徑很重要，直徑越大，型孔數(shù)越多，在同樣條件下，轉(zhuǎn)速會越低，有利于吸種。但其直徑也不可過大，如果排種盤尺寸過大，則負(fù)壓氣室會增加，風(fēng)機消耗也會增加。而玉米種子質(zhì)量較小，所需風(fēng)壓低，風(fēng)壓功率消耗小，因此，合適的直徑為140～260 mm。

排種盤的導(dǎo)槽在設(shè)計上有利有弊，優(yōu)點是可以使種子運動起來，缺點是種子容易被卡住，從而出現(xiàn)漏播或者損壞種子的問題。因此，需要在排種盤上設(shè)計一條曲線，讓種子在合適的時間和距離上掉落。播種玉米時，玉米之間的距離要保證相等且適宜，不能過寬也不能過窄，不能過遠(yuǎn)也不能過近，過窄或過近會導(dǎo)致發(fā)育較好的玉米植株搶奪養(yǎng)分，而另一顆無法長出玉米，降低收成；而過遠(yuǎn)或過寬會浪費播種面積，同樣會導(dǎo)致產(chǎn)量下降。所以，一定要保證兩株玉米之間的距離相等，且種子必須做勻速直線運動。通過運動學(xué)分析，排種盤的導(dǎo)槽軌跡是一條漸開線。

氣壓組合孔式排種盤的組合型孔包括排種盤導(dǎo)槽和導(dǎo)槽與下殼體相接觸的部分，其主要設(shè)計參數(shù)包括型孔外徑、型孔內(nèi)徑、型孔錐角、型孔中心到曲線導(dǎo)槽的長度。

氣吸式玉米精量排種器吸孔的個數(shù)受多方面條件影響。在保證吸種、刮種、落種正常進行的情況下，應(yīng)該讓吸孔盡可能多一些，但吸孔數(shù)不宜太多，太多時吸孔之間距離太近會增加刮種難度，而且也會增加漏氣的風(fēng)險，使排種性能下降，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致機器不能使用?？讖酱笮⌒枰鶕?jù)種子的大小來確定，在合理范圍內(nèi)，孔徑越大，吸附種子需要的真空度就越低，但當(dāng)吸孔直徑超過一定值之后，會導(dǎo)致種子不能沾滿吸孔，產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，進而降低排種性能［4］。

3 排種器建模和運動仿真

本文采用Solidworks軟件進行三維建模，然后用Ad‐ams軟件進行運動仿真分析，在Adams軟件中對排種器模型定義約束和運動，并施加作用力［5］（見圖3）。首先，采用Adams軟件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動命令。其次，對軸和殼體2個零件旋轉(zhuǎn)的部件施加運動指令：270 d*time，對直線運動部件添加2個直線運動指令：1 250*time，并給機器添加適合的力。采用Adams仿真功能，分別模擬氣壓組合孔式和氣吸式玉米精量排種器中種子與排種器運動的過程。對排種器充種過程進行仿真，氣壓組合孔式和氣吸式均可通過if語句相乘的方式來實現(xiàn)種子運動這一充種過程。在Adams軟件中，點擊函數(shù)編輯器，并輸入以下函數(shù)關(guān)系式：，當(dāng)設(shè)定仿真時間為2.0 s、旋轉(zhuǎn)運動為4.71 rad/s時，氣吸式排種器，0.0～0.1 s時間內(nèi)種子不動，攪種輪旋轉(zhuǎn)；0.1 s后，種子隨攪種輪一起運動。而氣壓組合孔式排種器，0.0～0.1 s時間內(nèi)種子不動，排種盤旋轉(zhuǎn)，0.1 s后種子隨排種盤一起運動。對排種器清種過程進行仿真，分析氣壓組合孔式和氣吸式排種器清種過程排種孔中心與軸心的連線與重力方向的夾角變化以及種子在真空室范圍內(nèi)所受摩擦力的變化。

圖3 對模型定義約束和運動

通過對兩種排種器結(jié)構(gòu)和運動過程的仿真，筆者發(fā)現(xiàn)氣吸式排種器不僅在結(jié)構(gòu)上相對簡單，而且其排種盤上分布的導(dǎo)槽曲線能夠適應(yīng)任何非規(guī)則形狀種子，并且能在高速的情況下高效完成工作。