型孔可變凸輪式大豆精量排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陶珍 董慧峰 許洋洋 傅曉珍 李瑞芳

陶 珍，董慧峰，許洋洋，等. 型孔可變凸輪式大豆精量排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2024，52（7）：192-197.

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2024.07.026

（1.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院工程訓(xùn)練與創(chuàng)新中心，河南新鄭 451100； 2.鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南新鄭 451100； 3.黃河明珠水利水電建設(shè)有限公司，河南三門峽 472000）

摘要：為提高窩眼輪式大豆排種器的工作性能，對排種盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種型孔可變凸輪式大豆精量排種器，對排種器的結(jié)構(gòu)、工作原理等進(jìn)行了分析。根據(jù)大豆種子的幾何尺寸確定了排種器結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù)：排種盤直徑為200 mm、寬度為50 mm、型孔直徑為12 mm、型孔深度為15 mm、凸輪偏距為7 mm。利用EDEM軟件對大豆排種器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行響應(yīng)面分析，得到最優(yōu)參數(shù)組合：排種盤轉(zhuǎn)速為34.68 r/min、轉(zhuǎn)速比為1.59、型孔數(shù)量為24.23個(gè)，排種合格率為98.132 4%。選取排種盤轉(zhuǎn)速為35 r/min、轉(zhuǎn)速比為1.6、型孔數(shù)量為24個(gè)進(jìn)行臺架試驗(yàn)，得到排種器合格率為97.64%，與仿真試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差相對較小，能夠滿足實(shí)際作業(yè)要求。

關(guān)鍵詞：大豆；排種器；型孔可變；凸輪；EDEM仿真；響應(yīng)面分析

中圖分類號：S223.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號：1002-1302（2024）07-0192-06

排種器是播種機(jī)的核心部件，直接影響播種質(zhì)量［1］，目前排種器的型式主要分為2種［2-3］：機(jī)械式和氣力式，其中機(jī)械式排種器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國使用較為廣泛［4-5］。為提高機(jī)械式排種器的充種性能，相關(guān)研究人員開展了大量工作，黃玉祥等針對大豆播種過程中排種器充種效果差的問題，設(shè)計(jì)了一種側(cè)置導(dǎo)引式排種器，利用導(dǎo)引板實(shí)現(xiàn)種子有序充種，提高了充種性能［6］。劉宏新等為提高充種指數(shù)，設(shè)計(jì)了雙腔立式復(fù)合圓盤排種器，通過對充填力學(xué)進(jìn)行分析確定了傾斜角為20°［7］。陳玉龍等設(shè)計(jì)了一種凸勺排種器，利用EDEM軟件進(jìn)行仿真分析，確定了凸勺半徑和傾角［8］。李陽等在傳統(tǒng)窩眼輪式排種器的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種大豆凸輪排種器，利用凸輪推桿機(jī)構(gòu)控制型孔深度，實(shí)現(xiàn)型孔容積可變［9］。安雪等針對大豆播種機(jī)作業(yè)過程中株距可變性，采用步進(jìn)電機(jī)對排種器轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)株距快速調(diào)節(jié)［10］。頓國強(qiáng)等為提高排種器的充種性能，對種子與型孔尺寸間的關(guān)系進(jìn)行研究分析，確定了型孔均徑比范圍為1.43～1.87［11］。屈哲等為提高排種器對種子的適應(yīng)性，對排種器的型孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并利用EDEM軟件進(jìn)行仿真分析［12］。牛媛媛等設(shè)計(jì)了一種自擾動內(nèi)勺式排種器，通過排種器內(nèi)部的擾動桿對種子群進(jìn)行攪動，從而提高充種效果［13］。賈洪雷等設(shè)計(jì)了一種雙凹面搖桿式排種器，利用凸輪控制搖桿擺臂實(shí)現(xiàn)取種、排種作業(yè)［14］。劉龍等為適應(yīng)種子在型孔內(nèi)的充種效果，設(shè)計(jì)了一種種窩可調(diào)式內(nèi)充種排種器，通過改變排種盤型孔容積提高播種質(zhì)量［15］。以上研究主要通過對排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，提高排種器的作業(yè)性能。

本研究從大豆種子多粒預(yù)充種的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種型孔可變凸輪式大豆精量排種器，通過凸輪半徑的變化控制型孔容積的大小，實(shí)現(xiàn)大豆種子在充種過程中進(jìn)行多粒充種。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由殼體、種箱、排種盤、凸輪、清種毛刷等組成。其中，凸輪通過螺栓固定在排種器殼體上，排種盤由排種軸帶動，清種毛刷與排種盤在鏈條傳動下做同向運(yùn)動。與傳統(tǒng)的窩眼輪式排種器不同，該排種器通過凸輪半徑的不同使型孔具有多粒預(yù)充種的功能，實(shí)現(xiàn)型孔容積可變。

1.2 工作原理

大豆排種器工作過程主要分為充種、清種、攜種和投種4個(gè)階段，如圖2所示。當(dāng)排種器工作時(shí)，靠近排種盤型孔的種子在自重和種子間擠壓力共同作用下，使靠近型孔的2粒種子優(yōu)先進(jìn)入型孔，隨著排種盤的轉(zhuǎn)動，在凸輪的作用下，型孔容積逐漸變小，將型孔內(nèi)上部的種子向上頂出，使型孔內(nèi)只保留1粒種子，完成充種；隨著排種盤的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，攜種型孔經(jīng)過清種區(qū)，在清種毛刷的作用下，將型孔周邊多余的種子清出，完成清種；清種后的攜種型孔在排種盤的轉(zhuǎn)動作用下進(jìn)入攜種區(qū)，將種子攜送至投種口部位，完成攜種；當(dāng)攜種型孔運(yùn)動至投種區(qū)時(shí)，型孔的種子在重力和離心力的作用下脫離型孔完成投種。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 大豆種子幾何尺寸測量

在排種器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)種子的實(shí)際形態(tài)和尺寸進(jìn)行選取，以此提高播種質(zhì)量。選取河南省種植較多的商豆1201品種作為研究對象，隨機(jī)選取100粒種子對其三軸尺寸［（長（L）、寬（W）、厚（T）］進(jìn)行測量，結(jié)果見表1。

大豆的幾何均徑Dg和球度Sp的計(jì)算公式分別為：

Dg=3LWT；（1）

Sp=3LWT×100%。（2）

式中：L為種子的長，mm；W為種子的寬，mm；T為種子的厚度，mm。

計(jì)算可得商豆1201種子的均徑為7.37 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.13 mm，球度為86.73%。

2.2 排種盤直徑的確定

排種盤完成排種器工作過程中的取種、清種和攜種作業(yè)，排種盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對排種器的工作性能具有重要影響。根據(jù)文獻(xiàn)［6］選取排種盤直徑D為200 mm左右，排種盤寬度B為50 mm，如圖3所示。

2.3 型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

型孔結(jié)構(gòu)直接影響排種器的工作性能，是排種器結(jié)構(gòu)的核心設(shè)計(jì)參數(shù)。目前窩眼輪式大豆排種器普遍使用的型孔形狀主要有圓柱形、錐柱形和半球形，本研究選取圓柱形作為型孔結(jié)構(gòu)。在作業(yè)過程中為防止漏播，種子在充種時(shí)先進(jìn)行2粒預(yù)充種，種子在型孔內(nèi)的狀態(tài)存在多種情況，主要有9種（圖4）。

相關(guān)研究表明，窩眼直徑應(yīng)為種子均徑的1.5～1.7倍［11］。在預(yù)充種過程中，型孔每次充種個(gè)數(shù)與型孔參數(shù)和種子大小有直接關(guān)系。根據(jù)排種器的作業(yè)原理，在工作時(shí)，為了能夠順利完成充種，至少要保證2粒種子能夠進(jìn)入型孔，結(jié)合種子尺寸和充種狀態(tài)，則型孔參數(shù)需滿足：

2T≤h≤2L

1.5Dg≤b≤1.7Dg。（3）

式中：T為種子厚度均值，mm；L為種子長度均值，mm；Dg為種子均徑，mm；h為型孔深度，mm；b為型孔直徑，mm。

由表1可知，商豆1201種子的長度均值L為 8.554 mm，厚度均值T為6.291 mm，均徑Dg為 7.37 mm，帶入公式（3）計(jì)算可得：12.582 mm≤h≤17.108 mm、11.055 mm≤b≤12.529 mm，故選取型孔深度為15 mm、型孔直徑為12 mm。

2.4 凸輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

凸輪是控制排種盤型孔深度的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。在充種區(qū)前部預(yù)充種時(shí)保證型孔內(nèi)能夠容納2粒種子，在充種區(qū)后部型孔深度逐漸變小，[JP2]使型孔內(nèi)只保留1粒種子，凸輪結(jié)構(gòu)如圖5所示。為保證在充種區(qū)后部使型孔只保留1粒種子，凸輪偏距s應(yīng)滿足：

s≤h2。（4）

由排種盤參數(shù)可知，型孔深度h為15 mm，即凸輪偏距s≤7.5 mm，故選偏距s為7 mm。

3 排種器性能仿真試驗(yàn)

3.1 參數(shù)設(shè)置

利用Solidworks軟件對排種器進(jìn)行建模并簡化模型，并將文件導(dǎo)入到EDEM 2.6中，根據(jù)前述的大豆種子尺寸參數(shù)，建立種子模型，顆粒間的接觸模型選擇Hertz-Mindlin無滑動模型，排種器參數(shù)選取見表2［16-18］。

在仿真過程中，設(shè)置顆粒生成數(shù)為500粒，生成速率為5 000粒/s，顆粒類型為正態(tài)分布，仿真模型如圖6所示。

3.2 仿真試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為獲取大豆排種器的最佳參數(shù)，

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，選取排種盤轉(zhuǎn)速A為30、40、50 r/min；轉(zhuǎn)速比B（毛刷與排種盤的轉(zhuǎn)速比）為1.0、1.5、2.0；型孔數(shù)量C為18、22、26個(gè)，在EDEM 2.6軟件中進(jìn)行仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)因素與水平取值見表3。

3.2.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果見表4。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行分析并建立數(shù)學(xué)模型。

3.2.3 排種合格率的回歸結(jié)果分析

根據(jù)響應(yīng)面Box-Behnken模型，將各因素進(jìn)行回歸擬合，得到排種合格率y的回歸模型：

y=97.43-1.57A-0.111 2B+1.07C-0.407 5AB-0.665AC+0.29BC-1.9A2-0.751 8B2-1.32C2。（5）

式中：A、B、C分別為排種盤轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速比、型孔數(shù)量。

由表5中方差分析結(jié)果可知，模型極顯著（P＜0.000 1）、失擬項(xiàng)不顯著（P=0.096 8）、模型的調(diào)整決定系數(shù)為0.992 4，說明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，即此仿真模型的結(jié)果可用于排種器性能的分析和預(yù)測。在回歸方程中，各因素系數(shù)的絕對值大小能夠直接反映該因素對工作性能影響的大小，各因素對排種器合格率的影響大小次序?yàn)锳>C>B。

3.2.4 排種合格率與各參數(shù)響應(yīng)曲面分析

根據(jù)表4中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制作各因素對排種合格率的響應(yīng)曲面圖，能夠更加直觀地表現(xiàn)出各因素與排種合格率之間的關(guān)系，如圖7至圖9所示。

由排種盤轉(zhuǎn)速（A）和轉(zhuǎn)速比（B）的響應(yīng)曲面圖（圖7）可知，排種合格率隨排種盤轉(zhuǎn)速（A）的曲面變化相對明顯，而隨轉(zhuǎn)速比（B）的曲面變化相對平緩。當(dāng)型孔數(shù)量（C）處于0水平、轉(zhuǎn)速比（B）為定值時(shí)，排種合格率y隨著排種盤轉(zhuǎn)速（A）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且存在一個(gè)最優(yōu)值。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速（A）為定值時(shí)，排種合格率y隨著轉(zhuǎn)速比（B）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，但曲面變化相對平緩，存在一個(gè)最優(yōu)值。

由排種盤轉(zhuǎn)速（A）和型孔數(shù)量（C）的響應(yīng)曲面圖（圖8）可知，排種合格率隨型孔數(shù)量（C）的曲面變化相對明顯，而隨排種盤轉(zhuǎn)速（A）的曲面變化相對平緩。當(dāng)轉(zhuǎn)速比（B）處于0水平、型孔數(shù)量（C）為定值時(shí)，排種合格率y隨著排種盤轉(zhuǎn)速（A）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且存在一個(gè)最優(yōu)值。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速（A）為定值時(shí)，排種合格率y隨著型孔數(shù)量（C）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且曲面變化相對明顯，存在一個(gè)最優(yōu)值。

由轉(zhuǎn)速比（B）和型孔數(shù)量（C）的響應(yīng)曲面圖（圖9）可知，排種合格率隨型孔數(shù)量（C）的曲面變化相對明顯，而隨轉(zhuǎn)速比（B）的曲面變化相對平緩。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速（A）處于0水平、型孔數(shù)量（C）為定值時(shí)，排種合格率y隨著轉(zhuǎn)速比（B）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且存在一個(gè)最優(yōu)值。當(dāng)轉(zhuǎn)速比（B）為定值時(shí)，排種合格率y隨著型孔數(shù)量（C）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且曲面變化相對明顯，存在一個(gè)最優(yōu)值。

由響應(yīng)面BBD模型優(yōu)化得到大豆排種器的排種性能試驗(yàn)最佳參數(shù)：排種盤轉(zhuǎn)速為34.68 r/min、轉(zhuǎn)速比為1.59、型孔數(shù)量為24.23個(gè)，此時(shí)排種合格率的最大值為98.132 4%。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)大豆排種器在仿真優(yōu)化參數(shù)條件下的排種性能，為方便排種器參數(shù)設(shè)置，選取排種盤轉(zhuǎn)速為35 r/min、轉(zhuǎn)速比為1.6、型孔數(shù)量為24個(gè)。2023年4月15日在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將排種器搭建在STB-700排種器性能試驗(yàn)臺（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制）上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，待排種器工作穩(wěn)定后，統(tǒng)計(jì)50粒大豆種子的排種合格率，重復(fù)5次試驗(yàn)取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果表明排種合格率為97.64%，與仿真試驗(yàn)在最優(yōu)參數(shù)組合條件下的預(yù)測值相差0.492 4%，說明該模型擬合度較高，響應(yīng)面優(yōu)化模型的可靠性高，能夠用來對排種器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)測。

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了一種型孔可變凸輪式大豆精量排種器，通過對排種器的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行分析，根據(jù)種子的幾何尺寸確定了排種器的基本參數(shù)：排種盤直徑為200 mm、寬度為50 mm、型孔直徑為 12 mm、型孔深度為15 mm、凸輪偏距為7 mm。

采用EDEM軟件對排種盤的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速比和型孔數(shù)量在不同參數(shù)組合下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到排種器最優(yōu)參數(shù)組合：排種盤轉(zhuǎn)速為34.68 r/min、轉(zhuǎn)速比為1.59、型孔數(shù)量為24.23個(gè)，在此條件下排種合格率的最大值為98.132 4%。臺架試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為35 r/min、轉(zhuǎn)速比為1.6、型孔數(shù)量為24個(gè)時(shí)，排種合格率為97.64%。

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基金項(xiàng)目：河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（編號：232102220026）；河南省職業(yè)教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（編號：豫教［2023］03121）。

作者簡介：陶 珍（1988—），女，河南鄭州人，實(shí)驗(yàn)師，主要從事機(jī)電一體化和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究。E-mail：767307257@qq.com。

通信作者：李瑞芳，碩士，副教授，主要從事自動控制技術(shù)研究。E-mail：lrfxz@sina.com。