立式淺盆型復合種盤大豆排種器結構設計與參數優化

劉宏新 徐曉萌 付露露 王 晨

東北農業大學，哈爾濱，150030

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立式淺盆型復合種盤大豆排種器結構設計與參數優化

劉宏新 徐曉萌 付露露 王 晨

東北農業大學，哈爾濱，150030

為滿足機械式精密排種器高速作業的要求，以增加充填力的方式對立式圓盤排種器進行改進，設計了一種利用重力與離心力以及種子間相互作用力作為復合力進行充種的雙腔立式淺盆型復合種盤機械式精密排種器，并對排種盤的特征參數進行了優化。利用離散元仿真分析軟件EDEM對立式淺盆型種盤進行了以排種盤直徑、折邊傾角、作業速度為影響因素，充填率為性能指標的三因素五水平二次正交旋轉組合仿真設計，并運用Design-expert 8.0軟件對數據進行了處理，獲得了排種盤最優的結構參數組合，同時利用物理樣機試驗進行了驗證。研究結果表明：立式淺盆型種盤的最佳結構參數組合為排種盤直徑234 mm、折邊傾角68°，在8 ～12 km/h高速作業時，合格率均能達到90%以上。研究結果為產品定型提供了定量的依據。

機械式精密排種器；淺盆型復合種盤；結構設計；參數優化

0 引言

立式圓盤排種器屬于機械式精密排種器的一種，因具有結構簡單、成本低廉、可靠性高等優點而被廣泛應用于大豆的播種作業中，但該型排種器充填力較單一，不適應高速作業而只被應用于小型低速機具上，所以若能設計一種能夠適應高速作業的機械式排種器將是最理想的選擇[1-3]。

目前國內外專家學者對大豆機械式精密排種器的研究以結構創新居多，但對關鍵部件的研究和對排種性能影響因素的研究不夠深入。同時，由于大豆這種作物具有離散的特點，理論分析時需要進行大量簡化與假設[4-5]，因而導致精密排種的相關理論至今不能完善與成熟。

為此，國內外專家學者不斷探索和引入新的研究方法，其中離散元法的應用帶動了排種器研究領域的新發展。Zhang等[6]利用離散元法建立了一種近似橢球的組合球模型，LoCurto等[7]借助于Zhang的組合球模型，對大豆的具體流動過程進行了模擬；廖慶喜等[8]對離心式排種器工作過程中油菜籽的運動過程進行仿真分析，確定了油菜籽的運動規律；于建群等[9-11]采用離散元法對型孔輪式排種器、組合內窩孔排種器、內充式排種器的排種過程及工作性能進行仿真分析，結合實際試驗證明了離散元法分析排種器的可行性。

針對大豆精播的要求，本文在對復合充填力充種機理研究[12]的基礎上，對立式圓盤排種器進行改進，設計了一種雙腔立式淺盆型復合種盤排種器，對其工作原理進行分析，并對其特征參數進行研究，運用EDEM(engineering discrete element method)軟件對其進行二次正交旋轉組合仿真設計，優化得出最優的結構參數組合，并通過臺架試驗進行驗證，進而最大限度地發揮其結構特點，為該機構的實際生產和推廣應用提供必要的技術支撐和依據。

1 排種器結構與工作原理

1.1 總體結構

立式淺盆型復合種盤排種器的設計方案基于“內部降速加外部組合增頻”的高速排種理論[13]，采用雙腔形式，主要由左右殼體、左右殼體內板、復合排種盤、左右護種板、排種軸及其組件等組成，定義其型號為2B-JP-FP-01。兩個排種盤分別與其相應的殼體內板組合并通過螺栓連接在一起，左右護種板通過螺栓分別固定在兩側的殼體上，最后通過排種軸將其裝配完整。裝配后以左右殼體內板為界分成兩個獨立的排種機構，各自具有完整的充種、排種功能，裝配關系如圖1所示，圖中，αq為清種區域角，(°)；αc為充種區域角，(°)；αt為投種區域角，(°)；αk為護種區域角，(°)；ω為排種盤角速度，rad/s。

(a)主視圖 (b)側視圖(拆去左殼體)1，11.檢視窗 2，10.左右殼體 3，8.左右護種板 4.復合排種盤總成 5，7.左右殼體內板 6.上蓋 9.排種軸及其組件圖1 雙腔立式淺盆型復合種盤排種器

立式淺盆型復合種盤采用型孔加密的方式來有效降低排種軸的轉速，減少漏播現象的發生，同時，該種盤是將立式種盤的型孔端面內折進而引入復合力進行充種，此種設計既保留了傳統立式圓盤排種器軸向尺寸小等特點，又能解決立式圓盤充填力單一的問題，使其能夠滿足高速作業的需求。

1.2 工作原理

種子由種箱下落通過導種管充入到排種器容腔內，當達到一定高度時，排種盤在排種軸帶動下按圖1b所示方向旋轉，種子利用重力與離心力以及種子間相互作用力作為復合力充入到型孔內，完成充種過程，隨即轉入清種區，利用復合力清除多余的種子，型孔內的種子存留在護種板與型孔的封閉空間內進入到護種區，最后隨排種盤轉動到容腔下部進入到投種區，由投種口投出，完成排種作業。

2 關鍵部件結構改進設計

2.1 排種盤

由于原有立式圓盤的充填力較單一，故以增加充填力的方式對排種盤的結構進行改進，將立式種盤型孔端面內折成淺盆狀，考慮以下兩種方案。

(a)主視圖 (b)剖視圖

(c)型孔剖視圖圖2 立式淺盆型種盤方案1

(1)方案1采用不同壁厚的折邊，形式如圖2所示。此種方案的優點是種盤外側端面垂直于種盤，便于與種盤配合的殼體的加工，缺點是型孔均布在種盤上，型孔與種盤外側成一定夾角，加工工藝復雜，難以保證每個型孔加工的一致性，同時，由于折邊內側端面與外側端面形成一定的夾角，導致型孔的內部空間過大，易造成重種現象，如圖2c所示。

(2)方案2在方案1的基礎上進行改進，即在原有排種盤內壁結構外張成淺盆狀的基礎上，采用均勻壁厚的折邊，使種盤折邊外側形成與內側平行的外錐面，如圖3所示。此種形式在增加充填力的同時，又能使種盤上的型孔便于加工且保證型孔的定量容腔，以達到精播的要求。

(a)主視圖 (b)剖視圖圖3 立式淺盆型種盤方案2

2.2 型孔形狀與參數

利用CATIA草圖約束動畫的方法模擬排種盤的運動過程，以型孔中心線與排種盤豎直中心線的夾角為“參數”創建草圖動畫，如圖4所示。圖4中，兩條虛線圓圈區域為排種盤，陰影區域為護種板，O為中心點。當型孔的含種邊處于水平時，以型孔內的種粒恰好與護種板相切為限，此時的型孔含種邊與型孔中心線的夾角即為型孔內面傾角β的極限值，由圖4a可知，βmin=56°。若內面傾角β小于56°，則種粒未到達護種板之前便脫離了型孔，造成漏播；型孔內面傾角β較大將導致型孔容腔內部空間過大，易發生一個型孔內充入兩粒種子即重種現象，如圖4a所示。

(a)草圖約束動畫(b)草圖約束動畫對話框圖4 草圖約束及其對話框

本研究為了保證型孔的含種性能以及型孔定量充種，對原有型孔結構進行了改進。在型孔其他基本尺寸保持不變的前提下(種盤厚度H=8 mm,外引導面深度dh=1 mm,基圓半徑r0=4.5 mm，外面傾角ψ=78°[13])，將型孔的內面傾角β由56°降為40°，此時能夠大大縮小型孔的內部空間，同時，為了提高型孔的含種性能，在型孔的含種邊一側加一含種環槽，改進后的型孔結構如圖5所示。此型孔在加工時，梯形銑刀沿著種盤折邊的垂直方向，以型孔中心線為軸進行旋轉切割，然后將軸線向下偏移1 mm，用相同銑刀沿下移后的軸線進行進給，此時沿型孔的含種邊的進給量減小1 mm,此型孔的加工工藝簡單，工藝性良好。

(a)三維圖(b)剖視圖圖5 型孔結構及參數

3 仿真方案設計

3.1 仿真參數選擇及取值域

3.1.1 排種盤直徑

排種盤直徑是排種器的基本結構特征參數，決定了排種器殼體以及其他附屬零部件的結構及尺寸。在能夠達到配套機組所要求的作業速度并保證作業質量的前提下，確定其最小直徑是該因素研究的主要目標之一。本研究選取的排種盤直徑范圍是140～240 mm[13]。

3.1.2 折邊傾角

折邊傾角是指排種盤折邊與豎直方向的夾角，是立式淺盆型復合種盤排種器的特征參數。折邊傾角過小會造成重力與離心力沿型孔軸向方向上的分力減小進而削弱其對種子充填的作用，影響排種器的充填能力；折邊傾角過大造成軸向尺寸增大的同時，離心力也會對清種產生負面影響。合適的折邊傾角既能充分利用重力與離心力對種子的充填作用，還能減小軸向尺寸，因此確定最佳的折邊傾角也是該因素研究的一個主要目標。本文選取的折邊傾角范圍是0°～90°[12]。

3.1.3 作業速度

作業速度對播種機組生產率及作業質量有著直接的影響，該因素是衡量播種機性能優劣的重要指標之一。每一種型號的排種器根據不同的結構特征及其工作原理均有其能夠適應的作業速度限值。本研究選取播種作業速度范圍是4 ～12 km/h[13]。

播種作業速度v的選取直接關系到排種軸轉速n的大小，同時由于該排種器采用雙腔結構，所以排種軸轉速n與播種作業速度v的關系由下式確定：

(1)

式中，n為排種軸的轉速，r/min；v為作業速度，km/h；mk為單盤型孔個數；l為理論株距，l=10cm。

隨著排種軸轉速的增大，種子向型孔內充填的時間縮短，種子充填率隨之減小，因此，排種軸轉速是影響排種器充種質量的重要因素之一。

3.2 多因素組合仿真方案設計

根據排種器的結構及工作特點，選取作業速度、折邊傾角以及排種盤直徑為組合仿真因素，選取充填率為響應目標函數進行三因素五水平的二次正交旋轉組合仿真設計。因素水平編碼表見表1。各因素代號及水平域分別為：播種作業速度v(4 ～12km/h)，折邊傾角α(0°～90°)，排種盤直徑d(140～240mm)。排種盤的型孔個數由排種盤直徑和折邊傾角共同確定。響應指標及代號為充填率yt。

表1 因素水平編碼表

4 模型的建立

4.1 接觸模型

因Hertz模型是利用兩物體間相對位置與它們各自所受力處的曲率半徑進行對比，同時計算法向和切向受力，能夠較好地反映硬質剛性物體間的力學行為特點，所以本研究的顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的計算模型均采用Hertz-Mindlin模型[14-15]。大豆顆粒體之間以及大豆與壁面之間的靜摩擦因數分別為0.45、0.3，動摩擦因數分別為0.05、0.01，恢復系數均為0.6[16]。

4.2 顆粒體模型

大豆的形狀近似為橢球，所以本研究采用四面體構形方法創建顆粒體模型。設置顆粒體模型的半徑為3.6 mm，泊松比為0.25，剪切模量為1.04 MPa，密度為1228 kg/m3，并自動獲取其余屬性[17]。顆粒類型選擇正態分布。

4.3 排種器模型

利用CATIA機械零件參數化設計模塊，設計以排種盤直徑和折邊傾角作為主驅動參數的系列排種盤并配合相應尺寸的護種板及殼體等部件裝配成排種器模型導入到EDEM中。為便于分析并提高仿真運算速度，將大豆顆粒運動過程中與接觸無關的部件去掉，簡化后的排種器模型如圖6所示。將左右排種盤合并，將其設置為轉動件，定義其材料和類型，設置旋轉軸的位置和方向、轉動初速度和轉動開始及結束的時間。其余部件組合并設置成固定件,材料設置成steel，由于采用雙腔結構的模型，在排種器模型上方創建雙重顆粒工廠，如圖6所示。后處理模塊中，在排種器投種口下方建立一個Grid bin group(方格組)，用以記錄并實時顯示進入其間的顆粒總數，為后續充填率的計算提供依據。

圖6 EDEM中的排種器仿真模型

5 仿真結果與分析

5.1 仿真結果

仿真結果如表2所示。

5.2 回歸方程

根據仿真數據，建立充填率與仿真因素的原始回歸方程：

yt= 85.96-5.93x1+6.10x2+2.65x3+

1.38x1x3-1.15x2x3

(2)

對式(2)進行分析，得出方差分析表(表3)。

由表3可知，F檢驗的結果表明：F2>F0.01(9,13)=4.19,F1

yt=86.39-5.93x1+6.10x2+2.65x3+

將上式中的試驗因素實際量轉化，得回歸方程為

表2 仿真數據

表3 方差分析表

yt=100.19-4.29v-0.38α+0.09d+

3.16×10-3α2+0.04vα

(3)

根據多元二次回歸中各因素重要性的計算方法[18]，作業速度、折邊傾角和排種盤直徑對充填率的貢獻率分別為1.381、2.257和0.089，因此，各因素對充填率的影響程度由大到小依次為折邊傾角、作業速度和排種盤直徑。

5.3 各因素對充填率的影響規律

當排種盤直徑置于零水平(190 mm)時，作業速度和折邊傾角對充填率的影響規律如圖7a所示：當作業速度處于低水平時，折邊傾角對充填率影響不大；當作業速度處于高水平時，折邊傾角與充填率成正相關關系，隨著傾角的增大，折邊傾角對提高充填率的作用變得明顯，這是由于角度逐漸增大，使得重力與離心力沿軸線方向上的分力增大，進而增加充填力所致。

當折邊傾角置于零水平(45°)時，作業速度和排種盤直徑對充填率的影響規律如圖7b所示：低速時，排種盤直徑水平變化對充填率影響有限，隨作業速度的提高，大直徑的排種盤對充填率的利好作用逐漸增大，可有效彌補速度增加帶來的負面影響。

當作業速度置于零水平(8 km/h)時，排種盤直徑和折邊傾角對充填率的影響規律如圖7c所示：折邊傾角小于零水平時，傾角的變化對充填率的影響很小，當折邊傾角處于較低水平時，隨著排種盤直徑的增大，充填率緩慢上升；折邊傾角大于零水平時，隨著傾角的增大，充填率呈明顯上升趨勢，當折邊傾角處于高水平時，排種盤直徑對充填率的作用不明顯。

(a)v和α對充填率影響曲線曲面圖

(b)v和d對充填率影響曲線曲面圖

(c)α和d對充填率影響曲線曲面圖圖7 各因素對充填率的影響

5.4 參數組合優化分析

采用主目標函數法進行優化求解，由于折邊傾角α<71°[12]，故本文選取因素變量作為約束條件的范圍為x1∈[8 km/h,12 km/h]，x2∈[0°,70°]，x3∈[140 mm,240 mm]，充填率的參數優化區域如圖8所示。由圖8可知，若使充填率達到95%以上，則在作業速度為8 km/h時，排種盤直徑取200～240 mm，折邊傾角取60°～70°；在作業速度為10 km/h時，排種盤直徑取233～240 mm，折邊傾角取68°～70°。

1.v=8 km/h，yt=90% 2.v=10 km/h，yt=90% 3.v=8 km/h，yt=95% 4.v=10 km/h，yt=95%圖8 參數優化區域

6 樣機試制與試驗

6.1 樣機試制

在滿足充種質量的前提下，綜合考慮降低成本和排種器單體的質量，確定雙腔立式淺盆型復合種盤排種器的種盤直徑為234 mm，折邊傾角為68°，樣機如圖9所示。為了便于觀察和檢測排種器的作業情況，使用有機玻璃材料加工兩個檢視窗，分別安裝在左右兩個殼體的下部，同時將左右殼體內板也加工成有機玻璃材質，以便觀察排種器的充種、清種情況，其余部件均采用鑄鋁。

(a)零部件(b)總裝圖9 排種器樣機

6.2 試驗

將雙腔立式淺盆型復合種盤排種器安裝在JPS-12計算機視覺排種器性能檢測試驗臺(哈爾濱博納科技有限公司制造)上，整體布局如圖10所示。本試驗選用黑農38的大豆種子作為試驗對象，排種盤的直徑為234 mm，單盤型孔數為40，設置種床帶速度與排種軸的轉速如表4所示，試驗數據采集及統計遵照GB 6973-86單粒(精密)播種機試驗方法[19]進行，每組試驗重復3次以上，剔除明顯異常數據的情況下取均值，試驗結果如表4所示。

根據JB/T 10293-2001中耕作物精密播種機產品質量分等[20]，由表4可知，此排種器在高速作業即作業速度達到8 km/h以上時，合格率均能達到90%以上，具備了良好的高速作業能力，該排種器屬于優等品。

1.綜合操作臺 2.種箱 3.導種管 4.雙腔立式淺盆型種盤排種器5.JPS-12計算機視覺排種器性能檢測試驗臺圖10 樣機測試系統

種床帶速度(km/h)排種軸轉速(r/min)合格率(%)48．3399．81612．5099．56816．6798．421020．8395．131225．0091．36

7 結論

(1)根據回歸方程分析，在仿真與試驗的參數取值域內，影響立式淺盆型排種器充填率的主次順序為折邊傾角、作業速度和排種盤直徑。

(2)根據EDEM仿真結果，結合精密播種機的評價標準，由Design-expert 8.0軟件優化得出：立式淺盆型復合種盤排種器的最佳組合參數是排種盤直徑為234 mm、折邊傾角為68°。樣機試驗表明，此排種器在作業速度分別為8 km/h、10 km/h和12 km/h(對應排種盤轉速分別為16.67 r/min、20.83 r/min和25.00 r/min)時，合格率分別為98.42%、95.13%和91.36%，具備了良好的高速作業能力。

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(編輯 蘇衛國)

Design and Parameter Optimization on Vertical Shallow-basin Type Composites Seed-plate Soybean Seed-metering Devices

Liu Hongxin Xu Xiaomeng Fu Lulu Wang Chen

Northeast Agricultural University,Harbin，150030

To meet the working requirements of mechanical precision seed-metering device at high speed, a vertical shallow basin-type composite seed-plate seed-metering device with double cavity was designed, the seed-metering device might utilize gravity, centrifugal force and interaction force among the seeds to increase the filling force, improve the filling performance of seed-metering device at high speed. And in order to obtain the structure parameters of seed-metering devices to further improve the quality of precision seeding, the software of EDEM was utilized to make the three factors and five levels of all factors rotational quadratic orthogonal experiments which took the diameter of seed-plate, folding angle, working speed as the influence factors, and filling rate as the performance index， the experimental scheme was designed. And Design-expert 8.0 software was used to deal with the simulation data, the optimal structural parameters of the seed plate were obtained, the physical prototype test was made to verify the values of simulation. The experimental results show that when the diameter of seed plate is as 234 mm, folding angle is as 68°, qualified rate may be beyond 90% at the high-speed area(working speed in the range of 8 km/h to 12 km/h), the optimized parameters may meet the demands of high speed operations, which will provide the basis and

for the product approval.

mechanical precision seed-metering device; shallow-basin type composite seed-plate; structure design; parameter optimization

2015-12-28

國家自然科學基金資助項目(51275086)

S223.23

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.22.005

劉宏新，男，1971年生。東北農業大學工程學院教授、博士研究生導師。研究方向為現代農業裝備、數字化設計、CAD&CAE。徐曉萌，女，1991年生。東北農業大學工程學院碩士研究生。付露露，女，1992年生。東北農業大學工程學院碩士研究生。王 晨，男，1990年生。東北農業大學工程學院碩士研究生。