勺輪式玉米排種器運動機理的研究

李 鑫，籍俊杰，馮曉靜

(1.河北農(nóng)業(yè)大學 機電工程學院， 河北 保定 071001，2.河北省農(nóng)林科學院 糧油作物研究所，石家莊 050035)

0 引言

據(jù)中國統(tǒng)計局統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年中國玉米產(chǎn)量為2.25億t，占全世界的22.98%，位居世界第二，僅次于美國。玉米作為我國第二大經(jīng)濟作物，在食品業(yè)、飼料加工業(yè)、工業(yè)上用途廣泛。隨著玉米的大面積種植，提高播種質(zhì)量是保證高產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[1-2]。精量播種使作物植株分布均勻，通光透光性好，能充分利用土壤的營養(yǎng)面積和水分，苗期發(fā)育健壯，群體長勢均衡，有利于擴大良種覆蓋面積，可達到提高產(chǎn)量的目的。我國幅員遼闊，玉米種植形式多樣，隨著高產(chǎn)、抗逆的優(yōu)良玉米雜交種不斷選育成功與推廣，水利設施的不斷完善，化肥、農(nóng)藥施用水平的提高，以及養(yǎng)殖業(yè)、加工業(yè)大量需求的拉動，我國的玉米種植面積迅速擴大[3]。

排種器是播種機的核心部件，主要功能是把種箱中的玉米籽粒化整為零，讓其獨立運動，均勻地進行播種。勺輪式玉米排種器能夠?qū)崿F(xiàn)單粒精播，其充種性能好、清種傷種小、投種均勻性高、生產(chǎn)制造成本低、通用性高，但其工作速度低。因此，通過研究該排種器的結構特點、充種方式和受力狀態(tài)等諸多機理，能夠為其設計改進提供相應的支撐[4]。

1 勺輪式排種器的結構及工作過程

1.1 勺輪式排種器的結構

勺輪式排種器是玉米精密播種機的核心部件，其結構參數(shù)優(yōu)劣直接影響玉米精密播種的質(zhì)量。勺輪式排種器由排種器殼體、導種輪、隔板、勺輪、軸、軸承及透明蓋等零部件組成，如圖1所示。

1.排種器殼體 2.導種輪 3.軸 4.軸承 5.隔板 6.勺輪 7.透明蓋圖1 勺輪式排種器結構組成Fig.1 Structural components of spoon-wheel seedmeter

1.2 勺輪式排種器的工作過程

勺輪式排種器具有舀種、清種、遞種、護種及投種5個運動過程，如圖2所示。

圖2 勺輪式排種器工作過程Fig.2 Working process of spoon-wheel seedmeter

1.2.1 舀種

玉米籽粒由排種器透明蓋上的籽粒通道進入勺輪室。當軸轉(zhuǎn)動時，帶動導種輪及勺輪轉(zhuǎn)動，隨著勺輪旋轉(zhuǎn)；當舀勺進入籽粒群，舀勺和籽粒產(chǎn)生相對運動，籽粒在重力、離心力和籽粒間推擠作用下進入勺內(nèi)，即舀種過程；當種勺繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，脫離種子群后，舀種結束，進入清種區(qū)。

1.2.2 清種

勺輪舀勺轉(zhuǎn)至一定的位置時，舀勺上充附多個玉米籽粒會在重力的作用下掉落回籽粒群中，只有穩(wěn)定于舀勺內(nèi)的籽粒被帶動繼續(xù)運動。

1.2.3 遞種

舀勺內(nèi)只留下1粒籽粒繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當攜帶籽粒的舀勺轉(zhuǎn)到隔板上調(diào)節(jié)孔槽開口處時，籽粒在重力、離心力作用下滑入導種輪上與之相對應排種孔槽內(nèi)，完成遞種過程。

1.2.4 投種

導種輪帶動籽粒與勺輪同步轉(zhuǎn)動，籽粒進入護種區(qū)，回轉(zhuǎn)到排種殼體下后方投中口處時，籽粒在重力、離心力作用下脫離排種器投種。

2 籽粒充種方式、途徑

2.1 充種方式

通過觀察可知：玉米籽粒在排種器充種區(qū)域的運動時，籽粒呈環(huán)流層的形式存在，從籽粒運動的剖面可以看出其分為4個區(qū)域，即上升區(qū)域Ⅰ、塌落區(qū)域Ⅱ、回流區(qū)域Ⅲ及相對靜止區(qū)域Ⅳ；在重力、離心力、摩擦力、種子群體間推擠力的作用下，以填補空間、相向速度差和同向速度差這3種方式進行充種,如圖3所示。

圖3 籽粒環(huán)流層剖面Fig.3 Seed circulation layer

2.2 充種途徑

籽粒在排種器充種區(qū)域的運動時，只有上升區(qū)域Ⅰ的最外層和勺輪直接接觸，其他區(qū)域未和勺輪接觸。在充種過程中，主要有3條途徑進行充種。

2.2.1 第1條途徑

當勺輪剛剛進入到籽粒環(huán)流層處，勺輪的舀勺為未充種狀態(tài)，其舀勺留有一定的空間，玉米籽粒此時在重力、離心力、籽粒間推擠力的綜合作用下迅速填補到舀勺中的空間，引起籽粒的流動，進行充種運動；當籽粒填充到舀勺中，籽粒隨著勺輪一起轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)動的過程中，籽粒間的推擠力將舀勺中的籽粒穩(wěn)定在舀勺中。

2.2.2 第2條途徑

舀勺和籽粒以相對運動的方式充種。由于種種原因，在之前的運動過程中玉米籽粒未能有效地進入到舀勺中，當舀勺運動到ab區(qū)域段時，回流區(qū)域Ⅲ中的玉米籽粒迎面撞入到舀勺中，二者為相向運動，回流種子在重力和相向速度Vsinβ的聯(lián)合作用進行舀勺的充種。

2.2.3 第3條途徑

3 玉米籽粒充種時的受力分析

根據(jù)上述3種不同的充種方式可知：玉米籽粒主要以空間填補的方式進行充種，其次是回流的玉米籽粒和勺輪的相向運動進行充種，再次是上升區(qū)域的玉米籽粒和勺輪的同向運動進行充種。在這3種不同方式下，其受力狀態(tài)也是不一樣，如圖4所示。

圖4 籽粒充種途徑及充種方式Fig.4 The routes and the ways of seed-filling

3.1 填補方式充種

玉米籽粒在運動的過程中沿著排種器的徑向，在重力加速度和回流的玉米籽粒速度的垂直分量V1y的綜合作用下進行充種，其受力情況如下：

重力為

W=mg

(1)

回流玉米籽粒的動能為

(2)

(3)

動能為

F=mgH·sin2β

(4)

比較重力W和動能作用F的大小，由于sinβ<1，g=9.8m/s2，R=0.1m,H<1m,外加動能抵消一部分的摩擦力，W/F=mg/mgH·sin2β，因此W>F，重力大于玉米籽粒回流的動能。

3.2 相向運動方式充種

當勺輪進入到ab段時，由于玉米籽粒在玉米籽粒和勺輪之間的摩擦力f1的作用，當玉米籽粒接觸到舀勺的內(nèi)壁時，玉米籽粒的速度驟減至零；隨后隨著舀勺一起運動，此時玉米籽粒的受力為

(5)

此種充種方式是在重力和離心力的綜合作用下進行的，由于W>P2，所以重力是其充種的主要方式。

3.3 同向運動方式充種

4 基于EDEM的運動分析

4.1 幾何模型建立

為了方便虛擬試驗的模擬和計算，將無關的部件約束和部件去除，利用三維建模軟件Pro/E對排種器進行實體建模，給予必要的約束，把最終文件轉(zhuǎn)化成EDEM可以識別的.igs格式，如圖5所示。

應用C語言對分析中的種子及排種器進行彈性函數(shù)編譯，通過EDEM軟件中的應用編程接口(API，application programming interface)完成彈力的賦值加載[5]。通過查閱文獻，最終得出排種器為鋁合金，其泊松比為0.24，剪切模量為2.7×1010Pa,密度為2 700kg/m3。

4.2 玉米籽粒模型的建立

由于玉米籽粒品種多種多樣，本試驗選取其中的鄭丹958為研究對象，通過人工清選分級，選取適中的籽粒進行樣品采樣，隨機抽取1 000個籽粒進行測量，對測量結果進行平均化處理，最終確定其外形尺寸長為10.2mm、上寬為8mm、下寬為5.8mm、上厚為4.5mm、下厚為3.7mm。在EDEM中，玉米籽粒是通過多球面組合的方式進行填充，最終虛擬試驗中玉米籽粒的形態(tài)如圖6所示。同時，設置籽粒的泊松比為0.4，剪切模量為1.37×108Pa,密度為1 197kg/m3。

圖5 勺輪式精量排種器仿真模型Fig.5 Simulation model of spoon-wheel precision seed-metering device

圖6 玉米籽粒EDEM模型Fig.6 EDEM model of corn grain

4.3 其他參數(shù)的設定

由于玉米籽粒之間無黏附作用，故在EDEM軟件中選擇Hertz-Mindlin(no slip)built-in模型為虛擬實驗的接觸模型[6]。籽粒之間和籽粒與排種器間接觸參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型材料接觸參數(shù)Table 1 Material contact parameters of simulation model

設置顆粒工廠以10 000個/s的速率生成初速度為0的籽粒模型，其重力加速度為9.81m/s2,總量為1 400粒；排種器選擇轉(zhuǎn)動，其初始運動時間為0.5s,轉(zhuǎn)速設置為30r/min。

4.4 玉米籽粒的運動過程

由EDEM仿真可知：玉米籽粒在排種器中充種區(qū)域的運動時，籽粒呈環(huán)流層的形式存在，籽粒的運動具有4個區(qū)域，即上升區(qū)域Ⅰ、塌落區(qū)域Ⅱ、回流區(qū)域Ⅲ及相對靜止區(qū)域Ⅳ，如圖7所示。

圖7 基于EDEM的種子環(huán)流層剖面Fig.7 The kinds and ways of seed-filling in EDEM simulation processes

由圖7可以看出：玉米籽粒的環(huán)流層與理論分析中環(huán)流層相符合，其中的4個區(qū)域，即上升區(qū)域Ⅰ、塌落區(qū)域Ⅱ及回流區(qū)域Ⅲ、相對靜止區(qū)域Ⅳ相一致。在上升區(qū)域Ⅰ中，玉米籽粒沿著環(huán)流層的外層至里層在勺輪的攪動作用下，受離心力和重力的作用，沿著勺輪轉(zhuǎn)動的方向做圓周運動；當玉米籽粒運動到塌落區(qū)域Ⅱ時，籽粒所受的重力大于離心力，此時玉米籽粒在環(huán)流層會出現(xiàn)塌陷的現(xiàn)象；塌陷的玉米籽粒在回流區(qū)域Ⅲ進行回流至勺輪接觸籽粒群的起始位置；相對靜止區(qū)域Ⅳ中的玉米籽粒在該區(qū)域低速轉(zhuǎn)動不與其他玉米籽粒發(fā)生替換，保持一定的定量守恒。

在重力、離心力、摩擦力、種子群體間推擠力的作用下，以填補空間、相向速度差和同向速度差這3種方式進行充種，其充種過程如圖8所示。

(a) 填補空間 (b) 相向速度差 (c) 同向速度差圖8 EDEM仿真中籽粒的3種充種方式Fig.8 Three kinds of seed-filling in EDEM simulation processes

由圖8(a)可知：以填補空間的方式進行充種的玉米籽粒為排種器未工作時掉入到舀勺中或者工作后勺輪剛進入籽粒群時，填補舀勺的玉米籽粒。這一類充種方式的玉米籽粒，在充種前沒有在排種器中運動。由圖8(b)可知：以相對速度差方式進行充種的玉米籽粒為排種工作后，勺輪轉(zhuǎn)動帶動的玉米籽粒到達一定高度回落的或者舀勺在遞種過程中未進入遞種輪回落的籽粒。這一類充種方式的玉米籽粒，在完成有效的充種之前，其在排種器中進行了多次轉(zhuǎn)動。由圖8(c)可知：舀勺經(jīng)過籽粒群后，由于種種原因未能進行充種，勺輪轉(zhuǎn)動時，靠舀勺最近的環(huán)流層的玉米籽粒隨著舀勺一起轉(zhuǎn)動，在重力和離心力的作用下，籽粒慢慢地進入到舀勺中。這一類充種方式的玉米籽粒慢慢地跟隨勺輪轉(zhuǎn)動，逐步進入舀勺中。

5 結論

勺輪式玉米精密排種器是以“勺徑側(cè)三作用充種方式”或“勺徑二作用充種方式”進行充種。其主要靠重力和玉米籽粒間的推擠力進行填補空間方式充種，主要依靠重力進行相向運動方式充種；主要依靠重力和離心力進行同向運動方式充種。基于EDEM軟件分析可知： 其運動軌跡和充種方式與理論分析一致，勺輪式玉米精密排種器在高低速作業(yè)條件下充種率可以達到100%。