大豆凸輪排種器的設計與優化

李陽 雷一騰 胡斌

摘要：垂直圓盤窩眼輪式排種器是目前我國廣泛使用的一種機械式排種器，但其存在傷種和投種精確度差等問題，為了提高窩眼輪式排種器的投種精確度，設計了1種凸輪推桿結構的窩眼式排種器，對其主要部件進行研究設計和理論計算，利用離散元軟件EDEM對排種器進行仿真試驗，并利用Design-Expert軟件設計BBD（Box-Behnken design）響應曲面試驗，進行優化求解，得到排種器的最優參數為型孔直徑9.5 mm，深度6.8 mm;臺架驗證試驗表明，排種器在小于8 km/h的速度下，可以滿足精密播種要求。

關鍵詞：排種器;凸輪;離散元;響應曲面法

對于大豆、玉米等中耕作物，精密播種以單粒為主，保證粒距和播深一致才能為增產豐收提供保障。大豆排種器按照工作原理可分為機械式和氣力式[1-3]，由于氣力式排種器須配備風機及管路，造價高且使用維護復雜，目前國內依然以機械式排種器為主。機械式排種器分為垂直圓盤窩眼輪式[4]、水平圓盤式[5-6]、勺式[7]、指夾式等，其中被廣泛用于大豆播種作業的是窩眼輪式排種器。傳統的窩眼輪式排種器加工成本低，結構簡單，但工作速度較低，播種的粒距均勻性以及對不同粒徑種子的通用性較差。為了提高窩眼輪式排種器的排種性能，本研究設計了1種大豆凸輪式排種器，對其進行離散元仿真優化，得到排種器的最優參數，并進行臺架試驗驗證。

1 排種器的結構及工作原理

凸輪排種器采用凸輪推桿機構實現定點強制排種，排種器的結構見圖1。

該排種器在傳統垂直圓盤窩眼輪式排種器內加入凸輪推桿機構，依靠凸輪外廓曲線控制推桿在型孔中有規律地伸縮，從而使型孔容積可變，在型孔容積變小的過程中實現強制排種。型孔容積可變式精密排種器工作過程如下：在儲種室內，種子依靠重力充填入型孔，轉動到清種區時，清種刷把多余的種子清除，使型孔內僅含有1粒種子;隨后在橡膠護種板的保護下，攜帶種子的型孔運動到最下方的排種區。在此之前型孔的容積保持不變，但在排種區，推桿運動到凸輪的升程階段，推桿向外運動，型孔容積變小，迫使型孔內的種子排出，即使種子堵塞在型孔中也能順利排出;排出種子的型孔轉過投種區后，推桿運動到凸輪的回程階段，推桿便在彈簧壓縮力作用下回縮，型孔容積由小變大，隨后再次進入儲種室，進入下一次排種循環。在排種過程中凸輪推桿機構使種子在排種器固定位置強制排出，從而保證整個排種過程是可控的，即僅存在強制排種，各種子在排種器同一位置排種，進而形成均勻的排種時距，可保證形成明顯等時距的均勻種子流。各種子間排種時距一致，排種位置相同，從而種子運行軌跡相同，這樣便提高了排種器的排種粒距一致性。

2 關鍵部件設計與理論分析

2.1 型孔圓盤的設計

5 結論

本研究設計了1種凸輪排種器，由凸輪帶動推桿運動，使型孔的大小不斷變化，提高了窩眼輪式排種器的排種性能。通過理論計算，對型孔圓盤和凸輪結構進行設計，并利用離散元仿真，采用BBD響應曲面試驗方法，對排種器的直徑、倒角和深度進行優化設計，得到型孔直徑的最優值為9.5 mm，型孔深度為6.8 mm。臺架試驗表明，當速度小于8 km/h時，排種器的排種性能滿足精密播種要求。

參考文獻：

[1]張澤平，馬成林，左春檉. 精播排種器及排種理論研究進展[J]. 吉林工業大學學報，1995，25（4）：112-117.

[2]何 達，胡樹榮，馬成林，等. 種子尺寸對粒距均勻性影響分析及排種輪窩眼數的合理選擇[J]. 農業機械學報，1987（1）：52-59.

[3]馬 旭，馬成林，張守勤，等. 精密播種機粒距分布計算機仿真的研究[J]. 農業機械學報，1992，8（2）：35-44.

[4]張寶庫，高 玨，唐憲瑞. 垂直型孔輪式排種器適應高速精密播種的途徑[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，1993，7（1）：51-59.

[5]廖慶喜，高煥文. 玉米水平圓盤精密排種器排種性能試驗研究[J]. 農業工程學報，2003，19（1）：99-103.

[6]廖慶喜，高煥文，舒彩霞. 水平圓盤精密排種器新型推刮種器[J]. 農業機械學報，2004，35（1）：60-64.

[7]馬成林，王十周，張守勤，等. 氣力輪式排種器試驗研究[J]. 農業機械學報，1990（3）：28-34.

[8]石永剛，吳央芳. 凸輪機構設計與應用創新[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[9]于建群，付 宏，李 紅，等. 離散元法及其在農業機械工作部件研究與設計中的應用[J]. 農業工程學報，2005（5）：1-6.

[10]史 嵩，張東興，楊 麗，等. 基于EDEM軟件的氣壓組合孔式排種器充種性能模擬與驗證[J]. 農業工程學報，2015，31（3）：62-69.

[11]王金武，唐 漢，王 奇，等. 基于EDEM軟件的指夾式精量排種器排種性能豎直模擬與試驗[J]. 農業工程學報，2015，31（21）：43-50.

[12]胡雅琴. 響應曲面二階設計方法比較研究[D]. 天津：天津大學，2005.葉 云，趙小娟，胡月明，等. 珠三角耕地質量局部空間自相關分析[J]. 江蘇農業科學，2019，47（6）：197-203.