窩孔式玉米排種器結構設計與仿真*

劉榮輝 ，賈雙林

（1.吉林農業科技學院機械與土木工程學院，吉林 吉林 132101；2.北華大學教務處，吉林 吉林 132021）

0 引言

山區、耕作面積小的田地環境不適合機械化耕作，人力驅動的滾動內窩孔式排種器因具有適應性強、操作方便、結構簡單、價格低廉等優點，被廣泛應用于農村個體家庭[1-3]。隨著育種技術的發展，玉米單粒播種可以節約種子成本、減少田間用工成本，所以提高排種器的播種精度成為近年來部分學者研究的重點[4-5]。華中農業大學的周勇設計了內充種組合型孔式播量可調棉花精量排種器，解決了內窩孔口堵塞和播量不可調的問題；西南大學的蔣光兵研究了鴨嘴式玉米點播裝置，避免了播種過程中土壤擾動對播種準確性的影響；東北農業大學的王金武針對坡地環境下排種差、性能不穩定的情況，設計了間歇同步補種裝置，提高了坡地環境下的播種精度。

本文以內窩孔式排種器為研究對象，優化設計了一款能夠同步補種的新型排種器，并對其工作過程進行了仿真分析，以期提高該排種器的播種精度。

1 排種器結構與工作原理

1.1 排種器結構

內窩孔式排種器主要由種箱、排種補種裝置、導種板、鴨嘴開合器、殼體、端蓋等幾部分組成，如圖1 所示。其中，排種補種裝置為核心部件，由窩孔盤、補種盤、棘輪、毛刷、缺種檢測臂、支撐架、軸等零件組成[6-9]，如圖2 所示。

圖1 排種器總體結構圖

圖2 排種補種裝置

1.2 工作原理

種子由種箱進入充種室，在重力作用下，處于可填充位置的種子進入窩孔盤和補種盤的型孔內，完成充種過程；當帶有多余玉米種子的充種型孔運動到清種區時，清種毛刷將窩孔邊緣多余的種子清出，完成清種過程；當含有種子的型孔轉到排種區時，種子在重力和導種板的雙重作用下進入排種器殼體外側的鴨嘴中，最終通過鴨嘴的開合完成排種過程[10]。

當窩孔盤型孔中有種子時，缺種檢測臂被型孔中的種子抬起，迫使棘輪無法轉動，從而使補種盤不轉動，窩孔內的種子不能排出；當窩孔盤型孔內出現漏種情況時，缺種檢測臂無法被種子抬起，棘爪保持原位，棘輪帶動補種盤旋轉一定角度，完成補種作業。

2 種子分類與仿真模型建立

為了驗證該排種器的工作性能，以離散元理論為基礎，采用仿真軟件對其工作過程進行模擬，分析影響排種器工作性能的指標，為排種器結構優化提供依據[11-12]。

通過觀察伊單56 玉米種子的外觀形狀，將其劃分成長扁形、球錐形、類球形、不規則形四個類型，如圖3所示。

圖3 伊單56 玉米種子幾何形狀分類

長扁形玉米種子前后兩個面較為平整，頂部較尖，底部較寬，整體形狀偏長、偏扁；球錐形玉米種子底部圓潤，呈現半球形，側面呈現出比較明顯的四棱錐形；類球形玉米種子長、寬、高三軸尺寸相差不大，整體接近于球形；不規則形玉米種子的形狀沒有明顯特征，形狀特征也無規律性。

按照以上分類方法，選取3 000 粒伊單56 玉米種子，按不同形狀進行統計，得到各類型種子在總數中的占比，如表1所示。

表1 不同形狀玉米種子占比

通過測量統計后的數據可以看出，玉米種子中球錐形、長扁形所占比例較多，分別為40.07%和42%，這兩種類型的玉米種子占了總體的82.07%，而其余兩種所占比例較少。

種子分類后，隨機挑選出各種形狀種子各100粒，分別測量其三維尺寸平均值，具體如表2所示。

表2 不同形狀玉米種子尺寸分布平均值

以表2 數據為依據，在EDEM 中建立長扁形、球錐形、類球形三種類型玉米種子的仿真模型，如圖4所示。在仿真過程中按照表1 各種形狀玉米種子的占比生成種子仿真模型[13]。

圖4 各種類型玉米種子仿真模型

3 工作過程仿真及分析

為了驗證排種器播種精度，采用EDEM 軟件對排種器工作過程進行仿真分析。首先對排種器模型進行簡化處理，然后進行相關參數設置，再對充種、清種、護種、排種過程進行觀察，統計工作過程中的重播和漏播情況，并進行分析[14-16]。

3.1 充種階段

以表1中不同形狀種子所占比例為依據生成1 000粒種子，并從種箱底部進入充種區域，隨著窩孔盤和補種盤的轉動，種子逐一進入各輪型孔中，完成充種過程，如圖5所示。

圖5 充種階段圖

3.2 清種階段

清種過程是窩孔盤轉到清種區內，型孔內多余的種子在清種毛刷的作用下被清除的過程，如圖6 所示。清種過程直接關系到排種器的重播指數和漏播指數，重播狀態和漏播狀態分別如圖7、圖8 所示，清種不徹底將造成重播，過度清種將造成漏播[17-18]。

圖6 清種階段圖

圖7 重播狀態圖

圖8 漏播狀態圖

3.3 排種階段

型孔內未被清除的種子，隨著窩孔輪的轉動，運動到排種區域，在重力的作用下，完成排種過程[19-20]，如圖9 所示。若出現漏播狀態，則補種輪完成補種過程，如圖10所示。

圖9 排種階段圖

圖10 補種階段圖

3.4 性能指標分析

以窩孔盤轉速作為影響排種性能的指標因素，分析播種盤轉速對排種器性能的影響，統計三種轉速下的實際播種量、重播量、漏播量[21-23]，得到的結果如表3所示。

表3 排種信息統計表

將根據各參數計算公式計算出的各指標隨不同轉速變化的值填入表格，結果如表4所示。

表4 排種盤轉速對排種性能的影響

從表3 和表4 中可以看出，轉速過低或過高都不利于合格指數的上升，原因是低速時的充種過程效果較好，造成重播指數上升；高速時的排種盤轉速高，種子的離心力大，造成種子運動的不確定性增加，重播指數上升，排種性能急劇惡化。當排種盤轉速為60 r/min 時，重播指數和漏播指數都比較低，合格指數較高[24-25]。

4 結論

1）課題組設計了一款可進行漏播檢測并能及時補種的新型窩孔式玉米排種器，介紹了其結構組成和工作原理。

2）為了提高仿真準確性，以伊單56 玉米種子為研究對象，對種子外形進行分類統計，分別對各類型種子進行尺寸測量，并依據三軸尺寸平均值建立仿真模型。

3）對排種器三維模型進行簡化后，采用EDEM軟件對其工作過程進行了仿真分析，得到排種盤轉速為60 r/min時，排種精度最高的結果。