李 鑫，籍俊杰，馮曉靜

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

0 引言

據(jù)中國(guó)統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2015年中國(guó)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(guó)。玉米作為我國(guó)第二大經(jīng)濟(jì)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(yíng)養(yǎng)面積和水分，苗期發(fā)育健壯，群體長(zhǎng)勢(shì)均衡，有利于擴(kuò)大良種覆蓋面積，可達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。我國(guó)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(shè)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(dòng)，我國(guó)的玉米種植面積迅速擴(kuò)大[3]。

排種器是播種機(jī)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(dú)立運(yùn)動(dòng)，均勻地進(jìn)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(guò)研究該排種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、充種方式和受力狀態(tài)等諸多機(jī)理，能夠?yàn)槠湓O(shè)計(jì)改進(jìn)提供相應(yīng)的支撐[4]。

1 勺輪式排種器的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

1.1 勺輪式排種器的結(jié)構(gòu)

勺輪式排種器是玉米精密播種機(jī)的核心部件，其結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structural components of spoon-wheel seedmeter

1.2 勺輪式排種器的工作過(guò)程

勺輪式排種器具有舀種、清種、遞種、護(hù)種及投種5個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如圖2所示。

圖2 勺輪式排種器工作過(guò)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(jìn)入勺輪室。當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)導(dǎo)種輪及勺輪轉(zhuǎn)動(dòng)，隨著勺輪旋轉(zhuǎn)；當(dāng)舀勺進(jìn)入籽粒群，舀勺和籽粒產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，籽粒在重力、離心力和籽粒間推擠作用下進(jìn)入勺內(nèi)，即舀種過(guò)程；當(dāng)種勺繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，脫離種子群后，舀種結(jié)束，進(jìn)入清種區(qū)。

1.2.2 清種

勺輪舀勺轉(zhuǎn)至一定的位置時(shí)，舀勺上充附多個(gè)玉米籽粒會(huì)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(dòng)繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。

1.2.3 遞種

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

1.2.4 投種

導(dǎo)種輪帶動(dòng)籽粒與勺輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，籽粒進(jìn)入護(hù)種區(qū)，回轉(zhuǎn)到排種殼體下后方投中口處時(shí)，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(guò)觀察可知：玉米籽粒在排種器充種區(qū)域的運(yùn)動(dòng)時(shí)，籽粒呈環(huán)流層的形式存在，從籽粒運(yùn)動(dòng)的剖面可以看出其分為4個(gè)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(duì)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(bǔ)空間、相向速度差和同向速度差這3種方式進(jìn)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(yùn)動(dòng)時(shí)，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(guò)程中，主要有3條途徑進(jìn)行充種。

2.2.1 第1條途徑

當(dāng)勺輪剛剛進(jìn)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(shí)在重力、離心力、籽粒間推擠力的綜合作用下迅速填補(bǔ)到舀勺中的空間，引起籽粒的流動(dòng)，進(jìn)行充種運(yùn)動(dòng)；當(dāng)籽粒填充到舀勺中，籽粒隨著勺輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)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(duì)運(yùn)動(dòng)的方式充種。由于種種原因，在之前的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中玉米籽粒未能有效地進(jìn)入到舀勺中，當(dāng)舀勺運(yùn)動(dòng)到ab區(qū)域段時(shí)，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(yùn)動(dòng)，回流種子在重力和相向速度Vsinβ的聯(lián)合作用進(jìn)行舀勺的充種。

2.2.3 第3條途徑

3 玉米籽粒充種時(shí)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(bǔ)的方式進(jìn)行充種，其次是回流的玉米籽粒和勺輪的相向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行充種，再次是上升區(qū)域的玉米籽粒和勺輪的同向運(yùn)動(dòng)進(jìn)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(bǔ)方式充種

玉米籽粒在運(yùn)動(dòng)的過(guò)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(jìn)行充種，其受力情況如下：

重力為

W=mg

(1)

回流玉米籽粒的動(dòng)能為

(2)

(3)

動(dòng)能為

F=mgH·sin2β

(4)

比較重力W和動(dòng)能作用F的大小，由于sinβ<1，g=9.8m/s2，R=0.1m,H<1m,外加動(dòng)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?；亓鞯膭?dòng)能。

3.2 相向運(yùn)動(dòng)方式充種

當(dāng)勺輪進(jìn)入到ab段時(shí)，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(dāng)玉米籽粒接觸到舀勺的內(nèi)壁時(shí)，玉米籽粒的速度驟減至零；隨后隨著舀勺一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)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(jìn)行的，由于W>P2，所以重力是其充種的主要方式。

3.3 同向運(yùn)動(dòng)方式充種

4 基于EDEM的運(yùn)動(dòng)分析

4.1 幾何模型建立

為了方便虛擬試驗(yàn)的模擬和計(jì)算，將無(wú)關(guān)的部件約束和部件去除，利用三維建模軟件Pro/E對(duì)排種器進(jìn)行實(shí)體建模，給予必要的約束，把最終文件轉(zhuǎn)化成EDEM可以識(shí)別的.igs格式，如圖5所示。

應(yīng)用C語(yǔ)言對(duì)分析中的種子及排種器進(jìn)行彈性函數(shù)編譯，通過(guò)EDEM軟件中的應(yīng)用編程接口(API，application programming interface)完成彈力的賦值加載[5]。通過(guò)查閱文獻(xiàn)，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(yàn)選取其中的鄭丹958為研究對(duì)象，通過(guò)人工清選分級(jí)，選取適中的籽粒進(jìn)行樣品采樣，隨機(jī)抽取1 000個(gè)籽粒進(jìn)行測(cè)量，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均化處理，最終確定其外形尺寸長(zhǎng)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(guò)多球面組合的方式進(jìn)行填充，最終虛擬試驗(yàn)中玉米籽粒的形態(tài)如圖6所示。同時(shí)，設(shè)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(shè)定

由于玉米籽粒之間無(wú)黏附作用，故在EDEM軟件中選擇Hertz-Mindlin(no slip)built-in模型為虛擬實(shí)驗(yàn)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(shè)置顆粒工廠以10 000個(gè)/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(dòng)，其初始運(yùn)動(dòng)時(shí)間為0.5s,轉(zhuǎn)速設(shè)置為30r/min。

4.4 玉米籽粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程

由EDEM仿真可知：玉米籽粒在排種器中充種區(qū)域的運(yùn)動(dòng)時(shí)，籽粒呈環(huán)流層的形式存在，籽粒的運(yùn)動(dòng)具有4個(gè)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(duì)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(gè)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(duì)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(dòng)作用下，受離心力和重力的作用，沿著勺輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向做圓周運(yùn)動(dòng)；當(dāng)玉米籽粒運(yùn)動(dòng)到塌落區(qū)域Ⅱ時(shí)，籽粒所受的重力大于離心力，此時(shí)玉米籽粒在環(huán)流層會(huì)出現(xiàn)塌陷的現(xiàn)象；塌陷的玉米籽粒在回流區(qū)域Ⅲ進(jìn)行回流至勺輪接觸籽粒群的起始位置；相對(duì)靜止區(qū)域Ⅳ中的玉米籽粒在該區(qū)域低速轉(zhuǎn)動(dòng)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(bǔ)空間、相向速度差和同向速度差這3種方式進(jìn)行充種，其充種過(guò)程如圖8所示。

(a) 填補(bǔ)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(bǔ)空間的方式進(jìn)行充種的玉米籽粒為排種器未工作時(shí)掉入到舀勺中或者工作后勺輪剛進(jìn)入籽粒群時(shí)，填補(bǔ)舀勺的玉米籽粒。這一類充種方式的玉米籽粒，在充種前沒(méi)有在排種器中運(yùn)動(dòng)。由圖8(b)可知：以相對(duì)速度差方式進(jìn)行充種的玉米籽粒為排種工作后，勺輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)的玉米籽粒到達(dá)一定高度回落的或者舀勺在遞種過(guò)程中未進(jìn)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(jìn)行了多次轉(zhuǎn)動(dòng)。由圖8(c)可知：舀勺經(jīng)過(guò)籽粒群后，由于種種原因未能進(jìn)行充種，勺輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靠舀勺最近的環(huán)流層的玉米籽粒隨著舀勺一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在重力和離心力的作用下，籽粒慢慢地進(jìn)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(dòng)，逐步進(jìn)入舀勺中。

5 結(jié)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(jìn)行充種。其主要靠重力和玉米籽粒間的推擠力進(jìn)行填補(bǔ)空間方式充種，主要依靠重力進(jìn)行相向運(yùn)動(dòng)方式充種；主要依靠重力和離心力進(jìn)行同向運(yùn)動(dòng)方式充種。基于EDEM軟件分析可知： 其運(yùn)動(dòng)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(dá)到100%。