李 猛

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，河北 保定 071001）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，播種是首要環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量會(huì)直接影響農(nóng)業(yè)收成。精量播種是將農(nóng)作物播種到溝或洞中，并以一種高精度的粒度、距離和播種高度來(lái)覆蓋土壤的過(guò)程。精量播種可以減少種子使用量、縮短間苗時(shí)間、使作業(yè)過(guò)程省時(shí)省力，而且不會(huì)污染種子，能夠給幼苗創(chuàng)造一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境、提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)農(nóng)民增產(chǎn)增收。排種器是精量播種機(jī)的核心部件，排種器的質(zhì)量將直接影響整個(gè)機(jī)器的使用性能。對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究和優(yōu)化，可以顯著增加播種質(zhì)量［1］。采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)排種器進(jìn)行研究，模擬產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)景和動(dòng)力學(xué)測(cè)試，降低了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)物理模型的依賴，極大提高了設(shè)計(jì)效率。

氣力式玉米精量播種機(jī)的排種器利用氣流壓力差從種子室攫取單位種子并依次將其排出，與機(jī)械式精量播種機(jī)相比，具有不傷種子、對(duì)種子外形尺寸要求不嚴(yán)、整機(jī)通用性好、作業(yè)速度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理

氣壓組合孔式玉米精量排種器主要由排種盤(pán)、殼體、推種板、輸種管和側(cè)擋板等部件組成（見(jiàn)圖1）。其工作原理是通過(guò)在排種盤(pán)上建立曲線導(dǎo)槽，與氣流共同作用，使種子流動(dòng)起來(lái)。氣流進(jìn)入后，形成壓力差，種子隨排種盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)，刮種器和推種板形成雙側(cè)清種結(jié)構(gòu)，保證了播種的單粒性，而側(cè)擋板保證了種子下落的方向，當(dāng)種子運(yùn)動(dòng)到一定位置，就會(huì)自由落體掉入輸種管，完成排種工作［2］。

圖1 氣壓組合孔式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

氣吸式玉米精量排種器主要由氣室、排種盤(pán)、刮種器、攪種輪、排種軸及殼體6部分組成（見(jiàn)圖2）。其工作原理是種子初始從儲(chǔ)存的地方到達(dá)氣吸式玉米精量排種器的內(nèi)部，通過(guò)氣室和風(fēng)機(jī)互相配合的方式，形成壓力差，使種子可以吸附在排種盤(pán)上，與此同時(shí)，攪種輪一直在攪拌種子，使種子動(dòng)起來(lái)，便于刮種器將多余的種子剔除，只剩下合適數(shù)量的種子。在投種區(qū)內(nèi)，排種盤(pán)的兩邊和空氣相通，此時(shí)沒(méi)有真空度，壓力差消失之后種子便不能吸附在排種盤(pán)上，做自由落體運(yùn)動(dòng)進(jìn)入到導(dǎo)種管，完成排種工作［3］。

圖2 氣吸式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 排種器相關(guān)部件參數(shù)的確定

排種盤(pán)的直徑很重要，直徑越大，型孔數(shù)越多，在同樣條件下，轉(zhuǎn)速會(huì)越低，有利于吸種。但其直徑也不可過(guò)大，如果排種盤(pán)尺寸過(guò)大，則負(fù)壓氣室會(huì)增加，風(fēng)機(jī)消耗也會(huì)增加。而玉米種子質(zhì)量較小，所需風(fēng)壓低，風(fēng)壓功率消耗小，因此，合適的直徑為140～260 mm。

排種盤(pán)的導(dǎo)槽在設(shè)計(jì)上有利有弊，優(yōu)點(diǎn)是可以使種子運(yùn)動(dòng)起來(lái)，缺點(diǎn)是種子容易被卡住，從而出現(xiàn)漏播或者損壞種子的問(wèn)題。因此，需要在排種盤(pán)上設(shè)計(jì)一條曲線，讓種子在合適的時(shí)間和距離上掉落。播種玉米時(shí)，玉米之間的距離要保證相等且適宜，不能過(guò)寬也不能過(guò)窄，不能過(guò)遠(yuǎn)也不能過(guò)近，過(guò)窄或過(guò)近會(huì)導(dǎo)致發(fā)育較好的玉米植株搶奪養(yǎng)分，而另一顆無(wú)法長(zhǎng)出玉米，降低收成；而過(guò)遠(yuǎn)或過(guò)寬會(huì)浪費(fèi)播種面積，同樣會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)量下降。所以，一定要保證兩株玉米之間的距離相等，且種子必須做勻速直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，排種盤(pán)的導(dǎo)槽軌跡是一條漸開(kāi)線。

氣壓組合孔式排種盤(pán)的組合型孔包括排種盤(pán)導(dǎo)槽和導(dǎo)槽與下殼體相接觸的部分，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括型孔外徑、型孔內(nèi)徑、型孔錐角、型孔中心到曲線導(dǎo)槽的長(zhǎng)度。

氣吸式玉米精量排種器吸孔的個(gè)數(shù)受多方面條件影響。在保證吸種、刮種、落種正常進(jìn)行的情況下，應(yīng)該讓吸孔盡可能多一些，但吸孔數(shù)不宜太多，太多時(shí)吸孔之間距離太近會(huì)增加刮種難度，而且也會(huì)增加漏氣的風(fēng)險(xiǎn)，使排種性能下降，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致機(jī)器不能使用。孔徑大小需要根據(jù)種子的大小來(lái)確定，在合理范圍內(nèi)，孔徑越大，吸附種子需要的真空度就越低，但當(dāng)吸孔直徑超過(guò)一定值之后，會(huì)導(dǎo)致種子不能沾滿吸孔，產(chǎn)生漏氣現(xiàn)象，進(jìn)而降低排種性能［4］。

3 排種器建模和運(yùn)動(dòng)仿真

本文采用Solidworks軟件進(jìn)行三維建模，然后用Ad‐ams軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析，在Adams軟件中對(duì)排種器模型定義約束和運(yùn)動(dòng)，并施加作用力［5］（見(jiàn)圖3）。首先，采用Adams軟件的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)命令。其次，對(duì)軸和殼體2個(gè)零件旋轉(zhuǎn)的部件施加運(yùn)動(dòng)指令：270 d*time，對(duì)直線運(yùn)動(dòng)部件添加2個(gè)直線運(yùn)動(dòng)指令：1 250*time，并給機(jī)器添加適合的力。采用Adams仿真功能，分別模擬氣壓組合孔式和氣吸式玉米精量排種器中種子與排種器運(yùn)動(dòng)的過(guò)程。對(duì)排種器充種過(guò)程進(jìn)行仿真，氣壓組合孔式和氣吸式均可通過(guò)if語(yǔ)句相乘的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)種子運(yùn)動(dòng)這一充種過(guò)程。在Adams軟件中，點(diǎn)擊函數(shù)編輯器，并輸入以下函數(shù)關(guān)系式：，當(dāng)設(shè)定仿真時(shí)間為2.0 s、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為4.71 rad/s時(shí)，氣吸式排種器，0.0～0.1 s時(shí)間內(nèi)種子不動(dòng)，攪種輪旋轉(zhuǎn)；0.1 s后，種子隨攪種輪一起運(yùn)動(dòng)。而氣壓組合孔式排種器，0.0～0.1 s時(shí)間內(nèi)種子不動(dòng)，排種盤(pán)旋轉(zhuǎn)，0.1 s后種子隨排種盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)。對(duì)排種器清種過(guò)程進(jìn)行仿真，分析氣壓組合孔式和氣吸式排種器清種過(guò)程排種孔中心與軸心的連線與重力方向的夾角變化以及種子在真空室范圍內(nèi)所受摩擦力的變化。

圖3 對(duì)模型定義約束和運(yùn)動(dòng)

通過(guò)對(duì)兩種排種器結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真，筆者發(fā)現(xiàn)氣吸式排種器不僅在結(jié)構(gòu)上相對(duì)簡(jiǎn)單，而且其排種盤(pán)上分布的導(dǎo)槽曲線能夠適應(yīng)任何非規(guī)則形狀種子，并且能在高速的情況下高效完成工作。