勺轮式排种器设计与大豆种子离散元法排种仿真

袁桂珍，张 涛，刘月琴，3

(1.乌兰察布职业学院，内蒙古 乌兰察布 012000；2.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；3.内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特 010070)

勺轮式排种器设计与大豆种子离散元法排种仿真

袁桂珍1，张 涛2，刘月琴2，3

(1.乌兰察布职业学院，内蒙古 乌兰察布 012000；2.内蒙古农业大学 机电工程学院，呼和浩特 010018；3.内蒙古机电职业技术学院，呼和浩特 010070)

排种器作为播种机关键部件，其工作性能与可靠性直接影响播种机整体作业质量。机械式排种器具有结构简单、价格低廉、维修方便等优点，勺轮式排种器作为机械式排种器的一种，在硬度较大、较规则种子播种作业中得到广泛应用。为此，应用SolidWorks软件设计了一种勺轮式排种器，应用离散元软件对排种器排种大豆种子进行了计算机数值模拟，得到了排种器工作性能较好的工作参数。由离散元软件计算机数值模拟结果得到：勺轮组合转速为10～13 r/min，排种器种子室内种子数量在1 800～2 100粒时，排种器整体工作性能较好；且适当的振动可提高本设计的排种器的工作性能。该研究为勺轮式排种器的设计与优化提供了一种方法。

排种器；取种勺；离散元；重播；漏播

0 引言

大豆作为黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古等地区重要经济作物被广泛种植。大豆机械化精密播种是大豆机械化耕作重要组成部分。大豆精密排种器是机械化精密播种的基础，其作用是将种子室内的大豆种群按照播种要求一粒一粒落入导种管中。精密排种器分为机械式和气力式两大类。气力式精密排种器具有不伤种、可靠性高、适合形状不规则种子等优点，但其具有结构复杂、成本高及故障率高等问题。机械式排种器不宜播种易受伤种子和形状不规则种子，但因具有结构简单、价格低廉、维修方便等优点，在播种硬度较大、较规则种子中得到广泛应用[1～3]。

随着计算机计算能力的快速发展，计算机数值模拟在农业机械的设计、分析与优化方面，得到了广泛应用。离散单元法(Discrete element method，DEM)可对排种器的排种过程进行模拟，应用离散元的后处理部分可得到种子室内种群的运动规律，从而对单粒种子运动进行精确分析，为播种机的设计与优化提供了一种较好的方法[4-6]。

为此，应用SolidWorks软件设计了一种勺轮式大豆排种器，且应用离散元软件对该排种器进行了排种

大豆仿真分析，对关键部件勺轮组合和排种口进行了优化。离散元软件模拟了勺轮组合不同转速、排种室内不同种子数量和振动对大豆排钟性能的影响，且分析了排种器较好的工作性能参数。

1 排种器结构与工作原理

1.1 排种器整体结构

勺轮式排种器结构主要由排种器壳体、排种器轴、取种勺、导种护板、勺盘和排种口组成[7]，如图1所示。

1.排种器壳体 2.排种器轴 3.取种勺 4.导种护板 5.勺盘 6.排种口

1.2 勺轮组合结构

排种器勺轮组合由取种勺和勺盘组成，如图2所示。其中，18个取种勺圆周分布固定在勺盘上，工作时排种器轴带动勺轮组合转动，完成取种、护种和投种的工作过程。

图2 勺轮组合模型

1.3 排种器壳体组合结构

排种器壳体组合由排种器壳体、导种护板、排种口和排种口挡板组成，如图3所示。导种护板将排种器壳体分为两个室：一侧为种子室，一侧为导种室。导种室与种子室下侧联通，排种口与导种室联通。排种口内测与导种室连接处安装有排种口挡板，当种子室内种子过多时，排种口挡板阻止种子进入排种口；当勺轮组合转速低，离心力小时，排种口挡板阻止种子落回种子室，起到引导种子进入排种口的作用。

1.排种器壳体 2.导种护板 3.排种口 4.排种口挡板

1.4 排种器工作原理

工作时，大豆种子由排种器上边的种箱经过排种器入口进入到种子室。由于种子室下边与导种室联通，进入导种室下边的种子与排种器勺轮组合接触；当排种器轴带动勺轮组合转动时，种子进入到种勺里，种勺完成取种工作；随后，种子随种勺一起转动进入导种室，转过种勺运动轨迹的最高点，到达投种处，完成护种工作；到达投种点后种子在重力和离心力作用下落入排种口，排种口下侧与导种管连接，种子进入导种管内，完成排种作业。

2 关键部件的设计

2.1 取种勺的设计

取种勺是本排种器的关键零件，其形状、结构及尺寸参数影响勺轮组合的取种、护种和投种的工作性能，且直接影响排种器整体作业质量。更换不同取种勺，可完成不同种子的播种作业。

本取种勺的设计以黑龙江省农科院佳木斯分院选育的合丰55大豆原种为依据，种子包装给出的种子净度为99%，含水率为13.5%。随机取20粒大豆种子作为测量种子，应用精度为0.01mm的内径千分尺测量20粒大豆种子长、宽、高三轴尺寸，取平均值分别为6.953、6.812、6.152mm，20粒种子的长、宽、高三轴尺寸最大值分别为7.929、7.485、7.078mm。

经过几次离散元仿真修正后，取种勺尺寸如图4所示。取种勺左侧主要作用为取种，右侧主要作用为护种和投种。当取种处较大时，取两粒种子情况较多，即重播较多；当取种处较小时，漏播较多。本文取种勺取种处内测半径尺寸设计为4mm。护种和投种处尺寸的大小主要影响投种点高度和投种速度。

图4 取种勺尺寸图

取种勺三维模型放大图如图5所示。取种勺外边缘处有1.5 mm凸起挡板，防止种子未达到投种点时掉落。

图5 取种勺三维模型图

2.2 勺轮组合的设计与工作原理

18个取种勺均匀固定在勺盘半径为82.5mm的圆周上，组成勺轮组合，工作过程如图6所示。取种区下边的取种勺内侧与种群充分接触，使一些种子进入取种勺且随着取种勺一起转动，取种勺内侧与种群的接触面积越来越小；当取种勺转动到取种区顶端时，只会有一粒种子继续在取种勺的取种处，随勺轮组合转动到护种区，经过导种室上边进入投种区。在投种区上侧，由于重力和离心力的作用，种子从取种勺的左侧向右侧滚动，当取种勺转动到投种区下侧时，种子沿着取种勺滚落，落入排种口，或下落到排种口挡板外侧，进入排种口，完成排种作业。

如果种子室内种子数量过多，可能会两粒种子进入取种区上侧的取种勺内，由于排种器工作时的振动作用，可使得两粒种子中上边的那粒在护种区的左侧落入种子室，使护种区的上侧只有一粒种子。

图6 勺轮组合工作过程

3 离散元模拟方案

3.1 离散元方法简介

离散元法(Discrete element method，DEM)是20世纪70年代由Cundall提出的计算密相颗粒群体力学行为的一种数值方法[8]。它是一种不连续的数值计算方法，从离散元的块体接触问题入手，采用动态松弛法，并根据牛顿第二定律及力与位移的关系确定力、位移、速度、加速度之间的关系，适合散粒物料的计算机数值模拟，可较好地模拟与分析排种器的排种中过程[9]。

3.2 离散元模拟方案

设置重力加速度方向与物料本身参数与物料接触参数。本文排种计算机数值仿真计算时，设置排种器壳体组合材料为有机玻璃，设置勺轮组合材料为钢。物料物理参数如表1所示[10]。

表1 物料物理参数

1)颗粒模型设置：离散元仿真中大豆种子模型由9个球面组成，模型的长、宽、高三轴尺寸分别为6.95、6.81、6.15mm，定义材料为大豆。

2)几何体设置。将SolidWorks软件设计的勺轮式排种器三维模型导入离散元软件几何体部分。设置排种器壳体组合材料为有机玻璃；设置勺轮组合材料为钢；设置勺轮组合的运动为定轴转动，转动轴为垂直勺盘平面且经过圆心的直线，转动方向为从正面看顺时针方向[11-12]。

3)颗粒工厂设置：颗粒工厂形状为长方体，上平面与排种器上平面平行，模拟种箱。设置4个颗粒工厂，第1、2、3个颗粒工厂为仿真1s内静态生成一定数量颗粒，使种子室底部在开始仿真时有一定量种子；第4个颗粒工厂开始时间为1s，颗粒生成形式为动态生成，生成颗粒速度为12粒/s[13～14]。

4 离散元仿真结果与分析

4.1 不同转速离散元仿真

本组离散元仿真勺轮组合转速分别为6、12、18、24r/min[15]。排种器在理想无振动条件下完成排种。勺轮组合4个转速条件下分别完成100个取种勺的排种仿真，由软件后处理部分回放仿真过程，记录排种器的漏播个数与重播个数。由Origin软件得到的排种器漏播个数与重播个数随勺轮组合转速变化曲线如图8所示。

图7 离散元软件模拟排种过程

图8 不同勺轮组合转速重播和漏播百分比

由图8可以得到：随着勺轮组合转速的增大，排种器重播率降低，但漏播率增长速度较快；勺轮组合转速较大时，取种勺与大豆种群接触时间较短，无振动时种群流动性较差，大豆种子不能够充分进入取种勺内测。所以，无振动条件下，排种器较好工作性能为勺轮组合转速小于12r/min；勺轮组合转速大于18r/min时，排种器工作性能较差；勺轮组合转速在10～13r/min时，排种整体工作性能较好。

4.2 不同种子数量离散元仿真

本组离散元仿真种子室内种子数量分别为1 500、1 800、2 100、2 400。排种器在理想无振动条件下完成排种过程，勺轮组合转速为12r/min。离散元软件数值模拟100个取种勺的取种工作，由软件后处理部分回放仿真过程，记录排种器的漏播个数与重播个数。由Origin软件得到的排种器漏播个数与重播个数随种子室内种子数量变化曲线如图9所示。

由图9得到：随着种子室内种子数量的增多，排种器漏播率降低，重播率升高。种子数量小于1 800粒时，由于种子数量过少，大豆种群在取种区上端的高度较低，取种勺运动到取种区上端时，不能与足够数量的种群接触，一部分取种勺未能充种就进入了护种区；种子室内种子数量多于2 100粒时，种子上平面的高度高于取种区，取种勺转动到护种区时，还有部分种子进入取种勺，而此时的取种勺的种子会随之一起转动，形成重播。所以，种子室内种子数量对排种性能影响较大；当种群上平面能够达到取种区的上边而低于护种区下端时，排种器工作性能较好。本文设计的排种器种子室内种子数量在1 800～2 100粒时，排种器工作性能较好。

图9 不同种子数量重播和漏播百分比

4.3 振动条件下离散元仿真

在离散元前处理的几何体部分，将排种器壳体组合的运动设置为振动幅值为1mm、振动频率问10Hz的振动[16]。勺轮组合设置为12r/min的定轴转动，且设置与排种器壳体运动参数相同的正弦振动，都从1s开始运动。离散元仿真计算100个取种勺的取种工作，由软件后处理部分回放仿真过程，记录排种器的漏播个数与重播个数。由未加振动与加上振动条件下对比得到:振动条件下，排种器漏播百分比可降低3%。振动条件下，大豆种群整体运动速度增大，内摩擦力减小，有利于取种勺与种群充分接触，增加了取种区上边种子进入取种勺的数量[17-18]；且由于振动使第2个进入取种勺的种子处于不稳定状态，可在护种区的下端掉落回到种子室。所以，适当的振动可提高本文排种器的工作性能。

5 结论与讨论

5.1 结论

1) 排种器整体较好工作性能参数为：勺轮组合转速为10～13r/min，排种器种子室内种子数量为1 800～2 100粒。

2) 适当的振动可提高本排种器的工作性能。

5.2 讨论

1)本文只对大豆种子进行了取种勺设计与仿真，还可改变取种勺形状与尺寸等参数，使排种器适合其他较规则种子的排种作业。

2)本文设计的排种器只适合中低速排种，中高速排种性能较差，可适当改进，使之适合中高速排种作业。

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Design of a Spoon Wheel Type Seed Metering Device and Simulation of Soybean Seeds By Discrete Element Method

Yuan Guizhen1,Zhang Tao2, Liu Yueqin2，3

( 1.Wulanchabu Vocational College，Wulanchabu 012000，China;2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Inner Mongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China;3.Inner Mongolia Technical College of Mechanics and Electrics, Hohhot 010070，China)

Seed metering device as a key component of the seeding machine, its working performance and reliability directly affect the overall quality of the seeding machine. Mechanical sowing machine has the advantages of simple structure, low cost, convenient maintenance.The wheel metering device as a mechanical metering device of a widely used seeding with regular shape and hardness seeds. In this paper,the Solidworks software is used to design a spoon wheel type seed metering device, and the discrete element method is used to simulate the seed sowing seeds of the seed metering device, and the working conditions of the seed metering device are obtained.Simulation results are obtained by the discrete element software: the whole working performance of the seed metering device was better when the wheel rotation speed was 10～13 r/min; the number of seeds in the seed room was 1800～2100.And appropriate vibration can improve the performance of the designed device. This paper provides a method for the design and optimization of the spoon wheel type seed metering device.

seed metering device; spoon; discrete element method; reseeding; miss-seeding

2016-09-01

内蒙古自治区高等学校科学研究项目(2015NJZY327)

袁桂珍(1980-)，女，内蒙古乌兰察布人，讲师，(E-mail)1142674952@qq.com。

刘月琴( 1977-)，女，内蒙古察右前旗人，副教授，硕士，(E-mail)liuyueqin103@126. com。

S223.2

A

1003-188X(2017)11-0025-05