大豆凸輪排種器的設(shè)計(jì)與優(yōu)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(jī)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(shè)計(jì)了1種凸輪推桿結(jié)構(gòu)的窩眼式排種器，對(duì)其主要部件進(jìn)行研究設(shè)計(jì)和理論計(jì)算，利用離散元軟件EDEM對(duì)排種器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)BBD（Box-Behnken design）響應(yīng)曲面試驗(yàn)，進(jìn)行優(yōu)化求解，得到排種器的最優(yōu)參數(shù)為型孔直徑9.5 mm，深度6.8 mm;臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)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(guān)鍵詞：排種器;凸輪;離散元;響應(yīng)曲面法

對(duì)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(chǎn)豐收提供保障。大豆排種器按照工作原理可分為機(jī)械式和氣力式[1-3]，由于氣力式排種器須配備風(fēng)機(jī)及管路，造價(jià)高且使用維護(hù)復(fù)雜，目前國內(nèi)依然以機(jī)械式排種器為主。機(jī)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(yè)的是窩眼輪式排種器。傳統(tǒng)的窩眼輪式排種器加工成本低，結(jié)構(gòu)簡單，但工作速度較低，播種的粒距均勻性以及對(duì)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(shè)計(jì)了1種大豆凸輪式排種器，對(duì)其進(jìn)行離散元仿真優(yōu)化，得到排種器的最優(yōu)參數(shù)，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 排種器的結(jié)構(gòu)及工作原理

凸輪排種器采用凸輪推桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)強(qiáng)制排種，排種器的結(jié)構(gòu)見圖1。

該排種器在傳統(tǒng)垂直圓盤窩眼輪式排種器內(nèi)加入凸輪推桿機(jī)構(gòu)，依靠凸輪外廓曲線控制推桿在型孔中有規(guī)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)制排種。型孔容積可變式精密排種器工作過程如下：在儲(chǔ)種室內(nèi)，種子依靠重力充填入型孔，轉(zhuǎn)動(dòng)到清種區(qū)時(shí)，清種刷把多余的種子清除，使型孔內(nèi)僅含有1粒種子;隨后在橡膠護(hù)種板的保護(hù)下，攜帶種子的型孔運(yùn)動(dòng)到最下方的排種區(qū)。在此之前型孔的容積保持不變，但在排種區(qū)，推桿運(yùn)動(dòng)到凸輪的升程階段，推桿向外運(yùn)動(dòng)，型孔容積變小，迫使型孔內(nèi)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(zhuǎn)過投種區(qū)后，推桿運(yùn)動(dòng)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(jìn)入儲(chǔ)種室，進(jìn)入下一次排種循環(huán)。在排種過程中凸輪推桿機(jī)構(gòu)使種子在排種器固定位置強(qiáng)制排出，從而保證整個(gè)排種過程是可控的，即僅存在強(qiáng)制排種，各種子在排種器同一位置排種，進(jìn)而形成均勻的排種時(shí)距，可保證形成明顯等時(shí)距的均勻種子流。各種子間排種時(shí)距一致，排種位置相同，從而種子運(yùn)行軌跡相同，這樣便提高了排種器的排種粒距一致性。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與理論分析

2.1 型孔圓盤的設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

本研究設(shè)計(jì)了1種凸輪排種器，由凸輪帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，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(jì)算，對(duì)型孔圓盤和凸輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用離散元仿真，采用BBD響應(yīng)曲面試驗(yàn)方法，對(duì)排種器的直徑、倒角和深度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到型孔直徑的最優(yōu)值為9.5 mm，型孔深度為6.8 mm。臺(tái)架試驗(yàn)表明，當(dāng)速度小于8 km/h時(shí)，排種器的排種性能滿足精密播種要求。

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