窝孔式玉米排种器结构设计与仿真*

刘荣辉 ，贾双林

（1.吉林农业科技学院机械与土木工程学院，吉林 吉林 132101；
2.北华大学教务处，吉林 吉林 132021）

山区、耕作面积小的田地环境不适合机械化耕作，人力驱动的滚动内窝孔式排种器因具有适应性强、操作方便、结构简单、价格低廉等优点，被广泛应用于农村个体家庭[1-3]。随着育种技术的发展，玉米单粒播种可以节约种子成本、减少田间用工成本，所以提高排种器的播种精度成为近年来部分学者研究的重点[4-5]。华中农业大学的周勇设计了内充种组合型孔式播量可调棉花精量排种器，解决了内窝孔口堵塞和播量不可调的问题；
西南大学的蒋光兵研究了鸭嘴式玉米点播装置，避免了播种过程中土壤扰动对播种准确性的影响；
东北农业大学的王金武针对坡地环境下排种差、性能不稳定的情况，设计了间歇同步补种装置，提高了坡地环境下的播种精度。

本文以内窝孔式排种器为研究对象，优化设计了一款能够同步补种的新型排种器，并对其工作过程进行了仿真分析，以期提高该排种器的播种精度。

1.1 排种器结构

内窝孔式排种器主要由种箱、排种补种装置、导种板、鸭嘴开合器、壳体、端盖等几部分组成，如图1 所示。其中，排种补种装置为核心部件，由窝孔盘、补种盘、棘轮、毛刷、缺种检测臂、支撑架、轴等零件组成[6-9]，如图2 所示。

图1 排种器总体结构图

图2 排种补种装置

1.2 工作原理

种子由种箱进入充种室，在重力作用下，处于可填充位置的种子进入窝孔盘和补种盘的型孔内，完成充种过程；
当带有多余玉米种子的充种型孔运动到清种区时，清种毛刷将窝孔边缘多余的种子清出，完成清种过程；
当含有种子的型孔转到排种区时，种子在重力和导种板的双重作用下进入排种器壳体外侧的鸭嘴中，最终通过鸭嘴的开合完成排种过程[10]。

当窝孔盘型孔中有种子时，缺种检测臂被型孔中的种子抬起，迫使棘轮无法转动，从而使补种盘不转动，窝孔内的种子不能排出；
当窝孔盘型孔内出现漏种情况时，缺种检测臂无法被种子抬起，棘爪保持原位，棘轮带动补种盘旋转一定角度，完成补种作业。

为了验证该排种器的工作性能，以离散元理论为基础，采用仿真软件对其工作过程进行模拟，分析影响排种器工作性能的指标，为排种器结构优化提供依据[11-12]。

通过观察伊单56 玉米种子的外观形状，将其划分成长扁形、球锥形、类球形、不规则形四个类型，如图3所示。

图3 伊单56 玉米种子几何形状分类

长扁形玉米种子前后两个面较为平整，顶部较尖，底部较宽，整体形状偏长、偏扁；
球锥形玉米种子底部圆润，呈现半球形，侧面呈现出比较明显的四棱锥形；
类球形玉米种子长、宽、高三轴尺寸相差不大，整体接近于球形；
不规则形玉米种子的形状没有明显特征，形状特征也无规律性。

按照以上分类方法，选取3 000 粒伊单56 玉米种子，按不同形状进行统计，得到各类型种子在总数中的占比，如表1所示。

表1 不同形状玉米种子占比

通过测量统计后的数据可以看出，玉米种子中球锥形、长扁形所占比例较多，分别为40.07%和42%，这两种类型的玉米种子占了总体的82.07%，而其余两种所占比例较少。

种子分类后，随机挑选出各种形状种子各100粒，分别测量其三维尺寸平均值，具体如表2所示。

表2 不同形状玉米种子尺寸分布平均值

以表2 数据为依据，在EDEM 中建立长扁形、球锥形、类球形三种类型玉米种子的仿真模型，如图4所示。在仿真过程中按照表1 各种形状玉米种子的占比生成种子仿真模型[13]。

图4 各种类型玉米种子仿真模型

为了验证排种器播种精度，采用EDEM 软件对排种器工作过程进行仿真分析。首先对排种器模型进行简化处理，然后进行相关参数设置，再对充种、清种、护种、排种过程进行观察，统计工作过程中的重播和漏播情况，并进行分析[14-16]。

3.1 充种阶段

以表1中不同形状种子所占比例为依据生成1 000粒种子，并从种箱底部进入充种区域，随着窝孔盘和补种盘的转动，种子逐一进入各轮型孔中，完成充种过程，如图5所示。

图5 充种阶段图

3.2 清种阶段

清种过程是窝孔盘转到清种区内，型孔内多余的种子在清种毛刷的作用下被清除的过程，如图6 所示。清种过程直接关系到排种器的重播指数和漏播指数，重播状态和漏播状态分别如图7、图8 所示，清种不彻底将造成重播，过度清种将造成漏播[17-18]。

图6 清种阶段图

图7 重播状态图

图8 漏播状态图

3.3 排种阶段

型孔内未被清除的种子，随着窝孔轮的转动，运动到排种区域，在重力的作用下，完成排种过程[19-20]，如图9 所示。若出现漏播状态，则补种轮完成补种过程，如图10所示。

图9 排种阶段图

图10 补种阶段图

3.4 性能指标分析

以窝孔盘转速作为影响排种性能的指标因素，分析播种盘转速对排种器性能的影响，统计三种转速下的实际播种量、重播量、漏播量[21-23]，得到的结果如表3所示。

表3 排种信息统计表

将根据各参数计算公式计算出的各指标随不同转速变化的值填入表格，结果如表4所示。

表4 排种盘转速对排种性能的影响

从表3 和表4 中可以看出，转速过低或过高都不利于合格指数的上升，原因是低速时的充种过程效果较好，造成重播指数上升；
高速时的排种盘转速高，种子的离心力大，造成种子运动的不确定性增加，重播指数上升，排种性能急剧恶化。当排种盘转速为60 r/min 时，重播指数和漏播指数都比较低，合格指数较高[24-25]。

1）课题组设计了一款可进行漏播检测并能及时补种的新型窝孔式玉米排种器，介绍了其结构组成和工作原理。

2）为了提高仿真准确性，以伊单56 玉米种子为研究对象，对种子外形进行分类统计，分别对各类型种子进行尺寸测量，并依据三轴尺寸平均值建立仿真模型。

3）对排种器三维模型进行简化后，采用EDEM软件对其工作过程进行了仿真分析，得到排种盘转速为60 r/min时，排种精度最高的结果。