浦蘭娟，張　偉，劉　巖

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319)

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玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺的研究

浦蘭娟，張偉，劉巖

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319)

摘要：采用精密播種機對農(nóng)田作物進行播種，是提高播種質(zhì)量和節(jié)約用種的主要方式之一。玉米缽盤育秧可以避免環(huán)境因素帶來的影響，但是玉米缽育播種機排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計加工難度大。針對這一問題，采用VB程序語言開發(fā)了一種玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺。該平臺通過對不同播種方式工作過程運動學(xué)和動力學(xué)的分析，優(yōu)化出其結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)，為玉米缽育播種機排鐘器的研究提供了一種方便、可靠的研究平臺。

關(guān)鍵詞：玉米缽育；排種器；優(yōu)化設(shè)計

0引言

作為農(nóng)業(yè)大國，我國糧食年總產(chǎn)量已達到6×108萬t，其中玉米年產(chǎn)量占世界第二位，是不可或缺的糧食作物。東北地區(qū)是我國玉米的主要產(chǎn)區(qū)之一，但東北地區(qū)氣候條件差，容易遭遇低溫冷害，嚴重影響玉米的生長，造成減產(chǎn)[1]。針對這一問題，可以采用玉米缽盤育秧移栽方式來解決，提前在溫室大棚里用缽盤培育玉米秧苗，避開低溫冷害，再將秧苗移栽到大田里，有利于玉米穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。目前，較成熟的育秧移栽作物有水稻和蔬菜等，而玉米缽盤育秧播種還停留在人工和半機械化程度。玉米缽育播種機主要在大棚內(nèi)使用，需要搬運和轉(zhuǎn)移，所以應(yīng)具備體積小、質(zhì)量輕，并且能夠滿足缽育播種農(nóng)藝要求等特點。排種器是播種機的關(guān)鍵部件，因此玉米缽育播種機排種器的研究尤為重要。

農(nóng)業(yè)機械的研究早期普遍使用傳統(tǒng)的設(shè)計方法，先對機械進行理論推導(dǎo)與分析，然后通過得到的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，進行樣機的制作及試驗。如果樣機的試驗結(jié)果不能滿足相應(yīng)的農(nóng)藝要求，則需要重新進行理論推導(dǎo)與分析、樣機的試制及試驗，直到樣機的試驗結(jié)果能夠滿足農(nóng)藝要求，證明該設(shè)計是合理的。傳統(tǒng)的設(shè)計方法過程繁瑣，設(shè)計的機械只適用于部分特定的地域及環(huán)境，通用性不強[2-3]。

隨著計算機程序和軟件應(yīng)用的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機械的傳統(tǒng)設(shè)計方法漸漸被現(xiàn)代設(shè)計方法所取代，越來越多的研究者們使用計算機輔助分析及設(shè)計軟件來對農(nóng)業(yè)機械進行研究設(shè)計[4]。吉林大學(xué)于建群、付宏團隊通過對Cundall提出的離散元法進行詳細的分析，開發(fā)了離散元法分析軟件、計算流體力學(xué)及CFD與CAD集成方法等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建了集設(shè)計與性能分析于一體的設(shè)計平臺，實現(xiàn)了通過修改CAD模型來快速對玉米精密排種器進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、虛擬仿真和性能分析，方便了參數(shù)優(yōu)化[5-7]。趙勻等人利用農(nóng)機計算機輔助分析(machinery computer aided analyzing，CAA)，對農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域的多種機構(gòu)進行了研究，提出了使用VB程序語言建立農(nóng)業(yè)機械優(yōu)化設(shè)計軟件的方法，簡化了機構(gòu)的研究設(shè)計過程。試驗結(jié)果表明：該方法切實可行，且使用該軟件設(shè)計出來的農(nóng)業(yè)機械能夠滿足實際作業(yè)農(nóng)藝要求[8-9]。

計算機輔助設(shè)計與分析，是目前農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域設(shè)計與研究普遍使用的手段及方法，具有計算準確、快速，能夠替代研究者完成一部分工作等優(yōu)點。目前，使用較多的農(nóng)機軟件有CAD、Visual Basic、Visual C++、ANSYS及ADAMS等。其中，Visual Basic軟件不但可以進行二次開發(fā)，而且具有較強的可視性及人機交互性，是理想的平臺開發(fā)軟件[10]。因此，本文選擇使用Visual Basic軟件來進行玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺的開發(fā)，通過人機交互的形式來實現(xiàn)玉米缽育播種機排種器的快速設(shè)計及優(yōu)化，使排種器不必因為播種區(qū)域、播種條件等因素的改變而重新進行設(shè)計，具有一定的通用性。

1平臺應(yīng)用范圍和主要功能

該玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺主要應(yīng)用于玉米缽育播種，玉米種子品種、秧盤規(guī)格、播種區(qū)域等的改變，同樣可以通過平臺來設(shè)計并優(yōu)化出排種器的結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)，可以為研究設(shè)計及優(yōu)化玉米缽育播種機排種器的工作人員提供設(shè)計參考。

根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)及性能特點，確定平臺主要具有以下功能：

1)能夠進行排種器類型的選擇。排種器有很多種類型，平臺對排種器進行了分類，并且分別進行了設(shè)計，供使用者選擇。

2)能夠進行排種器設(shè)計的分析。平臺可以根據(jù)輸入的相關(guān)玉米種子及缽盤參數(shù)，計算出相應(yīng)的排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)；通過排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，可以得到相關(guān)運動軌跡變化規(guī)律曲線及種子受力變化曲線圖，能夠輸出并保存相關(guān)的運動曲線及受力變化曲線圖。

3)能夠進行排種器設(shè)計的優(yōu)化。根據(jù)輸入的排種器設(shè)計的相關(guān)參數(shù)，通過人機交互，可以得出最優(yōu)的設(shè)計參數(shù)，使機構(gòu)的動力學(xué)性能良好，能夠滿足排種器的工作要求。

2平臺的基本設(shè)計原理

2.1排種器類型選擇

玉米精密排種器，常用的有機械和氣力兩種形式[11]：機械式主要包括圓盤式、勺輪式、窩眼輪式和指夾式等；氣力式包括氣吸式及氣吹式和氣壓式。

機械式排種器制造成本低、結(jié)構(gòu)簡單[12-13]。工作時，主要依靠種子自身重力進行排種，通過改變排種器上型孔的形狀及尺寸，可以用來播種不同品種的玉米種子；根據(jù)玉米育秧缽盤的尺寸來設(shè)計型孔的排布形式，可以使種子正好落入缽盤內(nèi)。氣力式排種器工作效率高，適于高速作業(yè)[14]。工作時，通過風(fēng)機產(chǎn)生不同形式的力，可以使一定數(shù)量的玉米種子進入排種器，從而完成充種、投種等工作[15]。

機械式和氣力式排種器各有優(yōu)勢，而且均能夠滿足玉米缽育播種機排種器每穴1粒種子的農(nóng)藝要求，能將玉米種子排入相應(yīng)的缽盤內(nèi)，所以玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺的設(shè)計選擇分別對機械式及氣力式排種器進行設(shè)計及優(yōu)化。

2.2平臺設(shè)計原理

平臺設(shè)計時，要根據(jù)排種器的結(jié)構(gòu)及性能來確定平臺設(shè)計的具體內(nèi)容。

玉米缽育播種機排種器一般包括排種器、清種刷、護種板及導(dǎo)種板等，種子在排種器內(nèi)經(jīng)過充種、清種、護種及投種過程后，落入到相對應(yīng)的缽盤內(nèi)，并且每個穴內(nèi)播種1粒玉米種子。通過對排種器結(jié)構(gòu)組成及工作原理的分析，可以確定排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)主要有排種器型孔的形狀、尺寸等，影響因素有玉米種子尺寸及缽盤尺寸。

排種器分為充種、清種、護種、投種4個區(qū)域，種子在每個區(qū)域內(nèi)的運動情況不同。玉米種子從種箱內(nèi)進入到充種區(qū)域并從充種區(qū)域離開的運動軌跡，是種子的充種軌跡；玉米種子從進入到離開清種區(qū)的運動軌跡，是種子的清種軌跡；玉米種子從進入到離開護種區(qū)的運動軌跡，是種子的護種軌跡；玉米種子離開投種板下落到缽盤的軌跡，是種子的投種軌跡。對這4個區(qū)域內(nèi)的玉米種子進行運動學(xué)分析，可以得到玉米種子的運動軌跡，以此來分析排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)是否合理。

玉米種子在排種器內(nèi)隨著排種器運動的過程中，每個階段的受力情況均不相同。

1)充種階段。種子從種箱進入排種器型孔內(nèi)，理想狀態(tài)是每個型孔內(nèi)有1粒玉米種子。此時種子受到自身重力及排種器對種子的作用力，通過分析可以得到種子此時的受力公式。

2)清種階段。清種刷會清除掉排種器型孔內(nèi)多余的種子，使型孔內(nèi)只留有1粒玉米種子。此時，種子受到清種刷的清掃力、種子間的相互作用力、種子自身重力以及運動產(chǎn)生的摩擦力。清種刷的安裝位置不同，清掃力不同，所以清種刷的角度可以作為排種器設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化目標是經(jīng)過清種刷作用后型孔內(nèi)只有1粒玉米種子。

3)護種階段。護種板能保證玉米種子在達到投種合適位置之前不離開排種器，玉米種子受到自身重力、護種板給的作用力以及摩擦力。護種板的安裝位置直接決定了導(dǎo)種板的位置，所以護種板的起始安裝角度和終止安裝角度是排種器設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化目標是使導(dǎo)種板的安裝位置與下方缽盤相對應(yīng)。

4)投種階段。種子受到自身重力、排種器的支持力及摩擦力的作用，經(jīng)導(dǎo)種板完成排種工作。導(dǎo)種板的安裝位置直接決定了種子的下落起始位置，所以導(dǎo)種板的設(shè)計位置是排種器設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)，優(yōu)化目標是玉米種子正好落入下方對應(yīng)的缽盤內(nèi)。

對排種器結(jié)構(gòu)進行運動學(xué)及動力學(xué)分析，建立數(shù)學(xué)模型，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計算機程序語言，編寫到Visual Basic軟件中。根據(jù)輸入的玉米種子及缽盤參數(shù)，平臺需要能夠快速計算出排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，可以進行運動學(xué)分析及動力學(xué)優(yōu)化，能夠繪制出種子運動軌跡及受力變化曲線圖，并且具有對數(shù)據(jù)、圖形進行保存的功能。

3平臺設(shè)計

以窩眼輪式玉米缽育播種機排種器為例，對窩眼輪式玉米缽育播種機排種器進行結(jié)構(gòu)組成、工作原理、運動學(xué)及動力學(xué)分析，通過分析確定平臺的主要設(shè)計內(nèi)容。

3.1結(jié)構(gòu)組成及工作原理

窩眼輪式排種器主要由種箱、刮種刷、清種滾刷、導(dǎo)種板及窩眼輪等組成，如圖1所示。

1.種箱　2.刮種刷　3.清種滾刷　4.護種板

窩眼輪式排種器分為充種、清種、護種和投種4個區(qū)域，如圖2所示。

排種器工作時，種箱內(nèi)的種子因重力作用落入窩眼輪型孔內(nèi)，隨著窩眼輪以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)；旋轉(zhuǎn)到刮種刷及清種滾刷位置時，刮種刷及清種滾刷清理掉多余種子，只留1粒玉米種子在型孔內(nèi)；經(jīng)過護種板護種后，玉米種子在導(dǎo)種口失去護種板作用而靠重力落入下方的缽盤內(nèi)。

根據(jù)玉米種子與窩眼型孔相互位置關(guān)系的分析，得到窩眼型孔直徑d與深度h的表達式為

amax

(1)

cmax

(2)

d=amax+Δ

(3)

其中，a為玉米種子長度(mm)，b為玉米種子寬度(mm)，c為玉米種子厚度(mm)，Δ為玉米種子與窩眼型孔間隙(mm)。

為了保證充種時間和空間，窩眼輪圓周方向上應(yīng)至少均布20個窩眼型孔，根據(jù)窩眼型孔個數(shù)的設(shè)計，得到窩眼輪直徑D為

(4)

其中，N為窩眼型孔個數(shù)；k為相鄰窩眼間距離(mm)；d為窩眼型孔直徑(mm)，且k>d。

通過對窩眼輪式玉米缽育播種機排種器進行結(jié)構(gòu)組成及工作原理的分析后，可以確定優(yōu)化設(shè)計平臺中窩眼輪型孔尺寸、個數(shù)及窩眼輪直徑等為排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，而玉米種子的品種、尺寸等是排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的影響因素。

3.2運動學(xué)及動力學(xué)分析

窩眼輪式玉米缽育播種機排種器分為充種、清種、護種和投種4個工作過程，每個工作過程中種子的運動及受力情況均不相同。

3.2.1充種過程

在排種器工作的初始階段，種子在種箱內(nèi)成堆積狀態(tài)。排種器工作后，種箱底層與窩眼輪相接觸的種子會隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生運動，依靠自身重力進入窩眼型孔內(nèi)。分析此時種子的運動情況，可得到種子在充種階段的運動軌跡為

(5)

其中，g為重力加速度(m/s2)；t為種子進入窩眼型孔時間(s)。

此時，充種過程中種箱內(nèi)的種子靠自身重力以及種子群體之間的相互作用力下從窩眼滾筒外側(cè)充入窩眼內(nèi)，玉米種子主要受到自身重力以及窩眼輪對種子的作用力，如圖3所示。

圖3　種子充種時受力圖

種子受到的合力F為

F=G+f

(6)

其中，G為種子重力(N)；f為窩眼輪對種子的作用力(N)。

3.2.2清種過程

窩眼滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動至清種區(qū)，可得到清種階段種子的運動軌跡為

(7)

其中，v0為運動初始速度(m/s)；R為窩眼輪中心到窩眼內(nèi)種子質(zhì)心的距離(mm)；θ為清種階段種子開始運動時刻與x軸的夾角(°)；ω為窩眼輪角速度(rad/s)；t為運動時間(s)。

此時，刮種刷和掃種滾刷將多余的種子掃出窩眼型孔，使窩眼型孔內(nèi)只剩余1粒種子。種子受到刮種刷的清掃力、種子間的相互作用力、種子自身重力，以及運動產(chǎn)生的摩擦力，如圖4所示。

圖4　清種種子受力圖

當(dāng)這些力處于平衡狀態(tài)時，方程式為

(8)

其中，F(xiàn)為刮種刷對種子的作用力(N)；N為種子間的相互作用力(N)；f為種子運動產(chǎn)生的摩擦力(N)；G為種子自身重力(N)。

3.2.3護種過程

窩眼型孔中的種子經(jīng)過清種區(qū)后，隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動進入到護種區(qū)，此階段玉米種子的運動軌跡為

(9)

其中，v0為運動初始速度(m/s)；R為窩眼輪中心到窩眼內(nèi)種子質(zhì)心的距離(mm)；θ為護種階段種子開始運動時刻與x軸的夾角(°)；ω為窩眼輪角速度(rad/s)；t為運動時間(s)。

護種區(qū)內(nèi)，玉米種子受到自身重力、護種板給的作用力及摩擦力，如圖5所示。

圖5　種子在護種區(qū)受力

此時，種子受力平衡，則有

(10)

P=mrω2

其中，α為種子與豎直方向的夾角(°)；P為護種板對種子的作用力(N)；F為摩擦力(N)。

3.2.4投種過程

種子在窩眼型孔內(nèi)隨排種輪一起運動，經(jīng)過護種區(qū)后進入到排種器的投種區(qū)域。由于在投種過程中，種子隨窩眼輪一起運動，所以投種階段的種子運動軌跡就是玉米種子的下落軌跡，則有

(11)

其中，v0為運動初始速度(m/s)；R為窩眼輪中心到窩眼內(nèi)種子質(zhì)心的距離(mm)；θ為護種階段種子初始運動時刻與x軸的夾角(°)；ω為窩眼輪角速度(rad/s)，t為運動時間(s)。

在投種區(qū)時，種子靠自身重力、窩眼輪給的支持力及摩擦力的作用脫高窩眼，經(jīng)導(dǎo)種板完成排種工作，如圖6所示。

圖6　投種時種子受力分析

在投種初始階段，玉米種子相對窩眼輪是靜止狀態(tài)，種子受力為

(12)

其中，φ為導(dǎo)種板與水平方向的夾角(°)；ω為窩眼輪角速度(rad/s)；FNr為窩眼型孔對種子徑向作用力(N)；FS為窩眼型孔對種子的摩擦力(N)；FNφ為窩眼對種子的法向作用力(N)。

通過上述對窩眼輪式玉米缽育播種機排種器運動學(xué)及動力學(xué)的分析，建立了玉米種子的運動軌跡及受力數(shù)學(xué)模型，將這些數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換為計算機程序語言，即可編寫到平臺軟件中。

3.3優(yōu)化參數(shù)及目標

通過對窩眼輪式玉米缽育播種機排種器的結(jié)構(gòu)分析，還能計算出掃種滾刷的安裝角度α、護種板安裝角度β、導(dǎo)種板安裝角度γ，則有

(13)

(14)

(15)

其中:d為窩眼型孔直徑(mm)；R為掃種滾刷半徑(mm)；H為窩眼型孔內(nèi)多余種子質(zhì)心到窩眼型孔內(nèi)的距離(mm)。

窩眼輪式玉米缽育播種機排種器的掃種刷安裝角度、護種板安裝角度、導(dǎo)種板安裝角度即為排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化參數(shù)。通過人機交互的形式，結(jié)合玉米種子在窩眼輪式玉米缽育播種機排種器中的動力學(xué)分析，可以進行排種器設(shè)計的優(yōu)化，優(yōu)化目標即每穴一粒種子，玉米種子下落后正好進入相應(yīng)的缽盤內(nèi)。

對窩眼輪式玉米缽育播種機排種器的研究設(shè)計，得到了窩眼輪式玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺的主要內(nèi)容。其它類型的排種器設(shè)計方案略有不同，但是差異不大。根據(jù)上述排種器分析過程，即可進行玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺其他部分的開發(fā)建立。

4結(jié)論

1)使用VB軟件建立了玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺，主要應(yīng)用于玉米缽育播種，能夠?qū)ε欧N器進行類型選擇、設(shè)計分析及設(shè)計優(yōu)化。

2)根據(jù)排種器類型、結(jié)構(gòu)及性能，對排種器進行結(jié)構(gòu)組成、工作原理、運動學(xué)及動力學(xué)分析，確定了玉米缽育播種機排種器優(yōu)化設(shè)計平臺的基本設(shè)計原理。

3)通過優(yōu)化設(shè)計平臺對窩眼輪式玉米缽育播種機排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計，得到了排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)及充種、清種、護種、投種過程中玉米種子的運動軌跡。通過平臺優(yōu)化功能及排種器動力學(xué)分析，確定了窩眼輪式排種器優(yōu)化參數(shù)為掃種刷安裝角度、護種板安裝角度、護種板安裝角度，優(yōu)化目標為缽盤內(nèi)每穴播種1粒種子且滿足玉米缽育播種的農(nóng)藝要求。

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Research on the Optimum Design Platform of Corn Bowl Seedling Seeder Metering Device

Pu Lanjuan, Zhang Wei, Liu Yan

(College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Abstract：It is one of the main ways to improve the quality and save the seed by using the precise sowing machine to sow the field crops. Corn bowl seedling tray can avoid the influence caused by environmental factors, but corn bowl seedling seeder metering device is complex in structure, is difficulty for design and processing. Aiming at this problem, a kind of optimization design platform of the corn bowl is developed by using VB programming language.The platform through the analysis of the kinematics and dynamics of the effects of different planting patterns, its structure and performance parameters were optimized, for corn bowl seedling seeder metering device research provides a convenient and reliable research platform.

Key words：corn bowl; seed metering device; optimum design

文章編號：1003-188X(2016)05-0077-06

中圖分類號：S223.2;S220.3

文獻標識碼：A

作者簡介：浦蘭娟(1990-)，女，黑龍江雙鴨山人，碩士研究生，(E-mail)382949150@qq.com。通訊作者：張偉(1966-)，男，遼寧大連人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)zhang66wei@126.com。

基金項目：黑龍江省高校創(chuàng)新團隊建設(shè)計劃項目(2014TD010)

收稿日期：2015-07-22