劉宏新 徐曉萌 付露露 王 晨

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150030

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立式淺盆型復(fù)合種盤大豆排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

劉宏新 徐曉萌 付露露 王 晨

東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150030

為滿足機(jī)械式精密排種器高速作業(yè)的要求，以增加充填力的方式對(duì)立式圓盤排種器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種利用重力與離心力以及種子間相互作用力作為復(fù)合力進(jìn)行充種的雙腔立式淺盆型復(fù)合種盤機(jī)械式精密排種器，并對(duì)排種盤的特征參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。利用離散元仿真分析軟件EDEM對(duì)立式淺盆型種盤進(jìn)行了以排種盤直徑、折邊傾角、作業(yè)速度為影響因素，充填率為性能指標(biāo)的三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合仿真設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Design-expert 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，獲得了排種盤最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，同時(shí)利用物理樣機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：立式淺盆型種盤的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為排種盤直徑234 mm、折邊傾角68°，在8 ～12 km/h高速作業(yè)時(shí)，合格率均能達(dá)到90%以上。研究結(jié)果為產(chǎn)品定型提供了定量的依據(jù)。

機(jī)械式精密排種器；淺盆型復(fù)合種盤；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)優(yōu)化

0 引言

立式圓盤排種器屬于機(jī)械式精密排種器的一種，因具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于大豆的播種作業(yè)中，但該型排種器充填力較單一，不適應(yīng)高速作業(yè)而只被應(yīng)用于小型低速機(jī)具上，所以若能設(shè)計(jì)一種能夠適應(yīng)高速作業(yè)的機(jī)械式排種器將是最理想的選擇[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)大豆機(jī)械式精密排種器的研究以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新居多，但對(duì)關(guān)鍵部件的研究和對(duì)排種性能影響因素的研究不夠深入。同時(shí)，由于大豆這種作物具有離散的特點(diǎn)，理論分析時(shí)需要進(jìn)行大量簡(jiǎn)化與假設(shè)[4-5]，因而導(dǎo)致精密排種的相關(guān)理論至今不能完善與成熟。

為此，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者不斷探索和引入新的研究方法，其中離散元法的應(yīng)用帶動(dòng)了排種器研究領(lǐng)域的新發(fā)展。Zhang等[6]利用離散元法建立了一種近似橢球的組合球模型，LoCurto等[7]借助于Zhang的組合球模型，對(duì)大豆的具體流動(dòng)過程進(jìn)行了模擬；廖慶喜等[8]對(duì)離心式排種器工作過程中油菜籽的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真分析，確定了油菜籽的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；于建群等[9-11]采用離散元法對(duì)型孔輪式排種器、組合內(nèi)窩孔排種器、內(nèi)充式排種器的排種過程及工作性能進(jìn)行仿真分析，結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)證明了離散元法分析排種器的可行性。

針對(duì)大豆精播的要求，本文在對(duì)復(fù)合充填力充種機(jī)理研究[12]的基礎(chǔ)上，對(duì)立式圓盤排種器進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種雙腔立式淺盆型復(fù)合種盤排種器，對(duì)其工作原理進(jìn)行分析，并對(duì)其特征參數(shù)進(jìn)行研究，運(yùn)用EDEM(engineering discrete element method)軟件對(duì)其進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合仿真設(shè)計(jì)，優(yōu)化得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，并通過臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)而最大限度地發(fā)揮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為該機(jī)構(gòu)的實(shí)際生產(chǎn)和推廣應(yīng)用提供必要的技術(shù)支撐和依據(jù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

立式淺盆型復(fù)合種盤排種器的設(shè)計(jì)方案基于“內(nèi)部降速加外部組合增頻”的高速排種理論[13]，采用雙腔形式，主要由左右殼體、左右殼體內(nèi)板、復(fù)合排種盤、左右護(hù)種板、排種軸及其組件等組成，定義其型號(hào)為2B-JP-FP-01。兩個(gè)排種盤分別與其相應(yīng)的殼體內(nèi)板組合并通過螺栓連接在一起，左右護(hù)種板通過螺栓分別固定在兩側(cè)的殼體上，最后通過排種軸將其裝配完整。裝配后以左右殼體內(nèi)板為界分成兩個(gè)獨(dú)立的排種機(jī)構(gòu)，各自具有完整的充種、排種功能，裝配關(guān)系如圖1所示，圖中，αq為清種區(qū)域角，(°)；αc為充種區(qū)域角，(°)；αt為投種區(qū)域角，(°)；αk為護(hù)種區(qū)域角，(°)；ω為排種盤角速度，rad/s。

(a)主視圖 (b)側(cè)視圖(拆去左殼體)1，11.檢視窗 2，10.左右殼體 3，8.左右護(hù)種板 4.復(fù)合排種盤總成 5，7.左右殼體內(nèi)板 6.上蓋 9.排種軸及其組件圖1 雙腔立式淺盆型復(fù)合種盤排種器

立式淺盆型復(fù)合種盤采用型孔加密的方式來(lái)有效降低排種軸的轉(zhuǎn)速，減少漏播現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)，該種盤是將立式種盤的型孔端面內(nèi)折進(jìn)而引入復(fù)合力進(jìn)行充種，此種設(shè)計(jì)既保留了傳統(tǒng)立式圓盤排種器軸向尺寸小等特點(diǎn)，又能解決立式圓盤充填力單一的問題，使其能夠滿足高速作業(yè)的需求。

1.2 工作原理

種子由種箱下落通過導(dǎo)種管充入到排種器容腔內(nèi)，當(dāng)達(dá)到一定高度時(shí)，排種盤在排種軸帶動(dòng)下按圖1b所示方向旋轉(zhuǎn)，種子利用重力與離心力以及種子間相互作用力作為復(fù)合力充入到型孔內(nèi)，完成充種過程，隨即轉(zhuǎn)入清種區(qū)，利用復(fù)合力清除多余的種子，型孔內(nèi)的種子存留在護(hù)種板與型孔的封閉空間內(nèi)進(jìn)入到護(hù)種區(qū)，最后隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)到容腔下部進(jìn)入到投種區(qū)，由投種口投出，完成排種作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 排種盤

由于原有立式圓盤的充填力較單一，故以增加充填力的方式對(duì)排種盤的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將立式種盤型孔端面內(nèi)折成淺盆狀，考慮以下兩種方案。

(a)主視圖 (b)剖視圖

(c)型孔剖視圖圖2 立式淺盆型種盤方案1

(1)方案1采用不同壁厚的折邊，形式如圖2所示。此種方案的優(yōu)點(diǎn)是種盤外側(cè)端面垂直于種盤，便于與種盤配合的殼體的加工，缺點(diǎn)是型孔均布在種盤上，型孔與種盤外側(cè)成一定夾角，加工工藝復(fù)雜，難以保證每個(gè)型孔加工的一致性，同時(shí)，由于折邊內(nèi)側(cè)端面與外側(cè)端面形成一定的夾角，導(dǎo)致型孔的內(nèi)部空間過大，易造成重種現(xiàn)象，如圖2c所示。

(2)方案2在方案1的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，即在原有排種盤內(nèi)壁結(jié)構(gòu)外張成淺盆狀的基礎(chǔ)上，采用均勻壁厚的折邊，使種盤折邊外側(cè)形成與內(nèi)側(cè)平行的外錐面，如圖3所示。此種形式在增加充填力的同時(shí)，又能使種盤上的型孔便于加工且保證型孔的定量容腔，以達(dá)到精播的要求。

(a)主視圖 (b)剖視圖圖3 立式淺盆型種盤方案2

2.2 型孔形狀與參數(shù)

利用CATIA草圖約束動(dòng)畫的方法模擬排種盤的運(yùn)動(dòng)過程，以型孔中心線與排種盤豎直中心線的夾角為“參數(shù)”創(chuàng)建草圖動(dòng)畫，如圖4所示。圖4中，兩條虛線圓圈區(qū)域?yàn)榕欧N盤，陰影區(qū)域?yàn)樽o(hù)種板，O為中心點(diǎn)。當(dāng)型孔的含種邊處于水平時(shí)，以型孔內(nèi)的種粒恰好與護(hù)種板相切為限，此時(shí)的型孔含種邊與型孔中心線的夾角即為型孔內(nèi)面傾角β的極限值，由圖4a可知，βmin=56°。若內(nèi)面傾角β小于56°，則種粒未到達(dá)護(hù)種板之前便脫離了型孔，造成漏播；型孔內(nèi)面傾角β較大將導(dǎo)致型孔容腔內(nèi)部空間過大，易發(fā)生一個(gè)型孔內(nèi)充入兩粒種子即重種現(xiàn)象，如圖4a所示。

(a)草圖約束動(dòng)畫(b)草圖約束動(dòng)畫對(duì)話框圖4 草圖約束及其對(duì)話框

本研究為了保證型孔的含種性能以及型孔定量充種，對(duì)原有型孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。在型孔其他基本尺寸保持不變的前提下(種盤厚度H=8 mm,外引導(dǎo)面深度dh=1 mm,基圓半徑r0=4.5 mm，外面傾角ψ=78°[13])，將型孔的內(nèi)面傾角β由56°降為40°，此時(shí)能夠大大縮小型孔的內(nèi)部空間，同時(shí)，為了提高型孔的含種性能，在型孔的含種邊一側(cè)加一含種環(huán)槽，改進(jìn)后的型孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。此型孔在加工時(shí)，梯形銑刀沿著種盤折邊的垂直方向，以型孔中心線為軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割，然后將軸線向下偏移1 mm，用相同銑刀沿下移后的軸線進(jìn)行進(jìn)給，此時(shí)沿型孔的含種邊的進(jìn)給量減小1 mm,此型孔的加工工藝簡(jiǎn)單，工藝性良好。

(a)三維圖(b)剖視圖圖5 型孔結(jié)構(gòu)及參數(shù)

3 仿真方案設(shè)計(jì)

3.1 仿真參數(shù)選擇及取值域

3.1.1 排種盤直徑

排種盤直徑是排種器的基本結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，決定了排種器殼體以及其他附屬零部件的結(jié)構(gòu)及尺寸。在能夠達(dá)到配套機(jī)組所要求的作業(yè)速度并保證作業(yè)質(zhì)量的前提下，確定其最小直徑是該因素研究的主要目標(biāo)之一。本研究選取的排種盤直徑范圍是140～240 mm[13]。

3.1.2 折邊傾角

折邊傾角是指排種盤折邊與豎直方向的夾角，是立式淺盆型復(fù)合種盤排種器的特征參數(shù)。折邊傾角過小會(huì)造成重力與離心力沿型孔軸向方向上的分力減小進(jìn)而削弱其對(duì)種子充填的作用，影響排種器的充填能力；折邊傾角過大造成軸向尺寸增大的同時(shí)，離心力也會(huì)對(duì)清種產(chǎn)生負(fù)面影響。合適的折邊傾角既能充分利用重力與離心力對(duì)種子的充填作用，還能減小軸向尺寸，因此確定最佳的折邊傾角也是該因素研究的一個(gè)主要目標(biāo)。本文選取的折邊傾角范圍是0°～90°[12]。

3.1.3 作業(yè)速度

作業(yè)速度對(duì)播種機(jī)組生產(chǎn)率及作業(yè)質(zhì)量有著直接的影響，該因素是衡量播種機(jī)性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一。每一種型號(hào)的排種器根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)特征及其工作原理均有其能夠適應(yīng)的作業(yè)速度限值。本研究選取播種作業(yè)速度范圍是4 ～12 km/h[13]。

播種作業(yè)速度v的選取直接關(guān)系到排種軸轉(zhuǎn)速n的大小，同時(shí)由于該排種器采用雙腔結(jié)構(gòu)，所以排種軸轉(zhuǎn)速n與播種作業(yè)速度v的關(guān)系由下式確定：

(1)

式中，n為排種軸的轉(zhuǎn)速，r/min；v為作業(yè)速度，km/h；mk為單盤型孔個(gè)數(shù)；l為理論株距，l=10cm。

隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增大，種子向型孔內(nèi)充填的時(shí)間縮短，種子充填率隨之減小，因此，排種軸轉(zhuǎn)速是影響排種器充種質(zhì)量的重要因素之一。

3.2 多因素組合仿真方案設(shè)計(jì)

根據(jù)排種器的結(jié)構(gòu)及工作特點(diǎn)，選取作業(yè)速度、折邊傾角以及排種盤直徑為組合仿真因素，選取充填率為響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行三因素五水平的二次正交旋轉(zhuǎn)組合仿真設(shè)計(jì)。因素水平編碼表見表1。各因素代號(hào)及水平域分別為：播種作業(yè)速度v(4 ～12km/h)，折邊傾角α(0°～90°)，排種盤直徑d(140～240mm)。排種盤的型孔個(gè)數(shù)由排種盤直徑和折邊傾角共同確定。響應(yīng)指標(biāo)及代號(hào)為充填率yt。

表1 因素水平編碼表

4 模型的建立

4.1 接觸模型

因Hertz模型是利用兩物體間相對(duì)位置與它們各自所受力處的曲率半徑進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)計(jì)算法向和切向受力，能夠較好地反映硬質(zhì)剛性物體間的力學(xué)行為特點(diǎn)，所以本研究的顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間的計(jì)算模型均采用Hertz-Mindlin模型[14-15]。大豆顆粒體之間以及大豆與壁面之間的靜摩擦因數(shù)分別為0.45、0.3，動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.05、0.01，恢復(fù)系數(shù)均為0.6[16]。

4.2 顆粒體模型

大豆的形狀近似為橢球，所以本研究采用四面體構(gòu)形方法創(chuàng)建顆粒體模型。設(shè)置顆粒體模型的半徑為3.6 mm，泊松比為0.25，剪切模量為1.04 MPa，密度為1228 kg/m3，并自動(dòng)獲取其余屬性[17]。顆粒類型選擇正態(tài)分布。

4.3 排種器模型

利用CATIA機(jī)械零件參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊，設(shè)計(jì)以排種盤直徑和折邊傾角作為主驅(qū)動(dòng)參數(shù)的系列排種盤并配合相應(yīng)尺寸的護(hù)種板及殼體等部件裝配成排種器模型導(dǎo)入到EDEM中。為便于分析并提高仿真運(yùn)算速度，將大豆顆粒運(yùn)動(dòng)過程中與接觸無(wú)關(guān)的部件去掉，簡(jiǎn)化后的排種器模型如圖6所示。將左右排種盤合并，將其設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)件，定義其材料和類型，設(shè)置旋轉(zhuǎn)軸的位置和方向、轉(zhuǎn)動(dòng)初速度和轉(zhuǎn)動(dòng)開始及結(jié)束的時(shí)間。其余部件組合并設(shè)置成固定件,材料設(shè)置成steel，由于采用雙腔結(jié)構(gòu)的模型，在排種器模型上方創(chuàng)建雙重顆粒工廠，如圖6所示。后處理模塊中，在排種器投種口下方建立一個(gè)Grid bin group(方格組)，用以記錄并實(shí)時(shí)顯示進(jìn)入其間的顆?？倲?shù)，為后續(xù)充填率的計(jì)算提供依據(jù)。

圖6 EDEM中的排種器仿真模型

5 仿真結(jié)果與分析

5.1 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如表2所示。

5.2 回歸方程

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，建立充填率與仿真因素的原始回歸方程：

yt= 85.96-5.93x1+6.10x2+2.65x3+

1.38x1x3-1.15x2x3

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行分析，得出方差分析表(表3)。

由表3可知，F(xiàn)檢驗(yàn)的結(jié)果表明：F2>F0.01(9,13)=4.19,F1

yt=86.39-5.93x1+6.10x2+2.65x3+

將上式中的試驗(yàn)因素實(shí)際量轉(zhuǎn)化，得回歸方程為

表2 仿真數(shù)據(jù)

表3 方差分析表

yt=100.19-4.29v-0.38α+0.09d+

3.16×10-3α2+0.04vα

(3)

根據(jù)多元二次回歸中各因素重要性的計(jì)算方法[18]，作業(yè)速度、折邊傾角和排種盤直徑對(duì)充填率的貢獻(xiàn)率分別為1.381、2.257和0.089，因此，各因素對(duì)充填率的影響程度由大到小依次為折邊傾角、作業(yè)速度和排種盤直徑。

5.3 各因素對(duì)充填率的影響規(guī)律

當(dāng)排種盤直徑置于零水平(190 mm)時(shí)，作業(yè)速度和折邊傾角對(duì)充填率的影響規(guī)律如圖7a所示：當(dāng)作業(yè)速度處于低水平時(shí)，折邊傾角對(duì)充填率影響不大；當(dāng)作業(yè)速度處于高水平時(shí)，折邊傾角與充填率成正相關(guān)關(guān)系，隨著傾角的增大，折邊傾角對(duì)提高充填率的作用變得明顯，這是由于角度逐漸增大，使得重力與離心力沿軸線方向上的分力增大，進(jìn)而增加充填力所致。

當(dāng)折邊傾角置于零水平(45°)時(shí)，作業(yè)速度和排種盤直徑對(duì)充填率的影響規(guī)律如圖7b所示：低速時(shí)，排種盤直徑水平變化對(duì)充填率影響有限，隨作業(yè)速度的提高，大直徑的排種盤對(duì)充填率的利好作用逐漸增大，可有效彌補(bǔ)速度增加帶來(lái)的負(fù)面影響。

當(dāng)作業(yè)速度置于零水平(8 km/h)時(shí)，排種盤直徑和折邊傾角對(duì)充填率的影響規(guī)律如圖7c所示：折邊傾角小于零水平時(shí)，傾角的變化對(duì)充填率的影響很小，當(dāng)折邊傾角處于較低水平時(shí)，隨著排種盤直徑的增大，充填率緩慢上升；折邊傾角大于零水平時(shí)，隨著傾角的增大，充填率呈明顯上升趨勢(shì)，當(dāng)折邊傾角處于高水平時(shí)，排種盤直徑對(duì)充填率的作用不明顯。

(a)v和α對(duì)充填率影響曲線曲面圖

(b)v和d對(duì)充填率影響曲線曲面圖

(c)α和d對(duì)充填率影響曲線曲面圖圖7 各因素對(duì)充填率的影響

5.4 參數(shù)組合優(yōu)化分析

采用主目標(biāo)函數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化求解，由于折邊傾角α<71°[12]，故本文選取因素變量作為約束條件的范圍為x1∈[8 km/h,12 km/h]，x2∈[0°,70°]，x3∈[140 mm,240 mm]，充填率的參數(shù)優(yōu)化區(qū)域如圖8所示。由圖8可知，若使充填率達(dá)到95%以上，則在作業(yè)速度為8 km/h時(shí)，排種盤直徑取200～240 mm，折邊傾角取60°～70°；在作業(yè)速度為10 km/h時(shí)，排種盤直徑取233～240 mm，折邊傾角取68°～70°。

1.v=8 km/h，yt=90% 2.v=10 km/h，yt=90% 3.v=8 km/h，yt=95% 4.v=10 km/h，yt=95%圖8 參數(shù)優(yōu)化區(qū)域

6 樣機(jī)試制與試驗(yàn)

6.1 樣機(jī)試制

在滿足充種質(zhì)量的前提下，綜合考慮降低成本和排種器單體的質(zhì)量，確定雙腔立式淺盆型復(fù)合種盤排種器的種盤直徑為234 mm，折邊傾角為68°，樣機(jī)如圖9所示。為了便于觀察和檢測(cè)排種器的作業(yè)情況，使用有機(jī)玻璃材料加工兩個(gè)檢視窗，分別安裝在左右兩個(gè)殼體的下部，同時(shí)將左右殼體內(nèi)板也加工成有機(jī)玻璃材質(zhì)，以便觀察排種器的充種、清種情況，其余部件均采用鑄鋁。

(a)零部件(b)總裝圖9 排種器樣機(jī)

6.2 試驗(yàn)

將雙腔立式淺盆型復(fù)合種盤排種器安裝在JPS-12計(jì)算機(jī)視覺排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)(哈爾濱博納科技有限公司制造)上，整體布局如圖10所示。本試驗(yàn)選用黑農(nóng)38的大豆種子作為試驗(yàn)對(duì)象，排種盤的直徑為234 mm，單盤型孔數(shù)為40，設(shè)置種床帶速度與排種軸的轉(zhuǎn)速如表4所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集及統(tǒng)計(jì)遵照GB 6973-86單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[19]進(jìn)行，每組試驗(yàn)重復(fù)3次以上，剔除明顯異常數(shù)據(jù)的情況下取均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

根據(jù)JB/T 10293-2001中耕作物精密播種機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等[20]，由表4可知，此排種器在高速作業(yè)即作業(yè)速度達(dá)到8 km/h以上時(shí)，合格率均能達(dá)到90%以上，具備了良好的高速作業(yè)能力，該排種器屬于優(yōu)等品。

1.綜合操作臺(tái) 2.種箱 3.導(dǎo)種管 4.雙腔立式淺盆型種盤排種器5.JPS-12計(jì)算機(jī)視覺排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)圖10 樣機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

種床帶速度(km/h)排種軸轉(zhuǎn)速(r/min)合格率(%)48．3399．81612．5099．56816．6798．421020．8395．131225．0091．36

7 結(jié)論

(1)根據(jù)回歸方程分析，在仿真與試驗(yàn)的參數(shù)取值域內(nèi)，影響立式淺盆型排種器充填率的主次順序?yàn)檎圻厓A角、作業(yè)速度和排種盤直徑。

(2)根據(jù)EDEM仿真結(jié)果，結(jié)合精密播種機(jī)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由Design-expert 8.0軟件優(yōu)化得出：立式淺盆型復(fù)合種盤排種器的最佳組合參數(shù)是排種盤直徑為234 mm、折邊傾角為68°。樣機(jī)試驗(yàn)表明，此排種器在作業(yè)速度分別為8 km/h、10 km/h和12 km/h(對(duì)應(yīng)排種盤轉(zhuǎn)速分別為16.67 r/min、20.83 r/min和25.00 r/min)時(shí)，合格率分別為98.42%、95.13%和91.36%，具備了良好的高速作業(yè)能力。

[1] 叢錦玲，廖慶喜，曹秀英，等. 油菜小麥兼用排種盤的排種器充種性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(8)：30-39. Cong Jinling, Liao Qingxi, Cao Xiuying, et al. Seed Filling Performance of Dual-purpose Seed Plate in Metering Device for Both Rapeseed & Wheat Seed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of The CSAE), 2014, 30(8):30-39.

[2] 胡建平，毛罕平. 精密播種技術(shù)的研究與創(chuàng)新[J].農(nóng)機(jī)化研究，2003(4):52-53,59. Hu Jianping, Mao Hanping. A Study and Innovation on Precision Seeding Technology[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2003(4):52-53,59.

[3] 林?jǐn)⒈? 精密排種器的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2012(7):48-49. Lin Xubin. Research Progress of Precision Metering Device [J]. Moderm Agricultural Equipments, 2012(7):48-49.

[4] Deng Xiaoyan, Li Xu, Shu Caixia, et al. Mathematical Model and Optimization of Structure and Operating Parameters of Pneumatic Precision Metering Device for Rapeseed[J]. Journal of Food, Agriculture & Environment， 2010，8(3/4)(Part 1):318-322.

[5] Raji A O, Favier J F. Model for the Deformation in Agricultural and Food Particulate Materials Under Bulk Compressive Loading Using Discrete Element Method. Ⅰ. Theory, Model Development and Validation[J]. Journal of Food Engineering，2004，64(3):359-371.

[6] Zhang X, Vu-Quoc L. A Method to Extract the Mechanical Properties of Particles in Collision Based on a Newelasto-plastic Normal Force-displacement Model [J]. Mechanics of Materials, 2002, 34: 779-794.

[7] LoCurto G J, Zhang X, Zakirov V， et al.Soybean Impacts: Experiments and Dynamic Simulations[J].Transactions of the ASAE, 1997, 40(3): 789-794.

[8] 廖慶喜， 張朋玲， 廖宜濤，等. 基于EDEM的離心式排種器排種性能數(shù)值模擬[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014,45(2)：109-114. Liao Qingxi, Zhang Pengling, Liao Yitao, et al. Numerical Simulation on Seeding Performance of Centrifugal Rape-seed Metering Device Based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(2): 109-114.

[9] 于建群，王剛，心男，等.形孔輪式排種器工作過程與性能仿真[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2011, 42(12): 83-87. Yu Jianqun, Wang Gang, Xin Nan,et al. Simulation Analysis of Working Process and Performance of Cell Wheel Metering Device [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(12): 83-87.

[10] 李政權(quán)，于建群，張尉林，等.內(nèi)充式排種器工作過程和性能的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011,27(11): 32-36. Li Zhengquan, Yu Jianqun, Zhang Weilin, et al. Simulation Analysis of Working Process and Performance of Inside-filling Seed Metering Device by Discrete Element Method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2011, 27(11): 32-36.

[11] 于建群， 申燕芳， 牛序堂，等. 組合內(nèi)窩孔精密排種器清種過程的離散元法仿真分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(5) :105-108. Yu Jianqun, Shen Yanfang, Niu Xutang, et al.DEM Simulation and Analysis of the Clearing Process in Precision Metering Device with Combination inner-cell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2008,24(5) :105-108.

[12] 劉宏新，徐曉萌，郭麗峰，等. 具有復(fù)合充填力的立式淺盆型種盤排種器充種機(jī)理[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(21)：9-16. Liu Hongxin, Xu Xiaomeng, Guo Lifeng, et al. Research on Seed-filling Mechanism of Vertical Shallow Basin Type Seed-metering Device With Composite Filling Force[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 9-16.

[13] 劉宏新. 大豆密植平播機(jī)關(guān)鍵部件研究及整機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社，2007.

[14] 胡國(guó)明. 顆粒系統(tǒng)的離散元素法分析仿真[M]. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.

[15] 王國(guó)強(qiáng)，郝萬(wàn)軍，王繼新. 離散單元法及其在EDEM上的實(shí)踐[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

[16] Resort G S, Nevada C R. Material and Interaction Properties of Selected Grains and Oil Seeds for Modeling Discrete Particles [J]. ASABE Annual International Meeting, 2009(7): 3-16.

[17] 王福林，尚家杰，劉宏新，等. EDEM顆粒體仿真技術(shù)在排種機(jī)構(gòu)研究上的應(yīng)用[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，44(2)：110-114. Wang Fulin, Shang Jiajie, Liu Hongxin, et al. Application of EDEM Particles Simulation Technology on Seed-metering Device Research [J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2013, 44(2): 110-114.

[18] 辛濤. 回歸分析與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2010.

[19] GB-6973-86單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

[20] JB/T 10293-2001中耕作物精密播種機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

(編輯 蘇衛(wèi)國(guó))

Design and Parameter Optimization on Vertical Shallow-basin Type Composites Seed-plate Soybean Seed-metering Devices

Liu Hongxin Xu Xiaomeng Fu Lulu Wang Chen

Northeast Agricultural University,Harbin，150030

To meet the working requirements of mechanical precision seed-metering device at high speed, a vertical shallow basin-type composite seed-plate seed-metering device with double cavity was designed, the seed-metering device might utilize gravity, centrifugal force and interaction force among the seeds to increase the filling force, improve the filling performance of seed-metering device at high speed. And in order to obtain the structure parameters of seed-metering devices to further improve the quality of precision seeding, the software of EDEM was utilized to make the three factors and five levels of all factors rotational quadratic orthogonal experiments which took the diameter of seed-plate, folding angle, working speed as the influence factors, and filling rate as the performance index， the experimental scheme was designed. And Design-expert 8.0 software was used to deal with the simulation data, the optimal structural parameters of the seed plate were obtained, the physical prototype test was made to verify the values of simulation. The experimental results show that when the diameter of seed plate is as 234 mm, folding angle is as 68°, qualified rate may be beyond 90% at the high-speed area(working speed in the range of 8 km/h to 12 km/h), the optimized parameters may meet the demands of high speed operations, which will provide the basis and

for the product approval.

mechanical precision seed-metering device; shallow-basin type composite seed-plate; structure design; parameter optimization

2015-12-28

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275086)

S223.23

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.22.005

劉宏新，男，1971年生。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備、數(shù)字化設(shè)計(jì)、CAD&CAE。徐曉萌，女，1991年生。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。付露露，女，1992年生。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。王 晨，男，1990年生。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院碩士研究生。