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勺式玉米排种器工作原理及动力学分析研究

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李德鑫+于文昌+芦磊

摘要：玉米排种器是玉米播种机的主要工作部件，其结构与性能设计直接影响播种质量。阐述勺式玉米排种器的结构与工作原理，详细分析排种器充种、清种、投种过程中种子的受力情况，以期为该类型排种器的设计与改进提供理论依据。

关键词：玉米；排种器；原理；受力分析

：S223.2：A：1674-1161（2017）02-0035-03

玉米排种器是玉米播种机的主要工作部件，排种器的精度和实用性直接影响播种进程与质量。以倾斜圆盘勺式排种器为例，研究勺式玉米排种器的工作原理及动力学分析，为提高玉米排种器的精度提供新的可能性。

1玉米排种器的结构与工作过程

倾斜圆盘勺式排种器主要由投种轮、分种盘、种箱及外壳等组成（如图1所示）。在工作过程中，玉米种子从种箱中掉落到分种盘，并在重力作用下落入排种轮毂的轮孔，经主轴的转动在到达出口处掉落，完成投种的过程。同时要保证种子在土壤中排列分布均匀化，实现精准投种。

2玉米排种器的工作原理

当排种器在外界动力的作用下工作时，箱体内部的种子由于自身的重力原因落入分种箱充种。在主轴的带动下，分种勺盘也转动，此时种子在分种勺的作用下进行分种，这个过程呈现的是圆周运动轨迹；当被分种勺带动到装置的顶部时，种子便会落入排种轮内，由排种轮的转动带动种子送达投种口；当种子到达投种口时，便会由于离心力的作用和自身重力原因脱落于土壤中；而后依靠播种器的尾部支撑轮等装置进行覆土和镇压。

3玉米排种器的动力学分析

种子在排种器中的运动可分为3个部分：充种、清种和投种。在排种器动态运行的过程中，种子的运行受设备的影响较大。由于种子受到各种综合的作用力，若对其做精准的受力分析，过程非常复杂。为此，简化物理过程和物理量为：1）视玉米种子为球体，种子半径r，质量m；2）简化掉种子之间的相互碰撞力，以单位种子为研究对象。以此分析种子在装置中的不同阶段的受力过程。

3.1充种时种子受力分析

1）分种勺侧面种子的充种极限角。初始阶段，大量的种子涌进排种器内，状态无任何规律，贴近分种勺的种子随着运动的过程进入勺内，其他未进入分种勺的种子会在重力和离心力的作用下绕中心转动。以进入分种勺的种子为研究对象，其受力情况如图2所示。种子在分种勺的位置的角度记为θ；种子受力主要有重力、离心力、分种勺面的静摩擦力和隔板间的滑动摩擦力，用符号分别记为mg，mω2r，FN和F′。

通过受力分析，计算出种子在分种勺的极限充种角度θbc。

式中：α为导种台倾角；Φ为种子静摩擦角；Φ为种子滑动摩擦角；r为种子质心距主轴心距离；ω为角速度。

2）分种勺侧面种子的回落角。散落在边缘的种子会掉入种子群内部，此时其受力情况如图3所示。

通过列出受力平衡方程，计算出种子掉落在种群的角度θbh。

3.2清种时种子受力分析

1）确定初始清种角度。分种勺在旋转的同时会远离充种区，设此时的角度为θ1。位于空间中散落的种子回落清种。假设种子在排种器上的支持力为N，若N0，种子便不会下落；若N≤0，则种子会沿着内壁掉下。为便于受力分析，首先建立xoy坐標系统，x轴方向与导种台面平行，y轴为垂直方向（如图4所示）。列出动作初始时种子在重力和离心力、支持力的作用下产生的关系方程并求解。

式中：α″为导种台倾斜的角度；β为排种器角度；ω为角速度。

2）确定清种结束角度。在整个清种过程中，随装置的旋转，多余的种子会回落到充种区。只有在一定角度时，分种勺内剩余能够进入护种阶段的种子。记此时的角度为θ2，称该角度为清种结束角，如图5所示。

清种结束角的确定直接影响到清种过程，角度过大过小都不合适。角度过小不能充分进行清种过程；角度过大会发生重播现象。此外，该角度的设计也会涉及到投种口位置的确定。列出清种过程结束时种子的受力关系方程与θ2的公式。

3）确定完全清种角度。完全清种角θ6的受力分析简图如图6所示。

当清种结束，保留在分种勺内的种子呈现的受力关系方程为：

式中：α′为分种勺底面的倾角；φ1为种子与排种器内壁的摩擦角；φ2为种子与分种勺之间的摩擦角；θ5为分种勺中仅存的一粒种子开始滑落时的角度。

3.3投种时种子受力分析

在投种的过程中，种子的运行速度会逐渐下降，此时集中在种子上的3个力的受力关系方程为：

式中：φ1为种子与排种器内壁的摩擦角；β为排种器的垂直倾角；θ7为玉米种子开始减速时的角度。

在经过如图7所示的角度之后，种子的行进速度会下降，并且小于轮毂的速度，因此会产生沿内壁切向向上的趋势，而发生碰撞被投种子的可能。为了安全起见，设计时应使θ7的角度接近于理论设计时的投种角α0，从而避免强制投种的现象。

参考文献

[1]李成华，高玉芝.倾斜圆盘气吹式播种器设计及试验研究[J].沈