0 引言

    隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)和并行設(shè)計(jì)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法悄然興起。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以改變基于生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)和成本高等缺點(diǎn)，目前在農(nóng)業(yè)機(jī)械新產(chǎn)品的研發(fā)與生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。

    排種器是精密免耕播種機(jī)的核心部件之一。氣吸式精密排種裝置具有不傷種子、對(duì)種子尺寸要求不嚴(yán)、通用性好和適應(yīng)高速作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，目前在精密播種機(jī)上得到廣泛采用。工作過(guò)程中，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度的匹配關(guān)系對(duì)排種性能的影響較大。本文設(shè)計(jì)采用SolidWorks參數(shù)化造型軟件對(duì)排種器結(jié)構(gòu)及排種過(guò)程進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)仿真，提高了設(shè)計(jì)效率，從而為氣吸式排種器的參數(shù)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

1 排種器的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

    氣吸式排種器主要由排種器殼體、剔種裝置、排種盤(pán)、攪種輪、排種器蓋和播量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等零部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣吸式排種器三維結(jié)構(gòu)圖

    排種器在工作時(shí)，種箱內(nèi)的種子流人排種器儲(chǔ)種室，排種盤(pán)將吸種室和充種室隔開(kāi)，儲(chǔ)種室與充種室相接，吸種室通過(guò)軟管與風(fēng)機(jī)相連。當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，使吸種室內(nèi)形成一定真空度，因而使排種盤(pán)兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，排種盤(pán)上的窩眼孔處產(chǎn)生吸附力，將充種室中的種子吸住；當(dāng)吸人一粒種子時(shí)，種子會(huì)將窩眼內(nèi)的吸種孔堵死，保證只有一粒種子進(jìn)入窩孔；當(dāng)種子隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到刮種裝置部位時(shí)，刮種裝置會(huì)將窩孔處多余種子清除掉，只保留一粒種子以保證不出現(xiàn)重播。種子繼續(xù)隨排種盤(pán)旋轉(zhuǎn)至導(dǎo)種管上方的播種無(wú)吸力區(qū)域后，由于種子失去了風(fēng)壓對(duì)其的吸附力，便依靠自身重力及離心力的作用，落入導(dǎo)種管進(jìn)入種溝完成播種過(guò)程。

2 排種盤(pán)的設(shè)計(jì)

    排種盤(pán)是排種器的關(guān)鍵零件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)劣直接影響排種器的性能。本排種盤(pán)采用雙排窩孔形式布置，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 吸種盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

    窩孔形式及孔徑的大小對(duì)所需的吸種室真空度影響很大。真空度小，漏播率偏大；真空度較大，則重播率增大。因此，窩孔形式及孔徑大小直接影響著排種器對(duì)種子的吸附能力。適當(dāng)形狀的型孔有助于提高排種器的囊種。該排種器采用的是窩孔式型孔，能夠很大程度上提高種子的囊種率，窩孔直徑為5mm。

    窩孔的數(shù)量與播種速度、頻率及粒距有關(guān)，窩孔的數(shù)量應(yīng)在不影響排種器吸種、清種和排種的情況下盡量多些，以便提高播種速度。在播種機(jī)速度一定的情況下，隨著窩孔數(shù)的增多，排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速則應(yīng)相應(yīng)降低，以保證有足夠的充種時(shí)間，提高排種性能。然而，隨著窩孔數(shù)量的增多，相鄰兩窩孔之間的距離會(huì)變小。當(dāng)窩孔數(shù)量逐漸增加到一定數(shù)值時(shí)，兩窩孔間就會(huì)出現(xiàn)吸種相互干擾現(xiàn)象，使得種子在排種器上的排列出現(xiàn)混亂，導(dǎo)致排種性能逐漸降低。考慮以上因素，本文設(shè)計(jì)采用90孔，其內(nèi)外圈各45孔。

3 排種器的裝配過(guò)程仿真

    3．1 零件建模

    零件建模是三維設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，用SolidWorks軟件可以快捷、準(zhǔn)確地建立零件模型。排種器每一個(gè)組成零件通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和抽殼等方法生成零件實(shí)體，并建立合適的約束條件和特征間父子關(guān)系，可通過(guò)模型樹(shù)了解零件的設(shè)計(jì)過(guò)程，靈活地進(jìn)行修改。

    3．2零件裝配

    裝配體采用自下向上設(shè)計(jì)，先確定排種器外殼作為固定件，其他零件在固定件的基礎(chǔ)上按照裝配關(guān)系依次導(dǎo)入進(jìn)行裝配。各個(gè)零件之間加上所需的同軸、兩平面平行以及兩平面重合等約束關(guān)系，最終得到排種器裝配圖。其模擬裝配過(guò)程如圖3所示。

圖3 SolidWorks模擬裝配過(guò)程 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
3．3干涉檢驗(yàn)

    通過(guò)對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查、碰撞檢查和動(dòng)態(tài)間隙檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)干涉并知道干涉區(qū)域，結(jié)果如圖4所示。圖4中，圓圈區(qū)域即為干涉區(qū)域，此時(shí)應(yīng)對(duì)模型進(jìn)行修改，直到獲得滿(mǎn)意的結(jié)果。

圖4 干涉檢測(cè)

    在Solidworks環(huán)境下，對(duì)排種器進(jìn)行動(dòng)態(tài)的模擬裝配過(guò)程，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)出的三維裝配圖如圖5所示。

圖5 排種器三維裝配圖

4 排種器的運(yùn)動(dòng)仿真

    影響氣吸式排種器排種性能的因素較多，如窩孔的孔徑、窩孔數(shù)量、排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度和真空室壓力值等。其中，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和作業(yè)速度的關(guān)系對(duì)氣吸式排種器排種性能的提高具有重要意義，而作業(yè)速度又是評(píng)價(jià)排種器的重要指標(biāo)。

    排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的確定應(yīng)是在保證國(guó)標(biāo)株距合格指數(shù)的前提下機(jī)車(chē)具有最高的工作速度。排種盤(pán)轉(zhuǎn)速越高，種子在轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生的離心力越大，吸種室所需的真空度也就越大。為防止出現(xiàn)漏吸，需適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，而風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速受生產(chǎn)條件限制。隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的提高，吸種孔與種子的接觸時(shí)間會(huì)大大縮短，會(huì)產(chǎn)生來(lái)不及吸種或吸種不充分等問(wèn)題，導(dǎo)致種子脫落，造成空穴、漏播率提高以及株距合格率下降，這也需要適當(dāng)提高真空度。因此，為保證氣吸式排種器的充種時(shí)間及排種質(zhì)量，排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速要合理。

    在實(shí)際生產(chǎn)中，排種的動(dòng)力由地輪經(jīng)過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)到達(dá)排種器。地輪與排種器之間有著固定的傳動(dòng)比，而地輪的轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度(地面與播種機(jī)的相對(duì)速度)相關(guān)，因此在仿真模型中定義地面與地輪之間為齒輪齒條傳動(dòng)，用以簡(jiǎn)化模型，并提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

    由試驗(yàn)測(cè)得，在吸種室真空壓力為0．004MPa的條件下，轉(zhuǎn)速接近0．97r／s時(shí)，排種性能穩(wěn)定性最好，如圖6所示。此時(shí)有較充分的充種時(shí)間，重播率及漏播率均較小。因此，以播種大豆種子為例，將排種器的轉(zhuǎn)速定為0．97r／s進(jìn)行排種狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)仿真，如6圖所示。

圖6 排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為0．97r／s時(shí)排種器的運(yùn)動(dòng)仿真

    模擬仿真中將播種大豆的理論株距定為5．5cm，在保證株距及播種均勻性等前提下，得出仿真模型的機(jī)車(chē)作業(yè)速度為8．529km／h，如圖7所示。

圖7 仿真模型中大豆的株距5．5cm

5 結(jié)論

    1)利用SolidWorks對(duì)排種器進(jìn)行三維實(shí)體裝配和設(shè)計(jì)，并進(jìn)行干涉檢驗(yàn)，在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，縮短了研制周期。

    2)在一定的排種性能指標(biāo)條件下，排種器的轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度有一個(gè)最佳匹配值，排種器的轉(zhuǎn)速與機(jī)車(chē)作業(yè)速度分別為0．97r／s和8．529km／h。

    3)對(duì)氣吸式排種器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出相關(guān)的技術(shù)參數(shù)，為氣吸式排種器的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐提供了參考依據(jù)。