0 引言

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

    排種器是精密免耕播種機的核心部件之一。氣吸式精密排種裝置具有不傷種子、對種子尺寸要求不嚴、通用性好和適應(yīng)高速作業(yè)等優(yōu)點，目前在精密播種機上得到廣泛采用。工作過程中，排種盤轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度的匹配關(guān)系對排種性能的影響較大。本文設(shè)計采用SolidWorks參數(shù)化造型軟件對排種器結(jié)構(gòu)及排種過程進行建模和運動仿真，提高了設(shè)計效率，從而為氣吸式排種器的參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(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、攪種輪、排種器蓋和播量調(diào)節(jié)機構(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，種箱內(nèi)的種子流人排種器儲種室，排種盤將吸種室和充種室隔開，儲種室與充種室相接，吸種室通過軟管與風(fēng)機相連。當(dāng)風(fēng)機工作時，使吸種室內(nèi)形成一定真空度，因而使排種盤兩側(cè)產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，排種盤上的窩眼孔處產(chǎn)生吸附力，將充種室中的種子吸住；當(dāng)吸人一粒種子時，種子會將窩眼內(nèi)的吸種孔堵死，保證只有一粒種子進入窩孔；當(dāng)種子隨排種盤轉(zhuǎn)動到刮種裝置部位時，刮種裝置會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)隨排種盤旋轉(zhuǎn)至導(dǎo)種管上方的播種無吸力區(qū)域后，由于種子失去了風(fēng)壓對其的吸附力，便依靠自身重力及離心力的作用，落入導(dǎo)種管進入種溝完成播種過程。

2 排種盤的設(shè)計

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

圖2 吸種盤結(jié)構(gòu)圖

    窩孔形式及孔徑的大小對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。在播種機速度一定的情況下，隨著窩孔數(shù)的增多，排種盤的轉(zhuǎn)速則應(yīng)相應(yīng)降低，以保證有足夠的充種時間，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變小。當(dāng)窩孔數(shù)量逐漸增加到一定數(shù)值時，兩窩孔間就會出現(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)計采用90孔，其內(nèi)外圈各45孔。

3 排種器的裝配過程仿真

    3．1 零件建模

    零件建模是三維設(shè)計的基礎(chǔ)，用SolidWorks軟件可以快捷、準確地建立零件模型。排種器每一個組成零件通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠和抽殼等方法生成零件實體，并建立合適的約束條件和特征間父子關(guān)系，可通過模型樹了解零件的設(shè)計過程，靈活地進行修改。

    3．2零件裝配

    裝配體采用自下向上設(shè)計，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)入進行裝配。各個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。其模擬裝配過程如圖3所示。

圖3 SolidWorks模擬裝配過程 #p#分頁標題#e#
3．3干涉檢驗

    通過對裝配體進行干涉檢查、碰撞檢查和動態(tài)間隙檢測，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，此時應(yīng)對模型進行修改，直到獲得滿意的結(jié)果。

圖4 干涉檢測

    在Solidworks環(huán)境下，對排種器進行動態(tài)的模擬裝配過程，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計出的三維裝配圖如圖5所示。

圖5 排種器三維裝配圖

4 排種器的運動仿真

    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、排種盤的轉(zhuǎn)速、作業(yè)速度和真空室壓力值等。其中，排種盤轉(zhuǎn)速和作業(yè)速度的關(guān)系對氣吸式排種器排種性能的提高具有重要意義，而作業(yè)速度又是評價排種器的重要指標。

    排種盤轉(zhuǎn)速的確定應(yīng)是在保證國標株距合格指數(shù)的前提下機車具有最高的工作速度。排種盤轉(zhuǎn)速越高，種子在轉(zhuǎn)動的過程中產(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)機的轉(zhuǎn)速，而風(fēng)機轉(zhuǎn)速受生產(chǎn)條件限制。隨著排種盤轉(zhuǎn)速的提高，吸種孔與種子的接觸時間會大大縮短，會產(chǎn)生來不及吸種或吸種不充分等問題，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間及排種質(zhì)量，排種盤的轉(zhuǎn)速要合理。

    在實際生產(chǎn)中，排種的動力由地輪經(jīng)過傳動機構(gòu)到達排種器。地輪與排種器之間有著固定的傳動比，而地輪的轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度(地面與播種機的相對速度)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，用以簡化模型，并提高實驗數(shù)據(jù)的準確性。

    由試驗測得，在吸種室真空壓力為0．004MPa的條件下，轉(zhuǎn)速接近0．97r／s時，排種性能穩(wěn)定性最好，如圖6所示。此時有較充分的充種時間，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進行排種狀態(tài)的運動仿真，如6圖所示。

圖6 排種盤轉(zhuǎn)速為0．97r／s時排種器的運動仿真

    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，得出仿真模型的機車作業(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對排種器進行三維實體裝配和設(shè)計，并進行干涉檢驗，在設(shè)計階段發(fā)現(xiàn)問題，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率，縮短了研制周期。

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

    3)對氣吸式排種器進行運動仿真，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)實踐提供了參考依據(jù)。