張 昆 衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶163319)

氣吸滾筒式玉米排種器充種性能仿真與試驗優(yōu)化

張 昆 衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院，大慶163319)

為了提高氣吸滾筒式排種器充種性能，采用離散元分析的方法，對種層高度、振動頻率、振動角度分別進行數(shù)值模擬，結果表明:在相同條件下提升種層高度，可以增長充種區(qū)弧長，增加充種時間，降低排種器的漏充率;振動頻率增加，種子平均法向應力方差增大，即對種子的擾動性增強;合適的振動角度可以有效提高供種高度。減小內摩擦、增強種群擾動性、提高供種高度均可有效提高排種器充種性能。為尋找最佳參數(shù)組合，以鄭單958玉米種子為播種對象，采用二次旋轉正交組合試驗方法，對排種器進行了排種性能試驗，建立了種層高度、振動頻率、振動角度3個主要因素與合格率、漏播率、重播率的數(shù)學模型，分析了各個因素及交互作用對合格率的影響規(guī)律，并進行了參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗。當最佳參數(shù)組合為振動角度45°，振動頻率116～122 Hz，種層高度96～117mm時，合格率大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%。經(jīng)試驗驗證，試驗結果與分析結果基本一致。試驗結果表明該氣吸滾筒式精密排種器對于玉米種子具有很好的播種適應性。

玉米;氣吸滾筒式排種器;充種性能;數(shù)值模擬;正交試驗

引言

玉米機械化精量播種可以節(jié)省種子，無需間苗作業(yè)，而且可使種子在田間分布均勻，播深一致，達到苗齊、苗壯，是玉米播種技術的發(fā)展方向。精量排種器作為播種機的核心部件，其排種性能成為玉米播種技術的關鍵［1－3］。

目前，國內外先進的播種機普遍采用氣吸式工作原理［4－9］，這主要是因為機械式排種器整體上存在作業(yè)速度不高、對種子形狀和尺寸要求嚴格、播種單粒率有待改善等問題，而氣吸式排種器借助氣流作用充種、清種或攜種，與機械式排種器相比，對種子形狀和大小一致性要求不嚴格，更易于實現(xiàn)高速、精密播種。氣吸式排種器，其充種環(huán)節(jié)尤為重要，基本決定了排種器的優(yōu)劣［10］。充種過程處理不當會造成重播或者漏播現(xiàn)象，嚴重影響排種器的工作性能，導致播種質量下降。目前采用種箱振動方式提高充種是通用的方法［11－13］。王淑銘等［14］對氣動振動式精密排種器振盤及種子的運動理論進行了分析;陳進等［15］采用離散元法對氣吸式精密播種機振動種盤中水稻種群運動進行研究;種群的運動特性對于充種性能有較大的影響。李林［16］對氣吸式排種器工作過程進行了研究，提出了種群內摩擦力對種子充填和所需吸力有很大影響。陳進等［17］、祁兵等［18］利用電磁激振的方法擾動種群，使種群產(chǎn)生“沸騰”，提高了氣吸滾筒排種器充種性能。為提高氣吸滾筒式排種器的充種性能，結合上述學者的研究成果，本文采用振動供種的方式，研究種層高度、振動頻率和振動角度對充種性能的影響。

本文以自行研制的氣吸式滾筒排種器為研究對象，借助離散元仿真軟件EDEM進行種層高度、振動頻率、振動角度對種群擾動及供種高度影響的仿真分析，并通過臺架試驗驗證，探尋種群擾動和供種高度對充種性能的影響。利用二次旋轉正交組合試驗方法，對上述因素進行排種性能試驗，以尋找最佳參數(shù)組合來提高排種性能。

1 排種器結構與工作原理

氣吸滾筒式精密排種器主要由種箱、滾筒、空心軸、絕壓輥、調節(jié)螺桿及傳動鏈輪組成，其整體結構如圖1所示。

圖1 氣吸滾筒排種器結構圖Fig．1 Structure diagram of pneumatic cylinder seed-metering device

空心軸兩端，一端與風機連接，另一端封閉，并與滾筒內部負壓填充區(qū)相連通。空心軸上下開孔插入可調節(jié)的螺桿結構，受到彈簧的壓力作用使得絕壓輥與滾筒內壁緊密接觸，從而起到隔絕負壓的作用。排種器在工作狀態(tài)下，滾筒會圍繞空心軸進行逆時針運動，在風機的作用下，此時的種子受到自身重力、吸孔負壓吸力的作用充入型孔當中，并隨滾筒轉動。當種子轉動到絕壓輥下方時，種子失去負壓吸力，依靠自身重力落入種床帶上，完成種子的精密排種。

1.1 滾筒直徑

目前國內外氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑多為140～260 mm，大直徑滾筒可以增加吸種孔的數(shù)量從而降低滾筒轉速，增加合格率，但是相應也增大了負壓腔的空間，需要風機提供的空氣流量也相應增加，能耗必然增加，也易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象;綜合考慮滾筒直徑選取200mm，材料選取厚度為1 mm的不銹鋼鐵皮。

1.2 吸種孔位置尺寸

設計滾筒上吸種孔周向孔數(shù)時，既要考慮到增加吸種孔數(shù)量有利于充種，又要考慮到兩孔之間的弧長Δl不小于兩粒種子的最大尺寸。

通過測量500粒種子得出所用玉米種子平均長度9.3mm、寬度6.8mm、厚度4.6mm，其中最大尺寸不超過12.2mm，綜上兩點考慮以及加工方便，選取滾筒周向吸種孔的數(shù)量為8個。

吸種孔直徑k(mm)參照經(jīng)驗公式［20］

式中 D——滾筒直徑，mm

通過大量測量得出種子平均直徑為8.32 mm，形狀近似球體，由式(2)中可以得到吸種孔直徑范圍，即4.99～5.82mm。為了便于實際加工，選擇吸種孔直徑為5.5mm。

1.3 投種裝置結構設計

投種裝置的主要部分是絕壓輥。絕壓輥隨著滾筒的轉動而轉動，絕壓輥與滾筒內壁的摩擦形式由傳統(tǒng)的滑動摩擦改為滾動摩擦［21］，大大降低了因摩擦而損失的能耗，延長了機構的使用壽命。同時，為了更好地保證絕壓輥與滾筒內壁的緊密接觸，在絕壓輥周圍套上一層壁厚為2 mm的橡膠套，以橡膠套的微量形變使其與滾筒內壁的接觸力加大，同時為了保證摩擦輥與滾筒內壁的過盈配合，除了在絕壓輥外部套上橡膠套之外，還在其兩側焊接上彈簧調節(jié)機構，既保證滾筒與中心軸之間的固定，又避免了長時間的摩擦使之與滾筒內壁接觸不緊密。兩端螺母則起到了調節(jié)距離的作用，如圖2所示。

圖2 摩擦輥與彈簧調節(jié)機構Fig．2 Friction roller and spring adjustmentmechanism

2 仿真模型建立

2.1 接觸模型

離散元法描述的是顆粒之間碰撞的過程，也就是接觸的產(chǎn)生和發(fā)生作用的過程。離散元中根據(jù)接觸方式的不同可分為硬顆粒接觸和軟顆粒接觸，軟顆粒接觸方式允許顆粒之間接觸點間出現(xiàn)重疊部分，并根據(jù)接觸顆粒的物理屬性和法向重疊量、切向位移計算出接觸力，而顆粒間內摩擦力即切向力與法向力有著密切的聯(lián)系，因此本文采用軟顆粒接觸模型?？紤]到種子表面無粘附力，故本文選取Hertz-Mindlin無滑移接觸模型［22－25］。

2.2 接觸力計算

法向力Fnij是彈簧和法向阻尼器作用在顆粒i上的彈性力和阻尼力的合力，同時顆粒i發(fā)生滑移，通過推導發(fā)現(xiàn)切向力Ftij與法向力Fnij關系為［26－28］

式中 μs——靜摩擦因數(shù)

vct——接觸點的滑移速度，m/s

從式中可知，種子間切向力即為內摩擦力，而內摩擦力是阻礙種子間相對運動或者有相對運動趨勢的主要因素［29］。從式(3)中可以看出，影響內摩擦力的因素有靜摩擦因數(shù)和法向力，而靜摩擦因數(shù)又由種子本身物理屬性決定，因此采用法向力Fnij來衡量種子之間的內摩擦力［30－31］。

2.3 顆粒模型

采用鄭單958玉米種子進行仿真試驗，由文獻［32－33］得到種子的幾何尺寸與力學特征參數(shù)，如表1所示。

表1 種子特征參數(shù)Tab．1 Seeds characteristic parameters

對鄭單958種子進行建模，將1 000粒種子分為大扁、小扁、大圓、小圓4類，依次按其長、寬、高尺寸的正態(tài)分布均值進行三維模型建立，并在EDEM軟件中通過多球面組合的填充方式，完成一個與種子模型外輪廓較為吻合的表面組作為一個顆粒，模擬顆粒如圖3所示［34］，仿真過程中隨機生成4種形狀的種子。

圖3 種子仿真結果Fig．3 Simulation results of seed

2.4 排種器供種過程仿真

種子由種箱模型內部的顆粒工廠生成，生成的種子在自身重力的作用下分布在種箱底部。在對種箱添加激振作用下，種箱內的種群出現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)，種間出現(xiàn)了相對的運動與碰撞。

為了研究氣吸滾筒式排種器充種性能，本文對種層高度、振動頻率和振動角度進行考察。通過EDEM模擬不同種層高度條件下，充種區(qū)弧長對充種效果的影響。通過EDEM模擬振動頻率條件下，種間法向力的變化對供種效果的影響。通過EDEM模擬不同振動角度條件下，供種高度對充種效果的影響。

3 仿真結果分析

3.1 種層高度

根據(jù)試驗實際情況，模擬種箱內種層高度分別為50、100、150mm。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，隨著種層高度的提升，排種器漏充情況明顯減少。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的主要原因是由于提升種層高度，充種區(qū)弧長增長，使得滾筒在相同轉速的情況下，充種時間增長，一定程度上降低了排種器的漏充率。建立各因素對于充種影響的方程組

式中 t——滾筒轉過充種區(qū)的時間，s

lc——充種區(qū)弧長，m

s——滾筒線速度，m/s

d——滾筒直徑，m

n——滾筒轉速，r/min

δ——充種區(qū)弧度，rad

由式(4)整理得出

式(5)表明，滾筒轉過充種區(qū)的時間t僅與滾筒轉速和充種區(qū)弧度有關，驗證了上述的分析。

通過模擬3種不同種層高度，得出排種器漏充率變化規(guī)律如圖4所示，由圖可知，隨著種層高度增大，漏充率下降。

圖4 種層高度與漏充率關系曲線Fig．4 Relationship curve of height of seeds layer and miss rate of seed-filling

3.2 振動頻率

圖5 不同振動頻率下平均法向應力隨時間的變化曲線Fig．5 Changing curves of average normal stresswith time under different vibration frequencies

根據(jù)試驗實際情況，選取振幅為1 mm，種層高度為100mm，振動角度與水平夾角為45°時，模擬種箱振動頻率分別為65、85、105 Hz，獲取隨時間變化種子的平均法向應力，如圖5所示。從圖中可以看出，種子平均法向應力隨著時間的推移出現(xiàn)無規(guī)律波動，并隨著振頻的提高，波動幅度增大且落差也隨著增大。為了定量描述這種波動，引入方差公式

式中 D——方差，Pa2

N——輸出數(shù)據(jù)總數(shù)，N=100

μ——種子平均法向應力總和，Pa

fni——i時刻每個種子受到的平均法向應力，Pa

方差較大的其波動離散程度大，也就是對種子的擾動性較大。通過計算得出振動頻率為65 Hz時，方差為39.65 Pa2。振動頻率為85Hz時，方差為58.62 Pa2。振動頻率為105Hz時，方差為61.77 Pa2。因此提高振動頻率可以一定程度提高種群擾動性，利于充種［33］。

通過模擬3種不同振動頻率，得出排種器漏充率變化規(guī)律如圖6所示，從圖中可見，隨振動頻率的提高，種群擾動性增強，漏充率下降。

圖6 振動頻率與漏充率關系曲線Fig．6 Relationship curve of vibration frequency and miss rate of seed-filling

3.3 振動角度

根據(jù)試驗實際情況，選取振幅為1 mm，種層高度為100 mm，振頻為105 Hz，模擬種箱振動角度θ分別為30°、45°、60°，如圖7所示，獲取不同振動角度情況下種箱供種高度。

圖7 振動角度示意圖Fig．7 Sketch of vertical oscillation angle

通過模擬發(fā)現(xiàn)，在振動角度為30°、45°時供種高度均有提升，而在振動角度為60°時，種子出現(xiàn)了后移的現(xiàn)象，使得供種高度出現(xiàn)了下降的情況。通過測量得出振動角度為30°、45°、60°，對應供種高度為105、112、90mm。振動角度的不同影響種子水平和豎直方向的位移。振動角度為30°，其水平向前振動位移較大，但豎直方向位移量較小，制約其進一步提高供種高度;振動角度為60°，其豎直方向振動位移較大，但水平向前位移較小，導致種子后移，使得供種高度不但沒有提高反而下降。振動角度為45°，既有足夠的水平向前位移又有足夠的豎直位移，使其供種高度在三者中最佳。因此比較合適的振動角度有利于提高供種高度從而提高充種性能，但是從模擬結果來看，相互之間的差距不大。

通過模擬3種不同振動角度，得出排種器漏充率變化規(guī)律如圖8所示，從圖中可見，隨著振動角度增加，即對應供種高度先增大后減小，漏充率先下降后上升，同樣可以說明適當?shù)恼駝咏嵌瓤梢蕴岣吖┓N高度的同時降低漏充率。

圖8 振動角度與漏充率關系曲線Fig．8 Relationship curve of vertical oscillation angle and miss rate of seed-filling

4 試驗

4.1 試驗條件

試驗在JPS-12型計算機視覺排種器性能檢測試驗臺上進行，所用排種器為自行設計的氣吸滾筒式排種器，激振源為FP-12型氣動活塞振動器，振頻檢測設備采用VC63B型測振儀，如圖9所示。

圖9 試驗裝置圖Fig．9 Picture of test unit

試驗參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，連續(xù)檢測200粒種子，選取合格率、漏播率、重播率為指標。每次試驗重復5次取平均值。試驗過程中設定播種機前進速度為3 km/h，給定株距為300mm，其他條件不變。根據(jù)

式中 vm——播種機前進速度，km/h

S——株距，mm

Z——周向吸孔數(shù)，Z=8

計算出相應播種機前進速度為3 km/h時，滾筒轉速np為20.8 r/min。

4.2 二次旋轉正交組合試驗

通過前期大量的單因素試驗確定了種層高度的取值范圍在50～150mm，振動頻率取值范圍在65～145 Hz，振動角度范圍在0°～90°。為了找到這3個因素的最佳參數(shù)，使得此排種器排種性能最佳，本文選擇了試驗次數(shù)少，計算方便，可以避免回歸系數(shù)間相關性的二次旋轉正交組合試驗方法，試驗因素編碼如表2所示。再根據(jù)三因素二次旋轉正交組合試驗表進行試驗，每組試驗重復3次取平均值。試驗方案與試驗結果見表3。

表2 試驗因素編碼Tab．2 Factors and levels of test

表3 試驗設計方案與結果Tab．3 Experim ent design and results

4.3 回歸數(shù)學模型的建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，對試驗結果進行回歸分析，可以得到合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3的回歸方程。

(1)合格率Y1

通過試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到各因素對排種合格率Y1影響的回歸模型

回歸方程的顯著性檢驗如表4所示。

根據(jù)表4可知，這個模型的擬合度是極顯著的(P＜0.01)。但種層高度和振動頻率交互項(X1X2)的P值、種層高度和振動角度交互項(X1X3)的P值以及振動頻率和振動角度交互項(X2X3)的P值均大于0.1，說明種層高度和振動頻率的交互項、種層高度和振動角度的交互項以及振動頻率和振動角度的交互項對排種合格率的影響不顯著，其他各項的F檢驗均極顯著或顯著，說明相關試驗因素對響應值的影響存在二次關系。對于失擬項P=0.413，不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型

通過對式(9)回歸系數(shù)的檢驗得出，影響排種合格率的因素由大到小為種層高度、振動頻率和振動角度。

(2)漏播率Y2

通過試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到各因素對漏播率Y2影響的回歸模型

根據(jù)表4可知，這個模型的擬合度是極顯著的(P＜0.01)。但種層高度和振動角度交互項(X1X3)的P值大于0.1，說明種層高度和振動角度的交互項對漏播率的影響不顯著，其他各項的F檢驗均極顯著或顯著，說明相關試驗因素對響應值的影響存在二次關系。對于失擬項P=0.110 1，不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

表4 回歸方程方差分析Tab．4 Variance analysis of regression equation

通過對式(11)回歸系數(shù)的檢驗得出，影響漏播率的因素由大到小為種層高度、振動頻率和振動角度。

(3)重播率Y3

通過試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到各因素對重播率Y3影響的回歸模型

通過對式(13)回歸系數(shù)的檢驗得出，影響重播率的因素由大到小為振動頻率、種層高度和振動角度。

4.4 最佳參數(shù)組合

設定合格率大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%，振動角度為45°，最佳參數(shù)范圍如圖10所示。

圖10 參數(shù)分析圖Fig．10 Diagram of parameters analysis

由圖10可知，在振動角度為45°時，種層高度與振動頻率都處于最佳值的區(qū)域圖，其中灰色區(qū)域為最佳組合區(qū)域，即振動頻率在116～122 Hz，種層高度在96～117mm時，可獲得合格率大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%。

對理論結果進行試驗驗證。在相同的試驗條件下選取振動角度為45°，振動頻率為120 Hz，種層高度為100mm進行3次重復驗證試驗，得到排種器合格率平均值為92.36%，且均大于90%。漏播率平均值為3.52%，且均小于5%。重播率平均值為4.21%，且均小于5%，試驗結果與最佳組合區(qū)域結果基本相符。

5 結論

(1)為探尋種層高度、種群擾動和供種高度對排種器充種性能的影響，采用離散元分析方法，利用EDEM軟件，分別對種層高度、振動頻率以及振動角度進行數(shù)值模擬，得出增長充種區(qū)弧長、增大種群擾動強度和提高供種高度可以有效提高排種器充種性能。

(2)采用三因素五水平二次正交旋轉組合試驗方法進行試驗，并對試驗結果進行方差分析，得出影響排種合格率的因素主次順序為種層高度、振動頻率和振動角度。

(3)利用Design-Expert8.0.6進行數(shù)據(jù)處理，以排種合格率、漏播率、重播率為評價指標，得出在振動角度為45°，振動頻率在116～122 Hz，種層高度在96～117mm時，合格率可大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%，經(jīng)試驗驗證，與分析結果基本一致。

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Simulation and Experimental Optim ization on Filling Seeds Performance of Seed Metering Device w ith Roller of Air-suction

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

In order to improve the filling performance of seed metering device with roller of air-suction，the numerical simulation on the height of seeds layer，the vibration frequency and the angle of vibration were carried outwith method of discrete element analysis．The results showed that the arc length in the area of filling seeds and the time of filling seeds can be increased through increasing the height of seeds layer．The leakage rate can also be reduced under the same conditions;themean value of normal stress was increased with the increase of vibration frequency，whichmeant that the disturbance to the seeds can be enhanced;the proper vibration angle can increase the height of filling seeds effectively．The filling performance of the seeds metering device can be improved effectively by reducing the internal friction force，enhancing the disturbance of the populations and increasing the heightof filling seeds．Maize seeds (Zhengdan 958)were taken as research materials in order to determine the optimal combination of parameters．The seeding performance of metering device was studied through the quadratic rotationorthogonal combination experiment．The height of seeds layer，the vibration frequency and the vibration anglewere taken asmain factors．The qualified rate，leak seeding rate and the re-seeding ratewere taken as indexes．Themathematicalmodel between three factors and the indexeswas built．The effect of each factor on the qualified rate was analyzed and optimized parameters were tested．The effect of factors on the qualified seeding rate in primary sequence was the negative pressure，forward speed and angle of seeds suction．The optimal parameters were obtained．The qualified rate was above 90%，the leak seeding ratewas lower than 5%and the re-seeding ratewas also lower than 5%，when the vibration angle was 45°，the vibration frequency was 116～122 Hz and the height of seeds layer was 96～117mm．The results of the verified experimentwere consistentwith optimal results．Conclusions can be drawn that the seed metering device with roller of air-suction had good adaptability to maize seeds．References for thedesign of themaize seedsmetering device with roller of air-suction can be provided．

maize;roller seeder of air-suction;filling seeds performance;numerical simulation; orthogonal experiment

S223.2+5

A

1000-1298(2017)07-0078-09

2017-01-20

2017-05-02

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04-03)

張昆(1978—)，男，助理研究員，博士生，主要從事墾區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機械化研究，E-mail:zhangkun0814@163．com

衣淑娟(1965—)，女，教授，博士生導師，主要從事寒區(qū)大規(guī)模水稻生產(chǎn)全程機械化研究，E-mail:yishujuan_2005@126．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．010