王 磊 舒彩霞 席日晶 廖慶喜 劉嘉誠(chéng) 廖宜濤

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

氣送式排種技術(shù)采用“機(jī)械定量供種+高速氣流輸種+隨機(jī)分配成行+氣流輔助導(dǎo)種”方式排種[1-2]，具有播種行數(shù)多、對(duì)種子外形尺寸要求低、作業(yè)速度高等特點(diǎn)，是精量排種技術(shù)的重要發(fā)展方向，在國(guó)內(nèi)外已得到廣泛的研究與應(yīng)用[3-5]。供種裝置作為氣送式集排器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供種的關(guān)鍵部件，為排種過(guò)程提供連續(xù)穩(wěn)定的種子流，其充種性能對(duì)供種速率穩(wěn)定性和種子破損率具有顯著影響[6-7]。氣送式集排器排種小麥時(shí)，由于小麥種子表面有凹陷、球形度低、流動(dòng)性差，充種環(huán)節(jié)種子難以穩(wěn)定充入齒槽孔，且充入齒槽孔的種子受供種裝置內(nèi)種群作用影響，易從齒槽孔內(nèi)掉落，導(dǎo)致齒槽孔漏充，降低了氣送式集排器總排量穩(wěn)定性。

為提高充種過(guò)程種子流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)種子從種群內(nèi)有效分離，雷小龍等[8]設(shè)計(jì)了安裝于供種裝置內(nèi)的攪種機(jī)構(gòu)，利用EDEM仿真確定了錐柱狀齒槽孔與雙螺旋排列方式的圓柱形攪種齒組合，可顯著提高充種性能；邢赫等[9]在水稻氣力式精量穴播排種器與種箱間設(shè)計(jì)了分層充種室，通過(guò)減少排種器中水稻種子之間的擠壓力和摩擦力，改善種子的流動(dòng)性；叢錦玲等[10]通過(guò)排種盤內(nèi)表面嵌入導(dǎo)種條方式，提高油麥兼用型氣力式精量排種器充種室內(nèi)種子流動(dòng)性，增加型孔內(nèi)小麥種子充填率；史嵩等[11]設(shè)計(jì)了具有導(dǎo)種槽結(jié)構(gòu)的氣吸式精量排種器排種盤，利用CFD-DEM耦合仿真確定了導(dǎo)種槽曲線方程的基圓半徑最優(yōu)值，以提高玉米高速排種時(shí)充種性能；劉彩玲等[12]設(shè)計(jì)了安裝于型孔輪式排種器內(nèi)的振動(dòng)定向供種機(jī)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整振動(dòng)的方向、頻率、振幅，提高非圓形種子的流動(dòng)性和供種性能；HAN等[13]利用CFD-DEM耦合仿真分析了氣吸式精量排種器型孔結(jié)構(gòu)對(duì)玉米種子充種性能的影響，確定了型孔的寬度和平均弧長(zhǎng)的較優(yōu)組合；YATSKUL等[14]分析了法國(guó)Kuhn公司生產(chǎn)的氣送式播種機(jī)供種裝置的攪種機(jī)構(gòu)對(duì)供種穩(wěn)定性的影響。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)優(yōu)化齒槽孔和型孔及充種室結(jié)構(gòu)、添加擾種裝置和攪種機(jī)構(gòu)、增加激振裝置等方式增加種群擾動(dòng)和離散度。針對(duì)氣送式集排器的供種裝置，主要采用攪種機(jī)構(gòu)與圓柱狀槽齒輪配合方式提高種子流動(dòng)性，存在增加排種環(huán)節(jié)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、易傷種等不足，而通過(guò)改變槽齒輪截面形狀改善種子流動(dòng)性的研究較少。

針對(duì)小麥氣送式集排器供種裝置充種環(huán)節(jié)種子流動(dòng)性差，導(dǎo)致充種和供種不穩(wěn)定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種具有等寬多邊形槽齒輪的供種裝置，確定等寬多邊形槽齒輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用EDEM仿真對(duì)比分析等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形槽齒輪對(duì)種群擾動(dòng)能力、充種及供種性能的影響，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證較優(yōu)等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的供種性能，以期為小麥氣送式集排器供種裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣送式集排系統(tǒng)主要由風(fēng)機(jī)、供料裝置、供種裝置、分配器、輸送管道、導(dǎo)種管、開(kāi)溝器、調(diào)速電機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣送式集排系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of air-assisted centralized metering system1.風(fēng)機(jī) 2.供料裝置 3.供種裝置 4.分配器 5.輸送管道 6.導(dǎo)種管 7.開(kāi)溝器 8.調(diào)速電機(jī)

供種裝置主要由種箱、種層調(diào)節(jié)板、卸種插板、供種裝置殼體、供種軸、空白輪、等寬多邊形槽齒輪、中間隔板等組成。其中等寬多邊形槽齒輪、中間隔板、空白輪、供種軸組成供種機(jī)構(gòu)，供種機(jī)構(gòu)上24個(gè)等寬多邊形槽齒輪交錯(cuò)排布；等寬多邊形槽齒輪作為供種裝置實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定充種和供種的關(guān)鍵部件，可增加小麥種群擾動(dòng)，提高種子流動(dòng)性，其主要由間隔齒、擾種齒、齒槽孔、槽齒輪輪體組成，槽齒輪輪體外輪廓由數(shù)段等長(zhǎng)圓弧組成，圓弧之間由擾種齒間隔。供種裝置、供種機(jī)構(gòu)及等寬多邊形槽齒輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 供種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagrams of seed feeding device1.種箱 2.種層調(diào)節(jié)板 3.卸種插板 4.供種裝置殼體 5.供種軸 6.空白輪 7.等寬多邊形槽齒輪 8.中間隔板 9.間隔齒 10.擾種齒 11.齒槽孔 12.槽齒輪輪體

1.2 工作原理

供種裝置工作時(shí)，小麥種群依靠自身重力從種箱落入供種裝置的充種室內(nèi)，動(dòng)力經(jīng)供種軸帶動(dòng)等寬多邊形槽齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，種子在自身重力、種群壓力、等寬多邊形槽齒輪擾動(dòng)力等復(fù)合力作用下充入齒槽孔，等寬多邊形槽齒輪對(duì)種群的周期性擾動(dòng)增加了種子的流動(dòng)性和離散度，實(shí)現(xiàn)囊入齒槽孔種子隨等寬多邊形槽齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中平穩(wěn)從種群中分離，完成充種環(huán)節(jié)；充入齒槽孔內(nèi)的種子隨等寬多邊形槽齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，完成攜種環(huán)節(jié)；種子在自身重力和離心力作用下脫離齒槽孔，形成穩(wěn)定種子流，完成供種環(huán)節(jié)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 等寬多邊形槽齒輪輪體

常規(guī)槽齒輪輪體外形輪廓為圓形，其外形規(guī)則、無(wú)外形突變，難以通過(guò)槽齒輪外形輪廓突變對(duì)充種室內(nèi)種群產(chǎn)生持續(xù)擾動(dòng)，在提高充種室內(nèi)小麥種群流動(dòng)性方面存在不足，需配合攪種機(jī)構(gòu)改善充種性能。等寬多邊形是一類具有等寬特性的封閉平面凸曲線，在任何方向上都有相同的寬度，等寬多邊形可以在兩平行線間自由轉(zhuǎn)動(dòng)且始終與直線保持直接接觸[15-16]，由等寬多邊形組成的槽齒輪輪體外形輪廓可改變充種室內(nèi)空間，實(shí)現(xiàn)充種室內(nèi)種群的周期性持續(xù)擾動(dòng)。

等寬多邊形定義[17]為，設(shè)Γ為凸封閉曲線，如圖3所示，自原點(diǎn)O引射線OE，OE與x軸正方向夾角為θ，作垂直于OE且與Γ相交任一直線L1(S1,θ)，記集S1的上確界為S，若Γ沿θ方向的寬滿足

圖3 等寬多邊形形成原理圖Fig.3 Schematic of forming constant width polygon

V(θ)=p(θ)+p(θ+π)>0

(1)

S=sup{S1:L1(S1,θ)∩?！?}

(2)

式中p(θ) ——Γ沿θ方向的支撐函數(shù)

p(θ+π) ——Γ沿θ+π方向的支撐函數(shù)

由圖3可知，等寬多邊形?？梢暈橛芍本€族{L1}、{L2}的包絡(luò)線Γ1、Γ2構(gòu)成的封閉曲線，直線族{L1}、{L2}的表達(dá)式為

xcosθ+ysinθ-p(θ)=0

(3)

xcosθ+ysinθ+D-p(θ)=0

(4)

構(gòu)成Γ的包絡(luò)線Γ1曲線方程為

(5)

其中

p′=dp/dθ

Γ2曲線方程為

(6)

式中D——封閉曲線Γ在θ方向的寬度

實(shí)際在繪制等寬多邊形時(shí)，繪制內(nèi)接于直徑為R圓的正2n+1邊形的邊A1、A2、…、A2n+1，分別以邊A1、A2、…、A2n+1的2n+1個(gè)交點(diǎn)O1、O2、…、O2n+1為圓心，A1到An+1的距離為半徑繪制2n+1個(gè)等寬多邊形的拼接圓，2n+1個(gè)等寬多邊形的拼接圓的公共部分，就是2n+1條邊的等寬多邊形，等寬多邊形的2n+1條邊為半徑相同的圓弧連接而成，等寬多邊形的相鄰兩條邊連接處存在外形突變，作為等寬多邊形槽齒輪輪體時(shí)，增加了充種室內(nèi)種群的擾動(dòng)。根據(jù)等寬多邊形的定義和繪制原理可知，為實(shí)現(xiàn)等寬多邊形在任何方向上都有相同的寬度，等寬多邊形的邊數(shù)應(yīng)為奇數(shù)[18]，邊數(shù)最少的等寬多邊形為等寬三邊形，同一寬度的等寬多邊形，面積最小的為等寬三邊形，面積最大的為圓形，則等寬三邊形槽齒輪輪體對(duì)充種室內(nèi)種群空間影響最大。以等寬五邊形為例，其繪制過(guò)程如圖4所示。

圖4 等寬五邊形繪制示意圖Fig.4 Schematic of drawing constant width pentagon1.正五邊形外接圓 2.等寬五邊形 3.正五邊形 4.等寬五邊形的拼接圓

根據(jù)等寬多邊形的結(jié)構(gòu)特性，應(yīng)用等寬多邊形的槽齒輪輪體可有效增加種群擾動(dòng)，改善種子流動(dòng)性。隨著等寬多邊形邊數(shù)的增加，等寬多邊形相鄰兩條邊連接處的外形突變對(duì)種群的擾動(dòng)能力減弱，但邊數(shù)的增加縮短了擾動(dòng)周期。為滿足供種裝置對(duì)小麥種子充種性能的要求，并分析擾動(dòng)能力和擾動(dòng)周期對(duì)充種及供種性能的影響，設(shè)計(jì)等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體。等寬多邊形槽齒輪輪體的正多邊形外接圓直徑影響種子與齒槽孔接觸時(shí)間，正多邊形外接圓直徑偏小時(shí)，為滿足供種量要求，需增加等寬多邊形槽齒輪轉(zhuǎn)速，齒槽孔與種子接觸時(shí)間縮短，不利于種子充填入齒槽孔；正多邊形外接圓直徑過(guò)大時(shí)，增加供種裝置整體尺寸，影響氣送式集排器整體布局，結(jié)合課題組前期研制的供種裝置總體結(jié)構(gòu)和小麥排種器槽輪直徑范圍，確定等寬多邊形槽齒輪輪體的正多邊形外接圓直徑為80 mm。根據(jù)等寬多邊形的繪制方式，繪制等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體截面，如圖5所示。

圖5 等寬多邊形槽齒輪輪體截面示意圖Fig.5 Schematics of constant width polygon groove-tooth wheel body section

2.2 齒槽孔

小麥種子外形近橢球形，在種子長(zhǎng)半軸方向存在凹陷，種子間摩擦力較大、種群流動(dòng)性差不利于穩(wěn)定充種。為提高充種及供種性能，基于拋物線形成齒槽孔截面曲線。

小麥種子充入齒槽孔的概率與小麥種子在充種室內(nèi)的姿態(tài)相關(guān)，根據(jù)小麥種子的幾何尺寸，型孔中小麥種子的姿態(tài)主要有“平躺”、“側(cè)臥”、“豎立”3種姿態(tài)。種子充入齒槽孔不同姿態(tài)的概率與該姿態(tài)的水平截面積呈正相關(guān)，根據(jù)文獻(xiàn)[19]可知，小麥種子以“平躺”、“側(cè)臥”、“豎立”3種姿態(tài)充入型孔的概率分別為42.98%、38.25%、18.77%，則小麥種子充入齒槽孔時(shí)種子姿態(tài)以“平躺”和“側(cè)臥”為主。

型孔長(zhǎng)度、寬度、高度是影響充種性能的關(guān)鍵參數(shù)，為保證小麥種子能以平躺姿態(tài)充入齒槽孔，型孔長(zhǎng)度應(yīng)大于種子最大長(zhǎng)度，同時(shí)為保證充種精度，考慮一粒種子以平躺、一粒種子以側(cè)臥姿態(tài)充種時(shí)的極限尺寸，齒槽孔長(zhǎng)度應(yīng)小于種子最大長(zhǎng)度與最大寬度之和；齒槽孔寬度應(yīng)大于種子最大寬度，同時(shí)為避免齒槽孔寬度方向上兩粒種子同時(shí)以平躺姿態(tài)充種，齒槽孔最大寬度應(yīng)小于兩粒種子最小寬度之和；齒槽孔深度應(yīng)大于種子最大寬度，且在第2粒種子以平躺姿態(tài)充種時(shí)，種子重心在齒槽孔外，故齒槽孔深度應(yīng)小于1.5倍種子最大寬度。根據(jù)齒槽孔尺寸與種子充入姿態(tài)的關(guān)系可知

(7)

式中bmax——小麥種子最大長(zhǎng)度，mm

cmax——小麥種子最大寬度，mm

cmin——小麥種子最小寬度，mm

l——齒槽孔長(zhǎng)度，mm

w——齒槽孔寬度，mm

h——齒槽孔高度，mm

以鄭麥9023為研究對(duì)象，測(cè)得小麥種子最大長(zhǎng)度、最大寬度、最小寬度分別為6.5、3.5、3.0 mm，代入式(7)確定齒槽孔長(zhǎng)度范圍為6.5～10.0 mm、齒槽孔寬度范圍為3.5～6.0 mm、齒槽孔高度范圍為3.50～5.25 mm。

基于等寬多邊形槽齒輪輪體結(jié)構(gòu)特性，結(jié)合齒槽孔寬度和高度的取值范圍，確定齒槽孔截面拋物線曲線未偏轉(zhuǎn)時(shí)齒槽孔高度h為3.8 mm，以等寬五邊形槽齒輪輪體為例，采用拋物線曲線y=x2的齒槽孔結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 未偏轉(zhuǎn)拋物線齒槽孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structural diagram of non deflected parabolic foramina alveolaria

由圖6可知，等寬多邊形槽齒輪齒槽孔高度一定時(shí)，聯(lián)立拋物線齒槽孔方程和以O(shè)c為圓心的等寬多邊形的拼接圓方程可得

(8)

式中Rc——等寬多邊形的拼接圓半徑，mm

根據(jù)等寬多邊形的正多邊形外接圓、等寬多邊形的拼接圓與等寬多邊形的幾何關(guān)系，可得等寬多邊形的拼接圓半徑為

(9)

根據(jù)式(8)、(9)可確定等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪齒槽孔寬度w為3.89 mm。

為提高充種室內(nèi)種群離散度，在利用等寬多邊形槽齒輪輪體增加種群擾動(dòng)基礎(chǔ)上，通過(guò)齒槽孔截面拋物線偏轉(zhuǎn)進(jìn)一步提高充種室內(nèi)種群離散度，并保證種子在供種環(huán)節(jié)順利從齒槽孔中排出。齒槽孔截面拋物線偏轉(zhuǎn)過(guò)程中，以點(diǎn)Oe為圓心對(duì)齒槽孔截面拋物線整體偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)方向與等寬多邊形槽齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。受小麥種子自然休止角、齒槽孔結(jié)構(gòu)、齒槽孔數(shù)量及所在等寬多邊形邊長(zhǎng)限制，齒槽孔截面拋物線偏轉(zhuǎn)角過(guò)大時(shí)，齒槽孔無(wú)法成型，齒槽孔截面拋物線偏轉(zhuǎn)角偏小時(shí)，供種環(huán)節(jié)種子難以排出，一般齒槽孔截面拋物線偏轉(zhuǎn)角取值范圍為30°～50°[20]，綜合齒槽孔截面拋物線未偏轉(zhuǎn)時(shí)齒槽孔的寬度和高度參考尺寸，為保證小麥種子有效充種和供種，確定齒槽孔截面拋物線偏轉(zhuǎn)角θ為40°。

當(dāng)齒槽孔截面拋物線偏轉(zhuǎn)角為40°時(shí)，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪的齒槽孔高度均為4.88 mm，齒槽孔寬度分別為5.57、5.60、5.61、5.61 mm；圓形槽齒輪的齒槽孔高度為4.80 mm，齒槽孔寬度為5.36 mm。根據(jù)齒槽孔長(zhǎng)度取值范圍及等寬多邊形槽齒輪在供種裝置內(nèi)的排布，確定齒槽孔長(zhǎng)度為9 mm。

2.3 齒槽孔數(shù)量

單位時(shí)間內(nèi)供種裝置供種量應(yīng)與播種機(jī)工作時(shí)播量要求一致，建立供種裝置供種量與播量關(guān)系方程

(10)

式中Qs——播種機(jī)播量，粒/s

B——播種機(jī)作業(yè)幅寬，m

vm——播種機(jī)作業(yè)速度，m/s

a——平均粒距，m

b——行距，m

Qm——供種裝置供種量，粒/s

q——單個(gè)齒槽孔充入種子數(shù)量，粒

Z——單個(gè)槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)量

N——槽齒輪數(shù)量

na——槽齒輪轉(zhuǎn)速，r/min

播種機(jī)播量和供種裝置供種量相同時(shí)，由式(10)可得單個(gè)槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)量為

(11)

由式(11)可知，單個(gè)槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)與播種機(jī)作業(yè)幅寬、作業(yè)速度成正比，與平均粒距、行距、單個(gè)齒槽孔充入種子數(shù)量、槽齒輪數(shù)量、槽齒輪轉(zhuǎn)速成反比。綜合考慮長(zhǎng)江中下游地區(qū)小麥播種作業(yè)速度為4～8 km/h，播量為120～225 kg/hm2，播種機(jī)作業(yè)幅寬為2 m，一次播種8行，行距為200 mm，平均粒距為10 mm，單個(gè)齒槽孔充種粒數(shù)為2，單行對(duì)應(yīng)槽齒輪數(shù)量為3，槽齒輪總量為24，槽齒輪轉(zhuǎn)速為10～60 r/min，代入式(11)可得單個(gè)槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)量為19～57。

等寬多邊形的拼接圓半徑與等寬多邊形邊長(zhǎng)的幾何關(guān)系為

(12)

式中l(wèi)c——等寬多邊形的邊長(zhǎng)，mm

結(jié)合式(9)、(12)可得等寬多邊形的邊長(zhǎng)為

(13)

由式(13)可知，正多邊形外接圓半徑一定時(shí)，等寬多邊形的邊長(zhǎng)隨等寬多邊形邊數(shù)的增加而減小。正多邊形外接圓半徑為40 mm時(shí)，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體的邊長(zhǎng)分別為72.55、47.81、35、27.5 mm，結(jié)合齒槽孔寬度取值范圍，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體單邊可形成的齒槽孔數(shù)量分別應(yīng)不大于13、8、6、4。相鄰齒槽孔間有間隔齒時(shí)，為滿足齒槽孔強(qiáng)度，同時(shí)保持不同等寬多邊形槽齒輪輪體齒槽孔數(shù)量接近，確定等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體單邊齒槽孔數(shù)量分別為9、5、4、3，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪的徑向齒槽孔數(shù)量分別為27、25、28、27，槽齒輪交錯(cuò)排布。槽齒輪輪體為圓形時(shí)，確定齒槽孔數(shù)為30。

3 供種裝置充種性能仿真試驗(yàn)

為探究供種裝置的槽齒輪輪體結(jié)構(gòu)型式對(duì)充種及供種性能的影響，運(yùn)用EDEM軟件仿真分析等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形槽齒輪對(duì)充種環(huán)節(jié)小麥種群擾動(dòng)能力和充種性能的影響，并對(duì)比分析等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪對(duì)供種性能的影響。

3.1 模型建立

為提高仿真效率，將仿真模型簡(jiǎn)化，僅保留供種裝置殼體、種層調(diào)節(jié)板、等寬多邊形槽齒輪、供種軸等關(guān)鍵部件，將簡(jiǎn)化后的模型文件另存為.stp格式，導(dǎo)入EDEM 2018前處理模塊中，于充種室上方建立顆粒工廠，使種子自由下落至充種室內(nèi)。仿真模型如圖7所示。

圖7 仿真模型Fig.7 Simulation models

根據(jù)測(cè)定的小麥種子三軸尺寸分布，確定小麥種子仿真模型的三軸尺寸為6.40 mm×3.00 mm×3.00 mm，種子模型尺寸正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差設(shè)置為0.05 mm。種子與種子、種子與供種裝置殼體間采用Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型，等寬多邊形槽齒輪材料為ABS工程塑料，供種裝置殼體、種層調(diào)節(jié)板材料為鋁合金，仿真參數(shù)[21-22]如表1所示。

表1 仿真與接觸參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation and contact

3.2 仿真試驗(yàn)方法

設(shè)定總仿真時(shí)間為10 s，0～1 s為種子生成階段，在充種室上方生成小麥種子1.5×104粒，使種子自由下落至充種室中。第1秒供種軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)置供種軸轉(zhuǎn)速為20 r/min，仿真完成后應(yīng)用EDEM后處理模塊提取1～10 s仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗(yàn)重復(fù)3次。

為探究等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形的5種結(jié)構(gòu)型式槽齒輪對(duì)種群擾動(dòng)和充種性能的影響，在充種室內(nèi)接近槽齒輪表面處建立圓弧形選區(qū)，應(yīng)用EDEM后處理模塊提取1～10 s選區(qū)內(nèi)2 000粒小麥種子的種群平均動(dòng)能均值及每間隔0.1 s的種群平均動(dòng)能，用于衡量充種室內(nèi)種群運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；統(tǒng)計(jì)攜種環(huán)節(jié)齒槽孔內(nèi)種子數(shù)量，計(jì)算充種合格率((2±1)粒/孔)、漏充率(0粒/孔)及多充率(>3粒/孔)；后處理階段在等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的投種區(qū)建立長(zhǎng)方體檢測(cè)框，統(tǒng)計(jì)檢測(cè)框內(nèi)1～8 s累計(jì)種子數(shù)量。

3.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1槽齒輪結(jié)構(gòu)型式對(duì)種群擾動(dòng)能力的影響

較優(yōu)結(jié)構(gòu)槽齒輪對(duì)充種室內(nèi)種群擾動(dòng)能力強(qiáng)，可增加充種區(qū)內(nèi)種群離散度，使種子易于在重力、種群壓力、等寬多邊形槽齒輪擾動(dòng)力等復(fù)合作用力下充入齒槽孔，離散度較高的種群，其平均動(dòng)能較大，故選擇充種室內(nèi)種群平均動(dòng)能作為衡量不同結(jié)構(gòu)型式槽齒輪對(duì)種群擾動(dòng)能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)。以等寬五邊形槽齒輪為例，分別截取仿真過(guò)程中槽齒輪的擾種齒進(jìn)入充種室、位于充種室中部和離開(kāi)充種室3個(gè)階段的種群運(yùn)動(dòng)矢量圖，如圖8所示。

圖8 擾種齒進(jìn)入充種室不同階段種群運(yùn)動(dòng)矢量圖Fig.8 Motion vector graphs of seed population motion at different stages of disturbing seed teeth entering seed filling chamber

圖8a中，擾種齒進(jìn)入充種室后，位于槽齒輪表面區(qū)域的種子在擾種齒帶動(dòng)下隨供種軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)；圖8b中，擾種齒位于充種室中部時(shí)，由于擾種齒的強(qiáng)制帶動(dòng)和摩擦帶動(dòng)作用在充種室內(nèi)形成具有較高運(yùn)動(dòng)速度的擾動(dòng)區(qū)域；圖8c中，擾種齒離開(kāi)充種室時(shí)，由于擾種齒下方出現(xiàn)局部空缺，位于斜上方的種群產(chǎn)生向空缺區(qū)域流動(dòng)的趨勢(shì)，種群運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)與齒槽孔開(kāi)口方向一致，有利于種子充入齒槽孔。

圖9為不同結(jié)構(gòu)型式槽齒輪式供種裝置的充種室內(nèi)種群平均動(dòng)能分布，充種室內(nèi)紅色種子為強(qiáng)制帶動(dòng)層種子，綠色種子為摩擦帶動(dòng)層種子，藍(lán)色種子為靜止層種子。由圖9可知，充種室內(nèi)種群平均動(dòng)能從靠近槽齒輪表面向槽齒輪徑向方向遞減，與槽齒輪接觸的強(qiáng)制帶動(dòng)層在槽齒輪帶動(dòng)下產(chǎn)生沿槽齒輪線速度方向運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)制帶動(dòng)層帶動(dòng)與其相鄰的外層種群運(yùn)動(dòng)，其種群運(yùn)動(dòng)速度低于強(qiáng)制帶動(dòng)層，且沿槽齒輪徑向方向逐層遞減至靜止層；接近槽齒輪表面的強(qiáng)制帶動(dòng)層和摩擦帶動(dòng)層的厚度和種群平均動(dòng)能較大時(shí)，種群流動(dòng)性較好。圖9中，采用等寬多邊形槽齒輪的供種裝置充種室內(nèi)強(qiáng)制帶動(dòng)層和摩擦帶動(dòng)層的面積明顯大于圓形槽齒輪，充種室內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)制帶動(dòng)層和摩擦帶動(dòng)層面積從大到小依次為等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形，是由于等寬多邊形槽齒輪表面輪廓的相鄰兩條邊連接處形成的擾種齒存在突起，當(dāng)槽齒輪表面擾種齒進(jìn)入充種室時(shí)，位于充種室上方的種群在擾種齒強(qiáng)制帶動(dòng)下沿線速度切線方向向上運(yùn)動(dòng)，引起充種室容積產(chǎn)生周期性變化，且等寬多邊形槽齒輪邊數(shù)越少，相鄰兩條邊連接處的外形突變?cè)酱?，?duì)種群的擾動(dòng)能力越強(qiáng)；圓形槽齒輪表面輪廓無(wú)突起，摩擦帶動(dòng)能力較弱，僅能帶動(dòng)貼近槽齒輪表面種群運(yùn)動(dòng)。

圖9 不同結(jié)構(gòu)型式槽齒輪的種群動(dòng)能分布圖Fig.9 Diagrams of seed population kinetic energy distribution of groove-tooth wheel under different structural types

圖10為不同結(jié)構(gòu)型式等寬多邊形槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能隨時(shí)間的變化曲線。由圖10可知，種群平均動(dòng)能隨時(shí)間變化呈周期性波動(dòng)，且不同槽齒輪種群平均動(dòng)能之間存在較大差異；等寬三邊形槽齒輪與等寬五邊形槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能隨時(shí)間波動(dòng)幅度較大；等寬七邊形、等寬九邊形及圓形槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能隨時(shí)間波動(dòng)較小，但波動(dòng)次數(shù)較多，是由于隨等寬三邊形、等寬五邊形槽齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，供種裝置充種室容積周期性變化較大、種子流動(dòng)性較強(qiáng)，種群平均動(dòng)能較高；等寬七邊形、等寬九邊形及圓形槽齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，供種裝置充種室容積周期性變化較小、種子流動(dòng)性較弱，種群平均動(dòng)能較低，但等寬七邊形和等寬九邊形的外形突變擾種齒數(shù)量較多，波動(dòng)次數(shù)增加。

圖10 不同結(jié)構(gòu)型式等寬多邊形槽齒輪種群平均動(dòng)能隨時(shí)間的變化曲線Fig.10 Variation curves of seed population average kinetic energy of groove-tooth wheel under different structural types with time

表2為供種軸轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，槽齒輪擾動(dòng)的充種室中1～10 s內(nèi)種群平均動(dòng)能均值。由表2可知，等寬三邊形槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能均值及平均動(dòng)能均值的標(biāo)準(zhǔn)差最大，圓形槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能及平均動(dòng)能標(biāo)準(zhǔn)差最小。等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能均值比圓形槽齒輪分別高371.32%、209.23%、91.02%、53.37%。種群平均動(dòng)能均值越大，槽齒輪對(duì)種群擾動(dòng)能力越強(qiáng)，種群的流動(dòng)性越好，易于種子克服種群內(nèi)摩擦力充入齒槽孔。綜合圖8～10及表2可知，采用等寬多邊形槽齒輪可以有效打破種群穩(wěn)定狀態(tài)，提高槽齒輪附近區(qū)域種子流動(dòng)性。

結(jié)合圖10和表2可知，隨等寬多邊形槽齒輪邊數(shù)的增加，種群平均動(dòng)能均值逐漸增小，相鄰平均動(dòng)能峰值間隔時(shí)間縮短，擾動(dòng)種群的頻率增加，是由于等寬多邊形槽齒輪邊數(shù)越少，擾種齒兩側(cè)曲率突變?cè)酱?，充種室內(nèi)種群拖帶和回流越劇烈，但擾種齒數(shù)量增加有助于縮短相鄰擾種齒擾動(dòng)種群平均動(dòng)能峰值的間隔時(shí)間，有利于對(duì)種群的持續(xù)擾動(dòng)。

表2 不同結(jié)構(gòu)型式槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能均值Tab.2 Average kinetic energy mean value of seed population of different structural types groove-tooth wheel under disturbance J

3.3.2槽齒輪結(jié)構(gòu)型式對(duì)充種性能的影響

表3為不同結(jié)構(gòu)型式槽齒輪式供種裝置的充種性能。根據(jù)表3可知，齒槽孔結(jié)構(gòu)和供種軸轉(zhuǎn)速相同時(shí)，等寬七邊形、等寬五邊形、等寬九邊形、等寬三邊形、圓形槽齒輪的充種性能依次降低，等寬五邊形和等寬七邊形槽齒輪的充種合格率分別為92.70%和93.98%、漏充率分別為6.70%和2.78%，充種性能較優(yōu)。結(jié)合槽齒輪結(jié)構(gòu)型式對(duì)種群擾動(dòng)性能影響的分析可知，等寬三邊形槽齒輪具有較強(qiáng)的種群擾動(dòng)能力，但因外緣曲率較大，且對(duì)種群持續(xù)擾動(dòng)的間隔周期較長(zhǎng)，不利于種子穩(wěn)定填充進(jìn)入齒槽孔而造成漏充，且存在鏟種現(xiàn)象，槽齒輪表面存在多余種子，供種量存在脈動(dòng)性，不利于穩(wěn)定連續(xù)充種；等寬九邊形和圓形槽齒輪對(duì)種群擾動(dòng)較小，充種室內(nèi)種群處于穩(wěn)定堆積狀態(tài)，不利于種子從種群中脫離充入齒槽孔，漏充率較高；等寬五邊形與等寬七邊形槽齒輪，其種群擾動(dòng)能力優(yōu)于等寬九邊形和圓形槽齒輪，可對(duì)種群產(chǎn)生連續(xù)擾動(dòng)，且槽齒輪外輪廓曲率突變較小，對(duì)種群持續(xù)擾動(dòng)的間隔周期較短，利于種子充入齒槽孔，充種性能較優(yōu)。

表3 不同結(jié)構(gòu)型式槽齒輪充種性能Tab.3 Seed filling performance of groove-tooth wheel under different structural types %

3.3.3槽齒輪結(jié)構(gòu)型式對(duì)供種性能的影響

為比較充種性能較優(yōu)的等寬五邊形和等寬七邊形槽齒輪的供種連續(xù)性，統(tǒng)計(jì)等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪式供種裝置檢測(cè)框內(nèi)累計(jì)種子數(shù)量隨時(shí)間的變化曲線，如圖11所示。由圖11可知，等寬五邊形槽齒輪供種粒數(shù)隨時(shí)間呈階梯狀上升，表明等寬五邊形槽齒輪供種存在間隔，是由于充種環(huán)節(jié)等寬五邊形槽齒輪對(duì)種群持續(xù)擾動(dòng)的間隔周期較長(zhǎng)，且等寬五邊形槽齒輪相鄰兩邊連接處的擾種齒突起較大，導(dǎo)致供種不連續(xù)；等寬七邊形槽齒輪供種粒數(shù)與供種時(shí)間具有較高的線性度，供種時(shí)間與供種粒數(shù)曲線關(guān)系式為y=10.392x-27.838，決定系數(shù)為0.998 2，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供種。

圖11 供種量隨時(shí)間的變化曲線Fig.11 Variation curves of seed feeding quantity with time

綜合等寬多邊形槽齒輪對(duì)種群擾動(dòng)能力、充種性能及供種性能影響的分析可知，等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的供種和充種性能較優(yōu)。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備

為驗(yàn)證較優(yōu)等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的供種性能及供種裝置對(duì)氣送式集排器排種性能的影響，將安裝有3D打印等寬七邊形槽齒輪的供種裝置固定于自制的供種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上，采用調(diào)速器調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，步進(jìn)電機(jī)提供供種軸驅(qū)動(dòng)力；將安裝有等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的氣送式集排器安裝于排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上。試驗(yàn)裝置如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)裝置Fig.12 Experiment device1.供種裝置 2.步進(jìn)電機(jī) 3.調(diào)速器 4.收集網(wǎng)袋

4.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取小麥品種為鄭麥9023，千粒質(zhì)量為48.77 g，平均三軸尺寸為6.40 mm×3.00 mm×3.00 mm。試驗(yàn)過(guò)程中種箱內(nèi)裝入小麥種子8 kg，以減少種量變化對(duì)供種性能及排種性能的影響。為滿足小麥氣送式集排器排種時(shí)對(duì)供種裝置供種量的需求，設(shè)置供種軸轉(zhuǎn)速為10～60 r/min，供種軸安裝24個(gè)等寬七邊形槽齒輪，以供種裝置60 s內(nèi)供種質(zhì)量為供種速率，采用收集網(wǎng)袋收集供種裝置及氣送式集排器排出的小麥種子，試驗(yàn)重復(fù)5次，統(tǒng)計(jì)供種速率、供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)、供種時(shí)種子破損率、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、排種時(shí)種子破損率，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 供種及排種性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Test results of seed feeding and seeding performance

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表4可知，供種速率隨供種軸轉(zhuǎn)速在10～60 r/min內(nèi)增加而在612.34～3 725.85 g/min內(nèi)逐漸增大，供種軸轉(zhuǎn)速與供種速率的擬合方程為y=61.316x+47.6，R2=0.996 5，線性擬合度較好；供種軸轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)及總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)較高，是由于較低轉(zhuǎn)速下等寬七邊形槽齒輪對(duì)種群擾動(dòng)能力不足；供種軸轉(zhuǎn)速為20～60 r/min時(shí)，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于1.15%，供種時(shí)破損率不高于0.20%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于1.14%，排種時(shí)破損率不高于0.23%，表明等寬七邊形槽齒輪式供種裝置可滿足小麥氣送式集排器供種量的要求。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種具有等寬多邊形槽齒輪的供種裝置，確定了等寬多邊形槽齒輪的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析確定了等寬多邊形槽齒輪輪體的正多邊形外接圓直徑為80 mm，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪的徑向齒槽孔數(shù)量分別為27、25、28、27。

(2)運(yùn)用EDEM軟件仿真分析了等寬多邊形槽齒輪對(duì)小麥種群擾動(dòng)能力和充種性能的影響，并對(duì)比分析了等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪對(duì)供種性能的影響，結(jié)果表明：等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪擾動(dòng)時(shí)種群平均動(dòng)能均值比圓形槽齒輪分別高371.32%、209.23%、91.02%、53.37%；等寬七邊形槽齒輪充種合格率為93.98%、漏充率為2.78%，供種粒數(shù)與供種時(shí)間具有較高的線性度，充種和供種性能較優(yōu)。

(3)較優(yōu)等寬七邊形槽齒輪式供種裝置供種性能及對(duì)排種性能影響的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：供種速率隨供種軸轉(zhuǎn)速在10～60 r/min內(nèi)增加而在612.34～3 725.85 g/min內(nèi)逐漸增大；供種軸轉(zhuǎn)速為10～60 r/min時(shí)，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于2.14%，供種時(shí)破損率不高于0.20%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于2.15%，排種時(shí)破損率不高于0.23%，表明等寬七邊形槽齒輪式供種裝置可滿足小麥氣送式集排器供種量的要求。