王東偉 紀(jì)瑞琪 何曉寧 郭 鵬 時(shí)延鑫 張春曉

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 青島 266109; 2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院, 泰安 271018)

0 引言

高速精量播種[1]是指在農(nóng)藝要求的時(shí)間區(qū)間內(nèi),將種子按照精準(zhǔn)的粒距、行距、播深種植于田間,使種子在生長發(fā)育過程中具備較好的通風(fēng)透氣條件,以促進(jìn)光合作用,在提高作業(yè)效率的同時(shí),可顯著降低種子的浪費(fèi)及間苗情況,最終起到節(jié)本增產(chǎn)的效果[2-3]。排種器作為實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)的核心部件,播種質(zhì)量與其性能息息相關(guān),直接關(guān)系花生的整體產(chǎn)量[4]。

由于氣吸式排種器具備不傷種、省種、對(duì)種子尺寸要求較低、易于實(shí)現(xiàn)單粒精播和作業(yè)效率高等優(yōu)點(diǎn),在高速播種中應(yīng)用較為廣泛[5-9]。但總體而言,目前高速精量排種器研究的對(duì)象大都針對(duì)大豆、玉米等種子,對(duì)于花生等大顆粒種子的高速精量化排種研究尚未開展。在花生排種器的研究中,因其種粒尺寸不均、精量化播種要求高、種皮易破損等因素,大幅增加了研究難度。本文以提高花生排種器作業(yè)速度,增強(qiáng)充種性能,保證播種質(zhì)量為目的,將曲線型攪種凹槽與取種槽口的設(shè)計(jì)融入排種盤,結(jié)合理論分析、仿真手段、回歸分析等方法進(jìn)行研究,以期達(dá)到高效高質(zhì)低損的播種目的。

1 排種器總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的驅(qū)導(dǎo)組合槽輔助附種氣吸式花生高速精量排種器如圖1所示。主要由進(jìn)種口、排種器前殼體、柔性隔種擋板、上清種弧形毛刷、下清種環(huán)形毛刷、排種盤、長形真空吸盤、密封墊圈、負(fù)壓殼組件、排種器后殼體、進(jìn)氣口、柔性疏孔滾輪、轉(zhuǎn)軸、滾動(dòng)軸承、二次投種裝置等部件組成。上、下清種裝置采用柔性材質(zhì),分置于吸種型孔上下兩側(cè);排種器后殼體開有馬蹄形真空室,長形真空吸盤通過外螺紋空心管與吸種型孔配合連接,采用柔性橡膠材質(zhì)制成,以在提高吸附效果的前提下進(jìn)一步保護(hù)種子,減小損傷,從而保證播后發(fā)芽率。

圖1 氣吸式花生高速精量排種器爆炸圖

1.2 工作原理

如圖2所示,氣吸式排種器在工作過程中主要分為5個(gè)區(qū)域:充種區(qū)域Ⅰ、自清種區(qū)域Ⅱ、強(qiáng)制清種區(qū)域Ⅲ、攜種區(qū)域Ⅳ、投種區(qū)域Ⅴ。

圖2 排種盤區(qū)域劃分示意圖

排種器在進(jìn)行高速作業(yè)時(shí),風(fēng)機(jī)通過軟管與排種器進(jìn)氣口連接,工作負(fù)壓由進(jìn)氣口進(jìn)入真空室,驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)排種軸轉(zhuǎn)動(dòng),種子由充種口進(jìn)入充種區(qū)域Ⅰ,形成種群堆積,需調(diào)節(jié)進(jìn)種量時(shí),通過滑動(dòng)進(jìn)種口調(diào)節(jié)擋板進(jìn)行控制。排種盤在排種軸帶動(dòng)下同步轉(zhuǎn)動(dòng),種群在攪種凹槽擾動(dòng)下,沿凹槽曲線向取種槽口處流動(dòng),落入取種槽口后花生種子在負(fù)壓氣流作用下被吸附于吸種型孔上,隨排種盤一起順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)至自清種區(qū)域Ⅱ時(shí),未吸牢的花生種子在重力作用下,自行掉落至充種區(qū)域Ⅰ,仍未掉落的多余種子到達(dá)強(qiáng)制清種區(qū)域Ⅲ時(shí),在上清種弧形毛刷和下清種環(huán)形毛刷的雙級(jí)作用下清落[10],清落種子由柔性隔種板阻斷,以防止掉入投種區(qū),產(chǎn)生重播現(xiàn)象。當(dāng)種子隨排種盤旋轉(zhuǎn)至投種區(qū)域Ⅴ時(shí),隨著負(fù)壓氣流的阻斷,在自身重力及柔性疏孔滾輪的作用下經(jīng)排種口固定架落入二次投種裝置內(nèi)的同步帶類勺狀撥指中,落入的種子在撥指輸送腔的托持作用下隨同步帶向播種作業(yè)方向的反方向運(yùn)動(dòng)直至種子落入種床,最終完成高速精量排種作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與相關(guān)參數(shù)分析

2.1 排種盤總體結(jié)構(gòu)

排種盤作為排種作業(yè)過程中實(shí)現(xiàn)種群分離且將種子順利運(yùn)至投種區(qū)的重要部件[11],所設(shè)計(jì)排種盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。在排種盤上設(shè)計(jì)有攪種凹槽、取種槽口及吸種型孔,三者組合設(shè)計(jì)構(gòu)成組合槽,以加強(qiáng)充種過程中種子的流動(dòng)性,達(dá)到提高充種效果的目的,攪種凹槽截面為半弧狀半傾斜式設(shè)計(jì),以對(duì)不同運(yùn)動(dòng)形態(tài)下的花生種子實(shí)現(xiàn)有效驅(qū)導(dǎo)[12],取種槽口下端面略低于攪種凹槽進(jìn)行設(shè)計(jì),以利用其階梯狀錯(cuò)層在運(yùn)種過程中對(duì)花生種子起到支持作用,減小負(fù)壓需求,左端面傾斜設(shè)計(jì),從而利于種子的排出。

圖3 排種盤結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 花生種子受力分析

傳統(tǒng)排種器在進(jìn)行充種作業(yè)時(shí),種子會(huì)受到來自種群較大的摩擦力Fm,如圖4所示,排種盤攪種凹槽對(duì)進(jìn)入槽內(nèi)的種子產(chǎn)生推力Fc,驅(qū)導(dǎo)種子沿凹槽曲線向種盤外沿流動(dòng)。

圖4 攪種凹槽內(nèi)種子充種受力示意圖

種子在充種過程中,克服種群間摩擦力Fm,在自身重力G、吸種型孔吸附力Fr以及攪種凹槽對(duì)種子的推力Fc作用下沿?cái)嚪N凹槽曲線自排種盤內(nèi)側(cè)向外沿取種槽口方向流動(dòng),種子此時(shí)所受合力FT為

FT=Fr+Fm+Fc+G

(1)

由式(1)可知,花生種子充種過程中,排種盤攪種凹槽的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)種子驅(qū)導(dǎo),減小種群間摩擦力的作用,且其在此過程所受合力方向指向吸種型孔,對(duì)提高花生種子在吸種型孔方向上的吸附加速度,縮短充種時(shí)間,提高充種性能具有實(shí)質(zhì)效果,更能滿足高速播種需求。

種子進(jìn)入取種槽口后,在負(fù)壓作用下被吸附于長形真空吸盤上。相對(duì)于傳統(tǒng)排種器而言,排種盤攪種凹槽與取種槽口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),減小了花生種子與種群的接觸面積,可有效降低所受種群摩擦情況。其有效取種區(qū)域近似于理想取種區(qū)域,較傳統(tǒng)垂直圓盤式排種器,降低了種子滑落的幾率。此時(shí)種子受力情況包括種子自身重力G、旋轉(zhuǎn)慣性離心力J、吸種型孔吸附力Fr、吸種型孔處種子摩擦力f以及空氣阻力。由于充種區(qū)域內(nèi)花生種子較多,因此在此區(qū)域不易形成外部氣流,可忽略不計(jì)所受空氣阻力,花生種子經(jīng)長形真空吸盤吸附后受力情況如圖5所示。

圖5 取種槽口內(nèi)種子充種受力示意圖

為防止花生種子由長形真空吸盤滑落,種子所受摩擦力應(yīng)滿足[13]

f>T

(2)

其中

式中T——種子重力G及離心力J的合力,N

α——種子重力與離心力間的夾角,rad

m——單個(gè)花生種子質(zhì)量,kg

ω——排種盤角速度,rad/s

r——吸種型孔圓周半徑,mm

g——重力加速度,m/s2

μ——摩擦因數(shù)

d——吸種型孔直徑,mm

ρ——?dú)饬髅芏?kg/m3

式(2)表明當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度保持不變時(shí),種子的離心力J不會(huì)發(fā)生變化。同時(shí)重力G僅與物料本身有關(guān),其大小及方向不變。重力G與離心力J之間的夾角α隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生變化,從排種盤底端開始,合力T變化趨勢(shì)為:先減小后增大。且吸種型孔處摩擦力越大,種子越不易掉落。即在一定范圍內(nèi)適當(dāng)加大種子與吸種型孔間摩擦因數(shù),可有效達(dá)到提高吸附性能的效果。

本文中長形真空吸盤采用橡膠材質(zhì)制成,由文獻(xiàn)[14]得知橡膠材質(zhì)相較于鋼材、樹脂材質(zhì),與花生種子具有較大的摩擦因數(shù),表明本文所采用的長形真空吸盤可實(shí)現(xiàn)增加取種槽口內(nèi)種子摩擦力,達(dá)到提高充種性能的效果,同時(shí)其柔性材質(zhì)可起到減小種子損傷的作用。

攜種階段,花生種子隨排種盤轉(zhuǎn)至最頂端前,因攪種凹槽與取種槽口的錯(cuò)層式設(shè)計(jì),取種槽口右端面及后端面可起到對(duì)種子的托持作用,在此情況下僅需要較低的負(fù)壓即可保持種子不會(huì)脫落。當(dāng)種子轉(zhuǎn)過最高點(diǎn)后,取種槽口前端面開始呈向下傾斜趨勢(shì),取種槽口對(duì)種子的托持效果開始逐漸減小,直至消失,無法保持對(duì)種子的托持作用。

如圖6所示,此時(shí)花生種子僅靠吸種型孔處的吸力保持吸附狀態(tài),不考慮空氣阻力及長形真空吸盤摩擦力對(duì)種子的影響情況下,吸種型孔吸附力Fr為

圖6 攜種過程受力示意圖

(3)

式中l(wèi)——種子重心與排種盤之間的距離,mm

吸種型孔吸附力Fr與真空度Hc的關(guān)系為

(4)

式中S1——取種槽口處橫截面積,mm2

由式(3)、(4)可求得負(fù)壓室臨界真空度

(5)

將合力T關(guān)系式代入式(5)可得

(6)

傳統(tǒng)氣吸垂直圓盤式排種器,因在充種過程中受到來自種群的較大摩擦力Fm,在此階段對(duì)負(fù)壓需求最大,其臨界真空度H′ce為

(7)

式中δ——內(nèi)摩擦力與合力T之間的夾角

通過比較可發(fā)現(xiàn),本文所設(shè)計(jì)排種器明顯小于同類型傳統(tǒng)氣吸式排種器對(duì)負(fù)壓的需求。

投種階段,種子隨排種盤旋轉(zhuǎn)離開負(fù)壓真空室作用范圍,不再受到吸附力,僅受重力G及離心力J,排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)中產(chǎn)生的平面速度分解為水平速度vx、豎直速度vy[15-16],具體受力情況如圖7所示。

圖7 投種過程受力示意圖

在排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)平面以花生種子重心作為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系XOY,可求得花生種子運(yùn)動(dòng)軌跡[17]

(8)

其中

式中X——花生種子水平方向位移,mm

Y——花生種子豎直方向位移,mm

np——排種盤轉(zhuǎn)速,r/min

t1——投種時(shí)間,s

τ——投種角度,rad

v——投種速度,m/s

整理式(8)可求得XOY平面內(nèi)花生種子運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(9)

為避免花生種子在脫離吸種型孔后與鄰近吸種型孔內(nèi)種子發(fā)生碰撞而影響投種效果,需滿足條件

(10)

其中

式中t′1——花生種子脫離吸種型孔時(shí)間,s

（三）缺乏安全感或不健全的自尊。在單親家庭中成長，無論是過分溺愛還是缺少關(guān)愛，都會(huì)使單親家庭子女沒有機(jī)會(huì)得到應(yīng)有的關(guān)心和愛護(hù)，所以，他們對(duì)別人的防范意識(shí)特別強(qiáng)，同時(shí)還伴有對(duì)老師和同學(xué)的莫名的抵觸情緒。他們非常渴望得到別人的關(guān)心和注意，但迫于自尊，又不愿意把困難告訴別人，內(nèi)心也不能坦然地接受他人的幫助，致使他們更加封閉自己的思想，容易產(chǎn)生心理障礙。

β——種子離開吸種型孔期間排種盤轉(zhuǎn)角,rad

通過投種過程種子的運(yùn)動(dòng)分析可知,當(dāng)排種盤結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變時(shí),花生種子的運(yùn)動(dòng)軌跡變化與排種盤轉(zhuǎn)速np相關(guān)。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(10)可求得花生種子脫離型孔的時(shí)間,可有效滿足高速投種作業(yè)需求。經(jīng)對(duì)各階段的力學(xué)特性分析確定排種盤設(shè)計(jì)的合理性后,對(duì)排種盤各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析與計(jì)算。

2.3 排種盤直徑及厚度確定

花生種子作為作業(yè)直接接觸對(duì)象,對(duì)其物料特性的研究尤為必要,從而為排種器關(guān)鍵參數(shù)的確定及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定提供理論依據(jù)。在本研究中,選用北方花生主產(chǎn)區(qū)較為典型的品種魯花11作為試驗(yàn)用種,對(duì)各組種子三軸尺寸進(jìn)行測(cè)量。三軸尺寸包括種子的長度L、寬度W以及厚度H,隨機(jī)從魯花11品種中取3組種子,每組為50粒,記錄測(cè)量數(shù)據(jù)并計(jì)算平均值、變異系數(shù),測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 花生種子幾何尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果

排種盤直徑直接影響排種器總體尺寸、作業(yè)過程中離心力以及排種盤線速度等參數(shù),因此需根據(jù)實(shí)際情況對(duì)排種盤直徑開展設(shè)計(jì),建立排種盤直徑對(duì)充種影響的方程組[18]

(11)

式中t——排種盤在充種區(qū)域的停留時(shí)間,s

lc——充種區(qū)域弧長,mm

vp——排種盤線速度,m/s

δc——充種區(qū)域弧度,rad

Δd——排種盤直徑與吸種型孔圓周直徑差值,mm

由式(11)整理得

(12)

由式(12)可發(fā)現(xiàn)排種盤停留在充種區(qū)域的時(shí)間t僅與充種區(qū)域弧度δc以及排種盤轉(zhuǎn)速np有關(guān),與排種盤直徑并無關(guān)聯(lián)。

組合槽數(shù)量Z與排種盤直徑D關(guān)系為

(13)

式中 Δlc——相鄰吸種型孔間的弧長,mm

通過式(13)可發(fā)現(xiàn),排種盤直徑D與組合槽數(shù)量呈正比關(guān)系。表明當(dāng)拖拉機(jī)行進(jìn)速度及播種粒距確定時(shí),在一定范圍內(nèi)增大排種盤直徑及組合槽數(shù)量可有效降低排種盤轉(zhuǎn)速。

目前,國內(nèi)外的排種盤直徑范圍大多選擇140～260 mm,適當(dāng)加大直徑,對(duì)離心力及排種盤線速度的提高具有明顯效果[19]。因此在綜合考慮種子物料特性、實(shí)驗(yàn)室所具備條件及須滿足的作業(yè)要求等因素情況下,確定排種盤直徑為240 mm,排種盤厚度為15 mm,通過3D打印技術(shù)進(jìn)行加工,由光敏樹脂材料制成。

2.4 排種盤取種槽口與吸種型孔設(shè)計(jì)

如圖8a所示,取種槽口由左端面、右端面、后端面、槽底面組成,為避免各端面相交棱角對(duì)花生種子造成損傷,皆進(jìn)行圓角處理。

圖8 取種槽口與攪種凹槽結(jié)構(gòu)示意圖

長形真空吸盤安裝于取種槽口內(nèi),在負(fù)壓作用下對(duì)種子形成包覆,同時(shí)起到減少種子損傷的作用效果。

在設(shè)計(jì)過程中,取種槽口與吸種型孔均勻設(shè)計(jì)于排種盤外沿,以便在負(fù)壓吸種的同時(shí),重力輔助充種,開放性外圈面及取種槽口左端面傾斜設(shè)計(jì)使種子可順利脫離取種槽口,避免發(fā)生難以投種的現(xiàn)象。其他取種槽口端面皆垂直于槽口底面,槽口底面與排種盤表面相平行,取種槽口結(jié)構(gòu)如圖8b、8c所示。

由于花生種子形狀不規(guī)則,在設(shè)計(jì)過程中為保證種子順利進(jìn)入取種槽口的前提下不發(fā)生一孔多吸現(xiàn)象,如圖8b使取種槽口左右端面上沿距離僅能滿足單粒最大長度的花生種子順利進(jìn)入槽口,在此假設(shè)花生種子被吸附于吸種型孔,則有關(guān)系式

Lmax≤L1<2Lmin

(14)

式中Lmax——花生種子最大長度,mm

L1——取種槽口左右端面上沿距離,mm

Lmin——花生種子最小長度,mm

由表1可知,所選品種種子最大長度Lmax=21.57 mm,可確定L1尺寸范圍,同時(shí)為避免因尺寸過長造成結(jié)構(gòu)干涉,經(jīng)SolidWorks軟件驗(yàn)證各尺寸,取22.59、23.00、24.00、25.00、25.41 mm以在后續(xù)研究中進(jìn)一步確定最優(yōu)參數(shù)。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證實(shí)花生種子在攪種凹槽的導(dǎo)流作用下,進(jìn)入取種槽口時(shí)種子大都為平躺狀態(tài),即長邊被吸附,但因種子在被吸附時(shí)厚度、寬度方向與種盤表面平行均有可能,為盡可能地減小取種槽口內(nèi)的種子與種群的接觸面積,從而保證取種槽口內(nèi)種子不會(huì)因種群摩擦作用脫落而造成漏播現(xiàn)象,以尺寸較大的寬度方向尺寸作為參考,取種槽口深度L2需滿足

0.75Wmax≤L2≤1.5Wmin

(15)

式中Wmax——花生種子最大寬度,mm

Wmin——花生種子最小寬度,mm

可確定L2尺寸范圍為8.93～11.96 mm,對(duì)應(yīng)L1取22.59、23.00、24.00、25.00、25.41 mm,L2分別取9.09、9.50、10.50、11.50、11.91 mm。

如圖8b,由幾何關(guān)系可推出求取其余各部分尺寸的公式為

(16)

式中γ——邊ad與ag夾角,取65°

L3——取種槽口左右端面下沿距離,mm

經(jīng)式(16)幾何關(guān)系推導(dǎo),可求得取種槽口左右端面下沿距離,L3取18.35、18.57、19.10、19.64、19.86 mm。

如圖8c,由于花生種子進(jìn)入取種槽口的形態(tài)仍存在一定不確定性,為保證取種槽口能夠有效托持種子,排種盤外周到取種槽口后端面距離也應(yīng)滿足關(guān)系

Lmax≤L4≤2Lmin

(17)

式中L4——排種盤外周到取種槽口后端面距離,mm

即L4取與L1相同的數(shù)值,L4分別取22.59、23.00、24.00、25.00、25.41 mm。

排種器負(fù)壓需求與吸種型孔直徑關(guān)系為

(18)

式中P——吸種型孔處吸附力,N

p0——大氣壓強(qiáng),kPa

p1——負(fù)壓氣室真空度,kPa

由式(18)可知,當(dāng)大氣壓強(qiáng)及負(fù)壓氣室真空度不變時(shí),吸附力與吸種型孔直徑呈正比關(guān)系,隨著孔徑的增大,吸附力顯著提高;但當(dāng)孔徑超出種子平均尺寸時(shí),會(huì)令氣壓損失增加,使吸種性能降低。而型孔直徑越小,對(duì)氣室真空度要求越大,則需配備更大功率的風(fēng)機(jī),因此確定合適的吸種型孔直徑很重要。

通過《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的吸種型孔直徑經(jīng)驗(yàn)公式,確定范圍為

0.64b≤d≤0.66b

(19)

式中b——花生種子平均寬度,mm

由表1所測(cè)魯花11種子三軸尺寸數(shù)據(jù)可知平均寬度為9.83 mm,寬度范圍為7.97～11.91 mm,代入式(19)得吸種型孔的直徑范圍為5.10～7.86 mm,初步選定6 mm作為吸種型孔直徑。

2.5 攪種凹槽設(shè)計(jì)

排種器在作業(yè)時(shí),合理的攪種設(shè)計(jì)不僅可加強(qiáng)對(duì)種子擾動(dòng)效果,對(duì)種子的引流作用也具有較好的成效。如圖9所示,本文所設(shè)計(jì)的攪種凹槽,通過凹槽曲線的引流導(dǎo)向作用,促使花生種子呈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有序向取種槽口靠近,進(jìn)而被吸附于真空吸盤,保證充種效果。

圖9 排種盤攪種凹槽曲線方程推導(dǎo)示意圖

為確保作業(yè)過程中,攪種凹槽有效驅(qū)導(dǎo)種子沿曲線軌跡自種盤內(nèi)側(cè)向外沿運(yùn)動(dòng),須令種子絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡沿?cái)嚪N凹槽起始點(diǎn)所在基圓的切線方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。以排種盤圓心O為原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系XOY,種盤上點(diǎn)A經(jīng)時(shí)間t3后轉(zhuǎn)過λ運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)B,點(diǎn)A種子經(jīng)時(shí)間t3后運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)C,當(dāng)種子運(yùn)動(dòng)至負(fù)壓氣流控制區(qū)時(shí),為確保具有相同吸種型孔的切線速度,應(yīng)使種子絕對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡保持為直線,同時(shí)令種子在切向方向運(yùn)動(dòng)的速度分量等于位置點(diǎn)的切線速度。因此花生種子在坐標(biāo)系XOY中的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為變加速直線運(yùn)動(dòng)。

點(diǎn)A經(jīng)時(shí)間t3后旋轉(zhuǎn)至點(diǎn)C的速度為

v1=v2/cosφ

(20)

其中

(21)

整理得

v1=r1ω/cos2(kωt2)

(22)

式中v2——種子于點(diǎn)C切線方向的速度分量,m/s

φ——線段OC與OA之間的夾角,rad

r1——攪種凹槽曲線基圓半徑,mm

r2——點(diǎn)C所處圓周半徑,mm

k——花生轉(zhuǎn)角速率系數(shù),取0.1～0.9

t2——花生種子運(yùn)動(dòng)時(shí)長,s

隨排種盤運(yùn)動(dòng)時(shí)間t3后花生種子絕對(duì)運(yùn)動(dòng)位移為

(23)

式中t3——花生種子實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)長,s

花生種子在隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),呈變加速直線運(yùn)動(dòng)。在排種盤動(dòng)坐標(biāo)系中具有一定的運(yùn)動(dòng)軌跡,為確保攪種凹槽可有效驅(qū)導(dǎo)種群,起到引種、攪種作用,須令種子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡同攪種凹槽曲線方程保持一致,攪種凹槽的曲線參數(shù)表達(dá)式為

(24)

其中

θ=λ-φ

(25)

r1=r2cosφ

(26)

將式(24)～(26)聯(lián)立得

(27)

其中

tanφ=lAC/r1

(28)

化簡(jiǎn)得

(29)

式中xc——點(diǎn)C于絕對(duì)坐標(biāo)系中X軸坐標(biāo),mm

yc——點(diǎn)C于絕對(duì)坐標(biāo)系中Y軸坐標(biāo),mm

θ——線段OC與OB之間夾角,rad

ξ——值域上限,rad

可得r2表達(dá)式為

(30)

排種盤上基圓半徑為r1的漸開線(式(29))為花生種子的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡,考慮吸種型孔所在圓周半徑應(yīng)大于r2,故λ取值上限為37.09°<ξ<42.07°。

適宜的攪種凹槽深度可避免因深度過大,從而造成攪種凹槽曲線方向的導(dǎo)種作用小于凹槽切向的推種作用的情況,防止產(chǎn)生劇烈運(yùn)動(dòng),影響整體攪種導(dǎo)種效果。因此攪種凹槽深度L7應(yīng)小于0.5Hmin,L7取0.75、1.5、2.25、3、3.75 mm。

如圖8d所示,圓弧端面半徑取0.5Lmax,攪種凹槽寬度計(jì)算式為

(31)

式中L6——攪種凹槽寬度,mm

由式(31)求得L6范圍為7.90～16.35 mm。

排種器設(shè)計(jì)中,吸種型孔數(shù)量直接關(guān)系著排種器整體的作業(yè)效率與作業(yè)質(zhì)量[20],即組合槽數(shù)量。因此需將取種槽口及攪種凹槽間隔列入考慮范圍,經(jīng)多次試驗(yàn)后確定取種槽口間隔為4 mm時(shí),各部分均不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象,組合槽數(shù)量Z計(jì)算式為

(32)

作業(yè)過程中,其他參數(shù)不變的情況下,組合槽數(shù)量與排種盤的轉(zhuǎn)速反比關(guān)系,隨著組合槽數(shù)量的增加,排種盤轉(zhuǎn)速降低,線速度亦隨之減小,從而更易對(duì)花生種子形成吸附,提高充種效果,避免漏播現(xiàn)象的發(fā)生。通過式(32)可求得組合槽數(shù)量Z為22。

3 組合槽仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 仿真參數(shù)設(shè)計(jì)

借助離散元仿真分析軟件EDEM通過分析組合槽對(duì)種群的運(yùn)移情況,對(duì)各參數(shù)進(jìn)一步展開優(yōu)化,以風(fēng)壓-6 kPa展開試驗(yàn)研究。

選用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型,為減小計(jì)算量,提高運(yùn)算速度,本文使用簡(jiǎn)化后的氣吸式排種器作為仿真模型,包括排種器前殼體、排種盤、排種器后殼體3部分。在本文所設(shè)計(jì)高速精量排種器與種子產(chǎn)生接觸部件中,各部分均采用光敏樹脂制成。表2為所設(shè)置仿真參數(shù)[21-22]。

表2 仿真參數(shù)

種子顆粒數(shù)量設(shè)置為300粒,仿真瑞利時(shí)間步長百分比設(shè)置為5%,輸出時(shí)間步長為0.01 s,仿真總時(shí)間為7 s,開展仿真試驗(yàn),如圖10所示,種群在排種盤帶動(dòng)下同步運(yùn)動(dòng)。根據(jù)種群的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將其劃分為上升、塌落、回流、相對(duì)靜止4個(gè)區(qū)域,其中取種槽口僅與上升區(qū)域內(nèi)的種子發(fā)生直接接觸。

圖10 EDEM仿真試驗(yàn)充種效果圖

在高速作業(yè)過程中攪種凹槽主要起到在充種過程中實(shí)現(xiàn)種群導(dǎo)流,加強(qiáng)種群離散程度,提高上升區(qū)域種子速度及充種性能的作用[23]。因此在本仿真過程中為檢驗(yàn)攪種凹槽性能,選用上升區(qū)域種群離散性程度以及運(yùn)動(dòng)速度作為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

在作業(yè)過程中排種性能還會(huì)受取種槽口結(jié)構(gòu)參數(shù)及轉(zhuǎn)速、負(fù)壓等因素的影響,因此無法直接通過重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)來判斷攪種凹槽性能,因此以漏充指數(shù)[24]作為對(duì)攪種凹槽的另一性能評(píng)價(jià)指標(biāo),取種槽口脫離種群時(shí),內(nèi)部無種子存在記為漏充,則

M=z1/Z′×100%

(33)

式中M——漏充指數(shù),%

z1——漏充種子的取種槽口數(shù)量

Z′——所記錄取種槽口總數(shù)

3.2 攪種凹槽深度

為探究不同攪種凹槽深度對(duì)種群運(yùn)動(dòng)情況的影響,以攪種凹槽深度開展單因素離散元仿真試驗(yàn),為有效控制變量,取種槽口尺寸保持不變,取種槽口左右端面上沿距離L1取24 mm,下沿距離L3取20 mm,排種盤外周至后端面距離L4取22 mm,深度L2取7 mm。

在攪種凹槽深度L7分別取0.75、1.50、2.25、3.00、3.75 mm時(shí),由式(31)求得攪種凹槽寬度L6分別為7.90、10.97、13.19、14.93、16.35 mm。

攪種凹槽的設(shè)計(jì)目的包括:提升上升區(qū)域內(nèi)種群的運(yùn)動(dòng)速度。因此其作用范圍應(yīng)控制于上升區(qū)域附近,經(jīng)仿真結(jié)果獲知上升區(qū)域的厚度在30 mm左右,為確保攪種凹槽可有效作用于整個(gè)上升區(qū)域,同時(shí)保證各攪種凹槽不會(huì)相互干涉,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證攪種凹槽基圓半徑范圍應(yīng)控制在50～70 mm之間,在此攪種凹槽曲線基圓半徑r1取70 mm。

排種盤轉(zhuǎn)速np為

(34)

式中V——播種機(jī)作業(yè)速度,km/h

S——花生理論粒距,取180 mm

由式(34)求得,作業(yè)速度為12 km/h時(shí),排種盤轉(zhuǎn)速為50.51 r/min。

通過EDEM軟件自有的數(shù)據(jù)采集能力得到上升區(qū)域內(nèi)種群作業(yè)速度以及數(shù)量信息,并對(duì)漏充指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如圖11所示,圖中平均值后小寫英文字母不同表示在0.05水平下數(shù)據(jù)差異顯著(下同)。攪種凹槽深度為0 mm時(shí)代表未進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖11 不同攪種凹槽深度對(duì)種群的影響

由試驗(yàn)結(jié)果可知,攪種凹槽深度會(huì)對(duì)種群運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生顯著影響,同不添加攪種凹槽時(shí)相比,添加凹槽設(shè)計(jì)的種群速度明顯提高,證實(shí)攪種凹槽具有促進(jìn)種群運(yùn)動(dòng)速度的效果。種群速度在無攪種凹槽時(shí)最低,為0.15 m/s;種群速度在攪種凹槽深度為3 mm時(shí)最高,為0.26 m/s,攪種凹槽深度為2 mm時(shí)種群速度略小于深度為3 mm時(shí)的種群速度,差異性并不顯著。

攪種凹槽深度會(huì)對(duì)上升區(qū)域種子數(shù)量造成顯著影響,同不添加時(shí)相比,添加凹槽設(shè)計(jì)后上升區(qū)域內(nèi)種子數(shù)量明顯降低。未添加攪種凹槽時(shí)數(shù)量最多,為48.31粒;深度為1 mm時(shí)數(shù)量最少,為42.73粒;深度為2 mm時(shí)數(shù)量為46.35粒,1 mm及2 mm深度時(shí)其上升區(qū)域內(nèi)的種子皆顯著低于3 mm時(shí)的數(shù)量。通過對(duì)仿真過程進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)當(dāng)深度為3 mm時(shí)主要因攪種凹槽內(nèi)的種子未能及時(shí)脫離而導(dǎo)致周圍種子數(shù)量加大。

攪種凹槽深度會(huì)對(duì)漏充指數(shù)造成顯著影響,同不添加時(shí)相比,添加凹槽設(shè)計(jì)后漏充指數(shù)顯著減小。且漏充指數(shù)與攪種凹槽深度之間呈反比關(guān)系。未添加攪種凹槽時(shí)漏充指數(shù)最高,為6.31%;深度為3 mm時(shí)漏充指數(shù)最低,為3.17%;深度為2 mm時(shí)漏播指數(shù)略低于深度為3 mm時(shí),無顯著差異。

考慮不同攪種凹槽深度對(duì)種群速度、種子數(shù)量以及漏充指數(shù)的影響,攪種凹槽在3 mm時(shí),漏充指數(shù)最低。雖在該深度時(shí)上升區(qū)域內(nèi)種子數(shù)量顯著多于2 mm時(shí)的數(shù)量,但考慮本排種器雙級(jí)柔性清種毛刷的加裝,故本文在后續(xù)試驗(yàn)中取攪種凹槽深度3 mm進(jìn)行研究。

3.3 攪種凹槽基圓半徑

在進(jìn)行攪種凹槽基圓半徑對(duì)種群運(yùn)動(dòng)特性的影響研究時(shí),僅改變攪種凹槽的基圓半徑,其余參數(shù)保持不變,攪種凹槽深度取3 mm,攪種凹槽基圓半徑分別取50、60、70 mm,借助仿真試驗(yàn)分析研究。仿真結(jié)果如圖12所示。

圖12 不同攪種凹槽基圓半徑對(duì)種群的影響

由圖12可知,攪種凹槽基圓半徑會(huì)對(duì)種群運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生顯著影響,不添加攪種凹槽時(shí)種群速度最慢,為0.15 m/s;攪種凹槽基圓半徑r1=70 mm時(shí),種群速度最快,為0.28 m/s。r1=50 mm時(shí),種群速度為0.21 m/s;r1=60 m/s時(shí),種群速度為0.25 m/s;二者皆顯著低于r1=70 mm時(shí)的種群速度。

攪種凹槽基圓半徑會(huì)對(duì)周圍種子數(shù)量造成顯著影響,基圓半徑r1=70 mm時(shí),種子數(shù)量最少,為41.17粒;r1=60 mm時(shí),種子數(shù)量為45.61粒,同基圓半徑為70 mm時(shí)相比并不顯著;r1=50 mm時(shí),種子數(shù)量為47.03粒,同基圓半徑為60 mm時(shí)相比并不顯著;不添加攪種凹槽時(shí)種子數(shù)量最多。

攪種凹槽基圓半徑會(huì)對(duì)漏充指數(shù)造成顯著影響,未添加攪種凹槽時(shí),漏充指數(shù)最大;攪種凹槽基圓半徑r1=70 mm時(shí),漏充指數(shù)最小,為2.57%。且顯著小于基圓半徑為60 mm及70 mm時(shí)的漏充指數(shù)。

綜合考慮不同攪種凹槽基圓半徑對(duì)種群速度、種子數(shù)量以及漏充指數(shù)的影響,攪種凹槽基圓半徑r1=70 mm時(shí),種群速度最高,數(shù)量最小,漏充指數(shù)最低,故本文以基圓半徑為70 mm進(jìn)行后續(xù)研究。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為進(jìn)一步確定取種槽口尺寸數(shù)據(jù),在本試驗(yàn)中以取種槽口尺寸、作業(yè)速度為因素開展二因素五水平正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn),采用魯花11作為試驗(yàn)用種,研究各性能指標(biāo)受不同因素的影響規(guī)律,并通過回歸分析確定最佳參數(shù)組合。如圖13所示,臺(tái)架試驗(yàn)通過JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺排種試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行,排種器各部分及不同排種盤通過3D打印技術(shù)加工獲得,添加二次投種裝置開展試驗(yàn),為有效控制變量,確保試驗(yàn)結(jié)果的有效性,在各組試驗(yàn)中二次投種裝置參數(shù)保持一致。

圖13 排種器性能試驗(yàn)裝置

4.2 試驗(yàn)方法

按GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》規(guī)定及參考文獻(xiàn)[25],以取種槽口尺寸、作業(yè)速度為試驗(yàn)因素,以粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、破損指數(shù)為評(píng)判性能指標(biāo)[26],試驗(yàn)因素及編碼如表3所示。

表3 因素編碼

由式(14)～(16)以及L1、L2、L3、L4增量及對(duì)應(yīng)關(guān)系可知,在完成L1選定后即可實(shí)現(xiàn)對(duì)剩余參數(shù)的確定,因此以取種槽口左右端面上沿距離L1表示取種槽口整組尺寸,對(duì)應(yīng)的各取種槽口尺寸如表4所示。

表4 取種槽口尺寸

在5種作業(yè)速度4.34、6.00、10.00、14.00、15.66 km/h時(shí),由式(34)求得對(duì)應(yīng)排種盤轉(zhuǎn)速分別為18.27、25.25、42.09、58.92、65.91 r/min,均在風(fēng)壓-6 kPa下開展試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表中X1、X2為編碼值。為更有效地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,利用Design-Expert 13.0軟件獲得各性能指標(biāo)受取種槽口尺寸及作業(yè)速度影響的響應(yīng)曲面,如圖14所示。

表5 回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

圖14 響應(yīng)曲面

對(duì)表5的試驗(yàn)結(jié)果展開方差分析,得出粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)以及破損指數(shù)的二次回歸模型為

(35)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果展開顯著性分析,方差分析如表6所示。由表6可知,各回歸模型均顯著,所擬合回歸方程同實(shí)際都相符合,可準(zhǔn)確體現(xiàn)取種槽口尺寸及作業(yè)速度同各性能指標(biāo)間的關(guān)系,回歸模型均能有效實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測(cè)。

表6 方差分析

通過Design-Expert 13.0軟件,在作業(yè)速度為12 km/h時(shí),以最大粒距合格指數(shù)為條件做尋優(yōu)處理,得到取種槽口尺寸L1為25.71 mm,粒距合格指

數(shù)為95.6%。在作業(yè)速度為10 km/h時(shí),以最大粒距合格指數(shù)為條件做尋優(yōu)處理,得到取種槽口尺寸L1為25.19 mm,粒距合格指數(shù)為95.32%。在作業(yè)速度為8 km/h時(shí),以最大粒距合格指數(shù)為條件做尋優(yōu)處理,得到取種槽口尺寸L1為24.67 mm,粒距合格指數(shù)為95.07%。在作業(yè)速度為6 km/h時(shí),以最大粒距合格指數(shù)為條件做尋優(yōu)處理,得到取種槽口尺寸為24.14 mm,粒距合格指數(shù)為94.92%。因作業(yè)速度為14 km/h時(shí),破損指數(shù)高于0.5%,已不符合國家標(biāo)準(zhǔn)中精密播種機(jī)播種粒距為100～200 mm時(shí)的播種要求,因此該速度不予分析。

由式(14)可知,L1應(yīng)小于25.41 mm,且其數(shù)值越大,高速作業(yè)性能越佳,同時(shí)為便于對(duì)L2、L2、L3取值,L1最終取24.00 mm。此時(shí)求得速度6、8、10、12 km/h各性能指標(biāo)如表7所示。

表7 不同速度條件下性能指標(biāo)

由表7可知,當(dāng)取種槽口尺寸L1=24.0 mm,作業(yè)速度在6～12 km/h區(qū)間時(shí),粒距合格指數(shù)不小于93.33%,重播指數(shù)不大于3.52%,漏播指數(shù)不大于4.02%,破損指數(shù)不大于0.32%,均具備良好的作業(yè)性能,L1取24.00 mm時(shí),對(duì)應(yīng)的L2為10.50 mm,L3為19.10 mm,L4為24.00 mm。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了驅(qū)導(dǎo)組合槽輔助附種氣吸式花生高速精量排種器,通過理論分析驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性,根據(jù)種子物料特性對(duì)排種盤中各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了初步確定。

(2)以種群運(yùn)動(dòng)速度、種子數(shù)量及漏充指數(shù)作為指標(biāo),通過離散元仿真分析軟件EDEM對(duì)攪種凹槽尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果表明:種群在攪種凹槽深度3 mm、基圓半徑70 mm時(shí),運(yùn)動(dòng)速度最大,數(shù)量最少,且漏充指數(shù)最低,攪種凹槽的導(dǎo)種以及擾種性能最佳。

(3)通過臺(tái)架試驗(yàn)以取種槽口尺寸和作業(yè)速度進(jìn)行了二因素五水平試驗(yàn),并構(gòu)建了各性能指標(biāo)與取種槽口尺寸及作業(yè)速度的回歸方程,試驗(yàn)結(jié)果表明各性能指標(biāo)均受二者顯著影響,當(dāng)取種槽口左右端面上沿距離為24.00 mm、取種槽口深度為10.50 mm、取種槽口左右端面下沿距離為19.10 mm、排種盤外周到取種槽口后端面距離為24.0 mm、作業(yè)速度為6～12 km/h、負(fù)壓為-6 kPa時(shí),粒距合格指數(shù)不小于93.33%,重播指數(shù)不大于3.52%,漏播指數(shù)不大于4.02%,破損指數(shù)不大于0.32%。