孟華,王茜,李曉紅,,李赫,余永昌
(1.商丘工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南商丘,476000;2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,鄭州市,450002)
大豆不僅是植物蛋白、食用油脂和蛋白飼料的主要來(lái)源[1-3],而且還含有多種具有獨(dú)特生理功能的活性物質(zhì),如大豆異黃酮、大豆多肽、大豆磷脂等,具有抗腫瘤、降血脂、預(yù)防心血管疾病等作用[4]。
在大豆生產(chǎn)過(guò)程中,播種機(jī)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物機(jī)械化生產(chǎn)過(guò)程中的重要手段之一,也是保證產(chǎn)量的主要方式[5-8],排種器作為播種機(jī)械的核心部件,是保證播種粒距均勻性的重要手段。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)大豆單粒精量排種器進(jìn)行了大量研究,目前大豆播種機(jī)主要使用氣力式和機(jī)械式兩大類排種器[9-13]。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,這兩種排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,或能耗大或加工要求高,價(jià)格普遍偏高。機(jī)械式中的水平圓盤排種器具有囊種性能較好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于制造、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)[14]。國(guó)外對(duì)水平圓盤式排種器的研究較早,主要應(yīng)用在棉花、玉米等作物播種機(jī)上[15-16]。Shein等[17]改進(jìn)當(dāng)時(shí)現(xiàn)有的水平圓盤式排種器,使之能夠適應(yīng)多作物播種。Singh等[18-19]根據(jù)種子的幾何尺寸等參數(shù),對(duì)水平圓盤式排種器的型孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在國(guó)內(nèi),梁天也等[20]對(duì)水平圓盤排種器清種裝置進(jìn)行優(yōu)化,降低了種子破碎率和漏播率,大幅度提高了排種性能。趙武云等[21]在設(shè)計(jì)玉米精量穴播機(jī)時(shí),采用了水平圓盤式的精量排種器。廖慶喜等[22-24]以種子尺寸為研究對(duì)象,采用了水平圓盤式排種器進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn),確定了排種器的最佳參數(shù),提高了播種機(jī)的工作性能。劉艷芬等[25]結(jié)合玉米種子的幾何尺寸,對(duì)水平圓盤式玉米排種器的型孔結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高了對(duì)不同品種的玉米種子的適應(yīng)性。
同時(shí),相關(guān)學(xué)者為了提高排種器的充種性能,增加種子在排種器內(nèi)的活躍度,對(duì)排種器進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。都鑫等[26]在排種器設(shè)計(jì)過(guò)程中增加了擾動(dòng)條;李玉環(huán)等[27]在勺輪式排種器的基礎(chǔ)上增加了“Y型”導(dǎo)種槽。丁力[28]、李洪昌[29]在排種器設(shè)計(jì)時(shí)增加了型孔凸臺(tái)對(duì)種子群進(jìn)行擾動(dòng)。
因此,本文設(shè)計(jì)了一種定擾動(dòng)輔助充種大豆排種器,通過(guò)固定擾動(dòng)環(huán)對(duì)種子群的擾動(dòng),增加其活躍度,提高型孔充種性能,以期為大豆精量播種技術(shù)的研究和發(fā)展提供參考。
定擾動(dòng)輔助充種大豆排種器整體結(jié)構(gòu)主要由殼體、排種盤、擾種環(huán)、毛刷、排種管、底座等組成,如圖1所示。
圖1 排種器總體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the seed metering device1.殼體 2.擾種環(huán) 3.清種毛刷 4.排種管 5.排種軸 6.排種盤
排種器作業(yè)過(guò)程分為充種、清種和投種3個(gè)階段,如圖2所示。工作時(shí),動(dòng)力通過(guò)排種軸帶動(dòng)排種盤逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),種子群受到排種盤的離心力作用向排種盤邊緣運(yùn)動(dòng),擾動(dòng)環(huán)能夠?qū)拷欧N盤邊緣的種子群進(jìn)行擾動(dòng),使種子的活躍度(流動(dòng)性)增加,在離心力、摩擦力和擾種環(huán)的共同作用下,種子能夠順利進(jìn)行型孔,完成充種。由于種子群分布在排種盤的邊緣處,當(dāng)攜種型孔即將運(yùn)動(dòng)至投種口上部時(shí),在清種毛刷的作用下使型孔周圍的種子遠(yuǎn)離型孔,只保留型孔及周圍只有1粒種子,完成清種。清種后,型孔攜帶種子運(yùn)動(dòng)至投種口上部,種子在自重作用下,從投種口進(jìn)入排種管,完成排種。該排種器增加了擾動(dòng)結(jié)構(gòu),改善了種子群在排種器內(nèi)的充種性能,提高了排種合格率。
圖2 排種器工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the seed metering device1.擾種環(huán) 2.排種盤 3.型孔 4.種子 5.殼體
2.1.1 排種盤結(jié)構(gòu)
排種盤是影響充種性能的核心部件,排種盤為斜面、型孔組合組成,如圖3所示。
圖3 排種盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the seed metering tray1.排種盤 2.型孔 3.排種軸孔
相關(guān)研究表明,在相同作業(yè)速度下,當(dāng)排種盤直徑過(guò)小時(shí),相對(duì)應(yīng)的排種器轉(zhuǎn)速較大,不利于種子充入型孔,易造成漏播;當(dāng)排種盤直徑過(guò)大時(shí),排種器尺寸、質(zhì)量、成本增加。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[30],并參考市場(chǎng)上常用的水平圓盤式排種器,排種盤直徑主要在180~220 mm,因此,選取該排種器的排種盤外徑D為200 mm。
2.1.2 型孔尺寸參數(shù)
型孔的結(jié)構(gòu)形式、尺寸、種子趨近型孔的姿態(tài)、種子在型孔中的排列狀態(tài)和穩(wěn)定程度都直接影響排種精確性[31]。本文以邯豆13大豆種子為研究對(duì)象[32],隨機(jī)選取100粒大豆種子,對(duì)其長(zhǎng)l、寬w、厚d進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其中:種子長(zhǎng)度l均值為8.46 mm;種子寬度w均值為7.31 mm;種子厚度d均值為6.27 mm。
大豆種子的外形屬于橢球類,在排種器型孔內(nèi)的姿態(tài)主要有“切向”“徑向”和“直立”(切向:種子長(zhǎng)度方向在型孔內(nèi)與排種盤半徑方向相切;徑向:種子長(zhǎng)度方向在型孔內(nèi)與排種盤半徑方向相同;直立:種子長(zhǎng)度方向在型孔內(nèi)與排種盤水平面相垂直)3種[25],其中“徑向”“切向”姿態(tài)最穩(wěn)定。為確保型孔充入單粒種子,根據(jù)種子的充種姿態(tài)對(duì)型孔的尺寸參數(shù)進(jìn)行分析,如圖4所示。
(a) 切向
排種盤型孔尺寸是影響排種質(zhì)量的關(guān)鍵因素,型孔尺寸過(guò)大時(shí),易造成重播;型孔尺寸過(guò)小,易造成漏播。故在對(duì)型孔參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)種子的幾何參數(shù)與型孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析。
當(dāng)種子處于“切向”姿態(tài)時(shí),型孔的長(zhǎng)L、寬W、高H應(yīng)為
(1)
當(dāng)種子處于“徑向”姿態(tài)時(shí)
(2)
當(dāng)種子處于“豎立”姿態(tài)時(shí)
(3)
由邯豆13大豆種子幾何尺寸代入式(1)~式(3)計(jì)算,選取型孔長(zhǎng)度L為9 mm、寬度W為5 mm、高度H為9 mm。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為盡可能降低種子播種過(guò)程中受到損傷,根據(jù)相關(guān)研究[19],選取排種盤型孔結(jié)構(gòu)為倒圓角。
2.2.1 擾種環(huán)結(jié)構(gòu)
當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速較低時(shí),種子群在排種盤邊緣靠近型孔處易形成力鏈[33],力鏈相互銜接結(jié)拱,使種子群活躍度降低造成漏充;當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí),型孔在通過(guò)種子群的過(guò)程中速度較高,充種時(shí)間較短,易造成漏播。為提高排種器的充種性能,在排種盤內(nèi)側(cè)設(shè)置有固定擾種環(huán),通過(guò)擾種環(huán)對(duì)型孔周圍的種子群進(jìn)行碰撞,增大種子群活躍度的同時(shí)降低種子群力鏈的形成,從而提高充種性能,擾種環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 擾種環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the scrambling ring structure1.擾種片 2.連接桿 3.擾種圓環(huán) 4.螺栓安裝孔
2.2.2 擾種片的角度參數(shù)
當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),種子群與擾種片發(fā)生碰撞,在增大種子群活躍度,同時(shí)擾種環(huán)上的擾種片的角度對(duì)種子充入型孔也有著一定影響。以擾動(dòng)片長(zhǎng)度方向的中心線與半徑方向形成的不同角度進(jìn)行分析,選取擾動(dòng)片長(zhǎng)度方向的中心線與的安裝角度分別為-45°、0°和45°,如圖6所示。
圖6 擾動(dòng)片角度俯視示意圖Fig.6 Schematic diagram of the top view of the perturbation plate angle
為便于分析,以靠近型孔的單粒種子為研究對(duì)象,忽略其他種子對(duì)其的影響,擾種片在不同角度條件下對(duì)種子充入型孔過(guò)程力學(xué)方向的變化如圖7~圖9所示。以擾種片-45°為例,隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng),擾種片對(duì)種子的作用主要分為3個(gè)階段:種子與型孔外壁接觸、種子開(kāi)始進(jìn)入型孔、種子完全進(jìn)入型孔。從圖7~圖9可知,隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng),擾種片對(duì)種子的作用力的方向隨之發(fā)生變化,使種子能夠更好地充入型孔,說(shuō)明擾種片在增大種子群活躍度的同時(shí)能夠提高排種器的充種性能。
圖7 擾動(dòng)片為-45°時(shí)對(duì)種子的力學(xué)分析Fig.7 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is -45°
圖8 擾動(dòng)片為0°時(shí)對(duì)種子的力學(xué)分析Fig.8 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is 0°
圖9 擾動(dòng)片為45°時(shí)對(duì)種子的力學(xué)分析Fig.9 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is 45°
2.2.3 擾種環(huán)的尺寸參數(shù)
擾種環(huán)對(duì)種子起到輔助充種作用的條件主要有:擾種圓環(huán)的半徑和擾種片的尺寸。由邯豆13大豆種子的尺寸可知,種子的長(zhǎng)度均值為8.55 mm,因此擾種片的長(zhǎng)度Lr應(yīng)為
l≤Lr≤2l
(4)
式中:Lr——擾種片的長(zhǎng)度,mm;
l——種子的長(zhǎng)度均值,mm。
因此選取中間值,即擾種片長(zhǎng)度Lr為13 mm。
由于擾種片的角度不同,當(dāng)擾種環(huán)的半徑不變時(shí),擾種片與型孔外壁的最小間隙不同,故擾種片在三種角度下即不能與型孔外壁接觸干涉,也不能間隙過(guò)大,使種子從兩者之間穿過(guò),則擾種片與型孔外壁的間隙s應(yīng)為
(5)
式中:R——擾種環(huán)半徑,mm;
D——排種盤直徑,mm;
s——擾種片與型孔外壁的間隙;
t——種子的厚度均值,mm。
通過(guò)計(jì)算可得82.65 mm 利用EDEM軟件對(duì)定擾動(dòng)輔助充種排種器進(jìn)行虛擬仿真,并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置。設(shè)置顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型、排種器的材料、大豆種子和尼龍塑料之間的泊松比、剪切模量和密度等,如表1所示。 表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters 根據(jù)對(duì)邯豆13大豆種子三軸尺寸的均值作為種子的模型參數(shù),采用多球面填充的方法,使種子顆粒與實(shí)際種子的輪廓相吻合。同時(shí)簡(jiǎn)化排種器的結(jié)構(gòu),將不必要的零件去除,保留核心零件,并對(duì)其重新命名和參數(shù)設(shè)定。在仿真過(guò)程中設(shè)置顆粒生成數(shù)為300個(gè),生成速率為5 000個(gè)/s,顆粒類型為正態(tài)分布。 以排種盤轉(zhuǎn)速、擾種片角度為因素,以排種合格率、重播率和漏播率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)研究,排種器的轉(zhuǎn)速為30~50 r/min,即30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min和50 r/min;擾種片角度為-45°、0°和45°,其中設(shè)置一組沒(méi)有擾種環(huán)的試驗(yàn)作為對(duì)照組。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,計(jì)算其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,可以得到不同大豆種子的合格率、重播率和漏播率,計(jì)算方法如式(6)所示。 (6) 式中:P——合格率; U——重播率; Q——漏播率; n1——型孔單粒排種次數(shù); n2——型孔多粒排種次數(shù); n3——型孔漏播次數(shù); N′——理論排種次數(shù)。 3.3.1 仿真過(guò)程分析 在仿真過(guò)程中,以無(wú)擾種環(huán)為研究對(duì)象,種子運(yùn)動(dòng)主要分為4個(gè)階段:當(dāng)仿真時(shí)間為0~0.2 s時(shí),種子從顆粒工廠生成,依靠自重進(jìn)入排種器,如圖10(a)所示;當(dāng)仿真時(shí)間為0.2 s時(shí),種子完全進(jìn)入排種器,種子群以排種盤軸線為中心向四周均勻散開(kāi),如圖10(b)所示;當(dāng)仿真時(shí)間超過(guò)0.2 s后,排種盤開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng),種子群在離心力的作用下向排種盤邊緣運(yùn)動(dòng),當(dāng)攜種型孔運(yùn)動(dòng)至清種毛刷時(shí),在毛刷的作用下清除型孔邊緣多余的種子,如圖10(c)所示。攜種型孔經(jīng)過(guò)清種毛刷后開(kāi)始投種,種子進(jìn)入排種管,完成投種。 (a) 由圖10(c)可知,隨著排種器的轉(zhuǎn)動(dòng)(逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)),種子群在離心力的作用下緊貼排種盤型孔邊緣運(yùn)動(dòng),在清種過(guò)程中,種子群向清種毛刷靠攏,造成種子群在排種器內(nèi)分布不均勻。其中遠(yuǎn)離清種毛刷的種子數(shù)量較少,未能完全利用充種時(shí)間和空間。 以排種器安裝擾種環(huán)為研究對(duì)象,由圖11可知,在擾種片和清種毛刷的共同作用下,排種盤邊緣的種子群被分割為4個(gè)部分。通過(guò)與無(wú)擾種環(huán)種子群運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)比分析可知,擾種環(huán)不僅會(huì)使靠近型孔的種子群流動(dòng)性增大,同時(shí)在排種盤不同區(qū)域能夠提高種子進(jìn)入型孔的概率。 (a) 擾種片角度-45° 3.3.2 仿真結(jié)果與分析 以擾種片的角度為-45°為研究對(duì)象,由圖12(a)可知,排種合格率隨著排種器轉(zhuǎn)速的增大整體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速在30~40 r/min時(shí),排種合格率隨著排種器轉(zhuǎn)速的增大而升高,升高速率逐漸下降;當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),排種合格率最高,即合格率為98.03%;隨著排種器轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大,合格率開(kāi)始降低。當(dāng)擾種片的角度分別為0°、45°和對(duì)照組(無(wú)擾種環(huán))時(shí),排種的合格率隨著排種器轉(zhuǎn)速變化而呈現(xiàn)的趨勢(shì)基本相似,均呈現(xiàn)先升高后降低,且在排種器轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),排種合格率均最高,分別為97.68%、97.47%和97.05%。 (a) 合格率 由圖12(b)可知,排種器的重播率隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì),當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),排種器重播率最低為1.78%;當(dāng)擾種片角度分別為0°、45°和對(duì)照組(無(wú)擾種環(huán))時(shí),排種的重播率分別為2.09%、2.41%和1.58%。由圖12(c)可知,排種器的漏播率隨著轉(zhuǎn)速的增大呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì),當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),排種器漏播率最低為0.19%;當(dāng)擾種片角度分別為0°、45°和對(duì)照組(無(wú)擾種環(huán))時(shí),排種的重播率分別為0.23%、0.12%和1.37%。 通過(guò)仿真試驗(yàn)結(jié)果可知:排種器最佳工作轉(zhuǎn)速為40 r/min、擾種環(huán)上的擾種片的角度為-45°時(shí)排種合格率最高,綜合排種性能最佳。 為驗(yàn)證EDEM離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果的可靠性及工作性能,將排種器安裝在STB-700精密排種器性能工作試驗(yàn)臺(tái)(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制)實(shí)施試驗(yàn),試驗(yàn)于2022年5月28日在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)隨機(jī)選取邯豆13大豆種子300粒作為試驗(yàn)材料,選取合格率、重播率和漏播率為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)。由仿真試驗(yàn)結(jié)果可知:當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為40 r/min、擾種片角度-45°時(shí),排種器的排種性能最佳,故選取排種器轉(zhuǎn)速(35 r/min、40 r/min和45 r/min)和擾種片角度(-45°)作為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn),每組參數(shù)下進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),并取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。 排種器排種合格率越高,重播率和漏播率越低,排種效果越好,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知,排種器轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí),排種器的合格率最高為96.82%、重播率最低為2.05%、漏播率最低為1.13%。 表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results 由于仿真試驗(yàn)是通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行的,與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)有著一定差異性,兩者之間的各項(xiàng)性能差異如表3所示。由表3可知,排種合格率最大差異為1.50%、重播率最大差異為0.33%、漏播率最大差異為1.17%;通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下兩者差異性對(duì)比,當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速越高時(shí),兩者之間的差異性越大,即當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為45 r/min時(shí),合格率、重播率和漏播率指標(biāo)的差異性均大于其他兩個(gè)轉(zhuǎn)速相對(duì)較低的試驗(yàn)結(jié)果。在相同條件下,臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果的差異性較小,說(shuō)明仿真試驗(yàn)結(jié)果能夠?yàn)榕欧N器的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和參數(shù)設(shè)定。本文大豆種子播種過(guò)程中株距為7~14 cm,根據(jù)中華人民共和國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[34]要求,種子株距10≤X≤20 cm時(shí),粒距合格率≥70%、重播指數(shù)≤22%、漏播指數(shù)≤17%,此時(shí)播種速度范圍為3.36~6.72 km/h,試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的定擾動(dòng)輔助充種大豆排種器的排種性能符合單粒精密播種的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。 表3 試驗(yàn)結(jié)果差異性比較Tab.3 Comparison of difference in test results 1) 為提高水平圓盤式排種器的充種性能,設(shè)計(jì)了一種定擾動(dòng)輔助充種大豆排種器,對(duì)排種器的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,確定了排種盤的關(guān)鍵參數(shù):排種盤直徑為200 mm、型孔長(zhǎng)度為9 mm、型孔寬度為5 mm、型孔高度為9 mm;對(duì)擾動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了3種不同角度(-45°、0°、45°)的擾種片,增大種子在排種器內(nèi)的活躍程度,提高充種性能。 2) 利用EDEM軟件對(duì)排種器的轉(zhuǎn)速(30 r/min、40 r/min、50 r/min)、擾種片的角度(-45°、0°、45°)進(jìn)行仿真試驗(yàn),得到排種器最佳轉(zhuǎn)速為40 r/min、擾種片角度為-45°時(shí),排種器排種合格率為98.03%、重播率為1.78%和漏播率為0.19%。 3) 根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果,將排種器轉(zhuǎn)速范圍進(jìn)一步縮小為(35 r/min、40 r/min、45 r/min)、擾種片角度為-45°條件下進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn),得到排種合格率為96.82%、重播率為2.05%和漏播率為1.13%;通過(guò)對(duì)比仿真最佳參數(shù)和驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果,排種合格率最大差異為1.50%,能夠滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。3 離散元模擬試驗(yàn)
3.1 參數(shù)設(shè)置
3.2 顆粒模型及幾何模型建立
3.3 仿真結(jié)果與分析
4 驗(yàn)證試驗(yàn)
4.1 材料與方法
4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
5 結(jié)論
中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)2023年6期