廖慶喜 曹 梅 王寶山 王 磊 沈文惠 裴立民

(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

芝麻是我國(guó)重要的特色農(nóng)產(chǎn)品和優(yōu)質(zhì)油料作物,廣泛種植于河南、湖北等江淮和江漢平原地區(qū)[1-2]。芝麻種子粒徑小、易破損、形狀扁平,機(jī)械化精量播種難度較大,目前主要為傳統(tǒng)人工種植模式,成本高、生產(chǎn)效率低[3-4],嚴(yán)重制約了其產(chǎn)量增長(zhǎng)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展,開發(fā)適合芝麻種子特性的精量播種裝備及其關(guān)鍵裝置是提高作業(yè)效率的有效途徑。

播種是生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié),排種器是播種機(jī)的核心裝置[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)異形或扁平形種子排種裝置開展了諸多研究,方梁菲等[6]針對(duì)胡麻設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)種環(huán)槽U型孔組合輪式排種器,其排種輪上設(shè)有環(huán)槽,充種過(guò)程中具有引流導(dǎo)種作用;蘇微等[7]設(shè)計(jì)了一種輪勺式半夏排種器,采用“上寬下窄”種勺結(jié)構(gòu),易充種且不傷種;伍皖閩等[8]設(shè)計(jì)了一種組合型孔輪式玉米穴播器,結(jié)合了拐臂窩眼式型孔精量充種特點(diǎn)和階梯型孔設(shè)計(jì)思想,以實(shí)現(xiàn)玉米單粒精播;王磊等[9]設(shè)計(jì)了一種等寬多邊形槽齒輪小麥供種裝置,增強(qiáng)了種群流動(dòng)性,改善了供種穩(wěn)定性;尹文慶等[10]設(shè)計(jì)了一種氣力槽輪組合式精密排種器,采用了槽輪和正負(fù)氣壓組合排種方式,針對(duì)青菜、蘿卜、茄子分別設(shè)計(jì)了不同吸嘴型孔,可滿足蔬菜精密播種需求;王芳等[11]研究了谷子氣吸式排種盤吸種孔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)四棱臺(tái)結(jié)構(gòu)下種子不易堵塞,成穴性較優(yōu);KUMAR等[12]研究了氣送式播種機(jī)的平行圓盤型、封閉漏斗型和流線型3種分配頭對(duì)芝麻、谷子和高粱排種均勻性的影響,確定了流線型分配頭播種效果最好;SINGH等[13]優(yōu)化了氣力式棉花排種器,研究了排種盤轉(zhuǎn)速、氣吸負(fù)壓、型孔形狀和尺寸等因素對(duì)排種性能的影響規(guī)律。綜上,對(duì)于異形或扁平形種子排種裝置的研究,通過(guò)增大充種區(qū)種群流動(dòng)性以提高充種穩(wěn)定性,并采用對(duì)種子適應(yīng)性較強(qiáng)且不易傷種的氣吸式或氣力式排種器。芝麻屬于扁平形小粒徑種子,適用于芝麻精量集中排種的排種器需要進(jìn)一步研究。

本文基于芝麻種子的機(jī)械物理特性和播種農(nóng)藝要求,設(shè)計(jì)一種傾斜齒勺式型孔充種、氣送輔助投種的芝麻精量集排器,通過(guò)力學(xué)分析、仿真試驗(yàn)與Box-Behnken響應(yīng)面分析獲得集排器型孔最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù),開展臺(tái)架試驗(yàn)確定集排器較優(yōu)工作參數(shù),通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證集排器的排種性能。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

芝麻精量播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由機(jī)架、旋耕裝置、開溝起壟裝置、排肥裝置、排種裝置和雙圓盤開溝器等組成。

圖1 播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of seeding machine1.地輪驅(qū)動(dòng)裝置 2.機(jī)架 3.開溝裝置 4.肥箱 5.風(fēng)機(jī) 6.集排器 7.電機(jī) 8.導(dǎo)種管 9.雙圓盤開溝器

芝麻齒勺氣送式集排器主要包括齒勺滾筒、集排器殼體、投種殼體、卸種殼體、種箱、風(fēng)機(jī)、氣流分配裝置等,如圖2所示,其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters

圖2 集排器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagrams of metering device1.電機(jī) 2.聯(lián)軸器 3.齒勺滾筒 4.投種殼體 5.排種器殼體 6.種箱 7.風(fēng)機(jī) 8.軸承 9.卸種殼體 10.氣流分配裝置 11.風(fēng)機(jī)固定板

1.2 工作原理

播種機(jī)作業(yè)時(shí),排肥裝置由地輪驅(qū)動(dòng)完成施肥,旋耕裝置對(duì)未耕區(qū)地表進(jìn)行旋耕碎土且開溝裝置進(jìn)行開種溝作業(yè),排種系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng),經(jīng)集排器、導(dǎo)種管、雙圓盤開溝器排種至種床。

排種器工作時(shí),卸種殼體上設(shè)置有分種隔板,其與齒勺滾筒組成的儲(chǔ)種區(qū)被均勻分隔,種箱內(nèi)的種子在重力作用下進(jìn)入每個(gè)儲(chǔ)種區(qū);電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種軸帶動(dòng)齒勺滾筒轉(zhuǎn)動(dòng),齒勺滾筒上突出齒勺對(duì)充種區(qū)種群進(jìn)行擾動(dòng),增加了種群流動(dòng)性和種群平均動(dòng)能,提高種群平均速度,種子在重力、種子間摩擦力、齒勺滾筒強(qiáng)制擾動(dòng)力等多重作用力下進(jìn)入型孔,完成充種過(guò)程;齒勺型孔攜帶種子經(jīng)過(guò)攜種區(qū)進(jìn)入投種區(qū),種子顆粒在重力和離心力作用下脫離型孔進(jìn)入投種口,在重力和氣力作用下進(jìn)入導(dǎo)種管,完成排種過(guò)程,風(fēng)機(jī)氣流能夠避免種子在導(dǎo)種管中堆積。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1 齒勺滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1.1齒勺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

本文選取湖北康地科技有限公司生產(chǎn)的芝麻品種“航天新芝T31-8”為研究對(duì)象,試驗(yàn)中取100粒種子,每粒重復(fù)測(cè)量3次,測(cè)得種子平均三軸尺寸為:長(zhǎng)度Lmean=2.95 mm、寬度Wmean=1.73 mm、高度Hmean=0.85 mm,種子最大三軸尺寸為:長(zhǎng)度Lmax=3.28 mm、寬度Wmax=1.89 mm、高度Hmax=1.09 mm,千粒質(zhì)量為2.8 g,自然休止角為30.59°,顆粒密度為930 kg/m3,含水率為2.93%。

芝麻種植農(nóng)藝參數(shù)是齒勺滾筒確定的重要依據(jù),根據(jù)DB34/T 3285—2018《芝麻機(jī)械化播種技術(shù)規(guī)程》,芝麻播種量為2.25～3 kg/hm2,芝麻田間播種時(shí),機(jī)組前進(jìn)速度為2～5 km/h[14]。齒勺滾筒作為集排器的核心部件,其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括滾筒直徑D、型孔數(shù)Z、齒勺傾角α、齒勺外緣半徑R等。齒勺滾筒直徑?jīng)Q定型孔數(shù)量、排種轉(zhuǎn)速、充種時(shí)間等參數(shù),當(dāng)播種量一定時(shí),齒勺滾筒直徑過(guò)小,型孔數(shù)量、充種時(shí)間會(huì)相應(yīng)減小,易產(chǎn)生種子漏充或少充情況,降低排種均勻性。參考其他小粒徑種子作物排種器滾筒設(shè)計(jì)要求[15],本文取齒勺滾筒直徑D為80 mm,齒勺外緣半徑R為45 mm,各行型孔間隔l0為30 mm。有

(1)

式中l(wèi)——充種區(qū)弧長(zhǎng),mm

φ——充種區(qū)弧度,rad

v——齒勺滾筒線速度,mm/s

n——排種軸轉(zhuǎn)速,取10～30 r/min

t——充種時(shí)間,s

為使種子流順利進(jìn)入型孔,基于芝麻種子質(zhì)量輕、呈扁平狀且流動(dòng)性不強(qiáng)等特點(diǎn),本文在傳統(tǒng)排種滾筒上設(shè)計(jì)了數(shù)圈突出外齒,型孔位于突出外齒上形成齒勺,在充種過(guò)程中起到對(duì)種群顆粒擾動(dòng)、引流作用。為避免充種及投種過(guò)程中種子顆?？ㄔ邶X勺之間,在相鄰齒勺間增加弧形過(guò)渡段。據(jù)芝麻農(nóng)藝要求播量,型孔數(shù)與播量、作業(yè)速度等參數(shù)關(guān)系為

(2)

式中vm——機(jī)具作業(yè)速度,取3 km/h

B——播種機(jī)幅寬,取1.8 m

Q——農(nóng)藝要求播量,取2.25kg/hm2

k——播種行數(shù),取6行

x——單個(gè)型孔充種粒數(shù),取4～5粒

qm——種子千粒質(zhì)量,g

由式(2)取整,得型孔數(shù)Z為9～27。適當(dāng)增加型孔數(shù)、縮短型孔距離,有利于增強(qiáng)種群擾動(dòng),提高種子流連續(xù)性和供種穩(wěn)定性,綜合考慮,確定型孔數(shù)Z為24。

根據(jù)齒勺外緣半徑R、型孔數(shù)Z等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸可知,齒勺滾筒上能夠形成突出齒勺需滿足

(3)

式中α0——種子顆粒休止角,(°)

θ0——相鄰齒勺間中心角,(°)

S0——齒勺起始點(diǎn)到結(jié)束點(diǎn)所在直線的垂直距離,mm

由式(3)可知,當(dāng)齒勺外緣半徑R確定時(shí),齒勺傾角α具有最小極限值,計(jì)算取整后為18°;本文無(wú)清種裝置,齒勺型孔在充種完成后依靠種子自重完成清種,為避免齒勺攜帶多余種子,則設(shè)計(jì)齒勺傾角小于芝麻種子休止角,前期試驗(yàn)測(cè)得芝麻休止角為30.59°,取整后為30°,因此齒勺傾角取值范圍為18°～30°。齒勺滾筒與投種殼體等關(guān)鍵部件均采用3D打印,打印材料為工程塑料ABS。

2.1.2型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

型孔是排種裝置充種、攜種的直接載體,其形狀、尺寸、容積均影響排種性能。本文設(shè)計(jì)了一種兩端傾斜、底面水平式齒勺型孔,突出式的齒勺結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)充種區(qū)種群擾動(dòng),兩端傾斜、底面水平式型孔有利于充種環(huán)節(jié)中快速順利充種,攜種環(huán)節(jié)中保持種子穩(wěn)定狀態(tài)以及投種環(huán)節(jié)中單個(gè)型孔中多粒種子錯(cuò)序投種。型孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括型孔上沿長(zhǎng)度S1、型孔下沿長(zhǎng)度S2、型孔高度H、型孔寬度B、型孔右壁傾角θ和型孔左壁傾角δ,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 齒勺滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Model-hole’s structure

型孔的設(shè)計(jì)以芝麻種子的外形尺寸和種子在型孔中最大可能存在的穩(wěn)定狀態(tài)為依據(jù),參考其他扁平形種子在型孔中的姿勢(shì)狀態(tài)概率[6,16-17],確定芝麻種子在型孔中最大概率的穩(wěn)定狀態(tài)為“平躺”狀態(tài)。為保證充種效果,以單個(gè)型孔充種粒數(shù)為4粒且取種時(shí)4粒芝麻種子采用雙層并排方式充種為設(shè)計(jì)要求,因此芝麻種子應(yīng)滿足在型孔長(zhǎng)度方向上以“平躺”姿態(tài)順利充入型孔,在型孔寬度方向上兩粒種子以寬度尺寸方向并排,在型孔高度方向上兩粒種子以厚度方向排列。結(jié)合型孔設(shè)計(jì)依據(jù)[16],型孔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足

(4)

式中k1——型孔上沿長(zhǎng)度系數(shù),取1.2～1.5

k2——型孔下沿長(zhǎng)度增量,取0.5～1 mm

k3——型孔高度增量,取0.1～0.5 mm

由式(4)可確定型孔上沿長(zhǎng)度S1取值范圍為3.5～4.5 mm,型孔下沿長(zhǎng)度S2取值范圍為3.8～4.2 mm,型孔高度H取值范圍為1.8～2.2 mm,型孔寬度B取整后為3.5 mm?？紤]型孔上沿長(zhǎng)度越大,種子更易充入型孔,兼顧實(shí)際加工方式,確定型孔上沿長(zhǎng)度為4.5 mm,型孔下沿長(zhǎng)度為4 mm。根據(jù)型孔上沿、下沿長(zhǎng)度和型孔高度,型孔兩壁傾角關(guān)系為

(5)

由式(5)可知,若型孔左壁傾角δ取極限值0°時(shí),型孔右壁傾角θ極限值與型孔高度H相關(guān)且最小極限值為12.80°,取整13°;同時(shí),基于型孔右側(cè)傾角過(guò)小不利于種子順利充入型孔,且需滿足型孔兩側(cè)壁傾斜,因此取型孔右壁傾角θ范圍為5°～13°,型孔左壁傾角δ由型孔右壁傾角和型孔高度確定。

2.1.3主要排種過(guò)程分析

2.1.3.1充種環(huán)節(jié)

充種過(guò)程中,種子顆粒在充種區(qū)受到齒勺滾筒和型孔的擾動(dòng),在重力、種群壓力和摩擦力等作用下充入型孔。將型孔內(nèi)的種子顆粒群視為一個(gè)整體,對(duì)其質(zhì)心進(jìn)行力學(xué)分析[6,18]。以質(zhì)心為原點(diǎn)P,x軸通過(guò)齒勺滾筒圓心點(diǎn)O和質(zhì)心點(diǎn)P并指向型孔外側(cè),y軸垂直于x軸,正向?yàn)辇X勺滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)方向,受力分析如圖4所示。

圖4 充種過(guò)程分析Fig.4 Mechanics analysis of seed filling process

根據(jù)種子顆粒受力情況建立受力平衡方程

(6)

式中Fc——種子質(zhì)心離心力,N

Fv——充種區(qū)種群對(duì)種子質(zhì)心垂直壓力,N

Fh——充種區(qū)種群對(duì)種子質(zhì)心水平壓力,N

G——種子重力,N

Ff——充種過(guò)程型孔壁對(duì)種子的摩擦力,N

Fn——充種過(guò)程型孔壁對(duì)種子的支持力,N

β——起始充填角,(°)

μ——種子與型孔間摩擦因數(shù),取0.49

m0——種子質(zhì)量,kg

ω——排種軸角速度,rad/s

R0——齒勺滾筒主體半徑,m

g——重力加速度,取9.81 m/s2

種子顆粒群所受型孔內(nèi)壁壓力計(jì)算式為[19-20]

(7)

式中S——型孔內(nèi)種子最大截面積,m2

γs——物料重度,N/m3

Rh——單個(gè)充種區(qū)液力半徑,mm

fs——種子與充種區(qū)靜態(tài)滑動(dòng)摩擦因數(shù)

K——側(cè)壓系數(shù)

hs——充種時(shí)種子與種層上表面距離,m

φi——種子的內(nèi)摩擦角,(°)

綜合式(6)、(7)可得

(8)

其中

由式(8)可知,初始充填角β與種子和型孔間摩擦因數(shù)μ、排種軸轉(zhuǎn)速n、型孔右壁傾角θ、充種區(qū)種群對(duì)種子質(zhì)心的水平壓力Fh等參數(shù)相關(guān)。當(dāng)型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料確定時(shí),初始充填角β隨排種軸轉(zhuǎn)速n的增大而減小,適當(dāng)增大排種軸轉(zhuǎn)速可延長(zhǎng)充種時(shí)間,保證充種穩(wěn)定性;當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速n確定時(shí),初始充填角β隨型孔右壁傾角θ的增大而增大,型孔右壁傾角θ過(guò)大會(huì)縮短充填時(shí)間,降低種子充填率。

2.1.3.2攜種環(huán)節(jié)

順利充入型孔的種子顆粒隨齒勺滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)逐漸移動(dòng)至型孔底部并保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),進(jìn)入攜種過(guò)程中,多余的種子在自身重力作用下落回充種區(qū),實(shí)現(xiàn)清種。對(duì)攜種過(guò)程種子顆粒進(jìn)行受力分析,如圖5所示。

圖5 攜種過(guò)程分析Fig.5 Mechanics analysis of seed carrying process

根據(jù)攜種過(guò)程種子顆粒受力情況建立平衡方程

(9)

式中Fn1——攜種過(guò)程型孔底部對(duì)種子支持力,N

Fn2——攜種過(guò)程型孔壁對(duì)種子的支持力,N

ε——y軸與垂直方向夾角,(°)

由式(9)可得

(10)

由式(10)可知,攜種過(guò)程范圍與齒勺傾角α、型孔左壁傾角δ及排種軸轉(zhuǎn)速n相關(guān),當(dāng)型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)確定時(shí),在一定范圍內(nèi)增加排種軸轉(zhuǎn)速,可縮短攜種過(guò)程,提高排種效率。

2.1.3.3投種環(huán)節(jié)

投種過(guò)程中,型孔中的種子顆粒應(yīng)能順利依次排出型孔,將型孔中的種子顆粒視為整體,對(duì)顆粒質(zhì)心的受力分析如圖6所示。

圖6 投種過(guò)程分析Fig.6 Mechanics analysis of seed discharging process

根據(jù)型孔內(nèi)種子顆粒的受力情況,種子群處于臨界投種狀態(tài)時(shí),建立受力平衡方程

(11)

式中Ff1——投種過(guò)程型孔壁對(duì)種子的摩擦力,N

Fn3——投種過(guò)程型孔壁對(duì)種子的支持力,N

γ——初始投種角,(°)

由式(11)可得

(12)

式(12)表明,初始投種角γ與慣性離心力Fc、型孔左壁傾角δ等參數(shù)相關(guān)。當(dāng)型孔左壁傾角δ確定時(shí),初始投種角γ隨排種軸轉(zhuǎn)速n增大而增大;當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速n確定時(shí),初始投種角γ隨型孔左壁傾角δ增大而增大。芝麻種子流動(dòng)性差,與型孔間摩擦力大,初始投種角過(guò)大會(huì)降低投種效果,因此排種軸轉(zhuǎn)速n與型孔左壁傾角δ也相應(yīng)不宜過(guò)大。

由充種過(guò)程、攜種過(guò)程和投種過(guò)程力學(xué)分析可知,排種軸轉(zhuǎn)速n、型孔右壁傾角θ、齒勺傾角α及型孔左壁傾角δ是影響初始充填角β、攜種環(huán)節(jié)起始范圍和初始投種角γ的重要因素。結(jié)合型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、芝麻種子易破損特點(diǎn)和前期試驗(yàn),排種軸轉(zhuǎn)速不宜過(guò)高,取排種軸轉(zhuǎn)速為10～30 r/min時(shí),即可滿足播量等需求。本文擬通過(guò)仿真、臺(tái)架試驗(yàn)等研究各因素的影響規(guī)律并確定較優(yōu)值。

2.2 氣流分配裝置設(shè)計(jì)

基于前期物料參數(shù)試驗(yàn)得到航天新芝T31-8種子的球形度為55.32°、與PVC材料的碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.42,在導(dǎo)種管中滾動(dòng)、彈跳能力較弱,因此在導(dǎo)種過(guò)程中種子易產(chǎn)生堵塞導(dǎo)致導(dǎo)種不暢,影響播種均勻性。為降低種子在導(dǎo)種管中堆積的可能,投種過(guò)程中采用氣流輸送輔助投種,通過(guò)氣流分配裝置將風(fēng)機(jī)氣流分配至各行投種殼體投種口處,氣流分配裝置如圖7所示。

圖7 氣流分配裝置Fig.7 Air distribution device

為保證種子達(dá)到穩(wěn)定輸送效果,將芝麻種子的懸浮速度作為經(jīng)氣流分配裝置分配至各行投種口處的氣流速度上限值。采用PS-20型物料懸浮速度試驗(yàn)臺(tái)和ZCF1000-1F型風(fēng)速風(fēng)壓儀(上海億歐儀表設(shè)備有限公司)測(cè)定了芝麻種子的懸浮速度v0,選取試驗(yàn)中種子集中分布位置流速4.77 m/s作為其最終值[19]。據(jù)氣力輸送氣流速度經(jīng)驗(yàn)系數(shù)[21],輸送管道不復(fù)雜時(shí),輸送氣流速度va為懸浮速度v0的1.3～1.7倍,取1.7v0,即8.11 m/s。

(13)

式中Qa——所需風(fēng)機(jī)流量,m3/h

d0——導(dǎo)種管內(nèi)徑,取16 mm

由式(13)得到輸送氣流速度va為8.11 m/s,所需風(fēng)機(jī)風(fēng)量為31.06 m3/h。選取司特力ZHF242A型直流風(fēng)機(jī),最大風(fēng)量500 m3/h,工作時(shí)采用風(fēng)速風(fēng)壓儀測(cè)量導(dǎo)種管內(nèi)平均風(fēng)速為7.83 m/s,略低于氣流上限值,可滿足種子輸送需求。

適宜的導(dǎo)種管直徑能約束種子在排種口的排出范圍,減少輸送過(guò)程中氣流損失,綜合考慮種子粒徑、現(xiàn)有導(dǎo)種管管徑系列和集排器整體橫向尺寸約束等因素,氣流分配裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足

(14)

式中l(wèi)1——?dú)饬鞣峙溲b置出風(fēng)口長(zhǎng)度,mm

ls1——風(fēng)機(jī)出風(fēng)口長(zhǎng)度,取110 mm

ls2——風(fēng)機(jī)安裝孔間距,取140 mm

l2——?dú)饬鞣峙溲b置末端分流口間距,mm

d2——?dú)饬鞣峙溲b置末端分流口外徑,mm

l3——?dú)饬鞣峙溲b置中段長(zhǎng)度,mm

d3——投種殼體投種口外徑,取15 mm

l0——各行型孔間距,mm

δ0——導(dǎo)種管壁厚,取2.5 mm

d1——?dú)饬鞣峙溲b置末端分流口內(nèi)徑,mm

δ1——?dú)饬鞣峙溲b置末端分流口壁厚,取2 mm

w1——?dú)饬鞣峙溲b置擴(kuò)張段高度,mm

w2——?dú)饬鞣峙溲b置中段高度,mm

w3——?dú)饬鞣峙溲b置末端分流口高度,mm

由式(14)可知,氣流分配裝置出風(fēng)口長(zhǎng)度l1為110 mm,氣流分配裝置末端分流口間距l(xiāng)2取11 mm;受集排器整體橫向尺寸與投種殼體投種口外徑約束,取氣流分配裝置末端分流口外徑d2為13 mm,則氣流分配裝置中段長(zhǎng)度l3為150 mm;結(jié)合加工方式和保證末端分流口安裝硬度,氣流分配裝置末端分流口內(nèi)徑d1為9 mm?？紤]集排器整體縱向尺寸,減少風(fēng)機(jī)風(fēng)量路程損失,同時(shí)便于安裝導(dǎo)風(fēng)管,取w1為25 mm,w2為20 mm,w3為30 mm。

3 仿真試驗(yàn)

為研究排種器主要關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排種性能的影響,本文采用離散元EDEM分別建立排種器幾何模型和種子顆粒仿真模型進(jìn)行正交仿真試驗(yàn)。結(jié)合型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與排種過(guò)程分析,影響排種性能的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)主要為齒勺傾角α和型孔右壁傾角θ,而通過(guò)式(5)分析可知型孔右壁傾角θ與型孔高度H相關(guān),故分析齒勺傾角α、型孔高度H和型孔右壁傾角θ對(duì)排種器排種性能的影響。

3.1 仿真模型

試驗(yàn)中按照前期所測(cè)芝麻種子外形尺寸進(jìn)行多球粘合,建立芝麻顆粒模型,如圖8a所示。采用SolidWorks軟件繪制集排器結(jié)構(gòu)模型,并將其導(dǎo)入EDEM2020進(jìn)行仿真,為減少計(jì)算量,仿真過(guò)程中將左右側(cè)板等與顆粒非接觸部件去除,仿真模型如圖8b所示?；谥ヂ榉N子本征參數(shù)和種間幾乎無(wú)表面粘附力等因素,使用離散元仿真軟件EDEM模擬其運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí),選用Hertz-Mindlin(no slip)接觸力學(xué)模型[20]。本試驗(yàn)對(duì)芝麻種子顆粒與集排器材料的相關(guān)仿真參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定,數(shù)值如表2所示[22-23]。為驗(yàn)證參數(shù)的可靠性與正確性,進(jìn)行了種子的休止角驗(yàn)證試驗(yàn),實(shí)際休止角與仿真休止角誤差為1.62%,誤差較小,表明該仿真參數(shù)可用于仿真試驗(yàn)。

表2 仿真與接觸參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation and contact

圖8 仿真模型Fig.8 Simulation models

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)指標(biāo)

為獲得較優(yōu)的芝麻排種器型孔關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù),開展了齒勺傾角α、型孔高度H和型孔右壁傾角θ的三因素三水平二次正交回歸組合試驗(yàn)。試驗(yàn)中齒勺傾角設(shè)18°、24°、30°共3個(gè)水平,型孔高度設(shè)1.8、2.0、2.2 mm共3個(gè)水平,型孔右壁傾角設(shè)5°、9°、13°共3個(gè)水平,試驗(yàn)因素編碼如表3所示。試驗(yàn)以各行排量一致性變異系數(shù)和平均排種量為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表3 試驗(yàn)因素編碼Tab.3 Test factors codes

仿真試驗(yàn)時(shí),排種軸轉(zhuǎn)速設(shè)為20 r/min,在種箱上方設(shè)置顆粒工廠,使種子自由落體至充種室,顆粒工廠生成種子數(shù)量為6×104粒,生成時(shí)間為1 s,仿真總時(shí)長(zhǎng)設(shè)為6 s。仿真結(jié)束后,在EDEM后處理界面通過(guò)Selection Group功能添加Geometry Bin至排種口底部,統(tǒng)計(jì)5 s內(nèi)集排器排出的種子質(zhì)量總和。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)結(jié)果如表4所示,表中A、B、C分別為型孔高度、型孔右壁傾角、齒勺傾角編碼值,Y1、Y2分別為評(píng)價(jià)指標(biāo)各行排量一致性變異系數(shù)和平均排種量。運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析,建立各行排量一致性變異系數(shù)Y1及平均排種量Y2的回歸方程,對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的3個(gè)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與分析,獲得顯著試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的二次多項(xiàng)式響應(yīng)回歸模型,模型方差分析及顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4 Experimental design and results

表5 試驗(yàn)結(jié)果方差分析Tab.5 Analysis of experimental results

結(jié)果表明:試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)各行排量一致性變異系數(shù)和平均排種量回歸模型均極顯著(P<0.01),失擬項(xiàng)不顯著(P>0.05),回歸方程不失擬,建立試驗(yàn)因素編碼值的回歸方程。

由方差分析結(jié)果可知,對(duì)于各行排量一致性變異系數(shù),A、AB、BC、A2、B2、C2影響極顯著,C影響顯著,其他因素影響不顯著;對(duì)于平均排種量,C、A2、B2影響極顯著,BC、C2影響顯著,其他因素影響不顯著。剔除不顯著交互項(xiàng)得到回歸模型分別為

Y1=5.15+1.17A+3.75×10-3B-0.81C-4AB+
1.95BC+3.34A2+6.02B2-4.12C2

(15)

Y2=4.02+0.065A+0.065B-0.42C-0.31BC-
0.73A2-1.34B2+0.34C2

(16)

回歸模型的決定系數(shù)分別為0.989 4、0.964 2,表明回歸模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際值有較高的相關(guān)性。

方差分析表明,試驗(yàn)因素對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響的主次順序?yàn)樾涂赘叨?、齒勺傾角、型孔右壁傾角;對(duì)平均排種量影響的主次順序?yàn)辇X勺傾角、型孔右壁傾角、型孔高度。型孔右壁傾角和齒勺傾角兩因素的交互項(xiàng)BC對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)和平均排種量影響均顯著,型孔高度和型孔右壁傾角兩因素的交互項(xiàng)AB對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響極顯著,分別對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)曲面分析,如圖9所示。

圖9 因素交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)面Fig.9 Response surfaces of influence of interactive factors on each index

由圖9a可知,當(dāng)型孔右壁傾角一定時(shí),各行排量一致性變異系數(shù)隨型孔高度的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì);當(dāng)型孔高度一定時(shí),各行排量一致性變異系數(shù)隨型孔右壁傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。由圖9b可知,當(dāng)型孔右壁傾角一定時(shí),各行排量一致性變異系數(shù)隨齒勺傾角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);當(dāng)齒勺傾角一定時(shí),各行排量一致性變異系數(shù)隨型孔右壁傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。由圖9c可知,當(dāng)型孔右壁傾角一定時(shí),平均排種量隨齒勺傾角的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì);當(dāng)齒勺傾角一定時(shí),平均排種量隨型孔右壁傾角的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

為尋求約束條件下各因素的最佳組合,以各行排量一致性變異系數(shù)和平均排種量為評(píng)價(jià)指標(biāo),平均排種量滿足

(17)

由式(17)可知平均排種量需滿足3.37 g/min≤Y2≤4.5 g/min,對(duì)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解,目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(18)

將數(shù)據(jù)代入求解得到較優(yōu)參數(shù)組合:型孔高度1.92 mm、型孔右壁傾角8.4°、齒勺傾角28.6°,此參數(shù)組合下預(yù)測(cè)的各行排量一致性變異系數(shù)為1.69%、平均排種量3.7 g/min。以此較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行仿真試驗(yàn)得到各行排量一致性變異系數(shù)為1.82%、平均排種量3.65 g/min。

為進(jìn)一步驗(yàn)證齒勺滾筒對(duì)充種室內(nèi)的種群擾動(dòng)效果,截取分析了上述仿真試驗(yàn)條件下同一時(shí)刻最優(yōu)結(jié)構(gòu)齒勺滾筒、非最優(yōu)結(jié)構(gòu)齒勺滾筒(A=0,B=0,C=0)和光滑滾筒的充種室內(nèi)種群平均動(dòng)能分布,如圖10所示。由圖10可知,充種室內(nèi)種子平均動(dòng)能沿遠(yuǎn)離滾筒向充種室方向遞減,紅色種子表示在滾筒強(qiáng)制帶動(dòng)和擾動(dòng)下的種子,具有較高的離散度和較大的平均動(dòng)能,流動(dòng)性能較好,綠色種子表示在種群間摩擦作用下運(yùn)動(dòng)的種子,平均動(dòng)能較低,藍(lán)色種子表示靜止種子。圖10中,采用齒勺滾筒的充種室內(nèi)紅色和綠色種群面積明顯大于光滑滾筒,種群的流動(dòng)性較優(yōu),是由于齒勺滾筒上突出外齒對(duì)充種室種群具有強(qiáng)制擾動(dòng)作用,光滑滾筒僅依靠摩擦作用帶動(dòng)種群能力較弱。最優(yōu)結(jié)構(gòu)齒勺滾筒相比于非最優(yōu)結(jié)構(gòu)齒勺滾筒,其靠近滾筒和型孔部分紅色種子更多,綠色種子更少,種子平均動(dòng)能更高,更利于充種。

圖10 不同滾筒種群動(dòng)能分布圖Fig.10 Diagrams of seed population kinetic energy distribution of different cylinder-type

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 集排器型孔較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果,選擇航天新芝T31-8芝麻種子為試驗(yàn)材料,采用自制的試驗(yàn)臺(tái)架開展排種性能試驗(yàn)。主要試驗(yàn)裝置包括齒勺氣送式集排器、電機(jī)、24 V開關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置、電子天平等,試驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11 臺(tái)架試驗(yàn)裝置Fig.11 Bench test device1.開關(guān)電源 2.開關(guān)調(diào)速控制盒 3.電機(jī) 4.風(fēng)機(jī) 5.排種器 6.導(dǎo)種管

結(jié)合實(shí)際加工條件,選取型孔高度為1.9 mm、型孔右壁傾角為8.4°、齒勺傾角為28.6°的齒勺氣送式集排器,進(jìn)行3次重復(fù)排種試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得集排器各行排量一致性變異系數(shù)為1.80%,平均排種量為3.96 g/min,試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致,仿真結(jié)果可靠。

4.2 集排器較優(yōu)工作參數(shù)臺(tái)架試驗(yàn)

為獲得集排器較優(yōu)工作參數(shù),選取排種軸轉(zhuǎn)速與充填高度為試驗(yàn)因素,以各行排量一致性變異系數(shù)Y1和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)Z1為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)開展排種性能臺(tái)架試驗(yàn)。通過(guò)單因素試驗(yàn)分析了不同排種軸轉(zhuǎn)速和填充高度對(duì)排種性能的影響,以種箱出種口至齒勺滾筒中心軸所在面間垂直距離為充填高度,當(dāng)充填高度小于0 mm時(shí)會(huì)產(chǎn)生型孔漏充現(xiàn)象,當(dāng)充填高度大于25 mm時(shí)產(chǎn)生種層拖帶現(xiàn)象而影響排種穩(wěn)定性,因此充填高度設(shè)5、10、15、20、25 mm共5個(gè)水平,排種軸轉(zhuǎn)速設(shè)10、15、20、25、30 r/min共5個(gè)水平。試驗(yàn)結(jié)果如圖12和圖13所示,可知總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排量一致性變異系數(shù)均隨排種軸轉(zhuǎn)速增大而先減小后增大,排種軸轉(zhuǎn)速過(guò)小或過(guò)大均會(huì)降低排種性能,較優(yōu)排種軸轉(zhuǎn)速為15～25 r/min?？偱帕糠€(wěn)定性變異系數(shù)和各行排量一致性變異系數(shù)均隨充填高度的增大而先增大后減小,因此較優(yōu)充填高度為5～15 mm。

圖12 不同排種軸轉(zhuǎn)速時(shí)排種性能變化曲線Fig.12 Change curves of seeding performance at different seeding unit speed

圖13 不同充填高度時(shí)排種性能變化曲線Fig.13 Change curves of seeding performance at different filling unit heights

為進(jìn)一步獲得較優(yōu)的工作參數(shù)組合,開展排種軸轉(zhuǎn)速與充填高度的二因素三水平試驗(yàn),因素水平由上述單因素試驗(yàn)獲得,試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表6所示,極差分析結(jié)果如表7所示。

表6 臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.6 Test design and results

表7 試驗(yàn)極差分析Tab.7 Range analysis in test

結(jié)果表明:排種軸轉(zhuǎn)速與充填高度對(duì)各行排量一致性變異性系數(shù)影響均顯著(P<0.05),排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)影響顯著(P<0.05),充填高度對(duì)總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)影響顯著(P<0.05)。排種軸轉(zhuǎn)速為主要因素,充填高度為次要因素。結(jié)合方差分析與極差分析,得到較優(yōu)工作參數(shù)組合為排種軸轉(zhuǎn)速15 r/min、充填高度10 mm,在此參數(shù)組合下的各行排量一致性變異性系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為1.62%、0.40%。

5 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證齒勺氣送式集排器臺(tái)架試驗(yàn)效果,檢驗(yàn)其田間排種性能,于2022年5月31日在湖北省武漢市華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)基地開展芝麻田間播種試驗(yàn),如圖14a所示。田間試驗(yàn)時(shí),以航天新芝T31-8芝麻為播種對(duì)象,配套動(dòng)力為雷沃M1004-A型拖拉機(jī),經(jīng)田間預(yù)試驗(yàn)確定拖拉機(jī)擋位與播量之間的關(guān)系,按照臺(tái)架試驗(yàn)較優(yōu)因素水平組合以排種軸轉(zhuǎn)速15 r/min、充填高度10 mm試驗(yàn)。試驗(yàn)中,播種行數(shù)為6行,行距為300 mm,整機(jī)作業(yè)速度為2.9 km/h。苗期長(zhǎng)勢(shì)如圖14b所示。田間出苗后,隨機(jī)選取5處,每處選取1 m,即5處1.8 m×1 m播種區(qū)域,測(cè)得芝麻平均出苗數(shù)為11株/m,平均種植密度為36株/m2,播種均勻性變異系數(shù)低于4%,滿足芝麻田間種植要求。

圖14 田間播種試驗(yàn)Fig.14 Field seeding experiments

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種采用傾斜齒勺式型孔充種、氣送輔助投種的芝麻精量集排器,該集排器針對(duì)芝麻種子球形度低、流動(dòng)性差等特點(diǎn),通過(guò)齒勺式型孔擾動(dòng)種群,保證充種效果,氣送導(dǎo)種保證導(dǎo)種順暢,可實(shí)現(xiàn)芝麻精量播種。

(2)應(yīng)用EDEM結(jié)合Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行三因素三水平正交仿真試驗(yàn),分析了齒勺傾角α、型孔高度H和型孔右壁傾角θ對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)和平均排種量的影響規(guī)律,得出較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為:型孔高度H為1.92 mm、型孔右壁傾角θ為8.4°、齒勺傾角α為28.6°,此時(shí)各行排量一致性變異系數(shù)和平均排種量分別為1.69%、3.7 g/min。開展臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn),得到各行排量一致性變異系數(shù)為1.80%、平均排種量為3.96 g/min。

(3)開展了單因素和二因素三水平臺(tái)架試驗(yàn),分析排種軸轉(zhuǎn)速、充填高度對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響規(guī)律,得到較優(yōu)工作參數(shù)組合:排種軸轉(zhuǎn)速為15 r/min、充填高度為10 mm,此時(shí)各行排量一致性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為1.62%、0.40%。以較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,芝麻平均出苗數(shù)為11株/m,平均種植密度為36株/m2,播種均勻性變異系數(shù)低于4%,滿足芝麻田間種植要求。