侯加林 馬端旭, 李 慧 張智龍 周紀(jì)磊 史 嵩

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院, 泰安 271018; 2.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院, 濟(jì)南 250100)

0 引言

小麥立體勻播技術(shù)株距均勻、種子分布合理,可以均衡占有農(nóng)田土地資源和自然光熱資源,能充分發(fā)揮小麥單株分蘗能力,是目前小麥節(jié)種、高產(chǎn)機(jī)械化種植的方向。由于小麥立體勻播要求種子流定量、均勻、有序,因此對(duì)播種機(jī)核心部件排種器提出了更高的要求[1-2]。

目前小麥排種器主要有機(jī)械式和氣力式兩種。機(jī)械式排種器(以槽輪式為主)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工成本低,但多數(shù)采用條播的形式,播種均勻性差。曹成茂等[3]通過在排種盤上均勻分布多個(gè)種槽實(shí)現(xiàn)多行同時(shí)作業(yè);王英博等[4-5]設(shè)計(jì)一種射播排種器,通過高速旋轉(zhuǎn)的葉片對(duì)送種輪排出的種子進(jìn)行加速,使種子以較高的速度射入田間;何麗楠等[6]設(shè)計(jì)一種螺旋槽式排種器改善外槽輪排種器播種不均勻的問題。氣力式排種裝置主要以中央氣送集排式為主,種群在氣流作用下先輸送到集中分配器腔室內(nèi),然后再分配到到各個(gè)末端排種口,能夠?qū)崿F(xiàn)寬幅、定量作業(yè),作業(yè)效率高。國(guó)外學(xué)者[7-10]通過分析種子運(yùn)動(dòng)軌跡完善分配器結(jié)構(gòu),提高分配性能。張曉輝等[11]對(duì)集中定量排種分配系統(tǒng)進(jìn)行理論研究和仿真分析,提高分配均勻性;雷小龍等[12-13]設(shè)計(jì)一種傾斜錐孔輪式供種裝置,并通過耦合仿真模擬分析,優(yōu)化集排器結(jié)構(gòu),有效提高充種和供種性能;王磊等[14-17]通過對(duì)勻種渦輪、混種部件、穹頂狀分配裝置和具有等寬多邊形槽齒輪的供種裝置等關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì),提高供種穩(wěn)定性和排量一致性;王寶山等[18]通過對(duì)型孔輪設(shè)計(jì)來解決充種穩(wěn)定性差、易卡種的問題。以上研究均可提高小麥播種均勻性,但種子依舊呈無序種流的條播方式排出,在田間難以形成有序均勻的麥種分布,無法最大限度的發(fā)揮小麥單株分蘗能力。

基于上述問題,本文設(shè)計(jì)一種氣力離心組合式小麥精量排種器,采用氣力充種和離心清種的方式,對(duì)集中氣力輸送式排種裝置排出的種子流進(jìn)行有序、均勻排列。充種時(shí)由導(dǎo)種槽引流種子,型孔內(nèi)側(cè)面輔助種子進(jìn)入,排種時(shí)由型孔下側(cè)面引導(dǎo)種子滑落。建立充種和排種過程中的動(dòng)力學(xué)模型,研究型孔內(nèi)側(cè)面充種角和下側(cè)面落種角對(duì)排種器工作性能的影響。通過理論計(jì)算和DEM-CFD數(shù)值分析,確定排種器主要結(jié)構(gòu)參數(shù),并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)對(duì)其工作性能加以驗(yàn)證。

1 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣力離心組合式小麥精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要由電機(jī)、前殼體、隔板、排種盤、后殼體、底座等部件組成。排種器由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),可根據(jù)作業(yè)需求精確控制轉(zhuǎn)速。

圖1 氣力離心組合式小麥精量排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of structure of pneumatic centrifugal combined precision seed metering device for wheat1.充種管道 2.排種盤 3.充種區(qū)種群 4.底座 5.目標(biāo)種子 6.電機(jī) 7.外殼 8.觀察窗 9.被清除的多余種子 10.重回充種區(qū)的種子 11.呈有序流排出的種子 12.隔板

1.2 排種器工作過程

如圖2所示,整個(gè)工作過程可分為4個(gè)階段:充種階段、護(hù)種階段、清種階段、排種階段。在氣力作用下,小麥種子經(jīng)充種管道進(jìn)入到腔室落至充種區(qū),在型孔夾持力、擋板托持力和通孔氣流壓附力作用下完成充種。根據(jù)種子不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài),可將充種過程分為引導(dǎo)充種和穩(wěn)定夾持兩個(gè)階段。引導(dǎo)充種:排種盤經(jīng)過充種區(qū)時(shí),種子沿著導(dǎo)種槽弧線流向型孔;穩(wěn)定夾持:目標(biāo)種子脫離種群后,穩(wěn)定的壓附在型孔內(nèi),跟隨排種盤運(yùn)動(dòng)。隔板將內(nèi)部腔室劃分為回流區(qū)和排種區(qū),在清種作業(yè)時(shí),多余種子在離心力的作用下被清掉,順著回流區(qū)再次回到充種區(qū),未被清除的目標(biāo)種子到達(dá)排種區(qū)后排出,種子呈有序流動(dòng)、均勻排列。

圖2 工作過程示意圖Fig.2 Schematic of working process1.充種區(qū) 2.回流區(qū) 3.排種區(qū) 4.隔板 5.種子初始下落位置 6.上擋板 7.通孔 8.正壓氣流 9.型孔 10.引導(dǎo)充種狀態(tài) 11.穩(wěn)定夾持狀態(tài) Ⅰ.充種階段 Ⅱ.護(hù)種階段 Ⅲ.清種階段 Ⅳ.排種階段

本文所設(shè)計(jì)排種器在取種時(shí),改傳統(tǒng)平臥姿態(tài)為仰臥。目標(biāo)種子在氣流壓附力作用下,可穩(wěn)定的壓附在型孔內(nèi),避免被離心作用誤清除。充種角α?xí)绊懛N子在型孔內(nèi)的夾持姿態(tài),充種角α越大,種子所受壓附力沿排種盤徑向的分力越大,在清種作業(yè)時(shí)種子受力更牢靠;但充種角α越大表明型孔內(nèi)側(cè)面越陡,種子進(jìn)入型孔的難度增加,充種效果會(huì)有所降低。落種角β對(duì)排種質(zhì)量有較大的影響,當(dāng)落種角β越小,型孔下側(cè)面較為平緩,種子經(jīng)過落種區(qū)時(shí)能順利滑下;但落種角β越小表明型孔內(nèi)充種空間越大,易夾持住兩粒甚至多粒種子,種間相互影響,不利于播種均勻性。因此,通過對(duì)排種器工作過程進(jìn)行分析,確定符合工作性能需求的充種角α和落種角β。

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 型孔內(nèi)側(cè)面充種角參數(shù)設(shè)計(jì)

充種質(zhì)量是保證排種器作業(yè)效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[19-22]。排種盤在經(jīng)過充種區(qū)時(shí),對(duì)種子進(jìn)入型孔的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析。

如圖3所示,假設(shè)種子落入型孔內(nèi)所需時(shí)間為t,其在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng),在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方程為

圖3 充種過程示意圖Fig.3 Diagram of seed filling process1.由導(dǎo)種槽引導(dǎo)滑落的種子 2.穩(wěn)定夾持的目標(biāo)種子

(1)

(2)

式中H——型孔高度,m

h——導(dǎo)種槽深度,m

va——種子水平初速度,m/s

g——重力加速度,m/s2

整理得

(3)

此時(shí)排種盤型孔處線速度vx為

(4)

式中r——排種盤半徑,m

rk——型孔中心到種盤邊緣的徑向距離,m

n——排種盤轉(zhuǎn)速,r/min

要想種子能夠順利的進(jìn)入型孔,排種盤型孔處速度vx必須小于種子落入型孔內(nèi)所需要的水平初速度va,即

vx

(5)

整理得

(6)

目標(biāo)種子脫離種群后,隨排種盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng),當(dāng)?shù)竭_(dá)清種區(qū)時(shí),種子在離心作用下有脫離型孔向外運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),此時(shí)種子與型孔下側(cè)面未接觸,受型孔擋板的推力作用?？蓪⒎N子所受力分解到空間力系中,如圖4所示。在清種作業(yè)時(shí),型孔對(duì)種子的夾持效果主要表現(xiàn)為種子在x方向即徑向上不能向外運(yùn)動(dòng),因此對(duì)空間力系中y方向上的力不予考慮計(jì)算。

圖4 目標(biāo)種子受力分析Fig.4 Analysis of forces on target seeds1.擋板 2.型孔 3.目標(biāo)種子 4.導(dǎo)種槽

當(dāng)目標(biāo)種子有沿著徑向滑動(dòng)的趨勢(shì)時(shí),在xoy力系中,種子在x方向受到重力G、離心力Fr、壓附力Fp(主要為流場(chǎng)對(duì)種子的曳力作用)、因壓附力作用產(chǎn)生的支持力Fn和摩擦力f的作用,對(duì)其受力分析得

(7)

式中Fpx——壓附力在x方向的分力,N

fx——摩擦力在x方向的分力,N

Fnx——支持力在水平方向上的分力,N

γ——清種區(qū)與排種盤最高點(diǎn)形成的角度,(°)

A——?dú)饬鲗?duì)顆粒的作用面積,m2

U——?dú)饬魉俣?m/s

C——繞流物的阻力系數(shù)

ρ——流體密度,kg/m3

μ——摩擦因數(shù)

Fr——種子受到的離心力,N

m——種子質(zhì)量,g

ω——排種盤角速度,rad/s

在xoz力系中,種子受到通孔氣流壓附力、型孔內(nèi)側(cè)面對(duì)種子的支持力以及摩擦力的作用。此時(shí),種子在z方向上是受力平衡的,在x方向上的力可整合到xoy力系中,對(duì)其受力分析得

(8)

由式(7)、(8)可得

(9)

為使型孔內(nèi)目標(biāo)種子不被清除掉,需滿足Fx>0,整理得

(10)

由式(6)、(10)可得:當(dāng)型孔高度H、導(dǎo)種槽深度h、排種盤半徑r、型孔中心到種盤邊緣的徑向距離rk、摩擦因數(shù)μ、繞流物的阻力系數(shù)C、通孔面積、通入排種器的氣壓一定時(shí),型孔內(nèi)側(cè)面充種角與排種盤轉(zhuǎn)速和清種區(qū)所在的位置有關(guān)。根據(jù)前期試驗(yàn)可得排種盤在轉(zhuǎn)過最高點(diǎn)后25°～30°內(nèi)為清種區(qū)。在上述條件下,充種角α僅與排種盤的轉(zhuǎn)速有關(guān)。但轉(zhuǎn)速n難以直接取得精確范圍,因此通過預(yù)試驗(yàn)探究不同轉(zhuǎn)速下均較合理的充種角初始范圍。在型孔其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均不變的前提下,將充種角從0°～90°劃分為10組,分別建模并3D打印,如圖5(充種角為40°的模型)所示。經(jīng)多次試驗(yàn)得到,當(dāng)型孔內(nèi)側(cè)面充種角α為30°～60°時(shí),型孔的攜種性能較好。為了探明型孔內(nèi)側(cè)面充種角改變引起的攜種性能的變化規(guī)律,本文將通過仿真試驗(yàn)作進(jìn)一步說明。

圖5 充種角為40°時(shí)型孔模型Fig.5 Model of hole at filling angle of 40°

2.2 型孔下側(cè)面落種角參數(shù)設(shè)計(jì)

排種質(zhì)量會(huì)影響種子均勻性[23-25]。若型孔夾持住兩?；蚨嗔７N子,則種間會(huì)相互作用,種子受力不牢靠,難以保證充種質(zhì)量。同時(shí)多粒種子從同一型孔排出會(huì)影響粒距均勻性,降低排種質(zhì)量。因此對(duì)型孔下側(cè)面落種角進(jìn)行設(shè)計(jì),在排種作業(yè)時(shí)由下側(cè)面引導(dǎo)種子滑落,同時(shí)型孔內(nèi)充種空間不能穩(wěn)定夾持住多粒種子。

如圖6所示,種子在進(jìn)入型孔后,絕大部分情況都是種子寬度方向占據(jù)充種空間。對(duì)于種子而言其厚度小于寬度,因此只需限制第2粒種子在厚度方向上不能完全進(jìn)入型孔空間。當(dāng)?shù)?粒種子占據(jù)最大空間且第2粒種子恰好充入型孔時(shí),型孔在此剖面方向上的總寬度為B+H/tanβ,種子在此剖面方向上的總寬度為b+d/sinβ。為使第2粒種子不能完全進(jìn)入充種空間,應(yīng)滿足型孔在此方向上的寬度小于種子在此方向上的寬度,即

(11)

式中B——型孔寬度,m

b——種子寬度,m

d——種子厚度,m

整理得

(12)

當(dāng)排種盤到達(dá)排種區(qū)時(shí),對(duì)種子的滑落過程進(jìn)行受力分析,如圖7所示。為防止種子在運(yùn)動(dòng)過程受到擠壓從而破碎的現(xiàn)象,種子與型孔下側(cè)面存在較小的間隙ΔB。當(dāng)種子到達(dá)排種區(qū)后,種子在極短暫時(shí)間內(nèi)下落至型孔下側(cè)面處,此時(shí)型孔底側(cè)面和上側(cè)面不再對(duì)種子施加力的作用,同時(shí)種子不再隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng),離心力的作用也消失,種子在重力作用下沿下側(cè)面滑動(dòng)。種子和排種盤雖然有相對(duì)滑動(dòng),但在下滑過程中始終緊靠著型孔下側(cè)面,直至完全脫離,因此種子在下滑過程中的受力情況是恒定的。小麥種子為不規(guī)則的復(fù)雜形體,為便于分析,將種子等效成球體,此時(shí)對(duì)種子進(jìn)行受力分析有

圖7 排種過程示意圖Fig.7 Schematic of seed droping process

(13)

式中Fn2——型孔下側(cè)面對(duì)種子的支持力,N

f2——型孔下側(cè)面對(duì)種子的摩擦力,N

μ2——摩擦因數(shù)

型孔內(nèi)剩余間隙很小,種子落到下側(cè)面所經(jīng)過的時(shí)間極短,可忽略此時(shí)間內(nèi)種子速度的變化,此時(shí)種子和排種盤處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài),可認(rèn)定此刻種子的初始速度v1=0。將種子剛落到下側(cè)面時(shí)作為起始位置,假設(shè)經(jīng)過t2時(shí)間后,種子與下側(cè)面完全脫離,此時(shí)有

v2=v1+(gcosβ-μ2gsinβ)t2

(14)

(15)

式中v1——種子下滑時(shí)初速度,m/s

v2——種子完全離開型孔時(shí)速度,m/s

整理式(13)～(15)可得

(16)

在t2時(shí)間內(nèi)種子垂直方向經(jīng)過的距離為H/tanβ,排種盤在此期間一直做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榉N子下滑過程所需的時(shí)間較短,可將排種盤垂直方向經(jīng)過的距離K作為其轉(zhuǎn)過的弧長(zhǎng),所以排種盤轉(zhuǎn)過垂直距離H/tanβ所需要的時(shí)間t3為

(17)

(18)

為保證種子能順利的按照預(yù)期軌跡落下,在種子和排種盤垂直方向運(yùn)動(dòng)相同距離時(shí),種子下滑所需要的時(shí)間t2小于排種盤旋轉(zhuǎn)所需的時(shí)間t3。滿足此條件可以保證種子在下滑過程中始終緊靠著下側(cè)面直到完全脫離,避免因種子滑落過慢導(dǎo)致未能順利排出等不利于播種均勻性的情況,建立兩者時(shí)間關(guān)系方程

(19)

由式(12)、(19)可知,當(dāng)型孔高度H、型孔寬度B、種子寬度b、種子厚度d、排種盤半徑r、型孔中心到種盤邊緣的徑向距離rk一定時(shí),型孔下側(cè)面落種角β僅與排種盤轉(zhuǎn)速n有關(guān)。同理轉(zhuǎn)速n難以直接取得精確范圍,因此通過預(yù)試驗(yàn)探究不同轉(zhuǎn)速下均較合理的落種角的初始范圍。在型孔其他結(jié)構(gòu)參數(shù)均不變的前提下,將落種角從0°～90°劃分為10組,分別建模并3D打印,如圖8(落種角為50°的模型)所示。經(jīng)多次試驗(yàn)得到,當(dāng)型孔下側(cè)面落種角β為40°～70°時(shí),型孔的排種性能較好。為探明型孔下側(cè)面落種角改變引起的排種性能的變化規(guī)律,將通過仿真試驗(yàn)作進(jìn)一步研究。

圖8 落種角為50°時(shí)型孔模型Fig.8 Model of hole at droping angle of 50°

3 排種器性能仿真試驗(yàn)

3.1 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

在排種器工作過程中,種間作用、種子和氣流相互作用并存,屬于顆粒流場(chǎng)系統(tǒng)。因此為探究型孔充種角和落種角對(duì)排種器工作性能的影響,采用流體-顆粒氣固耦合數(shù)值仿真試驗(yàn)進(jìn)行分析[26-27]。選用濟(jì)麥22品種,利用五軸掃描儀來獲取種子的三維點(diǎn)云圖,經(jīng)過逆向工程處理擬合建立種子實(shí)體模型,并在EDEM中采用Bonding黏結(jié)模型進(jìn)行顆粒填充,如圖9所示。

圖9 排種器顆粒場(chǎng)與氣流場(chǎng)簡(jiǎn)化模型Fig.9 Simplified models of particle field and airflow field of seed metering device1.殼體內(nèi)部腔室 2.排種盤 3.通孔 4.型孔 5.導(dǎo)種槽

因小麥種子體積較小,排種器腔室內(nèi)種子數(shù)量較為密集,在仿真分析過程中需考慮顆粒對(duì)氣流場(chǎng)的影響,因此采用歐拉(Eulerian)雙向耦合模型。利用三維軟件建立排種器氣流場(chǎng)模型并加以網(wǎng)格劃分,可將其簡(jiǎn)化為殼體內(nèi)部腔室、排種盤、導(dǎo)種槽、型孔、通孔5部分,流場(chǎng)網(wǎng)格體積均大于黏結(jié)顆粒體積。采用滑移網(wǎng)格法(Sliding mesh),將排種盤、導(dǎo)種槽、型孔、通孔網(wǎng)格區(qū)域?qū)傩栽O(shè)定為動(dòng)態(tài)網(wǎng)格(Moving mesh),殼體內(nèi)部腔室網(wǎng)格區(qū)域默認(rèn)為靜態(tài),將各部分相接觸的平面作為交界面(Interface),用于完成動(dòng)、靜區(qū)域之間的數(shù)據(jù)交換。排種器顆粒場(chǎng)和氣流場(chǎng)模型如圖9所示。

小麥播種株距設(shè)為0.03 m,當(dāng)機(jī)組工作速度為5 km/h時(shí),排種盤轉(zhuǎn)速為695 r/min,充種管道通入風(fēng)壓為5 kPa,設(shè)置種子顆粒生成速率為100個(gè)/s,在仿真開始前期,顆粒生成后輸送到充種區(qū)需要一定的時(shí)間,經(jīng)多次仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),排種盤在仿真進(jìn)行到0.4 s后開始夾附住種子。顆粒場(chǎng)仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2×10-6s,氣流場(chǎng)仿真時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為2×10-5s,仿真總時(shí)間為2 s,小麥顆粒、排種器材料的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters setting

3.2 型孔充種角對(duì)攜種性能的影響

由2.1節(jié)可知,當(dāng)充種角為30°～60°時(shí),排種器的攜種性能較好,故將充種角等角度劃分為7組,在其他條件都相同的情況下分別進(jìn)行仿真試驗(yàn)。 圖10 為充種角45°時(shí)的仿真結(jié)果。為檢測(cè)型孔攜種作業(yè)質(zhì)量,采用型孔空隙率[28]作為評(píng)價(jià)指標(biāo),在每個(gè)型孔處設(shè)置觀測(cè)區(qū)域,該觀測(cè)區(qū)能完全覆蓋住型孔并延伸到擋板最高處,用于統(tǒng)計(jì)每一時(shí)刻觀測(cè)區(qū)內(nèi)的顆?？傮w積。型孔空隙率計(jì)算公式為

圖10 仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results

(20)

式中T——型孔空隙率,%

Vk——種子顆粒所占體積,m3

Vg——觀測(cè)區(qū)總體積,m3

如圖11a所示,當(dāng)充種角為45°時(shí),提取一型孔觀測(cè)區(qū)域整個(gè)工作過程中的型孔空隙率變化曲線,根據(jù)圖中曲線的變化規(guī)律可以將工作過程分為4個(gè)階段。排種完成階段Ⅰ:此時(shí)該型孔剛經(jīng)過排種區(qū)完成排種作業(yè),型孔空隙率從一穩(wěn)定值急劇上升,在此階段型孔還未進(jìn)入到充種區(qū),不受種子的影響,型孔空隙率最終為100%;充種初始階段Ⅱ:隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng),型孔逐漸進(jìn)入到充種區(qū),此時(shí)種子開始向型孔處流動(dòng),型孔觀測(cè)區(qū)逐漸被種子所占據(jù),型孔空隙率劇烈下降;充種后期階段Ⅲ:當(dāng)種子占據(jù)型孔空間后,開始受到周圍種群較為復(fù)雜的力的作用,會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)、移動(dòng),甚至?xí)环N群內(nèi)其他種子所替代,在這一階段型孔空隙率會(huì)發(fā)生范圍差較小的變化,當(dāng)種子即將脫離種群時(shí),其受到種群的影響逐漸變小,型孔空隙率也會(huì)逐漸升高;種子清除階段Ⅳ:當(dāng)型孔從充種區(qū)脫離到達(dá)清種區(qū)后,其攜帶的多余種子逐漸被清除掉,只剩下型孔內(nèi)的目標(biāo)種子,該階段的型孔空隙率會(huì)逐漸增大直到穩(wěn)定在一定數(shù)值。當(dāng)經(jīng)過排種區(qū)后,回歸到排種完成階段Ⅰ,型孔空隙率從穩(wěn)定值恢復(fù)到100%,再次進(jìn)行下一循環(huán)。

圖11 型孔空隙率及其改變量變化曲線Fig.11 Pore void fraction and change curves of amount of change

在充種后期階段Ⅲ,型孔空隙率變化幅度越小,證明目標(biāo)種子受力越穩(wěn)定,不易被清除掉,此時(shí)型孔的攜種性能較好。因此以充種后期階段型孔空隙率改變量(空隙率差值)為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析在不同充種角下其改變量的變化趨勢(shì)。在每個(gè)水平的仿真數(shù)據(jù)中,連續(xù)取一整圈即6個(gè)型孔的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)其均值、標(biāo)準(zhǔn)差,得到不同充種角下型孔空隙率改變量擬合曲線,如圖11b所示。

y=0.016 9x2-1.549 35x+46.846 57

(21)

對(duì)方程求解可得到型孔空隙率改變量最小時(shí)的充種角為46°,即當(dāng)前條件下充種角為46°時(shí)排種器的攜種性能較好,但此時(shí)該角度是在只考慮充種角此單一因素對(duì)攜種性能單一指標(biāo)影響的前提下求解出的,而在實(shí)際作業(yè)時(shí),充種角的改變可能會(huì)影響排種器其他性能指標(biāo),攜種性能可能也會(huì)受其他因素的影響,因此并不能說明排種器整體性能最佳時(shí)的充種角為46°,可將該計(jì)算角度作為范圍中點(diǎn)向外拓展得到排種器工作性能較好時(shí)的最優(yōu)充種角范圍。由圖11b中可以看出,充種角在36°～56°范圍內(nèi)變化時(shí)型孔空隙率改變量較小,可說明當(dāng)充種角在此范圍變化時(shí),型孔的攜種性能較好。

3.3 型孔落種角對(duì)排種性能的影響

由2.2節(jié)可知,當(dāng)落種角為40°～70°時(shí),排種性能較好。故將落種角等角度劃分為7組,在其他因素都相同的情況下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。如圖12所示,當(dāng)種子到達(dá)排種區(qū)后從型孔中滑落,經(jīng)排種管排出。經(jīng)多次仿真試驗(yàn)得到:若種子初始下落位置在圖12所標(biāo)注排種區(qū)域b中,則種子下落過程中不會(huì)碰到壁面,能順利落下;若種子在排種區(qū)域a中下落,則在下落過程中會(huì)碰到左邊壁面;若種子在排種區(qū)域c中下落,則在下落過程中會(huì)碰到右邊壁面。以上兩種“碰壁”現(xiàn)象均會(huì)改變種子運(yùn)動(dòng)軌跡,從而導(dǎo)致種子粒距不均勻,影響排種質(zhì)量。因此,在仿真試驗(yàn)中,獲取種子初始下落狀態(tài)時(shí)的位置信息,將排種管中心線作為基線,基線左側(cè)方向視為正方向,計(jì)算種子當(dāng)前位置與基線之間的距離,從而得到種子初始下落位置的橫坐標(biāo)。將種子初始下落位置的橫坐標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析在不同落種角下其排種效果。在每個(gè)水平的仿真數(shù)據(jù)中,連續(xù)取一整圈即6個(gè)種子的初始下落位置橫坐標(biāo),統(tǒng)計(jì)其均值、標(biāo)準(zhǔn)差,得到不同落種角下種子初始下落位置橫坐標(biāo)的擬合直線,如圖13所示。

圖12 不同排種區(qū)域落種情況Fig.12 Seed drop in different seeding areas

圖13 種子初始下落位置橫坐標(biāo)變化趨勢(shì)Fig.13 Trend in horizontal coordinate of initial seed drop position

y=-0.730 4x+38.865 7

(22)

由圖13可得,當(dāng)種子初始下落位置在排種管中心時(shí),即初始下落位置橫坐標(biāo)為0時(shí),種子不易發(fā)生“碰壁”現(xiàn)象,能順利落下。因此對(duì)方程求解可得到種子初始下落位置橫坐標(biāo)為0時(shí)的落種角為53°,即當(dāng)前環(huán)境下落種角為53°時(shí)排種性能較好,但此時(shí)該角度是在只考慮落種角此單一因素對(duì)排種性能單一指標(biāo)影響的前提下求解出的,而在實(shí)際作業(yè)時(shí),落種角的改變可能會(huì)影響排種器其他性能指標(biāo),排種性能可能也會(huì)受其他因素的影響,因此并不能說明排種器整體性能最佳時(shí)的落種角為53°,可將該計(jì)算角度作為范圍中點(diǎn)向外拓展得到排種器工作性能較好時(shí)的最優(yōu)落種角范圍。由圖13中可以看出當(dāng)落種角在43°～63°范圍內(nèi)變化時(shí)其不易發(fā)生種子“碰壁”現(xiàn)象,說明在此范圍內(nèi)型孔能順利的完成排種作業(yè)。

4 試驗(yàn)

選用濟(jì)麥22品種為試驗(yàn)樣本,其千粒質(zhì)量為42.3 g。搭建的試驗(yàn)臺(tái)如圖14所示,主要包括排種器、高速攝影機(jī)、集中輸送裝置、分配器、輸種管、風(fēng)機(jī)等。排種器掛接在輸種管末端,由ECMA-C10401ES型伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),該電機(jī)扭矩為0.3 N·m,轉(zhuǎn)速可在3 000 r/min內(nèi)精準(zhǔn)控制,滿足試驗(yàn)高轉(zhuǎn)速需求。試驗(yàn)在山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí),種群在風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的正壓氣流下先吹送至分配器,再分散至各輸種管,最后輸送到排種器進(jìn)種管道。經(jīng)測(cè)定,進(jìn)種管道處氣流速度為7 m/s,種子平均以初速度3 m/s進(jìn)入排種器,而后由排種器進(jìn)行有序均勻排列。采用高速攝影機(jī)對(duì)排種器工作過程加以拍攝記錄。

圖14 排種器臺(tái)架試驗(yàn)Fig.14 Seed metering device bench test1.分配器 2.增光裝置 3.高速攝影機(jī) 4.伺服電機(jī) 5.排種器外殼 6.排種盤 7.輸種管 8.風(fēng)機(jī) 9.集中輸送裝置 10.種箱

4.1 試驗(yàn)與結(jié)果分析

試驗(yàn)以型孔內(nèi)側(cè)面充種角、型孔下側(cè)面落種角、排種盤轉(zhuǎn)速為因素研究排種器工作性能。根據(jù)3.2、3.3節(jié)可得,在充種角為36°～56°范圍內(nèi),排種器攜種性能較好;在落種角為43°～63°范圍內(nèi),排種性能較好。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)得到排種盤轉(zhuǎn)速為500～800 r/min時(shí),排種器工作性能較好。進(jìn)行三因素三水平組合試驗(yàn),試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Test factors and codes

以排種器漏播率、重播率、直線落種率為試驗(yàn)指標(biāo),共進(jìn)行17組試驗(yàn)。各指標(biāo)計(jì)算公式為

(23)

式中Y1——漏播率,%

Y2——重播率,%

Y3——直線落種率,%

y——理論排種總數(shù)

y1——排種時(shí)型孔內(nèi)種子數(shù)為0的型孔數(shù)量

y2——排種時(shí)型孔內(nèi)種子數(shù)為2粒及以上的型孔數(shù)量

y3——種子能直線下落(即在落種過程中不碰壁、不改變運(yùn)動(dòng)軌跡)的數(shù)量

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析,試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表3所示,X1、X2、X3分別表示充種角、落種角、轉(zhuǎn)速編碼值。

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Experimental design and results

根據(jù)表4可得,影響漏播率的因素主次順序?yàn)槌浞N角、排種盤轉(zhuǎn)速、落種角,其中充種角、排種盤轉(zhuǎn)速、落種角對(duì)漏播率的影響均極顯著,充種角和落種角的交互作用對(duì)漏播率的影響極顯著;影響重播率的因素主次順序?yàn)槌浞N角、落種角、排種盤轉(zhuǎn)速,其中充種角、落種角、排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)重播率的影響均極顯著,充種角和落種角的交互作用對(duì)重播率的影響極顯著;影響直線落種率的因素主次順序?yàn)槁浞N角、排種盤轉(zhuǎn)速、充種角,其中落種角、排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)直線落種率的影響均極顯著,充種角對(duì)直線落種率的影響顯著,落種角和轉(zhuǎn)速的交互作用、落種角和充種角的交互作用對(duì)直線落種率的影響均顯著。剔除不顯著因素后,建立漏播率Y1、重播率Y2和直線落種率Y3的回歸方程

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

(24)

(25)

(26)

為獲得排種器最佳工作性能下的因素組合,利用Design-Expert軟件的優(yōu)化模塊,以最小的漏播率和重播率、最大的直線落種率為優(yōu)化目標(biāo),建立優(yōu)化方程并求解得:當(dāng)型孔內(nèi)側(cè)面充種角為47.75°、型孔下側(cè)面落種角為52.48°、轉(zhuǎn)速為635.5 r/min時(shí),排種器工作性能最優(yōu),此時(shí),漏播率為2.78%、重播率為3.73%、直線落種率為93.46%。

4.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)效果,將參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化:型孔內(nèi)側(cè)面充種角為47.8°、型孔下側(cè)面落種角為52.5°、轉(zhuǎn)速為636 r/min。在其他因素不改變的前提下進(jìn)行多次試驗(yàn)。結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)排種器的漏播率平均值為2.91%、重播率平均值為3.89%、直線落種率平均值為93.32%。試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致,符合小麥精量播種要求。

4.3 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)所設(shè)計(jì)排種器的田間作業(yè)性能,在山東省濟(jì)南市章丘區(qū)棗園試驗(yàn)基地進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)地為已耕地,地表較為平整。試驗(yàn)選用濟(jì)麥22品種,設(shè)定播種粒距為3 cm,排種盤型孔內(nèi)側(cè)面充種角為47.8°、下側(cè)面落種角為52.5°,排種盤轉(zhuǎn)速分別取552、635、718、800 r/min。選取播種機(jī)相鄰兩行,一行末端放置所設(shè)計(jì)排種器,另一行作為對(duì)照組,田間試驗(yàn)及播種效果對(duì)比如圖15所示。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,統(tǒng)計(jì)壟長(zhǎng)10 m內(nèi)種子播種情況,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Vibration simulation test results %

圖15 田間試驗(yàn)及播種效果對(duì)比圖Fig.15 Comparison of field trials and sowing results

由表5可得,受田間作業(yè)環(huán)境地面平整度以及機(jī)組自身振動(dòng)因素影響,排種器工作性能略有降低。在較高工作速度作業(yè)下,漏播率有所上升,排種合格率有所降低,但在各速度水平下,排種器漏播率低于8.9%、重播率低于4.3%、排種合格率高于88.6%,符合小麥精量播種要求。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)傳統(tǒng)小麥播種以無序種流、不定量排出的方式存在脈動(dòng)性高、均勻性差的問題,設(shè)計(jì)了一種氣力離心組合式小麥精量排種器。建立充種和排種過程的動(dòng)力學(xué)模型,研究型孔內(nèi)側(cè)面充種角和下側(cè)面落種角對(duì)排種器工作性能的影響,并通過預(yù)試驗(yàn)確定充種角和落種角的初始范圍。

(2)采用DEM-CFD軟件進(jìn)行仿真分析,分別探究型孔充種角對(duì)攜種性能、型孔落種角對(duì)排種性能的影響,進(jìn)一步優(yōu)化充種角和落種角的范圍。仿真結(jié)果表明:當(dāng)充種角在36°～56°范圍內(nèi)變化時(shí),排種器攜種性能較好;落種角在43°～63°范圍內(nèi)變化時(shí),排種器排種性能較好。

(3)以型孔內(nèi)側(cè)面充種角、型孔下側(cè)面落種角、排種盤轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素,以排種器漏播率、重播率、直線落種率為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行三因素三水平組合試驗(yàn),得到排種器最佳工作性能下組合參數(shù):充種角為47.75°、落種角為52.48°、轉(zhuǎn)速為635.5 r/min,此時(shí),漏播率為2.78%、重播率為3.73%、直線落種率為93.46%。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

(4)田間試驗(yàn)結(jié)果表明,受作業(yè)環(huán)境地面平整度以及機(jī)組自身振動(dòng)因素影響,排種器工作性能略有降低,但在排種盤轉(zhuǎn)速552～800 r/min范圍內(nèi),排種器漏播率低于8.9%、重播率低于4.3%、排種合格率高于88.6%,符合小麥精量播種要求。