驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

史 嵩 周紀(jì)磊 劉 虎 方會(huì)敏 薦世春 張榮芳

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250010)

0 引言

單粒精量播種技術(shù)可以節(jié)約良種、實(shí)現(xiàn)種子在田間的均勻分布，是提高作物單產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本的重要手段[1]。作物生產(chǎn)主要依賴機(jī)械化，播種質(zhì)量離不開高性能的精密播種機(jī)，而精量排種器作為播種機(jī)的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)載體，其工作性能直接影響播種機(jī)的作業(yè)質(zhì)量和工作效率[2]。

氣吸式排種器工作過程一般分為充種、清種、護(hù)種、投種4個(gè)環(huán)節(jié)[3-4]，充種是后續(xù)各環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)[5-6]。隨著播種機(jī)作業(yè)速度的提高及相應(yīng)排種盤轉(zhuǎn)速的增加，充種時(shí)型孔處氣流力作用時(shí)間縮短、離心力增大，導(dǎo)致充種性能下降，嚴(yán)重影響播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量。因此，對于氣吸式排種器，充種性能是其作業(yè)速度提升的關(guān)鍵[7]。

針對此問題，國內(nèi)學(xué)者對排種器充種性能進(jìn)行了深入研究。張國忠等[8-9]在排種盤上設(shè)計(jì)了一種直線型攪種齒，形成種子“翻動(dòng)”，提高了種子流動(dòng)性，降低漏充的概率。楊麗等[10-12]采用機(jī)械輔助的充種方式，設(shè)計(jì)了一種凸臺(tái)式排種盤，在擾動(dòng)種群的同時(shí)托持種子，起到輔助充種的作用；陳進(jìn)等[13-14]利用電磁振動(dòng)的方法，將種子振動(dòng)至沸騰狀態(tài)，達(dá)到降低種間阻力和輔助充種的目的；祁兵等[15-16]采用氣流擾動(dòng)的方法，將正壓氣流引入充種區(qū)種群的底部，將種子群體“流態(tài)化”，達(dá)到提高充種性能的目的。上述研究均能提高排種器的充種性能，但大多都需要破壞種子原本密集接觸體系，對外力強(qiáng)度有較高要求[17-19]。此外，該擾動(dòng)過程中種子群體接觸狀態(tài)多變且難以預(yù)測，存在再次阻礙充種的不穩(wěn)定因素[20]。

本文針對氣吸式排種器高速作業(yè)時(shí)因充種性能不佳造成排種質(zhì)量下降的問題，將曲線型導(dǎo)種槽融入排種盤，設(shè)計(jì)一種驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式精量排種器。借助原有種子群體接觸體系，在種子充填的吸附跟隨階段，驅(qū)導(dǎo)種子主動(dòng)沿導(dǎo)種槽的曲線方向移動(dòng)，逐漸靠近型孔；在脫離種群階段，帶動(dòng)種子群體形成松散的接觸狀態(tài)，降低種間接觸和移出阻力。對排種器充種過程進(jìn)行分析，通過理論計(jì)算以及CFD-DEM數(shù)值分析，確定排種盤導(dǎo)種槽的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對其進(jìn)行臺(tái)架對比試驗(yàn)和田間驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 整體結(jié)構(gòu)及充種過程分析

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由下殼體、清種刀、上殼體、排種盤、擋種毛刷帶和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等零部件組成。轉(zhuǎn)動(dòng)清種調(diào)整輪可改變內(nèi)外清種刀位置，控制清種力度。排種盤由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定的株距等參數(shù)，隨機(jī)具的前進(jìn)速度按照一定傳動(dòng)關(guān)系比例同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式精量排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of pneumatic precision seed-metering device with guided assistant seed-filling1.上殼體 2.下殼體 3.充種區(qū)種群 4.被吸附的種子 5.清種調(diào)整輪 6.清種刀 7.排種盤 8.負(fù)壓氣管 9.擋種毛刷帶 10.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 11.排種盤導(dǎo)種槽 12.型孔

排種器工作時(shí)，利用氣流在排種盤型孔兩側(cè)形成壓差，將種子吸附在排種盤上，而后種子隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，脫離密集堆積的種群，完成分離過程；隨后種子進(jìn)入清種區(qū)，在內(nèi)外清種刀的反復(fù)觸碰下，在型孔上留下單粒種子，完成定量過程；在落種區(qū)，型孔負(fù)壓氣流被阻斷后，種子依靠自重經(jīng)導(dǎo)種管落入種床，完成整個(gè)排種過程。

1.2 充種過程分析

根據(jù)種子的受力狀態(tài)和所處位置的變化規(guī)律，可以將充種過程分為2個(gè)階段：①吸附跟隨階段。隨機(jī)進(jìn)入型孔氣流力控制范圍內(nèi)的種子，會(huì)在型孔處的氣流吸附下，跟隨轉(zhuǎn)動(dòng)的排種盤發(fā)生滑移拖動(dòng)。②脫離種群階段。在型孔氣流力拖動(dòng)下，種子不斷克服種間的移動(dòng)阻力，直至占據(jù)型孔優(yōu)勢位置，被完全吸附在型孔上，隨排種轉(zhuǎn)動(dòng)盤脫離種群[21-22]。

在吸附跟隨階段，進(jìn)入型孔氣流力控制區(qū)內(nèi)的種子，當(dāng)達(dá)到受力臨界條件時(shí)，會(huì)在型孔吸附作用下，跟隨排種盤產(chǎn)生位移，目標(biāo)種子需要由靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，最終達(dá)到與型孔相同的速度，這個(gè)過程除了受型孔氣流力的影響，還受到來自周圍種群對目標(biāo)種子擠壓力的影響，隨機(jī)性較大，如圖2所示。為了提高該階段充種性能，通過在排種盤上增加導(dǎo)種槽，對種子起到一定的托持作用，將排種盤對種子的作用形式，由摩擦力改為托持力，在種子進(jìn)入氣流力控制區(qū)之前，使其先產(chǎn)生速度，主動(dòng)向型孔方向移動(dòng)，以運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)入型孔氣流控制區(qū)，提高種子附著幾率與型孔吸種效率。

圖2 不同形式排種盤吸附跟隨階段種子接觸狀態(tài)Fig.2 Contact status of seed during state of adsorption and companion with different plates1.氣流力控制區(qū)內(nèi)的種子 2.目標(biāo)種子 3.氣流力控制區(qū)外的種子 4.型孔 5.排種盤 6.排種盤導(dǎo)種槽

在脫離種群階段，種子即將突破種層線完成充種，目標(biāo)種子在型孔氣流力吸附拖動(dòng)下，逐漸占據(jù)型孔，而上層種子在接觸力與自重的作用下，阻礙其脫離種群[23]，如圖3所示。為了提高該階段充種性能，通過導(dǎo)種槽對種群上層種子產(chǎn)生擾動(dòng)，提高該區(qū)種群松散程度，間接降低種間接觸及其產(chǎn)生的移出阻力，輔助目標(biāo)種子最終突破種層線，順利完成整個(gè)充種過程。

圖3 不同形式排種盤脫離種群階段種群狀態(tài)Fig.3 Status of seeds when seeds broke away from seed group with different plates1.型孔 2.目標(biāo)種子 3.上層種子 4.種層線 5.排種盤導(dǎo)種槽 6.上層種群擾動(dòng)區(qū)域

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 排種盤導(dǎo)種槽曲線設(shè)計(jì)

吸附跟隨階段，在氣流力作用下，靠近型孔的種子在進(jìn)入型孔氣流力控制區(qū)后，會(huì)由靜止?fàn)顟B(tài)逐漸達(dá)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，該過程中還需要不斷地克服種間阻力，因此型孔吸附效率較低，易出現(xiàn)漏充、空穴。利用曲線導(dǎo)向作用，驅(qū)使種子主動(dòng)向型孔方向移動(dòng)，促使種子以運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)，進(jìn)入型孔氣流力控制區(qū)內(nèi)，以提高型孔吸附種子的成功率。

為了使導(dǎo)種槽驅(qū)導(dǎo)種子靠近型孔過程中，能夠帶動(dòng)種群由內(nèi)向外運(yùn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)種子絕對運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，考慮使其沿著導(dǎo)種槽起始點(diǎn)基圓切線方向作直線運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。在初始時(shí)刻，排種盤上的N點(diǎn)，經(jīng)過時(shí)間t后轉(zhuǎn)過λ，到達(dá)A點(diǎn)。初始時(shí)刻位于N點(diǎn)的種子，經(jīng)過時(shí)間t后到達(dá)K點(diǎn)，為確保種子在進(jìn)入型孔氣流力控制區(qū)時(shí)，具有與型孔相同的切線速度，應(yīng)使種子運(yùn)動(dòng)在切線方向的速度分量與所在排種盤位置點(diǎn)的切線速度相等，同時(shí)還需保持種子絕對運(yùn)動(dòng)軌跡為直線。因此，種子相對于坐標(biāo)OYZ的絕對運(yùn)動(dòng)為變加速直線運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過時(shí)間t后，種子在K點(diǎn)處的速度為

v1=v2/cosφ

(1)

其中

(2)

將式(2)代入式(1)得

v1=Rω/cos2(kωT)

(3)

圖4 排種盤導(dǎo)種槽曲線方程推導(dǎo)Fig.4 Derivation of disturbance groove curve equation1.種子相對運(yùn)動(dòng)軌跡 2.目標(biāo)種子 3.種子絕對運(yùn)動(dòng)軌跡 4.移動(dòng)過程的種子 5.型孔 6.排種盤導(dǎo)種槽 7.排種盤

經(jīng)過時(shí)間t后種子絕對運(yùn)動(dòng)位移為

(4)

式中v1——種子在K點(diǎn)處的速度，m/s

v2——種子在K點(diǎn)切線方向的速度分量，m/s

ω——排種盤角速度，rad/s

R——導(dǎo)種槽曲線基圓半徑，m

R1——K點(diǎn)距離圓心O的距離，m

φ——線段OK與ON的夾角，rad

k——種子轉(zhuǎn)角速率系數(shù)，取0.1～0.9

T——種子運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

t——種子實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

λ——排種盤經(jīng)過時(shí)間t轉(zhuǎn)過的角度，rad

排種盤作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，種子絕對運(yùn)動(dòng)為直線變加速運(yùn)動(dòng)，以排種盤作為動(dòng)坐標(biāo)系時(shí)，種子存在一條相對運(yùn)動(dòng)軌跡。為了使導(dǎo)種槽能夠驅(qū)導(dǎo)種子按照設(shè)定的路線移動(dòng)，導(dǎo)種槽的曲線方程需與種子相對軌跡保持一致，曲線參數(shù)表達(dá)式為

(5)

其中

θ=λ-φ

(6)

R1=R/cosφ

(7)

將式(6)、(7)代入(5)得

(8)

其中

tanφ=lNK/R

(9)

簡化后得

(10)

式中xK——K點(diǎn)在絕對坐標(biāo)系中的X軸坐標(biāo)值，m

yK——K點(diǎn)在絕對坐標(biāo)系中的Y軸坐標(biāo)值，m

θ——線段OA與OK的夾角，rad

ξ——λ值域的上限，rad

可得R1表達(dá)式為

(11)

種子在排種盤上的相對運(yùn)動(dòng)軌跡為基圓半徑為R的曲線(式(10))。由于R1需小于型孔定位圓半徑，因此λ取值上限ξ的范圍為37.13°～42.02°，不同導(dǎo)種槽曲線基圓半徑R會(huì)改變曲線的平滑程度，進(jìn)而在種子脫離種群階段，影響其對種層線周圍種群的擾動(dòng)效果，將利用仿真對該參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 種子在導(dǎo)種槽內(nèi)受力分析

為了使種子可以順利地沿設(shè)計(jì)的種子軌跡曲線向型孔移動(dòng)，對種子在導(dǎo)種槽內(nèi)的受力進(jìn)行了分析，如圖5所示。在該過程中，種子主要與導(dǎo)種槽斜面接觸，接觸點(diǎn)為o′，以此點(diǎn)為原點(diǎn)，以垂直于排種盤方向?yàn)閤軸，以種子軌跡曲線的切線方向?yàn)閥軸、法線方向?yàn)閦軸，建立空間直角坐標(biāo)系o′xyz。

圖5 種子在導(dǎo)種槽內(nèi)的受力分析Fig.5 Stress analysis of seed in disturbance groove1.排種盤 2.目標(biāo)種子 3.導(dǎo)種槽斜面 4.型孔 5.種子重心6.種子與斜面接觸點(diǎn) 7.種子軌跡曲線

在o′xz平面，種子受到垂直于斜面的種群擠壓力、沿斜面方向的摩擦力、垂直于斜面的支持力, 在x軸的方向，種子受力平衡，受力方程為

Nsinσ=fssinσ+fm2cosσ

(12)

其中

fm2=Nμ

(13)

可得

fs=N(1-μcotσ)

(14)

式中N——導(dǎo)種槽斜面對種子支持力，N

fs——種群對種子施加的擠壓力，N

fm2——沿斜面方向的摩擦力，N

σ——導(dǎo)種槽斜面傾斜角，rad

μ——種子與排種盤滑動(dòng)摩擦因數(shù)

在o′yz平面，種子受到豎直方向的重力G、沿著y軸的摩擦力fm1、沿著z軸的合力Q。合力Q是在o′xz平面上的支持力、摩擦力、種群擠壓力在z軸分力之和，在z軸方向種子受力平衡，受力方程為

(15)

可得

G=μN(yùn)cscσsecτ

(16)

式中τ——重力與z軸之間的夾角，rad

為了使種子能夠順利沿著導(dǎo)種槽軌跡線運(yùn)動(dòng)，應(yīng)確保其有沿y軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的趨勢，即各力在y軸的分力之和為負(fù)，即

Gsinτ≥fm1

(17)

將式(16)代入式(17)，可得

sinσ≤tanτ

(18)

圖4中λ為種子軌跡曲線參數(shù)，與導(dǎo)種槽內(nèi)的種子與排種盤中心點(diǎn)O之間的距離有關(guān)，由式(11)中的R1決定；點(diǎn)A′為導(dǎo)種槽種子軌跡曲線起點(diǎn)，υ為線段OA′與排種盤水平線的夾角，該角與型孔充種位置有關(guān)。本文設(shè)計(jì)的排種器種層線處于水平位置，為了使種子在脫離種層時(shí)，仍受到導(dǎo)種槽的驅(qū)導(dǎo)作用，因此取υ=0，此時(shí)τ=λ，在確定種子軌跡曲線基圓半徑R后，通過式(11)與式(18)可以確定σ的取值范圍。σ過小會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)種槽斜面消失，在與種群接觸、驅(qū)導(dǎo)、擾動(dòng)的過程中，易對種子造成損傷，因此在求解σ時(shí)，取值域的最大值。

3 排種盤導(dǎo)種槽擾種仿真

采用局部空隙率作為指標(biāo)，分析不同導(dǎo)種槽曲線對顆粒群體松散程度的影響關(guān)系，得到最佳的曲線方程基圓半徑。在由種子群體構(gòu)成的離散態(tài)顆粒物質(zhì)體系內(nèi)，氣流與種子、種子與種子互相作用頻繁，具有較為復(fù)雜的性質(zhì)，很難通過理論計(jì)算推導(dǎo)出局部空隙率的變化規(guī)律，而傳統(tǒng)檢測手段又無法準(zhǔn)確測量出運(yùn)動(dòng)條件下的種群局部空隙率。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展，本文利用離散體仿真軟件EDEM，采用流體-顆粒氣固耦合數(shù)值仿真試驗(yàn)，進(jìn)行曲線方程基圓半徑的優(yōu)化計(jì)算。

3.1 種子的顆粒模型

選擇黃淮海地區(qū)常見的登海605玉米種子作為建模對象，按照該品種種子的外形特點(diǎn)，將其劃分為寬扁型、圓扁形、類圓形，每類各選取1粒具有代表性的種子。借助藍(lán)光三維掃描，獲取3粒種子的外形點(diǎn)云數(shù)據(jù)；經(jīng)過逆向工程處理，通過非均勻有理B樣條曲面(NURBS)擬合建立種子實(shí)體模型。

利用離散元仿真軟件的顆粒粘結(jié)模型(Hertz-Mindlin with bonding)，采用網(wǎng)格快速填充法和用戶自定義顆粒工廠(API-Factory)顆粒替換法，得到由數(shù)百個(gè)小顆粒粘結(jié)而成的玉米仿真顆粒模型，如圖6所示，圖中從上到下依次為3類種子的真實(shí)圖像、通過NURBS曲面構(gòu)建的種子實(shí)體模型和種子顆粒填充粘結(jié)模型[24-25]。

圖6 玉米種子仿真模型Fig.6 Simulation models of corn seeds

3.2 排種器的仿真模型與仿真參數(shù)

驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式排種器種子顆粒堆積較為密集，氣固耦合仿真分析中顆粒對氣流場的影響不能忽略，因此采用歐拉(Eulerian)雙向耦合模型進(jìn)行仿真，曳力模型為自由流動(dòng)模型(Free-strem)。排種器氣流場模型簡化為上殼體、導(dǎo)種槽、型孔等6部分。采用滑移網(wǎng)格法(Sliding mesh)，將導(dǎo)種槽與型孔體網(wǎng)格區(qū)域?qū)傩栽O(shè)定為動(dòng)態(tài)網(wǎng)格(Moving mesh)，其他部分網(wǎng)格區(qū)域默認(rèn)為靜止，利用設(shè)定交界面(Interface)完成動(dòng)、靜區(qū)域之間的數(shù)據(jù)交換。采用三角網(wǎng)格單獨(dú)建立排種盤面網(wǎng)格，便于在EDEM軟件中形成完整的排種盤結(jié)構(gòu)。排種器網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 排種器氣流場簡化模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing model of airflow field of simplified seed meter1.上殼體 2.排種盤 3.導(dǎo)種槽 4.型孔 5.密封氣道 6.進(jìn)氣道

以現(xiàn)有排種盤結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析曲線基圓半徑對種群上層松散程度的影響，仿真選取0.13～0.17 m共9個(gè)不同的基圓半徑，具體尺寸如圖8所示。

圖8 不同基圓半徑的導(dǎo)種槽Fig.8 Disturbance grooves with different base radii

排種器中排種盤、清種刀等與種子發(fā)生接觸的部件，均采用聚己二酰己二胺材料(尼龍66)。經(jīng)過參數(shù)標(biāo)定后，確定了顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸參數(shù)[26-27]。玉米顆粒、尼龍材料的力學(xué)性能和相互之間的接觸參數(shù)如表1所示。

表1 氣固耦合仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of air-solid coupling

仿真設(shè)定排種盤角速度為2 rad/s(株距為0.247 m時(shí)，前進(jìn)速度為10.1 km/h),進(jìn)氣口壓力為-5 kPa,顆粒場仿真時(shí)間步長為1×10-5s，氣流場仿真時(shí)間步長為5×10-4s，玉米種子顆粒個(gè)數(shù)為300個(gè)，顆粒替換粘結(jié)后，總顆粒數(shù)為1.03×105個(gè)，仿真總時(shí)間3 s。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真以導(dǎo)種槽曲線基圓半徑為變量，共進(jìn)行9個(gè)水平的試驗(yàn)，采用EDEM的API-Factory完成初始狀態(tài)種子顆粒的快速生產(chǎn)，確保每次仿真種子顆粒的初始位置保持一致，圖9為基圓半徑0.155 m的氣固耦合仿真結(jié)果。

圖9 氣固耦合仿真結(jié)果Fig.9 Descriptions of airflow field of air-solid coupling simulation and particle field1.充種區(qū)種子顆粒 2.型孔處種群局部空隙率觀測區(qū) 3.清種刀 4.導(dǎo)種槽 5.排種盤 6.密封氣道 7.進(jìn)氣口

在每個(gè)型孔處設(shè)置觀測區(qū)(Geometry bin group)，觀測區(qū)為圓臺(tái)形(圖9)，提取每一時(shí)刻觀測區(qū)的顆?？倲?shù)量，型孔處局部空隙率計(jì)算公式為

η=(1-nPVP/VG)×100%

(19)

式中η——型孔處顆粒局部空隙率，%

nP——觀測區(qū)內(nèi)粘結(jié)小顆粒個(gè)數(shù)

VP——粘結(jié)小顆粒的體積，m3

VG——觀測區(qū)圓臺(tái)形體積，m3

如圖10所示，根據(jù)充種過程中型孔局部空隙率的變化趨勢，可以將其分為4個(gè)區(qū)，在無種區(qū)Ⅰ，型孔剛剛完成上個(gè)排種周期，型孔上無種子，因此局部空隙率為100%；隨著排種盤進(jìn)入充種區(qū)Ⅱ，型孔設(shè)置的觀測區(qū)逐漸被種子填充，局部空隙率達(dá)到最低值；當(dāng)種子即將脫離種群時(shí)，觀測區(qū)內(nèi)的顆粒數(shù)量迅速下降，局部空隙率快速升高(脫離種群區(qū)Ⅲ)；當(dāng)種子完全脫離種群后，觀測區(qū)內(nèi)的顆粒數(shù)量趨于平穩(wěn)(清種投種區(qū)Ⅳ)，直至種子排出。

圖10 局部空隙率隨時(shí)間變化趨勢Fig.10 Tendency of local void ratio with time

在脫離種群區(qū)的開始階段，如型孔處顆粒局部空隙率越高，則吸附在型孔上的種子與周圍種子接觸的幾率就越小，受到種間移出阻力也會(huì)相應(yīng)減小，此時(shí)排種盤導(dǎo)種槽擾動(dòng)種子效果最佳。本文將以脫離種群區(qū)開始階段的局部空隙率作為評價(jià)指標(biāo)，分析曲線基圓半徑對其變化的影響。在每個(gè)水平的仿真數(shù)據(jù)中，提取同時(shí)段內(nèi)18個(gè)連續(xù)型孔的數(shù)據(jù)，計(jì)算局部空隙率，對其均值、置信區(qū)間內(nèi)上下限、最小顯著性差異(LSD)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，均值差的顯著水平為0.05，結(jié)果如圖11所示。

圖11 導(dǎo)種槽曲線基圓半徑與局部空隙率關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between base radius of disturbance groove and local void ratio

由圖11可以看出，最高點(diǎn)數(shù)值與兩側(cè)較低點(diǎn)數(shù)值之間的均值存在顯著差異，因此極值點(diǎn)附近存在曲線基圓半徑最佳值。利用SPSS軟件對各數(shù)值點(diǎn)的均值進(jìn)行回歸分析，回歸方程為

η=-4 493.5R2+1 415.71R-47.592

(20)

求解極值點(diǎn)得到最佳基圓半徑為0.158 m，根據(jù)式(11)、(18)，最終確定了σ的取值范圍為62°～70°。根據(jù)排種盤導(dǎo)種槽設(shè)計(jì)參數(shù)，完成了排種器的加工試制。

4 試驗(yàn)

選用山東登海種業(yè)的登海605玉米雜交種，樣本平均千粒質(zhì)量339.1 g，含水率13.2%。在PS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái)上完成臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法按照《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》的規(guī)定。驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸排種器由獨(dú)立的伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，種床帶相對于排種器單向運(yùn)動(dòng)，模擬播種機(jī)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，種子落入粘稠油液模擬的開溝種床帶上，通過試驗(yàn)臺(tái)高速攝像及圖像識(shí)別記錄粒距，并進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如圖12所示。

圖12 排種器臺(tái)架試驗(yàn)Fig.12 Bench test of seed meter1.伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 2.伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3.驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸排種器 4.負(fù)壓氣管 5.種床帶

4.1 雙因素試驗(yàn)

為了初步確定排種器最佳工作壓力以及適應(yīng)的作業(yè)速度范圍，以前進(jìn)速度、工作壓力為因素，進(jìn)行了排種器雙因素重復(fù)試驗(yàn)，因素水平如表2所示。

試驗(yàn)設(shè)置理論株距0.247 m，以粒距合格指數(shù)和漏播指數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。從圖13a可以看出，當(dāng)工作壓力為-3.5～-4 kPa

表2 試驗(yàn)因素水平Tab.2 Levels of test factors

圖13 工作壓力與前進(jìn)速度對排種器性能的影響Fig.13 Influence of working pressure and forward speed on performance of seed meter

時(shí)，排種器隨著前進(jìn)速度的增加，合格指數(shù)逐步下降，工作壓力-4～-6 kPa，各速度段的合格指數(shù)趨于平穩(wěn)；從圖13b可以看出，當(dāng)工作壓力為-3.5～-4 kPa時(shí)，漏播較為嚴(yán)重。

為了獲得排種器最佳工作參數(shù)，利用Design-Expert軟件的回歸和優(yōu)化模塊，對排種器工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，回歸方程為

A=104.28+0.77P-1.08S-0.18PS

(21)

M=-1.58-0.61P+0.64S+0.19PS+0.02S2

(22)

式中A——粒距合格指數(shù)，%

M——漏播指數(shù)，%

P——工作壓力，kPa

S——前進(jìn)速度，km/h

以粒距合格指數(shù)和漏播指數(shù)為最終優(yōu)化目標(biāo)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合各因素邊界條件，進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(23)

如式(23)所示，在較小的工作壓力下，獲得較高合格指數(shù)和較低的漏播指數(shù)，且要求漏播指數(shù)控制在1.5%以內(nèi)，由于大田生產(chǎn)對漏播要求較為嚴(yán)格，因此本文將提高對漏播指數(shù)控制的權(quán)重，各目標(biāo)函數(shù)的權(quán)重賦值如表3所示。

表3 各目標(biāo)函數(shù)約束條件Tab.3 Constraints of objective functions

在Design-Expert軟件按照表3完成參數(shù)設(shè)置，得到臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)5種常用速度下的最佳工作壓力，同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明回歸方程可以較好地預(yù)測最佳工作壓力，結(jié)果如表4所示。

表4 最佳工作參數(shù)與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Optimal working parameters and verification test results

4.2 對比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式精量排種器在高速條件下提升排種器充種率的效果，選用其他2種氣吸式排種器進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所示。

表5 對比試驗(yàn)排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.5 Structure parameters of different seed-metering devices

采用單因素試驗(yàn)，速度選取5、6、7、8、9、10、11、12 km/h共8個(gè)因素水平，設(shè)理論粒距為0.247 m，工作壓力分別選用-6、-5 kPa，本文排種器最佳工作壓力為-5 kPa，其他2個(gè)最佳工作壓力為-6 kPa。圖14為排種器臺(tái)架對比試驗(yàn)的情況。

圖14 排種器臺(tái)架對比試驗(yàn)Fig.14 Comparative bench tests of different seed meters1.攪種圓柱 2.攪種撥片 3.導(dǎo)種槽

以型孔離開種層時(shí)的位置作為初始點(diǎn)，以清種區(qū)開始端作為終止點(diǎn)，利用高速攝像機(jī)記錄該區(qū)的影像，將離開觀察區(qū)型孔上無種子的情況判定為漏充，漏充率計(jì)算式為

L=nm/Np×100%

(24)

式中L——排種器漏充率，%

nm——漏充的型孔個(gè)數(shù)

Np——所記錄的總型孔個(gè)數(shù)

每組試驗(yàn)檢測不低于250個(gè)型孔數(shù)，每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。

圖15 各排種器漏充率隨前進(jìn)速度的變化曲線Fig.15 Changing curves of missing rate and forward speeds under setting pressure

從圖15可以看出，工作壓力為-5 kPa時(shí)，隨著前進(jìn)速度的增加，1號(hào)和2號(hào)排種器的漏充率均出現(xiàn)了不同程度的增大，當(dāng)前進(jìn)速度為12 km/h時(shí)，兩個(gè)排種器漏充率都超過了7%，本文排種器在各個(gè)前進(jìn)速度水平上漏充率均低于1.5%。當(dāng)工作壓力為-6 kPa時(shí)，1號(hào)和2號(hào)排種器漏充率在各個(gè)速度水平上都有所下降，其中2號(hào)排種器在10 km/h時(shí)，漏充率仍保持在1%以內(nèi)，但在12 km/h高速狀態(tài)下，漏充率又迅速上升至3%，而本文排種器的漏充率一直維持在1%以內(nèi)。綜上分析，在型孔尺寸相近的情況下，本文排種器導(dǎo)種槽結(jié)構(gòu)能夠有效提升高速作業(yè)充種性能，且在一定程度上降低排種器充種環(huán)節(jié)對工作壓力的需求。

4.3 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式精量排種器的工作性能，2017年10月在濟(jì)南市章丘區(qū)棗園試驗(yàn)基地進(jìn)行了田間試驗(yàn)，選用2BMZF-4I型氣力式電驅(qū)玉米免耕播種機(jī)，在進(jìn)行排種器田間試驗(yàn)的同時(shí)，該機(jī)也完成了機(jī)械工業(yè)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心(濟(jì)南)的檢測。圖16為排種器田間試驗(yàn)與整機(jī)檢測情況。

圖16 排種器田間試驗(yàn)與檢測情況Fig.16 Test situation of seed meter in field1.種箱 2.播種機(jī)單體 3.驅(qū)導(dǎo)輔助充種排種器 4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)

試驗(yàn)配套拖拉機(jī)動(dòng)力為110 kW，風(fēng)機(jī)為液壓馬達(dá)直驅(qū)，通過油門及節(jié)流閥控制液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速，工作壓力為-5 kPa，誤差為±0.3 kPa；排種盤由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，按照設(shè)定的株距隨機(jī)具前進(jìn)速度同步轉(zhuǎn)動(dòng)；試驗(yàn)地地表為已耕地，地面較為平整；試驗(yàn)小區(qū)長度設(shè)置為50 m，前20 m為加速區(qū)，后30 m為數(shù)據(jù)采集測區(qū)；試驗(yàn)共使用4個(gè)國標(biāo)性能指標(biāo)和1個(gè)自定義指標(biāo)，其中排種準(zhǔn)確度為自定義指標(biāo)，主要考察在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)，排種器實(shí)際排量與理論排量的差距，反映排種器排種粒數(shù)的準(zhǔn)確性，其計(jì)算公式為

J=(nc-1)/(Lp/SL)×100%

(25)

式中J——排種準(zhǔn)確度，%

nc——測區(qū)內(nèi)種子的個(gè)數(shù)

Lp——測區(qū)內(nèi)頭種和尾種之間的距離，m

SL——理論粒距，m

試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，每個(gè)速度水平重復(fù)3次試驗(yàn)，對因素各水平進(jìn)行了最小顯著性差異(LSD)分析，均值差的顯著水平為0.05，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 排種器田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Test result of seed meter in field %

注：同列不同小寫字母表示相關(guān)性顯著。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著作業(yè)速度的增加，漏播指數(shù)和變異系數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)、重播指數(shù)、排種準(zhǔn)確度均有所下降，各速度水平下，粒距合格指數(shù)穩(wěn)定在91%以上，其他各項(xiàng)數(shù)據(jù)均優(yōu)于國標(biāo)要求。

由LSD分析可以看出，11.6 km/h水平下的合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)與其他2個(gè)水平的均值存在顯著差異，這說明11.6 km/h時(shí)排種器性能發(fā)生明顯變化。從排種準(zhǔn)確度來看，3個(gè)速度水平相差不大，且均值差異不顯著。試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)種子落入種溝后的彈跳現(xiàn)象，在測量9.11、11.6 km/h 2個(gè)水平的種子粒距時(shí)，也出現(xiàn)了一定數(shù)量的漏播和重播彼此相鄰的情況。由此可以推斷，在高速作業(yè)條件下，排種器排出的“有序”種子流，受到了振動(dòng)及碰撞的影響，最終并未在種溝內(nèi)形成均勻的粒距[28]。因此，建議排種器在高速條件下作業(yè)時(shí)，增加種子投送與定位裝置，以提高粒距一致性。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了驅(qū)導(dǎo)輔助充種氣吸式精量排種器，規(guī)劃了種子相對運(yùn)動(dòng)軌跡，通過受力分析確定了排種盤導(dǎo)種槽曲線的基本參數(shù)。

(2)對排種器工作過程進(jìn)行了氣固耦合仿真，分析了導(dǎo)種槽曲線基圓半徑對型孔處種群局部空隙率的影響，并通過回歸分析確定了曲線方程的最佳基圓半徑。

(3)通過雙因素試驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化方法，確定了排種器最佳工作壓力，通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，前進(jìn)速度為12 km/h時(shí)排種器漏充率不大于1.5%，低于其他擾種方式的排種器，且充種壓力需求也有所下降。通過田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，排種器前進(jìn)速度為9.11 km/h時(shí)，合格指數(shù)為95.48%，高速條件下充種性能較為穩(wěn)定。