嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式水稻穴直播排種器設(shè)計與試驗

萬 霖 王洪超 車 剛

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319； 2.黑龍江省農(nóng)機(jī)智能裝備重點(diǎn)實驗室， 大慶 163319)

0 引言

水稻直播技術(shù)是一種省時、省力、節(jié)水增效、抗倒伏的種植技術(shù)[1-4]。穴直播是根據(jù)農(nóng)業(yè)需求，將水稻芽種按一定穴距、粒數(shù)、行距精確地播到田間。稻種催芽處理后含水率增大，芽種間摩擦力增大，流動性差，因此水稻穴直播研究的關(guān)鍵在于排種器[5-6]。

排種器作為直播的重要組成部件，主要分為機(jī)械式和氣力式兩大類[7-12]。氣力式排種器綜合性能較優(yōu)，對作物摩擦作用小，幾乎不傷種，但造價大，當(dāng)前在玉米、大豆等圓形種子作物或者接近圓形的種子作物上有很好的適應(yīng)性。對于水稻、小麥等不規(guī)則種子作物，充種過程中影響因素比較復(fù)雜，導(dǎo)致工作性能下降。為此，國內(nèi)學(xué)者對水稻穴直播排種器進(jìn)行了研究，如臧英等[13]設(shè)計一種水稻擋種裝置，減少了飛種現(xiàn)象。李兆東等[14]設(shè)計一種槽齒式吸種盤，適合于高速播種作業(yè)。張國忠等[15]為實現(xiàn)粳稻與雜交稻配合水稻穴直播，設(shè)計一種雙腔充種式排種器。李蘭蘭等[16]為提高排種精度，設(shè)計一種滑片型孔輪式穴直播排種器。邢赫等[17]為提高水稻在充種區(qū)的流動性，在種箱和排種器之間設(shè)計分層充種室。上述研究在一定程度上提高了工作性能，但種盤與殼體相對旋轉(zhuǎn)仍然存在摩擦，造成氣壓損失，高速作業(yè)振動對播種仍有影響。

為消除摩擦、降低氣壓損失、提高裝置的穩(wěn)定性，本文將底盤嵌入到殼體，形成軸承種盤密封結(jié)構(gòu)并同步旋轉(zhuǎn)，設(shè)計一種嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式水稻排種器。利用Fluent對負(fù)壓氣腔流體仿真與數(shù)值模擬，分析不同情況對負(fù)壓氣腔流速和氣壓的影響規(guī)律，通過臺架試驗驗證，確定工作性能最優(yōu)的參數(shù)組合。

1 工作原理與參數(shù)設(shè)計

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

排種器主要由端蓋、殼體、吸種盤、橡膠刷、軸承、鏈輪、負(fù)壓氣腔和風(fēng)機(jī)接頭構(gòu)成，如圖1所示。吸種盤由攪種齒和吸孔組成。攪種齒呈圓周焊接在種盤上，在種盤邊緣均勻分布圓柱形吸孔。鏈輪嵌入殼體內(nèi)，用螺栓與底盤固定。

圖1 嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of rice seeder embedded with rotary air cavity1.吸孔 2.攪種裝置 3.吸種盤 4.軸承 5.橡膠刷 6.擾流葉片 7.清種調(diào)節(jié)裝置 8.出種裝置 9.端蓋 10.殼體 11.風(fēng)機(jī)接頭 12.鏈輪 13.墊圈 14.底盤

1.2 工作原理

嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式水稻排種器安裝在播種機(jī)種箱的底部，并通過儲種室與播種機(jī)的種箱貫通。風(fēng)機(jī)接頭與負(fù)壓風(fēng)機(jī)連接，負(fù)壓風(fēng)機(jī)工作時在氣腔室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓。在吸種區(qū)、清種區(qū)和攜種區(qū)階段，依靠氣腔內(nèi)外的壓力差，稻種被吸在種盤上。工作時，通過地輪驅(qū)動鏈輪。此時稻種已經(jīng)從儲種室落入型孔周邊，吸種盤上攪種齒對種群有擾動作用，清種裝置除去吸附多余的稻種。經(jīng)過投種階段時，橡膠刷堵住吸孔，吸孔與負(fù)壓氣腔隔離，稻種將不再受負(fù)壓吸力，同時在卸種裝置的作用下，種子靠自身重力下落，結(jié)束一個排種過程。吸種盤分為4個區(qū)域，如圖2所示。

圖2 吸種盤結(jié)構(gòu)與工作區(qū)域示意圖Fig.2 Sketch of suction tray structure and working area

1.3 吸種盤關(guān)鍵參數(shù)

1.3.1吸種盤轉(zhuǎn)速

吸種盤是將種子從種群中分離出的重要部件，其參數(shù)對排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計至關(guān)重要[18-20]。種盤轉(zhuǎn)速與充種時間對應(yīng)關(guān)系為

(1)

(2)

式中T——吸孔在充種區(qū)經(jīng)過的時間，s

Cr——充種區(qū)弧長，mm

vp——吸種盤線速度，m/s

α——充種角，rad

dp——種盤直徑，mm

np——吸種盤轉(zhuǎn)速，r/min

rk——外側(cè)群組吸孔中心與吸種盤邊的徑向距離，mm

ω——充種區(qū)角速度，取1～5 rad/s

由式(2)表明，為確保充種性能良好，轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在10～50 r/min范圍內(nèi)。

1.3.2吸孔孔數(shù)

隨著孔數(shù)增多，穴距不斷減小，出現(xiàn)排種混亂。而孔數(shù)減小，穴距逐漸增大，出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。根據(jù)手冊知[21]，按照農(nóng)藝穴播水稻指標(biāo)，保證每穴3～6粒，有

(3)

式中Z——群組吸孔的組數(shù)

D——地輪直徑，mm

δ——地輪滑移系數(shù)，一般取0.05～0.12

ip——傳動比，取1

S——穴距，mm

確定組數(shù)為18，每組孔數(shù)為5。

1.3.3定向攪種齒

種子分離盤表面嵌入呈圓周分布的攪種齒，對稻種分離與輸送。攪種齒高度H為10 mm，寬度E為15 mm。攪種齒對稻種的作用力通過其他種子傳遞到吸孔處，種子受到吸附力P、吸種盤對種子的作用力N、吸孔處摩擦力F以及合力Q，由此建立種子吸附的等效模型，如圖3所示。

圖3 種子吸附等效模型Fig.3 Seed adsorption equivalent model

1.4 旋轉(zhuǎn)氣腔設(shè)計

1.4.1旋轉(zhuǎn)氣腔結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)氣腔如圖4所示，底盤最大面的直徑為250 mm，中間氣室呈碗狀結(jié)構(gòu)，兩個部件位于一條中心線。底盤進(jìn)氣口處安裝直徑為63 mm、高16 mm的軸承，軸承與底盤形成封閉的密封結(jié)構(gòu)，具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，防止氣體泄漏，降低氣壓損失。底盤底部通過螺栓與鏈輪相連，進(jìn)而同步旋轉(zhuǎn)。吸種盤與底盤的環(huán)形鍵槽相配合，轉(zhuǎn)動中具有較好的封閉性。擾流葉片在氣腔旋轉(zhuǎn)過程中，增加氣體的流動性，使氣腔內(nèi)平均壓強(qiáng)和吸孔處的流速達(dá)到最佳的作業(yè)效果。

圖4 氣腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of air cavity structure1.吸種盤 2.擾流葉片 3.氣室 4.軸承 5.底盤 6.橡膠刷

1.4.2擾流葉片理論設(shè)計

氣室隨鏈輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，帶動內(nèi)部空氣流動。擾流葉片在氣室內(nèi)部與氣流接觸，氣體粘性使葉片表面形成壓差，從而產(chǎn)生使葉片上升的力L，垂直作用于葉片旋轉(zhuǎn)平面上的阻力D。工作受力如圖5所示。

圖5 擾流葉片受力示意圖Fig.5 Force analysis diagram of spoiler blade

升力和阻力簡化公式為

(4)

(5)

考慮葉片的數(shù)量K，葉片旋轉(zhuǎn)區(qū)域半徑r處的軸向推力為

(6)

轉(zhuǎn)矩為

(7)

式中CL——升力系數(shù)

CD——阻力系數(shù)

C——AB長度，mm

ρ——?dú)饬髅芏?，kg/m3

W——相對速度，m/s

葉片轉(zhuǎn)動過程中，氣流從高壓向低壓流動中形成渦流[22-23]，造成能量的損失，基于Schmitz理論，對擾流葉片進(jìn)行設(shè)計，AB的長度C和安裝角θ分別為

(8)

(9)

式中R——葉片展向長度，mm

α——迎角，為葉片AB與合速度夾角

λ——葉片尖速比

經(jīng)計算，擾流葉片安裝角為19°，AB的長度為51 mm。

為了從根本上提高中小零售企業(yè)電子商務(wù)商業(yè)運(yùn)營模式的市場價值，企業(yè)要結(jié)合相關(guān)性因素對具體問題進(jìn)行具體分析，并且針對相應(yīng)的指標(biāo)建立對應(yīng)的管理機(jī)制，從創(chuàng)新和發(fā)展的角度出發(fā)提高電子商務(wù)發(fā)展轉(zhuǎn)型水平，有效整合創(chuàng)新機(jī)制和管理流程，維護(hù)管控工作的基本效率。最重要的是，要從思想意識層面形成創(chuàng)新動力，優(yōu)化創(chuàng)新化產(chǎn)品銷售路徑和宣傳媒介，維護(hù)中小零售企業(yè)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行綜合水平。

2 旋轉(zhuǎn)氣室數(shù)值優(yōu)化

2.1 種子在氣流場中的受力

水稻在重力場、氣流場和顆粒場的共同作用下，受到阻力、Basset力、Magnus力和其他力的作用[24]。

假設(shè)吸孔周邊的氣流是均勻的，探究單粒水稻的受力情況。繞流阻力Fd為

(10)

式中Cd——阻尼力系數(shù)

S——種子垂直于運(yùn)動方向上投影面積，m2

v0——吸孔周圍的氣流平均速度，m/s

稻種在負(fù)壓氣腔作用下有3種狀態(tài)：平躺、豎直、橫躺，如圖6所示。稻種的形狀類似橢圓，3種稻種狀態(tài)的投影面積分別為St、Sw、Sl，有

(11)

圖6 稻種吸附姿態(tài)示意圖Fig.6 Schematics of adsorption posture of rice seeds

式中l(wèi)——種子平均長度，mm

w——種子平均寬度，mm

t——種子平均厚度，mm

不同狀態(tài)的稻種所受繞流阻力是不相同的，計算可知平躺狀態(tài)下所受的繞流阻力最大，其次為豎直和橫躺。

2.2 流體的基本控制方程

利用流體力學(xué)的基本控制方程，根據(jù)排種器的實際工作情況，流體粘度和流體密度接近為常數(shù)。k-ε模型被廣大學(xué)者應(yīng)用到CFD模擬仿真中，此流體模型能夠真實模擬復(fù)雜的流體運(yùn)動[25-26]。連續(xù)性方程為

(12)

動量方程(Navier-Stokes方程)為

(13)

湍流輸運(yùn)方程為

(14)

式中ui、uj——流體速度

ε——湍動耗散率

Gk——平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項

Gb——浮力引起的湍動能產(chǎn)生項

YM——可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)

σk——湍動能對應(yīng)的普朗特數(shù)，默認(rèn)為1.0

Sk、Si——源項

2.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件設(shè)置

在ANSYS Workbench中將建立完成的模型簡化，網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。旋轉(zhuǎn)氣室內(nèi)部的流體雷諾數(shù)Re超過4 000，判斷為湍流。流體域設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，壁面設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。流體域的氣壓入口為0 kPa，氣壓出口根據(jù)實際所需的負(fù)壓大小設(shè)置。

2.3.1嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔結(jié)構(gòu)對吸種性能的影響

為驗證嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔結(jié)構(gòu)對氣腔吸種性能的影響，在仿真中，將嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔結(jié)構(gòu)與無擾流葉片、軸承等結(jié)構(gòu)的氣腔對比試驗，速度云圖如圖7所示。驗證嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔結(jié)構(gòu)具有較好的穩(wěn)定性和適應(yīng)性，能有效降低氣壓損失，提高氣壓利用率。由仿真結(jié)果可知，嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔結(jié)構(gòu)壓力分布(圖7a)較均勻，氣腔平均壓強(qiáng)與吸孔處的流速均有所提高。氣壓利用率提高約0.69%，增強(qiáng)了充種性能。

2.3.2吸孔直徑對吸種性能的影響

圖7 不同氣腔結(jié)構(gòu)的速度云圖Fig.7 Velocity cloud diagrams of different air cavity structures

圖8 不同孔徑的壓力流線圖Fig.8 Pressure flow diagrams for different orifice sizes

孔徑對吸種性能具有較大影響[27]。當(dāng)吸孔直徑超過一定值，會發(fā)生漏氣現(xiàn)象，導(dǎo)致氣壓損失，工作性能降低。吸孔直徑小在工作狀態(tài)下所需的氣室真空度就越小，漏播率增加。為考察不同孔徑處的氣流速度與壓力，選擇1.2、1.4、1.6、1.8 mm的孔徑為研究對象，盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為25 r/min，氣腔負(fù)壓設(shè)置為3 500 kPa。在Fluent中設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，殘差參數(shù)設(shè)置成1×10-4，迭代計算設(shè)置成2 000次，收斂后如圖8所示。

由仿真模擬結(jié)果可知，孔徑對氣腔的壓力分布產(chǎn)生一定的影響。不同孔徑仿真時流場都很穩(wěn)定，吸孔的壓力比周圍的小。由圖9可知，孔徑為1.6 mm時的平均氣腔壓力和出口平均流速較好。當(dāng)直徑從1.2 mm增大到1.8 mm過程中，壓力先上升后下降，吸孔流速從72.446 m/s增到77.965 m/s，之后呈下降趨勢。在其他條件不變的情況下，增加吸孔直徑會使種子吸附能力增強(qiáng)，但過大會導(dǎo)致重播率增加，過小會發(fā)生卡種的現(xiàn)象。當(dāng)吸孔直徑為1.6 mm時，氣流場的壓力和速度吸種效果最好，有助于提高工作性能。

2.3.3吸孔分布對吸種性能的影響

由于水稻籽粒體積小，吸孔分布形式?jīng)Q定著稻種吸附密集程度。在保證正常工作的基礎(chǔ)上，采用5個吸孔，基于前面的仿真與試驗結(jié)果，孔徑確定為1.6 mm。各孔徑之間的距離要適中。為研究吸種效果是否與吸孔分布情況有關(guān)，進(jìn)行了3種吸孔分布方式的試驗，分別為A型、B型、C型。氣腔轉(zhuǎn)速設(shè)置為30 r/min，氣腔負(fù)壓設(shè)置為4 000 kPa。在其他影響因素不變的情況下，分析在各因素作用下的壓力流場變化，如圖10所示。

圖9 不同孔徑的性能曲線Fig.9 Simulation plots with different apertures

仿真模擬結(jié)果和對比數(shù)據(jù)如圖11，不同吸孔分布類型平均壓力和流速變化不大，流場區(qū)域分布均勻且穩(wěn)定。從Fluent軟件中導(dǎo)出收斂后的仿真數(shù)據(jù)，可以看出B型吸孔分布各項指標(biāo)較高，流體負(fù)壓氣腔平均壓力為3 747.35 kPa，吸孔的流速均值為77.64 m/s，滿足水稻穴播種的需求。

3 性能試驗

為測試嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式水稻排種器的工作性能，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)西土槽試驗室進(jìn)行臺架性能試驗，如圖12所示。調(diào)頻電機(jī)控制傳送運(yùn)動，在落種區(qū)域涂上一定厚度的油層，由Seeder Test軟件采集試驗數(shù)據(jù)，觀察每穴粒數(shù)。

3.1 試驗儀器設(shè)備和材料

霍爾轉(zhuǎn)速記錄儀(量程范圍：5～200 r/min，分度值：0.1 r/min)，JJ系列高精度電子天平(量程：420 g，精度：0.001 g)，游標(biāo)卡尺(精度：0.02 mm)。

圖10 不同吸孔分布的壓力云圖Fig.10 Pressure nephograms with different distributions of suction holes

圖11 不同吸孔分布的性能曲線Fig.11 Performance curve diagram of different suction hole distributions

JPS-12排種試驗臺，轉(zhuǎn)速為15～120 r/min，輸送帶速度為1.5～12 km/h。

圖12 計算機(jī)視覺排種器試驗臺Fig.12 Computer vision seeder test bench1.種箱 2.排種器 3.負(fù)壓氣管 4.電機(jī) 5.膠帶 6.油刷

水稻采用黑龍江優(yōu)質(zhì)常規(guī)稻龍粳31，用清水浸泡后采用干燥箱催芽，直至破裂露出白芽，其濕基含水率為21.65%～23.73%后裝入自封袋中，保持其水分含量，參數(shù)如表1所示。

3.2 試驗評價指標(biāo)

農(nóng)藝要求水稻穴徑不大于50 mm，通常粳稻的播量為穴粒數(shù)3～6粒。在不同條件下，采用不同的評價標(biāo)準(zhǔn)來判斷工作效果。每組試驗做3次并采集250穴數(shù)據(jù)，每次取全部裝置平穩(wěn)運(yùn)行狀態(tài)下的數(shù)值。漏播率、重播率和合格率作為判斷裝置性能的評價標(biāo)準(zhǔn)。稻種穴徑與穴距示意圖如圖13所示，S為穴距，D為穴徑。

表1 水稻芽種物料特性參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of rice sprout material

圖13 稻種穴徑與穴距示意圖Fig.13 Schematic of diameter and spacing of rice seeds

合格率為

(15)

(16)

(17)

式中B——每穴中含有3～6粒稻種穴數(shù)

F——每穴中含有0～2粒稻種穴數(shù)

E——每穴中含有大于6粒稻種穴數(shù)

I——全部穴數(shù)

3.3 對比試驗

為驗證嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式排種器能夠消除摩擦，降低氣壓損失，提高氣壓利用率，從而改善播種性能，將嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式排種器(圖14a)與存在摩擦的氣吸式排種器(圖14b)進(jìn)行對比試驗。本試驗選用孔徑為1.6 mm，吸孔分布和攪種齒都相同的種盤，轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min，氣腔負(fù)壓設(shè)置為4 kPa，3次試驗為一組并計算平均值。

圖14 排種器對比試驗Fig.14 Seed meter comparison test

嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式排種器的合格率、漏播率、重播率為93.85%、3.94%、2.21%，存在摩擦的氣吸式排種器合格率、漏播率、重播率為92.56%、4.86%、2.58%。可知所設(shè)計排種器的合格率、漏播率、重播率均優(yōu)于傳統(tǒng)排種器，證明所設(shè)計排種器能降低氣壓損失，有利于氣壓的充分利用，排種器的綜合性能得到改善。

3.4 單因素試驗

3.4.1型孔分布對排種性能的影響

選用孔徑為1.6 mm的種盤，氣腔轉(zhuǎn)速設(shè)置為25 r/min，氣腔負(fù)壓設(shè)置為3.5 kPa。加工制作3種吸孔分布形式，A型外側(cè)3個吸孔，內(nèi)側(cè)2個吸孔。B型最內(nèi)側(cè)和最外側(cè)圓周上有2個吸孔，中間分布1個吸孔。C型外側(cè)2個吸孔，內(nèi)側(cè)3個吸孔。如圖15所示。除了吸孔分布有變化，其他條件固定不變，3次試驗為一組并計算平均值。

圖15 吸孔分布類型實物圖Fig.15 Physical drawings of distribution type of suction hole

由表2可知，B型分布的播種效果要優(yōu)于A型和C型。試驗結(jié)果與仿真結(jié)果相符。因此，在后續(xù)的試驗研究中，應(yīng)用B型吸孔。

表2 不同吸孔分布類型試驗結(jié)果Tab.2 Different suction hole distribution type data %

3.4.2孔徑對排種性能的影響

選用孔徑1.2、1.4、1.6、1.8 mm為研究對象，氣腔轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min，氣腔負(fù)壓為4 kPa。在其他條件不變的基礎(chǔ)上，實時采集試驗數(shù)據(jù)。3次重復(fù)試驗求平均值。

由表3可知，孔徑對裝置工作性能有顯著的影響。隨孔徑不斷的增大，合格率先不斷上升，然后呈下降趨勢，漏播率明顯減小。小于1.6 mm時，重播率較小，1.8 mm時重播率明顯增加。當(dāng)孔徑為1.6 mm，效果最佳。

表3 不同孔徑試驗結(jié)果Tab.3 Different aperture data %

3.5 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗

在單因素試驗基礎(chǔ)上，選取較優(yōu)的龍粳31水稻種子為試驗對象，進(jìn)行三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，對影響因素進(jìn)行顯著性分析，從而得到最佳的工作參數(shù)組合[28]。在試驗過程中，由于部分?jǐn)?shù)值是通過傳感器檢測，存在一定的誤差，但最高誤差不超過1.4%，在可接受的范圍內(nèi)。確定氣腔負(fù)壓的范圍為2.6～5.4 kPa，氣腔轉(zhuǎn)速范圍為12～28 r/min，填種高度為5～25 cm。因素編碼如表4所示，試驗方案設(shè)計與結(jié)果如表5所示，表中x1、x2、x3為氣腔轉(zhuǎn)速、氣腔負(fù)壓和填種高度編碼值，y1、y2、y3為漏播率、合格率和重播率。

表4 試驗因素編碼Tab.4 Test factors and codes

3.6 試驗結(jié)果分析

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行多元回歸擬合后，得出各因素對合格率、漏播率和重播率的回歸方程。方差分析與顯著性結(jié)果如表6所示，3組回歸方程均極顯著(P<0.01)。并且失擬P值不顯著，表明方程的擬合程度較好。合格率的方差分析對回歸方程系數(shù)檢驗后，得出填種高度、氣腔負(fù)壓、氣腔轉(zhuǎn)速對合格率的影響逐漸增加，得出填種高度、氣腔轉(zhuǎn)速、氣腔負(fù)壓對漏播率的影響逐漸增加，得出填種高度、氣腔負(fù)壓、氣腔轉(zhuǎn)速對重播率的影響逐漸增加。

表5 試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.5 Experimental design and results

結(jié)果中，失擬P值為0.81，說明無其他因素影響合格率。漏播率的方差分析結(jié)果中，失擬P值為0.23，表明無其他因素影響合格率。重播率的方差分析中，失擬P值為0.54，表明無其他因素影響合格率。在確保模型都顯著和失擬項不顯著情況下，除去不顯著因素，建立因素編碼值回歸方程

表6 回歸方程方差分析Tab.6 Regression equation analysis of variance

注：*表示影響顯著(P<0.05)，** 表示影響極顯著(P<0.01)。

(18)

(19)

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3.7 各因素對合格率的影響

合格率是評判排種器性能的重要指標(biāo)，因此本文重點(diǎn)分析各因素交互作用對合格率的影響，響應(yīng)曲面如圖16所示。

3.7.1氣腔轉(zhuǎn)速和氣腔負(fù)壓的交互作用

圖16a為當(dāng)填種高度為15 cm時，氣腔轉(zhuǎn)速和氣腔負(fù)壓交互作用對合格率的影響。從圖可看出，氣腔轉(zhuǎn)速固定不變，氣腔負(fù)壓逐漸增大時，作業(yè)合格率先緩慢增加，到達(dá)最高點(diǎn)后，緩慢下降。氣腔負(fù)壓固定不變時，氣腔轉(zhuǎn)速逐漸增大時，作業(yè)合格率先緩慢增加，到達(dá)最高點(diǎn)后，緩慢下降。在氣腔負(fù)壓為3.8～4.2 kPa，氣腔轉(zhuǎn)速為18～22 r/min時，作業(yè)合格率最高。

圖16 交互因素對合格率的影響Fig.16 Influences of interactive factors on eligibility index

3.7.2氣腔負(fù)壓和填種高度的交互作用

圖16b為當(dāng)氣腔轉(zhuǎn)速為20 r/min時，填種高度和氣腔負(fù)壓交互作用對合格率的影響。從圖可看出，填種高度固定不變，氣腔負(fù)壓逐漸增大時，作業(yè)合格率先緩慢增加，到達(dá)最高點(diǎn)后，緩慢下降。氣腔負(fù)壓固定不變，填種高度逐漸增大時，作業(yè)合格率先緩慢增加，到達(dá)最高點(diǎn)后，緩慢下降。在氣腔負(fù)壓為3.8～4.2 kPa，填種高度為14～18 cm時，作業(yè)合格率最高。

3.7.3氣腔轉(zhuǎn)速和填種高度的交互作用

圖16c為當(dāng)氣腔負(fù)壓為4 kPa時，填種高度和氣腔轉(zhuǎn)速交互作用對合格率的影響。從圖可看出，填種高度固定不變，氣腔轉(zhuǎn)速逐漸增大時，作業(yè)合格率先緩慢增加，到達(dá)最高點(diǎn)后，緩慢下降。氣腔轉(zhuǎn)速固定不變，填種高度逐漸增大時，作業(yè)合格率先緩慢增加，到達(dá)最高點(diǎn)后，緩慢下降。在氣腔轉(zhuǎn)速為18～22 r/min，填種高度為14～18 cm時，作業(yè)合格率最高。

3.8 優(yōu)化與驗證

運(yùn)用軟件優(yōu)化最佳參數(shù)組合需設(shè)定邊界條件，并建立數(shù)學(xué)模型。分析得到數(shù)學(xué)模型為

(21)

在Design-Expert 8.0.6軟件中優(yōu)化模塊完成各參數(shù)優(yōu)化，當(dāng)氣腔轉(zhuǎn)速為21.61 r/min，氣腔負(fù)壓為4.4 kPa，填種高度為15.7 cm時，作業(yè)性能最好。按照優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行3組重復(fù)試驗，結(jié)果如表7所示?？梢钥闯?，實際評價指標(biāo)與優(yōu)化評價指標(biāo)相差不大，可以完成精量播種。

表7 優(yōu)化與試驗結(jié)果對比Tab.7 Comparison of optimization and test results %

4 結(jié)論

(1)針對排種盤與殼體之間存在摩擦、穴播量不穩(wěn)定、機(jī)車速度對播種性能影響的問題，采用底盤嵌入到殼體，形成軸承種盤密封結(jié)構(gòu)并同步旋轉(zhuǎn)，設(shè)計一種嵌入旋轉(zhuǎn)氣腔式水稻排種器。

(2)應(yīng)用Fluent軟件對腔體內(nèi)部進(jìn)行模擬仿真，結(jié)合單因素試驗，以吸孔孔徑和吸孔位置分布為影響因素、以氣腔壓力平均值和吸孔處的平均流速為評價指標(biāo)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真研究。仿真結(jié)果表明：氣腔流場分布比較穩(wěn)定，可為吸種提供穩(wěn)定的負(fù)壓環(huán)境。當(dāng)孔徑為1.6 mm時，吸種效果較優(yōu)。氣腔平均負(fù)壓為3 432.45 kPa，吸孔處的平均流速為77.96 m/s。B型吸孔分布各項指標(biāo)略高于其他類型，氣腔平均負(fù)壓為3 747.35 kPa，吸孔處的流速均值為77.64 m/s。

(3)以氣腔轉(zhuǎn)速、氣腔負(fù)壓和填種高度為影響因素，選取各因素的數(shù)值變化范圍。通過對各因素方差分析得到回歸方程，結(jié)合響應(yīng)曲面法得出指標(biāo)隨因素的變化趨勢。應(yīng)用優(yōu)化模塊，得出最佳參數(shù)組合為：當(dāng)氣腔轉(zhuǎn)速為21.61 r/min、氣腔負(fù)壓為4.4 kPa、填種高度為15.7 cm時，作業(yè)性能最好。臺架試驗得合格率為93.6%，漏播率3.47%，重播率2.93%。優(yōu)化值與實際值誤差較小，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。