稻麥兼用排種器檢測(cè)與吹種裝置性能模擬與試驗(yàn)

梁玉玥， 鄭侃， 夏俊芳

（1.恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 恩施 445000； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070）

水稻和小麥?zhǔn)侨祟愖钪匾募Z食作物，長(zhǎng)江中下游稻麥種植多以中稻和冬小麥為主，中稻的播種期為4—5 月、冬小麥的播種期為9—10 月，2 種作物播種期不沖突，現(xiàn)有稻麥機(jī)具多為單體機(jī)，具有功能單一、利用率不高等特點(diǎn)[1]。目前，針對(duì)該地區(qū)稻麥輪作制度特點(diǎn)研制的兼用設(shè)備極少，為符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提出的節(jié)約能源、精量播種、保護(hù)性耕作等要求，積極推動(dòng)稻麥輪作區(qū)開展水稻和小麥精量播種[2-6]，制造兼用機(jī)具可實(shí)現(xiàn)節(jié)約增效[7]，精確計(jì)數(shù)是稻麥兼用排種器精播技術(shù)研究中亟待解決的問題之一。Rajaiah 等[8]設(shè)計(jì)了可調(diào)節(jié)排種播種量的閉環(huán)控制系統(tǒng)用于精密排種裝置，可在最高殘茬覆蓋水平下，提高間距均勻性的播種精度。梅志雄等[9]設(shè)計(jì)了稻麥兩用螺旋式排種器，通過配合調(diào)節(jié)出種孔長(zhǎng)度、傾斜角、轉(zhuǎn)速的方式實(shí)現(xiàn)稻麥兼用模糊精量排種。杜俊等[10]根據(jù)稻麥不同物料特性對(duì)滾筒上的窩眼進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過更換滾筒方式實(shí)現(xiàn)稻麥模糊精量兼用。何麗楠等[11]設(shè)計(jì)了螺旋槽式排種器結(jié)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)手輪推動(dòng)播量調(diào)節(jié)裝置改變排種輪工作長(zhǎng)度，控制排種輪槽大小實(shí)現(xiàn)模糊精量排種，以此解決稻麥播種不均勻問題。唐楠銳等[12]采用輔助充種攪種型孔實(shí)現(xiàn)水稻精量穴播。曹成茂等[13]在勺輪式排種器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了帶有針對(duì)水稻種子的異型孔的氣力式排種器，通過改變氣吹角度配合調(diào)節(jié)氣壓大小，獲得較好的排種效果。趙曉順等[14]利用真空負(fù)壓原理研制帶吸種環(huán)槽的小麥精量排種器，實(shí)現(xiàn)小麥精播?；诓钏僭砗碗x散元法，趙金等[15]通過輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行充種，可在種溝內(nèi)形成有序的種帶，實(shí)現(xiàn)小麥單粒精播。已有研究主要結(jié)合種子尺寸設(shè)計(jì)型孔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊精量囊種，為實(shí)現(xiàn)精量播種提供了重要借鑒，但在精量播種檢測(cè)手段與性能評(píng)估方面較為薄弱，采用精確計(jì)數(shù)的方式達(dá)到精量排種仍需深入研究。

針對(duì)上述問題，本研究設(shè)計(jì)了基于精確計(jì)數(shù)的吹種裝置，根據(jù)平拋運(yùn)動(dòng)軌跡和文丘里原理分別設(shè)計(jì)稻麥檢測(cè)裝置和吹種裝置，分析影響稻麥充種性能的關(guān)鍵因素，基于CFD（computational fluid dynamics）氣固耦合的方法對(duì)種子在檢測(cè)與吹種裝置中的移動(dòng)過程進(jìn)行氣固兩相流模擬，分析影響種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)驗(yàn)證檢測(cè)與吹種裝置可行性，通過更改參數(shù)實(shí)現(xiàn)不同工作轉(zhuǎn)速排種需求，為稻麥精量計(jì)數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用水稻‘黃華占’‘鄂麥11’各1 000 粒作為研究對(duì)象，經(jīng)測(cè)量稻麥種子在長(zhǎng)、寬、厚方向平均幾何尺寸分別為9.57 mm×2.31 mm×1.99 mm 和6.85 mm×3.50 mm×2.98 mm，采用旱作直播方式進(jìn)行排種。

1.2 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

稻麥兼用氣吹式精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由振動(dòng)供種裝置、電磁閥、排序管、光電傳感器、吹種噴嘴閥、上排種盤、下排種盤等組成。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of seed metering device

供種時(shí)，種箱里的種子在電磁激振作用下進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，沿著螺旋導(dǎo)軌向上排序輸送進(jìn)入排序管，經(jīng)過排序管時(shí)形成單列連續(xù)種子流。種子經(jīng)過檢測(cè)裝置下落時(shí)被光電傳感器檢測(cè)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁閥打開吹種噴嘴閥，由風(fēng)泵提供的連續(xù)正壓氣流通過吹種噴嘴閥形成的高速氣流將種子吹進(jìn)充種管并落入上排種盤的型孔中，上排種盤由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)種子一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，下排種盤與機(jī)架相對(duì)固定，當(dāng)種子經(jīng)過下排種盤型孔處時(shí)隨自重進(jìn)入排種管，經(jīng)排種管落入已開好溝的溝槽里，完成1次排種作業(yè)過程。

在檢測(cè)和吹氣過程中設(shè)置精量計(jì)數(shù)環(huán)節(jié)，將U型EE-SX672-WR光電傳感器[歐姆龍自動(dòng)化（中國(guó)）有限公司]連接至STC89C52 單片機(jī)[普天科技（深圳）有限公司]外部中斷I/O 口，將此信號(hào)作為單片機(jī)外部中斷源，當(dāng)單片機(jī)打開外部中斷請(qǐng)求且外部中斷觸發(fā)時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁閥打開吹種噴嘴閥。同時(shí)單片機(jī)對(duì)種子數(shù)量進(jìn)行累加，當(dāng)計(jì)數(shù)到達(dá)設(shè)定值(水稻3 粒、小麥1 粒)時(shí)，單片機(jī)關(guān)閉外部中斷請(qǐng)求且將電磁閥復(fù)位。單片機(jī)再次打開外部中斷請(qǐng)求的間隔時(shí)間t，取決于上排種盤的轉(zhuǎn)速n，即t=f(n)。

1.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

1.3.1 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì) 稻麥種子通過振動(dòng)排序裝置可形成種子流，其種供速率分別為19.6、13.9 粒?s-1[16]，為了方便光電傳感器更靈敏地檢測(cè)到種子，設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置使連續(xù)種子流在下落時(shí)形成短暫分離。種子下落時(shí)沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，豎直方向只受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)，以拋出點(diǎn)為原點(diǎn)，水平拋出方向?yàn)閄軸正方向、豎直向下方向?yàn)閆軸正方向建立坐標(biāo)系，以水稻19.6 粒?s-1為基準(zhǔn)計(jì)算，可得2 粒種子平均間隔時(shí)間為50 ms，假設(shè)種子以與水平方向呈45°開始下落，落下時(shí)種子速度方向與水平地面呈60°，由平拋運(yùn)動(dòng)速度變化規(guī)律可知，連續(xù)相等的時(shí)間間隔內(nèi)，豎直方向上的位移差相等，由式（1）可得位移差為24.5 mm。由此可見，種子在50 ms 時(shí)間間隔內(nèi)下降24.5 mm，足以讓種子之間形成短暫分離，于是設(shè)置檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of detection-device

式中，Δt為時(shí)間間隔，s；Δz為豎直方向位移差，mm。

1.3.2 吹種裝置設(shè)計(jì) 吹種裝置是稻麥兼用氣吹式排種器核心部件，吹種裝置為非移動(dòng)部件，其作用是將高速氣流吹送種子在管道中形成氣固兩相流。吹種裝置由種子入口、分料出口、氣流入口、氣固兩相流混合管道和氣固兩相流出口組成（圖3）。

圖3 吹種裝置Fig. 3 Blowing device

根據(jù)文丘里原理采取方形管形式的噴嘴[17]，長(zhǎng)度、寬度和高度分別為L(zhǎng)、b和h。為了方便加工與安裝，分料出口管道與氣固兩相流出口管道之間形成45°夾角，分料出口與供料口入口直徑相同。吹種裝置的工作原理為：將光電傳感器檢測(cè)到的種子，借助風(fēng)泵產(chǎn)生的氣流通過氣流入口進(jìn)入噴嘴處，將種子吹進(jìn)氣固兩相流出口。種子入口承接供種裝置輸出的單列種子流，為便于傳感器檢測(cè)，使種子沿縱向方向掉落，設(shè)計(jì)種子入口的直徑為10 mm，氣固兩相流出口為傾斜管道，與分料出口管道之間呈45°夾角，從噴嘴到氣固兩相流出口的截面積逐漸增大，氣固兩相流出口直徑和氣流入口直徑均為10 mm。由連續(xù)性方程可知，在流量穩(wěn)定的前提下，通過縮小噴嘴橫截面積能提高氣流速度，設(shè)計(jì)噴嘴管的寬度小于10 mm，同時(shí)使氣流覆蓋到種子表面，噴嘴面積以稻麥幾何尺寸長(zhǎng)×寬或長(zhǎng)×厚為19 mm2作為基準(zhǔn)，初步確定方形噴嘴管的長(zhǎng)為18 mm，寬為5～7 mm，高為3～5 mm。

1.4 檢測(cè)與吹種裝置氣固耦合仿真

1.4.1 充種性能主要因素設(shè)置 利用文丘里原理設(shè)計(jì)噴嘴結(jié)構(gòu)，使氣流在噴嘴與入口處產(chǎn)生較大的壓力差，由于噴嘴處面積變小，根據(jù)連續(xù)性方程可知，在噴嘴處的氣流速度將會(huì)增加產(chǎn)生高速氣流將種子吹進(jìn)氣固兩相流出口。因此，當(dāng)氣固兩相流進(jìn)入排種管時(shí)，種子流與氣流將完成混合和輸送過程。種子在運(yùn)輸過程中，稻麥排1 穴的時(shí)間與排種盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，排1 穴水稻需要在排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)1/16 轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)完成，即將3 粒水稻吹至氣固兩相流出口所需的時(shí)間與工作轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為15/4n，排1 穴小麥需要在排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)1/36 轉(zhuǎn)的時(shí)間內(nèi)完成，即將1 粒小麥吹至氣固兩相流出口所需的時(shí)間與工作轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系為5/3n。由此可見，噴嘴氣流速度將明顯影響輸送性能，主要影響參數(shù)有噴嘴結(jié)構(gòu)，即長(zhǎng)度（L）、寬度（b）、高度（h）；工作轉(zhuǎn)速（np）和氣流入口壓力（P）。

①噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)。根據(jù)1.3.2 方形噴嘴管尺寸分析，設(shè)置3 種（Type 1、Type 2、Type 3）截面積不同的方形噴嘴管，其參數(shù)如表1所示。

表1 不同截面積噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of nozzle tubes with different cross-sectional areas (mm)

②工作轉(zhuǎn)速。根據(jù)水稻和小麥種植農(nóng)藝要求，稻麥精量播種合理株距分別為200、60 mm，水稻和小麥排種盤徑向型孔數(shù)分別為16和36，由公式（2）可計(jì)算得出水稻和小麥上排種盤轉(zhuǎn)速分別為18.75、27.78 r?min-1，在兩端分別留有一定的富余度，取轉(zhuǎn)速范圍為12~28 r?min-1。

式中，D為地輪直徑，取0.6 m；δ為地輪滑移系數(shù)，取0.1；S為株距，m；Z為排種盤徑向型孔數(shù)量；vm為拖拉機(jī)前進(jìn)速度，m·s-1；ip為傳動(dòng)比，取1。

③氣流入口壓力。稻麥種子經(jīng)傳感器檢測(cè)之后，將種子吹進(jìn)氣固兩相流出口，此時(shí)種子受到重力（G）和吹種正壓作用力（FQ）的作用，如圖4所示。

圖4 吹種時(shí)受力分析Fig. 4 Force analysis during seed blowing

要使種子能夠順利進(jìn)入氣固兩相流管道，以某粒種子為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，建立力學(xué)方程如下。

式中，F(xiàn)Q為吹種正壓作用力，N；G為種子質(zhì)點(diǎn)的重力，N；Ac為噴嘴管面積，m2；P為吹種正壓力，Pa；m為某粒種子的質(zhì)量，kg。

由式（3）可得臨界吹種正壓≥79 Pa，于是取氣流入口壓力為100~500 Pa。

1.4.2 檢測(cè)與吹種裝置氣固兩相流仿真試驗(yàn) 為保證充種管內(nèi)種子連續(xù)穩(wěn)定，分析種子在吹種過程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特性，利用編程軟件VS 2010 編寫用戶自定義UDF 函數(shù)，對(duì)Fluent 19.0 進(jìn)行二次開發(fā)，確定合適的充種性能參數(shù)。

①模型選擇與網(wǎng)格劃分。運(yùn)用Cro-E 軟件對(duì)檢測(cè)與吹種裝置進(jìn)行三維建模，并采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，吹種裝置網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖5 所示。再進(jìn)行CFD 計(jì)算分析，根據(jù)種子在氣流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)為湍流運(yùn)動(dòng)[17]，且k-ε湍流模型對(duì)分岔流動(dòng)具有較高的準(zhǔn)確性及較小的誤差性[18]，因此模擬計(jì)算采用自帶的k-ε 湍流模型對(duì)檢測(cè)與吹種裝置進(jìn)行流場(chǎng)分析。

圖5 吹種裝置網(wǎng)格Fig. 5 Grid of blowing-device

②仿真試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)。選擇截面不同的方形噴嘴、工作轉(zhuǎn)速、氣流入口壓力作為試驗(yàn)因素。為探究噴嘴截面對(duì)噴嘴氣流速度的影響，首先結(jié)合表1參數(shù)進(jìn)行仿真分析，令氣流分布面積較大且氣流速度高的最優(yōu)截面類型為W。為探究工作轉(zhuǎn)速、氣流入口壓力對(duì)種子運(yùn)動(dòng)特性的影響，采用最優(yōu)截面類型W，稻麥供種速率分別為19.6、13.9 粒?s-1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平見表2，對(duì)作用于種子的作用力和速度進(jìn)行仿真試驗(yàn)。為驗(yàn)證排種時(shí)該吹種裝置是否滿足時(shí)間要求，對(duì)其進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并以種子間隔時(shí)間為參考討論裝置是否合理。在仿真過程中，通過編寫UDF 編譯文件對(duì)水稻數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)控制時(shí)，以理論時(shí)間t=190 ms為標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)水稻3粒并吹走的時(shí)間不足時(shí)間t，剩下的時(shí)間傳感器暫停不檢測(cè)，等到總時(shí)間到達(dá)t之后重新計(jì)數(shù)再進(jìn)行下1個(gè)周期；對(duì)小麥數(shù)量進(jìn)行檢測(cè)控制時(shí)更改UDF 編譯文件，僅更改UDF 文件中的時(shí)間間隔及數(shù)量要求，控制要求以理論時(shí)間t=100 ms為標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)數(shù)量為1 粒小麥種子，其他要求與排種水稻要求一致。

表2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平Table 2 Simulation test design level

1.5 臺(tái)架試驗(yàn)

選用寬度為6.35 mm 的光電傳感器，光電傳感器緊貼噴嘴口進(jìn)行安裝，若種子在傳感器正中間位置被檢測(cè)到且留一定富余量，即種子到達(dá)噴嘴口的位移為3 mm，則有下落時(shí)間為17 ms，保留一定的電氣延時(shí)，于是設(shè)定延時(shí)時(shí)間為10、11、12、13、14 ms，排種轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r?min-1，水稻供種電壓為110 V、小麥種供電壓為130 V，吹種氣流均為300 Pa，設(shè)置每穴之間無(wú)延時(shí)，分別試驗(yàn)測(cè)定30 s 內(nèi)吹種數(shù)量，每組試驗(yàn)5 次取平均值，得出最佳延時(shí)時(shí)間。再設(shè)置此延時(shí)時(shí)間，以合格率為指標(biāo)評(píng)價(jià)排種效果。利用數(shù)字調(diào)壓控制器調(diào)節(jié)供種裝置工作電壓，排種軸旋轉(zhuǎn)5圈，重復(fù)試驗(yàn)5次，統(tǒng)計(jì)合格率求平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴嘴管截面形狀對(duì)噴嘴氣流速度影響分析

圖6 所示的是不同類型噴嘴管截面形狀對(duì)噴嘴氣流速度流場(chǎng)分布，在水平1 下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，取Y=0 mm 切片的氣流速度分布。由圖6 可知，3 種類型的噴嘴管在噴嘴口處均可獲得較高的氣流速度，隨著截面積長(zhǎng)度增加，高氣流集中在噴嘴口處。當(dāng)傳感器檢測(cè)到下落的種子后，噴嘴口處出來(lái)的氣流分布面積較大且氣流速度高，比較3種不同類型的截面積可以看出，Type 3噴嘴管結(jié)構(gòu)在噴嘴口處的速度分布較廣，可以獲得較高的噴嘴氣流速度，其性能更優(yōu)。

圖6 不同類型噴嘴管截面形狀速度流場(chǎng)Fig. 6 Velocity flow field diagram of different types of nozzle tube section shape

2.2 吹種裝置多因素對(duì)種子運(yùn)動(dòng)特性的影響分析

2.2.1 對(duì)種子受力的影響 以氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，對(duì)種子的作用力進(jìn)行仿真試驗(yàn)。由表3 可知，作用于稻麥上的合力變化均與氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速正相關(guān)，其中Z方向的力（Fz）主要有重力和浮力，其整體水平處于平穩(wěn)狀態(tài)，主要因?yàn)閄方向的力（Fx）變化幅度較大導(dǎo)致合力（Fp）的增加。在同一氣流入口壓力下，工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為12~28 r?min-1時(shí)，作用于水稻種子的X方向的力和合力基本保持穩(wěn)定；在同一工作轉(zhuǎn)速下，氣流入口壓力設(shè)定為100~500 Pa 時(shí)，作用于水稻種子X方向的力和合力隨工作轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增加。在同一氣流入口壓力下，工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為12~28 r?min-1時(shí)，作用于小麥種子的X方向的力和合力與工作轉(zhuǎn)速正相關(guān)；在同一工作轉(zhuǎn)速下，氣流入口壓力設(shè)定為100~500 Pa 時(shí)，作用于小麥種子的X方向的力和合力隨氣流入口壓力的增加而逐漸增加。從表4 可知，氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速均對(duì)作用于稻麥種子上的合力有顯著影響。

表3 不同氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速下種子的受力Table 3 Seed stress under different airflow inlet pressure and working speed

表4 各因素對(duì)種子受力方差分析Table 4 Variance analysis on various factors on force

2.2.2 對(duì)種子速度的影響 以氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，對(duì)種子的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行仿真試驗(yàn)。由表5 可知，作用于稻麥上的速度與氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速正相關(guān)，Z方向的速度（vz）在穩(wěn)定范圍內(nèi)變化，整體水平處于平穩(wěn)狀態(tài)，主要因?yàn)閄方向的速度（vx）變化幅度較大導(dǎo)致合速度（vp）的增加，在同一氣流入口壓力下，工作轉(zhuǎn)速設(shè)定為20~28 r?min-1時(shí)，作用于稻麥種子的X方向的速度和合速度隨工作轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增加。在同一工作轉(zhuǎn)速下，氣流入口壓力設(shè)定為100~500 Pa 時(shí)，作用于稻麥種子的X方向的速度和合速度隨氣流入口壓力的增加而逐漸增加。從表6可知，氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速均對(duì)作用于稻麥種子上的合速度影響極顯著。

表5 不同氣流入口壓力和工作轉(zhuǎn)速下的種子速度Table 5 Mean velocity under different airflow inlet pressure and working speed

表6 各因素對(duì)種子速度方差分析Table 6 Variance analysis on various factors on velocity

當(dāng)氣流入口壓力增加至500 Pa，工作轉(zhuǎn)速增加至28 r?min-1，種子所受的作用力和速度都處于較大值，使相對(duì)速度增加，不利于后續(xù)投種。為使后續(xù)投種性能較好，應(yīng)選擇合適的工作參數(shù)使種子受到較高的作用力和速度，又能滿足相對(duì)速度較小。因此，考慮氣流入口壓力為300 Pa、工作轉(zhuǎn)速為20 r?min-1較適宜。

2.3 間隔時(shí)間仿真試驗(yàn)驗(yàn)證分析

種子在氣流場(chǎng)的分布情況可以通過種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直觀表達(dá)，設(shè)置氣流入口壓力為300 Pa，水稻供種速率為19.6粒?s-1、小麥供種速率為13.9粒?s-1，工作轉(zhuǎn)速為20 r?min-1。排種水稻種子時(shí)以種子流進(jìn)入檢測(cè)裝置開始進(jìn)行1 個(gè)周期的仿真試驗(yàn)，其仿真結(jié)果如圖7所示，時(shí)間間隔統(tǒng)計(jì)見表7。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)稻麥進(jìn)行排種時(shí)，該檢測(cè)吹種裝置滿足稻麥兼用要求。當(dāng)排種水稻時(shí)，連續(xù)3粒稻種之間的間隔時(shí)間為9.19 ms，小于2 粒稻種理論間隔時(shí)間60 ms；當(dāng)排種小麥時(shí)，連續(xù)2 粒小麥種之間的間隔時(shí)間為8.45 ms，小于2 粒小麥種最小理論間隔時(shí)間50 ms，說明在稻麥種子經(jīng)過檢測(cè)裝置時(shí)，傳感器有足夠時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)計(jì)數(shù)，并將信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，驅(qū)動(dòng)電磁閥打開噴嘴閥進(jìn)行吹種。表明該裝置可以適應(yīng)不同工作轉(zhuǎn)速的排種要求。

表7 種子間隔時(shí)間Table 7 Seed spacing time （ms）

圖7 種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig. 7 Motion state of seed

2.4 臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)分析

為檢驗(yàn)稻麥兼用排種器檢測(cè)與吹種裝置的試驗(yàn)效果，構(gòu)建排種器檢測(cè)與吹種裝置試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)結(jié)果如表8 所示，對(duì)水稻進(jìn)行計(jì)數(shù)吹種時(shí)，隨著延時(shí)時(shí)間增加，吹種數(shù)量先增加后減小，當(dāng)延時(shí)時(shí)間為12 ms 時(shí)，吹種數(shù)量最大，說明物料從傳感器檢測(cè)口到吹氣口所需時(shí)間匹配單片機(jī)內(nèi)部處理計(jì)算時(shí)間與延時(shí)時(shí)間之和；當(dāng)延時(shí)時(shí)間大于12 ms時(shí)，種子經(jīng)過噴嘴口時(shí)高速電磁閥還沒有打開，導(dǎo)致種子無(wú)法進(jìn)行精確控制；當(dāng)延時(shí)時(shí)間小于12 ms時(shí)，種子還沒有經(jīng)過噴嘴口已經(jīng)開始吹氣，由于吹氣口為矩形，在一定時(shí)間間隔內(nèi)仍有氣壓，但會(huì)出現(xiàn)因?yàn)闅鈮翰蛔阋鹇┐惮F(xiàn)象，隨著延時(shí)時(shí)間逐漸減少，漏吹現(xiàn)象明顯增加。對(duì)小麥進(jìn)行計(jì)數(shù)吹種時(shí)，當(dāng)延時(shí)時(shí)間為12 ms 時(shí)，吹種效果最佳。于是方便稻麥兼用機(jī)械結(jié)構(gòu)選用一致，粒間延時(shí)時(shí)間設(shè)定為12 ms。設(shè)置此延時(shí)時(shí)間，以合格率為排種效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速20 r?min-1時(shí)，水稻和小麥排種的合格率分別為90.7%和93.2%，滿足稻麥兼用播種要求。

表8 不同粒間延時(shí)時(shí)間下的吹種數(shù)量Table 8 Number of seed blowing under different delay time between grains

3 討論

目前，對(duì)稻麥兼用排種器的研究尚未深入開展采用精確計(jì)數(shù)方法實(shí)現(xiàn)精量排種。對(duì)于單體排種器的研究，精量排種的方法有較多研究，主要結(jié)合種子尺寸和穴播粒數(shù)設(shè)計(jì)型孔結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械或氣力方式實(shí)現(xiàn)模糊精量囊種，在1個(gè)環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)模糊計(jì)數(shù)與囊種2個(gè)功能，通過試驗(yàn)調(diào)試在一定程度上提高模糊精量排種性能[19]。此外，光纖計(jì)數(shù)技術(shù)可用于油菜種子流的檢測(cè)，以評(píng)估傳感器精度對(duì)油菜種子播種量檢測(cè)的影響，然而該技術(shù)在根據(jù)穴播粒數(shù)實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)計(jì)數(shù)方面存在限制[20]。為實(shí)現(xiàn)稻麥兼用排種器精確檢測(cè)計(jì)數(shù)的目的，本研究將計(jì)數(shù)、投種功能實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，分別構(gòu)建檢測(cè)與吹種裝置。通過平拋運(yùn)動(dòng)理論設(shè)計(jì)檢測(cè)裝置，根據(jù)種子流下落時(shí)產(chǎn)生一定的間距使用檢測(cè)元件靈敏檢測(cè)單粒種子；采用氣固耦合方法分析各影響因素對(duì)種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)特性的影響，獲得最優(yōu)工作參數(shù)組合：噴嘴管截面長(zhǎng)度為18 mm、寬度為7 mm、高度為3 mm、氣流入口壓力為300 Pa、工作轉(zhuǎn)速為20 r?min-1。通過理論分析與仿真模擬相結(jié)合的方法確定稻麥理論間隔時(shí)間均大于仿真下落時(shí)間，驗(yàn)證了檢測(cè)裝置與吹種裝置的可行性。為了兼顧稻麥農(nóng)藝要求，確保檢測(cè)到的種子順利進(jìn)入充種管進(jìn)行囊種，本研究確定種子粒間延時(shí)時(shí)間為12 ms，得到水稻和小麥的合格率分別為90.7%和93.2%，說明檢測(cè)與吹種裝置精量排種合格率明顯提升。

本研究設(shè)計(jì)的稻麥精量排種器進(jìn)一步提升了排種合格率，可為今后機(jī)械式稻麥精量排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。在試驗(yàn)過程中，種子的檢測(cè)環(huán)節(jié)被單獨(dú)構(gòu)建實(shí)現(xiàn)了精確計(jì)數(shù)效果。然而，通常情況下檢測(cè)元件靈敏度受外界環(huán)境光照、振動(dòng)等影響，對(duì)合格率造成一定影響。因此，在后續(xù)研究中進(jìn)一步增強(qiáng)檢測(cè)裝置穩(wěn)定性，使其具有較高抗干擾能力，同時(shí)可結(jié)合高速攝影以圖片形式進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)數(shù)加強(qiáng)探索檢測(cè)精度，為精量技術(shù)提供參考。