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)
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)。
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。
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
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。
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。
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。
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
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。
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。
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
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
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。
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。
(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。