油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器螺旋供種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

姚 露 廖慶喜 王 磊 劉 海 魏國(guó)粱 王寶山

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

油菜是我國(guó)重要的油料作物，2019年機(jī)械化播種水平僅約為32.54%，嚴(yán)重制約了我國(guó)油菜播種機(jī)械化的發(fā)展[1-3]。隨著農(nóng)業(yè)栽植模式的轉(zhuǎn)變及農(nóng)業(yè)機(jī)械化技術(shù)的發(fā)展，為適應(yīng)高速高效機(jī)械作業(yè)，各類(lèi)集排器已成為國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用的主要方向[4-7]。離心式集排器因其排種過(guò)程簡(jiǎn)單、種子破損率低等特點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于機(jī)械播種作業(yè)[8-10]，但播種速度大多集中在1.6～5 km/h，無(wú)法滿(mǎn)足高速播種需求。供種裝置作為離心式集排器的核心部件，其結(jié)構(gòu)形式影響離心式集排器高速作業(yè)時(shí)的排種效率、總排量穩(wěn)定性及破損率等。

為提高集排器供種性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了深入的研究。美國(guó)Sunflower公司、John Deere公司等均采用機(jī)械槽輪式排種器作為氣送式播種機(jī)的供種裝置，可實(shí)現(xiàn)定量穩(wěn)定供種；GAO等[11]為增強(qiáng)種子流動(dòng)性并減少種子堆積，運(yùn)用CFD-EDM仿真分析了定量供種系統(tǒng)中文丘里管氣流場(chǎng)特性并確定了其結(jié)構(gòu)參數(shù)；雷小龍等[12-14]為提高氣送式集排器的兼用性并實(shí)現(xiàn)定量變量供種，分別以油菜、小麥及水稻為對(duì)象研制了兼用型供種裝置；韓豹等[15]為穩(wěn)定粳稻定向精量播種裝置在低播量時(shí)的播種性能，設(shè)計(jì)了一種離心式供種機(jī)構(gòu)；李沐桐等[16]為解決精密排種器高速作業(yè)時(shí)排種穩(wěn)定性問(wèn)題，提出了離心錐盤(pán)推送式充種方式，最大限度發(fā)揮了種層離心力對(duì)預(yù)充填籽粒的作用；王磊等[17-18]為解決油菜種植區(qū)域地表坡度變化范圍大導(dǎo)致供種穩(wěn)定性不足的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了適用于氣送式集排器可實(shí)現(xiàn)坡地穩(wěn)定供種的供種裝置及均勻分種的勻種渦輪。綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展了適用于不同類(lèi)型集排器的供種裝置的相關(guān)研究以提高播種性能，但滿(mǎn)足離心式集排器作業(yè)速度大于10 km/h的高速作業(yè)時(shí)所需供種能力的供種裝置卻鮮有研究，制約了離心式集排器的發(fā)展與應(yīng)用。

本文基于油菜種子的機(jī)械物理特性及農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種用于“一器八行”旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器的螺旋進(jìn)種條供種裝置，確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，探究轉(zhuǎn)速和螺旋進(jìn)種條結(jié)構(gòu)對(duì)供種速率及其穩(wěn)定性變異系數(shù)和破損率的影響，以期為油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式聯(lián)合直播機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2BFQ-8型油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式聯(lián)合直播機(jī)主要由主機(jī)架、排種系統(tǒng)、排肥系統(tǒng)、開(kāi)畦溝系統(tǒng)、仿形地輪、旋耕裝置等組成，如圖1所示。該機(jī)能一次性完成旋耕、施肥、播種、開(kāi)畦溝等作業(yè)環(huán)節(jié)[19]。排種系統(tǒng)主要由集排器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、種箱、導(dǎo)種管及雙圓盤(pán)開(kāi)溝器組成[20]。種子經(jīng)由種箱通過(guò)集排器均勻分配到8個(gè)出種口，進(jìn)入輸種管道及雙圓盤(pán)開(kāi)溝器到達(dá)種床，實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)。

1.2 供種裝置結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器主要包括種箱、供種套筒、螺旋進(jìn)種條、上蓋本體、下蓋本體、旋轉(zhuǎn)盤(pán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)種嘴等，結(jié)構(gòu)如圖2a所示。螺旋進(jìn)種條與供種套筒共同組成螺旋供種裝置，旋轉(zhuǎn)盤(pán)、導(dǎo)種嘴、下蓋本體與主軸共同組成分種裝置，螺旋進(jìn)種條與旋轉(zhuǎn)盤(pán)通過(guò)主軸連接由電機(jī)同軸驅(qū)動(dòng)。油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器主要結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)如表1所示。

集排器工作時(shí)，如圖2b所示，螺旋進(jìn)種條的主軸在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心以角速度ωe逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，其頂端的破拱錐可對(duì)種箱內(nèi)處于充填區(qū)Ⅰ的種子起到攪種、破拱作用；種子經(jīng)過(guò)充填區(qū)進(jìn)入螺旋進(jìn)種條與供種套筒共同形成的遷移區(qū)Ⅱ內(nèi)，并在螺旋葉片側(cè)向推動(dòng)與種子自重的共同作用下向下有序輸種；到達(dá)螺旋進(jìn)種條底端即處于出種區(qū)Ⅲ的種子，在螺旋葉片的約束下按照“先到先出種”的原則開(kāi)始有序?yàn)樾D(zhuǎn)盤(pán)供種，其在外力作用下沿著導(dǎo)葉骨線運(yùn)移，到達(dá)旋轉(zhuǎn)盤(pán)邊緣以一定的初速度經(jīng)由導(dǎo)種嘴運(yùn)輸至種床。種子在螺旋供種裝置的作用下形成連續(xù)均勻的種子流并實(shí)現(xiàn)精量可控。

表1 旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main parameters of spinning disc high-speed metering device

2 供種裝置主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)與分析

2.1 螺旋進(jìn)種條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

螺旋進(jìn)種條作為供種裝置的核心部件，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括破拱錐錐度、螺旋葉片寬度、螺距、外徑等。旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器由電機(jī)帶動(dòng)主軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，種子輸送方向?yàn)樽陨隙?、由串?lián)到并聯(lián)的過(guò)程，為保證螺旋進(jìn)種條能夠順利充種并精量供種，確定螺旋方向?yàn)橛倚?。試?yàn)中螺旋進(jìn)種條采用工程塑料ABS進(jìn)行3D打印加工。

2.1.1破拱錐結(jié)構(gòu)參數(shù)

種箱內(nèi)種子進(jìn)入螺旋供種裝置的過(guò)程中可分別形成整體流和中心流。當(dāng)種箱出種孔徑較小時(shí)易出現(xiàn)中心流，靠近種箱壁層的種子群流速較慢或停滯，此時(shí)種群顆粒間以及顆粒與種箱壁間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的接觸力會(huì)形成連續(xù)拱形結(jié)構(gòu)并指向結(jié)拱中心處的顆粒群，當(dāng)處于拱形結(jié)構(gòu)下方的部分種群被強(qiáng)制向下持續(xù)輸送后，充填區(qū)Ⅰ會(huì)出現(xiàn)“架空”現(xiàn)象。為滿(mǎn)足種子流“先進(jìn)先出”原則及避免出現(xiàn)流動(dòng)堵塞導(dǎo)致“結(jié)拱”、供種不均等問(wèn)題，種子流首選流型應(yīng)為整體流。現(xiàn)設(shè)計(jì)一種防結(jié)拱結(jié)構(gòu)，可對(duì)種箱內(nèi)部的種群產(chǎn)生擾動(dòng)作用，并破壞形成的拱形固定結(jié)構(gòu)，帶動(dòng)種群向充填區(qū)實(shí)現(xiàn)趨于整體流的穩(wěn)定過(guò)渡；破拱錐對(duì)種子具有導(dǎo)向作用，為了增加種子群與破拱錐的接觸面，同時(shí)避免轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)種子停留在破拱錐上并對(duì)種子造成損傷，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)為表面光滑過(guò)渡的正圓錐狀，如圖3所示，則其頂角為

θ≤180°-2θ0

(1)

式中θ——破拱錐頂角，(°)

θ0——油菜種子自然休止角，(°)

圖3 供種裝置相對(duì)位置關(guān)系圖Fig.3 Relative positional relationship of seed feeding device

選取試驗(yàn)對(duì)象為華油雜62，其自然休止角為26.7°[21]，計(jì)算得破拱錐頂角θ≤126.6°，可滿(mǎn)足破拱要求；破拱錐的高度越高對(duì)種群的擾動(dòng)作用越大，但過(guò)高則破拱錐底端與種箱形成的銳角越小，會(huì)產(chǎn)生種子破損現(xiàn)象，綜合考慮取破拱錐頂角為60°，即軸截面為等邊三角形，軸截面邊長(zhǎng)計(jì)算式為

L=d

(2)

式中L——破拱錐軸截面邊長(zhǎng)，mm

d——螺旋進(jìn)種條內(nèi)徑，mm

為避免連鎖結(jié)拱，種箱下部圓形出種口直徑D(與螺旋進(jìn)種條外徑、供種套筒內(nèi)徑相同)應(yīng)不小于油菜種子直徑de的6～12倍[22]，根據(jù)文獻(xiàn)[21]取de為2 mm，計(jì)算可得種箱出種口直徑D>24 mm。

2.1.2螺旋葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)

在破拱錐的擾動(dòng)及自身重力作用下，油菜種群充入螺旋進(jìn)種條，并在螺旋葉片的推動(dòng)下將種子輸出。實(shí)際田間作業(yè)中農(nóng)藝要求的播種速率[23]為

Qs=10QnBvm

(3)

式中Qs——農(nóng)藝要求播種速率，g/s

Qn——農(nóng)藝要求目標(biāo)播種量，kg/hm2

B——播種機(jī)工作幅寬，m

vm——播種機(jī)作業(yè)速度，m/s

螺旋供種裝置的供種速率[23]為

(4)

式中Qm——螺旋供種裝置供種速率，g/s

λ——螺旋進(jìn)種條外徑與套筒內(nèi)表面間隙，取0 mm

φ——油菜種子充滿(mǎn)系數(shù)

ne——螺旋進(jìn)種條轉(zhuǎn)速，r/min

γ——油菜種子容重，取6.325 1×10-4g/mm3

P——螺旋進(jìn)種條螺旋線導(dǎo)程，mm

C——螺旋進(jìn)種條傾斜輸送修正系數(shù)，當(dāng)輸送角為90°即垂直輸送時(shí)取0.36

由式(3)、(4)可知，農(nóng)藝要求的供種速率應(yīng)與供種裝置的供種速率相同，則

(5)

式(5)表明，在滿(mǎn)足農(nóng)藝要求的單位面積目標(biāo)播種量前提下，當(dāng)播種幅寬B、播種機(jī)作業(yè)速度vm、油菜種子容重γ和螺旋進(jìn)種條傾斜輸送修正系數(shù)C一定時(shí)，油菜種子充滿(mǎn)系數(shù)φ、螺旋進(jìn)種條外徑D、螺旋線導(dǎo)程P與轉(zhuǎn)速ne呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，螺旋進(jìn)種條內(nèi)徑d與轉(zhuǎn)速ne呈正相關(guān)關(guān)系。供種裝置轉(zhuǎn)速具有適宜的區(qū)間，轉(zhuǎn)速過(guò)大則會(huì)出現(xiàn)種子隨螺旋供種裝置一起轉(zhuǎn)動(dòng)而不向下供種的現(xiàn)象，存在最大臨界轉(zhuǎn)速。在保證相同供種速率的條件下適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速可增加充種時(shí)間，提高油菜種群充填性能，保證供種均勻性。當(dāng)保持螺旋線導(dǎo)程P不變時(shí)，可通過(guò)增加螺旋進(jìn)種條外徑D或減小螺旋進(jìn)種條內(nèi)徑d以適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，但若增大螺旋進(jìn)種條外徑，其直接約束供種套筒外徑，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致供種裝置體積增大，且處于螺旋進(jìn)種條外沿處的種群所受牽連速度顯著增大，由前文分析可知D>24 mm，考慮到螺旋進(jìn)種條葉片對(duì)稱(chēng)性質(zhì)選取其外徑D為偶數(shù)，即26 mm；若減小螺旋進(jìn)種條內(nèi)徑，則與螺旋軸連接的主軸直徑相應(yīng)減小，在動(dòng)力傳輸時(shí)扭矩過(guò)大，裝置強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性及可靠性隨即降低。為保證能順利充種且適量供種，設(shè)計(jì)葉片寬度l至少大于一個(gè)油菜種子直徑且小于3個(gè)油菜種子直徑，可得螺旋葉片寬度滿(mǎn)足關(guān)系

(6)

式中l(wèi)——螺旋葉片寬度，mm

由式(6)計(jì)算得螺旋葉片寬度2 mm

螺旋進(jìn)種條葉片是長(zhǎng)方形截面以螺旋升角繞中心圓柱體形成的螺旋線，其與螺旋線導(dǎo)程P之間的關(guān)系[24]為

(7)

式中α——螺旋進(jìn)種條螺旋升角，(°)

螺旋升角α與導(dǎo)程P呈正相關(guān)關(guān)系，螺旋進(jìn)種條起到有效控制種子流的作用，當(dāng)裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)應(yīng)保證種子不自然下落，則螺旋升角α應(yīng)小于油菜種子與工程塑料ABS的靜摩擦角，查閱文獻(xiàn)[25]可知其靜摩擦因數(shù)為0.3，計(jì)算可得螺旋線導(dǎo)程P≤25 mm；若螺旋線導(dǎo)程過(guò)小，葉片節(jié)距相應(yīng)減小會(huì)造成種子擠壓破損，也不利于種子的軸向輸送，綜合考慮13 mm≤P≤25 mm。裝置的供種速率由轉(zhuǎn)速和螺旋進(jìn)種條結(jié)構(gòu)尺寸共同決定。

2.2 供種套筒結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

供種套筒與螺旋進(jìn)種條間隙配合，則間隙λ取0 mm，即供種套筒內(nèi)徑與螺旋進(jìn)種條外徑相等，為26 mm。供種套筒同時(shí)作為支撐裝置選取其壁厚為10 mm，即供種套筒外徑D′為46 mm。若供種套筒高度h較高，會(huì)出現(xiàn)：①排種裝置重心上移，實(shí)際田間作業(yè)中持續(xù)存在振動(dòng)、傾斜等工況，整機(jī)可靠性與穩(wěn)定性下降。②供種套筒高度與螺旋進(jìn)種條高度成正比，高度越高種子在供種裝置中經(jīng)過(guò)路程則越長(zhǎng)，不符合“短程排種”設(shè)計(jì)思想。綜合以上因素，參考上蓋本體與下蓋本體高度，取供種套筒高度h為80 mm。

3 供種裝置供種力學(xué)分析

3.1 供種裝置動(dòng)力學(xué)分析

油菜種子順利充入供種裝置是實(shí)現(xiàn)后續(xù)分種、輸種等過(guò)程的關(guān)鍵前提，種子在破拱錐的擾動(dòng)下依次經(jīng)過(guò)充填區(qū)、遷移區(qū)和出種區(qū)，在重力、摩擦力和離心力等作用下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)供種過(guò)程。油菜種子流動(dòng)性能和球度較好，在供種裝置中以散粒體方式運(yùn)動(dòng)，建立螺旋進(jìn)種條內(nèi)種子穩(wěn)定輸送時(shí)的運(yùn)動(dòng)假設(shè)：

(1)種子顆粒群沿周向環(huán)形擴(kuò)散分布，O′為該種群微段所在平面(與中心轉(zhuǎn)軸垂直)的圓心，如圖4a所示，其轉(zhuǎn)速沿徑向發(fā)生變化，即任意徑向相鄰位置的種群顆粒轉(zhuǎn)速不同，且從螺旋軸到供種套筒內(nèi)壁之間轉(zhuǎn)速逐漸減小且呈線性變化。

(2)取處于螺旋進(jìn)種條任一半徑為r處圓柱面某段弧面的種群微段ds(ds、s為種群微段的長(zhǎng)度、位置)為研究對(duì)象，將其視為矩形截面e×j(e為種群接觸面與螺旋葉片接觸面的距離，j為種群微段厚度)的種子流，如圖4b所示。

圖4 供種裝置中種群微段運(yùn)動(dòng)模型Fig.4 Motion model building of differential seeds population in feeding device

螺旋進(jìn)種條是利用螺旋葉片與顆粒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)種子進(jìn)行輸送，當(dāng)螺旋葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其產(chǎn)生的摩擦力Fμ1使種群微段跟隨葉片一起轉(zhuǎn)動(dòng)；在離心力Fe的作用下，種群微段沿著徑向逐步向供種套筒壁面移動(dòng)，從而對(duì)外側(cè)種群產(chǎn)生壓力作用引起其對(duì)種群微段的摩擦力Fμ2，此外種群微段還在自身重力G、支反力等作用下達(dá)到受力平衡，此時(shí)種群沿著葉片穩(wěn)定輸送，現(xiàn)均以單頭螺旋為例分析供種裝置中最為典型的遷移過(guò)程受力情況。輸送過(guò)程中種群緊貼葉片且全部充滿(mǎn)螺旋進(jìn)種條與供種套筒形成的中空空間中，不會(huì)出現(xiàn)脫離、跳動(dòng)等現(xiàn)象。螺旋進(jìn)種條的旋轉(zhuǎn)為牽連運(yùn)動(dòng)，種群微段相對(duì)于其的運(yùn)動(dòng)為相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以種群微段中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O建立空間運(yùn)動(dòng)參考系并對(duì)該模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，如圖5a所示，受力簡(jiǎn)化至yOz平面內(nèi)開(kāi)展動(dòng)力學(xué)分析，如圖5b所示。

圖5 種群在供種裝置的動(dòng)力學(xué)分析Fig.5 Mechanics analysis of seeds in feeding device

根據(jù)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)，建立種群微段動(dòng)力學(xué)基本方程

(8)

式中m——種群微段質(zhì)量，kg

ar——種群微段相對(duì)加速度，m/s2

Fe——種群微段離心力，N

Fc——種群微段科氏慣性力，N

F——種群微段所受外力合力，N

r——種群微段所處半徑，mm

ωa——種群微段絕對(duì)角速度，rad/s

ωe——螺旋進(jìn)種條角速度，rad/s

ωr——種群微段與螺旋進(jìn)種條相對(duì)角速度，rad/s

μ1——螺旋葉片與種子間摩擦因數(shù)，取0.3

μ2——種群間的內(nèi)摩擦因數(shù)，取0.5

F1——螺旋葉片對(duì)種群微段的支反力，N

F2——外側(cè)種群對(duì)種群微段的支反力，N

Fμ1——螺旋葉片對(duì)種群微段的摩擦力，N

Fμ2——外側(cè)種群對(duì)種群微段的摩擦力，N

g——重力加速度，m2/s

G——種群微段的重力，N

將加速度沿坐標(biāo)軸分解，ar-x、ar-y、ar-z分別為在3個(gè)坐標(biāo)軸上的投影，取各坐標(biāo)軸方向?yàn)檎?，并由?8)可得

(9)

式中ar-x——種群微段相對(duì)加速度沿x軸分量，m/s2

ar-y——種群微段相對(duì)加速度沿y軸分量，m/s2

ar-z——種群微段相對(duì)加速度沿z軸分量，m/s2

β——種群運(yùn)動(dòng)降角，(°)

種群微段相對(duì)于螺旋進(jìn)種條做穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)，在3個(gè)軸上的加速度分量分別為

(10)

又據(jù)螺旋升角關(guān)系式得

(11)

聯(lián)立式(8)～(11)可得

(12)

式(12)是對(duì)種群微段在螺旋進(jìn)種條穩(wěn)定輸送達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果，可知當(dāng)供種裝置相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及油菜顆粒機(jī)械物理特性確定時(shí)，種群微段的絕對(duì)角速度與螺旋進(jìn)種條角速度以及種群微段與中心轉(zhuǎn)軸的距離r有關(guān)，當(dāng)螺旋進(jìn)種條角速度一定時(shí)，種群微段的絕對(duì)角速度與半徑r成反比，即越靠近螺旋進(jìn)種條中心種群微段的絕對(duì)角速度越高，與前述運(yùn)動(dòng)假設(shè)契合，證明分析合理。

當(dāng)螺旋角速度ωe逐漸增大，處于螺旋進(jìn)種條內(nèi)半徑r0(r0=d/2)處的種群最先達(dá)到臨界狀態(tài)，此時(shí)種子隨著螺旋進(jìn)種條一起轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，且有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，則

(13)

根據(jù)上文分析可知種群微段受到的外側(cè)種群支反力F2逐漸增大，外側(cè)種群對(duì)其摩擦力Fμ2隨之增大，為在y軸上達(dá)到受力平衡，則螺旋葉片對(duì)種群微段的支反力也需增大，此時(shí)螺旋葉片對(duì)種群微段的摩擦力Fμ1逐漸減小至0并沿相反方向增大為F′μ1，且在臨界狀態(tài)時(shí)F′μ1為最大靜摩擦力，為F′μ1=μ1F1。

結(jié)合式(8)～(13)可得此時(shí)螺旋臨界角速度為

(14)

式中ω0——螺旋進(jìn)種條臨界角速度，rad/s

聯(lián)立式(11)、(14)可得螺旋進(jìn)種條臨界轉(zhuǎn)速為

(15)

式中n0——螺旋進(jìn)種條臨界轉(zhuǎn)速，r/min

由式(15)可知，當(dāng)供種裝置材料及油菜品種選定之后，該臨界轉(zhuǎn)速僅與螺旋進(jìn)種條的內(nèi)徑及螺旋線導(dǎo)程有關(guān)，根據(jù)前文參數(shù)設(shè)計(jì)分析，代入各參數(shù)值計(jì)算可得臨界轉(zhuǎn)速n0≤105 r/min。

3.2 供種裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

當(dāng)螺旋進(jìn)種條的工作轉(zhuǎn)速ne

圖6 種群在供種裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.6 Kinematic analysis of seeds in feeding device

由圖6速度分析及三角形幾何關(guān)系可知

(16)

由式(16)可得種群微段的周向速度為

(17)

軸向速度為

(18)

由以上運(yùn)動(dòng)分析可知，裝置正常供種時(shí)種群顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡為一條螺旋線，該螺旋線中心與供種裝置中心軸線重合。電機(jī)通過(guò)主軸帶動(dòng)螺旋進(jìn)種條旋轉(zhuǎn)，其中大部分能量消耗在保持顆粒進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)上；種群軸向速度vz直接影響供種裝置的供種速率且呈正相關(guān)關(guān)系。軸向速度與螺旋進(jìn)種條轉(zhuǎn)速ne、螺旋線導(dǎo)程P、螺旋升角α和物料運(yùn)動(dòng)降角β有關(guān)。由式(7)可知螺旋升角α又與螺旋線導(dǎo)程P和螺旋進(jìn)種條外徑D有關(guān)；據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知種群運(yùn)動(dòng)降角β與螺旋進(jìn)種條轉(zhuǎn)速ne及其外徑D有關(guān)，一旦螺旋進(jìn)種條結(jié)構(gòu)確定，垂直輸送速度vz就僅由轉(zhuǎn)速ne決定。在相同轉(zhuǎn)速條件下，vz隨P增大而減小，隨D增大而增大；且vz與螺旋進(jìn)種條轉(zhuǎn)速ne呈正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明在臨界轉(zhuǎn)速n0范圍之內(nèi)適當(dāng)增加轉(zhuǎn)速利于有效供種。以此為基礎(chǔ)開(kāi)展供種性能試驗(yàn)。

4 供種裝置供種性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)以華油雜62為試驗(yàn)材料，千粒質(zhì)量4.68 g，含水率4.58%。采用自制的供種裝置試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展試驗(yàn)研究，如圖7所示。

圖7 供種裝置試驗(yàn)臺(tái)Fig.7 Platform of seed feeding device1.種箱 2.供種裝置 3.分種裝置 4.導(dǎo)種管 5.電機(jī) 6.試驗(yàn)臺(tái)架 7.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器 8.盛種杯 9.時(shí)控開(kāi)關(guān) 10.變壓器

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為獲得較優(yōu)的螺旋進(jìn)種條供種性能參數(shù)，并驗(yàn)證理論分析的合理性，開(kāi)展三因素三水平二次回歸正交組合試驗(yàn)。通過(guò)前述理論分析及前期預(yù)試驗(yàn)確定影響供種性能的主要因素及其取值范圍為：螺旋轉(zhuǎn)速60～100 r/min，螺旋葉片寬度3～5 mm和螺旋線導(dǎo)程13～25 mm。試驗(yàn)均以供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)和種子破損率為響應(yīng)指標(biāo)。試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 因素編碼Tab.2 Coding of factors

試驗(yàn)按照GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī) 試驗(yàn)方法》進(jìn)行供種裝置供種性能試驗(yàn)和測(cè)定[26]。試驗(yàn)中收集集排器8個(gè)出種口處1 min排出的種子量總和，稱(chēng)量，每組試驗(yàn)條件下重復(fù)5次，計(jì)算不同處理下供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)和種子破損率。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及結(jié)果分析應(yīng)用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 8.0.6完成，其中X1、X2和X3為因素編碼值。

4.3.2回歸分析與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用軟件Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到以供種速率Y1為響應(yīng)函數(shù)，以各因素編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型為

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment results

(19)

(20)

表4 供種速率方差分析Tab.4 Variance analysis of seed feeding rate

由式(20)回歸系數(shù)可知，供種速率的因素影響由大到小為導(dǎo)程、葉片寬度、轉(zhuǎn)速。供種速率分別隨著轉(zhuǎn)速、葉片寬度和導(dǎo)程的增加而增加，且導(dǎo)程影響最大，三者之間對(duì)供種速率的影響符合理論分析結(jié)果，證明了理論分析合理性。

以供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)Y2為響應(yīng)函數(shù)、以各因素編碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型為

(21)

(22)

表5 供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)方差分析Tab.5 Variance analysis of stability variation coefficient of seed feeding rate

由式(22)回歸系數(shù)可知，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)的因素影響由大到小為轉(zhuǎn)速、導(dǎo)程、葉片寬度。

以破損率Y3為響應(yīng)函數(shù)、以各因素偏碼值為自變量的回歸數(shù)學(xué)模型為

(23)

(24)

表6 破損率方差分析Tab.6 Variance analysis of damage rate

由式(24)回歸系數(shù)可知，破損率的因素影響由大到小為轉(zhuǎn)速、導(dǎo)程、葉片寬度。

4.3.3響應(yīng)曲面分析

供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)和破損率是評(píng)價(jià)本集排器排種性能的關(guān)鍵指標(biāo)，應(yīng)用響應(yīng)曲面分析各因素對(duì)兩指標(biāo)的影響，如圖8、9所示。由圖8a、9a可知，當(dāng)導(dǎo)程置于零水平(19 mm)，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，變異系數(shù)和破損率都隨葉片寬度的增加先緩慢下降后呈上升趨勢(shì)；葉片寬度一定時(shí)，變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加呈先降后升趨勢(shì)且變化明顯，破損率隨轉(zhuǎn)速的增加先緩慢下降后呈快速上升趨勢(shì)。由圖8b、9b可知，當(dāng)葉片寬度置于零水平(4 mm)，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，變異系數(shù)隨導(dǎo)程的增加呈先降后快速上升趨勢(shì)，破損率隨導(dǎo)程的增加呈上升趨勢(shì)且在轉(zhuǎn)速較高時(shí)變化明顯；導(dǎo)程一定時(shí)，變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加呈先降后升趨勢(shì)，破損率在不同導(dǎo)程時(shí)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)有些不同，但整體變化趨勢(shì)為持續(xù)上升狀態(tài)。由圖8c、9c可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速置于零水平(80 r/min)，導(dǎo)程取較小值時(shí)，變異系數(shù)隨葉片寬度的增加呈先降后緩慢上升趨勢(shì)，導(dǎo)程取較大值時(shí)，變異系數(shù)隨葉片寬度的增加呈上升趨勢(shì)，導(dǎo)程一定時(shí)，破損率隨葉片寬度的增加呈先降后升趨勢(shì)；當(dāng)葉片寬度一定時(shí)，變異系數(shù)隨導(dǎo)程的增加呈先降后升趨勢(shì)且在葉片寬度較大時(shí)變化明顯，破損率隨導(dǎo)程的增加呈緩慢上升趨勢(shì)。

圖8 各因素對(duì)供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響Fig.8 Effects of various factors on stability variation coefficient of seed feeding rate

圖9 各因素對(duì)破損率的影響Fig.9 Effects of various factors on damage rate

采用Design-Expert 8.0.6軟件回歸方程及響應(yīng)曲面分析可得，各因素的較優(yōu)參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)速80.8 r/min、葉片寬度4.1 mm及導(dǎo)程14.7 mm；此時(shí)集排器供種裝置的供種速率為93.2 g/min，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.3%，破損率為0.33%。

選取螺旋進(jìn)種條轉(zhuǎn)速為81 r/min、葉片寬度為4 mm及導(dǎo)程為15 mm，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得集排器供種裝置的供種速率為92.7 g/min，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.32%，破損率為0.29%，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本一致；且排種的均勻性、供種速率穩(wěn)定性及破損率滿(mǎn)足國(guó)家排種性能指標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)精量播種。

根據(jù)國(guó)標(biāo)要求的供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于1.3%以及破損率不大于0.5%[27]設(shè)定指標(biāo)范圍，可得供種速率為36.55～190.94 g/min，播量可調(diào)且可滿(mǎn)足不同的播種量需求；結(jié)合機(jī)組作業(yè)速度為6～10 km/h，作業(yè)幅寬為2 m，計(jì)算可得播量為1.10～9.55 kg/hm2。實(shí)際田間作業(yè)中針對(duì)不同播期、不同地區(qū)的播量需求及工作效率要求，可得到相應(yīng)的供種速率，與之對(duì)應(yīng)的有螺旋進(jìn)種條結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)速的參數(shù)匹配組合，結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)更換螺旋進(jìn)種條來(lái)實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速通過(guò)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，可滿(mǎn)足不同的播量及作業(yè)速度要求。

5 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器螺旋供種裝置的供種效果，于2019年10月1日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地以東方紅LX954型拖拉機(jī)為動(dòng)力、2BFQ-8型油菜聯(lián)合直播機(jī)為平臺(tái)、供種裝置較優(yōu)參數(shù)組合下的集排器開(kāi)展了油菜播種功能性試驗(yàn)，如圖10a所示，前茬作物為水稻，油菜品種為華油雜62。播種機(jī)作業(yè)速度為6 km/h，工作幅寬為2 m，同時(shí)播種8行，行距為210 mm。于田間播種35 d之后每廂取3個(gè)點(diǎn)測(cè)定1 m×2 m范圍內(nèi)8行的種植密度[28]，苗期長(zhǎng)勢(shì)如圖10b所示。其播種均勻性變異系數(shù)為7.8%，種植密度57～72株/m2，滿(mǎn)足NY/T 2709—2015《油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[29]技術(shù)要求。

圖10 油菜播種田間試驗(yàn)與苗期長(zhǎng)勢(shì)Fig.10 Field experiment and growth for rapeseed

圖11 油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器田間示范Fig.11 Field demonstration of spinning disc high-speed metering device for rapeseed

為驗(yàn)證油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式集排器高速作業(yè)適應(yīng)性，于2019年9月24—29日在浙江溫州蒼南灘涂地試驗(yàn)基地以履帶自走式油菜精量播種機(jī)為平臺(tái)開(kāi)展播種試驗(yàn)，如圖11a所示。油菜品種為華油雜62，播種機(jī)作業(yè)速度為10 km/h，工作幅寬為2.3 m，同時(shí)播種8行，行距為250 mm，播種3.67 hm2。據(jù)上述測(cè)定方法測(cè)得播種均勻性變異系數(shù)為9.4%，種植密度48～60株/m2，苗期長(zhǎng)勢(shì)如圖11b所示，滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求。

6 結(jié)論

(1)結(jié)合油菜機(jī)械物理特性及種植農(nóng)藝要求，開(kāi)發(fā)了一種螺旋進(jìn)種條結(jié)構(gòu)，研制了油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器供種裝置，確定螺旋進(jìn)種條關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)：外徑為26 mm、葉片寬度為2～6 mm及導(dǎo)程為13～25 mm；確立螺旋供種裝置最大臨界轉(zhuǎn)速為105 r/min。

(2)采用三因素三水平二次回歸正交組合試驗(yàn)，建立了供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)、破損率與轉(zhuǎn)速、葉片寬度、導(dǎo)程之間的數(shù)學(xué)模型，分析了各因素對(duì)供種速率、供種速率穩(wěn)定變異系數(shù)和破損率的影響，得出較優(yōu)參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)速81 r/min、葉片寬度4 mm、導(dǎo)程15 mm。在該參數(shù)組合下開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)，得到集排器螺旋供種裝置的供種速率為92.7 g/min，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.32%，破損率為0.29%，可滿(mǎn)足油菜旋轉(zhuǎn)盤(pán)式高速集排器穩(wěn)定播種要求。

(3)田間試驗(yàn)表明機(jī)組作業(yè)速度分別為6、10 km/h時(shí)，油菜播種均勻性變異系數(shù)為7.8%和9.4%，種植密度為57～72株/m2和48～60株/m2，集排器可實(shí)現(xiàn)高速播種，滿(mǎn)足油菜種植農(nóng)藝要求。