小麥氣送集排器等寬多邊形槽齒輪式供種裝置研究

王 磊 舒彩霞 席日晶 廖慶喜 劉嘉誠 廖宜濤

(1.華中農業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農業(yè)農村部長江中下游農業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

氣送式排種技術采用“機械定量供種+高速氣流輸種+隨機分配成行+氣流輔助導種”方式排種[1-2]，具有播種行數(shù)多、對種子外形尺寸要求低、作業(yè)速度高等特點，是精量排種技術的重要發(fā)展方向，在國內外已得到廣泛的研究與應用[3-5]。供種裝置作為氣送式集排器實現(xiàn)穩(wěn)定供種的關鍵部件，為排種過程提供連續(xù)穩(wěn)定的種子流，其充種性能對供種速率穩(wěn)定性和種子破損率具有顯著影響[6-7]。氣送式集排器排種小麥時，由于小麥種子表面有凹陷、球形度低、流動性差，充種環(huán)節(jié)種子難以穩(wěn)定充入齒槽孔，且充入齒槽孔的種子受供種裝置內種群作用影響，易從齒槽孔內掉落，導致齒槽孔漏充，降低了氣送式集排器總排量穩(wěn)定性。

為提高充種過程種子流動性，實現(xiàn)種子從種群內有效分離，雷小龍等[8]設計了安裝于供種裝置內的攪種機構，利用EDEM仿真確定了錐柱狀齒槽孔與雙螺旋排列方式的圓柱形攪種齒組合，可顯著提高充種性能；邢赫等[9]在水稻氣力式精量穴播排種器與種箱間設計了分層充種室，通過減少排種器中水稻種子之間的擠壓力和摩擦力，改善種子的流動性；叢錦玲等[10]通過排種盤內表面嵌入導種條方式，提高油麥兼用型氣力式精量排種器充種室內種子流動性，增加型孔內小麥種子充填率；史嵩等[11]設計了具有導種槽結構的氣吸式精量排種器排種盤，利用CFD-DEM耦合仿真確定了導種槽曲線方程的基圓半徑最優(yōu)值，以提高玉米高速排種時充種性能；劉彩玲等[12]設計了安裝于型孔輪式排種器內的振動定向供種機構，通過調整振動的方向、頻率、振幅，提高非圓形種子的流動性和供種性能；HAN等[13]利用CFD-DEM耦合仿真分析了氣吸式精量排種器型孔結構對玉米種子充種性能的影響，確定了型孔的寬度和平均弧長的較優(yōu)組合；YATSKUL等[14]分析了法國Kuhn公司生產的氣送式播種機供種裝置的攪種機構對供種穩(wěn)定性的影響。綜上，國內外學者通過優(yōu)化齒槽孔和型孔及充種室結構、添加擾種裝置和攪種機構、增加激振裝置等方式增加種群擾動和離散度。針對氣送式集排器的供種裝置，主要采用攪種機構與圓柱狀槽齒輪配合方式提高種子流動性，存在增加排種環(huán)節(jié)和傳動機構、易傷種等不足，而通過改變槽齒輪截面形狀改善種子流動性的研究較少。

針對小麥氣送式集排器供種裝置充種環(huán)節(jié)種子流動性差，導致充種和供種不穩(wěn)定的問題，設計一種具有等寬多邊形槽齒輪的供種裝置，確定等寬多邊形槽齒輪的主要結構參數(shù)，利用EDEM仿真對比分析等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形槽齒輪對種群擾動能力、充種及供種性能的影響，通過臺架試驗驗證較優(yōu)等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的供種性能，以期為小麥氣送式集排器供種裝置結構改進提供參考。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

氣送式集排系統(tǒng)主要由風機、供料裝置、供種裝置、分配器、輸送管道、導種管、開溝器、調速電機等組成，其結構如圖1所示。

圖1 氣送式集排系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structural diagram of air-assisted centralized metering system1.風機 2.供料裝置 3.供種裝置 4.分配器 5.輸送管道 6.導種管 7.開溝器 8.調速電機

供種裝置主要由種箱、種層調節(jié)板、卸種插板、供種裝置殼體、供種軸、空白輪、等寬多邊形槽齒輪、中間隔板等組成。其中等寬多邊形槽齒輪、中間隔板、空白輪、供種軸組成供種機構，供種機構上24個等寬多邊形槽齒輪交錯排布；等寬多邊形槽齒輪作為供種裝置實現(xiàn)穩(wěn)定充種和供種的關鍵部件，可增加小麥種群擾動，提高種子流動性，其主要由間隔齒、擾種齒、齒槽孔、槽齒輪輪體組成，槽齒輪輪體外輪廓由數(shù)段等長圓弧組成，圓弧之間由擾種齒間隔。供種裝置、供種機構及等寬多邊形槽齒輪結構示意圖如圖2所示。

圖2 供種裝置結構示意圖Fig.2 Structural diagrams of seed feeding device1.種箱 2.種層調節(jié)板 3.卸種插板 4.供種裝置殼體 5.供種軸 6.空白輪 7.等寬多邊形槽齒輪 8.中間隔板 9.間隔齒 10.擾種齒 11.齒槽孔 12.槽齒輪輪體

1.2 工作原理

供種裝置工作時，小麥種群依靠自身重力從種箱落入供種裝置的充種室內，動力經供種軸帶動等寬多邊形槽齒輪轉動，種子在自身重力、種群壓力、等寬多邊形槽齒輪擾動力等復合力作用下充入齒槽孔，等寬多邊形槽齒輪對種群的周期性擾動增加了種子的流動性和離散度，實現(xiàn)囊入齒槽孔種子隨等寬多邊形槽齒輪轉動過程中平穩(wěn)從種群中分離，完成充種環(huán)節(jié)；充入齒槽孔內的種子隨等寬多邊形槽齒輪轉動，完成攜種環(huán)節(jié)；種子在自身重力和離心力作用下脫離齒槽孔，形成穩(wěn)定種子流，完成供種環(huán)節(jié)。

2 關鍵部件設計

2.1 等寬多邊形槽齒輪輪體

常規(guī)槽齒輪輪體外形輪廓為圓形，其外形規(guī)則、無外形突變，難以通過槽齒輪外形輪廓突變對充種室內種群產生持續(xù)擾動，在提高充種室內小麥種群流動性方面存在不足，需配合攪種機構改善充種性能。等寬多邊形是一類具有等寬特性的封閉平面凸曲線，在任何方向上都有相同的寬度，等寬多邊形可以在兩平行線間自由轉動且始終與直線保持直接接觸[15-16]，由等寬多邊形組成的槽齒輪輪體外形輪廓可改變充種室內空間，實現(xiàn)充種室內種群的周期性持續(xù)擾動。

等寬多邊形定義[17]為，設Γ為凸封閉曲線，如圖3所示，自原點O引射線OE，OE與x軸正方向夾角為θ，作垂直于OE且與Γ相交任一直線L1(S1,θ)，記集S1的上確界為S，若Γ沿θ方向的寬滿足

圖3 等寬多邊形形成原理圖Fig.3 Schematic of forming constant width polygon

V(θ)=p(θ)+p(θ+π)>0

(1)

S=sup{S1:L1(S1,θ)∩?！?}

(2)

式中p(θ) ——Γ沿θ方向的支撐函數(shù)

p(θ+π) ——Γ沿θ+π方向的支撐函數(shù)

由圖3可知，等寬多邊形?？梢暈橛芍本€族{L1}、{L2}的包絡線Γ1、Γ2構成的封閉曲線，直線族{L1}、{L2}的表達式為

xcosθ+ysinθ-p(θ)=0

(3)

xcosθ+ysinθ+D-p(θ)=0

(4)

構成Γ的包絡線Γ1曲線方程為

(5)

其中

p′=dp/dθ

Γ2曲線方程為

(6)

式中D——封閉曲線Γ在θ方向的寬度

實際在繪制等寬多邊形時，繪制內接于直徑為R圓的正2n+1邊形的邊A1、A2、…、A2n+1，分別以邊A1、A2、…、A2n+1的2n+1個交點O1、O2、…、O2n+1為圓心，A1到An+1的距離為半徑繪制2n+1個等寬多邊形的拼接圓，2n+1個等寬多邊形的拼接圓的公共部分，就是2n+1條邊的等寬多邊形，等寬多邊形的2n+1條邊為半徑相同的圓弧連接而成，等寬多邊形的相鄰兩條邊連接處存在外形突變，作為等寬多邊形槽齒輪輪體時，增加了充種室內種群的擾動。根據(jù)等寬多邊形的定義和繪制原理可知，為實現(xiàn)等寬多邊形在任何方向上都有相同的寬度，等寬多邊形的邊數(shù)應為奇數(shù)[18]，邊數(shù)最少的等寬多邊形為等寬三邊形，同一寬度的等寬多邊形，面積最小的為等寬三邊形，面積最大的為圓形，則等寬三邊形槽齒輪輪體對充種室內種群空間影響最大。以等寬五邊形為例，其繪制過程如圖4所示。

圖4 等寬五邊形繪制示意圖Fig.4 Schematic of drawing constant width pentagon1.正五邊形外接圓 2.等寬五邊形 3.正五邊形 4.等寬五邊形的拼接圓

根據(jù)等寬多邊形的結構特性，應用等寬多邊形的槽齒輪輪體可有效增加種群擾動，改善種子流動性。隨著等寬多邊形邊數(shù)的增加，等寬多邊形相鄰兩條邊連接處的外形突變對種群的擾動能力減弱，但邊數(shù)的增加縮短了擾動周期。為滿足供種裝置對小麥種子充種性能的要求，并分析擾動能力和擾動周期對充種及供種性能的影響，設計等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體。等寬多邊形槽齒輪輪體的正多邊形外接圓直徑影響種子與齒槽孔接觸時間，正多邊形外接圓直徑偏小時，為滿足供種量要求，需增加等寬多邊形槽齒輪轉速，齒槽孔與種子接觸時間縮短，不利于種子充填入齒槽孔；正多邊形外接圓直徑過大時，增加供種裝置整體尺寸，影響氣送式集排器整體布局，結合課題組前期研制的供種裝置總體結構和小麥排種器槽輪直徑范圍，確定等寬多邊形槽齒輪輪體的正多邊形外接圓直徑為80 mm。根據(jù)等寬多邊形的繪制方式，繪制等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體截面，如圖5所示。

圖5 等寬多邊形槽齒輪輪體截面示意圖Fig.5 Schematics of constant width polygon groove-tooth wheel body section

2.2 齒槽孔

小麥種子外形近橢球形，在種子長半軸方向存在凹陷，種子間摩擦力較大、種群流動性差不利于穩(wěn)定充種。為提高充種及供種性能，基于拋物線形成齒槽孔截面曲線。

小麥種子充入齒槽孔的概率與小麥種子在充種室內的姿態(tài)相關，根據(jù)小麥種子的幾何尺寸，型孔中小麥種子的姿態(tài)主要有“平躺”、“側臥”、“豎立”3種姿態(tài)。種子充入齒槽孔不同姿態(tài)的概率與該姿態(tài)的水平截面積呈正相關，根據(jù)文獻[19]可知，小麥種子以“平躺”、“側臥”、“豎立”3種姿態(tài)充入型孔的概率分別為42.98%、38.25%、18.77%，則小麥種子充入齒槽孔時種子姿態(tài)以“平躺”和“側臥”為主。

型孔長度、寬度、高度是影響充種性能的關鍵參數(shù)，為保證小麥種子能以平躺姿態(tài)充入齒槽孔，型孔長度應大于種子最大長度，同時為保證充種精度，考慮一粒種子以平躺、一粒種子以側臥姿態(tài)充種時的極限尺寸，齒槽孔長度應小于種子最大長度與最大寬度之和；齒槽孔寬度應大于種子最大寬度，同時為避免齒槽孔寬度方向上兩粒種子同時以平躺姿態(tài)充種，齒槽孔最大寬度應小于兩粒種子最小寬度之和；齒槽孔深度應大于種子最大寬度，且在第2粒種子以平躺姿態(tài)充種時，種子重心在齒槽孔外，故齒槽孔深度應小于1.5倍種子最大寬度。根據(jù)齒槽孔尺寸與種子充入姿態(tài)的關系可知

(7)

式中bmax——小麥種子最大長度，mm

cmax——小麥種子最大寬度，mm

cmin——小麥種子最小寬度，mm

l——齒槽孔長度，mm

w——齒槽孔寬度，mm

h——齒槽孔高度，mm

以鄭麥9023為研究對象，測得小麥種子最大長度、最大寬度、最小寬度分別為6.5、3.5、3.0 mm，代入式(7)確定齒槽孔長度范圍為6.5～10.0 mm、齒槽孔寬度范圍為3.5～6.0 mm、齒槽孔高度范圍為3.50～5.25 mm。

基于等寬多邊形槽齒輪輪體結構特性，結合齒槽孔寬度和高度的取值范圍，確定齒槽孔截面拋物線曲線未偏轉時齒槽孔高度h為3.8 mm，以等寬五邊形槽齒輪輪體為例，采用拋物線曲線y=x2的齒槽孔結構如圖6所示。

圖6 未偏轉拋物線齒槽孔結構示意圖Fig.6 Structural diagram of non deflected parabolic foramina alveolaria

由圖6可知，等寬多邊形槽齒輪齒槽孔高度一定時，聯(lián)立拋物線齒槽孔方程和以Oc為圓心的等寬多邊形的拼接圓方程可得

(8)

式中Rc——等寬多邊形的拼接圓半徑，mm

根據(jù)等寬多邊形的正多邊形外接圓、等寬多邊形的拼接圓與等寬多邊形的幾何關系，可得等寬多邊形的拼接圓半徑為

(9)

根據(jù)式(8)、(9)可確定等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪齒槽孔寬度w為3.89 mm。

為提高充種室內種群離散度，在利用等寬多邊形槽齒輪輪體增加種群擾動基礎上，通過齒槽孔截面拋物線偏轉進一步提高充種室內種群離散度，并保證種子在供種環(huán)節(jié)順利從齒槽孔中排出。齒槽孔截面拋物線偏轉過程中，以點Oe為圓心對齒槽孔截面拋物線整體偏轉，偏轉方向與等寬多邊形槽齒輪轉動方向相同。受小麥種子自然休止角、齒槽孔結構、齒槽孔數(shù)量及所在等寬多邊形邊長限制，齒槽孔截面拋物線偏轉角過大時，齒槽孔無法成型，齒槽孔截面拋物線偏轉角偏小時，供種環(huán)節(jié)種子難以排出，一般齒槽孔截面拋物線偏轉角取值范圍為30°～50°[20]，綜合齒槽孔截面拋物線未偏轉時齒槽孔的寬度和高度參考尺寸，為保證小麥種子有效充種和供種，確定齒槽孔截面拋物線偏轉角θ為40°。

當齒槽孔截面拋物線偏轉角為40°時，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪的齒槽孔高度均為4.88 mm，齒槽孔寬度分別為5.57、5.60、5.61、5.61 mm；圓形槽齒輪的齒槽孔高度為4.80 mm，齒槽孔寬度為5.36 mm。根據(jù)齒槽孔長度取值范圍及等寬多邊形槽齒輪在供種裝置內的排布，確定齒槽孔長度為9 mm。

2.3 齒槽孔數(shù)量

單位時間內供種裝置供種量應與播種機工作時播量要求一致，建立供種裝置供種量與播量關系方程

(10)

式中Qs——播種機播量，粒/s

B——播種機作業(yè)幅寬，m

vm——播種機作業(yè)速度，m/s

a——平均粒距，m

b——行距，m

Qm——供種裝置供種量，粒/s

q——單個齒槽孔充入種子數(shù)量，粒

Z——單個槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)量

N——槽齒輪數(shù)量

na——槽齒輪轉速，r/min

播種機播量和供種裝置供種量相同時，由式(10)可得單個槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)量為

(11)

由式(11)可知，單個槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)與播種機作業(yè)幅寬、作業(yè)速度成正比，與平均粒距、行距、單個齒槽孔充入種子數(shù)量、槽齒輪數(shù)量、槽齒輪轉速成反比。綜合考慮長江中下游地區(qū)小麥播種作業(yè)速度為4～8 km/h，播量為120～225 kg/hm2，播種機作業(yè)幅寬為2 m，一次播種8行，行距為200 mm，平均粒距為10 mm，單個齒槽孔充種粒數(shù)為2，單行對應槽齒輪數(shù)量為3，槽齒輪總量為24，槽齒輪轉速為10～60 r/min，代入式(11)可得單個槽齒輪徑向齒槽孔數(shù)量為19～57。

等寬多邊形的拼接圓半徑與等寬多邊形邊長的幾何關系為

(12)

式中l(wèi)c——等寬多邊形的邊長，mm

結合式(9)、(12)可得等寬多邊形的邊長為

(13)

由式(13)可知，正多邊形外接圓半徑一定時，等寬多邊形的邊長隨等寬多邊形邊數(shù)的增加而減小。正多邊形外接圓半徑為40 mm時，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體的邊長分別為72.55、47.81、35、27.5 mm，結合齒槽孔寬度取值范圍，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體單邊可形成的齒槽孔數(shù)量分別應不大于13、8、6、4。相鄰齒槽孔間有間隔齒時，為滿足齒槽孔強度，同時保持不同等寬多邊形槽齒輪輪體齒槽孔數(shù)量接近，確定等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪輪體單邊齒槽孔數(shù)量分別為9、5、4、3，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪的徑向齒槽孔數(shù)量分別為27、25、28、27，槽齒輪交錯排布。槽齒輪輪體為圓形時，確定齒槽孔數(shù)為30。

3 供種裝置充種性能仿真試驗

為探究供種裝置的槽齒輪輪體結構型式對充種及供種性能的影響，運用EDEM軟件仿真分析等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形槽齒輪對充種環(huán)節(jié)小麥種群擾動能力和充種性能的影響，并對比分析等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪對供種性能的影響。

3.1 模型建立

為提高仿真效率，將仿真模型簡化，僅保留供種裝置殼體、種層調節(jié)板、等寬多邊形槽齒輪、供種軸等關鍵部件，將簡化后的模型文件另存為.stp格式，導入EDEM 2018前處理模塊中，于充種室上方建立顆粒工廠，使種子自由下落至充種室內。仿真模型如圖7所示。

圖7 仿真模型Fig.7 Simulation models

根據(jù)測定的小麥種子三軸尺寸分布，確定小麥種子仿真模型的三軸尺寸為6.40 mm×3.00 mm×3.00 mm，種子模型尺寸正態(tài)分布，標準差設置為0.05 mm。種子與種子、種子與供種裝置殼體間采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，等寬多邊形槽齒輪材料為ABS工程塑料，供種裝置殼體、種層調節(jié)板材料為鋁合金，仿真參數(shù)[21-22]如表1所示。

表1 仿真與接觸參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation and contact

3.2 仿真試驗方法

設定總仿真時間為10 s，0～1 s為種子生成階段，在充種室上方生成小麥種子1.5×104粒，使種子自由下落至充種室中。第1秒供種軸開始轉動，設置供種軸轉速為20 r/min，仿真完成后應用EDEM后處理模塊提取1～10 s仿真數(shù)據(jù)進行分析，試驗重復3次。

為探究等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形的5種結構型式槽齒輪對種群擾動和充種性能的影響，在充種室內接近槽齒輪表面處建立圓弧形選區(qū)，應用EDEM后處理模塊提取1～10 s選區(qū)內2 000粒小麥種子的種群平均動能均值及每間隔0.1 s的種群平均動能，用于衡量充種室內種群運動狀態(tài)；統(tǒng)計攜種環(huán)節(jié)齒槽孔內種子數(shù)量，計算充種合格率((2±1)粒/孔)、漏充率(0粒/孔)及多充率(>3粒/孔)；后處理階段在等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的投種區(qū)建立長方體檢測框，統(tǒng)計檢測框內1～8 s累計種子數(shù)量。

3.3 仿真試驗結果與分析

3.3.1槽齒輪結構型式對種群擾動能力的影響

較優(yōu)結構槽齒輪對充種室內種群擾動能力強，可增加充種區(qū)內種群離散度，使種子易于在重力、種群壓力、等寬多邊形槽齒輪擾動力等復合作用力下充入齒槽孔，離散度較高的種群，其平均動能較大，故選擇充種室內種群平均動能作為衡量不同結構型式槽齒輪對種群擾動能力的評價指標。以等寬五邊形槽齒輪為例，分別截取仿真過程中槽齒輪的擾種齒進入充種室、位于充種室中部和離開充種室3個階段的種群運動矢量圖，如圖8所示。

圖8 擾種齒進入充種室不同階段種群運動矢量圖Fig.8 Motion vector graphs of seed population motion at different stages of disturbing seed teeth entering seed filling chamber

圖8a中，擾種齒進入充種室后，位于槽齒輪表面區(qū)域的種子在擾種齒帶動下隨供種軸轉動方向運動；圖8b中，擾種齒位于充種室中部時，由于擾種齒的強制帶動和摩擦帶動作用在充種室內形成具有較高運動速度的擾動區(qū)域；圖8c中，擾種齒離開充種室時，由于擾種齒下方出現(xiàn)局部空缺，位于斜上方的種群產生向空缺區(qū)域流動的趨勢，種群運動趨勢與齒槽孔開口方向一致，有利于種子充入齒槽孔。

圖9為不同結構型式槽齒輪式供種裝置的充種室內種群平均動能分布，充種室內紅色種子為強制帶動層種子，綠色種子為摩擦帶動層種子，藍色種子為靜止層種子。由圖9可知，充種室內種群平均動能從靠近槽齒輪表面向槽齒輪徑向方向遞減，與槽齒輪接觸的強制帶動層在槽齒輪帶動下產生沿槽齒輪線速度方向運動，強制帶動層帶動與其相鄰的外層種群運動，其種群運動速度低于強制帶動層，且沿槽齒輪徑向方向逐層遞減至靜止層；接近槽齒輪表面的強制帶動層和摩擦帶動層的厚度和種群平均動能較大時，種群流動性較好。圖9中，采用等寬多邊形槽齒輪的供種裝置充種室內強制帶動層和摩擦帶動層的面積明顯大于圓形槽齒輪，充種室內產生的強制帶動層和摩擦帶動層面積從大到小依次為等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形、圓形，是由于等寬多邊形槽齒輪表面輪廓的相鄰兩條邊連接處形成的擾種齒存在突起，當槽齒輪表面擾種齒進入充種室時，位于充種室上方的種群在擾種齒強制帶動下沿線速度切線方向向上運動，引起充種室容積產生周期性變化，且等寬多邊形槽齒輪邊數(shù)越少，相鄰兩條邊連接處的外形突變越大，對種群的擾動能力越強；圓形槽齒輪表面輪廓無突起，摩擦帶動能力較弱，僅能帶動貼近槽齒輪表面種群運動。

圖9 不同結構型式槽齒輪的種群動能分布圖Fig.9 Diagrams of seed population kinetic energy distribution of groove-tooth wheel under different structural types

圖10為不同結構型式等寬多邊形槽齒輪擾動時種群平均動能隨時間的變化曲線。由圖10可知，種群平均動能隨時間變化呈周期性波動，且不同槽齒輪種群平均動能之間存在較大差異；等寬三邊形槽齒輪與等寬五邊形槽齒輪擾動時種群平均動能隨時間波動幅度較大；等寬七邊形、等寬九邊形及圓形槽齒輪擾動時種群平均動能隨時間波動較小，但波動次數(shù)較多，是由于隨等寬三邊形、等寬五邊形槽齒輪轉動時，供種裝置充種室容積周期性變化較大、種子流動性較強，種群平均動能較高；等寬七邊形、等寬九邊形及圓形槽齒輪轉動時，供種裝置充種室容積周期性變化較小、種子流動性較弱，種群平均動能較低，但等寬七邊形和等寬九邊形的外形突變擾種齒數(shù)量較多，波動次數(shù)增加。

圖10 不同結構型式等寬多邊形槽齒輪種群平均動能隨時間的變化曲線Fig.10 Variation curves of seed population average kinetic energy of groove-tooth wheel under different structural types with time

表2為供種軸轉速為20 r/min時，槽齒輪擾動的充種室中1～10 s內種群平均動能均值。由表2可知，等寬三邊形槽齒輪擾動時種群平均動能均值及平均動能均值的標準差最大，圓形槽齒輪擾動時種群平均動能及平均動能標準差最小。等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪擾動時種群平均動能均值比圓形槽齒輪分別高371.32%、209.23%、91.02%、53.37%。種群平均動能均值越大，槽齒輪對種群擾動能力越強，種群的流動性越好，易于種子克服種群內摩擦力充入齒槽孔。綜合圖8～10及表2可知，采用等寬多邊形槽齒輪可以有效打破種群穩(wěn)定狀態(tài)，提高槽齒輪附近區(qū)域種子流動性。

結合圖10和表2可知，隨等寬多邊形槽齒輪邊數(shù)的增加，種群平均動能均值逐漸增小，相鄰平均動能峰值間隔時間縮短，擾動種群的頻率增加，是由于等寬多邊形槽齒輪邊數(shù)越少，擾種齒兩側曲率突變越大，充種室內種群拖帶和回流越劇烈，但擾種齒數(shù)量增加有助于縮短相鄰擾種齒擾動種群平均動能峰值的間隔時間，有利于對種群的持續(xù)擾動。

表2 不同結構型式槽齒輪擾動時種群平均動能均值Tab.2 Average kinetic energy mean value of seed population of different structural types groove-tooth wheel under disturbance J

3.3.2槽齒輪結構型式對充種性能的影響

表3為不同結構型式槽齒輪式供種裝置的充種性能。根據(jù)表3可知，齒槽孔結構和供種軸轉速相同時，等寬七邊形、等寬五邊形、等寬九邊形、等寬三邊形、圓形槽齒輪的充種性能依次降低，等寬五邊形和等寬七邊形槽齒輪的充種合格率分別為92.70%和93.98%、漏充率分別為6.70%和2.78%，充種性能較優(yōu)。結合槽齒輪結構型式對種群擾動性能影響的分析可知，等寬三邊形槽齒輪具有較強的種群擾動能力，但因外緣曲率較大，且對種群持續(xù)擾動的間隔周期較長，不利于種子穩(wěn)定填充進入齒槽孔而造成漏充，且存在鏟種現(xiàn)象，槽齒輪表面存在多余種子，供種量存在脈動性，不利于穩(wěn)定連續(xù)充種；等寬九邊形和圓形槽齒輪對種群擾動較小，充種室內種群處于穩(wěn)定堆積狀態(tài)，不利于種子從種群中脫離充入齒槽孔，漏充率較高；等寬五邊形與等寬七邊形槽齒輪，其種群擾動能力優(yōu)于等寬九邊形和圓形槽齒輪，可對種群產生連續(xù)擾動，且槽齒輪外輪廓曲率突變較小，對種群持續(xù)擾動的間隔周期較短，利于種子充入齒槽孔，充種性能較優(yōu)。

表3 不同結構型式槽齒輪充種性能Tab.3 Seed filling performance of groove-tooth wheel under different structural types %

3.3.3槽齒輪結構型式對供種性能的影響

為比較充種性能較優(yōu)的等寬五邊形和等寬七邊形槽齒輪的供種連續(xù)性，統(tǒng)計等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪式供種裝置檢測框內累計種子數(shù)量隨時間的變化曲線，如圖11所示。由圖11可知，等寬五邊形槽齒輪供種粒數(shù)隨時間呈階梯狀上升，表明等寬五邊形槽齒輪供種存在間隔，是由于充種環(huán)節(jié)等寬五邊形槽齒輪對種群持續(xù)擾動的間隔周期較長，且等寬五邊形槽齒輪相鄰兩邊連接處的擾種齒突起較大，導致供種不連續(xù)；等寬七邊形槽齒輪供種粒數(shù)與供種時間具有較高的線性度，供種時間與供種粒數(shù)曲線關系式為y=10.392x-27.838，決定系數(shù)為0.998 2，可實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定供種。

圖11 供種量隨時間的變化曲線Fig.11 Variation curves of seed feeding quantity with time

綜合等寬多邊形槽齒輪對種群擾動能力、充種性能及供種性能影響的分析可知，等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的供種和充種性能較優(yōu)。

4 試驗

4.1 試驗設備

為驗證較優(yōu)等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的供種性能及供種裝置對氣送式集排器排種性能的影響，將安裝有3D打印等寬七邊形槽齒輪的供種裝置固定于自制的供種性能檢測試驗臺上，采用調速器調節(jié)步進電機轉速，步進電機提供供種軸驅動力；將安裝有等寬七邊形槽齒輪式供種裝置的氣送式集排器安裝于排種性能檢測試驗臺上。試驗裝置如圖12所示。

圖12 試驗裝置Fig.12 Experiment device1.供種裝置 2.步進電機 3.調速器 4.收集網(wǎng)袋

4.2 試驗方案

試驗選取小麥品種為鄭麥9023，千粒質量為48.77 g，平均三軸尺寸為6.40 mm×3.00 mm×3.00 mm。試驗過程中種箱內裝入小麥種子8 kg，以減少種量變化對供種性能及排種性能的影響。為滿足小麥氣送式集排器排種時對供種裝置供種量的需求，設置供種軸轉速為10～60 r/min，供種軸安裝24個等寬七邊形槽齒輪，以供種裝置60 s內供種質量為供種速率，采用收集網(wǎng)袋收集供種裝置及氣送式集排器排出的小麥種子，試驗重復5次，統(tǒng)計供種速率、供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)、供種時種子破損率、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、排種時種子破損率，試驗結果如表4所示。

表4 供種及排種性能試驗結果Tab.4 Test results of seed feeding and seeding performance

4.3 試驗結果分析

由表4可知，供種速率隨供種軸轉速在10～60 r/min內增加而在612.34～3 725.85 g/min內逐漸增大，供種軸轉速與供種速率的擬合方程為y=61.316x+47.6，R2=0.996 5，線性擬合度較好；供種軸轉速為10 r/min時，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)及總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)較高，是由于較低轉速下等寬七邊形槽齒輪對種群擾動能力不足；供種軸轉速為20～60 r/min時，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于1.15%，供種時破損率不高于0.20%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于1.14%，排種時破損率不高于0.23%，表明等寬七邊形槽齒輪式供種裝置可滿足小麥氣送式集排器供種量的要求。

5 結論

(1)設計了一種具有等寬多邊形槽齒輪的供種裝置，確定了等寬多邊形槽齒輪的主要結構參數(shù)，分析確定了等寬多邊形槽齒輪輪體的正多邊形外接圓直徑為80 mm，等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪的徑向齒槽孔數(shù)量分別為27、25、28、27。

(2)運用EDEM軟件仿真分析了等寬多邊形槽齒輪對小麥種群擾動能力和充種性能的影響，并對比分析了等寬五邊形、等寬七邊形槽齒輪對供種性能的影響，結果表明：等寬三邊形、等寬五邊形、等寬七邊形、等寬九邊形槽齒輪擾動時種群平均動能均值比圓形槽齒輪分別高371.32%、209.23%、91.02%、53.37%；等寬七邊形槽齒輪充種合格率為93.98%、漏充率為2.78%，供種粒數(shù)與供種時間具有較高的線性度，充種和供種性能較優(yōu)。

(3)較優(yōu)等寬七邊形槽齒輪式供種裝置供種性能及對排種性能影響的臺架試驗結果表明：供種速率隨供種軸轉速在10～60 r/min內增加而在612.34～3 725.85 g/min內逐漸增大；供種軸轉速為10～60 r/min時，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于2.14%，供種時破損率不高于0.20%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)不高于2.15%，排種時破損率不高于0.23%，表明等寬七邊形槽齒輪式供種裝置可滿足小麥氣送式集排器供種量的要求。