小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 海 廖宜濤 王 磊 王寶山 杜 錚 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 武漢 430065；3.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

小白菜屬十字花科，是長(zhǎng)江中下游地區(qū)廣泛種植的葉類菜[1]，其種植方式主要以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低，制約了小白菜的規(guī)?；a(chǎn)，小白菜機(jī)械化精量播種技術(shù)是提高小白菜直播作業(yè)水平的主要手段[2]。排種器是播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其工作性能直接影響播種機(jī)的播種質(zhì)量[3-4]。氣力式排種器具有低傷種、速度適應(yīng)性廣、粒徑適應(yīng)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)階段精量排種技術(shù)的主要研究方向[5-7]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)精量排種技術(shù)進(jìn)行了深入研究[8-11]。ANANTACHAR等[12]為提高排種器充種性能，采用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了排種器結(jié)構(gòu)，提高了排種性能。GAIKWAD等[13]為提高蔬菜播種機(jī)排種性能，采用激振擾動(dòng)結(jié)合負(fù)壓吸附方式設(shè)計(jì)了一種氣力式排種器。ARZU等[14]研究了氣力式排種器負(fù)壓、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔數(shù)量對(duì)排種性能的影響，建立了不同參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。李兆東等[15]設(shè)計(jì)了一種油菜精量氣壓式集排器，該集排器利用氣流清種和氣壓護(hù)種技術(shù)實(shí)現(xiàn)精量排種。崔濤等[16]利用氣吹清種原理設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充氣吹式精量排種器，可實(shí)現(xiàn)玉米單粒精量排種。李玉環(huán)等[17]設(shè)計(jì)了一種一器雙行氣吸式精量排種器，該排種器采用單風(fēng)道實(shí)現(xiàn)了雙行排種，適用于類球型種子精量排種。尹文慶等[18]采用二級(jí)排種方式開(kāi)展氣力組合式精密排種器的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)表明蔬菜種子在最優(yōu)真空度下排種合格指數(shù)高于93%。上述研究表明氣力式排種器通用性好，對(duì)種子適應(yīng)性較強(qiáng)[19-24]，可實(shí)現(xiàn)不同形狀、粒徑種子的精量排種。而適應(yīng)于長(zhǎng)江中下游地區(qū)小白菜精量多行集中排種的排種器研究較少，制約了小白菜精量播種的發(fā)展。

針對(duì)小白菜精量復(fù)式播種機(jī)采用單體排種器播種8行時(shí)需配置8個(gè)單行排種器，導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜、各行出苗效果差異明顯等不足，本文基于小白菜種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種負(fù)壓吸種、攜種，正壓投種的小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器，采用雙排種盤(pán)共用同一氣室，實(shí)現(xiàn)2個(gè)排種盤(pán)可同時(shí)播種8行，通過(guò)仿真和臺(tái)架試驗(yàn)獲取排種器較優(yōu)作業(yè)參數(shù)，并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證排種器的實(shí)際作業(yè)效果。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

小白菜精量復(fù)式播種機(jī)主要由開(kāi)溝器、排種器、傳動(dòng)系統(tǒng)、氣力系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、機(jī)架和開(kāi)溝起壟裝置等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 小白菜精量復(fù)式播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of precision combined seeder for Pakchoi1.開(kāi)溝器 2.排種器 3.傳動(dòng)系統(tǒng) 4.氣力系統(tǒng) 5.施肥系統(tǒng) 6.機(jī)架 7.開(kāi)溝起壟裝置

表1 排種器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of metering device

1.2 工作原理

小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器主要由排種口、種箱、罩殼、排種盤(pán)和氣室等組成，如圖2所示。排種器關(guān)鍵部件采用對(duì)稱布局形式，兩個(gè)排種盤(pán)共用同一氣室，每個(gè)排種盤(pán)上分布有4圈型孔，每圈型孔實(shí)現(xiàn)1行排種，排種器工作原理如圖3所示。

圖2 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of metering device1.種箱 2.排種口 3.排種軸 4.罩殼 5.鎖緊螺母 6.氣室

圖3 排種器工作原理圖Fig.3 Working principle of metering device1.負(fù)壓口 2.排種盤(pán) 3.氣室 4.型孔 5.正壓口 6.種子 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.攜種區(qū) Ⅲ.投種區(qū)

排種器工作過(guò)程主要包括吸種、攜種和投種3個(gè)階段。工作時(shí)，排種盤(pán)上型孔依次經(jīng)過(guò)充種區(qū)、攜種區(qū)和投種區(qū)。種子因自重及種箱結(jié)構(gòu)而堆積于罩殼的充種區(qū)，外界與氣室相連通并依靠氣力系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)提供一定負(fù)壓，單粒種子吸附于經(jīng)過(guò)充種區(qū)的型孔上并隨型孔同步繞排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)至投種區(qū)，在正壓及自重作用下，種子脫離排種盤(pán)，通過(guò)排種口排出完成排種過(guò)程。

2 排種器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

排種器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)以種子的機(jī)械物理特性為依據(jù)。小白菜種子類型為小粒徑類球型，流動(dòng)性好、球形度高[25]。本文以春油1號(hào)、中箕青605及楚農(nóng)特矮白3種小白菜種子為排種對(duì)象，機(jī)械物理特性參數(shù)如表2所示。

表2 小白菜種子機(jī)械物理特性參數(shù)Tab.2 Mechanical and physical properties of Pakchoi seeds

由表2可知，小白菜種子的當(dāng)量直徑范圍為1.44～1.56 mm，球形度均高于94%。小白菜種子粒徑變化范圍大，為實(shí)現(xiàn)排種器的精量排種，確保排種盤(pán)每一型孔對(duì)應(yīng)一粒種子，需根據(jù)種子機(jī)械物理特性參數(shù)確定排種盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)。種子尺寸的概率分布如圖4所示。

圖4 種子尺寸的概率分布Fig.4 Probability distributions of seeds’ size

2.1 排種盤(pán)設(shè)計(jì)與分析

2.1.1排種盤(pán)直徑

排種盤(pán)是保證小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器實(shí)現(xiàn)精量排種的關(guān)鍵部件，種子在排種器內(nèi)的運(yùn)移主要由排種盤(pán)吸附種子并同步轉(zhuǎn)動(dòng)完成，其中排種盤(pán)型孔結(jié)構(gòu)與類球形種子直徑密切相關(guān)[26]，根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)和幾何關(guān)系得到排種盤(pán)直徑關(guān)系式為

(1)

式中n——排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min

ω——排種盤(pán)回轉(zhuǎn)角速度，rad/s

v——排種盤(pán)外圈線速度，m/s

Dp——排種盤(pán)直徑，mm

tx——攜種時(shí)間，s

lx——攜種區(qū)弧長(zhǎng)，mm

θx——攜種區(qū)轉(zhuǎn)角，(°)

由式(1)得出

(2)

根據(jù)式(2)可知，攜種時(shí)間tx與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速n及攜種區(qū)轉(zhuǎn)角θx有關(guān)，基于排種器氣室結(jié)構(gòu)，確定其攜種區(qū)轉(zhuǎn)角θx為225°，則可判斷種子在攜種過(guò)程中吸附于型孔的攜種時(shí)間tx與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速n成反比。根據(jù)排種器氣室結(jié)構(gòu)及文獻(xiàn)[27]，確定排種盤(pán)直徑Dp為140 mm。

2.1.2排種盤(pán)型孔數(shù)

排種盤(pán)型孔參數(shù)是影響排種效率的重要因素，根據(jù)小白菜精量直播農(nóng)藝，設(shè)計(jì)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速n取值范圍為10～50 r/min[28]，根據(jù)播種機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有

(3)

式中N——單位時(shí)間內(nèi)每圈理想排種粒數(shù)

Z——排種盤(pán)每圈型孔數(shù)

t——播種機(jī)作業(yè)時(shí)間，s

vm——機(jī)組前進(jìn)速度，m/s

s——小白菜株距，mm

θl——相鄰型孔中心角，(°)

根據(jù)排種器主要技術(shù)參數(shù)，小白菜株距s范圍為100～250 mm，結(jié)合圓周均布孔組要求，將排種盤(pán)轉(zhuǎn)速n、機(jī)組前進(jìn)速度vm以及小白菜株距s代入式(3)得到排種盤(pán)每圈型孔數(shù)Z為4～36，綜合考慮小白菜播量要求設(shè)計(jì)排種盤(pán)每圈型孔數(shù)Z為20，相鄰型孔中心角θl為18°。

2.1.3排種盤(pán)型孔直徑

排種器工作時(shí)，排種盤(pán)對(duì)種子有擾動(dòng)作用，同時(shí)由于排種器攜種區(qū)的負(fù)壓作用，小白菜種子以單粒遷移方式吸附于排種盤(pán)各行型孔上，其穩(wěn)定狀態(tài)取決于型孔大小及氣室中的負(fù)壓。排種器采用垂直圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，雙排種盤(pán)為對(duì)稱分布形式，型孔為“沉頭”通孔，種子被吸附于型孔時(shí)受力分析如圖5所示。

圖5 被吸附種子受力分析圖Fig.5 Force analysis of seed in carrying process1.排種盤(pán) 2.型孔 3.種子

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理[29]，建立排種盤(pán)單粒種子的受力方程為

(4)

式中G——單粒種子重力，N

Ri——各行型孔回轉(zhuǎn)半徑，mm

Ffi——被吸附種子的內(nèi)摩擦力，N

Ji——種子離心力，N

Ti——G與Ji的合力，N

Qi——Ti與Ffi的合力，N

Pi——負(fù)壓下各行單個(gè)型孔對(duì)種子的吸附力，N

H——種子重心到排種盤(pán)平面的距離，mm

d——型孔直徑，mm

m——單粒種子質(zhì)量，g

θGJ——G與Ji之間的夾角，(°)

θTF——Ti與Ffi之間的夾角，(°)

Zi——?dú)馐邑?fù)壓，Pa

vi——各行種子回轉(zhuǎn)線速度，m/s

S——型孔吸附種子截面處面積，m2

排種器工作時(shí)，被吸附種子在攜種區(qū)有空氣阻力作用，而在充種區(qū)有種子間的相互作用，其種子間的內(nèi)摩擦力在最底部位置型孔處最大，此時(shí)θGJ=θTF=0°，根據(jù)式(4)可得

(5)

其中

6tanθz<λ<10tanθz

式中λ——種子的摩擦阻力綜合系數(shù)

θz——種子自然休止角[30]

考慮到排種器工作時(shí)種子間相互碰撞及機(jī)組振動(dòng)等因素，代入外界條件系數(shù)K1(1.6～2.0)和吸種可靠性系數(shù)K2(1.8～2.0)，結(jié)合式(5)得到氣室內(nèi)通過(guò)單個(gè)型孔瞬時(shí)最大吸附壓強(qiáng)為

(6)

式中Zimax——?dú)馐遗R界負(fù)壓最大值，Pa

由式(6)可知，充種區(qū)種子吸附于型孔時(shí)，氣室臨界負(fù)壓最大值Zimax與排種盤(pán)回轉(zhuǎn)角速度ω的平方成正比，與型孔直徑的3次方成反比。

結(jié)合小白菜種子三軸尺寸，取種子平均寬度b為1.50 mm，代入型孔直徑公式d=(0.64～0.66)b，得到d的范圍為0.96～1.00 mm，為便于型孔加工，取型孔直徑d為1.00 mm。

2.1.4排種盤(pán)型孔分布形式與種子遷移軌跡分析

型孔的分布形式根據(jù)播種方式確定，根據(jù)小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，每圈型孔繞排種盤(pán)中心均布，如圖6所示。

圖6 排種盤(pán)型孔分布形式Fig.6 Distribution of suction holes in metering plate1.排種盤(pán) 2.型孔

根據(jù)排種盤(pán)單型孔分布形式，得到相鄰兩行型孔中心距的計(jì)算式為

(7)

式中l(wèi)——?dú)馐疫吔缢酵队胺较蚓嚯x，mm

l1——最外行相鄰兩型孔距的弧長(zhǎng)，mm

l2——相鄰兩行型孔中心距，mm

l3——最內(nèi)行型孔與氣室邊界距離，mm

l4——最外行型孔與氣室邊界距離，mm

vki——各行型孔回轉(zhuǎn)線速度，m/s

現(xiàn)有氣室邊界水平投影方向距離l=36 mm，考慮到型孔均勻分布于排種盤(pán)，為滿足正負(fù)壓能完全通過(guò)型孔作用于種子，可取l3=l4≥l2/2>Dz/2，其中種子直徑Dz為0.99～2.09 mm，代入式(7)可得l2取值范圍為2.09～9.00 mm。根據(jù)式(7)可知，各行回轉(zhuǎn)線速度關(guān)系為vki>vki+1，為縮小各行型孔吸附種子概率的差異，本研究取相鄰兩行型孔中心距l(xiāng)2為5.55 mm。

如圖7所示，播種機(jī)以速度vm作業(yè)，排種盤(pán)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)隨播種機(jī)前進(jìn)，排種盤(pán)上任意一型孔繞回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)。當(dāng)點(diǎn)C運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)C′時(shí)，點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)方程為

(8)

式中 (xM，yM)——點(diǎn)M的坐標(biāo)

θ——各行型孔轉(zhuǎn)角，(°)

lOP——點(diǎn)O到點(diǎn)P的位移，mm

lM′P——點(diǎn)M′到點(diǎn)P的弧長(zhǎng)，mm

lC′P——點(diǎn)C′到點(diǎn)P的位移，mm

lBC′——點(diǎn)B到點(diǎn)C′的位移，mm

圖7 型孔處單粒種子遷移示意圖Fig.7 Schematic diagram of seed motion in suction hole

式(8)消去θ得點(diǎn)M的軌跡方程為

(9)

根據(jù)式(9)可知點(diǎn)M的運(yùn)動(dòng)軌跡為旋輪線，基于該線繪制各行型孔的軌跡如圖8所示。

圖8 型孔處種子軌跡示意圖Fig.8 Schematic diagram of seed trajectory in suction hole1.排種盤(pán) 2.型孔 3.種子

2.2 排種口設(shè)計(jì)與分析

2.2.1護(hù)種腔寬度

排種口是保證小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器投種時(shí)精準(zhǔn)分配有序種子流的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)主要包含護(hù)種弧板、分種柵板和出種管，如圖9所示。

圖9 排種口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of seed outlet 1、2.護(hù)種弧板 3、4.分種柵板 5、6.護(hù)種腔 7、8.出種管

排種器工作時(shí)，種子隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)從攜種區(qū)進(jìn)入投種區(qū)，在正壓氣流作用下，小白菜種子脫離型孔進(jìn)入排種口，經(jīng)由出種管進(jìn)入導(dǎo)種管。排種口位于種子進(jìn)入投種區(qū)的初始位置，其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 排種口與排種盤(pán)型孔的位置關(guān)系Fig.10 Relative position of seed outlet and suction hole1.排種盤(pán) 2.型孔 3.排種口

為保證種子順利分流，護(hù)種腔寬度應(yīng)保證種子順利通過(guò)且不堵塞，根據(jù)小白菜種子三軸尺寸及護(hù)種腔結(jié)構(gòu)得出護(hù)種腔寬度范圍為

4.5L0>B>1.2W0

(10)

式中B——護(hù)種腔寬度，mm

W0——種子平均寬度，mm

L0——種子平均長(zhǎng)度，mm

根據(jù)式(10)設(shè)計(jì)護(hù)種腔寬度B的范圍為1.8～7.16 mm?；谂欧N口結(jié)構(gòu)及排種盤(pán)型孔分布形式，排種口護(hù)種腔寬度滿足關(guān)系式

(11)

式中L——排種口安裝寬度，mm

L1——分種柵板間隔，mm

L2——護(hù)種腔外壁厚度，mm

L3——分種柵板厚度，mm

根據(jù)現(xiàn)有罩殼結(jié)構(gòu)參數(shù)，可知排種口安裝寬度L=28 mm。為便于排種口結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降低加工成本，該排種口采用3D打印加工而成，材料為工程塑料ABS，根據(jù)材料成型厚度最小值，確定分種柵板厚度L3=1 mm，代入式(11)可得L1=6 mm、B=5 mm，護(hù)種腔寬度B滿足設(shè)計(jì)原則。

2.2.2護(hù)種弧板結(jié)構(gòu)

為保證排種器投種作業(yè)時(shí)種子順利進(jìn)入導(dǎo)種管，種子進(jìn)入投種區(qū)后，因投種區(qū)氣室結(jié)構(gòu)變化，種子受到正壓氣流作用落入排種口，當(dāng)種子進(jìn)入排種口后，其運(yùn)動(dòng)軌跡為拋物線[27]，如圖11所示。

圖11 排種器內(nèi)種子遷移運(yùn)動(dòng)規(guī)律Fig.11 Schematic of seeds movement law

排種器投種過(guò)程從種子隨排種盤(pán)進(jìn)入投種區(qū)開(kāi)始，此時(shí)種子在正壓氣流作用下沿氣流方向產(chǎn)生一定速度，種子脫離排種盤(pán)后僅受重力影響，因此投種階段種子脫離型孔的速度為

(12)

式中vji——vni、vki的合速度，m/s

vhi——vji、vli的合速度，m/s

αji——投種區(qū)轉(zhuǎn)角，(°)

βji——vli與vhi的夾角，(°)

種子沿投種軌跡曲線的落點(diǎn)為正態(tài)分布[27]，結(jié)合現(xiàn)有罩殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)護(hù)種弧板，護(hù)種弧板結(jié)構(gòu)如圖12所示。

圖12 護(hù)種弧板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Structure diagrams of guard board

為減小種子碰撞護(hù)種弧板內(nèi)壁對(duì)各行株距的影響，排種口護(hù)種弧板應(yīng)以種子投種軌跡為基準(zhǔn)。當(dāng)αji=0°時(shí)，為臨界投種位置，假設(shè)種子不碰排種口內(nèi)壁離開(kāi)出種管，則種子脫離型孔到出種管的位移為

(13)

式中Lxi——各行種子沿x方向位移，mm

Lyi——各行種子沿y方向位移，mm

Lzi——各行種子沿z方向位移，mm

為使種子不碰排種口側(cè)壁，可令vm=vni，則種子離開(kāi)出種管的分速度為

(14)

式中tz——種子脫離型孔到出種管終點(diǎn)的時(shí)間，s

g——重力加速度，m/s2

種子離開(kāi)出種管的總速度為

(15)

由式(13)、(15)可知，理想狀態(tài)下種子離開(kāi)出種管的總速度與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、各行型孔回轉(zhuǎn)半徑及種子脫離型孔到出種管終點(diǎn)的時(shí)間成正比，種子碰壁現(xiàn)象越嚴(yán)重，則種子著床株距變異系數(shù)越大；種子總速度越大，則種子著床時(shí)彈跳越嚴(yán)重。為降低種子著床時(shí)的影響，選擇排種口圓角半徑R為35 mm，排種口限位深度a為26 mm即可滿足要求。

3 仿真試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

利用DEM-CFD開(kāi)展排種器仿真試驗(yàn)，其中EDEM的仿真幾何模型主要包括：種箱、流體域、罩殼、排種盤(pán)、排種口和種子顆粒，幾何體中的流體域和顆粒工廠設(shè)為虛擬，EDEM中的仿真模型如圖13所示。

圖13 排種器仿真模型Fig.13 Simulation model of metering device in EDEM1.排種盤(pán) 2.型孔 3.種子

EDEM軟件中設(shè)置接觸模型為Hertz-Mindlin，仿真環(huán)境重力加速度為9.81 m/s2，顆粒工廠1 s內(nèi)生成1×105顆小白菜種子，顆?？倲?shù)為2×104，種子直徑分別為1.44、1.56、1.52 mm，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為10～50 r/min，時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-6s。以排種器實(shí)際加工材料為依據(jù)，排種盤(pán)設(shè)定為不銹鋼材料，種箱、罩殼、排種口和氣室設(shè)定為工程塑料ABS，EDEM中仿真模型的材料特性參數(shù)如表3所示。

表3 材料特性參數(shù)Tab.3 Material properties in EDEM

Fluent軟件中采用滑移網(wǎng)格法劃分流體域，僅將型孔結(jié)構(gòu)設(shè)置為動(dòng)區(qū)域，其余結(jié)構(gòu)設(shè)為靜區(qū)域。耦合計(jì)算需加載流體域mesh文件及耦合接口文件，設(shè)置分析類型時(shí)間為T(mén)ransient，Viscous設(shè)置k-epsilon接口，選擇湍流模型的Realizable，時(shí)間步長(zhǎng)為5×10-4s，時(shí)間步數(shù)為2×104步，迭代次數(shù)為20次。

綜合考慮小白菜種植農(nóng)藝要求，設(shè)置排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為10～50 r/min，負(fù)壓為-5 000～-1 000 Pa，正壓為100～300 Pa。轉(zhuǎn)速每間隔20 r/min設(shè)一個(gè)水平，負(fù)壓每隔-2 000 Pa設(shè)一個(gè)水平，正壓每隔100 Pa設(shè)一個(gè)水平，因素水平如表4所示。

表4 試驗(yàn)因素水平Tab.4 Test factors and levels

根據(jù)文獻(xiàn)[15]中試驗(yàn)方法，以各行型孔所吸附種子顆粒的合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用EDEM后處理模塊直接獲取排種器排種過(guò)程中的種子顆粒數(shù)量，開(kāi)展排種器仿真試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同因素對(duì)排種性能的影響程度如表5所示，A、B、C、D分別表示轉(zhuǎn)速、負(fù)壓、正壓和小白菜品種水平值，其中負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響顯著。

表5 仿真試驗(yàn)結(jié)果與顯著性分析Tab.5 Results and significance analysis of simulation test

表6為仿真試驗(yàn)極差分析結(jié)果，影響合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的主次順序?yàn)樨?fù)壓、正壓、轉(zhuǎn)速和品種，以因素水平組合A2B2C3D1為較優(yōu)選擇，即轉(zhuǎn)速為30 r/min、負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa、品種為中箕青605，對(duì)應(yīng)的各行平均合格指數(shù)為93.12%、平均重播指數(shù)為3.59%、平均漏播指數(shù)為3.29%。

表6 仿真試驗(yàn)極差分析結(jié)果Tab.6 Result of range analysis in simulation test

3.3 種子運(yùn)動(dòng)速度分析

為分析各行種子的運(yùn)動(dòng)速度，采用EDEM后處理模塊選取同一行程同一轉(zhuǎn)角的8粒種子，以排種軸為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，排種盤(pán)1和排種盤(pán)2分別對(duì)應(yīng)排種口1和排種口2。各行種子進(jìn)入投種區(qū)受正壓氣流作用脫離排種盤(pán)后以自重下落，因種子機(jī)械物理特性和速度不同，種子運(yùn)動(dòng)軌跡有一定差異。由前述分析可知，同一轉(zhuǎn)速下，排種盤(pán)外圈種子速度大于內(nèi)圈種子速度，但因各行型孔中心距較小，這種速度差異可以忽略。種子脫離排種盤(pán)后，因種子三軸尺寸不同，受正壓氣流作用，部分種子與排種口護(hù)種腔內(nèi)壁碰撞，當(dāng)種子從出種管排出后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖14 種子沿垂直方向速度變化曲線Fig.14 Variation curves of seed velocity in vertical direction

為分析各行種子投種過(guò)程中從脫離排種盤(pán)到出種口的速度，采用EDEM后處理模塊選取同一行程同一攜種轉(zhuǎn)角的8粒種子，其速度變化曲線如圖14所示。

圖14為8粒種子從生成至排出排種口的速度變化曲線，由圖可知種子落入種箱內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，種子速度先增大后減小；種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，受種盤(pán)擾動(dòng)及種間摩擦作用，種子進(jìn)入小幅波動(dòng)狀態(tài)，其中靠近種盤(pán)的種子速度比遠(yuǎn)離種盤(pán)的速度大，各行種子速度變化差異小；充種時(shí)，種子受負(fù)壓作用吸附于型孔，不同吸附位置和姿態(tài)導(dǎo)致種子速度差異變大，種子的速度增大，直至種子完全固定于型孔并隨型孔繞排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入攜種區(qū)的種子速度穩(wěn)定不變，外圈種子速度大于內(nèi)圈種子；種子進(jìn)入投種區(qū)，受正壓氣流作用，種子速度先增大后減小，達(dá)到峰值后減小直至離開(kāi)排種器，完成排種器排種過(guò)程。

3.4 各行型孔氣流速度和壓力分布的影響

圖15、16分別為2個(gè)排種盤(pán)型孔在攜種區(qū)和投種區(qū)內(nèi)的氣流速度和壓力分布仿真結(jié)果。由圖可知垂直對(duì)稱雙圓盤(pán)各型孔平均速度和壓力差異不大。攜種區(qū)同一排種盤(pán)上各行型孔內(nèi)氣流速度和壓力與各行型孔回轉(zhuǎn)半徑成正比，從遠(yuǎn)離負(fù)壓口的型孔到靠近負(fù)壓口的型孔內(nèi)氣流為梯度增加；投種區(qū)同一排種盤(pán)上各行型孔內(nèi)氣流速度和壓力與各行型孔回轉(zhuǎn)半徑成正比，從遠(yuǎn)離負(fù)壓口的型孔到靠近負(fù)壓口的型孔內(nèi)氣流為梯度增加。由于同一排種盤(pán)上的相鄰兩行型孔的中心距較小，導(dǎo)致相鄰兩型孔之間的速度和壓力變化較小，同時(shí)最外圈型孔和最內(nèi)圈型孔的差異較小，保證了各行排種一致性。雙盤(pán)各行對(duì)應(yīng)型孔的氣流速度和壓力分布差異較小，確保排種器8行排種的總排量一致性。

圖15 排種盤(pán)型孔內(nèi)氣流速度分布圖Fig.15 Diagrams of airflow velocity distribution in suction hole

圖16 排種盤(pán)型孔內(nèi)氣流壓力分布圖Fig.16 Diagrams of airflow pressure distribution in suction hole

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

為驗(yàn)證小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器的排種性能，在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心開(kāi)展排種性能試驗(yàn)。主要試驗(yàn)裝置有：小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器、12 V 100 W永磁直流電機(jī)、自制電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制裝置、PVC透明鋼絲氣力管、JPS-12型排種器檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)、U型壓力計(jì)、HG-220型高壓漩渦吹吸風(fēng)機(jī)，試驗(yàn)裝置如圖17所示。

圖17 排種性能試驗(yàn)裝置Fig.17 Experiment device of seeding performance1.排種器 2.電機(jī) 3.控制裝置 4.氣力管 5.試驗(yàn)臺(tái) 6.壓力計(jì) 7.風(fēng)機(jī)

將排種器固定于試驗(yàn)臺(tái)輸送帶上部，利用試驗(yàn)臺(tái)油帶緩沖種子下落勢(shì)能的同時(shí)，模擬種子在種床帶的分布便于觀測(cè)種子定位情況。為減少導(dǎo)種管長(zhǎng)度對(duì)種子著床過(guò)程的影響，降低排種器高度。

試驗(yàn)材料品種分別為春油1號(hào)、中箕青605及楚農(nóng)特矮白；負(fù)壓設(shè)為-5 000～-1 000 Pa，每隔-2 000 Pa設(shè)一個(gè)水平；正壓設(shè)為100～300 Pa，每隔100 Pa設(shè)一個(gè)水平。為獲取一次行程最大樣本量，試驗(yàn)臺(tái)種床帶速度設(shè)定為0.6 m/s，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r/min，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，以合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展小白菜種子品種優(yōu)選及排種性能試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖18為臺(tái)架試驗(yàn)小白菜種子分布情況，表7為臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果與顯著性分析，結(jié)果顯示負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)的影響顯著。

圖18 小白菜種子分布Fig.18 Distributions of Pakchoi seeds on oil belt

表8為臺(tái)架試驗(yàn)極差分析結(jié)果，影響合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素依次為：負(fù)壓、正壓、轉(zhuǎn)速和品種，與仿真試驗(yàn)一致。綜合考慮各評(píng)價(jià)指標(biāo)，以因素水平組合A2B2C3D1為較優(yōu)選擇，即轉(zhuǎn)速為30 r/min、負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa、品種為中箕青605，對(duì)應(yīng)的各行平均合格指數(shù)為91.32%、平均重播指數(shù)為6.19%、平均漏播指數(shù)為2.49%。

表8 臺(tái)架試驗(yàn)極差分析結(jié)果Tab.8 Result of range analysis in bench test

5 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，考察小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器的排種性能，于2020年9月9日在湖北省武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所蔬菜機(jī)械化展示區(qū)示范田開(kāi)展小白菜田間播種試驗(yàn)，如圖19所示。

圖19 田間播種試驗(yàn)Fig.19 Field seeding experiment

田間試驗(yàn)的配套動(dòng)力為東風(fēng)井關(guān)T954型拖拉機(jī)，經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定拖拉機(jī)液壓手柄擋位與機(jī)具作業(yè)高度之間的關(guān)系，按照臺(tái)架試驗(yàn)較優(yōu)因素水平組合調(diào)節(jié)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為30 r/min、負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa。試驗(yàn)機(jī)組確保直線方向前進(jìn)，作業(yè)距離為30 m，作業(yè)速度為0.6 m/s。

試驗(yàn)以中箕青605為排種對(duì)象，每一行程播種8行，行距為180 mm。出苗后，根據(jù)小白菜田間分布情況，每個(gè)行程各行隨機(jī)測(cè)5段，每段以1 m內(nèi)長(zhǎng)度測(cè)定小白菜苗數(shù)和株距。田間試驗(yàn)結(jié)果表明：小白菜平均苗數(shù)為10株/m、株距平均值為100.48 mm，各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為8.05%，滿足小白菜田間種植要求。

6 結(jié)論

(1)基于小白菜種子的機(jī)械物理特性和精量直播農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了一種小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器，闡明了排種器的工作過(guò)程、原理及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，理論分析確定了排種盤(pán)和排種口結(jié)構(gòu)參數(shù)及其種子遷移軌跡。

(2)應(yīng)用EDEM軟件構(gòu)建了仿真幾何模型，利用DEM-CFD耦合仿真試驗(yàn)分析了轉(zhuǎn)速、負(fù)壓和正壓對(duì)排種性能的影響規(guī)律，分析發(fā)現(xiàn)負(fù)壓對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)合格指數(shù)和漏播指數(shù)影響顯著，負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa、轉(zhuǎn)速為30 r/min、品種為中箕青605時(shí)，各行平均合格指數(shù)為93.12%、平均重播指數(shù)為3.59%、平均漏播指數(shù)為3.29%，指標(biāo)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

(3)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，負(fù)壓對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)合格指數(shù)的影響顯著，以較優(yōu)因素水平組合開(kāi)展試驗(yàn)后的各行平均合格指數(shù)為91.32%、平均重播指數(shù)為6.19%、平均漏播指數(shù)為2.49%。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為30 r/min時(shí)，小白菜平均苗數(shù)為10株/m、株距平均值為100.48 mm，各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為8.05%，滿足小白菜田間種植要求。