玉米擾動(dòng)輔助充種高速氣吸式排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉 瑞 劉忠軍 劉立晶 李鷹航

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司， 北京 100083; 3.土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083; 4.現(xiàn)代農(nóng)裝科技股份有限公司， 北京 100083)

0 引言

精密播種技術(shù)具有突出的節(jié)本增效優(yōu)點(diǎn)，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的追求；隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)?；?jīng)營(yíng)主體追求高速高效生產(chǎn)[1-2]；氣吸式排種器對(duì)種子形狀適用性廣、單粒播種精度高、滿足高速作業(yè)對(duì)穩(wěn)定性的要求，因而高速精密播種機(jī)具多采用氣吸式排種器[3-7]。該類型排種器利用吸種孔兩側(cè)的壓差來(lái)完成吸種，在高速作業(yè)時(shí)，種室中種群離散度低，吸種孔充種作業(yè)時(shí)間急劇縮短，大大增加種子的漏充率，降低整機(jī)作業(yè)性能。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速精密排種器進(jìn)行了大量研究，德國(guó)Horsch公司[8]的Maestro氣吸式排種器，采用漸開(kāi)線形式的型孔，并在型孔邊緣開(kāi)倒角，有利于對(duì)種子的吸附，作業(yè)速度可達(dá)15 km/h。美國(guó)Precision Planting公司[9]的vDrive氣吸式排種器，排種盤(pán)采用帶有凸臺(tái)的吸種孔，加強(qiáng)排種盤(pán)對(duì)種室中種群的擾動(dòng)。陳玉龍[10]設(shè)計(jì)了一種大豆氣吸機(jī)械復(fù)合式排種器，采用取種孔與吸孔復(fù)合結(jié)構(gòu)的排種，以較低的負(fù)壓完成高速精密排種作業(yè)，作業(yè)速度為10～12 km/h。丁力等[11]針對(duì)高速作業(yè)時(shí)玉米氣吸式精密排種器風(fēng)壓需求量增大、漏吸嚴(yán)重的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種利用型孔凸臺(tái)擾動(dòng)種群和托持種子，在作業(yè)速度8～14 km/h時(shí)，合格指數(shù)超過(guò)91.3%。史嵩等[12-13]采用主動(dòng)驅(qū)導(dǎo)種群、減少局部種間接觸的方法，通過(guò)確定排種盤(pán)導(dǎo)種槽曲線，規(guī)劃種子相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡，高速條件下充種性能較穩(wěn)定，作業(yè)速度為9.11 km/h。

上述研究主要是通過(guò)改變吸種孔結(jié)構(gòu)降低高速作業(yè)時(shí)漏播指數(shù)，缺少對(duì)種群離散度和增加排種盤(pán)充種時(shí)間的相關(guān)研究。為此，本文在兼顧減小種群層間壓力的同時(shí)設(shè)計(jì)擴(kuò)容板增大充種區(qū)域，并設(shè)計(jì)一種具有擾種臺(tái)柱和中字型吸種孔的排種盤(pán)，以期實(shí)現(xiàn)在高速作業(yè)時(shí)，不增加工作負(fù)壓，且充種效果良好。

1 作業(yè)速度對(duì)排種器充種過(guò)程的影響

排種器高速作業(yè)時(shí)，種盤(pán)是充種過(guò)程攜種的直接接觸部件，當(dāng)排種器充種區(qū)角度為θ時(shí)，充種時(shí)間為

(1)

其中

式中T——充種時(shí)間，s

r——吸種孔與排種盤(pán)中心距離，mm

vk——吸種孔中心線速度，m/s

n——排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min

v——播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h

L——理論粒距，cm

Z——排種盤(pán)吸種孔個(gè)數(shù)

排種盤(pán)高速通過(guò)充種區(qū)與排種盤(pán)低速通過(guò)充種區(qū)的時(shí)間差為

Δt=TD-TG

(2)

式中TG——高速種盤(pán)充種時(shí)間，s

TD——低速種盤(pán)充種時(shí)間，s

Δt——高速種盤(pán)與低速種盤(pán)充種時(shí)間差，s

聯(lián)立式(1)、(2)可得

(3)

式中vG——高速作業(yè)時(shí)播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h

vD——低速作業(yè)時(shí)播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h

當(dāng)vD為一定值且大于零，vG為自變量，Δt為因變量時(shí)，對(duì)式(3)求導(dǎo)可知Δt的導(dǎo)數(shù)值大于零，即式(3)是一個(gè)單調(diào)遞增的函數(shù)，由此可知，排種器高速作業(yè)時(shí)，速度越大，充種時(shí)間下降越快；在保持粒距不變時(shí)，為了適應(yīng)速度變化引起的種子漏吸，應(yīng)從增大充種區(qū)角度和選取合適排種盤(pán)吸孔數(shù)兩方面來(lái)增加充種時(shí)間，因此本文設(shè)計(jì)一種雙重?cái)_動(dòng)排種盤(pán)和增加充種區(qū)域的排種器，從而提高氣吸式排種器高速作業(yè)的充種性能。

2 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

玉米擾動(dòng)輔助充種高速氣吸式排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由排種殼體、種室、下刮種刀、上刮種刀、排種盤(pán)、吸室殼體、進(jìn)氣口、阻氣板、強(qiáng)制刮種刀等零部件組成。排種盤(pán)沿徑向由外向內(nèi)周向布置中字型吸種孔和擾種臺(tái)柱，吸種孔一側(cè)布置有導(dǎo)種臺(tái)；排種盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖1、2所示。

圖1 高速氣吸式排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of high speed air suction seeding metering device1.排種殼體 2.種室 3.下刮種刀 4.上刮種刀 5.雙重?cái)_動(dòng)排種盤(pán) 6.吸室殼體 7.后殼體 8.進(jìn)氣口 9.阻氣板 10.排種下殼體 11.強(qiáng)制刮種刀

圖2 排種盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of seed tray1.擾種臺(tái)柱 2.導(dǎo)種臺(tái) 3.中字型吸種孔

排種器工作時(shí)，在排種盤(pán)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)下，依靠種盤(pán)上的凹槽和擾種臺(tái)柱產(chǎn)生雙重?cái)_動(dòng)，將密集的種群離散開(kāi)來(lái)；待吸附的種子首先落入兩吸種孔間的凹槽中，隨后在導(dǎo)種臺(tái)的輔助下，進(jìn)入吸種孔區(qū)域；通過(guò)吸種孔兩側(cè)的壓差，種子被壓附在吸種孔上，隨著吸種孔做圓周運(yùn)動(dòng)；種子脫離種群后，在上下刮種刀的作用下，完成單粒種子的定量充種過(guò)程；種子到達(dá)投種區(qū)域時(shí)阻斷氣流，種子脫離排種盤(pán)，沿豎直方向進(jìn)入導(dǎo)種管后，落入種溝。

3 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 種室

玉米屬于農(nóng)業(yè)散體物料，在種室與排種盤(pán)接觸的待充種區(qū)的分布區(qū)域由種室結(jié)構(gòu)和玉米休止角決定[14-15]。種室結(jié)構(gòu)如圖3所示，該種室沿排種盤(pán)圓周切向布置，為了使玉米種子在種室內(nèi)能在不同高度同時(shí)均勻全部向下流動(dòng)，形成整體流，根據(jù)無(wú)限長(zhǎng)縫隙型孔的成拱原理,參照文獻(xiàn)[15]種子臨界結(jié)拱間隙與矩形孔長(zhǎng)度關(guān)系曲線，結(jié)合本文所設(shè)計(jì)排種器的總體布局，種室進(jìn)種孔寬度a取57 mm，進(jìn)種孔長(zhǎng)度b取133 mm。

圖3 種室Fig.3 Seed chamber

充種作業(yè)時(shí)，如圖4所示，種子在充種區(qū)的分布主要由玉米種子休止角β決定；為了增加充種區(qū)角度，如圖3所示，采用擴(kuò)容板可提高玉米種子休止角水平線，從而擴(kuò)大種子充種區(qū)域；擴(kuò)容板位置直接影響不同高度種層種子壓力，進(jìn)而增加排種盤(pán)吸種孔吸種難度，不同高度物料層種子受力如圖5所示。

圖4 工作區(qū)域劃分和充種區(qū)示意圖Fig.4 Schematics of work area division and seed filling area

圖5 充種區(qū)dx段物料層受力圖Fig.5 Stress diagram of material layer in dx section of seed filling area

設(shè)垂直壓力為σ1，物料對(duì)壁面的側(cè)壓力為σ2，種室壁面與種間摩擦因數(shù)為μ1，充種區(qū)界面面積為A，周長(zhǎng)為C，則物料層受力平衡方程為

σ1A+γdxA=(σ1+dσ1)A+μ1Kσ1Cdx

(4)

其中

K=σ2/σ1

式中γ——物料重度，kN/m3

dx——物料層寬度微分

代入初始條件x=0，σ1=0，積分得

(5)

(6)

式中Rs——液力半徑，mm

h——擴(kuò)容板上部與種室最低點(diǎn)的距離

由于充種區(qū)相對(duì)較淺，顆粒與壁面的摩擦力fKσ1Cdx較小，可以忽略，所以可得

(7)

式中hi——顆粒所在物料層與最上層物料距離，mm

由式(7)可知，上層種群對(duì)下層種群的垂直壓力隨hi呈線性增加。如圖4b所示，擴(kuò)容板的下部設(shè)置在種群休止角頂點(diǎn)，當(dāng)擴(kuò)容板處在高位時(shí)，結(jié)合圖4b可知，種群橫截面長(zhǎng)度減小，降低玉米種子在吸種孔處的數(shù)量，從而導(dǎo)致漏吸率增加；當(dāng)擴(kuò)容板處在低位時(shí)，會(huì)形成部分無(wú)效種群橫截面長(zhǎng)度，在形成相同吸種區(qū)域時(shí)，擴(kuò)容板的長(zhǎng)度需增加，與排種盤(pán)上的擾種臺(tái)柱形成干涉。綜合上述分析，擴(kuò)容板底部與種室最低點(diǎn)的距離h1設(shè)計(jì)為70 mm；為了增加充種區(qū)角度，同時(shí)降低種群垂直壓力，結(jié)合上部刮種刀的位置，故取擴(kuò)容板上部與種室最低點(diǎn)的距離h為130 mm。擴(kuò)容板傾角φ與玉米休止角β相同,參照文獻(xiàn)[14]φ取35°，由

(8)

計(jì)算擴(kuò)容板長(zhǎng)度l為104.6 mm，為了確保加工精度，l取整為104 mm，擴(kuò)容板寬度為種室與排種盤(pán)間的距離65 mm。

3.2 排種盤(pán)

排種盤(pán)是吸附和攜帶玉米種子的關(guān)鍵部件，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：吸種孔直徑r1和周向布置半徑r2，中字型吸種孔的周向間距C1、徑向長(zhǎng)度C2與個(gè)數(shù)，導(dǎo)種臺(tái)高度g與傾角α，擾種臺(tái)柱的個(gè)數(shù)、高度E、半徑r3和周向布置半徑r4。

3.2.1吸種孔參數(shù)確定

以被吸種孔吸附的單粒玉米種子為研究對(duì)象，假定種子為材質(zhì)均勻的剛體，排種器在工作過(guò)程中，受種間碰撞和機(jī)具振動(dòng)影響，需引入吸種可靠性系數(shù)K1(1.8～2.0)和外界可靠性系數(shù)K2(1.6～2.0)[16],受力分析如圖6所示，忽略不計(jì)空氣及種間摩擦力Ff，建立種子穩(wěn)定吸附受力方程為

圖6 充種受力分析Fig.6 Stress analyses of seed filling

(9)

式中p——一個(gè)吸種孔的吸附負(fù)壓，Pa

J——種子所受離心力，N

G——種子重力，N

β——J與G+γhi之間的夾角，(°)

d——種子重心與排種盤(pán)之間距離，m

S——吸種孔截面積，m2

可得

(10)

進(jìn)而可得實(shí)際需要的最小吸附負(fù)壓pmin為

(11)

吸種孔對(duì)馬齒形玉米種子吸附能力弱于球錐形和類球形玉米種子[17],即馬齒形玉米種子所需吸附負(fù)壓最大；吸種孔直徑r1為0.64B～0.66B[18],馬齒形玉米種子平均寬度B為8.5 mm[19]，故確定吸種孔直徑r1為5.5 mm。

由文獻(xiàn)[15]可知玉米排種盤(pán)吸種孔的個(gè)數(shù)絕大多數(shù)為26，結(jié)合本文吸種孔的尺寸和排種器尺寸，故確定吸種孔的個(gè)數(shù)為24。

如圖7所示，凹槽需滿足單粒種子以豎向和橫向兩種姿態(tài)順利進(jìn)入，而凹槽的尺寸與吸種孔的尺寸相關(guān)聯(lián)，由文獻(xiàn)[19]可知玉米種子最大長(zhǎng)度為12.82 mm，根據(jù)前期試驗(yàn)，故確定吸種孔的周向間距和徑向長(zhǎng)度范圍分別為16 mm≤C1≤18 mm、14 mm≤C2≤16 mm；由于吸種孔個(gè)數(shù)為24個(gè)， 根據(jù)圓周長(zhǎng)計(jì)算公式可得368 mm≤2πr2≤414 mm,確定吸種孔周向布置半徑最小為58.59 mm，故取r2為60 mm；現(xiàn)有氣吸式排種器排種盤(pán)直徑一般為80～260 mm[20]，結(jié)合文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)規(guī)范要求，故確定排種盤(pán)直徑為200 mm。

圖7 種子在凹槽中的狀態(tài)示意圖Fig.7 Schematic of seed state in groove1.凹槽 2.豎向姿態(tài)種子 3.橫向姿態(tài)種子

3.2.2導(dǎo)種臺(tái)

排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，中字型吸種孔間凹槽從充種區(qū)的種群中穿過(guò)，種子以如圖7所示的姿態(tài)2或姿態(tài)3進(jìn)入凹槽，隨著排種盤(pán)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)，種子沿著導(dǎo)種臺(tái)進(jìn)入吸種孔區(qū)域，由此建立種子在導(dǎo)種臺(tái)的力學(xué)等效模型，如圖8所示。

圖8 種子受力分析Fig.8 Seed stress analysis

為了使種子能夠順利沿著導(dǎo)種臺(tái)運(yùn)動(dòng)，應(yīng)確保其有沿導(dǎo)種臺(tái)向吸種孔運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，即

(12)

式中α——導(dǎo)種臺(tái)與排種盤(pán)平面的夾角，(°)

μ2——種子與排種盤(pán)間摩擦因數(shù)

N——種子在導(dǎo)種臺(tái)斜面受到的支持力，N

f——種子沿導(dǎo)種臺(tái)平面受到的摩擦力，N

(13)

由式(13)可得α≤65.34°，考慮加工精度，本文設(shè)計(jì)時(shí)選取α=60°；α取值一定時(shí)，導(dǎo)種臺(tái)高度g增大會(huì)增加種子在導(dǎo)種臺(tái)的行程，造成吸種困難，因此g應(yīng)小于玉米種子厚度的一半。導(dǎo)種臺(tái)的高度過(guò)小，凹槽對(duì)種群的擾動(dòng)效果不佳，導(dǎo)種臺(tái)的高度過(guò)大，種子容易卡在凹槽中，由文獻(xiàn)[19]可知玉米種子的平均厚度為5.16 mm，本文設(shè)計(jì)排種盤(pán)厚度為3 mm，因此g取值應(yīng)在0～2.58 mm之間，通過(guò)試驗(yàn)可知g=1.5 mm時(shí)，對(duì)種群的擾動(dòng)效果最好，且不會(huì)造成卡種，綜合考慮確定g=1.5 mm。

3.2.3擾種臺(tái)柱

高速氣吸式排種器充種區(qū)增加，導(dǎo)致上層種群對(duì)下層種群垂直壓力增加，排種盤(pán)吸種孔吸種難度增加、攜種穩(wěn)定性降低；在擾種臺(tái)柱對(duì)種群定向擾動(dòng)下，玉米種子以散體顆粒形式從種群分離，分布在吸種孔附近，可提高充種性能。擾種臺(tái)柱為圓柱體，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了使擾種臺(tái)對(duì)種群形成有效擾動(dòng)，同時(shí)避免種子停留在擾種臺(tái)上，擾種臺(tái)尺寸應(yīng)滿足

(14)

式中l(wèi)z——玉米種子長(zhǎng)度，mm

lw——玉米種子寬度，mm

lx——排種盤(pán)面與種室內(nèi)壁的距離，mm

通過(guò)測(cè)量可知排種盤(pán)面與種室內(nèi)壁的最短距離為28 mm，結(jié)合文獻(xiàn)[19]中玉米的三軸尺寸，確定擾種臺(tái)高度E為25 mm，半徑r3為6 mm。

如圖9所示，排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相鄰兩擾種臺(tái)之間的空隙應(yīng)滿足不會(huì)發(fā)生卡種現(xiàn)象。當(dāng)吸種孔處于攜種狀態(tài)時(shí)，擾種臺(tái)與吸種孔間的徑向距離應(yīng)滿足擾種臺(tái)不會(huì)對(duì)被吸附的種子施加擠壓力，因此擾種臺(tái)的位置應(yīng)滿足

圖9 擾種臺(tái)位置分析 Fig.9 Analysis of position of scrambling station

(15)

其中

(16)

式中ξ——相鄰兩擾種臺(tái)柱中心與排種盤(pán)圓心的夾角，(°)

t——ξ角對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)，mm

n——擾種臺(tái)個(gè)數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[19]中玉米的三軸尺寸，結(jié)合式(15)可知r4的取值范圍為34.36～40.44 mm，擾種臺(tái)的周向布置半徑越小，對(duì)近吸種孔附近的種群擾動(dòng)能力弱，不利于充種，所以確定擾種臺(tái)柱的周向布置半徑r4為40 mm。當(dāng)r3、r4為已知值，擾種臺(tái)的個(gè)數(shù)n取10、12、14時(shí)，代入式(15)可求得最佳擾種臺(tái)個(gè)數(shù)為12。

4 仿真試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的種室充種區(qū)域增大，種層間壓力增大，高速條件下，吸種孔吸附種子的難度增加，排種盤(pán)需要增設(shè)攪種機(jī)構(gòu)以加強(qiáng)對(duì)種群的擾動(dòng)，降低種子被吸附的難度，因此需要對(duì)排種盤(pán)的擾動(dòng)性能進(jìn)行研究。本文應(yīng)用EDEM仿真軟件對(duì)光面排種盤(pán)A、中字型吸種孔排種盤(pán)B和帶擾種臺(tái)柱的中字型吸種孔排種盤(pán)C進(jìn)行種群擾動(dòng)的對(duì)比仿真試驗(yàn)，排種盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 3種結(jié)構(gòu)排種盤(pán)Fig.10 Three structure types of seed tray

4.1 仿真模型

利用EDEM進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將本文設(shè)計(jì)的高速氣吸式排種器簡(jiǎn)化為氣室殼體、排種殼體和排種盤(pán)3部分；以鄭單958玉米種子為對(duì)象建模，將如圖11所示的玉米種子模型按照實(shí)際不同形狀玉米種子數(shù)量占比進(jìn)行設(shè)置，馬齒形、球錐形、類球形的比例為6∶2∶1。顆粒接觸模型選用Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型。利用顆粒工廠生成種子，每種形狀玉米種子按照體積正態(tài)分布的方式生成，EDEM仿真模型如圖12所示。種子、排種盤(pán)物理特性參數(shù)和相關(guān)力學(xué)特性參數(shù)如表1所示[21-24]。

圖11 玉米種子模型Fig.11 Corn seed models

圖12 EDEM仿真模型Fig.12 EDEM simulation model

表1 玉米種子與排種盤(pán)物理和力學(xué)仿真參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical simulation parameters of corn seed and seed tray

4.2 仿真試驗(yàn)方法

種群擾動(dòng)強(qiáng)度大能夠降低種子瞬態(tài)的法向力即瞬時(shí)種子內(nèi)摩擦力，可以提高種子充種性能[25]。為了探究3種不同結(jié)構(gòu)排種盤(pán)對(duì)種群的擾動(dòng)程度，以種群內(nèi)每個(gè)時(shí)刻顆粒法向力平均值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。本文設(shè)計(jì)排種器工作速度為8～14 km/h，同時(shí)兼顧試驗(yàn)水平寬度，故試驗(yàn)時(shí)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為20、30、40、50、60 r/min，在不同轉(zhuǎn)速下開(kāi)展3種排種盤(pán)的仿真試驗(yàn)。仿真中顆粒工廠生成3 000顆玉米種子需要耗時(shí)2 s，排種盤(pán)從2 s開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，所以應(yīng)用EDEM后處理模塊提取2～10 s時(shí)間段內(nèi)顆粒的平均法向力。

4.3 仿真結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)排種器最高工作速度為14 km/h,故以種盤(pán)轉(zhuǎn)速40 r/min為例進(jìn)行分析。3種排種盤(pán)顆粒平均法向力隨時(shí)間變化曲線如圖13所示，從圖13a可以看出，A型排種盤(pán)顆粒的平均法向力在2～3 s時(shí)，圍繞著一個(gè)中心值小范圍上下波動(dòng)；待排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)步入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，顆粒的平均法向力基本沒(méi)有震蕩。圖13b中顯示，B型排種盤(pán)顆粒的平均法向力隨著排種盤(pán)的周期轉(zhuǎn)動(dòng)，在2～10 s內(nèi)，圍繞著一個(gè)中心值呈現(xiàn)穩(wěn)定的波動(dòng)狀態(tài)。圖13c中C型排種盤(pán)顆粒的平均法向力在保持穩(wěn)定波動(dòng)的基礎(chǔ)上，上下震動(dòng)的幅值均明顯高于B型排種盤(pán)。

圖13 3種排種盤(pán)的種子平均法向力隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Variation curves of average normal force of seeds with time in three types of seed tray

3種排種盤(pán)種群法向力總和與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系如圖14所示，隨著轉(zhuǎn)速的變化，B型排種盤(pán)顆粒的法向力總和上下波動(dòng)較大；C型排種盤(pán)顆粒的法向力總和基本呈上升趨勢(shì)；B型排種盤(pán)和C型排種盤(pán)的種群法向力總和均大于A型排種盤(pán)。

圖14 3種排種盤(pán)種群法向力總和與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線Fig.14 Relationship between sum of normal stress and rotational speed

綜合上述分析，C型排種盤(pán)具有較大的擾動(dòng)強(qiáng)度，會(huì)顯著降低種子顆粒瞬時(shí)的內(nèi)摩擦力，吸種孔對(duì)種子的吸附難度降低，即所需吸附負(fù)壓小，C型排種盤(pán)的輔助充種性能較好。

5 臺(tái)架試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料選用建模使用的鄭單958玉米種子，其含水率為13%，千粒質(zhì)量375 g。排種盤(pán)按照仿真使用的3種排種盤(pán)進(jìn)行加工試制，分別安裝在自主設(shè)計(jì)的玉米高速氣吸式排種器上，將排種器安裝在中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2PST型排種器性能測(cè)試系統(tǒng)上，并增設(shè)FASTEC-TS3型高速攝像機(jī)，如圖15所示。

圖15 試驗(yàn)臺(tái)Fig.15 Test bed1.驅(qū)動(dòng)裝置 2.高速攝像機(jī) 3.排種器

5.2 不同排種盤(pán)排種性能對(duì)比試驗(yàn)

排種盤(pán)排種性能檢測(cè)試驗(yàn)中，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速選定為20、30、40、50、60 r/min，工作吸附負(fù)壓設(shè)定為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5 kPa；試驗(yàn)區(qū)域是以吸種孔離開(kāi)種群位置為起點(diǎn)，吸種孔到達(dá)攜種區(qū)最高位置為終點(diǎn)。利用高速攝像機(jī)記錄該區(qū)域的圖像，每組試驗(yàn)記錄排種盤(pán)轉(zhuǎn)5 圈的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖16a可知，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，3種排種盤(pán)漏播指數(shù)隨著吸附負(fù)壓的增大而減小，但C型排種盤(pán)在負(fù)壓為4.0～4.5 kPa時(shí)，漏播指數(shù)基本保持不變，而B(niǎo)型排種盤(pán)和C型排種盤(pán)在吸附負(fù)壓從4.0 kPa增加到4.5 kPa時(shí)，漏播指數(shù)仍保持較大的下降速率。由圖17a可知，吸附負(fù)壓為4.0 kPa時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速為20～30 r/min時(shí)，3種排種盤(pán)的漏播指數(shù)增加規(guī)律基本一致；當(dāng)轉(zhuǎn)速由40 r/min增加到60 r/min時(shí)，A型排種盤(pán)和B型排種盤(pán)的漏播指數(shù)增長(zhǎng)速率均顯著高于C型排種盤(pán)。出現(xiàn)上述試驗(yàn)結(jié)果的原因在于，C型排種盤(pán)擾動(dòng)性最優(yōu)，吸種孔對(duì)種子的捕獲能力最強(qiáng)。

圖16 轉(zhuǎn)速為40 r/min不同吸附負(fù)壓時(shí)吸種性能變化曲線Fig.16 Variation curves of seed absorption performance under different adsorption negative pressures at rotational speed of 40 r/min

由圖16b和圖17b可知，吸種孔尺寸相同時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速較大時(shí)，吸附負(fù)壓對(duì)各盤(pán)重播指數(shù)影響幾乎無(wú)差異；因此，合理的吸種孔尺寸可減低重播指數(shù)。

由圖17c可知，當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，C型排種盤(pán)粒距合格指數(shù)較A型排種盤(pán)提高了7.5個(gè)百分點(diǎn)。

圖17 負(fù)壓為3.5 kPa不同轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速時(shí)吸附性能變化曲線Fig.17 Adsorption performance change curves when negative pressure was 3.5 kPa with different rotating speeds of turntable

綜合上述結(jié)果和上文對(duì)未設(shè)擴(kuò)容板的排種器的計(jì)算分析可知，高速作業(yè)時(shí)，擴(kuò)大充種區(qū)域，排種盤(pán)的漏播指數(shù)降低，擾種強(qiáng)度增大，可顯著改善吸種孔的吸附能力。

5.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證安裝C型排種盤(pán)的排種器排種性能，根據(jù)JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中的要求，以重播指數(shù)、漏播指數(shù)、粒距合格指數(shù)和合格粒距變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行作業(yè)速度、吸附負(fù)壓的全因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result

從C型排種盤(pán)排種器作業(yè)性能整體試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)作業(yè)速度為8～10 km/h、吸附負(fù)壓為3.0～4.0 kPa時(shí)，漏播指數(shù)不高于5.1%，重播指數(shù)不大于4.2%，粒距合格指數(shù)不小于94.6%,合格粒距變異系數(shù)不大于15.33%；當(dāng)作業(yè)速度為12～14 km/h、吸附負(fù)壓為3.5～4.0 kPa時(shí)，漏播指數(shù)不高于7.9%，重播指數(shù)不高于1.3%，粒距合格指數(shù)不小于92.1%，合格粒距變異系數(shù)不高于17.67%。各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

6 結(jié)論

(1)針對(duì)高速作業(yè)時(shí)，玉米氣吸式排種器漏播指數(shù)增大，工作性能不佳的問(wèn)題，設(shè)計(jì)擴(kuò)容板增大充種區(qū)域，延長(zhǎng)充種時(shí)間，降低漏播指數(shù)。

(2)充種區(qū)域擴(kuò)大，種群層間壓力增大，為了加強(qiáng)對(duì)種群離散度，設(shè)計(jì)一種具有擾種臺(tái)柱和中字型吸種孔的擾動(dòng)輔助充種排種盤(pán)。

(3)通過(guò)EDEM仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)光面排種盤(pán)、中字型吸種孔排種盤(pán)和帶擾種臺(tái)柱的中字型吸種孔排種盤(pán)進(jìn)行擾動(dòng)性能對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明帶擾種臺(tái)柱的中字型吸種孔排種盤(pán)的擾動(dòng)性能最佳。

(4)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)，擾動(dòng)輔助充種玉米排種器的粒距合格指數(shù)較原排種器提高了7.5個(gè)百分點(diǎn)。擾動(dòng)輔助充種高速氣吸式玉米排種器作業(yè)速度為8～10 km/h、吸附負(fù)壓為3.0～4.0 kPa時(shí)，漏播指數(shù)不高于5.1%，重播指數(shù)不大于4.2%，粒距合格指數(shù)不小于94.6%,合格粒距變異系數(shù)不大于15.33%；當(dāng)作業(yè)速度為12～14 km/h、吸附負(fù)壓在3.5～4.0 kPa時(shí)，漏播指數(shù)不高于7.9%，重播指數(shù)不大于1.3%，粒距合格指數(shù)不小于92.1%，合格粒距變異系數(shù)不高于17.67%，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。