黃小毛 劉 宇 朱耀宗 李文成 張 順

(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

水稻和油菜是我國(guó)兩種重要的大宗農(nóng)作物,前者是絕對(duì)主糧作物,后者是主力油料作物[1],二者在我國(guó)的現(xiàn)有種植模式都是直播和移栽多種形式并存[2-6]。這其中,無(wú)人機(jī)播撒(飛播),作為效率和地形地表適應(yīng)性最好的直播方式,近年來(lái)在我國(guó)水稻和油菜的快速搶墑播種中發(fā)展迅速[5-7]。

從精量條播[8-13]到精密穴播[14-17],水稻和油菜的機(jī)械化直播,在傳統(tǒng)地面機(jī)具播種技術(shù)中已研究較為充分,但都是基于地面機(jī)具功能特點(diǎn)和作業(yè)特性進(jìn)行的,與無(wú)人機(jī)的高速作業(yè)以及對(duì)搭載裝置的電控化、模塊化和輕量化要求不相符合,因此不能直接照搬使用。

無(wú)人機(jī)直播是近年來(lái)隨植保無(wú)人機(jī)逐步發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)。羅錫文等[18]研制了一種搭載于六旋翼無(wú)人機(jī)的離心撥盤(pán)式播撒裝置,宋燦燦等[19]設(shè)計(jì)一種氣力式無(wú)人機(jī)播撒裝置,高學(xué)梅等[20]研制一種可懸掛于多種無(wú)人機(jī)平臺(tái)的水稻及綠肥播撒裝置。大疆無(wú)人機(jī)公司于2018年6月推出一種離心甩盤(pán)式播撒裝置,極飛無(wú)人機(jī)公司于2018年底推出一種與窩眼或槽輪滾筒排種器配合的氣送涵道式播撒裝置,2019年又相繼推出“螺旋供種+水平離心甩盤(pán)”結(jié)合的睿播1.0和“螺旋供種+垂直離心甩盤(pán)”結(jié)合的睿播2.0播撒裝置。因投種高度高、旋翼氣流擾動(dòng)強(qiáng),以上這些飛播裝置的作業(yè)效果均相對(duì)粗放,種子落地散亂無(wú)序、作業(yè)幅寬界限模糊,種子落點(diǎn)精度遠(yuǎn)低于無(wú)人機(jī)作業(yè)定位精度,發(fā)芽出苗后植株通風(fēng)向陽(yáng)效果、土壤肥效利用效率不及地面播種機(jī)具的條播和穴播方式。

為探討旋翼氣流對(duì)種子運(yùn)移軌跡的影響,張青松等[21]建立了四旋翼無(wú)人機(jī)旋翼氣流場(chǎng)仿真模型,研究了旋翼氣流場(chǎng)對(duì)油菜種子的空中漂移運(yùn)動(dòng)軌跡的影響。黃小毛等[22]在分析極飛P20型四旋翼無(wú)人機(jī)下洗氣流場(chǎng)分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種與之配套的以人工拾舉方式進(jìn)行銜接的專(zhuān)用導(dǎo)種裝置,抑制無(wú)人機(jī)旋翼氣流對(duì)下落種子籽粒的擾動(dòng)作用,基本實(shí)現(xiàn)了油菜的精量條播。但該裝置導(dǎo)種管較長(zhǎng),無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)折疊,黃小毛等[23]又基于六旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)折疊的導(dǎo)種投種管和氣送集中排種式油菜專(zhuān)用排種系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了油菜的條播。此外,珠海羽人無(wú)人機(jī)公司于2018年推出一款可實(shí)現(xiàn)水稻精量條播的無(wú)人機(jī)裝置。

本文從成條飛播裝置的通用性角度出發(fā),設(shè)計(jì)、試制加工、試驗(yàn)優(yōu)化和驗(yàn)證測(cè)試一種可同時(shí)適應(yīng)水稻和油菜條播農(nóng)藝要求的稻油兼用型成條飛播裝置。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

以額定承載質(zhì)量15 kg的六旋翼無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái),整機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由稻油兼用型成條飛播裝置單體、無(wú)人機(jī)平臺(tái)、承載桿組成,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 條播無(wú)人機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 條播無(wú)人機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意圖

稻油兼用型成條飛播裝置單體結(jié)構(gòu)如圖2所示,由管夾、種箱、排種器、導(dǎo)種投種管和導(dǎo)種管折疊裝置組成。

圖2 稻油兼用型成條飛播裝置單體

其中外槽輪排種器結(jié)構(gòu)如圖3所示,由直流電機(jī)、殼體、清種毛刷、排種輪、調(diào)節(jié)輪、螺紋固定環(huán)和牽引套筒等組成。

圖3 排種器結(jié)構(gòu)爆炸圖

1.2 工作原理

稻油兼用型成條飛播裝置各單體通過(guò)管夾固定在無(wú)人機(jī)平臺(tái)承載桿上,并可在承載桿上調(diào)節(jié)裝置安裝間距,實(shí)現(xiàn)播種行間距調(diào)整。作業(yè)時(shí),無(wú)人機(jī)升空后,由導(dǎo)種管折疊裝置驅(qū)動(dòng),將導(dǎo)種投種管由折疊狀態(tài)變?yōu)樯煺範(fàn)顟B(tài),進(jìn)入作業(yè)航線后排種器進(jìn)入作業(yè)狀態(tài)。排種輪在清種毛刷配合下將定量種子從種群分離,經(jīng)過(guò)運(yùn)種后從排種器另一側(cè)下方投入導(dǎo)種投種管,導(dǎo)種投種管屏蔽機(jī)翼平面下方急劇的氣流干擾,使種子保持穩(wěn)定的下落軌跡并最終落入土壤中,實(shí)現(xiàn)種子落地成條。播種作業(yè)結(jié)束后,導(dǎo)種投種管恢復(fù)至折疊狀態(tài),以便于無(wú)人機(jī)降落。

為滿足油菜、水稻等多種不同作物的播量要求,事先通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)牽引套筒,帶動(dòng)套在排種輪上的調(diào)節(jié)輪實(shí)現(xiàn)左右運(yùn)動(dòng),進(jìn)而改變排種輪型槽的有效工作長(zhǎng)度,達(dá)到調(diào)整單位時(shí)間排種量的目的。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排種器排種過(guò)程分析

排種器是稻油兼用型成條飛播裝置的關(guān)鍵部件。如圖4所示,排種過(guò)程為:種箱中種子在重力作用下進(jìn)入排種器,在進(jìn)種斜面引導(dǎo)下進(jìn)入進(jìn)種口,在充種腔中隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成不同程度的擾動(dòng),從充種腔底部開(kāi)始逐步完成對(duì)型槽的充種,清種毛刷將多余種子清回充種腔,被囊種后種子經(jīng)運(yùn)種從出種口進(jìn)入下方導(dǎo)種投種裝置。

圖4 排種器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 排種器進(jìn)種口設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)電驅(qū)化和輕量化,應(yīng)盡量減小相關(guān)零部件的尺寸及質(zhì)量,為此需合理控制充種、排種過(guò)程中的阻力,以減小對(duì)排種電機(jī)的扭矩要求。

選用種子長(zhǎng)寬比較為典型的2種常規(guī)稻品種和1種典型油菜品種,經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定種子的物理特性參數(shù)(表2),為相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程提供依據(jù)。

表2 典型品種水稻及油菜種子的物理特性參數(shù)

2.2.1充種排種過(guò)程受力分析

在實(shí)際試驗(yàn)試制過(guò)程中發(fā)現(xiàn),在常規(guī)排種器充種腔中,工作時(shí)排種輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),阻力來(lái)源于充種初始位置和從充種初始位置到清種毛刷位置的充種過(guò)程中。在充種初始位置,部分種子與轉(zhuǎn)動(dòng)的排種輪、排種器外殼產(chǎn)生摩擦阻力;在充種過(guò)程中,阻力則主要來(lái)自于充種腔中排種輪型槽附近種子的摩擦力和上方種群產(chǎn)生的壓力。

將某個(gè)排種輪型槽剛進(jìn)入充種腔的位置定義為初始充種位置,此位置種子的受力分析如圖5所示,排種輪為種子提供充種動(dòng)力,以克服種子與排種器殼體、種子間摩擦阻力和來(lái)自上方種子的壓力。

忽略種子自身重力、種子及型槽的形狀影響,分析得到種子受力平衡方程為

(1)

(2)

式中Fy——種子在圓周方向上所受合力,N

Fx——種子在排種輪徑向上所受合力,N

FN2——排種輪型槽為種子提供的動(dòng)力,N

FN1——種子與排種器外殼之間的壓力,N

Ff1——種子間摩擦阻力,N

Ff2——種子與排種器殼體間摩擦阻力,N

M——當(dāng)前種子和垂直上方種子的重力總和,N

μ1——種子間摩擦因數(shù)

μ2——種子與排種器殼體之間摩擦因數(shù)

H——上方種箱中種子高度,mm

D——排種輪直徑,mm

m——種子千粒質(zhì)量,g

d——種子橫截面直徑,mm

θ——種子在初始充種位置相對(duì)于排種輪中心坐標(biāo)系的相位角,(°)

g——重力加速度,m/s2

考慮到排種輪厚度,在充種初始位置存在一層種子與排種輪、排種器外殼摩擦,結(jié)合式(1)整理得到排種輪在充種初始位置提供的最小動(dòng)力應(yīng)大于產(chǎn)生的阻力,即

(3)

式中FN——排種輪在初始位置應(yīng)提供的最小動(dòng)力,N

L——排種輪厚度,mm

lmin——種子長(zhǎng)度極小值,mm

在初始充種位置以外的其他相位角處,位于充種腔中的排種輪型槽也需使型槽中種子克服種子間摩擦力和來(lái)自上方種子的壓力。在充種角度范圍內(nèi),排種輪需提供克服阻力的最小動(dòng)力為

(μ1sinφ+cosφ)}dφ

(4)

式中Ff——排種輪在充種腔中為克服種子間阻力和上方種子壓力需要提供的動(dòng)力,N

φ——排種輪與種子接觸時(shí),種子位置相對(duì)于排種輪中心坐標(biāo)系的相位角,(°),在初始位置等于θ

考慮驅(qū)動(dòng)排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)的最小扭矩要求,綜合上述充種阻力,要求排種電機(jī)的扭矩T滿足

(5)

式中F——在充種和排種過(guò)程中排種輪需要提供的最小動(dòng)力,N

通過(guò)式(2)和圖6所示幾何關(guān)系,計(jì)算充種初始位置種子相對(duì)排種輪中心坐標(biāo)系的相位角θ。當(dāng)最大厚度或?qū)挾鹊姆N子在此位置時(shí),其他種子均可能存在與排種輪及排種輪外殼的摩擦,故種子橫截面直徑選用測(cè)量種子中寬度或厚度中的極大值,即d=3.66 mm,則充種初始位置,種子相對(duì)排種輪中心坐標(biāo)系的相位角θ=28°。

圖6 充種起始角幾何關(guān)系

式(3)、(4)中,H為種箱中種子高度,根據(jù)整機(jī)布局及載重設(shè)計(jì)為180 mm;排種輪直徑D計(jì)算時(shí)采取外槽輪常用值60 mm;為布局協(xié)調(diào),排種輪厚度設(shè)計(jì)為與舵機(jī)同寬度,即L為30 mm;考慮在排種輪厚度方向上存在最多數(shù)量的種子,lmin為7.56 mm,種子橫截面直徑d為3.66 mm;實(shí)測(cè)摩擦因數(shù)μ1為0.6,μ2為0.51。代入式(3)～(5),計(jì)算得到F=81.32 N,T≥2.44 N·m。而滿足尺寸及質(zhì)量要求的直流減速電機(jī)最大扭矩為0.5 N·m左右,無(wú)法滿足要求,因此需要進(jìn)行相應(yīng)減阻設(shè)計(jì)。根據(jù)F=FN+Ff分析可得,在排種輪運(yùn)行過(guò)程中,來(lái)自上方種箱種子的阻力和壓力對(duì)總阻力作用明顯,故在充種腔上方設(shè)計(jì)擋種板,排種輪充種初始位置設(shè)計(jì)減阻斜面以減小種子與排種輪、排種器外殼的摩擦阻力。如圖4所示,擋種板與進(jìn)種斜面之間開(kāi)口為進(jìn)種口,使用充種初始位置,種子相對(duì)排種輪中心坐標(biāo)系的相位角θ=28°作為減阻斜面的傾角,可防止絕大多數(shù)種子與排種器外殼摩擦,減少阻力,經(jīng)減阻設(shè)計(jì)后排種輪受力為

F=Ff

(6)

此時(shí),初始充種位置處種子與排種器外殼阻力Ff2消失,垂直方向種子高度從180 mm減少至30 mm,代入驗(yàn)算數(shù)據(jù)得驅(qū)動(dòng)排種輪所需最低扭矩T=0.25 N·m。

選取驅(qū)動(dòng)電機(jī)為億星科技JGB37-520型直流減速電機(jī),電機(jī)參數(shù)為:直徑37 mm、長(zhǎng)度47 mm、轉(zhuǎn)速66 r/min、額定扭矩0.45 N·m,滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2進(jìn)種斜面設(shè)計(jì)及進(jìn)種口尺寸確定

為使種箱中種子在重力作用下穩(wěn)定有序地進(jìn)入充種腔,排種器上方設(shè)有引導(dǎo)種子進(jìn)入充種腔的進(jìn)種斜面。根據(jù)物料學(xué)分析,進(jìn)種斜面傾角應(yīng)大于種子自然休止角,種子方可順利流動(dòng)。經(jīng)測(cè)量,水稻種子自然休止角在30°～40°之間,故將進(jìn)種斜面傾角設(shè)計(jì)為40°。

進(jìn)種斜面和擋種板之間為進(jìn)種口,進(jìn)種口高度滿足大多數(shù)種子物料特性時(shí),可使種子順利進(jìn)入充種腔。參考外槽輪型槽開(kāi)口寬度設(shè)計(jì)原理,當(dāng)型槽開(kāi)口寬度為種子最大長(zhǎng)度的1.4倍時(shí),種子可順利充入型槽[24-25]。故進(jìn)種口從進(jìn)種斜面下方至擋種板之間,高度尺寸大于1.4倍種子最大長(zhǎng)度,結(jié)合布局,最后確定為2倍種子最大長(zhǎng)度,即20 mm。

2.3 排種器排種輪設(shè)計(jì)

2.3.1排種輪型槽截面形狀及尺寸確定

排種輪型槽常見(jiàn)截面形狀主要為矩形、U形和勺形。3 種槽型中,勺形型槽充種效果和排種均勻性更好[24-25],故采用勺形截面設(shè)計(jì)型槽。

勺形截面型槽主要參數(shù)為開(kāi)口寬度W1和深度h。水稻種子充入型槽時(shí),以2 粒橫放及1 ?？v放的情況最多[24-25]。故在勺形槽中,開(kāi)口寬度由種子的最大長(zhǎng)度決定,且其寬度應(yīng)為種子最大長(zhǎng)度的1.1倍。型槽深度取決于種子最大寬度和厚度的極值,型槽深度h應(yīng)取種子最大寬度或厚度的1.4倍[24-25]。上述尺寸確定滿足關(guān)系式

(7)

式中l(wèi)max——種子最大長(zhǎng)度,mm

dmax——種子最大寬度或厚度,mm

為適應(yīng)雜交稻、常規(guī)稻和油菜等不同品種作物播量的大范圍可調(diào)需求,除采用調(diào)節(jié)排種轉(zhuǎn)速的方式,還需增加槽輪有效工作長(zhǎng)度的可調(diào)性。設(shè)計(jì)與排種輪配合的調(diào)節(jié)輪,調(diào)節(jié)輪內(nèi)齒與排種輪型槽結(jié)構(gòu)互補(bǔ),為便于加工并保證配合面靈活可靠,進(jìn)一步將型槽截面設(shè)計(jì)為類(lèi)勺型的直角梯形,如圖7所示。此時(shí),梯形槽開(kāi)口寬度W1為11 mm、下底寬度W2為5 mm、深度h為6 mm,型槽面積為48 mm2。

圖7 型槽截面形狀及尺寸示意圖

2.3.2排種輪直徑、型槽分布角和轉(zhuǎn)速確定

排種輪直徑和排種輪型槽的數(shù)量是影響排種質(zhì)量的重要因素,文獻(xiàn)[24-27]研究表明:排種輪直徑過(guò)小,其上均布的型槽數(shù)量少,排種作業(yè)時(shí)為保證所需的播量,則需增加排種輪轉(zhuǎn)速,而排種輪轉(zhuǎn)速過(guò)大,型槽轉(zhuǎn)經(jīng)充種區(qū)時(shí)間變短,種子不能及時(shí)充入型槽內(nèi),易造成漏播,因此排種輪直徑應(yīng)取較大值,但排種輪直徑過(guò)大,排種器及其附件尺寸增大,與設(shè)計(jì)要求相悖。常用的排種輪直徑在60～80 mm之間[24-27]。排種輪直徑應(yīng)滿足排種器布局要求,考慮到飛播裝置的輕量化設(shè)計(jì)要求,同時(shí)調(diào)整播種行距時(shí)需排種單體在無(wú)人機(jī)腳架與側(cè)2斜管間(間距10 cm)穿梭,參照?qǐng)D1b,排種器寬度應(yīng)小于該間距,設(shè)計(jì)為95 mm。另外,考慮排種器外殼的注塑件厚度(2 mm)以及預(yù)留投種空間24 mm(應(yīng)大于出種口直徑20 mm),排種輪直徑最終取67 mm。

排種輪單位時(shí)間供種量和排種輪轉(zhuǎn)速、型槽數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),各參數(shù)之間滿足水稻理論供種公式[26]

(8)

式中Go——單位時(shí)間內(nèi)排種輪供種量,g/min

n——排種輪轉(zhuǎn)速,r/min

A——型槽橫截面積,mm2

Z——型槽長(zhǎng)度,mm

φ——型槽分布角,(°)

g1——種子千粒質(zhì)量,g

z——單個(gè)種子理論平均體積,mm3

k1——種子長(zhǎng)度修正系數(shù),江稻501取0.89,黃華占取0.772

a——種子長(zhǎng)度,mm

k2——種子寬度修正系數(shù),取1.00

b——種子寬度,mm

k3——種子厚度修正系數(shù),江稻501取0.96,黃華占取0.932

c——種子厚度,mm

式(8)中型槽分布角為相鄰兩型槽中心點(diǎn)間所對(duì)應(yīng)的圓心角,對(duì)應(yīng)型槽數(shù)量,當(dāng)型槽截面形狀參數(shù)和寬度一定時(shí),與排種輪轉(zhuǎn)速一起決定排種輪供種量及排種器排量。

而根據(jù)農(nóng)藝上的作物密度要求,排種器單位時(shí)間排量與無(wú)人機(jī)作業(yè)速度、作物播種行距和播量之間滿足

(9)

式中s——排種器單位時(shí)間排量,g/min

S——作物播量,kg/hm2

l——作物播種行距,cm

v——無(wú)人機(jī)作業(yè)速度,m/s

按照前述典型水稻品種江稻501和黃華占的常用播量60～105 kg/hm2(常規(guī)稻)[28-29],當(dāng)無(wú)人機(jī)作業(yè)速度為5 m/s時(shí),根據(jù)式(9)計(jì)算得到排種器單位時(shí)間排量s為540～945 g/min。再將該排量當(dāng)成供種量,查表2兩種典型品種水稻三軸尺寸(對(duì)應(yīng)式(8)中的a、b、c),并將型槽截面積(48 mm2)和排種電機(jī)轉(zhuǎn)速50 r/min(所選驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速66 r/min,30 r/min以上可以提供較為穩(wěn)定的扭矩輸出,取值為額定值80%左右)等代入式(8)中,計(jì)算得到滿足江稻 501播量時(shí)的排種輪型槽分布角為18.7°～32.5°,滿足黃華占播量時(shí)的排種輪型槽分布角為21.4°～37.5°。型槽分布角小于理論計(jì)算范圍時(shí),型槽數(shù)量越多,越能滿足排量要求。而當(dāng)型槽分布角小于14°時(shí),型槽間會(huì)出現(xiàn)干涉(小于型槽開(kāi)口對(duì)應(yīng)的圓心角14°)。為保證排種輪結(jié)構(gòu)完整性,同時(shí)綜合考慮其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,確定型槽分布角為20°,對(duì)應(yīng)排種輪上型槽數(shù)量為18。

2.4 導(dǎo)種管折疊裝置設(shè)計(jì)

2.4.1導(dǎo)種管折疊裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

為實(shí)現(xiàn)種子落地成條,需盡量減少種子在下落過(guò)程中受到的氣流擾動(dòng),故在條播裝置上設(shè)計(jì)導(dǎo)種投種管。為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)種投種管在無(wú)人機(jī)作業(yè)前后的折疊,以保證無(wú)人機(jī)安全起降,條播裝置設(shè)計(jì)有導(dǎo)種管折疊裝置,結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 導(dǎo)種管折疊裝置結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí),舵機(jī)通過(guò)連桿驅(qū)動(dòng)中空旋轉(zhuǎn)頭轉(zhuǎn)動(dòng),旋轉(zhuǎn)頭下方連接導(dǎo)種投種管。無(wú)人機(jī)在地面時(shí),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭及導(dǎo)種投種管至水平狀態(tài)。在無(wú)人機(jī)起飛進(jìn)入工作航線時(shí),舵機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭及導(dǎo)種投種管至豎直狀態(tài)。

2.4.2導(dǎo)種管參數(shù)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)作業(yè)速度較快,為確保飛行安全,設(shè)置的作業(yè)高度應(yīng)大于1 m。而飛行中下方旋翼下洗氣流、地面上洗氣流和無(wú)人機(jī)飛行迎面來(lái)流的混合氣流場(chǎng)會(huì)影響種子下落運(yùn)動(dòng)的軌跡[21,32]。因此設(shè)計(jì)導(dǎo)種管以保證種子下落過(guò)程中軌跡的相對(duì)穩(wěn)定性,并通過(guò)導(dǎo)種管驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)種管自動(dòng)展開(kāi)與折疊。

導(dǎo)種管直徑應(yīng)保證種子順利下落,同時(shí)滿足導(dǎo)種管折疊裝置布局需求。參照進(jìn)種口設(shè)計(jì)依據(jù),管徑應(yīng)至少大于1.4倍種子最大長(zhǎng)度,綜合考慮導(dǎo)種管折疊裝置布局,最終確定導(dǎo)種管直徑為20 mm,如圖9所示。

圖9 導(dǎo)種管布局及尺寸(正視圖)

為確定導(dǎo)種管長(zhǎng)度,采用ANSYS有限元模擬仿真方法分析六旋翼?xiàng)l播無(wú)人機(jī)下方氣流場(chǎng)?；诳蓧嚎s雷諾平均N-S方程,結(jié)合SSTk-ω湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù),建立六旋翼無(wú)人機(jī)在飛行高度1、1.5 m(無(wú)人機(jī)腳架離地高度),飛行速度3 m/s時(shí)下洗氣流的三維CFD(Computational fluid dynamic)模型,分析六旋翼無(wú)人機(jī)下洗氣流的分布規(guī)律。

由圖10可知,六旋翼無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中,混合氣流沿飛行速度方向向后偏移。在飛行高度1 m時(shí),六旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身中心正下方混合流在y=-0.75 m左右出現(xiàn)偏移;在飛行高度1.5 m時(shí),六旋翼無(wú)人機(jī)機(jī)身中心正下方混合流在y=-1.00 m左右出現(xiàn)偏移。成條飛播裝置安裝于六旋翼無(wú)人機(jī)中心正下方且排種單體長(zhǎng)度(不包括導(dǎo)種管)為0.5 m左右,因此導(dǎo)種管延伸長(zhǎng)度必須避開(kāi)混合流影響區(qū),才能保證種子下落不受混合流干擾,此時(shí)導(dǎo)種管長(zhǎng)度應(yīng)不小于 0.5 m。綜合考慮導(dǎo)種管折疊過(guò)程中的阻力對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的影響,確定導(dǎo)種管長(zhǎng)度為 0.5 m。

圖10 六旋翼無(wú)人機(jī)旋翼氣流場(chǎng)分布

3 試驗(yàn)

3.1 排種性能臺(tái)架試驗(yàn)

為測(cè)定排種性能、優(yōu)化作業(yè)參數(shù)和驗(yàn)證作業(yè)效果,分別開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)、場(chǎng)地試驗(yàn)和田間試驗(yàn)。

3.1.1試驗(yàn)指標(biāo)

參照文獻(xiàn)[30]中指定的方法和指標(biāo),以總排量變異系數(shù)CVT、各行排量一致性變異系數(shù)CVR和破損率K作為試驗(yàn)指標(biāo),進(jìn)行排種性能試驗(yàn),各試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算式為

(10)

其中

(11)

(12)

其中

(13)

(14)

式中x——單位時(shí)間總排量均值,g/min

xi——第i次單位時(shí)間總排量,g/min

y——平均行排量,g/min

yj——第j行排量,g/min

mi——第i次試驗(yàn)中破損種粒質(zhì)量,g

m1——單次試驗(yàn)總排量,g

3.1.2試驗(yàn)方法

如圖11所示,將無(wú)人機(jī)固定在臺(tái)架上,使用網(wǎng)袋收集各排種器單位時(shí)間(1 min)排出的種子并稱(chēng)量。

使用華油雜62和黃華占進(jìn)行排種性能試驗(yàn)。設(shè)置3個(gè)符合實(shí)際作業(yè)播量的參數(shù)(排種輪轉(zhuǎn)速40 r/min,對(duì)應(yīng)遙控器通道開(kāi)度85%,排種輪開(kāi)度83%、70%、53%)進(jìn)行水稻試驗(yàn),1個(gè)參數(shù)(排種輪轉(zhuǎn)速25 r/min,對(duì)應(yīng)遙控器通道開(kāi)度40%,排種輪開(kāi)度16%)進(jìn)行油菜試驗(yàn)。分別對(duì)應(yīng)工作速度4 m/s時(shí)水稻播量60、45、22.5 kg/hm2,油菜播量6.75 kg/hm2。分別記錄3輪各行1 min內(nèi)排量、各輪總排量及各輪破損種子數(shù),并進(jìn)行分析。

3.1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

文獻(xiàn)[30]中條播排種器性能規(guī)定水稻條播指標(biāo):各行排量一致性變異系數(shù)小于等于5%,總排量變異系數(shù)小于等于2.6%,破損率小于等于0.5%;文獻(xiàn)[31]對(duì)油菜條播性能規(guī)定指標(biāo):各行排量一致性變異系數(shù)小于等于7%,總排量變異系數(shù)小于等于45%。由表3可知,在各排量情況下,水稻和油菜總排量變異系數(shù)、各行一致性變異系數(shù)和破損率指標(biāo)均能滿足要求,故條播裝置排種器設(shè)計(jì)滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

3.2 作業(yè)參數(shù)優(yōu)化場(chǎng)地試驗(yàn)

在進(jìn)行實(shí)際大田試驗(yàn)前,需確定無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)參數(shù)與種子成條性之間的關(guān)系,以便得到較好的播種效果。已知無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)為飛行高度H1和飛行速度v,設(shè)計(jì)雙因素試驗(yàn)確定條播無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)參數(shù)。

3.2.1試驗(yàn)方案

農(nóng)用無(wú)人機(jī)作業(yè)速度一般在2～7 m/s之間,飛行高度在1～5 m之間。為保證作業(yè)效率和播種成條性,初步確定試驗(yàn)參數(shù)為:作業(yè)高度H1(無(wú)人機(jī)腳架距地面高度)為1、1.5、2 m;飛行速度v為2、3、4、5 m/s;無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)排種器排量采用式(8)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行匹配。

試驗(yàn)場(chǎng)地為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)駕駛場(chǎng)地,場(chǎng)地空曠且無(wú)障礙物。試驗(yàn)當(dāng)天有2～3級(jí)西北風(fēng),空氣相對(duì)濕度36%。以東西走向場(chǎng)地為無(wú)人機(jī)航向,飛行距離20 m。在無(wú)人機(jī)航線中心位置設(shè)置兩長(zhǎng)形泥盒,泥盒總寬度3 m,可覆蓋無(wú)人機(jī)2 m最大播幅。無(wú)人機(jī)依照各參數(shù)依次飛過(guò)泥盒,測(cè)量泥盒中各行種子條帶的寬度,如圖12所示。

圖12 無(wú)人機(jī)條播場(chǎng)地試驗(yàn)示意圖

3.2.2試驗(yàn)指標(biāo)

為評(píng)價(jià)種子落地后的成條效果,定義成條指數(shù)CL,計(jì)算公式為

(15)

wo——作物種植行距,即相鄰?fù)斗N管的軸線間距,cm

成條指數(shù)反映種子落地后分布的線性效果,其值越小,種子成條效果越好。

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對(duì)水稻和油菜進(jìn)行雙因素泥盒試驗(yàn)。如圖13所示,分別測(cè)量泥盒中各行種子條帶最寬處寬度(紅框所示),得到各作業(yè)參數(shù)下種子平均條帶寬度如表4所示(試驗(yàn)時(shí),飛行高度1 m,導(dǎo)種管末端距離泥面40 cm左右,飛行速度3 m/s)。

表4 條播無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)雙因素試驗(yàn)結(jié)果

圖13 泥盒試驗(yàn)效果

由表4可知,飛播種子落地后成條性能與飛行作業(yè)參數(shù)密切相關(guān),且相同作業(yè)參數(shù)下水稻成條性比油菜更好。成條性與作業(yè)飛行高度負(fù)相關(guān),無(wú)人機(jī)作業(yè)飛行高度越低,種子成條性越好;成條性還隨著無(wú)人機(jī)飛行作業(yè)速度的增加而先增加后降低,并在飛行作業(yè)速度4 m/s左右達(dá)到較好的成條效果。

排種器排出的種子在導(dǎo)種管中自由下落后繼續(xù)向下投種,最終的落地成條效果取決于2個(gè)效應(yīng)的綜合:氣流場(chǎng)對(duì)投種下落過(guò)程中種子的擾動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)

致種子的橫向移動(dòng),種子落地時(shí)與地面碰撞后的反彈效應(yīng)導(dǎo)致的橫向移動(dòng)。試驗(yàn)中采用的泥面,可忽略反彈效應(yīng),因此試驗(yàn)結(jié)果中成條效果隨飛行作業(yè)速度增加而先增加后降低的原因應(yīng)該是由無(wú)人機(jī)下方氣流場(chǎng)引起的。根據(jù)2.4節(jié)氣流場(chǎng)仿真及相關(guān)研究[21,23,32-33]可知,無(wú)人機(jī)平臺(tái)下方有一個(gè)非常復(fù)雜的混合氣流場(chǎng)。作業(yè)前飛時(shí),無(wú)人機(jī)機(jī)頭具有一定的前傾角,旋翼產(chǎn)生向下同時(shí)略向后傾的高速氣流,該氣流裹挾周邊空氣并與前方相對(duì)來(lái)流混合后向后向下移動(dòng)。隨著飛行速度的增大,旋翼轉(zhuǎn)速及旋翼氣流和前方來(lái)流強(qiáng)度都會(huì)增加,但是混合流對(duì)種子下落過(guò)程中的速度及位置的擾動(dòng)是一個(gè)極其復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)過(guò)程。定量的研究需要借助EDEM 和 Fluent 耦合仿真方法進(jìn)行大量仿真,由于既是動(dòng)網(wǎng)格又是非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,且計(jì)算區(qū)域龐大,模擬計(jì)算量及耗時(shí)巨大,需要后續(xù)進(jìn)一步深入相關(guān)研究并合理解釋試驗(yàn)結(jié)果。

3.3 田間驗(yàn)證試驗(yàn)

場(chǎng)地泥盒試驗(yàn)結(jié)果顯示,條播無(wú)人機(jī)在飛行高度1 m、飛行速度4 m/s時(shí)油菜和水稻達(dá)到較好的作業(yè)效果,因此采用此作業(yè)參數(shù)進(jìn)行實(shí)際田間試驗(yàn)驗(yàn)證。作業(yè)時(shí)排種器調(diào)節(jié)參數(shù)按照播量要求和作業(yè)速度,參照表5進(jìn)行設(shè)定。

2021年10月11日,在湖北省黃岡市團(tuán)風(fēng)縣開(kāi)展油菜條播田間試驗(yàn),前茬作物為水稻,試驗(yàn)前旋耕、開(kāi)溝。飛播油菜品種為中油雜92,作業(yè)飛行高度1 m,飛行速度4 m/s,播量6.75 kg/hm2。播后30 d后出苗效果如圖14所示。

圖14 油菜條播作業(yè)過(guò)程及田間出苗效果

2022年5月11日,在湖北省孝感市開(kāi)展水稻條播田間試驗(yàn),試驗(yàn)前打漿平整,無(wú)明水。水稻品種為甬優(yōu)1540(提前浸種但未破胸露白,晾干后用適量厭食劑拌種、保持無(wú)黏連狀態(tài)),作業(yè)飛行高度1 m,飛行速度4 m/s,播量30 kg/hm2。播后30 d后出苗效果如圖15所示。

圖15 水稻條播作業(yè)過(guò)程及田間出苗效果

4 結(jié)論

(1)對(duì)排種器充種過(guò)程進(jìn)行理論分析,針對(duì)充種過(guò)程中產(chǎn)生阻力的主要原因,設(shè)計(jì)擋種板和減阻斜面,以減小排種過(guò)程阻力。通過(guò)進(jìn)一步設(shè)計(jì)計(jì)算,確定排種輪結(jié)構(gòu)參數(shù):排種輪直徑67 mm、型槽截面形狀為直角梯形、型槽數(shù)量18。

(2)為保證種子下落軌跡穩(wěn)定,分析了六旋翼無(wú)人機(jī)作業(yè)時(shí)機(jī)身下方氣流場(chǎng)分布,根據(jù)流場(chǎng)分布規(guī)律確定導(dǎo)種管長(zhǎng)度為50 cm,并設(shè)計(jì)導(dǎo)種管折疊裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)種管的自動(dòng)展開(kāi)與折疊。

(3)進(jìn)行排種性能試驗(yàn),得到在符合3組水稻及1組油菜播量參數(shù)條件下,各行排量一致性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子籽粒破損率,均滿足NY/T 3881—2021《遙控飛行播種機(jī) 質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》指標(biāo)要求。

(4)進(jìn)行場(chǎng)地泥盒試驗(yàn),確定條播無(wú)人機(jī)在飛行高度(腳架距地面高度)1 m、飛行速度4 m/s時(shí),成條效果較好(水稻平均帶寬3.8 cm,油菜平均帶寬6.7 cm)。將場(chǎng)地試驗(yàn)得到的無(wú)人機(jī)作業(yè)參數(shù)應(yīng)用于油菜和水稻飛播田間試驗(yàn)中,試驗(yàn)結(jié)果符合作物實(shí)際栽培要求。