何瑞銀 王建林 徐高明 賀鑫業(yè) 段慶飛 丁啟朔

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 南京 210031； 2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備實(shí)驗(yàn)室， 南京 210031)

0 引言

小麥精密排種器是實(shí)現(xiàn)小麥精密播種的核心部件，其作業(yè)性能直接影響精密播種效果。我國小麥的播種方式目前仍以條播為主，所用排種器主要為外槽輪式排種器，存在排種脈動(dòng)性高、均勻性差等問題，且只能通過種子流形式排種，無法實(shí)現(xiàn)單粒取種；型孔輪式排種器受限于小麥種子形狀的不規(guī)則，種子難以正確姿態(tài)充入到型孔中，導(dǎo)致其漏充率高、充種效果差；氣吸式排種器雖具有較好的取種效果，但存在吸附種子數(shù)難以控制、氣壓驟降、工作不穩(wěn)定等問題[1-2]。

針對小麥精密排種器存在的問題，部分專家學(xué)者做了相關(guān)研究。國外小麥播種多采用氣力集排式排種器，BOURGES等[3]研究了氣力集排式排種器分配器中的種子流動(dòng)軌跡，為分配器的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。KUMAR等[4]研究表明采用流線型分配器可產(chǎn)生最佳分配性能，并提出可采用有限元分析的方法改善分配器結(jié)構(gòu)。我國對小麥排種器的研究方向較為廣泛，張小麗[5]設(shè)計(jì)了落種均勻器，通過安裝緩沖片以解決外槽輪排種器存在的排種脈動(dòng)性。趙金等[6]設(shè)計(jì)了差速充種溝式排種器，通過提高種子運(yùn)動(dòng)，以提高充種效果。程修沛等[7]采用氣吸型孔組合的方式，通過吸孔吸附種子進(jìn)入型孔，以提高排種器作業(yè)效果。此外，文獻(xiàn)[8-13]中也通過不同方式提高了小麥排種作業(yè)效果，促進(jìn)了小麥精密播種設(shè)備的發(fā)展，但以上研究未考慮充種時(shí)因小麥雜亂無序的姿態(tài)而降低其充入型孔的能力，存在種子姿態(tài)與型孔不相配導(dǎo)致充種效果差、排種不穩(wěn)定等問題。

本文設(shè)計(jì)一種限制充種姿態(tài)-正負(fù)壓式小麥精密排種器，通過弧形輔助充種板的引導(dǎo)，將種子姿態(tài)調(diào)整為其長軸與型孔長軸位于同一平面內(nèi)，以利于種子充入類橢球形型孔中，通過攪種盤的擾動(dòng)，改善種子姿態(tài)調(diào)整過程中因受力平衡產(chǎn)生的卡種現(xiàn)象，通過采用氣吸型孔組合方式充種、正壓投種，以提高充種和投種效果，以期提升小麥精密排種器的作業(yè)性能。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

限制充種姿態(tài)-正負(fù)壓式小麥精密排種器主要由攪種盤動(dòng)力軸、排種器殼體、攪種盤、型孔輪、型孔輪動(dòng)力軸、弧形輔助充種板、清種刷、氣吸軸等組成，如圖1所示。型孔輪上均勻分布型孔以及吸孔，且每個(gè)吸孔對應(yīng)單獨(dú)的氣流通道。氣力軸分為負(fù)壓通道和正壓通道兩部分，隨著型孔輪旋轉(zhuǎn)，氣流通道可分別與氣力軸的負(fù)壓通道和正壓通道相連接?；⌒屋o助充種板由型孔輪處延伸至頂部，與排種器殼體形成一體。攪種盤一部分位于殼體中，一部分位于型孔輪內(nèi)，由單獨(dú)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力?；⌒屋o助充種板和攪種盤共同構(gòu)成充種區(qū)，限制種子充種時(shí)的姿態(tài)，且給種子施加作用力以避免卡種。清種毛刷置于充種區(qū)終端，位于殼體內(nèi)，清除型孔內(nèi)多余種子，實(shí)現(xiàn)單粒取種。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of seed metering device1.攪種盤動(dòng)力軸 2.排種器殼體 3.攪種盤 4.型孔輪 5.型孔輪動(dòng)力軸 6.弧形輔助充種板 7.清種刷 8.氣吸軸

1.2 工作原理

排種器作業(yè)過程如圖2所示。排種器作業(yè)時(shí)，種箱內(nèi)的種子受重力作用下落，經(jīng)過下落引導(dǎo)區(qū)到達(dá)由攪種盤和弧形輔助充種盤構(gòu)成的姿態(tài)調(diào)整區(qū)，受到弧形輔助充種板的引導(dǎo)和攪種盤的擾動(dòng)，種子姿態(tài)逐漸調(diào)整為其長軸沿型孔長軸分布，并等待進(jìn)入充種區(qū)。風(fēng)機(jī)的吹氣口和吸氣口分別與氣力軸中分離的正負(fù)壓通道相連。在充種區(qū)內(nèi)，負(fù)壓通道與吸孔的氣流通道相接，從而在對應(yīng)的吸孔處產(chǎn)生吸附效果，在吸孔的吸力和重力作用下，種子將更容易充至橢球形型孔內(nèi)。型孔輪旋轉(zhuǎn)至清種毛刷處，由清種毛刷清除型孔中多余的種子，完成單粒取種。種子在型孔和殼體的作用下經(jīng)過攜種區(qū)，進(jìn)入投種區(qū)，此時(shí)吸孔對應(yīng)的氣流通道與氣力軸的正壓通道相接，吸孔處將產(chǎn)生正壓，種子在重力、離心力和正壓推力作用下，從型孔中排出，完成投種作業(yè)。型孔輪旋轉(zhuǎn)至過渡區(qū)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一輪充種。

圖2 排種器作業(yè)示意圖Fig.2 Working diagram of seed metering deviceⅠ.下落引導(dǎo)區(qū) Ⅱ.姿態(tài)調(diào)整區(qū) Ⅲ.充種區(qū) Ⅳ.攜種區(qū) Ⅴ.投種區(qū) Ⅵ.過渡區(qū)

2 充種過程分析

2.1 種子運(yùn)動(dòng)分析

由于小麥種子形狀不規(guī)則，需對種子充種前姿態(tài)進(jìn)行限制，以提高其充入型孔能力，分析小麥種子充種過程，可分為兩種情況，如圖3a所示。第1種是小麥種子由A1處下落時(shí)受到弧形輔助充種板的引導(dǎo)和種子群的作用，經(jīng)過A2處時(shí)種子長軸與型孔輪軸向不平行，種子所受合力將不為零，同時(shí)攪種盤對種子施加Z軸方向的摩擦力，進(jìn)一步提高種子的運(yùn)動(dòng)能力。種子在弧形輔助充種板和攪種盤的限制下到達(dá)A3處，姿態(tài)已調(diào)整為其長軸與型孔長軸近似在YOZ同一平面內(nèi)，從而更利于充入型孔。

圖3 種子運(yùn)動(dòng)過程和受力分析示意圖Fig.3 Schematics of seed movement process and force analysis

第2種是小麥種子由B1處下落時(shí)同樣受到弧形輔助充種板的引導(dǎo)和種子群的作用，經(jīng)過B2處時(shí)種子長軸與型孔輪軸向平行，此時(shí)種子所受合力達(dá)到平衡，若無其他外力施加，將產(chǎn)生卡種現(xiàn)象。因此通過設(shè)計(jì)攪種盤，利用攪種盤的旋轉(zhuǎn)給種子施加Z軸方向上的摩擦力，破壞種子的受力平衡狀態(tài)，使種子恢復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而種子順利通過B2處到達(dá)B3處，并且種子受到弧形輔助充種板和攪種盤的限制，姿態(tài)調(diào)整為其長軸與型孔長軸近似在YOZ同一平面內(nèi)，然后充入型孔。

2.2 種子受力分析

為解決第2種充種情況中存在的卡種問題，對B2處的小麥種子進(jìn)行受力分析，種子受力情況如圖3b所示。B2處小麥種子方程為

(1)

式中Fx——種子所受X軸方向合力，N

Fy——種子所受Y軸方向合力，N

Fz——種子所受Z軸方向合力，N

Mz——種子所受繞Z軸轉(zhuǎn)矩，N·m

G——種子重力和其他種子施加的壓力之和，N

FN1——弧形輔助充種板對種子的支持力，N

FN2——攪種盤對種子的支持力，N

Ff1——弧形輔助充種板對種子的摩擦力，N

Ff2——攪種盤對種子的Y向摩擦力，N

F′f2——攪種盤對種子的Z向摩擦力，N

M——攪種盤對種子的轉(zhuǎn)矩，N·m

θ——弧形輔助充種板與Y軸的夾角，(°)

此時(shí)種子X和Y方向所受合力為零，攪種盤不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，攪種盤對種子施加的Z向摩擦力F′f2和轉(zhuǎn)矩M均為零，即Fz和Mz均為零，種子達(dá)到受力平衡狀態(tài)，將卡住無法下落，嚴(yán)重影響排種器的充種。通過攪種盤的旋轉(zhuǎn)，給種子施加Z軸方向上的摩擦力F′f2，使得種子在Z向合力不為零，并產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩M，從而破壞種子的受力平衡，使其恢復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，下落充入型孔，以解決卡種問題。

3 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 小麥種子三維尺寸

小麥種子的三維尺寸是設(shè)計(jì)型孔形狀和尺寸的基礎(chǔ)，本文以江蘇地區(qū)播種面積最多的寧麥13為研究對象，隨機(jī)選取300粒種子測量其長、寬、高，測量結(jié)果如表1所示。并測得小麥種子千粒質(zhì)量為0.045 kg。經(jīng)測量，小麥種子三維尺寸基本符合正態(tài)分布，平均長度為6.0 mm，平均寬度為3.4 mm，平均厚度為3.0 mm，小麥種子寬度與厚度接近，且近似為長度一半，后續(xù)分析中可將小麥種子簡化為橢球體以便于分析。

表1 小麥種子三維尺寸Tab.1 Three dimensional size of wheat seeds

3.2 小麥排種粒距

確定排種器作業(yè)參數(shù)關(guān)系前應(yīng)先確定小麥播種粒距，計(jì)算小麥的播種粒距則應(yīng)先確定小麥在田間的分布情況。小麥種子由排種器排出后應(yīng)均勻分布在種溝內(nèi)，因此研究小麥在田間的分布即是研究小麥在種溝內(nèi)的分布，小麥在種溝內(nèi)的分布計(jì)算公式為

(2)

式中n——種溝內(nèi)單位面積小麥顆粒數(shù)，個(gè)/hm2

N——每公頃小麥總顆粒數(shù)，個(gè)

S——每公頃小麥種溝面積，hm2

m——每公頃播種量，kg

m1——千粒質(zhì)量，kg

l1——播幅，ml2——行距，m

根據(jù)式(2)可得，當(dāng)小麥千粒質(zhì)量一定時(shí)，每平方米種溝內(nèi)小麥顆粒數(shù)受播種量、播幅、行距的影響。為提高小麥在種溝內(nèi)分布均勻性，設(shè)計(jì)小麥在種溝內(nèi)呈多列排布，因此小麥播種粒距計(jì)算公式為

(3)

式中l(wèi)——小麥粒距，m

k——小麥在種溝內(nèi)分布列數(shù)，列

由式(2)、(3)可知，當(dāng)千粒質(zhì)量、播幅、行距、小麥在種溝內(nèi)分布列數(shù)等參數(shù)一定時(shí)，小麥粒距與播種量成反比，根據(jù)小麥精量播種農(nóng)藝要求，播種量在75～150 kg/hm2之間，小麥播種行距為0.2 m，播幅為0.08 m。測得千粒質(zhì)量m1為0.045 kg，取小麥在種溝內(nèi)分布列數(shù)k為3列，計(jì)算得小麥粒距范圍為：0.032～0.064 m。本研究取播種量為100 kg/hm2，即播種粒距為0.048 m對排種器排種效果進(jìn)行研究。

3.3 型孔輪設(shè)計(jì)

型孔輪是排種器核心部件，型孔輪的結(jié)構(gòu)和尺寸對排種器的排種效果具有重要影響，型孔輪主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。本文設(shè)計(jì)的型孔輪上分布3列型孔，每個(gè)型孔內(nèi)設(shè)計(jì)有吸孔，且每個(gè)吸孔具有單獨(dú)的氣流通道，便于吸孔處正負(fù)壓的轉(zhuǎn)換。型孔輪上還設(shè)計(jì)有攪種盤的運(yùn)行凹槽，可滿足攪種盤以較大面積擾動(dòng)種子時(shí)的運(yùn)轉(zhuǎn)需求。型孔輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)主要包括型孔輪直徑、型孔數(shù)量、型孔尺寸和分布以及吸孔形狀和尺寸等。

圖4 型孔輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of type hole wheel structure1.吸孔 2.氣流通道 3.型孔

3.3.1型孔輪尺寸

型孔輪直徑將直接影響型孔的個(gè)數(shù)和型孔輪的線速度，型孔輪直徑越大，可布置的型孔個(gè)數(shù)越多，播量一定時(shí)，需要的型孔輪轉(zhuǎn)速越低，充種效果越好。但型孔輪直徑的增大也會導(dǎo)致型孔輪線速度的增加，影響種子充入型孔，而且氣流通道的體積將隨型孔輪直徑的增大而增大，要求提供負(fù)壓的風(fēng)機(jī)效率也會隨之提高。根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》[14]，型孔輪直徑一般為80～200 mm，綜合考慮小麥播種農(nóng)藝要求、排種器充種性能等，確定型孔輪直徑為100 mm，長度為120 mm。

3.3.2型孔尺寸與個(gè)數(shù)

型孔的尺寸和形狀是影響型孔充種效果的關(guān)鍵因素，常用的半球形型孔適用于類球型種子，并不適應(yīng)小麥等類橢球形種子。已有研究表明[13]，類橢球形型孔對小麥種子充種效果最好，因此本文選用類橢球形型孔，型孔形狀如圖5所示。

圖5 型孔和吸孔示意圖Fig.5 Schematics of shaped hole and suction hole1.型孔 2.吸孔

根據(jù)測算的小麥種子三維尺寸，且為使充種時(shí)只允許有一粒種子充入型孔內(nèi)，型孔尺寸應(yīng)滿足

(4)

式中L——型孔長度，mm

b——型孔寬度，mm

d——型孔深度，mm

Lmax、Lmin——種子最大、最小長度，mm

bmax、bmin——種子最大、最小寬度，mm

dmax、dmin——種子最大、最小厚度，mm

由式(4)可知，型孔長度應(yīng)大于小麥種子最大長度，小于2倍的小麥種子最小長度，以保證單粒種子順利充入，避免第2粒種子相接充入；型孔寬度應(yīng)大于小麥種子最大寬度，小于小麥種子最小寬度和最小厚度之和，防止第2粒種子側(cè)躺充入；型孔深度應(yīng)大于小麥種子最大厚度的一半，小于1.5倍的小麥種子最小厚度，保證種子重心位于型孔內(nèi)不會被清種刷帶出，并防止第2粒種子疊加充入時(shí)其重心在型孔內(nèi)，從而利于被清種刷清除。因此，確定型孔長度為8 mm，寬度為5 mm，深度為3 mm。

同樣播量要求下，型孔個(gè)數(shù)越多，型孔輪轉(zhuǎn)速越低，越有利于種子充入型孔。型孔個(gè)數(shù)計(jì)算公式為

(5)

式中z——型孔個(gè)數(shù)，個(gè)

d0——型孔輪直徑，mm

va——播種機(jī)作業(yè)速度，m/s

vb——型孔輪線速度，m/s

nx——型孔輪轉(zhuǎn)速，r/min

由式(5)可知，型孔個(gè)數(shù)受播種機(jī)作業(yè)速度、型孔輪轉(zhuǎn)速、播種粒距等因素影響。為提高作業(yè)效率，保證在播種機(jī)的較高作業(yè)速度下，排種器仍具有良好的充種效果，應(yīng)盡量提高型孔個(gè)數(shù)，綜合考慮，本文確定布置3排型孔，每排型孔個(gè)數(shù)為30個(gè)，型孔輪轉(zhuǎn)速通過試驗(yàn)確定范圍以及最優(yōu)值。

3.3.3吸孔形狀及尺寸

吸孔有助于充種時(shí)吸附種子進(jìn)入型孔，提高充種效果，并在投種時(shí)對種子施加正壓，利于投種，避免種子在型孔中堵塞，且吸孔的形狀和尺寸對吸附效果具有重要影響。已有研究表明[15]，長槽形吸孔比圓形吸孔更易吸附小麥種子，因此本文選擇長槽形吸孔，如圖5b所示。吸孔處吸附力計(jì)算公式為

F=(p0-p1)S0

(6)

式中F——吸孔吸附力，N

p0——大氣壓力，Pa

p1——吸孔內(nèi)壓力，Pa

S0——吸孔面積，m2

吸孔吸附力受吸孔面積和吸孔內(nèi)壓力影響，當(dāng)吸孔內(nèi)壓力和吸孔面積越大時(shí)，吸附力越大，越容易將種子吸附進(jìn)型孔內(nèi)，但吸附力過大，將導(dǎo)致吸附多粒種子，影響清種刷的清種效果。研究表明[14]，當(dāng)吸孔直邊長Ls為1 mm，吸孔半徑R為0.7～0.9 mm時(shí)，吸孔的吸附效果較好，因此確定Ls為1 mm，R為0.8 mm。吸孔內(nèi)壓力范圍及最優(yōu)值通過試驗(yàn)確定。

3.4 弧形輔助充種板和攪種盤設(shè)計(jì)

弧形輔助充種板和攪種盤是實(shí)現(xiàn)種子姿態(tài)調(diào)整的關(guān)鍵部件，種子從種箱下落至型孔輪充種需經(jīng)過由弧形輔助充種板、攪種盤和殼體構(gòu)成的引導(dǎo)充種區(qū)域。此區(qū)域主要由兩部分構(gòu)成：下落引導(dǎo)區(qū)和姿態(tài)調(diào)整區(qū)，如圖6所示。種子在下落引導(dǎo)區(qū)內(nèi)受到自身重力和攪種盤擾動(dòng)作用快速下落，進(jìn)入姿態(tài)調(diào)整區(qū)。此時(shí)種子受到弧形輔助充種板的引導(dǎo)限制和攪種盤擾動(dòng)作用，種子姿態(tài)逐步調(diào)整為其長軸與型孔長軸位于同一平面內(nèi)，且種子不因姿態(tài)調(diào)整過程中受力平衡卡住，有利于種子充入類橢球形型孔中，減少種子漏充現(xiàn)象，進(jìn)而提高充種效果。

圖6 引導(dǎo)充種區(qū)示意圖Fig.6 Schematic of guided seed filling area1.弧形輔助充種板 2.殼體 3.攪種盤 4.型孔輪Ⅰ.下落引導(dǎo)區(qū) Ⅱ.姿態(tài)調(diào)整區(qū)

弧形輔助充種板的角度是調(diào)整種子姿態(tài)的關(guān)鍵，如圖7a所示。角度越小，種子姿態(tài)調(diào)整區(qū)域越大，越有利于種子姿態(tài)調(diào)整，但角度越小也將導(dǎo)致種子下落減緩，且存在斷流現(xiàn)象；角度越大，種子姿態(tài)調(diào)整區(qū)域越小，種子姿態(tài)調(diào)整不完全即要充種，將降低種子充種效果。因此，弧形輔助充種板角度θ需要通過仿真分析確定。

圖7 弧形輔助充種板、攪種盤、氣力軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematics of arc-shaped auxiliary seed filling plate, seed stirring plate and gas transmission shaft1.正壓通道 2.負(fù)壓通道

攪種盤結(jié)構(gòu)如圖7b所示，攪種盤的大小和位置對擾動(dòng)種子的面積具有重要影響，其尺寸與型孔輪的相對位置如圖8所示。為實(shí)現(xiàn)型孔輪充種區(qū)內(nèi)的種子均可被擾動(dòng)，攪種盤最外圓需經(jīng)過P1和P2處，且為保證攪種盤和型孔輪的正常作業(yè)不產(chǎn)生干擾，應(yīng)滿足

圖8 攪種盤尺寸及位置示意圖Fig.8 Schematic of size and position of seed stirring plate1.攪種盤 2.型孔輪

lc>rb+r1

(7)

式中l(wèi)c——型孔輪和攪種盤中心距，mm

rb——攪種盤半徑，mm

r1——型孔輪凹槽的最內(nèi)圓半徑，mm

由型孔輪圓心O1、攪種盤圓心O2和點(diǎn)P2構(gòu)成△O1O2P2，根據(jù)余弦定理得到△O1O2P2的邊角關(guān)系符合

(8)

式中ra——型孔輪半徑，mm

β——型孔輪充種角的一半，(°)

聯(lián)立式(7)、(8)可得

(9)

其中，型孔輪半徑ra為50 mm，二分之一型孔輪充種角β為50°，型孔輪凹槽的最內(nèi)圓半徑r1為15 mm，代入式(9)得到，攪種盤半徑rb>51.37 mm，即攪種盤直徑應(yīng)大于102.74 mm。攪種盤直徑越大，擾動(dòng)種子的面積越大，越有利于種子運(yùn)動(dòng)，從而利于種子姿態(tài)調(diào)整；但過大的攪種盤直徑將導(dǎo)致排種器尺寸增大，并降低運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性。因此，本文確定攪種盤直徑為110 mm，在保證較小的排種器體積的同時(shí)滿足擾動(dòng)種子需求。

3.5 氣力軸形狀及尺寸設(shè)計(jì)

氣力軸是實(shí)現(xiàn)吸孔處正負(fù)壓切換的關(guān)鍵部件，為實(shí)現(xiàn)在排種器進(jìn)行充種和投種作業(yè)時(shí)，吸孔處可轉(zhuǎn)換正負(fù)壓，將氣力軸分為負(fù)壓通道和正壓通道兩部分，分別與風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口和出氣口相連，如圖7c所示。排種器作業(yè)時(shí)，氣力軸固定，型孔輪旋轉(zhuǎn)，每個(gè)吸孔對應(yīng)的氣流通道周期性與氣力軸上負(fù)壓通道和正壓通道相接，從而實(shí)現(xiàn)充種時(shí)吸孔提供負(fù)壓，投種時(shí)吸孔提供正壓。負(fù)壓開口角度確定為140°，涵蓋充種區(qū)域，正壓開口角度確定為100°，涵蓋投種區(qū)域。

4 排種過程仿真分析

通過以上研究表明，弧形輔助充種板的角度對降低排種器漏充率、提高充種效果具有重要作用。在實(shí)際作業(yè)過程中，機(jī)器振動(dòng)等原因?qū)?dǎo)致排種器氣密性下降，吸孔存在吸力不穩(wěn)定、吸力驟降、甚至吸力為零的現(xiàn)象，導(dǎo)致排種器漏充率升高。因此本研究為探究弧形輔助充種板對減少種子漏充現(xiàn)象的效果，選擇在吸孔處負(fù)壓為零的條件下，采用EDEM軟件模擬分析排種過程。

4.1 模型建立

根據(jù)對小麥種子三維尺寸的測算和已有研究[16-18]確定仿真模型及相關(guān)參數(shù)，并將小麥種子顆粒模型構(gòu)造為橢球體以便于仿真分析，如圖9a所示。

圖9 小麥顆粒及排種器仿真模型Fig.9 Simulation model of wheat grain and seed metering device1.排種器殼體 2.攪種盤 3.型孔輪 4.弧形輔助充種板 5.小麥種子 6.數(shù)據(jù)采集模塊

在Unigraphics NX中構(gòu)造排種器三維模型，將結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，僅保留與種子接觸的部件，將模型導(dǎo)入到EDEM中，如圖9b所示，幾何體材料選用尼龍，仿真模擬所需相關(guān)參數(shù)如表2所示。由于小麥安全貯藏含水率的最高限度大約為12%[18-19]，其含水率低，種子顆粒間的粘附力可忽略，因此小麥顆粒接觸模型選用Hertz-Mindlin(no slip)模型。顆粒工廠中期望每秒生成個(gè)數(shù)設(shè)置為800，仿真時(shí)間設(shè)置為10 s，仿真時(shí)間步長設(shè)置為Rayleigh時(shí)間步長的30%，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為最小顆粒半徑的2倍。EDEM軟件對排種器充種過程進(jìn)行仿真分析后，通過其自帶的數(shù)據(jù)采集功能，記錄型孔內(nèi)小麥種子個(gè)數(shù)，以研究分析不同弧形輔助充種板角度下排種器漏充情況。

表2 仿真相關(guān)參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

4.2 仿真試驗(yàn)

為探究弧形輔助充種板的角度在排種器不同作業(yè)速度下對漏充率的影響，以及得到弧形輔助充種板的最優(yōu)角度，試驗(yàn)設(shè)計(jì)在吸孔負(fù)壓為零的極限情況中，以漏充率為評價(jià)指標(biāo)，在不同型孔輪轉(zhuǎn)速下進(jìn)行不同弧形輔助充種板角度對漏充率影響的試驗(yàn)。

通過預(yù)試驗(yàn)得知在型孔輪轉(zhuǎn)速小于60 r/min時(shí)，漏充率較低且變化不明顯，在型孔輪轉(zhuǎn)速大于100 r/min時(shí)，漏充率較高不滿足小麥排種要求；在弧形輔助充種板角度小于2°時(shí)，種子下落緩慢，斷流現(xiàn)象明顯，在弧形輔助充種板角度大于8°時(shí)，種子姿態(tài)調(diào)整效果差。因此設(shè)計(jì)型孔輪轉(zhuǎn)速在60、70、80、90、100 r/min下，弧形輔助充種板角度為2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°時(shí)，探究其對漏充率的影響。試驗(yàn)時(shí)由數(shù)據(jù)采集模塊記錄150個(gè)型孔總數(shù)，以及型孔內(nèi)種子數(shù)少于1的型孔數(shù)，每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果見圖10。

圖10 弧形輔助充種板排種性能曲線Fig.10 Seed layout performance curves of arc-shaped auxiliary seed filling plate

4.3 仿真結(jié)果分析

由圖10可知，型孔輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，漏充率隨弧形輔助充種板的角度增大呈先降低后升高的趨勢，角度為5°時(shí)，漏充率降到最低。當(dāng)角度較小時(shí)，種子姿態(tài)調(diào)整完全，但弧形輔助充種板和攪種盤之間間距較小，種子下落緩慢，甚至斷流，導(dǎo)致漏充率高；隨著角度的增大，種子下落速度加快，漏充率逐漸降低；當(dāng)角度過大時(shí)，種子姿態(tài)未調(diào)整完全即要充種，從而影響充種效果，導(dǎo)致漏充率升高。因此，通過仿真分析確定弧形輔助充種板的角度為5°，進(jìn)行排種器加工及臺架試驗(yàn)。

5 排種器性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)材料為寧麥13號小麥種子，試驗(yàn)裝置為搭建的小麥排種器試驗(yàn)臺，主要包括傳送帶、細(xì)沙鋪撒裝置、排種器、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、編碼器、風(fēng)機(jī)等，如圖11所示。排種器中型孔輪、攪種盤、弧形輔助充種板等關(guān)鍵部件采用尼龍材料3D打印而成；型孔輪轉(zhuǎn)速由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，型號為普菲德86BYG250H-14，轉(zhuǎn)速0～120 r/min可調(diào)，步距精度5%；攪種盤轉(zhuǎn)速由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過編碼器實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)速，采用PID算法控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，編碼器型號為LPD3806-400BM-G5-24C，電機(jī)型號為XD5D60-12GN-32S，電機(jī)轉(zhuǎn)速0～150 r/min可調(diào)；排種器所需正負(fù)壓由變頻器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，由差壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，變頻器型號為EV8100-3.0kW，風(fēng)機(jī)型號為HG-2200，差壓計(jì)型號為HT-1891，吸氣通道壓力范圍-5～0 kPa，吹氣通道壓力范圍0～5 kPa，壓力精度可達(dá)0.01 kPa。

圖11 排種器試驗(yàn)臺Fig.11 Seed metering test stand1.步進(jìn)電機(jī) 2.編碼器 3.排種器 4.細(xì)沙鋪撒裝置 5.風(fēng)機(jī)吹氣通道 6.風(fēng)機(jī)吸氣通道 7.直流電機(jī) 8.傳送帶

5.2 試驗(yàn)方法

參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)以充種合格率、漏充率、重充率作為排種器排種性能的評價(jià)指標(biāo)。每次試驗(yàn)時(shí)先在試驗(yàn)臺傳送帶上鋪設(shè)細(xì)沙，以減少種子落地后彈跳。在排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)下，連續(xù)檢測150穴，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

5.3 單因素試驗(yàn)

通過理論分析和預(yù)試驗(yàn)表明，型孔輪轉(zhuǎn)速、真空度、攪種盤轉(zhuǎn)速對排種器充種效果具有重要影響，為探究以上因素對排種器充種效果的影響規(guī)律以及確定正交試驗(yàn)各因素水平，以充種合格率為評價(jià)指標(biāo)，利用排種器試驗(yàn)臺進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

考慮排種器充種效果和作業(yè)效率，參考預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，選取型孔輪轉(zhuǎn)速60、70、80 r/min共3個(gè)水平，設(shè)定攪種盤轉(zhuǎn)速為50 r/min，投種正壓為3 kPa，分別在負(fù)壓為0 kPa和3.5 kPa下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖12a所示。

真空度過大或過小均不利于吸孔的吸附效果，根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]和預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，選取真空度3.0、3.5、4.0 kPa共3個(gè)水平，設(shè)定型孔輪轉(zhuǎn)速70 r/min，攪種盤轉(zhuǎn)速50 r/min，投種正壓3 kPa，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖12b所示。

綜合考慮攪種盤擾動(dòng)作用和運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，在預(yù)試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，選取攪種盤轉(zhuǎn)速40、50、60 r/min共3個(gè)水平，設(shè)定型孔輪轉(zhuǎn)速為70 r/min，設(shè)定負(fù)壓為3.5 kPa，設(shè)定投種正壓為3 kPa，進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖12c所示。

圖12 不同試驗(yàn)因素充種合格率變化曲線Fig.12 Influence curves of speed of shaped hole wheel, vacuum degree and speed of stirring disk on qualified rate of filling seed

由圖12a可知，在型孔輪轉(zhuǎn)速為60～80 r/min時(shí)，負(fù)壓0 kPa條件下排種器的充種合格率均高于86%，表明結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的排種器在負(fù)壓為零時(shí)仍具有良好的充種效果。負(fù)壓3.5 kPa條件下，隨型孔輪轉(zhuǎn)速增加，充種合格率逐漸降低，原因是型孔輪轉(zhuǎn)速增加，雖提高了排種器作業(yè)效率，但種子充入型孔的時(shí)間縮短，降低了充種合格率，綜合考慮充種效果和作業(yè)速度，確定型孔輪轉(zhuǎn)速的取值范圍為60～80 r/min。

由圖12b可知，在真空度為3.0～4.0 kPa時(shí)，充種合格率隨真空度增加呈先升高后降低的趨勢，在3.5 kPa左右充種合格率達(dá)到最高。原因是隨真空度的增加，吸孔對種子的吸附能力逐步提高，從而提高充種合格率，但當(dāng)真空度過高時(shí)，吸孔將吸附多粒種子充入型孔，影響清種刷的清種作用，從而導(dǎo)致充種合格率降低，因此確定真空度取值范圍為3.0～4.0 kPa。

由圖12c可知，在攪種盤轉(zhuǎn)速為40～60 r/min時(shí)，充種合格率隨攪種盤轉(zhuǎn)速的增加呈逐步升高的趨勢，原因是隨攪種盤轉(zhuǎn)速增加，攪種盤對種子的擾動(dòng)逐漸增強(qiáng)，種子運(yùn)動(dòng)能力逐漸提高，且卡種現(xiàn)象減少，從而提高充種合格率，但攪種盤轉(zhuǎn)速過高將降低其運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性，因此確定攪種盤轉(zhuǎn)速取值范圍為40～60 r/min。

5.4 正交試驗(yàn)

5.4.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為探究試驗(yàn)因素對評價(jià)指標(biāo)的影響顯著性和各因素間交互作用對評價(jià)指標(biāo)的影響，以及得到最優(yōu)的參數(shù)組合，以型孔輪轉(zhuǎn)速、攪種盤轉(zhuǎn)速、真空度為試驗(yàn)因素，以充種合格率、漏充率、重充率為評價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)。通過單因素試驗(yàn)確定正交試驗(yàn)的因素水平，如表3所示。通過Design-Expert軟件對試驗(yàn)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，在排種器試驗(yàn)臺上，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次后取平均值，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如表4所示。

表3 試驗(yàn)因素水平Tab.3 Test factors and levels

表4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.4 Experimental design and results

5.4.2方差分析

為確定各試驗(yàn)因素對評價(jià)指標(biāo)的影響，通過Design-Expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析[20-30]，如表5所示。

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

通過方差分析可知，構(gòu)建的合格率Y1、漏充率Y2、重充率Y3二次回歸模型均表現(xiàn)極顯著(P<0.01)，且失擬不顯著(P>0.05)。分別將模型中影響不顯著的因素剔除后，得到二次回歸方程為

(10)

(11)

(12)

通過對回歸方程的系數(shù)檢驗(yàn)得出：影響充種合格率的因素主次順序?yàn)樾涂纵嗈D(zhuǎn)速、攪種盤轉(zhuǎn)速、真空度，其中型孔輪轉(zhuǎn)速和攪種盤轉(zhuǎn)速對合格率影響極顯著，真空度對合格率影響顯著；影響漏充率的因素主次順序?yàn)閿嚪N盤轉(zhuǎn)速、型孔輪轉(zhuǎn)速、真空度，其中攪種盤轉(zhuǎn)速、型孔輪轉(zhuǎn)速、真空度對重充率影響均極顯著；影響重充率的因素主次順序?yàn)樾涂纵嗈D(zhuǎn)速、真空度、攪種盤轉(zhuǎn)速，其中型孔輪轉(zhuǎn)速、真空度、攪種盤轉(zhuǎn)速對漏充率影響均極顯著。

5.4.3試驗(yàn)因素交互作用對合格率的影響

合格率是評價(jià)排種器充種性能的最關(guān)鍵指標(biāo)，為探究試驗(yàn)因素交互作用對合格率的影響，采用響應(yīng)面方法進(jìn)行分析。通過Design-Expert軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理后，得到型孔輪轉(zhuǎn)速、真空度、攪種盤轉(zhuǎn)速的交互作用對合格率影響的響應(yīng)曲面，如圖13所示。

由圖13a可知，固定攪種盤轉(zhuǎn)速為50 r/min，當(dāng)真空度一定時(shí)，隨型孔輪轉(zhuǎn)速增加，合格率呈先升高后降低的趨勢；當(dāng)型孔輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨真空度增加，合格率也呈先升高后降低的趨勢。在真空度3.2～3.6 kPa、型孔輪轉(zhuǎn)速65～75 r/min時(shí)，合格率相對較高。

圖13 因素交互作用對合格率影響的響應(yīng)曲面Fig.13 Influences of interaction among factors on qualified rate

由圖13b可知，固定真空度為3.5 kPa，當(dāng)攪種盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨型孔輪轉(zhuǎn)速增加，合格率先逐步升高后逐步降低；當(dāng)型孔輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨攪種盤轉(zhuǎn)速增加，合格率也先逐步升高后逐步降低。在攪種盤轉(zhuǎn)速45～55 r/min、型孔輪轉(zhuǎn)速65～75 r/min時(shí)，合格率相對較高。

由圖13c可知，固定型孔輪轉(zhuǎn)速為70 r/min，當(dāng)攪種盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨真空度增加，合格率先升高后降低；當(dāng)真空度一定時(shí)，隨攪種盤轉(zhuǎn)速增加，合格率也呈先升高后降低的趨勢。在攪種盤轉(zhuǎn)速45～55 r/min、真空度3.2～3.6 kPa時(shí)，合格率相對較高。

5.4.4參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn)

為了得到最佳試驗(yàn)參數(shù)組合，通過Design-Expert軟件中參數(shù)優(yōu)化模塊，設(shè)置邊界條件并建立數(shù)學(xué)模型

(13)

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠程度，在型孔輪轉(zhuǎn)速為66.3 r/min、真空度為3.5 kPa、攪種盤轉(zhuǎn)速為52.0 r/min的條件下，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。取平均值后，充種合格率為92.70%，漏充率為3.47%，重充率為3.83%。試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測結(jié)果差異較小，且5次試驗(yàn)后充種合格率均高于90%，滿足小麥精密播種對排種器的要求。

表6 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Verification of test results %

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種限制充種姿態(tài)-正負(fù)壓式小麥精密排種器，增設(shè)弧形輔助充種板和攪種盤，以及具有單獨(dú)氣流通道的吸孔和正負(fù)壓分離式氣力軸，通過限制小麥種子充入型孔時(shí)的姿態(tài)，使種子長軸與型孔長軸近似位于同一平面，并采用負(fù)壓吸種和正壓投種的方式，有效改善傳統(tǒng)排種器存在的漏充率高、充種效果差等問題，提高了排種器的單粒充種性能。

(2)通過對充種過程及種子田間分布情況的分析，構(gòu)建了種子受力模型，計(jì)算確定排種器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為：型孔列數(shù)3列，每列型孔個(gè)數(shù)30個(gè)，型孔長度8 mm、寬度5 mm、深度3 mm；利用EDEM軟件，進(jìn)行了5種型孔輪轉(zhuǎn)速下7種弧形輔助充種板角度的仿真試驗(yàn)，分析了弧形輔助充種板角度對排種器漏充率影響的機(jī)理，確定最優(yōu)的弧形輔助充種板角度為5°。

(3)進(jìn)行了單因素試驗(yàn)及三因素三水平二次正交回歸試驗(yàn)，構(gòu)建回歸方程和響應(yīng)曲面，分析了型孔輪轉(zhuǎn)速、真空度、攪種盤轉(zhuǎn)速對充種合格率、漏充率、重充率的影響。并對試驗(yàn)因素進(jìn)行綜合優(yōu)化，得到排種效果最佳的試驗(yàn)因素組合為：型孔輪轉(zhuǎn)速66.27 r/min、真空度3.52 kPa、攪種盤轉(zhuǎn)速52.00 r/min，在此條件下，驗(yàn)證試驗(yàn)得到排種器的充種合格率為92.70%，漏充率為3.47%，重充率為3.83%。驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果差異較小，優(yōu)化參數(shù)準(zhǔn)確可靠，滿足小麥精密排種要求。