驅導組合槽輔助附種氣吸式花生高速精量排種器研究

王東偉 紀瑞琪 何曉寧 郭 鵬 時延鑫 張春曉

(1.青島農業大學機電工程學院, 青島 266109; 2.山東農業大學機械與電子工程學院, 泰安 271018)

0 引言

高速精量播種[1]是指在農藝要求的時間區間內,將種子按照精準的粒距、行距、播深種植于田間,使種子在生長發育過程中具備較好的通風透氣條件,以促進光合作用,在提高作業效率的同時,可顯著降低種子的浪費及間苗情況,最終起到節本增產的效果[2-3]。排種器作為實現播種作業的核心部件,播種質量與其性能息息相關,直接關系花生的整體產量[4]。

由于氣吸式排種器具備不傷種、省種、對種子尺寸要求較低、易于實現單粒精播和作業效率高等優點,在高速播種中應用較為廣泛[5-9]。但總體而言,目前高速精量排種器研究的對象大都針對大豆、玉米等種子,對于花生等大顆粒種子的高速精量化排種研究尚未開展。在花生排種器的研究中,因其種粒尺寸不均、精量化播種要求高、種皮易破損等因素,大幅增加了研究難度。本文以提高花生排種器作業速度,增強充種性能,保證播種質量為目的,將曲線型攪種凹槽與取種槽口的設計融入排種盤,結合理論分析、仿真手段、回歸分析等方法進行研究,以期達到高效高質低損的播種目的。

1 排種器總體結構與工作原理

1.1 總體結構

設計的驅導組合槽輔助附種氣吸式花生高速精量排種器如圖1所示。主要由進種口、排種器前殼體、柔性隔種擋板、上清種弧形毛刷、下清種環形毛刷、排種盤、長形真空吸盤、密封墊圈、負壓殼組件、排種器后殼體、進氣口、柔性疏孔滾輪、轉軸、滾動軸承、二次投種裝置等部件組成。上、下清種裝置采用柔性材質,分置于吸種型孔上下兩側;排種器后殼體開有馬蹄形真空室,長形真空吸盤通過外螺紋空心管與吸種型孔配合連接,采用柔性橡膠材質制成,以在提高吸附效果的前提下進一步保護種子,減小損傷,從而保證播后發芽率。

圖1 氣吸式花生高速精量排種器爆炸圖

1.2 工作原理

如圖2所示,氣吸式排種器在工作過程中主要分為5個區域:充種區域Ⅰ、自清種區域Ⅱ、強制清種區域Ⅲ、攜種區域Ⅳ、投種區域Ⅴ。

圖2 排種盤區域劃分示意圖

排種器在進行高速作業時,風機通過軟管與排種器進氣口連接,工作負壓由進氣口進入真空室,驅動電機帶動排種軸轉動,種子由充種口進入充種區域Ⅰ,形成種群堆積,需調節進種量時,通過滑動進種口調節擋板進行控制。排種盤在排種軸帶動下同步轉動,種群在攪種凹槽擾動下,沿凹槽曲線向取種槽口處流動,落入取種槽口后花生種子在負壓氣流作用下被吸附于吸種型孔上,隨排種盤一起順時針轉動,轉至自清種區域Ⅱ時,未吸牢的花生種子在重力作用下,自行掉落至充種區域Ⅰ,仍未掉落的多余種子到達強制清種區域Ⅲ時,在上清種弧形毛刷和下清種環形毛刷的雙級作用下清落[10],清落種子由柔性隔種板阻斷,以防止掉入投種區,產生重播現象。當種子隨排種盤旋轉至投種區域Ⅴ時,隨著負壓氣流的阻斷,在自身重力及柔性疏孔滾輪的作用下經排種口固定架落入二次投種裝置內的同步帶類勺狀撥指中,落入的種子在撥指輸送腔的托持作用下隨同步帶向播種作業方向的反方向運動直至種子落入種床,最終完成高速精量排種作業。

2 關鍵部件設計與相關參數分析

2.1 排種盤總體結構

排種盤作為排種作業過程中實現種群分離且將種子順利運至投種區的重要部件[11],所設計排種盤結構如圖3所示。在排種盤上設計有攪種凹槽、取種槽口及吸種型孔,三者組合設計構成組合槽,以加強充種過程中種子的流動性,達到提高充種效果的目的,攪種凹槽截面為半弧狀半傾斜式設計,以對不同運動形態下的花生種子實現有效驅導[12],取種槽口下端面略低于攪種凹槽進行設計,以利用其階梯狀錯層在運種過程中對花生種子起到支持作用,減小負壓需求,左端面傾斜設計,從而利于種子的排出。

圖3 排種盤結構示意圖

2.2 花生種子受力分析

傳統排種器在進行充種作業時,種子會受到來自種群較大的摩擦力Fm,如圖4所示,排種盤攪種凹槽對進入槽內的種子產生推力Fc,驅導種子沿凹槽曲線向種盤外沿流動。

圖4 攪種凹槽內種子充種受力示意圖

種子在充種過程中,克服種群間摩擦力Fm,在自身重力G、吸種型孔吸附力Fr以及攪種凹槽對種子的推力Fc作用下沿攪種凹槽曲線自排種盤內側向外沿取種槽口方向流動,種子此時所受合力FT為

FT=Fr+Fm+Fc+G

(1)

由式(1)可知,花生種子充種過程中,排種盤攪種凹槽的設計可實現對種子驅導,減小種群間摩擦力的作用,且其在此過程所受合力方向指向吸種型孔,對提高花生種子在吸種型孔方向上的吸附加速度,縮短充種時間,提高充種性能具有實質效果,更能滿足高速播種需求。

種子進入取種槽口后,在負壓作用下被吸附于長形真空吸盤上。相對于傳統排種器而言,排種盤攪種凹槽與取種槽口的結構設計,減小了花生種子與種群的接觸面積,可有效降低所受種群摩擦情況。其有效取種區域近似于理想取種區域,較傳統垂直圓盤式排種器,降低了種子滑落的幾率。此時種子受力情況包括種子自身重力G、旋轉慣性離心力J、吸種型孔吸附力Fr、吸種型孔處種子摩擦力f以及空氣阻力。由于充種區域內花生種子較多,因此在此區域不易形成外部氣流,可忽略不計所受空氣阻力,花生種子經長形真空吸盤吸附后受力情況如圖5所示。

圖5 取種槽口內種子充種受力示意圖

為防止花生種子由長形真空吸盤滑落,種子所受摩擦力應滿足[13]

f>T

(2)

其中

式中T——種子重力G及離心力J的合力,N

α——種子重力與離心力間的夾角,rad

m——單個花生種子質量,kg

ω——排種盤角速度,rad/s

r——吸種型孔圓周半徑,mm

g——重力加速度,m/s2

μ——摩擦因數

d——吸種型孔直徑,mm

ρ——氣流密度,kg/m3

式(2)表明當排種盤轉動的角速度保持不變時,種子的離心力J不會發生變化。同時重力G僅與物料本身有關,其大小及方向不變。重力G與離心力J之間的夾角α隨著排種盤的轉動發生變化,從排種盤底端開始,合力T變化趨勢為:先減小后增大。且吸種型孔處摩擦力越大,種子越不易掉落。即在一定范圍內適當加大種子與吸種型孔間摩擦因數,可有效達到提高吸附性能的效果。

本文中長形真空吸盤采用橡膠材質制成,由文獻[14]得知橡膠材質相較于鋼材、樹脂材質,與花生種子具有較大的摩擦因數,表明本文所采用的長形真空吸盤可實現增加取種槽口內種子摩擦力,達到提高充種性能的效果,同時其柔性材質可起到減小種子損傷的作用。

攜種階段,花生種子隨排種盤轉至最頂端前,因攪種凹槽與取種槽口的錯層式設計,取種槽口右端面及后端面可起到對種子的托持作用,在此情況下僅需要較低的負壓即可保持種子不會脫落。當種子轉過最高點后,取種槽口前端面開始呈向下傾斜趨勢,取種槽口對種子的托持效果開始逐漸減小,直至消失,無法保持對種子的托持作用。

如圖6所示,此時花生種子僅靠吸種型孔處的吸力保持吸附狀態,不考慮空氣阻力及長形真空吸盤摩擦力對種子的影響情況下,吸種型孔吸附力Fr為

圖6 攜種過程受力示意圖

(3)

式中l——種子重心與排種盤之間的距離,mm

吸種型孔吸附力Fr與真空度Hc的關系為

(4)

式中S1——取種槽口處橫截面積,mm2

由式(3)、(4)可求得負壓室臨界真空度

(5)

將合力T關系式代入式(5)可得

(6)

傳統氣吸垂直圓盤式排種器,因在充種過程中受到來自種群的較大摩擦力Fm,在此階段對負壓需求最大,其臨界真空度H′ce為

(7)

式中δ——內摩擦力與合力T之間的夾角

通過比較可發現,本文所設計排種器明顯小于同類型傳統氣吸式排種器對負壓的需求。

投種階段,種子隨排種盤旋轉離開負壓真空室作用范圍,不再受到吸附力,僅受重力G及離心力J,排種盤轉動中產生的平面速度分解為水平速度vx、豎直速度vy[15-16],具體受力情況如圖7所示。

圖7 投種過程受力示意圖

在排種盤轉動平面以花生種子重心作為坐標系原點建立直角坐標系XOY,可求得花生種子運動軌跡[17]

(8)

其中

式中X——花生種子水平方向位移,mm

Y——花生種子豎直方向位移,mm

np——排種盤轉速,r/min

t1——投種時間,s

τ——投種角度,rad

v——投種速度,m/s

整理式(8)可求得XOY平面內花生種子運動軌跡方程為

(9)

為避免花生種子在脫離吸種型孔后與鄰近吸種型孔內種子發生碰撞而影響投種效果,需滿足條件

(10)

其中

式中t′1——花生種子脫離吸種型孔時間,s

（三）缺乏安全感或不健全的自尊。在單親家庭中成長，無論是過分溺愛還是缺少關愛，都會使單親家庭子女沒有機會得到應有的關心和愛護，所以，他們對別人的防范意識特別強，同時還伴有對老師和同學的莫名的抵觸情緒。他們非?？释玫絼e人的關心和注意，但迫于自尊，又不愿意把困難告訴別人，內心也不能坦然地接受他人的幫助，致使他們更加封閉自己的思想，容易產生心理障礙。

β——種子離開吸種型孔期間排種盤轉角,rad

通過投種過程種子的運動分析可知,當排種盤結構參數保持不變時,花生種子的運動軌跡變化與排種盤轉速np相關。將相關數據代入式(10)可求得花生種子脫離型孔的時間,可有效滿足高速投種作業需求。經對各階段的力學特性分析確定排種盤設計的合理性后,對排種盤各關鍵參數進行分析與計算。

2.3 排種盤直徑及厚度確定

花生種子作為作業直接接觸對象,對其物料特性的研究尤為必要,從而為排種器關鍵參數的確定及主要結構參數的確定提供理論依據。在本研究中,選用北方花生主產區較為典型的品種魯花11作為試驗用種,對各組種子三軸尺寸進行測量。三軸尺寸包括種子的長度L、寬度W以及厚度H,隨機從魯花11品種中取3組種子,每組為50粒,記錄測量數據并計算平均值、變異系數,測量結果如表1所示。

表1 花生種子幾何尺寸統計結果

排種盤直徑直接影響排種器總體尺寸、作業過程中離心力以及排種盤線速度等參數,因此需根據實際情況對排種盤直徑開展設計,建立排種盤直徑對充種影響的方程組[18]

(11)

式中t——排種盤在充種區域的停留時間,s

lc——充種區域弧長,mm

vp——排種盤線速度,m/s

δc——充種區域弧度,rad

Δd——排種盤直徑與吸種型孔圓周直徑差值,mm

由式(11)整理得

(12)

由式(12)可發現排種盤停留在充種區域的時間t僅與充種區域弧度δc以及排種盤轉速np有關,與排種盤直徑并無關聯。

組合槽數量Z與排種盤直徑D關系為

(13)

式中 Δlc——相鄰吸種型孔間的弧長,mm

通過式(13)可發現,排種盤直徑D與組合槽數量呈正比關系。表明當拖拉機行進速度及播種粒距確定時,在一定范圍內增大排種盤直徑及組合槽數量可有效降低排種盤轉速。

目前,國內外的排種盤直徑范圍大多選擇140～260 mm,適當加大直徑,對離心力及排種盤線速度的提高具有明顯效果[19]。因此在綜合考慮種子物料特性、實驗室所具備條件及須滿足的作業要求等因素情況下,確定排種盤直徑為240 mm,排種盤厚度為15 mm,通過3D打印技術進行加工,由光敏樹脂材料制成。

2.4 排種盤取種槽口與吸種型孔設計

如圖8a所示,取種槽口由左端面、右端面、后端面、槽底面組成,為避免各端面相交棱角對花生種子造成損傷,皆進行圓角處理。

圖8 取種槽口與攪種凹槽結構示意圖

長形真空吸盤安裝于取種槽口內,在負壓作用下對種子形成包覆,同時起到減少種子損傷的作用效果。

在設計過程中,取種槽口與吸種型孔均勻設計于排種盤外沿,以便在負壓吸種的同時,重力輔助充種,開放性外圈面及取種槽口左端面傾斜設計使種子可順利脫離取種槽口,避免發生難以投種的現象。其他取種槽口端面皆垂直于槽口底面,槽口底面與排種盤表面相平行,取種槽口結構如圖8b、8c所示。

由于花生種子形狀不規則,在設計過程中為保證種子順利進入取種槽口的前提下不發生一孔多吸現象,如圖8b使取種槽口左右端面上沿距離僅能滿足單粒最大長度的花生種子順利進入槽口,在此假設花生種子被吸附于吸種型孔,則有關系式

Lmax≤L1<2Lmin

(14)

式中Lmax——花生種子最大長度,mm

L1——取種槽口左右端面上沿距離,mm

Lmin——花生種子最小長度,mm

由表1可知,所選品種種子最大長度Lmax=21.57 mm,可確定L1尺寸范圍,同時為避免因尺寸過長造成結構干涉,經SolidWorks軟件驗證各尺寸,取22.59、23.00、24.00、25.00、25.41 mm以在后續研究中進一步確定最優參數。

經反復試驗證實花生種子在攪種凹槽的導流作用下,進入取種槽口時種子大都為平躺狀態,即長邊被吸附,但因種子在被吸附時厚度、寬度方向與種盤表面平行均有可能,為盡可能地減小取種槽口內的種子與種群的接觸面積,從而保證取種槽口內種子不會因種群摩擦作用脫落而造成漏播現象,以尺寸較大的寬度方向尺寸作為參考,取種槽口深度L2需滿足

0.75Wmax≤L2≤1.5Wmin

(15)

式中Wmax——花生種子最大寬度,mm

Wmin——花生種子最小寬度,mm

可確定L2尺寸范圍為8.93～11.96 mm,對應L1取22.59、23.00、24.00、25.00、25.41 mm,L2分別取9.09、9.50、10.50、11.50、11.91 mm。

如圖8b,由幾何關系可推出求取其余各部分尺寸的公式為

(16)

式中γ——邊ad與ag夾角,取65°

L3——取種槽口左右端面下沿距離,mm

經式(16)幾何關系推導,可求得取種槽口左右端面下沿距離,L3取18.35、18.57、19.10、19.64、19.86 mm。

如圖8c,由于花生種子進入取種槽口的形態仍存在一定不確定性,為保證取種槽口能夠有效托持種子,排種盤外周到取種槽口后端面距離也應滿足關系

Lmax≤L4≤2Lmin

(17)

式中L4——排種盤外周到取種槽口后端面距離,mm

即L4取與L1相同的數值,L4分別取22.59、23.00、24.00、25.00、25.41 mm。

排種器負壓需求與吸種型孔直徑關系為

(18)

式中P——吸種型孔處吸附力,N

p0——大氣壓強,kPa

p1——負壓氣室真空度,kPa

由式(18)可知,當大氣壓強及負壓氣室真空度不變時,吸附力與吸種型孔直徑呈正比關系,隨著孔徑的增大,吸附力顯著提高;但當孔徑超出種子平均尺寸時,會令氣壓損失增加,使吸種性能降低。而型孔直徑越小,對氣室真空度要求越大,則需配備更大功率的風機,因此確定合適的吸種型孔直徑很重要。

通過《農業機械設計手冊》中的吸種型孔直徑經驗公式,確定范圍為

0.64b≤d≤0.66b

(19)

式中b——花生種子平均寬度,mm

由表1所測魯花11種子三軸尺寸數據可知平均寬度為9.83 mm,寬度范圍為7.97～11.91 mm,代入式(19)得吸種型孔的直徑范圍為5.10～7.86 mm,初步選定6 mm作為吸種型孔直徑。

2.5 攪種凹槽設計

排種器在作業時,合理的攪種設計不僅可加強對種子擾動效果,對種子的引流作用也具有較好的成效。如圖9所示,本文所設計的攪種凹槽,通過凹槽曲線的引流導向作用,促使花生種子呈運動狀態有序向取種槽口靠近,進而被吸附于真空吸盤,保證充種效果。

圖9 排種盤攪種凹槽曲線方程推導示意圖

為確保作業過程中,攪種凹槽有效驅導種子沿曲線軌跡自種盤內側向外沿運動,須令種子絕對運動軌跡沿攪種凹槽起始點所在基圓的切線方向進行直線運動。以排種盤圓心O為原點建立直角坐標系XOY,種盤上點A經時間t3后轉過λ運動至點B,點A種子經時間t3后運動至點C,當種子運動至負壓氣流控制區時,為確保具有相同吸種型孔的切線速度,應使種子絕對運動軌跡保持為直線,同時令種子在切向方向運動的速度分量等于位置點的切線速度。因此花生種子在坐標系XOY中的絕對運動為變加速直線運動。

點A經時間t3后旋轉至點C的速度為

v1=v2/cosφ

(20)

其中

(21)

整理得

v1=r1ω/cos2(kωt2)

(22)

式中v2——種子于點C切線方向的速度分量,m/s

φ——線段OC與OA之間的夾角,rad

r1——攪種凹槽曲線基圓半徑,mm

r2——點C所處圓周半徑,mm

k——花生轉角速率系數,取0.1～0.9

t2——花生種子運動時長,s

隨排種盤運動時間t3后花生種子絕對運動位移為

(23)

式中t3——花生種子實際運動時長,s

花生種子在隨排種盤轉動時,呈變加速直線運動。在排種盤動坐標系中具有一定的運動軌跡,為確保攪種凹槽可有效驅導種群,起到引種、攪種作用,須令種子的相對運動軌跡同攪種凹槽曲線方程保持一致,攪種凹槽的曲線參數表達式為

(24)

其中

θ=λ-φ

(25)

r1=r2cosφ

(26)

將式(24)～(26)聯立得

(27)

其中

tanφ=lAC/r1

(28)

化簡得

(29)

式中xc——點C于絕對坐標系中X軸坐標,mm

yc——點C于絕對坐標系中Y軸坐標,mm

θ——線段OC與OB之間夾角,rad

ξ——值域上限,rad

可得r2表達式為

(30)

排種盤上基圓半徑為r1的漸開線(式(29))為花生種子的相對運動軌跡,考慮吸種型孔所在圓周半徑應大于r2,故λ取值上限為37.09°<ξ<42.07°。

適宜的攪種凹槽深度可避免因深度過大,從而造成攪種凹槽曲線方向的導種作用小于凹槽切向的推種作用的情況,防止產生劇烈運動,影響整體攪種導種效果。因此攪種凹槽深度L7應小于0.5Hmin,L7取0.75、1.5、2.25、3、3.75 mm。

如圖8d所示,圓弧端面半徑取0.5Lmax,攪種凹槽寬度計算式為

(31)

式中L6——攪種凹槽寬度,mm

由式(31)求得L6范圍為7.90～16.35 mm。

排種器設計中,吸種型孔數量直接關系著排種器整體的作業效率與作業質量[20],即組合槽數量。因此需將取種槽口及攪種凹槽間隔列入考慮范圍,經多次試驗后確定取種槽口間隔為4 mm時,各部分均不會產生干涉現象,組合槽數量Z計算式為

(32)

作業過程中,其他參數不變的情況下,組合槽數量與排種盤的轉速反比關系,隨著組合槽數量的增加,排種盤轉速降低,線速度亦隨之減小,從而更易對花生種子形成吸附,提高充種效果,避免漏播現象的發生。通過式(32)可求得組合槽數量Z為22。

3 組合槽仿真優化設計

3.1 仿真參數設計

借助離散元仿真分析軟件EDEM通過分析組合槽對種群的運移情況,對各參數進一步展開優化,以風壓-6 kPa展開試驗研究。

選用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型,為減小計算量,提高運算速度,本文使用簡化后的氣吸式排種器作為仿真模型,包括排種器前殼體、排種盤、排種器后殼體3部分。在本文所設計高速精量排種器與種子產生接觸部件中,各部分均采用光敏樹脂制成。表2為所設置仿真參數[21-22]。

表2 仿真參數

種子顆粒數量設置為300粒,仿真瑞利時間步長百分比設置為5%,輸出時間步長為0.01 s,仿真總時間為7 s,開展仿真試驗,如圖10所示,種群在排種盤帶動下同步運動。根據種群的運動狀態將其劃分為上升、塌落、回流、相對靜止4個區域,其中取種槽口僅與上升區域內的種子發生直接接觸。

圖10 EDEM仿真試驗充種效果圖

在高速作業過程中攪種凹槽主要起到在充種過程中實現種群導流,加強種群離散程度,提高上升區域種子速度及充種性能的作用[23]。因此在本仿真過程中為檢驗攪種凹槽性能,選用上升區域種群離散性程度以及運動速度作為性能評價指標。

在作業過程中排種性能還會受取種槽口結構參數及轉速、負壓等因素的影響,因此無法直接通過重播指數、漏播指數、合格指數來判斷攪種凹槽性能,因此以漏充指數[24]作為對攪種凹槽的另一性能評價指標,取種槽口脫離種群時,內部無種子存在記為漏充,則

M=z1/Z′×100%

(33)

式中M——漏充指數,%

z1——漏充種子的取種槽口數量

Z′——所記錄取種槽口總數

3.2 攪種凹槽深度

為探究不同攪種凹槽深度對種群運動情況的影響,以攪種凹槽深度開展單因素離散元仿真試驗,為有效控制變量,取種槽口尺寸保持不變,取種槽口左右端面上沿距離L1取24 mm,下沿距離L3取20 mm,排種盤外周至后端面距離L4取22 mm,深度L2取7 mm。

在攪種凹槽深度L7分別取0.75、1.50、2.25、3.00、3.75 mm時,由式(31)求得攪種凹槽寬度L6分別為7.90、10.97、13.19、14.93、16.35 mm。

攪種凹槽的設計目的包括:提升上升區域內種群的運動速度。因此其作用范圍應控制于上升區域附近,經仿真結果獲知上升區域的厚度在30 mm左右,為確保攪種凹槽可有效作用于整個上升區域,同時保證各攪種凹槽不會相互干涉,經試驗驗證攪種凹槽基圓半徑范圍應控制在50～70 mm之間,在此攪種凹槽曲線基圓半徑r1取70 mm。

排種盤轉速np為

(34)

式中V——播種機作業速度,km/h

S——花生理論粒距,取180 mm

由式(34)求得,作業速度為12 km/h時,排種盤轉速為50.51 r/min。

通過EDEM軟件自有的數據采集能力得到上升區域內種群作業速度以及數量信息,并對漏充指數進行統計,結果如圖11所示,圖中平均值后小寫英文字母不同表示在0.05水平下數據差異顯著(下同)。攪種凹槽深度為0 mm時代表未進行設計。

圖11 不同攪種凹槽深度對種群的影響

由試驗結果可知,攪種凹槽深度會對種群運動速度產生顯著影響,同不添加攪種凹槽時相比,添加凹槽設計的種群速度明顯提高,證實攪種凹槽具有促進種群運動速度的效果。種群速度在無攪種凹槽時最低,為0.15 m/s;種群速度在攪種凹槽深度為3 mm時最高,為0.26 m/s,攪種凹槽深度為2 mm時種群速度略小于深度為3 mm時的種群速度,差異性并不顯著。

攪種凹槽深度會對上升區域種子數量造成顯著影響,同不添加時相比,添加凹槽設計后上升區域內種子數量明顯降低。未添加攪種凹槽時數量最多,為48.31粒;深度為1 mm時數量最少,為42.73粒;深度為2 mm時數量為46.35粒,1 mm及2 mm深度時其上升區域內的種子皆顯著低于3 mm時的數量。通過對仿真過程進行分析,發現當深度為3 mm時主要因攪種凹槽內的種子未能及時脫離而導致周圍種子數量加大。

攪種凹槽深度會對漏充指數造成顯著影響,同不添加時相比,添加凹槽設計后漏充指數顯著減小。且漏充指數與攪種凹槽深度之間呈反比關系。未添加攪種凹槽時漏充指數最高,為6.31%;深度為3 mm時漏充指數最低,為3.17%;深度為2 mm時漏播指數略低于深度為3 mm時,無顯著差異。

考慮不同攪種凹槽深度對種群速度、種子數量以及漏充指數的影響,攪種凹槽在3 mm時,漏充指數最低。雖在該深度時上升區域內種子數量顯著多于2 mm時的數量,但考慮本排種器雙級柔性清種毛刷的加裝,故本文在后續試驗中取攪種凹槽深度3 mm進行研究。

3.3 攪種凹槽基圓半徑

在進行攪種凹槽基圓半徑對種群運動特性的影響研究時,僅改變攪種凹槽的基圓半徑,其余參數保持不變,攪種凹槽深度取3 mm,攪種凹槽基圓半徑分別取50、60、70 mm,借助仿真試驗分析研究。仿真結果如圖12所示。

圖12 不同攪種凹槽基圓半徑對種群的影響

由圖12可知,攪種凹槽基圓半徑會對種群運動速度產生顯著影響,不添加攪種凹槽時種群速度最慢,為0.15 m/s;攪種凹槽基圓半徑r1=70 mm時,種群速度最快,為0.28 m/s。r1=50 mm時,種群速度為0.21 m/s;r1=60 m/s時,種群速度為0.25 m/s;二者皆顯著低于r1=70 mm時的種群速度。

攪種凹槽基圓半徑會對周圍種子數量造成顯著影響,基圓半徑r1=70 mm時,種子數量最少,為41.17粒;r1=60 mm時,種子數量為45.61粒,同基圓半徑為70 mm時相比并不顯著;r1=50 mm時,種子數量為47.03粒,同基圓半徑為60 mm時相比并不顯著;不添加攪種凹槽時種子數量最多。

攪種凹槽基圓半徑會對漏充指數造成顯著影響,未添加攪種凹槽時,漏充指數最大;攪種凹槽基圓半徑r1=70 mm時,漏充指數最小,為2.57%。且顯著小于基圓半徑為60 mm及70 mm時的漏充指數。

綜合考慮不同攪種凹槽基圓半徑對種群速度、種子數量以及漏充指數的影響,攪種凹槽基圓半徑r1=70 mm時,種群速度最高,數量最小,漏充指數最低,故本文以基圓半徑為70 mm進行后續研究。

4 試驗

4.1 試驗材料與設備

為進一步確定取種槽口尺寸數據,在本試驗中以取種槽口尺寸、作業速度為因素開展二因素五水平正交旋轉試驗,采用魯花11作為試驗用種,研究各性能指標受不同因素的影響規律,并通過回歸分析確定最佳參數組合。如圖13所示,臺架試驗通過JPS-12型計算機視覺排種試驗臺進行,排種器各部分及不同排種盤通過3D打印技術加工獲得,添加二次投種裝置開展試驗,為有效控制變量,確保試驗結果的有效性,在各組試驗中二次投種裝置參數保持一致。

圖13 排種器性能試驗裝置

4.2 試驗方法

按GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》規定及參考文獻[25],以取種槽口尺寸、作業速度為試驗因素,以粒距合格指數、重播指數、漏播指數、破損指數為評判性能指標[26],試驗因素及編碼如表3所示。

表3 因素編碼

由式(14)～(16)以及L1、L2、L3、L4增量及對應關系可知,在完成L1選定后即可實現對剩余參數的確定,因此以取種槽口左右端面上沿距離L1表示取種槽口整組尺寸,對應的各取種槽口尺寸如表4所示。

表4 取種槽口尺寸

在5種作業速度4.34、6.00、10.00、14.00、15.66 km/h時,由式(34)求得對應排種盤轉速分別為18.27、25.25、42.09、58.92、65.91 r/min,均在風壓-6 kPa下開展試驗。

4.3 試驗結果與分析

試驗結果如表5所示。表中X1、X2為編碼值。為更有效地對試驗結果進行分析,利用Design-Expert 13.0軟件獲得各性能指標受取種槽口尺寸及作業速度影響的響應曲面,如圖14所示。

表5 回歸正交旋轉試驗設計與結果

圖14 響應曲面

對表5的試驗結果展開方差分析,得出粒距合格指數、重播指數、漏播指數以及破損指數的二次回歸模型為

(35)

對試驗結果展開顯著性分析,方差分析如表6所示。由表6可知,各回歸模型均顯著,所擬合回歸方程同實際都相符合,可準確體現取種槽口尺寸及作業速度同各性能指標間的關系,回歸模型均能有效實現試驗結果的預測。

表6 方差分析

通過Design-Expert 13.0軟件,在作業速度為12 km/h時,以最大粒距合格指數為條件做尋優處理,得到取種槽口尺寸L1為25.71 mm,粒距合格指

數為95.6%。在作業速度為10 km/h時,以最大粒距合格指數為條件做尋優處理,得到取種槽口尺寸L1為25.19 mm,粒距合格指數為95.32%。在作業速度為8 km/h時,以最大粒距合格指數為條件做尋優處理,得到取種槽口尺寸L1為24.67 mm,粒距合格指數為95.07%。在作業速度為6 km/h時,以最大粒距合格指數為條件做尋優處理,得到取種槽口尺寸為24.14 mm,粒距合格指數為94.92%。因作業速度為14 km/h時,破損指數高于0.5%,已不符合國家標準中精密播種機播種粒距為100～200 mm時的播種要求,因此該速度不予分析。

由式(14)可知,L1應小于25.41 mm,且其數值越大,高速作業性能越佳,同時為便于對L2、L2、L3取值,L1最終取24.00 mm。此時求得速度6、8、10、12 km/h各性能指標如表7所示。

表7 不同速度條件下性能指標

由表7可知,當取種槽口尺寸L1=24.0 mm,作業速度在6～12 km/h區間時,粒距合格指數不小于93.33%,重播指數不大于3.52%,漏播指數不大于4.02%,破損指數不大于0.32%,均具備良好的作業性能,L1取24.00 mm時,對應的L2為10.50 mm,L3為19.10 mm,L4為24.00 mm。

5 結論

(1)設計了驅導組合槽輔助附種氣吸式花生高速精量排種器,通過理論分析驗證了結構的合理性,根據種子物料特性對排種盤中各關鍵參數進行了初步確定。

(2)以種群運動速度、種子數量及漏充指數作為指標,通過離散元仿真分析軟件EDEM對攪種凹槽尺寸參數進行了優化,結果表明:種群在攪種凹槽深度3 mm、基圓半徑70 mm時,運動速度最大,數量最少,且漏充指數最低,攪種凹槽的導種以及擾種性能最佳。

(3)通過臺架試驗以取種槽口尺寸和作業速度進行了二因素五水平試驗,并構建了各性能指標與取種槽口尺寸及作業速度的回歸方程,試驗結果表明各性能指標均受二者顯著影響,當取種槽口左右端面上沿距離為24.00 mm、取種槽口深度為10.50 mm、取種槽口左右端面下沿距離為19.10 mm、排種盤外周到取種槽口后端面距離為24.0 mm、作業速度為6～12 km/h、負壓為-6 kPa時,粒距合格指數不小于93.33%,重播指數不大于3.52%,漏播指數不大于4.02%,破損指數不大于0.32%。