李沐桐　李天宇　官曉東　趙廣闊　周福君

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0　引言

精密排種技術(shù)是國內(nèi)外研究人員廣泛關(guān)注的熱點，由于機(jī)械式排種器整體上存在作業(yè)速度不高、對種子形狀和尺寸要求嚴(yán)格、播種單粒率有待改善等問題[1]，近年來，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者開始對氣力式精密排種器進(jìn)行改進(jìn)與研究。通過目前的研究發(fā)現(xiàn)，氣力式排種器在適應(yīng)性、效率和均勻性上皆優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)械式排種器，然而，其密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在氣流腔出現(xiàn)縫隙導(dǎo)致氣壓流失等問題出現(xiàn)時，極易發(fā)生漏播現(xiàn)象；同時在田間非平整土壤的高速作業(yè)中，若氣流壓力不足，震動加劇會造成種粒脫離吸盤產(chǎn)生嚴(yán)重的重播、漏播等現(xiàn)象；同時，其氣壓由拖拉機(jī)動力輸出軸帶動的單離心風(fēng)機(jī)產(chǎn)生，隨播種作業(yè)幅寬的增加能耗增加明顯。

目前，國內(nèi)有關(guān)排種器充排方式的研究報道較少，相關(guān)研究多為機(jī)理分析與優(yōu)化改進(jìn)等[2-5]，在國外，2007年德國Amazone公司的新產(chǎn)品DEX氣力集排式播種機(jī)作業(yè)速度可達(dá)15 km/h[6]，其采用正壓滾筒集中充種排種后通過氣送投種，工作幅寬可達(dá)9 m，雖然作業(yè)能耗高，但符合國外地廣人稀的大面積作業(yè)模式；在此基礎(chǔ)上，祁兵[7]提出了擾種氣流結(jié)構(gòu)以提高種粒群流動性，進(jìn)一步對其結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能進(jìn)行了初步研究和優(yōu)化試驗。

綜合上述問題，本文提出一種立式離心錐盤排種器。相比傳統(tǒng)精播技術(shù)方式：籽粒靜態(tài)堆積—取種—清種—排種—導(dǎo)種，本方式的動作流程為：籽粒群進(jìn)入錐向離心盤后被賦予持續(xù)動能并具有與錐盤相同周向角速度，通過與排種盤摩擦、動錐盤推送、區(qū)域波紋振動作用，依次有序地以相同姿態(tài)排出，從而在大幅度提高作業(yè)速度的同時，提升排種質(zhì)量穩(wěn)定性，滿足精密播種要求。

1　排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　總體結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)設(shè)計思路是使籽粒群進(jìn)入充種腔內(nèi)被賦予與充種槽相同角速度的動量，縮小籽粒與充種槽的相對切向線速度，利用錐形結(jié)構(gòu)周轉(zhuǎn)運動時的離心作用，提高籽粒在法向的填充能力，進(jìn)而改善排種能力。離心錐盤排種器主要由排種管、導(dǎo)種室、靜止盤、動錐盤、傳動軸、彈性銷、殼體、鏈輪和開口銷部件組成，如圖1所示。

圖1　離心錐盤排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structure diagrams of centrifugal cone grain metering device1.排種管　2.導(dǎo)種室　3.靜止盤　4.動錐盤　5.傳動軸　6.殼體　7.鏈輪　8.彈性銷　9.銷軸　10.種槽　11.推送片　12.導(dǎo)種口　13.波紋震動凹面　14.護(hù)種板

如圖1a所示，按其結(jié)構(gòu)特點，以靜止盤配裝基準(zhǔn)，其左側(cè)依次固裝導(dǎo)種室與排種管，其右側(cè)依次扣裝動錐盤、殼體，其中殼體與靜止盤固裝，動錐盤可轉(zhuǎn)動地同軸配裝于靜止盤與殼體之間，動錐盤內(nèi)表面與靜止盤右側(cè)表面呈常接觸閉合狀態(tài)。

1.2　工作原理

如圖1b所示，作業(yè)時，外輸入動力通過鏈輪驅(qū)動動錐盤相對于靜止盤逆時針轉(zhuǎn)動，籽粒從導(dǎo)種室進(jìn)入到動錐盤與靜止盤之間的腔室內(nèi)，在充種區(qū)域內(nèi)，由動錐盤內(nèi)壁的推送片帶動產(chǎn)生的離心力、籽粒群法向壓力和自身重力三者作用下，籽粒沿法向方向逐一充入動錐盤內(nèi)均布的種槽內(nèi)，在經(jīng)過清種波紋凹面振動后，籽粒通過護(hù)種板并沿切向方向在左下方所設(shè)投送區(qū)域投入至排種管內(nèi)并排出，依次循環(huán)。

2　充種力學(xué)分析及相關(guān)參數(shù)設(shè)定

2.1　無推送結(jié)構(gòu)(靜-動)充種機(jī)理

為進(jìn)一步探究該型排種器的技術(shù)特點，首先選取無推送片的充種腔室作為對照分析，為清晰區(qū)別于有推送片的離心排種器，按籽粒充種運動狀態(tài)，將無推送結(jié)構(gòu)視為靜-動充種機(jī)理，其充種力學(xué)分析是進(jìn)一步研究有推送結(jié)構(gòu)(動-動)充種機(jī)理的理論基礎(chǔ)。

對于錐盤排種器，在籽粒處于下端充種區(qū)域時，其充種利用種間垂直壓應(yīng)力σ1、壁面水平壓應(yīng)力σ2及重力應(yīng)力σG實現(xiàn)法向復(fù)合充填力σ，受力情況如圖2所示。

圖2　無推送片結(jié)構(gòu)充種機(jī)理示意圖Fig.2　Filling stress diagram of cone disc seed-metering device

2.2　徑向力學(xué)模型

決定充種性能的關(guān)鍵在于最大化提高充填力，離心錐盤排種器對籽粒充種作用力共3個，即籽粒受上層種群的堆積和擠壓引起的正壓力、籽粒自身自重和錐盤內(nèi)壁面產(chǎn)生的反作用力。3個力復(fù)合即為離心錐盤排種器的充填力。

由于籽粒在波紋凹面清種區(qū)域內(nèi)主要受自身重力完成清種動作，需留出一定落種空間，本文設(shè)定種層高度為60%，錐盤內(nèi)壁面的反作用力由種間水平側(cè)壓應(yīng)力與自身重力提供，其水平側(cè)壓應(yīng)力分布規(guī)律與物料力學(xué)性質(zhì)及物料堆積深度有關(guān)，為簡便計算，將排種器充種腔模型簡化為深倉，并假設(shè)任何水平面上的垂直壓力均為一常數(shù)[8-9],可得

(1)

式中dy——微小種層長度，m

dσ1——種層增加dy厚度時垂直壓應(yīng)力增加量，N

γ——籽粒重度，玉米為12.25 kN/m3

fs——物料和內(nèi)壁間靜態(tài)滑動摩擦因數(shù)

Rh——液力半徑，取0.008 5 m[10]

當(dāng)y=0時，σ1=0，積分可得出

(2)

式中σ2——種間水平側(cè)壓應(yīng)力，即錐盤內(nèi)壁面產(chǎn)生的反作用力，kPa

壓力比為

(3)

式中φ——籽粒內(nèi)摩擦角，(°)

玉米φ約為25°[10-11](含水率12%～14%)，則K為0.405。

在安全含水率條件下，玉米籽粒與鋁板之間的靜態(tài)滑動摩擦角φs為31°，則

fs=tanφs

(4)

種槽充填處與種面的距離為

y=0.6(D-L)

(5)

式中D——動錐盤最大外徑，依據(jù)現(xiàn)有排種器尺寸及前期機(jī)架空間分布，初步設(shè)計尺寸為215 mm

L——種槽長度，通過前期針對楔形玉米籽粒的尺寸采集與統(tǒng)計，本文設(shè)計值為14 mm

0.6為排種器種腔內(nèi)種層高度占總體高度的比值。綜上分析，對于位于充種區(qū)域近最低點的籽粒，復(fù)合充填力σ可表示為

σ=σGcosθ+σ1cosθ+σ2sinθ

(6)

其中

σG=G/(WT)

式中σG——籽粒重力應(yīng)力，kPa

其中W與T分別為楔形籽粒平均寬度與厚度，取W為8.8 mm，T為5.1 mm(本文所研究充種姿態(tài)均為籽粒側(cè)臥于種槽內(nèi)，其充種側(cè)臥姿態(tài)宏觀上呈較顯著概率)。

將式(2)、(4)、(5)代入式(6)計算化簡可得

σ(θ)=0.055cosθ+0.422(1-e-3.48)cosθ+
0.171(1-e-3.48)sinθ

(7)

應(yīng)用Matlab軟件繪制出籽粒復(fù)合充填應(yīng)力σ(θ)和動錐盤錐角θ的關(guān)系曲線，如圖3所示。

圖3　充填應(yīng)力函數(shù)曲線Fig.3　Filling force function line

由圖3可知，錐角區(qū)域[0°，23°]為填充應(yīng)力較大區(qū)間，在17.2°時復(fù)合充填應(yīng)力σ(θ)達(dá)到最大，為0.472 kPa。隨著錐角θ的增大，種間垂直壓應(yīng)力和籽粒自身重力的有效分力比例減小，壁面反作用力有效分力比例增大，由于結(jié)構(gòu)特點，水平方向的應(yīng)力在充種過程中的作用并不大，同時錐角的增大會導(dǎo)致容腔寬度增加，可知錐角在[10°，220°]范圍內(nèi)變化不大，為便于加工，初步設(shè)定錐角為20°。

2.3　周向力學(xué)模型

上述分析是基于籽粒處在種腔最底端時錐角對充填力的影響，而真實情況下，隨著排種器內(nèi)動錐盤的轉(zhuǎn)動，種槽由最低端的豎直位置轉(zhuǎn)動到水平位置，在此過程中處于不同角度位置的籽粒由于有效種層高度逐漸降低，且重力方向與充填方向夾角逐漸增大，導(dǎo)致種間垂直壓應(yīng)力σ1和重力應(yīng)力σG均逐步減小，同時，逐漸增加的種間水平側(cè)壓應(yīng)力σ2對充填力影響并不起關(guān)鍵作用，將造成籽粒的法向充填應(yīng)力σn逐漸減小，使排種器充種區(qū)域縮小至種腔底端附近，充填性能降低，很大程度上限制了排種器充種頻率和工作速度。為改善上述問題，首先需要分析籽粒的有效充填區(qū)域和充填應(yīng)力在不同角度位置的變化規(guī)律，如圖4所示。

圖4　不同角度位置籽粒法向充填應(yīng)力分布Fig.4　Distribution of grain filling force at different angles

設(shè)籽粒位置角β為籽粒重心和圓心連線與鉛垂線夾角，由圖4可知，當(dāng)β=0°時，籽粒法向充填應(yīng)力最大，其主要由重力應(yīng)力σG和種間垂直壓應(yīng)力σ1提供；然后隨籽粒位置角β逐漸增大，種層有效高度降低使中間垂直壓應(yīng)力σ1減小，同時，重力應(yīng)力對于法向充填應(yīng)力σn的貢獻(xiàn)量逐漸降低，使種間水平側(cè)壓應(yīng)力σ2逐步轉(zhuǎn)化為法向充填應(yīng)力的主要作用應(yīng)力，然而，由上述分析可知，種間水平側(cè)壓應(yīng)力σ2不僅隨種間垂直壓應(yīng)力σ1減小而減小，且其數(shù)值上也遠(yuǎn)小于種間垂直壓應(yīng)力，因此，參考上節(jié)分析,種槽充填處與種面的距離可整合為

(8)

籽粒充種在區(qū)域內(nèi)的充填應(yīng)力數(shù)學(xué)模型可進(jìn)一步修正為(θ=20°)

σ(β)=0.052cosβ+0.397[1-e-(3.19cosβ-0.232)]cosβ+
0.058 5[1-e-(3.19cosβ-0.232)]sinβ

(9)

通過Matlab軟件繪制修正后的復(fù)合填充力σ(β)和籽粒位置角β的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5　充填應(yīng)力修正函數(shù)曲線Fig.5　Filling force updated function line

由圖5可知，在無推送片的充種條件下，最適宜籽粒充填的區(qū)域較小，即在籽粒位置角[-5°，16.5°]區(qū)域內(nèi)，此角度區(qū)域為籽粒復(fù)合充填應(yīng)力較高范圍，最大值為0.42 kPa，且隨籽粒位置角增大，復(fù)合填充應(yīng)力逐漸減小。綜上分析，對于無推送(靜-動)充種方式，在排種器工作轉(zhuǎn)速提高時，動錐盤與靜態(tài)籽粒間較大的相對線速度在較小的有效充種區(qū)域內(nèi)并不適合高頻率的充種動作。若要提高充種效率，不僅要提高充填應(yīng)力，也要擴(kuò)大有效充種區(qū)域，最大程度減小動錐盤與預(yù)充填籽粒的相對切向線速度。

2.4　推送結(jié)構(gòu)(動-動)充種機(jī)理

綜合以上分析，為提高充填應(yīng)力并擴(kuò)大有效作用區(qū)域，在動錐盤內(nèi)壁設(shè)置推送結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入種腔內(nèi)的籽粒群被持續(xù)勻速轉(zhuǎn)動的推送片賦予相同角速度，在充種區(qū)域近種槽位置的籽粒主要由離心壓應(yīng)力σC、重力應(yīng)力σG、種間垂直壓應(yīng)力σ1和種間水平側(cè)壓應(yīng)力σ2的共同作用作為復(fù)合充填力σ。由于不同結(jié)構(gòu)形狀的推送片對種層壓力方向不同，復(fù)合充填力σ的方向也由上方種層壓力傳遞決定，故選取規(guī)則條形推送片作為籽粒充種受力的初步分析對象，如圖6所示。

圖6　籽粒在推送結(jié)構(gòu)下的法向充填應(yīng)力Fig.6　Normal filling stress of grain with push blade

由于籽粒群在運動過程中產(chǎn)生的摩擦、碰撞和黏合力非常復(fù)雜，為方便分析，假設(shè)籽粒上層種群之間相互作用力為等效傳遞，將上層隨推送結(jié)構(gòu)運動的種群視為整體質(zhì)點P，其繞軸心O勻速轉(zhuǎn)動，其合力為外層籽粒所提供的方向指向軸心O的向心拉應(yīng)力σN；而對于下層待充填的籽粒而言，法向復(fù)合充填應(yīng)力σ′n主要由持續(xù)的離心壓應(yīng)力σC(σC=σN)、自身重力應(yīng)力σG、種間垂直壓應(yīng)力σ1和種間水平側(cè)壓應(yīng)力σ2共同提供。為研究推送作用下的復(fù)合充填力，需先分析影響σC的因素，進(jìn)而確定相關(guān)參數(shù)以計算復(fù)合充填力。

處于勻速圓周運動的上方運動種層主要為相鄰兩推送片之間的環(huán)形部分，其動態(tài)種層質(zhì)點質(zhì)心與軸心O的距離r為

(10)

式中RTE——推送片外徑，mm

RTI——推送片內(nèi)徑，為保證籽粒流動順利且重心傳動裝配方便，本文取40 mm

α——相鄰兩推送片內(nèi)壁面夾角，(°)

結(jié)合式(10)并代入σC=Δmω2r/ΔS可得

(11)

ΔS=απRTE(TC-ΔT)/180

(12)

(13)

式中Δm——環(huán)形區(qū)域內(nèi)種層質(zhì)量，kg

ΔS——下層待充填種層內(nèi)環(huán)面面積，m2

ρg——玉米籽粒密度(安全含水率)，本文取1.197 kg/m3

TC——錐盤種腔內(nèi)壁厚度，取24 mm

ΔD——錐盤內(nèi)推送片側(cè)向直徑差，本文設(shè)定30 mm

ΔT——錐盤側(cè)向無效厚度，本文為12 mm

ω——工作角速度，ω<8.9 rad/s(需保證重力清種ωr

由式(11)、(13)可看出，RTE越大，σC越大，然而排種器工作過程中既要保證上方有足夠空間清種，又要避免推送片和護(hù)板對籽粒造成的擠壓、夾傷和撞擊，在本文中設(shè)定RTE為80 mm。

由式(11)可知，隨工作轉(zhuǎn)速的增大，離心拉應(yīng)力呈幾何級增長，而相鄰?fù)扑推瑠A角在0°～360°范圍內(nèi)，離心拉應(yīng)力呈先增加后降低規(guī)律變化，當(dāng)夾角約180°時，離心拉應(yīng)力接近最大值。分析以上結(jié)果可知，如果夾角過小，環(huán)面內(nèi)勻速運動種層質(zhì)量變小，同時種層質(zhì)心距軸心半徑r較小，所以離心拉應(yīng)力σC有效作用較小，因此，相鄰兩推送片夾角α設(shè)定為180°，推送片個數(shù)為2個，為發(fā)揮離心拉應(yīng)力的最大效率，需要計算排種器工作角速度的極限取值。

2.5　充填可靠性分析

為保證籽粒及時、完整的充填，需對目標(biāo)籽粒相對于種槽的法向充填時間tn與種槽相對目標(biāo)籽粒的周向運動時間tτ進(jìn)行計算比較，以確定種槽寬度及工作轉(zhuǎn)速范圍。如圖7所示，目標(biāo)籽粒在充填過程中具有與種槽相同的角速度ω，其籽粒法向充填時間為

(14)

其中

an=gcosβ+ω2r+a1+a2

(15)

式中S——種槽長度，本文取16 mm

an——籽粒法向合加速度，m/s2

r——動態(tài)種層質(zhì)點質(zhì)心與軸心O的距離，由上述分析取0.124 mm

a1——種間垂直壓力加速度，m/s2

a2——種間水平側(cè)壓力加速度，m/s2

種槽相對于籽粒的周向運動時間為

(16)

式中β0——種槽內(nèi)兩壁面延長線分別與軸心O連線的夾角，本文取8°

為實現(xiàn)目標(biāo)籽粒及時充填且達(dá)到完全充填效果，差值T需滿足

T=tn-tτ≤0

(17)

將時間差T作為目標(biāo)函數(shù)，籽粒位置角β和排種器工作角速度ω作為變量，采用ORIGIN軟件生成曲面變化圖，如圖8所示。

圖8　工作角速度與籽粒位置角對時間差T的影響Fig.8　Influence of grain position angle and working angle velocity on T value

由圖8可看出，籽粒位置角β在范圍(-30°，60°)內(nèi)對時間差T的影響較小，而工作角速度ω對T影響區(qū)間較大，隨著工作角速度逐漸增大，T由負(fù)值逐漸增加，當(dāng)工作角速度大于2.9 rad/s時，T值大于零，即tn>tτ，在此工況下，籽粒已不能保證完全充填入種槽內(nèi)，由此設(shè)定排種器工作轉(zhuǎn)速最大值為27.7 r/min。

2.6　力學(xué)模型

通過上述分析，籽粒在有推送裝置的充填應(yīng)力數(shù)學(xué)模型最終確定為(α=180°)

σ′(β)=0.052cosβ+0.124ω2+
0.397[1-e-(3.12cosβ-0.41)]cosβ+
0.058 5[1-e-(3.12cosβ-0.41)]sinβ

(18)

(19)

式中y″——上方有效種層高度，mm

由于兩推送結(jié)構(gòu)對稱排布，當(dāng)一端推送片運動到種腔上端時，種層高度已不能通過上述公式計算，因此，結(jié)合設(shè)定的最終推送結(jié)構(gòu)位置特點，并保證籽粒在內(nèi)部有良好的流動性，設(shè)定種層有效高度為50%的種腔高度，以便簡化計算。

將工作角速度初步設(shè)定5個水平，分別為2.30、2.51、2.72、2.93、3.14 rad/s，對應(yīng)工作轉(zhuǎn)速為22、24、26、28、30 r/min，分別代入式(18)并通過Matlab繪制出籽粒在推送裝置下的復(fù)合充填應(yīng)力變化曲線，如圖9所示。

圖9　推送結(jié)構(gòu)下復(fù)合充填應(yīng)力的變化曲線Fig.9　Changing curves of filling stress with push structure

由圖9可知，在設(shè)置離心推送裝置后籽粒復(fù)合充填應(yīng)力有了明顯增加，在所選工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，籽粒位置角約8°時，復(fù)合充填應(yīng)力均達(dá)到最大值；隨籽粒位置角的增大，復(fù)合充填應(yīng)力減小的幅度較小，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速較低時(n=22 r/min)，充填應(yīng)力最大值約1.0 kPa；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速較高時(n=30 r/min)，充填應(yīng)力最大值約為1.65 kPa，與上述無推送裝置(靜-動)充種方式相比(圖5)，安裝離心推送裝置后的充填應(yīng)力提高了近4倍，同時，相比(靜-動)方式的有效充填角度區(qū)域[-5°，16°]，其有效充種角度區(qū)域有了明顯的擴(kuò)大。綜上理論分析，推送裝置的增加可大幅度提高充種性能。

3　EDEM虛擬仿真

采用EDEM(Engineering discrete element method)軟件對離心錐盤排種器進(jìn)行虛擬仿真。依據(jù)上述分析可知，有推送裝置(動-動)離心充種方式相比無推送裝置(靜-動)充種方式在充種效率上有顯著優(yōu)勢，故選取以上兩種結(jié)構(gòu)作為對照，進(jìn)行虛擬仿真及單體臺架試驗，以充分驗證離心錐盤排種器在設(shè)置推送結(jié)構(gòu)后的充種性能。

3.1　幾何模型建立

為便于仿真模擬及計算，將籽粒運動過程中與接觸無關(guān)的部件去除，應(yīng)用Solidworks對排種器進(jìn)行三維建模，將.igs格式文件導(dǎo)入EDEM軟件中，添加旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速，創(chuàng)建虛擬工廠作為籽粒生成的虛擬面，其幾何體模型如圖10所示。

圖10　帶推送結(jié)構(gòu)離心錐盤排種器仿真模型Fig.10　Simulation model of centrifugal cone seed metering device with push structure

3.2　定義顆粒模型

選取國內(nèi)廣泛種植的紫甜糯六號玉米籽粒，其楔狀外形及尺寸與大部分糧食玉米相近，如圖11a所示。隨機(jī)挑選100顆籽粒，測量記錄籽粒的長、寬、高平均值，在EDEM軟件中通過多球面組合方式填充，模擬籽粒狀態(tài)如圖11b所示。

圖11　籽粒外形與顆粒模型Fig.11　Grain shape and particle model

3.3　虛擬試驗方案

在仿真過程中，設(shè)定顆粒與顆粒、顆粒與壁面之間均采用Hertz模型，固定時間步長為Rayleigh時間步長的15%，仿真時間為20 s，網(wǎng)格尺寸為顆粒尺寸的0.5倍，所涉及相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。虛擬試驗選取排種器工作轉(zhuǎn)速為變量，分別對有推送結(jié)構(gòu)和無推送結(jié)構(gòu)的離心錐盤排種器的工作過程進(jìn)行仿真，同時，在后處理過程中取充種區(qū)域內(nèi)任意時間的隨機(jī)顆粒作為標(biāo)記檢測點，識別顆粒在充填后與種槽壁面碰撞的瞬時合外力數(shù)值，作為近似充填力以便比較計算。以漏播指數(shù)M為評價指標(biāo)[12]，其工作轉(zhuǎn)速與作業(yè)速度的關(guān)系式為

(20)

式中n——排種器工作轉(zhuǎn)速，r/min

v——作業(yè)速度，km/h

l——理論株距，本文設(shè)定為240 mm

MK——動錐盤內(nèi)種槽數(shù)量，可由上文分析確定為30個

作業(yè)速度取值域為7～13 km/h，對應(yīng)排種器工作轉(zhuǎn)速為16.20～30.09 r/min。仿真過程截圖如圖12所示。

表1　全局變量參數(shù)設(shè)置Tab.1　Pre-treatment parameters setting

圖12　排種器仿真過程截圖Fig.12　Screenshot of seed-metering device simulation process

4　臺架試驗

為進(jìn)一步檢驗理論分析與虛擬仿真結(jié)果，以離心錐盤排種器單體為載體，分別配裝帶推送裝置和無推送裝置的動錐盤進(jìn)行單體臺架驗證試驗。試驗地點在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院排種器實驗室，玉米籽粒選取紫甜糯6號，所用設(shè)備為JPS-12型排種器性能檢測試驗臺。

為便于記錄試驗結(jié)果，在試驗過程中卸載排種管，實時觀測投種區(qū)域豁口處的種槽狀態(tài)，成功充填的籽粒從種槽投出后落至涂有油層的種床帶上；種槽內(nèi)空漏無籽粒時記錄為一次漏播。漏播指數(shù)計算公式為

(21)

式中N——理論充填數(shù)n0——漏播次數(shù)

5　結(jié)果分析

在不同工作轉(zhuǎn)速條件下，離心錐盤排種器帶推送結(jié)構(gòu)與無推送結(jié)構(gòu)的漏播指數(shù)仿真值與試驗值對比如表2所示。

表2　排種器不同工作轉(zhuǎn)速下漏播指數(shù)的仿真值與試驗值Tab.2　Simulated and experimental values of missing rate at different rotational speeds of seed metering device　%

在EDEM仿真后處理結(jié)果中，測定標(biāo)記顆粒的位置角(約45°)，將角度代入式(18)中得出理論充填應(yīng)力；同時提取標(biāo)記顆粒與種槽壁面碰撞的瞬時合外力，并轉(zhuǎn)化為充填應(yīng)力，繪制出轉(zhuǎn)速在16.2～30.1 r/min內(nèi)的仿真值與理論值的對比圖，如圖13所示。

圖13　充填應(yīng)力對比Fig.13　Comparison of filling stress

由表2結(jié)果分析可知，有推送結(jié)構(gòu)與無推送結(jié)構(gòu)的離心錐盤排種器的仿真值與試驗值基本相符，誤差小于4.8%，其產(chǎn)生原因可能是由實際工作中的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定、籽粒尺寸差異造成，且在實際試驗中由于先前使用有機(jī)玻璃的破碎情況較多，故本次試驗觀測方式無法直觀記錄清種區(qū)域的籽粒實時狀態(tài)，期間發(fā)生的籽?？?、壓迫等問題不能避免。

當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速在16.2～25.5 r/min時，帶推送結(jié)構(gòu)的漏播指數(shù)接近3%，且基本保持穩(wěn)定，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于25.5 r/min時，漏播指數(shù)有明顯升高；在相同轉(zhuǎn)速范圍(16.2～30.1 r/min)內(nèi)，無推送結(jié)構(gòu)的漏播指數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速的增加而持續(xù)升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速大于18.5 r/min時，仿真值與試驗值均較高，在轉(zhuǎn)速為27.8 r/min時，無推送結(jié)構(gòu)的漏播指數(shù)達(dá)到7.99%，接近GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》要求的漏播指數(shù)(小于8%)。由此可見，離心推送結(jié)構(gòu)與無推送結(jié)構(gòu)相比，在充種性能上有明顯改善。

由圖13可知，推送充種方式的充填應(yīng)力仿真值整體低于理論值，但總體變化趨勢基本一致。其原因可能由于顆粒在充填過程中存在顆粒間無規(guī)律的摩擦、碰撞、擠壓等復(fù)雜接觸，且在運動種槽內(nèi)壁面的過程中存在能量損失導(dǎo)致。而當(dāng)工作轉(zhuǎn)速超過25.5 r/min時，仿真值的增長趨勢趨于平緩，與理論值的差值逐漸增大，其原因可能由于隨著轉(zhuǎn)速的提高，顆粒與內(nèi)壁存在相對滑動，所需充填時間大于種槽周向運動時間，即不能及時完成顆粒的完整充填，此時顆粒位于種槽內(nèi)的部分與位于種腔的部分產(chǎn)生了相對運動，將造成顆粒與種槽在切向方向連續(xù)的撞擊與震動，導(dǎo)致離心作用不能持續(xù)增加?？傮w而言，各轉(zhuǎn)速下的充填應(yīng)力接近預(yù)測值，其數(shù)學(xué)模型可用于充種機(jī)理研究。

6　性能驗證試驗

為進(jìn)一步驗證帶離心推送結(jié)構(gòu)的錐盤排種器的單體作業(yè)性能，在上述工況下，選取合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)和破碎率為指標(biāo)，分別對每組進(jìn)行3次試驗(圖14)，其結(jié)果如表3所示。

圖14　臺架驗證試驗Fig.14　Verification test of bench1.試驗臺架　2.排種器　3.傳動鏈輪　4.驅(qū)動電動機(jī)　5.種床帶

由表3可知，排種器漏播指數(shù)與上述試驗結(jié)果基本一致，重播指數(shù)隨轉(zhuǎn)速的增加表現(xiàn)出降低趨勢，對于合格指數(shù)而言，隨著轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，在轉(zhuǎn)速分別為20.8、23.1、25.5 r/min的3組試驗中，合格指數(shù)分別為90.2%、91.0%和90.5%；而對于破碎率而言，隨轉(zhuǎn)速的增加，呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律，造成此結(jié)果的原因可能是在低轉(zhuǎn)速過程中，種槽內(nèi)充入多余的籽粒，在工作過程中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與籽粒碰撞劇烈；而在高轉(zhuǎn)速情況下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)與籽粒碰撞頻率提高，其轉(zhuǎn)速大于27.8 r/min時，破碎率達(dá)到了0.4%。

表3　帶離心推送結(jié)構(gòu)的錐盤排種器工作性能試驗結(jié)果Tab.3　Experiment results of working performance of cone disc seeding device with a centrifugal push structure

7　結(jié)論

(1)傳統(tǒng)機(jī)械式排種器重力充種過程中，籽粒位置角的增大導(dǎo)致充填力直線下降是限制充種效率的關(guān)鍵因素。因此，增加充填力種類和擴(kuò)大有效充種區(qū)域是提高排種器充種性能的重要途徑。

(2)相比無推送結(jié)構(gòu)的立式錐盤排種器，在種腔內(nèi)設(shè)置推送結(jié)構(gòu)可充分利用上層種群的離心壓力提高充種性能。通過臺架對比試驗可知，帶推送結(jié)構(gòu)的動錐盤轉(zhuǎn)速可達(dá)30.1 r/min，單體作業(yè)速度為13 km/h，在此范圍內(nèi)平均漏播指數(shù)約3.93%，較無推送結(jié)構(gòu)充種方式的平均漏播指數(shù)降低了2.52%。同時，參考文獻(xiàn)[12],在相同試驗條件下，作業(yè)速度試驗值比指夾式排種器提高了3 km/h，且在相同作業(yè)速度(9 km/h)條件下，漏播指數(shù)降低了3.94%。由此可知，離心推送結(jié)構(gòu)有效提高了充填能力，并有效提高了充種頻率，從而提升了作業(yè)速度，且滿足精播技術(shù)要求中對漏播指數(shù)的要求。

(3)性能驗證試驗表明，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速在20.8～25.5 r/min范圍內(nèi)時，排種器各項性能及指標(biāo)表現(xiàn)較優(yōu)狀態(tài)，而破碎率變化區(qū)間較大，仍需對內(nèi)部材料進(jìn)一步改善。

(4)通過對籽粒在立式錐盤排種器中充種機(jī)理的分析，研究了影響充填應(yīng)力和有效充填區(qū)域的因素，確定了關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與核心參數(shù)，其試驗也主要針對充種性能進(jìn)行檢驗。然而，排種器動錐盤的種槽尺寸、清種裝置結(jié)構(gòu)和參數(shù)、投種區(qū)域位置和排種管最佳正壓值等因素是影響重播指數(shù)、破碎率和粒距變異系數(shù)等指標(biāo)的重要因素，仍需進(jìn)一步優(yōu)化相關(guān)參數(shù)、改善材料來提高錐盤排種器整體可靠性。

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