陳　進，丁　松 ， 龔智強 ， 練　毅

(1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013；2.巢湖學(xué)院，合肥　238000)

0　引言

氣吸振動式精密播種機在吸排種過程中，種盤內(nèi)種群質(zhì)量不斷減少，在循環(huán)播種一定盤數(shù)以后應(yīng)由定量供種裝置及時補種。對于滾筒式排種器，文獻[1]采用了振動供種，使種群在滾筒邊緣堆積，達到連續(xù)供種的目的。文獻[2]將外槽輪的播種原理與電磁振動的排種理論相結(jié)合，通過調(diào)整外槽輪的轉(zhuǎn)速改變每一育秧穴盤的供種粒數(shù)。由于芽種含水率高、種群流動性差，為了實現(xiàn)連續(xù)供種，減小種間摩擦阻力，非滾筒式播種機采用振動勻種的方法，如文獻[3]的定量供種裝置采用電磁振動種室。文獻[4]設(shè)計的位于排種器與種箱之間的分層充種室，文獻[5]位于種箱下部的傾斜導(dǎo)種板式機構(gòu)均可以實現(xiàn)連續(xù)振動供種。不同于連續(xù)供種，氣吸振動式精密播種機采用振動種盤，增加了種群的流動性，同時種盤大，一次供種可以工作較長時間，所以已有的連續(xù)供種裝置無法適應(yīng)氣吸振動式精密播種機間歇性、定量供種方式。根據(jù)吸種盤較大、多次吸排種后種群質(zhì)量變化較大及已有振動種盤可以增加種群流動性的特點，需要設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單、布局緊湊，能夠?qū)崿F(xiàn)定量間歇供種的自動供種裝置，進一步提高播種機工作效率和自動化程度。

本文在現(xiàn)有的氣吸振動式水稻精密播種裝置的基礎(chǔ)上展開研究，通過試驗探求播種過程中種群質(zhì)量變化與播種盤數(shù)間的關(guān)系，確定供種裝置形式與供種方法，通過對供種裝置的離散元仿真分析，并結(jié)合供種量與試驗因素間的數(shù)學(xué)模型，計算確定參數(shù)組合，為定量供種裝置的設(shè)計提供思路與理論依據(jù)。

1　氣吸振動式播種機結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸振動式精密播種機主要包括振動部件、吸排種部件、二自由度機械手部件等，如圖1所示。

1.定量供種裝置　2.豎直單軌道絲杠螺母傳動系統(tǒng) 3.水平單軌道絲杠螺母傳動系統(tǒng)　4.吸種盤　5.氣室 6.氣泵電機　7.導(dǎo)種管　8.曲柄連桿　9.振動電機 10.振動種盤　11.振動彈簧圖1　氣吸振動式精密播種機結(jié)構(gòu)示意圖

工作時，先將吸種盤回歸原點位置，選擇合適的參數(shù)，開啟振動電機，通過曲柄連桿帶動種盤以一定頻率與振幅振動，盤內(nèi)的種群由于振動產(chǎn)生“沸騰”運動。開啟氣泵電機，同時二自由度機械手帶動吸種盤到達振動種盤正上方一定高度，依靠氣室內(nèi)真空負壓氣流產(chǎn)生吸力，將種子吸附在吸種盤面板吸孔上。當機械手將吸種盤帶到排種位置時，PLC控制一組兩位三通電磁閥實現(xiàn)負壓轉(zhuǎn)換為正壓，種子在正壓氣流和重力作用下通過導(dǎo)種管落入育秧盤；一次播種工作結(jié)束，吸種盤將重新回到原點位置，經(jīng)過若干次播種后，由兩個種箱定量供種，清種毛刷往復(fù)運動將種子鋪平后，進行下一周期的播種工作。

2　供種量試驗

2.1試驗設(shè)計

在吸種高度等條件不變的情況下，在一定播種盤數(shù)內(nèi)，振動種盤內(nèi)種群質(zhì)量的減少會影響播種合格率變化，因此選擇減少的種群質(zhì)量作為試驗因素進行研究。振動種盤內(nèi)種層厚度在8～18mm范圍內(nèi)，播種效果較理想，振動電機轉(zhuǎn)速在600～720r/min，吸種高度4～6mm,初始種層數(shù)為5(種層厚度約18mm，經(jīng)計算得到18mm種層厚度所能容納的種量為5 238g[6])，這些參數(shù)作為播種機進行吸排種試驗時設(shè)置的依據(jù)。

2.2試驗方法

根據(jù)超級稻穴盤育苗農(nóng)藝要求和播種性能指標的評定經(jīng)驗[7]，合格率、重播率、空穴率和破損率一般作為主要評價指標。為簡化分析本試驗選擇合格率為主要指標，表達式為

式中N—試驗用育秧盤穴孔總數(shù)；

n—(2±1)粒種子的育秧盤穴孔的數(shù)量。

文獻[8]運用多目標遺傳算法，得到最優(yōu)參數(shù)組合，結(jié)合現(xiàn)場多次試驗，最終設(shè)定工作參數(shù)為：真空負壓值4.35kPa，吸孔孔徑1.8mm,種盤振動頻率11Hz，種盤振幅4.2mm，吸種距離為4.5mm，多次試驗合格率最高為94%左右，其他生產(chǎn)率條件下的試驗方法和原理與所述相同。

在江蘇大學(xué)自主研制的氣吸振動式精密播種機上進行試驗，試驗前先將振動種盤內(nèi)的殘余種子清除，選擇常優(yōu)3號種子，千粒質(zhì)量32.5g，將種子按照農(nóng)藝要求先經(jīng)鹽水選種，再經(jīng)清水洗凈、浸泡、破胸催芽處理。選擇448個穴孔的育秧盤，通過兩水平數(shù)碼顯示儀調(diào)節(jié)振動種盤臺面至近水平狀態(tài)，將種子放入種盤內(nèi)，由清種毛刷鋪平種子，開啟振動和氣泵電機，運行5min各部件穩(wěn)定后，運行機械手，開始試驗。試驗開始時，先向振動種盤內(nèi)加入5kg種子，連續(xù)播種20盤，計算性能指標，并稱量每盤種子的總質(zhì)量；記錄完成后，將所有種子重新放回種盤以減少誤差，進行重復(fù)試驗，統(tǒng)計分析后得到播種盤數(shù)與播種合格率之間的關(guān)系如表1所示。

表1　播種試驗結(jié)果

2.3試驗結(jié)果與分析

試驗參數(shù)為最佳組合狀態(tài)，考慮到誤差、理想化分析等因素，認為合格率達到90%以上即為合格吸種狀態(tài)。表1為某次振動種盤內(nèi)種群初始質(zhì)量在5kg下試驗得到的數(shù)據(jù)，采用相同的方法經(jīng)多盤試驗得出結(jié)論：種群初始質(zhì)量為5kg時，從第3盤播種開始，每13盤需要兩個種箱，各供種約450g,以維持播種合格率在90%以上。

3　供種方法

氣吸振動式精密播種機具體排種裝置機構(gòu)行程及停留時間如表2所示。

表2　排種裝置機構(gòu)行程及停留時間表

續(xù)表2

為了防止供種作業(yè)影響吸種過程，需要根據(jù)吸種盤運行情況，將兩個過程分開進行。選用凹型光電傳感器對播種盤數(shù)進行計數(shù)，與下限位光電傳感器平行安裝，光電傳感器安裝如圖2所示。

1.計數(shù)光電傳感器　2.固定金屬板3.金屬遮光板　4.下限位光電傳感器　5.可移動機械臂

固定金屬板用螺絲緊固在豎直單軌道絲杠傳動系統(tǒng)上，計數(shù)光電傳感器及下限位光電傳感器分別安裝在左右兩端，金屬遮光板安裝在可移動機械臂上。根據(jù)傳感器安裝位置，在1個播種周期內(nèi)，光電傳感器計數(shù)2次，在進行吸種作業(yè)時不能同時加種，即第7、8、1、2這4個步驟共3.8s的時間內(nèi)，種子應(yīng)該尚未出種箱。因此，播種作業(yè)處于7→8→1→2→3→4→5→6→7→8步驟期間進行供種作業(yè)，此時用時為t=7.5+2+0.5=10s。

設(shè)定供種裝置每旋轉(zhuǎn)120°供種1次，因此旋轉(zhuǎn)速度為

整體工作過程可以分為靜態(tài)充種、窩眼輪正向旋轉(zhuǎn)供種、供種結(jié)束反向旋轉(zhuǎn)復(fù)位。靜態(tài)充種時，充填區(qū)單次充種的量是固定的，單次加到振動種盤內(nèi)的種量也是固定的，且供種時間間隔不會影響總的加種量。主系統(tǒng)開始運行時，供種系統(tǒng)也開始自動進行計數(shù)。初始狀態(tài)，型孔位于正上方，種子依靠重力及種間接觸力由種箱進入型孔完成充種過程，具體控制部分流程如圖3所示。

圖3　控制方法流程圖

圖3中，N代表光電傳感器計數(shù)的盤數(shù)；M代表供種周期，從第3盤開始，每播種13盤，M加1。窩眼輪在步進電機帶動下，旋轉(zhuǎn)經(jīng)過漏斗下端弧形護種區(qū)后，種子靠重力作用落下進入振動種盤完成供種，窩眼輪再重新復(fù)位；遇到緊急情況時，可通過供種系統(tǒng)設(shè)置的“急?！辨I結(jié)束供種作業(yè)。

4　供種裝置離散元模型

4.1供種裝置仿真模型

為便于仿真模擬與計算，將與超級稻籽粒運動過程中接觸無關(guān)的部件去除，供種裝置仿真模型如圖4所示。運用C語言對彈性函數(shù)進行編譯，通過EDEM軟件的應(yīng)用編程接口API完成彈力加載[9]。

4.2種子顆粒模型的建立及參數(shù)設(shè)定

近似認為各顆粒泊松比、剪切模量、密度等物理參數(shù)一致，種子顆粒模型如圖5所示。經(jīng)過統(tǒng)計測量，得到試驗種子常優(yōu)3號三軸尺寸平均近似為：長6.99mm，寬2.33mm，高3.57mm，千粒質(zhì)量32.5g。在EDEM的Particles模塊中，創(chuàng)建種子模型，其三軸尺寸為7.10mm×2.32mm×3.30mm[10-11]。在顆粒工廠中設(shè)置尺寸模型為隨機分布，范圍為基本尺寸的0.9～1.1。仿真模型材料參數(shù)為泊松比、剪切模量(MPa)、密度(kg/m3)，水稻種子分別為0.32、181.5、1 194.09，有機玻璃[12]為0.5、177、1 180，鋼為0.3、7×104、7 800。

采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，設(shè)置窩眼輪和供種漏斗均為有機玻璃材料，外箱體為鋼制材料，參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3　仿真模型材料接觸參數(shù)

顆粒工廠的設(shè)置：總顆粒質(zhì)量0.8kg，產(chǎn)生顆粒速率為1.6kg/s自由下落，窩眼輪設(shè)定以0.209rad/s的速度旋轉(zhuǎn)，模擬總時間為10s，時間步長設(shè)定為瑞利時間步的20%。

圖5　種子顆粒模型

5　仿真試驗與分析

5.1兩因素試驗

5.1.1試驗因素及水平

本文主要針對單次供種時的運種量進行研究，為間歇供種設(shè)計，一次供種可滿足一段時間內(nèi)的連續(xù)播種，窩眼型孔較大，分布離散、數(shù)量少，主要側(cè)重能夠?qū)崿F(xiàn)固定容量的運種，窩眼孔在種箱內(nèi)的充種過程由靠自身重力和壓力完成。每次加種結(jié)束后，種盤上安裝的移動軟刷往復(fù)運動，能夠使種層厚度恢復(fù)均勻狀態(tài)。將型孔簡化設(shè)置為半球體，便于容積計算及排種，選取型孔的直徑和個數(shù)作為主要研究因素。運用Pro/E軟件設(shè)計的窩眼輪總長度為400mm與種箱實際寬度一致，直徑為200mm，型孔個數(shù)為5～8個，型孔直徑分別為25、30、35、40mm，單列型孔的運種量結(jié)果如表4所示。

表4兩因素仿真試驗結(jié)果表

Table 4Simulationexperiment results with 2 factors g

型孔個數(shù)/個型孔直徑/mm25303540522．44043．20171．943112．612626．79851．62485．578133．432730．95159．28096．828155．432835．89869．205109．256172．100

5.1.2試驗結(jié)果及分析

利用方差分析對試驗因素的主次順序進行區(qū)分，結(jié)果如表5所示。

表5　兩因素仿真試驗方差分析表

由表5可以看出：因素A和因素B對單列型孔的運種量影響顯著。由F值可以看出，影響作用因素A>B。因此，兩個因素對單列型孔運種量的影響主次順序為型孔直徑>型孔個數(shù)。

5.2單因素試驗

通過以上試驗與分析可知：試驗因素對單列型孔運種量的影響主次順序為型孔直徑>型孔個數(shù)。為了確定供種450g時型孔的大小，選擇5個型孔，通過改變型孔直徑，繼續(xù)進行單因素仿真試驗，結(jié)果如表6所示。

表6　單因素仿真試驗結(jié)果

應(yīng)用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，建立型孔為5個時，單列型孔運種量y與型孔直徑x的數(shù)學(xué)模型為

y=0.003908283x3-0.2730646x2+

11.11744x-147.5879

利用方差分析對方程誤差進行分析比較和統(tǒng)計，結(jié)果如表7所示。

表7　回歸方程方差分析表

方差分析表顯示F>Fα，說明方程在α=0.01的水平上高度顯著。同時，可決系數(shù)R=0.999 61，說明方程擬合程度好，可信度較高。

5.3試驗驗證分析

5.3.1試驗過程

為了驗證以上分析的可行性，通過方程求解在單個種箱供種量為450g，5個型孔時，型孔直徑為63.1mm，取實際直徑64mm，設(shè)計試驗裝置進行試驗驗證與分析,現(xiàn)場試驗如圖6所示。定量供種裝置整體材料為有機玻璃，采用模具制作了5個直徑64mm的型孔。仿真裝置的漏斗僅保留護種區(qū)以簡化試驗裝置，所加種子可完全充滿型孔。驗證性試驗裝置如圖7所示。定量供種裝置整體材料為有機玻璃，采用模具制作了5個直徑64mm的型孔。仿真裝置的漏斗僅保留護種區(qū)以簡化試驗裝置，所加種子可完全充滿型孔。

圖6　播種試驗現(xiàn)場

1.觸摸屏　2.光電傳感器　3.定量供種箱　4.步進電機5.步進電機驅(qū)動器　6.PLC控制器　7.電源　8.RS232通訊電纜圖7　自動定量供種實驗裝置

供種裝置整體主要分為兩部分，即機械部分和控制部分。其中，機械部分主要由步進電機支撐板、窩眼輪、旋轉(zhuǎn)軸、軸承及聯(lián)軸器組成；控制部分主要由PLC控制器、觸摸屏、步進電機及光電傳感器等部分組成。窩眼輪為直徑和長度一定的圓柱體，其上每隔120°開有大小一致的列半球形窩眼型孔，每一列可根據(jù)播種機參數(shù)設(shè)置具體設(shè)計型孔大小及個數(shù)，外部由PLC控制步進電機，帶動窩眼輪勻速旋轉(zhuǎn)。試驗前，測量了型孔所能容納的種子實際和理論容量值(見表8)，種子總質(zhì)量平均為426.73g，與仿真相對誤差為3.1%。

表8型孔可容納種子的實際和理論值

Table 8Practical and theoretical mass contain by holes g

實際值理論值第1次426．8440．555第2次426．7440．555第3次426．7440．555

試驗過程中采取了輔助措施，在加種時由于只設(shè)計了其中一個試驗種箱，所以在加種時另外的450g種子由人工直接加振動種盤，振動種盤種群初始質(zhì)量、播種機各參數(shù)設(shè)置、水稻種子及處理方式、試驗指標均與供種量試驗相同。播種到第16盤、供種裝置加種一次后，再連續(xù)播種10盤，記錄加種后各盤的合格率。

5.3.2試驗結(jié)果與分析

使用供種試驗裝置進行試驗后，結(jié)果如表9所示。從仿真試驗結(jié)果可以看出：型孔所能容納的實際值與理論值誤差為3.1%，且與450g相近，說明根據(jù)仿真得到的方程具有適用性；加種后各盤合格率均在90%以上，說明通過供種試驗裝置進行加種有效，供種方法可行。

表9加種后播種試驗結(jié)果

Table 9Seeding experiment results after supply seeds /%

播種盤數(shù)合格率播種盤數(shù)合格率190．63292．86391．52491．96592．86691．96791．40891．29992．861093．08

6　結(jié)論

1)供種量試驗表明：種群初始質(zhì)量為5kg時，從第3盤播種開始，每13盤需要兩個種箱各供種約450g,以維持播種合格率在90%以上。

2)采用光電傳感器對播種盤數(shù)進行計數(shù)，PLC控制窩眼輪裝置進行供種。根據(jù)對播種機工作過程的分析，得到了窩眼輪旋轉(zhuǎn)速度為0.209rad/s時，在吸種和播種間隙進行供種作業(yè)不會影響播種效率。

3)基于EDEM離散元法對供種裝置運行過程進行了仿真，兩因素試驗結(jié)果表明：影響單列型孔運種量的主次因素為型孔直徑>型孔個數(shù)；通過單因素試驗得到的數(shù)學(xué)模型計算得出由單個種箱供種450g時，窩眼輪上型孔個數(shù)應(yīng)為5個，型孔直徑應(yīng)為64mm。依據(jù)理論分析設(shè)計了試驗裝置并進行了試驗驗證，結(jié)果表明：加種后各盤合格率均在90%以上，達到預(yù)期要求，供種試驗裝置加種有效，為進一步設(shè)計精密播種機定量供種裝置提供了思路和理論依據(jù)。

參考文獻：

[1]胡建平,郭坤,周春健，等.磁吸滾筒式排種器種箱振動供種仿真與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2014(8):61-65.

[2]鄭丁科,李志偉,區(qū)穎剛.電磁振動組合式毯狀秧苗播種裝置的設(shè)計與試驗[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004(1):103-106.

[3]鹿芳媛,馬旭,齊龍，等.基于離散元法的雜交稻振動勻種裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2016(10):17-25.

[4]邢赫,臧英,王在滿,等.水稻氣力式排種器分層充種室設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015(4):42-48.

[5]鄧偉健,李志偉,邱秀麗,等.基于交叉導(dǎo)流式種箱的稻種流動性及結(jié)拱研究[J].農(nóng)機化研究,2013,35(12):145-149,154.

[6]陳進,李建華,李耀明,等.氣吸振動盤式精密播種機吸種高度控制與供種裝置[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2013(S1):67-71.

[7]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2006.

[8]龔智強.氣吸振動盤式精密排種裝置理論與試驗研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2013.

[9]王金武,唐漢,王奇,等.基于EDEM軟件的指夾式精量排種器排種性能數(shù)值模擬與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015(21):43-50.

[10]Fleissner F,Gaugele T,Eberhard，P． Applications of the discrete element method in mechanical engineering [J].Multibody System Dynamics，2007，18(1):81-94．

[11]J Li,C Webb,S S Pandiella,et al.Discrete particle motion on sieves-a numerical study using the DEM simulation[J].Power Technology，2003，133:190-202.

[12]史嵩,張東興,楊麗,等.基于EDEM軟件的氣壓組合孔式排種器充種性能模擬與驗證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2015,31(3):62-69.

[13]張燁,李長友,李建民，等.稻谷摩擦特性研究[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(13):15-17.