史 嵩 周紀磊 劉 虎 方會敏 薦世春 張榮芳

(山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院， 濟南 250010)

0 引言

單粒精量播種技術(shù)可以節(jié)約良種、實現(xiàn)種子在田間的均勻分布，是提高作物單產(chǎn)、降低生產(chǎn)成本的重要手段[1]。作物生產(chǎn)主要依賴機械化，播種質(zhì)量離不開高性能的精密播種機，而精量排種器作為播種機的核心部件和關(guān)鍵技術(shù)載體，其工作性能直接影響播種機的作業(yè)質(zhì)量和工作效率[2]。

氣吸式排種器工作過程一般分為充種、清種、護種、投種4個環(huán)節(jié)[3-4]，充種是后續(xù)各環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)[5-6]。隨著播種機作業(yè)速度的提高及相應(yīng)排種盤轉(zhuǎn)速的增加，充種時型孔處氣流力作用時間縮短、離心力增大，導致充種性能下降，嚴重影響播種機作業(yè)質(zhì)量。因此，對于氣吸式排種器，充種性能是其作業(yè)速度提升的關(guān)鍵[7]。

針對此問題，國內(nèi)學者對排種器充種性能進行了深入研究。張國忠等[8-9]在排種盤上設(shè)計了一種直線型攪種齒，形成種子“翻動”，提高了種子流動性，降低漏充的概率。楊麗等[10-12]采用機械輔助的充種方式，設(shè)計了一種凸臺式排種盤，在擾動種群的同時托持種子，起到輔助充種的作用；陳進等[13-14]利用電磁振動的方法，將種子振動至沸騰狀態(tài)，達到降低種間阻力和輔助充種的目的；祁兵等[15-16]采用氣流擾動的方法，將正壓氣流引入充種區(qū)種群的底部，將種子群體“流態(tài)化”，達到提高充種性能的目的。上述研究均能提高排種器的充種性能，但大多都需要破壞種子原本密集接觸體系，對外力強度有較高要求[17-19]。此外，該擾動過程中種子群體接觸狀態(tài)多變且難以預測，存在再次阻礙充種的不穩(wěn)定因素[20]。

本文針對氣吸式排種器高速作業(yè)時因充種性能不佳造成排種質(zhì)量下降的問題，將曲線型導種槽融入排種盤，設(shè)計一種驅(qū)導輔助充種氣吸式精量排種器。借助原有種子群體接觸體系，在種子充填的吸附跟隨階段，驅(qū)導種子主動沿導種槽的曲線方向移動，逐漸靠近型孔；在脫離種群階段，帶動種子群體形成松散的接觸狀態(tài)，降低種間接觸和移出阻力。對排種器充種過程進行分析，通過理論計算以及CFD-DEM數(shù)值分析，確定排種盤導種槽的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并對其進行臺架對比試驗和田間驗證試驗。

1 整體結(jié)構(gòu)及充種過程分析

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

驅(qū)導輔助充種氣吸式精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由下殼體、清種刀、上殼體、排種盤、擋種毛刷帶和驅(qū)動電機等零部件組成。轉(zhuǎn)動清種調(diào)整輪可改變內(nèi)外清種刀位置，控制清種力度。排種盤由伺服電機驅(qū)動，根據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)定的株距等參數(shù)，隨機具的前進速度按照一定傳動關(guān)系比例同步轉(zhuǎn)動。

圖1 驅(qū)導輔助充種氣吸式精量排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of pneumatic precision seed-metering device with guided assistant seed-filling1.上殼體 2.下殼體 3.充種區(qū)種群 4.被吸附的種子 5.清種調(diào)整輪 6.清種刀 7.排種盤 8.負壓氣管 9.擋種毛刷帶 10.驅(qū)動電機 11.排種盤導種槽 12.型孔

排種器工作時，利用氣流在排種盤型孔兩側(cè)形成壓差，將種子吸附在排種盤上，而后種子隨排種盤轉(zhuǎn)動，脫離密集堆積的種群，完成分離過程；隨后種子進入清種區(qū)，在內(nèi)外清種刀的反復觸碰下，在型孔上留下單粒種子，完成定量過程；在落種區(qū)，型孔負壓氣流被阻斷后，種子依靠自重經(jīng)導種管落入種床，完成整個排種過程。

1.2 充種過程分析

根據(jù)種子的受力狀態(tài)和所處位置的變化規(guī)律，可以將充種過程分為2個階段：①吸附跟隨階段。隨機進入型孔氣流力控制范圍內(nèi)的種子，會在型孔處的氣流吸附下，跟隨轉(zhuǎn)動的排種盤發(fā)生滑移拖動。②脫離種群階段。在型孔氣流力拖動下，種子不斷克服種間的移動阻力，直至占據(jù)型孔優(yōu)勢位置，被完全吸附在型孔上，隨排種轉(zhuǎn)動盤脫離種群[21-22]。

在吸附跟隨階段，進入型孔氣流力控制區(qū)內(nèi)的種子，當達到受力臨界條件時，會在型孔吸附作用下，跟隨排種盤產(chǎn)生位移，目標種子需要由靜止狀態(tài)進入運動狀態(tài)，最終達到與型孔相同的速度，這個過程除了受型孔氣流力的影響，還受到來自周圍種群對目標種子擠壓力的影響，隨機性較大，如圖2所示。為了提高該階段充種性能，通過在排種盤上增加導種槽，對種子起到一定的托持作用，將排種盤對種子的作用形式，由摩擦力改為托持力，在種子進入氣流力控制區(qū)之前，使其先產(chǎn)生速度，主動向型孔方向移動，以運動的狀態(tài)進入型孔氣流控制區(qū)，提高種子附著幾率與型孔吸種效率。

圖2 不同形式排種盤吸附跟隨階段種子接觸狀態(tài)Fig.2 Contact status of seed during state of adsorption and companion with different plates1.氣流力控制區(qū)內(nèi)的種子 2.目標種子 3.氣流力控制區(qū)外的種子 4.型孔 5.排種盤 6.排種盤導種槽

在脫離種群階段，種子即將突破種層線完成充種，目標種子在型孔氣流力吸附拖動下，逐漸占據(jù)型孔，而上層種子在接觸力與自重的作用下，阻礙其脫離種群[23]，如圖3所示。為了提高該階段充種性能，通過導種槽對種群上層種子產(chǎn)生擾動，提高該區(qū)種群松散程度，間接降低種間接觸及其產(chǎn)生的移出阻力，輔助目標種子最終突破種層線，順利完成整個充種過程。

圖3 不同形式排種盤脫離種群階段種群狀態(tài)Fig.3 Status of seeds when seeds broke away from seed group with different plates1.型孔 2.目標種子 3.上層種子 4.種層線 5.排種盤導種槽 6.上層種群擾動區(qū)域

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

2.1 排種盤導種槽曲線設(shè)計

吸附跟隨階段，在氣流力作用下，靠近型孔的種子在進入型孔氣流力控制區(qū)后，會由靜止狀態(tài)逐漸達到運動狀態(tài)，該過程中還需要不斷地克服種間阻力，因此型孔吸附效率較低，易出現(xiàn)漏充、空穴。利用曲線導向作用，驅(qū)使種子主動向型孔方向移動，促使種子以運動的姿態(tài)，進入型孔氣流力控制區(qū)內(nèi)，以提高型孔吸附種子的成功率。

為了使導種槽驅(qū)導種子靠近型孔過程中，能夠帶動種群由內(nèi)向外運動，在設(shè)計種子絕對運動軌跡時，考慮使其沿著導種槽起始點基圓切線方向作直線運動，如圖4所示。在初始時刻，排種盤上的N點，經(jīng)過時間t后轉(zhuǎn)過λ，到達A點。初始時刻位于N點的種子，經(jīng)過時間t后到達K點，為確保種子在進入型孔氣流力控制區(qū)時，具有與型孔相同的切線速度，應(yīng)使種子運動在切線方向的速度分量與所在排種盤位置點的切線速度相等，同時還需保持種子絕對運動軌跡為直線。因此，種子相對于坐標OYZ的絕對運動為變加速直線運動。經(jīng)過時間t后，種子在K點處的速度為

v1=v2/cosφ

(1)

其中

(2)

將式(2)代入式(1)得

v1=Rω/cos2(kωT)

(3)

圖4 排種盤導種槽曲線方程推導Fig.4 Derivation of disturbance groove curve equation1.種子相對運動軌跡 2.目標種子 3.種子絕對運動軌跡 4.移動過程的種子 5.型孔 6.排種盤導種槽 7.排種盤

經(jīng)過時間t后種子絕對運動位移為

(4)

式中v1——種子在K點處的速度，m/s

v2——種子在K點切線方向的速度分量，m/s

ω——排種盤角速度，rad/s

R——導種槽曲線基圓半徑，m

R1——K點距離圓心O的距離，m

φ——線段OK與ON的夾角，rad

k——種子轉(zhuǎn)角速率系數(shù)，取0.1～0.9

T——種子運動時間，s

t——種子實際運動時間，s

λ——排種盤經(jīng)過時間t轉(zhuǎn)過的角度，rad

排種盤作勻速圓周運動，種子絕對運動為直線變加速運動，以排種盤作為動坐標系時，種子存在一條相對運動軌跡。為了使導種槽能夠驅(qū)導種子按照設(shè)定的路線移動，導種槽的曲線方程需與種子相對軌跡保持一致，曲線參數(shù)表達式為

(5)

其中

θ=λ-φ

(6)

R1=R/cosφ

(7)

將式(6)、(7)代入(5)得

(8)

其中

tanφ=lNK/R

(9)

簡化后得

(10)

式中xK——K點在絕對坐標系中的X軸坐標值，m

yK——K點在絕對坐標系中的Y軸坐標值，m

θ——線段OA與OK的夾角，rad

ξ——λ值域的上限，rad

可得R1表達式為

(11)

種子在排種盤上的相對運動軌跡為基圓半徑為R的曲線(式(10))。由于R1需小于型孔定位圓半徑，因此λ取值上限ξ的范圍為37.13°～42.02°，不同導種槽曲線基圓半徑R會改變曲線的平滑程度，進而在種子脫離種群階段，影響其對種層線周圍種群的擾動效果，將利用仿真對該參數(shù)進行優(yōu)化。

2.2 種子在導種槽內(nèi)受力分析

為了使種子可以順利地沿設(shè)計的種子軌跡曲線向型孔移動，對種子在導種槽內(nèi)的受力進行了分析，如圖5所示。在該過程中，種子主要與導種槽斜面接觸，接觸點為o′，以此點為原點，以垂直于排種盤方向為x軸，以種子軌跡曲線的切線方向為y軸、法線方向為z軸，建立空間直角坐標系o′xyz。

圖5 種子在導種槽內(nèi)的受力分析Fig.5 Stress analysis of seed in disturbance groove1.排種盤 2.目標種子 3.導種槽斜面 4.型孔 5.種子重心6.種子與斜面接觸點 7.種子軌跡曲線

在o′xz平面，種子受到垂直于斜面的種群擠壓力、沿斜面方向的摩擦力、垂直于斜面的支持力, 在x軸的方向，種子受力平衡，受力方程為

Nsinσ=fssinσ+fm2cosσ

(12)

其中

fm2=Nμ

(13)

可得

fs=N(1-μcotσ)

(14)

式中N——導種槽斜面對種子支持力，N

fs——種群對種子施加的擠壓力，N

fm2——沿斜面方向的摩擦力，N

σ——導種槽斜面傾斜角，rad

μ——種子與排種盤滑動摩擦因數(shù)

在o′yz平面，種子受到豎直方向的重力G、沿著y軸的摩擦力fm1、沿著z軸的合力Q。合力Q是在o′xz平面上的支持力、摩擦力、種群擠壓力在z軸分力之和，在z軸方向種子受力平衡，受力方程為

(15)

可得

G=μNcscσsecτ

(16)

式中τ——重力與z軸之間的夾角，rad

為了使種子能夠順利沿著導種槽軌跡線運動，應(yīng)確保其有沿y軸負方向運動的趨勢，即各力在y軸的分力之和為負，即

Gsinτ≥fm1

(17)

將式(16)代入式(17)，可得

sinσ≤tanτ

(18)

圖4中λ為種子軌跡曲線參數(shù)，與導種槽內(nèi)的種子與排種盤中心點O之間的距離有關(guān)，由式(11)中的R1決定；點A′為導種槽種子軌跡曲線起點，υ為線段OA′與排種盤水平線的夾角，該角與型孔充種位置有關(guān)。本文設(shè)計的排種器種層線處于水平位置，為了使種子在脫離種層時，仍受到導種槽的驅(qū)導作用，因此取υ=0，此時τ=λ，在確定種子軌跡曲線基圓半徑R后，通過式(11)與式(18)可以確定σ的取值范圍。σ過小會導致導種槽斜面消失，在與種群接觸、驅(qū)導、擾動的過程中，易對種子造成損傷，因此在求解σ時，取值域的最大值。

3 排種盤導種槽擾種仿真

采用局部空隙率作為指標，分析不同導種槽曲線對顆粒群體松散程度的影響關(guān)系，得到最佳的曲線方程基圓半徑。在由種子群體構(gòu)成的離散態(tài)顆粒物質(zhì)體系內(nèi)，氣流與種子、種子與種子互相作用頻繁，具有較為復雜的性質(zhì)，很難通過理論計算推導出局部空隙率的變化規(guī)律，而傳統(tǒng)檢測手段又無法準確測量出運動條件下的種群局部空隙率。隨著計算機仿真技術(shù)的發(fā)展，本文利用離散體仿真軟件EDEM，采用流體-顆粒氣固耦合數(shù)值仿真試驗，進行曲線方程基圓半徑的優(yōu)化計算。

3.1 種子的顆粒模型

選擇黃淮海地區(qū)常見的登海605玉米種子作為建模對象，按照該品種種子的外形特點，將其劃分為寬扁型、圓扁形、類圓形，每類各選取1粒具有代表性的種子。借助藍光三維掃描，獲取3粒種子的外形點云數(shù)據(jù)；經(jīng)過逆向工程處理，通過非均勻有理B樣條曲面(NURBS)擬合建立種子實體模型。

利用離散元仿真軟件的顆粒粘結(jié)模型(Hertz-Mindlin with bonding)，采用網(wǎng)格快速填充法和用戶自定義顆粒工廠(API-Factory)顆粒替換法，得到由數(shù)百個小顆粒粘結(jié)而成的玉米仿真顆粒模型，如圖6所示，圖中從上到下依次為3類種子的真實圖像、通過NURBS曲面構(gòu)建的種子實體模型和種子顆粒填充粘結(jié)模型[24-25]。

圖6 玉米種子仿真模型Fig.6 Simulation models of corn seeds

3.2 排種器的仿真模型與仿真參數(shù)

驅(qū)導輔助充種氣吸式排種器種子顆粒堆積較為密集，氣固耦合仿真分析中顆粒對氣流場的影響不能忽略，因此采用歐拉(Eulerian)雙向耦合模型進行仿真，曳力模型為自由流動模型(Free-strem)。排種器氣流場模型簡化為上殼體、導種槽、型孔等6部分。采用滑移網(wǎng)格法(Sliding mesh)，將導種槽與型孔體網(wǎng)格區(qū)域?qū)傩栽O(shè)定為動態(tài)網(wǎng)格(Moving mesh)，其他部分網(wǎng)格區(qū)域默認為靜止，利用設(shè)定交界面(Interface)完成動、靜區(qū)域之間的數(shù)據(jù)交換。采用三角網(wǎng)格單獨建立排種盤面網(wǎng)格，便于在EDEM軟件中形成完整的排種盤結(jié)構(gòu)。排種器網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 排種器氣流場簡化模型網(wǎng)格劃分Fig.7 Meshing model of airflow field of simplified seed meter1.上殼體 2.排種盤 3.導種槽 4.型孔 5.密封氣道 6.進氣道

以現(xiàn)有排種盤結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分析曲線基圓半徑對種群上層松散程度的影響，仿真選取0.13～0.17 m共9個不同的基圓半徑，具體尺寸如圖8所示。

圖8 不同基圓半徑的導種槽Fig.8 Disturbance grooves with different base radii

排種器中排種盤、清種刀等與種子發(fā)生接觸的部件，均采用聚己二酰己二胺材料(尼龍66)。經(jīng)過參數(shù)標定后，確定了顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸參數(shù)[26-27]。玉米顆粒、尼龍材料的力學性能和相互之間的接觸參數(shù)如表1所示。

表1 氣固耦合仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of air-solid coupling

仿真設(shè)定排種盤角速度為2 rad/s(株距為0.247 m時，前進速度為10.1 km/h),進氣口壓力為-5 kPa,顆粒場仿真時間步長為1×10-5s，氣流場仿真時間步長為5×10-4s，玉米種子顆粒個數(shù)為300個，顆粒替換粘結(jié)后，總顆粒數(shù)為1.03×105個，仿真總時間3 s。

3.3 仿真結(jié)果分析

仿真以導種槽曲線基圓半徑為變量，共進行9個水平的試驗，采用EDEM的API-Factory完成初始狀態(tài)種子顆粒的快速生產(chǎn)，確保每次仿真種子顆粒的初始位置保持一致，圖9為基圓半徑0.155 m的氣固耦合仿真結(jié)果。

圖9 氣固耦合仿真結(jié)果Fig.9 Descriptions of airflow field of air-solid coupling simulation and particle field1.充種區(qū)種子顆粒 2.型孔處種群局部空隙率觀測區(qū) 3.清種刀 4.導種槽 5.排種盤 6.密封氣道 7.進氣口

在每個型孔處設(shè)置觀測區(qū)(Geometry bin group)，觀測區(qū)為圓臺形(圖9)，提取每一時刻觀測區(qū)的顆?？倲?shù)量，型孔處局部空隙率計算公式為

η=(1-nPVP/VG)×100%

(19)

式中η——型孔處顆粒局部空隙率，%

nP——觀測區(qū)內(nèi)粘結(jié)小顆粒個數(shù)

VP——粘結(jié)小顆粒的體積，m3

VG——觀測區(qū)圓臺形體積，m3

如圖10所示，根據(jù)充種過程中型孔局部空隙率的變化趨勢，可以將其分為4個區(qū)，在無種區(qū)Ⅰ，型孔剛剛完成上個排種周期，型孔上無種子，因此局部空隙率為100%；隨著排種盤進入充種區(qū)Ⅱ，型孔設(shè)置的觀測區(qū)逐漸被種子填充，局部空隙率達到最低值；當種子即將脫離種群時，觀測區(qū)內(nèi)的顆粒數(shù)量迅速下降，局部空隙率快速升高(脫離種群區(qū)Ⅲ)；當種子完全脫離種群后，觀測區(qū)內(nèi)的顆粒數(shù)量趨于平穩(wěn)(清種投種區(qū)Ⅳ)，直至種子排出。

圖10 局部空隙率隨時間變化趨勢Fig.10 Tendency of local void ratio with time

在脫離種群區(qū)的開始階段，如型孔處顆粒局部空隙率越高，則吸附在型孔上的種子與周圍種子接觸的幾率就越小，受到種間移出阻力也會相應(yīng)減小，此時排種盤導種槽擾動種子效果最佳。本文將以脫離種群區(qū)開始階段的局部空隙率作為評價指標，分析曲線基圓半徑對其變化的影響。在每個水平的仿真數(shù)據(jù)中，提取同時段內(nèi)18個連續(xù)型孔的數(shù)據(jù)，計算局部空隙率，對其均值、置信區(qū)間內(nèi)上下限、最小顯著性差異(LSD)進行統(tǒng)計，均值差的顯著水平為0.05，結(jié)果如圖11所示。

圖11 導種槽曲線基圓半徑與局部空隙率關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between base radius of disturbance groove and local void ratio

由圖11可以看出，最高點數(shù)值與兩側(cè)較低點數(shù)值之間的均值存在顯著差異，因此極值點附近存在曲線基圓半徑最佳值。利用SPSS軟件對各數(shù)值點的均值進行回歸分析，回歸方程為

η=-4 493.5R2+1 415.71R-47.592

(20)

求解極值點得到最佳基圓半徑為0.158 m，根據(jù)式(11)、(18)，最終確定了σ的取值范圍為62°～70°。根據(jù)排種盤導種槽設(shè)計參數(shù)，完成了排種器的加工試制。

4 試驗

選用山東登海種業(yè)的登海605玉米雜交種，樣本平均千粒質(zhì)量339.1 g，含水率13.2%。在PS-12型排種器性能檢測試驗臺上完成臺架試驗，試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法按照《單粒(精密)播種機試驗方法》的規(guī)定。驅(qū)導輔助充種氣吸排種器由獨立的伺服電機直接驅(qū)動，種床帶相對于排種器單向運動，模擬播種機前進運動狀態(tài)，種子落入粘稠油液模擬的開溝種床帶上，通過試驗臺高速攝像及圖像識別記錄粒距，并進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，如圖12所示。

圖12 排種器臺架試驗Fig.12 Bench test of seed meter1.伺服電機驅(qū)動器 2.伺服驅(qū)動電機 3.驅(qū)導輔助充種氣吸排種器 4.負壓氣管 5.種床帶

4.1 雙因素試驗

為了初步確定排種器最佳工作壓力以及適應(yīng)的作業(yè)速度范圍，以前進速度、工作壓力為因素，進行了排種器雙因素重復試驗，因素水平如表2所示。

試驗設(shè)置理論株距0.247 m，以粒距合格指數(shù)和漏播指數(shù)作為試驗指標，試驗結(jié)果如圖13所示。從圖13a可以看出，當工作壓力為-3.5～-4 kPa

表2 試驗因素水平Tab.2 Levels of test factors

圖13 工作壓力與前進速度對排種器性能的影響Fig.13 Influence of working pressure and forward speed on performance of seed meter

時，排種器隨著前進速度的增加，合格指數(shù)逐步下降，工作壓力-4～-6 kPa，各速度段的合格指數(shù)趨于平穩(wěn)；從圖13b可以看出，當工作壓力為-3.5～-4 kPa時，漏播較為嚴重。

為了獲得排種器最佳工作參數(shù)，利用Design-Expert軟件的回歸和優(yōu)化模塊，對排種器工作參數(shù)進行優(yōu)化，回歸方程為

A=104.28+0.77P-1.08S-0.18PS

(21)

M=-1.58-0.61P+0.64S+0.19PS+0.02S2

(22)

式中A——粒距合格指數(shù)，%

M——漏播指數(shù)，%

P——工作壓力，kPa

S——前進速度，km/h

以粒距合格指數(shù)和漏播指數(shù)為最終優(yōu)化目標，建立優(yōu)化數(shù)學模型，結(jié)合各因素邊界條件，進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)和約束條件為

(23)

如式(23)所示，在較小的工作壓力下，獲得較高合格指數(shù)和較低的漏播指數(shù)，且要求漏播指數(shù)控制在1.5%以內(nèi)，由于大田生產(chǎn)對漏播要求較為嚴格，因此本文將提高對漏播指數(shù)控制的權(quán)重，各目標函數(shù)的權(quán)重賦值如表3所示。

表3 各目標函數(shù)約束條件Tab.3 Constraints of objective functions

在Design-Expert軟件按照表3完成參數(shù)設(shè)置，得到臺架試驗和田間試驗5種常用速度下的最佳工作壓力，同時進行驗證試驗，結(jié)果表明回歸方程可以較好地預測最佳工作壓力，結(jié)果如表4所示。

表4 最佳工作參數(shù)與驗證試驗結(jié)果Tab.4 Optimal working parameters and verification test results

4.2 對比試驗

為了驗證驅(qū)導輔助充種氣吸式精量排種器在高速條件下提升排種器充種率的效果，選用其他2種氣吸式排種器進行對比試驗，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表5所示。

表5 對比試驗排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.5 Structure parameters of different seed-metering devices

采用單因素試驗，速度選取5、6、7、8、9、10、11、12 km/h共8個因素水平，設(shè)理論粒距為0.247 m，工作壓力分別選用-6、-5 kPa，本文排種器最佳工作壓力為-5 kPa，其他2個最佳工作壓力為-6 kPa。圖14為排種器臺架對比試驗的情況。

圖14 排種器臺架對比試驗Fig.14 Comparative bench tests of different seed meters1.攪種圓柱 2.攪種撥片 3.導種槽

以型孔離開種層時的位置作為初始點，以清種區(qū)開始端作為終止點，利用高速攝像機記錄該區(qū)的影像，將離開觀察區(qū)型孔上無種子的情況判定為漏充，漏充率計算式為

L=nm/Np×100%

(24)

式中L——排種器漏充率，%

nm——漏充的型孔個數(shù)

Np——所記錄的總型孔個數(shù)

每組試驗檢測不低于250個型孔數(shù)，每次試驗重復3次取平均值，試驗結(jié)果如圖15所示。

圖15 各排種器漏充率隨前進速度的變化曲線Fig.15 Changing curves of missing rate and forward speeds under setting pressure

從圖15可以看出，工作壓力為-5 kPa時，隨著前進速度的增加，1號和2號排種器的漏充率均出現(xiàn)了不同程度的增大，當前進速度為12 km/h時，兩個排種器漏充率都超過了7%，本文排種器在各個前進速度水平上漏充率均低于1.5%。當工作壓力為-6 kPa時，1號和2號排種器漏充率在各個速度水平上都有所下降，其中2號排種器在10 km/h時，漏充率仍保持在1%以內(nèi)，但在12 km/h高速狀態(tài)下，漏充率又迅速上升至3%，而本文排種器的漏充率一直維持在1%以內(nèi)。綜上分析，在型孔尺寸相近的情況下，本文排種器導種槽結(jié)構(gòu)能夠有效提升高速作業(yè)充種性能，且在一定程度上降低排種器充種環(huán)節(jié)對工作壓力的需求。

4.3 田間試驗

為進一步研究驅(qū)導輔助充種氣吸式精量排種器的工作性能，2017年10月在濟南市章丘區(qū)棗園試驗基地進行了田間試驗，選用2BMZF-4I型氣力式電驅(qū)玉米免耕播種機，在進行排種器田間試驗的同時，該機也完成了機械工業(yè)農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心(濟南)的檢測。圖16為排種器田間試驗與整機檢測情況。

圖16 排種器田間試驗與檢測情況Fig.16 Test situation of seed meter in field1.種箱 2.播種機單體 3.驅(qū)導輔助充種排種器 4.驅(qū)動電機

試驗配套拖拉機動力為110 kW，風機為液壓馬達直驅(qū)，通過油門及節(jié)流閥控制液壓馬達轉(zhuǎn)速，工作壓力為-5 kPa，誤差為±0.3 kPa；排種盤由伺服電機驅(qū)動，按照設(shè)定的株距隨機具前進速度同步轉(zhuǎn)動；試驗地地表為已耕地，地面較為平整；試驗小區(qū)長度設(shè)置為50 m，前20 m為加速區(qū)，后30 m為數(shù)據(jù)采集測區(qū)；試驗共使用4個國標性能指標和1個自定義指標，其中排種準確度為自定義指標，主要考察在規(guī)定的區(qū)間內(nèi)，排種器實際排量與理論排量的差距，反映排種器排種粒數(shù)的準確性，其計算公式為

J=(nc-1)/(Lp/SL)×100%

(25)

式中J——排種準確度，%

nc——測區(qū)內(nèi)種子的個數(shù)

Lp——測區(qū)內(nèi)頭種和尾種之間的距離，m

SL——理論粒距，m

試驗采用單因素試驗，每個速度水平重復3次試驗，對因素各水平進行了最小顯著性差異(LSD)分析，均值差的顯著水平為0.05，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 排種器田間試驗數(shù)據(jù)Tab.6 Test result of seed meter in field %

注：同列不同小寫字母表示相關(guān)性顯著。

試驗結(jié)果表明，隨著作業(yè)速度的增加，漏播指數(shù)和變異系數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)、重播指數(shù)、排種準確度均有所下降，各速度水平下，粒距合格指數(shù)穩(wěn)定在91%以上，其他各項數(shù)據(jù)均優(yōu)于國標要求。

由LSD分析可以看出，11.6 km/h水平下的合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)與其他2個水平的均值存在顯著差異，這說明11.6 km/h時排種器性能發(fā)生明顯變化。從排種準確度來看，3個速度水平相差不大，且均值差異不顯著。試驗過程發(fā)現(xiàn)種子落入種溝后的彈跳現(xiàn)象，在測量9.11、11.6 km/h 2個水平的種子粒距時，也出現(xiàn)了一定數(shù)量的漏播和重播彼此相鄰的情況。由此可以推斷，在高速作業(yè)條件下，排種器排出的“有序”種子流，受到了振動及碰撞的影響，最終并未在種溝內(nèi)形成均勻的粒距[28]。因此，建議排種器在高速條件下作業(yè)時，增加種子投送與定位裝置，以提高粒距一致性。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了驅(qū)導輔助充種氣吸式精量排種器，規(guī)劃了種子相對運動軌跡，通過受力分析確定了排種盤導種槽曲線的基本參數(shù)。

(2)對排種器工作過程進行了氣固耦合仿真，分析了導種槽曲線基圓半徑對型孔處種群局部空隙率的影響，并通過回歸分析確定了曲線方程的最佳基圓半徑。

(3)通過雙因素試驗和多目標優(yōu)化方法，確定了排種器最佳工作壓力，通過對比試驗發(fā)現(xiàn)，前進速度為12 km/h時排種器漏充率不大于1.5%，低于其他擾種方式的排種器，且充種壓力需求也有所下降。通過田間試驗發(fā)現(xiàn)，排種器前進速度為9.11 km/h時，合格指數(shù)為95.48%，高速條件下充種性能較為穩(wěn)定。