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        小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器設(shè)計與試驗

        2022-11-03 11:11:06廖宜濤王寶山廖慶喜

        劉 海 廖宜濤 王 磊 王寶山 杜 錚 廖慶喜

        (1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 武漢 430070; 2.武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院, 武漢 430065;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實驗室, 武漢 430070)

        0 引言

        小白菜屬十字花科,是長江中下游地區(qū)廣泛種植的葉類菜[1],其種植方式主要以人工為主,勞動強(qiáng)度大、效率低,制約了小白菜的規(guī)模化生產(chǎn),小白菜機(jī)械化精量播種技術(shù)是提高小白菜直播作業(yè)水平的主要手段[2]。排種器是播種機(jī)的關(guān)鍵部件之一,其工作性能直接影響播種機(jī)的播種質(zhì)量[3-4]。氣力式排種器具有低傷種、速度適應(yīng)性廣、粒徑適應(yīng)范圍大等優(yōu)點(diǎn),是現(xiàn)階段精量排種技術(shù)的主要研究方向[5-7]。

        目前國內(nèi)外學(xué)者對精量排種技術(shù)進(jìn)行了深入研究[8-11]。ANANTACHAR等[12]為提高排種器充種性能,采用遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了排種器結(jié)構(gòu),提高了排種性能。GAIKWAD等[13]為提高蔬菜播種機(jī)排種性能,采用激振擾動結(jié)合負(fù)壓吸附方式設(shè)計了一種氣力式排種器。ARZU等[14]研究了氣力式排種器負(fù)壓、排種盤轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔數(shù)量對排種性能的影響,建立了不同參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。李兆東等[15]設(shè)計了一種油菜精量氣壓式集排器,該集排器利用氣流清種和氣壓護(hù)種技術(shù)實現(xiàn)精量排種。崔濤等[16]利用氣吹清種原理設(shè)計了一種內(nèi)充氣吹式精量排種器,可實現(xiàn)玉米單粒精量排種。李玉環(huán)等[17]設(shè)計了一種一器雙行氣吸式精量排種器,該排種器采用單風(fēng)道實現(xiàn)了雙行排種,適用于類球型種子精量排種。尹文慶等[18]采用二級排種方式開展氣力組合式精密排種器的設(shè)計,試驗表明蔬菜種子在最優(yōu)真空度下排種合格指數(shù)高于93%。上述研究表明氣力式排種器通用性好,對種子適應(yīng)性較強(qiáng)[19-24],可實現(xiàn)不同形狀、粒徑種子的精量排種。而適應(yīng)于長江中下游地區(qū)小白菜精量多行集中排種的排種器研究較少,制約了小白菜精量播種的發(fā)展。

        針對小白菜精量復(fù)式播種機(jī)采用單體排種器播種8行時需配置8個單行排種器,導(dǎo)致傳動系統(tǒng)復(fù)雜、各行出苗效果差異明顯等不足,本文基于小白菜種植農(nóng)藝要求,設(shè)計一種負(fù)壓吸種、攜種,正壓投種的小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器,采用雙排種盤共用同一氣室,實現(xiàn)2個排種盤可同時播種8行,通過仿真和臺架試驗獲取排種器較優(yōu)作業(yè)參數(shù),并通過田間試驗驗證排種器的實際作業(yè)效果。

        1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

        1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

        小白菜精量復(fù)式播種機(jī)主要由開溝器、排種器、傳動系統(tǒng)、氣力系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、機(jī)架和開溝起壟裝置等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

        圖1 小白菜精量復(fù)式播種機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of precision combined seeder for Pakchoi1.開溝器 2.排種器 3.傳動系統(tǒng) 4.氣力系統(tǒng) 5.施肥系統(tǒng) 6.機(jī)架 7.開溝起壟裝置

        表1 排種器主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of metering device

        1.2 工作原理

        小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器主要由排種口、種箱、罩殼、排種盤和氣室等組成,如圖2所示。排種器關(guān)鍵部件采用對稱布局形式,兩個排種盤共用同一氣室,每個排種盤上分布有4圈型孔,每圈型孔實現(xiàn)1行排種,排種器工作原理如圖3所示。

        圖2 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of metering device1.種箱 2.排種口 3.排種軸 4.罩殼 5.鎖緊螺母 6.氣室

        圖3 排種器工作原理圖Fig.3 Working principle of metering device1.負(fù)壓口 2.排種盤 3.氣室 4.型孔 5.正壓口 6.種子 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.攜種區(qū) Ⅲ.投種區(qū)

        排種器工作過程主要包括吸種、攜種和投種3個階段。工作時,排種盤上型孔依次經(jīng)過充種區(qū)、攜種區(qū)和投種區(qū)。種子因自重及種箱結(jié)構(gòu)而堆積于罩殼的充種區(qū),外界與氣室相連通并依靠氣力系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)提供一定負(fù)壓,單粒種子吸附于經(jīng)過充種區(qū)的型孔上并隨型孔同步繞排種軸轉(zhuǎn)動至投種區(qū),在正壓及自重作用下,種子脫離排種盤,通過排種口排出完成排種過程。

        2 排種器關(guān)鍵部件設(shè)計

        排種器關(guān)鍵部件設(shè)計以種子的機(jī)械物理特性為依據(jù)。小白菜種子類型為小粒徑類球型,流動性好、球形度高[25]。本文以春油1號、中箕青605及楚農(nóng)特矮白3種小白菜種子為排種對象,機(jī)械物理特性參數(shù)如表2所示。

        表2 小白菜種子機(jī)械物理特性參數(shù)Tab.2 Mechanical and physical properties of Pakchoi seeds

        由表2可知,小白菜種子的當(dāng)量直徑范圍為1.44~1.56 mm,球形度均高于94%。小白菜種子粒徑變化范圍大,為實現(xiàn)排種器的精量排種,確保排種盤每一型孔對應(yīng)一粒種子,需根據(jù)種子機(jī)械物理特性參數(shù)確定排種盤結(jié)構(gòu)參數(shù)。種子尺寸的概率分布如圖4所示。

        圖4 種子尺寸的概率分布Fig.4 Probability distributions of seeds’ size

        2.1 排種盤設(shè)計與分析

        2.1.1排種盤直徑

        排種盤是保證小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器實現(xiàn)精量排種的關(guān)鍵部件,種子在排種器內(nèi)的運(yùn)移主要由排種盤吸附種子并同步轉(zhuǎn)動完成,其中排種盤型孔結(jié)構(gòu)與類球形種子直徑密切相關(guān)[26],根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)和幾何關(guān)系得到排種盤直徑關(guān)系式為

        (1)

        式中n——排種盤轉(zhuǎn)速,r/min

        ω——排種盤回轉(zhuǎn)角速度,rad/s

        v——排種盤外圈線速度,m/s

        Dp——排種盤直徑,mm

        tx——攜種時間,s

        lx——攜種區(qū)弧長,mm

        θx——攜種區(qū)轉(zhuǎn)角,(°)

        由式(1)得出

        (2)

        根據(jù)式(2)可知,攜種時間tx與排種盤轉(zhuǎn)速n及攜種區(qū)轉(zhuǎn)角θx有關(guān),基于排種器氣室結(jié)構(gòu),確定其攜種區(qū)轉(zhuǎn)角θx為225°,則可判斷種子在攜種過程中吸附于型孔的攜種時間tx與排種盤轉(zhuǎn)速n成反比。根據(jù)排種器氣室結(jié)構(gòu)及文獻(xiàn)[27],確定排種盤直徑Dp為140 mm。

        2.1.2排種盤型孔數(shù)

        排種盤型孔參數(shù)是影響排種效率的重要因素,根據(jù)小白菜精量直播農(nóng)藝,設(shè)計排種盤轉(zhuǎn)速n取值范圍為10~50 r/min[28],根據(jù)播種機(jī)的傳動機(jī)構(gòu)有

        (3)

        式中N——單位時間內(nèi)每圈理想排種粒數(shù)

        Z——排種盤每圈型孔數(shù)

        t——播種機(jī)作業(yè)時間,s

        vm——機(jī)組前進(jìn)速度,m/s

        s——小白菜株距,mm

        θl——相鄰型孔中心角,(°)

        根據(jù)排種器主要技術(shù)參數(shù),小白菜株距s范圍為100~250 mm,結(jié)合圓周均布孔組要求,將排種盤轉(zhuǎn)速n、機(jī)組前進(jìn)速度vm以及小白菜株距s代入式(3)得到排種盤每圈型孔數(shù)Z為4~36,綜合考慮小白菜播量要求設(shè)計排種盤每圈型孔數(shù)Z為20,相鄰型孔中心角θl為18°。

        2.1.3排種盤型孔直徑

        排種器工作時,排種盤對種子有擾動作用,同時由于排種器攜種區(qū)的負(fù)壓作用,小白菜種子以單粒遷移方式吸附于排種盤各行型孔上,其穩(wěn)定狀態(tài)取決于型孔大小及氣室中的負(fù)壓。排種器采用垂直圓盤結(jié)構(gòu),雙排種盤為對稱分布形式,型孔為“沉頭”通孔,種子被吸附于型孔時受力分析如圖5所示。

        圖5 被吸附種子受力分析圖Fig.5 Force analysis of seed in carrying process1.排種盤 2.型孔 3.種子

        根據(jù)達(dá)朗貝爾原理[29],建立排種盤單粒種子的受力方程為

        (4)

        式中G——單粒種子重力,N

        Ri——各行型孔回轉(zhuǎn)半徑,mm

        Ffi——被吸附種子的內(nèi)摩擦力,N

        Ji——種子離心力,N

        Ti——G與Ji的合力,N

        Qi——Ti與Ffi的合力,N

        Pi——負(fù)壓下各行單個型孔對種子的吸附力,N

        H——種子重心到排種盤平面的距離,mm

        d——型孔直徑,mm

        m——單粒種子質(zhì)量,g

        θGJ——G與Ji之間的夾角,(°)

        θTF——Ti與Ffi之間的夾角,(°)

        Zi——?dú)馐邑?fù)壓,Pa

        vi——各行種子回轉(zhuǎn)線速度,m/s

        S——型孔吸附種子截面處面積,m2

        排種器工作時,被吸附種子在攜種區(qū)有空氣阻力作用,而在充種區(qū)有種子間的相互作用,其種子間的內(nèi)摩擦力在最底部位置型孔處最大,此時θGJ=θTF=0°,根據(jù)式(4)可得

        (5)

        其中

        6tanθz<λ<10tanθz

        式中λ——種子的摩擦阻力綜合系數(shù)

        θz——種子自然休止角[30]

        考慮到排種器工作時種子間相互碰撞及機(jī)組振動等因素,代入外界條件系數(shù)K1(1.6~2.0)和吸種可靠性系數(shù)K2(1.8~2.0),結(jié)合式(5)得到氣室內(nèi)通過單個型孔瞬時最大吸附壓強(qiáng)為

        (6)

        式中Zimax——?dú)馐遗R界負(fù)壓最大值,Pa

        由式(6)可知,充種區(qū)種子吸附于型孔時,氣室臨界負(fù)壓最大值Zimax與排種盤回轉(zhuǎn)角速度ω的平方成正比,與型孔直徑的3次方成反比。

        結(jié)合小白菜種子三軸尺寸,取種子平均寬度b為1.50 mm,代入型孔直徑公式d=(0.64~0.66)b,得到d的范圍為0.96~1.00 mm,為便于型孔加工,取型孔直徑d為1.00 mm。

        2.1.4排種盤型孔分布形式與種子遷移軌跡分析

        型孔的分布形式根據(jù)播種方式確定,根據(jù)小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),每圈型孔繞排種盤中心均布,如圖6所示。

        圖6 排種盤型孔分布形式Fig.6 Distribution of suction holes in metering plate1.排種盤 2.型孔

        根據(jù)排種盤單型孔分布形式,得到相鄰兩行型孔中心距的計算式為

        (7)

        式中l(wèi)——?dú)馐疫吔缢酵队胺较蚓嚯x,mm

        l1——最外行相鄰兩型孔距的弧長,mm

        l2——相鄰兩行型孔中心距,mm

        l3——最內(nèi)行型孔與氣室邊界距離,mm

        l4——最外行型孔與氣室邊界距離,mm

        vki——各行型孔回轉(zhuǎn)線速度,m/s

        現(xiàn)有氣室邊界水平投影方向距離l=36 mm,考慮到型孔均勻分布于排種盤,為滿足正負(fù)壓能完全通過型孔作用于種子,可取l3=l4≥l2/2>Dz/2,其中種子直徑Dz為0.99~2.09 mm,代入式(7)可得l2取值范圍為2.09~9.00 mm。根據(jù)式(7)可知,各行回轉(zhuǎn)線速度關(guān)系為vki>vki+1,為縮小各行型孔吸附種子概率的差異,本研究取相鄰兩行型孔中心距l(xiāng)2為5.55 mm。

        如圖7所示,播種機(jī)以速度vm作業(yè),排種盤做回轉(zhuǎn)運(yùn)動的同時隨播種機(jī)前進(jìn),排種盤上任意一型孔繞回轉(zhuǎn)中心點(diǎn)C旋轉(zhuǎn)。當(dāng)點(diǎn)C運(yùn)動到點(diǎn)C′時,點(diǎn)M的運(yùn)動方程為

        (8)

        式中 (xM,yM)——點(diǎn)M的坐標(biāo)

        θ——各行型孔轉(zhuǎn)角,(°)

        lOP——點(diǎn)O到點(diǎn)P的位移,mm

        lM′P——點(diǎn)M′到點(diǎn)P的弧長,mm

        lC′P——點(diǎn)C′到點(diǎn)P的位移,mm

        lBC′——點(diǎn)B到點(diǎn)C′的位移,mm

        圖7 型孔處單粒種子遷移示意圖Fig.7 Schematic diagram of seed motion in suction hole

        式(8)消去θ得點(diǎn)M的軌跡方程為

        (9)

        根據(jù)式(9)可知點(diǎn)M的運(yùn)動軌跡為旋輪線,基于該線繪制各行型孔的軌跡如圖8所示。

        圖8 型孔處種子軌跡示意圖Fig.8 Schematic diagram of seed trajectory in suction hole1.排種盤 2.型孔 3.種子

        2.2 排種口設(shè)計與分析

        2.2.1護(hù)種腔寬度

        排種口是保證小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器投種時精準(zhǔn)分配有序種子流的關(guān)鍵部件,其結(jié)構(gòu)主要包含護(hù)種弧板、分種柵板和出種管,如圖9所示。

        圖9 排種口結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of seed outlet 1、2.護(hù)種弧板 3、4.分種柵板 5、6.護(hù)種腔 7、8.出種管

        排種器工作時,種子隨排種盤轉(zhuǎn)動從攜種區(qū)進(jìn)入投種區(qū),在正壓氣流作用下,小白菜種子脫離型孔進(jìn)入排種口,經(jīng)由出種管進(jìn)入導(dǎo)種管。排種口位于種子進(jìn)入投種區(qū)的初始位置,其結(jié)構(gòu)如圖10所示。

        圖10 排種口與排種盤型孔的位置關(guān)系Fig.10 Relative position of seed outlet and suction hole1.排種盤 2.型孔 3.排種口

        為保證種子順利分流,護(hù)種腔寬度應(yīng)保證種子順利通過且不堵塞,根據(jù)小白菜種子三軸尺寸及護(hù)種腔結(jié)構(gòu)得出護(hù)種腔寬度范圍為

        4.5L0>B>1.2W0

        (10)

        式中B——護(hù)種腔寬度,mm

        W0——種子平均寬度,mm

        L0——種子平均長度,mm

        根據(jù)式(10)設(shè)計護(hù)種腔寬度B的范圍為1.8~7.16 mm?;谂欧N口結(jié)構(gòu)及排種盤型孔分布形式,排種口護(hù)種腔寬度滿足關(guān)系式

        (11)

        式中L——排種口安裝寬度,mm

        L1——分種柵板間隔,mm

        L2——護(hù)種腔外壁厚度,mm

        L3——分種柵板厚度,mm

        根據(jù)現(xiàn)有罩殼結(jié)構(gòu)參數(shù),可知排種口安裝寬度L=28 mm。為便于排種口結(jié)構(gòu)優(yōu)化及降低加工成本,該排種口采用3D打印加工而成,材料為工程塑料ABS,根據(jù)材料成型厚度最小值,確定分種柵板厚度L3=1 mm,代入式(11)可得L1=6 mm、B=5 mm,護(hù)種腔寬度B滿足設(shè)計原則。

        2.2.2護(hù)種弧板結(jié)構(gòu)

        為保證排種器投種作業(yè)時種子順利進(jìn)入導(dǎo)種管,種子進(jìn)入投種區(qū)后,因投種區(qū)氣室結(jié)構(gòu)變化,種子受到正壓氣流作用落入排種口,當(dāng)種子進(jìn)入排種口后,其運(yùn)動軌跡為拋物線[27],如圖11所示。

        圖11 排種器內(nèi)種子遷移運(yùn)動規(guī)律Fig.11 Schematic of seeds movement law

        排種器投種過程從種子隨排種盤進(jìn)入投種區(qū)開始,此時種子在正壓氣流作用下沿氣流方向產(chǎn)生一定速度,種子脫離排種盤后僅受重力影響,因此投種階段種子脫離型孔的速度為

        (12)

        式中vji——vni、vki的合速度,m/s

        vhi——vji、vli的合速度,m/s

        αji——投種區(qū)轉(zhuǎn)角,(°)

        βji——vli與vhi的夾角,(°)

        種子沿投種軌跡曲線的落點(diǎn)為正態(tài)分布[27],結(jié)合現(xiàn)有罩殼結(jié)構(gòu)設(shè)計護(hù)種弧板,護(hù)種弧板結(jié)構(gòu)如圖12所示。

        圖12 護(hù)種弧板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.12 Structure diagrams of guard board

        為減小種子碰撞護(hù)種弧板內(nèi)壁對各行株距的影響,排種口護(hù)種弧板應(yīng)以種子投種軌跡為基準(zhǔn)。當(dāng)αji=0°時,為臨界投種位置,假設(shè)種子不碰排種口內(nèi)壁離開出種管,則種子脫離型孔到出種管的位移為

        (13)

        式中Lxi——各行種子沿x方向位移,mm

        Lyi——各行種子沿y方向位移,mm

        Lzi——各行種子沿z方向位移,mm

        為使種子不碰排種口側(cè)壁,可令vm=vni,則種子離開出種管的分速度為

        (14)

        式中tz——種子脫離型孔到出種管終點(diǎn)的時間,s

        g——重力加速度,m/s2

        種子離開出種管的總速度為

        (15)

        由式(13)、(15)可知,理想狀態(tài)下種子離開出種管的總速度與排種盤轉(zhuǎn)速、各行型孔回轉(zhuǎn)半徑及種子脫離型孔到出種管終點(diǎn)的時間成正比,種子碰壁現(xiàn)象越嚴(yán)重,則種子著床株距變異系數(shù)越大;種子總速度越大,則種子著床時彈跳越嚴(yán)重。為降低種子著床時的影響,選擇排種口圓角半徑R為35 mm,排種口限位深度a為26 mm即可滿足要求。

        3 仿真試驗

        3.1 試驗設(shè)計與方法

        利用DEM-CFD開展排種器仿真試驗,其中EDEM的仿真幾何模型主要包括:種箱、流體域、罩殼、排種盤、排種口和種子顆粒,幾何體中的流體域和顆粒工廠設(shè)為虛擬,EDEM中的仿真模型如圖13所示。

        圖13 排種器仿真模型Fig.13 Simulation model of metering device in EDEM1.排種盤 2.型孔 3.種子

        EDEM軟件中設(shè)置接觸模型為Hertz-Mindlin,仿真環(huán)境重力加速度為9.81 m/s2,顆粒工廠1 s內(nèi)生成1×105顆小白菜種子,顆??倲?shù)為2×104,種子直徑分別為1.44、1.56、1.52 mm,排種盤轉(zhuǎn)速為10~50 r/min,時間步長為5×10-6s。以排種器實際加工材料為依據(jù),排種盤設(shè)定為不銹鋼材料,種箱、罩殼、排種口和氣室設(shè)定為工程塑料ABS,EDEM中仿真模型的材料特性參數(shù)如表3所示。

        表3 材料特性參數(shù)Tab.3 Material properties in EDEM

        Fluent軟件中采用滑移網(wǎng)格法劃分流體域,僅將型孔結(jié)構(gòu)設(shè)置為動區(qū)域,其余結(jié)構(gòu)設(shè)為靜區(qū)域。耦合計算需加載流體域mesh文件及耦合接口文件,設(shè)置分析類型時間為Transient,Viscous設(shè)置k-epsilon接口,選擇湍流模型的Realizable,時間步長為5×10-4s,時間步數(shù)為2×104步,迭代次數(shù)為20次。

        綜合考慮小白菜種植農(nóng)藝要求,設(shè)置排種盤轉(zhuǎn)速為10~50 r/min,負(fù)壓為-5 000~-1 000 Pa,正壓為100~300 Pa。轉(zhuǎn)速每間隔20 r/min設(shè)一個水平,負(fù)壓每隔-2 000 Pa設(shè)一個水平,正壓每隔100 Pa設(shè)一個水平,因素水平如表4所示。

        表4 試驗因素水平Tab.4 Test factors and levels

        根據(jù)文獻(xiàn)[15]中試驗方法,以各行型孔所吸附種子顆粒的合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為評價指標(biāo),利用EDEM后處理模塊直接獲取排種器排種過程中的種子顆粒數(shù)量,開展排種器仿真試驗。

        3.2 試驗結(jié)果與分析

        不同因素對排種性能的影響程度如表5所示,A、B、C、D分別表示轉(zhuǎn)速、負(fù)壓、正壓和小白菜品種水平值,其中負(fù)壓對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響顯著。

        表5 仿真試驗結(jié)果與顯著性分析Tab.5 Results and significance analysis of simulation test

        表6為仿真試驗極差分析結(jié)果,影響合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的主次順序為負(fù)壓、正壓、轉(zhuǎn)速和品種,以因素水平組合A2B2C3D1為較優(yōu)選擇,即轉(zhuǎn)速為30 r/min、負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa、品種為中箕青605,對應(yīng)的各行平均合格指數(shù)為93.12%、平均重播指數(shù)為3.59%、平均漏播指數(shù)為3.29%。

        表6 仿真試驗極差分析結(jié)果Tab.6 Result of range analysis in simulation test

        3.3 種子運(yùn)動速度分析

        為分析各行種子的運(yùn)動速度,采用EDEM后處理模塊選取同一行程同一轉(zhuǎn)角的8粒種子,以排種軸為轉(zhuǎn)動中心,排種盤1和排種盤2分別對應(yīng)排種口1和排種口2。各行種子進(jìn)入投種區(qū)受正壓氣流作用脫離排種盤后以自重下落,因種子機(jī)械物理特性和速度不同,種子運(yùn)動軌跡有一定差異。由前述分析可知,同一轉(zhuǎn)速下,排種盤外圈種子速度大于內(nèi)圈種子速度,但因各行型孔中心距較小,這種速度差異可以忽略。種子脫離排種盤后,因種子三軸尺寸不同,受正壓氣流作用,部分種子與排種口護(hù)種腔內(nèi)壁碰撞,當(dāng)種子從出種管排出后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

        圖14 種子沿垂直方向速度變化曲線Fig.14 Variation curves of seed velocity in vertical direction

        為分析各行種子投種過程中從脫離排種盤到出種口的速度,采用EDEM后處理模塊選取同一行程同一攜種轉(zhuǎn)角的8粒種子,其速度變化曲線如圖14所示。

        圖14為8粒種子從生成至排出排種口的速度變化曲線,由圖可知種子落入種箱內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前,種子速度先增大后減??;種盤轉(zhuǎn)動后,受種盤擾動及種間摩擦作用,種子進(jìn)入小幅波動狀態(tài),其中靠近種盤的種子速度比遠(yuǎn)離種盤的速度大,各行種子速度變化差異?。怀浞N時,種子受負(fù)壓作用吸附于型孔,不同吸附位置和姿態(tài)導(dǎo)致種子速度差異變大,種子的速度增大,直至種子完全固定于型孔并隨型孔繞排種軸轉(zhuǎn)動,進(jìn)入攜種區(qū)的種子速度穩(wěn)定不變,外圈種子速度大于內(nèi)圈種子;種子進(jìn)入投種區(qū),受正壓氣流作用,種子速度先增大后減小,達(dá)到峰值后減小直至離開排種器,完成排種器排種過程。

        3.4 各行型孔氣流速度和壓力分布的影響

        圖15、16分別為2個排種盤型孔在攜種區(qū)和投種區(qū)內(nèi)的氣流速度和壓力分布仿真結(jié)果。由圖可知垂直對稱雙圓盤各型孔平均速度和壓力差異不大。攜種區(qū)同一排種盤上各行型孔內(nèi)氣流速度和壓力與各行型孔回轉(zhuǎn)半徑成正比,從遠(yuǎn)離負(fù)壓口的型孔到靠近負(fù)壓口的型孔內(nèi)氣流為梯度增加;投種區(qū)同一排種盤上各行型孔內(nèi)氣流速度和壓力與各行型孔回轉(zhuǎn)半徑成正比,從遠(yuǎn)離負(fù)壓口的型孔到靠近負(fù)壓口的型孔內(nèi)氣流為梯度增加。由于同一排種盤上的相鄰兩行型孔的中心距較小,導(dǎo)致相鄰兩型孔之間的速度和壓力變化較小,同時最外圈型孔和最內(nèi)圈型孔的差異較小,保證了各行排種一致性。雙盤各行對應(yīng)型孔的氣流速度和壓力分布差異較小,確保排種器8行排種的總排量一致性。

        圖15 排種盤型孔內(nèi)氣流速度分布圖Fig.15 Diagrams of airflow velocity distribution in suction hole

        圖16 排種盤型孔內(nèi)氣流壓力分布圖Fig.16 Diagrams of airflow pressure distribution in suction hole

        4 臺架試驗

        4.1 試驗設(shè)計與方法

        為驗證小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器的排種性能,在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心開展排種性能試驗。主要試驗裝置有:小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器、12 V 100 W永磁直流電機(jī)、自制電機(jī)驅(qū)動控制裝置、PVC透明鋼絲氣力管、JPS-12型排種器檢測試驗臺、U型壓力計、HG-220型高壓漩渦吹吸風(fēng)機(jī),試驗裝置如圖17所示。

        圖17 排種性能試驗裝置Fig.17 Experiment device of seeding performance1.排種器 2.電機(jī) 3.控制裝置 4.氣力管 5.試驗臺 6.壓力計 7.風(fēng)機(jī)

        將排種器固定于試驗臺輸送帶上部,利用試驗臺油帶緩沖種子下落勢能的同時,模擬種子在種床帶的分布便于觀測種子定位情況。為減少導(dǎo)種管長度對種子著床過程的影響,降低排種器高度。

        試驗材料品種分別為春油1號、中箕青605及楚農(nóng)特矮白;負(fù)壓設(shè)為-5 000~-1 000 Pa,每隔-2 000 Pa設(shè)一個水平;正壓設(shè)為100~300 Pa,每隔100 Pa設(shè)一個水平。為獲取一次行程最大樣本量,試驗臺種床帶速度設(shè)定為0.6 m/s,排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)定為30 r/min,每組試驗重復(fù)5次取平均值。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》,以合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為評價指標(biāo),開展小白菜種子品種優(yōu)選及排種性能試驗。

        4.2 試驗結(jié)果與分析

        圖18為臺架試驗小白菜種子分布情況,表7為臺架試驗設(shè)計結(jié)果與顯著性分析,結(jié)果顯示負(fù)壓對合格指數(shù)的影響顯著。

        圖18 小白菜種子分布Fig.18 Distributions of Pakchoi seeds on oil belt

        表8為臺架試驗極差分析結(jié)果,影響合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素依次為:負(fù)壓、正壓、轉(zhuǎn)速和品種,與仿真試驗一致。綜合考慮各評價指標(biāo),以因素水平組合A2B2C3D1為較優(yōu)選擇,即轉(zhuǎn)速為30 r/min、負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa、品種為中箕青605,對應(yīng)的各行平均合格指數(shù)為91.32%、平均重播指數(shù)為6.19%、平均漏播指數(shù)為2.49%。

        表8 臺架試驗極差分析結(jié)果Tab.8 Result of range analysis in bench test

        5 田間試驗

        為進(jìn)一步檢驗臺架試驗結(jié)果,考察小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器的排種性能,于2020年9月9日在湖北省武漢市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所蔬菜機(jī)械化展示區(qū)示范田開展小白菜田間播種試驗,如圖19所示。

        圖19 田間播種試驗Fig.19 Field seeding experiment

        田間試驗的配套動力為東風(fēng)井關(guān)T954型拖拉機(jī),經(jīng)預(yù)試驗確定拖拉機(jī)液壓手柄擋位與機(jī)具作業(yè)高度之間的關(guān)系,按照臺架試驗較優(yōu)因素水平組合調(diào)節(jié)排種盤轉(zhuǎn)速為30 r/min、負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa。試驗機(jī)組確保直線方向前進(jìn),作業(yè)距離為30 m,作業(yè)速度為0.6 m/s。

        試驗以中箕青605為排種對象,每一行程播種8行,行距為180 mm。出苗后,根據(jù)小白菜田間分布情況,每個行程各行隨機(jī)測5段,每段以1 m內(nèi)長度測定小白菜苗數(shù)和株距。田間試驗結(jié)果表明:小白菜平均苗數(shù)為10株/m、株距平均值為100.48 mm,各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為8.05%,滿足小白菜田間種植要求。

        6 結(jié)論

        (1)基于小白菜種子的機(jī)械物理特性和精量直播農(nóng)藝要求,設(shè)計了一種小白菜正負(fù)氣壓組合式精量排種器,闡明了排種器的工作過程、原理及主要結(jié)構(gòu)參數(shù),理論分析確定了排種盤和排種口結(jié)構(gòu)參數(shù)及其種子遷移軌跡。

        (2)應(yīng)用EDEM軟件構(gòu)建了仿真幾何模型,利用DEM-CFD耦合仿真試驗分析了轉(zhuǎn)速、負(fù)壓和正壓對排種性能的影響規(guī)律,分析發(fā)現(xiàn)負(fù)壓對評價指標(biāo)合格指數(shù)和漏播指數(shù)影響顯著,負(fù)壓為-3 000 Pa、正壓為300 Pa、轉(zhuǎn)速為30 r/min、品種為中箕青605時,各行平均合格指數(shù)為93.12%、平均重播指數(shù)為3.59%、平均漏播指數(shù)為3.29%,指標(biāo)均優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

        (3)臺架試驗結(jié)果表明,負(fù)壓對評價指標(biāo)合格指數(shù)的影響顯著,以較優(yōu)因素水平組合開展試驗后的各行平均合格指數(shù)為91.32%、平均重播指數(shù)為6.19%、平均漏播指數(shù)為2.49%。田間試驗結(jié)果表明,排種盤轉(zhuǎn)速為30 r/min時,小白菜平均苗數(shù)為10株/m、株距平均值為100.48 mm,各行苗數(shù)一致性變異系數(shù)為8.05%,滿足小白菜田間種植要求。

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