蘇 微 趙慶輝 賴慶輝 謝觀福 田保寧 王永杰

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院, 昆明 650500)

0 引言

蠶豆,可作為蔬菜、糧食、飼料、綠肥等,是一種重要的經(jīng)濟(jì)作物。我國蠶豆產(chǎn)量世界第一,但單產(chǎn)與英國等發(fā)達(dá)國家相比處于較低水平。其主要原因是我國蠶豆種植模式以人工點(diǎn)播為主,機(jī)械化程度低[1-2],推進(jìn)蠶豆播種機(jī)械發(fā)展是提高單產(chǎn)水平的重要手段之一。

排種器是播種機(jī)的核心部件[3-5],主要分為機(jī)械式和氣力式兩種[6-7]。機(jī)械式排種器利用重力充種,對三軸尺寸差異大的種子適應(yīng)性較差。氣力式排種器具有通用性好、傷種率低、排種性能好及穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是精量排種器的發(fā)展方向[8]。

蠶豆種子粒徑大、三軸尺寸差異大,使用傳統(tǒng)氣吸圓盤式排種器結(jié)構(gòu)存在充種困難、漏充率高的問題[9]。針對此類種子充種性能不佳的問題,國內(nèi)外相關(guān)研究人員進(jìn)行了一些研究:SATTI等[10-11]對影響氣吸式玉米精量排種器各要素研究表明,排種器孔形、種盤轉(zhuǎn)速以及真空壓力是影響排種性能的主要因素;并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對排種器的重播、漏播等參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)、優(yōu)化,對吸種、護(hù)種、投種等階段進(jìn)行動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)分析,最終得出排種器各項(xiàng)參數(shù)間的相互作用及影響關(guān)系。國內(nèi)學(xué)者針對提高充填性能進(jìn)行了大量的研究。賴慶輝等[12]采用振動供種的方法,設(shè)計(jì)了一種振動供種裝置,解決了微型薯的充種問題;LI等[13]發(fā)現(xiàn)種子在吸附流中,吸附力對種子有顯著影響的范圍很小;史嵩等[14]設(shè)計(jì)了一種帶有曲線型導(dǎo)種槽的種盤,可以引導(dǎo)種子向型孔運(yùn)動,改善了氣吸式排種器的充種性能。陳進(jìn)等[15]利用電磁振動激振種群的方式降低種間作用力,達(dá)到了輔助充種的目的。謝東波等[16]通過在種盤上增設(shè)擾種齒對大蒜種群進(jìn)行擾動,提高了充種性能;劉瑞等[17]通過設(shè)計(jì)擴(kuò)容板增大充種區(qū)域并設(shè)計(jì)帶有擾種臺柱和中字型吸種孔的種盤,提高了充種性能;還有相關(guān)研究主要集中于對種群進(jìn)行激勵,降低種間作用力[18-21];上述研究均可以一定程度提高排種器的充種性能,但大多是對種子進(jìn)行無規(guī)則的激勵,種群的運(yùn)動不可控,存在種群對被吸附種子干擾的問題。

針對上述問題,本文設(shè)計(jì)一種具有平帶輔助充種裝置的氣吸式蠶豆精量排種器。通過對排種器充種過程進(jìn)行理論分析,闡明平帶輔助充種裝置在充種過程中的作用機(jī)理;通過理論計(jì)算及CFD-DEM數(shù)值模擬確定并優(yōu)化排種器主要結(jié)構(gòu)參數(shù);搭建臺架進(jìn)行二次回歸正交組合試驗(yàn),求得排種器的最佳工作參數(shù)組合,并進(jìn)行驗(yàn)證。

1 排種器工作原理及平帶攪種理論分析

1.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

輔助充種帶氣吸式蠶豆排種器結(jié)構(gòu)如圖1a所示。主要由種箱端殼體、種盤、護(hù)種板、主軸、種箱、清種裝置、平帶輔助充種裝置及負(fù)壓殼體構(gòu)成,清種裝置主要由鋸齒形清種刀、調(diào)節(jié)柄構(gòu)成。種盤根據(jù)工作狀態(tài)分為充種區(qū)Ⅰ、清種區(qū)Ⅱ、攜種區(qū)Ⅲ與投種區(qū)Ⅳ。平帶輔助充種裝置位于充種區(qū),由主動輪軸、平帶、被動輪軸、張緊軸構(gòu)成,通過一個步進(jìn)電機(jī)帶動同步帶,如圖1b所示。

圖1 平帶輔助充種氣吸式蠶豆排種器結(jié)構(gòu)圖

工作時,種子由種箱落入充種區(qū)Ⅰ的平帶輔助充種裝置上,被平帶帶動向種盤運(yùn)動方向移動。眾多種子在平帶的帶動下形成動態(tài)穩(wěn)定的種子流。種子流上端保持在清種裝置附近,種盤上的型孔靠近種子流組成的帶狀區(qū)域外側(cè),此處種子的運(yùn)動方向與種盤轉(zhuǎn)動方向一致,其中的1～2顆種子會被型孔吸附,并隨著種盤的吸附及種子流的托持下進(jìn)入清種區(qū)Ⅱ。脫離種群后,由清種刀將多余的種子剔除,吸附最牢固的種子仍被吸附,被剔除的種子重新落回充種區(qū)中的種群,單粒種子在攜種區(qū)Ⅲ由護(hù)種板護(hù)持至投種區(qū)Ⅳ,此時負(fù)壓消失,種子在慣性和重力的作用下滑落,完成排種。

1.2 充種過程分析

輔助充種帶氣吸式蠶豆精量排種器的充種過程尤為重要。如圖2所示,根據(jù)被吸附蠶豆種子的運(yùn)動狀態(tài),可將充種過程分為3個階段:①進(jìn)種吸附階段。②托種跟隨階段。③脫離種群階段。平帶輔助充種裝置工作時根據(jù)種群的運(yùn)動狀態(tài)可分為:托種區(qū)、吸附區(qū)、回種區(qū)。

圖2 充種過程分析

進(jìn)種吸附階段:種子由種箱進(jìn)入充種區(qū)初始端,在種群運(yùn)動過程中,一些種子會靠近型孔;當(dāng)種子達(dá)到可以被氣流吸附的臨界位置時,種子會被種盤上的型孔吸附,最終被控制在型孔附近,并跟隨種盤一起運(yùn)動;在此階段,需要對種群施加強(qiáng)制運(yùn)動,使種群能夠相對有序的運(yùn)動,從而使種子更有效率地被吸附。從吸附流對種子的作用來看,種子自身向型孔附近運(yùn)動是種子被更好地吸附的關(guān)鍵[22]。

托種跟隨階段:種子被吸附流穩(wěn)定吸附開始跟隨種盤運(yùn)動,由于其運(yùn)動與種群中其他種子的運(yùn)動狀態(tài)不同,開始出現(xiàn)種群對被吸附種子的阻力;此時托種區(qū)種子在平帶的作用下向著種盤的運(yùn)動方向移動并對被吸附的種子進(jìn)行托持,回種區(qū)的種子向著種盤運(yùn)動方向相反的方向移動,對被吸附的種子形成阻力。運(yùn)動中回種區(qū)種子較為稀疏,托種區(qū)種子較為密集,因此托持力起到主要作用。在此階段,托持力與種盤和平帶的相對速度相關(guān),此相對速度與被吸附種子的運(yùn)動速度相適應(yīng)是提高充種效率的關(guān)鍵因素。

回種脫離階段:被吸附的種子運(yùn)動到平帶末端,此時種子即將脫離種群;吸附區(qū)未被吸附的種子以及托持區(qū)即將脫離平帶的種子在慣性、重力及種間作用力下橫向移動進(jìn)入回種區(qū);被吸附種子會繼續(xù)跟隨種盤運(yùn)動脫離種群進(jìn)入清種區(qū)。

在這3個階段中,被吸附的種子都在平帶輔助充種裝置的作用下降低了受到的種群阻力,同時將一部分種群阻力轉(zhuǎn)換為有利于其繼續(xù)跟隨種盤運(yùn)動的作用力。因此,為了解決蠶豆種子在氣吸式排種器中充種困難的問題,本文將重點(diǎn)放在優(yōu)化平帶輔助充種裝置的結(jié)構(gòu)并確定其最佳工作參數(shù)。

根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)分析種群,托種區(qū)種子主要受到平帶的摩擦力向著種盤旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動,并托持吸附區(qū)種子也向著此方向運(yùn)動;當(dāng)種子運(yùn)動到平帶的末端,托種區(qū)及吸附區(qū)未被吸附的種子將因?yàn)閼T性及重力的作用進(jìn)入回種區(qū),最終回落到整個充種區(qū)的起始位置。平帶輔助充種裝置的工作狀態(tài)主要與主動輪軸的轉(zhuǎn)速及平帶本身的材料屬性相關(guān)。平帶的運(yùn)動一方面使種群處于運(yùn)動狀態(tài),使種群活躍,增加了種子被吸附的概率;另一方面,托種區(qū)種子的運(yùn)動可以托持在吸附區(qū)已經(jīng)被吸附的種子向種盤運(yùn)動方向移動,使得種群對被吸附種子的阻力作為有利于脫離種群的托持力。

1.3 種子受力分析

通過以上分析可以看出,平帶輔助充種裝置對蠶豆種子的充種過程極為重要,因此通過受力分析、運(yùn)動分析來確定平帶輔助充種裝置對種群運(yùn)動的影響?？蓮某浞N區(qū)的3個分區(qū)分別分析:

設(shè)種子在角度α上被吸附,如圖3所示,從被吸附的種子分析,觀察經(jīng)過型孔垂直于種盤半徑的弦剖面可以得出種子能夠被吸附并運(yùn)移的臨界條件為

圖3 充種過程受力分析

(1)

式中fx1——吸附區(qū)種群對回種區(qū)種子的摩擦力

m——種子質(zhì)量

f——被吸附種子的總靜摩擦力

ft——托種區(qū)種群對種子的靜摩擦力

fp——種盤對種子的靜摩擦力

fh——回種區(qū)種群對種子的靜摩擦力

Nt——托種區(qū)種群對種子的支持力

Nh——回種區(qū)種群對種子的支持力

β——種盤角速度

R——型孔與種盤中心距離

μm——種子與種盤的摩擦因數(shù)

FL——?dú)饬鲗ΨN子的作用力

種子受到的氣流作用力包含曳力、浮力、升力(Magnus升力、Saffman升力)、Basset力、壓力梯度力等多種力的作用[23]。由于空氣的密度、粘度較低且氣吸式排種器常常工作在較高雷諾數(shù)下,種子受到的浮力、升力通?？梢院雎?通常以曳力表征種子受到的吸附力[24];顆粒受到的曳力分為摩擦阻力和壓差阻力,現(xiàn)有的曳力計(jì)算表達(dá)式通常是包含試驗(yàn)測得的阻力系數(shù)、迎風(fēng)面積及流體與顆粒的相對速度的經(jīng)驗(yàn)公式;Wenyu-Ergun曳力模型,綜合了顆粒低體積分?jǐn)?shù)和高體積分?jǐn)?shù)[25],適合排種器工況的計(jì)算。本文采用Wenyu-Ergun曳力模型描述種子受到的吸附力。

曳力計(jì)算式為

FD=

(2)

式中FD1——Wenyu模型曳力

CD1——Wenyu模型阻力系數(shù)

ρf——流體密度vf——流體速度

vP——顆粒速度

rP——顆粒等效半徑

ρP——顆粒密度

θP——當(dāng)前狀態(tài)顆粒體積分?jǐn)?shù)

θCP——顆粒緊密堆積顆粒體積分?jǐn)?shù)

FD2——Ergun模型曳力

Re——顆粒雷諾數(shù)

對托種區(qū)及回種區(qū)的種子受力情況分析,托種區(qū)為

(3)

其中

(4)

回種區(qū)為

(5)

式中fd——托種區(qū)種子受到的總靜摩擦力

fx2——托種區(qū)種子受到的種群摩擦力

fb——種子與平帶的最大靜摩擦力

vd——平帶線速度

Nd——平帶對托種區(qū)種子的支持力

μd——種子與平帶的摩擦因數(shù)

Nt2——吸附區(qū)種群對托種區(qū)種子的支持力

r——平帶工作面半徑

Gh——回種區(qū)種子重力

Nx——吸附區(qū)種群對回種區(qū)種子的支持力

從受力分析可以看出,曳力FD是被吸附種子能夠穩(wěn)定吸附在種盤上的關(guān)鍵因素,根據(jù)伯努利方程可知在相同的吸附姿態(tài)下負(fù)壓直接決定來流速度,進(jìn)而影響曳力。

此外,被吸附種子還受到托種區(qū)及回種區(qū)種子的種間作用;被吸附種子能夠被種盤穩(wěn)定運(yùn)移的條件為:被吸附種子自身受到的吸附力而產(chǎn)生的對種盤的最大靜摩擦力以及托種區(qū)種群對被吸附種子運(yùn)動方向的托持力之和等于被吸附種子自身重力、運(yùn)動前方種子的阻力以及回種區(qū)種群對被吸附種子的作用力之和。從式(3)～(5)可以看出,平帶的線速度越大,其對充種區(qū)種群的作用力越大。此外,種子存在滾動,可以描述為

τi=-μrFnRiωi

(6)

式中τi——切向應(yīng)力

μr——滾動摩擦因數(shù)

Ri——接觸點(diǎn)到質(zhì)心的距離

ωi——接觸點(diǎn)處的單位角速度

Fn——顆粒間法向作用力

托種區(qū)種群對被吸附種子的作用力取決于二者的相對運(yùn)動趨勢,若托種區(qū)種群運(yùn)動滯后于種盤的運(yùn)動,則種群對被吸附種子的運(yùn)移形成阻力,反之則形成有利于其運(yùn)移的托持力。

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 型孔直徑及數(shù)量

氣流流量一定時,型孔過大或型孔數(shù)量過多會導(dǎo)致負(fù)壓降低,種子受到的吸附力不足。型孔過小單位面積上的負(fù)壓較強(qiáng),但氣流作用面積較小,對粒徑較大的種子吸附能力較弱。型孔數(shù)量過少在相同作業(yè)速度的情況下種盤轉(zhuǎn)速過高,不利于充種。通常結(jié)合《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》確定型孔直徑及數(shù)量公式為[26]

d=(0.6～0.7)W

(7)

(8)

式中d——型孔直徑

W——蠶豆種子平均寬度

V——作業(yè)速度nP——種盤轉(zhuǎn)速

K——株距Z——型孔數(shù)量

通常蠶豆種子平均寬度為15.23 mm,株距為0.15～0.3 m,設(shè)作業(yè)速度小于7 km/h,種盤轉(zhuǎn)速小于50 r/min。根據(jù)以上分析確定型孔直徑為10 mm,型孔數(shù)量為12個。

2.2 種盤直徑

由于型孔數(shù)量較少,種盤直徑主要考慮種群堆積數(shù)量及充種時長。蠶豆種子粒徑較大,為了保證足夠的種群堆積數(shù)量,提高吸附概率。綜合《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》,選擇種盤直徑為140～260 mm?？紤]到蠶豆種子形狀不規(guī)則且粒徑較大,較大種盤直徑有利于充種,選取種盤直徑為D=240 mm。

2.3 平帶輔助充種結(jié)構(gòu)

平帶輔助充種主要參數(shù)有平帶材料、平帶工作面弧長和平帶工作面寬度。常用平帶材料有PVC平帶、尼龍編織帶及橡膠黃綠片尼龍基帶。對三者分別進(jìn)行與蠶豆的摩擦試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 各材料與種子的摩擦因數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)理論分析可知,種子與平帶的摩擦因數(shù)越大,平帶對種子的最大靜摩擦力越大。從式(1)、(3)可知,平帶對種子的最大靜摩擦力越大,種子被吸附的臨界條件中,被吸附種子受到的總摩擦力越易達(dá)到。因此選擇橡膠黃綠片基帶為平帶材料。

為了能充分與種群接觸,平帶底邊為排種器圓周底端,頂邊以理論計(jì)算及試驗(yàn)得到。由式(3)、(4)可知,平帶工作面直接影響托種區(qū)種群運(yùn)動,其在豎直面上對種群的影響范圍取決于平帶與種群的摩擦力,代入表1中平帶材料的摩擦因數(shù),得到

(9)

在平帶工作面頂邊,種群對平帶的壓力垂直作用于平帶切向方向,即γ=90°。設(shè)平帶工作面轉(zhuǎn)速等于實(shí)際作業(yè)最大速度,此時平帶受到種群的作用最大。以單粒種子受到平帶作用為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)fd為最大靜摩擦力即fd=fb時,得到平帶作用最大靜摩擦力為

(10)

(11)

其中,n為該處種子數(shù)量。由于種群運(yùn)動的不確定性,n難以確定,需進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

3 數(shù)值模擬

利用計(jì)算流體力學(xué)和離散元法雙向耦合仿真(Computational fluid dynamics and discrete element method, CFD-DEM)進(jìn)行耦合求解的方法進(jìn)行數(shù)值模擬,該方法能夠?qū)崿F(xiàn)顆粒與流體的相互作用[27]。求解器采用EDEM和Fluent,利用EDEM中的Bonding模型,將小顆粒粘結(jié)成一個實(shí)際種子,解決網(wǎng)格尺寸大于顆粒粒徑的3倍的計(jì)算要求。

3.1 仿真模型建立

首先用粒徑0.8 mm的球形顆粒將蠶豆種子填充,并導(dǎo)出顆粒坐標(biāo),顆粒建模如圖4所示。利用SolidWorks建立排種器的簡化模型,保存成IGES格式文件,導(dǎo)入EDEM中。流體域模型先由SolidWorks建立CAD模型,各部分按獨(dú)立實(shí)體建立;利用ANSYS mesh工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將劃分的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent中,排種器簡化模型及流體域網(wǎng)格模型如圖5所示;設(shè)置型孔部分為滑移網(wǎng)格,其轉(zhuǎn)動中心為繞絕對坐標(biāo)系原點(diǎn)指向Z軸正方向,轉(zhuǎn)速根據(jù)試驗(yàn)水平分別設(shè)置;將型孔與種箱端及負(fù)壓端的接觸面設(shè)置為Interface,型孔部分接觸面設(shè)置為與型孔相同的轉(zhuǎn)速。

圖4 蠶豆種子顆粒建模

圖5 氣吸式排種器仿真模型

現(xiàn)有研究中,通常先將粘接好的顆粒快速填充至充種區(qū),再進(jìn)行耦合仿真,這種方式不能很好地描述種子從種箱進(jìn)入充種區(qū)的過程,不能維持種層高度,且初始填充的顆粒過多,極大地浪費(fèi)了計(jì)算資源和存儲空間。本文采用元顆粒(Meta-Particle)功能實(shí)現(xiàn)種子在仿真過程中的定量喂入,元顆?？梢耘c普通顆粒一樣在顆粒工廠中生成,其本質(zhì)是由一組坐標(biāo)表示的顆粒團(tuán),并配合Bonding V2模型,在顆粒團(tuán)生成的瞬間同時生成Bonding鍵。通過預(yù)試驗(yàn)得出:設(shè)置2個顆粒工廠,第1個設(shè)置為靜態(tài)顆粒工廠,在充種區(qū)靜態(tài)生成一定量的種子加快仿真進(jìn)程;第2個設(shè)置為動態(tài)顆粒工廠,仿真過程中以一定速度生成種子,實(shí)現(xiàn)對種層高度的控制,使數(shù)值模擬更加符合實(shí)際工況。

3.2 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

確定EDEM的時間步長為1×10-6s,Fluent的時間步長為1×10-4s。仿真步數(shù)為80 000步即仿真排種器實(shí)際工作時長8 s。利用Bonding模型描述種子時,種子的物理特征需要由Bonding模型中的切向剛度、法向剛度表征。仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)

為保證工作面設(shè)計(jì)合理,仿真以工作面寬度為因素,設(shè)置平帶工作面寬度分別為25、30、35、40、45 mm進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在EDEM中對平帶工作面添加Conveyor Rotation運(yùn)動,根據(jù)理論分析及預(yù)試驗(yàn)觀察,分別設(shè)置作業(yè)速度為5.5 km/h、平帶工作面轉(zhuǎn)速為40 r/min,負(fù)壓5 000 Pa。并選取其中被吸附種子的受力情況進(jìn)行分析,以確定平帶寬度的最佳參數(shù)。

CFD-DEM仿真計(jì)算量大、耗時較長、占用存儲空間較大,因此在保證試驗(yàn)結(jié)果可靠的情況下盡量減小仿真時間,通常選取100～200顆種子作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。由于輔助充種帶氣吸式蠶豆排種器型孔數(shù)量較少,作業(yè)速度較慢,確定選取80粒種子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。計(jì)算完成后,通過EDEM后處理獲取仿真結(jié)果,如圖6所示。

圖6 EDEM后處理界面

3.3 仿真結(jié)果分析

從圖6可以看出,在平帶工作面上端,種子的聚集量通常為3～4顆,即n最大為4,代入式(11)得θ=2.452 046°,即平帶輔助充種裝置工作面弧長范圍為2.452 046°<θ<90°。過大的弧度會使得平帶與排種器摩擦力增大,且不易加工安裝,為了方便,取5°<θ<85°。即工作面弧長l為167.47 mm。

標(biāo)記仿真過程中吸附區(qū)被吸附種子。選取吸附較好,穩(wěn)定且姿態(tài)盡量一致的種子,同時標(biāo)記平帶工作面末端托種區(qū)種子,分別提取各水平種子的小顆粒受到的總力,如圖7所示。

圖7 仿真試驗(yàn)結(jié)果

由式(1)可知,被吸附種子所受外力的矢量和模數(shù)越小,顆粒受到除吸附力以外其他外力影響越小。綜合分析各水平總力隨時間變化可知,種子在初始狀態(tài)受到外力最大,此時種子處于種群運(yùn)動中,受到種群影響大;被吸附后,種子進(jìn)入吸附區(qū),受到總力逐漸穩(wěn)定;脫離種群瞬間,種子受到回流種子影響,總力出現(xiàn)跳變,接著進(jìn)入清種區(qū),出現(xiàn)二次跳變;種子進(jìn)入攜種區(qū)后總力恢復(fù)穩(wěn)定,直至投種總力歸零。

由圖7可知,隨著平帶寬度的增加總力先增大后減小,總力波動先增大后減小。觀察試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著平帶寬度的增加,平帶寬度方向上容納種子數(shù)量變化為:容納1顆種子并存有較大縫隙、恰好容納2顆種子、容納2顆種子并存在較大縫隙、恰好容納3顆種子。即當(dāng)平帶寬度略大于2顆種子寬度之和時,托種區(qū)種子運(yùn)動較為規(guī)律,對被吸附種子的影響較小,而在平帶寬度方向上并排種子數(shù)量大于3顆或小于2顆時,種群運(yùn)動更加不規(guī)律,導(dǎo)致被吸附種子受到托種區(qū)種群外力沖擊增大。綜合考慮,設(shè)計(jì)平帶寬度為35 mm。

4 臺架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

根據(jù)理論計(jì)算及數(shù)值模擬試驗(yàn)研制平帶輔助充種氣吸式蠶豆排種器。采用云豆早7蠶豆種子作為試驗(yàn)對象。在JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺排種器性能試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn),如圖8所示。通過合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的千眼狼5F01型高速攝像機(jī)對排種器工作過程進(jìn)行分析。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》,在排種器穩(wěn)定工作時,連續(xù)記錄250粒種子作為統(tǒng)計(jì)對象,每次試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。

圖8 排種器性能試驗(yàn)裝置

4.2 單因素試驗(yàn)

4.2.1負(fù)壓

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定負(fù)壓分別為2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 Pa。設(shè)置作業(yè)速度為5 km/h、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為350 r/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同負(fù)壓下試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著負(fù)壓增大,合格指數(shù)先增大后減小、重播指數(shù)逐漸增大、漏播指數(shù)逐漸減小。根據(jù)理論分析可得,隨著負(fù)壓增大,吸附力增大,種子吸附更牢固,不易清種,因此重播指數(shù)上升,漏播指數(shù)下降。由于負(fù)壓在3 000～5 000 Pa之間合格指數(shù)均大于85%,重播指數(shù)和漏播指數(shù)均為較低值,因此確定排種器負(fù)壓范圍在3 000～5 000 Pa之間。

4.2.2作業(yè)速度

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定作業(yè)速度分別為4.32、5.04、5.76、6.48、7.20 km/h。負(fù)壓為4 000 Pa、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為350 r/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同作業(yè)速度下試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著作業(yè)速度的增加,合格指數(shù)先上升后下降,重播指數(shù)逐漸下降、漏播指數(shù)逐漸上升。當(dāng)作業(yè)速度增大,種盤轉(zhuǎn)速增大,離心力增大、充種時間減少,種子被吸附的概率降低;被吸附種子的運(yùn)動速度增大導(dǎo)致其動量增大與種群碰撞時,受到的反作用力增大。因此隨著作業(yè)速度的增加,重播指數(shù)下降、漏播指數(shù)上升。由于作業(yè)速度為 5.04～6.48 km/h時,合格指數(shù)均在85%以上,確定作業(yè)速度范圍在5.04～6.48 km/h之間。

4.2.3平帶輸入軸轉(zhuǎn)速

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)確定平帶輸入軸轉(zhuǎn)速分別為0、200、400、600、800 r/min。作業(yè)速度為5.76 km/h、負(fù)壓為4 000 Pa。試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同平帶輸入軸轉(zhuǎn)速下試驗(yàn)結(jié)果

由圖11可知,隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速升高,合格指數(shù)先上升后下降、重播指數(shù)緩慢上升、漏播指數(shù)先下降后上升。當(dāng)平帶輸入軸轉(zhuǎn)速較低時,對種群的激勵作用小,種間作用力大;隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的上升,種群“活躍”,種間作用力降低,且托種區(qū)種群對被吸附種子開始起到托持作用,漏播指數(shù)下降;隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高,種群運(yùn)動速度過快,托種區(qū)種群對被吸附種子的正向作用力過大,導(dǎo)致被吸附種子脫落,漏播指數(shù)上升。但隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的提高,種群“活躍性”始終上升,因此,重播指數(shù)一直緩慢上升。由于平帶輸入軸轉(zhuǎn)速在252～505 r/min時,合格指數(shù)均在85%以上,確定平帶輸入軸轉(zhuǎn)速范圍在252～505 r/min之間。

4.3 二次回歸正交組合試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究排種器的最佳工作數(shù)組合,進(jìn)行二次回歸正交組合試驗(yàn)。選取作業(yè)速度x1、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速x2和負(fù)壓x3作為試驗(yàn)因素。合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3作為試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)因素和編碼見表3,試驗(yàn)方案與結(jié)果見表4。X1、X2、X3為因素編碼值。

表3 試驗(yàn)因素編碼

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果

4.3.2回歸方程建立及顯著性檢驗(yàn)

利用Design-Expert 12.0.1.0軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析,確定各因素的影響,得到合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3的回歸方程。并進(jìn)行回歸方程的顯著性分析,分析結(jié)果如表5所示。

表5 合格指數(shù)、重播指數(shù)與漏播指數(shù)的方差分析

(1)合格指數(shù)Y1回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

由表5可知,該模型擬合度極顯著(P<0.01)。其中作業(yè)速度與負(fù)壓交互項(xiàng)(X1X3)P大于0.05,對排種器工作時的合格指數(shù)不顯著,其余項(xiàng)皆顯著。說明相關(guān)試驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。失擬項(xiàng)P=0.270 3不顯著,說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。去除不顯著的因素后進(jìn)行多元擬合,建立合格指數(shù)Y1的回歸模型為

Y1=92.48-3.7X1+2.97X2-3.66X3+5.89X1X2-

(12)

根據(jù)式(12)可以得出,影響合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、負(fù)壓、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速。

(2)重播指數(shù)Y2回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

由表5可知,該模型擬合度極顯著(P<0.01)。其中作業(yè)速度與平帶輸入軸轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)(X1X2)、作業(yè)速度與負(fù)壓交互項(xiàng)(X1X3)兩項(xiàng)P大于0.05,對排種器工作時的重播指數(shù)不顯著,其余項(xiàng)皆顯著。說明相關(guān)試驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。失擬項(xiàng)P=0.223 9不顯著,說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。去除不顯著的因素后進(jìn)行多元擬合,建立重播指數(shù)Y2的回歸模型為

Y2=3.69-3.83X1+3.48X2-10.47X3+3.57X2X3+

(13)

根據(jù)式(13)可以得出,影響重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)樨?fù)壓、作業(yè)速度、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速。

(3)漏播指數(shù)Y3回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

由表5可知,該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。其中作業(yè)速度與負(fù)壓交互項(xiàng)(X1X3)的P大于0.05,對排種器工作時的漏播指數(shù)不顯著,其余項(xiàng)皆顯著。說明相關(guān)試驗(yàn)因素對響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。失擬項(xiàng)P=0.357 3不顯著,說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。去除不顯著的因素后進(jìn)行多元擬合,建立漏播指數(shù)Y3的回歸模型為

Y3=3.83+7.53X1-6.45X2-6.81X3-4.51X1X2+

(14)

根據(jù)式(14)可以得出,影響合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、負(fù)壓、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速。

4.3.3試驗(yàn)因素響應(yīng)曲面分析

圖12a為負(fù)壓4 000 Pa時,作業(yè)速度和平帶輸入軸轉(zhuǎn)速對排種器合格指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面。由 圖12a可知,隨著作業(yè)速度的增加,合格指數(shù)先上升后大幅度下降,相同作業(yè)速度下隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的增加,合格指數(shù)先上升后下降。當(dāng)作業(yè)速度為5.68 km/h、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為387 r/min時合格指數(shù)最高。

圖12 顯著交互項(xiàng)的響應(yīng)曲面

圖12b為作業(yè)速度5.76 km/h時,負(fù)壓和平帶輸入軸轉(zhuǎn)速對合格指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面。由圖12b可知,隨著負(fù)壓的增加,合格指數(shù)先上升,后趨于平緩下降;相同負(fù)壓條件下,隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的增加合格指數(shù)先上升后趨于平緩。當(dāng)負(fù)壓為3 824 Pa、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為397 r/min時,合格指數(shù)最高。

圖12c為作業(yè)速度5.76 km/h時,負(fù)壓和平帶輸入軸轉(zhuǎn)速對排種器重播指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面。由圖12c可知,隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的增加,重播指數(shù)上升,相同平帶輸入軸轉(zhuǎn)速下,隨著負(fù)壓的增加,重播指數(shù)增加。當(dāng)負(fù)壓為3 581 Pa、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為369 r/min時重播指數(shù)最小。

圖12d為負(fù)壓4 000 Pa時,作業(yè)速度和平帶輸入軸轉(zhuǎn)速對排種器漏播指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面。由圖12d可知,隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的增加,漏播指數(shù)下降,相同平帶輸入軸轉(zhuǎn)速條件下,隨著作業(yè)速度的增加,漏播指數(shù)上升。當(dāng)作業(yè)速度為5.48 km/h、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為403 r/min時漏播指數(shù)最低。

圖12e為作業(yè)速度5.76 km/h時,負(fù)壓和平帶輸入軸轉(zhuǎn)速對漏播指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面。由圖12e可知,隨著負(fù)壓的增加,漏播指數(shù)下降,相同負(fù)壓條件下,隨著平帶輸入軸轉(zhuǎn)速的增加漏播指數(shù)先下降,后緩慢上升。當(dāng)負(fù)壓為4 422 Pa、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為401 r/min時漏播指數(shù)最低。

由此可見,各交互作用對排種器的工作性能有較大影響。

4.3.4參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了獲得排種器的最佳工作參數(shù),對各參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。各參數(shù)以合格指數(shù)最大、重播指數(shù)和漏播指數(shù)最小為目標(biāo)進(jìn)行選取。綜合實(shí)際排種器的工作狀態(tài)及工作時的各參數(shù)對試驗(yàn)指標(biāo)的影響進(jìn)行優(yōu)化求解。目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(15)

求得作業(yè)速度為5.69 km/h、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為395 r/min、負(fù)壓為3 845 Pa時,合格指數(shù)最高、重播指數(shù)和漏播指數(shù)最低,此時三者分別為93.58%、2.905%、3.515%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性,在相同條件下進(jìn)行臺架驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為:合格指數(shù)91.6%、重播指數(shù)3.8%、漏播指數(shù)4.6%。均達(dá)到排種器的作業(yè)要求,且與預(yù)期較符合,優(yōu)化結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種帶有平帶輔助充種的氣吸式蠶豆排種器。并對其工作狀態(tài)進(jìn)行了動力學(xué)分析。分析結(jié)果顯示,平帶輔助充種裝置將種群對被吸附種子的阻力轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣浞N的托持力。驗(yàn)證了平帶輔助充種裝置可提高氣吸式排種器充種性能。

(2)對排種器重要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì),確定型孔直徑為10 mm,數(shù)量為12個,種盤直徑為 240 mm,平帶材料為橡膠黃綠片基帶;并進(jìn)一步進(jìn)行了EDEM-Fluent雙向耦合仿真,設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn),確定了平帶輔助充種裝置平帶工作面弧長為167.47 mm,寬度為35 mm。

(3)對設(shè)計(jì)的排種器搭建了臺架,設(shè)計(jì)了單因素試驗(yàn),確定了排種器工作參數(shù)的范圍為:作業(yè)速度為5.04～6.48 km/h、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速252～505 r/min、負(fù)壓3 000～5 000 Pa。建立以合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo),作業(yè)速度、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速和負(fù)壓為試驗(yàn)因素的二次回歸正交組合試驗(yàn)。得出各因素對各試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程及主次影響。對試驗(yàn)影響顯著的交互項(xiàng)進(jìn)行了響應(yīng)曲面分析,采用多目標(biāo)優(yōu)化方法得到排種器最佳工作參數(shù):作業(yè)速度為5.69 km/h、平帶輸入軸轉(zhuǎn)速為395 r/min、負(fù)壓為3 845 Pa。對此參數(shù)組合進(jìn)行了臺架試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果為:合格指數(shù)91.6%、重播指數(shù)3.8%、漏播指數(shù)4.6%。驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。該結(jié)果滿足蠶豆播種要求。