利用高速攝像及仿真分析立式淺盆型排種器工作特性

劉宏新，徐曉萌，劉俊孝，王　晨（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱　150030）

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利用高速攝像及仿真分析立式淺盆型排種器工作特性

劉宏新，徐曉萌，劉俊孝，王晨
（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

摘要：為直觀準(zhǔn)確觀察排種器的工作特性以及種子在其容腔內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，利用高速攝像技術(shù)拍攝立式淺盆型排種器在不同轉(zhuǎn)速下的工作過(guò)程，同時(shí)結(jié)合離散元仿真軟件EDEM（engineering discrete element method）進(jìn)行仿真，利用其后處理模塊中的影像技術(shù)標(biāo)記種子并對(duì)工作區(qū)間進(jìn)行分析。采用高速攝影技術(shù)和離散元仿真分析軟件EDEM分析得出：為了保證清種的可靠性，種盤(pán)的折邊傾角應(yīng)在67°～90°之間；同時(shí)，為了防止清種過(guò)程中帶種導(dǎo)致的傷種現(xiàn)象的發(fā)生，種層高度應(yīng)保證種面與護(hù)種板之間保留3～4倍種子直徑的距離；投種過(guò)程中，為了保證排種的均勻性、減小株距變異，在保證型孔的光潔度的同時(shí)，投種口的尺寸應(yīng)選取16 mm×30 mm。該研究為完善立式淺盆型排種器的設(shè)計(jì)、補(bǔ)充修正相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；計(jì)算機(jī)仿真；種子；排種器；工作機(jī)理；高速攝影

劉宏新，徐曉萌，劉俊孝，王晨. 利用高速攝像及仿真分析立式淺盆型排種器工作特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（2）：13－19.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003http://www.tcsae.org

Liu Hongxin， Xu Xiaomeng， Liu Junxiao， Wang Chen. Working characteristics of vertical shallow-basin type seed-metering device based on high-speed photography and virtual simulation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 13－19. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003http://www.tcsae.org

Email：Lcc98@neau.edu.cn

0　引　言

立式淺盆型排種器是一種利用復(fù)合充填力進(jìn)行充種的機(jī)械式精密排種器，在對(duì)其充種機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)離散元仿真軟件（engineering discrete element method，EDEM）和物理樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了立式淺盆型排種器在高速作業(yè)時(shí)具有良好的作業(yè)性能[1]。但在已有的研究中存在一定的模型假設(shè)，如理論分析時(shí)，力學(xué)模型存在簡(jiǎn)化與假設(shè)，同時(shí)，在EDEM模擬仿真時(shí)，也存在顆粒體模型的假設(shè)[2-3]，以及EDEM仿真中不存在實(shí)際工況下由于機(jī)具的振動(dòng)引發(fā)的嗑種現(xiàn)象等問(wèn)題，因此需要觀察實(shí)際工況下排種器的工作情況用以分析立式淺盆型排種器的工作機(jī)理。

國(guó)內(nèi)外將影像技術(shù)應(yīng)用在排種器的研究已陸續(xù)被報(bào)導(dǎo)，其中高速攝影技術(shù)被廣泛應(yīng)用在排種器試驗(yàn)領(lǐng)域中[4-5]。Karayel等[6]使用高速攝像系統(tǒng)拍攝種子下落時(shí)的位置關(guān)系進(jìn)而推算其株距信息；Kocher等[7]采用光電方式檢測(cè)直徑大于4 mm種子播種株距的均勻性；國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者也相繼利用高速攝影技術(shù)檢測(cè)各類排種器的工作性能以及排種的均勻性為改善排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)提供依據(jù)[8-12]。王在滿等[13-14]利用高速攝影技術(shù)對(duì)型孔輪式排種器的充種和排種過(guò)程進(jìn)行拍攝，并分析其在排種器內(nèi)部的種子流動(dòng)規(guī)律和排種軌跡，據(jù)此改進(jìn)排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)；袁月明等[15-17]和金漢學(xué)[18]在研究水稻排種器時(shí)引入了高速攝像技術(shù)，就不同轉(zhuǎn)速、孔數(shù)、孔徑和真空度對(duì)排種器充種、投種性能的影響進(jìn)行了探索性研究；同時(shí)，EDEM后處理的影像技術(shù)也逐漸應(yīng)用到排種器的研究中，如Parafiniuk P等[19]利用離散元法對(duì)油菜籽在筒倉(cāng)內(nèi)的流速進(jìn)行測(cè)量，并進(jìn)行物理樣機(jī)驗(yàn)證；沈陽(yáng)理工大學(xué)[20-21]利用EDEM模擬勺式精密排種器的工作過(guò)程，據(jù)此明確了此類排種器的工作機(jī)理；胡建平等[22-24]利用EDEM對(duì)磁吸板式排種器、永磁體磁吸式排種器和磁吸滾筒式排種器的充種過(guò)程進(jìn)行模擬和分析，找出影響排種器充種性能的主要因素；石林榕等[25]利用離散元法對(duì)水平圓盤(pán)式精量排種器工作過(guò)程分析，找出了提高其排種性能的最佳排種參數(shù)。

為此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，將高速攝影技術(shù)與EDEM軟件后處理模塊中的影像技術(shù)相結(jié)合，對(duì)立式淺盆型排種器的清種過(guò)程和投種過(guò)程進(jìn)行觀察和分析，并研究種子在其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以期為完善排種器設(shè)計(jì)、提高排種器的工作性能提供參考。

1　總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

立式淺盆型排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該排種器主要由殼體1、排種盤(pán)2、護(hù)種板3以及排種軸4等組成[1]。

圖1　立式淺盆型排種器的總體結(jié)構(gòu)Fig.1　Overall structure of vertical shallow-basin type seed-metering device

1.2工作原理

由于殼體種層高度控制結(jié)構(gòu)的作用，種子在排種器中處于非充滿狀態(tài)，排種盤(pán)在驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)下按照如圖1所示方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，

種子在復(fù)合充填力的作用下充入到型孔中，完成充種過(guò)程；型孔隨即轉(zhuǎn)入到清種區(qū)，種子利用復(fù)合力將型孔內(nèi)多余的種子和型孔外與種盤(pán)隨動(dòng)的種子清掉，完成清種過(guò)程；然后型孔內(nèi)的種子在護(hù)種板和型孔圍成的封閉空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)，最后種子隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)到排種器容腔下部進(jìn)入到投種區(qū)，由投種口投出，完成排種作業(yè)。排種器在排種盤(pán)不同轉(zhuǎn)速下的充填率如表1[1]。

表1　在不同轉(zhuǎn)速下立式淺盆型排種盤(pán)的充填率Table 1　Filling rate value of vertical shallow-basin type seed-plate at different rotational speed

2　仿真影像分析

利用CATIA三維建模軟件建立排種盤(pán)直徑為190 mm的立式淺盆型排種器模型，并將其存儲(chǔ)為stp.格式導(dǎo)入到EDEM中，全局變量和模擬器的設(shè)置參照文獻(xiàn)[1]。

2.1清種過(guò)程分析

排種盤(pán)在高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)與種盤(pán)接觸的但未充入型孔內(nèi)的種子一起運(yùn)動(dòng)，此現(xiàn)象為帶種現(xiàn)象，必須保證在進(jìn)入護(hù)種區(qū)之前與種盤(pán)一起隨動(dòng)的種子能夠及時(shí)清掉，防止由于種子下落不及時(shí)，導(dǎo)致種子被護(hù)種板刮傷現(xiàn)象的發(fā)生。

圖2　帶種現(xiàn)象仿真圖像Fig.2　Simulation image of bringing seed

當(dāng)折邊傾角（排種盤(pán)折邊與豎直方向的夾角）為90°（即內(nèi)環(huán)型孔式排種盤(pán)）時(shí)，經(jīng)力學(xué)分析可知[1]，當(dāng)排種盤(pán)高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)存在較大的離心力，使種盤(pán)帶動(dòng)種粒一起隨動(dòng)，在清種過(guò)程中會(huì)發(fā)生清種不徹底導(dǎo)致傷種現(xiàn)象的發(fā)生。因此，為了驗(yàn)證理論分析的正確性，本文以作業(yè)速度為v＝10 km/h為例，模擬仿真排種盤(pán)折邊傾角為90°時(shí)的清種過(guò)程，如圖2a所示。圖2a中顆粒體的顏色隨種子運(yùn)動(dòng)速度大小而改變，圖中群體點(diǎn)中亮綠色的種子為流動(dòng)層，排種盤(pán)對(duì)種子群有明顯的擾動(dòng)作用。在4.87 s時(shí)，被標(biāo)記的種粒（圖中橘黃色顆粒）即種盤(pán)附近的群體點(diǎn)種粒，在排種盤(pán)的帶動(dòng)下逐漸向種層上方運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入清種區(qū)后，在4.91 s時(shí)，可以明顯看到排種盤(pán)帶動(dòng)種層向上運(yùn)動(dòng)，由于離心力的作用，被標(biāo)記的種粒與種盤(pán)一起隨動(dòng)，在4.97 s時(shí)，磕碰到護(hù)種板后開(kāi)始掉落，在5.02 s時(shí)，完全落回種層。從EDEM仿真中可以清晰看到當(dāng)排種盤(pán)折邊傾角為90°時(shí)，高轉(zhuǎn)速下會(huì)產(chǎn)生種子與護(hù)種板發(fā)生磕碰進(jìn)而造成的傷種現(xiàn)象，證明了已有研究[1]中力學(xué)分析的正確性。

當(dāng)作業(yè)速度v＝10 km/h時(shí)，排種盤(pán)的折邊傾角為67°時(shí)的清種過(guò)程如圖2b所示，從圖2b中可以清晰看出排種盤(pán)對(duì)顆粒體沒(méi)有明顯的擾動(dòng)作用，同時(shí)圖2b中被標(biāo)記的顆粒體在進(jìn)入清種區(qū)后，隨排種盤(pán)運(yùn)動(dòng)較小距離后便開(kāi)始下落，在9.36 s時(shí)，落回種層，與理論分析[1]一致。

2種不同折邊傾角的排種器的清種過(guò)程仿真對(duì)比分析可知：若想避免帶種引起的傷種現(xiàn)象的發(fā)生，保證清種的可靠性，排種盤(pán)的折邊傾角應(yīng)小于90°，同時(shí)考慮折邊傾角過(guò)小會(huì)造成充種效果不佳，基于以上，排種盤(pán)的折邊傾角應(yīng)在67°～90°之間。此外，種層高度也應(yīng)該控制在一定范圍內(nèi)，保證充種區(qū)域足夠大的同時(shí)，防止帶種現(xiàn)象的發(fā)生，種層高度應(yīng)保證種面與護(hù)種板之間保留3～4倍種子直徑的距離。

2.2投種過(guò)程分析

1）投種軌跡

在后處理器設(shè)置中，手動(dòng)選取即將從型孔投出的種子即投種點(diǎn)位置的種粒進(jìn)行標(biāo)記。將選取的種粒以Stream流線形式進(jìn)行顯示，并在選項(xiàng)卡中勾選全部步長(zhǎng)，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3a。將被標(biāo)記顆粒的坐標(biāo)的Y值、Z值導(dǎo)出到EXCEL，并畫(huà)出在排種盤(pán)不同轉(zhuǎn)速下的投種軌跡。

圖3　測(cè)量投種軌跡和投種角示意圖Fig.3　Sketches of throwing locus and angle of throwing seed

2）投種角測(cè)量

隨著種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，型孔進(jìn)入投種區(qū)后,種子剛開(kāi)始落出型孔時(shí)，種子重心與排種盤(pán)中心點(diǎn)連線和排種盤(pán)豎直中心線的夾角稱為投種角。在EDEM后處理設(shè)置中，在Tools選項(xiàng)卡中選取Protractor項(xiàng)，手動(dòng)選取型孔進(jìn)入投種區(qū)后，恰好要脫離型孔的種粒作為起始點(diǎn)，設(shè)置中心點(diǎn)和終止點(diǎn)的坐標(biāo)值，如圖3b所示。測(cè)量排種盤(pán)每個(gè)轉(zhuǎn)速下的投種角3次并取均值。

3　儀器設(shè)備與方法

3.1試驗(yàn)材料物理參數(shù)

試驗(yàn)材料選用品種為黑農(nóng)38的大豆，粒徑范圍是5～8 mm，千粒質(zhì)量約為253.83 g，自然休止角約為25°，破損率小于0.05%。

3.2測(cè)試與攝像采集系統(tǒng)

測(cè)試與影像采集系統(tǒng)主要由高速攝影系統(tǒng)（由美國(guó)Vision Research公司生產(chǎn)的Phantom V5.1-4G型）、JPS-12計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)、立式淺盆型排種器、計(jì)算機(jī)等組成，連接關(guān)系如圖4所示。立式淺盆型排種器安裝在JPS-12計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)臺(tái)（哈爾濱博納科技有限公司制造）上，控制面板調(diào)節(jié)排種軸的轉(zhuǎn)速及種床帶的速度，高速攝影機(jī)拍攝排種器的工作過(guò)程，并把影像信息存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)中，同時(shí)控制面板將采集的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)至計(jì)算機(jī)中。

圖4　測(cè)試與攝像采集系統(tǒng)Fig.4　Test and image collection system

3.2.1試驗(yàn)臺(tái)及試驗(yàn)裝置

將立式淺盆型排種器安裝在JPS-12計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，研究立式淺盆型排種器在不同作業(yè)速度下的工作情況。為了便于觀察種子的運(yùn)動(dòng)情況，將試驗(yàn)裝置進(jìn)行可視化處理，將原有金屬材質(zhì)的中間擋板及后殼體改為有機(jī)玻璃材質(zhì)，如圖5所示。其中排種盤(pán)直徑為190 mm，型孔數(shù)量為34個(gè)。

圖5　試驗(yàn)裝置Fig.5　Test device

3.2.2高速攝像系統(tǒng)

高速攝影系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)主機(jī)、攝像頭、LCD顯示屏、光源、變壓器、光纜、電源線等。最大分辨率1 024×1 024 pix，最大拍攝幀速為1 200幀/s。

本試驗(yàn)參數(shù)為：幀速300幀/s、分辨率為1 024×1 024 pix。

3.3測(cè)試方法

首先，在操作臺(tái)的控制面板上設(shè)定排種軸的轉(zhuǎn)速，并把高速攝像機(jī)置于準(zhǔn)備記錄狀態(tài)；然后按下按鈕啟動(dòng)電機(jī)開(kāi)始排種，等轉(zhuǎn)速均勻后，把高速攝像機(jī)置于開(kāi)始記錄狀態(tài)，高速攝像機(jī)開(kāi)始記錄排種器的工作過(guò)程，將影像資料保存到存儲(chǔ)卡中，在4 s后自動(dòng)結(jié)束記錄過(guò)程，最后關(guān)閉電機(jī)結(jié)束排種。

本文選取機(jī)組作業(yè)速度作為試驗(yàn)變量，變量取值分別為4、6、8、10、12 km/h（對(duì)應(yīng)排種軸的轉(zhuǎn)速為19.61、29.41、39.21、49.12、58.82 r/min[1]），株距為10 cm，觀察并分析立式淺盆型排種器的工作情況。每組試驗(yàn)重復(fù)3次。

4　高速影像分析

4.1清種過(guò)程

1）清種過(guò)程分析

由于種子大小存在差異性，當(dāng)作業(yè)速度較低時(shí)，為了避免重種現(xiàn)象，防止重播現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)保證型孔內(nèi)多余的種子在進(jìn)入護(hù)種區(qū)之前完全被清掉。圖6為清種過(guò)程高速攝像。如圖6所示，當(dāng)作業(yè)速度v＝4 km/h時(shí)，實(shí)線圓圈內(nèi)的種子與虛線圓圈內(nèi)的種子同時(shí)充入到同一型孔中（在1.85～1.92 s之間，由于實(shí)線圓圈內(nèi)的種子將型孔內(nèi)部的虛線圓圈內(nèi)的種子遮擋住，所以在圖6中無(wú)法看到虛線圓圈內(nèi)的種子），隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，在1.90 s時(shí)，實(shí)線圓圈內(nèi)的種子利用自身重力以及種盤(pán)對(duì)種子的輔助作用脫離型孔，在1.96 s時(shí)，完全掉落回到種層，此時(shí)，只有虛線圓圈內(nèi)的種子留在型孔內(nèi)部，即完成清種過(guò)程，證明已有研究[1]中對(duì)清種過(guò)程力學(xué)分析的正確性。經(jīng)試驗(yàn)，當(dāng)作業(yè)速度在6 km/h以上時(shí)，重種現(xiàn)象基本消失，證明此型孔大小與種子體積匹配程度較好，型孔對(duì)種子的適應(yīng)性較強(qiáng)。

圖6　清種過(guò)程高速影像Fig.6　High-speed image of cleaning process

2）帶種現(xiàn)象分析

經(jīng)試驗(yàn)可知，當(dāng)作業(yè)速度v ＝ 8 km/h時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)帶種現(xiàn)象，隨著作業(yè)速度的增加，帶種現(xiàn)象越明顯。現(xiàn)以作業(yè)速度v ＝ 10 km/h為例進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7　帶種現(xiàn)象高速影像Fig.7　High-speed image of bringing seed

由圖7可知，隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)對(duì)群體點(diǎn)接觸種盤(pán)的種子造成一定的擾動(dòng)作用，實(shí)線圓圈內(nèi)的種子被帶離種層，脫離種面一定高度，與種盤(pán)一起隨動(dòng)，在2.24 s時(shí)，實(shí)線圓圈內(nèi)的種子開(kāi)始脫離種盤(pán)自行下落，在2.32 s時(shí)，實(shí)線圓圈內(nèi)的種子已完全脫離種盤(pán)落回種層。發(fā)生此現(xiàn)象的主要原因是由于立式淺盆型排種盤(pán)折邊存在，使實(shí)線圓圈內(nèi)的種子可以沿折邊滑出，脫離種盤(pán)。這樣就避免在進(jìn)入護(hù)種區(qū)時(shí)，未及時(shí)清掉的種子受到護(hù)種板和型孔端面的剪切作用造成傷種，影響播種質(zhì)量。

4.2投種過(guò)程

1）投種軌跡

為了能夠反映種子在投種過(guò)程中真實(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化，在高速攝影軟件Phantom中建立如圖8a所示的坐標(biāo)系，將圖8a中P點(diǎn)位置設(shè)為原點(diǎn)，將長(zhǎng)度單位設(shè)置為mm，選擇“比例”項(xiàng)，將底部投種口處PA的長(zhǎng)度設(shè)為實(shí)際長(zhǎng)度。將標(biāo)記的種粒（圖8a中的實(shí)線圓圈內(nèi)的種子）的中心點(diǎn)在每幀的位置坐標(biāo)記錄到EXCEL中，即可得出在排種盤(pán)不同轉(zhuǎn)速下的顆粒的投種軌跡如圖9所示。

圖8　高速攝影操作界面Fig.8　Operation interface of high-speed photography

圖9　種子在排種盤(pán)不同轉(zhuǎn)速下的投種軌跡Fig.9　Throwing locus of seed at different rotational speed of seed-plate

圖9中Y方向上的位移即為種子的投種距離，由圖9可知，排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速對(duì)投種軌跡有顯著的影響，排種盤(pán)各轉(zhuǎn)速下的高速攝影的投種軌跡與EDEM仿真得出的運(yùn)動(dòng)軌跡相差不大，均表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速越高，拋物線開(kāi)口越大，其主要原因是轉(zhuǎn)速越高，種子投出去的水平初速度越大，投種距離也隨之增大；但同時(shí)也存在一定的差異性，可能是EDEM仿真存在一定的模型假設(shè)以及EDEM中不存在實(shí)際工況下排種器振動(dòng)從而造成的種子投種時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡的改變。

2）投種角測(cè)量

將圖8b中P′點(diǎn)位置設(shè)置為原點(diǎn)，利用Distance命令量取投種點(diǎn)（圖8b中的虛線圓圈內(nèi)的種子）的位置與原點(diǎn)的弦長(zhǎng)，計(jì)算出圓心角即投種角，排種盤(pán)每個(gè)轉(zhuǎn)速下投種角測(cè)量3組取均值，測(cè)量結(jié)果如表2所示。由表2可知，高速攝影測(cè)量值與EDEM仿真值基本相符，兩者的相對(duì)誤差最大為5.6%?？赡苁荅DEM中不存在實(shí)際工況下排種器運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定造成的振動(dòng)以及EDEM中存在顆粒體模型的假設(shè)造成了投種角大小的差異性。

由SPSS軟件分析可知：排種盤(pán)轉(zhuǎn)速與投種角的相關(guān)系數(shù)的仿真值和試驗(yàn)值分別為0.932、0.952，說(shuō)明仿真和試驗(yàn)中的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速與投種角兩者之間均存在著高度線性正相關(guān)。對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其伴隨概率P小于0.01，所以排種盤(pán)轉(zhuǎn)速與投種角兩者存在顯著相關(guān)性，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速Y與投種角x的仿真和試驗(yàn)的相關(guān)函數(shù)分別為Y仿＝?0.154x＋24.835，Y試＝?0.158x＋24.236。

表2　不同轉(zhuǎn)速下的排種盤(pán)投種角的仿真和試驗(yàn)對(duì)比Table 2　Simulation and experiment comparison of throwing seed angle at different rotational speed of seed-plate

3）投種過(guò)程分析

截取在作業(yè)速度為v＝8 km/h的投種過(guò)程的高速影像如圖10a所示。由圖10a可清晰看出隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，種子在重力作用下轉(zhuǎn)至投種口，均勻連續(xù)地呈拋物線投出；由圖10b所知，在作業(yè)速度為v＝12 km/h時(shí)，實(shí)線圓圈內(nèi)的種子在投種口出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象（t＝3.14～3.16 s），運(yùn)動(dòng)軌跡受到影響，與其他種子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生明顯偏離現(xiàn)象（t＝3.19～3.25 s）。測(cè)量排種盤(pán)各個(gè)轉(zhuǎn)速下的株距變異系數(shù)如表3所示。由表3可知，在作業(yè)速度為4～8 km/h時(shí)，株距變異系數(shù)均較低；超過(guò)8 km/h時(shí)，開(kāi)始呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。

圖10　投種過(guò)程高速影像Fig.10　High-speed image of throwing seed

表3　排種盤(pán)不同轉(zhuǎn)速下的株距變異系數(shù)Table 3　Coefficient of variation of row spacing at different rotational speed of seed-plate

經(jīng)分析可知：除種子的質(zhì)量和大小的差異外，造成此現(xiàn)象可能有2種原因，一是由于嗑種引起的排種器振動(dòng)導(dǎo)致種子投出時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生變化，變異系數(shù)增加；二是當(dāng)排種盤(pán)高速轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入到投種區(qū)時(shí)，由于型孔的加工精度導(dǎo)致型孔的光潔度低等原因，種子出現(xiàn)明顯的滾動(dòng)現(xiàn)象，由于轉(zhuǎn)速較高，種子在慣性的作用下，沒(méi)有及時(shí)從投種口投出，與排種器內(nèi)壁發(fā)生碰撞導(dǎo)致彈跳現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)而改變種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，導(dǎo)致排種均勻性較差以及株距變異性增大，也會(huì)造成傷種，影響排種質(zhì)量。所以改良型孔的精度保證光潔度以及排種器合理的投種口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)避免此現(xiàn)象的發(fā)生，降低變異系數(shù)。由圖9種子的投種軌跡分析可知，為防止種子與殼體發(fā)生碰撞導(dǎo)致種子發(fā)生彈跳現(xiàn)象，圖8a中的PA的長(zhǎng)度應(yīng)不小于20 mm，加之工作過(guò)程排種器振動(dòng)造成的影響，同時(shí)考慮降低機(jī)具質(zhì)量以及生產(chǎn)成本，所以投種口處PA的長(zhǎng)度取30 mm；為了保證在工作過(guò)程中后殼體與排種盤(pán)的良好配合，保留了后殼體投種口處4 mm的厚度，由于后殼體的厚度是20 mm，選擇投種口處的尺寸為16 mm×30 mm。

5　結(jié)　論

本文利用高速攝像技術(shù)拍攝立式淺盆型排種器在不同轉(zhuǎn)速下的工作過(guò)程，同時(shí)結(jié)合離散元仿真軟件進(jìn)行仿真，得到以下結(jié)論：

1）在保證充種效果良好的前提下，為了有效避免清種過(guò)程中由于帶種導(dǎo)致的傷種現(xiàn)象的發(fā)生，保證清種的可靠性，立式淺盆型種盤(pán)的折邊傾角應(yīng)在67°～90°；同時(shí)，種層高度應(yīng)保證種面與護(hù)種板之間留出3～4倍種子直徑的距離。

2）投種過(guò)程中，為了保證排種的均勻性、減小株距變異，在保證型孔的光潔度的同時(shí)，投種口的尺寸定為16 mm×30 mm。

本文為立式淺盆型排種器的技術(shù)轉(zhuǎn)化及產(chǎn)品定型提供了參考。

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Working characteristics of vertical shallow-basin type seed-metering device based on high-speed photography and virtual simulation

Liu Hongxin, Xu Xiaomeng, Liu Junxiao, Wang Chen
（College of Engineering, Northeɑst Agriculturɑl University, Hɑrbin 150030, Chinɑ）

Abstract:Vertical shallow-basin type seed-metering device is a mechanical precision seed-metering device. Its structure is based on the traditional vertical composite plate seed-metering device， and it can utilize the gravity， centrifugal force and interaction force between the seeds as the composite filling force to fill seeds， which solves the question of single filling force of traditional vertical composite plate seed-metering device. Based on the mechanism research of filling seeds， the author utilized the discrete element simulation analysis software EDEM （engineering discrete element method） and the physical prototype test to verify if vertical shallow-basin type seed-metering device had good working performance at high working speed. Generally， there was a certain model hypothesis in the existing research， for example， in the process of theoretical analysis， mechanical model had a certain simplification and assumption， in the EDEM simulation， there was the particle model assumptions， and meanwhile the discrete element simulation had not the phenomenon of knocking on a seed caused by the vibration of the machine under the actual working condition. Therefore， in order to observe and analyze the working condition and working mechanism more actually and intuitionally in the internal of vertical shallow-basin type seed-metering device， as well as the motion state of seeds in the cavity of seed-metering device， the paper utilized the high-speed photography technology to shoot the working process of the device at different rotational speed of seed shaft， and at the same time， the paper used the EDEM to simulate the working process， used the post-processing module of EDEM to label the particle， and made the analysis on the working process. Combined with 2 kinds of image analysis technologies， the results showed that to ensure the reliability in the process of cleaning seeds， the folding angle of seed plate of vertical shallow-basin type seed-metering device should be at the range of 67°-90°; meanwhile， to avoid hurting the seeds that was caused by the phenomenon of towing seeds in the process of cleaning seeds， the height of seed layer should ensure that there was a distance of 3-4 times of seed diameter between seed layer and protecting-seed device; in the process of throwing seeds， in order to ensure the uniformity and the quality， the smooth finish of the hole should be ensured and the size of throwing-seed mouth should be 16 mm×30 mm. The simulation and physical prototype showed that the trajectory of throwing seeds was a parabola curve， which was relevant with the rotational speed and whose open mouth became bigger with the increasing of rotational speed; the seed-throwing angle was positively associated with the rotational speed. The research provides the reference and basis for refining the design of vertical shallow-basin type seed-metering device and revising the relevant structure parameters to improve the working performance and ability of the device at high working speed.

Keywords:agricultural machinery; computer simulation; seed; seed-metering device; working mechanism; high-speed photography

作者簡(jiǎn)介：劉宏新，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備、數(shù)字化設(shè)計(jì)，CAD＆CAE，哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51275086）

收稿日期：2015-08-22

修訂日期：2015-12-10

中圖分類號(hào)：S223.2＋3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-6819（2016）-02-0013-07

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.003