氣吸滾筒式玉米排種器充種性能仿真與試驗(yàn)優(yōu)化

張 昆 衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319)

氣吸滾筒式玉米排種器充種性能仿真與試驗(yàn)優(yōu)化

張 昆 衣淑娟

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶163319)

為了提高氣吸滾筒式排種器充種性能，采用離散元分析的方法，對(duì)種層高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角度分別進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明:在相同條件下提升種層高度，可以增長(zhǎng)充種區(qū)弧長(zhǎng)，增加充種時(shí)間，降低排種器的漏充率;振動(dòng)頻率增加，種子平均法向應(yīng)力方差增大，即對(duì)種子的擾動(dòng)性增強(qiáng);合適的振動(dòng)角度可以有效提高供種高度。減小內(nèi)摩擦、增強(qiáng)種群擾動(dòng)性、提高供種高度均可有效提高排種器充種性能。為尋找最佳參數(shù)組合，以鄭單958玉米種子為播種對(duì)象，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，對(duì)排種器進(jìn)行了排種性能試驗(yàn)，建立了種層高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角度3個(gè)主要因素與合格率、漏播率、重播率的數(shù)學(xué)模型，分析了各個(gè)因素及交互作用對(duì)合格率的影響規(guī)律，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)。當(dāng)最佳參數(shù)組合為振動(dòng)角度45°，振動(dòng)頻率116～122 Hz，種層高度96～117mm時(shí)，合格率大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與分析結(jié)果基本一致。試驗(yàn)結(jié)果表明該氣吸滾筒式精密排種器對(duì)于玉米種子具有很好的播種適應(yīng)性。

玉米;氣吸滾筒式排種器;充種性能;數(shù)值模擬;正交試驗(yàn)

引言

玉米機(jī)械化精量播種可以節(jié)省種子，無(wú)需間苗作業(yè)，而且可使種子在田間分布均勻，播深一致，達(dá)到苗齊、苗壯，是玉米播種技術(shù)的發(fā)展方向。精量排種器作為播種機(jī)的核心部件，其排種性能成為玉米播種技術(shù)的關(guān)鍵［1－3］。

目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的播種機(jī)普遍采用氣吸式工作原理［4－9］，這主要是因?yàn)闄C(jī)械式排種器整體上存在作業(yè)速度不高、對(duì)種子形狀和尺寸要求嚴(yán)格、播種單粒率有待改善等問(wèn)題，而氣吸式排種器借助氣流作用充種、清種或攜種，與機(jī)械式排種器相比，對(duì)種子形狀和大小一致性要求不嚴(yán)格，更易于實(shí)現(xiàn)高速、精密播種。氣吸式排種器，其充種環(huán)節(jié)尤為重要，基本決定了排種器的優(yōu)劣［10］。充種過(guò)程處理不當(dāng)會(huì)造成重播或者漏播現(xiàn)象，嚴(yán)重影響排種器的工作性能，導(dǎo)致播種質(zhì)量下降。目前采用種箱振動(dòng)方式提高充種是通用的方法［11－13］。王淑銘等［14］對(duì)氣動(dòng)振動(dòng)式精密排種器振盤及種子的運(yùn)動(dòng)理論進(jìn)行了分析;陳進(jìn)等［15］采用離散元法對(duì)氣吸式精密播種機(jī)振動(dòng)種盤中水稻種群運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究;種群的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)于充種性能有較大的影響。李林［16］對(duì)氣吸式排種器工作過(guò)程進(jìn)行了研究，提出了種群內(nèi)摩擦力對(duì)種子充填和所需吸力有很大影響。陳進(jìn)等［17］、祁兵等［18］利用電磁激振的方法擾動(dòng)種群，使種群產(chǎn)生“沸騰”，提高了氣吸滾筒排種器充種性能。為提高氣吸滾筒式排種器的充種性能，結(jié)合上述學(xué)者的研究成果，本文采用振動(dòng)供種的方式，研究種層高度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度對(duì)充種性能的影響。

本文以自行研制的氣吸式滾筒排種器為研究對(duì)象，借助離散元仿真軟件EDEM進(jìn)行種層高度、振動(dòng)頻率、振動(dòng)角度對(duì)種群擾動(dòng)及供種高度影響的仿真分析，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，探尋種群擾動(dòng)和供種高度對(duì)充種性能的影響。利用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，對(duì)上述因素進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，以尋找最佳參數(shù)組合來(lái)提高排種性能。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸滾筒式精密排種器主要由種箱、滾筒、空心軸、絕壓輥、調(diào)節(jié)螺桿及傳動(dòng)鏈輪組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣吸滾筒排種器結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Structure diagram of pneumatic cylinder seed-metering device

空心軸兩端，一端與風(fēng)機(jī)連接，另一端封閉，并與滾筒內(nèi)部負(fù)壓填充區(qū)相連通?？招妮S上下開孔插入可調(diào)節(jié)的螺桿結(jié)構(gòu)，受到彈簧的壓力作用使得絕壓輥與滾筒內(nèi)壁緊密接觸，從而起到隔絕負(fù)壓的作用。排種器在工作狀態(tài)下，滾筒會(huì)圍繞空心軸進(jìn)行逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，在風(fēng)機(jī)的作用下，此時(shí)的種子受到自身重力、吸孔負(fù)壓吸力的作用充入型孔當(dāng)中，并隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)種子轉(zhuǎn)動(dòng)到絕壓輥下方時(shí)，種子失去負(fù)壓吸力，依靠自身重力落入種床帶上，完成種子的精密排種。

1.1 滾筒直徑

目前國(guó)內(nèi)外氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑多為140～260 mm，大直徑滾筒可以增加吸種孔的數(shù)量從而降低滾筒轉(zhuǎn)速，增加合格率，但是相應(yīng)也增大了負(fù)壓腔的空間，需要風(fēng)機(jī)提供的空氣流量也相應(yīng)增加，能耗必然增加，也易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象;綜合考慮滾筒直徑選取200mm，材料選取厚度為1 mm的不銹鋼鐵皮。

1.2 吸種孔位置尺寸

設(shè)計(jì)滾筒上吸種孔周向孔數(shù)時(shí)，既要考慮到增加吸種孔數(shù)量有利于充種，又要考慮到兩孔之間的弧長(zhǎng)Δl不小于兩粒種子的最大尺寸。

通過(guò)測(cè)量500粒種子得出所用玉米種子平均長(zhǎng)度9.3mm、寬度6.8mm、厚度4.6mm，其中最大尺寸不超過(guò)12.2mm，綜上兩點(diǎn)考慮以及加工方便，選取滾筒周向吸種孔的數(shù)量為8個(gè)。

吸種孔直徑k(mm)參照經(jīng)驗(yàn)公式［20］

式中 D——滾筒直徑，mm

通過(guò)大量測(cè)量得出種子平均直徑為8.32 mm，形狀近似球體，由式(2)中可以得到吸種孔直徑范圍，即4.99～5.82mm。為了便于實(shí)際加工，選擇吸種孔直徑為5.5mm。

1.3 投種裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

投種裝置的主要部分是絕壓輥。絕壓輥隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，絕壓輥與滾筒內(nèi)壁的摩擦形式由傳統(tǒng)的滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦［21］，大大降低了因摩擦而損失的能耗，延長(zhǎng)了機(jī)構(gòu)的使用壽命。同時(shí)，為了更好地保證絕壓輥與滾筒內(nèi)壁的緊密接觸，在絕壓輥周圍套上一層壁厚為2 mm的橡膠套，以橡膠套的微量形變使其與滾筒內(nèi)壁的接觸力加大，同時(shí)為了保證摩擦輥與滾筒內(nèi)壁的過(guò)盈配合，除了在絕壓輥外部套上橡膠套之外，還在其兩側(cè)焊接上彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，既保證滾筒與中心軸之間的固定，又避免了長(zhǎng)時(shí)間的摩擦使之與滾筒內(nèi)壁接觸不緊密。兩端螺母則起到了調(diào)節(jié)距離的作用，如圖2所示。

圖2 摩擦輥與彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig．2 Friction roller and spring adjustmentmechanism

2 仿真模型建立

2.1 接觸模型

離散元法描述的是顆粒之間碰撞的過(guò)程，也就是接觸的產(chǎn)生和發(fā)生作用的過(guò)程。離散元中根據(jù)接觸方式的不同可分為硬顆粒接觸和軟顆粒接觸，軟顆粒接觸方式允許顆粒之間接觸點(diǎn)間出現(xiàn)重疊部分，并根據(jù)接觸顆粒的物理屬性和法向重疊量、切向位移計(jì)算出接觸力，而顆粒間內(nèi)摩擦力即切向力與法向力有著密切的聯(lián)系，因此本文采用軟顆粒接觸模型。考慮到種子表面無(wú)粘附力，故本文選取Hertz-Mindlin無(wú)滑移接觸模型［22－25］。

2.2 接觸力計(jì)算

法向力Fnij是彈簧和法向阻尼器作用在顆粒i上的彈性力和阻尼力的合力，同時(shí)顆粒i發(fā)生滑移，通過(guò)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)切向力Ftij與法向力Fnij關(guān)系為［26－28］

式中 μs——靜摩擦因數(shù)

vct——接觸點(diǎn)的滑移速度，m/s

從式中可知，種子間切向力即為內(nèi)摩擦力，而內(nèi)摩擦力是阻礙種子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的主要因素［29］。從式(3)中可以看出，影響內(nèi)摩擦力的因素有靜摩擦因數(shù)和法向力，而靜摩擦因數(shù)又由種子本身物理屬性決定，因此采用法向力Fnij來(lái)衡量種子之間的內(nèi)摩擦力［30－31］。

2.3 顆粒模型

采用鄭單958玉米種子進(jìn)行仿真試驗(yàn)，由文獻(xiàn)［32－33］得到種子的幾何尺寸與力學(xué)特征參數(shù)，如表1所示。

表1 種子特征參數(shù)Tab．1 Seeds characteristic parameters

對(duì)鄭單958種子進(jìn)行建模，將1 000粒種子分為大扁、小扁、大圓、小圓4類，依次按其長(zhǎng)、寬、高尺寸的正態(tài)分布均值進(jìn)行三維模型建立，并在EDEM軟件中通過(guò)多球面組合的填充方式，完成一個(gè)與種子模型外輪廓較為吻合的表面組作為一個(gè)顆粒，模擬顆粒如圖3所示［34］，仿真過(guò)程中隨機(jī)生成4種形狀的種子。

圖3 種子仿真結(jié)果Fig．3 Simulation results of seed

2.4 排種器供種過(guò)程仿真

種子由種箱模型內(nèi)部的顆粒工廠生成，生成的種子在自身重力的作用下分布在種箱底部。在對(duì)種箱添加激振作用下，種箱內(nèi)的種群出現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)，種間出現(xiàn)了相對(duì)的運(yùn)動(dòng)與碰撞。

為了研究氣吸滾筒式排種器充種性能，本文對(duì)種層高度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度進(jìn)行考察。通過(guò)EDEM模擬不同種層高度條件下，充種區(qū)弧長(zhǎng)對(duì)充種效果的影響。通過(guò)EDEM模擬振動(dòng)頻率條件下，種間法向力的變化對(duì)供種效果的影響。通過(guò)EDEM模擬不同振動(dòng)角度條件下，供種高度對(duì)充種效果的影響。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 種層高度

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況，模擬種箱內(nèi)種層高度分別為50、100、150mm。

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，隨著種層高度的提升，排種器漏充情況明顯減少。出現(xiàn)這樣現(xiàn)象的主要原因是由于提升種層高度，充種區(qū)弧長(zhǎng)增長(zhǎng)，使得滾筒在相同轉(zhuǎn)速的情況下，充種時(shí)間增長(zhǎng)，一定程度上降低了排種器的漏充率。建立各因素對(duì)于充種影響的方程組

式中 t——滾筒轉(zhuǎn)過(guò)充種區(qū)的時(shí)間，s

lc——充種區(qū)弧長(zhǎng)，m

s——滾筒線速度，m/s

d——滾筒直徑，m

n——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

δ——充種區(qū)弧度，rad

由式(4)整理得出

式(5)表明，滾筒轉(zhuǎn)過(guò)充種區(qū)的時(shí)間t僅與滾筒轉(zhuǎn)速和充種區(qū)弧度有關(guān)，驗(yàn)證了上述的分析。

通過(guò)模擬3種不同種層高度，得出排種器漏充率變化規(guī)律如圖4所示，由圖可知，隨著種層高度增大，漏充率下降。

圖4 種層高度與漏充率關(guān)系曲線Fig．4 Relationship curve of height of seeds layer and miss rate of seed-filling

3.2 振動(dòng)頻率

圖5 不同振動(dòng)頻率下平均法向應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線Fig．5 Changing curves of average normal stresswith time under different vibration frequencies

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況，選取振幅為1 mm，種層高度為100mm，振動(dòng)角度與水平夾角為45°時(shí)，模擬種箱振動(dòng)頻率分別為65、85、105 Hz，獲取隨時(shí)間變化種子的平均法向應(yīng)力，如圖5所示。從圖中可以看出，種子平均法向應(yīng)力隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)，并隨著振頻的提高，波動(dòng)幅度增大且落差也隨著增大。為了定量描述這種波動(dòng)，引入方差公式

式中 D——方差，Pa2

N——輸出數(shù)據(jù)總數(shù)，N=100

μ——種子平均法向應(yīng)力總和，Pa

fni——i時(shí)刻每個(gè)種子受到的平均法向應(yīng)力，Pa

方差較大的其波動(dòng)離散程度大，也就是對(duì)種子的擾動(dòng)性較大。通過(guò)計(jì)算得出振動(dòng)頻率為65 Hz時(shí)，方差為39.65 Pa2。振動(dòng)頻率為85Hz時(shí)，方差為58.62 Pa2。振動(dòng)頻率為105Hz時(shí)，方差為61.77 Pa2。因此提高振動(dòng)頻率可以一定程度提高種群擾動(dòng)性，利于充種［33］。

通過(guò)模擬3種不同振動(dòng)頻率，得出排種器漏充率變化規(guī)律如圖6所示，從圖中可見(jiàn)，隨振動(dòng)頻率的提高，種群擾動(dòng)性增強(qiáng)，漏充率下降。

圖6 振動(dòng)頻率與漏充率關(guān)系曲線Fig．6 Relationship curve of vibration frequency and miss rate of seed-filling

3.3 振動(dòng)角度

根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際情況，選取振幅為1 mm，種層高度為100 mm，振頻為105 Hz，模擬種箱振動(dòng)角度θ分別為30°、45°、60°，如圖7所示，獲取不同振動(dòng)角度情況下種箱供種高度。

圖7 振動(dòng)角度示意圖Fig．7 Sketch of vertical oscillation angle

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，在振動(dòng)角度為30°、45°時(shí)供種高度均有提升，而在振動(dòng)角度為60°時(shí)，種子出現(xiàn)了后移的現(xiàn)象，使得供種高度出現(xiàn)了下降的情況。通過(guò)測(cè)量得出振動(dòng)角度為30°、45°、60°，對(duì)應(yīng)供種高度為105、112、90mm。振動(dòng)角度的不同影響種子水平和豎直方向的位移。振動(dòng)角度為30°，其水平向前振動(dòng)位移較大，但豎直方向位移量較小，制約其進(jìn)一步提高供種高度;振動(dòng)角度為60°，其豎直方向振動(dòng)位移較大，但水平向前位移較小，導(dǎo)致種子后移，使得供種高度不但沒(méi)有提高反而下降。振動(dòng)角度為45°，既有足夠的水平向前位移又有足夠的豎直位移，使其供種高度在三者中最佳。因此比較合適的振動(dòng)角度有利于提高供種高度從而提高充種性能，但是從模擬結(jié)果來(lái)看，相互之間的差距不大。

通過(guò)模擬3種不同振動(dòng)角度，得出排種器漏充率變化規(guī)律如圖8所示，從圖中可見(jiàn)，隨著振動(dòng)角度增加，即對(duì)應(yīng)供種高度先增大后減小，漏充率先下降后上升，同樣可以說(shuō)明適當(dāng)?shù)恼駝?dòng)角度可以提高供種高度的同時(shí)降低漏充率。

圖8 振動(dòng)角度與漏充率關(guān)系曲線Fig．8 Relationship curve of vertical oscillation angle and miss rate of seed-filling

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)在JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，所用排種器為自行設(shè)計(jì)的氣吸滾筒式排種器，激振源為FP-12型氣動(dòng)活塞振動(dòng)器，振頻檢測(cè)設(shè)備采用VC63B型測(cè)振儀，如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)裝置圖Fig．9 Picture of test unit

試驗(yàn)參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，連續(xù)檢測(cè)200粒種子，選取合格率、漏播率、重播率為指標(biāo)。每次試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)定播種機(jī)前進(jìn)速度為3 km/h，給定株距為300mm，其他條件不變。根據(jù)

式中 vm——播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h

S——株距，mm

Z——周向吸孔數(shù)，Z=8

計(jì)算出相應(yīng)播種機(jī)前進(jìn)速度為3 km/h時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速np為20.8 r/min。

4.2 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)

通過(guò)前期大量的單因素試驗(yàn)確定了種層高度的取值范圍在50～150mm，振動(dòng)頻率取值范圍在65～145 Hz，振動(dòng)角度范圍在0°～90°。為了找到這3個(gè)因素的最佳參數(shù)，使得此排種器排種性能最佳，本文選擇了試驗(yàn)次數(shù)少，計(jì)算方便，可以避免回歸系數(shù)間相關(guān)性的二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。再根據(jù)三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab．2 Factors and levels of test

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab．3 Experim ent design and results

4.3 回歸數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可以得到合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3的回歸方程。

(1)合格率Y1

通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)排種合格率Y1影響的回歸模型

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表4所示。

根據(jù)表4可知，這個(gè)模型的擬合度是極顯著的(P＜0.01)。但種層高度和振動(dòng)頻率交互項(xiàng)(X1X2)的P值、種層高度和振動(dòng)角度交互項(xiàng)(X1X3)的P值以及振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度交互項(xiàng)(X2X3)的P值均大于0.1，說(shuō)明種層高度和振動(dòng)頻率的交互項(xiàng)、種層高度和振動(dòng)角度的交互項(xiàng)以及振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度的交互項(xiàng)對(duì)排種合格率的影響不顯著，其他各項(xiàng)的F檢驗(yàn)均極顯著或顯著，說(shuō)明相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對(duì)于失擬項(xiàng)P=0.413，不顯著，說(shuō)明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型

通過(guò)對(duì)式(9)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響排種合格率的因素由大到小為種層高度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度。

(2)漏播率Y2

通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)漏播率Y2影響的回歸模型

根據(jù)表4可知，這個(gè)模型的擬合度是極顯著的(P＜0.01)。但種層高度和振動(dòng)角度交互項(xiàng)(X1X3)的P值大于0.1，說(shuō)明種層高度和振動(dòng)角度的交互項(xiàng)對(duì)漏播率的影響不顯著，其他各項(xiàng)的F檢驗(yàn)均極顯著或顯著，說(shuō)明相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對(duì)于失擬項(xiàng)P=0.110 1，不顯著，說(shuō)明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

表4 回歸方程方差分析Tab．4 Variance analysis of regression equation

通過(guò)對(duì)式(11)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響漏播率的因素由大到小為種層高度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度。

(3)重播率Y3

通過(guò)試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)重播率Y3影響的回歸模型

通過(guò)對(duì)式(13)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響重播率的因素由大到小為振動(dòng)頻率、種層高度和振動(dòng)角度。

4.4 最佳參數(shù)組合

設(shè)定合格率大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%，振動(dòng)角度為45°，最佳參數(shù)范圍如圖10所示。

圖10 參數(shù)分析圖Fig．10 Diagram of parameters analysis

由圖10可知，在振動(dòng)角度為45°時(shí)，種層高度與振動(dòng)頻率都處于最佳值的區(qū)域圖，其中灰色區(qū)域?yàn)樽罴呀M合區(qū)域，即振動(dòng)頻率在116～122 Hz，種層高度在96～117mm時(shí)，可獲得合格率大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%。

對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在相同的試驗(yàn)條件下選取振動(dòng)角度為45°，振動(dòng)頻率為120 Hz，種層高度為100mm進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到排種器合格率平均值為92.36%，且均大于90%。漏播率平均值為3.52%，且均小于5%。重播率平均值為4.21%，且均小于5%，試驗(yàn)結(jié)果與最佳組合區(qū)域結(jié)果基本相符。

5 結(jié)論

(1)為探尋種層高度、種群擾動(dòng)和供種高度對(duì)排種器充種性能的影響，采用離散元分析方法，利用EDEM軟件，分別對(duì)種層高度、振動(dòng)頻率以及振動(dòng)角度進(jìn)行數(shù)值模擬，得出增長(zhǎng)充種區(qū)弧長(zhǎng)、增大種群擾動(dòng)強(qiáng)度和提高供種高度可以有效提高排種器充種性能。

(2)采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得出影響排種合格率的因素主次順序?yàn)榉N層高度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)角度。

(3)利用Design-Expert8.0.6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以排種合格率、漏播率、重播率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出在振動(dòng)角度為45°，振動(dòng)頻率在116～122 Hz，種層高度在96～117mm時(shí)，合格率可大于90%，漏播率小于5%，重播率小于5%，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，與分析結(jié)果基本一致。

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Simulation and Experimental Optim ization on Filling Seeds Performance of Seed Metering Device w ith Roller of Air-suction

ZHANG Kun YIShujuan
(College of Engineering，Heilongjiang Bayi Agricultural University，Daqing 163319，China)

In order to improve the filling performance of seed metering device with roller of air-suction，the numerical simulation on the height of seeds layer，the vibration frequency and the angle of vibration were carried outwith method of discrete element analysis．The results showed that the arc length in the area of filling seeds and the time of filling seeds can be increased through increasing the height of seeds layer．The leakage rate can also be reduced under the same conditions;themean value of normal stress was increased with the increase of vibration frequency，whichmeant that the disturbance to the seeds can be enhanced;the proper vibration angle can increase the height of filling seeds effectively．The filling performance of the seeds metering device can be improved effectively by reducing the internal friction force，enhancing the disturbance of the populations and increasing the heightof filling seeds．Maize seeds (Zhengdan 958)were taken as research materials in order to determine the optimal combination of parameters．The seeding performance of metering device was studied through the quadratic rotationorthogonal combination experiment．The height of seeds layer，the vibration frequency and the vibration anglewere taken asmain factors．The qualified rate，leak seeding rate and the re-seeding ratewere taken as indexes．Themathematicalmodel between three factors and the indexeswas built．The effect of each factor on the qualified rate was analyzed and optimized parameters were tested．The effect of factors on the qualified seeding rate in primary sequence was the negative pressure，forward speed and angle of seeds suction．The optimal parameters were obtained．The qualified rate was above 90%，the leak seeding ratewas lower than 5%and the re-seeding ratewas also lower than 5%，when the vibration angle was 45°，the vibration frequency was 116～122 Hz and the height of seeds layer was 96～117mm．The results of the verified experimentwere consistentwith optimal results．Conclusions can be drawn that the seed metering device with roller of air-suction had good adaptability to maize seeds．References for thedesign of themaize seedsmetering device with roller of air-suction can be provided．

maize;roller seeder of air-suction;filling seeds performance;numerical simulation; orthogonal experiment

S223.2+5

A

1000-1298(2017)07-0078-09

2017-01-20

2017-05-02

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04-03)

張昆(1978—)，男，助理研究員，博士生，主要從事墾區(qū)旱作農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化研究，E-mail:zhangkun0814@163．com

衣淑娟(1965—)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事寒區(qū)大規(guī)模水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化研究，E-mail:yishujuan_2005@126．com

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．010