氣振式精密播種機自動供種裝置仿真與試驗

陳　進，丁　松 ， 龔智強 ， 練　毅

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江　212013；2.巢湖學院，合肥　238000)

0　引言

氣吸振動式精密播種機在吸排種過程中，種盤內種群質量不斷減少，在循環(huán)播種一定盤數以后應由定量供種裝置及時補種。對于滾筒式排種器，文獻[1]采用了振動供種，使種群在滾筒邊緣堆積，達到連續(xù)供種的目的。文獻[2]將外槽輪的播種原理與電磁振動的排種理論相結合，通過調整外槽輪的轉速改變每一育秧穴盤的供種粒數。由于芽種含水率高、種群流動性差，為了實現連續(xù)供種，減小種間摩擦阻力，非滾筒式播種機采用振動勻種的方法，如文獻[3]的定量供種裝置采用電磁振動種室。文獻[4]設計的位于排種器與種箱之間的分層充種室，文獻[5]位于種箱下部的傾斜導種板式機構均可以實現連續(xù)振動供種。不同于連續(xù)供種，氣吸振動式精密播種機采用振動種盤，增加了種群的流動性，同時種盤大，一次供種可以工作較長時間，所以已有的連續(xù)供種裝置無法適應氣吸振動式精密播種機間歇性、定量供種方式。根據吸種盤較大、多次吸排種后種群質量變化較大及已有振動種盤可以增加種群流動性的特點，需要設計結構簡單、布局緊湊，能夠實現定量間歇供種的自動供種裝置，進一步提高播種機工作效率和自動化程度。

本文在現有的氣吸振動式水稻精密播種裝置的基礎上展開研究，通過試驗探求播種過程中種群質量變化與播種盤數間的關系，確定供種裝置形式與供種方法，通過對供種裝置的離散元仿真分析，并結合供種量與試驗因素間的數學模型，計算確定參數組合，為定量供種裝置的設計提供思路與理論依據。

1　氣吸振動式播種機結構與工作原理

氣吸振動式精密播種機主要包括振動部件、吸排種部件、二自由度機械手部件等，如圖1所示。

1.定量供種裝置　2.豎直單軌道絲杠螺母傳動系統 3.水平單軌道絲杠螺母傳動系統　4.吸種盤　5.氣室 6.氣泵電機　7.導種管　8.曲柄連桿　9.振動電機 10.振動種盤　11.振動彈簧圖1　氣吸振動式精密播種機結構示意圖

工作時，先將吸種盤回歸原點位置，選擇合適的參數，開啟振動電機，通過曲柄連桿帶動種盤以一定頻率與振幅振動，盤內的種群由于振動產生“沸騰”運動。開啟氣泵電機，同時二自由度機械手帶動吸種盤到達振動種盤正上方一定高度，依靠氣室內真空負壓氣流產生吸力，將種子吸附在吸種盤面板吸孔上。當機械手將吸種盤帶到排種位置時，PLC控制一組兩位三通電磁閥實現負壓轉換為正壓，種子在正壓氣流和重力作用下通過導種管落入育秧盤；一次播種工作結束，吸種盤將重新回到原點位置，經過若干次播種后，由兩個種箱定量供種，清種毛刷往復運動將種子鋪平后，進行下一周期的播種工作。

2　供種量試驗

2.1試驗設計

在吸種高度等條件不變的情況下，在一定播種盤數內，振動種盤內種群質量的減少會影響播種合格率變化，因此選擇減少的種群質量作為試驗因素進行研究。振動種盤內種層厚度在8～18mm范圍內，播種效果較理想，振動電機轉速在600～720r/min，吸種高度4～6mm,初始種層數為5(種層厚度約18mm，經計算得到18mm種層厚度所能容納的種量為5 238g[6])，這些參數作為播種機進行吸排種試驗時設置的依據。

2.2試驗方法

根據超級稻穴盤育苗農藝要求和播種性能指標的評定經驗[7]，合格率、重播率、空穴率和破損率一般作為主要評價指標。為簡化分析本試驗選擇合格率為主要指標，表達式為

式中N—試驗用育秧盤穴孔總數；

n—(2±1)粒種子的育秧盤穴孔的數量。

文獻[8]運用多目標遺傳算法，得到最優(yōu)參數組合，結合現場多次試驗，最終設定工作參數為：真空負壓值4.35kPa，吸孔孔徑1.8mm,種盤振動頻率11Hz，種盤振幅4.2mm，吸種距離為4.5mm，多次試驗合格率最高為94%左右，其他生產率條件下的試驗方法和原理與所述相同。

在江蘇大學自主研制的氣吸振動式精密播種機上進行試驗，試驗前先將振動種盤內的殘余種子清除，選擇常優(yōu)3號種子，千粒質量32.5g，將種子按照農藝要求先經鹽水選種，再經清水洗凈、浸泡、破胸催芽處理。選擇448個穴孔的育秧盤，通過兩水平數碼顯示儀調節(jié)振動種盤臺面至近水平狀態(tài)，將種子放入種盤內，由清種毛刷鋪平種子，開啟振動和氣泵電機，運行5min各部件穩(wěn)定后，運行機械手，開始試驗。試驗開始時，先向振動種盤內加入5kg種子，連續(xù)播種20盤，計算性能指標，并稱量每盤種子的總質量；記錄完成后，將所有種子重新放回種盤以減少誤差，進行重復試驗，統計分析后得到播種盤數與播種合格率之間的關系如表1所示。

表1　播種試驗結果

2.3試驗結果與分析

試驗參數為最佳組合狀態(tài)，考慮到誤差、理想化分析等因素，認為合格率達到90%以上即為合格吸種狀態(tài)。表1為某次振動種盤內種群初始質量在5kg下試驗得到的數據，采用相同的方法經多盤試驗得出結論：種群初始質量為5kg時，從第3盤播種開始，每13盤需要兩個種箱，各供種約450g,以維持播種合格率在90%以上。

3　供種方法

氣吸振動式精密播種機具體排種裝置機構行程及停留時間如表2所示。

表2　排種裝置機構行程及停留時間表

續(xù)表2

為了防止供種作業(yè)影響吸種過程，需要根據吸種盤運行情況，將兩個過程分開進行。選用凹型光電傳感器對播種盤數進行計數，與下限位光電傳感器平行安裝，光電傳感器安裝如圖2所示。

1.計數光電傳感器　2.固定金屬板3.金屬遮光板　4.下限位光電傳感器　5.可移動機械臂

固定金屬板用螺絲緊固在豎直單軌道絲杠傳動系統上，計數光電傳感器及下限位光電傳感器分別安裝在左右兩端，金屬遮光板安裝在可移動機械臂上。根據傳感器安裝位置，在1個播種周期內，光電傳感器計數2次，在進行吸種作業(yè)時不能同時加種，即第7、8、1、2這4個步驟共3.8s的時間內，種子應該尚未出種箱。因此，播種作業(yè)處于7→8→1→2→3→4→5→6→7→8步驟期間進行供種作業(yè)，此時用時為t=7.5+2+0.5=10s。

設定供種裝置每旋轉120°供種1次，因此旋轉速度為

整體工作過程可以分為靜態(tài)充種、窩眼輪正向旋轉供種、供種結束反向旋轉復位。靜態(tài)充種時，充填區(qū)單次充種的量是固定的，單次加到振動種盤內的種量也是固定的，且供種時間間隔不會影響總的加種量。主系統開始運行時，供種系統也開始自動進行計數。初始狀態(tài)，型孔位于正上方，種子依靠重力及種間接觸力由種箱進入型孔完成充種過程，具體控制部分流程如圖3所示。

圖3　控制方法流程圖

圖3中，N代表光電傳感器計數的盤數；M代表供種周期，從第3盤開始，每播種13盤，M加1。窩眼輪在步進電機帶動下，旋轉經過漏斗下端弧形護種區(qū)后，種子靠重力作用落下進入振動種盤完成供種，窩眼輪再重新復位；遇到緊急情況時，可通過供種系統設置的“急?！辨I結束供種作業(yè)。

4　供種裝置離散元模型

4.1供種裝置仿真模型

為便于仿真模擬與計算，將與超級稻籽粒運動過程中接觸無關的部件去除，供種裝置仿真模型如圖4所示。運用C語言對彈性函數進行編譯，通過EDEM軟件的應用編程接口API完成彈力加載[9]。

4.2種子顆粒模型的建立及參數設定

近似認為各顆粒泊松比、剪切模量、密度等物理參數一致，種子顆粒模型如圖5所示。經過統計測量，得到試驗種子常優(yōu)3號三軸尺寸平均近似為：長6.99mm，寬2.33mm，高3.57mm，千粒質量32.5g。在EDEM的Particles模塊中，創(chuàng)建種子模型，其三軸尺寸為7.10mm×2.32mm×3.30mm[10-11]。在顆粒工廠中設置尺寸模型為隨機分布，范圍為基本尺寸的0.9～1.1。仿真模型材料參數為泊松比、剪切模量(MPa)、密度(kg/m3)，水稻種子分別為0.32、181.5、1 194.09，有機玻璃[12]為0.5、177、1 180，鋼為0.3、7×104、7 800。

采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，設置窩眼輪和供種漏斗均為有機玻璃材料，外箱體為鋼制材料，參數設置如表3所示。

表3　仿真模型材料接觸參數

顆粒工廠的設置：總顆粒質量0.8kg，產生顆粒速率為1.6kg/s自由下落，窩眼輪設定以0.209rad/s的速度旋轉，模擬總時間為10s，時間步長設定為瑞利時間步的20%。

圖5　種子顆粒模型

5　仿真試驗與分析

5.1兩因素試驗

5.1.1試驗因素及水平

本文主要針對單次供種時的運種量進行研究，為間歇供種設計，一次供種可滿足一段時間內的連續(xù)播種，窩眼型孔較大，分布離散、數量少，主要側重能夠實現固定容量的運種，窩眼孔在種箱內的充種過程由靠自身重力和壓力完成。每次加種結束后，種盤上安裝的移動軟刷往復運動，能夠使種層厚度恢復均勻狀態(tài)。將型孔簡化設置為半球體，便于容積計算及排種，選取型孔的直徑和個數作為主要研究因素。運用Pro/E軟件設計的窩眼輪總長度為400mm與種箱實際寬度一致，直徑為200mm，型孔個數為5～8個，型孔直徑分別為25、30、35、40mm，單列型孔的運種量結果如表4所示。

表4兩因素仿真試驗結果表

Table 4Simulationexperiment results with 2 factors g

型孔個數/個型孔直徑/mm25303540522．44043．20171．943112．612626．79851．62485．578133．432730．95159．28096．828155．432835．89869．205109．256172．100

5.1.2試驗結果及分析

利用方差分析對試驗因素的主次順序進行區(qū)分，結果如表5所示。

表5　兩因素仿真試驗方差分析表

由表5可以看出：因素A和因素B對單列型孔的運種量影響顯著。由F值可以看出，影響作用因素A>B。因此，兩個因素對單列型孔運種量的影響主次順序為型孔直徑>型孔個數。

5.2單因素試驗

通過以上試驗與分析可知：試驗因素對單列型孔運種量的影響主次順序為型孔直徑>型孔個數。為了確定供種450g時型孔的大小，選擇5個型孔，通過改變型孔直徑，繼續(xù)進行單因素仿真試驗，結果如表6所示。

表6　單因素仿真試驗結果

應用DPS數據處理系統，建立型孔為5個時，單列型孔運種量y與型孔直徑x的數學模型為

y=0.003908283x3-0.2730646x2+

11.11744x-147.5879

利用方差分析對方程誤差進行分析比較和統計，結果如表7所示。

表7　回歸方程方差分析表

方差分析表顯示F>Fα，說明方程在α=0.01的水平上高度顯著。同時，可決系數R=0.999 61，說明方程擬合程度好，可信度較高。

5.3試驗驗證分析

5.3.1試驗過程

為了驗證以上分析的可行性，通過方程求解在單個種箱供種量為450g，5個型孔時，型孔直徑為63.1mm，取實際直徑64mm，設計試驗裝置進行試驗驗證與分析,現場試驗如圖6所示。定量供種裝置整體材料為有機玻璃，采用模具制作了5個直徑64mm的型孔。仿真裝置的漏斗僅保留護種區(qū)以簡化試驗裝置，所加種子可完全充滿型孔。驗證性試驗裝置如圖7所示。定量供種裝置整體材料為有機玻璃，采用模具制作了5個直徑64mm的型孔。仿真裝置的漏斗僅保留護種區(qū)以簡化試驗裝置，所加種子可完全充滿型孔。

圖6　播種試驗現場

1.觸摸屏　2.光電傳感器　3.定量供種箱　4.步進電機5.步進電機驅動器　6.PLC控制器　7.電源　8.RS232通訊電纜圖7　自動定量供種實驗裝置

供種裝置整體主要分為兩部分，即機械部分和控制部分。其中，機械部分主要由步進電機支撐板、窩眼輪、旋轉軸、軸承及聯軸器組成；控制部分主要由PLC控制器、觸摸屏、步進電機及光電傳感器等部分組成。窩眼輪為直徑和長度一定的圓柱體，其上每隔120°開有大小一致的列半球形窩眼型孔，每一列可根據播種機參數設置具體設計型孔大小及個數，外部由PLC控制步進電機，帶動窩眼輪勻速旋轉。試驗前，測量了型孔所能容納的種子實際和理論容量值(見表8)，種子總質量平均為426.73g，與仿真相對誤差為3.1%。

表8型孔可容納種子的實際和理論值

Table 8Practical and theoretical mass contain by holes g

實際值理論值第1次426．8440．555第2次426．7440．555第3次426．7440．555

試驗過程中采取了輔助措施，在加種時由于只設計了其中一個試驗種箱，所以在加種時另外的450g種子由人工直接加振動種盤，振動種盤種群初始質量、播種機各參數設置、水稻種子及處理方式、試驗指標均與供種量試驗相同。播種到第16盤、供種裝置加種一次后，再連續(xù)播種10盤，記錄加種后各盤的合格率。

5.3.2試驗結果與分析

使用供種試驗裝置進行試驗后，結果如表9所示。從仿真試驗結果可以看出：型孔所能容納的實際值與理論值誤差為3.1%，且與450g相近，說明根據仿真得到的方程具有適用性；加種后各盤合格率均在90%以上，說明通過供種試驗裝置進行加種有效，供種方法可行。

表9加種后播種試驗結果

Table 9Seeding experiment results after supply seeds /%

播種盤數合格率播種盤數合格率190．63292．86391．52491．96592．86691．96791．40891．29992．861093．08

6　結論

1)供種量試驗表明：種群初始質量為5kg時，從第3盤播種開始，每13盤需要兩個種箱各供種約450g,以維持播種合格率在90%以上。

2)采用光電傳感器對播種盤數進行計數，PLC控制窩眼輪裝置進行供種。根據對播種機工作過程的分析，得到了窩眼輪旋轉速度為0.209rad/s時，在吸種和播種間隙進行供種作業(yè)不會影響播種效率。

3)基于EDEM離散元法對供種裝置運行過程進行了仿真，兩因素試驗結果表明：影響單列型孔運種量的主次因素為型孔直徑>型孔個數；通過單因素試驗得到的數學模型計算得出由單個種箱供種450g時，窩眼輪上型孔個數應為5個，型孔直徑應為64mm。依據理論分析設計了試驗裝置并進行了試驗驗證，結果表明：加種后各盤合格率均在90%以上，達到預期要求，供種試驗裝置加種有效，為進一步設計精密播種機定量供種裝置提供了思路和理論依據。

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