玉米窩眼輪排種器性能影響因素試驗(yàn)研究
——基于EDEM

鹿 瑤，呂釗欽，鄭文秀，蔡玉虎，劉正鐸

(山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院，山東 泰安 271018)

0 引言

玉米是我國的三大糧食作物之一，又是適合精密播種的典型中耕作物，合理地應(yīng)用精密播種技術(shù)是實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)、增收的關(guān)鍵。玉米的精密播種必須由性能良好的精密播種機(jī)來完成，而精密排種器是精量播種機(jī)的核心部件，排種器性能的好壞決定著播種機(jī)的播種質(zhì)量[1]。

當(dāng)前，我國的精密排種器主要分為水平圓盤式、傾斜圓盤式、組合內(nèi)窩孔式、復(fù)合充種式及氣力式等幾種，這幾種類型又大致可分為機(jī)械式和氣力式[2]。氣力式排種器適用于高速作業(yè)，對(duì)種子適應(yīng)性強(qiáng)、損傷輕，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工成本高且風(fēng)機(jī)動(dòng)力消耗大、性能不穩(wěn)定等問題[3]。現(xiàn)階段，機(jī)械式排種器因結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、造價(jià)低廉等特點(diǎn)被廣泛使用[4]。窩眼輪式精密排種器屬機(jī)械式，結(jié)構(gòu)簡單、加工成本低、性能可靠，在我國精密播種機(jī)上應(yīng)用廣泛[5-6]；但是對(duì)不同粒徑種子通用性差，對(duì)于玉米等扁平小籽粒種子的窩眼輪排種器設(shè)計(jì)理論不足。

目前，播種油菜、大豆等類圓形顆粒的窩眼輪式排種器設(shè)計(jì)較為成熟，但由于玉米形狀較為復(fù)雜，有關(guān)玉米窩眼輪式精量排種器的完整設(shè)計(jì)及利用EDEM離散元分析軟件對(duì)不同形狀籽粒進(jìn)行排種準(zhǔn)確分析方面的文獻(xiàn)還較少。本文將利用EDEM軟件，以測(cè)量的玉米種子真實(shí)三維尺寸為基礎(chǔ)，建立玉米籽粒模型，通過對(duì)排種器充種過程進(jìn)行分析，得到窩眼輪排種室內(nèi)玉米種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對(duì)玉米窩眼輪式排種盤型孔參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，為窩眼輪式玉米精密排種器的設(shè)計(jì)及玉米種形狀清選工作提供理論依據(jù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

1.1 主要結(jié)構(gòu)

窩眼輪式排種器主要由窩眼式排種輪、排種器外殼、清種毛刷、調(diào)節(jié)螺栓、傳動(dòng)齒輪及傳動(dòng)鏈等部分組成，如圖1所示。

1.2 窩眼輪型孔參數(shù)設(shè)計(jì)

窩眼輪排種器排種性能好壞主要取決于窩眼輪型孔與種子的適配度。要想提高種子填充合格率，必須根據(jù)種子尺寸設(shè)計(jì)出相配合的窩眼輪型孔尺寸。型孔與種子的尺寸配合度很重要，對(duì)單粒播種更為重要。為使窩眼輪型孔中只充填1粒種子[7-8]，其型孔尺寸設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.清種毛刷 2.排種輪 3.排種器外殼 4.落種口 5.種箱

圖 2 窩眼型孔設(shè)計(jì)示意圖

玉米型孔參數(shù)需滿足以下條件，即

L=lmax+Δl

A=amax+Δa

B≥bmin

式中l(wèi)max—玉米種的長度最大值；

amax—玉米種的高度最大值；

bmin—玉米種寬的最小值；

Δl—玉米種與窩眼橫向間隙；

Δa—玉米種與窩眼縱相應(yīng)間隙。

本次設(shè)計(jì)根據(jù)遼丹16號(hào)玉米的尺寸來進(jìn)行，通過測(cè)量玉米三維尺寸，種子長、寬、厚分別取11.896、8.950、6.088mm。據(jù)資料介紹[9]，Δl取1～1.5mm，Δa取0.7～0.8，由此確定型孔長、寬、高尺寸分別為12、9、6.5mm。

根據(jù)要求，玉米穴距選定為300mm，窩眼輪直徑為290mm，窩眼輪轉(zhuǎn)動(dòng)線速度選取為0.31 m/s，機(jī)組前進(jìn)速度設(shè)計(jì)為2.78 m/s。查閱相關(guān)資料，地輪滑移率與播種機(jī)質(zhì)量、土壤類型、松軟程度及地輪形狀有關(guān)[10]，結(jié)合山東省泰安市的山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田土壤情況，得滑移率δ=8.75%。

設(shè)窩眼輪上的型孔數(shù)為m，則

式中D—窩眼輪直徑(m)；

vm—機(jī)組前進(jìn)速度(m/s)；

v—窩眼輪轉(zhuǎn)動(dòng)線速度(m/s)；

a—株距(m)；

δ—地輪滑移率。

根據(jù)上式計(jì)算，取排種盤型孔數(shù)為30個(gè)。

2 EDEM虛擬仿真模型建立

2.1 幾何模型建立

為便于仿真計(jì)算，將與玉米籽粒運(yùn)動(dòng)過程中接觸無關(guān)的部件去掉，應(yīng)用三維制圖軟件SolidWorks對(duì)播種機(jī)排種裝置進(jìn)行實(shí)體建模[11]，以.igs格式導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖3所示。

圖3 窩眼式排種器仿真模型

2.2 玉米種子離散模型建立

研究選取遼丹16號(hào)玉米種子為實(shí)驗(yàn)材料，隨機(jī)選取1 000粒種子，分別測(cè)定每粒玉米種的幾何尺寸，并對(duì)測(cè)量參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。玉米種子主要可分為3種形狀，分別為矩型、錐型和球型(見圖4)，幾何尺寸如表1所示。

圖4 玉米籽粒EDEM模型

籽粒形狀上底寬下底寬上底厚下底厚高矩型8.7058.9604.7015.03110.485錐型6.0127.7324.0014.80211.223球型8.0238.3416.1416.0888.212

2.3 模型變量參數(shù)設(shè)定

由于玉米種子表面沒有粘附性，所以本試驗(yàn)選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型作為籽粒與籽粒之間及籽粒與排種器之間的接觸模型[12]。其具體參數(shù)如表2、表3所示。

表2 仿真模型材料參數(shù)

表3 仿真模型材料接觸參數(shù)

續(xù)表3

3 EDEM排種虛擬仿真與分析

3.1 仿真

設(shè)置EDEM顆粒工廠，以1 000個(gè)/s的速率生成初速度為0的玉米籽粒模型。為保證種箱內(nèi)有充足的籽粒進(jìn)行仿真，設(shè)置籽粒總量為10 000粒，固定時(shí)間步長為1.26×10-6s，仿真Rayleigth時(shí)間步長百分比設(shè)置為20%，輸出時(shí)間步長為0.01s，網(wǎng)格大小2mm，生成籽?？倳r(shí)間為1s。模擬仿真排種器排種過程，由于每粒種子尺寸差異，種子在進(jìn)入型孔時(shí)存在平躺、直立、側(cè)臥3種狀態(tài)[13]。充種狀態(tài)不同，充種合格率則會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。統(tǒng)計(jì)排種過程中種子在窩眼輪內(nèi)填充方式，可為提高窩眼充種率提供理論支持，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖 5 玉米籽粒不同充種狀態(tài)比例圖

觀察統(tǒng)計(jì)排種器仿真過程可看出：大部分玉米籽粒是以平躺狀態(tài)進(jìn)入窩眼輪型孔，而以直立方式進(jìn)入型孔的大都是尺寸較小的球形顆粒，以側(cè)臥方式進(jìn)入型孔的籽粒多為寬度較窄的錐形籽粒。該結(jié)論為提高玉米籽粒充種率打下了理論基礎(chǔ)。

在排種器的仿真過程中，主要存在單播、重播、漏播3種狀態(tài)。為分析轉(zhuǎn)速對(duì)排種質(zhì)量的影響，選取排種輪轉(zhuǎn)速分別為10、15、20、25、30、35 r/min下的排種器工作過程進(jìn)行研究。為便于觀察排種情況，設(shè)置排種器顯示模式為Mesh狀態(tài)，具體情況如圖6所示。圖6(a)顯示為合格狀態(tài)下的播種情況，1個(gè)窩眼只充1粒種子；(b)顯示為漏播狀態(tài)，排種過程中出現(xiàn)空穴現(xiàn)象；(c)顯示為重播狀態(tài)，1個(gè)窩眼充種兩粒。

圖6 EDEM仿真中籽粒的3種狀態(tài)

3. 2 仿真結(jié)果分析

窩眼輪排種器在排種時(shí)，排種量會(huì)產(chǎn)生過盈和不足的變化，就會(huì)分成合格、漏播和重播3個(gè)區(qū)間，從而產(chǎn)生窩眼輪排種器性能的3個(gè)基本指標(biāo)，即合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)[14]。

式中N—理論排種數(shù)；

N0—漏空排種數(shù)；

N1—單粒排種數(shù)；

N2—重復(fù)排種數(shù)。

將仿真數(shù)據(jù)輸出至Excel表格中，繪制出3種不同形狀顆粒在不同速度下對(duì)應(yīng)的合格指數(shù)、漏播指數(shù)及重播指數(shù)的趨勢(shì)折線圖，如圖7所示。

圖7 EDEM排種性能仿真變化趨勢(shì)圖

圖7(a)表明：隨著排種速度的增加，3種形狀顆粒排種合格指數(shù)均下降；在相同轉(zhuǎn)速條件下，錐形顆粒合格指數(shù)>球形顆粒合格指數(shù)>矩形顆粒合格指數(shù)；當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速為10r/min時(shí)，錐形顆粒合格指數(shù)為96.1%，矩形顆粒合格指數(shù)為92.8%。圖7(b)表明：隨著排種速度的增加，3種形狀顆粒漏播指數(shù)均上升；在相同轉(zhuǎn)速條件下，矩形顆粒漏播指數(shù)>錐形顆粒漏播指數(shù)>球形顆粒漏播指數(shù)；當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速為35r/min時(shí)，3種顆粒漏播指數(shù)差異最大，矩形顆粒漏播指數(shù)達(dá)到9.31%，而錐形顆粒漏播指數(shù)僅為3.87%。圖7(c)表明：隨著排種速度的增加，3種形狀顆粒重播指數(shù)呈下降趨勢(shì)；由于顆粒形狀尺寸的差異，當(dāng)兩粒玉米籽粒同時(shí)出現(xiàn)在型孔上方時(shí)，球形顆粒更易重播，其重播指數(shù)大于錐形顆粒和矩形顆粒；當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速為10r/min時(shí)，錐形顆粒重播指數(shù)為14.0%，矩形顆粒重播指數(shù)為9.48%。

綜合上述分析可得出結(jié)論：工作轉(zhuǎn)速和玉米籽粒性狀是影響窩眼輪式排種器排種性能的兩大重要因素。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速在10～35 r/min時(shí)，錐形玉米籽粒排種性能最優(yōu)，其合格指數(shù)大于90%；球形玉米籽粒排種性能次之；矩形顆粒排種性能最差，其合格率大于84%，且矩形顆粒漏播指數(shù)較大。所以，針對(duì)于矩形窩眼式排種器，在進(jìn)行玉米種清選時(shí)，盡量選擇錐形及球形玉米籽粒。

4 田間試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)基本條件

在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院機(jī)械實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，窩眼輪式排種器如圖8所示。試驗(yàn)臺(tái)主要由排種外殼、排種輪、清種毛刷、傳動(dòng)軸及傳動(dòng)鏈輪構(gòu)成。

圖8 窩眼輪排種器試驗(yàn)

以遼丹16號(hào)玉米籽粒為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)設(shè)備主要有已進(jìn)行分類清選的3種不同形狀的玉米籽粒、12 V電瓶、轉(zhuǎn)速控制器、數(shù)字式高精度測(cè)速儀、秒表、直流電動(dòng)機(jī)( 調(diào)速范圍0 ～ 200 r/min) 。試驗(yàn)用玉米籽粒的千粒質(zhì)重43.5g，種子含水率11.2%，播種量為300kg/hm2。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)本窩眼輪式排種器進(jìn)行不同形狀籽粒在不同排種轉(zhuǎn)速下的排種試驗(yàn)，并整理數(shù)據(jù)，畫出折線圖如圖9所示。

圖9 排種性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)比圖7及圖9發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)中各排種性能指標(biāo)與仿真結(jié)果在數(shù)值上有所偏差，但其變化趨勢(shì)及相互之間的大小關(guān)系與仿真結(jié)果基本一致。對(duì)比圖7(a)及圖9(a)可知：臺(tái)架試驗(yàn)較仿真實(shí)驗(yàn)充種合格率偏低，且隨轉(zhuǎn)速升高，合格率降低，但其仍然滿足精密播種器的精度要求。對(duì)比圖7(b)及圖9(b)可知：臺(tái)架試驗(yàn)中玉米籽粒的漏播指數(shù)明顯高于相同轉(zhuǎn)速下仿真實(shí)驗(yàn)中的漏播指數(shù)，且受轉(zhuǎn)速影響漏播指數(shù)變化明顯。仿真中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為10r/min時(shí)，矩形顆粒、球形顆粒及錐形顆粒的漏播率分別為4.0%、1.9%及2.1%；而在臺(tái)架試驗(yàn)中，三者的漏播率分別為5.0%、3.5%及2.7%。對(duì)比圖7(c)及圖9(c)可知：各種形狀玉米籽粒漏播指數(shù)在臺(tái)架試和仿真試驗(yàn)中結(jié)果差異不明顯。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)：錐形顆粒充種合格指數(shù)明顯高于矩形顆粒和球形顆粒，其漏播指數(shù)和重播指數(shù)較低且受速度變化影響較小，更適合窩眼輪式精密排種的要求。

5 結(jié)論

1)對(duì)窩眼輪進(jìn)行尺寸及型孔參數(shù)設(shè)計(jì)，借助離散元軟件EDEM，根據(jù)實(shí)際測(cè)得玉米籽粒尺寸，建立3種基本的玉米籽粒模型。

2)運(yùn)用EDEM軟件對(duì)該窩眼輪排種器進(jìn)行排種性能驗(yàn)證試驗(yàn)，分析了排種過程中由于不同籽粒形狀所造成的漏播、重播等問題的原因，研究了玉米籽粒形狀及工作轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)工作轉(zhuǎn)速在10～35 r/min時(shí)，錐形玉米顆粒排種合格指數(shù)為88.1%～96.3%，優(yōu)于球形玉米顆粒的87.1%～93.5%和矩形玉米顆粒的85.5%～91.8%；且隨工作轉(zhuǎn)速的增加排種合格指數(shù)下降，漏播指數(shù)提高，重播指數(shù)下降。優(yōu)化型孔的窩眼輪排種盤滿足精密排種的要求。

3)試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果在數(shù)值上有所偏差，但其變化趨勢(shì)及相互之間的大小關(guān)系與仿真結(jié)果基本一致，表明用EDEM對(duì)排種器排種過程進(jìn)行分析具有可行性。

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