錐向離心式排種器的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬及試驗(yàn)

黃英超，李沐桐

(1.海南經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，?？?571127；2.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510635)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)外播種機(jī)主要分為氣力式和機(jī)械式，以指夾式精量排種器為代表的機(jī)械排種器[1-2]要通過(guò)夾持充種、振動(dòng)清種及柔性導(dǎo)種等方式完成播種作業(yè)。由于播種玉米類(lèi)型的多樣性，種粒尺寸間具有一定差異，使得指夾式排種器在高速作業(yè)時(shí)的充種能力下降、種粒破碎率高、振動(dòng)劇烈，造成作業(yè)效率和質(zhì)量偏低及適應(yīng)范圍有限等問(wèn)題,導(dǎo)致指夾式排種器逐減淡出主導(dǎo)市場(chǎng)。以高速、精量為特點(diǎn)的氣吸式排種為當(dāng)今主流作業(yè)方式，其充種方式主要由配裝的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生負(fù)壓氣流，使籽粒運(yùn)動(dòng)到負(fù)壓域時(shí)被吸入種盤(pán)型孔。然而，在寬幅作業(yè)過(guò)程中充種所需的總負(fù)壓力需求增大會(huì)引起風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)致震動(dòng)加劇并使能耗大幅度升高；同時(shí)，氣吸式排種器在排播過(guò)程中籽粒落種瞬時(shí)速度穩(wěn)定性較差[3]，引起粒距合格率較低。為此，以低能耗、高效率、高精度為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種錐盤(pán)離心式精量排種器，旨在以離心動(dòng)力方式給予籽粒初始動(dòng)能，通過(guò)內(nèi)部種道結(jié)構(gòu)作用力使籽粒在運(yùn)動(dòng)中有序排列，從而將籽粒按規(guī)律排播。

錐盤(pán)離心動(dòng)力充種方式的提出，替代了傳統(tǒng)氣力式所需的獨(dú)立風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。本文中，運(yùn)用EAlink模塊將離散元軟件EDEM與多體動(dòng)力學(xué)分析軟件Adams進(jìn)行耦合仿真排種性能虛擬試驗(yàn)，分析了籽粒產(chǎn)生漏播、重播現(xiàn)象的主要原因，并研究了粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其排種性能變化規(guī)律，可為進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。

1 排種器組成及工作原理

錐盤(pán)離心式排種器主要由固定充種管、離心錐盤(pán)、排種盤(pán)、導(dǎo)種輪、U型豁口式固定板和端蓋等部件組成，如圖1、圖2所示。

工作原理：作業(yè)時(shí)，外輸入動(dòng)力通過(guò)主動(dòng)雙鏈輪驅(qū)動(dòng)離心錐盤(pán)相對(duì)于排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，籽粒從固定充種管進(jìn)入到離心錐盤(pán)與排種盤(pán)之間的腔室內(nèi)，在離心錐盤(pán)上的錐形充種槽離心力和旋轉(zhuǎn)力作用下使種子運(yùn)動(dòng)；在環(huán)形護(hù)種片和擋種塊配合下，種子依次充入到坡?tīng)罨⌒我N槽孔內(nèi)，并排落在導(dǎo)種輪上；與此同時(shí)，主動(dòng)雙鏈輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)鏈條驅(qū)動(dòng)從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)軸帶動(dòng)導(dǎo)種輪回轉(zhuǎn)，完成排種作業(yè)。其中，清堵片可將卡牢在錐形充種槽內(nèi)的種子清出，避免漏播。

2 玉米籽粒離散模型建立

以我國(guó)東北地區(qū)種植的玉米籽粒為研究對(duì)象，選取5種不同品種玉米籽粒進(jìn)行分類(lèi)試驗(yàn)研究，根據(jù)目前玉米種植調(diào)研情況，按形狀通過(guò)人工分級(jí)清選出有明顯差異的玉米籽粒，如圖3所示。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)平均值如表1所示。

1.固定充種管 2.主動(dòng)雙鏈輪 3.鏈條 4.從動(dòng)鏈輪 5.支撐軸 6.端蓋 7.排種盤(pán) 8.離心錐盤(pán) 9.U型豁口式固定板 10.導(dǎo)種輪

1.固定充種管 2.主動(dòng)雙鏈輪 3.離心錐盤(pán) 4.擋種塊 5.排種盤(pán) 6.U型豁口式固定板 7.端蓋 8.導(dǎo)種輪 9.從動(dòng)鏈輪 10.環(huán)形護(hù)種片 11.清堵片 12.坡?tīng)罨⌒我N槽孔 13.錐形充種槽圖2 離心錐盤(pán)式排種器裝配爆炸圖Fig.2 Assembly explosion diagram of centrifugal cone type seed metering devic

圖3 不同種類(lèi)玉米籽粒樣本圖Fig.3 Grain sample map of different kinds of corn

續(xù)表1

以5種有顯著特點(diǎn)品種的玉米籽粒的外形尺寸為依據(jù)，按其長(zhǎng)、寬、厚的尺寸均值進(jìn)行EDEM顆粒模型填充，如圖4所示。在虛擬仿真環(huán)境中，設(shè)定籽粒的泊松比為0.386，剪切模量為1.96×108Pa，密度為1.23kg/m3。

圖4 籽粒三維模型建立Fig.4 The establishment of three dimensional model of grain

3 虛擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)定

3.1 關(guān)鍵部件模型設(shè)計(jì)及主要參數(shù)設(shè)定

整體部件運(yùn)用三維制圖軟件SolidWorks對(duì)排種器進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，將模型導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖5所示。根據(jù)文獻(xiàn)參考設(shè)置離心錐盤(pán)和排種盤(pán)材料為鋁合金，泊松比為0.42，切剪模量為1.7×1010Pa，密度為7 800kg/m3；清堵片材料為橡膠，泊松比為0.47，剪切模量為2.7×106Pa，密度為960kg/m3。

虛擬試驗(yàn)的接觸模型設(shè)定為Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)類(lèi)型，顆?？偭繛? 500個(gè)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為30%，包含充種時(shí)間在內(nèi)，總時(shí)間初步設(shè)定為10s。

圖5 仿真狀態(tài)及顆粒流線(xiàn)圖

3.2 排種虛擬仿真分析

根據(jù)上述分析及田間作業(yè)實(shí)際情況，排種器工作轉(zhuǎn)速分別選取為45、50、55、60 、65、70、75r/min，對(duì)每種尺寸等級(jí)的籽粒進(jìn)行7組仿真虛擬試驗(yàn)(共35組)。

通過(guò)虛擬仿真試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：排種器作業(yè)效果主要表現(xiàn)為單播、重播及漏播3種狀態(tài)。為便于觀(guān)察，設(shè)置排種盤(pán)和離心錐盤(pán)的可視形式為透視類(lèi)型，如圖6所示。其中，圖6(a)為單播狀態(tài)，充種槽內(nèi)的單顆籽粒有序正常的推送進(jìn)入出種口，并順利進(jìn)入導(dǎo)中帶。圖6(b)為重播狀態(tài)，充種槽末端內(nèi)的多顆籽粒單次同時(shí)進(jìn)入出種口。在多組虛擬試驗(yàn)中，小球形籽粒重播現(xiàn)象較嚴(yán)重，主要是由于籽粒尺寸較小，當(dāng)充種槽末端運(yùn)動(dòng)到出種口附近時(shí)，過(guò)小的籽?？赏瑫r(shí)堆積在充種槽末端并排出，加之環(huán)形滑槽與清堵片位置對(duì)小球形籽粒適應(yīng)性差所致。圖6(c)為漏播狀態(tài)，充種槽內(nèi)的籽粒未被推送惡進(jìn)入出種口。在多組虛擬試驗(yàn)中，馬齒形籽粒出現(xiàn)漏播現(xiàn)象嚴(yán)重，主要原因是籽粒尺寸較大，在高速離心狀態(tài)下籽粒間摩擦力劇烈，易在充種槽內(nèi)相互擠壓導(dǎo)致無(wú)法被清堵片及時(shí)疏通至堵塞。

圖6 充種過(guò)程中籽粒的3種狀態(tài)

3.3 仿真結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)仿真觀(guān)測(cè)記錄，在相等工作轉(zhuǎn)速下，籽粒到達(dá)末端的出種口時(shí)的3種姿態(tài)出現(xiàn)的概率為：平躺21%，側(cè)臥66%，橫立13%?？梢?jiàn)，側(cè)臥姿態(tài)出現(xiàn)的概率明顯高于其他兩種，符合上述分析與推測(cè)。

根據(jù)GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，選取合格指數(shù)S、重播指數(shù)D和漏播指數(shù)M為虛擬試驗(yàn)指標(biāo)，其計(jì)算公式為

式中N—理論排種數(shù)；

n0—空漏排種數(shù)；

n1—單粒排種數(shù)；

n2—重復(fù)排種數(shù)。

由仿真試驗(yàn)可知：工作轉(zhuǎn)速在45～75r/min范圍內(nèi)，錐盤(pán)離心排種器對(duì)大圓粒形玉米籽粒排種性能最優(yōu)，其合格率大于92.4%；就小圓粒籽粒而言，其排種性能次之；對(duì)于馬齒形和小球形籽粒來(lái)說(shuō)，排種性能相對(duì)較差，但合格率高于82%。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速大于65r/min時(shí)，排種器對(duì)馬齒形籽粒漏播率達(dá)到8.8%以上，已不能滿(mǎn)足精密播種要求。

采用ORIGIN軟件對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，如圖7所示。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速逐漸增加后，整體排播性能皆呈下降趨勢(shì)。由圖7(a)可知：排種合格率隨工作轉(zhuǎn)速增加而降低，此時(shí)排種器對(duì)大圓粒形尺寸籽粒合格率最高，對(duì)小球形和馬齒形籽粒合格率最低；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速降低后，排種器對(duì)大圓粒籽粒有較好適應(yīng)性，對(duì)小球形和馬齒形籽粒次之。由圖7(b)可知：排種器重播率隨工作轉(zhuǎn)速增加變化不大，此時(shí)對(duì)小球形尺寸籽粒重播率最高，對(duì)楔形尺寸籽粒重播率次之，其余尺寸籽粒重播率相近。由圖7(c)可知：排種器漏播率隨工作轉(zhuǎn)速增加而增加，對(duì)馬齒形尺寸籽粒漏播率最高，其余尺寸籽粒漏播率相近；工作轉(zhuǎn)速為60r/min時(shí)，對(duì)馬齒形尺寸籽粒漏播率為7.3%；工作轉(zhuǎn)速大于60r/min時(shí)，排種器對(duì)馬齒形尺寸籽粒漏播率增長(zhǎng)顯著升高。

圖7 仿真試驗(yàn)排播性能曲線(xiàn)Fig.7 Changing trend of metering performance in simulation test

4 排種性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真分析結(jié)果，在黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院排種器實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。以在黑龍江省農(nóng)科院玉米所采集的馬齒形、大圓粒、小圓粒、楔形和小球形5種玉米籽粒作為試驗(yàn)品種，試驗(yàn)設(shè)備采

用JPS-12排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。當(dāng)籽粒掉落至刷有油層的種床帶上后，借助圖像采集處理裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而測(cè)定排種性能及其試驗(yàn)指標(biāo)，如圖8所示。

1.試驗(yàn)臺(tái)架 2.種床帶 3.傳動(dòng)系統(tǒng) 4.排種器 5.圖像采集裝置

在試驗(yàn)過(guò)程中，分別以45、50、55、60、65、70、75r/min轉(zhuǎn)速進(jìn)行工作，對(duì)5種類(lèi)型玉米籽粒進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，其結(jié)果數(shù)據(jù)取平均值作為最終結(jié)果，如表2所示。由表2可知，排種性能隨玉米籽粒尺寸及工作轉(zhuǎn)速變化規(guī)律基本一致。在相同工況(45～75r/min)下，臺(tái)架與仿真的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，合格率最大誤差為5.8%。其產(chǎn)生原因不能排除仿真試驗(yàn)的局限性(例如，同類(lèi)型玉米籽粒模型尺寸全部相同；仿真過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)籽粒破碎的計(jì)算，造成對(duì)結(jié)果的干擾)；另一方面，在臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)分級(jí)清選的同種玉米籽粒仍存在差異性，且排種器在工作中的機(jī)具震動(dòng)不可避免，但誤差均在可接受范圍內(nèi)?？傮w而言，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同。

表2 排種性能試驗(yàn)結(jié)果

“作業(yè)速度”表示種床帶反向運(yùn)動(dòng)速度，即為播種機(jī)具前進(jìn)速度。

5 結(jié)論與討論

1) 設(shè)計(jì)了離心錐盤(pán)式排種器，研究了充種與排種過(guò)程中籽粒的運(yùn)動(dòng)與受力情況，分析可得：隨著工作轉(zhuǎn)速的增加，籽粒所受壓力呈先增大、再減小、后增加的趨勢(shì)。

2)通過(guò)虛擬試驗(yàn)，研究了不同尺寸等級(jí)籽粒產(chǎn)生重播、漏播問(wèn)題的主要原因，并得到籽粒到達(dá)末端的出種口時(shí)的3種姿態(tài)出現(xiàn)的概率為：平躺21%、側(cè)臥66%、橫立13%。虛擬試驗(yàn)表明：在選定工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，錐盤(pán)離心式排種器對(duì)大圓粒形玉米籽粒排種性能最佳，對(duì)小圓粒和楔形籽粒排種性能次之，對(duì)馬齒形和小球形籽粒排種性能較差，排種器對(duì)各尺寸等級(jí)籽粒的排種性能隨著工作轉(zhuǎn)速的增加皆呈下降趨勢(shì)。在相同工況下進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果與仿真基本相同。

3)離心錐盤(pán)式排種器臺(tái)架試驗(yàn)可知：以作業(yè)速度8.5km/h、工作轉(zhuǎn)速60r/min工況下的試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[15]中常規(guī)指夾式排種器性能對(duì)比，其作業(yè)速度提高了2.5km/h，排種合格率提高了5.5%。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)攝像處理裝置測(cè)得籽粒破損率為0.4%，優(yōu)于JB /T 10293—2001《單粒( 精密) 播種機(jī)技術(shù)條件》中指標(biāo)，滿(mǎn)足精密播種要求。

4)所設(shè)計(jì)的離心錐盤(pán)式排種器對(duì)大圓粒與小圓粒有良好的適應(yīng)性，滿(mǎn)足農(nóng)藝要求，在作業(yè)效率和排種質(zhì)量上有一定提升。與當(dāng)今氣吸式排種器相對(duì)比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、操作輕便的特點(diǎn)；但在小球形和馬齒形籽粒的適應(yīng)性上仍需對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行獨(dú)立改進(jìn)設(shè)計(jì)。