氣吸滾筒式玉米植質(zhì)缽盤精密播種裝置優(yōu)化設計與試驗

張 昆 衣淑娟 劉海軍 孫 浩 馬永財

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院， 大慶 163000; 2.浙江農(nóng)林大學暨陽學院， 諸暨 311800)

0 引言

我國北方寒區(qū)土壤條件不佳、氣候環(huán)境惡劣、無霜期較短，玉米品種生育期的選擇受到限制，傳統(tǒng)的種植方式為大田直播，且只能采用中、早熟品種[1-6]。為了提高玉米品質(zhì)和產(chǎn)量，在我國調(diào)減玉米種植面積的政策背景下，北方寒區(qū)開始采用育苗移栽的玉米種植方式，這可有效解決該地區(qū)玉米種植產(chǎn)量和質(zhì)量問題[7-9]，但對植質(zhì)缽盤播種提出了較高的要求。

近年來，隨著精密播種技術(shù)的不斷發(fā)展，精密播種機得到廣泛應用。排種器是實現(xiàn)移栽秧盤精密播種的關(guān)鍵部件[10-13]。目前，國內(nèi)外先進的播種機普遍采用氣吸式工作原理，排種器的吸種環(huán)節(jié)是決定播種精度的重要因素，因此國內(nèi)外學者對種子在吸孔氣流場中的受力和運動規(guī)律進行了研究[14-20]。

目前與玉米育苗移栽機相配套的播種裝置尚不完善[21-22]。現(xiàn)有缽苗精密播種機都是針對水稻設計的，針對玉米的較少，尤其是考慮氣固耦合的氣吸滾筒式玉米缽苗精密播種的研究尚未見報道。

為此，在已研究的玉米植質(zhì)缽育秧盤基礎上，本文利用動力學分析、建模仿真、試驗研究等方法，對氣吸滾筒式玉米植質(zhì)缽盤精密播種裝置進行優(yōu)化設計。通過試驗明確影響因素及最優(yōu)參數(shù)組合條件，為玉米植質(zhì)缽盤精密播種裝置設計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 播種裝置結(jié)構(gòu)

氣吸滾筒式播種裝置主要由種箱、滾筒、絕壓輥、鏈輪、空心軸、氣嘴等組成，如圖1所示。

1.2 工作原理

播種裝置內(nèi)充好的種子隨滾筒轉(zhuǎn)動至播種區(qū)，進行投種。如圖2所示，氣吸滾筒式播種機中間位置為空心軸，與風機相連，通過風機的作用將滾筒內(nèi)的空氣抽走形成負壓腔。絕壓結(jié)構(gòu)包括絕壓輥、彈簧和螺桿結(jié)構(gòu)，其中，螺桿結(jié)構(gòu)上端安裝在空心軸的上下通孔內(nèi)，下端安裝彈簧和絕壓輥，彈簧壓緊絕壓輥使其與滾筒內(nèi)壁密合，起到隔絕負壓的作用。

播種裝置工作時，滾筒旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過如圖2所示的Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ區(qū)域。當吸種孔到達區(qū)域Ⅰ時，滾筒內(nèi)壓強小于外界壓強，由于大氣壓的作用，種子被吸附到吸種孔上，在滾筒的作用下離開種箱；經(jīng)過氣嘴清種后，保留1粒種子在吸種孔上，從區(qū)域Ⅰ到區(qū)域Ⅲ，種子一直被吸附在滾筒上，隨著滾筒一起運動，當裝置運轉(zhuǎn)到A處時，絕壓輥堵住滾筒上的吸種孔，使種子失去吸附力，這時種子由于自身的重力作用，做自由落體運動，落入玉米植質(zhì)缽育秧盤，完成投種。

2 吸種過程動力學模型建立

播種裝置的充種過程包括2個階段：種子雖然受到氣流場的吸附力，但并沒有與滾筒接觸；種子在氣流場的吸附力作用下，與滾筒緊緊貼附在一起。吸附過程中種子的運動狀態(tài)與受力分析簡圖如圖3所示。

對種子進行受力分析，種子質(zhì)心為坐標原點，滾筒切向方向為x軸方向，法向方向為y軸方向。在充種的第1階段，種子不受滾筒施加的摩擦力與支持力，x軸方向合力為0，y軸方向是加速靠近的過程，其受力分析如圖3所示。

力學平衡方程為[23]

(1)

式中FQ——種子所受吸附力，N

m——種子質(zhì)量，kg

Nq——種子受到的種群支持力，N

fq——種子受到的種群摩擦力，N

G——種子自重，N

α——Nq與水平方向之間夾角，(°)

θ——FQ與水平方向之間夾角，(°)

a——種子加速度，m/s2

第2階段為種子吸附在滾筒上和滾筒一起轉(zhuǎn)動，其力學平衡方程為

(2)

其中

(3)

式中ft——種子與滾筒之間摩擦力，N

Nt——滾筒對種子的支撐力，N

ω——滾筒旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

φq——種子自然休止角，取21°

φt——滾筒與種子之間滑動摩擦角，取24°

R——滾筒半徑，m

由式(2)和式(3)可得

(4)

FQ2=mω2R-

(5)

式中FQ1——第1階段種子所受吸附力，N

FQ2——第2階段種子所受吸附力，N

種子受到的吸附力FQ是由吸種孔內(nèi)外壓差形成的，其相應的方程可表示為

FQ=πΦΔpNR2

(6)

式中 ΔpN——負壓，Pa

Φ——各因素對種子所受吸附力影響修正系數(shù)

根據(jù)上述分析可知，在取種過程中，內(nèi)外壓差形成的吸附力需要克服種子自重和種子與周圍種群間的摩擦力做功，只有當吸附力要超過第2階段的合力時，種子才能順利的吸附在滾筒上，即

(7)

式中k——流場比例系數(shù)，取0.65

Rk——吸種口半徑，m

當α=90°時，支持力與種子重力相等，此時方程可以簡化為

(8)

從式(8)中可以初步看出負壓、滾筒角速度、充種角為影響種子吸附作用的主要因素。

3 吸種過程模擬仿真

為了進一步探究種箱上層種子受吸附的主要影響因素，進行吸種過程模擬仿真。

3.1 耦合理論

播種裝置工作時，種箱內(nèi)拖動層的種子會隨滾筒轉(zhuǎn)動而運動，種子運動會引起彼此之間的相互接觸摩擦，產(chǎn)生接觸力。根據(jù)接觸方式的不同，可將接觸模型分為軟顆粒接觸和硬顆粒接觸兩種情況，由于種子表面不存在粘附力作用，因此可選擇Hertz-Mindlin軟顆粒接觸模型作為分析模型[24]。在模型接觸位置設置耦合器和滑動的彈簧振子，利用阻尼振動簡化接觸力，如圖4所示。

微分方程為

(9)

式中c——接觸阻尼系數(shù)

μ——彈簧彈性系數(shù)

顆粒體所受的力除了上述碰撞以及曳力、自身重力外，還包括浮力、升力、靜電力等，但是由于顆粒體密度與流體密度相差較大，除了曳力與重力外其他力都很小，可以忽略不計。在EDEM-Fluent耦合模塊中相間作用力模型包括曳力模型、升力模型、熱傳遞模型，但是由于顆粒體主要受到曳力作用，所以其他模型無需選擇。在曳力模型中，顆粒受到的曳力阻力系數(shù)CD，取決于顆粒雷諾數(shù)[25]，計算式為

(10)

(11)

式中ρf——流體密度，kg/m3

L——顆粒體直徑，m

Res——流體雷諾數(shù)

vf——流體速度，m/s

vs——顆粒體速度，m/s

η——流體粘度系數(shù)，Pa·s

a——CFD網(wǎng)格單元中的自由體積

耦合模塊中的曳力模型有3種：自由流曳力模型、Ergun and Wen & Yu曳力模型、Di Felice曳力模型。自由流曳力模型是基于球形顆粒的自由流曳力進行計算的；Ergun and Wen & Yu曳力模型是結(jié)合了Ergun模型和Wen & Yu模型，對標準的曳力方程進行了修改；Di Felice曳力模型是在自由流曳力模型的基礎上添加了孔隙率修正項，考慮了孔隙率對相鄰顆粒之間的阻力影響。

上述曳力模型都是通過試驗得出的經(jīng)驗公式。自由流曳力模型適用于顆粒數(shù)量較少、接觸碰撞不多、速度梯度較小的情況；Ergun and Wen & Yu曳力模型與Di Felice曳力模型均引入了體積分數(shù)項并對曳力模型進行了修正，考慮了顆粒之間相互的影響。由于Ergun and Wen & Yu曳力模型相對較為完整，因此仿真過程采用Ergun and Wen & Yu曳力模型。

3.2 模擬仿真分析

為分析吸種過程，對播種裝置進行建模，并導入處理軟件Gambit中，進行網(wǎng)格劃分,定義材料屬性，設定智能網(wǎng)格劃分等級為4，得到有限元網(wǎng)格劃分如圖5所示。

對播種裝置進行區(qū)域劃分，即分割為種箱、空心軸、滾筒3個區(qū)域，分別對各區(qū)域進行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，并對空心軸局部進行網(wǎng)格加密。最后添加邊界條件。將劃分好網(wǎng)格的.mesh文件導入流體力學軟件Fluent中進行流場模擬，將模擬好的流場數(shù)據(jù)導入離散元仿真軟件EDEM中，得到播種裝置外流場分布，如圖6所示。

在EDEM軟件中分別設置播種裝置、種子材料信息以及接觸條件，根據(jù)實際設置玉米種子的泊松比0.4，剪切模量1.77×108Pa，密度1.18 g/cm3；排種盤的泊松比0.5，剪切模量1.37×108Pa，密度1.20 g/cm3。設置玉米種子和玉米種子碰撞的彈性恢復系數(shù)為0.182，滑動摩擦因數(shù)為0.431，滾動摩擦因數(shù)為0.078；玉米種子和排種盤碰撞的彈性恢復系數(shù)為0.621，滑動摩擦因數(shù)為0.482，滾動摩擦因數(shù)為0.093。由于滾筒對稱性結(jié)構(gòu)，同時為提高仿真效率，采用帶有周期性邊界條件的單排吸孔，播種裝置充種過程模擬如圖7所示。

對模擬結(jié)果進行分析，選取種層最上層靠近滾筒壁位置處，對同條件下種子速度變化進行比較。在其他條件相同的情況下改變滾筒轉(zhuǎn)速，如圖8所示，在轉(zhuǎn)速10 r/min的情況下，充種時間較長，種子有充分的時間被吸附，因此速度變化較快，在1.8 s左右速度到達10 m/s，很快與滾筒速度一致，并保持不變。隨著滾筒轉(zhuǎn)速增加到15 r/min，種子充種時間縮短，其速度變化較慢，在2.2 s左右速度到達18 m/s，與滾筒同步所需時間加長。當滾筒轉(zhuǎn)速過快，即50 r/min，種子來不及充種，被吸起的種子又重新落回種箱，回落過程中種子速度方向變化導致圖中出現(xiàn)負值。

在其他條件相同的情況下改變負壓，如圖9所示，在負壓800 Pa的情況下，種子受到的吸附力較小，種子速度持續(xù)增加，其速度變化較慢，在2.4 s左右速度達到20 m/s，與滾筒同步所需時間較長。隨著負壓增加到1 000 Pa，種子受到的吸附力增大，種子速度變化率提高，與滾筒同步所需時間逐漸縮短，在2 s左右速度達到20 m/s。當負壓達到1 200 Pa，種子受到的吸附力進一步增大，種子速度變化率提高更多，與滾筒同步所需時間更短，在1.6 s左右速度達到20 m/s。負壓變化對種子速度變化影響很大。

在其他條件相同的情況下改變充種角，如圖10所示，在充種角0°情況下，種子所需吸附力較大，因此速度持續(xù)變化且變化很慢，與滾筒同步所需時間較長，在2.4 s左右速度達到20 m/s。隨著充種角增加到30°，種子所需吸附力減小，種子速度變化率提高，與滾筒同步所需時間逐漸縮短，在2 s左右速度達到20 m/s。當充種角達到45°時，種子受到的吸附力進一步減小，種子速度變化率提高更多，與滾筒同步所需時間更短，在1.4 s左右速度達到20 m/s。充種角變化對種子速度變化影響很大。

通過對充種過程模擬仿真發(fā)現(xiàn)，負壓、前進速度、充種角的改變對播種裝置充種情況影響很大，確定為影響種子吸附的主因素。

4 試驗

4.1 材料與方法

本試驗選用玉米種子為河南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所生產(chǎn)的秋樂牌鄭單958玉米雜交種。籽粒純度不低于97%，凈度不低于99%，出芽率不低于93%，含水率不高于20%，千粒質(zhì)量307 g，籽粒形狀為馬齒形(扁平呈長方形)，適宜在黑龍江省種植。試驗在黑龍江八一農(nóng)墾大學排種器實驗室進行。如圖11所示，試驗裝置主要由種床、玉米植質(zhì)播種裝置、集成操控系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)采集臺等組成。

選擇合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)作為目標函數(shù)，反映氣吸滾筒式播種裝置工作性能。根據(jù)理論分析及前期大量試驗并結(jié)合相關(guān)學者研究成果，最終選擇播種裝置負壓X1、前進速度X2以及充種角X3作為影響氣吸滾筒式播種裝置工作性能的主要參數(shù)。本試驗在自行研制的試驗臺上開展。通過控制試驗風壓，采用U型測壓管對滾筒上吸種孔處風壓進行測量，直至達到試驗需求。運用變頻調(diào)速原理調(diào)節(jié)前進速度，在速度穩(wěn)定的情況下進行播種性能測定試驗。試驗后對合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)進行測量統(tǒng)計，每組試驗重復5次取平均值。

4.2 試驗設計

為了驗證播種裝置的播種性能，得到較優(yōu)的工作參數(shù)組合，根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，選用正交表L16(43)進行正交試驗并分析[26-27]。

在播種裝置性能檢測試驗臺上進行播種性能測試試驗。通過圖像采集處理系統(tǒng)對缽育秧盤上的種子進行實時檢測，并對得到的數(shù)據(jù)進行處理，每次試驗測量200粒種子，并重復5次取平均值。根據(jù)前期試驗，選取前進速度為0.20～0.26 m/s，負壓為1 000～1 300 Pa，充種角為10°～40°，試驗因素水平如表1所示，試驗安排及結(jié)果如表2所示，其中A、B、C為因素水平值。

表1 試驗因素和水平Tab.1 Factors and levels of test

表2 試驗設計方案及結(jié)果Tab.2 Experiment design and values

4.3 結(jié)果分析

由表2可得，影響合格指數(shù)的因素主次順序為B、A、C，較優(yōu)的因素組合為B3A2C2；影響漏播指數(shù)的因素主次順序為B、C、A，較優(yōu)的因素組合為B3C2A2；影響重播指數(shù)的因素主次順序為B、A、C，較優(yōu)的因素組合為B2A2C3。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行方差分析，進一步分析因素對試驗指標影響的顯著性。如表3所示，可知前進速度、負壓和充種角對各項播種性能指標都有顯著影響。前進速度較小時，型孔通過充種區(qū)的時間較長，種子充入型孔的機會增大，前進速度的增大會使充種時間變短，漏播指數(shù)增大；負壓較低時，所提供的吸附力不足以克服種群摩擦力，會造成漏播指數(shù)增大。負壓較大時，所提供的吸附力遠大于單粒種子所需，種子可以輕松脫離種群，但容易吸附一顆以上的種子，造成重播指數(shù)增大；充種角較小時，種子需要克服自身重力、種群摩擦力，使漏播指數(shù)增大；充種角較大時，在其他條件不變的情況下，受到滾筒支持力，使漏播指數(shù)減小。結(jié)合試驗結(jié)果，以及上述理論分析和仿真模擬，可知理論及試驗結(jié)果一致。綜上，為了保證播種裝置良好的播種性能，需要對3個因素選取合適的參數(shù)組合。

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis for seeding quality

綜合以上分析，在保證合格指數(shù)最大、漏播指數(shù)和重播指數(shù)較小原則下，確定較優(yōu)組合為A2B3C2，即前進速度為0.22 m/s、負壓為1 200 Pa、充種角為20°。

4.4 驗證試驗

在上述試驗環(huán)境條件下進行驗證試驗，每次試驗測量200粒種子，并重復5次取平均值。按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》在前進速度為0.22 m/s、負壓為1 200 Pa、充種角為20°的條件下進行試驗，試驗結(jié)果見表4。從表4可以看出，綜合性能較優(yōu)的結(jié)果為合格指數(shù)90.48%、漏播指數(shù)4.24%、重播指數(shù)5.28%。

表4 驗證試驗結(jié)果Tab.4 Result of verifying test %

5 結(jié)論

(1)對充種區(qū)吸種壓差和吸種過程種子的受力進行了分析，建立種子受力方程和吸附力方程，得出負壓、滾筒轉(zhuǎn)速、充種角是影響種子吸附的主要因素。利用EDEM軟件進行仿真，得到了滾筒轉(zhuǎn)速、負壓、充種角對吸種性能的影響規(guī)律。

(2) 通過三因素四水平正交試驗，分析確定了負壓、前進速度、充種角對播種裝置性能影響的主次順序；影響合格指數(shù)的因素主次順序為負壓、前進速度、充種角，影響漏播指數(shù)的因素主次順序為負壓、充種角、前進速度，影響重播指數(shù)的因素主次順序為負壓、前進速度、充種角。

(3) 獲得較優(yōu)參數(shù)組合為前進速度0.22 m/s、負壓1 200 Pa、充種角20°，通過5次驗證試驗得到最優(yōu)參數(shù)組合下的合格指數(shù)為90.48%、漏播指數(shù)為4.24%、重播指數(shù)為5.28%。