組合孔內(nèi)充式油莎豆排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

丁 力 豆宇飛 王萬章 徐宇飛 何 勛 屈 哲

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 鄭州 450002)

0 引言

油莎豆綜合利用價(jià)值極高，可提高產(chǎn)油量，減少我國對大豆的進(jìn)口依賴。機(jī)械化集穴排種是提高油莎豆生產(chǎn)效率的主要途徑之一[1]。排種器是油莎豆機(jī)械化播種的核心工作部件，其充種和排種性能直接影響播種質(zhì)量。機(jī)械式排種器在低速條件下可實(shí)現(xiàn)精量排種，但當(dāng)作業(yè)速度較高時(shí)，由于油莎豆外形尺寸不規(guī)則、流動(dòng)性較差，種子破損率升高，排種精度降低。針對機(jī)械式排種器高速作業(yè)時(shí)充種性能不佳的問題，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量研究。都鑫等[2]設(shè)計(jì)一種自擾動(dòng)內(nèi)充型孔輪式玉米精量排種器，來提高機(jī)械式排種器的充種率。張翔等[3]設(shè)計(jì)了一種入口漸收式柔性防傷種護(hù)種板，且在充種區(qū)域加設(shè)充種突起，提高了內(nèi)充種式排種器播種性能。王吉奎等[4]增設(shè)了輔助充種與清種裝置，有效提高了內(nèi)充種式棉花穴播器的播種質(zhì)量。尚家杰[5]設(shè)計(jì)了一種具有容納式防傷種護(hù)種板的淺盆形立式圓盤排種器，降低了種子破碎率，提高了排種器充填性能。張宇文等[6]針對窩眼輪式排種器中窩眼孔易堵塞的問題，增設(shè)推種輪，采用推種輪與排種輪嚙合的形式強(qiáng)制排種。上述研究表明，為提高充種率，大多在充種時(shí)增加擾動(dòng)裝置提高種群流動(dòng)，多采用自重投種方式。但增加回流板對清掉的種子分流和通過強(qiáng)制排種集穴的研究鮮有報(bào)道。

本文為解決油莎豆內(nèi)充式排種器充種時(shí)因種子流動(dòng)性差，種群易壓實(shí)，導(dǎo)致重充問題，采用最速降理論設(shè)計(jì)回流有序充填曲面，利用EDEM仿真分析有序充填性能；針對不規(guī)則種子排種時(shí)機(jī)不一致導(dǎo)致集穴效果差問題，設(shè)計(jì)強(qiáng)排裝置，強(qiáng)制剝離疏導(dǎo)種子，以提高落地集穴效果。

1 排種器總體設(shè)計(jì)及工作原理

內(nèi)充式油莎豆精量排種器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器的工作過程分為充種、清種、護(hù)種和投種4個(gè)階段。排種器作業(yè)前，可通過調(diào)節(jié)軸向排數(shù)(共 3 排)，控制每穴種子的粒數(shù)(每穴 1～3 粒可調(diào))。根據(jù)黃淮海區(qū)域油莎豆種植農(nóng)藝，調(diào)節(jié)為每穴 3 粒精密播種。工作時(shí)，油莎豆種子由充種口進(jìn)入充種區(qū)中形成種群；排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，種子在自身重力、種間作用力和離心力合力作用下充入復(fù)式型孔的外孔和內(nèi)孔內(nèi)，隨著排種輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入清種區(qū)，復(fù)式型孔外孔內(nèi)的油莎豆種子在自身重力和清種刷的共同作用下完成清種，清掉的種子落入回流板上，種子依次沿回流板滑入充種腔，匯入種群；僅剩復(fù)式型孔內(nèi)孔中的種子進(jìn)入護(hù)種區(qū)，投種時(shí)，種子在自身重力和強(qiáng)排機(jī)構(gòu)的共同作用下完成投種作業(yè)，強(qiáng)制排種裝置可將投種區(qū)卡在復(fù)式型孔內(nèi)較大的種子強(qiáng)制清掉。

圖1 內(nèi)充式油莎豆排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of structure of inner-filled Cyperus esculentus seed metering device1.前殼體 2.種層高度調(diào)節(jié)板 3.回流板 4.清種刷 5.后殼體 6.強(qiáng)制排種裝置 7.排種輪外盤 8.排種輪內(nèi)盤 9.穴粒數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

回流板和強(qiáng)制排種裝置是內(nèi)充式油莎豆排種器提高種群流動(dòng)性、減少重播、保證投種時(shí)機(jī)一致性和提高集穴效果的關(guān)鍵部件。結(jié)合排種器結(jié)構(gòu)和工作原理及油莎豆種子形狀特點(diǎn)設(shè)計(jì)了清種回流板和強(qiáng)制排種機(jī)構(gòu)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 內(nèi)充式排種輪設(shè)計(jì)

排種輪作為內(nèi)充式油莎豆精密排種器的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)的確定是決定排種器充種和排種集穴性能的關(guān)鍵。如圖2所示，整體主要由盤體、驅(qū)動(dòng)外盤、從動(dòng)外盤Ⅰ、從動(dòng)外盤Ⅱ、驅(qū)動(dòng)內(nèi)盤、從動(dòng)內(nèi)盤、復(fù)式型孔外孔、復(fù)式型孔內(nèi)孔調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)擋板等組成，其中驅(qū)動(dòng)外盤、從動(dòng)外盤Ⅰ、從動(dòng)外盤Ⅱ、驅(qū)動(dòng)內(nèi)盤和從動(dòng)內(nèi)盤通過嵌套連接，形成軸向 3 排復(fù)式型孔，且通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以控制調(diào)節(jié)擋板的長度，進(jìn)而控制復(fù)式型孔內(nèi)孔的尺寸，使其滿足：每個(gè)復(fù)式型孔內(nèi)孔中僅能容納1粒油莎豆種子，達(dá)到每穴 3 粒精密播種的要求。

圖2 排種輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of structure of seeding wheel1.復(fù)式型孔外孔 2.復(fù)式型孔內(nèi)孔調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 3.復(fù)式型孔內(nèi)孔 4.盤體 5.驅(qū)動(dòng)外盤 6.驅(qū)動(dòng)內(nèi)盤 7.調(diào)節(jié)擋板 8.從動(dòng)外盤Ⅰ 9.從動(dòng)內(nèi)盤 10.從動(dòng)外盤Ⅱ

2.2 油莎豆種子幾何特性

本文選取油莎豆1號(hào)種子作為試驗(yàn)對象，隨機(jī)選取200粒試驗(yàn)所用的油莎豆種子，用游標(biāo)卡尺對每粒種子的長、寬、高進(jìn)行測量。每粒種子測 5 次，取平均值作為種子的長、寬、高三軸尺寸。同時(shí)對種子的三軸尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以確定種子平均直徑的分布情況，如表1所示。

表1 油莎豆種子三軸尺寸Tab.1 Three-axis size of Cyperus esculentus seeds

通過測量得到種子等效直徑L0為11.47 mm，最大直徑Lmax為16.03 mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.52 mm，直徑基本呈正態(tài)曲線分布。取種子半徑r=Lmax/2=8 mm作為排種輪復(fù)式型孔、回流板及強(qiáng)制排種裝置設(shè)計(jì)依據(jù)。油莎豆種子球度為

(1)

式中Sp——球度，%

L——種子長度，mm

D——種子寬度，mm

H0——種子厚度，mm

由式(1)可得，油莎豆種子球度為84%。

2.3 內(nèi)充排種輪型孔參數(shù)設(shè)計(jì)

型孔參數(shù)影響內(nèi)充式排種器充種性能，本排種器主要為動(dòng)態(tài)充種原理，即內(nèi)層種子與排種輪內(nèi)壁保持相對運(yùn)動(dòng)。種子能否順利充入復(fù)式型孔內(nèi)主要取決于種子和型孔間的相對運(yùn)動(dòng)速度、待充種子的受力情況，充種過程中始終受到離心力、重力與種子間相互作用力。根據(jù)動(dòng)態(tài)落拱原理，忽略種子間相互作用力，且充種過程中，油莎豆種子所受離心力變化較小，可忽略不計(jì)。為進(jìn)一步分析充種過程運(yùn)動(dòng)情況，以充填孔邊沿處處于臨界運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的單粒油莎豆為研究對象，建立如圖3所示充種力學(xué)模型，為簡化分析與計(jì)算，將油莎豆種子視為剛性球體，其質(zhì)心為幾何中心并設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn)O1，Y軸經(jīng)過種子質(zhì)心，其正方向背離排種輪中心線，X軸經(jīng)過油莎豆種質(zhì)心，垂直于Y軸且指向所充填的型孔內(nèi)側(cè)。

圖3 充種時(shí)油莎豆種子的極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.3 State of extreme exercise of seeds of Cyperus esculentus during filling

為確保種子順利充入復(fù)式型孔內(nèi)孔中，需使復(fù)式型孔外孔長度e0大于種子沿Y軸方向合力作用下充入內(nèi)孔的時(shí)間內(nèi)排種輪內(nèi)圓所轉(zhuǎn)過的弧長、種子沿X軸方向下落的位移sx與種子半徑所對應(yīng)的弧長l之和[7]，即

(2)

式中R——排種輪內(nèi)圓半徑，mm

R1——復(fù)式型孔內(nèi)孔調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)外圈對應(yīng)的圓周半徑，mm

R2——油莎豆種子處于排種輪內(nèi)側(cè)時(shí)種子質(zhì)心所對應(yīng)的圓周半徑，mm

t1——種子下落時(shí)間，s

sy——種子沿Y軸下落距離，mm

ay——種子沿Y軸下落加速度，m/s2

ax——種子沿X軸下落加速度，m/s2

Fy——種子沿Y軸方向所受合力，N

m——種子質(zhì)量，mm

Fx——種子沿X軸方向所受合力，N

δ——種子所受離心力方向與排種輪豎直軸線的夾角，(°)

vx——種子充種時(shí)刻初速度，m/s

ω——排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

ω2——種子隨排種輪內(nèi)壁轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s

G——種子所受重力，N

P——種子受到的離心力，N

g——重力加速度，m/s2

由式(2)可得

(3)

參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，型孔輪式排種器排種盤直徑選取范圍一般為80～260 mm[8]，因排種器較大時(shí)，有利于提高充、清種性能，所以取排種輪內(nèi)圓直徑為Φ182 mm。根據(jù)作業(yè)速度，選取轉(zhuǎn)速n為12～60 r/min，為保證所有種子順利充種，取排種輪最大作業(yè)角速度ω為6.28 rad/s，排種器工作過程中，充種腔內(nèi)種子作環(huán)流運(yùn)動(dòng)，內(nèi)層種子隨壁轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度ω2取值范圍為0<ω2<ω，取ω2=0.6ω，根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取復(fù)式型孔內(nèi)孔內(nèi)壁厚度b為5 mm，種子所受離心力方向與排種輪豎直軸線的夾角取δ為20°。將R=91 mm，sy=b+Lmax/2=13 mm，R1=R+b=96 mm，R2=R-Lmax/2=83 mm，ω=6.28 rad/s，ω2=3.77 rad/s，b=5 mm代入式(3)可得e0為45.87 mm。因復(fù)式型孔外孔長度越大，外孔內(nèi)可容納種子數(shù)越多，不利于種子充入復(fù)式型孔內(nèi)孔中，且對型孔數(shù)目的確定具有一定的限制作用，綜合考慮，外型孔長度e0確定為46 mm。

2.4 回流板設(shè)計(jì)

回流板主要起到分流清種區(qū)落下的油莎豆種子，再有序匯入充種區(qū)的作用，為使其平穩(wěn)滑送到充種區(qū)，有序充種，防止種群壓實(shí)導(dǎo)致的重播問題。根據(jù)最速降線原理對回流板曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合重力清種臨界位置確定回流板上端夾角，通過對油莎豆在回流板上的動(dòng)力學(xué)分析確定其下端傾角，后續(xù)利用EDEM仿真確定回流板安裝位置，來提高回流板的穩(wěn)定性和合理性。

2.4.1種子回流板曲線

影響回流板工作效率的關(guān)鍵因素是滑種曲線的形狀，設(shè)計(jì)曲線形狀時(shí)應(yīng)充分考慮其對種子運(yùn)動(dòng)的影響，最大程度減少種子在回流板上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，避免回流時(shí)種子之間的碰撞和種子在回流板上彈跳問題，提高回流效率。最速降線為當(dāng)油莎豆種子經(jīng)清種區(qū)后落入回流板上，在不考慮摩擦力時(shí)，以初速度v0沿曲線滑行到充種區(qū)，用時(shí)最短的曲線。如圖4a 所示，半徑為a的圓沿直線OB滾動(dòng)，圓上一點(diǎn)掃過的軌跡即為O、B兩點(diǎn)間的最速降線，最速降線解析方程為

(4)

(5)

式中 (x，y)——質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，mm

ψ——質(zhì)點(diǎn)滾動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)角，rad

ε——質(zhì)點(diǎn)滾動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)角，(°)

圖4 最速降線幾何含義Fig.4 Geometric meaning of the brachistochrone

對應(yīng)時(shí)間泛函數(shù)T本身可以寫為積分形式

(6)

其中

式中 (x0，y0)——軌跡初始點(diǎn)坐標(biāo)，mm

(x1，y1)——軌跡終點(diǎn)坐標(biāo)，mm

在實(shí)際工作中，最速降線理論需要考慮油莎豆種子與回流板之間摩擦阻力，因此對上述解析方程和時(shí)間泛函數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，對其在摩擦力的作用下進(jìn)行動(dòng)能分析[9]，即

(7)

其中

式中v——質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度，m/s

μ——?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)

s——質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)路程，mm

m0——質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量，gφ——摩擦角，(°)

所以，在摩擦力的作用下對應(yīng)時(shí)間泛函數(shù)寫為

(8)

但該時(shí)間泛函數(shù)通過歐拉方程求解相對復(fù)雜，現(xiàn)將原坐標(biāo)系Oxy沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度φ，形成新的坐標(biāo)系OXY如圖4b所示，其中φ=arctanμ為摩擦角，新舊坐標(biāo)關(guān)系式為y-μx=Y/cosφ，則式(8)轉(zhuǎn)換為[10]

(9)

式中 (X，Y)——轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo)，mm

(X0，Y0)——轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后軌跡初始點(diǎn)坐標(biāo)，mm

(X1，Y1)——轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后軌跡終點(diǎn)坐標(biāo)，mm

由旋轉(zhuǎn)后的坐標(biāo)系可以看出，曲線la開始的一部分進(jìn)入x<0區(qū)域，由式(9)可知，質(zhì)點(diǎn)沿曲線la在點(diǎn)P0處速度小于其自由落體速度，因此該曲線不是從點(diǎn)O到點(diǎn)P0最優(yōu)路徑，對最速降線解析方程進(jìn)行進(jìn)一步處理平移變換，即

(10)

式中A——變換后參數(shù)半徑，mm

c——最速降線方程橫向平移量，mm

因此，種子運(yùn)動(dòng)在OC段是以初速度v0豎直向下直線運(yùn)動(dòng)，后沿最速降線lCB滑動(dòng)至終點(diǎn)B處，運(yùn)動(dòng)時(shí)間滿足[10]

(11)

式中 (xC，yC)——點(diǎn)C坐標(biāo)，mm

(xB，yB)——點(diǎn)B坐標(biāo)，mm

tOC——從點(diǎn)O到點(diǎn)C的時(shí)間，s

tCB——從點(diǎn)C到點(diǎn)B的時(shí)間，s

由式(11)可得

(12)

(13)

其中點(diǎn)C為極值點(diǎn)，條件滿足ΔT=0，即y′=∞，因此得出結(jié)論: 當(dāng)曲線lb與y軸相切時(shí)，即為在考慮摩擦阻力作用下從點(diǎn)O到點(diǎn)B的最速降線[11]。此時(shí)點(diǎn)C位置滿足

(14)

其中

XC=μYC

c=2(μ-πφ/480)A

(15)

式中 (XC，YC)——轉(zhuǎn)換坐標(biāo)系后點(diǎn)C坐標(biāo)，mm

ψC——質(zhì)點(diǎn)滾動(dòng)至點(diǎn)C時(shí)的轉(zhuǎn)角，(°)

從起始點(diǎn)O到終點(diǎn)B的最速降線參數(shù)A、c僅取決于O、B兩點(diǎn)相對位置和回流擋板與油莎豆間的摩擦因數(shù)[12-13]。其中，兩點(diǎn)縱向位置與種層高度、充種區(qū)空間有關(guān)，為避免對充種影響，取H=40 mm，兩端點(diǎn)之間橫向距離由排種輪內(nèi)壁直徑?jīng)Q定，取S=120 mm，由幾何關(guān)系可知

(16)

式中H——點(diǎn)O、B縱向位置距離，mm

S——點(diǎn)O、B橫向位置距離，mm

根據(jù)文獻(xiàn)[14]，取μ=0.42，可以得到φ=arctanμ=23°，聯(lián)立式(14)～(16)，得A=17.15 mm、c=14.17 mm、XC=8.19 mm、YC=19.51 mm，即可確定最速降線曲線?；亓靼迩€是一段傾斜直線和最速降線組成，二者接觸點(diǎn)為切點(diǎn)，接觸位置在實(shí)際使用中光滑過渡處理。

2.4.2回流板角度確定

為保證種子順利滑入回流板，確定回流板上端位置，現(xiàn)對排種輪自重清種位置進(jìn)行分析，設(shè)回流板上端點(diǎn)與排種輪圓心連線和水平線的夾角為ψ1，為找到重力清種臨界點(diǎn)，現(xiàn)對清種區(qū)域的種子受力分析，如圖5所示。

圖5 重力清種臨界狀態(tài)受力分析Fig.5 Force analysis of gravity seed clearing critical state

以油莎豆種子質(zhì)心為原點(diǎn)，過原點(diǎn)與排種輪中心連線向外為x軸正向，垂直于x軸指向種子具有運(yùn)動(dòng)趨勢的方向?yàn)閥軸正向，建立直角坐標(biāo)系，則種子在重力作用下開始清種的臨界條件為

∑F=mgsinψ1-P-ηFN1

(17)

其中FN1=mgcosψ1P=m(r+R)ω2

式中ψ1——清種起始角，(°)

η——種子間摩擦因數(shù)

FN1——種子受到的支持力，N

r——種子半徑

∑F=mgsinψ1-m(r+R)ω2-ηmgcosψ1

(18)

由式(18)整理得

(19)

取排種器角速度最小值ω=1.26 rad/s，并將r=8 mm，R=91 mm，g=9.8 m/s2，η=0.48代入式(19)，可得清種臨界角度為ψ1≥22°，因此回流板上端位置最小為22°，后續(xù)將通過仿真確定最優(yōu)角度。

2.4.3回流板安裝位置及種子運(yùn)動(dòng)分析

種子沿回流板內(nèi)壁滑入由回流板和排種輪外圈組成的充種容腔內(nèi)，為進(jìn)一步對油莎豆在回流板上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，選取油莎豆種子作為研究對象，建立如圖6所示的坐標(biāo)系yoz。假設(shè)種子開始下滑速度為v1，種子進(jìn)入充種腔的速度為v2，下落高度為H，下落過程摩擦力始終存在。

圖6 種子回流受力分析Fig.6 Force analysis of seed backflow

對yoz平面內(nèi)油莎豆種子滑落狀態(tài)進(jìn)行分析，則有

(20)

式中f2——油莎豆種子與回流板間摩擦力，N

FN2——回流板對油莎豆種子的支持力，N

γ——導(dǎo)種曲線切線傾角，(°)

當(dāng)油莎豆種子由回流板起始位置點(diǎn)o(xo，yo)運(yùn)動(dòng)到最速降線回流段起始位置K(xk，yk)，運(yùn)動(dòng)的高度為H1，此時(shí)摩擦力做功w1可表示為

w1=FN2H1tanφ/cosφ

(21)

當(dāng)油莎豆種子由最速降線回流段起始位置點(diǎn)K(xk，yk)運(yùn)動(dòng)到排種點(diǎn)Q(xq，yq)處過程中，完成最速降線回流運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)的高度為H2，此時(shí)摩擦力做功w2可表示為[15]

(22)

根據(jù)能量守恒定理可得

(23)

整理式(21)～(23)得

(24)

其中

v1=ω(r+R)

取排種器一般作業(yè)速度對應(yīng)轉(zhuǎn)速n=20 r/min，則對應(yīng)角速度為ω=2.09 rad/s，將H1=YC=19.5 mm，H2=H-H1=20.5 mm代入式(24)，得v2=0.78 m/s。

曲線任意一點(diǎn)切線斜率為

(25)

(26)

式中ψ2——曲線任意一點(diǎn)切線與水平線的夾角

可知當(dāng)ψ2=2π時(shí)切線與la垂直，由幾何關(guān)系可知

(27)

解得v2x=0.26 m/s，v2y=0.74 m/s。因此種子經(jīng)回流板排種口后進(jìn)入回流種群時(shí)的豎直方向的分速度大于排種輪線速度，可促進(jìn)種群流動(dòng)，提高充種效率。

圖7 回流板位置示意圖Fig.7 Schematic of return plate position

回流板上端與排種輪內(nèi)壁距離決定回流效果，當(dāng)距離過大時(shí)部分種子將無法落入回流板；當(dāng)距離過小時(shí)將發(fā)生卡種、刮種等，對種子造成損傷，影響播種質(zhì)量。結(jié)合前期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，如圖7所示，回流板端點(diǎn)Q到排種器內(nèi)壁距離為最大半徑，即

s1=r=0.5Lmax

(28)

當(dāng)種子回流時(shí)有較多種子時(shí)，為防止種子堵塞回流下端口，回流板下端距離排種輪內(nèi)壁需滿足2倍最大種子直徑，即

s2≥2Lmax

(29)

將Lmax=16 mm代入式(28)、(29)得s1=8 mm、s2≥16 mm，因此回流板上端距排種輪內(nèi)壁8 mm，下端距排種輪內(nèi)壁最少16 mm。

2.5 強(qiáng)制排種裝置設(shè)計(jì)

投種方式按作用效果分重力投種和強(qiáng)制排種兩種。為確保排種器3粒種子同時(shí)落下，采用強(qiáng)制排種作為主要投種方式。強(qiáng)制排種過程為強(qiáng)排裝置對種子進(jìn)行碰撞、擠壓，完成投種[16]。

2.5.1強(qiáng)制排種碰撞分析

為確定合適的強(qiáng)制排種裝置，保證投種一致性，進(jìn)行油莎豆與強(qiáng)制排種裝置的碰撞理論分析，作如下簡化：假定碰撞時(shí)油莎豆種子只在公法線方向上產(chǎn)生微小的壓縮變形[17]。因此，可以認(rèn)為在公法線方向發(fā)生彈性碰撞，而在公切面上由于作用時(shí)間極其短促，忽略瞬時(shí)摩擦的作用[18]。

假定種子為一剛性小球，隨排種輪作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，忽略種子間相互作用和空氣阻力影響，種子在碰撞時(shí)受力分析如圖8所示。

圖8 碰撞分析Fig.8 Collision analysis

油莎豆種子經(jīng)過非對心斜碰撞后的速度滿足

(30)

由式(30)可得

(31)

式中vp0——種子碰撞前速度，m/s

vn0——種子碰撞前法向速度，m/s

vt0——種子碰撞前切向速度，m/s

vn1——種子碰撞后法向速度，m/s

vt1——種子碰撞后切向速度，m/s

vp1——種子碰撞后速度，m/s

R3——排種輪外圓半徑，mm

e——種子與強(qiáng)制清種裝置之間的恢復(fù)系數(shù)

α——種子質(zhì)心與排種輪中心連線和豎直方向之間的夾角，(°)

β——碰撞面在xoy坐標(biāo)系上的投影直線與水平線之間夾角，(°)

由式(31)可知，油莎豆種子經(jīng)過碰撞后的速度，即投種初始速度與碰撞時(shí)排種輪轉(zhuǎn)速、油莎豆種子與強(qiáng)制排種裝置之間恢復(fù)系數(shù)正相關(guān)。由文獻(xiàn)[19]可知，內(nèi)充式排種角度過大時(shí)，種子處于不穩(wěn)定階段，排種角一般小于30°，即α<30°；當(dāng)β過小時(shí)受種子投種時(shí)姿勢影響增大，投種一致性變差，于是取β>45°。為使油莎豆投種速度最小，cos2(β-α)取最小值，結(jié)合排種器結(jié)構(gòu)尺寸取α=30°，β=45°。

2.5.2強(qiáng)制排種裝置參數(shù)確定

隨排種輪運(yùn)動(dòng)在外窩孔上的種子進(jìn)入投種區(qū)與強(qiáng)制排種裝置碰撞面發(fā)生碰撞，碰撞后的種子在重力的作用下完成投種。為保證3粒種子一致性投種作業(yè)，需對碰撞區(qū)角度θ1進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算[20]。由圖9幾何關(guān)系可知

圖9 強(qiáng)制排種裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure diagram of forced seed metering device

(32)

式中θ3——投種區(qū)左邊線與種子質(zhì)心和排種輪中心連線之間夾角，(°)

θ4——種子質(zhì)心和排種輪中心連線和碰撞點(diǎn)與排種器中心連線之間所夾的銳角，(°)

δ1——排種輪中心與碰撞接觸點(diǎn)之間連線和種子質(zhì)心與碰撞接觸點(diǎn)之間連線之間的夾角，(°)

l1——種子質(zhì)心到排種輪圓心與碰撞接觸點(diǎn)之間連線之間的垂直距離，mm

由式(32)可得

(33)

為避免充種時(shí)種子卡在復(fù)式型孔內(nèi)孔中，所以復(fù)式型孔內(nèi)孔深設(shè)為種子最大直徑，則R3=R1+Lmax=112 mm，將r=8 mm、β=45°、α=30°代入得θ4=1.2°，θ3=4.4°，所以θ1=5.6°

在坐標(biāo)系xoy中，設(shè)碰撞點(diǎn)坐標(biāo)為A1(a1,b1)，強(qiáng)制排種裝置下端位置坐標(biāo)為A2(a2,b2)，碰撞面在xoy坐標(biāo)軸上的投影直線的函數(shù)表達(dá)式為y=kx+b，由幾何關(guān)系有

(34)

將R3=112 mm，r=8 mm，β=45°，α=30°，θ4=1.2°，θ3=5.6°代入得a1=46 mm，b1=84 mm。所以碰撞點(diǎn)的坐標(biāo)為A1(46 mm，84 mm)。設(shè)已知β=45°可得投影直線的斜率為k=-tanβ=-1，將點(diǎn)A1(46 mm，84 mm)代入得

y=-x+130

(35)

圖10 復(fù)式型孔槽深度示意圖Fig.10 Schematic of depth of compound hole and groove

強(qiáng)制排種裝置下端位置與復(fù)式型孔槽底部相切，如圖10所示。當(dāng)復(fù)式型孔槽過淺時(shí)，排種器強(qiáng)制排種裝置對種子的撞擊效果減少，排種效率差，不利于3粒種子同時(shí)排種。復(fù)式型孔槽過深，排種輪結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性變差，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。因此，復(fù)式型孔槽深度hd應(yīng)小于0.5倍的種子最大直徑，即hd≤0.5Lmax，但又考慮排種器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取hd=0.5Lmax[21]。所以復(fù)式型孔槽中線所在圓的半徑為R4=R1+0.5Lmax=104 mm，則復(fù)式型孔槽中線所在圓的函數(shù)表達(dá)式為x2+y2=1042。聯(lián)立直線y=-x+130與圓的函數(shù)表達(dá)式

(36)

得A2(31 mm，99 mm)，則該點(diǎn)即為強(qiáng)制排種裝置下端位置。

當(dāng)θ2過大會(huì)增加投種區(qū)角度，相應(yīng)充種區(qū)角度減小，不利于充種效率；θ2過小，碰撞后種子橫向移動(dòng)距離縮短，增加了種子與播種器外殼碰撞情況的發(fā)生。考慮油莎豆尺寸因素，為使油莎豆不與排種器發(fā)生碰撞，順利投種，在坐標(biāo)系xoy中，設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡與排種器外殼所在圓交點(diǎn)坐標(biāo)為A3(a3,b3)，以碰撞接觸點(diǎn)A1作為運(yùn)動(dòng)軌跡的起始點(diǎn)，則其運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(37)

式中vpx——種子與強(qiáng)制排種裝置碰撞后的速度在水平方向上的分速度，m/s

vpy——種子與強(qiáng)制排種裝置碰撞后的速度在豎直方向上的分速度，m/s

為使油莎豆種子經(jīng)過碰撞之后不與排種器外殼發(fā)生碰撞，聯(lián)立運(yùn)動(dòng)軌跡方程與排種器外殼所在圓方程，根據(jù)排種器尺寸圓的半徑為117 mm，則圓的的方程為

x2+y2=1172

(38)

聯(lián)立式(37)、(38)得

(39)

其中vpx=-vp1cosθ5vpy=vp1sinθ5

式中θ5——種子碰撞后速度與水平方向夾角，(°)

由于投種速度與排種器轉(zhuǎn)速成正比[20]，取排種輪最大角速度ω=6.28 rad/s，根據(jù)文獻(xiàn)[23]，取種子與強(qiáng)制清種裝置之間的恢復(fù)系數(shù)e=0.40，根據(jù)式(30)、(31)解得vp1=0.634 m/s，vp0=0.653 m/s，vn1=0.068 m/s，vt1=0.630 m/s。將上述結(jié)果代入式(39)中得θ5=51.2°，vpx=-0.397 m/s，vpy=0.494 m/s，t=0.042 s。將上述結(jié)果代入式(38)中得x=30 mm，y=113 mm所以A3坐標(biāo)為(30 mm，113 mm)。

由幾何關(guān)系可得

(40)

式中τ——投種區(qū)右邊線與y軸的夾角，(°)

將點(diǎn)A3(a3,b3)代入式(40)得τ=14.9°，為避免種子與排種器外殼發(fā)生碰撞τ取值越小越好，結(jié)合排種器結(jié)構(gòu)尺寸取τ=14°，代入得θ2=14.8°。

3 EDEM離散元仿真

3.1 仿真模型建立及仿真參數(shù)確定

為提高運(yùn)算速度，EDEM仿真時(shí)將整個(gè)排種器模型簡化為殼體、排種輪、回流板和強(qiáng)制排種裝置4部分，如圖11a所示。

圖11 EDEM仿真模型Fig.11 EDEM simulation model1.殼體 2.回流板 3.油莎豆種子 4.強(qiáng)制排種裝置

根據(jù)排種器材料，將排種器材料設(shè)定為樹脂，參數(shù)參照文獻(xiàn)[22]，其泊松比為 0.35，剪切模量為1.20×108Pa，密度為 1.455×103kg/m3。油莎豆種子參數(shù)參照文獻(xiàn)[14，22-24]，其泊松比為 0.37，剪切模量為 2.77×107Pa，密度為 1.186×103kg/m3。油莎豆種子之間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.31、0.43、0.108；油莎豆種子與排種器之間恢復(fù)因數(shù)、靜摩擦因數(shù)、動(dòng)摩擦因數(shù)分別為 0.40、0.46、0.42。仿真選用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型作為種子與排種器、種子與種子之間的接觸模型。

3.2 強(qiáng)制排種裝置仿真

為探明強(qiáng)制排種裝置作業(yè)效果，將排種輪設(shè)置為一般工作轉(zhuǎn)速20 r/min，即角速度ω=2.09 rad/s進(jìn)行仿真試驗(yàn)。為得到種子在排種區(qū)的速度變化及碰撞情況，利用EDEM后處理模塊，在排種區(qū)建立3個(gè)監(jiān)測器，如圖12所示，分別監(jiān)測3排油莎豆種子速度數(shù)值及種子與強(qiáng)制排種裝置碰撞力變化情況。隨機(jī)選取3穴相鄰的油莎豆種子，得到其運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化曲線，結(jié)果如圖13所示。

圖12 強(qiáng)制排種仿真建立的監(jiān)測器Fig.12 A monitor created by forced seeding simulation

圖13 種子速度變化曲線Fig.13 Seed speed change curves

由圖13可知，第1穴左邊、中間、右邊種子分別在3.470 4、3.459 9、3.436 57 s以速度0.229 16、0.253 51、0.231 56 m/s與強(qiáng)制排種裝置發(fā)生碰撞，在3.471 2、 3.460 63、3.437 37 s時(shí)結(jié)束碰撞，碰撞后種子速度分別為0.172 57、0.179 53、0.202 31 m/s。第2穴種子均未與強(qiáng)制排種裝置發(fā)生碰撞，分別在3.724 51、3.729 26、3.735 51 s 以初始速度 0.215 30、0.196 59、0.225 86 m/s排種。第3穴種子僅有左邊種子與強(qiáng)制排種裝置發(fā)生碰撞，在3.944 86 s時(shí)以速度0.262 80 m/s與強(qiáng)制排種裝置發(fā)生碰撞，在3.945 66 s時(shí)以速度0.185 61 m/s結(jié)束碰撞并投種，中間和右邊種子分別在3.953 56、3.964 37 s以速度0.185 29、0.237 85 m/s投種。由此可知，強(qiáng)制排種裝置可以使種子及時(shí)排種，且與正常排種種子排種時(shí)間和排種速度幾乎相同。

3.3 排種器回流充種過程分析

為研究排種器回流充種過程，在排種輪轉(zhuǎn)速、種層厚度、回流板上端傾角分別為20 r/min、60 mm、22°時(shí)觀察回流區(qū)種子充種運(yùn)動(dòng)過程。選擇剖視圖視角，選取處于同一水平位置的一層種子為研究對象并標(biāo)定為橙色，從初始狀態(tài)截取不同時(shí)刻t0種層運(yùn)動(dòng)圖，得標(biāo)定種子1.5～7.5 s運(yùn)動(dòng)過程，如圖14所示。圖14表明經(jīng)回流板回流的種子沿排種器內(nèi)壁向下運(yùn)動(dòng)，回流區(qū)種群逐漸向充種區(qū)種群運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充，待與排種輪接觸的種層向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入外窩孔時(shí)向下運(yùn)動(dòng)，回流種群進(jìn)入外窩孔或進(jìn)入充種環(huán)流，如此往復(fù)形成回流層。種群運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)向下回流狀運(yùn)動(dòng)和渦流狀運(yùn)動(dòng)規(guī)律同時(shí)存在，種子在種層回流過程中形成排隊(duì)有序充種和匯入充種環(huán)流完成多次循環(huán)重復(fù)充種，提高種子充填外窩孔的機(jī)會(huì)，同時(shí)降低種群壓實(shí)，從而提高充種性能。

圖14 不同時(shí)間同一橫向位置種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.14 Seed motion states at the same lateral position at different times

圖16 不同回流板位置示意圖Fig.16 Schematicof different reflow board positions

為驗(yàn)證回流種層匯入充種群運(yùn)動(dòng)的回流過程和充種環(huán)流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以速度標(biāo)定種子顏色，選擇種子表現(xiàn)形式為stream，箭頭方向代表種子運(yùn)動(dòng)速度方向，得到種子某時(shí)刻狀態(tài)見圖15。圖15表明顆粒從復(fù)式型孔外孔在重力作用下滑落至回流板，沿回流板曲面下滑且逐漸加快，從回流板下端進(jìn)入充種區(qū)，回流種群上層種子速度大于下層種子且向下逐漸降低。下層種子緩慢向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)入外窩孔或匯入充種環(huán)流，因此形成有序種子流?；亓鞣N層保證了有序充種，匯入充種群后增大種群活躍程度和更新程度，提供種子多次循環(huán)重復(fù)充種條件；充種環(huán)流中與排種器接觸的下層種子在排種輪的帶動(dòng)下獲得小于排種輪線速度的運(yùn)動(dòng)，速度方向與排種輪轉(zhuǎn)速相同，產(chǎn)生種子與外窩孔相對速度的充種條件，同時(shí)下層種子帶動(dòng)與之相鄰的內(nèi)層種子向上運(yùn)動(dòng)，其速度低于下層種子，層層帶動(dòng)最后遞減為靜止層；最外層種子則反向運(yùn)動(dòng)，部分未落入回流板的種子與最外層種子相撞并匯入其中，速度不斷傳遞給其相鄰種層直至靜止層，速度自外向內(nèi)依次遞減，因此便形成環(huán)形流。漩渦狀環(huán)流層增大種群活躍程度和更新程度，提供種子多次循環(huán)重復(fù)充種條件[25]。

圖15 種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.15 Seed movement status

3.4 仿真方法

為研究回流板位置對排種器性能的影響，開展回流板位置對種群流動(dòng)性能和回流質(zhì)量流量的影響仿真研究。當(dāng)研究上端位置的影響時(shí)，根據(jù)2.4.2、2.4.3節(jié)理論計(jì)算和油莎豆尺寸，設(shè)定安放傾角分別為22°、32°和42°，設(shè) 3個(gè)水平，如圖16所示。轉(zhuǎn)速均為20 r/min，為保證排種器內(nèi)種子數(shù)量相同，種子總數(shù)設(shè)定為450顆，種子在1 s內(nèi)生成完畢，排種輪從1.5 s開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)種子已經(jīng)生成完畢，處于靜止?fàn)顟B(tài)，仿真到12 s結(jié)束，固定時(shí)間步長20%[26]。

結(jié)合前期試驗(yàn)和回流充種過程仿真分析，充種區(qū)靜止層種子流動(dòng)性較低，回流板通過改變種子回落位置，避免種子直接落入充種區(qū)，減少與種群外層種子碰撞及充種區(qū)種子數(shù)量來減少靜止層，提高種群流動(dòng)性從而提高充種率；同時(shí)充種區(qū)與排種輪接觸的種群承受壓力過大，易發(fā)生重充，回流板對回流種群分流，改變種群分布，減小堆積，可有效避免由于種群壓力過大而造成種群壓實(shí)，導(dǎo)致重充現(xiàn)象。

種子經(jīng)回流板到達(dá)充種腔中，速度降低，緩慢匯入種群，其回流種子流可反映出種群流動(dòng)性，因此以靜止層種子種群平均速度和回流種群質(zhì)量流量作為回流板回流效果的評價(jià)指標(biāo)，質(zhì)量流量是指物料在單位時(shí)間內(nèi)種群流過的質(zhì)量，能清晰反映回流效率。為監(jiān)測回流種群質(zhì)量流量和靜止區(qū)種群平均速度，結(jié)合EDEM后處理功能，需要在種群中建立監(jiān)測器，如圖17所示，其中監(jiān)測器1為速度傳感器，監(jiān)測靜止區(qū)種群平均速度，監(jiān)測器2為質(zhì)量流量傳感器，監(jiān)測回流種群顆粒質(zhì)量流量[27]。

圖17 仿真試驗(yàn)建立監(jiān)測器Fig.17 Simulation test build monitor

3.5 仿真結(jié)果與分析

圖19 不同回流板位置對種群平均速度的影響Fig.19 Effects of different reflow plate positions on average velocity of population

圖18為不同回流板在轉(zhuǎn)速20 r/min下不同回流傾角時(shí)種群質(zhì)量流量速率。在不同回流板上端傾角條件下，隨著傾角斜率的增加，回流種群質(zhì)量流量速率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，分析其原因在于：當(dāng)上端傾角在22°時(shí)，回流板可以回流大部分種子，回流種子過多導(dǎo)致種子堆積在回流種群，導(dǎo)致回流效率降低。當(dāng)回流板上端傾角由22°增加到32°時(shí)，回流板對部分種子進(jìn)行回流，另一部分直接進(jìn)入充種區(qū)，回流板對種子進(jìn)行有效分流，減少種子在回流種群堆積情況，回流種群質(zhì)量流量速率顯著提高。當(dāng)回流板上端傾角由32°增加到42°時(shí)，種子進(jìn)入回流板的數(shù)量繼續(xù)減少，大部分種子直接進(jìn)入充種區(qū)，導(dǎo)致回流種群質(zhì)量流量降低，回流板無法進(jìn)行有效回流。

圖18 回流板上端傾角對回流種群質(zhì)量流量的影響Fig.18 Influence of upper position of different return plates on mass flow of return population

圖19為不同回流板在轉(zhuǎn)速20 r/min下速度的變化趨勢，有回流板時(shí)種群平均速度明顯高于無回流板種群平均速度，這是因?yàn)榛亓靼蹇蓪ΨN子進(jìn)行分流，適當(dāng)減少充種區(qū)種子數(shù)量，提高充種種群流動(dòng)性。隨著回流板上端傾角增大，種群速度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，分析其原因在于：當(dāng)上端傾角為22°時(shí)，種子經(jīng)回流板進(jìn)入回流種群，充種區(qū)種子數(shù)量無法及時(shí)得到補(bǔ)充，排種輪內(nèi)壁帶動(dòng)種子運(yùn)動(dòng)效果降低導(dǎo)致種群平均速度較小。當(dāng)上端傾角為32°時(shí)，充種種群種子數(shù)量增加，排種輪內(nèi)壁帶動(dòng)充種種群流動(dòng)形成充種環(huán)流，回流種子經(jīng)回流板進(jìn)入回流種群，然后匯入種子環(huán)流，種群流動(dòng)性增加，使種群平均速度增加。當(dāng)上端傾角為42°時(shí)，大部分種子直接進(jìn)入充種區(qū)，由于油莎豆種子形狀不規(guī)則，種子之間摩擦力大導(dǎo)致充種種群下部種子難以帶動(dòng)種群形成環(huán)流，種群活力降低，種群平均速度減少。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

本文試驗(yàn)分別為一致性投種性能試驗(yàn)、排種輪單排孔排種試驗(yàn)、雙因素試驗(yàn)和集穴排種試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置分別為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的排種器性能檢測儀和STB-700型播種試驗(yàn)臺(tái)，油莎豆種子為河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的中油莎1號(hào)，含水率為8.27%，試驗(yàn)地點(diǎn)為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心。

4.2 一致性投種性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證碰撞后種子運(yùn)動(dòng)機(jī)理及投種一致性，進(jìn)行高速攝影試驗(yàn)，排種器轉(zhuǎn)速設(shè)置為20 r/min。試驗(yàn)時(shí)采用高速攝影儀對其投種過程進(jìn)行拍攝，采用2 mm×2 mm的黑色網(wǎng)格板對油莎豆下落過程中的位移進(jìn)行標(biāo)定。油莎豆下落過程為空間拋物線軌跡，為全面分析投種一致性，分別從正面和側(cè)面 2 個(gè)方向進(jìn)行拍攝，正面拍攝結(jié)果如圖20所示，通過慢放高速攝影錄像，每組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì) 100穴，重復(fù) 3 次。通過某時(shí)刻下目標(biāo)顆粒所處網(wǎng)格位置對其進(jìn)行定位，從而獲得目標(biāo)顆粒的準(zhǔn)確坐標(biāo)。高速攝影畫面?zhèn)鬏斔俣葹? 000 f/s，每間隔10幀提取一次目標(biāo)顆粒的位置坐標(biāo)，將該位移與10幀間隔時(shí)間(0.01 s)相比獲得的平均速度作為該目標(biāo)顆粒的瞬時(shí)速度[28]。

圖20 油莎豆種子下落過程圖Fig.20 Diagram of falling process of Cyperus esculentus seeds

為準(zhǔn)確記錄投種的水平位移，建立如圖21所示的坐標(biāo)系，在主視圖中，以油莎豆達(dá)到排種器殼體最低端時(shí)的位置作為原點(diǎn)，過原點(diǎn)豎直向下為Y軸正方向，排種器殼體最低端的水平直線記做X軸，并將黑色網(wǎng)格板中的水平線和豎直線與X、Y軸重合。在側(cè)視圖中，排種器殼體最低端的水平直線記做Z軸，Z軸與X、Y軸相互垂直。提取仿真到達(dá)網(wǎng)格板時(shí)3粒油莎豆種子的速度，豎直位移和水平位移，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較[29]，如圖 22所示，圖中同組3組數(shù)據(jù)從左到右分別為：左邊種子、中間種子和右邊種子。

圖21 標(biāo)定坐標(biāo)系Fig.21 Calibration coordinate system

圖22 仿真與實(shí)際對比Fig.22 Simulation and actual comparison chart

由圖22可知，實(shí)際油莎豆種子投種速度始終低于仿真時(shí)的速度，原因在于仿真時(shí)對油莎豆與強(qiáng)制排種裝置的碰撞進(jìn)行簡化，實(shí)際碰撞時(shí)油莎豆損失較多能量，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)速度降低。油莎豆仿真豎直方向平均位移差為4.98 mm，仿真水平方向平均位移差為2.73 mm，實(shí)際豎直方向平均位移差為3.39 mm，水平方向平均位移差為3.04 mm，仿真平均速度差為0.044 m/s，實(shí)際平均速度差為0.036 m/s。油莎豆投種時(shí)同穴3粒種子豎直方向位移、水平方向位移和速度差值與模擬結(jié)果基本一致且3粒種子速度和位移幾乎相同。通過分析油莎豆投種時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及豎直方向速度變化規(guī)律，驗(yàn)證了投種一致性，證明了強(qiáng)制投種裝置的可靠性。

4.3 單排孔排種試驗(yàn)

組合孔內(nèi)充式排種器通過3排型孔將種子分離投種，每排型孔性能將直接影響后續(xù)集穴性能。因此，有必要對每排型孔性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)將內(nèi)充式集穴排種器安裝至中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的排種器性能檢測儀上，如圖23所示。

圖23 排種器性能檢測儀Fig.23 Performance tester for seed-metering device1.內(nèi)充式油莎豆排種器 2.臺(tái)架 3.排種器性能檢測裝置 4.導(dǎo)種管 5.左邊單排孔試驗(yàn) 6.右邊單排孔試驗(yàn) 7.中間單排孔試驗(yàn)

因?yàn)樗O(shè)計(jì)排種輪為3排并聯(lián)型孔，因此每排型孔落種部位用軟管連接至檢測導(dǎo)種管，共進(jìn)行3組試驗(yàn)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。設(shè)置仿真優(yōu)化后的最佳參數(shù)回流板上端傾角為32°，設(shè)置排種輪轉(zhuǎn)速為20 r/min進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值，每次試驗(yàn)選取100穴。

經(jīng)試驗(yàn)，排種輪3排型孔排種合格率差別不大，分別為90.0%、93.0%、92.4%，3排型孔指標(biāo)差異不顯著，說明排種輪每排孔都可以對種子起到較好的單粒分離投送效果。

4.4 雙因素試驗(yàn)

將排種器安裝在 STB-700型播種試驗(yàn)臺(tái)上，如圖24所示，設(shè)定穴距為 150 mm，根據(jù)排種輪轉(zhuǎn)速與種帶速度轉(zhuǎn)換公式

(41)

式中n——排種輪轉(zhuǎn)速，r/min

l——油莎豆穴距，mm

Vm——種帶速度，km/h

得到排種輪轉(zhuǎn)速與種帶速度的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

圖25 不同工況下排種器性能變化趨勢Fig.25 Variation trend of seed meter performance under different working conditions

圖24 排種試驗(yàn)臺(tái)Fig.24 Seed test bench1.驅(qū)動(dòng)電機(jī) 2.內(nèi)充式排種器 3.種床帶

表2 排種輪轉(zhuǎn)速與種帶速度的對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Corresponding relationship between speed of seed disc and speed of seed belt

試驗(yàn)因素為排種輪轉(zhuǎn)速和復(fù)式型孔內(nèi)孔長度，進(jìn)行三水平析因試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)每個(gè)條件下重復(fù)3次取平均值，每次試驗(yàn)取100穴，統(tǒng)計(jì)漏播、重播、合格穴數(shù)。相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算公式為[30]

(42)

式中Ls——漏播指數(shù)，%

Ms——重播指數(shù)，%

Qs——合格指數(shù)，%

n1——少于3粒型孔數(shù)

n2——多于3粒型孔數(shù)

n3——3粒型孔數(shù)

N1——記錄總型孔數(shù)

復(fù)式型孔內(nèi)孔長度設(shè)定為6.0～9.5 mm，每隔 0.5 mm設(shè)置一個(gè)水平，試驗(yàn)時(shí)每個(gè)條件下重復(fù) 3 次取平均值。為定量分析回流板不同位置對排種輪排種性能的影響，統(tǒng)計(jì)各組工況下安裝不同型孔排種輪排種器的排種性能指標(biāo)。

利用Origin 2021繪制各評價(jià)指標(biāo)隨排種輪轉(zhuǎn)速和復(fù)式型孔內(nèi)孔長度的等高線圖[31]，如圖25所示。

由圖25可知，當(dāng)復(fù)式型孔固定時(shí)，隨排種輪轉(zhuǎn)速增大，排種器合格率逐漸降低，漏播率逐漸增大，重播率逐漸減小，這是因?yàn)榕欧N輪轉(zhuǎn)速提高，復(fù)式型孔內(nèi)的種子未完全進(jìn)入型孔中，易發(fā)生滑落，造成漏播指數(shù)增加，合格指數(shù)降低。當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速固定時(shí)，隨復(fù)式型孔內(nèi)孔長度增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)復(fù)式型孔內(nèi)孔長度過小時(shí)油莎豆種子難以完全充入內(nèi)孔中，在清種階段其滑落，造成漏播率增加，但內(nèi)孔長度過長時(shí)，易發(fā)生多粒種子充入內(nèi)孔，造成重播率增加，進(jìn)而導(dǎo)致合格指數(shù)下降。內(nèi)充式集穴排種性能指標(biāo)最優(yōu)條件為：復(fù)式型孔內(nèi)孔長度8 mm、轉(zhuǎn)速為20 r/min，此時(shí)排種器合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)分別為 96.4%、1.5%和2.1%。

4.5 集穴試驗(yàn)

為進(jìn)一步考察內(nèi)充式油莎豆排種器集穴性能，對不同轉(zhuǎn)速下3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性分析。選擇內(nèi)充式油莎豆精量排種器復(fù)式型孔內(nèi)孔長度為8 mm，排種輪轉(zhuǎn)速為 10～50 r/min。試驗(yàn)時(shí)每個(gè)條件下重復(fù) 3 次取平均值，每次試驗(yàn)選取100穴，試驗(yàn)選取成穴直徑平均值為試驗(yàn)指標(biāo)，評價(jià)排種器工作性能，試驗(yàn)結(jié)果如圖26所示。

圖26 不同轉(zhuǎn)速下種子最大分散間距Fig.26 Maximum seed dispersion spacing at different speeds

在排種器作業(yè)速度10、20 r/min條件下，種子成穴后最大分散間距(已成穴直徑平均值)處于較低水平，集穴效果最佳，3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)差異不顯著；當(dāng)轉(zhuǎn)速為30 r/min 時(shí)，種子成穴后最大分散間距波動(dòng)范圍較大，第3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)和其他2組試驗(yàn)差異顯著，說明轉(zhuǎn)速的提高影響了種子集穴效果；當(dāng)轉(zhuǎn)速為40、50 r/min時(shí)，種子成穴后最大分散間距每組試驗(yàn)數(shù)值互相差異顯著，說明種子集穴效果波動(dòng)較大，種子落地后會(huì)隨機(jī)彈跳、滾動(dòng)，但從整體來看，種子分散間距滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)針對油莎豆種子表面不規(guī)則，種群流動(dòng)性差，內(nèi)充式排種器易壓實(shí)產(chǎn)生重播現(xiàn)象，排種集穴效果差，影響排種性能問題，設(shè)計(jì)了一種組合孔內(nèi)充式油莎豆排種器。基于最速降線原理設(shè)計(jì)了回流板曲面，并計(jì)算回流板上端傾角范圍、安裝位置及種子在回流板上運(yùn)動(dòng)情況。通過分析種子與強(qiáng)制排種裝置碰撞過程，對強(qiáng)制排種裝置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算。

(2)利用EDEM仿真分析了種群回流運(yùn)動(dòng)過程和強(qiáng)制排種過程，證明了強(qiáng)制排種裝置可提高排種器的集穴效果，實(shí)現(xiàn)投種一致性。探明了回流板種群運(yùn)動(dòng)機(jī)理，并且仿真比較3種回流板位置的回流效果。上端傾角為32°的回流板的回流效果較好，表明回流板可以增強(qiáng)種群流動(dòng)性，避免種群堆積。

(3)研究了投種一致性高速攝影試驗(yàn)、排種輪單排孔排種試驗(yàn)、雙因素試驗(yàn)和集穴試驗(yàn)，通過高速攝影分析了油莎豆種子位移及速度變化規(guī)律，其結(jié)果與數(shù)值模擬基本一致，從排種輪單排孔排種試驗(yàn)得出3排型孔排種合格率差別不大，3排型孔指標(biāo)差異不顯著。通過雙因素試驗(yàn)，確定了當(dāng)復(fù)式型孔內(nèi)孔長度為8 mm、轉(zhuǎn)速為20 r/min條件下，排種器合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)可達(dá)96.4%、1.5%和2.1%。在較優(yōu)內(nèi)窩孔長度和回流板條件下進(jìn)行集穴試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明在轉(zhuǎn)速為10、20 r/min時(shí)集穴效果最佳。