玉米高速精量播種機(jī)正壓氣流輔助吹送導(dǎo)種裝置研究

劉 瑞 劉云強(qiáng) 劉忠軍 劉立晶

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 北京 100083; 2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司, 北京 100083;3.農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

0 引言

精量播種作為玉米主流種植方式,是一項(xiàng)增產(chǎn)效果顯著的工程技術(shù),主要由精量排種技術(shù)和種子有序可控導(dǎo)種技術(shù)組成[1-3]。排種器從種箱中捕獲單粒種子,并將種子組合成均勻有序種子流投入導(dǎo)種裝置;導(dǎo)種裝置承接種子流,使其繼續(xù)以有序單?；臓顟B(tài)進(jìn)入種溝。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)各類型的排種器進(jìn)行了深入研究,能夠滿足在作業(yè)速度8～16 km/h下的精量排種要求[4-10]。然而,隨著作業(yè)速度的提高,種子因與導(dǎo)種裝置碰撞而產(chǎn)生的無序運(yùn)動(dòng)加劇,導(dǎo)致粒距變異系數(shù)增大,無法滿足精量播種的要求。

為了解決種子因碰撞而導(dǎo)致播種精度差的問題,瑞典Vaderstad公司設(shè)計(jì)一種由直線段和曲線段組成的圓形導(dǎo)種管,利用正壓氣流裹挾種子,實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)投種[11]。美國Precision Planting公司生產(chǎn)的Speed Tube輸送帶式導(dǎo)種裝置,一對(duì)撥指將排種器排出的種子拋送到輸送帶的隔斷上,種子隨傳送帶運(yùn)動(dòng)到投種口并投送至種溝,輸送帶與播種機(jī)的前進(jìn)速度匹配,可保證不同作業(yè)速度下粒距的均勻性[12]。國內(nèi)研究者針對(duì)上述問題,也開展了導(dǎo)種裝置的研究,劉立晶等[13]以約翰迪爾公司開發(fā)的導(dǎo)種管為對(duì)象,利用逆向工程設(shè)計(jì)軟件Geomagic Design實(shí)現(xiàn)國外成熟導(dǎo)種管的國產(chǎn)化,在作業(yè)速度為6.6 km/h時(shí),粒距合格指數(shù)為95%。嚴(yán)榮俊[14]以“零速投種”理論為基礎(chǔ),建立導(dǎo)種管曲線的數(shù)學(xué)模型,并利用VC++編程對(duì)曲線的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為14 r/min時(shí),種子基本不發(fā)生碰撞和彈跳。趙淑紅等[15]設(shè)計(jì)了一種V型凹槽與柔性撥種輪配合工作的導(dǎo)種部件,當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度、排種器轉(zhuǎn)速分別為7.69 km/h、29.47 r/min時(shí),導(dǎo)種均勻性和穩(wěn)定性均較好。劉全威等[16-17]為了解決高速作業(yè)時(shí)粒距均勻性差的問題,設(shè)計(jì)了一種撥指同步帶式投送裝置,當(dāng)作業(yè)速度超過13.1 km/h時(shí),無法滿足精量播種的要求。陳學(xué)庚等[18]針對(duì)免耕播種機(jī)投種點(diǎn)高,種子播入種溝中粒距變異系數(shù)大的問題,開發(fā)了一種傳動(dòng)與投種機(jī)構(gòu)一體的帶式導(dǎo)種裝置。上述研究均致力于解決高位投種過程中種子的平穩(wěn)運(yùn)移,但一部分欠約束導(dǎo)種裝置只適用于播種機(jī)低速作業(yè),另一部分全約束導(dǎo)種裝置不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜,而且作業(yè)速度不宜超過13 km/h,制約了高速精量播種機(jī)整體作業(yè)性能的提升。

針對(duì)玉米播種機(jī)高速、精量作業(yè)時(shí),投種點(diǎn)高,種子因劇烈碰撞而無法以有序單?；癄顟B(tài)進(jìn)入種溝的問題,基于文丘里原理,設(shè)計(jì)一種利用正壓氣流輔助吹送的導(dǎo)種裝置。利用離散元法(DEM)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)耦合仿真分析方法,分析種子的投送過程,并結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)確定最佳的導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)、作業(yè)速度與正壓的匹配關(guān)系,實(shí)現(xiàn)精量“零速投種”。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

玉米精量排種與導(dǎo)種系統(tǒng)主要由氣吸式排種器、正壓氣流輔助吹送導(dǎo)種裝置和旋渦氣泵組成,如圖1所示。

圖1 精量排種與導(dǎo)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

正壓氣流輔助吹送導(dǎo)種裝置主要由進(jìn)氣室、進(jìn)種室、混合室和導(dǎo)種室組成,如圖2所示。

圖2 導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 氣流輔助送種工作原理

為了削弱種子在導(dǎo)種裝置中的碰撞,使種子的運(yùn)動(dòng)軌跡可控,采用小口徑的導(dǎo)種裝置約束種子在水平方向上的運(yùn)動(dòng),同時(shí)為了使種子以“零速”快速有序進(jìn)入種溝,利用正壓氣流裹挾種子在導(dǎo)種裝置的豎直方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)正壓氣流經(jīng)進(jìn)氣室進(jìn)入混合室時(shí),由于管壁內(nèi)徑變小,氣體的速度迅速增加,同時(shí)氣流壓力降低。高速氣流在混合室內(nèi)的部分區(qū)域會(huì)產(chǎn)生低于大氣壓的壓力,種子經(jīng)過進(jìn)種室,在重力和負(fù)壓的雙重作用下,進(jìn)入混合室。當(dāng)氣流裹挾種子由混合室進(jìn)入導(dǎo)種室后,氣固兩相流的動(dòng)能降低,壓力升高,種子在輸送氣流作用下做加速運(yùn)動(dòng)。種子運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)種裝置曲線段后,速度方向改變,到達(dá)出口時(shí)具有水平方向的分速度,此速度與機(jī)具前進(jìn)速度方向相反、大小近似相同,使種子以“零速投種”進(jìn)入種溝。

2 導(dǎo)種裝置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

正壓氣流輔助吹送導(dǎo)種裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有進(jìn)氣室入口直徑d1、進(jìn)氣室出口直徑d2、混合室直徑d3、進(jìn)種室直徑d4、導(dǎo)種室直徑d6、進(jìn)氣室收縮段長度h、混合室長度l1、導(dǎo)種室長度l2、進(jìn)種室與混合室夾角δ、進(jìn)氣室收縮角γ1、混合室張角γ2和出射角ξ,如圖2所示。

2.1 進(jìn)種室

不同品種玉米種子的特征尺寸存在差異,為了確保導(dǎo)種裝置具有廣泛適用性,選取5種種植面積廣、尺寸差異大的玉米種子,以其尺寸作為進(jìn)種室尺寸設(shè)計(jì)依據(jù)[19-20],如表1所示。

表1 玉米種子特征尺寸

玉米種子當(dāng)量直徑計(jì)算公式為

(1)

為了降低種子進(jìn)入導(dǎo)種裝置時(shí)發(fā)生無序碰撞的頻率,進(jìn)種室直徑應(yīng)滿足

d4≥1.4d5

(2)

由式(1)、(2)可得進(jìn)種室直徑應(yīng)大于或等于14 mm,為了確保各品種玉米種子在導(dǎo)種管中不會(huì)出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象,確定d4為14 mm。

當(dāng)進(jìn)種室直徑略大于種子當(dāng)量直徑時(shí),種子在進(jìn)種室中會(huì)貼合壁面運(yùn)動(dòng),為了保證種子能夠自由滑落下移,種子運(yùn)動(dòng)時(shí)重力沿斜面的分力應(yīng)大于種子最大靜摩擦力,即進(jìn)種室傾角的正切值應(yīng)大于靜摩擦因數(shù)μ,由此可得

δ>arctanμ

(3)

本文正壓氣流輔助精量播種機(jī)導(dǎo)種裝置采用有機(jī)玻璃制作,種子與有機(jī)玻璃間的靜摩擦因數(shù)為0.459,結(jié)合式(3)可得進(jìn)種室傾角應(yīng)大于24.6°,綜合考慮導(dǎo)種裝置的結(jié)構(gòu)布置,確定δ為45°。

2.2 進(jìn)氣室與混合室

由氣流輔助送種工作原理可知,進(jìn)氣室入口直徑、進(jìn)氣室出口直徑和收縮角直接影響玉米種子能否順利輸送,入口直徑計(jì)算公式為[21]

(4)

N——?dú)怏w常數(shù),kJ/(kmol·K)

Tj——入口處氣體絕對(duì)溫度,K

pj——進(jìn)氣室入口處壓力,Pa

vj——進(jìn)氣室入口氣流速度,m/s

由式(4)可知,進(jìn)氣室入口直徑由氣體速度、壓力、溫度和質(zhì)量流量共同決定,本文設(shè)計(jì)導(dǎo)種裝置的作業(yè)速度為8～16 km/h,為了滿足不同作業(yè)速度下“零速投種”的需求,需要提供不同的氣流速度,當(dāng)進(jìn)氣室的入口直徑一定時(shí),通過風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)氣體壓力即可改變氣體的流量,所以進(jìn)氣室入口直徑依據(jù)風(fēng)機(jī)出口直徑確定,取d1為20 mm。

種子在壓差和重力的作用下進(jìn)入混合室,為了保證種子在混合室中能夠順利運(yùn)動(dòng),應(yīng)保證d3>10 mm,由于混合室同時(shí)與進(jìn)種室相連,考慮到管道變徑會(huì)產(chǎn)生壓力損失,取d3為14 mm。根據(jù)結(jié)構(gòu)布置可知混合室的直徑與進(jìn)氣室的出口相同,故確定d2為14 mm。

如圖3所示,氣體在文丘里管內(nèi)流動(dòng)時(shí),進(jìn)氣室入口直徑d1、出口直徑d2、進(jìn)氣室收縮段長度h、進(jìn)氣室收縮角γ1的幾何關(guān)系為

圖3 理想流體在文丘里管流動(dòng)示意圖

(5)

由于進(jìn)氣室為變徑,氣體與管壁摩擦?xí)a(chǎn)生壓力損失,為了保證種子運(yùn)動(dòng)具有最大的動(dòng)能,需要使壓損最小,理想流體在文丘里管內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生壓降Δp的公式為[22]

(6)

其中

式中k——節(jié)流比

ρ——空氣密度,取1.293 kg/m3

A1、A2——進(jìn)氣室進(jìn)口、出口截面積,mm2

聯(lián)立式(5)、(6)可得

(7)

(8)

由式(8)可知,當(dāng)h∈(0,d1tanγ1/2)時(shí),Δp′恒大于零,即進(jìn)氣室的壓損隨著進(jìn)氣室收縮段長度的增加而遞增,當(dāng)h趨近于d1tanγ1的一半,即d2趨近于零時(shí),進(jìn)氣室的壓損最大。

由式(6)可得

(9)

為了得到較高料氣比,保證輸送效率,混合室長度計(jì)算公式為[23]

6d3≤l1≤10d3

(10)

由式(10)可得混合室的長度取值范圍為84～140 mm,由于存在管道摩擦力,壓損增加,為了有利于種子穩(wěn)定向下輸送,確定l1為84 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[22],混合室擴(kuò)散角為2°～10°時(shí),氣固兩相流的靜壓損失小,結(jié)合導(dǎo)種裝置的工作條件,確定γ2為10°。

2.3 導(dǎo)種室

當(dāng)株距為20～25 cm,播種機(jī)的前進(jìn)速度為8～16 km/h,導(dǎo)種室內(nèi)單位時(shí)間輸送的種子質(zhì)量為2.7～6.7 g/s,導(dǎo)種室直徑計(jì)算公式為[24]

(11)

vD——導(dǎo)種室內(nèi)氣流速度,m/s

e——導(dǎo)種室內(nèi)種子與氣流的質(zhì)量比

氣流裹挾種子在導(dǎo)種室內(nèi)的氣固兩相流為稀相流,e的取值范圍為0.1～1,本文取0.4[25],導(dǎo)種室內(nèi)氣流速度為10～25 m/s,由式(11)可得導(dǎo)種室直徑應(yīng)大于25.6 mm,為了便于加工,確定d6為26 mm。

氣流在導(dǎo)種室中流動(dòng)時(shí)會(huì)受到阻力,依據(jù)達(dá)西-魏斯巴赫公式可得氣流受到的沿程阻力為

(12)

式中λ——沿程阻力系數(shù)

l2——導(dǎo)種室長度,mm

由式(12)可知,氣流在導(dǎo)種室中受到的阻力與導(dǎo)種室長度、氣流在導(dǎo)種室的平均速度成正比,與導(dǎo)種室的直徑成反比。當(dāng)d6、vD為已知值時(shí),l2取適宜值時(shí),有利于減小氣流受到的阻力,保證氣流以理想的速度裹挾種子完成“零速投種”。為了滿足高位投種需求[11],現(xiàn)有導(dǎo)種管長度一般設(shè)計(jì)為450 mm,綜合考慮設(shè)計(jì)導(dǎo)種裝置各部分長度,取l2為200 mm。

2.4 導(dǎo)種裝置曲線

常溫下空氣屬于黏性流體,空氣經(jīng)過彎管時(shí),流體流動(dòng)速度的大小和方向發(fā)生改變,流體在邊界層脫離管壁時(shí),在壓差作用力和粘性阻力的作用下,形成渦流,造成大量的能量耗散。李衍軍等[26]為了解決氣送式排種系統(tǒng)分配器產(chǎn)生渦流、紊流的問題,設(shè)計(jì)了仿鯽魚曲線型分配器,提高了種子分布均勻性。為了減少氣體在導(dǎo)種裝置彎管處的能量和壓力損失,本文基于仿生學(xué)設(shè)計(jì)導(dǎo)種裝置曲線。

經(jīng)過自然進(jìn)化,鸮目鳥能夠做到高效飛行,動(dòng)作敏捷,低速飛行時(shí),消耗的能量遠(yuǎn)小于其他鳥類[27-28]。領(lǐng)角鸮10%半翼展截面處氣體的流動(dòng)阻力較小,故本文選取10%半翼展上表面曲線為仿生原型,設(shè)計(jì)導(dǎo)種裝置曲線,曲線擬合方程為[29]

y=-1.09×10-6x4+3.24×10-4x3-0.04x2+

1.76x+1.26

(13)

2.5 零速投種分析

玉米播種機(jī)高速作業(yè)時(shí),為了保證粒距的均勻性,需要保證種子從導(dǎo)種裝置末端出射時(shí),水平方向速度與機(jī)具前進(jìn)速度兩者之和為零。如圖4所示,以水平方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閥軸,建立直角坐標(biāo)系,因?yàn)榉N子隨排種盤做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí),相對(duì)排種盤的速度為零,所以種子在投種口脫離排種盤的瞬間速度為

圖4 種子脫離排種盤運(yùn)動(dòng)分析

(14)

式中n——排種盤轉(zhuǎn)速,r/min

vB——播種機(jī)前進(jìn)速度,km/h

L——理論粒距,cm

Z——排種盤吸種孔個(gè)數(shù)

ω——排種盤角速度,rad/s

r——吸種孔中心所在圓半徑,m

vk——種子脫離排種盤的瞬間速度,m/s

根據(jù)式(14)可知,種子會(huì)以一定的初速度進(jìn)入導(dǎo)種裝置的進(jìn)種室,與進(jìn)種室壁面發(fā)生碰撞,產(chǎn)生彈跳。播種機(jī)的作業(yè)速度越大,碰撞越劇烈,不利于種子以有序的單粒狀態(tài)進(jìn)入導(dǎo)種裝置,進(jìn)而影響種子的有序輸送。鑒于PPAm-SA(聚丙烯酰胺-海藻酸鈉)雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠具有粘彈性,受外力時(shí),DN水凝膠會(huì)通過裂紋尖端的第一剛性網(wǎng)絡(luò)的斷裂和第二柔性網(wǎng)絡(luò)的高效能量傳輸,實(shí)現(xiàn)了能量的耗散。當(dāng)外力消失后,水凝膠具有一定的形狀恢復(fù)性。所以在進(jìn)種室的內(nèi)壁鋪設(shè)一層水凝膠,當(dāng)種子撞擊到壁面時(shí),速度減小,進(jìn)而避免了種子的彈跳。

如圖5所示,對(duì)種子的出射運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析,根據(jù)動(dòng)量定理可得

圖5 種子出射運(yùn)動(dòng)受力分析

(15)

其中

(16)

式中FP——?dú)饬鲗?duì)種子的曳力,N

m——種子質(zhì)量,kg

Ff——種子在導(dǎo)種裝置末端受的摩擦力,N

t——正壓氣流對(duì)種子作用時(shí)間,s

t1——種子與導(dǎo)種裝置末端接觸時(shí)間,s

ψ——曳力系數(shù)

[34] Andrew Browne, “China’s World: China Is Capitalizing on the West’s Retreat,” The Wall Street Journal, July 6, 2016.

S——種子迎風(fēng)受力面積,m2

μ——摩擦因數(shù)

v0——種子初速度,m/s

v——種子出射速度,m/s

聯(lián)立式(14)、(15)可求得種子在導(dǎo)種裝置末端的出射速度為

(17)

種子水平方向的出射速度為

v0cosξ

(18)

vB-vx=0

(19)

由式(18)可知,種子水平方向的速度值與出射角ξ值相關(guān),結(jié)合文獻(xiàn)[13]中導(dǎo)種部件末端傾角,綜合考慮導(dǎo)種裝置的結(jié)構(gòu)布置,本文取ξ為30°。本文設(shè)計(jì)與播種機(jī)配套作業(yè)的導(dǎo)種裝置作業(yè)速度為8～16 km/h,結(jié)合式(18)、(19)可知,為了適應(yīng)不同作業(yè)速度下“零速投種”的需求,需要匹配不同的風(fēng)速。

3 仿真試驗(yàn)

DEM-CFD耦合仿真試驗(yàn)?zāi)軌蚯逦佻F(xiàn)顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡、氣流場(chǎng)速度、壓力分布等工況,其仿真結(jié)果可作為農(nóng)業(yè)機(jī)械部件設(shè)計(jì)的依據(jù)[23,26]。設(shè)置5組不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)(表2),利用DEM-CFD耦合仿真分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下導(dǎo)種裝置內(nèi)的流場(chǎng)和顆粒場(chǎng), 從而獲取最佳的導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)。

表2 仿真試驗(yàn)方案

3.1 仿真模型與邊界條件

本研究先利用SCDM-CFD建立氣吸式排種器的流體域模型,然后利用ICEM-CFD對(duì)流體域劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。進(jìn)氣室的入口設(shè)置為氣流速度入口,速度為15 m/s,導(dǎo)種裝置的末端出口設(shè)置為壓力出口。種子由設(shè)置在進(jìn)種室上端的顆粒工廠生成,供種速度為2.7 g/s。耦合仿真試驗(yàn)中,兩個(gè)軟件時(shí)間步長設(shè)置必須滿足Fluent中時(shí)間步長是EDEM中時(shí)間步長的整數(shù)倍,兩個(gè)軟件才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞、反饋。EDEM中的時(shí)間步長設(shè)置為2×10-6,Fluent中的時(shí)間步長設(shè)置為1×10-4,總的仿真時(shí)間為2 s。

3.2 仿真參數(shù)

導(dǎo)種裝置的加工材料為有機(jī)玻璃,玉米種子、有機(jī)玻璃物理特性參數(shù)和相關(guān)力學(xué)特性參數(shù)如表3所示[30-31]。

表3 仿真參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)對(duì)氣流場(chǎng)的影響

由圖6可知,A、B、C、D組試驗(yàn)中,氣流經(jīng)進(jìn)氣室后,負(fù)壓都是均勻分布于進(jìn)種室、進(jìn)種室與混合室相連通部分,E組試驗(yàn)中負(fù)壓未均勻分布于上述區(qū)域,且負(fù)壓最小,不利于種子快速進(jìn)入混合室。當(dāng)種子順利進(jìn)入混合室后,各組試驗(yàn)中混合室下部的負(fù)壓大于混合室中部的負(fù)壓時(shí),在壓差的作用下,種子加速運(yùn)動(dòng)。A、B、D組試驗(yàn)中,混合室下部與導(dǎo)種室上部的壓差均較大,阻礙種子進(jìn)一步加速向下運(yùn)動(dòng), A、C兩組試驗(yàn)中導(dǎo)種室的壓力基本相同,壓力均大于B、D、E組試驗(yàn)。由上述分析可知,C組試驗(yàn)中導(dǎo)種裝置的氣體壓力分布較優(yōu)。

圖6 導(dǎo)種裝置內(nèi)氣壓分布圖

由圖7可知,5組試驗(yàn)中混合室內(nèi)氣體流速變化規(guī)律基本相同。導(dǎo)種室的氣流作為穩(wěn)定為種子加速的動(dòng)力源,其速度的大小直接決定種子的出射速度,進(jìn)而決定種子能否實(shí)現(xiàn)“零速投種”,C組試驗(yàn)與B組試驗(yàn)中導(dǎo)種室內(nèi)氣流速度近似相同,且均大于A、D、E組試驗(yàn)中導(dǎo)種室內(nèi)的氣流速度,有利于種子獲得最大的出射速度。

圖7 導(dǎo)種裝置內(nèi)氣流速度分布圖

3.3.2進(jìn)氣室結(jié)構(gòu)對(duì)種子運(yùn)動(dòng)速度的影響

由圖8可知,5組試驗(yàn)中初始階段種子的平均速度變化規(guī)律相同,均呈線性增加。在減速運(yùn)動(dòng)階段,A、B、D組試驗(yàn)中種子保持低速的時(shí)間段大于C、E組,不利于種子速度值的累積。C組試驗(yàn)中種子的出射速度最大,亦佐證了對(duì)氣流場(chǎng)的分析結(jié)果。綜合上述分析,確定進(jìn)氣室的收縮角γ1為70°、進(jìn)氣室收縮段長度h為8.2 mm。

圖8 不同結(jié)構(gòu)中種子平均運(yùn)動(dòng)速度曲線

3.3.3種子運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為了進(jìn)一步探究導(dǎo)種裝置輸送種子的能力,如圖9所示,提取 C組試驗(yàn)中不同時(shí)刻種子的運(yùn)動(dòng)軌跡,每粒種子均能保持直線運(yùn)動(dòng),種子與導(dǎo)種室壁無碰撞,有效減少了種子在導(dǎo)種裝置中的無序運(yùn)動(dòng),種子能沿著導(dǎo)種裝置末端斜線方向出射,基本實(shí)現(xiàn)種子運(yùn)動(dòng)全過程的柔性控制。

圖9 C組試驗(yàn)中不同時(shí)刻種子運(yùn)動(dòng)軌跡

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

為了驗(yàn)證利用DEM-CFD耦合方法設(shè)計(jì)導(dǎo)種裝置的合理性,并探究導(dǎo)種裝置輸送種子性能。采用3D打印技術(shù)制作導(dǎo)種裝置,試驗(yàn)材料選用鄭單958玉米種子,其含水率為13%,千粒質(zhì)量375 g,在中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司的2PST型排種器性能測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)設(shè)備主要包括氣吸式排種器、導(dǎo)種裝置、高速攝像機(jī)(瑞士AOS Technologies AG公司,試驗(yàn)時(shí)幀速為500 f/s,圖像后處理軟件為TEMA Classic),如圖10所示。試驗(yàn)時(shí),種床帶模擬播種機(jī)工作狀態(tài),向前運(yùn)動(dòng),種床帶運(yùn)動(dòng)的同時(shí),噴油泵將粘性油噴射到種床帶上,種子從導(dǎo)種末端射出后落到種床帶。

圖10 臺(tái)架試驗(yàn)裝置

根據(jù)JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中的要求,以粒距合格指數(shù)η和合格粒距變異系數(shù)C為試驗(yàn)指標(biāo)。

4.2 速度匹配試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)種裝置依靠正壓風(fēng)吹送種子,不同的作業(yè)速度需要匹配不同的風(fēng)速,才能實(shí)現(xiàn)“零速投種”,進(jìn)而保證粒距均勻性。以滿足機(jī)具前進(jìn)速度為8～16 km/h時(shí),實(shí)現(xiàn)“零速投種”為目的,進(jìn)行風(fēng)速匹配試驗(yàn)。每組試驗(yàn)選取20粒種子計(jì)算其平均射出速度,每組試驗(yàn)重復(fù)5次。每次試驗(yàn)利用高速攝像機(jī)記錄種子的射出運(yùn)動(dòng)過程,將視頻保存為.raw4格式,并導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)分析軟件TEMA Classic。第1步選擇標(biāo)記跟蹤點(diǎn)并對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行算法選擇和參數(shù)設(shè)置(圖11a),第2步選取種子運(yùn)動(dòng)區(qū)段進(jìn)行跟蹤點(diǎn)的識(shí)別和判讀(圖11b),第3步對(duì)種子運(yùn)動(dòng)區(qū)段進(jìn)行二維標(biāo)定(圖11c),第4步顯示跟蹤數(shù)據(jù),獲取圖像序列中標(biāo)記玉米種子的二維像素坐標(biāo),然后利用TEAM Classic軟件計(jì)算出種子的出射速度(圖11d)。當(dāng)種子的水平出射速度與作業(yè)速度近似相等,理論上種子能夠?qū)崿F(xiàn)“零速投種”,即認(rèn)為此時(shí)的風(fēng)速與作業(yè)速度匹配,試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 速度匹配試驗(yàn)結(jié)果

圖11 TEAM Classic 分析步驟

4.3 彈跳試驗(yàn)

根據(jù)速度匹配試驗(yàn)可知,種子的射出速度與作業(yè)速度同步增加,才能實(shí)現(xiàn)“零速投種”。需要特別注意此時(shí)種子豎直方向的分速度同步增加,當(dāng)種子進(jìn)入種溝時(shí)會(huì)引起彈跳,而臺(tái)架試驗(yàn)中種子落到附有粘性油的傳送帶上,無法觀測(cè)彈跳對(duì)粒距均勻性的影響。如圖12a所示,在傳送帶上鋪設(shè)厚度為5 cm、長度為100 cm、含水率為14.7%的砂壤土;傳送帶處于靜止?fàn)顟B(tài),在風(fēng)速Q(mào)為5～30 m/s,投種高度H1為50～200 mm的工作參數(shù)下,開展種子的彈跳試驗(yàn)。如圖12b所示,利用高速攝像機(jī)記錄種子與土壤接觸后的運(yùn)動(dòng)過程,將種子第一次彈跳到達(dá)最高點(diǎn)的位置作為標(biāo)定高度H2。每個(gè)試驗(yàn)水平選取20粒種子計(jì)算平均高度,試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖12 種子彈跳高度標(biāo)定

圖13 彈跳試驗(yàn)結(jié)果

由圖13a可知,當(dāng)投種高度H1為一定值時(shí),彈跳高度隨著氣流速度的增加而增加,氣流速度較低時(shí),彈跳高度較小;氣流速度較大時(shí),對(duì)種子的彈跳高度影響較大。

由圖13b可知,當(dāng)氣流速度為30 m/s時(shí),隨投種高度的增加,彈跳高度先減小,后小幅增加。結(jié)合導(dǎo)種裝置作業(yè)速度在8～16 km/h區(qū)間內(nèi),所需風(fēng)速最大為30 m/s,確定最適宜的投種高度為150 mm。

4.4 性能驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證導(dǎo)種裝置的作業(yè)性能,在粒距分別為20、25 cm,投種高度為150 mm的條件下,設(shè)置作業(yè)速度為8～16 km/h,研究導(dǎo)種裝置的作業(yè)性能,試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 導(dǎo)種裝置輸種性能試驗(yàn)結(jié)果

同時(shí)選取目前普遍使用的重力式導(dǎo)種管進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),當(dāng)粒距為20 cm時(shí),試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知,作業(yè)速度為8～16 km/h、粒距為20 cm時(shí),合格指數(shù)不小于85.7%;粒距變異系數(shù)不大于15.8%;粒距為25 cm時(shí),合格指數(shù)不小于87.5%,粒距變異系數(shù)不大于13.9%。

由圖14可知,作業(yè)速度為8～16 km/h時(shí),正壓氣流輔助導(dǎo)種裝置的合格率均大于重力式導(dǎo)種管,粒距變異系數(shù)均小于重力式導(dǎo)種管。作業(yè)速度越高,正壓氣流輔助導(dǎo)種裝置的優(yōu)良作業(yè)性能越突出,其中作業(yè)速度為16 km/h時(shí),與重力式導(dǎo)種管相比,合格指數(shù)增加13.6個(gè)百分點(diǎn),粒距變異系數(shù)減少7.4個(gè)百分點(diǎn)。

4.5 田間試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證正壓氣流輔助導(dǎo)種裝置工作性能,2022年在中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司北京農(nóng)機(jī)試驗(yàn)站進(jìn)行田間試驗(yàn),試驗(yàn)配套動(dòng)力為約翰迪爾1654型拖拉機(jī),試驗(yàn)裝置為6行氣吸式播種機(jī),排種器的風(fēng)機(jī)由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng),導(dǎo)種裝置的微型鼓風(fēng)機(jī)由24 V電池驅(qū)動(dòng),試驗(yàn)地土壤類型為沙壤土。田間試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖15所示。

圖15 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)設(shè)定理論粒距為20 cm,試驗(yàn)區(qū)長度設(shè)置為100 m,取中間20 m作為數(shù)據(jù)采集區(qū)。試驗(yàn)為單因素試驗(yàn),每個(gè)速度水平重復(fù)3次,取平均值,試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 田間試驗(yàn)結(jié)果

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果可知,正壓氣流輔助導(dǎo)種裝置可以滿足高速條件下精量輸種的要求,各速度水平下,粒距合格指數(shù)穩(wěn)定在81.1%以上,粒距變異系數(shù)穩(wěn)定在17.8%以下,有益于高速精量播種機(jī)整體作業(yè)性能的提升。

5 結(jié)論

(1)基于文丘里原理,設(shè)計(jì)了一種正壓氣流輔助導(dǎo)種裝置,確定導(dǎo)種裝置的進(jìn)種室、混合室、導(dǎo)種室的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和導(dǎo)種裝置曲線。

(2)采用DEM-CFD耦合仿真方法模擬導(dǎo)種裝置的工作過程,通過對(duì)比分析氣流場(chǎng)、種子的出射速度,確定進(jìn)氣室的收縮角為70°、進(jìn)氣室收縮段長度為8.2 mm。通過分析種子的運(yùn)動(dòng)軌跡,發(fā)現(xiàn)種子在導(dǎo)種裝置內(nèi)基本能保持直線運(yùn)動(dòng),有效減少了種子在導(dǎo)種裝置中的無序運(yùn)動(dòng)。

(3)以實(shí)現(xiàn)“零速投種”為目標(biāo),通過速度匹配試驗(yàn)確定作業(yè)速度與風(fēng)速的匹配關(guān)系。進(jìn)行彈跳試驗(yàn)、作業(yè)性能試驗(yàn)和對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明:作業(yè)速度為8～16 km/h、粒距為20 cm時(shí),合格指數(shù)不小于85.7%;粒距變異系數(shù)不大于15.8%;粒距為25 cm時(shí),合格指數(shù)不小于87.5%,粒距變異系數(shù)不大于13.9%。作業(yè)速度為16 km/h時(shí),與重力式導(dǎo)種管相比,合格指數(shù)增加13.6個(gè)百分點(diǎn),粒距變異系數(shù)減少7.4個(gè)百分點(diǎn)。田間試驗(yàn)表明播種機(jī)作業(yè)速度為15.48 km/h時(shí),粒距合格指數(shù)為81.1%,粒距變異系數(shù)為17.8%。