氣力離心組合式小麥精量排種器設計與試驗

侯加林 馬端旭, 李 慧 張智龍 周紀磊 史 嵩

(1.山東農業大學機械與電子工程學院, 泰安 271018; 2.山東省農業機械科學研究院, 濟南 250100)

0 引言

小麥立體勻播技術株距均勻、種子分布合理,可以均衡占有農田土地資源和自然光熱資源,能充分發揮小麥單株分蘗能力,是目前小麥節種、高產機械化種植的方向。由于小麥立體勻播要求種子流定量、均勻、有序,因此對播種機核心部件排種器提出了更高的要求[1-2]。

目前小麥排種器主要有機械式和氣力式兩種。機械式排種器(以槽輪式為主)結構簡單,加工成本低,但多數采用條播的形式,播種均勻性差。曹成茂等[3]通過在排種盤上均勻分布多個種槽實現多行同時作業;王英博等[4-5]設計一種射播排種器,通過高速旋轉的葉片對送種輪排出的種子進行加速,使種子以較高的速度射入田間;何麗楠等[6]設計一種螺旋槽式排種器改善外槽輪排種器播種不均勻的問題。氣力式排種裝置主要以中央氣送集排式為主,種群在氣流作用下先輸送到集中分配器腔室內,然后再分配到到各個末端排種口,能夠實現寬幅、定量作業,作業效率高。國外學者[7-10]通過分析種子運動軌跡完善分配器結構,提高分配性能。張曉輝等[11]對集中定量排種分配系統進行理論研究和仿真分析,提高分配均勻性;雷小龍等[12-13]設計一種傾斜錐孔輪式供種裝置,并通過耦合仿真模擬分析,優化集排器結構,有效提高充種和供種性能;王磊等[14-17]通過對勻種渦輪、混種部件、穹頂狀分配裝置和具有等寬多邊形槽齒輪的供種裝置等關鍵部件進行設計,提高供種穩定性和排量一致性;王寶山等[18]通過對型孔輪設計來解決充種穩定性差、易卡種的問題。以上研究均可提高小麥播種均勻性,但種子依舊呈無序種流的條播方式排出,在田間難以形成有序均勻的麥種分布,無法最大限度的發揮小麥單株分蘗能力。

基于上述問題,本文設計一種氣力離心組合式小麥精量排種器,采用氣力充種和離心清種的方式,對集中氣力輸送式排種裝置排出的種子流進行有序、均勻排列。充種時由導種槽引流種子,型孔內側面輔助種子進入,排種時由型孔下側面引導種子滑落。建立充種和排種過程中的動力學模型,研究型孔內側面充種角和下側面落種角對排種器工作性能的影響。通過理論計算和DEM-CFD數值分析,確定排種器主要結構參數,并進行臺架試驗和田間試驗對其工作性能加以驗證。

1 排種器整體結構與工作過程

1.1 排種器結構設計

氣力離心組合式小麥精量排種器結構如圖1所示,主要由電機、前殼體、隔板、排種盤、后殼體、底座等部件組成。排種器由伺服電機驅動,可根據作業需求精確控制轉速。

圖1 氣力離心組合式小麥精量排種器結構示意圖Fig.1 Schematic of structure of pneumatic centrifugal combined precision seed metering device for wheat1.充種管道 2.排種盤 3.充種區種群 4.底座 5.目標種子 6.電機 7.外殼 8.觀察窗 9.被清除的多余種子 10.重回充種區的種子 11.呈有序流排出的種子 12.隔板

1.2 排種器工作過程

如圖2所示,整個工作過程可分為4個階段:充種階段、護種階段、清種階段、排種階段。在氣力作用下,小麥種子經充種管道進入到腔室落至充種區,在型孔夾持力、擋板托持力和通孔氣流壓附力作用下完成充種。根據種子不同的運動姿態,可將充種過程分為引導充種和穩定夾持兩個階段。引導充種:排種盤經過充種區時,種子沿著導種槽弧線流向型孔;穩定夾持:目標種子脫離種群后,穩定的壓附在型孔內,跟隨排種盤運動。隔板將內部腔室劃分為回流區和排種區,在清種作業時,多余種子在離心力的作用下被清掉,順著回流區再次回到充種區,未被清除的目標種子到達排種區后排出,種子呈有序流動、均勻排列。

圖2 工作過程示意圖Fig.2 Schematic of working process1.充種區 2.回流區 3.排種區 4.隔板 5.種子初始下落位置 6.上擋板 7.通孔 8.正壓氣流 9.型孔 10.引導充種狀態 11.穩定夾持狀態 Ⅰ.充種階段 Ⅱ.護種階段 Ⅲ.清種階段 Ⅳ.排種階段

本文所設計排種器在取種時,改傳統平臥姿態為仰臥。目標種子在氣流壓附力作用下,可穩定的壓附在型孔內,避免被離心作用誤清除。充種角α會影響種子在型孔內的夾持姿態,充種角α越大,種子所受壓附力沿排種盤徑向的分力越大,在清種作業時種子受力更牢靠;但充種角α越大表明型孔內側面越陡,種子進入型孔的難度增加,充種效果會有所降低。落種角β對排種質量有較大的影響,當落種角β越小,型孔下側面較為平緩,種子經過落種區時能順利滑下;但落種角β越小表明型孔內充種空間越大,易夾持住兩粒甚至多粒種子,種間相互影響,不利于播種均勻性。因此,通過對排種器工作過程進行分析,確定符合工作性能需求的充種角α和落種角β。

2 關鍵部件參數設計

2.1 型孔內側面充種角參數設計

充種質量是保證排種器作業效果的關鍵環節[19-22]。排種盤在經過充種區時,對種子進入型孔的運動過程進行分析。

如圖3所示,假設種子落入型孔內所需時間為t,其在水平方向做勻速直線運動,在豎直方向上做自由落體運動,運動方程為

圖3 充種過程示意圖Fig.3 Diagram of seed filling process1.由導種槽引導滑落的種子 2.穩定夾持的目標種子

(1)

(2)

式中H——型孔高度,m

h——導種槽深度,m

va——種子水平初速度,m/s

g——重力加速度,m/s2

整理得

(3)

此時排種盤型孔處線速度vx為

(4)

式中r——排種盤半徑,m

rk——型孔中心到種盤邊緣的徑向距離,m

n——排種盤轉速,r/min

要想種子能夠順利的進入型孔,排種盤型孔處速度vx必須小于種子落入型孔內所需要的水平初速度va,即

vx

(5)

整理得

(6)

目標種子脫離種群后,隨排種盤做勻速圓周運動,當到達清種區時,種子在離心作用下有脫離型孔向外運動的趨勢,此時種子與型孔下側面未接觸,受型孔擋板的推力作用?？蓪⒎N子所受力分解到空間力系中,如圖4所示。在清種作業時,型孔對種子的夾持效果主要表現為種子在x方向即徑向上不能向外運動,因此對空間力系中y方向上的力不予考慮計算。

圖4 目標種子受力分析Fig.4 Analysis of forces on target seeds1.擋板 2.型孔 3.目標種子 4.導種槽

當目標種子有沿著徑向滑動的趨勢時,在xoy力系中,種子在x方向受到重力G、離心力Fr、壓附力Fp(主要為流場對種子的曳力作用)、因壓附力作用產生的支持力Fn和摩擦力f的作用,對其受力分析得

(7)

式中Fpx——壓附力在x方向的分力,N

fx——摩擦力在x方向的分力,N

Fnx——支持力在水平方向上的分力,N

γ——清種區與排種盤最高點形成的角度,(°)

A——氣流對顆粒的作用面積,m2

U——氣流速度,m/s

C——繞流物的阻力系數

ρ——流體密度,kg/m3

μ——摩擦因數

Fr——種子受到的離心力,N

m——種子質量,g

ω——排種盤角速度,rad/s

在xoz力系中,種子受到通孔氣流壓附力、型孔內側面對種子的支持力以及摩擦力的作用。此時,種子在z方向上是受力平衡的,在x方向上的力可整合到xoy力系中,對其受力分析得

(8)

由式(7)、(8)可得

(9)

為使型孔內目標種子不被清除掉,需滿足Fx>0,整理得

(10)

由式(6)、(10)可得:當型孔高度H、導種槽深度h、排種盤半徑r、型孔中心到種盤邊緣的徑向距離rk、摩擦因數μ、繞流物的阻力系數C、通孔面積、通入排種器的氣壓一定時,型孔內側面充種角與排種盤轉速和清種區所在的位置有關。根據前期試驗可得排種盤在轉過最高點后25°～30°內為清種區。在上述條件下,充種角α僅與排種盤的轉速有關。但轉速n難以直接取得精確范圍,因此通過預試驗探究不同轉速下均較合理的充種角初始范圍。在型孔其他結構參數均不變的前提下,將充種角從0°～90°劃分為10組,分別建模并3D打印,如圖5(充種角為40°的模型)所示。經多次試驗得到,當型孔內側面充種角α為30°～60°時,型孔的攜種性能較好。為了探明型孔內側面充種角改變引起的攜種性能的變化規律,本文將通過仿真試驗作進一步說明。

圖5 充種角為40°時型孔模型Fig.5 Model of hole at filling angle of 40°

2.2 型孔下側面落種角參數設計

排種質量會影響種子均勻性[23-25]。若型孔夾持住兩?；蚨嗔７N子,則種間會相互作用,種子受力不牢靠,難以保證充種質量。同時多粒種子從同一型孔排出會影響粒距均勻性,降低排種質量。因此對型孔下側面落種角進行設計,在排種作業時由下側面引導種子滑落,同時型孔內充種空間不能穩定夾持住多粒種子。

如圖6所示,種子在進入型孔后,絕大部分情況都是種子寬度方向占據充種空間。對于種子而言其厚度小于寬度,因此只需限制第2粒種子在厚度方向上不能完全進入型孔空間。當第1粒種子占據最大空間且第2粒種子恰好充入型孔時,型孔在此剖面方向上的總寬度為B+H/tanβ,種子在此剖面方向上的總寬度為b+d/sinβ。為使第2粒種子不能完全進入充種空間,應滿足型孔在此方向上的寬度小于種子在此方向上的寬度,即

(11)

式中B——型孔寬度,m

b——種子寬度,m

d——種子厚度,m

整理得

(12)

當排種盤到達排種區時,對種子的滑落過程進行受力分析,如圖7所示。為防止種子在運動過程受到擠壓從而破碎的現象,種子與型孔下側面存在較小的間隙ΔB。當種子到達排種區后,種子在極短暫時間內下落至型孔下側面處,此時型孔底側面和上側面不再對種子施加力的作用,同時種子不再隨排種盤轉動,離心力的作用也消失,種子在重力作用下沿下側面滑動。種子和排種盤雖然有相對滑動,但在下滑過程中始終緊靠著型孔下側面,直至完全脫離,因此種子在下滑過程中的受力情況是恒定的。小麥種子為不規則的復雜形體,為便于分析,將種子等效成球體,此時對種子進行受力分析有

圖7 排種過程示意圖Fig.7 Schematic of seed droping process

(13)

式中Fn2——型孔下側面對種子的支持力,N

f2——型孔下側面對種子的摩擦力,N

μ2——摩擦因數

型孔內剩余間隙很小,種子落到下側面所經過的時間極短,可忽略此時間內種子速度的變化,此時種子和排種盤處于相對靜止狀態,可認定此刻種子的初始速度v1=0。將種子剛落到下側面時作為起始位置,假設經過t2時間后,種子與下側面完全脫離,此時有

v2=v1+(gcosβ-μ2gsinβ)t2

(14)

(15)

式中v1——種子下滑時初速度,m/s

v2——種子完全離開型孔時速度,m/s

整理式(13)～(15)可得

(16)

在t2時間內種子垂直方向經過的距離為H/tanβ,排種盤在此期間一直做勻速圓周運動。因為種子下滑過程所需的時間較短,可將排種盤垂直方向經過的距離K作為其轉過的弧長,所以排種盤轉過垂直距離H/tanβ所需要的時間t3為

(17)

(18)

為保證種子能順利的按照預期軌跡落下,在種子和排種盤垂直方向運動相同距離時,種子下滑所需要的時間t2小于排種盤旋轉所需的時間t3。滿足此條件可以保證種子在下滑過程中始終緊靠著下側面直到完全脫離,避免因種子滑落過慢導致未能順利排出等不利于播種均勻性的情況,建立兩者時間關系方程

(19)

由式(12)、(19)可知,當型孔高度H、型孔寬度B、種子寬度b、種子厚度d、排種盤半徑r、型孔中心到種盤邊緣的徑向距離rk一定時,型孔下側面落種角β僅與排種盤轉速n有關。同理轉速n難以直接取得精確范圍,因此通過預試驗探究不同轉速下均較合理的落種角的初始范圍。在型孔其他結構參數均不變的前提下,將落種角從0°～90°劃分為10組,分別建模并3D打印,如圖8(落種角為50°的模型)所示。經多次試驗得到,當型孔下側面落種角β為40°～70°時,型孔的排種性能較好。為探明型孔下側面落種角改變引起的排種性能的變化規律,將通過仿真試驗作進一步研究。

圖8 落種角為50°時型孔模型Fig.8 Model of hole at droping angle of 50°

3 排種器性能仿真試驗

3.1 仿真模型及參數設置

在排種器工作過程中,種間作用、種子和氣流相互作用并存,屬于顆粒流場系統。因此為探究型孔充種角和落種角對排種器工作性能的影響,采用流體-顆粒氣固耦合數值仿真試驗進行分析[26-27]。選用濟麥22品種,利用五軸掃描儀來獲取種子的三維點云圖,經過逆向工程處理擬合建立種子實體模型,并在EDEM中采用Bonding黏結模型進行顆粒填充,如圖9所示。

圖9 排種器顆粒場與氣流場簡化模型Fig.9 Simplified models of particle field and airflow field of seed metering device1.殼體內部腔室 2.排種盤 3.通孔 4.型孔 5.導種槽

因小麥種子體積較小,排種器腔室內種子數量較為密集,在仿真分析過程中需考慮顆粒對氣流場的影響,因此采用歐拉(Eulerian)雙向耦合模型。利用三維軟件建立排種器氣流場模型并加以網格劃分,可將其簡化為殼體內部腔室、排種盤、導種槽、型孔、通孔5部分,流場網格體積均大于黏結顆粒體積。采用滑移網格法(Sliding mesh),將排種盤、導種槽、型孔、通孔網格區域屬性設定為動態網格(Moving mesh),殼體內部腔室網格區域默認為靜態,將各部分相接觸的平面作為交界面(Interface),用于完成動、靜區域之間的數據交換。排種器顆粒場和氣流場模型如圖9所示。

小麥播種株距設為0.03 m,當機組工作速度為5 km/h時,排種盤轉速為695 r/min,充種管道通入風壓為5 kPa,設置種子顆粒生成速率為100個/s,在仿真開始前期,顆粒生成后輸送到充種區需要一定的時間,經多次仿真試驗發現,排種盤在仿真進行到0.4 s后開始夾附住種子。顆粒場仿真時間步長設置為2×10-6s,氣流場仿真時間步長設置為2×10-5s,仿真總時間為2 s,小麥顆粒、排種器材料的相關參數如表1所示。

表1 仿真參數設置Tab.1 Simulation parameters setting

3.2 型孔充種角對攜種性能的影響

由2.1節可知,當充種角為30°～60°時,排種器的攜種性能較好,故將充種角等角度劃分為7組,在其他條件都相同的情況下分別進行仿真試驗。 圖10 為充種角45°時的仿真結果。為檢測型孔攜種作業質量,采用型孔空隙率[28]作為評價指標,在每個型孔處設置觀測區域,該觀測區能完全覆蓋住型孔并延伸到擋板最高處,用于統計每一時刻觀測區內的顆?？傮w積。型孔空隙率計算公式為

圖10 仿真結果Fig.10 Simulation results

(20)

式中T——型孔空隙率,%

Vk——種子顆粒所占體積,m3

Vg——觀測區總體積,m3

如圖11a所示,當充種角為45°時,提取一型孔觀測區域整個工作過程中的型孔空隙率變化曲線,根據圖中曲線的變化規律可以將工作過程分為4個階段。排種完成階段Ⅰ:此時該型孔剛經過排種區完成排種作業,型孔空隙率從一穩定值急劇上升,在此階段型孔還未進入到充種區,不受種子的影響,型孔空隙率最終為100%;充種初始階段Ⅱ:隨著排種盤的轉動,型孔逐漸進入到充種區,此時種子開始向型孔處流動,型孔觀測區逐漸被種子所占據,型孔空隙率劇烈下降;充種后期階段Ⅲ:當種子占據型孔空間后,開始受到周圍種群較為復雜的力的作用,會發生旋轉、移動,甚至會被種群內其他種子所替代,在這一階段型孔空隙率會發生范圍差較小的變化,當種子即將脫離種群時,其受到種群的影響逐漸變小,型孔空隙率也會逐漸升高;種子清除階段Ⅳ:當型孔從充種區脫離到達清種區后,其攜帶的多余種子逐漸被清除掉,只剩下型孔內的目標種子,該階段的型孔空隙率會逐漸增大直到穩定在一定數值。當經過排種區后,回歸到排種完成階段Ⅰ,型孔空隙率從穩定值恢復到100%,再次進行下一循環。

圖11 型孔空隙率及其改變量變化曲線Fig.11 Pore void fraction and change curves of amount of change

在充種后期階段Ⅲ,型孔空隙率變化幅度越小,證明目標種子受力越穩定,不易被清除掉,此時型孔的攜種性能較好。因此以充種后期階段型孔空隙率改變量(空隙率差值)為評價指標,分析在不同充種角下其改變量的變化趨勢。在每個水平的仿真數據中,連續取一整圈即6個型孔的數據,統計其均值、標準差,得到不同充種角下型孔空隙率改變量擬合曲線,如圖11b所示。

y=0.016 9x2-1.549 35x+46.846 57

(21)

對方程求解可得到型孔空隙率改變量最小時的充種角為46°,即當前條件下充種角為46°時排種器的攜種性能較好,但此時該角度是在只考慮充種角此單一因素對攜種性能單一指標影響的前提下求解出的,而在實際作業時,充種角的改變可能會影響排種器其他性能指標,攜種性能可能也會受其他因素的影響,因此并不能說明排種器整體性能最佳時的充種角為46°,可將該計算角度作為范圍中點向外拓展得到排種器工作性能較好時的最優充種角范圍。由圖11b中可以看出,充種角在36°～56°范圍內變化時型孔空隙率改變量較小,可說明當充種角在此范圍變化時,型孔的攜種性能較好。

3.3 型孔落種角對排種性能的影響

由2.2節可知,當落種角為40°～70°時,排種性能較好。故將落種角等角度劃分為7組,在其他因素都相同的情況下進行仿真試驗。如圖12所示,當種子到達排種區后從型孔中滑落,經排種管排出。經多次仿真試驗得到:若種子初始下落位置在圖12所標注排種區域b中,則種子下落過程中不會碰到壁面,能順利落下;若種子在排種區域a中下落,則在下落過程中會碰到左邊壁面;若種子在排種區域c中下落,則在下落過程中會碰到右邊壁面。以上兩種“碰壁”現象均會改變種子運動軌跡,從而導致種子粒距不均勻,影響排種質量。因此,在仿真試驗中,獲取種子初始下落狀態時的位置信息,將排種管中心線作為基線,基線左側方向視為正方向,計算種子當前位置與基線之間的距離,從而得到種子初始下落位置的橫坐標。將種子初始下落位置的橫坐標作為評價指標,分析在不同落種角下其排種效果。在每個水平的仿真數據中,連續取一整圈即6個種子的初始下落位置橫坐標,統計其均值、標準差,得到不同落種角下種子初始下落位置橫坐標的擬合直線,如圖13所示。

圖12 不同排種區域落種情況Fig.12 Seed drop in different seeding areas

圖13 種子初始下落位置橫坐標變化趨勢Fig.13 Trend in horizontal coordinate of initial seed drop position

y=-0.730 4x+38.865 7

(22)

由圖13可得,當種子初始下落位置在排種管中心時,即初始下落位置橫坐標為0時,種子不易發生“碰壁”現象,能順利落下。因此對方程求解可得到種子初始下落位置橫坐標為0時的落種角為53°,即當前環境下落種角為53°時排種性能較好,但此時該角度是在只考慮落種角此單一因素對排種性能單一指標影響的前提下求解出的,而在實際作業時,落種角的改變可能會影響排種器其他性能指標,排種性能可能也會受其他因素的影響,因此并不能說明排種器整體性能最佳時的落種角為53°,可將該計算角度作為范圍中點向外拓展得到排種器工作性能較好時的最優落種角范圍。由圖13中可以看出當落種角在43°～63°范圍內變化時其不易發生種子“碰壁”現象,說明在此范圍內型孔能順利的完成排種作業。

4 試驗

選用濟麥22品種為試驗樣本,其千粒質量為42.3 g。搭建的試驗臺如圖14所示,主要包括排種器、高速攝影機、集中輸送裝置、分配器、輸種管、風機等。排種器掛接在輸種管末端,由ECMA-C10401ES型伺服電機獨立驅動,該電機扭矩為0.3 N·m,轉速可在3 000 r/min內精準控制,滿足試驗高轉速需求。試驗在山東省農業機械科學研究院實驗室進行。試驗時,種群在風機產生的正壓氣流下先吹送至分配器,再分散至各輸種管,最后輸送到排種器進種管道。經測定,進種管道處氣流速度為7 m/s,種子平均以初速度3 m/s進入排種器,而后由排種器進行有序均勻排列。采用高速攝影機對排種器工作過程加以拍攝記錄。

圖14 排種器臺架試驗Fig.14 Seed metering device bench test1.分配器 2.增光裝置 3.高速攝影機 4.伺服電機 5.排種器外殼 6.排種盤 7.輸種管 8.風機 9.集中輸送裝置 10.種箱

4.1 試驗與結果分析

試驗以型孔內側面充種角、型孔下側面落種角、排種盤轉速為因素研究排種器工作性能。根據3.2、3.3節可得,在充種角為36°～56°范圍內,排種器攜種性能較好;在落種角為43°～63°范圍內,排種性能較好。根據預試驗得到排種盤轉速為500～800 r/min時,排種器工作性能較好。進行三因素三水平組合試驗,試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Test factors and codes

以排種器漏播率、重播率、直線落種率為試驗指標,共進行17組試驗。各指標計算公式為

(23)

式中Y1——漏播率,%

Y2——重播率,%

Y3——直線落種率,%

y——理論排種總數

y1——排種時型孔內種子數為0的型孔數量

y2——排種時型孔內種子數為2粒及以上的型孔數量

y3——種子能直線下落(即在落種過程中不碰壁、不改變運動軌跡)的數量

對試驗數據進行多元回歸擬合分析,試驗設計與結果如表3所示,X1、X2、X3分別表示充種角、落種角、轉速編碼值。

表3 試驗設計與結果Tab.3 Experimental design and results

根據表4可得,影響漏播率的因素主次順序為充種角、排種盤轉速、落種角,其中充種角、排種盤轉速、落種角對漏播率的影響均極顯著,充種角和落種角的交互作用對漏播率的影響極顯著;影響重播率的因素主次順序為充種角、落種角、排種盤轉速,其中充種角、落種角、排種盤轉速對重播率的影響均極顯著,充種角和落種角的交互作用對重播率的影響極顯著;影響直線落種率的因素主次順序為落種角、排種盤轉速、充種角,其中落種角、排種盤轉速對直線落種率的影響均極顯著,充種角對直線落種率的影響顯著,落種角和轉速的交互作用、落種角和充種角的交互作用對直線落種率的影響均顯著。剔除不顯著因素后,建立漏播率Y1、重播率Y2和直線落種率Y3的回歸方程

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

(24)

(25)

(26)

為獲得排種器最佳工作性能下的因素組合,利用Design-Expert軟件的優化模塊,以最小的漏播率和重播率、最大的直線落種率為優化目標,建立優化方程并求解得:當型孔內側面充種角為47.75°、型孔下側面落種角為52.48°、轉速為635.5 r/min時,排種器工作性能最優,此時,漏播率為2.78%、重播率為3.73%、直線落種率為93.46%。

4.2 驗證試驗

為驗證設計效果,將參數進一步優化:型孔內側面充種角為47.8°、型孔下側面落種角為52.5°、轉速為636 r/min。在其他因素不改變的前提下進行多次試驗。結果表明:所設計排種器的漏播率平均值為2.91%、重播率平均值為3.89%、直線落種率平均值為93.32%。試驗結果與優化結果基本一致,符合小麥精量播種要求。

4.3 田間試驗

為檢驗所設計排種器的田間作業性能,在山東省濟南市章丘區棗園試驗基地進行試驗。試驗地為已耕地,地表較為平整。試驗選用濟麥22品種,設定播種粒距為3 cm,排種盤型孔內側面充種角為47.8°、下側面落種角為52.5°,排種盤轉速分別取552、635、718、800 r/min。選取播種機相鄰兩行,一行末端放置所設計排種器,另一行作為對照組,田間試驗及播種效果對比如圖15所示。每組試驗重復3次,統計壟長10 m內種子播種情況,試驗結果如表5所示。

表5 田間試驗結果Tab.5 Vibration simulation test results %

圖15 田間試驗及播種效果對比圖Fig.15 Comparison of field trials and sowing results

由表5可得,受田間作業環境地面平整度以及機組自身振動因素影響,排種器工作性能略有降低。在較高工作速度作業下,漏播率有所上升,排種合格率有所降低,但在各速度水平下,排種器漏播率低于8.9%、重播率低于4.3%、排種合格率高于88.6%,符合小麥精量播種要求。

5 結論

(1)針對傳統小麥播種以無序種流、不定量排出的方式存在脈動性高、均勻性差的問題,設計了一種氣力離心組合式小麥精量排種器。建立充種和排種過程的動力學模型,研究型孔內側面充種角和下側面落種角對排種器工作性能的影響,并通過預試驗確定充種角和落種角的初始范圍。

(2)采用DEM-CFD軟件進行仿真分析,分別探究型孔充種角對攜種性能、型孔落種角對排種性能的影響,進一步優化充種角和落種角的范圍。仿真結果表明:當充種角在36°～56°范圍內變化時,排種器攜種性能較好;落種角在43°～63°范圍內變化時,排種器排種性能較好。

(3)以型孔內側面充種角、型孔下側面落種角、排種盤轉速為試驗因素,以排種器漏播率、重播率、直線落種率為試驗評價指標,進行三因素三水平組合試驗,得到排種器最佳工作性能下組合參數:充種角為47.75°、落種角為52.48°、轉速為635.5 r/min,此時,漏播率為2.78%、重播率為3.73%、直線落種率為93.46%。驗證試驗結果與優化結果基本一致。

(4)田間試驗結果表明,受作業環境地面平整度以及機組自身振動因素影響,排種器工作性能略有降低,但在排種盤轉速552～800 r/min范圍內,排種器漏播率低于8.9%、重播率低于4.3%、排種合格率高于88.6%,符合小麥精量播種要求。