氣吸圓盤式微型薯排種器充種性能模擬與試驗(yàn)

賴慶輝 馬文鵬 劉 素 蘇 微 張智泓

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

氣吸圓盤式微型薯排種器充種性能模擬與試驗(yàn)

賴慶輝 馬文鵬 劉 素 蘇 微 張智泓

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

為提高氣吸圓盤式微型薯排種器充種性能，以云南麗薯6號(hào)微型薯為播種對(duì)象，基于離散元法，以種子平均法向應(yīng)力方差為指標(biāo)，對(duì)振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度分別進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)上述因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真效果一致。結(jié)果表明：增加振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度可以增大種子平均法向力方差，增強(qiáng)對(duì)種子的擾動(dòng)性，從而提高充種性能。為尋求最佳工作參數(shù)組合，采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，對(duì)排種器進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化與驗(yàn)證。結(jié)果表明：在作業(yè)速度為2.4 km/h，吸種負(fù)壓為6 kPa，種層高度為70 mm，振動(dòng)頻率為6.5～6.9 Hz，振動(dòng)幅度為20～21 mm時(shí)，合格指數(shù)大于95，重播指數(shù)和漏播指數(shù)小于2.5。

微型薯； 氣吸圓盤式排種器； 充種性能； 數(shù)值模擬； 試驗(yàn)

引言

目前國內(nèi)外先進(jìn)的排種器普遍采用了氣力式原理[1-6]，這是因?yàn)闅饬κ脚欧N器具有對(duì)種子外形要求不嚴(yán)，不傷種，能適應(yīng)較高速度播種作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于氣力式排種器，充種環(huán)節(jié)尤為重要，其充種性能直接影響播種質(zhì)量。采用種箱振動(dòng)的方式提高充種性能是最常見的方法[7-9]，即通過振動(dòng)激勵(lì)使振動(dòng)種盤內(nèi)種群產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)，以便氣力吸種部件完成吸種過程。周海波[10]采用振動(dòng)原理，研制了一種電磁振動(dòng)種室和氣動(dòng)振盤相結(jié)合的振動(dòng)式精密播種裝置,減免傷種并實(shí)現(xiàn)均勻穩(wěn)定播種；王朝暉等[11]、楊明金等[12]利用振動(dòng)理論、高速攝影與振動(dòng)分析儀，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法，得出吸種性能與種層厚度、振動(dòng)頻率等因素間的回歸模型；龔智強(qiáng)[13]分析了變質(zhì)量系統(tǒng)種層厚度與振動(dòng)種盤振動(dòng)參數(shù)的關(guān)系,建立了排種裝置工作參數(shù)與吸種距離之間的數(shù)學(xué)模型；鹿芳媛等[14]基于離散元法，模擬振動(dòng)盤工作過程，探究振動(dòng)參數(shù)對(duì)種子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，尋求最佳振動(dòng)頻率；賴慶輝等[15]采用DEM-CFD耦合方法，研究振動(dòng)參數(shù)對(duì)種間平均法向應(yīng)力和供種高度的影響，得到最優(yōu)工作參數(shù)組合；陳進(jìn)等[16]研究了氣吸振動(dòng)播種試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，通過對(duì)試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)種子運(yùn)動(dòng)過程的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬，得出了振動(dòng)臺(tái)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

微型薯屬于大粒種子，為解決其不易充種的問題，設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)和氣吸組合式精密排種器，并通過簡(jiǎn)易的正交試驗(yàn)得到了一組關(guān)于作業(yè)速度、吸種負(fù)壓和振動(dòng)頻率的最優(yōu)工作參數(shù)組合，排種合格指數(shù)可達(dá)到90以上[17]。但在振動(dòng)供種過程中，振動(dòng)幅度和種層高度也會(huì)影響種群運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而影響充種性能。因此，需深入研究各項(xiàng)振動(dòng)參數(shù)對(duì)充種性能的影響機(jī)理，并尋求最優(yōu)振動(dòng)參數(shù)組合，以進(jìn)一步提高排種合格指數(shù)。由于種群與振動(dòng)種盤的碰撞以及種子之間相互碰撞關(guān)系非常復(fù)雜，目前從理論上還無法建立排種裝置吸種過程種群運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，因此，本文以自行研制的氣吸圓盤式排種器為研究對(duì)象，借助離散元仿真軟件EDEM進(jìn)行振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度對(duì)種群擾動(dòng)影響的仿真分析，得出振動(dòng)過程中種群運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，并進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)。采用三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，選取振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度、種層高度為試驗(yàn)因素進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，尋求各參數(shù)的最佳區(qū)間組合，提高充種性能的同時(shí)增強(qiáng)排種器的適用性。

1 排種器工作原理與振動(dòng)理論

1.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

振動(dòng)供種氣吸圓盤式微型薯排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由振動(dòng)供種機(jī)構(gòu)、氣力排種機(jī)構(gòu)和機(jī)架等組成。

圖1 振動(dòng)供種氣吸圓盤式排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of vibrating feeding pneumatic disc seed-metering device1.種箱 2.機(jī)架 3.密封槽 4.氣室 5.微型薯 6.吸孔 7.排種盤 8.振動(dòng)板

氣室外圍設(shè)有密封槽，排種盤與密封條緊密貼合，機(jī)架上安裝有種箱和振動(dòng)供種機(jī)構(gòu)。微型薯從種箱進(jìn)入振動(dòng)板，在振動(dòng)作用下種群處于“沸騰”狀態(tài)，接通風(fēng)機(jī)使氣室內(nèi)部形成負(fù)壓區(qū)，播種機(jī)地輪帶動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，微型薯在吸孔內(nèi)外壓差的作用下被吸附在吸孔上，并隨著排種盤一起運(yùn)動(dòng)。當(dāng)微型薯運(yùn)動(dòng)到氣室末端時(shí)，隨著吸孔移出氣室，負(fù)壓消失，微型薯在自身重力作用下從吸孔脫落掉入種溝，實(shí)現(xiàn)排種過程。

圖2 振動(dòng)供種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of vibration mechanism1.振動(dòng)板 2.連桿 3.曲柄盤 4.調(diào)節(jié)孔 5.支架 6.直線軸承 7.直線軸

振動(dòng)激勵(lì)裝置按照工作原理可分為電液式、電動(dòng)式和機(jī)械式。其中偏心式機(jī)械振動(dòng)機(jī)構(gòu)與其他振動(dòng)激勵(lì)方式相比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率相互獨(dú)立可分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，有利于研究振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度對(duì)種群運(yùn)動(dòng)的影響關(guān)系。圖2為振動(dòng)供種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，振動(dòng)板在連桿的帶動(dòng)和直線軸的限位作用下，實(shí)現(xiàn)上下振動(dòng)。其中，曲柄盤的轉(zhuǎn)速由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，振動(dòng)板振動(dòng)頻率可調(diào)節(jié)范圍為0～10 Hz；曲柄盤上設(shè)有調(diào)節(jié)孔，可通過改變曲柄長度來調(diào)節(jié)振動(dòng)幅度，調(diào)節(jié)范圍為10～50 mm。

1.2 振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)分析

將振動(dòng)供種機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為曲柄連桿機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，取振動(dòng)板的上止點(diǎn)為振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)O′，則由圖中幾何關(guān)系可得[18]

x=R+L-Rcosα-Lcosβ

(1)

式中x——O′點(diǎn)位移R——曲柄長度L——連桿長度α——曲柄與豎直方向夾角β——連桿與豎直方向夾角

記λ=R/L，為曲柄半徑與連桿長度之比，當(dāng)λ?1時(shí)，式(1)可近似簡(jiǎn)化為

(2)

其中

ω=2πf

(3)

(4)

式中A——振動(dòng)幅度ω——振動(dòng)圓頻率f——振動(dòng)頻率t——時(shí)間

于是可求得振動(dòng)板加速度表達(dá)式為

(5)

若使種群處于“沸騰”狀態(tài)，需滿足

max{2Aπ2f2(cos(2πft)+λcos(2πft))}>g

(6)

式中g(shù)——重力加速度

由式(6)可知，振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率將對(duì)種子在振動(dòng)盤上的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響，且參數(shù)選擇范圍較廣，為最佳工作參數(shù)的選取造成較大干擾。因此本文采用離散元法，利用EDEM(Engineering discrete element method)軟件探究振動(dòng)供種過程中種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及參數(shù)對(duì)其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，為確定最佳振動(dòng)參數(shù)，提高振動(dòng)播種裝置的播種性能提供參考。

圖3 曲柄滑塊振動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.3 Slider-crank mechanism

1.3 種群運(yùn)動(dòng)分析

定義排種器振動(dòng)部件振動(dòng)強(qiáng)度K為振動(dòng)板豎直方向上加速度的最大值與重力加速度的比值[12]，設(shè)種群總層數(shù)為p，且最下層種子為第p層，最上層種子為第1層。

在種子被拋擲的過程中，種群內(nèi)部運(yùn)動(dòng)可以看成種子之間的相互碰撞，則位于φ(1≤φ≤p)層的種子經(jīng)過p-φ次碰撞后的振幅Aφ與振動(dòng)盤振幅A關(guān)系滿足[19]

(7)

式中r——顆粒間恢復(fù)系數(shù)，r<1

則第1層種子拋擲強(qiáng)度需滿足

(8)

因此排種器振動(dòng)板振動(dòng)強(qiáng)度需滿足

(9)

由于r<1，由式(9)可知，種層厚度對(duì)振動(dòng)盤內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)具有較大影響。種層厚度越大，即p值越大，所需振動(dòng)板的振動(dòng)強(qiáng)度越大。因此，需尋求振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度以及種層高度之間的最佳參數(shù)組合，以提高充種性能。

2 數(shù)值模擬

2.1 接觸模型

離散元法描述的是顆粒之間碰撞的過程，也就是接觸的產(chǎn)生和發(fā)生作用的過程。離散元中根據(jù)接觸方式的不同可分為硬顆粒接觸和軟顆粒接觸，軟顆粒接觸方式允許顆粒的接觸點(diǎn)間出現(xiàn)重疊部分，并根據(jù)接觸顆粒的物理屬性和法向重疊量、切向位移計(jì)算出接觸力，而顆粒間內(nèi)摩擦力即切向力與法向力有著密切的聯(lián)系，因此本文采用軟顆粒接觸模型。常用的軟顆粒接觸模型包括：摩擦電荷接觸模型、線彈性接觸模型、運(yùn)動(dòng)表面接觸模型、線性黏附接觸模型、Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型以及Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型。其中Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型為EDEM軟件中默認(rèn)接觸模型，又考慮到微型薯顆粒之間粘附力較小，故本文選取Hertz-Mindlin無滑移接觸模型[20-24]。軟顆粒接觸使用的是軟球模型，如圖4所示，軟球模型在顆粒i和顆粒j間設(shè)定了彈簧、阻尼器、滑動(dòng)器和耦合器，引入了剛度k和阻尼系數(shù)c來量化彈簧、阻尼器、滑動(dòng)器的作用。

圖4 軟球模型對(duì)顆粒間接觸力的簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified model of particles contact force from soft-sphere model

耦合器是用來確定發(fā)生接觸的顆粒配對(duì)關(guān)系，不引入任何力。在切向上，如果切向力超過屈服值，兩顆粒在法向力和摩擦力作用下滑動(dòng)，由滑動(dòng)器實(shí)現(xiàn)這一目的[25-27]。

2.2 接觸力計(jì)算

法向力Fnij是彈簧和法向阻尼器作用在顆粒i上的彈性力和阻尼力的合力。對(duì)于三維球形顆粒，根據(jù)Hertz接觸理論，F(xiàn)nij表示為

(10)

式中kn——法向剛度cn——法向阻尼系數(shù)a——法向重疊量vij——顆粒i相對(duì)于顆粒j的速度，m/sn——從顆粒i球心到顆粒j球心的單位矢量

切向力Ftij表示為

Ftij=-ktδ-ctvct

(11)

式中kt——切向剛度ct——切向阻尼系數(shù)vct——接觸點(diǎn)的滑移速度，m/sδ——接觸點(diǎn)的切向位移

如果

|Ftij|>μs|Fnij|

(12)

則顆粒i發(fā)生滑移，切向力為

(13)

式中μs——靜摩擦因數(shù)

式(13)為庫侖摩擦定律，從式中可知，種子間切向力即為內(nèi)摩擦力，而內(nèi)摩擦力是阻礙種子間相對(duì)運(yùn)動(dòng)或者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的主要因素[28]。從公式中可以看出，影響內(nèi)摩擦力的因素有靜摩擦因數(shù)和法向力，而靜摩擦因數(shù)又由種子本身物理屬性決定，因此本文采用法向力Fnij來衡量種子之間的內(nèi)摩擦力[29-30]。

2.3 振動(dòng)供種過程仿真

在Pro/E軟件中建立振動(dòng)板幾何模型并導(dǎo)入EDEM，種子顆粒通過多球面組合填充的方式在EDEM中生成(圖5a)并添加經(jīng)測(cè)量所得的力學(xué)特性(表1)，種子由振動(dòng)板模型內(nèi)部的顆粒工廠生成，生成的種子在自身重力作用下分布在振動(dòng)板底部，如圖5b所示。對(duì)振動(dòng)板添加振頻和振幅，在此作用下，種群出現(xiàn)“沸騰”狀態(tài)，種間出現(xiàn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)與碰撞，EDEM軟件獲取實(shí)時(shí)顆粒體的位置與接觸信息，離散元仿真過程輸出每個(gè)時(shí)間步長的接觸平均法向力、接觸總數(shù)、種子總數(shù)。由于從種群生成完畢到種群運(yùn)動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要1 s左右的時(shí)間，因此每組仿真數(shù)據(jù)從2.0 s時(shí)開始輸出，6.0 s時(shí)結(jié)束。i時(shí)刻每個(gè)種子受到的平均法向力為

(14)

式中Fni——i時(shí)刻接觸法向力的平均值，NNi——i時(shí)刻種子總數(shù)Nci——i時(shí)刻接觸總數(shù)

圖5 振動(dòng)供種數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of seed-filling

表1 模擬所需參數(shù)Tab.1 Material parameters used in simulation

2.3.1 振動(dòng)頻率

圖6 不同頻率下平均法向力變化曲線Fig.6 Changing curves of average normal stress under different frequencies

為了能夠反映振動(dòng)頻率對(duì)充種性能的影響，在前期試驗(yàn)中選取能夠凸顯這一影響的3個(gè)水平進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)際情況，選取振幅為20 mm時(shí)，模擬振動(dòng)頻率分別為4、6、8 Hz，獲取種子隨時(shí)間變化的平均法向力，如圖6所示。從圖6中可以看出種子平均法向力隨時(shí)間出現(xiàn)無規(guī)律波動(dòng)，并隨著振頻的提高，波動(dòng)幅度增大且落差也隨著增大。為了定量描述這種波動(dòng)，引入方差公式

(15)

其中

式中D——方差N——輸出數(shù)據(jù)總數(shù)，N=100z——種子平均法向力總和，N

方差較大的其波動(dòng)離散程度大，也就是對(duì)種子的擾動(dòng)性較大。通過計(jì)算得出振動(dòng)頻率為4 Hz時(shí)，方差為102.54 N2；振動(dòng)頻率為6 Hz時(shí)，方差為113.48 N2；振動(dòng)頻率為8 Hz時(shí)，方差為130.62 N2。較大的振動(dòng)頻率可以使得種群波動(dòng)性增強(qiáng)，從而提高種子充填的概率。因此提高振動(dòng)頻率可以在一定

程度上提高充種性能，為正交優(yōu)化試驗(yàn)因素及因素水平范圍的選取提供參考。

2.3.2 振動(dòng)幅度

為了能夠反映振動(dòng)幅度對(duì)充種性能的影響，選取振動(dòng)頻率為6 Hz，在振動(dòng)幅度分別為10、20、30 mm時(shí)，獲取種間隨時(shí)間變化的平均法向力，如圖7所示。從圖7中可以看出隨著振幅的提高，種子平均法向力也隨著增大。通過計(jì)算得出振動(dòng)幅度為10 mm時(shí)，平均法向力方差為86.35 N2；振動(dòng)幅度為20 mm時(shí)，平均法向力方差為113.48 N2；振動(dòng)幅度為30 mm時(shí)，平均法向力方差為140.78 N2。因此適當(dāng)?shù)卦黾诱駝?dòng)幅度可以提高充種性能，為正交優(yōu)化試驗(yàn)因素及因素水平范圍的選取提供參考。

圖7 不同振幅下平均法向力變化曲線Fig.7 Changing curves of average normal stress under different amplitudes

3 排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

研制振動(dòng)供種氣吸圓盤式排種器樣機(jī)，選取“麗薯6號(hào)”微型薯作為排種對(duì)象，在JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖8所示。該試驗(yàn)臺(tái)以種床帶為種床，排種器在試驗(yàn)時(shí)保持固定狀態(tài)，種床相對(duì)于排種器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，微型薯排落在涂有油層的種床帶上，圖像采集處理系統(tǒng)對(duì)種床帶上的微型薯進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)完畢后，系統(tǒng)根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理保存，輸出粒距合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)。利用AZ8000型手持非接觸式紅外線轉(zhuǎn)速表測(cè)定曲柄轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)換為振動(dòng)頻率，并通過控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速對(duì)頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)；在曲柄盤徑向上開有數(shù)個(gè)調(diào)節(jié)孔，連桿一端通過調(diào)節(jié)孔與曲柄鉸接，不同的調(diào)節(jié)孔對(duì)應(yīng)不同曲柄長度，進(jìn)而調(diào)節(jié)振動(dòng)板的振動(dòng)幅度(2倍曲柄長度)；在種箱與振動(dòng)板接合處，安裝一塊擋板，可通過調(diào)整擋板位置來控制種層高度。

圖8 排種性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Seed-metering performance test1.數(shù)據(jù)處理單元 2.控制柜 3.排種試驗(yàn)臺(tái) 4.氣吸圓盤式排種器 5.微型薯

3.2 單因素試驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值模擬試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。分別以振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度作為試驗(yàn)因素，以合格指數(shù)、重播指數(shù)及漏播指數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，連續(xù)記錄吸附200粒種子的排種試驗(yàn)結(jié)果，每次試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。

3.2.1 振動(dòng)頻率對(duì)排種性能的影響

設(shè)定振動(dòng)幅度為20 mm，吸種負(fù)壓為6 kPa，作業(yè)速度為2.4 km/h，分別在振動(dòng)頻率為3.5、4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5 Hz的條件下進(jìn)行排種試驗(yàn)，得到振動(dòng)頻率對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同振動(dòng)頻率時(shí)排種性能試驗(yàn)曲線Fig.9 Seeding performance test curves under different vibration frequencies

由圖9可知，隨著振動(dòng)頻率的增加，排種合格指數(shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)，重播指數(shù)逐漸下降，漏播指數(shù)逐漸下降后上升。振動(dòng)頻率在5.5～7.5 Hz的范圍內(nèi)，排種合格指數(shù)大于80，在振動(dòng)頻率為6.5 Hz時(shí)，排種合格指數(shù)達(dá)到最大值94.1。振動(dòng)頻率過小時(shí)，振動(dòng)對(duì)于種群的作用較小，種子之間的內(nèi)摩擦力較大，不利于種群“沸騰”，隨著振動(dòng)頻率的提高，振動(dòng)板對(duì)種群的擾動(dòng)性增強(qiáng)，漏播指數(shù)逐漸下降，有效地提高了充種效果；但隨著振動(dòng)頻率進(jìn)一步提高，種子出現(xiàn)了較強(qiáng)的波動(dòng)，使得原本被吸附的種子被波動(dòng)較強(qiáng)的種子撞擊掉落，導(dǎo)致漏播指數(shù)上升。

3.2.2 振動(dòng)幅度對(duì)排種性能的影響

設(shè)定振動(dòng)頻率為6.5 Hz，吸種負(fù)壓為6 kPa，作業(yè)速度為2.4 km/h，分別在振動(dòng)幅度為5、10、15、20、25、30、35 mm的條件下進(jìn)行排種試驗(yàn)，得到振動(dòng)幅度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖10所示。

圖10 不同振動(dòng)幅度時(shí)排種性能試驗(yàn)曲線Fig.10 Seeding performance test curves under different amplitudes

由圖10可知，隨著振動(dòng)幅度的增加，排種合格指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，重播指數(shù)逐漸上升，漏播指數(shù)逐漸下降。在振動(dòng)幅度大于15 mm時(shí)，排種合格指數(shù)均大于80，在振動(dòng)幅度為20 mm時(shí)，排種合格指數(shù)達(dá)到最大值95.4。振動(dòng)幅度過小時(shí)，種群會(huì)隨著振動(dòng)板一起上下運(yùn)動(dòng)，影響充種效果；振動(dòng)幅度過大，會(huì)縮短種子處于“沸騰”狀態(tài)的時(shí)間，致使種群不能規(guī)則地隨振動(dòng)板一起振動(dòng)。

3.3 二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)

3.3.1 試驗(yàn)方案

為尋求最佳參數(shù)組合，進(jìn)行三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)。選取振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和種層高度作為試驗(yàn)因素，合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)。設(shè)定排種器作業(yè)速度為2.4 km/h，吸種負(fù)壓為6 kPa，試驗(yàn)因素和編碼見表2，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表3(X1、X2、X3為因素編碼值)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值。

表2 試驗(yàn)因素和編碼Tab.2 Factors and levels of test

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.3 Experimental design and results

3.3.2 回歸數(shù)學(xué)模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，可以得到合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3的回歸方程。

(1)合格指數(shù)Y1回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

通過試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)排種合格指數(shù)Y1影響的回歸模型為

(16)

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表4所示。根據(jù)表4可知，該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。但振動(dòng)幅度、供種高度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度的交互項(xiàng)(X1X2)的P值、振動(dòng)頻率和種層高度的交互項(xiàng)(X1X3)的P值以及振動(dòng)幅度和種層高度的交互項(xiàng)(X2X3)的P值均大于0.05，說明以上各項(xiàng)對(duì)排種合格指數(shù)的影響不顯著，其他各項(xiàng)的F檢驗(yàn)均極顯著或顯著，說明相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對(duì)于失擬項(xiàng)P=0.2094，不顯著，說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(17)

通過對(duì)式(17)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響排種合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)檎駝?dòng)頻率、振動(dòng)幅度和種層高度。

(2)重播指數(shù)回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

通過試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)重播指數(shù)Y2影響的回歸模型為

(18)

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表4所示。根據(jù)表4可知，該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。但振動(dòng)幅度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度交互項(xiàng)(X1X2)的P值、振動(dòng)頻率和種層高度交互項(xiàng)(X1X3)的P值以及振動(dòng)幅度和種層高度交互項(xiàng)(X2X3)的P值均大于0.05，說明以上各項(xiàng)對(duì)重播指數(shù)的影響不顯著，其他各項(xiàng)的F檢驗(yàn)均極顯著或顯著，說明相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對(duì)于失擬項(xiàng)P=0.097 5，不顯著，說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素存在。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(19)

通過對(duì)式(19)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)榉N層高度、振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度。

表4 回歸方程方差分析Tab.4 Variance analysis of regression equation

注：*顯著(P<0.05)； ** 極顯著(P<0.01)。

(3)漏播指數(shù)Y3回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

通過試驗(yàn)以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，得到各因素對(duì)漏播指數(shù)Y3影響的回歸模型為

(20)

回歸方程的顯著性檢驗(yàn)如表4所示。根據(jù)表4可知，該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。但振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度交互項(xiàng)(X1X2)的P值、振動(dòng)頻率和種層高度交互項(xiàng)(X1X3)的P值以及振動(dòng)幅度和種層高度交互項(xiàng)(X2X3)的P值均大于0.05，說明各因素交互項(xiàng)對(duì)漏播指數(shù)的影響不顯著，其他各項(xiàng)的F檢驗(yàn)均極顯著或顯著，說明相關(guān)試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對(duì)于失擬項(xiàng)P=0.078 4，不顯著，說明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素存在。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(21)

通過對(duì)式(21)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響漏播指數(shù)的因素主次順序?yàn)檎駝?dòng)幅度、振動(dòng)頻率和種層高度。

3.4 各因素對(duì)排種合格指數(shù)的影響

通過Design-Expert 8.0.6對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和供種高度對(duì)合格指數(shù)的影響，其響應(yīng)曲面如圖11所示。任意固定某個(gè)因素的水平，根據(jù)響應(yīng)曲面圖，分析其余2個(gè)因素間的交互作用對(duì)排種合格指數(shù)的影響。

圖11 交互因素對(duì)合格指數(shù)的影響Fig.11 Effects of interactive factors on eligible rate

3.4.1 振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度的交互作用

圖11a為種層高度為70 mm時(shí)，振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度對(duì)排種合格指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖11a可知，在振動(dòng)頻率為6.5～7.0 Hz，振動(dòng)幅度為20～21 mm時(shí)，排種合格指數(shù)較高。振動(dòng)頻率一定時(shí)，隨著振動(dòng)幅度的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。振動(dòng)幅度一定時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增大，排種合格指數(shù)同樣先上升后下降。振動(dòng)頻率為6.8 Hz，振動(dòng)幅度為20 mm時(shí)，排種合格指數(shù)最高。

3.4.2 振動(dòng)頻率和種層高度的交互作用

圖11b是振動(dòng)幅度為20 mm時(shí)，振動(dòng)頻率和種層高度對(duì)排種合格指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖11b可知，在振動(dòng)頻率為6.5～7.0 Hz，種層高度為67～73 mm時(shí)，排種合格指數(shù)較高。振動(dòng)頻率一定時(shí)，隨著種層高度的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。種層高度一定時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增大，排種合格指數(shù)同樣先上升后下降。振動(dòng)頻率為6.8 Hz，種層高度為70 mm時(shí)，排種合格指數(shù)最高。

3.4.3 振動(dòng)幅度和種層高度的交互作用

圖11c為振動(dòng)頻率為6.8 Hz時(shí)，振動(dòng)幅度和種層高度對(duì)排種合格指數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖11c可知，在振動(dòng)幅度為20～21 mm，種層高度為67～73 mm時(shí)，排種合格指數(shù)較高。振動(dòng)幅度一定時(shí)，隨著種層高度的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。種層高度一定時(shí)，隨著振動(dòng)幅度的增大，排種合格指數(shù)同樣先上升后下降。振動(dòng)幅度為20 mm，種層高度為70 mm時(shí)，排種合格指數(shù)最高。

3.5 最佳參數(shù)優(yōu)化

設(shè)定合格指數(shù)大于95，重播指數(shù)小于2.5，漏播指數(shù)小于2.5，優(yōu)化得最佳參數(shù)范圍如圖12所示(x3=70 mm)。

圖12 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.12 Diagram of parameters optimization and analysis

由圖12可知，在種層高度為70 mm時(shí)，黃色區(qū)域?yàn)閰?shù)優(yōu)化區(qū)域，即振動(dòng)頻率為6.5～6.9 Hz，振動(dòng)幅度為20～21 mm時(shí)，可獲得合格指數(shù)大于95，漏播指數(shù)小于2.5，重播指數(shù)小于2.5。

對(duì)優(yōu)化后的理論結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在相同的試驗(yàn)條件下選取振動(dòng)頻率為6.5～6.9 Hz，振動(dòng)幅度為20～21 mm，種層高度為70 mm，進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，得到排種器合格指數(shù)平均值為96.6，且均大于95；漏播指數(shù)平均值為2.1，且均小于2.5；重播指數(shù)平均值為2.3，且均小于2.5；試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本相符。

將本文最終的優(yōu)化結(jié)果與之前正交試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果[17]進(jìn)行對(duì)比，排種合格指數(shù)有所提高，且得到了各工作參數(shù)的最優(yōu)區(qū)間，增強(qiáng)了排種器的實(shí)際操作性。

4 結(jié)論

(1)基于離散元法，利用EDEM軟件，分別對(duì)振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度進(jìn)行數(shù)值模擬，并以種子平均法向力方差為指標(biāo)，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出增大振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度可以有效提高排種器充種性能的結(jié)論。

(2)以合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，分別對(duì)振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)象及效果與仿真分析結(jié)果一致。驗(yàn)證了所建仿真模型的正確性以及采用離散元法模擬仿真振動(dòng)供種的可行性。

(3)為尋找最佳工作參數(shù)組合，以振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度和種層高度為試驗(yàn)因素，以合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行三因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化：影響排種合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)檎駝?dòng)頻率、振動(dòng)幅度和種層高度。在吸種負(fù)壓為6 kPa，作業(yè)速度為2.4 km/h，種層高度為70 mm，振動(dòng)頻率為6.5～6.9 Hz，振動(dòng)幅度為20～21 mm時(shí)，可獲得合格指數(shù)大于95，重播指數(shù)小于2.5，漏播指數(shù)小于2.5。對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，得到的驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

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Simulation and Experiment on Seed-filling Performance of Pneumatic Disc Seed-metering Device for Mini-tuber

LAI Qinghui MA Wenpeng LIU Su SU Wei ZHANG Zhihong
(CollegeofModernAgriculturalEngineering,KunmingUniversityofScienceandTechnology,Kunming650500,China)

In order to realize the mechanized planting of mini-tuber and solve the problem of large seed filling, a vibrating feeding pneumatic disc seed-metering device for mini-tuber was designed. The seed-metering device was composed of metering plate, air chamber, frame and vibrating seed feeding device. Seeding-filling performance was the key factor that influenced the properties of metering device. In order to improve the seed-filling performance of the pneumatic disc seed-metering device, Lishu No.6 mini-tuber was adopted as sowing object, the method of UDEC was used as research technique, meanwhile, variance yields of average normal stress was considered as the optimizing targets. Through single factor experiment, the vibration frequency and vibration amplitude were numerically simulated respectively. It can be found that the experimental phenomenon and effect were in consistent with the simulation ones. Results showed that vibration frequency and vibration amplitude increased variance yields of average normal stress of seeds, hence disturbance of seeds was enhanced. Based on the three-factor five-level quadratic orthogonal rotating combination test method, the influence of vibration frequency, vibration amplitude and layer height on sowing performance were explored. The regression equations of the three factors and five levels were fitted through the processing by Design-Expert 8.0.6 (experimental design expert) software. Based on the results of examination, it can be found that the fitting of the equation was good, and the best parameter combination was the operating speed of 2.4 km/h, negative pressure of 6 kPa, vibration frequency of 6.5～6.9 Hz, vibration amplitude of 20～21 mm and layer height of 70 mm. Under the optimal condition, the qualified index was greater than 95, and the multiple index as well as the missing index was less than 2.5. It showed that the vibrating feeding pneumatic disc seed-metering device met the standard and requirements by comparing the results with the national standard. The research approach was suitable for the exploitation of mini-tuber seed-metering, and it provided a theoretical reference for the design of pneumatic disc seed-metering device.

mini-tuber; pneumatic seed-metering device; seed-filling performance; numerical simulation; experiment

2017-02-21

2017-03-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51305187)、云南省重點(diǎn)新產(chǎn)品開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014BC007)、云南省科技計(jì)劃青年項(xiàng)目(2015FD011)、昆明理工大學(xué)自然科學(xué)基金項(xiàng)目(KKSY201323067、KKSY201323025、14118940)和云南省教育廳項(xiàng)目(2016ZZX048)

賴慶輝(1980—)，男，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與計(jì)算機(jī)測(cè)控研究，E-mail: laiqinghui007@163.com

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.05.005

S223.2+5

A

1000-1298(2017)05-0044-10