氣吸式玉米排種器清種機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

丁 力 楊 麗 張東興 崔 濤

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

氣吸式精密排種器的原理：利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓氣流將種子吸附于種盤型孔上，被吸附的種子隨種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)清種區(qū)到達(dá)卸種區(qū)時(shí)，由于負(fù)壓氣流的阻斷或受到外力的作用，種子掉落，轉(zhuǎn)變?yōu)閱瘟；虻乳g距的種子流[1-3]。氣吸式排種器具有對(duì)種子適應(yīng)性強(qiáng)、不傷種磕種、能適應(yīng)較高速度播種作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛研究與應(yīng)用[4-7]。充種和清種過程作為保證排種器不漏播和不重播的重要環(huán)節(jié)，對(duì)排種質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，對(duì)此眾多學(xué)者做了大量研究，取得了一些成果[8-11]。

上述研究提高了充種性能，降低了漏播的可能，但對(duì)于保證播量一致的清種環(huán)節(jié)研究較少，祁兵等[12]設(shè)計(jì)了一種適用于滾筒式排種器的周向清種裝置，降低了低速作業(yè)重播指數(shù)；于建群等[13]采用離散元法分析排種器的清種過程，通過試驗(yàn)證明了從仿真角度分析清種的可行性；劉云強(qiáng)等[14]設(shè)計(jì)了一種清種裝置，并通過仿真模擬優(yōu)化了清種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)，降低了非球類種子吸附的重播指數(shù)。清種裝置的研究以結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新居多，參數(shù)確定建立在經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上, 對(duì)清種過程的理論分析較少，難以保證設(shè)計(jì)的合理性。本文以氣吸式排種器為研究對(duì)象，對(duì)清種過程理論進(jìn)行分析，通過建立清種機(jī)構(gòu)參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，探究適用于氣吸式排種器清種機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)依據(jù)，為氣吸式排種器清種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，排種器工作時(shí)，種盤背面通入負(fù)壓氣流，同時(shí)種盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，占據(jù)吸附優(yōu)勢(shì)的種子從種子堆中上升，隨種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)；型孔周邊多余吸附的種子被清種機(jī)構(gòu)清除，吸附力具有優(yōu)勢(shì)的種子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)卸種機(jī)構(gòu)上部，位于種盤后盤面的卸種機(jī)構(gòu)將型孔吸附的種子頂出，同時(shí)負(fù)壓氣流也被阻斷，種子在重力、離心力和卸種機(jī)構(gòu)作用力的共同作用下落入投種口，完成排種作業(yè)。

2 重吸現(xiàn)象與清種過程分析

2.1 重吸現(xiàn)象

精量播種應(yīng)保證播量一致，按照設(shè)計(jì)要求，氣吸式排種器每型孔應(yīng)僅吸附1粒種子[15]。然而，由于種子外形尺寸不規(guī)則，在被型孔吸附時(shí)難以對(duì)型孔嚴(yán)密封閉，常會(huì)出現(xiàn)重吸現(xiàn)象，實(shí)際型孔重吸情形如圖2所示。為清除重吸種子，在清種區(qū)設(shè)置了清種裝置，其形狀類似于圓弧形鋸齒，且具有鋒利的邊緣，位于型孔附近。當(dāng)種盤回轉(zhuǎn)時(shí)，隨種盤回轉(zhuǎn)吸附于型孔周圍以及型孔之間的種子受到靜止的清種機(jī)構(gòu)阻擋，并與之發(fā)生碰撞，重吸種子在碰撞力作用下脫離型孔并下落至種子堆中，實(shí)現(xiàn)清種目的。

圖2 型孔重吸情形Fig.2 Situation of multiple seeds sucked on type hole

2.2 清種過程分析

種盤轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過充種區(qū)，型孔周邊會(huì)吸附多粒種子，每粒種子所占據(jù)的型孔面積各不相同，如圖3所示。種子被吸附時(shí)會(huì)覆蓋住型孔一部分，定義種子覆蓋住型孔的那一部分(沿型孔直徑方向)的長(zhǎng)度a1與型孔直徑d的比值為ki=a1/d。由于型孔和種子較小，則種子被吸附部分的面積Si近似為

(1)

圖3 種子被吸附占據(jù)型孔示意圖Fig.3 Schematics of seed adsorption occupation holes1.型孔 2.種子

經(jīng)過充種區(qū)的充種過程，種子被型孔吸住，并隨型孔運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)過一定角度到達(dá)攜種區(qū)。在攜種區(qū)的受力如圖4所示。

圖4 種子在攜種區(qū)受力分析Fig.4 Force analysis of seeds in seed-carrying area

Ff為種子受到的空氣阻力，可以忽略不計(jì)，種子不發(fā)生滾落、滑落，應(yīng)滿足受力平衡條件

(2)

式中P0——通過一個(gè)吸孔的吸力，N

Q——種子重力G和離心力J的合力，N

C——種子重心與種盤距離，mm

由吸力和真空度關(guān)系可得

(3)

式中Hc——?dú)馐艺婵斩龋琸Pa

由式(3)可知，真空度一定條件下，種子占據(jù)型孔面積越大，所受到的吸附力越大。

由余弦定理求出合力

(4)

式中α——G、J兩力之間夾角，(°)

將式(2)、(4)代入式(3)，求得

(5)

這是理想條件下得出的計(jì)算式，由文獻(xiàn)[16]可知，在實(shí)際工作中，排種器受種子之間的碰撞和外界環(huán)境振動(dòng)、沖擊等的影響，還需乘以吸種可靠性系數(shù)K1和工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)K2。 因?yàn)榉N子被種盤帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的離心力為

(6)

式中m——種子質(zhì)量v——型孔中心線速度

r——型孔所在半徑

聯(lián)立式(5)、(6)，可以得出在此臨界狀態(tài)下，種子穩(wěn)定在型孔中時(shí)ki為

(7)

圖5 比例系數(shù)ki隨型孔直徑和線速度變化曲面Fig.5 Changing curved surface of proportional coefficient ki depending on diameter and linear velocity of type hole

由式(7)可以看出，當(dāng)清種位置固定時(shí)，種子的體積與質(zhì)量越大，同時(shí)種盤轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度越快，所需ki越大；真空度與種盤型孔所在直徑越大，所需ki越小。給定氣室真空度Hc為3 kPa，α為60°，K1和K2均取2.0，種子質(zhì)量m為0.35 g，種子重心與種盤距離C為4.2 mm，繪制ki隨種盤線速度v、型孔直徑d的變化如圖5所示。

由圖5可知，ki隨種盤型孔中心線速度的增加變化不明顯，但隨型孔直徑的增大有明顯的降低，ki主要受型孔直徑的影響。由此可得重吸現(xiàn)象的本質(zhì)在于吸附過程中種子姿態(tài)或者尺寸的變化，導(dǎo)致吸孔不能完全密封，氣流通過不完全密封的型孔后，較強(qiáng)的吸附力會(huì)再次吸附種子，進(jìn)而導(dǎo)致重吸現(xiàn)象。由于型孔直徑已由文獻(xiàn)[9]確定，該排種器在型孔直徑4.5 mm下重播較多。清種過程可以理解為逐漸提高處于優(yōu)勢(shì)的某粒種子占據(jù)面積比例ki值的過程。因此，若能合理設(shè)計(jì)清種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)，改善清種性能，降低作業(yè)時(shí)的重播指數(shù)，便可以有效提高合格指數(shù)，實(shí)現(xiàn)排種器在8～14 km/h的速度范圍內(nèi)達(dá)到較高的播種精度。

3 清種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清種機(jī)構(gòu)是提高排種器分離精度的重要部件，通過清種機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)單粒分離的精密播種[17-19]。目前在排種器上應(yīng)用的清種裝置主要有彈性插板式、彈性杠桿式、鋸齒式、毛刷式、雙柱杠桿式及曲線形清種機(jī)構(gòu)等[20-22]。本設(shè)計(jì)采用氣吸式排種器常用的曲線鋸齒形清種機(jī)構(gòu)[2,22-23]。

3.1 清種機(jī)構(gòu)安裝位置

清種環(huán)節(jié)應(yīng)在充種穩(wěn)定后進(jìn)行，同時(shí)清種位置要保證清落的種子能夠順利落回充種區(qū)，同時(shí)保證不碰撞已吸附的種子，具體位置分析如圖6所示。

圖6 清種機(jī)構(gòu)安裝位置分析Fig.6 Analyses of installation position of seed cleaning mechanism

假設(shè)清種機(jī)構(gòu)的起始安裝位置位于O1點(diǎn)，由圖6可知

L1=rcosφ

(8)

(9)

式中φ——清種機(jī)構(gòu)的起始安裝位置所在角度，(°)

L1——型孔中心到圓心的水平距離，mm

L2——相鄰型孔中心到圓心的水平距離，mm

n——型孔數(shù)

清種機(jī)構(gòu)安裝位置應(yīng)確保相鄰型孔在水平位置上的尺寸留有足夠間隙，保證前一型孔種子z1掉落時(shí)不碰撞下一個(gè)型孔吸附的種子z2。因此，需保證種子間距La大于0，即L1-L2的值大于玉米最大尺寸。假設(shè)種子吸附位置都位于種子中心，根據(jù)文獻(xiàn)[9]玉米種子尺寸可知，玉米種子最大尺寸為14 mm，因此，清種機(jī)構(gòu)安裝位置應(yīng)滿足

(10)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，求得φ>52°。

3.2 鋸齒邊緣倒角設(shè)計(jì)

前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)清種機(jī)構(gòu)與玉米接觸的鋸齒邊緣倒角過大時(shí)，某些被清落的種子容易被支撐在倒角上，進(jìn)而碰撞下一個(gè)已被吸附的種子，造成漏播。因此，清種機(jī)構(gòu)鋸齒邊緣倒角應(yīng)能滿足清掉的種子順利滑落下去，掉落回至充種區(qū)，種子在清除掉落的瞬間與鋸齒邊緣接觸的受力情況如圖6所示。

種盤轉(zhuǎn)動(dòng)型孔中心線速度為

(11)

(12)

式中np——種盤轉(zhuǎn)速，r/min

vm——播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h

S——株距，mm

聯(lián)立式(11)、(12)可得

(13)

吸附的種子隨種盤轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過清種區(qū)經(jīng)清種鋸齒的碰撞發(fā)生掉落，設(shè)其質(zhì)心在O′點(diǎn)，種子從清種鋸齒上端滑落時(shí)，所受到的力為：重力G=mg，沿清種鋸齒斜面的摩擦力f=μN(yùn)，斜面對(duì)種子的支持力N，清種機(jī)構(gòu)鋸齒邊緣倒角為圖7中β，沿斜面加速度為aa，如圖7所示。

圖7 鋸齒邊緣倒角分析Fig.7 Analyses of chamfering of sawtooth edge

坐標(biāo)系XY方向如圖7c所示，X方向垂直于清種鋸齒傾斜角度的方向。Y方向?yàn)檠匦泵娣较颍瑢⒏髁ν队暗阶鴺?biāo)系XY上，得到受力平衡方程

mgcosβ-f=maa

(14)

mgsinβ=N

(15)

聯(lián)立式(14)、(15)可得

aa=g(cosβ-μsinβ)

(16)

式中μ——玉米種子與有機(jī)玻璃的摩擦因數(shù)

當(dāng)清除的種子掉落至清種鋸齒邊緣傾角上，為使下一個(gè)型孔吸附的種子與其不發(fā)生碰撞，應(yīng)滿足下落的距離S1大于種子能夠發(fā)生碰撞的最小尺寸14 mm。由此可得

(17)

(18)

式中t——種子運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)相鄰型孔的時(shí)間

將式(16)、(18)代入式(17)可得

(19)

參照文獻(xiàn)[24]μ=0.459，選取排種器設(shè)計(jì)最大作業(yè)速度14 km/h，代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得清種鋸齒邊緣倒角β<28°。

3.3 鋸齒數(shù)分析

鋸齒可以對(duì)種子產(chǎn)生連續(xù)的碰撞，進(jìn)而振落清除多余的種子，鋸齒數(shù)的增加會(huì)增強(qiáng)對(duì)種子的作用力，更容易剔除掉多余的種子。根據(jù)前期試驗(yàn)，選取4段鋸齒清種。

3.4 清種機(jī)構(gòu)曲線求解

清種機(jī)構(gòu)曲線的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足逐漸逼近吸種孔的擠壓原理，逐漸加大對(duì)種子的作用力，清除型孔周邊的多余種子[25]。

取連續(xù)清種4次，清種機(jī)構(gòu)兩端與圓心夾角θ為

(20)

曲線弧度可以看成兩條不等邊長(zhǎng)La和Lc連接起來的曲線，類似于橢圓，如圖8所示。

(21)

(22)

圖8 清種機(jī)構(gòu)曲線求解Fig.8 Solution of cleaning mechanism curve

(23)

聯(lián)立式(21)～(23)和橢圓一般方程，可得

(24)

又因?yàn)榍宸N機(jī)構(gòu)的A端作為清種過程結(jié)束的位置，應(yīng)能保證清種機(jī)構(gòu)能碰撞到占據(jù)型孔面積最小的種子，由此可得

e=d(1-ki)+rr

(25)

式中rr——與種盤型孔內(nèi)側(cè)邊緣相切的虛線圓的半徑，mm

由于排種器作業(yè)時(shí)受振動(dòng)的影響，再加上型孔直徑很小，可適當(dāng)減弱清種機(jī)構(gòu)占據(jù)型孔面積，由此可得

e=kid+rr

(26)

B端作為清種環(huán)節(jié)的起始位置，起到清除最易掉落的種子作用，因此，應(yīng)能保證最大尺寸種子邊緣碰撞到清種機(jī)構(gòu)，這是最低要求清種狀態(tài)，由此可得

Lc=rr-l

(27)

其中

l=L-kid

(28)

式中L——種子最大尺寸，mm

l——位于型孔外的玉米尺寸，mm

聯(lián)立式(21)～(28)化簡(jiǎn)求得與轉(zhuǎn)速、型孔數(shù)相關(guān)的清種機(jī)構(gòu)參數(shù)化方程

(29)

將式(7)代入式(29)可得參數(shù)化方程

(30)

為了能夠直觀說明曲線形狀，轉(zhuǎn)化成離心率E1進(jìn)行分析。

(31)

代入式(26)～(28)可得

(32)

將式(7)代入式(32)中可得

(33)

為了便于直觀分析，將式(33)導(dǎo)入Matlab中生成曲面圖，給定氣室真空度Hc為3 kPa，α為60°，θ為60°，K1取2.0，K2為2.0，種子質(zhì)量m為0.35 g，種子重心與種盤距離C為4.2 mm，種盤型孔內(nèi)側(cè)邊緣相切的虛線圓的半徑rr為67.75 mm，種子最大尺寸L為14 mm，分別分析種盤型孔中心線速度與種子尺寸、型孔中心線速度與種盤型孔內(nèi)側(cè)邊緣相切的虛線圓的半徑對(duì)離心率的影響，如圖9所示。由于種盤型孔內(nèi)側(cè)邊緣相切的虛線圓的半徑與種盤型孔半徑成正比關(guān)系，且型孔直徑較小，因此，以下分析以型孔所在半徑代替。

圖9 離心率分析圖Fig.9 Centrifugal analysis charts

從圖9可以看出，種盤線速度的增加對(duì)清種曲線的離心率幾乎沒有影響，但隨著種子尺寸和型孔所在半徑的變化影響較大。從圖9a可以看出，隨著種子尺寸的增加，離心率也在增加，清種機(jī)構(gòu)曲線所形成的橢圓越扁，且離心率增加趨勢(shì)在不斷減小；從圖9b可以看出，隨著型孔所在半徑的增大，清種機(jī)構(gòu)曲線形狀越接近于圓，且離心率減小的趨勢(shì)不斷降低。由此可知，種子尺寸和種盤型孔所在半徑是影響清種機(jī)構(gòu)曲線形狀的關(guān)鍵因素，而種盤線速度對(duì)清種曲線形狀幾乎沒有影響。

根據(jù)式(26)可知，排種器在設(shè)計(jì)工作時(shí)速6～14 km/h時(shí)的e值取值范圍為70.32～70.68 mm，考慮到作業(yè)速度提高時(shí)振動(dòng)情況和阻力，取中間值70.50 mm。在6～14 km/h作業(yè)速度范圍內(nèi)，Lc的取值范圍為56.32～56.68 mm，考慮到清種機(jī)構(gòu)應(yīng)逐級(jí)逼近種子，取Lc為56.35 mm。

將e=70.50 mm，Lc=56.35 mm，θ=60°代入式(24)，可得適用于所設(shè)計(jì)排種器的清種機(jī)構(gòu)曲線方程為

(34)

求得離心率為0.65。

4 清種機(jī)構(gòu)仿真分析

DEM-CFD氣固耦合仿真可以準(zhǔn)確分析清種機(jī)構(gòu)對(duì)種子顆粒的力學(xué)行為，模擬和記錄任一顆粒、任意位置的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即能夠精確地模擬清種過程[26-28]。

4.1 模型建立

根據(jù)上述對(duì)清種機(jī)構(gòu)理論優(yōu)化分析的結(jié)果，在SolidWorks中建立優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)三維模型，連同排種器簡(jiǎn)化模型裝配好后一起導(dǎo)入EDEM中，設(shè)置相關(guān)參數(shù)如表1所示[6]。

選取文獻(xiàn)[6]的網(wǎng)格模型和耦合設(shè)置相關(guān)參數(shù)，EDEM中簡(jiǎn)化模型如圖10所示。

4.2 仿真結(jié)果分析

清種過程是吸附于型孔周圍及型孔之間的種子隨種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，受到靜止的清種機(jī)構(gòu)的阻擋，并與之發(fā)生碰撞，重吸種子在碰撞力作用下脫離型孔并下落至種子堆中，實(shí)現(xiàn)單粒分離，達(dá)到清種目的[29]。

表1 模擬所需物理和力學(xué)特性參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters required for simulation

種子在清種機(jī)構(gòu)的碰撞下將破壞原有的隨型孔轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，碰撞的沖擊力將直接影響種子的破碎率。由動(dòng)量定理

ΔP=mvt-mv0

(35)

圖10 EDEM簡(jiǎn)化模型Fig.10 EDEM simplified model1.清種機(jī)構(gòu) 2.排種器簡(jiǎn)化模型 3.種子顆粒

式中 ΔP——?jiǎng)恿孔兓?/p>

vt——末速度v0——初速度

適當(dāng)減小種子速度變化量，進(jìn)而減小沖擊力，達(dá)到降低種子破碎率的目的。因此，種子速度的變化情況能夠反映種子受到的沖擊力。

由于仿真軟件限制和吸附過程的隨機(jī)性，無法提取所有吸附種子受力情況。因此，通過提取單粒種子的速度變化情況，得出清種機(jī)構(gòu)對(duì)種子的受力情況，這種情況對(duì)于多粒吸附的種子也會(huì)產(chǎn)生相同的碰撞趨勢(shì)，從側(cè)面反映出對(duì)多粒吸附種子的清種效果。本文設(shè)計(jì)的排種器為高速排種器，作業(yè)速度可達(dá)14 km/h，因此，以型孔中心線速度0.25 m/s為例進(jìn)行仿真，仿真選取3種玉米種子[30]，分別輸出其速度變化情況如圖11所示。

圖11 種子速度變化曲線Fig.11 Variation curves of seed velocity

從圖11可以看出，3種種子的速度首先急劇增加，然后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，最后趨于穩(wěn)定。這是由于種子在氣流的作用下迅速向型孔運(yùn)動(dòng)，吸附過程中的種子姿態(tài)不斷發(fā)生變化，迎風(fēng)面積的變化直接影響曳力大小，進(jìn)而導(dǎo)致速度的變化[24]。0.2 s時(shí)刻左右，種子與種盤型孔發(fā)生碰撞，速度迅速降低；受到撞擊的種子在型孔附近，隨型孔運(yùn)動(dòng)的同時(shí)不斷調(diào)整最佳吸附姿態(tài)，從而導(dǎo)致速度在種盤型孔線速度范圍內(nèi)不斷波動(dòng)，同時(shí)，被清種機(jī)構(gòu)清落的種子掉落過程中也會(huì)碰撞到已吸附的種子，改變被吸附種子的速度。隨后，0.8～1.1 s時(shí)刻之間，在清種機(jī)構(gòu)的碰撞下速度變化量不斷增加，說明清種機(jī)構(gòu)對(duì)種子的沖擊力逐漸增大，清種機(jī)構(gòu)曲線能夠很好起到逐級(jí)清種的作用。進(jìn)一步觀察不同種子速度波動(dòng)情況，發(fā)現(xiàn)速度的變化量順序?yàn)榇蟊庑巍⑿”庑巍㈩悎A形，這也符合種子尺寸的變化規(guī)律[9]。

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

前文對(duì)清種機(jī)構(gòu)曲線、鋸齒數(shù)、安裝位置、鋸齒邊緣倒角進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的清種效果和對(duì)不同品種的適應(yīng)性，本次試驗(yàn)分兩部分。首先，選取所設(shè)計(jì)的優(yōu)化前排種器和安裝有優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)的排種器進(jìn)行播種常用作業(yè)速度8、10、12、14 km/h的對(duì)比分析，探究?jī)?yōu)化前后的排種器能否在降低重播指數(shù)的同時(shí)，提高合格指數(shù)；對(duì)比試驗(yàn)選取中科11、鄭單958和中原單32共3個(gè)品種的玉米種子作為試驗(yàn)材料。

5.2 試驗(yàn)條件與方法

選用鄭單958未分級(jí)的種子，排種器安裝在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的排種器性能檢測(cè)儀上[31]。風(fēng)壓測(cè)定選取RE-1211型風(fēng)壓計(jì)，試驗(yàn)裝置如圖12所示。

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，每組試驗(yàn)采集251粒種子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每組重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果記錄分析，以重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)為排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)置理論株距為25 cm，吸種負(fù)壓為-3 kPa。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了直觀地體現(xiàn)出此次優(yōu)化的試驗(yàn)效果，將臺(tái)架試驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[6]中上代排種器試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成折線圖進(jìn)行分析，其合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)如圖13所示。

圖12 試驗(yàn)裝置Fig.12 Test device1.排種器性能檢測(cè)儀 2.排種器 3.RE-1211型風(fēng)壓計(jì) 4.導(dǎo)種管 5.清種機(jī)構(gòu)位置 6.清種機(jī)構(gòu)

圖13 優(yōu)化前后性能對(duì)比曲線Fig.13 Contrast charts before and after optimization

從圖13a可以看出，在各個(gè)速度條件下，優(yōu)化后的合格指數(shù)較優(yōu)化前有一定程度的提升，且隨著作業(yè)速度的增加，合格指數(shù)上升的幅度增加，其中，14 km/h高速作業(yè)條件下，合格指數(shù)可達(dá)92%；從圖13b可以看出，優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)對(duì)于重播指數(shù)降低十分顯著，且這種趨勢(shì)隨著速度的增加不斷提高，說明優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)能夠有效降低各個(gè)速度下的重播指數(shù)，在8～14 km/h作業(yè)速度下，重播指數(shù)不大于1.6%；從圖13c可以看出，漏播指數(shù)并沒有隨著重播指數(shù)的降低而升高，反而在維持原有漏播指數(shù)的水平下有小幅度的降低，說明設(shè)計(jì)的清種機(jī)構(gòu)能快速清落多余的種子，減少清除的種子和已被吸附種子之間的碰撞，進(jìn)而降低了漏播的可能，從圖13c可知，漏播指數(shù)不大于6.3%。由此可得：優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)能夠在降低重播指數(shù)的同時(shí)減少漏播，從而有效地提高了合格指數(shù)。

為了確保優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)能滿足不同品種的作業(yè)效果，選取中科11、鄭單958和中原單32這3個(gè)品種的玉米種子在相同的試驗(yàn)條件下，速度為14 km/h重復(fù)試驗(yàn)5次，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)對(duì)3個(gè)玉米品種的播種合格指數(shù)均達(dá)到91.3%。因?yàn)橹性瓎?2種子與另外2個(gè)品種尺寸差異較大，因而重播指數(shù)明顯高于另外2個(gè)品種。從驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)果看，所優(yōu)化設(shè)計(jì)的清種機(jī)構(gòu)能夠滿足精密播種的農(nóng)藝要求，而且對(duì)不同玉米品種的適應(yīng)性良好。針對(duì)尺寸差別較大的種子，可適當(dāng)根據(jù)清種機(jī)構(gòu)參數(shù)化模型，調(diào)整清種機(jī)構(gòu)尺寸，以達(dá)到較好的作業(yè)效果。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results %

6 結(jié)論

(1)針對(duì)氣吸式玉米排種器重播指數(shù)高和難以保證清種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性的問題，通過定義種子被吸附時(shí)占據(jù)型孔直徑的比值概念，建立了清種過程數(shù)學(xué)模型，分析了清種過程的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，得出種子穩(wěn)定在型孔中所需占據(jù)型孔直徑的比值隨種盤型孔中心線速度變化不明顯，但隨型孔直徑的增大明顯降低；以玉米種子為模型，分別對(duì)清種機(jī)構(gòu)安裝位置、鋸齒邊緣倒角、清種曲線進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，建立了適于氣吸式排種器清種機(jī)構(gòu)的參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，并分析得出影響清種機(jī)構(gòu)形狀的關(guān)鍵因素為種子尺寸和種盤型孔所在半徑，種盤線速度對(duì)清種曲線形狀幾乎沒有影響。

(2)采用DEM-CFD耦合仿真的方式分析了清種機(jī)構(gòu)對(duì)種子顆粒的沖擊力，利用動(dòng)量定理將種子受到的沖擊力轉(zhuǎn)化為速度的變化量，通過提取種子速度變化指標(biāo)，模擬驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的清種曲線能夠起到很好的逐級(jí)清種作用，并得出種子所受清種沖擊力大小順序?yàn)榇蟊庑巍⑿”庑巍㈩悎A形。

(3)采用優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)與上代排種器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，在風(fēng)壓為-3 kPa、作業(yè)速度8～14 km/h時(shí)，優(yōu)化后的排種器合格指數(shù)不小于92%，重播指數(shù)不大于1.6%，漏播指數(shù)不大于6.3%；優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)能夠在降低重播指數(shù)的同時(shí)減少漏播，有效地提高了合格指數(shù)；且優(yōu)化后的清種機(jī)構(gòu)對(duì)不同玉米品種的適應(yīng)性良好。