氣吸式排種器導種裝置仿真分析及試驗研究

李渤海,衣淑娟,牟忠秋,陶桂香,毛 欣

(黑龍江八一農墾大學 工程學院,黑龍江 大慶 163319)

0 引言

影響玉米產量的因素有很多,如水分、土壤、化肥、氣候、玉米種子質量的優劣和先進的玉米栽培技術等[1]。然而,縱觀整個玉米生產過程,除了以上外在環境及自身因素影響外,最重要的影響因素之一是播種質量。玉米免耕播種作業過程中,種子的運動速度是影響播種質量的主要因素之一,速度的快慢決定了排種的效率。研究表明：隨著排種盤轉速的增加,種子在導種管中的軌跡變得越發復雜,可控性降低,同時排種株距的均勻性也大大降低[2]。

本文以導種管為研究對象,借助Edem軟件模擬種子在排種過程的運動情況[3],通過改變玉米種子在導種管的初始速度達到排種盤轉速不同的效果,分析種子在導種管中的運動軌跡及運動速度,得到玉米種子不同轉速下的運動規律[4];再利用高速攝像技術對試驗臺上的排種器進行在線拍攝,通過Tema軟件和Excel軟件對拍攝的視頻進行分析和繪制,得出玉米種子的軌跡擬合方程以及方程的相關系數。

1 導種管的仿真分析

1.1 導種管的形狀

采用圓弧與多段線相切的導種管,整個排種管的高度為430mm,寬度為60mm,厚度為50mm具體形狀尺寸如圖1所示。

圖1 導種管模型Fig.1 Model of seeding tube

1.2 Edem中仿真前處理

1.2.1 種子模型

通過對玉米種子的外形輪廓進行三維測繪,統計100粒玉米種子并將得到的三維模型長、寬、高數據取其平均值;采用SolidWorks軟件繪制出玉米種子的三維模型,將模型導出為x_t格式的文件,在Edem軟件中導入x_t格式的玉米種子模型,將其設定為模板,進入顆粒填充界面;采用Edem中的小球顆粒進行填充,總共采用了33個小顆粒替換[5],具體如圖2所示。

圖2 玉米種子仿真模型Fig.2 Corn seed simulation model

在設置好種子模型后,導入SolidWorks軟件繪制好的導種管模型,調整好到導種管的安裝角度,保存數據。

1.2.2 仿真參數設定

在進行Edem仿真開始前,需要先確定相關材料的屬性及在仿真過程中所涉及的相關參數。查閱相關資料,結合試驗材料得到相關的試驗數據,具體參數如表1所示。

表1 材料力學特性Table 1 mechanical properties of materials

參考表1中的數據,將相關材料參數設定到Edem材料屬性中,添加材料間的接觸屬性,在接觸模型上,采用默認的Hertz-Mindin(no slip)built-in模型。設定重力加速度沿著z軸負方向9.81m/s2,如圖3所示。

(a) 導種管參數

1.2.3 顆粒工廠設置

仿真前,在導種管的上方近似排種盤投種的位置建立一個虛擬的box,用于模擬排種盤投種玉米種子的狀態。為了更加符合實際播種場景,采用動態顆粒工廠模式隨機生成10粒/s玉米籽,總共生成20粒玉米籽,設定種子下落的初速度為條件變量[6]。

1.2.4 仿真計算設置

進入Edem仿真界面,初步取仿真的步長為1.2×10-6s,仿真總時間為3.0s,同時每隔0.01s保存數據一次,設定計算網格的尺寸為3Rmin,調整仿真界面視圖。

1.2.5 仿真數據導出

進入到Edem的后處理面板,在Selection面板中挑選相應的玉米顆粒。進入到數據導出界面,選擇需要導出數據的軌跡坐標,以及相應的速度大小,具體如圖4 所示。

(a) 速度導出

1.3 仿真結果分析

1.3.1 軌跡分析

觀察仿真的玉米種子軌跡,將得到的軌跡數據導出,運行origin軟件繪制相應的下落軌跡圖,如圖5所示。

圖5 導種管中玉米種子軌跡Fig.5 Trajectory of corn seeds in seed guide tube

從軌跡圖中可以看到：隨著排種盤轉速的增加,種子在水平方向上的位移也在逐漸增加,與圓弧部分接觸的點滯后,而軌跡在圓弧接觸后變得相對平緩,波動降低,整體穩定沿著導種管口排出;種子在整個下落過程中所需的時間基本上是一致的,在310～320ms之間,可知種子在導種管中的運動時間與排種盤給定的速度無關;隨著轉速的增加,種子在水平方向的偏移也在增加,當排種盤的轉速大于27r/min時,種子在水平方向上的位移出現大幅度的偏移。將某時刻不同轉速時種子的運動軌跡圖導出,如圖6所示。

(a) 17r/min (b) 21r/min (c) 24r/min (d) 27r/min (e) 30r/min圖6 導種管中種子分布圖Fig.6 Seed distribution in the guide tube

結合種子的運動軌跡及在導種管中某一時刻的分布情況可以得出：種子在直線部分是沿著導種管內做平拋運動;當種子接觸到導種管底部圓弧部分時,軌跡發生改變,沿著圓弧切線方向運動;隨著排種盤轉速增加,種子會滯后與導種管曲線部分接觸。

通過觀察種子在導種管的運動情況可知,種子在導種管中運動情況基本符合佟超研究中的又滾又滑模型,其運動微分方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

由定積分的初始條件t=0、x=0、y=0得種子在出口處的速度為

(5)

式中x—種子從出口到入口水平方向的距離 m;

y—種子從出口到入口豎直方向的距離(m);

v0—種子入口速度(m/s);

g—重力加速度,取9.81m/s2;

μ—種子與導種管的摩擦因數。

由式(5)可知：當導種管固定不變時,種子的運動落地速度是均勻變動的,與種子入口速度成正比。

1.3.2 速度分析

Edem后處理面板中分別將單個顆粒的平均速度按照時間順序進行導出,將導出的數據取平均值,分別得到5個水平下種子的水平速度,如圖7所示。

圖7 不同轉速下種子速度與時間關系圖Fig.7 Relation diagram of seed speed and time at different rotating speeds

由圖7可知：速度是間斷變化的,首先種子由顆粒工廠產生以一定的初速度運動進入到導種管內,并保持相同的速度沿著導種管內壁下落,途中會與導種管發生接觸碰撞;當種子到達導種管的圓弧部分時,速度發生劇烈變化;隨著排種盤轉速的增加,種子與導種管的接觸碰撞就會滯后,種子在水平方向速度的振蕩幅度也在增加;當排種盤轉速大于27r/min時,種子在二次振蕩中幅度也在增加,而隨著轉速繼續增加,種子會持續振蕩,直至沿著導種管口彈出;最終種子落地的水平速度變化較為明顯,此時有可能得到與機車前進速度大小相等、方向相反的水平分速度,進而實現零速投種。

2 試驗

2.1 試驗材料與設備

試驗所選用的排種器型孔數為33孔,孔徑為6mm,導種管型號跟仿真一致總長為430mm,寬度為60mm,厚度為50mm。測試設備采用JPS-12型試驗臺,具體如圖8所示。

圖8 現場試驗圖Fig.8 Test chart

2.2 結果與分析

圖9為不同轉速條件下,玉米種子落入導種管時位置圖。

(a) 17r/min (b) 21r/min (c) 24r/min (d) 27r/min (e) 30r/min圖9 導種管中種子分布圖Fig.9 Seed distribution in the guide tube

由圖9可知：排種盤轉速為17r/min時,玉米種子緊貼導種管直線部分下滑;當排種盤轉速為21r/min時,玉米種子與導種管直線部分有少于偏離,隨著排種盤轉速的依次增加,種子偏離導種管直線部分越來越遠;當排種盤轉速大于27r/min時,種子水平位移出現大幅度的偏移,試驗結果與仿真結果保持一致。

為了更加直接觀察到不同排種盤轉速的投種軌跡變化規律,通過TEMA軟件的建模、分析,可以直接導出在不同排種盤轉速時玉米種子的投種X、Y的位移坐標值,再利用Excel軟件求出不同轉速時玉米種子的投種軌跡圖及軌跡公式。以種子下落水平位移為X軸,以豎直位移為Y軸,玉米種子從排種盤下落到接近導種管曲線部分的軌跡,如圖10所示。

圖10 不同排種盤轉速玉米種子的落種軌跡Fig 10 Seeding trajectory of maize seeds at different locomotive forward speed

由圖10可知：不同排種盤轉速條件下玉米種子的運動軌跡呈拋物線型,具體的擬合方程及方程的相關系數如表2所示。

表2 落種軌跡擬合方程及方程的相關系數

方程的相關系數分別為R172=0.9997,R212= 0.9975,R242= 0.9997,R272= 0.9999,R302= 0.9996。各擬合方程的相關系數均大于0.99,玉米種子運動軌跡擬合度很好。

3 結論

1)當種子以一定的初速度落入導種管后,會以一定的水平初速度沿著導種管內壁運動,隨著轉速的增加,種子與導種管的接觸碰撞就會滯后,種子水平偏移量會逐漸增加,影響種子的運動軌跡與落地速度。

2)當排種盤的轉速不超過27r/min時,排種效果較好,水平方向的位移偏移量較少,種子的整體速度變化較為平緩,可以保證種子沿著導種管內壁平滑排出,排種較均勻。

3)隨著排種盤轉速的增加,落地的水平速度逐漸增加,當排種盤的轉速超過27r/min時,在導種管速度變化劇烈,落地的水平速度也較大,有可能實現零速排種。

4)當排種盤的速度高于30r/min時,排種的效率提高,但會出現碰撞現象,因此可以通過改變導種管的曲線形狀或安裝角度來減少碰撞數量,提高排種的效率。

5)利用高速攝像技術進行在線拍攝得出：隨著排種盤轉速增加,種子水平的偏移量越來越大,但種子到達地面的時間基本上是一致的,試驗結果與仿真一致。

6)在相同條件下,建立了排種盤轉速分別為17、21、24、27、30r/min時與各自的豎直和水平位移之間的關系,并利用Tema軟件和Excel軟件得出種子的擬合方程及方程相關系數,相關系數均大于99%。