窩眼輪式小麥排種器參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

張恒榜,趙 健,胡廣銳,卜令昕,王志偉,齊 闖,韓 冰,陳 軍

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100)

0 引言

小麥小區(qū)育種機(jī)械的核心工作部件是排種器,排種器的排種性能與播種質(zhì)量密切相關(guān)[1-5]。按照小麥排種器的工作原理,主要有氣力式和機(jī)械式。氣力式排種器的研究雖然較多[6],但存在對(duì)風(fēng)機(jī)安裝密封性要求較高、耗功率大、機(jī)器過于沉重等問題,不適用于小區(qū)播種機(jī)上。機(jī)械式排種器是目前小區(qū)播種機(jī)應(yīng)用較多的類型。孫永海[7]等設(shè)計(jì)了一種傾斜輪孔式小麥精密排種器,實(shí)現(xiàn)了小麥種子依次排隊(duì),提高了播種效率。侯玲玲[8]等設(shè)計(jì)了一種充種溝式精密排種器,大大降低了重播率。張波屏[9]設(shè)計(jì)了一種限量刮種器,顯著降低了種子破碎率。蹇興東[10]設(shè)計(jì)了一種滾筒式小麥單粒精密排種器,將種子破碎率控制在0.49%以內(nèi)。劉俊峰[11]等設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充種垂直輪式小麥精量排種器,其內(nèi)窩定量孔的結(jié)構(gòu)和護(hù)種起始角的確定分別解決了定量和傷種的問題。趙曉坤[12]等設(shè)計(jì)了一種清種片,其在排種器內(nèi)有可靠的定位,不會(huì)卡到充種槽而變形,保證了清種的穩(wěn)定性。張宇文[13]等利用推種輪和排種輪嚙合方式強(qiáng)制推種,解決了窩眼輪式排種器型孔易堵塞的問題。上述研究表明,通過改進(jìn)限量刮種器和型孔結(jié)構(gòu),可以降低破碎率,提高排種器性能,且采用豎立充種方式,可以顯著降低機(jī)械式排種器傷種概率。

本文結(jié)合小麥育種農(nóng)藝要求,針對(duì)“西農(nóng)223號(hào)小麥”,基于窩眼輪式排種工作原理,采用小麥豎立充種方式,設(shè)計(jì)一種窩眼輪式精密排種器,并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn),旨在對(duì)其結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成及特點(diǎn)

由于小麥種子呈長(zhǎng)紡錘型,外形不規(guī)則,氣力式原理排種器技術(shù)復(fù)雜、加工精度要求高,而機(jī)械式原理排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定,因此采用外窩眼輪式精密排種器。該排種器主要包括以下8個(gè)部分:外殼、端蓋、滾動(dòng)軸承、毛刷、排種輪、清種細(xì)鐵絲、扭轉(zhuǎn)彈簧及支桿,如圖1所示。其特點(diǎn)是:螺栓將毛刷固定在排種器外殼上,清種細(xì)鐵絲纏繞在排種輪工作表面的凹槽內(nèi),并通過螺栓固定在排種器外殼上;排種輪內(nèi)嵌于排種器外殼中,滾動(dòng)軸承過盈安裝在排種輪上,滾動(dòng)軸承的外圈過盈安裝在排種器外殼和排種器端蓋內(nèi),扭轉(zhuǎn)彈簧安裝在排種器外殼內(nèi)的支桿上;排種器外殼和端蓋通過螺栓連接,排種輪上有型孔,排種器外殼內(nèi)與排種輪型孔相對(duì)的圓弧切槽對(duì)型孔內(nèi)的種子起到一定的保護(hù)作用。一般情況下,相同直徑的排種輪其圓周上分布的型孔數(shù)越多,充種區(qū)的帶動(dòng)層顆粒波動(dòng)性越大,型孔在充種區(qū)充入種子的機(jī)率越大,充種性能越好。合理的型孔結(jié)構(gòu)和幾何尺寸,不僅能夠保障排種器良好的充種和排種性能,且可以保障排出的種子粒距均勻,顯著地降低種子重播漏播現(xiàn)象。因此,排種輪型孔結(jié)構(gòu)為“柱身球底”,在型孔中間拉伸切除一個(gè)圓環(huán)槽用來安放清種細(xì)鐵絲,并在型孔口處設(shè)置導(dǎo)槽。型孔口處的前導(dǎo)槽用來導(dǎo)種,有利于種子充入窩眼型孔,提高排種器的充種性能;型孔口處的后導(dǎo)槽用來導(dǎo)種,有利于窩眼型孔再進(jìn)入護(hù)種區(qū)毛刷將型孔口處多余的種子刮去,避免種子重播現(xiàn)象。型孔口內(nèi)的圓環(huán)切槽安放的清種細(xì)鐵絲,可保證在投種區(qū)時(shí)小麥種子在相同的高度下,在清種細(xì)鐵絲強(qiáng)制推動(dòng)作用下脫離出型孔,完成排種。保障一致的投種高度有利于提高粒距均勻性,從而提高排種器的性能。型孔輪式排種器排種輪直徑取值范圍一般為80～260mm,綜合考慮排種器的結(jié)構(gòu),播種粒距、型孔數(shù)量、播種效率及裝配問題等因素,設(shè)計(jì)的排種輪直徑選擇95mm、寬度為10mm。排種輪上型孔數(shù)量的多少與排種輪的直徑有關(guān),且排種輪上型孔數(shù)量對(duì)排種器的充種性能影響很大。排種輪上分布的型孔數(shù)量與排種輪的直徑成正比變化,當(dāng)排種輪直徑一定的情況下,可以通過增加排種輪上型孔數(shù)量、適當(dāng)降低排種輪轉(zhuǎn)速,來提高排種器的充種性能;反之,排種輪上型孔數(shù)量減少時(shí),種子充入型孔的幾率變低,造成漏播的現(xiàn)象越嚴(yán)重。為了保證每個(gè)窩眼型孔內(nèi)中能容納一粒種子,本研究采用一種單粒窩眼輪式精量排種器。

1.外殼 2.端蓋 3.滾動(dòng)軸承 4.毛刷 5.排種輪

1.2 工作原理

窩眼輪式精密排種器工作過程主要分為4個(gè)階段,即充種階段、清種階段、護(hù)種階段和排種階段。如圖2所示:將該排種器固定在機(jī)架上,排種輪通過與其相連的外界動(dòng)力傳輸裝置轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)排種輪轉(zhuǎn)動(dòng);當(dāng)排種輪上的窩眼型孔在軸桿轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下到達(dá)排種器外殼上部充種區(qū)域時(shí),由于種子的重力和種群的作用,小麥種子進(jìn)入型孔槽內(nèi),型孔完成充種過程;當(dāng)排種輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)上面毛刷的位置時(shí),裝備的毛刷可以刮去型孔口處多余的種子,使每個(gè)型孔最多容納一粒種子,隨即種子進(jìn)入護(hù)種區(qū),保護(hù)型孔內(nèi)的種子滑出型孔;排種輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)至底部排種區(qū)域時(shí),種子靠自身重力和細(xì)鐵絲的推力從排種輪型孔里落下,完成排種;排種輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)到充種狀態(tài),往復(fù)循環(huán),實(shí)現(xiàn)排種器連續(xù)排種作業(yè)。

圖2 排種器工作原理圖

2 離散元優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 離散元仿真

排種器的充種性能,對(duì)排種器的排種精度性能影響很大,本章節(jié)通過利用離散單元法對(duì)排種器充種過程進(jìn)行分析,利用SolidWorks軟件對(duì)排種器各個(gè)部件建模,將模型IGS文件導(dǎo)入EDEM中,并建立仿真種子顆粒模型;對(duì)排種器充種過程進(jìn)行仿真分析,為排種器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供依據(jù);通過模擬仿真小麥種子顆粒模型在排種器的運(yùn)動(dòng)情況,進(jìn)行排種器充種各個(gè)階段的動(dòng)態(tài)分析。利用EDEM主要針對(duì)小麥顆粒模型在排種器內(nèi)部的充種情況進(jìn)行仿真分析,為了提高運(yùn)算速率,采用簡(jiǎn)化后的排種器結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析,簡(jiǎn)化后的排種器只剩下排種輪和排種器殼體。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[14-15],定義材料參數(shù)如表1所示。小麥種子模型如圖3所示。設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為2.78×10-7s,仿真時(shí)間為10s,仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 材料參數(shù)

圖3 小麥種子模型

圖4 仿真結(jié)果

2.2 排種器優(yōu)化

由圖4可知:排種輪上的窩眼孔進(jìn)入充種區(qū)時(shí),并未立即完成充種過程,有的窩眼型孔則是在排種區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間才完成充種過程,有的型孔甚至在充種區(qū)內(nèi)沒有完成充種,直接進(jìn)入護(hù)種環(huán)節(jié),導(dǎo)致種子充種率下降,在排種過程產(chǎn)生漏播。為了提高排種器的充種率,在排種器殼體內(nèi)出現(xiàn)空穴的位置加裝扭轉(zhuǎn)彈簧,在排種器運(yùn)動(dòng)的過程中,通過扭轉(zhuǎn)彈簧的彈力將架空處的種子的平衡破壞掉,增加充種區(qū)種子的波動(dòng)性,提高排種器的充種效率。通過仿真的運(yùn)動(dòng)過程可以得知:小麥顆粒模型會(huì)隨排種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)向排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng),形成向一側(cè)堆積的現(xiàn)象,在排種器排種過程會(huì)出現(xiàn)“架空”起拱現(xiàn)象,導(dǎo)致充種區(qū)充種率降低。根據(jù)離散元仿真可知,窩眼數(shù)量、端面間距、排種輪轉(zhuǎn)速顯著影響排種器排種效果,且當(dāng)窩眼數(shù)量為37～39個(gè)、端面間距為4.5～5.5mm、排種輪轉(zhuǎn)速為18～22r/min時(shí),能滿足粒距合格率大于90%、種子重播率與種子漏播率小于5%的排種要求。端面間距示意圖如圖5所示。

圖5 端面間距示意圖

3 排種器性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

采用“西農(nóng)223號(hào)小麥”為試驗(yàn)材料,根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[16-20],確定試驗(yàn)指標(biāo)為粒距合格率y1、種子重播率y2、種子漏播率y3。根據(jù)仿真結(jié)果,確定各影響因素的取值范圍為:窩眼數(shù)量為37～39個(gè)、端面間距為4.5～5.5mm、排種輪轉(zhuǎn)速為18～22r/min。該試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[21-23],試驗(yàn)因素編碼如表2所示。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示,共進(jìn)行17組試驗(yàn),每組試驗(yàn)進(jìn)行5次,取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為該組試驗(yàn)結(jié)果。

表2 因素編碼

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過Design-Expert軟件分析,可得粒距合格率模型P<0.000 1,說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。在各因素中,窩眼個(gè)數(shù)對(duì)粒距合格率影響最大,其次是端面間距,最小是排種輪轉(zhuǎn)速。粒距合格率方差分析如表4所示。

表4 粒距合格率方差分析

同上,可得種子重播率模型P<0.000 1,說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;在各因素中,窩眼個(gè)數(shù)對(duì)種子重播率影響最大,其次是端面間距,最小是排種輪轉(zhuǎn)速。種子重播率方差分析如表5所示。

表5 種子重播率方差分析

同上,也可得種子漏播率模型P<0.000 1,說明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義;在各因素中,排種輪轉(zhuǎn)速對(duì)種子漏播率影響最大,其次是窩眼個(gè)數(shù),最小是端面間距。種子漏播率方差分析如表6所示。

表6 種子漏播率方差分析

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

采用Design-Expert軟件獲得最佳參數(shù)組合:窩眼數(shù)量為38.20個(gè),端面間距為4.96mm,排種輪轉(zhuǎn)速為19.96r/min。為消除驗(yàn)證試驗(yàn)中的隨機(jī)誤差,考慮驗(yàn)證模型可靠性方便和實(shí)際操作的便利,將上述參數(shù)取整后進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,取整后的參數(shù)為:窩眼數(shù)量為38個(gè)、端面間距為5mm、排種輪轉(zhuǎn)速為20r/min。采用上述參數(shù)組合重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn),臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明:粒距合格率為95.92%,種子重播率為2.50%,種子漏播率為1.58%。

5 結(jié)論

1)為了改善小區(qū)小麥精密排種器不均勻排種及重播漏播現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了一種窩眼輪式小麥精密排種器。

2)采用了三因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn),建立了粒距合格率、種子重播率、種子漏播率與窩眼數(shù)量、端面間距、排種輪轉(zhuǎn)速三因素之間的數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行正交試驗(yàn)。分析了各因素對(duì)種子重播率、粒距合格率、種子漏播率的影響,確定了各因素的最佳參數(shù)組合:窩眼數(shù)量為38個(gè)、端面間距為5mm、排種輪轉(zhuǎn)速為20r/min,并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn),結(jié)果表明:粒距合格率為95.92%、種子重播率為2.50%、種子漏播率為1.58%,為窩眼輪式小麥精密排種器的研發(fā)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。