定擾動輔助充種大豆排種器設計與試驗*

孟華，王茜，李曉紅，，李赫，余永昌

(1.商丘工學院機械工程學院,河南商丘,476000;2.河南農業大學機電工程學院,鄭州市,450002)

0 引言

大豆不僅是植物蛋白、食用油脂和蛋白飼料的主要來源[1-3],而且還含有多種具有獨特生理功能的活性物質,如大豆異黃酮、大豆多肽、大豆磷脂等,具有抗腫瘤、降血脂、預防心血管疾病等作用[4]。

在大豆生產過程中,播種機是實現農作物機械化生產過程中的重要手段之一,也是保證產量的主要方式[5-8],排種器作為播種機械的核心部件,是保證播種粒距均勻性的重要手段。國內學者對大豆單粒精量排種器進行了大量研究,目前大豆播種機主要使用氣力式和機械式兩大類排種器[9-13]。在實際生產過程中,這兩種排種器結構復雜,或能耗大或加工要求高,價格普遍偏高。機械式中的水平圓盤排種器具有囊種性能較好、結構簡單、便于制造、工作可靠等優點[14]。國外對水平圓盤式排種器的研究較早,主要應用在棉花、玉米等作物播種機上[15-16]。Shein等[17]改進當時現有的水平圓盤式排種器,使之能夠適應多作物播種。Singh等[18-19]根據種子的幾何尺寸等參數,對水平圓盤式排種器的型孔參數進行優化設計。在國內,梁天也等[20]對水平圓盤排種器清種裝置進行優化,降低了種子破碎率和漏播率,大幅度提高了排種性能。趙武云等[21]在設計玉米精量穴播機時,采用了水平圓盤式的精量排種器。廖慶喜等[22-24]以種子尺寸為研究對象,采用了水平圓盤式排種器進行了相關試驗,確定了排種器的最佳參數,提高了播種機的工作性能。劉艷芬等[25]結合玉米種子的幾何尺寸,對水平圓盤式玉米排種器的型孔結構等進行優化設計,提高了對不同品種的玉米種子的適應性。

同時,相關學者為了提高排種器的充種性能,增加種子在排種器內的活躍度,對排種器進行優化改進。都鑫等[26]在排種器設計過程中增加了擾動條;李玉環等[27]在勺輪式排種器的基礎上增加了“Y型”導種槽。丁力[28]、李洪昌[29]在排種器設計時增加了型孔凸臺對種子群進行擾動。

因此,本文設計了一種定擾動輔助充種大豆排種器,通過固定擾動環對種子群的擾動,增加其活躍度,提高型孔充種性能,以期為大豆精量播種技術的研究和發展提供參考。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

定擾動輔助充種大豆排種器整體結構主要由殼體、排種盤、擾種環、毛刷、排種管、底座等組成,如圖1所示。

圖1 排種器總體結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the seed metering device1.殼體 2.擾種環 3.清種毛刷 4.排種管 5.排種軸 6.排種盤

1.2 工作原理

排種器作業過程分為充種、清種和投種3個階段,如圖2所示。工作時,動力通過排種軸帶動排種盤逆時針方向轉動,種子群受到排種盤的離心力作用向排種盤邊緣運動,擾動環能夠對靠近排種盤邊緣的種子群進行擾動,使種子的活躍度(流動性)增加,在離心力、摩擦力和擾種環的共同作用下,種子能夠順利進行型孔,完成充種。由于種子群分布在排種盤的邊緣處,當攜種型孔即將運動至投種口上部時,在清種毛刷的作用下使型孔周圍的種子遠離型孔,只保留型孔及周圍只有1粒種子,完成清種。清種后,型孔攜帶種子運動至投種口上部,種子在自重作用下,從投種口進入排種管,完成排種。該排種器增加了擾動結構,改善了種子群在排種器內的充種性能,提高了排種合格率。

圖2 排種器工作原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the seed metering device1.擾種環 2.排種盤 3.型孔 4.種子 5.殼體

2 關鍵結構與參數設計

2.1 排種盤結構與參數

2.1.1 排種盤結構

排種盤是影響充種性能的核心部件,排種盤為斜面、型孔組合組成,如圖3所示。

圖3 排種盤結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the seed metering tray1.排種盤 2.型孔 3.排種軸孔

相關研究表明,在相同作業速度下,當排種盤直徑過小時,相對應的排種器轉速較大,不利于種子充入型孔,易造成漏播;當排種盤直徑過大時,排種器尺寸、質量、成本增加。根據農業機械設計手冊[30],并參考市場上常用的水平圓盤式排種器,排種盤直徑主要在180～220 mm,因此,選取該排種器的排種盤外徑D為200 mm。

2.1.2 型孔尺寸參數

型孔的結構形式、尺寸、種子趨近型孔的姿態、種子在型孔中的排列狀態和穩定程度都直接影響排種精確性[31]。本文以邯豆13大豆種子為研究對象[32],隨機選取100粒大豆種子,對其長l、寬w、厚d進行統計,其中：種子長度l均值為8.46 mm;種子寬度w均值為7.31 mm;種子厚度d均值為6.27 mm。

大豆種子的外形屬于橢球類,在排種器型孔內的姿態主要有“切向”“徑向”和“直立”(切向：種子長度方向在型孔內與排種盤半徑方向相切;徑向：種子長度方向在型孔內與排種盤半徑方向相同;直立：種子長度方向在型孔內與排種盤水平面相垂直)3種[25],其中“徑向”“切向”姿態最穩定。為確保型孔充入單粒種子,根據種子的充種姿態對型孔的尺寸參數進行分析,如圖4所示。

(a) 切向

排種盤型孔尺寸是影響排種質量的關鍵因素,型孔尺寸過大時,易造成重播;型孔尺寸過小,易造成漏播。故在對型孔參數設計時,應根據種子的幾何參數與型孔的結構參數進行分析。

當種子處于“切向”姿態時,型孔的長L、寬W、高H應為

(1)

當種子處于“徑向”姿態時

(2)

當種子處于“豎立”姿態時

(3)

由邯豆13大豆種子幾何尺寸代入式(1)～式(3)計算,選取型孔長度L為9 mm、寬度W為5 mm、高度H為9 mm。在設計過程中,為盡可能降低種子播種過程中受到損傷,根據相關研究[19],選取排種盤型孔結構為倒圓角。

2.2 擾種環結構與參數

2.2.1 擾種環結構

當排種盤轉速較低時,種子群在排種盤邊緣靠近型孔處易形成力鏈[33],力鏈相互銜接結拱,使種子群活躍度降低造成漏充;當排種器轉速過高時,型孔在通過種子群的過程中速度較高,充種時間較短,易造成漏播。為提高排種器的充種性能,在排種盤內側設置有固定擾種環,通過擾種環對型孔周圍的種子群進行碰撞,增大種子群活躍度的同時降低種子群力鏈的形成,從而提高充種性能,擾種環的結構如圖5所示。

圖5 擾種環結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the scrambling ring structure1.擾種片 2.連接桿 3.擾種圓環 4.螺栓安裝孔

2.2.2 擾種片的角度參數

當排種盤轉動時,種子群與擾種片發生碰撞,在增大種子群活躍度,同時擾種環上的擾種片的角度對種子充入型孔也有著一定影響。以擾動片長度方向的中心線與半徑方向形成的不同角度進行分析,選取擾動片長度方向的中心線與的安裝角度分別為-45°、0°和45°,如圖6所示。

圖6 擾動片角度俯視示意圖Fig.6 Schematic diagram of the top view of the perturbation plate angle

為便于分析,以靠近型孔的單粒種子為研究對象,忽略其他種子對其的影響,擾種片在不同角度條件下對種子充入型孔過程力學方向的變化如圖7～圖9所示。以擾種片-45°為例,隨著排種盤的轉動,擾種片對種子的作用主要分為3個階段：種子與型孔外壁接觸、種子開始進入型孔、種子完全進入型孔。從圖7～圖9可知,隨著排種盤的轉動,擾種片對種子的作用力的方向隨之發生變化,使種子能夠更好地充入型孔,說明擾種片在增大種子群活躍度的同時能夠提高排種器的充種性能。

圖7 擾動片為-45°時對種子的力學分析Fig.7 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is -45°

圖8 擾動片為0°時對種子的力學分析Fig.8 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is 0°

圖9 擾動片為45°時對種子的力學分析Fig.9 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is 45°

2.2.3 擾種環的尺寸參數

擾種環對種子起到輔助充種作用的條件主要有：擾種圓環的半徑和擾種片的尺寸。由邯豆13大豆種子的尺寸可知,種子的長度均值為8.55 mm,因此擾種片的長度Lr應為

l≤Lr≤2l

(4)

式中：Lr——擾種片的長度,mm;

l——種子的長度均值,mm。

因此選取中間值,即擾種片長度Lr為13 mm。

由于擾種片的角度不同,當擾種環的半徑不變時,擾種片與型孔外壁的最小間隙不同,故擾種片在三種角度下即不能與型孔外壁接觸干涉,也不能間隙過大,使種子從兩者之間穿過,則擾種片與型孔外壁的間隙s應為

(5)

式中：R——擾種環半徑,mm;

D——排種盤直徑,mm;

s——擾種片與型孔外壁的間隙;

t——種子的厚度均值,mm。

通過計算可得82.65 mm

3 離散元模擬試驗

3.1 參數設置

利用EDEM軟件對定擾動輔助充種排種器進行虛擬仿真,并進行相關參數設置。設置顆粒與顆粒、顆粒與幾何體的接觸模型、排種器的材料、大豆種子和尼龍塑料之間的泊松比、剪切模量和密度等,如表1所示。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

3.2 顆粒模型及幾何模型建立

根據對邯豆13大豆種子三軸尺寸的均值作為種子的模型參數,采用多球面填充的方法,使種子顆粒與實際種子的輪廓相吻合。同時簡化排種器的結構,將不必要的零件去除,保留核心零件,并對其重新命名和參數設定。在仿真過程中設置顆粒生成數為300個,生成速率為5 000個/s,顆粒類型為正態分布。

3.3 仿真結果與分析

以排種盤轉速、擾種片角度為因素,以排種合格率、重播率和漏播率為試驗指標進行試驗。根據相關研究,排種器的轉速為30～50 r/min,即30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min和50 r/min;擾種片角度為-45°、0°和45°,其中設置一組沒有擾種環的試驗作為對照組。每組試驗重復3次,計算其平均值作為試驗結果,可以得到不同大豆種子的合格率、重播率和漏播率,計算方法如式(6)所示。

(6)

式中：P——合格率;

U——重播率;

Q——漏播率;

n1——型孔單粒排種次數;

n2——型孔多粒排種次數;

n3——型孔漏播次數;

N′——理論排種次數。

3.3.1 仿真過程分析

在仿真過程中,以無擾種環為研究對象,種子運動主要分為4個階段：當仿真時間為0～0.2 s時,種子從顆粒工廠生成,依靠自重進入排種器,如圖10(a)所示;當仿真時間為0.2 s時,種子完全進入排種器,種子群以排種盤軸線為中心向四周均勻散開,如圖10(b)所示;當仿真時間超過0.2 s后,排種盤開始轉動,種子群在離心力的作用下向排種盤邊緣運動,當攜種型孔運動至清種毛刷時,在毛刷的作用下清除型孔邊緣多余的種子,如圖10(c)所示。攜種型孔經過清種毛刷后開始投種,種子進入排種管,完成投種。

(a)

由圖10(c)可知,隨著排種器的轉動(逆時針旋轉),種子群在離心力的作用下緊貼排種盤型孔邊緣運動,在清種過程中,種子群向清種毛刷靠攏,造成種子群在排種器內分布不均勻。其中遠離清種毛刷的種子數量較少,未能完全利用充種時間和空間。

以排種器安裝擾種環為研究對象,由圖11可知,在擾種片和清種毛刷的共同作用下,排種盤邊緣的種子群被分割為4個部分。通過與無擾種環種子群運動過程對比分析可知,擾種環不僅會使靠近型孔的種子群流動性增大,同時在排種盤不同區域能夠提高種子進入型孔的概率。

(a) 擾種片角度-45°

3.3.2 仿真結果與分析

以擾種片的角度為-45°為研究對象,由圖12(a)可知,排種合格率隨著排種器轉速的增大整體呈現先升高后降低的趨勢。當排種器轉速在30～40 r/min時,排種合格率隨著排種器轉速的增大而升高,升高速率逐漸下降;當排種器轉速為40 r/min時,排種合格率最高,即合格率為98.03%;隨著排種器轉速的繼續增大,合格率開始降低。當擾種片的角度分別為0°、45°和對照組(無擾種環)時,排種的合格率隨著排種器轉速變化而呈現的趨勢基本相似,均呈現先升高后降低,且在排種器轉速為40 r/min時,排種合格率均最高,分別為97.68%、97.47%和97.05%。

(a) 合格率

由圖12(b)可知,排種器的重播率隨著轉速的增大呈現先降低后升高的趨勢,當排種器轉速為40 r/min時,排種器重播率最低為1.78%;當擾種片角度分別為0°、45°和對照組(無擾種環)時,排種的重播率分別為2.09%、2.41%和1.58%。由圖12(c)可知,排種器的漏播率隨著轉速的增大呈現先降低后升高的趨勢,當排種器轉速為40 r/min時,排種器漏播率最低為0.19%;當擾種片角度分別為0°、45°和對照組(無擾種環)時,排種的重播率分別為0.23%、0.12%和1.37%。

通過仿真試驗結果可知：排種器最佳工作轉速為40 r/min、擾種環上的擾種片的角度為-45°時排種合格率最高,綜合排種性能最佳。

4 驗證試驗

4.1 材料與方法

為驗證EDEM離散元仿真試驗結果的可靠性及工作性能,將排種器安裝在STB-700精密排種器性能工作試驗臺(中國農業大學研制)實施試驗,試驗于2022年5月28日在河南農業大學機電工程學院農機實驗室進行。試驗隨機選取邯豆13大豆種子300粒作為試驗材料,選取合格率、重播率和漏播率為評價指標進行臺架性能試驗。由仿真試驗結果可知：當排種器轉速為40 r/min、擾種片角度-45°時,排種器的排種性能最佳,故選取排種器轉速(35 r/min、40 r/min和45 r/min)和擾種片角度(-45°)作為試驗因素進行試驗,每組參數下進行3次重復試驗,并取其平均值作為試驗結果進行分析。

4.2 試驗結果與分析

排種器排種合格率越高,重播率和漏播率越低,排種效果越好,試驗結果如表2所示。由表2可知,排種器轉速為40 r/min時,排種器的合格率最高為96.82%、重播率最低為2.05%、漏播率最低為1.13%。

表2 試驗結果Tab.2 Test results

由于仿真試驗是通過計算機模擬進行的,與實際臺架試驗有著一定差異性,兩者之間的各項性能差異如表3所示。由表3可知,排種合格率最大差異為1.50%、重播率最大差異為0.33%、漏播率最大差異為1.17%;通過對不同轉速條件下兩者差異性對比,當排種器轉速越高時,兩者之間的差異性越大,即當排種器轉速為45 r/min時,合格率、重播率和漏播率指標的差異性均大于其他兩個轉速相對較低的試驗結果。在相同條件下,臺架試驗與仿真試驗結果的差異性較小,說明仿真試驗結果能夠為排種器的設計提供理論依據和參數設定。本文大豆種子播種過程中株距為7～14 cm,根據中華人民共和國機械行業標準NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機作業質量》[34]要求,種子株距10≤X≤20 cm時,粒距合格率≥70%、重播指數≤22%、漏播指數≤17%,此時播種速度范圍為3.36～6.72 km/h,試驗結果表明所設計的定擾動輔助充種大豆排種器的排種性能符合單粒精密播種的行業標準。

表3 試驗結果差異性比較Tab.3 Comparison of difference in test results

5 結論

1) 為提高水平圓盤式排種器的充種性能,設計了一種定擾動輔助充種大豆排種器,對排種器的工作原理和結構進行分析,確定了排種盤的關鍵參數：排種盤直徑為200 mm、型孔長度為9 mm、型孔寬度為5 mm、型孔高度為9 mm;對擾動過程進行分析,設計了3種不同角度(-45°、0°、45°)的擾種片,增大種子在排種器內的活躍程度,提高充種性能。

2) 利用EDEM軟件對排種器的轉速(30 r/min、40 r/min、50 r/min)、擾種片的角度(-45°、0°、45°)進行仿真試驗,得到排種器最佳轉速為40 r/min、擾種片角度為-45°時,排種器排種合格率為98.03%、重播率為1.78%和漏播率為0.19%。

3) 根據仿真試驗結果,將排種器轉速范圍進一步縮小為(35 r/min、40 r/min、45 r/min)、擾種片角度為-45°條件下進行臺架驗證試驗,得到排種合格率為96.82%、重播率為2.05%和漏播率為1.13%;通過對比仿真最佳參數和驗證試驗結果,排種合格率最大差異為1.50%,能夠滿足行業標準要求。