帶式玉米高速導種裝置旋夾納種機理分析與參數優化

馬成成 衣淑娟 陶桂香 李衣菲 陳 濤 劉漢武

(1.黑龍江八一農墾大學工程學院, 大慶 163319; 2.德邦大為(佳木斯)農機有限公司, 佳木斯 100176)

0 引言

玉米種植面積大,播種時間短,且播種質量直接影響其產量,這就要求玉米播種在保證高質量的同時還要滿足高速[1-2]。采用無約束及欠約束導種方式在高速導種時,籽粒與導種部件內壁碰撞加劇,造成籽粒的落點精度降低,播種均勻性差[3-6]。帶式導種裝置采用輸種帶同步運移籽粒的方式實現了全約束導種,降低籽粒運移過程中的碰撞劇烈程度,保證從排種器排出籽粒的均勻有序狀態,能夠滿足精密播種機的高速作業[7]。

帶式導種裝置作為高速播種技術的核心部件,是國內外學者研究的重點與熱點[8-12]。目前國內學者對帶式導種裝置的研究主要集中于導種執行部件的理論研究與改進設計。陳學庚等[13]設計了一種與排種盤轉速、播種機行走速度相關,且傳動與投種機構一體的帶式導種裝置,但籽粒是在重力的作用下從排種盤掉落到種子輸種帶種腔,僅適合排種盤工作轉速為30 r/min播種作業。在此基礎上,劉全威[14]設計一種撥指同步帶式導種裝置,在排種盤與輸種帶之間加入推種板,在推種板推力和種子自重的作用下脫離排種盤型孔并掉落至種子導種裝置的種腔內,但當作業速度超過9.7 km/h時,粒距合格指數的降幅和粒距變異系數的增幅均迅速增大。國外關于玉米帶式高速導種裝置研究起步較早[15-18],具有代表性的有美國John Deere公司研發了毛刷帶式導種裝置[19],采用毛刷帶作為運種部件,實現毛刷帶攜種運動,提高在高速條件下的導種穩定性,但毛刷材質帶體在持續高速作業下易產生磨損[20]。Precision Planting公司研發的一種具有主動納種功能的帶式高速導種裝置[21],對從排種盤進入種腔內的籽粒進行約束,提高籽粒從排種盤過渡到種腔的穩定性,實現了16 km/h高速精量播種作業,因其有破損率低、適應性好等優點,該導種技術逐漸引入國內應用于玉米高速精密播種作業中[22]。但對其撥指輪旋夾納種機理尚未有研究報道,影響其納種性能因素尚不明確,因此,探究該導種裝置旋夾納種機理,對其關鍵部件改進與優化具有實際意義。

本研究以具有撥指輪納種機構的帶式高速導種裝置為研究對象,研究撥指輪旋夾納種作用機理,建立撥指輪納種動力學模型,探究影響納種性能因素,對撥指輪結構及工作參數進行改進優化。在撥指表面添加人字形紋路,增大撥指輪對籽粒的摩擦力,提高納種穩定性。采用多因素試驗對添加人字形紋路撥指輪的納種機構進行參數優化,以獲取最佳納種效果。

1 帶式玉米高速導種裝置結構與工作原理

整體結構如圖1所示,該裝置主要由輸種帶、撥指輪、投種板、預緊彈簧、清種爪、主動帶輪、被動帶輪、電機、護種罩殼、齒輪箱以及輸種帶殼體等部件組成,其工作過程分為納種、運種和投種3個串聯階段。

圖1 帶式玉米高速導種裝置結構示意圖

該導種裝置安裝于排種器卸種口處,播種時,主副撥指輪在籽粒脫離種盤之前利用旋轉夾取的方式將籽粒取下,隨后將籽粒轉運并排放至輸種帶種腔,籽粒在輸種帶轉動下運移到投種口并將籽粒投放到種溝中,平均作業速度可達16 km/h。

2 旋夾納種機理分析

2.1 納種機構組成與工作原理

為降低籽粒與種腔壁間的彈跳碰撞作用,在輸種帶上方配置納種機構,以撥指輪旋夾方式對籽粒進行運動約束,提高在高速播種過程中籽粒從排種盤進入輸種帶種腔的穩定性與精準度。

該導種裝置納種機構主要由主撥指輪、副撥指輪、清種爪、齒輪軸、齒輪箱、電機以及后蓋殼等部件組成(圖2)。其中主副撥指輪種帶作為納種機構的核心工作部件,直接影響籽粒從排種盤過渡到輸種帶種腔的穩定性與精準度。撥指輪采用橡膠材料制作,主撥指輪下側設有清種爪,避免因籽粒卡在主撥指輪的撥指之間影響納種工作。主副撥指輪半徑比為1.7,撥指輪圓周均勻分布傾斜弧形結構的撥指,其中主撥指輪分布有17個撥指,副撥指輪上分布有15個撥指。

圖2 納種機構結構示意圖

根據納種機構作業過程,將其分為夾取籽粒、轉運籽粒與排放籽粒3個工作階段,如圖3所示。圖3中v0為播種前進速度,m/s;ω1為主撥指輪旋轉角速度,rad/s;ω2為副撥指輪旋轉角速度,rad/s;ω2=1.7ω1。在納種過程中,電機驅動主撥指輪與副撥指輪相向轉動。當排種盤攜帶單粒籽粒運動至納種口時,柔性主副撥指輪通過旋轉夾取的方式將籽粒“摘”下,該工作過程為夾取籽粒;被夾取的籽粒在主副撥指輪的旋轉夾持下運動,該工作過程為轉運籽粒;隨后撥指輪將籽粒排放到下方輸種帶種腔中,該工作過程為排放籽粒。利用這種先“摘”后“放”的納種方式,能夠在不傷種的前提下使得籽粒從排種盤穩定均勻地過渡到輸種帶的種腔中。

圖3 旋夾納種原理圖

2.2 納種過程力學分析

為研究該機構納種穩定性與籽粒進入種腔精準度,建立了撥指輪夾取、轉運和排放籽粒過程中籽粒力學模型,對這3個階段籽粒的受力情況進行分析。

2.2.1撥指輪夾取籽粒力學分析

撥指輪夾取籽粒時,主副撥指輪瞬時對籽粒施加摩擦力f1、f2,f1與f2的合力構成撥指輪對籽粒的旋夾力Fc,此外,籽粒還受重力G、離心力J、負壓對籽粒的吸附力P以及型孔對籽粒的支持力N,受力如圖4所示。

圖4 撥指輪夾取籽粒受力示意圖

若保證籽粒被平穩取下,則需撥指輪對籽粒的夾取力Fc大于T(籽粒重力G與離心力J的合力)[23]與N1(型孔對籽粒沿平行排種盤方向的支持力)的合力,即

(1)

式中δ——T與N1的夾角,(°)

籽粒重力與離心力的合力T、型孔對籽粒沿平行排種盤方向的支持力N1可表示為

(2)

式中τ——G與J的夾角,(°)

Nc——支持力系數

將式(1)、(2)合并整理得

(3)

其中

(4)

式中m——籽粒質量,kg

D——籽粒重心到型孔圓心的距離,mm

n1——排種盤轉速,r/min

pa——大氣壓力,Pa

p0——真空室壓力,Pa

d——吸孔直徑,m

J——排種盤對籽粒的離心力,N

G——籽粒重力,N

式(3)、(4)表明,撥指輪夾取籽粒需要克服排種盤對籽粒的離心力以及風機對籽粒的吸附力。而在高速播種過程中,要求排種盤轉速高,籽粒的離心力隨之增大,同時,為保證型孔在高速條件下穩定充種,風機提供的負壓應比常規播種速度所需的負壓大[24],這就要求撥指輪提供足夠的旋夾力,即提高撥指與籽粒間的摩擦力,才能實現在排種盤高轉速、風機高負壓條件下將籽粒從型孔上取下。

2.2.2撥指輪轉運籽粒力學分析

主副撥指輪將籽粒取下后,進入轉運階段,籽粒受到撥指輪對籽粒的夾取力Fc(f1與f2的合力)、主副撥指輪對籽粒的支持力FN1、FN2,以及籽粒自身重力G。以籽粒中心為坐標原點o,建立直角坐標系xoy,此時籽粒受力如圖5所示。

圖5 轉運籽粒受力示意圖

主副撥指輪對籽粒的支持力FN1、FN2可表示為

(5)

式中θ1——主撥指輪對籽粒支持力與水平面夾角,(°)

θ2——副撥指輪對籽粒支持力與水平面夾角,(°)

主副撥指輪對某一時間點籽粒的摩擦力f1與f2的合力形成夾取力Fc,即

(6)

其中

(7)

式中μ——撥指與籽粒間的摩擦因數

聯立式(5)～(7)可得

(8)

式(8)表明,轉運籽粒時,籽粒所受旋夾力Fc受θ1、θ2及μ的影響。增大撥指與籽粒間的摩擦因數會提高撥指與籽粒的摩擦力,避免撥指與籽粒出現滑移。由圖6可知,在同一時間點,撥指輪對籽粒支持力與水平面的夾角與輪心距L有關,隨輪心距L減小,θ1、θ2增大(θ1>θ′1;θ2>θ′2),撥指輪對籽粒的支持力隨之增大(FN1>F′N1;FN2>F′N2),提高了撥指與籽粒間的摩擦力,避免撥指與籽粒發生滑移現象。但輪心距過小會增加納種載荷,加劇撥指磨損,嚴重時會出現籽粒堆積堵塞;輪心距過大,撥指與籽粒間則會相對滑移,失去主動納種作用。因此,為進一步明確輪心距對納種效果的影響,本文對其進行試驗優化。

圖6 支持力隨輪心距變化示意圖

2.2.3撥指輪排放籽粒力學分析

籽粒經撥指輪轉運后被排放到輸種帶種腔中,籽粒在脫離撥指輪瞬時會在撥指對籽粒的彈力Ft1、Ft2和籽粒重力G的作用下做斜下拋運動進入種腔(圖7),Fe為撥指對籽粒的彈力Ft與籽粒重力的合力。

圖7 排放籽粒受力與運動示意圖

撥指在恢復原狀時對籽粒產生的彈力及籽粒自身重力為

(9)

式中Ft1——主撥指輪撥指對籽粒的彈力,N

Ft2——副撥指輪撥指對籽粒的彈力,N

Δx1——主撥指輪撥指形變量,mm

Δx2——副撥指輪撥指形變量,mm

k——撥指彈性系數,N/mm

g——重力加速度,m/s2

籽粒脫離撥指輪做斜下拋運動的加速度為

(10)

籽粒做斜下拋運動進入種腔沿x、y軸的速度為

(11)

其中

v0=2πRn2

(12)

式中vx——籽粒在x軸方向的速度,m/s

vy——籽粒在y軸方向的速度,m/s

R——撥指輪半徑,mm

n2——撥指輪轉速,r/min

v0——籽粒斜下拋初速度,m/s

α——籽粒斜下拋角度,(°)

t——籽粒進入種腔所用的時間,s

聯立式(10)～(12)可得

(13)

式(13)表明,籽粒進入種腔的速度與撥指形變量、撥指輪轉速及撥指輪半徑相關。撥指形變量與撥指長度及其材料特性相關,在加工材料不變的情況下,撥指越長,與籽粒接觸時產生的形變量就越大,彈力就越大,加速種子進入種腔,但撥指過長會增加撥指間的卡種風險。撥指輪轉速越大,斜下拋初速度越大,進入種腔的速度就越大,但過大會導致籽粒進入種腔時與種腔內壁碰撞加劇,降低籽粒進入種腔的精準度。鑒于撥指輪圓周由柔性撥指組成,與籽粒接觸時,撥指產生形變,使得撥指輪圓周半徑會不斷變化且無法控制,為提高臺架試驗可操作性及準確性,本文對撥指形變量、撥指輪轉速進行試驗優化。

3 關鍵部件改進方案

對撥指輪夾取、轉運和排放籽粒3個階段籽粒的受力情況分析可知,增大撥指與籽粒間的摩擦因數能有效提高撥指輪對籽粒的旋夾力,故本研究利用人字形紋路摩擦因數大,防滑性好,且具有導向性的特點[25],在撥指表面添加人字形紋路(圖8)。通過建立的力學數學模型明確出影響納種穩定性與籽粒進入輸種帶種腔精準度的主要因素為輪心距、撥指輪轉速以及撥指長度。因此,在后續試驗階段,將結合高速攝像與圖像目標追蹤技術對帶有人字形紋路和無人字形紋路的撥指輪進行試驗對比,探究帶有人字形紋路的撥指輪對納種性能的影響,并通過多因素試驗對輪心距、撥指輪轉速以及撥指長度進行參數優化。

圖8 添加人字形紋路的主副撥指輪

4 試驗材料與方法

4.1 試驗材料

試驗材料為黑龍江省廣泛種植的“德美亞1號”玉米品種,經人工分級清選處理,保證供試籽粒飽滿、無損傷及蟲害,測定其形態為硬粒型,千粒質量為289.61 g,含水率為12.3%,密度平均值為1.223 g/cm3,平均幾何尺寸為:長度9.31 mm、寬度7.35 mm、厚度4.06 mm(對100粒籽粒進行測量取平均值)。

4.2 試驗條件

試驗地點為黑龍江八一農墾大學播種實驗室,試驗裝置主要由JPS-16型計算機視覺排種器試驗臺、PCO.dimaxCS3型高速攝像儀(德國pco.dimax cs高速攝像機,Nikon鏡頭,圖像拍攝程序為Camware,圖像處理程序為TEMA)、改裝的氣吸式玉米精量排種器、帶式玉米高速導種裝置以及PC機(美國惠普HP公司)等搭建組成,如圖9所示。

圖9 納種機構性能檢測試驗臺

為便于對納種時的玉米籽粒位移軌跡進行捕捉,將排種器進行可視化處理,將原有排種器局部外殼、排種盤及橡膠密封圈采用透明3D打印技術實現透明化,并將排種器與導種裝置相對固定在安裝臺架上。試驗時,種床帶相對于排種器反向運動,模擬播種機前進運動狀態,噴油泵將油噴于種床帶上,玉米籽粒從投種口落至涂有油層的種床帶上[26-28]。

為防止拍攝角度對籽粒軌跡位移數據采集產生影響,將高速攝像機固定于水平位置。為得到籽粒納種過程中實際位移變化,應保證各組試驗中高速攝像機與籽粒運動平面的垂直距離一致,在籽粒運動平面內放置刻度尺作為標定,提高試驗測量精確度。

4.3 試驗方法

由上述撥指輪對籽粒夾取轉運機理分析可知,籽粒納種穩定性與撥指輪轉速、輪心距及撥指長度有關,故本研究選取撥指輪轉速、輪心距及撥指長度為試驗因素進行納種性能試驗。采用3D打印技術獲取不同撥指長度的橡膠撥指輪,其中主撥指輪與副撥指輪的撥指長度按等比擴大或縮小(主副撥指輪撥指長度比為3∶1)。采用調節撥指輪傳動齒輪半徑的方式改變輪心距。利用PWM電機調速器控制撥指輪轉速,利用紅外線轉速儀檢測撥指輪轉速。通過前期預試驗選取18孔排種盤作為試驗排種盤。

4.4 籽粒軌跡追蹤后處理

軌跡測定過程中,為獲得適合本研究高速納種時籽粒運動軌跡圖形分辨率,設置高速攝像機幀率為500 f/s,采集域為200 mm×200 mm,曝光時長為2 ms,圖像為1 920像素×1 440像素。調整輪心距、撥指輪轉速及撥指長度至指定值進行試驗,通過攝像機將所采集籽粒運動軌跡圖像實時存儲于計算機內,待試驗結束后保存為.avi格式視頻文件。利用TEMA控制軟件對視頻文件進行圖像目標追蹤,并提取不同幀圖像中玉米籽粒質心點坐標,繪制出各條件下籽粒位移軌跡。

為準確記錄籽粒位移變化,以刻度尺底部o為坐標原點,建立直角坐標系xoy。高速攝像機拍攝下的撥指輪對籽粒的夾取、轉運和排放捕捉實際效果如圖10所示。

圖10 高速攝像下納種過程

通過高速攝像與圖像目標追蹤技術將各幀圖像內籽粒質心點坐標值記錄到Excel軟件中,即可得出籽粒運動位移軌跡。圖11為5組籽粒在被夾取轉運過程中和與撥指輪發生碰撞彈跳時的位移時間曲線。

圖11 籽粒位移變化曲線

圖11a籽粒位移軌跡平滑,且各組試驗中籽粒位移軌跡未出現波動,證明籽粒被撥指輪穩定納入,其中在0～1.5 s時間段內籽粒隨種盤運動,在1.5 s時刻位移曲線出現轉折,該轉折點為籽粒被夾取,1.5～2.0 s為籽粒轉運階段。圖11b為籽粒與撥指輪出現碰撞彈跳時的位移軌跡曲線,在1.5～2.5 s時間段內籽粒運動軌跡呈波浪狀,證明此時籽粒出現彈跳現象。故本研究以籽粒位移軌跡曲線平滑與波動統計納種合格指數。

籽粒經納種機構進入輸種帶種腔的分布狀態如圖12所示。圖12a中籽粒A與籽粒B間隔7個種腔,籽粒B與籽粒C間隔4個種腔,籽粒在輸種帶分布不均勻,種腔間隔變異系數大;圖12b中籽粒A、籽粒B與籽粒C間隔均為6個種腔,籽粒在輸種帶分布較均勻,種腔間隔變異系數小。故本研究通過計算每組試驗籽粒種腔間隔變異系數衡量籽粒進入輸種帶種腔的精準度。

圖12 籽粒在輸種帶種腔的分布狀態

5 試驗結果與分析

5.1 單因素試驗

為驗證撥指表面添加人字形紋路對納種性能的影響,分別在有人字形紋路和無人字形紋路條件下進行臺架對比試驗。其中主撥指輪每個撥指有5條紋路,副撥指輪為3條,紋路彎折角度為120°,間隔1 mm,寬、高均為0.5 mm。將排種盤轉速依次設置為41、45、48、51、55 r/min進行試驗,對應的播種前進速度依次為12、13、14、15、16 km/h,各進行3次重復試驗,取平均值,試驗方法同上,試驗結果如圖13所示。

圖13 有無人字形紋路時對比試驗曲線

圖13表明,低速播種時,無人字形紋路和有人字形紋路的撥指輪納種合格指數與種腔間隔變異系數無明顯差異,當播種速度為13～16 km/h時,有人字形紋路撥指輪納種合格指數和種腔間隔變異系數均明顯優于無人字形紋路撥指輪,證明撥指表面添加人字形紋路可以提高撥指輪的納種性能。

5.2 多因素試驗

為研究撥指輪改進后的納種機構納種穩定性與籽粒進入輸種帶種腔精準度,采用三因素五水平正交旋轉組合試驗探究納種機構最佳作業性能,根據前期理論分析及田間實際播種作業需求,配合各因素可控有效范圍,選取輪心距為35～39 mm,撥指輪轉速為500～620 r/min,撥指長度為10～14 mm,試驗因素編碼如表1所示。表中均以主撥指輪的撥指長度及轉速進行表述,其中主、副撥指輪撥指長度比為3∶1,轉速比為1∶1.7。

表1 試驗因素編碼

選取試驗指標為納種合格指數y1和籽粒在種腔間隔變異系數y2,以評價機構的納種穩定性與籽粒進入種腔精準度。試驗時,保證各組試驗測定籽粒數量超過1 000粒,其他各項參數保持恒定。試驗方案與結果如表2所示。

表2 試驗方案與結果

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗數據回歸分析,進行因素方差分析,篩選出影響較為顯著因素,進而得到性能指標與因素編碼值回歸方程

y1=98.91-0.25X2-0.45X1X2-

(14)

y2=0.26+0.009 6X1-0.005 2X2-0.007 5X1X2+

(15)

式中X1、X2、X3——因素編碼值

為直觀地分析試驗指標與因素間關系,運用Design-Expert 8.0.6軟件得到響應曲面。因交互作用項輪心距和撥指輪轉速對納種合格指數與種腔間隔變異系數影響均顯著,故分析輪心距和撥指輪轉速的交互作用對試驗性能指標的影響,如圖14所示。

圖14 因素交互作用對試驗性能影響的響應曲面

圖14a為撥指長度位于中心水平時(12 mm),輪心距和撥指輪轉速的交互作用對納種合格指數影響的響應曲面,由圖可知,當撥指長度一定時,納種合格指數隨輪心距的增加呈先增大后減小的趨勢;當輪心距一定時,納種合格指數隨著撥指輪轉速的增加呈先增大后減小的趨勢;圖14b為撥指長度位于中心水平時(12 mm),輪心距和撥指輪轉速的交互作用對種腔間隔變異系數影響的響應曲面,由圖可知,當撥指輪轉速一定時,種腔間隔變異系數隨著輪心距的增加而增大;當輪心距一定時,種腔間隔變異系數隨著撥指輪轉速的增加呈先增大后減小的趨勢。

分析其變化原因為:輪心距較小時,會增大撥指輪納種阻力,降低籽粒的通過性;輪心距較大時,撥指輪失去主動納種作用,增大撥指與籽粒間的滑移。撥指輪轉速較慢時,撥指輪納種效率降低,造成籽粒阻塞;撥指輪轉速較快時,會增大撥指對籽粒的碰撞,導致籽粒彈跳加劇。

在此基礎上,為得到試驗因素最佳水平組合,即納種機構最佳工作參數組合,對試驗進行優化設計。建立參數優化數學模型,結合試驗因素的邊界條件,對納種合格指數和種腔間隔變異系數回歸方程進行分析,得到其非線性規劃的優化模型為

(16)

通過優化求解,得出當輪心距為36.8 mm、撥指輪轉速為584.97 r/min、撥指長度為10.8 mm時,納種穩定性與排種精準度最佳,在此最優參數組合下對應的納種合格指數為98.23%,種腔間隔變異系數為0.24%。根據優化結果進行試驗驗證,納種合格指數為98.52%,種腔間隔變異系數為0.25%,與優化結果基本一致,誤差在可接受范圍內。

5.3 對比試驗

為了進一步驗證優化后的帶式玉米高速導種裝置作業性能,將其與不安裝高速導種裝置的性能進行臺架試驗對比。設置播種前進速度依次為12、13、14、15、16 km/h,試驗指標為合格率與變異系數,各進行3次重復試驗,取平均值,試驗方法同上,試驗結果如表3所示。

表3 有無高速導種裝置時試驗結果

由表3可知,有高速導種裝置的排種器在12、13、14、15、16 km/h的播種速度下比無高速導種裝置合格率提高13.79、14.96、17.98、19.73、21.02個百分點;變異系數提高5.33、5.01、4.44、4.27、3.12個百分點,可見裝有高速導種裝置的播種效果遠優于無高速導種裝置。

6 結論

(1)以具有納種機構的帶式玉米高速導種裝置為研究對象,對其旋夾納種機理進行分析,建立了撥指輪夾取、轉運和排放籽粒過程中籽粒動力學模型,提出在撥指表面添加人字形紋路的改進方法,并明確得出影響納種穩定性與籽粒進入輸種帶種腔精準度的主要因素為輪心距、撥指輪轉速及撥指長度。

(2)單因素試驗結果表明,播種作業速度較高時,添加人字形紋路撥指輪納種合格指數和種腔間隔變異系數均明顯優于無人字形紋路撥指輪,證明撥指表面添加人字形紋路可以提高納種性能。

(3)對撥指輪改進后的納種機構進行多因素試驗,結果表明,當輪心距為36.8 mm、撥指輪轉速為584.97 r/min、撥指長度為10.8 mm時,納種穩定性及籽粒進入輸種帶種腔精準度最優,在此條件下,納種合格指數為98.23%,種腔間隔變異系數為0.24%。實際結果與優化值差異較小,優化值準確可靠。

(4)在優化參數組合條件下,進行臺架對比試驗,結果表明,有帶式玉米高速導種裝置的作業性能遠優于不安裝帶式玉米高速導種裝置的作業性能。