輔助充種帶氣吸式蠶豆精量排種器設計與試驗

蘇 微 趙慶輝 賴慶輝 謝觀福 田保寧 王永杰

(昆明理工大學現代農業工程學院, 昆明 650500)

0 引言

蠶豆,可作為蔬菜、糧食、飼料、綠肥等,是一種重要的經濟作物。我國蠶豆產量世界第一,但單產與英國等發達國家相比處于較低水平。其主要原因是我國蠶豆種植模式以人工點播為主,機械化程度低[1-2],推進蠶豆播種機械發展是提高單產水平的重要手段之一。

排種器是播種機的核心部件[3-5],主要分為機械式和氣力式兩種[6-7]。機械式排種器利用重力充種,對三軸尺寸差異大的種子適應性較差。氣力式排種器具有通用性好、傷種率低、排種性能好及穩定等優點,是精量排種器的發展方向[8]。

蠶豆種子粒徑大、三軸尺寸差異大,使用傳統氣吸圓盤式排種器結構存在充種困難、漏充率高的問題[9]。針對此類種子充種性能不佳的問題,國內外相關研究人員進行了一些研究:SATTI等[10-11]對影響氣吸式玉米精量排種器各要素研究表明,排種器孔形、種盤轉速以及真空壓力是影響排種性能的主要因素;并在此基礎上,進一步對排種器的重播、漏播等參數進行了試驗、優化,對吸種、護種、投種等階段進行動力學和運動學分析,最終得出排種器各項參數間的相互作用及影響關系。國內學者針對提高充填性能進行了大量的研究。賴慶輝等[12]采用振動供種的方法,設計了一種振動供種裝置,解決了微型薯的充種問題;LI等[13]發現種子在吸附流中,吸附力對種子有顯著影響的范圍很小;史嵩等[14]設計了一種帶有曲線型導種槽的種盤,可以引導種子向型孔運動,改善了氣吸式排種器的充種性能。陳進等[15]利用電磁振動激振種群的方式降低種間作用力,達到了輔助充種的目的。謝東波等[16]通過在種盤上增設擾種齒對大蒜種群進行擾動,提高了充種性能;劉瑞等[17]通過設計擴容板增大充種區域并設計帶有擾種臺柱和中字型吸種孔的種盤,提高了充種性能;還有相關研究主要集中于對種群進行激勵,降低種間作用力[18-21];上述研究均可以一定程度提高排種器的充種性能,但大多是對種子進行無規則的激勵,種群的運動不可控,存在種群對被吸附種子干擾的問題。

針對上述問題,本文設計一種具有平帶輔助充種裝置的氣吸式蠶豆精量排種器。通過對排種器充種過程進行理論分析,闡明平帶輔助充種裝置在充種過程中的作用機理;通過理論計算及CFD-DEM數值模擬確定并優化排種器主要結構參數;搭建臺架進行二次回歸正交組合試驗,求得排種器的最佳工作參數組合,并進行驗證。

1 排種器工作原理及平帶攪種理論分析

1.1 排種器結構及工作原理

輔助充種帶氣吸式蠶豆排種器結構如圖1a所示。主要由種箱端殼體、種盤、護種板、主軸、種箱、清種裝置、平帶輔助充種裝置及負壓殼體構成,清種裝置主要由鋸齒形清種刀、調節柄構成。種盤根據工作狀態分為充種區Ⅰ、清種區Ⅱ、攜種區Ⅲ與投種區Ⅳ。平帶輔助充種裝置位于充種區,由主動輪軸、平帶、被動輪軸、張緊軸構成,通過一個步進電機帶動同步帶,如圖1b所示。

圖1 平帶輔助充種氣吸式蠶豆排種器結構圖

工作時,種子由種箱落入充種區Ⅰ的平帶輔助充種裝置上,被平帶帶動向種盤運動方向移動。眾多種子在平帶的帶動下形成動態穩定的種子流。種子流上端保持在清種裝置附近,種盤上的型孔靠近種子流組成的帶狀區域外側,此處種子的運動方向與種盤轉動方向一致,其中的1～2顆種子會被型孔吸附,并隨著種盤的吸附及種子流的托持下進入清種區Ⅱ。脫離種群后,由清種刀將多余的種子剔除,吸附最牢固的種子仍被吸附,被剔除的種子重新落回充種區中的種群,單粒種子在攜種區Ⅲ由護種板護持至投種區Ⅳ,此時負壓消失,種子在慣性和重力的作用下滑落,完成排種。

1.2 充種過程分析

輔助充種帶氣吸式蠶豆精量排種器的充種過程尤為重要。如圖2所示,根據被吸附蠶豆種子的運動狀態,可將充種過程分為3個階段:①進種吸附階段。②托種跟隨階段。③脫離種群階段。平帶輔助充種裝置工作時根據種群的運動狀態可分為:托種區、吸附區、回種區。

圖2 充種過程分析

進種吸附階段:種子由種箱進入充種區初始端,在種群運動過程中,一些種子會靠近型孔;當種子達到可以被氣流吸附的臨界位置時,種子會被種盤上的型孔吸附,最終被控制在型孔附近,并跟隨種盤一起運動;在此階段,需要對種群施加強制運動,使種群能夠相對有序的運動,從而使種子更有效率地被吸附。從吸附流對種子的作用來看,種子自身向型孔附近運動是種子被更好地吸附的關鍵[22]。

托種跟隨階段:種子被吸附流穩定吸附開始跟隨種盤運動,由于其運動與種群中其他種子的運動狀態不同,開始出現種群對被吸附種子的阻力;此時托種區種子在平帶的作用下向著種盤的運動方向移動并對被吸附的種子進行托持,回種區的種子向著種盤運動方向相反的方向移動,對被吸附的種子形成阻力。運動中回種區種子較為稀疏,托種區種子較為密集,因此托持力起到主要作用。在此階段,托持力與種盤和平帶的相對速度相關,此相對速度與被吸附種子的運動速度相適應是提高充種效率的關鍵因素。

回種脫離階段:被吸附的種子運動到平帶末端,此時種子即將脫離種群;吸附區未被吸附的種子以及托持區即將脫離平帶的種子在慣性、重力及種間作用力下橫向移動進入回種區;被吸附種子會繼續跟隨種盤運動脫離種群進入清種區。

在這3個階段中,被吸附的種子都在平帶輔助充種裝置的作用下降低了受到的種群阻力,同時將一部分種群阻力轉換為有利于其繼續跟隨種盤運動的作用力。因此,為了解決蠶豆種子在氣吸式排種器中充種困難的問題,本文將重點放在優化平帶輔助充種裝置的結構并確定其最佳工作參數。

根據運動狀態分析種群,托種區種子主要受到平帶的摩擦力向著種盤旋轉方向運動,并托持吸附區種子也向著此方向運動;當種子運動到平帶的末端,托種區及吸附區未被吸附的種子將因為慣性及重力的作用進入回種區,最終回落到整個充種區的起始位置。平帶輔助充種裝置的工作狀態主要與主動輪軸的轉速及平帶本身的材料屬性相關。平帶的運動一方面使種群處于運動狀態,使種群活躍,增加了種子被吸附的概率;另一方面,托種區種子的運動可以托持在吸附區已經被吸附的種子向種盤運動方向移動,使得種群對被吸附種子的阻力作為有利于脫離種群的托持力。

1.3 種子受力分析

通過以上分析可以看出,平帶輔助充種裝置對蠶豆種子的充種過程極為重要,因此通過受力分析、運動分析來確定平帶輔助充種裝置對種群運動的影響?？蓮某浞N區的3個分區分別分析:

設種子在角度α上被吸附,如圖3所示,從被吸附的種子分析,觀察經過型孔垂直于種盤半徑的弦剖面可以得出種子能夠被吸附并運移的臨界條件為

圖3 充種過程受力分析

(1)

式中fx1——吸附區種群對回種區種子的摩擦力

m——種子質量

f——被吸附種子的總靜摩擦力

ft——托種區種群對種子的靜摩擦力

fp——種盤對種子的靜摩擦力

fh——回種區種群對種子的靜摩擦力

Nt——托種區種群對種子的支持力

Nh——回種區種群對種子的支持力

β——種盤角速度

R——型孔與種盤中心距離

μm——種子與種盤的摩擦因數

FL——氣流對種子的作用力

種子受到的氣流作用力包含曳力、浮力、升力(Magnus升力、Saffman升力)、Basset力、壓力梯度力等多種力的作用[23]。由于空氣的密度、粘度較低且氣吸式排種器常常工作在較高雷諾數下,種子受到的浮力、升力通?？梢院雎?通常以曳力表征種子受到的吸附力[24];顆粒受到的曳力分為摩擦阻力和壓差阻力,現有的曳力計算表達式通常是包含試驗測得的阻力系數、迎風面積及流體與顆粒的相對速度的經驗公式;Wenyu-Ergun曳力模型,綜合了顆粒低體積分數和高體積分數[25],適合排種器工況的計算。本文采用Wenyu-Ergun曳力模型描述種子受到的吸附力。

曳力計算式為

FD=

(2)

式中FD1——Wenyu模型曳力

CD1——Wenyu模型阻力系數

ρf——流體密度vf——流體速度

vP——顆粒速度

rP——顆粒等效半徑

ρP——顆粒密度

θP——當前狀態顆粒體積分數

θCP——顆粒緊密堆積顆粒體積分數

FD2——Ergun模型曳力

Re——顆粒雷諾數

對托種區及回種區的種子受力情況分析,托種區為

(3)

其中

(4)

回種區為

(5)

式中fd——托種區種子受到的總靜摩擦力

fx2——托種區種子受到的種群摩擦力

fb——種子與平帶的最大靜摩擦力

vd——平帶線速度

Nd——平帶對托種區種子的支持力

μd——種子與平帶的摩擦因數

Nt2——吸附區種群對托種區種子的支持力

r——平帶工作面半徑

Gh——回種區種子重力

Nx——吸附區種群對回種區種子的支持力

從受力分析可以看出,曳力FD是被吸附種子能夠穩定吸附在種盤上的關鍵因素,根據伯努利方程可知在相同的吸附姿態下負壓直接決定來流速度,進而影響曳力。

此外,被吸附種子還受到托種區及回種區種子的種間作用;被吸附種子能夠被種盤穩定運移的條件為:被吸附種子自身受到的吸附力而產生的對種盤的最大靜摩擦力以及托種區種群對被吸附種子運動方向的托持力之和等于被吸附種子自身重力、運動前方種子的阻力以及回種區種群對被吸附種子的作用力之和。從式(3)～(5)可以看出,平帶的線速度越大,其對充種區種群的作用力越大。此外,種子存在滾動,可以描述為

τi=-μrFnRiωi

(6)

式中τi——切向應力

μr——滾動摩擦因數

Ri——接觸點到質心的距離

ωi——接觸點處的單位角速度

Fn——顆粒間法向作用力

托種區種群對被吸附種子的作用力取決于二者的相對運動趨勢,若托種區種群運動滯后于種盤的運動,則種群對被吸附種子的運移形成阻力,反之則形成有利于其運移的托持力。

2 關鍵零部件設計

2.1 型孔直徑及數量

氣流流量一定時,型孔過大或型孔數量過多會導致負壓降低,種子受到的吸附力不足。型孔過小單位面積上的負壓較強,但氣流作用面積較小,對粒徑較大的種子吸附能力較弱。型孔數量過少在相同作業速度的情況下種盤轉速過高,不利于充種。通常結合《農業機械設計手冊》確定型孔直徑及數量公式為[26]

d=(0.6～0.7)W

(7)

(8)

式中d——型孔直徑

W——蠶豆種子平均寬度

V——作業速度nP——種盤轉速

K——株距Z——型孔數量

通常蠶豆種子平均寬度為15.23 mm,株距為0.15～0.3 m,設作業速度小于7 km/h,種盤轉速小于50 r/min。根據以上分析確定型孔直徑為10 mm,型孔數量為12個。

2.2 種盤直徑

由于型孔數量較少,種盤直徑主要考慮種群堆積數量及充種時長。蠶豆種子粒徑較大,為了保證足夠的種群堆積數量,提高吸附概率。綜合《農業機械設計手冊》,選擇種盤直徑為140～260 mm?？紤]到蠶豆種子形狀不規則且粒徑較大,較大種盤直徑有利于充種,選取種盤直徑為D=240 mm。

2.3 平帶輔助充種結構

平帶輔助充種主要參數有平帶材料、平帶工作面弧長和平帶工作面寬度。常用平帶材料有PVC平帶、尼龍編織帶及橡膠黃綠片尼龍基帶。對三者分別進行與蠶豆的摩擦試驗,試驗結果如表1所示。

表1 各材料與種子的摩擦因數試驗結果

根據理論分析可知,種子與平帶的摩擦因數越大,平帶對種子的最大靜摩擦力越大。從式(1)、(3)可知,平帶對種子的最大靜摩擦力越大,種子被吸附的臨界條件中,被吸附種子受到的總摩擦力越易達到。因此選擇橡膠黃綠片基帶為平帶材料。

為了能充分與種群接觸,平帶底邊為排種器圓周底端,頂邊以理論計算及試驗得到。由式(3)、(4)可知,平帶工作面直接影響托種區種群運動,其在豎直面上對種群的影響范圍取決于平帶與種群的摩擦力,代入表1中平帶材料的摩擦因數,得到

(9)

在平帶工作面頂邊,種群對平帶的壓力垂直作用于平帶切向方向,即γ=90°。設平帶工作面轉速等于實際作業最大速度,此時平帶受到種群的作用最大。以單粒種子受到平帶作用為準進行計算,當fd為最大靜摩擦力即fd=fb時,得到平帶作用最大靜摩擦力為

(10)

(11)

其中,n為該處種子數量。由于種群運動的不確定性,n難以確定,需進行數值模擬分析。

3 數值模擬

利用計算流體力學和離散元法雙向耦合仿真(Computational fluid dynamics and discrete element method, CFD-DEM)進行耦合求解的方法進行數值模擬,該方法能夠實現顆粒與流體的相互作用[27]。求解器采用EDEM和Fluent,利用EDEM中的Bonding模型,將小顆粒粘結成一個實際種子,解決網格尺寸大于顆粒粒徑的3倍的計算要求。

3.1 仿真模型建立

首先用粒徑0.8 mm的球形顆粒將蠶豆種子填充,并導出顆粒坐標,顆粒建模如圖4所示。利用SolidWorks建立排種器的簡化模型,保存成IGES格式文件,導入EDEM中。流體域模型先由SolidWorks建立CAD模型,各部分按獨立實體建立;利用ANSYS mesh工具進行網格劃分,將劃分的網格文件導入Fluent中,排種器簡化模型及流體域網格模型如圖5所示;設置型孔部分為滑移網格,其轉動中心為繞絕對坐標系原點指向Z軸正方向,轉速根據試驗水平分別設置;將型孔與種箱端及負壓端的接觸面設置為Interface,型孔部分接觸面設置為與型孔相同的轉速。

圖4 蠶豆種子顆粒建模

圖5 氣吸式排種器仿真模型

現有研究中,通常先將粘接好的顆?？焖偬畛渲脸浞N區,再進行耦合仿真,這種方式不能很好地描述種子從種箱進入充種區的過程,不能維持種層高度,且初始填充的顆粒過多,極大地浪費了計算資源和存儲空間。本文采用元顆粒(Meta-Particle)功能實現種子在仿真過程中的定量喂入,元顆粒可以與普通顆粒一樣在顆粒工廠中生成,其本質是由一組坐標表示的顆粒團,并配合Bonding V2模型,在顆粒團生成的瞬間同時生成Bonding鍵。通過預試驗得出:設置2個顆粒工廠,第1個設置為靜態顆粒工廠,在充種區靜態生成一定量的種子加快仿真進程;第2個設置為動態顆粒工廠,仿真過程中以一定速度生成種子,實現對種層高度的控制,使數值模擬更加符合實際工況。

3.2 仿真試驗設計

確定EDEM的時間步長為1×10-6s,Fluent的時間步長為1×10-4s。仿真步數為80 000步即仿真排種器實際工作時長8 s。利用Bonding模型描述種子時,種子的物理特征需要由Bonding模型中的切向剛度、法向剛度表征。仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數

為保證工作面設計合理,仿真以工作面寬度為因素,設置平帶工作面寬度分別為25、30、35、40、45 mm進行單因素試驗。在EDEM中對平帶工作面添加Conveyor Rotation運動,根據理論分析及預試驗觀察,分別設置作業速度為5.5 km/h、平帶工作面轉速為40 r/min,負壓5 000 Pa。并選取其中被吸附種子的受力情況進行分析,以確定平帶寬度的最佳參數。

CFD-DEM仿真計算量大、耗時較長、占用存儲空間較大,因此在保證試驗結果可靠的情況下盡量減小仿真時間,通常選取100～200顆種子作為統計數據。由于輔助充種帶氣吸式蠶豆排種器型孔數量較少,作業速度較慢,確定選取80粒種子進行統計。計算完成后,通過EDEM后處理獲取仿真結果,如圖6所示。

圖6 EDEM后處理界面

3.3 仿真結果分析

從圖6可以看出,在平帶工作面上端,種子的聚集量通常為3～4顆,即n最大為4,代入式(11)得θ=2.452 046°,即平帶輔助充種裝置工作面弧長范圍為2.452 046°<θ<90°。過大的弧度會使得平帶與排種器摩擦力增大,且不易加工安裝,為了方便,取5°<θ<85°。即工作面弧長l為167.47 mm。

標記仿真過程中吸附區被吸附種子。選取吸附較好,穩定且姿態盡量一致的種子,同時標記平帶工作面末端托種區種子,分別提取各水平種子的小顆粒受到的總力,如圖7所示。

圖7 仿真試驗結果

由式(1)可知,被吸附種子所受外力的矢量和模數越小,顆粒受到除吸附力以外其他外力影響越小。綜合分析各水平總力隨時間變化可知,種子在初始狀態受到外力最大,此時種子處于種群運動中,受到種群影響大;被吸附后,種子進入吸附區,受到總力逐漸穩定;脫離種群瞬間,種子受到回流種子影響,總力出現跳變,接著進入清種區,出現二次跳變;種子進入攜種區后總力恢復穩定,直至投種總力歸零。

由圖7可知,隨著平帶寬度的增加總力先增大后減小,總力波動先增大后減小。觀察試驗結果發現,隨著平帶寬度的增加,平帶寬度方向上容納種子數量變化為:容納1顆種子并存有較大縫隙、恰好容納2顆種子、容納2顆種子并存在較大縫隙、恰好容納3顆種子。即當平帶寬度略大于2顆種子寬度之和時,托種區種子運動較為規律,對被吸附種子的影響較小,而在平帶寬度方向上并排種子數量大于3顆或小于2顆時,種群運動更加不規律,導致被吸附種子受到托種區種群外力沖擊增大。綜合考慮,設計平帶寬度為35 mm。

4 臺架試驗

4.1 試驗材料與設備

根據理論計算及數值模擬試驗研制平帶輔助充種氣吸式蠶豆排種器。采用云豆早7蠶豆種子作為試驗對象。在JPS-12型計算機視覺排種器性能試驗臺上進行試驗,如圖8所示。通過合肥富煌君達高科信息技術有限公司生產的千眼狼5F01型高速攝像機對排種器工作過程進行分析。根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》,在排種器穩定工作時,連續記錄250粒種子作為統計對象,每次試驗重復5次取平均值。

圖8 排種器性能試驗裝置

4.2 單因素試驗

4.2.1負壓

根據預試驗確定負壓分別為2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 Pa。設置作業速度為5 km/h、平帶輸入軸轉速為350 r/min。試驗結果如圖9所示。

圖9 不同負壓下試驗結果

試驗結果表明,隨著負壓增大,合格指數先增大后減小、重播指數逐漸增大、漏播指數逐漸減小。根據理論分析可得,隨著負壓增大,吸附力增大,種子吸附更牢固,不易清種,因此重播指數上升,漏播指數下降。由于負壓在3 000～5 000 Pa之間合格指數均大于85%,重播指數和漏播指數均為較低值,因此確定排種器負壓范圍在3 000～5 000 Pa之間。

4.2.2作業速度

根據預試驗確定作業速度分別為4.32、5.04、5.76、6.48、7.20 km/h。負壓為4 000 Pa、平帶輸入軸轉速為350 r/min。試驗結果如圖10所示。

圖10 不同作業速度下試驗結果

試驗結果表明,隨著作業速度的增加,合格指數先上升后下降,重播指數逐漸下降、漏播指數逐漸上升。當作業速度增大,種盤轉速增大,離心力增大、充種時間減少,種子被吸附的概率降低;被吸附種子的運動速度增大導致其動量增大與種群碰撞時,受到的反作用力增大。因此隨著作業速度的增加,重播指數下降、漏播指數上升。由于作業速度為 5.04～6.48 km/h時,合格指數均在85%以上,確定作業速度范圍在5.04～6.48 km/h之間。

4.2.3平帶輸入軸轉速

根據預試驗確定平帶輸入軸轉速分別為0、200、400、600、800 r/min。作業速度為5.76 km/h、負壓為4 000 Pa。試驗結果如圖11所示。

圖11 不同平帶輸入軸轉速下試驗結果

由圖11可知,隨著平帶輸入軸轉速升高,合格指數先上升后下降、重播指數緩慢上升、漏播指數先下降后上升。當平帶輸入軸轉速較低時,對種群的激勵作用小,種間作用力大;隨著平帶輸入軸轉速的上升,種群“活躍”,種間作用力降低,且托種區種群對被吸附種子開始起到托持作用,漏播指數下降;隨著平帶輸入軸轉速的進一步提高,種群運動速度過快,托種區種群對被吸附種子的正向作用力過大,導致被吸附種子脫落,漏播指數上升。但隨著平帶輸入軸轉速的提高,種群“活躍性”始終上升,因此,重播指數一直緩慢上升。由于平帶輸入軸轉速在252～505 r/min時,合格指數均在85%以上,確定平帶輸入軸轉速范圍在252～505 r/min之間。

4.3 二次回歸正交組合試驗

4.3.1試驗設計

為了探究排種器的最佳工作數組合,進行二次回歸正交組合試驗。選取作業速度x1、平帶輸入軸轉速x2和負壓x3作為試驗因素。合格指數Y1、重播指數Y2和漏播指數Y3作為試驗指標。試驗因素和編碼見表3,試驗方案與結果見表4。X1、X2、X3為因素編碼值。

表3 試驗因素編碼

表4 試驗方案與結果

4.3.2回歸方程建立及顯著性檢驗

利用Design-Expert 12.0.1.0軟件對試驗結果進行回歸分析,確定各因素的影響,得到合格指數Y1、重播指數Y2和漏播指數Y3的回歸方程。并進行回歸方程的顯著性分析,分析結果如表5所示。

表5 合格指數、重播指數與漏播指數的方差分析

(1)合格指數Y1回歸模型與顯著性檢驗

由表5可知,該模型擬合度極顯著(P<0.01)。其中作業速度與負壓交互項(X1X3)P大于0.05,對排種器工作時的合格指數不顯著,其余項皆顯著。說明相關試驗因素對響應值的影響存在二次關系。失擬項P=0.270 3不顯著,說明不存在其他影響指標的主要因素。去除不顯著的因素后進行多元擬合,建立合格指數Y1的回歸模型為

Y1=92.48-3.7X1+2.97X2-3.66X3+5.89X1X2-

(12)

根據式(12)可以得出,影響合格指數的因素主次順序為作業速度、負壓、平帶輸入軸轉速。

(2)重播指數Y2回歸模型與顯著性檢驗

由表5可知,該模型擬合度極顯著(P<0.01)。其中作業速度與平帶輸入軸轉速交互項(X1X2)、作業速度與負壓交互項(X1X3)兩項P大于0.05,對排種器工作時的重播指數不顯著,其余項皆顯著。說明相關試驗因素對響應值的影響存在二次關系。失擬項P=0.223 9不顯著,說明不存在其他影響指標的主要因素。去除不顯著的因素后進行多元擬合,建立重播指數Y2的回歸模型為

Y2=3.69-3.83X1+3.48X2-10.47X3+3.57X2X3+

(13)

根據式(13)可以得出,影響重播指數的因素主次順序為負壓、作業速度、平帶輸入軸轉速。

(3)漏播指數Y3回歸模型與顯著性檢驗

由表5可知,該模型的擬合度極顯著(P<0.01)。其中作業速度與負壓交互項(X1X3)的P大于0.05,對排種器工作時的漏播指數不顯著,其余項皆顯著。說明相關試驗因素對響應值的影響存在二次關系。失擬項P=0.357 3不顯著,說明不存在其他影響指標的主要因素。去除不顯著的因素后進行多元擬合,建立漏播指數Y3的回歸模型為

Y3=3.83+7.53X1-6.45X2-6.81X3-4.51X1X2+

(14)

根據式(14)可以得出,影響合格指數的因素主次順序為作業速度、負壓、平帶輸入軸轉速。

4.3.3試驗因素響應曲面分析

圖12a為負壓4 000 Pa時,作業速度和平帶輸入軸轉速對排種器合格指數交互作用的響應曲面。由 圖12a可知,隨著作業速度的增加,合格指數先上升后大幅度下降,相同作業速度下隨著平帶輸入軸轉速的增加,合格指數先上升后下降。當作業速度為5.68 km/h、平帶輸入軸轉速為387 r/min時合格指數最高。

圖12 顯著交互項的響應曲面

圖12b為作業速度5.76 km/h時,負壓和平帶輸入軸轉速對合格指數交互作用的響應曲面。由圖12b可知,隨著負壓的增加,合格指數先上升,后趨于平緩下降;相同負壓條件下,隨著平帶輸入軸轉速的增加合格指數先上升后趨于平緩。當負壓為3 824 Pa、平帶輸入軸轉速為397 r/min時,合格指數最高。

圖12c為作業速度5.76 km/h時,負壓和平帶輸入軸轉速對排種器重播指數交互作用的響應曲面。由圖12c可知,隨著平帶輸入軸轉速的增加,重播指數上升,相同平帶輸入軸轉速下,隨著負壓的增加,重播指數增加。當負壓為3 581 Pa、平帶輸入軸轉速為369 r/min時重播指數最小。

圖12d為負壓4 000 Pa時,作業速度和平帶輸入軸轉速對排種器漏播指數交互作用的響應曲面。由圖12d可知,隨著平帶輸入軸轉速的增加,漏播指數下降,相同平帶輸入軸轉速條件下,隨著作業速度的增加,漏播指數上升。當作業速度為5.48 km/h、平帶輸入軸轉速為403 r/min時漏播指數最低。

圖12e為作業速度5.76 km/h時,負壓和平帶輸入軸轉速對漏播指數交互作用的響應曲面。由圖12e可知,隨著負壓的增加,漏播指數下降,相同負壓條件下,隨著平帶輸入軸轉速的增加漏播指數先下降,后緩慢上升。當負壓為4 422 Pa、平帶輸入軸轉速為401 r/min時漏播指數最低。

由此可見,各交互作用對排種器的工作性能有較大影響。

4.3.4參數優化與試驗驗證

為了獲得排種器的最佳工作參數,對各參數進行多目標優化。各參數以合格指數最大、重播指數和漏播指數最小為目標進行選取。綜合實際排種器的工作狀態及工作時的各參數對試驗指標的影響進行優化求解。目標函數和約束條件為

(15)

求得作業速度為5.69 km/h、平帶輸入軸轉速為395 r/min、負壓為3 845 Pa時,合格指數最高、重播指數和漏播指數最低,此時三者分別為93.58%、2.905%、3.515%。

為了驗證優化結果的準確性,在相同條件下進行臺架驗證試驗。試驗結果為:合格指數91.6%、重播指數3.8%、漏播指數4.6%。均達到排種器的作業要求,且與預期較符合,優化結果可靠。

5 結論

(1)設計了一種帶有平帶輔助充種的氣吸式蠶豆排種器。并對其工作狀態進行了動力學分析。分析結果顯示,平帶輔助充種裝置將種群對被吸附種子的阻力轉變為有利充種的托持力。驗證了平帶輔助充種裝置可提高氣吸式排種器充種性能。

(2)對排種器重要零部件進行了設計,確定型孔直徑為10 mm,數量為12個,種盤直徑為 240 mm,平帶材料為橡膠黃綠片基帶;并進一步進行了EDEM-Fluent雙向耦合仿真,設計了單因素試驗,確定了平帶輔助充種裝置平帶工作面弧長為167.47 mm,寬度為35 mm。

(3)對設計的排種器搭建了臺架,設計了單因素試驗,確定了排種器工作參數的范圍為:作業速度為5.04～6.48 km/h、平帶輸入軸轉速252～505 r/min、負壓3 000～5 000 Pa。建立以合格指數、重播指數和漏播指數為試驗指標,作業速度、平帶輸入軸轉速和負壓為試驗因素的二次回歸正交組合試驗。得出各因素對各試驗指標的回歸方程及主次影響。對試驗影響顯著的交互項進行了響應曲面分析,采用多目標優化方法得到排種器最佳工作參數:作業速度為5.69 km/h、平帶輸入軸轉速為395 r/min、負壓為3 845 Pa。對此參數組合進行了臺架試驗驗證,試驗結果為:合格指數91.6%、重播指數3.8%、漏播指數4.6%。驗證結果與優化結果基本一致。該結果滿足蠶豆播種要求。