指夾式亞高速玉米播種不同導種管種子運移軌跡對比

李佳俊 ,陶桂香 ,衣淑娟 ,毛 欣, 劉漢武

(1.黑龍江八一農墾大學 工程學院 ,黑龍江 大慶 163319 ;2.德邦大為(佳木斯)農機有限公司 ,黑龍江 佳木斯 154000)

0 引言

傳統玉米免耕播種機前進速度一般是3～6km/h,現階段玉米亞高速播種機作業速度為8～12km/h,在較高的前進速度下,種子在導種管內會發生“碰撞異位”及“彈跳異位”,從而造成粒距一致性迅速下降,甚至會出現漏播或重播。在此背景下,對高質、高速、高效的播種技術和穩定精準的導種部件的研究已成為重點。近些年,國內高校院所及企業已逐步意識到導種部件的重要作用并開展相關研究[1]。國內所研發的精量播種機多采用低位投種方式,一定程度上解決了種子投入種溝瞬間彈跳碰撞問題,但限于機具整體結構無法配套同步仿形調節機構,致使播種深度及投種距離無法保證,限制了機具作業質量及效率。隨著多種類型開溝系統的研制并應用于精量播種機具,一定程度上改善了其投送均勻性[2];楊麗等[3]針對種子投送方式易產生“碰撞異位”及“彈跳異位”問題,設計了一種適用于具有同位仿形功能的撥指同步帶式投送導種部件,采用撥送輪將種子由排種盤接引至撥種指密閉空間內,當種子脫離撥送輪和護種滑道約束時經投種滑道落入種床土壤,提升高速播種粒距均勻性。Karayel等[4]利用高速攝像技術檢測種子下落速度。劉立晶、楊慧等[5]針對因玉米精量播種機具配套導種管結構不合理導致粒距均勻性較差的問題,應用逆向工程設計軟件Geomagic Design 對國外導種部件進行反求優化方法重建。沈陽農業大學邱立春等[6]采用高速攝像技術分析了種子在弧形導種管內的運動規律。華中農業大學廖慶喜等[7]采用目標追蹤技術獲取種子運動軌跡曲線,利用高斯函數模型對曲線進行擬合,得出種子分布規律。河北科技師范學院馮利臻等[8]基于零速投種理論設計了一種衩形塑料導種管,配置于單垂直圓盤式雙條氣吸式精量排種器,實現了種子的左右分行同步播種,一定程度上改善了播種機具作業質量。現代農裝科技股份有限公司周軍平等[9]以氣吸式精量排種器為研究載體,探究其充種、清種及投種等環節對整體排種質量影響,并相繼開展投種高度試驗驗證其理論分析合理性。丁鐘凱等[10]以 2BZJ-10 型窄行密植精量播種機為研究對象,采用理論分析及高速攝像方法研究大豆在透明弧形導種管內彈跳碰撞情況,優化了其配套導種管形狀和尺寸。王金武等[11]以指夾式精量排種器為研究載體,分析其平穩運移導種投送系統作業機理,探究排種器工作轉速及傾斜角度對運移投送軌跡影響規律。

筆者以指夾式播種機的不同導種部件為研究對象,利用高速攝像技術對玉米種子通過導種管的整個運動過程進行追蹤拍攝,從而描述了在指夾排種器不同的轉速及傾斜角度和離地高度下玉米種子落入導種管的位移軌跡,從而分析比較哪種類型導種管影響了播種的均勻性。

1 試驗設備

14°導種管:入口處為65mm×45mm的矩形橫截面,導種管入口處距離底部出口處的豎直高度為430mm;16°導種管:入口處的矩形橫截面為55mm×35mm,入口處距離底部出口處的豎直高度為415mm;指夾排種器:出口處為110mm×30mm的矩形橫截面,排種器入口處距離底部出口處的豎直高度為300mm。指夾排種器由指夾種盤、調控凸輪、排種盤、指夾壓盤、柔性導種帶、清種毛刷、充種蓋及導種端蓋等部件組成,如圖1所示。

14°導種管 指夾排種器 16°導種管

高速攝像試驗臺由試驗臺架、指夾排種器、導種管、775直流減速電機(12V)、直流調速器數顯12V、控制系統、數據采集系統及PCO.dimax?CS高速攝像系統等組成,如圖2所示。

1.拍攝電腦 2.高速攝像機 3.白光燈 4.電源 5.直流調速器數顯 6.直流減速電機 7.指夾排種器 8.導種部件 9.鋁型臺架圖2 高速攝像試驗臺Fig.2 Experimental device of high-speed camera

2 材料與方法

2.1 試驗材料與條件

1)試驗材料。選用玉米種子品種為德美亞一號,種子平均幾何尺寸為長11.15mm,寬8.73mm,厚4.97mm,含水率12.04%。

2)試驗條件。導種管周邊放置2個強力照明燈,每個燈光源1300W;在PCO.dimax?CS高速攝像上安裝Nikon AF NIKKOR 24～85mm焦距可調節的鏡頭,分辨率為1920×1440(276萬像素),拍攝速度為1603fps@1920×1440全分辨率,超高信噪比66dB, IOS-mono 50000 ISO-color 6400的靈敏度,12bit的動態范圍;作業速度為8、10、12km/h,對應指夾排種器的轉速為44、55、66r/min,順時針旋轉;導種管的傾斜角度分別為0°、10°、20°,離地高度為2、3、4cm均可調。

2.2 試驗方法

試驗在黑龍江八一農墾大學工程學院收獲實驗室內進行。實際拍攝距離為150cm,將導種裝置固定于鋁型材搭建好臺架上,將筆記本電腦與攝像機主機相連接, 并利用LED燈源在試驗臺的兩側進行補光。調節作業速度、傾斜角度及離地高度值開始試驗,拍攝后將視頻導出;使用TEMA644.1-006-64軟件打開需要進行分析的視頻圖像,并輸入拍攝視頻的幀速率,添加所需要的追蹤點并進行設置,建立直角坐標系,進行手動/自動追蹤,通過修改屬性得到XY直方圖,導出所需要的數據表格及所要分析的數據坐標,分析其投種過程的運動狀態。

3 試驗結果與分析

3.1 14°與16°導種管下玉米籽粒運動過程分析

在作業速度10km/h、傾斜角度0°、離地高度3cm條件下,通過高速攝像所拍攝玉米種子運動圖像,時間間隔為0.15s。玉米籽粒所在的位置用圓圈進行了明確標注,從而獲得了在14°與16°導種管下玉米籽粒的運動過程,如圖3所示。由圖3可知:在14°導種管中,玉米籽粒首先通過碰撞產生的彈跳,但幅度不大,最終沿壁滑出;在16°導種管中玉米籽粒通過與內壁碰撞產生較大幅度彈跳,經過兩次碰撞后彈出。

14°導種管

16°導種管圖3 種子進入導種管位置圖像Fig.3 The position of seed in the seed tube

3.2 不同作業速度兩種導種管內種子運移軌跡對比

設定傾斜角度為0°、離地高度為3cm時,通過觀察8、10、12km/h速度下玉米種子投種過程中在兩種導種管的運動軌跡,如圖4所示。

(a) 8km/h種子在導種管的位移軌跡

(b) 10km/h種子在導種管的位移軌跡

(c) 12km/h種子在導種管的位移軌跡圖4 種子在導種管中的運動軌跡Fig.4 The seed orbit in the seed tube

通過對以上3組典型的運動軌跡分析可知:在前進速度達到8km/h時,玉米種子在16°導種管坐標為(0.5,4.3)的位置接觸了導種管的前板,在坐標為(0,6.4)的位置進行了第二次碰撞,但碰撞后玉米籽粒彈跳較小;在坐標(0.8,8.5)處產生第三次碰撞,并向下滑移25.2cm后,最終從導種管的排種口排出;在14°導種管時,玉米種子運動相對規律,入種口相對較近的位置緊緊地貼著導種管的后板進行滑移,在坐標(0,16.2)的位置產生一次輕微碰撞但不明顯,最后伴隨著玉米種子的自身重力滾動從導種管的排種口排出落入到種床。

在前進速度達到10km/h時,玉米種子在16°導種管中發生較大彈跳,在坐標(2.4,21.1)的位置進行了第一次碰撞且幅度較大,向下滑移12.9cm,落在坐標(1.1,34)并進行了第二次碰撞;通過運動軌跡觀察發現種子的彈跳頻率相對較小且幅度較大,但還是從排種口處滑出;14°導種管在坐標(0,7.3)產生第一次較為輕微的碰撞,并向下滑移29.5cm,在坐標(2.4,36.8)進行第二次碰撞,但幅度并不是很大,最終沿導種管的內壁滑出。

在前進速度達到12km/h時,玉米種子在16°導種管發生劇烈彈跳,種子在坐標(1.3,8.5)的位置產生第一次碰撞,碰撞力度較大,向下滑移3.2cm,在坐標(0.3,11.7)進行第二次碰撞,彈跳力度較小,向下滑移20.7cm;在坐標(2.9,32.4)產生第三次碰撞,向下滑移4.6cm,在坐標(1.6,37)產生第四次碰撞,可見種子彈跳頻率大,彈跳幅度大。由此可見:當速度過大時,玉米種子與16°導種管碰撞劇烈,種子在導種管內運動時間不同,且玉米種子離開導種管出口速度大小、方向有非常大隨機性,直接影響其播種均勻性;14°導種管中玉米在坐標(2.1,41)產生碰撞,隨后種子進行自轉式下落,但力度較大,種子通過內壁從排種口滑射而出。

3.3 不同傾斜角度兩種導種管內種子運移軌跡對比

設定其作業速度為8km/h、排種器轉速為44r/min、離地高度為3cm時,在0°、10°、20°、30°傾斜角度下玉米種子投種過程中在兩種導種管的運動軌跡,如圖5所示。

由圖5可知:在0°角度下,玉米種子在16°導種管坐標為(0.5,4.3)的位置接觸了導種管的前板,在坐標為(0,6.4)的位置進行了第二次碰撞,但碰撞后玉米籽粒彈跳較小;在坐標(0.8,8.5)處產生第三次碰撞,并向下滑移25.2cm后,最終從導種管的排種口排出。在14°導種管時,玉米種子運動相對規律:入種口相對較近的位置緊緊地貼著導種管的后板進行滑移,在坐標(0,16.2)的位置產生一次輕微碰撞但不明顯,最后伴隨著玉米種子的自身重力滾動從導種管的排種口排出落入到種床。

在10°角度下,種子在16°導種管(4,36.8)處產生輕微的碰撞,但力度較小,種子產生輕微彈跳,最終種子平行內壁滑射而出;種子在14°導種管(0.8,11.3)產生輕微的彈跳,但能夠跟著導種管的曲線進行滑落,全程沒有產生劇烈碰撞,最終沿著底部滑出。

在20°角度下,種子在16°導種管(2.6,12)產生輕微彈跳,開始沿著內壁滑落,種子自轉并產生輕微彈跳,在坐標(6.3,38.8)產生碰撞,最終滑射而出;種子在14°導種管(0,1.7)產生輕微的彈跳,幅度較小,最終沿著導種管內壁滑出。

在30°角度下,種子在16°導種管(3,7.3)產生較大彈跳,在(1.9,8.2)產生第二次彈跳,并向下滑移32.7cm,最后在(10.7,40.9)碰撞后滑射出排種口;種子在14°導種管排出后,產生多次彈跳,但幅度較小,最終在坐標(7.8,41)處產生碰撞,最終彈射出導種口。

(a) 0°種子在導種管的位移軌跡

(b) 10°種子在導種管的位移軌跡

(c) 20°種子在導種管的位移軌跡

(d) 30°種子在導種管的位移軌跡圖5 種子在導種管中的運動軌跡 Fig．5 Theseed orbit in the seed tube

3.4 不同離地高度兩種導種管內種子運移軌跡對比

設定其作業速度為8km/h,排種器轉速為44r/min,傾斜角度為0°,離地高度分別為2、3、4cm,玉米種子投種過程中在兩種導種管的運動軌跡如圖6所示。

由圖6可知:離地高度為2cm時,種子在16°導種管時,經過坐標(1.2,2)至(2.4,2)產生彈跳后并滑移12mm最終靜止不動;在14°導種管時,在(1.7,2)點產生輕微彈跳,最終滑移11.7mm靜止不動。

在離地高度為3cm時,種子在16°導種管時,分別在坐標(2,3)、(2.1,2.9)、(2.3,3.1)、(2.5,2.9)處產生彈跳,最后滑移10mm后靜止不動;在14°導種管時,在坐標(1.7,3.2)產生一次彈跳,向后滑移7mm靜止不動,在此過程中種子彈跳次數極少。

在離地高度為4cm時,種子在16°導種管中,在坐標(2.3,4)、(3,3.6)、(4.4,4.1)、(4.8,3.6)處產生多段彈跳,最終滑移34mm靜止不動;在14°導種管中,種子在坐標(1.7, 3.8)、(2.7,3.5)、(4,3.6)產生較大幅度彈跳,最終滑移29mm靜止不動。

(a) 距地面2cm位移軌跡

(b) 距地面3cm位移軌跡

(c) 距地面4cm位移軌跡圖6 種子在導種管中的運動軌跡Fig.6 The seed orbit in the seed tube

4 結論

1)玉米種子在指夾式排種器的工作條件下,當作業速度為8～12km/h時,由種子在管內曲線的斜率及在導種管中的彈跳次數能夠看出,14°導種管優于16°導種管。

2)當傾斜角度在0°～20°時,通過種子的運動軌跡可以觀測到種子在16°導種管內進行較多或較少的彈跳,而在14°導種管中是沿著管的內壁滑出,可見14°導種管要優于16°導種管,且在10°～20°范圍內軌跡較優。

3)當離地高度在2～4cm時,種子從16°導種管排出后,種子與地面的彈跳頻率在2～4之間明顯較多,滑移距離在12～34mm區間內較多;而種子從14°導種管排出后其彈跳次數1～3次且滑移距離在11.7～29mm之間。由此可見14°導種管要優于16°導種管,且在2～3cm范圍內軌跡較優。