組合孔內充式油莎豆排種器設計與試驗

丁 力 豆宇飛 王萬章 徐宇飛 何 勛 屈 哲

(河南農業大學機電工程學院， 鄭州 450002)

0 引言

油莎豆綜合利用價值極高，可提高產油量，減少我國對大豆的進口依賴。機械化集穴排種是提高油莎豆生產效率的主要途徑之一[1]。排種器是油莎豆機械化播種的核心工作部件，其充種和排種性能直接影響播種質量。機械式排種器在低速條件下可實現精量排種，但當作業速度較高時，由于油莎豆外形尺寸不規則、流動性較差，種子破損率升高，排種精度降低。針對機械式排種器高速作業時充種性能不佳的問題，眾多學者進行了大量研究。都鑫等[2]設計一種自擾動內充型孔輪式玉米精量排種器，來提高機械式排種器的充種率。張翔等[3]設計了一種入口漸收式柔性防傷種護種板，且在充種區域加設充種突起，提高了內充種式排種器播種性能。王吉奎等[4]增設了輔助充種與清種裝置，有效提高了內充種式棉花穴播器的播種質量。尚家杰[5]設計了一種具有容納式防傷種護種板的淺盆形立式圓盤排種器，降低了種子破碎率，提高了排種器充填性能。張宇文等[6]針對窩眼輪式排種器中窩眼孔易堵塞的問題，增設推種輪，采用推種輪與排種輪嚙合的形式強制排種。上述研究表明，為提高充種率，大多在充種時增加擾動裝置提高種群流動，多采用自重投種方式。但增加回流板對清掉的種子分流和通過強制排種集穴的研究鮮有報道。

本文為解決油莎豆內充式排種器充種時因種子流動性差，種群易壓實，導致重充問題，采用最速降理論設計回流有序充填曲面，利用EDEM仿真分析有序充填性能；針對不規則種子排種時機不一致導致集穴效果差問題，設計強排裝置，強制剝離疏導種子，以提高落地集穴效果。

1 排種器總體設計及工作原理

內充式油莎豆精量排種器的整體結構如圖1所示。排種器的工作過程分為充種、清種、護種和投種4個階段。排種器作業前，可通過調節軸向排數(共 3 排)，控制每穴種子的粒數(每穴 1～3 粒可調)。根據黃淮海區域油莎豆種植農藝，調節為每穴 3 粒精密播種。工作時，油莎豆種子由充種口進入充種區中形成種群；排種輪轉動，種子在自身重力、種間作用力和離心力合力作用下充入復式型孔的外孔和內孔內，隨著排種輪繼續轉動進入清種區，復式型孔外孔內的油莎豆種子在自身重力和清種刷的共同作用下完成清種，清掉的種子落入回流板上，種子依次沿回流板滑入充種腔，匯入種群；僅剩復式型孔內孔中的種子進入護種區，投種時，種子在自身重力和強排機構的共同作用下完成投種作業，強制排種裝置可將投種區卡在復式型孔內較大的種子強制清掉。

圖1 內充式油莎豆排種器結構示意圖Fig.1 Schematics of structure of inner-filled Cyperus esculentus seed metering device1.前殼體 2.種層高度調節板 3.回流板 4.清種刷 5.后殼體 6.強制排種裝置 7.排種輪外盤 8.排種輪內盤 9.穴粒數調節機構

回流板和強制排種裝置是內充式油莎豆排種器提高種群流動性、減少重播、保證投種時機一致性和提高集穴效果的關鍵部件。結合排種器結構和工作原理及油莎豆種子形狀特點設計了清種回流板和強制排種機構。

2 關鍵部件設計

2.1 內充式排種輪設計

排種輪作為內充式油莎豆精密排種器的核心部件，其結構設計與參數的確定是決定排種器充種和排種集穴性能的關鍵。如圖2所示，整體主要由盤體、驅動外盤、從動外盤Ⅰ、從動外盤Ⅱ、驅動內盤、從動內盤、復式型孔外孔、復式型孔內孔調節機構和調節擋板等組成，其中驅動外盤、從動外盤Ⅰ、從動外盤Ⅱ、驅動內盤和從動內盤通過嵌套連接，形成軸向 3 排復式型孔，且通過調節機構可以控制調節擋板的長度，進而控制復式型孔內孔的尺寸，使其滿足：每個復式型孔內孔中僅能容納1粒油莎豆種子，達到每穴 3 粒精密播種的要求。

圖2 排種輪結構示意圖Fig.2 Schematic of structure of seeding wheel1.復式型孔外孔 2.復式型孔內孔調節機構 3.復式型孔內孔 4.盤體 5.驅動外盤 6.驅動內盤 7.調節擋板 8.從動外盤Ⅰ 9.從動內盤 10.從動外盤Ⅱ

2.2 油莎豆種子幾何特性

本文選取油莎豆1號種子作為試驗對象，隨機選取200粒試驗所用的油莎豆種子，用游標卡尺對每粒種子的長、寬、高進行測量。每粒種子測 5 次，取平均值作為種子的長、寬、高三軸尺寸。同時對種子的三軸尺寸進行統計分析，以確定種子平均直徑的分布情況，如表1所示。

表1 油莎豆種子三軸尺寸Tab.1 Three-axis size of Cyperus esculentus seeds

通過測量得到種子等效直徑L0為11.47 mm，最大直徑Lmax為16.03 mm，標準差為0.52 mm，直徑基本呈正態曲線分布。取種子半徑r=Lmax/2=8 mm作為排種輪復式型孔、回流板及強制排種裝置設計依據。油莎豆種子球度為

(1)

式中Sp——球度，%

L——種子長度，mm

D——種子寬度，mm

H0——種子厚度，mm

由式(1)可得，油莎豆種子球度為84%。

2.3 內充排種輪型孔參數設計

型孔參數影響內充式排種器充種性能，本排種器主要為動態充種原理，即內層種子與排種輪內壁保持相對運動。種子能否順利充入復式型孔內主要取決于種子和型孔間的相對運動速度、待充種子的受力情況，充種過程中始終受到離心力、重力與種子間相互作用力。根據動態落拱原理，忽略種子間相互作用力，且充種過程中，油莎豆種子所受離心力變化較小，可忽略不計。為進一步分析充種過程運動情況，以充填孔邊沿處處于臨界運動狀態下的單粒油莎豆為研究對象，建立如圖3所示充種力學模型，為簡化分析與計算，將油莎豆種子視為剛性球體，其質心為幾何中心并設為坐標原點O1，Y軸經過種子質心，其正方向背離排種輪中心線，X軸經過油莎豆種質心，垂直于Y軸且指向所充填的型孔內側。

圖3 充種時油莎豆種子的極限運動狀態Fig.3 State of extreme exercise of seeds of Cyperus esculentus during filling

為確保種子順利充入復式型孔內孔中，需使復式型孔外孔長度e0大于種子沿Y軸方向合力作用下充入內孔的時間內排種輪內圓所轉過的弧長、種子沿X軸方向下落的位移sx與種子半徑所對應的弧長l之和[7]，即

(2)

式中R——排種輪內圓半徑，mm

R1——復式型孔內孔調節機構外圈對應的圓周半徑，mm

R2——油莎豆種子處于排種輪內側時種子質心所對應的圓周半徑，mm

t1——種子下落時間，s

sy——種子沿Y軸下落距離，mm

ay——種子沿Y軸下落加速度，m/s2

ax——種子沿X軸下落加速度，m/s2

Fy——種子沿Y軸方向所受合力，N

m——種子質量，mm

Fx——種子沿X軸方向所受合力，N

δ——種子所受離心力方向與排種輪豎直軸線的夾角，(°)

vx——種子充種時刻初速度，m/s

ω——排種輪轉動角速度，rad/s

ω2——種子隨排種輪內壁轉動的角速度，rad/s

G——種子所受重力，N

P——種子受到的離心力，N

g——重力加速度，m/s2

由式(2)可得

(3)

參考《農業機械設計手冊》，型孔輪式排種器排種盤直徑選取范圍一般為80～260 mm[8]，因排種器較大時，有利于提高充、清種性能，所以取排種輪內圓直徑為Φ182 mm。根據作業速度，選取轉速n為12～60 r/min，為保證所有種子順利充種，取排種輪最大作業角速度ω為6.28 rad/s，排種器工作過程中，充種腔內種子作環流運動，內層種子隨壁轉動，其角速度ω2取值范圍為0<ω2<ω，取ω2=0.6ω，根據結構強度取復式型孔內孔內壁厚度b為5 mm，種子所受離心力方向與排種輪豎直軸線的夾角取δ為20°。將R=91 mm，sy=b+Lmax/2=13 mm，R1=R+b=96 mm，R2=R-Lmax/2=83 mm，ω=6.28 rad/s，ω2=3.77 rad/s，b=5 mm代入式(3)可得e0為45.87 mm。因復式型孔外孔長度越大，外孔內可容納種子數越多，不利于種子充入復式型孔內孔中，且對型孔數目的確定具有一定的限制作用，綜合考慮，外型孔長度e0確定為46 mm。

2.4 回流板設計

回流板主要起到分流清種區落下的油莎豆種子，再有序匯入充種區的作用，為使其平穩滑送到充種區，有序充種，防止種群壓實導致的重播問題。根據最速降線原理對回流板曲線進行設計，結合重力清種臨界位置確定回流板上端夾角，通過對油莎豆在回流板上的動力學分析確定其下端傾角，后續利用EDEM仿真確定回流板安裝位置，來提高回流板的穩定性和合理性。

2.4.1種子回流板曲線

影響回流板工作效率的關鍵因素是滑種曲線的形狀，設計曲線形狀時應充分考慮其對種子運動的影響，最大程度減少種子在回流板上運動的時間，避免回流時種子之間的碰撞和種子在回流板上彈跳問題，提高回流效率。最速降線為當油莎豆種子經清種區后落入回流板上，在不考慮摩擦力時，以初速度v0沿曲線滑行到充種區，用時最短的曲線。如圖4a 所示，半徑為a的圓沿直線OB滾動，圓上一點掃過的軌跡即為O、B兩點間的最速降線，最速降線解析方程為

(4)

(5)

式中 (x，y)——質點坐標，mm

ψ——質點滾動時的轉角，rad

ε——質點滾動時的轉角，(°)

圖4 最速降線幾何含義Fig.4 Geometric meaning of the brachistochrone

對應時間泛函數T本身可以寫為積分形式

(6)

其中

式中 (x0，y0)——軌跡初始點坐標，mm

(x1，y1)——軌跡終點坐標，mm

在實際工作中，最速降線理論需要考慮油莎豆種子與回流板之間摩擦阻力，因此對上述解析方程和時間泛函數進一步優化，對其在摩擦力的作用下進行動能分析[9]，即

(7)

其中

式中v——質點運動速度，m/s

μ——動摩擦因數

s——質點運動路程，mm

m0——質點質量，gφ——摩擦角，(°)

所以，在摩擦力的作用下對應時間泛函數寫為

(8)

但該時間泛函數通過歐拉方程求解相對復雜，現將原坐標系Oxy沿逆時針旋轉一個角度φ，形成新的坐標系OXY如圖4b所示，其中φ=arctanμ為摩擦角，新舊坐標關系式為y-μx=Y/cosφ，則式(8)轉換為[10]

(9)

式中 (X，Y)——轉換坐標系后質點坐標，mm

(X0，Y0)——轉換坐標系后軌跡初始點坐標，mm

(X1，Y1)——轉換坐標系后軌跡終點坐標，mm

由旋轉后的坐標系可以看出，曲線la開始的一部分進入x<0區域，由式(9)可知，質點沿曲線la在點P0處速度小于其自由落體速度，因此該曲線不是從點O到點P0最優路徑，對最速降線解析方程進行進一步處理平移變換，即

(10)

式中A——變換后參數半徑，mm

c——最速降線方程橫向平移量，mm

因此，種子運動在OC段是以初速度v0豎直向下直線運動，后沿最速降線lCB滑動至終點B處，運動時間滿足[10]

(11)

式中 (xC，yC)——點C坐標，mm

(xB，yB)——點B坐標，mm

tOC——從點O到點C的時間，s

tCB——從點C到點B的時間，s

由式(11)可得

(12)

(13)

其中點C為極值點，條件滿足ΔT=0，即y′=∞，因此得出結論: 當曲線lb與y軸相切時，即為在考慮摩擦阻力作用下從點O到點B的最速降線[11]。此時點C位置滿足

(14)

其中

XC=μYC

c=2(μ-πφ/480)A

(15)

式中 (XC，YC)——轉換坐標系后點C坐標，mm

ψC——質點滾動至點C時的轉角，(°)

從起始點O到終點B的最速降線參數A、c僅取決于O、B兩點相對位置和回流擋板與油莎豆間的摩擦因數[12-13]。其中，兩點縱向位置與種層高度、充種區空間有關，為避免對充種影響，取H=40 mm，兩端點之間橫向距離由排種輪內壁直徑決定，取S=120 mm，由幾何關系可知

(16)

式中H——點O、B縱向位置距離，mm

S——點O、B橫向位置距離，mm

根據文獻[14]，取μ=0.42，可以得到φ=arctanμ=23°，聯立式(14)～(16)，得A=17.15 mm、c=14.17 mm、XC=8.19 mm、YC=19.51 mm，即可確定最速降線曲線。回流板曲線是一段傾斜直線和最速降線組成，二者接觸點為切點，接觸位置在實際使用中光滑過渡處理。

2.4.2回流板角度確定

為保證種子順利滑入回流板，確定回流板上端位置，現對排種輪自重清種位置進行分析，設回流板上端點與排種輪圓心連線和水平線的夾角為ψ1，為找到重力清種臨界點，現對清種區域的種子受力分析，如圖5所示。

圖5 重力清種臨界狀態受力分析Fig.5 Force analysis of gravity seed clearing critical state

以油莎豆種子質心為原點，過原點與排種輪中心連線向外為x軸正向，垂直于x軸指向種子具有運動趨勢的方向為y軸正向，建立直角坐標系，則種子在重力作用下開始清種的臨界條件為

∑F=mgsinψ1-P-ηFN1

(17)

其中FN1=mgcosψ1P=m(r+R)ω2

式中ψ1——清種起始角，(°)

η——種子間摩擦因數

FN1——種子受到的支持力，N

r——種子半徑

∑F=mgsinψ1-m(r+R)ω2-ηmgcosψ1

(18)

由式(18)整理得

(19)

取排種器角速度最小值ω=1.26 rad/s，并將r=8 mm，R=91 mm，g=9.8 m/s2，η=0.48代入式(19)，可得清種臨界角度為ψ1≥22°，因此回流板上端位置最小為22°，后續將通過仿真確定最優角度。

2.4.3回流板安裝位置及種子運動分析

種子沿回流板內壁滑入由回流板和排種輪外圈組成的充種容腔內，為進一步對油莎豆在回流板上的運動進行分析，選取油莎豆種子作為研究對象，建立如圖6所示的坐標系yoz。假設種子開始下滑速度為v1，種子進入充種腔的速度為v2，下落高度為H，下落過程摩擦力始終存在。

圖6 種子回流受力分析Fig.6 Force analysis of seed backflow

對yoz平面內油莎豆種子滑落狀態進行分析，則有

(20)

式中f2——油莎豆種子與回流板間摩擦力，N

FN2——回流板對油莎豆種子的支持力，N

γ——導種曲線切線傾角，(°)

當油莎豆種子由回流板起始位置點o(xo，yo)運動到最速降線回流段起始位置K(xk，yk)，運動的高度為H1，此時摩擦力做功w1可表示為

w1=FN2H1tanφ/cosφ

(21)

當油莎豆種子由最速降線回流段起始位置點K(xk，yk)運動到排種點Q(xq，yq)處過程中，完成最速降線回流運動，其運動的高度為H2，此時摩擦力做功w2可表示為[15]

(22)

根據能量守恒定理可得

(23)

整理式(21)～(23)得

(24)

其中

v1=ω(r+R)

取排種器一般作業速度對應轉速n=20 r/min，則對應角速度為ω=2.09 rad/s，將H1=YC=19.5 mm，H2=H-H1=20.5 mm代入式(24)，得v2=0.78 m/s。

曲線任意一點切線斜率為

(25)

(26)

式中ψ2——曲線任意一點切線與水平線的夾角

可知當ψ2=2π時切線與la垂直，由幾何關系可知

(27)

解得v2x=0.26 m/s，v2y=0.74 m/s。因此種子經回流板排種口后進入回流種群時的豎直方向的分速度大于排種輪線速度，可促進種群流動，提高充種效率。

圖7 回流板位置示意圖Fig.7 Schematic of return plate position

回流板上端與排種輪內壁距離決定回流效果，當距離過大時部分種子將無法落入回流板；當距離過小時將發生卡種、刮種等，對種子造成損傷，影響播種質量。結合前期試驗經驗，如圖7所示，回流板端點Q到排種器內壁距離為最大半徑，即

s1=r=0.5Lmax

(28)

當種子回流時有較多種子時，為防止種子堵塞回流下端口，回流板下端距離排種輪內壁需滿足2倍最大種子直徑，即

s2≥2Lmax

(29)

將Lmax=16 mm代入式(28)、(29)得s1=8 mm、s2≥16 mm，因此回流板上端距排種輪內壁8 mm，下端距排種輪內壁最少16 mm。

2.5 強制排種裝置設計

投種方式按作用效果分重力投種和強制排種兩種。為確保排種器3粒種子同時落下，采用強制排種作為主要投種方式。強制排種過程為強排裝置對種子進行碰撞、擠壓，完成投種[16]。

2.5.1強制排種碰撞分析

為確定合適的強制排種裝置，保證投種一致性，進行油莎豆與強制排種裝置的碰撞理論分析，作如下簡化：假定碰撞時油莎豆種子只在公法線方向上產生微小的壓縮變形[17]。因此，可以認為在公法線方向發生彈性碰撞，而在公切面上由于作用時間極其短促，忽略瞬時摩擦的作用[18]。

假定種子為一剛性小球，隨排種輪作勻速圓周運動，忽略種子間相互作用和空氣阻力影響，種子在碰撞時受力分析如圖8所示。

圖8 碰撞分析Fig.8 Collision analysis

油莎豆種子經過非對心斜碰撞后的速度滿足

(30)

由式(30)可得

(31)

式中vp0——種子碰撞前速度，m/s

vn0——種子碰撞前法向速度，m/s

vt0——種子碰撞前切向速度，m/s

vn1——種子碰撞后法向速度，m/s

vt1——種子碰撞后切向速度，m/s

vp1——種子碰撞后速度，m/s

R3——排種輪外圓半徑，mm

e——種子與強制清種裝置之間的恢復系數

α——種子質心與排種輪中心連線和豎直方向之間的夾角，(°)

β——碰撞面在xoy坐標系上的投影直線與水平線之間夾角，(°)

由式(31)可知，油莎豆種子經過碰撞后的速度，即投種初始速度與碰撞時排種輪轉速、油莎豆種子與強制排種裝置之間恢復系數正相關。由文獻[19]可知，內充式排種角度過大時，種子處于不穩定階段，排種角一般小于30°，即α<30°；當β過小時受種子投種時姿勢影響增大，投種一致性變差，于是取β>45°。為使油莎豆投種速度最小，cos2(β-α)取最小值，結合排種器結構尺寸取α=30°，β=45°。

2.5.2強制排種裝置參數確定

隨排種輪運動在外窩孔上的種子進入投種區與強制排種裝置碰撞面發生碰撞，碰撞后的種子在重力的作用下完成投種。為保證3粒種子一致性投種作業，需對碰撞區角度θ1進行設計計算[20]。由圖9幾何關系可知

圖9 強制排種裝置結構圖Fig.9 Structure diagram of forced seed metering device

(32)

式中θ3——投種區左邊線與種子質心和排種輪中心連線之間夾角，(°)

θ4——種子質心和排種輪中心連線和碰撞點與排種器中心連線之間所夾的銳角，(°)

δ1——排種輪中心與碰撞接觸點之間連線和種子質心與碰撞接觸點之間連線之間的夾角，(°)

l1——種子質心到排種輪圓心與碰撞接觸點之間連線之間的垂直距離，mm

由式(32)可得

(33)

為避免充種時種子卡在復式型孔內孔中，所以復式型孔內孔深設為種子最大直徑，則R3=R1+Lmax=112 mm，將r=8 mm、β=45°、α=30°代入得θ4=1.2°，θ3=4.4°，所以θ1=5.6°

在坐標系xoy中，設碰撞點坐標為A1(a1,b1)，強制排種裝置下端位置坐標為A2(a2,b2)，碰撞面在xoy坐標軸上的投影直線的函數表達式為y=kx+b，由幾何關系有

(34)

將R3=112 mm，r=8 mm，β=45°，α=30°，θ4=1.2°，θ3=5.6°代入得a1=46 mm，b1=84 mm。所以碰撞點的坐標為A1(46 mm，84 mm)。設已知β=45°可得投影直線的斜率為k=-tanβ=-1，將點A1(46 mm，84 mm)代入得

y=-x+130

(35)

圖10 復式型孔槽深度示意圖Fig.10 Schematic of depth of compound hole and groove

強制排種裝置下端位置與復式型孔槽底部相切，如圖10所示。當復式型孔槽過淺時，排種器強制排種裝置對種子的撞擊效果減少，排種效率差，不利于3粒種子同時排種。復式型孔槽過深，排種輪結構穩定性變差，高速旋轉時易發生斷裂現象。因此，復式型孔槽深度hd應小于0.5倍的種子最大直徑，即hd≤0.5Lmax，但又考慮排種器的結構強度取hd=0.5Lmax[21]。所以復式型孔槽中線所在圓的半徑為R4=R1+0.5Lmax=104 mm，則復式型孔槽中線所在圓的函數表達式為x2+y2=1042。聯立直線y=-x+130與圓的函數表達式

(36)

得A2(31 mm，99 mm)，則該點即為強制排種裝置下端位置。

當θ2過大會增加投種區角度，相應充種區角度減小，不利于充種效率；θ2過小，碰撞后種子橫向移動距離縮短，增加了種子與播種器外殼碰撞情況的發生。考慮油莎豆尺寸因素，為使油莎豆不與排種器發生碰撞，順利投種，在坐標系xoy中，設運動軌跡與排種器外殼所在圓交點坐標為A3(a3,b3)，以碰撞接觸點A1作為運動軌跡的起始點，則其運動軌跡方程為

(37)

式中vpx——種子與強制排種裝置碰撞后的速度在水平方向上的分速度，m/s

vpy——種子與強制排種裝置碰撞后的速度在豎直方向上的分速度，m/s

為使油莎豆種子經過碰撞之后不與排種器外殼發生碰撞，聯立運動軌跡方程與排種器外殼所在圓方程，根據排種器尺寸圓的半徑為117 mm，則圓的的方程為

x2+y2=1172

(38)

聯立式(37)、(38)得

(39)

其中vpx=-vp1cosθ5vpy=vp1sinθ5

式中θ5——種子碰撞后速度與水平方向夾角，(°)

由于投種速度與排種器轉速成正比[20]，取排種輪最大角速度ω=6.28 rad/s，根據文獻[23]，取種子與強制清種裝置之間的恢復系數e=0.40，根據式(30)、(31)解得vp1=0.634 m/s，vp0=0.653 m/s，vn1=0.068 m/s，vt1=0.630 m/s。將上述結果代入式(39)中得θ5=51.2°，vpx=-0.397 m/s，vpy=0.494 m/s，t=0.042 s。將上述結果代入式(38)中得x=30 mm，y=113 mm所以A3坐標為(30 mm，113 mm)。

由幾何關系可得

(40)

式中τ——投種區右邊線與y軸的夾角，(°)

將點A3(a3,b3)代入式(40)得τ=14.9°，為避免種子與排種器外殼發生碰撞τ取值越小越好，結合排種器結構尺寸取τ=14°，代入得θ2=14.8°。

3 EDEM離散元仿真

3.1 仿真模型建立及仿真參數確定

為提高運算速度，EDEM仿真時將整個排種器模型簡化為殼體、排種輪、回流板和強制排種裝置4部分，如圖11a所示。

圖11 EDEM仿真模型Fig.11 EDEM simulation model1.殼體 2.回流板 3.油莎豆種子 4.強制排種裝置

根據排種器材料，將排種器材料設定為樹脂，參數參照文獻[22]，其泊松比為 0.35，剪切模量為1.20×108Pa，密度為 1.455×103kg/m3。油莎豆種子參數參照文獻[14，22-24]，其泊松比為 0.37，剪切模量為 2.77×107Pa，密度為 1.186×103kg/m3。油莎豆種子之間恢復系數、靜摩擦因數、動摩擦因數分別為0.31、0.43、0.108；油莎豆種子與排種器之間恢復因數、靜摩擦因數、動摩擦因數分別為 0.40、0.46、0.42。仿真選用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為種子與排種器、種子與種子之間的接觸模型。

3.2 強制排種裝置仿真

為探明強制排種裝置作業效果，將排種輪設置為一般工作轉速20 r/min，即角速度ω=2.09 rad/s進行仿真試驗。為得到種子在排種區的速度變化及碰撞情況，利用EDEM后處理模塊，在排種區建立3個監測器，如圖12所示，分別監測3排油莎豆種子速度數值及種子與強制排種裝置碰撞力變化情況。隨機選取3穴相鄰的油莎豆種子，得到其運動速度隨時間的變化曲線，結果如圖13所示。

圖12 強制排種仿真建立的監測器Fig.12 A monitor created by forced seeding simulation

圖13 種子速度變化曲線Fig.13 Seed speed change curves

由圖13可知，第1穴左邊、中間、右邊種子分別在3.470 4、3.459 9、3.436 57 s以速度0.229 16、0.253 51、0.231 56 m/s與強制排種裝置發生碰撞，在3.471 2、 3.460 63、3.437 37 s時結束碰撞，碰撞后種子速度分別為0.172 57、0.179 53、0.202 31 m/s。第2穴種子均未與強制排種裝置發生碰撞，分別在3.724 51、3.729 26、3.735 51 s 以初始速度 0.215 30、0.196 59、0.225 86 m/s排種。第3穴種子僅有左邊種子與強制排種裝置發生碰撞，在3.944 86 s時以速度0.262 80 m/s與強制排種裝置發生碰撞，在3.945 66 s時以速度0.185 61 m/s結束碰撞并投種，中間和右邊種子分別在3.953 56、3.964 37 s以速度0.185 29、0.237 85 m/s投種。由此可知，強制排種裝置可以使種子及時排種，且與正常排種種子排種時間和排種速度幾乎相同。

3.3 排種器回流充種過程分析

為研究排種器回流充種過程，在排種輪轉速、種層厚度、回流板上端傾角分別為20 r/min、60 mm、22°時觀察回流區種子充種運動過程。選擇剖視圖視角，選取處于同一水平位置的一層種子為研究對象并標定為橙色，從初始狀態截取不同時刻t0種層運動圖，得標定種子1.5～7.5 s運動過程，如圖14所示。圖14表明經回流板回流的種子沿排種器內壁向下運動，回流區種群逐漸向充種區種群運動補充，待與排種輪接觸的種層向下運動進入外窩孔時向下運動，回流種群進入外窩孔或進入充種環流，如此往復形成回流層。種群運動出現向下回流狀運動和渦流狀運動規律同時存在，種子在種層回流過程中形成排隊有序充種和匯入充種環流完成多次循環重復充種，提高種子充填外窩孔的機會，同時降低種群壓實，從而提高充種性能。

圖14 不同時間同一橫向位置種子運動狀態Fig.14 Seed motion states at the same lateral position at different times

圖16 不同回流板位置示意圖Fig.16 Schematicof different reflow board positions

為驗證回流種層匯入充種群運動的回流過程和充種環流運動狀態，以速度標定種子顏色，選擇種子表現形式為stream，箭頭方向代表種子運動速度方向，得到種子某時刻狀態見圖15。圖15表明顆粒從復式型孔外孔在重力作用下滑落至回流板，沿回流板曲面下滑且逐漸加快，從回流板下端進入充種區，回流種群上層種子速度大于下層種子且向下逐漸降低。下層種子緩慢向下運動進入外窩孔或匯入充種環流，因此形成有序種子流。回流種層保證了有序充種，匯入充種群后增大種群活躍程度和更新程度，提供種子多次循環重復充種條件；充種環流中與排種器接觸的下層種子在排種輪的帶動下獲得小于排種輪線速度的運動，速度方向與排種輪轉速相同，產生種子與外窩孔相對速度的充種條件，同時下層種子帶動與之相鄰的內層種子向上運動，其速度低于下層種子，層層帶動最后遞減為靜止層；最外層種子則反向運動，部分未落入回流板的種子與最外層種子相撞并匯入其中，速度不斷傳遞給其相鄰種層直至靜止層，速度自外向內依次遞減，因此便形成環形流。漩渦狀環流層增大種群活躍程度和更新程度，提供種子多次循環重復充種條件[25]。

圖15 種子運動狀態Fig.15 Seed movement status

3.4 仿真方法

為研究回流板位置對排種器性能的影響，開展回流板位置對種群流動性能和回流質量流量的影響仿真研究。當研究上端位置的影響時，根據2.4.2、2.4.3節理論計算和油莎豆尺寸，設定安放傾角分別為22°、32°和42°，設 3個水平，如圖16所示。轉速均為20 r/min，為保證排種器內種子數量相同，種子總數設定為450顆，種子在1 s內生成完畢，排種輪從1.5 s開始旋轉，此時種子已經生成完畢，處于靜止狀態，仿真到12 s結束，固定時間步長20%[26]。

結合前期試驗和回流充種過程仿真分析，充種區靜止層種子流動性較低，回流板通過改變種子回落位置，避免種子直接落入充種區，減少與種群外層種子碰撞及充種區種子數量來減少靜止層，提高種群流動性從而提高充種率；同時充種區與排種輪接觸的種群承受壓力過大，易發生重充，回流板對回流種群分流，改變種群分布，減小堆積，可有效避免由于種群壓力過大而造成種群壓實，導致重充現象。

種子經回流板到達充種腔中，速度降低，緩慢匯入種群，其回流種子流可反映出種群流動性，因此以靜止層種子種群平均速度和回流種群質量流量作為回流板回流效果的評價指標，質量流量是指物料在單位時間內種群流過的質量，能清晰反映回流效率。為監測回流種群質量流量和靜止區種群平均速度，結合EDEM后處理功能，需要在種群中建立監測器，如圖17所示，其中監測器1為速度傳感器，監測靜止區種群平均速度，監測器2為質量流量傳感器，監測回流種群顆粒質量流量[27]。

圖17 仿真試驗建立監測器Fig.17 Simulation test build monitor

3.5 仿真結果與分析

圖19 不同回流板位置對種群平均速度的影響Fig.19 Effects of different reflow plate positions on average velocity of population

圖18為不同回流板在轉速20 r/min下不同回流傾角時種群質量流量速率。在不同回流板上端傾角條件下，隨著傾角斜率的增加，回流種群質量流量速率呈現先增加后降低的趨勢，分析其原因在于：當上端傾角在22°時，回流板可以回流大部分種子，回流種子過多導致種子堆積在回流種群，導致回流效率降低。當回流板上端傾角由22°增加到32°時，回流板對部分種子進行回流，另一部分直接進入充種區，回流板對種子進行有效分流，減少種子在回流種群堆積情況，回流種群質量流量速率顯著提高。當回流板上端傾角由32°增加到42°時，種子進入回流板的數量繼續減少，大部分種子直接進入充種區，導致回流種群質量流量降低，回流板無法進行有效回流。

圖18 回流板上端傾角對回流種群質量流量的影響Fig.18 Influence of upper position of different return plates on mass flow of return population

圖19為不同回流板在轉速20 r/min下速度的變化趨勢，有回流板時種群平均速度明顯高于無回流板種群平均速度，這是因為回流板可對種子進行分流，適當減少充種區種子數量，提高充種種群流動性。隨著回流板上端傾角增大，種群速度呈現先增大后減小的趨勢，分析其原因在于：當上端傾角為22°時，種子經回流板進入回流種群，充種區種子數量無法及時得到補充，排種輪內壁帶動種子運動效果降低導致種群平均速度較小。當上端傾角為32°時，充種種群種子數量增加，排種輪內壁帶動充種種群流動形成充種環流，回流種子經回流板進入回流種群，然后匯入種子環流，種群流動性增加，使種群平均速度增加。當上端傾角為42°時，大部分種子直接進入充種區，由于油莎豆種子形狀不規則，種子之間摩擦力大導致充種種群下部種子難以帶動種群形成環流，種群活力降低，種群平均速度減少。

4 臺架試驗

4.1 試驗條件

本文試驗分別為一致性投種性能試驗、排種輪單排孔排種試驗、雙因素試驗和集穴排種試驗，試驗裝置分別為中國農業大學研發的排種器性能檢測儀和STB-700型播種試驗臺，油莎豆種子為河南省農業科學院提供的中油莎1號，含水率為8.27%，試驗地點為河南農業大學現代農業裝備工程研究中心。

4.2 一致性投種性能試驗

為驗證碰撞后種子運動機理及投種一致性，進行高速攝影試驗，排種器轉速設置為20 r/min。試驗時采用高速攝影儀對其投種過程進行拍攝，采用2 mm×2 mm的黑色網格板對油莎豆下落過程中的位移進行標定。油莎豆下落過程為空間拋物線軌跡，為全面分析投種一致性，分別從正面和側面 2 個方向進行拍攝，正面拍攝結果如圖20所示，通過慢放高速攝影錄像，每組試驗統計 100穴，重復 3 次。通過某時刻下目標顆粒所處網格位置對其進行定位，從而獲得目標顆粒的準確坐標。高速攝影畫面傳輸速度為1 000 f/s，每間隔10幀提取一次目標顆粒的位置坐標，將該位移與10幀間隔時間(0.01 s)相比獲得的平均速度作為該目標顆粒的瞬時速度[28]。

圖20 油莎豆種子下落過程圖Fig.20 Diagram of falling process of Cyperus esculentus seeds

為準確記錄投種的水平位移，建立如圖21所示的坐標系，在主視圖中，以油莎豆達到排種器殼體最低端時的位置作為原點，過原點豎直向下為Y軸正方向，排種器殼體最低端的水平直線記做X軸，并將黑色網格板中的水平線和豎直線與X、Y軸重合。在側視圖中，排種器殼體最低端的水平直線記做Z軸，Z軸與X、Y軸相互垂直。提取仿真到達網格板時3粒油莎豆種子的速度，豎直位移和水平位移，與試驗數據比較[29]，如圖 22所示，圖中同組3組數據從左到右分別為：左邊種子、中間種子和右邊種子。

圖21 標定坐標系Fig.21 Calibration coordinate system

圖22 仿真與實際對比Fig.22 Simulation and actual comparison chart

由圖22可知，實際油莎豆種子投種速度始終低于仿真時的速度，原因在于仿真時對油莎豆與強制排種裝置的碰撞進行簡化，實際碰撞時油莎豆損失較多能量，導致運動速度降低。油莎豆仿真豎直方向平均位移差為4.98 mm，仿真水平方向平均位移差為2.73 mm，實際豎直方向平均位移差為3.39 mm，水平方向平均位移差為3.04 mm，仿真平均速度差為0.044 m/s，實際平均速度差為0.036 m/s。油莎豆投種時同穴3粒種子豎直方向位移、水平方向位移和速度差值與模擬結果基本一致且3粒種子速度和位移幾乎相同。通過分析油莎豆投種時的運動狀態以及豎直方向速度變化規律，驗證了投種一致性，證明了強制投種裝置的可靠性。

4.3 單排孔排種試驗

組合孔內充式排種器通過3排型孔將種子分離投種，每排型孔性能將直接影響后續集穴性能。因此，有必要對每排型孔性能進行試驗分析。試驗將內充式集穴排種器安裝至中國農業大學研發的排種器性能檢測儀上，如圖23所示。

圖23 排種器性能檢測儀Fig.23 Performance tester for seed-metering device1.內充式油莎豆排種器 2.臺架 3.排種器性能檢測裝置 4.導種管 5.左邊單排孔試驗 6.右邊單排孔試驗 7.中間單排孔試驗

因為所設計排種輪為3排并聯型孔，因此每排型孔落種部位用軟管連接至檢測導種管，共進行3組試驗分別進行統計。設置仿真優化后的最佳參數回流板上端傾角為32°，設置排種輪轉速為20 r/min進行試驗。試驗時每組試驗重復5次取平均值，每次試驗選取100穴。

經試驗，排種輪3排型孔排種合格率差別不大，分別為90.0%、93.0%、92.4%，3排型孔指標差異不顯著，說明排種輪每排孔都可以對種子起到較好的單粒分離投送效果。

4.4 雙因素試驗

將排種器安裝在 STB-700型播種試驗臺上，如圖24所示，設定穴距為 150 mm，根據排種輪轉速與種帶速度轉換公式

(41)

式中n——排種輪轉速，r/min

l——油莎豆穴距，mm

Vm——種帶速度，km/h

得到排種輪轉速與種帶速度的對應關系，如表2所示。

圖25 不同工況下排種器性能變化趨勢Fig.25 Variation trend of seed meter performance under different working conditions

圖24 排種試驗臺Fig.24 Seed test bench1.驅動電機 2.內充式排種器 3.種床帶

表2 排種輪轉速與種帶速度的對應關系Tab.2 Corresponding relationship between speed of seed disc and speed of seed belt

試驗因素為排種輪轉速和復式型孔內孔長度，進行三水平析因試驗。試驗時每個條件下重復3次取平均值，每次試驗取100穴，統計漏播、重播、合格穴數。相關試驗指標計算公式為[30]

(42)

式中Ls——漏播指數，%

Ms——重播指數，%

Qs——合格指數，%

n1——少于3粒型孔數

n2——多于3粒型孔數

n3——3粒型孔數

N1——記錄總型孔數

復式型孔內孔長度設定為6.0～9.5 mm，每隔 0.5 mm設置一個水平，試驗時每個條件下重復 3 次取平均值。為定量分析回流板不同位置對排種輪排種性能的影響，統計各組工況下安裝不同型孔排種輪排種器的排種性能指標。

利用Origin 2021繪制各評價指標隨排種輪轉速和復式型孔內孔長度的等高線圖[31]，如圖25所示。

由圖25可知，當復式型孔固定時，隨排種輪轉速增大，排種器合格率逐漸降低，漏播率逐漸增大，重播率逐漸減小，這是因為排種輪轉速提高，復式型孔內的種子未完全進入型孔中，易發生滑落，造成漏播指數增加，合格指數降低。當排種輪轉速固定時，隨復式型孔內孔長度增大，合格指數呈現先增大后減小的趨勢，這是因為當復式型孔內孔長度過小時油莎豆種子難以完全充入內孔中，在清種階段其滑落，造成漏播率增加，但內孔長度過長時，易發生多粒種子充入內孔，造成重播率增加，進而導致合格指數下降。內充式集穴排種性能指標最優條件為：復式型孔內孔長度8 mm、轉速為20 r/min，此時排種器合格指數、漏播指數和重播指數分別為 96.4%、1.5%和2.1%。

4.5 集穴試驗

為進一步考察內充式油莎豆排種器集穴性能，對不同轉速下3組試驗數據進行顯著性分析。選擇內充式油莎豆精量排種器復式型孔內孔長度為8 mm，排種輪轉速為 10～50 r/min。試驗時每個條件下重復 3 次取平均值，每次試驗選取100穴，試驗選取成穴直徑平均值為試驗指標，評價排種器工作性能，試驗結果如圖26所示。

圖26 不同轉速下種子最大分散間距Fig.26 Maximum seed dispersion spacing at different speeds

在排種器作業速度10、20 r/min條件下，種子成穴后最大分散間距(已成穴直徑平均值)處于較低水平，集穴效果最佳，3組試驗數據差異不顯著；當轉速為30 r/min 時，種子成穴后最大分散間距波動范圍較大，第3組試驗數據和其他2組試驗差異顯著，說明轉速的提高影響了種子集穴效果；當轉速為40、50 r/min時，種子成穴后最大分散間距每組試驗數值互相差異顯著，說明種子集穴效果波動較大，種子落地后會隨機彈跳、滾動，但從整體來看，種子分散間距滿足設計要求。

5 結論

(1)針對油莎豆種子表面不規則，種群流動性差，內充式排種器易壓實產生重播現象，排種集穴效果差，影響排種性能問題，設計了一種組合孔內充式油莎豆排種器。基于最速降線原理設計了回流板曲面，并計算回流板上端傾角范圍、安裝位置及種子在回流板上運動情況。通過分析種子與強制排種裝置碰撞過程，對強制排種裝置的關鍵參數進行理論分析和設計計算。

(2)利用EDEM仿真分析了種群回流運動過程和強制排種過程，證明了強制排種裝置可提高排種器的集穴效果，實現投種一致性。探明了回流板種群運動機理，并且仿真比較3種回流板位置的回流效果。上端傾角為32°的回流板的回流效果較好，表明回流板可以增強種群流動性，避免種群堆積。

(3)研究了投種一致性高速攝影試驗、排種輪單排孔排種試驗、雙因素試驗和集穴試驗，通過高速攝影分析了油莎豆種子位移及速度變化規律，其結果與數值模擬基本一致，從排種輪單排孔排種試驗得出3排型孔排種合格率差別不大，3排型孔指標差異不顯著。通過雙因素試驗，確定了當復式型孔內孔長度為8 mm、轉速為20 r/min條件下，排種器合格指數、漏播指數、重播指數可達96.4%、1.5%和2.1%。在較優內窩孔長度和回流板條件下進行集穴試驗，試驗結果表明在轉速為10、20 r/min時集穴效果最佳。