花生氣吸滾筒式穴播器分種盤設計與試驗

張春艷 康建明 張寧寧 彭強吉 張 惠 王小瑜

(1.山東省農業機械科學研究院, 濟南 250010; 2.綠洲特色經濟作物生產機械化教育部工程研究中心, 石河子 832061)

0 引言

花生單粒精播可促進個體發育,優化群體質量,有效解除株間競爭對產量的制約效應,大幅度提高花生單產水平[1-2]。而膜上打孔穴播具有對土壤擾動小、單粒率高、免放苗的優勢,在花生種植區被廣泛應用。穴播器是花生膜上打孔穴播的關鍵部件,分為氣吸滾筒式和機械滾筒式兩大類,機械滾筒式穴播器結構簡單,但穴粒數不穩定;氣吸滾筒式穴播器結構雖然復雜、但不傷種且穴粒數合格率高,種子可按照規定的播量、穴距和播深投入成穴部件開出的種穴內,可以提高播種質量,實現全苗、壯苗[3-6]。

氣吸滾筒式穴播器是靠壓差吸附種子,壓差消失后種子依次落入分種盤、二次投種機構、鴨嘴中,完成排種[7-9]。陳學庚等[10-11]明確了氣室充種負壓和取種盤吸孔線速度對排種性能的影響規律,優化作業參數,提高了排種單粒率;陳付東等[12]改進了排種盤吸種孔,并增設了具有夾持功能的攜種器進行輔助攜種,降低漏播率;劉兵等[13]針對花生氣吸式排種器采用EDEM和Fluent分析了種子的運動軌跡,并得到排種器最佳性能參數;文獻[14-18]研究表明排種機構的投種環節是優化排種性能的重要手段,文獻[19-22]基于DEM-CFD氣固耦合方法對排種器進行數值模擬,優化作業參數和排種性能,論證了采用DEM-CFD氣固耦合方法可以進一步優化排種器工作參數。目前對氣吸滾筒式穴播器的研究主要運用離散元法,未見運用DEM-CFD氣固耦合方法的相關研究[5,23]。由前期研究可知,種子進入二次投種機構之后的運動不再是影響單粒率的主要因素,而種子從吸種到進入二次投種機構的運動過程將直接影響單粒率,因此,研究一次投種性能對保證氣吸滾筒式穴播器作業質量尤為重要。

針對氣吸滾筒式穴播器一次投種性能不穩定的問題,本文設計一種適用于氣吸滾筒式穴播器的分種盤,并借助DEM-CFD氣固耦合計算方法,模擬吸種和一次投種過程,分析攜種區種子運動軌跡及排種性能,開展三因素二次旋轉正交組合臺架試驗,優化分種盤結構和位置參數,并進行田間驗證試驗。

1 氣吸滾筒式穴播器結構與技術特點

1.1 氣吸滾筒式穴播器結構

氣吸滾筒式穴播器結構如圖1所示,主要由中空穴播器軸、取種盤、分種盤、腰帶、鴨嘴、底盤等組成。工作時,在風機作用下形成真空氣室,種子被氣流產生的壓差吸附在取種盤上,并隨取種盤運動至一次投種位置,在斷氣塊作用下,負壓消失,同時刮種器接觸種子,種子從吸種孔脫離,落入分種盤齒形空間內,由分種齒攜種至外殼開口處,撥入二次投種機構中,經過二次投種機構的外種道、內種道后到達鴨嘴底部,隨著動鴨嘴打開,種子落入種穴內,完成穴播。

圖1 氣吸滾筒式穴播器爆炸圖Fig.1 Structure diagram of air-suction roller dibbler1.外殼 2.輸種管 3.分種盤 4.取種盤 5.清種器 6.擋種盤 7.腰帶 8.鴨嘴 9.穴播器軸 10.斷氣塊 11.底盤

1.2 技術特點

花生單粒精播種植模式對播種的單粒率要求較高,按照此設計要求,氣吸滾筒式穴播器工作過程中,除了要保證吸種孔能夠吸附單粒種子外,也要保證吸附的該粒種子能夠準確的被投入種穴中,由于種子是在斷氣塊和刮種器相互配合下完成一次投種,投種的位置不盡相同,下落的時間和軌跡差異較大,影響了投種的準確性,降低了投種精度,造成漏重播現象,影響單粒率。為提高投種的準確性和精度,在取種盤和二次投種機構之間設置分種盤,種子從取種盤直接落入分種盤中,經分種盤撥動,從外殼開口落入二次投種機構,進而進入鴨嘴等待排種。分種盤將脫離吸種孔的種子限定在一個較小的齒形空間內,并撥動種子沿著預定軌道移動至外殼開口,提高了投種的準確性和精度,進而提高播種單粒率。

2 分種盤設計

2.1 分種齒數量

分種盤是提高播種質量的重要部件,如圖2所示,主要包括分種齒和分種圓環,分種圓環上開有安裝孔。分種齒均勻分布于分種圓環面上,將投種空間分割成獨立的種子運動空間,且每個種子運動空間與取種孔、二次投種機構以及鴨嘴一一對應,因此,分種齒的數量Z應與取種孔數量M和鴨嘴數量N相等。

圖2 分種盤主視圖Fig.2 Front view of seed separation tray1.分種齒 2.分種圓環 3.安裝孔

鴨嘴數量N與穴距γ和播種深度H的關系滿足公式

(1)

式中D——穴播器滾筒直徑,mm

花生單粒精播要求合理密植,穴距γ應滿足90 mm<γ<120 mm,且播種深度H應滿足30 mm

2.2 分種齒齒形

分種齒呈三棱柱形狀,如圖3所示,截面為鈍角三角形DEF,其中∠FED為鈍角,D、F所在圓的半徑分別為R、R′。為與外殼配合,在三棱柱D端上部設有倒角,且倒角的相關參數由外殼尺寸決定。

圖3 分種齒齒形示意圖Fig.3 Seed separation tooth profile

齒尖F采用圓弧過渡,可增加分種齒強度,避免應力集中,且圓弧直徑越小,對種子落入齒間的影響越小,但過小又會影響分種齒強度。因此,本文中分種齒齒尖圓弧直徑取1 mm,圓心為O。D端需與外殼配合,其圓弧D1D2所在圓半徑與外殼半徑相等。

經前期研究得知,分種齒D1E面為攜種面,當種子落入齒形空間時,攜種面推動種子運動到穴播器開口處,并撥進二次投種機構中,因此D1E的長度LD1E應滿足

(2)

式中Lmax——花生種子長度最大值,mm

R1——分種圓環外圈半徑,mm

R2——分種圓環內圈半徑,mm

本文花生種子選用山東省花生研究所選育的魯花14號,由文獻[5]可知,種子長度L介于13～20 mm之間,分種圓環內圈與吸種盤配合,外圓與外殼配合,因此R1=130 mm,R2=110 mm,代入公式(2)得10 mm≤LD1E≤20 mm。結合前期試驗結果,本文LD1E取15 mm。

2.3 分種齒齒向

分種齒齒形的D1E面作為攜種面,需推動種子運動,當D1E面與徑向的夾角α(即分種齒齒形方向角)數值過大時,D1E面會脫離種子或者使種子發生彈跳,造成攜種失效,本文中將花生種子簡化成橢圓結構,如圖4所示,此時需滿足

圖4 分種齒齒形與種子位置關系示意圖Fig.4 Relationship between seed separation tooth shape and seed position

(3)

式中 (x0,y0)——點P坐標,mm

a——橢圓長軸長度,mm

b——橢圓短軸長度,mm

k——切線斜率

θ——D1E面與法向的夾角,(°)

由公式(3)可得

(4)

將LD1E=15 mm、L=20 mm、y0=4 mm代入公式(3)、(4),得分種齒齒形方向角滿足-16.68°≤α≤16.68°。

2.4 分種盤安裝位置

吸種孔壓差消失,種子從取種盤吸口處落下,運動軌跡如圖5所示,種子初始運動方向垂直于吸種孔與旋轉中心連線,初始速度v0滿足

圖5 分種盤安裝位置示意圖Fig.5 Installation position diagram of seed separation tray

v0=ωR4

(5)

式中ω——角速度,rad/s

R4——吸種孔圓心所在圓的半徑,mm

種子拋出后在徑線方向和切線方向上做加速運動,若忽略種子半徑,其徑線和切線方向運動軌跡方程為

(6)

式中β——安裝角,即吸種孔中心點與旋轉中心連線和分種齒點C與旋轉中心連線的夾角,(°)

g——重力加速度,m/s2

t——種子下落時間,s

在徑線方向上當種子運動到分種齒齒尖所在圓弧時,種子在切向運動的位移需大于分種齒轉過的位移,此時種子能夠準確落入分種盤內,即

(7)

式中R3——分種齒齒尖圓弧中心點C所在圓的半徑,mm

將公式(6)代入公式(7)可得

(8)

分種盤的安裝角與穴播器角速度成反比。本文在滿足公式(8)的前提下,當取種孔中心點在分種齒DF面的延長線上時,β取最小值,需滿足

(9)

式中R5——與分種齒DF面相切的同心圓半徑,mm

δ——分種齒DF面和分種齒點D與旋轉中心連線的夾角,(°)

φ——分種齒點C與旋轉中心連線和分種齒點D與旋轉中心連線之間的夾角,(°)

當取種孔中心點在后一個分種齒D1E面的延長線上時,β取最大值,需滿足

(10)

式中R6——與分種齒D1E面相切的同心圓半徑,mm

η——吸種孔中心點與旋轉中心連線和分種齒點D與旋轉中心連線之間的夾角,(°)

由公式(9)、(10)可知,當α=16.68°時,分種盤的安裝角β滿足12°≤β≤24.4°。

3 穴播器工作過程DEM-CFD耦合仿真分析

氣吸滾筒式穴播器在工作過程中,種子被氣流產生的壓差吸附在取種盤上,種子隨取種盤轉動至投種位置時,落入分種盤內,在這個過程中,種子與流場存在相互作用,而傳統的EDEM在模擬氣吸滾筒式穴播器時,由于不存在氣流場,充種過程無法模擬,且種子脫離吸種孔的時刻與位置不能被準確定義,影響工作過程分析,需采用DEM-CFD氣固耦合方法,其中Fluent模擬氣流場,EDEM模擬顆粒場,兩者耦合可以解決種子與流場的交互作用問題,進而完整的模擬氣吸滾筒式穴播器工作過程,著重分析攜種區種子運動軌跡和排種性能。

3.1 模型建立

以山東省花生研究所培育的魯花14號為建模對象,選取與種子平均三軸尺寸相接近的魯花14號花生種子,創建幾何模型[5],將模型導入EDEM軟件,并利用非球顆粒快速填充功能,獲得花生種子離散元模型。根據對分種盤的設計結果,在SolidWorks中建立分種盤三維模型,連同氣吸滾筒式穴播器簡化模型一起導入EDEM中,同時,將氣室三維模型導入ANSYS軟件中,進行網格劃分和參數設定,Fluent采用k-ε模型,設置壓力出入口,吸種孔處壓力為-5 kPa,獲得氣室流場數據,導入EDEM中,設置作業速度為3.46 km/h,分種齒齒形方向角為0°,安裝角為18°,仿真過程中,種子顆粒由顆粒工廠動態生成,產生數量為200粒;時間步長為3.74×10-5s,計算時長15 s,每0.02 s保存一次數據。DEM-CFD簡化模型如圖6所示,仿真所需的種子-種子和種子-氣吸滾筒式穴播器模型的接觸參數如表1所示[5]。

表1 仿真所需物理和力學特性參數Tab.1 Physical and mechanical parameters required for simulation

圖6 DEM-CFD簡化模型Fig.6 DEM-CFD simplified model1.鴨嘴 2.二次投種機構 3.分種盤 4.負壓流場區域 5.取種盤 6.顆粒工廠 7.花生種子顆粒

由圖6可知,DEM-CFD耦合仿真方法可以模擬氣吸滾筒式穴播器的工作過程,為氣吸滾筒式穴播器的優化設計提供理論支撐。

3.2 種子運動軌跡分析

為便于查看種子的運動軌跡,將氣吸滾筒式穴播器的顯示模式設置為Mesh狀態,不透明度設置為0.3,選取其中一個種子顆粒,得到該種子顆粒從種箱下落到排出的軌跡曲線,如圖7所示。該過程中種子跟隨氣吸滾筒式穴播器旋轉兩周后排出。

圖7 種子運動軌跡曲線Fig.7 Seed motion track curve

該曲線共分為5個階段:落種區Ⅰ、吸種區Ⅱ、一次投種區Ⅲ、攜種區Ⅳ、二次投種區Ⅴ。其中第Ⅰ階段種子從種箱中落下,進入氣吸滾筒式穴播器種子群內,等待吸種,當種子到達吸種孔位置時,進入第Ⅱ階段,在負壓作用下吸附在吸孔處,并隨取種盤運動至一次投種區,此時在組合式投種裝置的作用下,種子從吸孔掉落,進入第Ⅲ階段,種子下落初速度為該點切線方向,在重力和摩擦力的作用下落入分種齒齒形空間內,進入第Ⅳ階段,種子與外殼接觸后彈起,分種齒攜種面接觸并推動種子運動至外殼開口處,落入二次投種機構中,進入第Ⅴ階段,種子之后的運動軌跡在文獻[24]中已有詳盡說明,本文不再贅述。

3.3 攜種區種子運動軌跡分析

分別對安裝角的極限值和中間值進行耦合仿真,分析安裝角為12°、18°和24.4° 3種狀態下種子顆粒在攜種區的運動軌跡曲線,如圖8所示,種子運動軌跡的主要差別表現在種子從吸種孔落入齒形空間的過程中,而進入齒形空間后,運動軌跡基本相同。圖8a中運動軌跡曲線A1段的曲率半徑較大,接近直線,分析原因可知,在種子下落過程中受到分種齒EF面的作用,如圖9a所示,形成了垂直于EF面的作用力,改變了重力作用下的運動方向。圖8b中運動軌跡曲線的A2段存在滯留,且滯留段運動曲線與吸種孔所在圓同心,發生該現象是因為種子下落過程中觸碰到分種齒齒尖,如圖9b所示,種子在齒尖位置翻滾并隨齒尖運動一段時間后落入齒形空間內。圖8c中運動軌跡的A3段為拋物線,在運動過程中受到重力作用,未觸碰到分種齒,直接落入齒形空間內。

圖8 攜種區種子運動軌跡曲線Fig.8 Seed motion track curves in seed carrying area

圖9 攜種區種子運動位置Fig.9 Seed movement position in seed carrying area

3.4 性能分析

根據不同安裝角時攜種區種子的運動軌跡,分析氣吸滾筒式穴播器的排種性能。當安裝角度過大時,種子下落過程中會觸碰該齒形空間的后分種齒,當安裝角度過小時,種子下落則會觸碰該齒形空間的前分種齒。因此,若安裝角度過大,種子顆粒可能落入該齒形空間的后面一個齒形空間內,若安裝角度過小,種子顆粒可能落入對應齒形空間的前一個齒形空間內,都會造成該齒形空間對應的位置漏播,前一個或者后一個齒形空間對應的位置重播。

另外,氣吸滾筒式穴播器的排種性能還受吸種區吸種效果的影響,如圖9c所示,吸種孔B因未能成功吸種或清種時碰撞等原因,導致排種合格率降低。

4 臺架試驗

4.1 試驗方案

為進一步確定氣吸滾筒式穴播器在不同條件下排種效果,對影響排種質量的主要因素進行臺架試驗分析與驗證,在山東省農業機械科學研究院實驗室進行臺架試驗,如圖10所示。試驗選用魯花14號花生種子作為試驗樣本,其百粒質量為274 g。根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》,以齒形方向角、安裝角和作業速度為試驗因素,以單粒率、重播率、漏播率為排種性能評價指標,進行三因素二次旋轉正交組合試驗,以理論分析和仿真分析結果為依據,將齒形方向角、安裝角和作業速度極限值的編碼值設為1和-1,為避免在交互作用下試驗因素范圍外存在優值,用1.682和-1.682編碼值來拓展試驗因素區間,以保證試驗的完整性,試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Codes of testing factors

圖10 試驗臺架及效果Fig.10 Bench test and experimental results1.臺架導軌 2.穴播器試驗臺 3.氣吸滾筒式穴播器 4.控制系統 5.穴播器導軌

通過Design-Expert數據處理軟件進行三因素二次旋轉正交組合試驗設計,如表3所示(X1、X2、X3為因素編碼值)。試驗過程中按照每個試驗序號的參數要求,調整齒形方向角、安裝角和作業速度,并分別記錄23組試驗數據,每組試驗選取4個測量段進行數據采集,每段連續測量20個種子,每兩段相距1 m,每組試驗進行3次,取平均值,計算出單粒率、漏播率和重播率,記入試驗結果,如表3所示。

表3 試驗方案與結果Tab.3 Plans and results of test

4.2 試驗結果與分析

通過Design-Expert軟件對臺架試驗結果進行二次回歸分析,結果如表4所示。由方差和顯著性分析結果可知,單粒率、漏播率和重播率的模型擬合度極顯著(P<0.01),且回歸方程失擬不顯著(P>0.05),齒形方向角、安裝角和作業速度對3個指標的影響顯著,且部分二次項以及交互項也影響顯著,剔除交互項中不顯著因素后的回歸方程為

(11)

(12)

(13)

通過Design-Expert軟件對數據進行處理,得到齒形方向角、安裝角和作業速度之間極顯著和顯著的交互作用對3個指標影響的響應曲面,如圖11所示。

圖11 試驗因素對指標影響的響應曲面Fig.11 Impacts of test factors on indicators

由圖11a可知,當安裝角一定時,單粒率隨齒形方向角呈稍升高后降低的趨勢,當齒形方向角一定時,單粒率隨安裝角同樣呈先升高后降低的趨勢,是因為安裝角度過大時種子下落位置與后側分種齒較近,同時受速度的影響,種子落入后側齒形空間內的概率增大,導致漏播增加,造成單粒率降低。從圖11d同樣可知,安裝角取較大值時,漏播率亦較大,單粒率則會降低。由圖11b可知,當齒形方向角一定時,隨著作業速度的增加,單粒率呈先升高后降低的趨勢,反之亦然,速度較小、齒形方向角較大時單粒率較低(同圖11f)。由圖11c可知,當作業速度一定時,單粒率隨安裝角增大而減小,當安裝角一定時,單粒率隨作業速度增大呈先增大后稍降低的趨勢,作業速度和安裝角同時較小或較大時,單粒率均較低,是因為當作業速度和安裝角同時較小時,種子脫離吸種孔的速度較低,同時距離前側分種齒較近,種子落入前側齒形空間內的概率增大,當作業速度和安裝角同時較大時,種子則落入后側齒形空間內的概率增大,均導致漏播增加,造成單粒率降低。從圖11e同樣可知,作業速度和安裝角同時較小或較大時,漏播率增大,單粒率則降低,與仿真分析結果吻合。

4.3 參數優化

為確定最佳取值,以單粒率最大、漏播率和重播率最小為優化目標,對齒形方向角、安裝角和作業速度進行多目標優化分析,得到齒形方向角為-4.55°、安裝角為14.99°和作業速度為4.01 km/h時,單粒率為94.99%,漏播率為2.49%,重播率為2.52%。

5 田間試驗

為驗證臺架試驗優化后參數的準確性,在山東省農業機械科學研究院章丘試驗基地進行田間試驗,如圖12所示。試驗用地滿足花生播種農藝要求,種子仍選用魯花14號,調節吸種孔風壓至充分吸種,分種盤安裝過程中,參考臺架試驗結果,齒形方向角為-4.55°、安裝角為14.99°,機具作業速度依據回歸分析,數值設置3.51、3.77、4.01、4.26、4.51 km/h 5個梯度,驗證安裝分種盤后氣吸滾筒式穴播器的排種性能。同時設置不安裝分種盤的試驗組合,與安裝分種盤的參數組合進行對比試驗,以考證安裝分種盤后氣吸滾筒式穴播器排種性能的改善效果。田間試驗效果如圖12所示。

圖12 田間試驗Fig.12 Field experiment

每個作業速度梯度試驗選取播種行中段的3個測量區間,每個區間測量20個種穴,每兩個區間間隔10 m,并重復試驗3次,計算平均值,得到單粒率、漏播率和重播率,如表5所示。受外部條件影響單粒率較臺架試驗降低,安裝分種盤的5組試驗結果的單粒率均大于91%、 漏播率均小于5%,重播率均小于4%,滿足花生單粒精量播種機械技術要求。未安裝分種盤的5組試驗結果的單粒率不穩定,變化范圍較大,在前進速度為3.51～4.51 km/h的條件下,安裝分種盤比未安裝分種盤的單粒率提升超過1.46個百分點,排種優勢更明顯。

6 結論

(1)設計了一種氣吸滾筒式穴播器分種盤,通過理論計算分析了分種盤的結構和基本參數,確定了分種盤優化目標參數為齒形方向角、安裝角和作業速度。分種盤將脫離吸種孔的種子限定在一個較小的齒形空間內,并撥動種子沿著預定軌道移動至外殼開口,提高了投種的準確性和精度,進而提高播種單粒率。

(2)通過DEM-CFD模擬了氣吸滾筒式穴播器的工作過程,分析了不同安裝角度下攜種區種子的運動軌跡,闡明了重播和漏播的產生原因。

(3)以齒形方向角、安裝角和作業速度為試驗因素,以單粒率、重播率、漏播率為排種性能評價指標,進行三因素二次旋轉正交組合臺架試驗,得到最優結果:齒形方向角為-4.55°、安裝角為14.99°和作業速度為4.01 km/h時,單粒率為94.99%,漏播率為2.49%,重播率為2.52%。以最優結果為基礎進行了田間試驗,安裝分種盤的試驗結果的單粒率均大于91%、 漏播率均小于5%、重播率均小于4%,滿足花生單粒精量播種機械技術要求,且比未安裝分種盤的單粒率提升超過1.46個百分點,排種優勢更明顯。