氣吸鴨嘴式玉米精量排種器導種過程的仿真分析

石紹濱,鄭月男,楊 誠,李國瑩,李國梁,郝 超

(1.青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2.青島普蘭泰克機械科技有限公司,山東 青島 266109;3.濰柴雷沃重工股份有限公司,山東 濰坊 261200)

0 引言

由于受到干旱和溫度等自然條件的影響,我國東北和西北地區種植玉米多采用覆膜播種方式。實現玉米播種精量化不僅可以保證播種一致性,促進玉米植株合理生長,而且還能減少種子浪費和間苗作業產生的成本[1]。

排種器作為播種機的核心部件,主要分機械式和氣力式兩類[2-4]。鑒于機械式排種器存在重播、漏種現象,加之對種子外形尺寸要求嚴格,國內外先進播種機多采用氣吸式排種器[5-7]?，F階段,膜上播種技術多采用鴨嘴滾筒式排種器,可一次性實現起壟、覆膜、膜上打孔播種操作,機具作業效率高。

為此,以氣吸鴨嘴式玉米精量排種器為研究對象,通過EDEM軟件對玉米種子從氣吸盤投種到鴨嘴對接口的導種過程進行仿真分析,研究排種器轉速、氣吸孔位置和導種壓盤擋槽角度對導種過程的影響,并采用二次正交組合試驗方法,借助Design Expert軟件處理數據,尋找各因素的最優參數組合。

1 排種器的結構及工作原理

氣吸鴨嘴式玉米精量排種器主要由空心軸、種腔殼體、氣吸盤、導種壓盤、鴨嘴機構及連接滾筒等部件組成,如圖1所示。

1.種腔殼體 2.左固定板 3.空心軸 4.斷壓輥 5.滾筒 6.右固定板 7.鴨嘴機構 8.導種壓盤 9.氣吸盤圖1 氣吸鴨嘴式排種器結構圖Fig.1 Structure diagram of seed metering device with duckbill of air-suction

圖1中,兩側固定板通過螺栓將滾筒固定,并借助軸承連接到空心軸;導種壓盤通過螺栓將氣吸盤連接到右側固定板上,種腔殼體通過六角螺栓平鍵與空心軸固定。工作時,空心軸右側密閉,左側連接風機和機架,并在氣吸盤和右側固定板間形成負壓室。排種器前進過程中,氣吸盤從種腔吸附種子,并繞空心軸逆時針轉動;種子轉動到斷壓輥后失去吸力,并在慣性和重力作用下繼續運動;隨后,種子在導種盤擋槽和滾筒對接口擋板作用下落入鴨嘴,并通過鴨嘴在膜上打孔完成玉米播種過程。

2 導種過程分析

玉米籽粒到達斷壓輥后失去吸力,完成第1次投種并開始導種過程,如圖2所示。斷壓輥位置是固定的,籽粒的位置可根據斷壓輥的角度θ及吸孔半徑r求得;籽粒初始速度v=ω×r,在重力作用下,玉米籽粒向右下方加速運動;導種壓盤擋槽改變籽粒軌跡,并引導籽粒經過種腔殼體落種口,最終到達滾筒與鴨嘴機構相連的對接口。

圖2 導種過程分析圖Fig.2 Analysis diagram of the seed-introduction process

3 仿真模型建立

3.1 玉米顆粒模型

選取扁平粒玉米種子為研究對象,取千粒種子測得三軸尺寸均值為10.1mm×8.3mm×5.4mm。EDEM軟件中共采用45個顆粒創建玉米顆粒模型,最終模型尺寸為10mm×8mm×5.6mm,如圖3所示。

圖3 玉米顆粒模型Fig.3 Corn kernel model

3.2 建立三維模型

為提高軟件運行速度,便于觀察,將簡化模型導入EDEM軟件。簡化模型中只保留氣吸盤、導種壓盤、種腔殼體和滾筒對接環。其中,氣吸盤采用材料為不銹鋼304,其余部件為Q235A。玉米顆粒及各部件間的力學性能和物理性能參數如表1所示[8-9]。

表1 玉米顆粒及各部件間的參數Table1 Parameters of corn kernels and various parts

3.3 仿真參數設置

仿真模型采用Hertz-Mindlin接觸模型,玉米顆粒采用動態生成方式,生成速率根據轉速確定?？紤]到斷壓輥處位置是固定的,玉米籽粒從斷壓輥處失去吸力開始導種過程,因而將顆粒工廠添加到斷壓輥處。玉米顆粒初始速度由排種器轉速和吸孔半徑求得。顆粒工廠從0.5s開始生成玉米顆粒,仿真時間為15s。當ω=6rad/s時,EDEM仿真分析過程情況如圖4所示。

與“十一五”末相比，主要污染物氨氮和高錳酸鹽指數平均濃度分別下降35.2%和35.2%，溶解氧平均濃度上升39.8%，說明全市實施的“清水工程”初現成效（見圖2）。

圖4 EDEM仿真分析圖Fig.4 Diagram of EDEM simulation analysis

4 仿真試驗結果分析

4.1 單因素仿真結果分析

4.1.1排種器轉速對導種過程的影響

排種器的轉速決定斷壓輥處玉米籽粒失去吸力后的初始速度,同時影響導種壓盤擋槽擊打玉米顆粒的力度。

根據排種器實際工作情況,選取擋槽角度為15°,仿真模擬排種器的角速度分別為5.5、6、6.5rad/s。通過計算正確落入對接口的玉米顆粒百分比,得到導種合格指數變化規律,如圖5所示。由圖5可知:隨著排種器轉速增加,玉米顆粒的初始速度增大,排種器的導種合格指數呈現增加趨勢;當排種器轉速達到6rad/s時,導種合格指數達到最大值,隨后呈現下降趨勢。分析合格指數下降的原因主要是:排種器轉速增加使玉米顆粒速度變化增大,導致玉米顆粒和排種器間碰撞的不確定性增加,從而使未正確導種落入對接口概率增大。綜上可知:當5.5rad/s<ω<6rad/s時,排種器轉速增加有利于增加導種合格指數,同時可以提高排種器的播種效率。

圖5 轉速與合格指數的關系曲線Fig.5 The relationship curve of the speed and the qualified index

4.1.2擋槽角度對導種過程的影響

導種壓盤擋槽是氣吸盤第1次投種后引導玉米籽粒進入鴨嘴過程的關鍵部件,同時還具有阻擋玉米顆粒避免漏種的作用。擋槽的角度決定引導玉米顆粒運動的方向,是導致玉米籽粒是否成功進入鴨嘴的重要影響因素。

根據排種器實際工作情況,選取排種器的角速度為6rad/s,仿真模擬擋槽角度分別為10°、15°、20°,得到的合格指數變化規律如圖6所示。

圖6 擋槽角度與合格指數的關系曲線Fig.6 The relationship curve of the stop groove angle and the qualified index

由圖6可知:擋槽角度為10°～15° 時,隨著擋槽角度增加,導種合格指數增大;擋槽角度為15°～20°時,隨著擋槽角度的增大,導種合格指數呈現下降趨勢。分析可知:適當增大擋槽角度有利于玉米顆粒正確導種進入對接口,擋槽角度過大則對導種過程產生不利影響。

4.2 二次旋轉正交試驗仿真結果分析

通過大量單因素試驗測試,最終確定排種器轉速取值范圍在5.5～6.5rad/s之間,擋槽角度取值范圍在10°～20°之間,氣吸盤吸孔間距取值范圍在85～105mm之間。為了確定3個因素的最佳參數組合,使得排種器的導種過程效果最好,試驗采取二次正交組合試驗方法,各試驗因素取三水平,編碼情況如表2所示。

表2 試驗因素編碼Table 2 Factors and levels of test

根據GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法,選取合格指數Y1(正確導種率)和漏種指數Y2(未正確導種率)作為仿真試驗指標[10],計算公式為

(1)

(2)

通過Expert Design10軟件對表3中試驗數據進行回歸擬合處理,方差分析結果如表4所示。

表3 試驗設計方案及結果Table 3 Experiment design and results

表4 方差分析結果Table 4 Results of variance analysis

1)合格指數Y1。由表4可以看出,本試驗所建立合格指數模型的P值小于0.01,極顯著,模型擬合度較高;失擬項P=0.1760,不顯著,說明不存在其他影響指標的主要因素。然而,吸孔間距(X3)的P值、轉速和吸孔間距(X1X3)交互項的P值、擋槽角度和吸孔間距(X2X3)交互項的P值均大于0.1,說明吸孔間距、轉速和吸孔間距交互項、擋槽角度和吸孔間距交互項對合格指數影響效果不顯著。去除上述不顯著因素,合格指數的回歸模型可簡化為

Y1=95.53+2.37X1-1.42X2-5.33X1X2-

(3)

通過對式(3)回歸系數進行檢驗可知:轉速對合格指數的影響大于擋槽角度對合格指數的影響,吸孔間距對合格指數的影響很小。

2)漏種指數Y2。由表4可知:試驗所建立漏種指數模型的P值同樣小于0.01,極顯著,模型擬合度較高;失擬項P=0. 3162,不顯著,說明不存在其他影響指標的主要因素。模型中存在的不顯著因素包括吸孔間距、轉速和吸孔間距交互項、擋槽角度和吸孔間距交互項。去除上述不顯著因素,漏種指數的回歸模型可簡化為

Y2=4.33-2.42X1+1.5X2+5.08X1X2+

(4)

通過對式(4)回歸系數進行檢驗可知:轉速對漏種指數的影響大于擋槽角度對漏種指數的影響,吸孔間距對合格指數的影響較小。

3)最優參數組合。設定排種器合格指數最大和漏種指數最小為評價指標[11-12],對排種器導種過程回歸模型優化求解設定約束條件,即

(5)

借助Design Expert軟件求解,最終獲得各因素的最優參數組合為排種器轉速6.19rad/s、擋槽角度13.77°、吸孔間距94.45mm,此時合格指數最大為96.17%、漏種指數為3.69%。

4.3 臺架試驗結果分析

為驗證排種器仿真分析結果,進行室內臺架試驗,如圖7所示。由于氣吸鴨嘴式排種器采用覆膜播種,因而臺架試驗中將鴨嘴保持打開狀態,以便觀察導種效果。

圖7 臺架試驗Fig.7 Bench test

試驗選取轉速59r/min(實際角速度6.18rad/s)、擋槽角度14°、吸孔間距96mm,進行5次驗證試驗,結果如表5所示。由表5可知:合格指數92.1%,漏播指數3.6%,重播指數4.3%。由于吸種盤吸附多粒種子產生重播,導致合格指數減小,而實際漏播指數與仿真結果相吻合。臺架試驗結果表明,仿真分析結果與實際效果基本一致。

5 結論

1)為研究轉速、擋槽角度和吸孔間距對排種器導種過程的影響,借助EDEM軟件進行三因素三水平二次正交組合試驗的仿真分析。結果表明:轉速對排種器合格指數的影響大于擋槽角度,吸孔間距對合格指數影響較小。

2)利用Design Expert 10軟件對試驗數據進行處理,以排種器合格指數最大和漏種指數最小作為評價指標,得出排種器在導種階段各因素最優參數組合為轉速6.19rad/s、擋槽角度13.77°、吸孔間距94.45mm,此時合格指數為96.17%、漏種指數為3.69%。

3)室內臺架驗證試驗結果表明:排種器實際漏播指數為3.6%,與仿真結果相吻合,仿真分析具有較高的可靠性。