三爪勺式馬鈴薯精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

高 原,黃玉祥,2,李 鵬,張仕林,鄭智旗,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100;2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心,陜西 楊凌 712100)

0 引言

排種器作為播種機(jī)的關(guān)鍵部件,其性能直接影響播種機(jī)的工作質(zhì)量。勺式馬鈴薯排種器是世界上應(yīng)用最為廣泛的馬鈴薯排種裝置,具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、種薯損傷小等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。為提高出苗率和產(chǎn)量、減少病菌感染[5],以整薯作為研究對象,進(jìn)行馬鈴薯精量排種器的研究。由于整薯形狀多樣、尺寸大小不一、流動性差等原因,造成勺式排種器仍然存在重播、漏播率較高的關(guān)鍵問題,仍需人工補(bǔ)種[6-9]。

為此,設(shè)計(jì)了一種三爪勺式馬鈴薯精量排種器,對關(guān)鍵部件進(jìn)行理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),且通過離散元仿真軟件EDEM進(jìn)行排種器仿真試驗(yàn),優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù),并利用臺架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真試驗(yàn)結(jié)果,為馬鈴薯精量排種器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

排種器主要由三爪種勺、機(jī)架、主從動輪、種箱、振動清種裝置、排種鏈、防夾帶頂桿和護(hù)種板等部件構(gòu)成,如圖1所示。

1.主動輪張緊裝置 2.主動輪 3.防夾帶頂桿 4.振動清種裝置 5.三爪種勺 6.隔板 7.機(jī)架 8.種箱 9.排種鏈 10.從動輪 11.護(hù)種板圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of seed metering device structure

排種器播種作業(yè)過程主要包括取種、運(yùn)移、清種、導(dǎo)種和投種5個階段,如圖2所示。排種器工作時,動力通過鏈傳動傳至主動輪,帶動排種鏈與三爪種勺整體自下而上轉(zhuǎn)動,依次舀取1～2個種薯;三爪種勺運(yùn)移至清種區(qū)時,通過振動清種裝置清除勺內(nèi)多余種薯,通過防夾帶頂桿清除勺間夾帶種薯,被清除的種薯掉落回種箱;當(dāng)有種薯的三爪種勺越過主動輪最高點(diǎn)時,種薯掉落到前一個三爪種勺的背面,與相鄰三爪種勺和護(hù)種板形成封閉空間,進(jìn)行平穩(wěn)導(dǎo)種;當(dāng)三爪種勺運(yùn)動至投種口時,種薯失去支持力,在重力作用下完成投種[10-11]。

圖2 排種器工作過程簡圖Fig.2 Diagram of the working process of seed-metering device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與分析

2.1 三爪種勺關(guān)鍵參數(shù)分析

三爪種勺結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3中,三爪種勺的取種空間近似為圓臺,則取種空間V為

圖3 三爪種勺結(jié)構(gòu)Fig.3 Three-claw spoon structure

(1)

化簡得

6dwsinθ+4w2sin2θ+75)

(2)

式中w—三爪長度(mm);

θ—三爪傾斜角度(°);

d—三爪底面中心距離(mm);

a—高度(mm)。

由式(2)可知:三爪長度w、三爪底面中心距離d和三爪傾斜角度θ為三爪種勺關(guān)鍵參數(shù),決定取種空間的大小,從而影響排種器的作業(yè)性能。后續(xù)理論分析及試驗(yàn)將重點(diǎn)研究上述因素對作業(yè)質(zhì)量的影響。

選用西北旱農(nóng)區(qū)廣泛種植的“新大坪”馬鈴薯作為設(shè)計(jì)依據(jù)[12],通過人工清選分級處理,隨機(jī)抽取100個種薯,測量其外形尺寸,統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)平均值,長、寬、厚分別為50.67、43.75、37.44mm,尺寸近似正態(tài)分布,球形率為0.89,整薯形狀近似為橢圓形。

為保證在三爪種勺深度方向僅能容納1個種薯,且空間盡量大以降低漏播率,三爪種勺深度k需滿足的條件為

(3)

式中I—種薯長度(mm);

J—種薯寬度(mm);

U—種薯厚度(mm)。

計(jì)算分析得k取值范圍為27.5～35mm,則三爪長度w取值范圍為30～40mm。

2.2 取種原理研究

類碗形種勺的取種主要依靠種間垂直壓應(yīng)力σ1和重力應(yīng)力σG來完成[13],如圖4所示。因應(yīng)力有限,當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)速增加時,每個類碗形種勺取種時間變短,未取到種薯的現(xiàn)象會增多;類碗形種勺中的種薯在水平方向基本不受約束,容易從種勺中滑落。三爪種勺取種依靠種間垂直壓應(yīng)力σ1、重力應(yīng)力σG和水平側(cè)壓應(yīng)力σ3的復(fù)合取種應(yīng)力σ來完成,應(yīng)力變大,使得三爪種勺更容易取到種薯,可明顯提高在高轉(zhuǎn)速下的取種能力。

圖4 兩種種勺的取種應(yīng)力對比Fig.4 Seed-taking stress contrast of two kinds of seed spoons

2.3 取種力學(xué)模型分析

在距離種層表面y處,取出高度為dy的微小種子層,受力情況如圖5所示。

注:dy為微小種子層的長度(mm);dG為微小種子層的重力(N);dσ1為種子層增加dy的重力增加量(N)。圖5 取種區(qū)單元應(yīng)力分布Fig.5 Unit stress distribution in the seed-taking area

若種層橫截面積為S,周長為Q,則受力的平衡方程為

σ1S+γSdy-(σ1+dσ1)S-fsKσ1Qdy=0

(4)

由此得出

(5)

當(dāng)y=0、σ1=0時,積分可得

(6)

式中γ—種薯重度,取γ=10.27kN/m3(安全含水率);

Rh—液力半徑,取Rh=0.009m;

fs—種薯與種箱壁間的靜摩擦系數(shù),取fs=0.445;

y—種層高度,取400mm。

(7)

式中φ—種薯內(nèi)摩擦角,取φ=35°(安全含水率);

K—壓力比。

計(jì)算可得K=0.270,則取種應(yīng)力σ為

σ=σGsinθ+σ1sinθ+σ3cosθ

(8)

式中σG—種薯重力應(yīng)力,取σG=0.266 kN/m2。

將式(6)、式(7)帶入式(8),計(jì)算化簡得

σ(θ)=0.769(1-e-5.34)sinθ+

0.208(1-e-5.34)cosθ+0.266sinθ

(9)

應(yīng)用MatLab繪制三爪種勺取種應(yīng)力σ(θ)與三爪傾斜角度θ的關(guān)系圖,如圖6所示。

圖6 取種應(yīng)力函數(shù)曲線Fig.6 Seed-taking force function curve

由圖6可知:三爪傾斜角度θ在20°～30°時取種應(yīng)力較大,三爪種勺更易取到種薯。因此,選取三爪傾斜角度θ為20°～30°。

3 排種性能離散元仿真

3.1 設(shè)定仿真參數(shù)

3.1.1設(shè)定全局變量參數(shù)

種薯表面光滑無黏附力,選擇Hertz-mindlin(no-slip)模型為仿真接觸模型[14-16]。種箱、排種鏈材料均為鋼,三爪種勺材料為工程塑料,仿真具體參數(shù)如表1所示[17]。

表1 全局變量參數(shù)Table 1 Global variable parameter

3.1.2建立馬鈴薯顆粒模型

以上述“新大坪”馬鈴薯整薯為試驗(yàn)對象,參考測量的種薯尺寸,采用16個球面構(gòu)建顆粒模型,設(shè)置每個球面的半徑和球心坐標(biāo),顆粒模型如圖7所示。設(shè)定顆粒尺寸按正態(tài)分布,標(biāo)準(zhǔn)差為0.035。

圖7 種薯顆粒模型Fig.7 Seed potato particle model

3.1.3建立排種器模型

通過Creo軟件繪制排種器三維模型,將簡化后的種箱、排種鏈和三爪種勺另存為.iges格式,并導(dǎo)入EDEM中。按表1設(shè)定各部分變量參數(shù),將顆粒工廠建立在種箱隔種區(qū)上方,顆粒生成總數(shù)設(shè)定為800個,生成速率為每秒8000個。

3.2 單因素仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

三爪底面中心距離影響種勺尺寸,仿真分析三爪底面中心距離分別為10、15、20、25、30mm時排種器工作情況,如圖8所示。

圖8 不同三爪底面中心距離時評價指標(biāo)變化曲線Fig.8 Variation curve of evaluation index for different three-claw bottom center distance

當(dāng)三爪底面中心距離增加時,排種合格率先急劇增加后減小,漏播率先急劇減小后緩慢減小且逐漸趨于0,重播率持續(xù)增加。三爪底面中心距離增加使三爪種勺取種空間增大,過大的取種空間導(dǎo)致每個三爪種勺取出多個種薯,使合格率和漏播率都相應(yīng)減小。由圖8可知,三爪底面中心距離對排種性能影響顯著。綜合考慮,確定三爪底面中心距離為15～25mm,此時排種性能較好。

3.3 二次正交回歸旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

3.3.1仿真因素及水平

根據(jù)理論分析和單因素仿真試驗(yàn)確定:三爪長度取值范圍為30～40mm,三爪底面中心距離取值范圍為15～25mm,三爪傾斜角度取值范圍為20°～30°,主動輪轉(zhuǎn)速選取27～87r/min。根據(jù)Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計(jì)理論,以合格率Y1、漏播率Y2、重播率Y3為響應(yīng)值,進(jìn)行四因素三水平響應(yīng)面試驗(yàn)研究。試驗(yàn)因素與水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Experiment factors and level

3.3.2試驗(yàn)方案與結(jié)果

四因素三水平Box-Behnken試驗(yàn)方案有29個試驗(yàn)點(diǎn)[18],試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。試驗(yàn)因素對模型的影響程度與貢獻(xiàn)率Z值的大小成正比,計(jì)算公式為[19]

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Experiment project and results

(10)

(11)

式中F—模型中的各F值;

η—F值的考核值;

Zxj—各因素貢獻(xiàn)率。

由式(10)和式(11)計(jì)算得:三爪長度、三爪底面中心距離、三爪傾斜角度、主動輪轉(zhuǎn)速對合格率的貢獻(xiàn)率分別為2.24、3.41、3.22、2.73,對漏播率的貢獻(xiàn)率分別為2.18、3.28、3.24、2.66,對重播率的貢獻(xiàn)率分別為2.18、2.30、2.77、2.44,即各因素對合格率的影響大小依次為三爪底面中心距離、三爪傾斜角度、主動輪轉(zhuǎn)速、三爪長度;對漏播率的影響大小依次為三爪底面中心距離、三爪傾斜角度、主動輪轉(zhuǎn)速、三爪長度;對重播率的影響大小依次為三爪傾斜角度、主動輪轉(zhuǎn)速、三爪底面中心距離、三爪長度。

3.3.3試驗(yàn)結(jié)果目標(biāo)優(yōu)化

為確定各因素在范圍內(nèi)的最優(yōu)參數(shù)組合,以合格率最高、漏播率和重播率最低為目標(biāo),結(jié)合各因素邊界條件進(jìn)行優(yōu)化求解,建立數(shù)學(xué)模型為

(12)

優(yōu)化求解得三爪長度38.04mm、三爪底面中心距離16mm、三爪傾斜角度29.07°、主動輪轉(zhuǎn)速53.05r/min,此時合格率、漏播率和重播率分別為94.49%、2.19%和3.32%。在此條件下重復(fù)5次仿真試驗(yàn),得排種器合格率、漏播率和重播率分別為95%、1.94%和3.06%,誤差分別為0.54%、11.41%和7.83%,誤差較小,表明該回歸方程可靠性較高。

4 臺架驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的可靠性,分析馬鈴薯排種器性能的可行性,進(jìn)行排種器臺架試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)裝置Fig.9 Test device

在三爪長度38.04mm、三爪底面中心距離16mm、三爪傾斜角度29.07°、排種器主動輪轉(zhuǎn)速53.05r/min的條件下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn),取平均值,得排種合格率為93.33%、漏播率為4.17%、重播率為2.5%,與仿真優(yōu)化結(jié)果相近,表明仿真優(yōu)化結(jié)果的可靠性較高。由于試驗(yàn)時產(chǎn)生振動,導(dǎo)致重播率低于仿真試驗(yàn)結(jié)果、漏播率高于仿真試驗(yàn)結(jié)果,表明三爪勺式馬鈴薯精量排種器各項(xiàng)排種性能指標(biāo)優(yōu)于馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求。

5 結(jié)論

1)為降低馬鈴薯排種器的重播率和漏播率,設(shè)計(jì)了三爪勺式馬鈴薯精量排種器,完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論分析,并結(jié)合單因素仿真試驗(yàn)確定了影響排種性能的主要因素和參數(shù)范圍。

2)以三爪長度、三爪底面中心距離、三爪傾斜角度和主動輪轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素,進(jìn)行四因素三水平二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn),建立回歸方程并分析各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響關(guān)系,確定最優(yōu)參數(shù)組合為三爪長度38.04mm、三爪底面中心距離16mm、三爪傾斜角度29.07°、主動輪轉(zhuǎn)速53.05r/min,此時合格率、漏播率和重播率分別為94.49%、2.19%和3.32%。

3)對最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行排種性能試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:排種合格率為93.33%,漏播率為4.17%,重播率為2.5%,試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果相近,在高速條件下優(yōu)于馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求。