气吸滚筒式玉米植质钵盘精密播种装置优化设计与试验

2021-05-19衣淑娟刘海军马永财

农业机械学报 2021年4期

张昆衣淑娟刘海军孙浩马永财

(1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163000; 2.浙江农林大学暨阳学院，诸暨 311800)

0 引言

我国北方寒区土壤条件不佳、气候环境恶劣、无霜期较短，玉米品种生育期的选择受到限制，传统的种植方式为大田直播，且只能采用中、早熟品种[1-6]。为了提高玉米品质和产量，在我国调减玉米种植面积的政策背景下，北方寒区开始采用育苗移栽的玉米种植方式，这可有效解决该地区玉米种植产量和质量问题[7-9]，但对植质钵盘播种提出了较高的要求。

近年来，随着精密播种技术的不断发展，精密播种机得到广泛应用。排种器是实现移栽秧盘精密播种的关键部件[10-13]。目前，国内外先进的播种机普遍采用气吸式工作原理，排种器的吸种环节是决定播种精度的重要因素，因此国内外学者对种子在吸孔气流场中的受力和运动规律进行了研究[14-20]。

目前与玉米育苗移栽机相配套的播种装置尚不完善[21-22]。现有钵苗精密播种机都是针对水稻设计的，针对玉米的较少，尤其是考虑气固耦合的气吸滚筒式玉米钵苗精密播种的研究尚未见报道。

为此，在已研究的玉米植质钵育秧盘基础上，本文利用动力学分析、建模仿真、试验研究等方法，对气吸滚筒式玉米植质钵盘精密播种装置进行优化设计。通过试验明确影响因素及最优参数组合条件，为玉米植质钵盘精密播种装置设计提供参考。

1 结构和工作原理

1.1 播种装置结构

气吸滚筒式播种装置主要由种箱、滚筒、绝压辊、链轮、空心轴、气嘴等组成，如图1所示。

1.2 工作原理

播种装置内充好的种子随滚筒转动至播种区，进行投种。如图2所示，气吸滚筒式播种机中间位置为空心轴，与风机相连，通过风机的作用将滚筒内的空气抽走形成负压腔。绝压结构包括绝压辊、弹簧和螺杆结构，其中，螺杆结构上端安装在空心轴的上下通孔内，下端安装弹簧和绝压辊，弹簧压紧绝压辊使其与滚筒内壁密合，起到隔绝负压的作用。

播种装置工作时，滚筒旋转，经过如图2所示的Ⅰ、Ⅲ、Ⅱ区域。当吸种孔到达区域Ⅰ时，滚筒内压强小于外界压强，由于大气压的作用，种子被吸附到吸种孔上，在滚筒的作用下离开种箱；经过气嘴清种后，保留1粒种子在吸种孔上，从区域Ⅰ到区域Ⅲ，种子一直被吸附在滚筒上，随着滚筒一起运动，当装置运转到A处时，绝压辊堵住滚筒上的吸种孔，使种子失去吸附力，这时种子由于自身的重力作用，做自由落体运动，落入玉米植质钵育秧盘，完成投种。

2 吸种过程动力学模型建立

播种装置的充种过程包括2个阶段：种子虽然受到气流场的吸附力，但并没有与滚筒接触；种子在气流场的吸附力作用下，与滚筒紧紧贴附在一起。吸附过程中种子的运动状态与受力分析简图如图3所示。

对种子进行受力分析，种子质心为坐标原点，滚筒切向方向为x轴方向，法向方向为y轴方向。在充种的第1阶段，种子不受滚筒施加的摩擦力与支持力，x轴方向合力为0，y轴方向是加速靠近的过程，其受力分析如图3所示。

力学平衡方程为[23]

(1)

式中FQ——种子所受吸附力，N

m——种子质量，kg

Nq——种子受到的种群支持力，N

fq——种子受到的种群摩擦力，N

G——种子自重，N

α——Nq与水平方向之间夹角，(°)

θ——FQ与水平方向之间夹角，(°)

a——种子加速度，m/s2

第2阶段为种子吸附在滚筒上和滚筒一起转动，其力学平衡方程为

(2)

其中

(3)

式中ft——种子与滚筒之间摩擦力，N

Nt——滚筒对种子的支撑力，N

ω——滚筒旋转角速度，rad/s

φq——种子自然休止角，取21°

φt——滚筒与种子之间滑动摩擦角，取24°

R——滚筒半径，m

由式(2)和式(3)可得

(4)

FQ2=mω2R-

(5)

式中FQ1——第1阶段种子所受吸附力，N

FQ2——第2阶段种子所受吸附力，N

种子受到的吸附力FQ是由吸种孔内外压差形成的，其相应的方程可表示为

FQ=πΦΔpNR2

(6)

式中 ΔpN——负压，Pa

Φ——各因素对种子所受吸附力影响修正系数

根据上述分析可知，在取种过程中，内外压差形成的吸附力需要克服种子自重和种子与周围种群间的摩擦力做功，只有当吸附力要超过第2阶段的合力时，种子才能顺利的吸附在滚筒上，即

(7)

式中k——流场比例系数，取0.65

Rk——吸种口半径，m

当α=90°时，支持力与种子重力相等，此时方程可以简化为

(8)

从式(8)中可以初步看出负压、滚筒角速度、充种角为影响种子吸附作用的主要因素。

3 吸种过程模拟仿真

为了进一步探究种箱上层种子受吸附的主要影响因素，进行吸种过程模拟仿真。

3.1 耦合理论

播种装置工作时，种箱内拖动层的种子会随滚筒转动而运动，种子运动会引起彼此之间的相互接触摩擦，产生接触力。根据接触方式的不同，可将接触模型分为软颗粒接触和硬颗粒接触两种情况，由于种子表面不存在粘附力作用，因此可选择Hertz-Mindlin软颗粒接触模型作为分析模型[24]。在模型接触位置设置耦合器和滑动的弹簧振子，利用阻尼振动简化接触力，如图4所示。

微分方程为

(9)

式中c——接触阻尼系数

μ——弹簧弹性系数

颗粒体所受的力除了上述碰撞以及曳力、自身重力外，还包括浮力、升力、静电力等，但是由于颗粒体密度与流体密度相差较大，除了曳力与重力外其他力都很小，可以忽略不计。在EDEM-Fluent耦合模块中相间作用力模型包括曳力模型、升力模型、热传递模型，但是由于颗粒体主要受到曳力作用，所以其他模型无需选择。在曳力模型中，颗粒受到的曳力阻力系数CD，取决于颗粒雷诺数[25]，计算式为

(10)

(11)

式中ρf——流体密度，kg/m3

L——颗粒体直径，m

Res——流体雷诺数

vf——流体速度，m/s

vs——颗粒体速度，m/s

η——流体粘度系数，Pa·s

a——CFD网格单元中的自由体积

耦合模块中的曳力模型有3种：自由流曳力模型、Ergun and Wen & Yu曳力模型、Di Felice曳力模型。自由流曳力模型是基于球形颗粒的自由流曳力进行计算的；Ergun and Wen & Yu曳力模型是结合了Ergun模型和Wen & Yu模型，对标准的曳力方程进行了修改；Di Felice曳力模型是在自由流曳力模型的基础上添加了孔隙率修正项，考虑了孔隙率对相邻颗粒之间的阻力影响。

上述曳力模型都是通过试验得出的经验公式。自由流曳力模型适用于颗粒数量较少、接触碰撞不多、速度梯度较小的情况；Ergun and Wen & Yu曳力模型与Di Felice曳力模型均引入了体积分数项并对曳力模型进行了修正，考虑了颗粒之间相互的影响。由于Ergun and Wen & Yu曳力模型相对较为完整，因此仿真过程采用Ergun and Wen & Yu曳力模型。

3.2 模拟仿真分析

为分析吸种过程，对播种装置进行建模，并导入处理软件Gambit中，进行网格划分,定义材料属性，设定智能网格划分等级为4，得到有限元网格划分如图5所示。

对播种装置进行区域划分，即分割为种箱、空心轴、滚筒3个区域，分别对各区域进行结构化网格划分，并对空心轴局部进行网格加密。最后添加边界条件。将划分好网格的.mesh文件导入流体力学软件Fluent中进行流场模拟，将模拟好的流场数据导入离散元仿真软件EDEM中，得到播种装置外流场分布，如图6所示。

在EDEM软件中分别设置播种装置、种子材料信息以及接触条件，根据实际设置玉米种子的泊松比0.4，剪切模量1.77×108Pa，密度1.18 g/cm3；排种盘的泊松比0.5，剪切模量1.37×108Pa，密度1.20 g/cm3。设置玉米种子和玉米种子碰撞的弹性恢复系数为0.182，滑动摩擦因数为0.431，滚动摩擦因数为0.078；玉米种子和排种盘碰撞的弹性恢复系数为0.621，滑动摩擦因数为0.482，滚动摩擦因数为0.093。由于滚筒对称性结构，同时为提高仿真效率，采用带有周期性边界条件的单排吸孔，播种装置充种过程模拟如图7所示。

对模拟结果进行分析，选取种层最上层靠近滚筒壁位置处，对同条件下种子速度变化进行比较。在其他条件相同的情况下改变滚筒转速，如图8所示，在转速10 r/min的情况下，充种时间较长，种子有充分的时间被吸附，因此速度变化较快，在1.8 s左右速度到达10 m/s，很快与滚筒速度一致，并保持不变。随着滚筒转速增加到15 r/min，种子充种时间缩短，其速度变化较慢，在2.2 s左右速度到达18 m/s，与滚筒同步所需时间加长。当滚筒转速过快，即50 r/min，种子来不及充种，被吸起的种子又重新落回种箱，回落过程中种子速度方向变化导致图中出现负值。

在其他条件相同的情况下改变负压，如图9所示，在负压800 Pa的情况下，种子受到的吸附力较小，种子速度持续增加，其速度变化较慢，在2.4 s左右速度达到20 m/s，与滚筒同步所需时间较长。随着负压增加到1 000 Pa，种子受到的吸附力增大，种子速度变化率提高，与滚筒同步所需时间逐渐缩短，在2 s左右速度达到20 m/s。当负压达到1 200 Pa，种子受到的吸附力进一步增大，种子速度变化率提高更多，与滚筒同步所需时间更短，在1.6 s左右速度达到20 m/s。负压变化对种子速度变化影响很大。

在其他条件相同的情况下改变充种角，如图10所示，在充种角0°情况下，种子所需吸附力较大，因此速度持续变化且变化很慢，与滚筒同步所需时间较长，在2.4 s左右速度达到20 m/s。随着充种角增加到30°，种子所需吸附力减小，种子速度变化率提高，与滚筒同步所需时间逐渐缩短，在2 s左右速度达到20 m/s。当充种角达到45°时，种子受到的吸附力进一步减小，种子速度变化率提高更多，与滚筒同步所需时间更短，在1.4 s左右速度达到20 m/s。充种角变化对种子速度变化影响很大。

通过对充种过程模拟仿真发现，负压、前进速度、充种角的改变对播种装置充种情况影响很大，确定为影响种子吸附的主因素。

4 试验

4.1 材料与方法

本试验选用玉米种子为河南省农业科学院粮食作物研究所生产的秋乐牌郑单958玉米杂交种。籽粒纯度不低于97%，净度不低于99%，出芽率不低于93%，含水率不高于20%，千粒质量307 g，籽粒形状为马齿形(扁平呈长方形)，适宜在黑龙江省种植。试验在黑龙江八一农垦大学排种器实验室进行。如图11所示，试验装置主要由种床、玉米植质播种装置、集成操控系统、综合数据采集台等组成。

选择合格指数、重播指数和漏播指数作为目标函数，反映气吸滚筒式播种装置工作性能。根据理论分析及前期大量试验并结合相关学者研究成果，最终选择播种装置负压X1、前进速度X2以及充种角X3作为影响气吸滚筒式播种装置工作性能的主要参数。本试验在自行研制的试验台上开展。通过控制试验风压，采用U型测压管对滚筒上吸种孔处风压进行测量，直至达到试验需求。运用变频调速原理调节前进速度，在速度稳定的情况下进行播种性能测定试验。试验后对合格指数、重播指数、漏播指数进行测量统计，每组试验重复5次取平均值。

4.2 试验设计

为了验证播种装置的播种性能，得到较优的工作参数组合，根据GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》，选用正交表L16(43)进行正交试验并分析[26-27]。

在播种装置性能检测试验台上进行播种性能测试试验。通过图像采集处理系统对钵育秧盘上的种子进行实时检测，并对得到的数据进行处理，每次试验测量200粒种子，并重复5次取平均值。根据前期试验，选取前进速度为0.20～0.26 m/s，负压为1 000～1 300 Pa，充种角为10°～40°，试验因素水平如表1所示，试验安排及结果如表2所示，其中A、B、C为因素水平值。

表1 试验因素和水平Tab.1 Factors and levels of test

表2 试验设计方案及结果Tab.2 Experiment design and values

4.3 结果分析

由表2可得，影响合格指数的因素主次顺序为B、A、C，较优的因素组合为B3A2C2；影响漏播指数的因素主次顺序为B、C、A，较优的因素组合为B3C2A2；影响重播指数的因素主次顺序为B、A、C，较优的因素组合为B2A2C3。

利用Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行方差分析，进一步分析因素对试验指标影响的显著性。如表3所示，可知前进速度、负压和充种角对各项播种性能指标都有显著影响。前进速度较小时，型孔通过充种区的时间较长，种子充入型孔的机会增大，前进速度的增大会使充种时间变短，漏播指数增大；负压较低时，所提供的吸附力不足以克服种群摩擦力，会造成漏播指数增大。负压较大时，所提供的吸附力远大于单粒种子所需，种子可以轻松脱离种群，但容易吸附一颗以上的种子，造成重播指数增大；充种角较小时，种子需要克服自身重力、种群摩擦力，使漏播指数增大；充种角较大时，在其他条件不变的情况下，受到滚筒支持力，使漏播指数减小。结合试验结果，以及上述理论分析和仿真模拟，可知理论及试验结果一致。综上，为了保证播种装置良好的播种性能，需要对3个因素选取合适的参数组合。

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis for seeding quality

综合以上分析，在保证合格指数最大、漏播指数和重播指数较小原则下，确定较优组合为A2B3C2，即前进速度为0.22 m/s、负压为1 200 Pa、充种角为20°。

4.4 验证试验

在上述试验环境条件下进行验证试验，每次试验测量200粒种子，并重复5次取平均值。按照GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》在前进速度为0.22 m/s、负压为1 200 Pa、充种角为20°的条件下进行试验，试验结果见表4。从表4可以看出，综合性能较优的结果为合格指数90.48%、漏播指数4.24%、重播指数5.28%。