定扰动辅助充种大豆排种器设计与试验*

孟华，王茜，李晓红，，李赫，余永昌

(1.商丘工学院机械工程学院,河南商丘,476000;2.河南农业大学机电工程学院,郑州市,450002)

0 引言

大豆不仅是植物蛋白、食用油脂和蛋白饲料的主要来源[1-3],而且还含有多种具有独特生理功能的活性物质,如大豆异黄酮、大豆多肽、大豆磷脂等,具有抗肿瘤、降血脂、预防心血管疾病等作用[4]。

在大豆生产过程中,播种机是实现农作物机械化生产过程中的重要手段之一,也是保证产量的主要方式[5-8],排种器作为播种机械的核心部件,是保证播种粒距均匀性的重要手段。国内学者对大豆单粒精量排种器进行了大量研究,目前大豆播种机主要使用气力式和机械式两大类排种器[9-13]。在实际生产过程中,这两种排种器结构复杂,或能耗大或加工要求高,价格普遍偏高。机械式中的水平圆盘排种器具有囊种性能较好、结构简单、便于制造、工作可靠等优点[14]。国外对水平圆盘式排种器的研究较早,主要应用在棉花、玉米等作物播种机上[15-16]。Shein等[17]改进当时现有的水平圆盘式排种器,使之能够适应多作物播种。Singh等[18-19]根据种子的几何尺寸等参数,对水平圆盘式排种器的型孔参数进行优化设计。在国内,梁天也等[20]对水平圆盘排种器清种装置进行优化,降低了种子破碎率和漏播率,大幅度提高了排种性能。赵武云等[21]在设计玉米精量穴播机时,采用了水平圆盘式的精量排种器。廖庆喜等[22-24]以种子尺寸为研究对象,采用了水平圆盘式排种器进行了相关试验,确定了排种器的最佳参数,提高了播种机的工作性能。刘艳芬等[25]结合玉米种子的几何尺寸,对水平圆盘式玉米排种器的型孔结构等进行优化设计,提高了对不同品种的玉米种子的适应性。

同时,相关学者为了提高排种器的充种性能,增加种子在排种器内的活跃度,对排种器进行优化改进。都鑫等[26]在排种器设计过程中增加了扰动条;李玉环等[27]在勺轮式排种器的基础上增加了“Y型”导种槽。丁力[28]、李洪昌[29]在排种器设计时增加了型孔凸台对种子群进行扰动。

因此,本文设计了一种定扰动辅助充种大豆排种器,通过固定扰动环对种子群的扰动,增加其活跃度,提高型孔充种性能,以期为大豆精量播种技术的研究和发展提供参考。

1 总体结构与工作原理

1.1 总体结构

定扰动辅助充种大豆排种器整体结构主要由壳体、排种盘、扰种环、毛刷、排种管、底座等组成,如图1所示。

图1 排种器总体结构示意图Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of the seed metering device1.壳体 2.扰种环 3.清种毛刷 4.排种管 5.排种轴 6.排种盘

1.2 工作原理

排种器作业过程分为充种、清种和投种3个阶段,如图2所示。工作时,动力通过排种轴带动排种盘逆时针方向转动,种子群受到排种盘的离心力作用向排种盘边缘运动,扰动环能够对靠近排种盘边缘的种子群进行扰动,使种子的活跃度(流动性)增加,在离心力、摩擦力和扰种环的共同作用下,种子能够顺利进行型孔,完成充种。由于种子群分布在排种盘的边缘处,当携种型孔即将运动至投种口上部时,在清种毛刷的作用下使型孔周围的种子远离型孔,只保留型孔及周围只有1粒种子,完成清种。清种后,型孔携带种子运动至投种口上部,种子在自重作用下,从投种口进入排种管,完成排种。该排种器增加了扰动结构,改善了种子群在排种器内的充种性能,提高了排种合格率。

图2 排种器工作原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the working principle of the seed metering device1.扰种环 2.排种盘 3.型孔 4.种子 5.壳体

2 关键结构与参数设计

2.1 排种盘结构与参数

2.1.1 排种盘结构

排种盘是影响充种性能的核心部件,排种盘为斜面、型孔组合组成,如图3所示。

图3 排种盘结构示意图Fig.3 Schematic diagram of the structure of the seed metering tray1.排种盘 2.型孔 3.排种轴孔

相关研究表明,在相同作业速度下,当排种盘直径过小时,相对应的排种器转速较大,不利于种子充入型孔,易造成漏播;当排种盘直径过大时,排种器尺寸、质量、成本增加。根据农业机械设计手册[30],并参考市场上常用的水平圆盘式排种器,排种盘直径主要在180～220 mm,因此,选取该排种器的排种盘外径D为200 mm。

2.1.2 型孔尺寸参数

型孔的结构形式、尺寸、种子趋近型孔的姿态、种子在型孔中的排列状态和稳定程度都直接影响排种精确性[31]。本文以邯豆13大豆种子为研究对象[32],随机选取100粒大豆种子,对其长l、宽w、厚d进行统计,其中：种子长度l均值为8.46 mm;种子宽度w均值为7.31 mm;种子厚度d均值为6.27 mm。

大豆种子的外形属于椭球类,在排种器型孔内的姿态主要有“切向”“径向”和“直立”(切向：种子长度方向在型孔内与排种盘半径方向相切;径向：种子长度方向在型孔内与排种盘半径方向相同;直立：种子长度方向在型孔内与排种盘水平面相垂直)3种[25],其中“径向”“切向”姿态最稳定。为确保型孔充入单粒种子,根据种子的充种姿态对型孔的尺寸参数进行分析,如图4所示。

(a) 切向

排种盘型孔尺寸是影响排种质量的关键因素,型孔尺寸过大时,易造成重播;型孔尺寸过小,易造成漏播。故在对型孔参数设计时,应根据种子的几何参数与型孔的结构参数进行分析。

当种子处于“切向”姿态时,型孔的长L、宽W、高H应为

(1)

当种子处于“径向”姿态时

(2)

当种子处于“竖立”姿态时

(3)

由邯豆13大豆种子几何尺寸代入式(1)～式(3)计算,选取型孔长度L为9 mm、宽度W为5 mm、高度H为9 mm。在设计过程中,为尽可能降低种子播种过程中受到损伤,根据相关研究[19],选取排种盘型孔结构为倒圆角。

2.2 扰种环结构与参数

2.2.1 扰种环结构

当排种盘转速较低时,种子群在排种盘边缘靠近型孔处易形成力链[33],力链相互衔接结拱,使种子群活跃度降低造成漏充;当排种器转速过高时,型孔在通过种子群的过程中速度较高,充种时间较短,易造成漏播。为提高排种器的充种性能,在排种盘内侧设置有固定扰种环,通过扰种环对型孔周围的种子群进行碰撞,增大种子群活跃度的同时降低种子群力链的形成,从而提高充种性能,扰种环的结构如图5所示。

图5 扰种环结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the scrambling ring structure1.扰种片 2.连接杆 3.扰种圆环 4.螺栓安装孔

2.2.2 扰种片的角度参数

当排种盘转动时,种子群与扰种片发生碰撞,在增大种子群活跃度,同时扰种环上的扰种片的角度对种子充入型孔也有着一定影响。以扰动片长度方向的中心线与半径方向形成的不同角度进行分析,选取扰动片长度方向的中心线与的安装角度分别为-45°、0°和45°,如图6所示。

图6 扰动片角度俯视示意图Fig.6 Schematic diagram of the top view of the perturbation plate angle

为便于分析,以靠近型孔的单粒种子为研究对象,忽略其他种子对其的影响,扰种片在不同角度条件下对种子充入型孔过程力学方向的变化如图7～图9所示。以扰种片-45°为例,随着排种盘的转动,扰种片对种子的作用主要分为3个阶段：种子与型孔外壁接触、种子开始进入型孔、种子完全进入型孔。从图7～图9可知,随着排种盘的转动,扰种片对种子的作用力的方向随之发生变化,使种子能够更好地充入型孔,说明扰种片在增大种子群活跃度的同时能够提高排种器的充种性能。

图7 扰动片为-45°时对种子的力学分析Fig.7 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is -45°

图8 扰动片为0°时对种子的力学分析Fig.8 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is 0°

图9 扰动片为45°时对种子的力学分析Fig.9 Mechanical analysis of seeds when the perturbation plate is 45°

2.2.3 扰种环的尺寸参数

扰种环对种子起到辅助充种作用的条件主要有：扰种圆环的半径和扰种片的尺寸。由邯豆13大豆种子的尺寸可知,种子的长度均值为8.55 mm,因此扰种片的长度Lr应为

l≤Lr≤2l

(4)

式中：Lr——扰种片的长度,mm;

l——种子的长度均值,mm。

因此选取中间值,即扰种片长度Lr为13 mm。

由于扰种片的角度不同,当扰种环的半径不变时,扰种片与型孔外壁的最小间隙不同,故扰种片在三种角度下即不能与型孔外壁接触干涉,也不能间隙过大,使种子从两者之间穿过,则扰种片与型孔外壁的间隙s应为

(5)

式中：R——扰种环半径,mm;

D——排种盘直径,mm;

s——扰种片与型孔外壁的间隙;

t——种子的厚度均值,mm。

通过计算可得82.65 mm

3 离散元模拟试验

3.1 参数设置

利用EDEM软件对定扰动辅助充种排种器进行虚拟仿真,并进行相关参数设置。设置颗粒与颗粒、颗粒与几何体的接触模型、排种器的材料、大豆种子和尼龙塑料之间的泊松比、剪切模量和密度等,如表1所示。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

3.2 颗粒模型及几何模型建立

根据对邯豆13大豆种子三轴尺寸的均值作为种子的模型参数,采用多球面填充的方法,使种子颗粒与实际种子的轮廓相吻合。同时简化排种器的结构,将不必要的零件去除,保留核心零件,并对其重新命名和参数设定。在仿真过程中设置颗粒生成数为300个,生成速率为5 000个/s,颗粒类型为正态分布。

3.3 仿真结果与分析

以排种盘转速、扰种片角度为因素,以排种合格率、重播率和漏播率为试验指标进行试验。根据相关研究,排种器的转速为30～50 r/min,即30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min和50 r/min;扰种片角度为-45°、0°和45°,其中设置一组没有扰种环的试验作为对照组。每组试验重复3次,计算其平均值作为试验结果,可以得到不同大豆种子的合格率、重播率和漏播率,计算方法如式(6)所示。

(6)

式中：P——合格率;

U——重播率;

Q——漏播率;

n1——型孔单粒排种次数;

n2——型孔多粒排种次数;

n3——型孔漏播次数;

N′——理论排种次数。

3.3.1 仿真过程分析

在仿真过程中,以无扰种环为研究对象,种子运动主要分为4个阶段：当仿真时间为0～0.2 s时,种子从颗粒工厂生成,依靠自重进入排种器,如图10(a)所示;当仿真时间为0.2 s时,种子完全进入排种器,种子群以排种盘轴线为中心向四周均匀散开,如图10(b)所示;当仿真时间超过0.2 s后,排种盘开始转动,种子群在离心力的作用下向排种盘边缘运动,当携种型孔运动至清种毛刷时,在毛刷的作用下清除型孔边缘多余的种子,如图10(c)所示。携种型孔经过清种毛刷后开始投种,种子进入排种管,完成投种。

(a)

由图10(c)可知,随着排种器的转动(逆时针旋转),种子群在离心力的作用下紧贴排种盘型孔边缘运动,在清种过程中,种子群向清种毛刷靠拢,造成种子群在排种器内分布不均匀。其中远离清种毛刷的种子数量较少,未能完全利用充种时间和空间。

以排种器安装扰种环为研究对象,由图11可知,在扰种片和清种毛刷的共同作用下,排种盘边缘的种子群被分割为4个部分。通过与无扰种环种子群运动过程对比分析可知,扰种环不仅会使靠近型孔的种子群流动性增大,同时在排种盘不同区域能够提高种子进入型孔的概率。

(a) 扰种片角度-45°

3.3.2 仿真结果与分析

以扰种片的角度为-45°为研究对象,由图12(a)可知,排种合格率随着排种器转速的增大整体呈现先升高后降低的趋势。当排种器转速在30～40 r/min时,排种合格率随着排种器转速的增大而升高,升高速率逐渐下降;当排种器转速为40 r/min时,排种合格率最高,即合格率为98.03%;随着排种器转速的继续增大,合格率开始降低。当扰种片的角度分别为0°、45°和对照组(无扰种环)时,排种的合格率随着排种器转速变化而呈现的趋势基本相似,均呈现先升高后降低,且在排种器转速为40 r/min时,排种合格率均最高,分别为97.68%、97.47%和97.05%。

(a) 合格率

由图12(b)可知,排种器的重播率随着转速的增大呈现先降低后升高的趋势,当排种器转速为40 r/min时,排种器重播率最低为1.78%;当扰种片角度分别为0°、45°和对照组(无扰种环)时,排种的重播率分别为2.09%、2.41%和1.58%。由图12(c)可知,排种器的漏播率随着转速的增大呈现先降低后升高的趋势,当排种器转速为40 r/min时,排种器漏播率最低为0.19%;当扰种片角度分别为0°、45°和对照组(无扰种环)时,排种的重播率分别为0.23%、0.12%和1.37%。

通过仿真试验结果可知：排种器最佳工作转速为40 r/min、扰种环上的扰种片的角度为-45°时排种合格率最高,综合排种性能最佳。

4 验证试验

4.1 材料与方法

为验证EDEM离散元仿真试验结果的可靠性及工作性能,将排种器安装在STB-700精密排种器性能工作试验台(中国农业大学研制)实施试验,试验于2022年5月28日在河南农业大学机电工程学院农机实验室进行。试验随机选取邯豆13大豆种子300粒作为试验材料,选取合格率、重播率和漏播率为评价指标进行台架性能试验。由仿真试验结果可知：当排种器转速为40 r/min、扰种片角度-45°时,排种器的排种性能最佳,故选取排种器转速(35 r/min、40 r/min和45 r/min)和扰种片角度(-45°)作为试验因素进行试验,每组参数下进行3次重复试验,并取其平均值作为试验结果进行分析。

4.2 试验结果与分析

排种器排种合格率越高,重播率和漏播率越低,排种效果越好,试验结果如表2所示。由表2可知,排种器转速为40 r/min时,排种器的合格率最高为96.82%、重播率最低为2.05%、漏播率最低为1.13%。

表2 试验结果Tab.2 Test results

由于仿真试验是通过计算机模拟进行的,与实际台架试验有着一定差异性,两者之间的各项性能差异如表3所示。由表3可知,排种合格率最大差异为1.50%、重播率最大差异为0.33%、漏播率最大差异为1.17%;通过对不同转速条件下两者差异性对比,当排种器转速越高时,两者之间的差异性越大,即当排种器转速为45 r/min时,合格率、重播率和漏播率指标的差异性均大于其他两个转速相对较低的试验结果。在相同条件下,台架试验与仿真试验结果的差异性较小,说明仿真试验结果能够为排种器的设计提供理论依据和参数设定。本文大豆种子播种过程中株距为7～14 cm,根据中华人民共和国机械行业标准NY/T 503—2015《单粒(精密)播种机作业质量》[34]要求,种子株距10≤X≤20 cm时,粒距合格率≥70%、重播指数≤22%、漏播指数≤17%,此时播种速度范围为3.36～6.72 km/h,试验结果表明所设计的定扰动辅助充种大豆排种器的排种性能符合单粒精密播种的行业标准。

表3 试验结果差异性比较Tab.3 Comparison of difference in test results

5 结论

1) 为提高水平圆盘式排种器的充种性能,设计了一种定扰动辅助充种大豆排种器,对排种器的工作原理和结构进行分析,确定了排种盘的关键参数：排种盘直径为200 mm、型孔长度为9 mm、型孔宽度为5 mm、型孔高度为9 mm;对扰动过程进行分析,设计了3种不同角度(-45°、0°、45°)的扰种片,增大种子在排种器内的活跃程度,提高充种性能。

2) 利用EDEM软件对排种器的转速(30 r/min、40 r/min、50 r/min)、扰种片的角度(-45°、0°、45°)进行仿真试验,得到排种器最佳转速为40 r/min、扰种片角度为-45°时,排种器排种合格率为98.03%、重播率为1.78%和漏播率为0.19%。

3) 根据仿真试验结果,将排种器转速范围进一步缩小为(35 r/min、40 r/min、45 r/min)、扰种片角度为-45°条件下进行台架验证试验,得到排种合格率为96.82%、重播率为2.05%和漏播率为1.13%;通过对比仿真最佳参数和验证试验结果,排种合格率最大差异为1.50%,能够满足行业标准要求。