气吸鸭嘴式玉米精量排种器导种过程的仿真分析

石绍滨,郑月男,杨 诚,李国莹,李国梁,郝 超

(1.青岛农业大学 机电工程学院,山东 青岛 266109;2.青岛普兰泰克机械科技有限公司,山东 青岛 266109;3.潍柴雷沃重工股份有限公司,山东 潍坊 261200)

0 引言

由于受到干旱和温度等自然条件的影响,我国东北和西北地区种植玉米多采用覆膜播种方式。实现玉米播种精量化不仅可以保证播种一致性,促进玉米植株合理生长,而且还能减少种子浪费和间苗作业产生的成本[1]。

排种器作为播种机的核心部件,主要分机械式和气力式两类[2-4]。鉴于机械式排种器存在重播、漏种现象,加之对种子外形尺寸要求严格,国内外先进播种机多采用气吸式排种器[5-7]。现阶段,膜上播种技术多采用鸭嘴滚筒式排种器,可一次性实现起垄、覆膜、膜上打孔播种操作,机具作业效率高。

为此,以气吸鸭嘴式玉米精量排种器为研究对象,通过EDEM软件对玉米种子从气吸盘投种到鸭嘴对接口的导种过程进行仿真分析,研究排种器转速、气吸孔位置和导种压盘挡槽角度对导种过程的影响,并采用二次正交组合试验方法,借助Design Expert软件处理数据,寻找各因素的最优参数组合。

1 排种器的结构及工作原理

气吸鸭嘴式玉米精量排种器主要由空心轴、种腔壳体、气吸盘、导种压盘、鸭嘴机构及连接滚筒等部件组成,如图1所示。

1.种腔壳体 2.左固定板 3.空心轴 4.断压辊 5.滚筒 6.右固定板 7.鸭嘴机构 8.导种压盘 9.气吸盘图1 气吸鸭嘴式排种器结构图Fig.1 Structure diagram of seed metering device with duckbill of air-suction

图1中,两侧固定板通过螺栓将滚筒固定,并借助轴承连接到空心轴;导种压盘通过螺栓将气吸盘连接到右侧固定板上,种腔壳体通过六角螺栓平键与空心轴固定。工作时,空心轴右侧密闭,左侧连接风机和机架,并在气吸盘和右侧固定板间形成负压室。排种器前进过程中,气吸盘从种腔吸附种子,并绕空心轴逆时针转动;种子转动到断压辊后失去吸力,并在惯性和重力作用下继续运动;随后,种子在导种盘挡槽和滚筒对接口挡板作用下落入鸭嘴,并通过鸭嘴在膜上打孔完成玉米播种过程。

2 导种过程分析

玉米籽粒到达断压辊后失去吸力,完成第1次投种并开始导种过程,如图2所示。断压辊位置是固定的,籽粒的位置可根据断压辊的角度θ及吸孔半径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运动;导种压盘挡槽改变籽粒轨迹,并引导籽粒经过种腔壳体落种口,最终到达滚筒与鸭嘴机构相连的对接口。

图2 导种过程分析图Fig.2 Analysis diagram of the seed-introduction process

3 仿真模型建立

3.1 玉米颗粒模型

选取扁平粒玉米种子为研究对象,取千粒种子测得三轴尺寸均值为10.1mm×8.3mm×5.4mm。EDEM软件中共采用45个颗粒创建玉米颗粒模型,最终模型尺寸为10mm×8mm×5.6mm,如图3所示。

图3 玉米颗粒模型Fig.3 Corn kernel model

3.2 建立三维模型

为提高软件运行速度,便于观察,将简化模型导入EDEM软件。简化模型中只保留气吸盘、导种压盘、种腔壳体和滚筒对接环。其中,气吸盘采用材料为不锈钢304,其余部件为Q235A。玉米颗粒及各部件间的力学性能和物理性能参数如表1所示[8-9]。

表1 玉米颗粒及各部件间的参数Table1 Parameters of corn kernels and various parts

3.3 仿真参数设置

仿真模型采用Hertz-Mindlin接触模型,玉米颗粒采用动态生成方式,生成速率根据转速确定。考虑到断压辊处位置是固定的,玉米籽粒从断压辊处失去吸力开始导种过程,因而将颗粒工厂添加到断压辊处。玉米颗粒初始速度由排种器转速和吸孔半径求得。颗粒工厂从0.5s开始生成玉米颗粒,仿真时间为15s。当ω=6rad/s时,EDEM仿真分析过程情况如图4所示。

与“十一五”末相比，主要污染物氨氮和高锰酸盐指数平均浓度分别下降35.2%和35.2%，溶解氧平均浓度上升39.8%，说明全市实施的“清水工程”初现成效（见图2）。

图4 EDEM仿真分析图Fig.4 Diagram of EDEM simulation analysis

4 仿真试验结果分析

4.1 单因素仿真结果分析

4.1.1排种器转速对导种过程的影响

排种器的转速决定断压辊处玉米籽粒失去吸力后的初始速度,同时影响导种压盘挡槽击打玉米颗粒的力度。

根据排种器实际工作情况,选取挡槽角度为15°,仿真模拟排种器的角速度分别为5.5、6、6.5rad/s。通过计算正确落入对接口的玉米颗粒百分比,得到导种合格指数变化规律,如图5所示。由图5可知:随着排种器转速增加,玉米颗粒的初始速度增大,排种器的导种合格指数呈现增加趋势;当排种器转速达到6rad/s时,导种合格指数达到最大值,随后呈现下降趋势。分析合格指数下降的原因主要是:排种器转速增加使玉米颗粒速度变化增大,导致玉米颗粒和排种器间碰撞的不确定性增加,从而使未正确导种落入对接口概率增大。综上可知:当5.5rad/s<ω<6rad/s时,排种器转速增加有利于增加导种合格指数,同时可以提高排种器的播种效率。

图5 转速与合格指数的关系曲线Fig.5 The relationship curve of the speed and the qualified index

4.1.2挡槽角度对导种过程的影响

导种压盘挡槽是气吸盘第1次投种后引导玉米籽粒进入鸭嘴过程的关键部件,同时还具有阻挡玉米颗粒避免漏种的作用。挡槽的角度决定引导玉米颗粒运动的方向,是导致玉米籽粒是否成功进入鸭嘴的重要影响因素。

根据排种器实际工作情况,选取排种器的角速度为6rad/s,仿真模拟挡槽角度分别为10°、15°、20°,得到的合格指数变化规律如图6所示。

图6 挡槽角度与合格指数的关系曲线Fig.6 The relationship curve of the stop groove angle and the qualified index

由图6可知:挡槽角度为10°～15° 时,随着挡槽角度增加,导种合格指数增大;挡槽角度为15°～20°时,随着挡槽角度的增大,导种合格指数呈现下降趋势。分析可知:适当增大挡槽角度有利于玉米颗粒正确导种进入对接口,挡槽角度过大则对导种过程产生不利影响。

4.2 二次旋转正交试验仿真结果分析

通过大量单因素试验测试,最终确定排种器转速取值范围在5.5～6.5rad/s之间,挡槽角度取值范围在10°～20°之间,气吸盘吸孔间距取值范围在85～105mm之间。为了确定3个因素的最佳参数组合,使得排种器的导种过程效果最好,试验采取二次正交组合试验方法,各试验因素取三水平,编码情况如表2所示。

表2 试验因素编码Table 2 Factors and levels of test

根据GB/T 6973-2005单粒(精密)播种机试验方法,选取合格指数Y1(正确导种率)和漏种指数Y2(未正确导种率)作为仿真试验指标[10],计算公式为

(1)

(2)

通过Expert Design10软件对表3中试验数据进行回归拟合处理,方差分析结果如表4所示。

表3 试验设计方案及结果Table 3 Experiment design and results

表4 方差分析结果Table 4 Results of variance analysis

1)合格指数Y1。由表4可以看出,本试验所建立合格指数模型的P值小于0.01,极显著,模型拟合度较高;失拟项P=0.1760,不显著,说明不存在其他影响指标的主要因素。然而,吸孔间距(X3)的P值、转速和吸孔间距(X1X3)交互项的P值、挡槽角度和吸孔间距(X2X3)交互项的P值均大于0.1,说明吸孔间距、转速和吸孔间距交互项、挡槽角度和吸孔间距交互项对合格指数影响效果不显著。去除上述不显著因素,合格指数的回归模型可简化为

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

(3)

通过对式(3)回归系数进行检验可知:转速对合格指数的影响大于挡槽角度对合格指数的影响,吸孔间距对合格指数的影响很小。

2)漏种指数Y2。由表4可知:试验所建立漏种指数模型的P值同样小于0.01,极显著,模型拟合度较高;失拟项P=0. 3162,不显著,说明不存在其他影响指标的主要因素。模型中存在的不显著因素包括吸孔间距、转速和吸孔间距交互项、挡槽角度和吸孔间距交互项。去除上述不显著因素,漏种指数的回归模型可简化为

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

(4)

通过对式(4)回归系数进行检验可知:转速对漏种指数的影响大于挡槽角度对漏种指数的影响,吸孔间距对合格指数的影响较小。

3)最优参数组合。设定排种器合格指数最大和漏种指数最小为评价指标[11-12],对排种器导种过程回归模型优化求解设定约束条件,即

(5)

借助Design Expert软件求解,最终获得各因素的最优参数组合为排种器转速6.19rad/s、挡槽角度13.77°、吸孔间距94.45mm,此时合格指数最大为96.17%、漏种指数为3.69%。

4.3 台架试验结果分析

为验证排种器仿真分析结果,进行室内台架试验,如图7所示。由于气吸鸭嘴式排种器采用覆膜播种,因而台架试验中将鸭嘴保持打开状态,以便观察导种效果。

图7 台架试验Fig.7 Bench test

试验选取转速59r/min(实际角速度6.18rad/s)、挡槽角度14°、吸孔间距96mm,进行5次验证试验,结果如表5所示。由表5可知:合格指数92.1%,漏播指数3.6%,重播指数4.3%。由于吸种盘吸附多粒种子产生重播,导致合格指数减小,而实际漏播指数与仿真结果相吻合。台架试验结果表明,仿真分析结果与实际效果基本一致。

5 结论

1)为研究转速、挡槽角度和吸孔间距对排种器导种过程的影响,借助EDEM软件进行三因素三水平二次正交组合试验的仿真分析。结果表明:转速对排种器合格指数的影响大于挡槽角度,吸孔间距对合格指数影响较小。

2)利用Design Expert 10软件对试验数据进行处理,以排种器合格指数最大和漏种指数最小作为评价指标,得出排种器在导种阶段各因素最优参数组合为转速6.19rad/s、挡槽角度13.77°、吸孔间距94.45mm,此时合格指数为96.17%、漏种指数为3.69%。

3)室内台架验证试验结果表明:排种器实际漏播指数为3.6%,与仿真结果相吻合,仿真分析具有较高的可靠性。