气振式精密播种机自动供种装置仿真与试验

陈　进，丁　松 ， 龚智强 ， 练　毅

(1.江苏大学 机械工程学院，江苏 镇江　212013；2.巢湖学院，合肥　238000)

0　引言

气吸振动式精密播种机在吸排种过程中，种盘内种群质量不断减少，在循环播种一定盘数以后应由定量供种装置及时补种。对于滚筒式排种器，文献[1]采用了振动供种，使种群在滚筒边缘堆积，达到连续供种的目的。文献[2]将外槽轮的播种原理与电磁振动的排种理论相结合，通过调整外槽轮的转速改变每一育秧穴盘的供种粒数。由于芽种含水率高、种群流动性差，为了实现连续供种，减小种间摩擦阻力，非滚筒式播种机采用振动匀种的方法，如文献[3]的定量供种装置采用电磁振动种室。文献[4]设计的位于排种器与种箱之间的分层充种室，文献[5]位于种箱下部的倾斜导种板式机构均可以实现连续振动供种。不同于连续供种，气吸振动式精密播种机采用振动种盘，增加了种群的流动性，同时种盘大，一次供种可以工作较长时间，所以已有的连续供种装置无法适应气吸振动式精密播种机间歇性、定量供种方式。根据吸种盘较大、多次吸排种后种群质量变化较大及已有振动种盘可以增加种群流动性的特点，需要设计结构简单、布局紧凑，能够实现定量间歇供种的自动供种装置，进一步提高播种机工作效率和自动化程度。

本文在现有的气吸振动式水稻精密播种装置的基础上展开研究，通过试验探求播种过程中种群质量变化与播种盘数间的关系，确定供种装置形式与供种方法，通过对供种装置的离散元仿真分析，并结合供种量与试验因素间的数学模型，计算确定参数组合，为定量供种装置的设计提供思路与理论依据。

1　气吸振动式播种机结构与工作原理

气吸振动式精密播种机主要包括振动部件、吸排种部件、二自由度机械手部件等，如图1所示。

1.定量供种装置　2.竖直单轨道丝杠螺母传动系统 3.水平单轨道丝杠螺母传动系统　4.吸种盘　5.气室 6.气泵电机　7.导种管　8.曲柄连杆　9.振动电机 10.振动种盘　11.振动弹簧图1　气吸振动式精密播种机结构示意图

工作时，先将吸种盘回归原点位置，选择合适的参数，开启振动电机，通过曲柄连杆带动种盘以一定频率与振幅振动，盘内的种群由于振动产生“沸腾”运动。开启气泵电机，同时二自由度机械手带动吸种盘到达振动种盘正上方一定高度，依靠气室内真空负压气流产生吸力，将种子吸附在吸种盘面板吸孔上。当机械手将吸种盘带到排种位置时，PLC控制一组两位三通电磁阀实现负压转换为正压，种子在正压气流和重力作用下通过导种管落入育秧盘；一次播种工作结束，吸种盘将重新回到原点位置，经过若干次播种后，由两个种箱定量供种，清种毛刷往复运动将种子铺平后，进行下一周期的播种工作。

2　供种量试验

2.1试验设计

在吸种高度等条件不变的情况下，在一定播种盘数内，振动种盘内种群质量的减少会影响播种合格率变化，因此选择减少的种群质量作为试验因素进行研究。振动种盘内种层厚度在8～18mm范围内，播种效果较理想，振动电机转速在600～720r/min，吸种高度4～6mm,初始种层数为5(种层厚度约18mm，经计算得到18mm种层厚度所能容纳的种量为5 238g[6])，这些参数作为播种机进行吸排种试验时设置的依据。

2.2试验方法

根据超级稻穴盘育苗农艺要求和播种性能指标的评定经验[7]，合格率、重播率、空穴率和破损率一般作为主要评价指标。为简化分析本试验选择合格率为主要指标，表达式为

式中N—试验用育秧盘穴孔总数；

n—(2±1)粒种子的育秧盘穴孔的数量。

文献[8]运用多目标遗传算法，得到最优参数组合，结合现场多次试验，最终设定工作参数为：真空负压值4.35kPa，吸孔孔径1.8mm,种盘振动频率11Hz，种盘振幅4.2mm，吸种距离为4.5mm，多次试验合格率最高为94%左右，其他生产率条件下的试验方法和原理与所述相同。

在江苏大学自主研制的气吸振动式精密播种机上进行试验，试验前先将振动种盘内的残余种子清除，选择常优3号种子，千粒质量32.5g，将种子按照农艺要求先经盐水选种，再经清水洗净、浸泡、破胸催芽处理。选择448个穴孔的育秧盘，通过两水平数码显示仪调节振动种盘台面至近水平状态，将种子放入种盘内，由清种毛刷铺平种子，开启振动和气泵电机，运行5min各部件稳定后，运行机械手，开始试验。试验开始时，先向振动种盘内加入5kg种子，连续播种20盘，计算性能指标，并称量每盘种子的总质量；记录完成后，将所有种子重新放回种盘以减少误差，进行重复试验，统计分析后得到播种盘数与播种合格率之间的关系如表1所示。

表1　播种试验结果

2.3试验结果与分析

试验参数为最佳组合状态，考虑到误差、理想化分析等因素，认为合格率达到90%以上即为合格吸种状态。表1为某次振动种盘内种群初始质量在5kg下试验得到的数据，采用相同的方法经多盘试验得出结论：种群初始质量为5kg时，从第3盘播种开始，每13盘需要两个种箱，各供种约450g,以维持播种合格率在90%以上。

3　供种方法

气吸振动式精密播种机具体排种装置机构行程及停留时间如表2所示。

表2　排种装置机构行程及停留时间表

续表2

为了防止供种作业影响吸种过程，需要根据吸种盘运行情况，将两个过程分开进行。选用凹型光电传感器对播种盘数进行计数，与下限位光电传感器平行安装，光电传感器安装如图2所示。

1.计数光电传感器　2.固定金属板3.金属遮光板　4.下限位光电传感器　5.可移动机械臂

固定金属板用螺丝紧固在竖直单轨道丝杠传动系统上，计数光电传感器及下限位光电传感器分别安装在左右两端，金属遮光板安装在可移动机械臂上。根据传感器安装位置，在1个播种周期内，光电传感器计数2次，在进行吸种作业时不能同时加种，即第7、8、1、2这4个步骤共3.8s的时间内，种子应该尚未出种箱。因此，播种作业处于7→8→1→2→3→4→5→6→7→8步骤期间进行供种作业，此时用时为t=7.5+2+0.5=10s。

设定供种装置每旋转120°供种1次，因此旋转速度为

整体工作过程可以分为静态充种、窝眼轮正向旋转供种、供种结束反向旋转复位。静态充种时，充填区单次充种的量是固定的，单次加到振动种盘内的种量也是固定的，且供种时间间隔不会影响总的加种量。主系统开始运行时，供种系统也开始自动进行计数。初始状态，型孔位于正上方，种子依靠重力及种间接触力由种箱进入型孔完成充种过程，具体控制部分流程如图3所示。

图3　控制方法流程图

图3中，N代表光电传感器计数的盘数；M代表供种周期，从第3盘开始，每播种13盘，M加1。窝眼轮在步进电机带动下，旋转经过漏斗下端弧形护种区后，种子靠重力作用落下进入振动种盘完成供种，窝眼轮再重新复位；遇到紧急情况时，可通过供种系统设置的“急停”键结束供种作业。

4　供种装置离散元模型

4.1供种装置仿真模型

为便于仿真模拟与计算，将与超级稻籽粒运动过程中接触无关的部件去除，供种装置仿真模型如图4所示。运用C语言对弹性函数进行编译，通过EDEM软件的应用编程接口API完成弹力加载[9]。

4.2种子颗粒模型的建立及参数设定

近似认为各颗粒泊松比、剪切模量、密度等物理参数一致，种子颗粒模型如图5所示。经过统计测量，得到试验种子常优3号三轴尺寸平均近似为：长6.99mm，宽2.33mm，高3.57mm，千粒质量32.5g。在EDEM的Particles模块中，创建种子模型，其三轴尺寸为7.10mm×2.32mm×3.30mm[10-11]。在颗粒工厂中设置尺寸模型为随机分布，范围为基本尺寸的0.9～1.1。仿真模型材料参数为泊松比、剪切模量(MPa)、密度(kg/m3)，水稻种子分别为0.32、181.5、1 194.09，有机玻璃[12]为0.5、177、1 180，钢为0.3、7×104、7 800。

采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型，设置窝眼轮和供种漏斗均为有机玻璃材料，外箱体为钢制材料，参数设置如表3所示。

表3　仿真模型材料接触参数

颗粒工厂的设置：总颗粒质量0.8kg，产生颗粒速率为1.6kg/s自由下落，窝眼轮设定以0.209rad/s的速度旋转，模拟总时间为10s，时间步长设定为瑞利时间步的20%。

图5　种子颗粒模型

5　仿真试验与分析

5.1两因素试验

5.1.1试验因素及水平

本文主要针对单次供种时的运种量进行研究，为间歇供种设计，一次供种可满足一段时间内的连续播种，窝眼型孔较大，分布离散、数量少，主要侧重能够实现固定容量的运种，窝眼孔在种箱内的充种过程由靠自身重力和压力完成。每次加种结束后，种盘上安装的移动软刷往复运动，能够使种层厚度恢复均匀状态。将型孔简化设置为半球体，便于容积计算及排种，选取型孔的直径和个数作为主要研究因素。运用Pro/E软件设计的窝眼轮总长度为400mm与种箱实际宽度一致，直径为200mm，型孔个数为5～8个，型孔直径分别为25、30、35、40mm，单列型孔的运种量结果如表4所示。

表4两因素仿真试验结果表

Table 4Simulationexperiment results with 2 factors g

型孔个数/个型孔直径/mm25303540522．44043．20171．943112．612626．79851．62485．578133．432730．95159．28096．828155．432835．89869．205109．256172．100

5.1.2试验结果及分析

利用方差分析对试验因素的主次顺序进行区分，结果如表5所示。

表5　两因素仿真试验方差分析表

由表5可以看出：因素A和因素B对单列型孔的运种量影响显著。由F值可以看出，影响作用因素A>B。因此，两个因素对单列型孔运种量的影响主次顺序为型孔直径>型孔个数。

5.2单因素试验

通过以上试验与分析可知：试验因素对单列型孔运种量的影响主次顺序为型孔直径>型孔个数。为了确定供种450g时型孔的大小，选择5个型孔，通过改变型孔直径，继续进行单因素仿真试验，结果如表6所示。

表6　单因素仿真试验结果

应用DPS数据处理系统，建立型孔为5个时，单列型孔运种量y与型孔直径x的数学模型为

y=0.003908283x3-0.2730646x2+

11.11744x-147.5879

利用方差分析对方程误差进行分析比较和统计，结果如表7所示。

表7　回归方程方差分析表

方差分析表显示F>Fα，说明方程在α=0.01的水平上高度显著。同时，可决系数R=0.999 61，说明方程拟合程度好，可信度较高。

5.3试验验证分析

5.3.1试验过程

为了验证以上分析的可行性，通过方程求解在单个种箱供种量为450g，5个型孔时，型孔直径为63.1mm，取实际直径64mm，设计试验装置进行试验验证与分析,现场试验如图6所示。定量供种装置整体材料为有机玻璃，采用模具制作了5个直径64mm的型孔。仿真装置的漏斗仅保留护种区以简化试验装置，所加种子可完全充满型孔。验证性试验装置如图7所示。定量供种装置整体材料为有机玻璃，采用模具制作了5个直径64mm的型孔。仿真装置的漏斗仅保留护种区以简化试验装置，所加种子可完全充满型孔。

图6　播种试验现场

1.触摸屏　2.光电传感器　3.定量供种箱　4.步进电机5.步进电机驱动器　6.PLC控制器　7.电源　8.RS232通讯电缆图7　自动定量供种实验装置

供种装置整体主要分为两部分，即机械部分和控制部分。其中，机械部分主要由步进电机支撑板、窝眼轮、旋转轴、轴承及联轴器组成；控制部分主要由PLC控制器、触摸屏、步进电机及光电传感器等部分组成。窝眼轮为直径和长度一定的圆柱体，其上每隔120°开有大小一致的列半球形窝眼型孔，每一列可根据播种机参数设置具体设计型孔大小及个数，外部由PLC控制步进电机，带动窝眼轮匀速旋转。试验前，测量了型孔所能容纳的种子实际和理论容量值(见表8)，种子总质量平均为426.73g，与仿真相对误差为3.1%。

表8型孔可容纳种子的实际和理论值

Table 8Practical and theoretical mass contain by holes g

实际值理论值第1次426．8440．555第2次426．7440．555第3次426．7440．555

试验过程中采取了辅助措施，在加种时由于只设计了其中一个试验种箱，所以在加种时另外的450g种子由人工直接加振动种盘，振动种盘种群初始质量、播种机各参数设置、水稻种子及处理方式、试验指标均与供种量试验相同。播种到第16盘、供种装置加种一次后，再连续播种10盘，记录加种后各盘的合格率。

5.3.2试验结果与分析

使用供种试验装置进行试验后，结果如表9所示。从仿真试验结果可以看出：型孔所能容纳的实际值与理论值误差为3.1%，且与450g相近，说明根据仿真得到的方程具有适用性；加种后各盘合格率均在90%以上，说明通过供种试验装置进行加种有效，供种方法可行。

表9加种后播种试验结果

Table 9Seeding experiment results after supply seeds /%

播种盘数合格率播种盘数合格率190．63292．86391．52491．96592．86691．96791．40891．29992．861093．08

6　结论

1)供种量试验表明：种群初始质量为5kg时，从第3盘播种开始，每13盘需要两个种箱各供种约450g,以维持播种合格率在90%以上。

2)采用光电传感器对播种盘数进行计数，PLC控制窝眼轮装置进行供种。根据对播种机工作过程的分析，得到了窝眼轮旋转速度为0.209rad/s时，在吸种和播种间隙进行供种作业不会影响播种效率。

3)基于EDEM离散元法对供种装置运行过程进行了仿真，两因素试验结果表明：影响单列型孔运种量的主次因素为型孔直径>型孔个数；通过单因素试验得到的数学模型计算得出由单个种箱供种450g时，窝眼轮上型孔个数应为5个，型孔直径应为64mm。依据理论分析设计了试验装置并进行了试验验证，结果表明：加种后各盘合格率均在90%以上，达到预期要求，供种试验装置加种有效，为进一步设计精密播种机定量供种装置提供了思路和理论依据。

参考文献：

[1]胡建平,郭坤,周春健，等.磁吸滚筒式排种器种箱振动供种仿真与试验[J].农业机械学报,2014(8):61-65.

[2]郑丁科,李志伟,区颖刚.电磁振动组合式毯状秧苗播种装置的设计与试验[J].华南农业大学学报，2004(1):103-106.

[3]鹿芳媛,马旭,齐龙，等.基于离散元法的杂交稻振动匀种装置参数优化与试验[J].农业工程学报,2016(10):17-25.

[4]邢赫,臧英,王在满,等.水稻气力式排种器分层充种室设计与试验[J].农业工程学报,2015(4):42-48.

[5]邓伟健,李志伟,邱秀丽,等.基于交叉导流式种箱的稻种流动性及结拱研究[J].农机化研究,2013,35(12):145-149,154.

[6]陈进,李建华,李耀明,等.气吸振动盘式精密播种机吸种高度控制与供种装置[J].农业机械学报,2013(S1):67-71.

[7]国家质量监督检验检疫总局.GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法[S].北京：中国标准出版社，2006.

[8]龚智强.气吸振动盘式精密排种装置理论与试验研究[D].镇江:江苏大学,2013.

[9]王金武,唐汉,王奇,等.基于EDEM软件的指夹式精量排种器排种性能数值模拟与试验[J].农业工程学报,2015(21):43-50.

[10]Fleissner F,Gaugele T,Eberhard，P． Applications of the discrete element method in mechanical engineering [J].Multibody System Dynamics，2007，18(1):81-94．

[11]J Li,C Webb,S S Pandiella,et al.Discrete particle motion on sieves-a numerical study using the DEM simulation[J].Power Technology，2003，133:190-202.

[12]史嵩,张东兴,杨丽,等.基于EDEM软件的气压组合孔式排种器充种性能模拟与验证[J].农业工程学报,2015,31(3):62-69.

[13]张烨,李长友,李建民，等.稻谷摩擦特性研究[J].广东农业科学,2011(13):15-17.