气吸式排种器导种装置仿真分析及试验研究

李渤海,衣淑娟,牟忠秋,陶桂香,毛 欣

(黑龙江八一农垦大学 工程学院,黑龙江 大庆 163319)

0 引言

影响玉米产量的因素有很多,如水分、土壤、化肥、气候、玉米种子质量的优劣和先进的玉米栽培技术等[1]。然而,纵观整个玉米生产过程,除了以上外在环境及自身因素影响外,最重要的影响因素之一是播种质量。玉米免耕播种作业过程中,种子的运动速度是影响播种质量的主要因素之一,速度的快慢决定了排种的效率。研究表明：随着排种盘转速的增加,种子在导种管中的轨迹变得越发复杂,可控性降低,同时排种株距的均匀性也大大降低[2]。

本文以导种管为研究对象,借助Edem软件模拟种子在排种过程的运动情况[3],通过改变玉米种子在导种管的初始速度达到排种盘转速不同的效果,分析种子在导种管中的运动轨迹及运动速度,得到玉米种子不同转速下的运动规律[4];再利用高速摄像技术对试验台上的排种器进行在线拍摄,通过Tema软件和Excel软件对拍摄的视频进行分析和绘制,得出玉米种子的轨迹拟合方程以及方程的相关系数。

1 导种管的仿真分析

1.1 导种管的形状

采用圆弧与多段线相切的导种管,整个排种管的高度为430mm,宽度为60mm,厚度为50mm具体形状尺寸如图1所示。

图1 导种管模型Fig.1 Model of seeding tube

1.2 Edem中仿真前处理

1.2.1 种子模型

通过对玉米种子的外形轮廓进行三维测绘,统计100粒玉米种子并将得到的三维模型长、宽、高数据取其平均值;采用SolidWorks软件绘制出玉米种子的三维模型,将模型导出为x_t格式的文件,在Edem软件中导入x_t格式的玉米种子模型,将其设定为模板,进入颗粒填充界面;采用Edem中的小球颗粒进行填充,总共采用了33个小颗粒替换[5],具体如图2所示。

图2 玉米种子仿真模型Fig.2 Corn seed simulation model

在设置好种子模型后,导入SolidWorks软件绘制好的导种管模型,调整好到导种管的安装角度,保存数据。

1.2.2 仿真参数设定

在进行Edem仿真开始前,需要先确定相关材料的属性及在仿真过程中所涉及的相关参数。查阅相关资料,结合试验材料得到相关的试验数据,具体参数如表1所示。

表1 材料力学特性Table 1 mechanical properties of materials

参考表1中的数据,将相关材料参数设定到Edem材料属性中,添加材料间的接触属性,在接触模型上,采用默认的Hertz-Mindin(no slip)built-in模型。设定重力加速度沿着z轴负方向9.81m/s2,如图3所示。

(a) 导种管参数

1.2.3 颗粒工厂设置

仿真前,在导种管的上方近似排种盘投种的位置建立一个虚拟的box,用于模拟排种盘投种玉米种子的状态。为了更加符合实际播种场景,采用动态颗粒工厂模式随机生成10粒/s玉米籽,总共生成20粒玉米籽,设定种子下落的初速度为条件变量[6]。

1.2.4 仿真计算设置

进入Edem仿真界面,初步取仿真的步长为1.2×10-6s,仿真总时间为3.0s,同时每隔0.01s保存数据一次,设定计算网格的尺寸为3Rmin,调整仿真界面视图。

1.2.5 仿真数据导出

进入到Edem的后处理面板,在Selection面板中挑选相应的玉米颗粒。进入到数据导出界面,选择需要导出数据的轨迹坐标,以及相应的速度大小,具体如图4 所示。

(a) 速度导出

1.3 仿真结果分析

1.3.1 轨迹分析

观察仿真的玉米种子轨迹,将得到的轨迹数据导出,运行origin软件绘制相应的下落轨迹图,如图5所示。

图5 导种管中玉米种子轨迹Fig.5 Trajectory of corn seeds in seed guide tube

从轨迹图中可以看到：随着排种盘转速的增加,种子在水平方向上的位移也在逐渐增加,与圆弧部分接触的点滞后,而轨迹在圆弧接触后变得相对平缓,波动降低,整体稳定沿着导种管口排出;种子在整个下落过程中所需的时间基本上是一致的,在310～320ms之间,可知种子在导种管中的运动时间与排种盘给定的速度无关;随着转速的增加,种子在水平方向的偏移也在增加,当排种盘的转速大于27r/min时,种子在水平方向上的位移出现大幅度的偏移。将某时刻不同转速时种子的运动轨迹图导出,如图6所示。

(a) 17r/min (b) 21r/min (c) 24r/min (d) 27r/min (e) 30r/min图6 导种管中种子分布图Fig.6 Seed distribution in the guide tube

结合种子的运动轨迹及在导种管中某一时刻的分布情况可以得出：种子在直线部分是沿着导种管内做平抛运动;当种子接触到导种管底部圆弧部分时,轨迹发生改变,沿着圆弧切线方向运动;随着排种盘转速增加,种子会滞后与导种管曲线部分接触。

通过观察种子在导种管的运动情况可知,种子在导种管中运动情况基本符合佟超研究中的又滚又滑模型,其运动微分方程为

(1)

(2)

(3)

(4)

由定积分的初始条件t=0、x=0、y=0得种子在出口处的速度为

(5)

式中x—种子从出口到入口水平方向的距离 m;

y—种子从出口到入口竖直方向的距离(m);

v0—种子入口速度(m/s);

g—重力加速度,取9.81m/s2;

μ—种子与导种管的摩擦因数。

由式(5)可知：当导种管固定不变时,种子的运动落地速度是均匀变动的,与种子入口速度成正比。

1.3.2 速度分析

Edem后处理面板中分别将单个颗粒的平均速度按照时间顺序进行导出,将导出的数据取平均值,分别得到5个水平下种子的水平速度,如图7所示。

图7 不同转速下种子速度与时间关系图Fig.7 Relation diagram of seed speed and time at different rotating speeds

由图7可知：速度是间断变化的,首先种子由颗粒工厂产生以一定的初速度运动进入到导种管内,并保持相同的速度沿着导种管内壁下落,途中会与导种管发生接触碰撞;当种子到达导种管的圆弧部分时,速度发生剧烈变化;随着排种盘转速的增加,种子与导种管的接触碰撞就会滞后,种子在水平方向速度的振荡幅度也在增加;当排种盘转速大于27r/min时,种子在二次振荡中幅度也在增加,而随着转速继续增加,种子会持续振荡,直至沿着导种管口弹出;最终种子落地的水平速度变化较为明显,此时有可能得到与机车前进速度大小相等、方向相反的水平分速度,进而实现零速投种。

2 试验

2.1 试验材料与设备

试验所选用的排种器型孔数为33孔,孔径为6mm,导种管型号跟仿真一致总长为430mm,宽度为60mm,厚度为50mm。测试设备采用JPS-12型试验台,具体如图8所示。

图8 现场试验图Fig.8 Test chart

2.2 结果与分析

图9为不同转速条件下,玉米种子落入导种管时位置图。

(a) 17r/min (b) 21r/min (c) 24r/min (d) 27r/min (e) 30r/min图9 导种管中种子分布图Fig.9 Seed distribution in the guide tube

由图9可知：排种盘转速为17r/min时,玉米种子紧贴导种管直线部分下滑;当排种盘转速为21r/min时,玉米种子与导种管直线部分有少于偏离,随着排种盘转速的依次增加,种子偏离导种管直线部分越来越远;当排种盘转速大于27r/min时,种子水平位移出现大幅度的偏移,试验结果与仿真结果保持一致。

为了更加直接观察到不同排种盘转速的投种轨迹变化规律,通过TEMA软件的建模、分析,可以直接导出在不同排种盘转速时玉米种子的投种X、Y的位移坐标值,再利用Excel软件求出不同转速时玉米种子的投种轨迹图及轨迹公式。以种子下落水平位移为X轴,以竖直位移为Y轴,玉米种子从排种盘下落到接近导种管曲线部分的轨迹,如图10所示。

图10 不同排种盘转速玉米种子的落种轨迹Fig 10 Seeding trajectory of maize seeds at different locomotive forward speed

由图10可知：不同排种盘转速条件下玉米种子的运动轨迹呈抛物线型,具体的拟合方程及方程的相关系数如表2所示。

表2 落种轨迹拟合方程及方程的相关系数

方程的相关系数分别为R172=0.9997,R212= 0.9975,R242= 0.9997,R272= 0.9999,R302= 0.9996。各拟合方程的相关系数均大于0.99,玉米种子运动轨迹拟合度很好。

3 结论

1)当种子以一定的初速度落入导种管后,会以一定的水平初速度沿着导种管内壁运动,随着转速的增加,种子与导种管的接触碰撞就会滞后,种子水平偏移量会逐渐增加,影响种子的运动轨迹与落地速度。

2)当排种盘的转速不超过27r/min时,排种效果较好,水平方向的位移偏移量较少,种子的整体速度变化较为平缓,可以保证种子沿着导种管内壁平滑排出,排种较均匀。

3)随着排种盘转速的增加,落地的水平速度逐渐增加,当排种盘的转速超过27r/min时,在导种管速度变化剧烈,落地的水平速度也较大,有可能实现零速排种。

4)当排种盘的速度高于30r/min时,排种的效率提高,但会出现碰撞现象,因此可以通过改变导种管的曲线形状或安装角度来减少碰撞数量,提高排种的效率。

5)利用高速摄像技术进行在线拍摄得出：随着排种盘转速增加,种子水平的偏移量越来越大,但种子到达地面的时间基本上是一致的,试验结果与仿真一致。

6)在相同条件下,建立了排种盘转速分别为17、21、24、27、30r/min时与各自的竖直和水平位移之间的关系,并利用Tema软件和Excel软件得出种子的拟合方程及方程相关系数,相关系数均大于99%。