气吸鸭嘴式玉米精量排种器导种过程的仿真分析.pdf

为研究气吸鸭嘴式排种器各运动参数对导种过程的影响,借助离散元分析软件 EDEM 做仿真分析,并进行了二次正交组合试验。结果表明:排种器转速对合格指数的影响大于挡槽角度,吸孔间距对合格指数的影响较小。借助 Design Expert 软件进行数据处理,获得导种阶段最优参数组合为转速 6.19rad/s、挡槽角度 13.77、吸孔间距 94.45mm,此时排种器的合格指数为 96.17%、漏种指数为 3.69%。关键词:玉米精量排种器;导种过程;气吸鸭嘴式;仿真试验中图分类号:S223.5+5;S220.3 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0024-060 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。收稿日期:2021-12-14基金项目:山东省重点研发计划项目(2021CXGC010813)作者简介:石绍滨(1995-),男,山东临沂人,硕士研究生,(E-mail)1553816638 。通讯作者:李国莹(1983-),男,山东济宁人,高级工程师,(E-mail)lgyplantech 。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422023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期的,籽粒的位置可根据断压辊的角度 及吸孔半径 r求得;籽粒初始速度 v=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 10.1mm8.3mm5.4mm。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 10mm8mm5.6mm,如图 3 所示。图 3 玉米颗粒模型Fig.3 Corn kernel model3.2 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参数泊松比剪切模量/Pa密度碰撞恢复系数(与颗粒)静摩擦因数(与颗粒)动摩擦因数(与颗粒)玉米颗粒0.41.3710811970.280.340.054气吸盘0.287.5101080000.610.480.032种腔壳体0.37.1101078500.710.350.0533.3 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=6rad/s 时,EDEM 仿真分析过程情况如图4 所示。图 4 EDEM 仿真分析图Fig.4 Diagram of EDEM simulation analysis4 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522023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期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/s6rad/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 1020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编码水平试验因素转速 X1/rads-1挡槽角度 X2/()吸孔间距 X3/mm-15.50108506.00159516.2520105表 3 试验设计方案及结果Table 3 Experiment design and results序号因素转速X1挡槽角度X2吸孔间距X3指标合格指数Y1/%漏种指数Y2/%100094.335.672-10184.6715.33300096.673.00410-191.678.33500095.005.00610190.339.67700096.333.3380-1186.3313.00911078.0021.331000095.334.6711-11085.6714.331201-184.3315.6713-1-1078.6721.001401184.6715.33150-1-186.6713.00161-1092.337.6717-10-184.3315.67 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 622023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期Y1=N-n1N 100%(1)Y2=n1N 100%(2)其中,N 为试验统计玉米种子总数;n1为未能正确导种的玉米种子数。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。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+2.37X1-1.42X2-5.33X1X2-4.81X21-7.06X22-2.97X23(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+4.87X21+6.87X22+3.04X23(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MaxY1(X1,X2,X3)MinY2(X1,X2,X3)5.5rad/s X1 6.5rad/s10 X2 2085mm X3 105mm(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%。表 4 方差分析结果Table 4 Results of variance analysis方差来源合格指数平方和自由度F 值P 值漏种指数平方和自由度F 值P 值模型554.68938.0000.0001541.330936.9000.0001X145.08127.7900.001246.710128.6600.0011X216.0519.8900.016317.970111.0300.0128X30.1310.0770.78930.05410.0330.8602X1X2113.74170.1200.0001103.330163.3900.0001X1X30.7110.4400.53060.71010.4300.5316X2X30.1210.0710.79720.02910.0180.8978X2197.30159.9900.0001100.040161.3700.0001X22209.701129.2900.0001198.9701122.0700.0001X2337.26122.9700.002038.960123.9000.0018残差11.35711.4107失拟7.6532.7600.17606.28031.6300.3162误差3.7045.1304总和566.0316552.74016 注:P0.01(极显著),P0.05(显著)。722023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期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。表 5 台架试验结果Table 5 Results of bench tests%试验合格指数漏播指数重播指数192.53.54.0291.04.54.5393.03.04.0492.53.04.5591.54.04.5均值92.13.64.35 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。参考文献:1 张昆,衣淑娟.气吸滚筒式玉米排种器充种性能仿真与试验优化J.农业机械学报,2017,48(7):78-86.2 贾洪雷,陈玉龙,赵佳乐,等.气吸机械复合式大豆精密排种器设计与试验J.农业机械学报,2018,49(4):75-86,139.3 杨丽,颜丙新,张东兴,等.玉米精密播种技术研究进展J.农业机械学报,2016,47(11):38-48.4 石林榕,吴建民,孙伟,等.基于离散单元法的水平圆盘式精量排种器排种仿真试验J.农业工程学报,2014,30(8):40-48.5 王金武,唐汉,周文琪,等.指夹式精量玉米排种器改进设计与试验J.农业机械学报,2015,46(9):68-76.6 张晓慧,宋建农.针吸滚筒式水稻排种器设计J.农业机械学报,2009,40(3):69-71,68.7廖庆喜,李继波,覃国良.气力式油菜精量排种器试验J.农业机械学报,2009,40(8):44-48.8 韩丹丹,张东兴,杨丽,等.基于 EDEM-CFD 耦合的内充气吹式排种器优化与试验J.农业机械学报,2017,48(11):43-51.9 杨薇,方宪法,李建东,等.种腔自净型气吸式玉米小区精量排种器设计与试验J.农业机械学报,2019,50(6):64-73.10 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seed metering device had a greater influence on the qualified index than the angle of the stop groove,and the distance between the suction holes had a smaller influence on the qualified index.Design Expert software was used to process the data and obtain the optimal parameter combination of various factors in the seed-introduction stage.When the rotation speed was 6.19rad/s,the angle of the stop groove was 13.77 and the distance between the suction holes was 94.45mm,the qualified index was 96.17%,and the missing seed index was 3.69%.Key words:corn precision seed metering device;seed-introduction process;duckbill of air-suction;simulation test(上接第 23 页)20 张猛,钱育蓉,杜娇.基于改进的 LeNet-5 卷积神经网络交通标志的识别J.东北师范大学学报(自然科学版),2020,52(1):92-97.21 李璐.面向无人驾驶的彩色点云目标快速标注与检测算法D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2020.22 曾成龙.基于仿射量化的卷积神经网络加速器设计与实现D.天津:天津大学,2019.23 卢飞宇.基于改进的卷积神经网络的交通标志检测与识别算法J.工业控制计算机,2019,32(6):54-56.24 陈奇星.基于卷积神经网络的图像分类算法研究D.南昌:南昌航空大学,2019.25 吴健宇.基于深度卷积神经网络的农作物病虫害识别及实现D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019.26 何浩男.基于卷积神经网络迁移学习的 SAR 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system,which meet the application needs of real-time fruit recognition.Key words:crop;image recognition;convolutional neural network;Retina-Net;target detection;feature extraction922023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期