1、2023年月第5 4卷第7 期农报学业机械doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.07.015玉米高速精量播种机正压气流辅助吹送导种装置研究刘瑞1.2刘云强2,3刘忠军2.3刘立晶2.3(1.中国农业大学工学院,北京10 0 0 8 3;2.中国农业机械化科学研究院集团有限公司,北京10 0 0 8 3;3.农业装备技术全国重点实验室,北京10 0 0 8 3)摘要:玉米播种机高速、精量作业时,投种点高,种子因剧烈碰撞,而导致粒距均匀性差,为此基于文丘里原理,设计一种利用正压气流辅助输种的导种装置,确定了导种装置的主要结构和关键参数。分析了气流辅助输种,实现“零速投
2、种”的机理。采用DEM-CFD耦合仿真方法模拟导种装置的工作过程,通过对比分析气流场、种子的出射速度,确定进气室收缩角为7 0 进气室收缩段长度为8.2 mm。利用排种器性能测试平台进行速度匹配试验、弹跳试验、作业性能试验和对比试验,结果表明:作业速度为8 16 km/h、粒距为2 0 2 5 cm时,合格指数不小于8 5.7%;粒距变异系数不大于15.8%。与重力式导种管相比,作业速度越高,正压气流辅助导种装置的优良作业性能越突出,作业速度为16 km/h时,粒距合格指数增加13.6 个百分点,粒距变异系数减少7.4个百分点,满足高速条件下精量输种的要求,有利于提升高速精量播种机整体作业性能
3、。关键词:玉米播种机;高速精量;导种装置;气流辅助;DEM-CFD中图分类号:S985.2文献标识码:A文章编号:10 0 0-12 98(2 0 2 3)0 7-0 15 6-11OSID:台Research on Positive Pressure Airflow Assisted Blowing andSeed Guiding Device of Corn High-speed Precision PlanterLIU Ruil2,3LIU YunqiangLIU Zhongjun23LIU Lijing2,3(1.College of Engineering,China Agricul
4、tural University,Beijing 100083,China2.Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences Group Co.,Ltd.,Bejing 100083,China3.National Key Laboratory of Agricultural Equipment Technology,Beijing 100083,China)Abstract:In order to solve the problem that when the corn planter works at high speed an
5、d precision,theseed throwing point is high and the seed collides violently,which leads to the poor uniformity of grainspacing,a seed guiding device assisted by positive pressure air flow was designed based on Venturiprinciple.the main structure and key parameters of the seed guiding device were dete
6、rmined.Themechanism of air-assisted delivering seeds to realize“zero-speed seeding was analyzed.The DEM-CFD coupling simulation method was used to simulate the working process of the seed guiding device.Bycomparing and analyzing the airflow field and the seed exit velocity,it was determined that the
7、constriction angle of the intake chamber was 70,and the length of the constriction section of the intakechamber was 8.2 mm.The speed matching test,bouncing test,operation performance test andcomparison test were carried out on the performance test platform of the seed metering device.The resultsshow
8、ed that when the operating speed was 8 16 km/h and the grain spacing was 20 25 cm,thequalified rate was not less than 85.7%;and the coefficient of variation of particle spacing was not morethan 15.8%.Compared with the gravity type seed guide tube,the higher the operating speed was,themore outstandin
9、g the excellent operating performance of the positive pressure airflow assisted seed guidedevice was.When the operating speed was 16 km/h,the qualified rate of particle spacing was increasedby 13.6 percentage points and the coefficient of variation of particle spacing was decreased by 7.4percentage
10、points,which met the requirements of precision seeding under high-speed conditions and wasconducive to improving the overall performance of high-speed precision seeders.Key words:corn seeder;high-speed precision;seed guide device;airflow assistance;DEM-CFD收稿日期:2 0 2 2-0 7-0 1修回日期:2 0 2 2-0 8-3 0基金项目
11、:中国机械工业集团有限公司重大科技专项(ZDZX2020-2)作者简介:刘瑞(1990),男,博士生,主要从事农业机械装备设计及理论研究,E-mail:r u i l i u q i u s u o 16 3.c o m通信作者:刘立晶(197 6 一),女,研究员,博士生导师,主要从事种植机械装备研究,E-mail:x y l i u l j s i n a.c o m157刘瑞等:玉米高速精量播种机正压气流辅助吹送导种装置研究第7 期0引言精量播种作为玉米主流种植方式,是一项增产效果显著的工程技术,主要由精量排种技术和种子有序可控导种技术组成1-3 。排种器从种箱中捕获单粒种子,并将种子组
12、合成均匀有序种子流投入导种装置;导种装置承接种子流,使其继续以有序单粒化的状态进入种沟。国内外学者对各类型的排种器进行了深入研究,能够满足在作业速度8 16 km/h下的精量排种要求4-10 。然而,随着作业速度的提高,种子因与导种装置碰撞而产生的无序运动加剧,导致粒距变异系数增大,无法满足精量播种的要求。为了解决种子因碰撞而导致播种精度差的问题,瑞典Vaderstad公司设计一种由直线段和曲线段组成的圆形导种管,利用正压气流裹挟种子,实现快速精准投种1。美国PrecisionPlanting公司生产的SpeedTube输送带式导种装置,一对拔指将排种器排出的种子抛送到输送带的隔断上,种子随传
13、送带运动到投种口并投送至种沟,输送带与播种机的前进速度匹配,可保证不同作业速度下粒距的均匀性12 。国内研究者针对上述问题,也开展了导种装置的研究,刘立晶等13 以约翰迪尔公司开发的导种管为对象,利用逆向工程设计软件GeomagicDesign实现国外成熟导种管的国产化,在作业速度为6.6km/h时,粒距合格指数为95%。严荣俊14 以“零速投种”理论为基础,建立导种管曲线的数学模型,并利用VC+编程对曲线的关键参数进行优化,当排种器转速为14r/min时,种子基本不发生碰撞和弹跳。赵淑红等15 设计了一种V型凹槽与柔性拨种轮配合工作的导种部件,当机具前进速度、排种器转速分别为7.6 9km/
14、h、2 9.47 r/m i n 时,导种均匀性和稳定性均较好。刘全威等16-17 为了解决高速作业时粒距均匀性差的问题,设计了一种拔指同步带式投送装置,当作业速度超过13.1km/h时,无法满足精量播种的要求。陈学庚等18 针对免耕播种机投种点高,种子播人种沟中粒距变异系数大的问题,开发了一种传动与投种机构一体的带式导种装置。上述研究均致力于解决高位投种过程中种子的平稳运移,但一部分欠约束导种装置只适用于播种机低速作业,另一部分全约束导种装置不仅结构复杂,而且作业速度不宜超过13 km/h,制约了高速精量播种机整体作业性能的提升。针对玉米播种机高速、精量作业时,投种点高,种子因剧烈碰撞而无法
15、以有序单粒化状态进入种沟的问题,基于文丘里原理,设计一种利用正压气流辅助吹送的导种装置。利用离散元法(DEM)和计算流体动力学(CFD)耦合仿真分析方法,分析种子的投送过程,并结合台架试验确定最佳的导种装置结构参数、作业速度与正压的匹配关系,实现精量“零速投种”1整体结构与工作原理1.1整体结构玉米精量排种与导种系统主要由气吸式排种器、正压气流辅助吹送导种装置和旋涡气泵组成,如图1所示。正压气流3图1精量排种与导种系统结构示意图Fig.1Structure diagram of precision seedmetering and seed guiding system1.气吸式排种器2.导种
16、装置3.旋涡气泵正压气流辅助吹送导种装置主要由进气室、进种室、混合室和导种室组成,如图2 所示。导种装置曲线段图2导种装置结构示意图Fig.2Structure schematic of seed guiding device1.进气室2.进种室3.混合室4.导种室1.2气流辅助送种工作原理为了削弱种子在导种装置中的碰撞,使种子的运动轨迹可控,采用小口径的导种装置约束种子在水平方向上的运动,同时为了使种子以“零速”快速有序进人种沟,利用正压气流裹挟种子在导种装置农1582023年机业报学械的竖直方向运动。当正压气流经进气室进入混合室时,由于管壁内径变小,气体的速度迅速增加,同时气流压力降低。高
17、速气流在混合室内的部分区域会产生低于大气压的压力,种子经过进种室,在重力和负压的双重作用下,进入混合室。当气流裹挟种子由混合室进人导种室后,气固两相流的动能降低,压力升高,种子在输送气流作用下做加速运动。种子运动至导种装置曲线段后,速度方向改变,到达出口时具有水平方向的分速度,此速度与机具前进速度方向相反、大小近似相同,使种子以“零速投种”进人种沟。2导种装置关键参数设计正压气流辅助吹送导种装置关键结构参数主要有进气室入口直径d、进气室出口直径d、混合室直径d,、进种室直径d4、导种室直径d。、进气室收缩段长度h、混合室长度l、导种室长度l2、进种室与混合室夹角、进气室收缩角1、混合室张角和出
18、射角,如图2 所示。2.1进种室不同品种玉米种子的特征尺寸存在差异,为了确保导种装置具有广泛适用性,选取5 种种植面积广、尺寸差异大的玉米种子,以其尺寸作为进种室尺寸设计依据19-2 0 ,如表1所示。表1玉米种子特征尺寸Tab.1Maize seed characteristic sizemm品种长度!宽度W厚度良玉3 3 57.17.12.207.518.534.808.29先玉997.4411.547.64 8.615.188.04郑单95 88.9110.687.20 8.155.727.42吉平111.40 12.367.529.195.17 6.75平安1111.46 12.298
19、.30 9.005.25 6.74玉米种子当量直径计算公式为21.w,1.+W(1)为了降低种子进人导种装置时发生无序碰撞的频率,进种室直径应满足d41.4ds(2)由式(1)、(2)可得进种室直径应大于或等于14mm,为了确保各品种玉米种子在导种管中不会出现卡顿现象,确定d.为14mm。当进种室直径略大于种子当量直径时,种子在进种室中会贴合壁面运动,为了保证种子能够自由滑落下移,种子运动时重力沿斜面的分力应大于种子最大静摩擦力,即进种室倾角的正切值应大于静摩擦因数,由此可得其中8 arctanu(3)本文正压气流辅助精量播种机导种装置采用有机玻璃制作,种子与有机玻璃间的静摩擦因数为0.459
20、,结合式(3)可得进种室倾角应大于2 4.6,综合考虑导种装置的结构布置,确定为45 2.2进气室与混合室由气流辅助送种工作原理可知,进气室入口直径、进气室出口直径和收缩角直接影响玉米种子能否顺利输送,人口直径计算公式为2 14mNT,(4)TP,u;式中-流经进气室的气体质量流量,kg/sN气体常数,kJ/(kmolK)T人口处气体绝对温度,KP进气室人口处压力,Pa进气室入口气流速度,m/s由式(4)可知,进气室人口直径由气体速度、压力、温度和质量流量共同决定,本文设计导种装置的作业速度为8 16 km/h,为了满足不同作业速度下“零速投种”的需求,需要提供不同的气流速度,当进气室的入口直
21、径一定时,通过风机调节气体压力即可改变气体的流量,所以进气室入口直径依据风机出口直径确定,取d,为2 0 mm。种子在压差和重力的作用下进人混合室,为了保证种子在混合室中能够顺利运动,应保证d,10mm,由于混合室同时与进种室相连,考虑到管道变径会产生压力损失,取d,为14mm。根据结构布置可知混合室的直径与进气室的出口相同,故确定d,为 14 mm。如图3 所示,气体在文丘里管内流动时,进气室人口直径d,、出口直径d、进气室收缩段长度h、进气室收缩角的几何关系为2htany1(5)d,-d2AMh气流dA,图3理想流体在文丘里管流动示意图Fig.3Schematic of ideal flu
22、id flows in Venturi tube由于进气室为变径,气体与管壁摩擦会产生压力损失,为了保证种子运动具有最大的动能,需要使压损最小,理想流体在文丘里管内流动产生压降p的公式为2 2 1-k4mAp=(6)2pk=VA,/A,159刘瑞等:玉米高速精量播种机正压气流辅助吹送导种装置研究第7 期式中日k一一节流比空气密度,取1.2 93 kg/m3A1、A,一一进气室进口、出口截面积,mm联立式(5)、(6)可得8mtan8mAp=(7)pm(d,tan-2h)4prad2.4根据式(7)可知,进气室的压损与气体质量流量m、进气室入口直径d,、进气室收缩段长度h、进气室收缩角有关,当m
23、、d、为已知值时,式(7)两边对h求导可得64hmtaniAp(8)pm(d,tan,-2h)s由式(8)可知,当h=(0,d,t a n/2)时,Ap恒大于零,即进气室的压损随着进气室收缩段长度的增加而递增,当h趋近于d,tan的一半,即d,趋近于零时,进气室的压损最大。由式(6)可得8m28m2Ap(9)当m、d,、h 为已知值时,进气室出口直径d,随着增大而增大,结合式(9)可知,进气室的压损随着增大而减小。为了获取最佳的进气室结构,选取为6 0、6 5、7 0 7 5、8 0,h为5.2、6.4、8.2、11.2、17 m m 5 种组合进行试验。为了得到较高料气比,保证输送效率,混合
24、室长度计算公式为2 3 6d,l,10ds(10)由式(10)可得混合室的长度取值范围为8 4140mm,由于存在管道摩擦力,压损增加,为了有利于种子稳定向下输送,确定l为8 4mm。根据文献2 2,混合室扩散角为2 10 时,气固两相流的静压损失小,结合导种装置的工作条件,确定2 为10 2.3导种室当株距为2 0 2 5 cm,播种机的前进速度为8 16km/h,导种室内单位时间输送的种子质量为2.76.7 g/s,导种室直径计算公式为2 44m.d(11)TepUD式中m.导种室中单位时间种子输送质量,/sVD导种室内气流速度,m/se导种室内种子与气流的质量比气流裹种子在导种室内的气固
25、两相流为稀相流,e的取值范围为0.1 1,本文取0.42 5 ,导种室内气流速度为10 2 5 m/s,由式(11)可得导种室直径应大于2 5.6 mm,为了便于加工,确定d。为26 mm。气流在导种室中流动时会受到阻力,依据达西一魏斯巴赫公式可得气流受到的沿程阻力为2h,=入d.2g(12)式中入一沿程阻力系数12一导种室长度,mm由式(12)可知,气流在导种室中受到的阻力与导种室长度、气流在导种室的平均速度成正比,与导种室的直径成反比。当d。,为已知值时,l,取适宜值时,有利于减小气流受到的阻力,保证气流以理想的速度裹挟种子完成“零速投种”。为了满足高位投种需求1,现有导种管长度一般设计为
26、45 0 mm,综合考虑设计导种装置各部分长度,取l,为2 0 0 mm。2.4导种装置曲线常温下空气属于黏性流体,空气经过弯管时,流体流动速度的大小和方向发生改变,流体在边界层脱离管壁时,在压差作用力和粘性阻力的作用下,形成涡流,造成大量的能量耗散。李衍军等2 6 为了解决气送式排种系统分配器产生涡流、紊流的问题,设计了仿鲫鱼曲线型分配器,提高了种子分布均匀性。为了减少气体在导种装置弯管处的能量和压力损失,本文基于仿生学设计导种装置曲线。经过自然进化,目鸟能够做到高效飞行,动作敏捷,低速飞行时,消耗的能量远小于其他鸟类(2 7-2 8 1。领角10%半翼展截面处气体的流动阻力较小,故本文选取
27、10%半翼展上表面曲线为仿生原型,设计导种装置曲线,曲线拟合方程为2 9y=-1.09 10*x*+3.24 10*4x3-0.04x*+1.76x+1.26(13)2.5零速投种分析玉米播种机高速作业时,为了保证粒距的均匀性,需要保证种子从导种装置末端出射时,水平方向速度与机具前进速度两者之和为零。如图4所示,以水平方向为轴,竖直方向为y轴,建立直角坐标系,因为种子随排种盘做匀速圆周运动时,相对排种盘的速度为零,所以种子在投种口脱离排种盘的瞬间速度为=wrW=2Tn(14)110Bn=6LZ式中n排种盘转速,r/minVB播种机前进速度,km/hL理论粒距,cmZ排种盘吸种孔个数农16020
28、23年机报学业械O图4种子脱离排种盘运动分析Fig.4Motion analysis of seeds detached from seeddisk排种盘角速度,rad/s吸种孔中心所在圆半径,m种子脱离排种盘的瞬间速度,m/s根据式(14)可知,种子会以一定的初速度进入导种装置的进种室,与进种室壁面发生碰撞,产生弹跳。播种机的作业速度越大,碰撞越剧烈,不利于种子以有序的单粒状态进人导种装置,进而影响种子的有序输送。鉴于PPAm-SA(聚丙烯酰胺-海藻酸钠)双网络水凝胶具有粘弹性,受外力时,DN水凝胶会通过裂纹尖端的第一刚性网络的断裂和第二柔性网络的高效能量传输,实现了能量的耗散。当外力消失后
29、,水凝胶具有一定的形状恢复性。所以在进种室的内壁铺设一层水凝胶,当种子撞击到壁面时,速度减小,进而避免了种子的弹跳。如图5 所示,对种子的出射运动进行分析,根据动量定理可得mv-mVo=(Fp+mg)dt-F,dt(15)0其中Fp=tpSu,F,=FNu(16)F=mgcost式中Fp气流对种子的电力,Nm-种子质量,kgF种子在导种装置末端受的摩擦力,NSmg图5 禾种子出射运动受力分析Fig.5Force analysis of grain ejection movementt-正压气流对种子作用时间,st一一种子与导种装置末端接触时间,s出一电力系数S种子迎风受力面积,m摩擦因数Vo种
30、子初速度,m/s种子出射速度,m/s联立式(14)、(15)可求得种子在导种装置末端的出射速度为(dpSu,+mg)t-mgcosst-mgcost,+Vom(17)种子水平方向的出射速度为(upSu,+mg)cosst-mgcostt-mgcos*sti十mVocoss(18)投种时,种子在水平方向的速度应满足UB-D.=0(19)由式(18)可知,种子水平方向的速度值与出射角值相关,结合文献13 中导种部件末端倾角,综合考虑导种装置的结构布置,本文取为3 0 本文设计与播种机配套作业的导种装置作业速度为816km/h,结合式(18)、(19)可知,为了适应不同作业速度下“零速投种”的需求,
31、需要匹配不同的风速。3仿真试验DEM-CFD耦合仿真试验能够清晰再现颗粒运动轨迹、气流场速度、压力分布等工况,其仿真结果可作为农业机械部件设计的依据2 3.2 6 。设置5组不同的结构参数(表2),利用DEM-CFD耦合仿真分析不同结构参数下导种装置内的流场和颗粒场,从而获取最佳的导种装置结构。表2仿真试验方案Tab.2Simulation test scheme组别i/()h/mmA605.2B656.4C708.2D7511.2E8017.03.1仿真模型与边界条件本研究先利用SCDM-CFD建立气吸式排种器的流体域模型,然后利用ICEM-CFD对流体域划分非结构化网格。进气室的人口设置为
32、气流速度人口,速度为15 m/s,导种装置的末端出口设置为压力161第7 期刘瑞等:玉米高速精量播种机正压气流辅助吹送导种装置研究出口。种子由设置在进种室上端的颗粒工厂生成,供种速度为2.7 g/s。耦合仿真试验中,两个软件时间步长设置必须满足Fluent中时间步长是EDEM中时间步长的整数倍,两个软件才能实现数据的双向传递、反馈。EDEM中的时间步长设置为2 10-,Fluent中的时间步长设置为110-4,总的仿真时间为2 s。3.2仿真参数导种装置的加工材料为有机玻璃,玉米种子、有机玻璃物理特性参数和相关力学特性参数如表3 所示3 0-3 1表3 仿真参数Tab.3Simulation
33、parameters材料参数玉米种子导种装置泊松比0.40.5剪切模量/Pa1.37 1081.77 108密度/(gcm=3)1.1971.180碰撞恢复系数(与种子)0.1820.621静摩擦因数(与种子)0.4310.459动摩擦因数(与种子)0.078 20.09313.3仿真结果分析3.3.1进气室结构对气流场的影响由图6 可知,A、B、C、D 组试验中,气流经进气室后,负压都是均匀分布于进种室、进种室与混合室相连通部分,E组试验中负压未均匀分布于上述区域,且负压最小,不利于种子快速进人混合室。当种子顺利进入混合室后,各组试验中混合室下部的负压大于混合室中部的负压时,在压差的作用下,
34、种子加速运动。A、B、D 组试验中,混合室下部与导种室上部的压差均较大,阻碍种子进一步加速向下运动,A、C两组试验中导种室的压力基本相同,压力均大于B、D、E组试验。由上述分析可知,C组试验中导种装置的气体压力分布较优。由图7 可知,5 组试验中混合室内气体流速变化规律基本相同。导种室的气流作为稳定为种子加速的动力源,其速度的大小直接决定种子的出射速度,进而决定种子能否实现“零速投种”,C组试验与B组试验中导种室内气流速度近似相同,且均大于A、D、E组试验中导种室内的气流速度,有利于种子获得最大的出射速度。3.3.2进气室结构对种子运动速度的影响由图8 可知,5 组试验中初始阶段种子的平均速度
35、变化规律相同,均呈线性增加。在减速运动阶段,A、B、D 组试验中种子保持低速的时间段大于C、E组,不利于种子速度值的累积。C组试验中种子的出射速度最大,亦佐证了对气流场的分析结果。综合上述分析,确定进气室的收缩角为7 0 进气室收缩段长度h为8.2 mm。3.3.3种子运动轨迹分析为了进一步探究导种装置输送种子的能力,如图9 所示,提取C组试验中不同时刻种子的运动轨迹,每粒种子均能保持直线运动,种子与导种室壁无碰撞,有效减少了种子在导种装置中的无序运动,种子能沿着导种装置末端斜线方向出射,基本实现种子运动全过程的柔性控制Pa337.98Pa292.55Pa334.64Pa300.54Pa316
36、.52243.53202.38241.05211.18223.70149.09112.22147.46121.82130.8854.6422.0653.8732.4638.05-39.81-68.1039.72-56.90-54.77-134.25-158.27-133.31-146.26-147.60-228.70-248.43-226.90-235.61-240.42-323.15-338.59-320.49-324.97-333.24-417.60-428.76-414.08-414.33-426.07(a)A组(b)B组(c)C组(d)D组(e)E组图6导种装置内气压分布图Fig.6A
37、ir pressure distribution diagrams in seed guiding device农162机2023年业学械报m/sm/m/sm/sm/s36.3135.8135.9435.6635.8131.7731.3331.4531.2031.3327.2326.8626.9626.7526.8522.6922.3822.4722.2922.3818.1517.9017.9717.8317.9013.6113.4313.4813.3713.439.088.958.998.928.954.484.494.464.484.5400000(a)A组(b)B组(c)C组(d)D组(
38、e)E组图7导种装置内气流速度分布图Fig.7Air velocity distribution diagram in seed guiding device4一A组一B组3C组D组+E组2100.10.20.30.40.50.6时间/s图8不同结构中种子平均运动速度曲线Fig.8Curves of grain movement speed in differentstructuresmmmmmmmm,35635635635626026026026018418418418410810810810832323232-44-4444440.47 s0.54s0.62s0.69s图9C组试验中不同时
39、刻种子运动轨迹Fig.9Movement trajectory of grains at differenttimes in experiment of group C4台架试验4.1试验材料为了验证利用DEM-CFD耦合方法设计导种装置的合理性,并探究导种装置输送种子性能。采用3 D打印技术制作导种装置,试验材料选用郑单958玉米种子,其含水率为13%,千粒质量3 7 5 g,在中国农业机械化科学研究院集团有限公司的2 PST型排种器性能测试平台上进行试验,试验设备主要包括气吸式排种器、导种装置、高速摄像机(瑞士AOSTechnologiesAG公司,试验时顿速为5 0 0 f/s,图像后处
40、理软件为TEMAClassic),如图10 所示。试验时,种床带模拟播种机工作状态,向前运动,种床带运动的同时,喷油泵将粘性油喷射到种床带上,种子从导种末端射出后落到种床带。根据JB/T102932013单粒(精密)播种机技术条件中的要求,以粒距合格指数和合格粒距变异系数C为试验指标。4.2速度匹配试验本文设计的导种装置依靠正压风吹送种子,不同的作业速度需要匹配不同的风速,才能实现“零速投种”,进而保证粒距均匀性。以满足机具前进速度为8 16 km/h时,实现“零速投种”为目的,进行风速匹配试验。每组试验选取2 0 粒种子计算其平均射出速度,每组试验重复5 次。每次试验利用高速摄像机记录种子的
41、射出运动过程,将视频保存为.raw4格式,并导人运动分析软件TEMAClassic。163刘瑞等:玉米高速精量播种机正压气流辅助吹送导种装置研究第7 期12111094856图10台架试验装置Fig.10Benchtestdevice1.排种器2.种床带3.光源4.光源控制器5.高速摄像机6.计算机7.导种装置8.电源9.驱动器10.控制器11.驱动电机12.鼓风机第1步选择标记跟踪点并对该点进行算法选择和参数设置(图11a),第2 步选取种子运动区段进行跟踪点的识别和判读(图11b),第3 步对种子运动区dtim(a)(b)(c)(d)图11TEAMClassic分析步骤Fig.11TEAM
42、 Classic analysis steps段进行二维标定(图11c),第4步显示跟踪数据,获取图像序列中标记玉米种子的二维像素坐标,然后利用TEAMClassic软件计算出种子的出射速度(图11d)。当种子的水平出射速度与作业速度近似相等,理论上种子能够实现“零速投种”,即认为此时的风速与作业速度匹配,试验结果如表4所示。表4速度匹配试验结果Tab.4Speed matching test results作业速度/气流速度/种子水平射出种子竖直射出(kmh-1)(ms1)速度/(ms=1)速度/(ms-1)852.421.4010102.941.7012173.371.9514243.86
43、2.2316304.552.634.3弹跳试验根据速度匹配试验可知,种子的射出速度与作业速度同步增加,才能实现“零速投种”。需要特别注意此时种子竖直方向的分速度同步增加,当种子进人种沟时会引起弹跳,而台架试验中种子落到附有粘性油的传送带上,无法观测弹跳对粒距均匀性的影响。如图12 a所示,在传送带上铺设厚度为5cm、长度为10 0 cm、含水率为14.7%的砂壤土;传送带处于静止状态,在风速Q为5 3 0 m/s,投种高度H,为5 0 2 0 0 mm的工作参数下,开展种子的弹跳试验。如图12 b所示,利用高速摄像机记录种子与土壤接触后的运动过程,将种子第一次弹跳到达最高点的位置作为标定高度H
44、2。每个试验水平选取2 0 粒种子计算平均高度,试验结果如图13所示。(a)(b)图12种子弹跳高度标定Fig.12Calibration of seed bounce height由图13 a可知,当投种高度H,为一定值时,弹跳高度随着气流速度的增加而增加,气流速度较低时,弹跳高度较小;气流速度较大时,对种子的弹跳高度影响较大。由图13 b可知,当气流速度为3 0 m/s时,随投种高度的增加,弹跳高度先减小,后小幅增加。结合导种装置作业速度在8 16 km/h区间内,所需风速最大为3 0 m/s,确定最适宜的投种高度为15 0 mm。农1642023年机报业学械60F402005101520
45、2530气流速度Q/(m*s-1)(a)H,=50 mm604020050100150200投种高度H,/mm(b)Q=30m/s图13弹跳试验结果Fig.13Bouncetestresults4.4性能验证试验为了验证导种装置的作业性能,在粒距分别为20、2 5 c m,投种高度为15 0 mm的条件下,设置作业速度为8 16 km/h,研究导种装置的作业性能,试验结果如表5 所示。表5导种装置输种性能试验结果Tab.5Test results of seed transporting performance作业速度/合格指数/粒距变异粒距/cm(km h-1)%系数/%8092.89.71
46、090.510.6201288.612.71486.914.11685.715.8895.77.41093.98.9251292.110.81489.812.11687.513.9同时选取目前普遍使用的重力式导种管进行对比试验,当粒距为2 0 cm时,试验结果如图14所示。由表5 可知,作业速度为8 16 km/h、粒距为20cm时,合格指数不小于8 5.7%;粒距变异系数不大于15.8%;粒距为2 5 cm时,合格指数不小于87.5%,粒距变异系数不大于13.9%。由图14可知,作业速度为8 16 km/h时,正压气流辅助导种装置的合格率均大于重力式导种管,粒距变异系数均小于重力式导种管。作
47、业速度越一正压气流辅助导种装置,粒距变异系数100重力式导种管,粒距变异系数730正压气流辅助导种装置合格指数2895重力式导种管合格指数2624%/号902285201880161475121070810121416作业速度/(kmh-)图14对比试验结果Fig.14Comparative test results高,正压气流辅助导种装置的优良作业性能越突出,其中作业速度为16 km/h时,与重力式导种管相比,合格指数增加13.6 个百分点,粒距变异系数减少7.4个百分点。4.5田间试验为了进一步验证正压气流辅助导种装置工作性能,2 0 2 2 年在中国农业机械化科学研究院集团有限公司北京农
48、机试验站进行田间试验,试验配套动力为约翰迪尔16 5 4型拖拉机,试验装置为6 行气吸式播种机,排种器的风机由液压马达驱动,导种装置的微型鼓风机由2 4V电池驱动,试验地土壤类型为沙壤土。田间试验现场如图15 所示。图15田间试验Fig.15Field test试验时设定理论粒距为2 0 cm,试验区长度设置为10 0 m,取中间2 0 m作为数据采集区。试验为单因素试验,每个速度水平重复3 次,取平均值,试验结果如表6 所示。表6田间试验结果Tab.6Field test results作业速度/(kmh-1)合格指数/%粒距变异系数/%9.2189.711.711.3487.212.613
49、.0784.514.715.4881.117.8综合上述试验结果可知,正压气流辅助导种装置可以满足高速条件下精量输种的要求,各速度水平下,粒距合格指数稳定在8 1.1%以上,粒距变异系数稳定在17.8%以下,有益于高速精量播种机整体作业性能的提升。165刘瑞等:玉米高速精量播种机正压气流辅助吹送导种装置研究第7 期5结论(1)基于文丘里原理,设计了一种正压气流辅助导种装置,确定导种装置的进种室、混合室、导种室的关键结构参数和导种装置曲线。(2)采用DEM-CFD耦合仿真方法模拟导种装置的工作过程,通过对比分析气流场、种子的出射速度,确定进气室的收缩角为7 0、进气室收缩段长度为8.2 mm。通
50、过分析种子的运动轨迹,发现种子在导种装置内基本能保持直线运动,有效减少了种子在导种装置中的无序运动。(3)以实现“零速投种”为目标,通过速度匹配试验确定作业速度与风速的匹配关系。进行弹跳试验、作业性能试验和对比试验,结果表明:作业速度为8 16 km/h、粒距为2 0 cm时,合格指数不小于85.7%;粒距变异系数不大于15.8%;粒距为2 5 cm时,合格指数不小于8 7.5%,粒距变异系数不大于13.9%。作业速度为16 km/h时,与重力式导种管相比,合格指数增加13.6 个百分点,粒距变异系数减少7.4个百分点。田间试验表明播种机作业速度为15.48 km/h时,粒距合格指数为8 1.