双充种室大蒜取种装置设计与试验

双充种室大蒜取种装置设计与试验

0种室大蒜单粒取种装置大蒜是中国的重要作物，其种植面积、产量和出口分别是世界第一。栗晓宇等本研究设计了双充种室大蒜单粒取种装置，并进行理论分析，确定关键部件参数，阐明双充种室结构提高取种单粒合格率，降低蒜种漏充的机理。利用EDEM软件进行仿真试验，分析种群运动规律及不同参数对充种性能的影响，得到第二充种室内充入蒜种与被清掉蒜种的速度变化关系，采用Box-Behnken中心组合试验1排种作业阶段双充种室大蒜单粒取种装置主要由第一充种室、传动轴、传动链、链轮、取种勺、护种板、第二充种室、导种口等部件组成，如图1a所示。传动链两端分别设有链轮，由传动轴输出动力。工作过程主要分为一次充种，运移，投种，二次充种，重力清种和排种6个串联作业阶段，如图1b所示。作业时，传动链带动一级取种勺从第一充种室内舀取蒜种，蒜种在自身重力、周围蒜种群作用力及取种勺作用力的共同作用下充入一级取种勺，一级取种勺舀取蒜种运移至顶端翻越链轮，离心力作用下蒜种被抛送进入第二充种室，二级取种勺舀取蒜种，通过协调一、二级取种勺速度，保证第二充种室内蒜种的数量不少于1粒，若蒜种数量超过1粒，则1粒蒜种在第二充种室的取种勺内，其余蒜种叠放于二级取种勺内蒜种的上侧，呈现上下层叠有序摆放姿态，二级取种勺带动蒜种运移出第二充种室，上层多余蒜种平衡状态被打破，在重力作用下回落到蒜种箱，完成清种，二级取种勺经导种口处完成蒜种单粒投放。2关键设备的设计2.1供试大蒜种长度测量取种勺的结构参数主要取决于蒜种尺寸及充种后蒜种的附着姿态，蒜种在取种勺内的附着姿态可以为平躺、侧卧、站立3种姿态，如图2所示。研究表明式中S选取山东省内种植范围较广且尺寸等级不同的3类供试大蒜品种（金乡、苍山、白桥大蒜），人工清选后，对每个品种随机抽取500粒大蒜测量。利用三丰573-181-20型数显游标卡尺（量程100mm，精度0.02mm）测量供试蒜种的长度l，宽度w，厚度t并计算平均值，得到3种供试大蒜平均长度l以金乡大蒜为例，结合式（1）计算得平躺姿态下水平截面积最大，并根据最小势能原理式中k取种勺分布采用传动链与一、二级取种勺前后串联排列的布置方式，如图1b所示。参考国内外相关机型传动链倾角一般设置60式中v2.2种间及接枝线速度与充种位置的关系第一充种室具体结构包括种箱（45#钢）、取种勺（树脂）、T型连接链板、分流板、链轮等部件，如图3a所示。T型连接链板用于固定连接一级传动链和取种勺，结合取种勺尺寸确定凸出板节的长度为7mm，宽度为5mm。分流板位于两行传动链之间固定安装在隔板上，长度为120mm。一级取种勺经链轮Ⅰ进入种箱后舀取蒜种，以充入一级取种勺单粒蒜种为研究对象，以蒜种质心为原点，建立坐标系，x方向与惯性离心力同向，y方向垂直于惯性离心力，如图3b所示，蒜种的受力满足如下关系：惯性离心力和蒜种与取种勺摩擦力满足如下关系：式中μ为蒜种与取种勺摩擦系数，通过试验测定μ=0.46。惯性离心力与支持力夹角的余角满足如下关系：结合式（4）～式（6）计算得如下关系：由式（7）可知，一级传动链线速度与种群横向合压力、纵向合压力有关。种群横向合压力和纵向合压力与种层厚度及流动特性有关；当蒜种的充种位置α一定时，种群横向合压力和纵向合压力增加，线速度随之增大。取种勺携带蒜种翻越链轮进入投种区，如图3c所示，蒜种与一级取种勺间保持相对平衡且不被甩离的临界条件应满足如下关系：由于第一充种室结构一定，参考链轮标准选择链轮半径为40mm，种勺旋转角为30根据农业物料学理论，以种箱底部和侧壁相交处为起始点，蒜种休止角斜边延长线与种箱侧壁的接触点到种箱底部的距离远小于种层厚度，因此模型定义为深仓型对式（9）两端积分，代入初始条件y=0，σ式中f2.3毛细效应与种种建立第二充种室是保证降低漏充率关键结构，主要由链条传输通道和容种通道及毛刷组成，如图5所示。容种通道安装于护种板下侧保证顺利承接蒜种，依据二级取种勺的间距确定容种通道的长度为130mm，为保证容种通道内同一平面只有1粒蒜种，依据取种勺开口长径尺寸确定直径为36mm。依据选取的12A型链条尺寸，链条传输通道的宽度和长度分别设计为20和30mm。毛刷设置在链条传输通道和容种通道交界处，二级取种勺运转时会与毛刷产生摩擦，为增加使用寿命，选用厚度规格为5mm的毛刷。作业时，在一级取种勺无重种和无连续漏取蒜种的理想状态下，二级取种勺从初始位置向上运行。一级取种勺在第一充种室内连续取种2次，第一次漏取蒜种，第二次单粒取种；第一次投放后，二级取种勺在第二充种室内为无蒜种，第二次投放后，二级取种勺承接单粒蒜种，如图6a所示。一级取种勺在第一充种室内连续取种2次，第一次单粒取种，第二次漏取蒜种；第一次投放后，二级取种勺在第二充种室内承接到单粒蒜种，第二次投放后，二级取种勺内没有蒜种充入，实现单粒播种，如图6b所示。一级取种勺在第一充种室内连续2次单粒取种，2次投放后，二级取种勺在第二充种室内承接到目标蒜种和多余蒜种，如图6c所示。针对工况3，需清掉多余蒜种，保留目标蒜种，在毛刷作用下，多余蒜种处于不稳定的“波动”状态，在容种通道内产生相对滑移，多余蒜种向远离毛刷的方向移动，蒜种在容种通道内的受力方程为式中N多余蒜种在容种通道内经过“波动”后达到短暂平衡状态，当一级取种勺携带蒜种离开容种通道后，多余蒜种的平衡状态被打破，在自身重力作用下落入种箱实现清种。结合预试验发现，一、二级取种勺速度设置不同，第二充种室内二级取种勺在容种通道承接蒜种位置则不同，清种效果也不同，本文定义一级取种勺速度与二级取种勺速度的比值为取种速比，根据一、二级取种勺速度的范围，确定取种速比为0.5～1。3影响因素的确定综上分析，确定一级取种勺速度（0.08～0.25m/s）、种层厚度（150～550mm）和取种速比（0.5～1）为主要影响因素；为了进一步优化参数，采用EDEM软件进行离散元单因素试验仿真分析。3.1蒜种颗粒接触模型的建立为便于分析，减少计算量，将双充种室大蒜单粒取种装置三维模型精简后以.igs格式导入EDEM软件中。以金乡大蒜为研究对象，根据测量尺寸，采用多球面填充方式建立蒜种颗粒模型，选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型作为颗粒间及颗粒与取种装置间的接触模型，蒜种颗粒与种箱（45#钢）碰撞恢复系数、静摩擦系数和滑动摩擦系数分别为0.427,0.473和0.203；蒜种颗粒与取种勺（树脂）碰撞恢复系数、静摩擦系数和滑动摩擦系数分别为0.432,0.466和0.214，基本仿真参数如表2所示3.2试验因素和评价指标试验参考《GB/T6973—2005单粒（精密）播种机试验方法》单粒合格率、漏充率、重播率计算方法如下：3.3单因素模拟试验3.3.1级取种手术结果研究一级取种勺速度为0.07、0.10、0.13、0.16、0.19、0.22、0.25m/s情况下对各指标的影响，需固定种层厚度值。由于种层过厚重播率增加，过低漏充率增加，因此仿真设置生成种层厚度为350mm。动态颗粒工厂蒜种的生产率分别设置为0.02、0.028、0.036、0.044、0.052、0.06、0.068kg/s，维持不同取种勺速度取种后种层厚度的稳定。记录稳定工作状态下100次一级取种勺取种过程，重复3次，结果取均值，应用后处理SetupSelections模块下的GeometryBin，输出7个水平沿传动链运动方向下与接触传动链蒜种群的平均速度，结果如图7所示。随着一级取种勺速度增大，种群的平均速度变大，漏充率先降后升，重播率降低；当一级取种勺速度为0.13m/s时，漏充率较低。一级取种勺速度较小时，接触传动链蒜种群与一级取种勺的速度差值小，种群活跃度低，重播率高；一级取种勺速度较高时，充种时间缩短导致漏充率变高。一级取种勺速度为0.13m/s时，蒜种运动状态如图8所示。由图可知，一级取种勺携带蒜种向上运动时，沿传动链运动方向的蒜种群被搅动，向种箱边缘区域流动（状态1），该区域种群速度小于一级取种勺速度，产生一定速度差，保持种群流动性；当一级取种勺离开种群后，种群活跃度增加，位于种箱边缘区域的蒜种呈现迅速回填趋势（状态2），蒜种孔隙率降低，充种性能提高。3.3.2种层厚度对充种性能的影响根据一级取种勺速度对充种性能的影响分析，取一级取种勺速度为0.13m/s，种层厚度设置为150、250、350、450、550mm共5个水平分析种层厚度对充种性能的影响。设置动态颗粒工厂以生产率0.036kg/s生成下落蒜种，维持取种时种层厚度的稳定。结果如表3所示。由表3可知，随着种层厚度的增加，单粒合格率先增大后减小，漏充率逐渐减小，重播率逐渐增加；当种层厚度过低时，漏充率增大且出现了连续漏充的现象，不利于第二充种室的充种。综合比较，较优种层厚度为350mm。3.3.3蒜种运动过程根据一级取种勺速度、种层厚度对充种性能的影响分析，取一级取种勺速度为0.13m/s，种层厚度为350mm；二级取种勺速度选0.13、0.15、0.17、0.20和0.25m/s，对应取种速比分别为1.00、0.88、0.76、0.64和0.52，以下落至第二充种室目标蒜种和多余蒜种为研究对象进行仿真试验，应用EDEM后处理SetupSelections模块下ManualSelection功能，输出不同取种速比下蒜种的平均速度。一级取种勺将蒜种投放进入第二充种室的容种通道内，下落蒜种的速度逐渐增大并到达峰值，传动链带动二级取种勺上升并承接到下落的蒜种，此时蒜种速度骤降，稳定后同二级取种勺匀速向上运动，其运动过程如图9所示。取种速比较小时，蒜种与二级取种勺的接触时间短，二级取种勺携带蒜种在容种通道时间增长。图10为不同速比下被清掉多余蒜种的速度变化曲线，由图10可知，当取种速比为0.52时，1.85～2.4s为多余蒜种与目标蒜种一同叠放在二级取种勺向上运动的时间段，此过程时间长，多余蒜种的速度处于较为稳定的阶段，清种能力较弱；当取种速比为0.76时，1.96～2.08s为多余蒜种与目标蒜种一同叠放在二级取种勺内向上运动的时间段，此过程多余蒜种的速度呈现波动，表明多余蒜种处于不稳定的状态，易被清掉，2.08～2.36s为多余蒜种被清掉回落到种箱的时间段，曲线呈现“双峰”状态，清种效果较优；当取种速比为1时，没有多余蒜种和目标蒜种叠放在二级取种勺内向上运动的过程，表明此取种速比下，多余蒜种未充入第二充种室，若此时一级取种勺内没有蒜种投放，第二充种室内出现漏充现象。4台湾测试4.1试验材料及材料为了测试取种装置性能，采用自制的试验台架在山东农业大学农机107实验室进行台架试验，如图11所示。试验材料选择山东地区广泛种植的金乡大蒜，蒜种含水率为48.7%，单粒蒜种质量为4.5～9g。取种装置固定在安装架上，交流齿轮调速电机（转速0～54r/min连续可调）通过交流调速器控制一二级取种勺速度，单粒合格率、漏充率、重播率之和为100%4.2测试方法依据前期试验，选择一级取种勺速度X4.3试验结果与分析4.3.1回归方程的方差分析试验方案及结果如表5所示，运用DesignExpert8.0.6数据分析软件对试验数据进行多元回归拟合分析，得到蒜种单粒合格率y试验结果及回归方程的方差分析结果见表6。由表6得，单粒合格率、漏充率的回归模型拟合度极显著（P<0.01），且各回归模型失拟项不显著，表明回归模型拟合度高；决定系数分别为0.9708和0.9834，表明回归模型对样本数据解释程度高达97%以上，模型信噪比分别为14.491和18.475，均大于4，表明模型较优可以用于参数优化。由方差分析知，试验因素对单粒合格率影响顺序依次为X4.3.2取种速比对种层性能的影响依据单粒合格率和漏充率回归模型，将其中2个试验因素置于0水平，分析其他因素对试验指标的影响，绘制响应面图，如图12所示。由图12a知，种层厚度处于0水平（350mm），当取种速比一定，单粒合格率随着一级取种勺速度的增加先增大后减小；当一级取种勺速度一定，单粒合格率先随着取种速比的增加先增大后减小。由图12b知，取种速比处于0水平（0.76），当一级取种勺速度一定，单粒合格率随着种层厚度的增加先增大后减小；当种层厚度一定，单粒合格率随着一级取种勺速度的增加先增大后减小。由图12d知，种层厚度处于0水平（350mm），当取种速比一定，漏充率随着一级取种勺速度的增加先减小后增大；当一级取种勺速度一定，漏充率随着取种速比的增加先减小后增大。由图12e知，取种速比处于0水平（0.76），当一级取种勺速度一定，漏充率随着种层厚度的增加而减小；当种层厚度一定，漏充率随着一级取种勺速度的增加先减小后增大。由图12f知，一级取种勺速度处于0水平（0.13m/s），当取种速比一定，漏充率随着种层厚度的增加而减小；当种层厚度一定时，漏充率随着取种速比的增加先减小后增大。4.3.3模拟预测结果为了使试验台达到最佳工作性能，对试验中的影响因素进行优化，目标函数与约束条件为利用Design-Expert软件对参数进行最优化求解，得到最佳参数组合：一级取种勺速度为0.12m/s、取种速比为0.75、种层厚度为372.68mm，模型预测单粒合格率为95.23%，漏充率为1.17%，重播率为3.6%。播种时种层厚度实时变化，圆整后，一级取种勺速度取0.12m/s、取种速比取0.75，以种层厚度最佳值370mm为中心，10mm为1个水平，种层厚度范围为290～450mm开展试验，重复3次结果取平均值，其中各个评价指标的变化规律与图11反映规律一致且当种层厚度范围为360～390mm时作业效果最优，单粒合格率、漏充率及重播率均值分别为95.38%、1.18%、和3.44%，单粒合格率、漏充率及重播率变异系数分别为0.32%、6.11%、4.15%；表明种层厚度在360～390mm内取种装置的性能差异不大，结果与模型预测结果相对误差小于5%。4.3.4大蒜品种适应性试验选取最优工作参数组合，进行蒜种机械破损率试验，蒜种净度100%，蒜种外观无损伤，根据《DB37/T3705—2019大蒜播种机通用技术规范》式中P在人工分选蒜种等级后，更换不同种类大蒜对应尺寸的取种勺，取种勺采用3D打印，相同试验条件下对3个品种大蒜Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等级的蒜种分别进行品种适应性试验，重复3次取平均值，试验结果如表7所示。由表7可知，最佳参数组合条件下，取种装置对3个品种的大蒜具有较好的适应性，各项作业指标差别较小，且3个大蒜品种中对Ⅱ级蒜种适应性最好。4.4试验地土壤生长情况评价将排种器组装在手扶式大蒜播种机上，配套动力为154F汽油发动机。2020年10月，在山东省济宁市金乡县卜集镇进行田间试验，如图13所示。试验材料为金乡大蒜分级后的Ⅱ类大蒜，试验地土壤类型为壤土，取一级取种勺速度为0.12m/s、取种速比为0.75、种层