离心式玉米种子定向整列排种装置设计与试验

杨潭,王应彪,李玮,李帅奇,颜旭,张兆顺

(西南林业大学机械与交通学院,云南 昆明 650224)

玉米定向播种技术是通过人工或其他一些方法使玉米种子在土壤中的位姿朝向一致,促使玉米在生长过程中叶片展开方向与垄向垂直,呈“一”字生长,有利于提高玉米叶片对光合作用的利用率,从而提高玉米产量[1-3]。当玉米种子长轴方向与播种行向垂直时,玉米出苗后玉米叶片生长方向与行向垂直[4-7]。因此,要实现玉米机械化定向播种,其前提是将玉米种子按照一定的方向定向排种。

目前,实现玉米机械化定向播种技术主要是通过玉米定向种子带方法[8-9],该方法主要通过人工定向摆放种子制成种子带,然后铺放进土壤实现定向播种,但这种方法需要耗费大量人力、物力,还要考虑环境问题,不利于大面积推广。王侨等[10]基于图像处理技术研制了一种玉米种子定向定位摆放装置,通过图像检测机构获取种子特征信息并反馈给调向分面摆放机构,实现玉米种子定向排种,但图像处理技术对作业环境条件苛刻,实用性较差。赵学观等[11]利用真空吸附原理设计了一种基于定向种子带的种子吸附摆放装置,但该装置工作原理复杂,造价成本高,目前不适应我国农村现状。邢洁洁等[12]基于电磁振动基础上设计了一种玉米种子侧立定向定距输出装置,该装置在最佳工作参数下,玉米种子定向成功率达到90.7%,该方法需要控制振动频率,对种子质量有一定要求。

目前对玉米的人工定向种植已经进行了一定的研究,对定向播种的效果进行了相关的试验,但还处于初步探索阶段。要实现玉米的机械化定向播种还存在诸多难题,比如种子外观特征复杂、播种土壤环境对种子位姿的影响等,因此寻找一种机械化定向播种方法对推动玉米播种技术的发展具有重要意义。为实现按玉米种子长轴方向定向排种,本研究通过离心力驱动玉米种子有规律运动,以玉米受力作用下的力学特征、姿态变化、速度大小、运动倾角等为条件,结合动力学分析及动态仿真方法,通过设计离心式玉米定向输送整列装置,对不同品种的玉米种子进行试验研究,探索玉米种子在离心力作用下种子群运动规律及籽粒姿态变化规律,为玉米种子定向排种提供新的思路和方法。

1 装置结构与工作原理

1.1 装置结构

离心式玉米种子定向整列排种装置(图1)主要由供料机构、定向整列机构、输送机构、驱动装置以及机架组成,其中定向整列机构是该装置的关键。供料机构由种盒、种盒支撑板组成,种盒分为上、下两部分,上面部分是呈“梯形”的立方体,下面部分与水平面呈一定夹角,便于玉米种子滑落。种盒可以在种盒支撑板上前后移动,调整种子落入种盘的位置。定向整列机构由外壳、护种板、限种挡刷、离心定向锥盘组成,用于进行玉米种子的整列、定向充种和排种。其中外壳内部有一层环形、带有缺口的固定支撑板,上面安装有离心定向锥盘;离心定向锥盘外圈(定向充种环带)分布大小均匀的型孔,型孔的形状、大小根据玉米种子外观尺寸设计,实现玉米种子定向充种和排种;护种板和限种挡刷可以保证符合定向要求的玉米种子顺利充种。驱动装置主要通过伺服电机为离心定向锥盘提供动力,完成玉米种子定向整列排种。

图1 离心式玉米种子定向整列排种装置结构Fig.1 Structure of directional corn seed metering device for centrifugal corn seeds 1.机架Body frame;2.导种管Seed tube;3.护种板Seed protection plate;4.紧固螺栓Fastening bolt;5.离心定向锥盘Centrifugal directional cone plate;6.种盒Seed box;7.种盒支撑板Seed box support plate;8.外壳Shell;9.限种挡刷Seed limiting brush;10.调节底座 Adjustable base;11.玉米种子Corn seeds;12.伺服电机Servo motor.

1.2 工作原理

工作时,玉米种子群通过供料机构落入离心定向锥盘中,利用伺服电机驱动,玉米种子在锥盘上受到离心力的作用,种子群开始分散并逐渐向锥盘边缘运动,在经过锥盘外圈(定向充种环带)的型孔时开始充种。由于型孔是仿玉米种子形状设计,因此只有符合定向特征的玉米种子会完全落入型孔中;当不符合定向特征(竖立、横卧或种子长轴方向与型孔不一致)时,玉米种子将无法完全充入型孔中,在经过清种区时就会被顶出型孔。同时限种挡刷会阻挡多余的种子,保证每个型孔中只保留一粒玉米种子。最终只有符合定向特征(平躺且种子长轴方向与型孔一致)的种子充入型孔中。充入型孔的种子在锥盘的带动下运动,当到达排种缺口时,玉米种子在自身重力和离心定向锥盘推力的共同作用下从排种缺口跌落入种子导种管后排出,完成玉米种子的定向整列排种。

2 关键部件结构设计与分析

2.1 离心定向锥盘结构设计

2.1.1 锥盘锥角与安装倾角的确定离心定向锥盘(图2)的结构对玉米种子的分散排列、定向充种有很大的影响。为了保证种子能够滑向充种位置以及顺利充种,离心定向锥盘采用倾斜安装,即离心定向锥盘与水平面呈一定倾角(安装倾角)。为了便于在倾斜锥盘上半区(清种区)剔除未定向玉米种子,锥盘定向充种环带背面开有一个宽度和高度均为2 mm的凹槽,与固定支撑板上凸台结合,使未定向种子在清种区被顶出型孔,具体结构如图3所示。参考已研究锥盘[13-15],锥盘直径确定为280 mm。

图2 锥盘结构Fig.2 Conical disk structure

锥盘的安装倾角对种子能否顺利充入型孔具有较大的影响,安装倾角如果较大,可能会造成种子无法完全充入型孔,同时会使种箱内容种量降低;如果安装倾角过小,可能会使种子处在型孔外面,无法顺利充种,同时会造成种子堆积,造成种子的破损。因此,为了满足要求,锥盘的安装倾角应大于种子的静摩擦角,根据文献[16],玉米种子的静摩擦角为20°,因此,锥盘安装倾角要大于20°。锥盘的锥角如果过大,充种区容易造成种子在型孔处堆积,影响充种;同时清种区未定向种子不能有效清除,对后续的排种造成影响。如果锥角过小则会影响种子填充速度,严重时会造成漏种。综合考虑,设锥盘锥角为5°～20°进行优化。

图3 清种区局部剖视图Fig.3 Local cross-sectional view of the seed-clearing area

2.1.2 定向型孔设计定向型孔是实现玉米种子定向成功的关键。对100粒‘郑单958’玉米种子外观结构(图4-a)进行测量,其厚度、长轴尺寸、大头端宽度和尖端宽度的平均值分别为4.67、11.58、9.2和 5.45 mm。根据玉米种子外观结构,型孔结构公式为:

(1)

式中:l为型孔长度(mm);S1为型孔小端宽度(mm);S2为型孔大端宽度(mm);ΔC为种子与型孔间间隙,一般取1 mm左右;L为种子长轴长度(mm);D1为种子尖端宽度(mm);D2为种子大头端宽度(mm)。

图4 玉米种子结构与型孔结构尺寸Fig.4 Corn seed structure and hole structure size

图5 型孔分布示意图Fig.5 Schematic diagram of hole distribution

根据玉米种子结构尺寸值,确定型孔长度为12 mm,型孔大端宽度为10 mm,型孔小端宽度为6 mm,型孔厚度为4 mm。为保证玉米种子能够完成定向充种以及便于剔除不符合定向要求的种子,同时也为了提高充种率,型孔做45°倒角处理(图4-b)。

型孔数对种子定向充种和排种均有影响。如图5所示,按几何关系有:

2πr=(m+k)Z

(2)

式中:r为型孔长轴方向到锥盘轴心距离(mm);m为A、C两点间的弧长,可近似看作型孔长度l(mm);Z为型孔数;k为B、C两点间的弧长,可近似看作两型孔间距离(mm)。

为了保证玉米种子能够定向稳定,两型孔间距离应大于玉米种子长轴长度,即:

(3)

取r=130 mm,m=12 mm,代入式(3),得Z<34.62。因此取型孔数为24、28、32、36进行优化。

2.2 种子定向整列排种过程分析

图6 种子在锥盘上受力分析Fig.6 Force analysis of seed on cone

2.2.1 种子在锥盘上受力分析玉米种子从种盒内自由落入倾斜锥盘上,在自身重力、离心力和种子群间的相互作用下流向锥盘定向充种环带。以种子所处位置为圆心,过该圆心与锥盘母线平行方向为x轴,沿种子与锥盘接触点切线方向且与锥盘母线垂直的方向为y轴,过种子与锥盘接触点且与锥盘垂直方向为z轴,建立空间直角坐标系,种子在自身重力(mg)、离心力(Fr)、摩擦力(f)和支撑力(N)的共同作用下随锥盘做圆周运动,同时自身也绕其质心做旋转运动。受力分析如图6所示。种子在x轴和z轴方向所受合外力公式为:

(4)

式中:f为锥盘锥面对种子的摩擦力(N);Fr为种子受到的离心力(N);m为种子质量(g);g为重力加速度(m·s-2);θ为锥盘锥角(°);β为锥盘安装倾角(°)。

由于种子质量分布不均匀,为了便于分析种子自身旋转运动,将种子沿质心处拆分成尖端和大头端两部分。如图7所示,各部分质心O1、O2到种子质心O距离分别为c1、c2,锥盘圆周运动速度为V,则种子绕其质心O所受到的总转矩(M)为:

图7 种子自身旋转运动受力分析Fig.7 Analysis of the force on the rotation of the seed itself

M=-F1sinδc1+F2sinδc2

(5)

式中:F1为尖端部分所受的合外力(N);F2为大头部分所受的合外力(N);δ为初始时种子尖端朝向与圆周运动切线方向之间的夹角(°);c1为尖端部分质心到种子质心间力臂(mm);c2为大头部分质心到种子质心间力臂(mm)。

玉米种子所受合外力主要由种子所受离心力、摩擦力以及种子自身重力决定,且由于种子尺寸较小,各转矩力臂的影响相对较小,因此只讨论合外力对种子偏转的影响。当M大于零,种子绕质心逆时针转动;当M小于零,种子绕质心顺时针转动。无论是逆向转动还是正向转动,到某一时刻,M=0,此时种子尖端朝向与锥盘圆周运动方向一致。通过分析可知,当种子正向转动时,有利于种子尖端朝前。

图8 种子充入型孔时运动分析Fig.8 Motion analysis of seed filling in the hole

2.2.2 种子充种过程运动分析种子进入锥盘定向充种环带,在锥盘的带动以及种粒间的相互作用下开始充入型孔,种子从开始接近型孔到落入型孔的过程中将做抛物线运动,其在定向充种过程中的运动分析如图8所示。以水平方向为x轴,则种子在水平方向和垂直方向的分位移x、h为:

(6)

由式(6)可得:

(7)

设玉米种子质心刚好处在型孔边缘,则按几何关系有:

(8)

式中:V1为种子充入型孔时速度(mm·s-1);S为型孔宽度(mm);h1为锥盘厚度(mm);n为型孔倒角宽度(mm);β为锥盘安装倾角(°);g为重力加速度(m·s-2)。

通过运动分析可知,在型孔结构确定的情况下,种子充入型孔的速度主要受锥盘安装倾角的影响。如果速度过大,种子在充入型孔后可能会发生反弹,不利于种子定向;如果速度过小,可能会造成多粒种子同时充入型孔,因此可通过试验合理调节安装倾角来获得最佳的充种速度。

图9 排种缺口处种子运动分析Fig.9 Analysis of seed movement at notch

2.2.3 种子排种过程运动分析种子在锥盘带动下运动进入排种口时,种子受到重力mg、排种板的支撑力N2、锥盘对种子的推力N1以及摩擦力f的作用。在排种过程中,种子在自身重力和锥盘型孔壁施加的推力的共同作用下,种子重心逐渐前移并发生反转,最终从排种缺口落入导种管,沿导种管斜面滑落,完成排种。如图9所示,排种缺口与导种管尺寸关系为:

h+2=xsinα

(9)

为了保证种子在排出过程中不被卡住,则h要大于种子厚度,取种子厚度为5 mm,则有

xsinα-2>5

(10)

式中:h为排种板到导种管的距离(mm);x为排种缺口宽度(mm);α为导种管倾角(°)。

根据玉米种子结构尺寸值,确定排种缺口宽度x为20 mm,带入式(10)可得导种管倾角α>20°,确定导种管倾角α为25°。

图10 仿真模型Fig.10 Simulation model

3 ADAMS仿真试验

3.1 模型建立

为了验证玉米种子定向整列装置设计的合理性,采用ADAMS软件对该装置进行仿真试验。在不影响试验准确性以及保证试验的稳定性的情况下,对装置进行了简化(图10)。为了提高仿真的真实性,以实际玉米种子建立种子模型,并设置种子密度以及各部件的材料属性。为各部件之间施加接触力:种子与种子之间、种子与各部件之间设置静摩擦系数和动摩擦系数,给锥盘施加旋转驱动来代替伺服电机运动。最后对建立好的仿真模型进行可行性验证,通过预试验可知,试验过程稳定,没有出现失真状况,表明试验模型符合实际,各接触力设置正确,玉米种子运动状态符合实际。

3.2 仿真试验

根据分析可知,影响玉米种子定向成功的因素主要有锥盘锥角θ、锥盘安装倾角β、转速n、型孔数Z等。通过预试验发现,当安装倾角大于40°时,绝大多数玉米种子以立姿紧靠外壳内壁,无法充入型孔,因此安装倾角的取值为25°～40°;转速n大于20 r·min-1时,玉米种子姿态变化剧烈,不利于种子定向,因此设定转速为8～20 r·min-1。为了避免仿真出错,设置仿真时间为20 s,仿真步长为0.05。选锥盘锥角θ、锥盘安装倾角β、转速n、型孔数Z为因素,每个因素取4个水平,以玉米种子长轴定向成功率P(式11)为试验指标,进行单因素仿真试验。因素水平见表1。玉米种子模型越多,所需设置的接触力越多,仿真越容易出错,因此试验采用玉米种子数为9颗的模型进行试验,一共进行16组试验,每组试验重复5次,统计每组试验的定向成功率,并分析各因素对玉米种子长轴定向成功率的影响。

(11)

式中:n1为玉米种子长轴与圆周运动切线方向间夹角小于30°的颗粒数;N为玉米种子总粒数。

表1 玉米种子定向成功率的影响因素Table 1 Factors influencing the success rate of maize seed orientation

根据表1各因素水平对玉米种子长轴定向成功率的影响规律进行单因素试验,试验过程中保持其他因素不变,调节某一影响因素,记录玉米种子定向成功的个数,试验结果见图11。

图11 各因素对玉米种子长轴定向成功率的影响Fig.11 Influence of various factors on the success rate of long-axis orientation of maize seeds

图11-a为锥盘锥角θ为10°、锥盘安装倾角β为30°、型孔数Z为32,分别调节转速n为8、12、16、20 r·min-1的试验结果。从试验结果可以看出,玉米种子长轴定向成功率随着转速的增加呈先上升后降低的趋势,当转速达到16 r·min-1时,玉米种子长轴定向成功率最高;当转速继续增大时,玉米种子长轴定向成功率又开始降低。这是由于随着转速的增加,玉米种子受到合外力增加,可以绕质心有序转动并充入型孔有序输送,同时经过清种区时种子所受弹力增加,可以有效顶出未定向种子;当转速大于20 r·min-1时,种子姿态变化剧烈,在清种区时种子所受弹力较大,易使已定向的种子弹出型孔,致使种子长轴定向成功率降低。

图11-b为锥盘锥角θ为10°、转速n为12 r·min-1、型孔数Z为32,分别调节安装倾角β为25°、30°、35°、40°的试验结果。从试验结果可以看出,随着安装倾角的增大,种子长轴定向成功率先增大后减小。当安装倾角为30°时,定向成功率最高;当安装倾角继续增大时,种子长轴定向成功率又开始降低。这是由于随着安装倾角的增加,种子充种速度增加,更容易充种,同时未定向的玉米种子更容易在清种区被弹出型孔进行二次充种;当安装倾角大于30°时,种子大多以立姿紧靠在外壳壁,难以充入型孔,造成定向成功率降低。

由图11-c、d可以看出,锥盘锥角θ和型孔数Z对玉米种子长轴定向成功率的影响幅度变化不大,表明锥盘锥角θ和型孔数Z对种子定向成功率影响较小,对玉米种子的充种和排种时间有影响,因此在后续试验中选定锥盘锥角θ为10°、型孔数Z为32。

图12 试验装置Fig.12 Test device 1. 离心定向整列排种装置Centrifugal directional array seeding device;2. 机架Body frame;3. 调速器Speed governor.

4 台架试验

为了检验仿真优化结果的准确性和可靠性,根据仿真和设计参数加工零部件,搭建离心式玉米种子定向整列排种装置试验平台,如图12所示。该试验平台主要包括机架、离心定向整列排种装置、驱动装置。选用型号为51K60RGU-CF调速电机为装置提供动力,额定功率60 W,调速范围0～33 r·min-1,与型号为US560E的调速器相互配合调整锥盘转速,并采用220 V直流稳压电源供电。

试验材料选用扁平的马齿型‘郑单958’玉米种子,千粒重为345 g。试验时,结合仿真试验结果,固定锥盘锥角θ为10°、型孔数Z为32,选取转速n和安装倾角β为可调因素,以玉米种子长轴定向成功率P为试验指标,随机选取200粒‘郑单958’玉米种子为试验对象进行试验,一共进行16组试验,试验设计如表2所示,统计玉米种子长轴定向成功的颗粒数并得出种子长轴定向成功率P。

试验时,玉米种子在离心力作用下分散、排序输送,以平躺姿态充入定向型孔,经过限种挡刷时,多余的种子被阻挡,只保留单粒种子进入清种区:已经完成定向的玉米种子由于完全充入型孔,接触面积较大,经过清种区时不会被顶出,仍以原姿态继续随锥盘运动(图13-a);未定向的玉米种子部分充入型孔,接触面较小,经过清种区时容易被顶出,进行二次定向充种(图13-b)。最终绝大多数玉米种子都能以尖端朝前的姿态平稳输送。

图13 玉米种子运动情况Fig.13 Movement of corn seeds

从表2可以看出,转速和安装倾角对玉米种子长轴定向成功率的影响均呈先增大后减小的趋势,与仿真试验结果相似。整个试验过程中,当转速为16 r·min-1、安装倾角为30°时,玉米种子长轴定向成功率最高,达到87%,其中玉米种子尖端朝前的定向成功率为77.5%。玉米种子在输送过程中,仍有少部分种子未定向成功,其主要原因是:玉米种子形状不规则,在型孔中姿态不固定,输送过程中姿态变化剧烈,造成定向失败;清种区凸台未能将未定向的异形玉米种子有效顶出型孔和误将已定向的种子顶出型孔,从而造成定向失败。

表2 试验设计与结果Table 2 Test design and results

5 结果与结论

1)基于离心送料原理,设计了一种离心式玉米种子定向整列排种装置。对该装置中定向整列机构进行了设计与分析,确定锥盘直径为280 mm;型孔结构尺寸为:型孔长度12 mm,型孔大端宽度10 mm,型孔小端宽度6 mm,型孔厚度4 mm。

2)选锥盘倾角θ、锥盘安装倾角β、转速n、型孔数Z为因素,以玉米种子长轴定向成功率P为试验指标,进行单因素仿真试验。试验结果表明:转速和安装倾角对玉米种子长轴定向成功率影响较为显著,而锥盘锥角和型孔数对定向成功率的影响较小。

3)搭建离心式玉米种子定向整列排种装置试验平台,固定锥盘锥角θ为10°、型孔数Z为32,选取转速n和安装倾角β为可调因素进行试验。试验结果表明:当转速为16 r·min-1、安装倾角为30°时,玉米种子长轴定向成功率最高为87%,种子尖端朝前的定向成功率为77.5%。

4)本文基于离心送料力学原理,结合运动学、动力学及仿真优化方法,研究提出离心动力驱动作用下玉米种子籽粒定向整列输送的方法;探索玉米种子籽粒定向整列排序运动规律及籽粒姿态变化规律;揭示了主要因素对玉米籽粒定向整列效果参数的影响,为后续玉米机械化定向播种的实现提供新思路和新方法。