侯加林 黃圣海 牛子孺 吳彥強 李天華

(1.山東農業(yè)大學機械與電子工程學院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018)

0 引言

我國是世界上大蒜種植面積最大的國家，據統(tǒng)計2017年大蒜種植面積達37.9～40.5萬hm2[1]。目前我國大蒜生產仍以人工為主，勞動強度大、效率低、成本高，現(xiàn)有的大蒜生產機械存在無法滿足農藝要求、作業(yè)效果不佳等缺點，播種后鱗芽正頭率低，已經成為制約大蒜機械化直立播種的關鍵因素[2-10]。

離散元技術可有效分析顆粒狀物質的動力學行為，在多個領域已廣泛運用[11]。在播種機械中采用離散元技術，對玉米排種以及玉米顆粒參數標定進行模擬仿真，分析其影響因素，所獲得的仿真結果與試驗數據基本一致[12-14]。在施肥機械中利用離散元技術對施肥裝置關鍵部件進行關鍵影響因素分析以及參數優(yōu)化，仿真與驗證試驗結果相吻合[15-16]。在物料輸送機械中采用離散元技術對輸送機械性能的影響因素進行分析，以及對輸送機械參數設計進行優(yōu)化[17-18]。另外在物料篩分、食品加工機械中，對多組分混合物的篩選以及粘結模型的破碎過程進行仿真，分析工作過程中物料的運動規(guī)律，及影響其運動規(guī)律的主要因素[19-21]。

目前國內外學者對蒜種鱗芽正頭的研究以結構創(chuàng)新居多，對影響鱗芽正頭率的主要因素研究較少[22]。本文以蒼山大蒜為研究對象，采用離散元技術分析大蒜在雙鴨嘴大蒜正頭裝置內的調頭過程，著重研究蒜種運動軌跡及在運動中特定點蒜種姿態(tài)的變化，得到影響鱗芽正頭率的主要因素，通過室內試驗及大田試驗驗證上述分析的正確性，為大蒜播種機械正頭部件的設計優(yōu)化，提供一種新的研究手段。

1 雙鴨嘴式大蒜播種機基本結構

雙鴨嘴式大蒜播種機結構如圖1所示，由機架、種箱、排種裝置、插播裝置、圓盤耙、傳動系統(tǒng)、壓平輥及地輪組成。采用懸掛式結構與拖拉機配套，播種時一次性完成整地、排種、插播、覆土鎮(zhèn)壓等多道工序。

圖1 雙鴨嘴式大蒜播種機結構圖Fig.1 Structure diagrams of garlic planter with two duckbill devices1.種箱 2.排種裝置 3.工具箱 4.耕深調節(jié)器 5.地輪 6.插播裝置 7.壓平輥 8.傳動系統(tǒng) 9.車輪護罩 10.機架 11.圓盤耙 12.耙深調節(jié)器 13.左支撐板 14.種箱轉軸軸承座 15.排種器轉軸軸承座

播種作業(yè)時大蒜播種機在拖拉機的帶動下前進，圓盤耙在播種機的最前方將地面整平，并將雜草切割，防止雜草纏繞插播鴨嘴。地輪與地面摩擦輸出動力至主軸，再經調速機構將動力分別傳遞至調向齒輪與插播裝置，調向齒輪改變轉向后將動力傳遞至種箱與排種器，如圖2(圖中i表示傳動比)所示。排種器上的取種指夾轉動至種箱時打開并夾住一粒大蒜，實現(xiàn)單粒取種；隨著排種盤的旋轉，單粒蒜種轉到接種鴨嘴上方時取種指夾打開，大蒜落入雙鴨嘴調頭裝置中的接種鴨嘴；隨后雙鴨嘴調頭裝置中的插播鴨嘴將接種鴨嘴打開，大蒜在重力的作用下落入插播鴨嘴，并在此過程中實現(xiàn)正頭，即實現(xiàn)鱗芽向上的種植農藝要求，插播鴨嘴隨插播裝置轉動并將大蒜插進土壤；播種后的地面由壓平輥壓實，整個種植過程完成。

圖2 雙鴨嘴式大蒜播種機傳動原理圖Fig.2 Transmission schematic of garlic planter with two duckbill devices1.種箱 2.排種器 3.插播裝置 4.調向齒輪 5.調速機構 6.地輪

2 雙鴨嘴式正頭裝置結構與工作原理

2.1 調頭裝置結構

雙鴨嘴式調頭裝置是播種機的關鍵部件，該裝置能夠將大蒜在植入土壤之前將其調至鱗芽向上，從而滿足大蒜種植時農藝要求。該調頭裝置主要由接種鴨嘴與插播鴨嘴組合構成，其結構如圖3所示。其中接種鴨嘴包括長接種鴨嘴與短接種鴨嘴，二者各自通過連接軸安裝在接種鴨嘴支架的軸孔上，并用復位彈簧將二者閉合。插播鴨嘴包括插播鴨嘴支架、前插播鴨嘴、后插播鴨嘴；前插播鴨嘴與后插播鴨嘴分別與插播支架鉸接，并用復位彈簧將二者閉合。

圖3 調頭裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of adjusting mechanism1.前插播鴨嘴 2.后插播鴨嘴 3.驅動擋塊 4.長接種鴨嘴 5、13.連接軸 6.接種鴨嘴驅動臂 7.復位彈簧 8.短接種鴨嘴 9.大蒜 10.插播鴨嘴支架 11.軸銷 12.插播鴨嘴驅動臂

圖4 蒜種運動過程受力圖Fig.4 Force analysis diagrams of garlic in process of movement

播種作業(yè)時，插播鴨嘴組合隨轉盤做圓周運動，插播鴨嘴支架與長接種鴨嘴的驅動擋塊碰撞并推動長接種鴨嘴運動，此時在接種鴨嘴驅動臂的作用下，短接種鴨嘴以軸銷為中心反方向運動，鴨嘴打開；此時，接種鴨嘴內的大蒜，若其鱗芽朝下，如圖3所示，鱗芽就被擋塊與插播鴨嘴支架夾住，由于大蒜重心在上部，大蒜會以鱗芽為中心旋轉180°左右，接著落入插播鴨嘴組合內，完成正頭；相反，若大蒜鱗芽向上，由于重心在下，大蒜會落入插播鴨嘴后，鱗芽依舊朝上。

2.2 調頭裝置工作原理

下面對雙鴨嘴式調頭裝置調頭過程中關鍵時刻進行力學分析。對于大蒜落入接種鴨嘴后鱗芽向下時，大蒜在調頭裝置中的調頭過程分為3種狀態(tài)，如圖4所示。

狀態(tài)1為蒜種在接種鴨嘴中靜止，如圖4a所示，此時蒜種受力平衡，即

(1)

(2)

式中FN1——短接種鴨嘴對大蒜支持力，N

FN2——長接種鴨嘴對大蒜支持力，N

θ——支持力FN1與FN2之間的夾角，(°)

G——大蒜重力，N

狀態(tài)2時，蒜種處于緩慢旋轉狀態(tài)，接種鴨嘴在插播鴨嘴推動力的作用下打開，如圖4b所示，蒜種鱗芽尖部受長接種鴨嘴的驅動擋塊與插播鴨嘴的推力F夾持，由于鱗芽尖部具有一定的韌性，可認為蒜種繞鱗芽旋轉, 即繞蒜種矩心O點轉動，蒜種受到自身重力G向下的轉矩和短接種鴨嘴的支持力FN1、摩擦力Ff的阻力矩。由圖4b可計算出蒜種繞O點轉動的力矩

MO=GHcosα-FN1L1-FfL2

(3)

式中Ff——蒜種與短接種鴨嘴之間摩擦力

L1——支持力FN1的力臂，mm

L2——摩擦力Ff的力臂,mm

H——蒜種重心到鱗芽尖部的距離，mm

α——蒜種重心與O點的連線和水平面夾角，(°)

狀態(tài)3時，蒜種處于快速旋轉狀態(tài)，短接種鴨嘴與蒜種脫離，阻力矩消失，且角α越來越小，力臂越來越大，蒜種在自身重力的作用下快速旋轉，如圖4c所示。當蒜種脫離接種鴨嘴后在慣性的作用下繼續(xù)旋轉，完成調頭。

MO=GHcosα

(4)

由式(3)、(4)可知，重心到鱗芽的距離H越大其轉矩MO越大，蒜種調頭效果越好，即蒜種重心越靠近蒜種底部，其調頭效果越好。

3 調頭過程EDEM虛擬仿真與分析

雙鴨嘴式調頭裝置在調頭的工作過程中與大蒜發(fā)生多次干涉碰撞，大蒜的運動較為復雜，無法完全通過試驗或者理論計算來分析大蒜的運動過程，研究其調頭機理。本研究選用離散元數值模擬仿真軟件(EDEM)研究大蒜調頭過程的動力學規(guī)律。

3.1 雙鴨嘴式調頭裝置最大作業(yè)速度計算

大蒜插播效率由調頭裝置的工作效率決定，而調頭裝置的工作效率由插播裝置的轉動速度決定。大蒜從接種鴨嘴到插播鴨嘴組合的運動過程為：從排種器落入接種鴨嘴，經過反彈后穩(wěn)定，當接種鴨嘴被插播鴨嘴組合打開后，大蒜做自由落體運動，其運動過程如圖5所示。

圖5 大蒜正頭運動過程圖Fig.5 Moving process of adjusting garlic upwards

插播鴨嘴在t1時刻從位置1逆時針旋轉，經過時間Δt后到達位置2，此時，時間為t2，旋轉角度為β；在此過程中大蒜從接種鴨嘴落入到插播鴨嘴中，忽略機具與大蒜的整體移動，若要滿足大蒜落入插播鴨嘴，則接種鴨嘴水平方向上的位移必須小于x。

(5)

(6)

h=h1+h2

(7)

(8)

β=ωΔt

(9)

(10)

式中r——圓盤半徑,mm

ω——圓盤角速度,rad/s

由式(5)～(10)可解得

即為插播裝置最大角速度。

3.2 接種鴨嘴關鍵部位設計

大蒜調頭機構中最重要的是接種鴨嘴的設計，調頭工作的正常進行必須滿足以下條件：①保證大蒜鱗芽豎直向上或向下。②當鱗芽向下時，保證鱗芽能夠伸出接種鴨嘴。③鱗芽向上時，當插播支架與長接種鴨嘴驅動擋塊相接觸時，為保證大蒜能夠豎直下落，插播支架不得與大蒜根部相接觸。以上功能主要通過設計一對錐形仿形接種鴨嘴實現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 接種鴨嘴結構圖Fig.6 Structure diagrams of duckbill device for catching garlics1.轉軸 2.彈簧座 3.擴容區(qū) 4.仿形區(qū) 5.驅動擋塊 6.驅動臂 7.驅動臂擋塊

長接種鴨嘴分為轉軸、彈簧座、擴容區(qū)、仿形區(qū)、驅動擋塊、驅動臂、驅動臂擋塊。長接種鴨嘴去除驅動擋塊后即為短接種鴨嘴。短接種鴨嘴與長接種鴨嘴對稱分布，共同組成一個錐形接種鴨嘴。

每對接種鴨嘴的仿形區(qū)以圖7中A型所示結構為基礎，并設計B型和C型兩種不同的形狀結構以優(yōu)化錐形鴨嘴，從而更好地滿足條件②、③。A型為圓錐形基準鴨嘴，B型鴨嘴是將開口角度隨高度增加不斷增大，C型是仿照大蒜形狀設計。

文字是承載和傳播文化的符號，是人類話語生產和精神生產的工具和產品。透過每一個字及其所組成的詞語的形聲義的演變以及人們對這種演變所做的闡釋，我們可以了解文字所承載和傳播的文化的具體內涵、獨特特征、變化發(fā)展。因此，我們選取了一些中華文化關鍵字，對其進行文字和詞語的詮釋，以期從側面理解和闡釋中華文化。本篇論文以“中”字為例進行相關論述。

圖7 不同類型的接種鴨嘴仿形區(qū)結構圖Fig.7 Profiling structure diagrams of different kinds of duckbill devices for catching garlics

3.3 大蒜顆粒EDEM仿真模型的建立

本研究選用山東省蒼山大蒜，由于大蒜外形的不規(guī)則特征，首先要對大蒜進行分類以便對大蒜建模仿真。根據對大蒜種子調研分析，對500粒種子樣本進行測量，按照圖8所示的大蒜長、寬、厚以及鱗芽的尺寸規(guī)格，將大蒜分為3個等級，并計算了各類大蒜在樣本中所占比例，結果見表1。

圖8 大蒜結構圖Fig.8 Structure diagram of garlic

等級蒜體長度區(qū)間/mm蒜體寬度區(qū)間/mm蒜體厚度區(qū)間/mm鱗芽長度區(qū)間/mm比例/%Ⅰ34.6～39.634.6～39.620.5～25.516.4～20.434Ⅱ29.6～34.616.0～20.015.5～20.512.4～16.435Ⅲ24.6～29.612.0～16.010.5～15.58.4～12.431

取每個等級中長、寬、厚的平均值在三維建模軟件中建立大蒜的三維模型，共建立3級大蒜模型，并將3個模型轉換為x_t格式導入EDEM軟件中，用球形顆粒填充。圖9為各類型大蒜實物圖與EDEM軟件仿真模型對比圖。

圖9 大蒜實物與EDEM模型Fig.9 Objects of garlic and models by EDEM

應用三維建模軟件對大蒜調頭機構進行實體建模，為了減少EDEM仿真模擬時間，將與大蒜運動過程中不發(fā)生接觸的部件去除，將調頭結構簡化為接種支架、接種鴨嘴、插播支架、插播鴨嘴、行星齒輪托架、中間傳動軸、3根六角傳動軸等。將建立好的模型轉換為x_t格式導入EDEM軟件中，如圖10所示。

圖10 鴨嘴式大蒜調頭機構仿真模型Fig.10 Simulation model of adjusting mechanism1.插播支架 2.插播鴨嘴 3.中間傳動軸 4.六角傳動軸 5.行星齒輪托架 6.接種鴨嘴 7.接種支架 8.顆粒工廠

根據調頭機構所用材料，將接種鴨嘴、接種支架、插播鴨嘴、插播支架設置為有機玻璃，將中間傳動軸、六角傳動軸、行星齒輪支架統(tǒng)一設置為45號鋼。由于調頭機構調頭時是單粒蒜種，不存在大蒜顆粒間接觸，因此大蒜間接觸參數在此處略去。大蒜顆粒、有機玻璃的物性參數及接觸參數如表2所示。

表2 大蒜調頭仿真參數Tab.2 Simulation parameters of adjusting garlics upwards

3.4 大蒜顆粒EDEM仿真

根據雙鴨嘴式調頭裝置最大作業(yè)速度計算公式計算后，設置行星齒輪盤工作轉速分別為10、15、20、25 r/min，共12組虛擬仿真，顆粒工廠設置在接種鴨嘴的上方，每次生成一粒大蒜，生成速度分別為1、1.5、2、2.5粒/s，每組鴨嘴不同速度共下落300粒大蒜，每種類型的大蒜按照表1所示比例，分別設置：Ⅰ級102粒、Ⅱ級105粒、Ⅲ級93粒。設置大蒜下落初速度為200 mm/s，方向向下，角速度為0 rad/s；大蒜鱗芽朝向設置為隨機，時間步長為5.2×10-6s。圖11為大蒜仿真過程圖，其中圖11a、11b、11c為大蒜鱗芽豎直向上時仿真過程，圖11d、11e、11f為大蒜鱗芽豎直向下時仿真過程，該過程與上述原理分析一致。

圖11 鴨嘴式大蒜調頭機構仿真過程Fig.11 Simulation process of adjusting mechanism

圖12 大蒜軌跡圖Fig.12 Movement trajectory of garlic

如圖12所示，以不同狀態(tài)下的大蒜為研究對象對大蒜的運動進行分析，設置其以流線型顯示，圖中彩色流線表示被跟蹤大蒜顆粒質心的運動軌跡。圖12a為大蒜鱗芽向上時，大蒜從顆粒工廠豎直下落至接種鴨嘴與接種鴨嘴發(fā)生碰撞后改變運動軌跡，隨后落至接種鴨嘴底端并經過短暫的輕微振蕩后靜止，在大蒜振蕩后插播鴨嘴支架將接種鴨嘴打開，大蒜下落至插播鴨嘴，圖中箭頭方向為大蒜運動方向。圖12b為大蒜下落至接種鴨嘴底端后鱗芽朝下，大蒜質心以鱗芽為中心旋轉約180°后落入插播鴨嘴，可觀察到接種鴨嘴底部有一半圓形軌跡，圖中箭頭方向為大蒜運動方向。圖12c為鱗芽朝下時大蒜調頭失敗，大蒜在接種鴨嘴底部穩(wěn)定后，在插播鴨嘴支架的碰撞下向上運動，接著自由下落，圖中箭頭方向為大蒜運動方向。圖12d為大蒜在接種鴨嘴底部繞鱗芽轉動的軌跡放大圖，箭頭方向代表大蒜質心運動到該位置時鱗芽朝向。

3.5 仿真結果與分析

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)4個影響大蒜鱗芽正頭率的因素：接種鴨嘴形狀；大蒜重心位置；插播裝置轉動速度；二次彈跳。

3.5.1EDEM仿真受力校核

在EDEM中對仿真過程中3種狀態(tài)所受力的大小進行測量，并將EDEM中所測數據(表3)，代入公式(1)～(4)中。由表3可知，將重力G與支持力FN1、支持力FN2代入公式(1)、(2)后，公式兩邊相等；式(3)代入數據后MO=1.323 N·mm，大于0，蒜種處于旋轉狀態(tài)；公式(4)代入數據得MO=2.207 N·mm，力矩大于0，且大于狀態(tài)2時的力矩；從力學的角度上說明了用EDEM仿真是可信的。

表3 蒜種受力仿真結果Tab.3 Value of force simulations of garlics

3.5.2總體樣本分析

圖13為300粒大蒜在插播轉盤工作速度分別為10、15、20、25 r/min時，圖7中A、B、C型接種鴨嘴的鱗芽正頭率變化曲線。

圖13 3種接種鴨嘴總體鱗芽正頭率變化曲線Fig.13 Variation curves of rate of garlic bulbil with upward direction for three kinds of mechanisms

由圖13可知，隨速度從10 r/min到25 r/min不斷增加，A、B、C型接種鴨嘴的鱗芽正頭率不斷降低，在10～15 r/min之間3種接種鴨嘴的鱗芽正頭率下降緩慢，在20～25 r/min之間下降迅速，說明轉速影響大蒜鱗芽正頭率。在調頭裝置相同轉速下，C型接種鴨嘴的鱗芽正頭率最高，B型接種鴨嘴的鱗芽正頭率最低，說明接種鴨嘴的形狀是影響大蒜鱗芽正頭率的因素之一。

3.5.3對不同級別蒜種樣本分析

圖14 3種接種鴨嘴鱗芽正頭率變化曲線Fig.14 Variation curves of three kinds of duckbill devices adjusting garlics upwards respectively

圖14為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3種級別的大蒜以及總樣本的鱗芽正頭率隨工作轉速的變化曲線。由圖14可知，Ⅰ、Ⅲ兩種級別的大蒜在同種接種鴨嘴中的鱗芽正頭率相近，Ⅱ級大蒜鱗芽正頭率較低，由表1可知，Ⅱ級大蒜的尺寸在Ⅰ、Ⅲ兩種類型之間，說明在同種接種鴨嘴中大蒜的尺寸與鱗芽正頭率無關。對比圖9中3種大蒜外形發(fā)現(xiàn)Ⅱ級大蒜的中心靠近鱗芽，Ⅰ、Ⅲ兩種級別的大蒜中心遠離鱗芽，可知重心位置是影響大蒜鱗芽正頭率的一個因素。

3.5.4對大蒜二次彈跳現(xiàn)象分析

根據圖14數據走向可知20～25 r/min之間鱗芽正頭率下降較快，對各個大蒜的運動軌跡進行分析發(fā)現(xiàn)，速度為20 r/min與25 r/min時存在大蒜二次反彈而導致大蒜調頭失敗，如圖12c所示。對A、B、C 3種接種鴨嘴發(fā)生二次彈跳而導致大蒜調頭失敗的比率進行統(tǒng)計，如圖15所示，B型鴨嘴發(fā)生二次反彈的比率最高，C型鴨嘴最低；在速度20 r/min之前C型接種鴨嘴不會因二次彈跳而導致調頭失敗，可以確定二次彈跳對C型接種鴨嘴影響較小。

圖15 3種接種鴨嘴二次彈跳率變化曲線Fig.15 Variation curves of the secondary bounce rate for three kinds of mechanisms

3.5.5大蒜正頭率影響因素分析

由以上分析可知：①影響鱗芽正頭率的主要因素為插播鴨嘴工作轉速、蒜種重心位置、鴨嘴類型，而蒜種大小對鱗芽正頭率基本無影響。其中C型接種鴨嘴鱗芽正頭率最高，且工作轉速越高，蒜種重心位置越靠近鱗芽，正頭率越低。②工作轉速提高引起的蒜種二次彈跳會進一步降低正頭率，且轉速越高二次彈跳率越高，正頭率越低。在插播鴨嘴工作速度低于20 r/min時，不會出現(xiàn)蒜種的二次彈跳現(xiàn)象，當插播鴨嘴工作轉速大于20 r/min，開始出現(xiàn)二次彈跳現(xiàn)象。

4 試驗驗證

4.1 室內試驗

試制了試驗樣機，在室內進行播種試驗，如圖16所示，對3種接種鴨嘴在10、15、20、25 r/min的4種不同轉速下進行試驗，樣機對應運動速度分別為0.72、1.08、1.44、1.8 km/h，每種試驗采集300粒蒜種，重復3次，取平均值。采用高速攝像機提取了播種過程蒜種運動過程，并記錄因二次彈跳導致調頭失敗的大蒜數目。

圖16 調頭裝置試驗臺與播種效果Fig.16 Test bed of adjusting mechanism and seeding effect1.移動電源 2.排種裝置 3.接種鴨嘴 4.插播裝置 5.土槽 6.絞盤

4.1.1大蒜調頭過程

圖17為用高速攝像機記錄的大蒜調頭運動過程，其中圖17a、17b、17c為大蒜鱗芽豎直向下時工作過程，圖17d、17e、17f為大蒜鱗芽豎直向上時工作過程。為便于觀察將大蒜鱗芽染成紅色，圖17中所示的試驗調頭過程與圖12中仿真調頭過程一致，說明離散元技術可以很好地模擬此過程。

圖17 大蒜調頭工作過程Fig.17 Process of mechanism adjusting garlic

4.1.2重心位置分析

為探究重心位置對大蒜調頭的影響，隨機選取300粒大蒜對其進行水浴試驗，即將蒜種放進鹽水中，鱗芽向下者其重心位置靠近鱗芽。對300粒大蒜統(tǒng)計，重心靠近蒜種鱗芽的數量為16粒，占總體樣本的5.3%。挑選出100粒重心靠近鱗芽的大蒜和100粒重心靠近蒜種底部的大蒜，選用C型鴨嘴在插播鴨嘴轉速為20 r/min時對其做單因素試驗，重復3次，取其平均值。試驗結果為，重心靠近鱗芽的大蒜調頭率為93.33%，重心靠近蒜種底部的大蒜調頭率為95.67%，兩者相差2.34個百分點，但因蒜種重心位置靠近鱗芽的大蒜在總體樣本中所占比例為5.3%，所以重心位置對總體蒜種調頭率影響不顯著。

4.1.3室內試驗分析

圖18為3種接種鴨嘴仿真與試驗鱗芽正頭率隨調頭裝置工作轉速變化的曲線。大蒜鱗芽正頭率隨裝置工作轉速的增加而減小，且下降速度越來越大，試驗數據與仿真數據變化趨勢一致，最大誤差為2.66%，證明了用EDEM軟件對大蒜調頭仿真的可行性。

圖18 3種接種鴨嘴仿真與室內試驗正頭率變化曲線Fig.18 Simulation and laboratory experiment variation curves of garlic upwards by three kinds of mechanisms

為探究工作轉速與接種鴨嘴類型對大蒜正頭率影響的顯著性，以及確定二者最優(yōu)組合，對上述室內試驗數據進行雙因素試驗的極差與方差分析。以工作速度與鴨嘴類型兩因素進行分析，對插播裝置的工作轉速選取正頭率較高的10、15、20 r/min進行分析，接種鴨嘴的3水平分別為A、B、C型接種鴨嘴，其試驗因素水平如表4所示。

表4 試驗因素水平Tab.4 Factors and levels of experiments

試驗方案及結果見表5，A、B為工作轉速和鴨嘴類型的水平值，由表可知，因素A的極差R為6.89，因素B的極差R為5.90，即RA>RB，因此，對鱗芽正頭率影響程度由大到小為：工作速度、鴨嘴類型；以鱗芽正頭率最高為最優(yōu)指標，最優(yōu)的因素水平組合為：工作轉速為10 r/min，鴨嘴類型為C型，即A1B3。

表5 試驗方案及結果Tab.5 Design and results of experiment

利用方差分析法對試驗結果進行分析，結果見表6，由表可知，因素A的P值為0.019(小于0.05)，因素B的P值為0.037(小于0.05)，因此工作速度與鴨嘴類型對鱗芽正頭率均有顯著影響。另外，從上述數據中可知，在A、B、C 3種鴨嘴中，選用C型鴨嘴時，調頭率最高；確定選用C型鴨嘴，當工作速度分別為10、15、20 r/min時，正頭率分別為97.11%、96.45%、95.67%，可滿足農藝要求；由單因素試驗結果(圖18)可知，選用C型鴨嘴、工作速度為25 r/min時，正頭率為93.55%，正頭率相對較低；因此，為提高工作效率，同時滿足農藝要求，最優(yōu)組合應選為：工作轉速為20 r/min，鴨嘴類型為C型，即A3B3。

表6 正頭率方差分析Tab.6 ANOVA of rate of garlics upwards

4.1.4二次彈跳分析

圖19為仿真與室內試驗時大蒜發(fā)生二次彈跳的比率。二次彈跳率隨調頭裝置工作速度的增加而增加，試驗數據與仿真數據變化趨勢一致。

圖19 3種接種鴨嘴仿真與室內試驗二次彈跳率變化曲線Fig.19 Variation curves of the secondary bounce rates of garlics by simulation and laboratory experiment for three kinds of mechanisms

4.2 田間試驗

為進一步確定試驗效果，對室內試驗中調頭率較高的C型接種鴨嘴進行田間試驗。于2018年3月在山東省泰安市山東農業(yè)大學蔬菜試驗基地進行了試驗，土壤類型為壤土，面積約0.5 hm2，對地塊進行旋耕處理。選用本團隊試制的大田樣機，配套動力為輪式拖拉機，采用三點懸掛的掛接方式牽引播種機，如圖20所示。拖拉機作業(yè)速度分別為0.72、1.08、1.44、1.8 km/h，以對應插播裝置工作速度10、15、20、25 r/min。每種作業(yè)速度下采集蒜種樣本300粒，統(tǒng)計C型接種鴨嘴在工作轉速為10、15、20、25 r/min時，蒜種正頭率分別為95.67%、95.33%、

93.67%、89.33%，可知C型接種鴨嘴的正頭率隨工作轉速的增大而降低，與仿真和室內試驗變化趨勢一致。田間試驗正頭率低于室內試驗與仿真，最大誤差為5%，原因可能是田間工作時地勢復雜，且插播鴨嘴與地面接觸時蒜種會與土壤發(fā)生干涉，影響正頭率。在預試驗中，B型接種鴨嘴在3種接種鴨嘴中正頭率最低，在10 r/min的工況下進行田間試驗，鱗芽正頭率最高，為91%，C型鴨嘴與B型鴨嘴相比提高了4.67個百分點，說明鴨嘴優(yōu)化是可行的。

圖20 播種機作業(yè)現(xiàn)場Fig.20 Operation diagram of seeder

5 結論

(1)運用離散元方法建立了雙鴨嘴式大蒜正頭機構播種動力學模型，分析了蒜種在3種不同類型正頭機構中的運動規(guī)律并進行了試驗，仿真結果與試驗基本一致，試驗正頭率與仿真正頭率誤差在5%以內，證明了離散元方法分析蒜種運動規(guī)律是可行的。

(2)田間試驗結果顯示，選用C型鴨嘴、作業(yè)速度在0.72～1.8 km/h之間時，大蒜鱗芽正頭率為89.33%～95.67%，相比A、B型接種鴨嘴，C型接種鴨嘴正頭率較高，且最為穩(wěn)定。