李娟娟， 張和平， 胡 斌， 畢新勝， 張桐宇浩， 李姝卓

(1. 石河子大學 機械電氣工程學院, 新疆 石河子 832000； 2. 新疆科農(nóng)機械制造有限責任公司, 新疆 克拉瑪依 834000)

農(nóng)作物生產(chǎn)過程中，播種是最重要的環(huán)節(jié)之一，其作業(yè)目的是在農(nóng)藝所規(guī)定的時間之內(nèi)，依據(jù)不同作物的播種技術(shù)要求，對種子進行播種，讓作物得到適合自身生長發(fā)育的良好條件[1-2].播種機是播種的主要作業(yè)工具，其內(nèi)部關鍵部件是排種器，按工作原理可分為氣力式和機械式兩種基本形式[3]：氣力式排種器具有通用性佳、作業(yè)速度高，易達到單粒精量播種的要求等優(yōu)點，但其結(jié)構(gòu)較復雜、成本較高[4]；機械式精量排種器能夠滿足播量、行距、播種均勻性、播種深度、壓實程度等要求，并具有結(jié)構(gòu)簡單，成本相對較低，維護較為方便等特點，目前一部分機械式排種器的核心部件由過去的金屬變?yōu)樗芰?，不僅減輕整個排種器的重量，而且節(jié)約制造成本，但存在工作部件易損壞，損壞的部件難更換等問題[5-6].

國內(nèi)外學者對精量播種器進行了相關研究.文獻[7]通過臺架試驗與離散元法相結(jié)合的方式對排種器排種過程進行仿真分析；文獻[8-9]在研發(fā)機械式精密排種器的過程中，通過采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型的方式設定各項參數(shù)，對其精密模型仿真試驗，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提升排種器對種子適應性；文獻[10]對水平圓盤排種器進行優(yōu)化設計，根據(jù)種子的幾何尺寸決定排種器型孔參數(shù)，提高排種器精度.李沐桐等[11]針對機械式排種器高速作業(yè)時存在的排種穩(wěn)定性問題，提出一種離心錐盤推送式充種方式，同時采用離散元仿真軟件EDEM虛擬仿真并進行單體臺架試驗.周勇等[12]為改善內(nèi)充種式排種器用于棉花排種時易出現(xiàn)剪切傷種、內(nèi)窩孔口堵塞以及播量無法調(diào)節(jié)的問題，設計一種組合式階梯狀充填孔的播量可調(diào)式棉花精量排種器.王玨等[13]利用EDEM軟件建立棉花勺式排種器的離散元仿真模型，探究影響排種器粒距合格率、重播率和漏播率的因素，并對排種器工作過程中棉籽的運動過程進行了仿真分析.陳玉龍[14]針對機械式穴播器存在充種起拱造成的空穴問題，設計有序充種取種器及穴播器，解決種子排隊充種之后的精量分離問題.

國內(nèi)外研究人員對提高排種器的播種效果的研究相對較多，但對其關鍵部件進行改進，達到快速更換損壞零部件的研究相對較少，針對此問題，設計一種模塊夾圈與取種模塊進行裝配的組合式排種器，采用EDEM離散元軟件，完成以排種器轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔深度為影響因子的通用正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，并在此基礎上進行排種器臺架試驗，驗證仿真結(jié)果準確性，為機械式排種器的設計提供參考.

1 整機的結(jié)構(gòu)與工作原理

組合式排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 組合式排種器三維圖

排種器主要由鴨嘴、腰帶、模塊夾圈、取種模塊、擋盤、絆齒等關鍵部件組成，其中鴨嘴通過定位裝置，均勻分布在腰帶外部圓周上并與投種孔相對應；模塊夾圈安裝于腰帶內(nèi)部圓周上，為滿足輕量化設計，將模塊夾圈設計成鏤空結(jié)構(gòu)；將取種裝置設計成模塊化結(jié)構(gòu)，并與模塊夾圈進行裝配，達到快速更換部件作用；擋盤通過軸承安裝在排種軸上，與透視蓋構(gòu)成種子室；絆齒通過定位螺栓安裝在擋盤背面.排種器工作時，種子在種子室隨夾圈運動，取種模塊中的拐臂與絆齒擬合運動，利用彈簧的恢復力，貯種穴打開，完成取種，拐臂與絆齒擬合運動結(jié)束，在彈簧力的作用下，取種輪轉(zhuǎn)動型孔關閉，種子利用自身的重力完成投種.當取種模塊損壞時，可以更換模塊夾圈、取種模塊.

2 關鍵部件的設計

2.1 棉花種子三軸尺寸的測定

種子的形狀是設計型孔參數(shù)的決定性因素，合適的型孔形狀與深度，可以保證充種與投種的效果，同時減少重播與卡種的現(xiàn)象，針對目前新疆地區(qū)應用較多新陸中42棉花種子進行了外形尺寸統(tǒng)計測量，取1 000粒棉花種子，分別對其三軸尺寸進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示.

表1 種子三軸尺寸表 mm

2.2 貯種穴型孔參數(shù)的確定

貯種穴型孔參數(shù)是排種器設計的關鍵，由于棉花種子長度大于寬度，寬度小于厚度，依據(jù)最小勢能原則，確定“平躺”狀態(tài)為種子最大可能的穩(wěn)定狀態(tài).貯種穴型孔有長圓柱形、錐柱形與半球形，文中設計為長圓柱形，型孔前緣有引種導角，有利于種子充入型孔，型孔后緣有退種導角，以利于種子退出型孔.貯種穴型孔直徑、深度應滿足

D=Lmax+(0.5-1)，

(1)

H=Lmax-(0.5-1)，

(2)

式中：H為貯種穴深度，mm；D為型孔直徑，mm；Lmax為棉花長度最大值，mm.

由表1可知，棉花種子長、寬、厚的平均尺寸分別為8.67，4.76和4.50 mm，棉花種子長度的最大尺寸為9.64 mm，寬度的最大尺寸為5.93 mm，厚度的最大尺寸為5.91 mm.型孔直徑：8.14 mm≤D≤10.64 mm，型孔深度：6.14 mm≤H≤9.14 mm，其形狀如圖2所示.

圖2 貯種穴型孔

2.3 夾圈的設計

傳統(tǒng)機械式排種器取種模塊與模塊夾圈為完整的一個整體，取種模塊無法從模塊夾圈中取出.當取種部件損壞或者播種其他的作物時，要更換整個排種器，增加生產(chǎn)成本.文中設計一種組合式的夾圈，其中取種模塊可以快速從夾圈中抽取出來.

參考其他資料以及排種器整體結(jié)構(gòu)等因素，選取腰帶直徑為321 mm，夾圈外圈直徑為317 mm，夾圈內(nèi)圈直徑為313mm，取種模塊小圓弧垂直距離h1=47.9 mm，相鄰擋板之間垂直距離為h2=8.8 mm，則夾圈(如圖3所示)上最多安裝模塊夾圈的數(shù)量F為

(3)

(4)

F≤17，

(5)

文中選取F=14.

圖3 模塊夾圈

2.4 排種器轉(zhuǎn)速的確定

排種器的轉(zhuǎn)速是影響排種器性能的因素之一，排種器轉(zhuǎn)動速度相對較低時，種子與型孔的接觸時間相對增加，增加充種時間，充種效率提高.在機械化棉花播種中，拖拉機前進速度一般取3～4 km·h-1，其中該排種器的成穴器數(shù)量為14個，理論株距是10 cm，則

(6)

(7)

式中：v為拖拉機前進速度，m·s-1；ω為角速度，rad·s-1；z為成穴器數(shù)量，個；b為理論株距，mm；n為排種器轉(zhuǎn)速，r·min-1.

由以上公式得到排種器轉(zhuǎn)速范圍為31.8 r·min-1≤n≤51.6 r·min-1.

3 正交回歸旋轉(zhuǎn)中心仿真試驗

在排種器正常工作過程中，排種器轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔深度對排種效果有顯著的作用.以排種器轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔深度為影響因素，探究各因素對排種器合格率、漏播率、重播率的影響，確定最優(yōu)參數(shù)組合.采用central composite中心組合試驗設計原理，完成通用回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，選取星號臂長度γ=1.682，全實施方案.

由理論分析結(jié)果知：排種器轉(zhuǎn)速范圍為31.8 r·min-1≤n≤51.6 r·min-1，貯種穴型孔深度范圍為6.14 mm≤H≤9.14 mm，貯種穴型孔直徑范圍為8.14 mm≤D≤10.64 mm，開展通用回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，因素水平編碼如表2所示.

表2 試驗因素編碼

3.1 試驗方案與結(jié)果

應用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert 8.0.6對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，建立排種器各性能響應指標與影響因素之間的二次多項式回歸模型，其回歸方程如公式如下：

(8)

(9)

(10)

對試驗結(jié)果進行方差分析，試驗結(jié)果如表3所示.

表3 回歸方程方差分析

根據(jù)F檢驗，測定各自變量對因變量的綜合線性影響的顯著性，合格率、漏播率的回歸模型擬合度是極顯著的，P≤0.01，重播率的回歸模型擬合度是顯著的，P≤0.05.合格率、漏播率的失擬項對應的P值較大，漏播率失擬項對應的P值較小，對應P值越大，所得方程與實際擬合中非正常誤差所占比列越小，其方程擬合度越好.對合格率的回歸方程，其回歸項X1X2，X1X3，X2X3，其P值均大于0.05，影響不顯著.對漏播率的回歸方程，其回歸項X1X2，X1X3，X2X3，X22，其P值均大于0.05，影響不顯著.對重播率的回歸方程，其回歸項X1X2，X1X3，X2X3，X22，X32，其P值均大于0.05，影響不顯著.刪除方程中不顯著的回歸項，保留其顯著的回歸項，在回歸模型高度顯著，失擬項不顯著的條件下，完成對合格率、重播率、漏播率的回歸方程重新擬合，其回歸方程如下：

(11)

(12)

(13)

分析任意兩因素對合格率的影響，結(jié)果如圖4-6所示，圖4為型孔深度為7.64 mm時，型孔直徑與排種器轉(zhuǎn)速對合格指數(shù)的交互影響的曲面圖，當排種器轉(zhuǎn)速為一定值時，合格率隨著型孔直徑的增加先上升后下降.圖5為排種器轉(zhuǎn)速為41.4 r·min-1時，型孔直徑與型孔深度對合格指數(shù)的交互影響曲面圖，當型孔直徑為一定值時，合格率隨著型孔的深度先增加后降低.圖6為型孔直徑為9.39 mm時，排種器轉(zhuǎn)速與型孔深度對合格指數(shù)的交互響應曲面圖，當排種器轉(zhuǎn)速一定時，合格率隨著型孔深度先增加后降低.

圖4 型孔直徑與排種器轉(zhuǎn)速的交互影響

圖5 型孔直徑與型孔深度的交互影響

圖6 排種器轉(zhuǎn)速與型孔深度的交互影響

3.2 試驗結(jié)果的目標優(yōu)化

以合格率最大為優(yōu)化目標，在約束條件范圍內(nèi)，尋求最優(yōu)組合參數(shù)，結(jié)合因素邊界條件建立數(shù)學模型，優(yōu)化目標的函數(shù)與約束條件如公式14所示.

(14)

優(yōu)化結(jié)果為排種器轉(zhuǎn)速為40.38 r·min-1，型孔直徑為9.94 mm，型孔深度為8.47 mm，排種器合格率最大，此時得到合格率為96.24%.

4 臺架試驗

4.1 試驗材料準備

試驗材料選取新陸中42脫絨包衣棉花種子，利用千粒重測定儀，測得種子的千粒質(zhì)量為89.2 g，利用水分測定儀，測得供式種子含水率為7.5%.

4.2 評價指標

按照棉花機械化直播農(nóng)藝要求每穴(2±1)粒.參照行業(yè)標準NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》與國家標準GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，以合格率、漏播率、重播率為評價指標，開展臺架性能試驗.排種器穩(wěn)定工作的狀態(tài)下，200穴為一組試驗，試驗重復5次，則合格率A、漏播率B、重播率C的計算公式如下：

(15)

(16)

(17)

式中：N為5次試驗的總穴數(shù)；b0為5次試驗空穴的總穴數(shù)；b1為5次試驗1穴的總穴數(shù)；b2為5次試驗大于1穴總穴數(shù).

4.3 排種器性能試驗

為驗證優(yōu)化結(jié)果，利用JPS-12性能檢測試驗臺(如圖7所示)進行與仿真條件一致的臺架試驗，排種器工作穩(wěn)定后，統(tǒng)計結(jié)果如表4所示.

表4 試驗結(jié)果 %

圖7 JPS-12性能檢測試驗臺

綜上可知，排種器合格率平均值為96.62%，漏播率平均值為1.28%，重播率平均值為2.10%，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合，驗證了仿真結(jié)果的準確性.

5 結(jié) 論

1) 針對傳統(tǒng)機械式排種器取種部件易損壞，不易實現(xiàn)更換等問題，設計一種夾圈與取種模塊進行裝配的組合式排種器，并確定關鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù).

2) 利用EDEM完成對排種器轉(zhuǎn)速、型孔直徑、型孔深度的正交回歸旋轉(zhuǎn)中心仿真試驗，同時利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行方差與相應曲面分析，得出合格率，重播率，漏播率的回歸方程，探究交互作用對合格率的影響.以合格率為優(yōu)化目標，求得最優(yōu)參數(shù)組合：排種器轉(zhuǎn)速為40.38 r·min-1，型孔直徑為9.94 mm，型孔深度為8.47 mm，在該參數(shù)下排種器合格率最大為96.24%.

3)進行排種器性能的臺架試驗，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，驗證仿真結(jié)果的準確性.