張春艷 康建明 彭強(qiáng)吉 張寧寧 王小瑜 薦世春

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院， 濟(jì)南 250010)

0 引言

膜上精量播種具有增溫、保墑、免放苗的優(yōu)勢(shì)，在棉花種植區(qū)得到了大規(guī)模推廣應(yīng)用[1-3]。氣吸滾筒式穴播器是實(shí)現(xiàn)膜上精量播種的主要部件，種子可直接播在成穴器破膜后開出的種穴內(nèi)，省去人工放苗，從而降低了生產(chǎn)成本、提高了作業(yè)效率[4-6]。

氣吸滾筒式穴播器靠壓差將種子吸附在取種盤上，種子隨取種盤運(yùn)動(dòng)到臨界落種角即排種位置時(shí)，壓差消失，種子靠自重進(jìn)入鴨嘴，完成投種。氣吸式取種方式因具有不傷種、對(duì)種子外形尺寸要求低等特點(diǎn)而被廣泛使用[6-8]。陳學(xué)庚等[9-10]對(duì)氣吸滾筒式棉花精量穴播器的排種性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到充種負(fù)壓和吸孔線速度的最優(yōu)作業(yè)參數(shù)；李猛等[11]通過試驗(yàn)研究了氣吸滾筒式穴播器的吸附精度，發(fā)現(xiàn)種孔組合形式對(duì)排種性能影響最顯著；王磊[12]基于有限元理論對(duì)吸種孔進(jìn)行了流場(chǎng)分析，獲得吸種孔形狀、氣室負(fù)壓、吸種孔孔徑對(duì)吸種性能的影響規(guī)律。文獻(xiàn)[13-16]基于離散元法對(duì)排種器進(jìn)行了工作參數(shù)仿真優(yōu)化和排種性能分析，研究表明，采用離散元法可以進(jìn)一步優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)。目前，對(duì)氣吸滾筒式穴播器的研究主要集中在吸種和排種性能的試驗(yàn)優(yōu)化及成穴機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真上[16-23]，而對(duì)投種性能的研究較少。在種子從取種盤下落的過程中，由于投種位置與鴨嘴距離較遠(yuǎn)，且氣吸滾筒式穴播器處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，故種子不能準(zhǔn)確落入對(duì)應(yīng)的鴨嘴中，造成穴粒數(shù)不一致，從而導(dǎo)致排種質(zhì)量下降。因此，研究投種性能對(duì)保證氣吸滾筒式穴播器作業(yè)質(zhì)量尤為重要。

針對(duì)氣吸滾筒式穴播器投種性能不穩(wěn)定的問題，本文設(shè)計(jì)一種適用于棉花氣吸滾筒式穴播器的二次投種機(jī)構(gòu)，采用EDEM離散元計(jì)算方法模擬排種過程，分析排種性能，通過三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合仿真試驗(yàn)優(yōu)化二次投種機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)，并進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 氣吸滾筒式穴播器結(jié)構(gòu)與技術(shù)特點(diǎn)

1.1 氣吸滾筒式穴播器結(jié)構(gòu)

氣吸滾筒式穴播器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由取種盤、分種盤、中空穴播器軸、腰帶、成穴器等組成。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)在取種盤兩側(cè)產(chǎn)生壓差，將種子吸附在取種盤上，經(jīng)清種器連續(xù)輕微碰撞敲打清除多余種子，通過斷氣塊消除壓差，種子落入鴨嘴中，隨著鴨嘴破膜開穴，種子落進(jìn)種穴里，完成排種。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

單粒播種應(yīng)保證穴粒數(shù)一致，按照設(shè)計(jì)要求，取種盤型孔應(yīng)僅吸附1粒種子，且該粒種子投種后精確播入種穴中。然而，在種子下落過程中由于投種位置與鴨嘴距離較遠(yuǎn)，且氣吸滾筒式穴播器沿種床不停滾動(dòng)，造成種子不能準(zhǔn)確落入對(duì)應(yīng)的鴨嘴中，造成漏播現(xiàn)象，當(dāng)種子落入臨近鴨嘴中時(shí)則會(huì)造成重播現(xiàn)象。為消除漏播、重播現(xiàn)象，在取種盤和鴨嘴之間設(shè)置二次投種機(jī)構(gòu)，當(dāng)種子從取種盤落下后經(jīng)分種盤進(jìn)入二次投種機(jī)構(gòu)中，并隨氣吸滾筒式穴播器繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，到特定位置時(shí)種子進(jìn)入鴨嘴，等待排種。二次投種機(jī)構(gòu)如同一個(gè)紐帶，將取種盤與鴨嘴連接起來，賦予種子一定的運(yùn)動(dòng)軌跡，確保種子落入對(duì)應(yīng)的種穴內(nèi)，降低了投種點(diǎn)高度，延長了投種時(shí)間，提高了穴粒數(shù)的準(zhǔn)確度。

2 二次投種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

二次投種機(jī)構(gòu)是提高播種精度的重要部件，如圖2所示，主要包括種道和種道出入口，種道又分為外種道和內(nèi)種道，外種道由2個(gè)側(cè)板組成，兩側(cè)板由內(nèi)緣至外緣方向逐漸靠近，形成V型圓環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部均勻設(shè)置A個(gè)擋籽板，將外種道分割成A個(gè)獨(dú)立空間；內(nèi)種道由2個(gè)側(cè)板和內(nèi)、外圈組成，兩側(cè)板關(guān)于中間面對(duì)稱，且由內(nèi)緣至外緣方向逐漸遠(yuǎn)離，形成梯形圓環(huán)結(jié)構(gòu)，內(nèi)部均勻設(shè)置B個(gè)隔板，將內(nèi)種道分割成B個(gè)相對(duì)封閉的空間區(qū)域，擋籽板和隔板交錯(cuò)分布，被分割后的外種道和內(nèi)種道交叉布置。擋籽板和隔板數(shù)量應(yīng)與鴨嘴數(shù)量M相等。由文獻(xiàn)[9-12]得知，常用鴨嘴數(shù)量M=15，因此，本文中A=B=15。

2.1 二次投種機(jī)構(gòu)安裝位置

二次投種環(huán)節(jié)應(yīng)在一次投種結(jié)束后，保證種子能夠順利從外殼開口進(jìn)入二次投種機(jī)構(gòu)中，并從種道出口順利進(jìn)入鴨嘴，具體位置如圖3所示。

氣吸滾筒式穴播器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，由圖3可知，要保證種子順利進(jìn)入二次投種機(jī)構(gòu)，需滿足

(1)

式中α——外殼開口下邊緣和旋轉(zhuǎn)中心連線與豎直方向的夾角，(°)

β——二次投種機(jī)構(gòu)下?lián)踝寻搴托D(zhuǎn)中心連線與豎直方向的夾角，即安裝角，(°)

γ——二次投種機(jī)構(gòu)上下?lián)踝寻搴托D(zhuǎn)中心連線之間的夾角，(°)

經(jīng)前期試驗(yàn)研究可知，α=20°時(shí)，投種效果最好，本文中α取20°。二次投種機(jī)構(gòu)種道數(shù)量與鴨嘴數(shù)量相同，可知γ=2π/M=24°，因此，二次投種機(jī)構(gòu)安裝位置應(yīng)滿足γ-α<β<α,即4°<β<20°。

2.2 種道輪廓設(shè)計(jì)

種道輪廓決定了種道的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4所示，種道輪廓由3個(gè)側(cè)板組成，為保證投種效果，逐一設(shè)定側(cè)板傾斜角φ、側(cè)板圓弧半徑R及內(nèi)種道高度h等參數(shù)。

2.2.1側(cè)板傾斜角

為保證種子能順利進(jìn)入內(nèi)種道，種子由外殼開口進(jìn)入外種道后，需在側(cè)板2上滾動(dòng)，則側(cè)板2傾斜角φ需滿足

φ>φm

(2)

式中φm——種子與鋼板平面間的滾動(dòng)穩(wěn)定角，(°)

由文獻(xiàn)[24]得知，種子滾動(dòng)穩(wěn)定角的取值范圍為12.6°～21.3°，另外，包衣后種子的滾動(dòng)穩(wěn)定角將增大1°～3°，由此可知φ>24.3°，本文中φ取28°。

2.2.2側(cè)板圓弧半徑

氣吸滾筒式穴播器在工作過程中如遇地面不平或種床有硬物等情況，氣吸滾筒式穴播器會(huì)顛簸振動(dòng)，造成種子脫離側(cè)板2，落在側(cè)板3上，為保證種子完好，并能順利進(jìn)入內(nèi)種道，外側(cè)板設(shè)計(jì)成圓弧結(jié)構(gòu)，如圖4所示。半徑R需大于種子最大曲率半徑ρmax，即

R>ρmax

(3)

種子最大曲率半徑取值參考橢圓最大曲率半徑，其計(jì)算公式為

(4)

式中ρ——橢圓最大曲率半徑

L′——種子長度，mm

W′——種子寬度，mm

由于種子最大曲率半徑比橢圓最大曲率半徑小，引入修正系數(shù)k(k為0.8～0.9)。由文獻(xiàn)[24]知，種子的長度L′介于4.31～13.21 mm之間，寬度W′介于3.57～6.33 mm之間。為保證數(shù)據(jù)可靠，L′、W′、k取最大值，則

(5)

得R>24.8 mm，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果，本文中R取26 mm。

2.2.3內(nèi)種道高度

種子可能以不同的姿態(tài)進(jìn)入內(nèi)種道，進(jìn)而產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)分析，種子的主要運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有縱向、橫向和斜向3種滾動(dòng)方式，如圖5所示，其中H′為種子的高度。

橫向和斜向是種子運(yùn)動(dòng)的主要姿態(tài)，縱向則大多出現(xiàn)在種子縱向進(jìn)入并在內(nèi)種道內(nèi)初始滾動(dòng)時(shí)，通過自身調(diào)整后將變?yōu)闄M向或斜向。因此，要保證種子順利從內(nèi)種道出口排出，內(nèi)種道輪廓尺寸需滿足種子在內(nèi)種道內(nèi)能夠無障礙運(yùn)動(dòng)。當(dāng)種子縱向滾動(dòng)時(shí)，種子長度決定了內(nèi)種道高度h；而當(dāng)橫向和斜向滾動(dòng)時(shí)，種子的寬度和厚度尺寸決定了內(nèi)種道高度h，綜合考慮，內(nèi)種道高度h需大于等于種子幾何尺寸的最大值，同時(shí)，內(nèi)種道高度直接影響氣吸滾筒式穴播器整體尺寸，不能過高，因此，內(nèi)種道高度h需滿足

L′max

(6)

將L′max=13.21 mm代入公式(6)，得13.21 mm

2.3 內(nèi)種道出入口設(shè)計(jì)

2.3.1內(nèi)種道入口設(shè)計(jì)

氣吸滾筒式穴播器逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)種道入口設(shè)置于外種道后方，靠近后側(cè)擋籽板，如圖6所示，內(nèi)種道入口采用類似平行四邊形結(jié)構(gòu)，前、后邊分別與擋籽板平行，長度為L1，后邊與擋籽板間距為后邊距e1，另外兩條邊為圓弧，兩圓弧的圓心分別與外圈圓心重合，兩條圓弧的徑向間距為L2，外圓弧與外圈的邊距為外邊距e2。

為保證種子能以任意姿態(tài)順利進(jìn)入內(nèi)種道，并防止種子在內(nèi)種道滾動(dòng)過程中從入口處掉落，內(nèi)種道入口需滿足

(7)

式中R1——?dú)馕鼭L筒式穴播器外殼外徑，mm

依據(jù)本文選取的氣吸滾筒式穴播器和種子特征，將M=15、L′max=13.21 mm、W′max=6.33 mm、H′max=5.52 mm、φ=28°代入公式(7)得

(8)

參數(shù)e1、e2的取值與其余參數(shù)無關(guān)，結(jié)合前期試驗(yàn)結(jié)果，本文中e1、e2取1.5 mm，L1和L2的取值與R1和h有直接關(guān)系，R1與h的取值又相互制約，因此，L1、L2和R1的取值由h確定。

2.3.2內(nèi)種道出口設(shè)計(jì)

內(nèi)種道出口設(shè)置于內(nèi)種道前方，靠近前側(cè)隔板，與鴨嘴端部對(duì)應(yīng)，如圖7所示，內(nèi)種道出口采用矩形結(jié)構(gòu)，為保證種子以任意姿態(tài)順利經(jīng)過內(nèi)種道出口，且避開內(nèi)種道入口，內(nèi)種道出口結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)滿足

(9)

式中L——出口長度，mm

e——出口邊距，mm

R2——腰帶外圈半徑，mm

依據(jù)本文選取的氣吸滾筒式穴播器和種子特征，將M=15、L′max=13.21 mm、W′max=6.33 mm、H′max=5.52 mm代入公式(9)得

(10)

參數(shù)e的取值與其余參數(shù)無關(guān)，結(jié)合前述e1、e2的取值，本文中e取1.5 mm，L的取值范圍由R2和L1決定，而R2和L1的取值受h影響，L的取值由h確定。

綜上所述，安裝角對(duì)種子能否進(jìn)入二次投種機(jī)構(gòu)影響較大，二次投種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)L、L1、L2取值都和內(nèi)種道高度h有關(guān)，另外，經(jīng)前期研究，氣吸滾筒式穴播器作業(yè)速度對(duì)排種性能影響較大[8-9]，因此，安裝角、內(nèi)種道高度和作業(yè)速度作為二次投種機(jī)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)參數(shù)。

3 二次投種機(jī)構(gòu)仿真與排種過程分析

由于種子在氣吸滾筒式穴播器二次投種機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，采用EDEM虛擬仿真方法可以準(zhǔn)確分析二次投種機(jī)構(gòu)中種子顆粒的速度，模擬和記錄任一種子顆粒在任意位置的運(yùn)動(dòng)軌跡和參數(shù)，即能夠精確地模擬排種過程，并分析二次投種機(jī)構(gòu)的排種性能。

3.1 模型建立

根據(jù)對(duì)二次投種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果，在SolidWorks中建立二次投種機(jī)構(gòu)三維模型，連同氣吸滾筒式穴播器簡化模型一起導(dǎo)入EDEM中，EDEM中的簡化模型如圖8所示，模擬所需相關(guān)參數(shù)如表1所示[13,25]。為減少取種、清種和一次投種對(duì)排種性能的影響，對(duì)模型進(jìn)行簡化，特將顆粒工廠設(shè)置在取種盤投種孔處，并按固定時(shí)間間隔產(chǎn)生顆粒，保證單粒種子顆粒進(jìn)入分種盤內(nèi)，并在氣吸滾筒式穴播器下方設(shè)置600 mm×300 mm×200 mm的長方形接種箱，上方開口，可存儲(chǔ)鴨嘴釋放的種子顆粒。

表1 模擬所需物理和力學(xué)特性參數(shù)

設(shè)置氣吸滾筒式穴播器作業(yè)速度為3.46 km/h，內(nèi)種道高度為16.5 mm，仿真步長為0.01 s，仿真總時(shí)長10 s。

3.2 仿真結(jié)果分析

3.2.1種子運(yùn)動(dòng)軌跡分析

為分析種子運(yùn)動(dòng)軌跡，在EDEM后處理模塊添加Manual selection 01，選取1號(hào)種子顆粒，并選用Stream格式顯示，即可得到1號(hào)種子顆粒從投種到入土的軌跡曲線，如圖9所示。

該曲線共分為4個(gè)階段：一次投種區(qū)Ⅰ、種子徘徊區(qū)Ⅱ、種子跟隨區(qū)Ⅲ、二次投種區(qū)Ⅳ，除第Ⅰ階段曲線有波動(dòng)外，其余階段軌跡曲線較順滑。其中第Ⅰ階段軌跡曲線存在波動(dòng)是因?yàn)闅馕鼭L筒式穴播器的取種盤與外殼間距較大，種子靠自重下落與外殼發(fā)生碰撞被彈起，經(jīng)過2～3次碰撞后接近穩(wěn)定狀態(tài)，然后經(jīng)分種盤撥動(dòng)至外殼出口處，落入外種道；第Ⅱ階段軌跡曲線存在重疊，種子滾動(dòng)到外種道底部時(shí)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的內(nèi)種道中，由前述分析可知，內(nèi)、外種道部分重合，內(nèi)種道位于外種道后側(cè)，因此，種子進(jìn)入內(nèi)種道后，先落入內(nèi)種道底部，隨后再跟隨氣吸滾筒式穴播器轉(zhuǎn)動(dòng)，造成軌跡曲線部分重疊的現(xiàn)象；種子在第Ⅲ階段整體處于內(nèi)種道中，隨著氣吸滾筒式穴播器轉(zhuǎn)動(dòng)，種子重力G與x軸方向的夾角θ先減小后增大，造成重力G在x軸的分量Gx先增大后減小，種子進(jìn)入內(nèi)種道時(shí)，GxF，徑向力指向內(nèi)側(cè)，至此種子由外壁向內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)，隨后貼近內(nèi)壁轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)種子運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)時(shí)，θ減小為0，而后θ開始增大，Gx開始減小，直至運(yùn)動(dòng)到區(qū)域A時(shí)，Gx

3.2.2種子運(yùn)動(dòng)速度分析

為保證種子在二次投種機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)速度分析的有效性，選取上述1號(hào)種子顆粒，將Selection設(shè)置為Manual selection 01，x軸時(shí)間設(shè)置為0～5.0 s，y軸主屬性選取速度，生成1號(hào)種子速度曲線，如圖10所示。

圖中前4個(gè)階段與種子運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)應(yīng)，0.3 s時(shí)種子顆粒產(chǎn)生，0.3～0.9 s種子處于一次投種區(qū)Ⅰ，速度呈先增大后減小，后續(xù)波動(dòng)狀態(tài)，由圖9可知，這一現(xiàn)象是由于種子脫離取種盤后僅受重力作用，做自由落體運(yùn)動(dòng)，速度迅速升高，當(dāng)與外殼或分種盤接觸時(shí)速度迅速減小，發(fā)生碰撞后種子被彈起，速度出現(xiàn)小幅升高后回落，與種子運(yùn)動(dòng)軌跡曲線相吻合；0.9～1.1 s時(shí)處于種子徘徊區(qū)Ⅱ，種子速度先減小后增大，該階段的速度波動(dòng)是因?yàn)榉N子隨氣吸滾筒式穴播器運(yùn)動(dòng)速度與種子進(jìn)入內(nèi)種道速度相抵消，出現(xiàn)速度減小的情況，當(dāng)落至內(nèi)種道底部后速度開始增大，直到與氣吸滾筒式穴播器的線速度相同；1.1～2.6 s時(shí)進(jìn)入種子跟隨區(qū)Ⅲ，種子速度整體平穩(wěn)，在2.25 s時(shí)出現(xiàn)速度峰值，是因?yàn)榉N子到達(dá)區(qū)域A(圖9)時(shí)，受重力影響，種子從內(nèi)種道底部運(yùn)動(dòng)到頂部，出現(xiàn)一個(gè)加速過程，到達(dá)頂部后回落到與氣吸滾筒式穴播器同步；2.6～2.9 s進(jìn)入二次投種區(qū)Ⅳ，此時(shí)速度較跟隨區(qū)有所增大，是因?yàn)榉N子從二次投種機(jī)構(gòu)進(jìn)入鴨嘴中，種子所處的半徑增大，速度隨之增加；2.9 s后進(jìn)入自由落體區(qū)Ⅴ，該階段速度出現(xiàn)2個(gè)峰值，原因在于氣吸滾筒式穴播器下方設(shè)置接種箱，如圖8所示，種子從鴨嘴處排出后落入接種箱，出現(xiàn)第1個(gè)峰值，發(fā)生碰撞后彈起，出現(xiàn)第2個(gè)峰值。正常播種時(shí)種子從鴨嘴排出直接進(jìn)種穴，不會(huì)出現(xiàn)第Ⅴ階段的兩次速度變化，本文中之所以出現(xiàn)第Ⅴ階段，是為后續(xù)仿真試驗(yàn)做準(zhǔn)備工作。

3.2.3排種性能分析

漏播和重播現(xiàn)象是造成排種質(zhì)量下降的主要因素，觀察氣吸滾筒式穴播器工作過程中種子的分布位置，可以看出是否有漏播和重播現(xiàn)象的發(fā)生，如圖11所示。

從圖11中可以看出，種子所在位置與上述種子運(yùn)動(dòng)軌跡相吻合，除A和B處外，其余每穴滿足單粒播種要求。由圖11可知，該時(shí)刻A處存在重播和漏播現(xiàn)象，B處存在漏播現(xiàn)象，究其原因，主要是二次投種機(jī)構(gòu)安裝角問題，安裝角較大或較小，種子將會(huì)掉入前或后的外種道中，造成漏播和重播，當(dāng)安裝角較大時(shí)，由于外殼開口與前外種道擋籽板距離較近，較易造成前種穴重播，相反，安裝角較小時(shí)，外殼開口距離后外種道擋籽板較近，易造成后種穴重播，如A1所示。另外，當(dāng)氣吸滾筒式穴播器作業(yè)速度較大時(shí)，分種盤撥動(dòng)種子的沖擊力較大，造成種子飛進(jìn)前外種道中，造成該種穴漏播，前種穴重播，如A2所示。

基于仿真結(jié)果對(duì)氣吸滾筒式穴播器的排種性能進(jìn)行分析，在氣吸滾筒式穴播器下方設(shè)置與接種箱大小相同的Grid Bin Group，記錄任意時(shí)刻排出的顆粒數(shù)量并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，繪制成如圖12所示的折線圖來分析重播和漏播數(shù)量。從圖12中可以看出，整體呈線性上升趨勢(shì)，分析7.4～8.0 s(框選區(qū)域)的局部放大圖可知，折線存在上升突變和水平現(xiàn)象，分析數(shù)據(jù)可知，折線突變上升是由于該穴種子超過1粒，確定為重播，而折線水平則表示該穴無種子，為漏播。另外圖中3.95、5.45、6.25 s時(shí)出現(xiàn)漏播，在4.45 s時(shí)出現(xiàn)重播?；诖?，可對(duì)仿真周期進(jìn)行排種性能分析，得到漏播指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2、合格指數(shù)Y0。

4 仿真試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

為了對(duì)二次投種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用離散元仿真方法對(duì)不同參數(shù)的氣吸滾筒式穴播器進(jìn)行三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，以安裝角、作業(yè)速度、內(nèi)種道高度為試驗(yàn)因素，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)。以理論分析和仿真分析結(jié)果為依據(jù)，設(shè)定各因素零水平值，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼

通過Design-Expert數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，如表3所示。按照每個(gè)試驗(yàn)序號(hào)的參數(shù)要求，調(diào)整安裝角、作業(yè)速度和內(nèi)種道高度，在SolidWorks中完成二次投種機(jī)構(gòu)的建模，在EDEM中設(shè)定作業(yè)速度，并設(shè)定種子顆粒產(chǎn)生總數(shù)為200個(gè)，仿真總時(shí)間10 s。每組試驗(yàn)分別提取顆粒數(shù)量數(shù)據(jù)，繪制圖12所示的排種性能分析曲線，計(jì)算漏播指數(shù)、重播指數(shù)和合格指數(shù)，并記入試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示(X1、X2、X3為因素編碼值)。

表3 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過Design-Expert軟件對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，確定了各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，分別建立合格指數(shù)Y0、漏播指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2的回歸方程為

(11)

(12)

(13)

回歸方程方差和顯著性分析結(jié)果如表4所示。由方差和顯著性分析結(jié)果可知，合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)模型的擬合度極顯著(P<0.01)，安裝角、作業(yè)速度和內(nèi)種道高度對(duì)3個(gè)指標(biāo)的影響顯著，且部分因素存在兩兩交互作用，3個(gè)指標(biāo)的回歸方程失擬不顯著(P>0.05)，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合良好。影響合格指數(shù)和漏播指數(shù)的主次順序?yàn)榘惭b角、作業(yè)速度、內(nèi)種道高度，影響重播指數(shù)的主次順序?yàn)榘惭b角、內(nèi)種道高度、作業(yè)速度。

表4 回歸方程顯著性分析

通過Design-Expert軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到安裝角、作業(yè)速度和內(nèi)種道高度之間的顯著和極顯著交互作用對(duì)3個(gè)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖13所示。

由圖13a可知，當(dāng)安裝角一定時(shí)，合格指數(shù)隨內(nèi)種道高度增加呈先升高后降低的趨勢(shì)，是因?yàn)閮?nèi)種道高度過小容易造成種子卡在內(nèi)種道，不能翻滾進(jìn)入鴨嘴中，造成漏播指數(shù)增大，而內(nèi)種道高度過大則會(huì)增大氣吸滾筒式穴播器整體尺寸，種子的活動(dòng)區(qū)域增大，不能保證種子按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)，造成合格指數(shù)降低。內(nèi)種道高度一定時(shí)，隨著安裝角的增大，合格指數(shù)同樣呈先升高后降低的趨勢(shì)，且安裝角較大時(shí)，合格指數(shù)快速降低，是由于此時(shí)外殼開口與前外種道擋籽板距離較近，較易造成漏播指數(shù)和重播指數(shù)增大。由圖13b可知，當(dāng)安裝角一定時(shí)，隨著作業(yè)速度的增大，漏播指數(shù)先緩慢降低后迅速升高，反之亦然，安裝角和作業(yè)速度對(duì)漏播指數(shù)的影響基本一致，在安裝角和作業(yè)速度都偏小時(shí)出現(xiàn)漏播指數(shù)最小值。由圖13c可知，當(dāng)安裝角一定時(shí)，隨著內(nèi)種道高度的增大，重播指數(shù)先降低后升高，反之亦然，從圖中可看出安裝角對(duì)重播指數(shù)的影響較內(nèi)種道高度大，安裝角和內(nèi)種道高度取中間值時(shí)出現(xiàn)漏播指數(shù)最小值。

4.3 參數(shù)優(yōu)化

各因素以及因素間的交互作用對(duì)氣吸滾筒式穴播器排種性能影響較大，為了獲得最佳排種性能，以較低的漏播指數(shù)、重播指數(shù)和較高的合格指數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)氣吸滾筒式穴播器作業(yè)速度、二次投種機(jī)構(gòu)安裝角和內(nèi)種道高度進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(14)

通過計(jì)算得到最優(yōu)結(jié)果為：安裝角10.95°、作業(yè)速度3.29 km/h、內(nèi)種道高度16.68 mm，此時(shí)合格指數(shù)為98.40%，漏播指數(shù)為0.85%，重播指數(shù)為0.75%。

5 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)優(yōu)化后參數(shù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)考察二次投種機(jī)構(gòu)的工作性能，在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濟(jì)陽試驗(yàn)基地進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖14所示。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，以作業(yè)速度、安裝角、內(nèi)種道高度為試驗(yàn)因素，以合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)置5組重復(fù)試驗(yàn)，如表5所示。其中A、B、C、D組為對(duì)照樣本，A組為普通穴播器；B組的主要參數(shù)接近表2的零水平，C組和D組的參數(shù)選擇表2中各因素的±1.682水平，E組為裝有優(yōu)化后二次投種機(jī)構(gòu)的氣吸滾筒式穴播器。

表5 田間試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為減小不同種子對(duì)試驗(yàn)的影響，所有試驗(yàn)均采用新陸早42號(hào)，吸種負(fù)壓為-3 kPa，試驗(yàn)效果如圖14所示。每次試驗(yàn)選取播種行的4個(gè)測(cè)量段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每段測(cè)量20個(gè)種子，每兩段相距30 m，并重復(fù)試驗(yàn)3次，記錄3次測(cè)量平均值，計(jì)算出合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)，如圖15所示。

圖15中均為各組試驗(yàn)指標(biāo)的均值，并統(tǒng)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)偏差。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，E組合格指數(shù)最高，與B組較為接近，C組合格指數(shù)最低，漏播指數(shù)和重播指數(shù)最高，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，排種性能不穩(wěn)定。D組重播指數(shù)與B組相近，但漏播指數(shù)較高，造成合格指數(shù)較低。E組合格指數(shù)為98.06%，但也小于仿真分析的最優(yōu)結(jié)果98.40%，是因?yàn)闅馕鼭L筒式穴播器工作過程中受振動(dòng)及取種、清種過程影響，使合格指數(shù)有所下降。

由圖15可知，裝有優(yōu)化后二次投種機(jī)構(gòu)的氣吸滾筒式穴播器的合格指數(shù)98.06%，較普通穴播器合格指數(shù)95.85%提升了2.21個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)還可以看出，C、D、E組的3個(gè)指標(biāo)相差較大，說明二次投種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氣吸滾筒式穴播器的排種性能影響較大。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了氣吸滾筒式穴播器的二次投種機(jī)構(gòu)，通過分析影響二次投種機(jī)構(gòu)投種性能的主要因素，確定了二次投種機(jī)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)為安裝角、內(nèi)種道高度和作業(yè)速度。二次投種機(jī)構(gòu)如同一個(gè)紐帶，將取種盤與鴨嘴連接起來，賦予了種子一定的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而確保種子落入對(duì)應(yīng)的種穴內(nèi)，在降低投種點(diǎn)高度的同時(shí)延長了投種時(shí)間，提高了穴粒數(shù)的準(zhǔn)確度。

(2)通過EDEM分析了二次投種機(jī)構(gòu)的排種過程和重播、漏播的產(chǎn)生原因，得到種子在二次投種機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度變化曲線。以合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行了三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合仿真試驗(yàn)和多目標(biāo)優(yōu)化分析，確定了影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的主要因素，并得到二次投種機(jī)構(gòu)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)為：安裝角10.95°、作業(yè)速度3.29 km/h、內(nèi)種道高度16.68 mm。

(3)進(jìn)行了氣吸滾筒式穴播器田間對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，二次投種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排種性能影響較大，優(yōu)化后的穴播器合格指數(shù)為98.06%，比普通穴播器提升了2.21個(gè)百分點(diǎn)。