王業(yè)成 高云鵬 臺(tái)文碩 王 宇 呂金慶 楊德秋

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

機(jī)械化播種是馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)的必經(jīng)之路[1-4]。排種器是播種機(jī)的核心部件，高效、可靠的排種器是確保馬鈴薯種植質(zhì)量與效率的關(guān)鍵[5-9]。

目前我國北方一季作區(qū)馬鈴薯播種主要采用搭載舀勺式排種器的播種機(jī)進(jìn)行作業(yè)。舀勺式排種器在攜種過程中，種薯在舀勺內(nèi)處于單面約束狀態(tài)，易受外界振動(dòng)擾動(dòng)而脫離舀勺，造成漏播；清種過程中不同質(zhì)量種薯受到相同的清種振動(dòng)強(qiáng)度，影響了排種作業(yè)質(zhì)量[10-13]。為此，學(xué)者對(duì)舀勺式馬鈴薯排種器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。呂金慶等[14]設(shè)計(jì)了一種舀勺式馬鈴薯播種機(jī)清種裝置，降低了播種機(jī)重播指數(shù)；韓恒等[15]分析了影響帶勺式馬鈴薯播種機(jī)工作性能的因素，為馬鈴薯播種機(jī)設(shè)計(jì)及其參數(shù)調(diào)整提供了參考；黃勇等[16]對(duì)帶勺式馬鈴薯排種器工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了作業(yè)質(zhì)量。

舀勺式馬鈴薯排種器要求舀勺幾何參數(shù)與種薯大小相匹配，近年來國內(nèi)外學(xué)者對(duì)馬鈴薯其它排種方式也進(jìn)行了研究[17-22]，劉文政等[23]基于受迫振動(dòng)原理設(shè)計(jì)了一種振動(dòng)排序播種裝置，為微型薯等大顆粒種子相關(guān)播種裝置的設(shè)計(jì)提供了參考；侯加林等[24]設(shè)計(jì)了一種氣力托勺式馬鈴薯精量排種器，降低了排種器高速作業(yè)時(shí)的功耗；王鳳花等[25]針對(duì)丘陵山地小地塊播種需求，設(shè)計(jì)了一種單行氣吸式微型薯精密播種機(jī)，降低了播種機(jī)傷種率。

本文設(shè)計(jì)一種指夾式馬鈴薯精密排種器，通過控制夾板的開合與擺動(dòng)進(jìn)行排種作業(yè)，在攜種過程中實(shí)現(xiàn)夾板對(duì)種薯的可靠夾持，在清種過程中通過夾板擺動(dòng)來改變夾板對(duì)種薯的約束狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)種薯的單粒夾持。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

如圖1所示，指夾式馬鈴薯精密排種器主要由殼體、主軸、排種盤、夾持機(jī)構(gòu)、護(hù)種板、限位環(huán)、滑道、清種滾輪等組成。排種盤通過主軸安裝在殼體上；夾持機(jī)構(gòu)通過板簧安裝在排種盤上；滑道、限位環(huán)、清種滾輪、護(hù)種板固裝在殼體上。

如圖1d所示，夾持機(jī)構(gòu)由夾板、拐臂、滾輪、套筒、限位板、扭簧、清種開關(guān)等組成。夾板固裝在拐臂端部，拐臂可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在套筒內(nèi)，套筒通過板簧安裝在排種盤上；滾輪可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在套筒端部，與滑道配合構(gòu)成一套凸輪機(jī)構(gòu)，用于控制夾板的移動(dòng)；清種開關(guān)固裝在拐臂尾部，與清種滾輪配合構(gòu)成一套反凸輪機(jī)構(gòu)，用于控制拐臂在套筒內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使夾板相對(duì)排種盤具有平移、轉(zhuǎn)動(dòng)2個(gè)自由度，夾板可分別進(jìn)行開合、擺動(dòng)2種運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)種薯的夾持和對(duì)多余種薯的清除功能。

1.2 工作原理

如圖2所示，排種器工作過程分為充種、夾種、清種、攜種、投種5個(gè)工作過程。

如圖3a所示，充種過程中夾持機(jī)構(gòu)上的滾輪在滑道作用下帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使夾板處于開啟狀態(tài)，馬鈴薯種薯通過殼體上的進(jìn)種口進(jìn)入殼體內(nèi)，在自身重力及種薯間相互擠壓力作用下，落入到夾板、排種盤之間的夾持空間內(nèi)，完成充種過程；夾持空間內(nèi)的種薯在夾板、排種盤的帶動(dòng)下隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3b所示，當(dāng)夾持機(jī)構(gòu)上的滾輪與滑道脫離，夾板在板簧彈力作用下閉合，將夾持空間內(nèi)的種薯夾持，完成夾種過程；如圖3c所示，清種過程中夾持機(jī)構(gòu)上的清種開關(guān)依次與殼體上的3個(gè)清種滾輪接觸、分離，當(dāng)清種開關(guān)與清種滾輪接觸時(shí)，清種開關(guān)帶動(dòng)拐臂與夾板繞套筒中心線轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)清種開關(guān)與清種滾輪分離時(shí)，夾板等在扭簧彈力作用下繞套筒中心線反向轉(zhuǎn)動(dòng)，使夾板恢復(fù)到初始位置，從而實(shí)現(xiàn)夾板的擺動(dòng)。

若夾板與排種盤之間夾持1個(gè)種薯，清種時(shí)夾板的擺動(dòng)僅改變夾板對(duì)種薯夾持力方向，種薯所受夾持力大小受到板簧彈力控制基本保持不變，保證了單個(gè)種薯的可靠夾持；若夾板與排種盤之間夾持2個(gè)種薯，夾板的擺動(dòng)將使其中1個(gè)種薯與夾板之間的距離發(fā)生改變，如圖3c所示，右側(cè)種薯將失去夾板與排種盤的約束限制，夾持力變?yōu)?，多余種薯在自身重力作用下將脫離夾持空間，完成清種過程；如圖3a所示，投種過程中滾輪與滑道接觸，帶動(dòng)夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使夾板開啟，夾持空間內(nèi)的種薯喪失夾持力，在自身重力作用下通過殼體上的投種口落入種溝內(nèi)，完成投種過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排種盤極限線速度

種薯從進(jìn)種口進(jìn)入到殼體內(nèi)，在自身重力及種薯間相互擠壓力作用下進(jìn)入夾板與排種盤之間的夾持空間，夾板、排種盤以線速度v運(yùn)動(dòng)，當(dāng)夾板邊緣的種薯下落自身尺寸的2/3時(shí)，認(rèn)為充填是可靠的[21-22,26]，如圖4所示，可知排種盤極限線速度

(1)

(2)

式中vg——排種盤極限線速度，m/s

D——相鄰兩夾板間的距離，m

vm——播種機(jī)作業(yè)速度，m/s

S——播種株距，m

Z——夾持機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)，個(gè)

d——種薯直徑，m

R——排種盤半徑，m

由式(1)可知，當(dāng)種薯直徑d一定時(shí)，通過增大相鄰兩夾板間的距離D可以提高排種盤極限線速度。播種株距按200 mm計(jì)算，綜合考慮排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大及排種器內(nèi)部空間限制，選取排種盤直徑為500 mm、夾持機(jī)構(gòu)個(gè)數(shù)為10個(gè)，由式(1)、(2)可知，此時(shí)排種盤極限線速度為1.6 m/s，播種機(jī)極限作業(yè)速度為7.4 km/h。

2.2 清種位置分析

清種時(shí)，夾持機(jī)構(gòu)在清種滾輪作用下使夾板擺動(dòng)，當(dāng)夾板夾持2個(gè)種薯時(shí)，夾板擺動(dòng)使其中1個(gè)種薯與夾板間距離發(fā)生變化，導(dǎo)致其喪失夾持力，在自身重力作用下以拋物線軌跡脫離夾板與排種盤之間的夾持空間，多余種薯在下落過程中應(yīng)保證不會(huì)落入護(hù)種板與殼體構(gòu)成的攜種通道內(nèi)，避免造成重播。如圖5所示，以排種盤中心為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系，種薯下落運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中x0、y0——種薯脫離夾持空間時(shí)橫、縱坐標(biāo)，m

t——種薯脫離夾持空間后運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

v0——種薯脫離夾持空間速度(排種盤線速度)，m/s

vx、vy——種薯下落過程中水平、豎直方向分速度，m/s

θ——種薯脫離位置與水平方向夾角，(°)

如圖5所示，當(dāng)種薯脫離夾持空間后的下落軌跡低于護(hù)種板上端頂點(diǎn)A(x1，y1)時(shí)，可保證種薯下落過程中不會(huì)落入護(hù)種板與殼體構(gòu)成的攜種通道內(nèi)而造成重播，即當(dāng)x=x1時(shí)，要求護(hù)種板上端頂點(diǎn)A與種薯的豎直距離(以下簡(jiǎn)稱距離)h=y1-y>0。

當(dāng)護(hù)種板上端頂點(diǎn)A坐標(biāo)取(-120 mm，120 mm)時(shí)，由式(3)計(jì)算獲得距離h變化曲線，如圖6a所示(播種機(jī)作業(yè)速度為4、6、8、10 km/h時(shí)，排種盤線速度為0.87、1.31、1.74、2.18 m/s)。距離h隨種薯脫離位置與水平方向夾角θ(以下簡(jiǎn)稱夾角)的增大而減小，隨排種盤線速度v0的增大而減小。在點(diǎn)A位置確定時(shí)，較小的夾角θ可以使排種器在較高的排種盤線速度下滿足距離h>0，即避免多余種薯落入攜種通道；較大的夾角θ可以增大清種過程工作區(qū)域，提高清種作業(yè)質(zhì)量。

當(dāng)多余種薯掉落過程中處于距離h=0的臨界狀態(tài)時(shí)，由式(3)計(jì)算獲得夾角θ隨頂點(diǎn)A縱坐標(biāo)y1的變化曲線，如圖6b所示。夾角θ隨護(hù)種板上端頂點(diǎn)A縱坐標(biāo)y1的增加先緩慢增大后減小。在相同排種盤線速度下，在頂點(diǎn)A縱坐標(biāo)y1為0～120 mm時(shí)，對(duì)夾角θ影響較小。

考慮殼體內(nèi)種薯高度，取點(diǎn)A坐標(biāo)(-130 mm，110 mm)、排種盤線速度為1.31 m/s(播種機(jī)作業(yè)速度6 km/h)、夾角θ區(qū)間為0°<θ<50°時(shí)，可以滿足距離h=y1-y>0，即脫離夾持空間的種薯下落過程中不會(huì)落入攜種通道內(nèi)。同時(shí)在清種區(qū)域及攜種通道入口處安裝毛刷，提高未夾持的多余種薯分離速度，防止多余種薯進(jìn)入攜種通道，以降低重播指數(shù)。

2.3 夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)是排種器的核心工作部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響排種器作業(yè)質(zhì)量。

2.3.1夾板

夾板與種薯直接接觸，其結(jié)構(gòu)參數(shù)決定夾持空間的大小，應(yīng)在滿足對(duì)種薯可靠夾持的條件下，減少多個(gè)種薯的夾持。

如圖7a所示，夾板的長(zhǎng)、寬分別為l1、b1。增大夾板長(zhǎng)度l1，可以增大夾持空間長(zhǎng)度，便于種薯夾持，提高充種性能。如圖7b所示，當(dāng)夾持空間內(nèi)的種薯左側(cè)與板狀拐臂相接觸、下側(cè)與殼體相接觸時(shí)，種薯在沿夾板平面長(zhǎng)、寬、對(duì)角線方向可能重疊充填。當(dāng)沿著夾板長(zhǎng)度l1方向夾持2個(gè)種薯時(shí)，清種過程中夾板繞套筒中心線擺動(dòng)，導(dǎo)致左側(cè)種薯與夾板之間的距離發(fā)生變化，使其失去夾板與排種盤約束限制而被清除。如圖7c所示，夾板的對(duì)角線方向具有最大幾何尺寸，當(dāng)種薯沿夾板對(duì)角線方向左上右下重疊充填時(shí)，夾板擺動(dòng)可以將左側(cè)種薯2清除，同時(shí)適當(dāng)增大夾板左上、右下圓角，減小該方向的幾何尺寸，可降低重疊充填的概率；如圖7d所示，當(dāng)種薯沿夾板對(duì)角線方向左下右上重疊充填時(shí)，右側(cè)種薯1將限制左側(cè)種薯2脫離夾持空間，可增大夾板右上方圓角，減小該方向幾何尺寸，從而減少重疊充填。結(jié)合種薯幾何尺寸，取夾板寬度b1為35 mm、左上圓角R1為15 mm、右上圓角R2為20 mm，夾板長(zhǎng)度參考現(xiàn)有文獻(xiàn)選擇其長(zhǎng)度范圍為大于馬鈴薯種薯最大幾何尺寸，小于2倍的馬鈴薯種薯最小幾何尺寸[27]，具體尺寸由試驗(yàn)確定。

為避免充種過程中夾板與種薯擠壓及碰撞造成傷種，對(duì)夾板所有棱邊采取倒圓角處理，并在夾板表面包裹1 mm厚的聚烯烴材料。

2.3.2板簧

夾持機(jī)構(gòu)通過板簧安裝在排種盤上，種薯所受到的夾持力由板簧彈性形變所提供，夾持力大小確定原則為在種薯可靠夾持的條件下避免損傷。

夾持機(jī)構(gòu)在夾種、攜種階段僅受到種薯對(duì)夾板的作用力F，夾持機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖8所示。

位移z、夾板轉(zhuǎn)角θ1及其比值為

(4)

(5)

(6)

其中

k=l2/b

式中l(wèi)2——板簧長(zhǎng)度，m

b——夾持機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度，m

E——板簧彈性模量，Pa

I——板簧慣性矩，m4

由式(4)可知，當(dāng)材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)不變時(shí)，位移z與種薯對(duì)夾板的作用力F成正比，尺寸較大的種薯將受到較大的夾持力。當(dāng)位移z一定時(shí)，減小板簧慣性矩I、增加夾持機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度b，可以降低種薯對(duì)夾板的作用力F，即降低夾持機(jī)構(gòu)的剛度。選取較小的夾持機(jī)構(gòu)剛度可以減小初始夾持力與最大夾持力的差值，避免夾持力大幅度變化，影響種薯夾持可靠性。

清種時(shí)，3個(gè)清種滾輪依次與夾持機(jī)構(gòu)的清種開關(guān)接觸與分離，清種滾輪對(duì)清種開關(guān)作用脈動(dòng)力F1使夾板擺動(dòng)清種。清種過程中，應(yīng)減小清種滾輪對(duì)種薯夾持力的擾動(dòng)，保證種薯可靠夾持。

如圖8所示，夾持機(jī)構(gòu)在清種階段受到種薯對(duì)夾板的作用力F、清種滾輪對(duì)清種開關(guān)的作用力F1。按照疊加法僅考慮力F1引起夾板的位移z2，通過位移z2變化來分析清種階段清種滾輪對(duì)種薯夾持力F的影響。清種滾輪僅在力F1作用時(shí)夾板位移

(7)

式中a——清種開關(guān)到套筒端部距離，m

由式(7)可知，減小清種滾輪對(duì)清種開關(guān)的作用力F1、增大板簧剛度EI，可以減小位移z2。當(dāng)清種滾輪對(duì)清種開關(guān)的作用力F1一定時(shí)，選取適當(dāng)?shù)那宸N開關(guān)到套筒端部距離a，可以使位移z2為0，當(dāng)力F1作用于該位置時(shí)可以減小清種過程中清種滾輪對(duì)夾板位移的影響，從而減弱清種滾輪對(duì)種薯夾持力的擾動(dòng)。

夾板與排種盤間的距離受限位環(huán)、滑道、板簧的控制，其中限位環(huán)限制夾板與排種盤之間最小距離，參考種薯幾何尺寸，取夾板與排種盤之間最小距離為20 mm，此時(shí)板簧提供夾持力最小，取為2 N，從而確定夾板位移z的初始值(即板簧的預(yù)變形)；取充種階段夾板與排種盤之間距離為60 mm，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)最小尺寸為20～60 mm種薯的充填與夾持；為了使種薯可靠地脫離夾持空間完成投種，投種階段夾板與排種盤之間距離大于充種階段，取投種階段夾板與排種盤之間距離為70 mm。

受排種器結(jié)構(gòu)尺寸限制，取夾持機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度b=200 mm，板簧為65號(hào)彈簧鋼，其厚度為0.5 mm、寬度為32 mm、長(zhǎng)度l2=80 mm。取夾板位移z為49～89 mm，此時(shí)板簧提供夾持力F為2.0～3.6 N。

2.4 滑道設(shè)計(jì)

夾持機(jī)構(gòu)上的滾輪與滑道構(gòu)成力封閉凸輪機(jī)構(gòu)，控制夾持機(jī)構(gòu)的開啟、閉合，實(shí)現(xiàn)充種、夾種、投種過程，是排種器的關(guān)鍵控制部件。

充種階段，夾持機(jī)構(gòu)在滑道的控制下處于開啟狀態(tài)，夾板與排種盤構(gòu)成恒定大小的充種空間；夾種階段滾輪與滑道分離，夾板在板簧彈性力作用下閉合(回程)，夾持種薯；回程過程中夾板應(yīng)逐漸閉合，避免種薯受到較大沖擊，減小碰撞、振動(dòng)對(duì)夾種性能的影響；投種階段夾持機(jī)構(gòu)在滑道控制下開啟(推程)，種薯失去夾持力，在自身重力作用下從投種口落出，完成投種過程。為了保證種薯可靠脫離夾持空間，投種階段夾板的開啟位移應(yīng)大于充種階段；為了使不同幾何尺寸種薯在相同位置投種，推程過程夾板開啟需要有足夠的打開速度，通過縮短夾板開啟時(shí)間，減小投種過程對(duì)種薯下落軌跡的干擾。

推程采用一次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律控制夾板高速開啟，回程采用正弦加速度規(guī)律控制夾板低速閉合，其方程為

(8)

式中S1——投種過程推程位移，m

S2——夾種過程回程位移，m

δ——滾輪繞主軸的旋轉(zhuǎn)相位角，(°)

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料選用東北地區(qū)廣泛種植的東農(nóng)311馬鈴薯種薯，對(duì)種薯采取切芽塊處理，如圖9所示，具體切芽塊操作為：50～60 g種薯不切塊；60～100 g種薯切2塊；100～150 g種薯切3塊[10]，種薯幾何參數(shù)如表1所示。

表1 馬鈴薯種薯參數(shù)Tab.1 Parameters of potato seed

其中種薯最大尺寸為種薯所在空間兩平行面最大距離，最小尺寸為種薯所在空間兩平行面最小距離，尺寸比為種薯最大尺寸與最小尺寸的比值[28]。

試驗(yàn)在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種器實(shí)驗(yàn)室實(shí)施。如圖10所示，試驗(yàn)裝置主要由指夾式馬鈴薯精密排種器、JPS-12型排種器性能試驗(yàn)臺(tái)組成。

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)農(nóng)藝要求選取馬鈴薯種薯播種理論株距為200 mm。參考GB/T 6242—2006《種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī) 試驗(yàn)方法》和GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，選取種床帶速度、清種位移、夾板長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素，以合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中清種位移為夾持機(jī)構(gòu)受到清種滾輪作用時(shí)，夾板擺動(dòng)過程中其前、后端到排種盤距離差的最大值，試驗(yàn)過程中，清種位移通過改變清種滾輪安裝位置進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。在試驗(yàn)過程中，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次連續(xù)記錄自排種器穩(wěn)定工作時(shí)起種床帶上連續(xù)排出的150個(gè)種薯，取3次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表2 試驗(yàn)因素編碼Tab.2 Coding of experimental factors

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1試驗(yàn)結(jié)果

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)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.3 Experiment design and results

應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)回歸模型進(jìn)行方差分析[29]，如表4所示，模型P值均小于0.01，表明模型極顯著，失擬項(xiàng)P值均大于0.05，表明失擬項(xiàng)不顯著，其中種床帶速度對(duì)合格指數(shù)具有極顯著影響，清種位移、夾板長(zhǎng)度對(duì)合格指數(shù)具有顯著影響，影響由大到小依次為種床帶速度、夾板長(zhǎng)度、清種位移；各因素對(duì)重播指數(shù)均具有極顯著影響，影響由大到小依次為種床帶速度、清種位移、夾板長(zhǎng)度；各因素對(duì)漏播指數(shù)均具有極顯著影響，影響由大到小依次為夾板長(zhǎng)度、清種位移、種床帶速度。略去不顯著項(xiàng)，分別得到各指標(biāo)的回歸模型

表4 方差分析Tab.4 Results of variance analysis

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(10)

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3.3.2各因素對(duì)各指標(biāo)的影響分析

如圖11a、12a、13a所示，當(dāng)清種位移取9.0 mm時(shí)，合格指數(shù)隨種床帶速度的增加而降低，重播指數(shù)隨種床帶速度的增加而升高，漏播指數(shù)隨種床帶速度的增加而升高，主要是因?yàn)楫?dāng)種床帶速度升高時(shí)，清種過程中失去夾持力的種薯掉出夾持空間的可用時(shí)間減少，造成排種器清種性能下降，重播指數(shù)升高，同時(shí)充種過程中種薯進(jìn)入夾持空間的可用時(shí)間減少，造成排種器充種性能下降，漏播指數(shù)升高。當(dāng)種床帶速度取6 km/h時(shí)，合格指數(shù)隨清種位移的增加先升高后降低，重播指數(shù)隨清種位移的增加而降低，漏播指數(shù)隨清種位移的增加而升高，主要是由于當(dāng)清種位移較小時(shí)，夾板擺動(dòng)幅度無法使多余種薯脫離夾持空間，重播指數(shù)較高，隨著清種位移的增加，排種器清種性能不斷增強(qiáng)，重播指數(shù)降低造成合格指數(shù)升高，隨著清種位移進(jìn)一步增大，部分夾持不牢靠的種薯，在清種過程被錯(cuò)誤清除，導(dǎo)致漏播指數(shù)升高，合格指數(shù)下降。

如圖11b、12b、13b所示，當(dāng)種床帶速度取6 km/h時(shí)，合格指數(shù)隨夾板長(zhǎng)度的增加先升高后降低，重播指數(shù)隨夾板長(zhǎng)度的增加而升高，漏播指數(shù)隨夾板長(zhǎng)度的增加而降低；當(dāng)夾板長(zhǎng)度取70 mm時(shí)，合格指數(shù)隨種床帶速度的上升而降低，重播指數(shù)隨種床帶速度的升高而升高，漏播指數(shù)隨種床帶速度的升高而升高。

如圖11c、12c、13c所示，當(dāng)清種位移取9 mm時(shí)，合格指數(shù)隨夾板長(zhǎng)度的增加先升高后降低，重播指數(shù)隨夾板長(zhǎng)度的增加而升高，漏播指數(shù)隨夾板長(zhǎng)度的增加而降低，主要是由于當(dāng)夾板較短時(shí)，幾何尺寸較大的種薯難以被穩(wěn)定夾持，造成漏播指數(shù)升高、合格指數(shù)降低，隨著夾板長(zhǎng)度的增大，夾板與排種盤構(gòu)成的夾持空間長(zhǎng)度增大，排種器充種性能增強(qiáng)，使漏播指數(shù)降低合格指數(shù)升高。隨著夾板長(zhǎng)度的進(jìn)一步增大，在充種過程中夾持2個(gè)種薯的概率增加，在相同的清種效率下，重播指數(shù)升高、合格指數(shù)降低；在夾板長(zhǎng)度取70 mm時(shí)，合格指數(shù)隨清種位移的增加先升高后降低，重播指數(shù)隨清種位移的增加而降低，漏播指數(shù)隨清種位移的增加而升高。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

在滿足排種作業(yè)速度要求的前提下獲得較大的合格指數(shù)，較小的重播指數(shù)和漏播指數(shù)，據(jù)此選取目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(12)

當(dāng)種床帶速度6.0 km/h、清種位移9.5 mm、夾板長(zhǎng)度72 mm時(shí)，排種器合格指數(shù)為90.3%、重播指數(shù)為6.2%、漏播指數(shù)為3.5%。

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果正確性，在上述參數(shù)組合試驗(yàn)條件下，進(jìn)行5次驗(yàn)證試驗(yàn)，得出合格指數(shù)平均值為90.3%、重播指數(shù)平均值為6.1%、漏播指數(shù)平均值為3.6%，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)果可信。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種指夾式馬鈴薯精密排種器，通過控制夾板的開合與擺動(dòng)進(jìn)行排種作業(yè)，在攜種過程中實(shí)現(xiàn)對(duì)種薯的可靠夾持，在清種過程中通過改變夾板對(duì)種薯的約束條件實(shí)現(xiàn)單粒夾持。

(2)對(duì)排種器主要工作過程進(jìn)行了分析，獲得了排種盤極限線速度和清種位置的變化規(guī)律。參考種薯幾何尺寸、質(zhì)量等參數(shù)，通過對(duì)夾持機(jī)構(gòu)受力分析，確定了夾板、板簧等關(guān)鍵部件的參數(shù)。

(3)采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)，建立了合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)的回歸模型，分析了各指標(biāo)的變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，當(dāng)種床帶速度為6.0 km/h、清種位移為9.5 mm、夾板長(zhǎng)度為72 mm時(shí)，排種器的合格指數(shù)為90.3%、重播指數(shù)為6.1%、漏播指數(shù)為3.6%，滿足播種技術(shù)要求。