謝東波 張春嶺 吳曉慶 王韋韋 劉立超 陳黎卿

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036)

0 引言

目前，我國(guó)大蒜主產(chǎn)區(qū)的播種方式仍舊以人工種植為主[1-2]，機(jī)械化率低嚴(yán)重制約了大蒜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。大蒜屬于中大籽粒種子，其形狀尺寸變異系數(shù)大,機(jī)械化取種時(shí)漏取及多取現(xiàn)象普遍存在[3]。針對(duì)大粒徑種子機(jī)械化播種的難題，學(xué)者展開了諸多研究，賴慶輝等[4]采用氣吸圓盤式排種器對(duì)云南麗薯6號(hào)微型薯進(jìn)行試驗(yàn)；侯加林等[5]針對(duì)氣吸式排種器播種馬鈴薯所需功耗較大等問題，設(shè)計(jì)了一款氣力托勺式馬鈴薯精量排種器。BAKHITIARI等[6]對(duì)大蒜進(jìn)行了物理和氣動(dòng)性分析；CHOI等[7]研發(fā)的大蒜播種機(jī)采用轉(zhuǎn)勺式取種，運(yùn)用鴨嘴機(jī)構(gòu)進(jìn)行插播；YANG等[8]采用勺帶式取種方式；侯加林團(tuán)隊(duì)[9-11]針對(duì)大蒜單粒取種問題，設(shè)計(jì)了鏈勺式取種裝置和輪勺式、龍爪式循環(huán)單粒取種裝置。此外在大蒜排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面也開展了研究[12-13]。綜上所述，在大蒜單粒播種方面已經(jīng)取得了較多成果，但通過分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的成果往往建立在對(duì)蒜種大小一致性要求較高基礎(chǔ)上，通過選種后再進(jìn)行播種，對(duì)蒜種品種要求較高。對(duì)于傳統(tǒng)雜交蒜的排種器設(shè)計(jì)研究還不深入，特別是如何能夠適應(yīng)一定尺寸變化的蒜種單粒排種設(shè)計(jì)尚需深入探討。

本文針對(duì)雜交蒜尺寸差異大而導(dǎo)致播種作業(yè)時(shí)出現(xiàn)單粒合格指數(shù)低及漏播指數(shù)高的問題，設(shè)計(jì)擾種齒輔助式充種大蒜排種器，以增加種子的活躍度，提高充種率。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

擾種齒輔助氣吸式大蒜排種器主要由種箱、排種盤、氣室、護(hù)種板、毛刷、刮種板和傳動(dòng)軸等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中擾種齒排種盤作為排種器的核心部件，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，在排種盤周向分布15個(gè)圓弧形擾種齒，聚氨酯材料擾種齒通過沉頭螺絲安裝于排種盤，其能對(duì)護(hù)種板上的雜交蒜種群造成擾動(dòng)并破壞其穩(wěn)定堆積狀態(tài)，從而達(dá)到促進(jìn)充種的作用。

圖1 氣吸式大蒜排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic garlic seed-discharging device1.氣室 2.密封圈 3.排種盤 4.擾種齒 5.清種毛刷 6.種箱 7.鏈輪 8.軸承1 9.護(hù)種板 10.毛刷 11.軸承2 12.排種軸

圖2 擾種齒排種盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of structure of seeding disc1.擾種齒 2.型孔

圖3 排種盤分區(qū)示意圖Fig.3 Diagram of division of row seed plate

1.2 排種器工作原理

排種器在工作時(shí)，位于種箱中的雜交蒜種由于重力作用進(jìn)入充種區(qū)后置于護(hù)種板上，在擾種齒圓周運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下將整個(gè)排種器分為4個(gè)區(qū)域:充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)和投種區(qū)，如圖3所示。擾種齒排種盤隨排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，位于排種盤上的擾種齒對(duì)護(hù)種板上的雜交蒜種群造成擾動(dòng)，破壞種群中雜交蒜種的穩(wěn)定堆積狀態(tài)，此時(shí)大蒜種子會(huì)快速填充在擾種齒之間的凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)均勻分布的氣孔會(huì)在氣室的負(fù)壓作用下快速將位于擾種齒間凹槽內(nèi)的蒜種吸附完成充種。在清種區(qū)，未吸附在吸孔上的蒜種由于自身重力和清種刷的協(xié)同作用，會(huì)從擾種齒間凹槽的內(nèi)側(cè)或外側(cè)再次返回充種區(qū)落在護(hù)種板，完成清種過程。進(jìn)入攜種區(qū)，穩(wěn)定吸附于排種盤的大蒜種子能夠隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入投種區(qū)，在投種區(qū)域時(shí)受氣室內(nèi)部隔斷負(fù)壓的作用，此時(shí)蒜種受到自身重力和離心力的作用立即與排種盤發(fā)生分離，完成一個(gè)播種過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1 排種盤直徑與型孔數(shù)確定

排種盤是排種器的核心部件，排種盤的直徑直接影響排種器的整體結(jié)構(gòu)及氣室壓強(qiáng)等參數(shù)的確定[14]。根據(jù)排種盤轉(zhuǎn)速與充種時(shí)間的關(guān)系可知

(1)

其中

式中t——充種時(shí)間，s

lc——充種區(qū)弧長(zhǎng)，m

v——型孔線速度，m/s

α——充種角，rad

d——排種盤直徑，m

n——排種盤轉(zhuǎn)速，r/min

r1——吸孔中心與排種盤邊沿的徑向距離，m

由式(1)可得

(2)

式(2)表明，充種角α和排種盤轉(zhuǎn)速n將直接影響到充種時(shí)間t，而排種盤直徑并不能影響到吸孔在充種區(qū)的滯留時(shí)間[15-17]。由于雜交蒜種粒徑較大且呈現(xiàn)不規(guī)則的狀態(tài)，同時(shí)考慮到排種器與配套播種機(jī)作業(yè)速度的配合關(guān)系及種箱容積，本文所設(shè)計(jì)排種盤直徑為0.30 m，厚度5 mm，材料為45號(hào)鋼。

型孔數(shù)是確定排種盤轉(zhuǎn)速的重要因素。根據(jù)大蒜的大田種植密度為60株/m2，株距8～12 cm的農(nóng)藝要求,在已知排種盤直徑為0.30 m的情況下,其型孔數(shù)量k的計(jì)算公式為

(3)

式中va——播種機(jī)速度，m/s

lz——株距，m

圖5 雜交蒜尺寸頻率分布直方圖Fig.5 Histograms of garlic size frequency distribution

由式(3)化簡(jiǎn)可得

(4)

由式(4)可知:型孔數(shù)量與排種盤轉(zhuǎn)速成反比，與播種機(jī)行走速度成正比?？紤]到雜交蒜的外形尺寸較大，吸種孔直徑亦隨之增大，通過對(duì)雜交蒜個(gè)體的外形尺寸統(tǒng)計(jì)分析得知其型孔直徑為6～9 mm，因此本文所設(shè)計(jì)的排種盤型孔直徑為6.5 mm，由式(4)可得擾種齒排種盤型孔數(shù)k為15，相鄰兩吸孔的中心角為24°。

2.2 排種盤擾種齒設(shè)計(jì)

大蒜的單粒取種是實(shí)現(xiàn)大蒜機(jī)械化播種的關(guān)鍵因素，但大蒜種子屬于中大粒徑種子，其形狀不規(guī)則、表面粗糙、尺寸變異系數(shù)大，極易產(chǎn)生顆粒堆積現(xiàn)象，因此結(jié)合大蒜的外形尺寸輪廓設(shè)計(jì)排種盤擾種齒，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括擾種齒的漸開線輪廓及擾種齒間的凹槽深度?，F(xiàn)以來(lái)安雜交蒜為例，每個(gè)蒜頭有蒜瓣12～13瓣，分兩層排列，外層蒜瓣大，內(nèi)層蒜瓣小，而且夾瓣多，平均單瓣約為4.0 g，如圖4所示。隨機(jī)挑選100粒飽滿的來(lái)安雜交蒜種進(jìn)行外形尺寸及質(zhì)量測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖4 大蒜切面圖Fig.4 Cut view of garlic

表1 蒜種三維尺寸Tab.1 Three dimensional dimensions of garlic species

分析表1數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計(jì)，得出頻率分布如圖5所示，雜交蒜的長(zhǎng)、寬和厚基本符合正態(tài)分布，以此作為擾種齒尺寸設(shè)計(jì)的依據(jù)。

為實(shí)現(xiàn)雜交蒜的單粒取種，在設(shè)計(jì)排種盤擾種齒間的凹槽時(shí)，應(yīng)滿足單粒取種且不堵塞的充種性能，參考雜交蒜弓形面尺寸，隨機(jī)挑選雜交蒜種，利用二值化提取雜交蒜外形輪廓如圖6所示。

圖6 大蒜輪廓二值化提取Fig.6 Binary extraction of garlic contour

在提取得出多條雜交蒜弓形面輪廓后，擬合如圖7所示的拋物線，圖中l(wèi)AB為某一點(diǎn)的切線，即可得到擬合方程的拋物線方程。

圖7 大蒜弓形面輪廓曲線Fig.7 Arch surface contour curve of garlic

拋物線曲線頂點(diǎn)過原點(diǎn)坐標(biāo)，即

(5)

式中x——漸開線橫坐標(biāo)，mm

y——漸開線縱坐標(biāo)，mm

p——拋物線的焦點(diǎn)到準(zhǔn)線的距離，mm

b——截距，mmk——斜率

由k=tan54°求解得出拋物線曲線方程為

x2=2.97y

(6)

雜交蒜在充種區(qū)主要依靠自身重力的作用進(jìn)入凹槽，雜交蒜種流動(dòng)性較差，為避免蒜種在凹槽間出現(xiàn)卡種的現(xiàn)象，在設(shè)計(jì)擾種齒時(shí)結(jié)合雜交蒜種在充種區(qū)以站立或側(cè)臥的姿態(tài)進(jìn)入凹槽，因此在設(shè)計(jì)擾種齒時(shí)為避免連續(xù)充入凹槽的雜交蒜種脫落且兼顧凹槽容納蒜種的最大空腔，因此在得到擾種齒與雜交蒜弓形面相似的漸開線輪廓之后[18](圖8)，為避免重播應(yīng)及時(shí)清種，并參考大蒜實(shí)際尺寸設(shè)計(jì)擾種齒結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖8 擾種齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic of seed disturbing teeth structure

(7)

式中l(wèi)s——雜交蒜長(zhǎng)度平均值，mm

l——擾種齒長(zhǎng)度，mm

lab——兩擾種齒ab間的距離，mm

lcd——兩擾種齒cd間的距離，mm

hs——雜交蒜寬度平均值，mm

h——擾種齒寬度，mm

r3——擾種齒外圓半徑，mm

r2——擾種齒內(nèi)圓半徑，mm

s——基圓半徑，mm

φ——半徑s繞圓心的旋轉(zhuǎn)角,(°)

位于排種盤上的擾種齒對(duì)雜交蒜種群具有一定的擾動(dòng)作用，有助于吸孔快速捕獲蒜種并準(zhǔn)確吸附。根據(jù)一般雜交蒜種平均粒徑，結(jié)合大蒜弓形面輪廓線方程，在設(shè)計(jì)擾種齒左右輪廓線時(shí)，拋物線在x∈(-1.6 cm,1.6 cm)范圍內(nèi)，其輪廓線近似于圓，兼顧加工工藝與拋物線的開口大小，因此確定擾種齒左右漸開線輪廓為同心圓弧，其半徑分別為45 mm與50 mm，其相對(duì)拋物線擁有較大的容納空間，此外擾種齒的上下輪廓線由過排種盤中心點(diǎn)直徑分別為190 mm和250 mm的圓弧組成，4條漸開線的交點(diǎn)組成了擾種齒的外形輪廓。在確定擾種齒在排種盤的位置之后，參考雜交蒜種的平均寬度和農(nóng)藝要求，選取吸孔基圓直徑為235 mm，此時(shí)外側(cè)已容不下半粒種子，多余的蒜種會(huì)自動(dòng)脫離重新回到充種區(qū)。但考慮到雜交蒜表面粗糙不易于滑動(dòng)，相鄰兩擾種齒間的距離lab應(yīng)適當(dāng)加大，所以設(shè)計(jì)的兩擾種齒ab間的距離為35 mm，兩擾種齒cd間的距離為46 mm，排種盤擾種齒高度為15 mm，即凹槽的深度為15 mm，材料為聚氨酯PU彈性板。

2.3 蒜種吸附與運(yùn)動(dòng)原理分析

2.3.1充種區(qū)受力分析

在充種過程中，由于排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，附著于排種盤背面的擾種齒會(huì)對(duì)穩(wěn)定堆積在護(hù)種板上的種群進(jìn)行定向擾動(dòng)，大蒜種子隨即從種群中分離，快速填充于兩擾種齒之間的凹槽內(nèi)，凹槽內(nèi)均勻分布的吸孔會(huì)在氣室的負(fù)壓作用下快速將位于擾種齒間凹槽內(nèi)的蒜種吸附于排種盤上。因此氣室內(nèi)的吸附壓強(qiáng)和吸孔直徑將直接影響蒜種在排種盤上的吸附效果。以被吸孔吸附的單粒蒜種為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行受力分析[19]，如圖9所示。

圖9 吸附狀態(tài)種子受力分析圖Fig.9 Stress analysis diagram of seeds in adsorption state

若一個(gè)吸孔需要吸附住一粒雜交蒜種，則需要滿足條件

(8)

式中Hc——?dú)馐艺婵斩龋琍a

P0——單個(gè)吸孔的吸力，N

S——吸孔斷面積，m2

dk——排種盤上吸孔直徑，mm

C——蒜種重心與排種盤間距離，mm

Q——G、J、Ff的合力，N

T——G與J的合力

Ff——種子間的內(nèi)摩擦力，N

G——單粒種子的重力，N

J——種子受到的離心力，N

N——吸孔對(duì)種的約束反力，N

N1、N2——吸孔對(duì)種子的約束反力，N

m——單粒蒜種質(zhì)量，kg

ω——排種盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

R——排種盤吸孔分布圓半徑，m

γ——力G與J之間的夾角，(°)

β——力T與Ff之間的夾角，(°)

g——重力加速度，取9.8 m/s2

排種器在實(shí)際作業(yè)時(shí)，排種器受到蒜種自然條件(吸種區(qū)蒜種分布情況，蒜種之間的碰撞等)和外界環(huán)境(振動(dòng)、沖擊等)的影響，因此還需要考慮到吸種可靠性系數(shù)k1和工作可靠性系數(shù)k2，于是得

(9)

在最大極限條件下，cosγ=cosβ=1，于是式(9)簡(jiǎn)化后得

(10)

式中Hcmax——吸室臨界真空度最大值，Pa

λ——蒜種的摩擦阻力綜合系數(shù)

k1——吸種可靠性系數(shù)，為1.8～2.0，考慮到蒜種千粒質(zhì)量較大，取2.0

k2——工作可靠性系數(shù)，為1.6～2.0，考慮到蒜種千粒質(zhì)量較大，取2.0

可以看出,Hcmax與吸孔直徑、種子的物理機(jī)械特性、排種盤轉(zhuǎn)速、吸孔旋轉(zhuǎn)半徑等因素密切相關(guān)。雜交蒜種為不規(guī)則形且蒜種流動(dòng)性差而使蒜種內(nèi)摩擦系數(shù)大，若吸孔孔徑較小，則需要較高的真空度。為了使蒜種能牢固地吸附在吸孔上，氣室內(nèi)的實(shí)際真空度必須大于Hcmax，否則不能滿足吸種所需的吸力要求，導(dǎo)致漏播指數(shù)劇增?；谝陨侠碚摲治?考慮到種子相互撞擊和振動(dòng)的影響，結(jié)合現(xiàn)有的研究，確定排種盤吸孔的直徑為6.5 mm，播種時(shí)氣室的真空度高于5 kPa。由于真空度是影響氣吸式排種器排種性能的重要因素，真空度越大則吸附種子的能力也就越強(qiáng)，越不容易產(chǎn)生空穴現(xiàn)象，但是過大的真空度會(huì)使單個(gè)吸孔吸附兩粒甚至兩粒以上種子的可能性增大，使種子的重播率增大，從而失去精量播種的目的，此外，真空度不但受到吸附過程中各種阻力因素的影響，還應(yīng)考慮在實(shí)際工作中，排種器受到種子自然條件和外界環(huán)境的影響。因此，在確定真空度時(shí)應(yīng)該比理論計(jì)算值略大?；诖?，本文設(shè)計(jì)真空度為5～7 kPa。

經(jīng)過種箱的雜交蒜種會(huì)由于重力的作用在護(hù)種板上產(chǎn)生相互堆積，在蒜種底部形成準(zhǔn)直線形的力鏈，力鏈相互作用使得蒜種出現(xiàn)結(jié)拱的現(xiàn)象[20]。通過擾種齒對(duì)蒜種穩(wěn)定堆積狀態(tài)的破壞，使得位于充種區(qū)擾種齒附近雜交蒜蒜種群的力鏈斷開，型孔附近的種群產(chǎn)生跳動(dòng)，增加雜交蒜種群的活躍度，更加有益于提高充種性能。在取種過程中，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)到充種區(qū)時(shí)，待取蒜種不僅會(huì)受到自身重力還會(huì)受到周邊蒜種及擾種齒的作用力[3]，如圖10所示，對(duì)此過程進(jìn)行受力分析得

(11)

式中Fi——周圍蒜種對(duì)待取蒜種的作用力，N

r——蒜種質(zhì)心點(diǎn)與回轉(zhuǎn)中心的距離，mm

FN——擾種齒對(duì)蒜種的支持力，N

Mo——蒜種所受力對(duì)支撐點(diǎn)的力矩，N·m

當(dāng)擾種齒隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入雜交蒜群時(shí)，待取蒜種將會(huì)受到周圍蒜種的擠壓受迫產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)進(jìn)入兩擾種齒間的凹槽內(nèi)，隨著擾種齒的轉(zhuǎn)動(dòng)，凹槽間的蒜種由于周圍蒜種的擠壓作用及擾種齒支撐的作用，會(huì)快速被吸孔捕捉并牢牢吸附，在凹槽內(nèi)呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，以此完成取種過程。

圖10 待取蒜種受力分析Fig.10 Force analysis for to be taken garlic

2.3.2蒜種的動(dòng)力學(xué)分析

雜交蒜種的運(yùn)動(dòng)包括在充種區(qū)蒜種隨排種盤一起運(yùn)動(dòng)；攜種區(qū)至投種的過程中，蒜種脫離吸孔后所做的具有初速度的自由落體運(yùn)動(dòng)。由于蒜種的物理特征不完全一致等因素，雖然有少數(shù)蒜種的排種位置不一，但大部分蒜種還在排種器的同一點(diǎn)，沿排種器吸孔分布圓的切向排出。當(dāng)蒜種脫離吸孔后受到的作用力為重力及空氣阻力，如圖11所示。

圖11 種子脫離吸孔后的運(yùn)動(dòng)及受力圖Fig.11 Movement and stress diagram of seeds after separation from suction hole

若將蒜種視為質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)，則蒜種脫離吸孔后的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(12)

式中Fx——水平阻力，N

Fy——垂直阻力，N

將蒜種未脫離吸孔時(shí)的速度確定為初速度，則根據(jù)速度的合成定理得

(13)

式中vr——蒜種的相對(duì)速度，m/s

ve——牽連速度，m/s

vx——蒜種水平絕對(duì)速度，m/s

vy——蒜種垂直絕對(duì)速度，m/s

θ——蒜種脫離吸孔時(shí)吸孔和中心線的連線與水平軸的夾角，rad

當(dāng)排種器在實(shí)際作業(yè)時(shí)，其牽連速度ve=va,相對(duì)速度vr=Rω，在蒜種脫離吸孔后的下落過程中不考慮空氣阻力的影響，則得出種子脫離吸孔后的運(yùn)動(dòng)方程為

(14)

根據(jù)式(14)的分析結(jié)果，對(duì)于排種器在實(shí)際工作中的零速投種，則有vx=0，即va=Rωsinθ，說明機(jī)器前進(jìn)作業(yè)速度與排種盤直徑、轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求機(jī)器的前進(jìn)速度為1～2 km/h，排種盤的直徑為0.3 m，因此確定排種盤的轉(zhuǎn)速為9～15 r/min。

3 排種性能仿真

為了探究不同弧長(zhǎng)擾種齒結(jié)構(gòu)對(duì)充種過程中漏充與多充的影響，應(yīng)用EDEM軟件對(duì)排種盤擾種齒工作部件與蒜種運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行模擬分析，擾種齒材料選用聚氨酯PU彈性板材料。

3.1 擾種齒結(jié)構(gòu)與仿真分析

擾種齒作為排種盤的核心部件，其弓形面輪廓與拋物線相似，因此參照?qǐng)D7，以蒜種平均厚度與平均長(zhǎng)度的交點(diǎn)為圓心，分別選取90°、120°、150°、180°來(lái)分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的擾種齒在取種過程中的漏充指數(shù)。

將繪制好的三維模型簡(jiǎn)化并導(dǎo)入EDEM軟件中，將幾何體在不影響運(yùn)動(dòng)的前提下進(jìn)行綁定和分解，并定義材料的屬性，將排種軸與排種盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行綁定，并將運(yùn)動(dòng)情況分解成排種盤與擾種齒的兩個(gè)獨(dú)立且互不影響的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了模擬排種盤擾種齒的取種運(yùn)動(dòng)，對(duì)模型中的幾何體設(shè)置運(yùn)動(dòng)參數(shù)，排種盤與擾種齒的工作過程設(shè)置為勻速圓周運(yùn)動(dòng)。仿真時(shí)，在種箱上端處創(chuàng)建虛擬種子工廠，以飽滿的雜交蒜種為仿真分析對(duì)象，大蒜顆粒的尺寸根據(jù)體積按正態(tài)分布進(jìn)行設(shè)置，蒜種生成模塊定義為Virtual，蒜種在重力的作用下落下。幾何模型與蒜種材料參數(shù)[1]和接觸參數(shù)[21]分別如表2與表3，仿真過程模擬實(shí)際作業(yè)過程。蒜種是個(gè)特殊的離散元體，蒜種顆粒中存在力，蒜種與蒜種粒子間選用Hertz-Mindlin with bonding模型，蒜種與排種器的接觸模型采用Hertz-Mindlin(no slip) 接觸模型。

表2 仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters

表3 接觸模型參數(shù)Tab.3 Contact model parameters

在離散元軟件仿真過程中，分別對(duì)4組仿真參數(shù)設(shè)置了相同的運(yùn)動(dòng)特性，通過顆粒工廠設(shè)置600粒大蒜種子，下落時(shí)間為1 s，1～10 s內(nèi)設(shè)置12 r/min的排種盤轉(zhuǎn)速[3]，總運(yùn)動(dòng)時(shí)間為10 s，采用Euler時(shí)間積分模型，Rayleigh時(shí)間步為9×10-6s，設(shè)置網(wǎng)格尺寸為3倍的最小顆粒半徑。仿真過程如圖12所示。

圖12 不同弧長(zhǎng)擾種齒取種仿真過程Fig.12 Simulation process of different arc lengths seed disturbing tooth seed selection

3.2 仿真結(jié)果分析

通過EDEM軟件對(duì)擾種齒取種過程進(jìn)行仿真分析，以擾種齒凹槽間蒜種的填充率為指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)不同弧長(zhǎng)擾種齒在通過種群后的充種情況，待仿真穩(wěn)定后記錄100個(gè)擾種齒的填充情況，取3組統(tǒng)計(jì)記錄的平均值，結(jié)果如表4所示。

表4 取種效果對(duì)比Tab.4 Comparison of seed selection effects

結(jié)果表明擾種齒弧長(zhǎng)直接影響排種盤充種性能，擾種齒弧長(zhǎng)較小將直接導(dǎo)致對(duì)雜交蒜種群的擾動(dòng)較小，種群間的大蒜更易于出現(xiàn)顆粒堆積、結(jié)拱擁塞的現(xiàn)象。因此，分析種群的平均速度亦能反映種群的擾動(dòng)強(qiáng)度[22]。通過EDEM軟件后處理功能，提取4組參數(shù)仿真下大蒜種群的平均速度，如圖13所示。

圖13 大蒜種群平均速度隨時(shí)間變化曲線Fig.13 Variation curves of average velocity of garlic population with time

提取時(shí)間步長(zhǎng)2～5 s下對(duì)種群平均速度仿真曲線可以看出，大蒜種群在180°擾種齒排種盤作用下平均速度最大，由平均速度波動(dòng)曲線可以看出，整個(gè)種群將始終處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，從而增加了種群的離散程度，并減小種群之間的摩檫力，有利于提高充種性能。從仿真結(jié)果可以看出，在該條件下180°擾種齒排種盤輔助充種性能較優(yōu)，驗(yàn)證了180°擾種齒排種盤具有輔助充種的優(yōu)勢(shì)，且更容易在重力和相互碰撞作用下進(jìn)入型孔完成充種過程。

4 排種性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的擾種齒輔助氣吸式大蒜排種器的工作性能，于2021年1月13日進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置選擇安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室的JPS-12型排種試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)材料選擇來(lái)安大蒜，如圖14所示。

圖14 排種試驗(yàn)臺(tái)Fig.14 Seeding test bench1.負(fù)壓氣管 2.排種器 3.安裝支架 4.種床帶 5.驅(qū)動(dòng)電機(jī)

為滿足大蒜單粒取種的農(nóng)藝種植要求,試驗(yàn)方法參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》進(jìn)行17組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取3次平均值，每組試驗(yàn)采集200粒大蒜種子進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)每穴中0、1、2粒蒜種情況，選擇單粒取種數(shù)與總穴數(shù)的百分比，記錄合格指數(shù)與漏播指數(shù)；根據(jù)前期參數(shù)設(shè)計(jì)分析結(jié)果,選取作業(yè)速度、排種盤轉(zhuǎn)速、真空度為試驗(yàn)因素，為了獲得3個(gè)因素的最佳參數(shù)，采用Box-Behnken[23]試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，試驗(yàn)因素編碼如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素編碼Tab.5 Coding of test factors

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表6所示(x1、x2、x3為因素編碼值)，利用Design-Expert 8.0.6軟件分別對(duì)作業(yè)速度、排種盤轉(zhuǎn)速、真空度進(jìn)行回歸擬合分析，因?yàn)楹细裰笖?shù)、漏播指數(shù)與重播指數(shù)之和為100%，于是選擇合格指數(shù)與漏播指數(shù)為性能指標(biāo)，建立合格指數(shù)y1、漏播指數(shù)y2的回歸方程,對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的3個(gè)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)與分析,最終獲得顯著試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)的二次多項(xiàng)式響應(yīng)面回歸模型,模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，剔除不顯著因素后得到合格指數(shù)y1和漏播指數(shù)y2的回歸模型為

(15)

表6 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果Tab.6 Experimental design and results

為分析交互項(xiàng)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，固定其中某一個(gè)因素水平為零,分析另外2個(gè)因素的交互作用得出響應(yīng)曲面。

(1)各因素對(duì)合格指數(shù)的影響

圖15a為真空度處于中心水平時(shí)，作業(yè)速度與排種盤轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)合格指數(shù)的影響。排種盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，合格指數(shù)隨作業(yè)速度增加而減小。當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí)，合格指數(shù)隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小。圖15b為排種盤轉(zhuǎn)速處于中心水平時(shí)，作業(yè)速度及真空度交互作用對(duì)合格指數(shù)的影響。真空度一定時(shí)，隨作業(yè)速度升高，合格指數(shù)會(huì)逐漸降低。當(dāng)真空度增大時(shí)，會(huì)減弱因作業(yè)速度升高引起的合格指數(shù)降低的趨勢(shì)。圖15c為作業(yè)速度處于中心水平時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)速及真空度交互作用對(duì)合格指數(shù)的影響。當(dāng)真空度增大時(shí)，會(huì)增強(qiáng)隨排種盤轉(zhuǎn)速增加而引起合格指數(shù)先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，合格指數(shù)隨真空度的增加而增加。

表7 回歸模型方差分析Tab.7 Analysis of variance of regression model

圖15 各因素對(duì)合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.15 Response surfaces of influence of various factors on qualification index

圖16 各因素對(duì)漏播指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.16 Response surfaces of influence of various factors on missed seeding index

(2)各因素對(duì)漏播指數(shù)的影響

圖16a為真空度處于中心水平時(shí)，作業(yè)速度與排種盤轉(zhuǎn)速的交互作用對(duì)漏播指數(shù)的影響。當(dāng)作業(yè)速度一定時(shí)，漏播指數(shù)隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增加先減小后增大。當(dāng)作業(yè)速度增加時(shí)，會(huì)減緩隨排種盤轉(zhuǎn)速增加而引起的漏播指數(shù)降低的趨勢(shì)。圖16b為排種盤轉(zhuǎn)速處于中心水平時(shí)，作業(yè)速度及真空度交互作用對(duì)漏播指數(shù)的影響。真空度一定時(shí)，漏播指數(shù)隨作業(yè)速度的增加先減小后增加。當(dāng)真空度增大時(shí)，會(huì)增大因作業(yè)速度升高引起漏播指數(shù)升高的趨勢(shì)。圖16c為作業(yè)速度處于中心水平時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)速及真空度交互作用對(duì)漏播指數(shù)的影響。當(dāng)真空度一定時(shí)，漏播指數(shù)隨排種盤轉(zhuǎn)速增加而降低，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速增大時(shí)，會(huì)增強(qiáng)隨真空度增加而引起漏播指數(shù)降低的趨勢(shì)。

為尋求約束條件范圍內(nèi)各因素最優(yōu)組合，以排種器合格指數(shù)最大和漏播指數(shù)最小為評(píng)價(jià)指標(biāo)。采用極值理論進(jìn)行求解[24]，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

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利用軟件后處理功能進(jìn)行最佳工作參數(shù)優(yōu)化,得出最佳參數(shù)組合：作業(yè)速度為1.0 km/h、排種盤轉(zhuǎn)速為11.66 r/min、真空度為5 kPa時(shí),模型預(yù)測(cè)的合格指數(shù)為87.1%,漏播指數(shù)為8.8%。

4.3 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的一致性，在圖14所示的排種試驗(yàn)臺(tái)對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)定作業(yè)速度為1.0 km/h，排種盤轉(zhuǎn)速為11.6 r/min，真空度為5 kPa，待排種器穩(wěn)定工作后，統(tǒng)計(jì)200粒蒜種的合格指數(shù)與漏播指數(shù)，重復(fù)3次試驗(yàn)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果為合格指數(shù)86.8%，漏播指數(shù)9.1%。結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，回歸模型可靠，試驗(yàn)效果如圖17所示。

圖17 排種效果圖Fig.17 Seeding effect diagram

如圖17所示，試驗(yàn)中采用的雜交蒜種沒有進(jìn)行嚴(yán)格的篩選與分級(jí)。分析蒜種的漏播指數(shù)略高的原因，可能是由于某些蒜種較小，擾種齒在工作中未成功取種或取種成功后未能及時(shí)被吸孔吸附從而導(dǎo)致蒜種脫落引起漏播指數(shù)略高；圖中造成重播的兩粒蒜種比其余蒜種體型稍小，分析其原因，可能是由于兩粒較小的種子同時(shí)被吸孔吸附，在經(jīng)過清種刷時(shí)未被及時(shí)清除從而導(dǎo)致重播；圖17中，分析種床帶中的大蒜直線度略差的原因，可能是沒有選取適宜的投種高度從而導(dǎo)致蒜種從投種口出來(lái)位置發(fā)生偏移，后期加上導(dǎo)種管可使直線度有所提高。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)雜交蒜尺寸差異較大的問題，設(shè)計(jì)了一款擾種齒輔助氣吸式大蒜排種器, 闡述了其結(jié)構(gòu)組成和工作原理，確定了氣吸式大蒜排種器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)對(duì)落種區(qū)、充種區(qū)和攜種區(qū)的雜交蒜種進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析,建立仿真分析模型。通過離散元仿真分析軟件EDEM探究不同弧長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的擾種齒在充種過程中對(duì)漏充與多充的影響，仿真結(jié)果表明：180°擾種齒排種盤具有輔助充種的優(yōu)勢(shì)且更容易在重力及相互碰撞作用下進(jìn)入型孔完成充種過程。

(3)采用Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了三因素三水平回歸正交試驗(yàn),分別建立合格指數(shù)和漏播指數(shù)的多元回歸模型，以合格指數(shù)高、漏播指數(shù)低為目標(biāo),對(duì)各影響因素參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定最優(yōu)參數(shù)組合：作業(yè)速度為1.0 km/h、排種盤轉(zhuǎn)速為11.66 r/min、真空度為5 kPa時(shí)，合格指數(shù)為87.1%、漏播指數(shù)為8.8%。在最優(yōu)參數(shù)組合下進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果為合格指數(shù)為86.8%，漏播指數(shù)為9.1%，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，其滿足試驗(yàn)要求。