章勇杰 ， 黃政暉 ， 宋源普 ， 倪忠進 ， 倪益華 ， 楊自棟 ， 溫春雨

（浙江農林大學光機電工程學院，浙江 杭州 311300）

0 引言

浙江省中醫(yī)藥產業(yè)結構較為完整，種植產業(yè)經(jīng)濟效益高，其中浙貝母種植總量約占全國90%，種植面積約為5.5萬畝，年產量約9 000 t，產值約9億元[1-3]。隨著浙貝母種植面積的擴大，浙貝母種植出現(xiàn)了效率低、機械化水平低、人工種植勞動強度大等系列問題。在浙貝母機械化生產中，浙江省丘陵山區(qū)坡地較多、地塊小且分散，在農機轉移、運輸?shù)冗^程中受限嚴重，且中大型農機無法正常作業(yè)[4-6]。針對浙江省丘陵地區(qū)特殊地勢地貌，研究設計浙貝母種植機械，不僅可以解決浙貝母種植生產效率低、農戶勞動強度大等問題，還可以提高農民種植浙貝母的經(jīng)濟收益，更可以推廣到其他中藥材的生產過程中，加快“三農”建設步伐，推動農業(yè)機械化發(fā)展。

因此，課題組針對上述浙貝母種植問題，因地制宜地設計了一種小型浙貝母排種器。

1 排種器結構及工作原理

浙貝母排種器主要由種箱、傳動鏈輪、播種通道、種勺及傳動鏈條等部件組成，其結構如圖1所示。工作時，種貝由于自身重力和種貝間擠壓作用進入種勺中，完成充種過程。隨排種器傳動鏈條轉動，種勺中種貝進入運種過程，當傳動鏈條轉動到播種通道，種勺中種貝掉落至另一個種勺背面。在播種通道中種貝隨傳動鏈條轉動至通道底部進入投種過程，依靠種貝自身重力及機器運行所獲速度，從播種通道掉落到種溝中，完成單顆種貝的投種。

圖1 排種器結構示意圖

2 關鍵部件設計

2.1 浙貝母種貝三軸尺寸

參考莖塊類作物物料測量方法[7-8]，測量浙貝母種貝長度、寬度和高度，定義其幾何尺寸，如圖2和圖3所示。隨機選取15組，每組1 kg種貝，測量其三軸尺寸，取各組數(shù)據(jù)平均值作為種貝三軸尺寸，結果如表1所示。

圖2 種貝幾何尺寸

圖3 種貝三軸尺寸測量

表1 種貝幾何尺寸

經(jīng)測量，浙貝母種貝長為36.62 mm，寬為32.69 mm，高為19.55 mm，外部形狀呈橢圓球狀，將種貝外形尺寸簡化為橢圓形，可為種勺等關鍵部件結構設計和浙貝母離散元仿真模型建立提供數(shù)據(jù)支撐[9-10]。

2.2 種勺設計

由于種貝長為36.62 mm，寬為32.69 mm，高為19.55 mm，種勺形狀設計為端面，D1=37 mm、D2=33mm凹弧形，為防止種貝從種勺中掉落，底部凹弧深度最小值取10 mm。種貝外形呈橢圓球形，為滿足種貝落入種勺中能貼合自身形狀，種勺設有凹弧結構。種勺三視結構示意圖如圖4所示，為方便種勺拆裝換取，采用3D打印技術生產。

圖4 種勺結構示意圖

種勺端面凹弧結構設計依照“最速降線”截曲線原理，種勺三維模型如圖5所示。種勺主要結構參數(shù)為端面底部凹弧開口直徑D1和D2、種勺深度H及凹弧截曲線等。

圖5 種勺三維模型圖

種勺設計需遵循下式：

式中，為種貝長度方向最大值平均值；為種貝高度方向最大值平均值。

為了便于分析研究，將種貝視為質點，假設種貝選擇滑移時間最短軌跡進入種勺底部，將種勺端面凹弧處邊界曲線設計為“最速降線”[11-13]。實際的種貝運動軌跡圖如圖6所示。當種貝從種勺開口處滑移至種勺底部，其經(jīng)歷最短路徑，即最速降線曲線。

圖6 種貝實際運動軌跡圖

將種勺凹弧中心最低點作為坐標原點O，建立直角坐標系。為簡化截曲線方程，將其視為拋物線，即：

以上式研究種貝在XOZ平面內運動狀態(tài)，則：式中，m為種貝質量，g；ɡ為重力加速度，m/s2；γ為種勺凹弧線邊緣切線與水平夾角，°；φ為種貝與種勺摩擦角，°；G為種貝自身重力，N；Fn為種勺對種貝的支持力，N；Fs為種貝與種勺的摩擦力，N。

假設種勺取種過程中摩擦力Fs所做功為w，當種

貝滑落高度為h時，其橫向位移為即種貝滑落至種勺底部，此時截曲線為最速降線。

當z=h時，，則種勺與種貝摩擦力Fs所做功w為：

在種貝滑向種勺底部過程中滿足能量守恒定律，即：

整理可得：

簡化可得：

式中，vz為種貝滑落初始速度，m/s；vx為種貝停止滑落水平速度，m/s；h為種貝滑落高度，mm，其最大值為種勺深度H。

將上式代入種勺截面曲線拋物線方程z=ax2中，可得：

理想狀態(tài)下，種貝滑至種勺底部凹弧時速度vx為0 m/s，種貝滑落高度h為種勺深度10 mm，種貝與種勺間摩擦系數(shù)為0.396。參考小型牽引式中藥材播種機，實際作業(yè)過程中排種器傳動鏈輪轉速為2.2 r/s～14 r/s，種勺線速度為0.1 m/s～0.65 m/s，種貝滑移軌跡在x方向的數(shù)值為16.5 mm，代入公式可得最速降線曲線切線傾角為45.29°～60.08°。

2.3 傳動鏈輪設計

鏈輪設計主要考慮種貝在翻越主動鏈輪時所受的離心力，離心力過大時，種貝會做離心運動而被拋出排種器外。排種器傳動鏈輪結構如圖7所示。由于板鏈為勻速運動，因此種貝在翻越主動鏈輪時離心力與重力大小不變。

圖7 主動鏈輪結構示意圖

種貝在翻越主動鏈輪時受力分析如圖8所示，種貝在越過直線L0時開始受到離心力、種貝與種勺間作用力及自身重力作用。

圖8 主動鏈輪受力分析圖

為保證種貝在種勺中不被甩出，種貝所受各力應滿足以下條件：

式中，F(xiàn)s為種貝所受種勺摩擦力，N；Fc為種貝所受離心力，N；Fn為種貝所受種勺支持力，N；α為種勺相對旋轉角，°；μ為種勺對種貝摩擦因數(shù)；v為板鏈線速度，m/s；R1為主動鏈輪齒頂圓直徑，mm。

簡化上式可得：

式中，v為排種鏈條線速度，取最大值0.65 m/s；主動鏈輪轉速為13.8 r/s，α∈(0, 90°)。

不等式右邊取最大值，α取45°，經(jīng)計算可得R1≥39 mm。

考慮到加工難易程度，板鏈取標準件，鏈條選取08B鏈條，鏈輪選取08B 18齒鏈輪?？紤]到機械緊湊性、播種穩(wěn)定性及鏈條為整數(shù)節(jié)，將兩鏈輪中心距設計為241 mm，以滿足排種穩(wěn)定性、增加充種時間、提高播種質量。

3 排種器機構仿真與分析

采用EDEM離散元仿真試驗對浙貝母排種器進行虛擬仿真，根據(jù)試驗結果對排種器結構進行優(yōu)化[14-17]。

3.1 模型建立

3.1.1 浙貝母模型建立

種貝屬性設置如表2所示，以浙江磐安浙貝母為參考，種貝模型如圖9所示。

表2 種貝物料特性參數(shù)

圖9 種貝模型

3.1.2 土壤模型建立

設置土壤顆粒半徑為5 mm，土壤屬性參數(shù)如表3所示，土壤模型如圖10所示。

表3 土壤特性參數(shù)

圖10 土壤模型

3.1.3 排種器模型建立

將排種器三維模型導入EDEM離散元仿真軟件中，如圖11所示。排種器模型參數(shù)如表4所示。將排種軸設定為轉動部件，其他零件簡化為固定件，種箱上方區(qū)域設定為種貝顆粒生成區(qū)域。

圖11 排種器仿真模型

3.2 排種器性能單因素試驗

實際工作中，排種性能受前進速度、播種通道傾斜角度以及種貝掉落離地高度等因素影響。

3.2.1 試驗方法

選擇200個種貝顆粒作為初始條件，設置排種器前進速度、播種通道傾斜角度、種貝掉落離地高度對照組進行仿真試驗，統(tǒng)計仿真結束后種貝合格指數(shù)（種貝鱗芽朝上且種貝未發(fā)生破損），以確定各參數(shù)對排種器作業(yè)性能的影響。

3.2.2 試驗結果與分析

在排種器作業(yè)過程中種貝出現(xiàn)漏種、單粒、重種三種狀態(tài)，如圖12所示，種貝鱗芽朝上且未發(fā)生破損則定義種貝為合格，如圖13所示。

圖12 排種漏種、單粒、重種狀態(tài)圖

圖13 播種合格示意圖

1）排種器前進速度對種貝合格指數(shù)的影響。排種器前進速度對種貝合格指數(shù)仿真試驗結果如表5所示。

表5 不同排種器前進速度下種貝合格指數(shù)

通過SPSS軟件對排種器前進速度和種貝合格指數(shù)擬合出關系曲線，如圖14所示。由圖14可知，當前進速度在0.3 m/s～0.4 m/s時，種貝合格指數(shù)在80%以上，前進速度對種貝合格指數(shù)影響呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，當前進速度大于0.5 m/s時，種貝合格指數(shù)下降速度較快。

圖14 排種器前進速度和種貝合格指數(shù)關系擬合曲線

2）播種通道傾斜角度對種貝合格指數(shù)的影響。播種通道傾斜角度對種貝合格指數(shù)仿真試驗結果如表6所示。

表6 不同播種通道傾斜角度下種貝合格指數(shù)

通過SPSS軟件對播種通道傾斜角度和種貝合格指數(shù)擬合出關系曲線，如圖15所示。由圖15可知，隨傾斜角度增加，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢，當傾斜角度在0°～20°時，種貝合格指數(shù)為80%～87%。

圖15 播種通道傾斜角度和種貝合格指數(shù)關系擬合曲線

3）種貝掉落離地高度對種貝合格指數(shù)的影響。種貝掉落離地高度對種貝合格指數(shù)仿真試驗結果如表7所示。

表7 不同種貝掉落離地高度下種貝合格指數(shù)

通過SPSS軟件對種貝掉落離地高度和種貝合格指數(shù)擬合出關系曲線，如圖16所示。由圖16可知，隨離地高度增加，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢，且下降趨勢明顯。

圖16 種貝掉落離地高度和種貝合格指數(shù)關系擬合曲線

3.3 排種器性能多因素試驗

由于各個因素間存在一定的交互性，為研究三個因素間交互作用對排種器性能的影響，需進行二次回歸旋轉正交仿真試驗。以排種器前進速度、播種通道傾斜角度以及種貝掉落離地高度作為試驗因素，以種貝合格指數(shù)作為排種器性能指標。

3.3.1 試驗方法

選擇三因素可控范圍對試驗因素水平設定參數(shù)，試驗選擇排種器前進速度范圍為0.3 m/s～0.5 m/s，播種通道傾斜角度范圍為0°～20°，種貝掉落離地高度范圍為50 mm～100 mm，采用三因素三水平二次旋轉組合設計試驗研究排種器作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合，因素水平編碼如表8所示。

表8 因素水平編碼

3.3.2 試驗結果與分析

1）試驗結果。在Design-Expert 12軟件中Box-Behnken設計三因素三水平分析仿真試驗，試驗結果如表9所示。

表9 正交試驗結果

2）結果分析。應用Design-Expert 12軟件對表9試驗數(shù)據(jù)建立關于排種器前進速度A、播種通道傾斜角度B和種貝掉落離地高度C對種貝合格指數(shù)影響的二次多項式響應回歸模型，如下式所示。

二次多項式響應回歸模型方差分析如表10所示。

表10 回歸模型方差分析

根據(jù)回歸模型分析所得結果，應用Design-Expert 12軟件繪制各因素對種貝合格指數(shù)的交互效應3D響應曲面圖。

排種器前進速度和播種通道傾斜角度交互效應3D響應曲面圖如圖17所示。在前進速度從0.3 m/s變化到0.5 m/s的過程中，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢；在傾斜角度從0°變化到20°的過程中，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢。表明在排種器前進速度和播種通道傾斜角度交互效應試驗中，僅排種器前進速度對種貝合格指數(shù)影響顯著。

圖17 排種器前進速度和播種通道傾斜角度交互效應3D響應曲面

排種器前進速度和種貝掉落離地高度交互效應3D響應曲面圖如圖18所示。離地高度從50 mm變化到100 mm的過程中，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢；在前進速度從0.3 m/s變化到0.5 m/s的過程中，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢。表明在排種器前進速度和種貝掉落離地高度交互效應試驗中，排種器前進速度和種貝掉落離地高度對種貝合格指數(shù)影響顯著。

圖18 排種器前進速度和種貝掉落離地高度交互效應3D響應曲面

播種通道傾斜角度和種貝掉落離地高度交互效應3D響應曲面圖如圖19所示。在傾斜角度從0°變化到20°的過程中，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢；在離地高度從50 mm變化到100 mm的過程中，種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢。表明播種通道傾斜角度和種貝掉落離地高度交互效應試驗中，僅種貝掉落離地高度對種貝合格指數(shù)影響顯著。

圖19 播種通道傾斜角度和種貝掉落離地高度交互效應3D響應曲面

3.3.3 試驗優(yōu)化與驗證

為確定浙貝母排種器工作最優(yōu)參數(shù)組合，應用Design-Expert 12軟件以種溝中種貝合格指數(shù)最大值作為優(yōu)化指標，對各參數(shù)進行優(yōu)化，優(yōu)化數(shù)學模型如下：

在Design-Expert 12軟件中通過二次回歸旋轉正交仿真試驗，可得浙貝母排種器作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合：排種器前進速度為0.426 m/s，播種通道傾斜角度為16.048°，種貝掉落離地高度為84.017 mm。在該參數(shù)組合下，種貝合格指數(shù)為80.311%。

4 排種器樣機試制

根據(jù)離散元仿真結果優(yōu)化排種器模型并試制加工樣機，通過進行田間試驗來驗證浙貝母排種器田間作業(yè)性能，浙貝母排種器三維模型及樣機如圖20所示。

圖20 浙貝母排種器三維模型及樣機

5 排種器樣機田間試驗

5.1 試驗方法

田間試驗時，根據(jù)離散元仿真結果，排種器運動速度為0.426 m/s（成年人正常行走速度）。試驗過程中，為保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，采集試驗田中3壟浙貝母種植數(shù)據(jù)，每壟隨機選取5段15 m地段長度進行指標測量，播種過程如圖21所示，種貝株距和行距測量如圖22所示。

圖21 田間試驗圖

圖22 浙貝母測量圖

5.2 試驗結果與分析

田間試驗完成后，選擇浙貝母排種器作業(yè)穩(wěn)定性高播種區(qū)間進行數(shù)據(jù)采取，對試驗指標進行統(tǒng)計計算，試驗結果如表11所示。

表11 浙貝母排種器田間試驗結果

浙貝母排種器性能指標包括合格指數(shù)S、重播指數(shù)D、破損指數(shù)P、漏播指數(shù)M，各指標計算公式如下：

式中，N為播種總數(shù)，顆；n0為種貝漏播數(shù)，顆；n1為種貝單粒排種數(shù)，顆；n2為種貝重播數(shù)，顆；n3為種貝破損數(shù)，顆。

經(jīng)計算可得：S為79.25%，D為13.22%，P為1.12%，M為6.41%。

據(jù)當?shù)剞r戶估計，不合格種貝減產率為20%，則種貝整體減產率為4.15%，符合浙貝母機械化種植技術規(guī)范，田間試驗結果如表12所示。

表12 浙貝母排種器田間試驗結果統(tǒng)計

6 結論

1）課題組設計并試制了鏈勺式浙貝母排種器，解決了丘陵山區(qū)浙貝母機械化生產受阻的問題。

2）單因素試驗表明：排種器前進速度和種貝掉落離地高度對種貝合格指數(shù)影響顯著，播種通道傾斜角度對種貝合格指數(shù)影響不大。

3）多因素試驗表明：浙貝母排種器作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合為排種器前進速度0.426 m/s，播種通道傾斜角度16.048°，種貝掉落離地高度84.017 mm。在該參數(shù)下，種貝合格指數(shù)為80.311%。

4）樣機田間試驗表明：鏈勺式浙貝母排種器滿足浙貝母機械化種植技術要求，浙貝母合格指數(shù)為79.25%，重播指數(shù)為13.22%，漏播指數(shù)為6.41%，破損指數(shù)為1.12%。據(jù)當?shù)剞r戶估計，不合格種貝減產率為20%，則種貝整體減產率為4.15%，符合浙貝母機械化種植技術規(guī)范，表明排種器結構設計滿足實際浙貝母播種要求。