丁 力 郭海欽 王萬章 呂志軍 呂嚴柳 張潤鍇

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院， 鄭州 450002)

0 引言

油莎豆糧、油、牧、飼兼用，其出油率高達25%，有望成為大豆的替代品，大大縮減我國油料對國外進口的依賴性。河南省油莎豆主要種植于黃河故道沙化土地，其中示范田種植經(jīng)測產(chǎn)，平均單產(chǎn)鮮豆152.8 kg/hm2，折合干豆77.32 kg/hm2。油莎豆播種農(nóng)藝要求為每穴3粒精密播種。目前油莎豆播種一般采用改進的機械式花生播種機，其排種精度較低，很難實現(xiàn)精量及半精量播種，嚴重阻礙了油莎豆生產(chǎn)。排種器作為精量播種機的核心部件，對提高產(chǎn)量、節(jié)約良種、提高種植收益尤為重要。

油莎豆種子表面凹凸不平、形狀不規(guī)則，導(dǎo)致其無法與吸孔緊密貼合，限制了傳統(tǒng)氣力式排種器在油莎豆精密播種中的應(yīng)用[1]?；谖覈∞r(nóng)戶普遍并長期存在，機械式排種器仍將廣泛使用，結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，維修方便，且能實現(xiàn)精密播種的窩眼式油莎豆精密排種器成為首選。目前窩眼式精密排種器在油菜、玉米和大豆等種子形狀較為規(guī)則作物的單粒精確播種中已得到廣泛使用[2-4]。國內(nèi)外專家針對排種器充種性能不佳，成穴效果較差等問題也做了大量研究[5-16]，但未對油莎豆種子因形狀不規(guī)則導(dǎo)致的流動性差、充種性能不佳和3粒精播集穴效果差做針對性研究。

因此，本文提出一種降低投種高度，促進種子集穴的方法?；诖朔椒ǎO(shè)計油莎豆低位集穴排種器，通過理論計算結(jié)合EDEM離散元仿真試驗分析確定結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)，通過臺架試驗對排種器的充種性能和工作性能進行驗證，以期達到油莎豆種子每穴3粒精密播種的要求。

1 油莎豆種植農(nóng)藝

黃淮海地區(qū)油莎豆壟作種植農(nóng)藝要求如圖1所示。4月底5月初播種，壟底寬60 cm，壟間距60 cm，壟高不低于13 cm，壟上雙行單穴3粒種植，壟上行距20 cm，穴距15 cm。其中每穴播種粒數(shù)和穴距為型孔的分布及周向型孔個數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)。

圖1 油莎豆種植農(nóng)藝Fig.1 Agronomy of Cyperus esculentus

圖2 油莎豆低位集穴排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of structure of Cyperus esculentus metering device with low-position seeding and cavitation function1.尼龍齒輪 2.清種機構(gòu) 3.窩眼排種輪 4.鏈條 5.鏈輪 6.清種刷 7.刮種板 8.柔性護種板 9.調(diào)節(jié)螺母 10.調(diào)節(jié)螺栓 11.殼體 12.低位投種輪 13.導(dǎo)種槽 14.清種片固定架 15.清種片

2 排種器總體結(jié)構(gòu)與工作原理

油莎豆低位集穴排種器結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由殼體、窩眼排種輪、清種刷、刮種板、柔性護種板、清種機構(gòu)、低位投種輪、導(dǎo)種槽、調(diào)節(jié)螺母、調(diào)節(jié)螺栓、齒輪、鏈條、鏈輪等組成。

排種器的工作過程如圖3所示。動力從窩眼排種輪端輸入，通過鏈條傳動和齒輪傳動分別帶動清種刷和低位投種輪轉(zhuǎn)動，其中低位投種輪與窩眼排種輪同步逆向轉(zhuǎn)動。窩眼排種輪轉(zhuǎn)動，使油莎豆種子在自身重力和種間作用力合力作用下充入型孔，其表面的凸包和V形凹槽可以擾動種群，從而使種子更容易充入型孔；清種刷與窩眼排種輪同向轉(zhuǎn)動，清除未完全充入型孔的種子，清種刷斜上方的刮種板可將小概率卡在清種刷表面的較小種子清掉，防止其進入清種刷與殼體間形成的間隙中，影響排種器正常工作。充入型孔的油莎豆種子隨窩眼排種輪轉(zhuǎn)動經(jīng)過護種區(qū)到達投種位置，靠重力作用落入與窩眼排種輪同步的低位投種輪上對應(yīng)的儲種槽內(nèi)，卡在型孔內(nèi)較大的種子，可在清種機構(gòu)的作用下強制清種；隨后，種子可在低位投種輪轉(zhuǎn)動的過程中向中間聚集，到達投種點時投出，在重力作用下經(jīng)過導(dǎo)種槽落入種溝，從而提高排種器的集穴效果。

圖3 油莎豆排種器工作過程區(qū)域示意圖Fig.3 Schematic of working process area of Cyperus esculentus seed metering device1.低位投種輪 2.護種板 3.窩眼排種輪 4.清種刷 5.刮種板 6.油莎豆種子 7.殼體 8.凸包結(jié)構(gòu) 9.清種機構(gòu)

3 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)分析

3.1 油莎豆種子三軸尺寸

以中油莎1號為研究對象，隨機抽選100粒油莎豆種子，用精度為0.01 mm的電子游標卡尺測量種子的三軸尺寸，根據(jù)公式求出油莎豆種子的等效直徑(D)，并計算出球形率(Φ)。油莎豆種子的長(L)、寬(W)、厚(T)與等效直徑的關(guān)系式為

(1)

球形率公式為

(2)

對油莎豆種子尺寸測量結(jié)果求平均值，其結(jié)果見表1。

表1 油莎豆種子三軸尺寸Tab.1 Three-axis size of Cyperus esculentus seeds

對油莎豆種子三軸尺寸測量結(jié)果進行分析，結(jié)果表明種子的長、寬、厚近似服從正態(tài)分布。

3.2 窩眼排種輪設(shè)計

窩眼排種輪是油莎豆低位集穴排種器的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)的確定是否合理,是決定排種器排種性能優(yōu)良的關(guān)鍵。根據(jù)油莎豆種植農(nóng)藝每穴3粒精密播種的要求，對窩眼排種輪進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖4所示。整體主要由輪體、型孔、連桿、彈簧、調(diào)節(jié)螺栓、調(diào)節(jié)螺母和輪體表面的凸包、V形凹槽、強制投種槽等組成，其中輪體由6部分嵌套連接，形成軸向3排型孔，且通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母可以調(diào)節(jié)其寬度。本文窩眼排種輪的主要設(shè)計參數(shù)包括窩眼排種輪直徑、型孔尺寸與排布、V形凹槽與凸包設(shè)計與排布等，這些參數(shù)是保證排種器具有良好充種、攜種和投種性能的關(guān)鍵。

圖4 窩眼排種輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of metering wheel structure1.凸包 2.V形凹槽 3.型孔 4.輪體 5.強制投種槽 6.調(diào)節(jié)螺母 7.調(diào)節(jié)螺栓 8.連桿 9.彈簧

3.2.1窩眼排種輪直徑確定

轉(zhuǎn)速一定的情況下，窩眼排種輪直徑過大會造成線速度過大，減小直徑能夠降低線速度，但會增加窩眼排種輪曲率，充種效果差，出現(xiàn)漏充現(xiàn)象。同時，窩眼排種輪直徑過小，分布的型孔個數(shù)減小，為了保證播量則必須增加轉(zhuǎn)速，而轉(zhuǎn)速過高又會降低排種性能。因此，考慮油莎豆精密播種的農(nóng)藝要求及排種性能等因素，參考常用窩眼排種輪直徑80～140 mm，本文選用窩眼排種輪直徑d為120 mm。

3.2.2窩眼排種輪型孔參數(shù)設(shè)計

型孔是排種器充種的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其形狀、尺寸以及排布直接影響排種器性能[17]。為減少種子損傷，提高型孔與種子的適應(yīng)度，設(shè)計帶有倒角的型孔，其形狀為類橢球形，長度、寬度和深度與種子相適應(yīng)，如圖5所示，其中A、B、C為型孔長度、寬度、深度。

圖5 型孔形狀示意圖Fig.5 Schematic of type hole shape

為了保證每個型孔順利充入1粒種子，使排種器可達到每穴3粒精確播種，型孔尺寸設(shè)計公式為

(3)

式中Lmax——油莎豆種子長度最大值，mm

Lmin——油莎豆種子長度最小值，mm

Wmax——油莎豆種子寬度最大值，mm

Wmin——油莎豆種子寬度最小值，mm

Tmax——油莎豆種子厚度最大值，mm

Tmin——油莎豆種子厚度最小值，mm

其中，型孔長度大于油莎豆種子最大顆粒長度，小于最小顆粒長度的2倍，既要滿足單個種子充入，又要防止兩個顆粒前后相接充入；型孔寬度要大于最大油莎豆種子寬度，小于最小顆粒寬度與最小顆粒厚度之和，既要滿足單個種子充入，又要防止兩個顆粒左右相接充入；型孔深度大于油莎豆種子最大顆粒厚度，小于最小顆粒厚度的2倍，型孔的深度要滿足油莎豆種子完全充入型孔內(nèi)，使單粒種子能夠不被清種刷帶出型孔，又利于清除多余種子。根據(jù)3.1節(jié)測得油莎豆種子數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)試驗，確定型孔長度A、寬度B、深度C分別為18、15、11.4 mm，為半橢球狀型孔。

相同播量下，窩眼排種輪上型孔的數(shù)量越多，排種輪轉(zhuǎn)速降低，有利于改善型孔的充種性能，但型孔數(shù)量受到窩眼排種輪直徑和粒距的限制。型孔組數(shù)的計算公式為

(4)

式中Z——型孔組數(shù)

vm——播種機作業(yè)速度，m/s

v——窩眼排種輪線速度，m/s

n——窩眼排種輪轉(zhuǎn)速，r/min

s——播種穴距，cm

δ——地輪滑移率，%

由式(4)可知，型孔數(shù)量與作業(yè)速度成正比，與窩眼排種輪線速度成反比，增加型孔組數(shù)可以提高播種作業(yè)速度，降低窩眼排種輪轉(zhuǎn)速，有利于提高作業(yè)效率和改善排種質(zhì)量。根據(jù)精密排種的粒距要求，本文以穴距s為15 cm、vm取0.83 m/s、n一般取20～60 r/min、δ一般取5%，得到型孔數(shù)量在6～17之間取值。綜合考慮，型孔排布受到窩眼排種輪半徑、穴距以及型孔尺寸的限制，本文設(shè)計12組型孔。

3.2.3V形凹槽設(shè)計

圖6 V形凹槽結(jié)構(gòu)與受力分析圖Fig.6 Schematics of V-shaped groove structure and force analysis

如圖6a所示，V形凹槽可使充種區(qū)種子導(dǎo)向型孔位，起到順種作用，可提高排種器的充種性能。V形凹槽布置于窩眼排種輪嵌套處外層。其結(jié)構(gòu)尺寸如圖6b所示。排種器工作過程中，如圖6c所示，油莎豆種子下落接觸充種區(qū)最高點，受重力G和窩眼排種輪對其支持力Fn、前方種子對其推力F1和窩眼排種輪對其摩擦力Ff，故有

(5)

如圖6d所示，油莎豆種子位于V形凹槽上受重力G、V形凹槽兩邊對油莎豆種子支持力F2和F3，其合力為窩眼排種輪對油莎豆種子支持力Fn，其分力為F4和F5。故有

(6)

式中α——F2與F4的夾角，(°)

如圖6e所示，F(xiàn)6為油莎豆種子受前方種子對其推力F1與窩眼排種輪對其摩擦力Ff的合力，合力F6的分力為F7和F8，當分力F7與分力F4之和等于分力F5時，有

(7)

式中β——F6與F4的夾角，(°)

聯(lián)立式(5)～(7)可知，在分力F8的作用下，V形凹槽可使充種區(qū)種子導(dǎo)向型孔位，起到順種作用，可提高排種器的充種性能。

3.2.4低位投種輪設(shè)計

通過前期試驗，由于所設(shè)計窩眼排種輪軸向排布3排大小可調(diào)節(jié)的型孔，使種子下落軸向過于分散，再加上油莎豆種子形狀大小差異較大，且播種時窩眼排種輪轉(zhuǎn)速較高，致使種子由窩眼排種輪下落難以達到同步[18-20]。基于上述問題設(shè)計了低位投種輪，如圖7所示。

圖7 低位投種輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematics of low-position seed wheel structure1.導(dǎo)種位 2.儲種槽 3.定向?qū)ХN槽

為了保證油莎豆種子順利從窩眼排種輪型孔內(nèi)下落到低位投種輪儲種槽內(nèi)，且可使分散的種子向中間聚集，隨著低位投種輪旋轉(zhuǎn)形成二次投種，使種子順利投出，達到較好集穴效果，則低位投種輪尺寸設(shè)計公式為

(8)

式中r1——儲種槽圓弧半徑，mm

Δx——油莎豆種子與儲種槽間隙，mm

d1——低位投種輪直徑，mm

d2——低位投種輪儲種槽最低處所在圓直徑，mm

μ2——動摩擦因數(shù)

s1——低位投種輪長度，mm

s2——定向?qū)ХN槽寬度，mm

s3——導(dǎo)種位最低處與儲種槽最低處距離，mm

s4——儲種槽寬度，mm

s5——導(dǎo)種位最低處與最高處豎直距離，mm

s6——導(dǎo)種位最低處與最高處水平距離，mm

γ——導(dǎo)種位傾角，(°)

其中，為使低位投種輪與窩眼排種輪同步，種子可順利從窩眼排種輪型孔落入低位投種輪儲種槽內(nèi)，低位投種輪直徑d1選擇與窩眼排種輪相同，為120 mm；型孔長度最大值Lmax為16.78 mm，可防止卡種，Δx為3.62 mm，則儲種槽圓弧半徑r1為10.2 mm，可得低位投種輪儲種槽最低處所在圓直徑d2為70 mm，為了保證從窩眼排種輪型孔內(nèi)分散下落的種子向中間聚集，導(dǎo)種位采用由內(nèi)到外傾斜設(shè)計，防止向中間聚集的種子反彈再向兩邊分散，選擇導(dǎo)種位最低處與儲種槽最低處距離s3為5 mm，則導(dǎo)種位最低處與最高處豎直距離s5為20 mm，根據(jù)殼體設(shè)計，低位投種輪長度s1取124 mm，根據(jù)開溝器空間要求，儲種槽寬度s4取41 mm，則導(dǎo)種位最低處與最高處水平距離s6為41.5 mm；則可得tanγ為0.48，遠大于油莎豆種子與樹脂動摩擦因數(shù)μ2，可保證從窩眼排種輪型孔內(nèi)分散下落的種子向儲種槽位聚集；為防止油莎豆種子隨著低位投種輪轉(zhuǎn)動向兩邊分散，在儲種槽位設(shè)置定向?qū)ХN槽，防止卡種，根據(jù)種子尺寸及公式，取其寬度為3 mm。

4 EDEM離散元仿真試驗

4.1 仿真試驗?zāi)Ｐ徒⑴c仿真參數(shù)確定

4.1.1仿真試驗?zāi)Ｐ徒?/p>

隨機挑選1 000粒油莎豆種子，依據(jù)外形特征大體分為類圓球形、類橢球形、類扁圓球形3種，結(jié)合前文測量的中油莎1號種子數(shù)據(jù)，采用多球面組合填充方式，使其堆疊成與種子輪廓相接近的顆粒體，作為油莎豆種子的模擬顆粒體，如圖8所示。從上到下依次為種子的真實圖像、三維模型和多球面聚合顆粒模型。本文顆粒-顆粒和顆粒-排種器的接觸模型均選用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。

圖8 種子仿真模型Fig.8 Seed simulation model

在EDEM中建立排種器仿真試驗?zāi)Ｐ蜁r，為減少仿真試驗計算量，需要簡化模型去除無接觸部件，在SolidWorks軟件中創(chuàng)建排種器的三維模型，生成igs格式文件并導(dǎo)入EDEM軟件，如圖9所示。

圖9 仿真簡化模型Fig.9 Simplified model diagram of simulation1.殼體 2.柔性護種板 3.窩眼排種輪 4.清種刷 5.刮種板 6.種層高度調(diào)節(jié)板 7.顆粒工廠 8.顆粒 9.清種機構(gòu) 10.低位投種輪 11.導(dǎo)種槽

4.1.2仿真參數(shù)

排種器中與種子接觸的部件有殼體、窩眼排種輪、清種刷、護種板、清種片和低位投種輪，其中除清種刷刷毛采用尼龍材料外，均采用光固化3D打印技術(shù)，由樹脂材料打印而成，清種刷的刷毛為尼龍材料。為提高仿真試驗的可靠性，采用東莞智取精密儀器有限公司生產(chǎn)的ZQ-890B型專業(yè)電子試驗機對油莎豆種子的泊松比和剪切模量進行試驗測定計算，采用實驗室自主設(shè)計制造的物料特性綜合測試裝置[21]，對油莎豆種子與接觸材料的碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)和滾動摩擦因數(shù)進行測定。最后通過堆積角測定與仿真驗證，并參考文獻[22-23]確定離散元仿真參數(shù)如表2所示。

4.2 低位投種輪仿真

設(shè)定一般作業(yè)時窩眼排種輪轉(zhuǎn)速29.2 r/min，如圖10所示，通過單穴種子運動軌跡可以觀察到3粒油莎豆種子并未從窩眼排種輪同時下落，但仍順利進入低位投種輪儲種槽內(nèi)，且較好完成了使軸向分散的種子向中間聚集，隨著低位投種輪旋轉(zhuǎn)形成二次投種，使種子順利投出，且達到較好集穴效果，故所設(shè)計低位投種輪能夠解決由于窩眼排種輪軸向排布3排寬度可調(diào)節(jié)的型孔，使種子下落軸向過于分散，以及油莎豆種子形狀大小差異較大，且播種時窩眼排種輪轉(zhuǎn)速較高，致使種子由窩眼排種輪下落難以達到同步。

進一步對單穴種子運動進行分析，標記單穴種子分別為左邊、中間和右邊種子，得到其運動速度隨時間的變化曲線，如圖11所示。結(jié)合種子運動軌跡和速度變化曲線可知，左邊、中間和右邊種子顆粒分別在0.60、0.85、0.97 s由顆粒工廠產(chǎn)生，從1.56、1.70、1.63 s進入型孔中隨窩眼排種輪轉(zhuǎn)動，分別在1.92～1.97 s、2.05～2.14 s和1.90～1.99 s經(jīng)過清種刷，在1.97～2.69 s、2.14～2.64 s和1.99～2.62 s經(jīng)過護種板，在2.69～2.91 s、2.64～2.82 s和2.62～2.89 s脫離護種板護種落入低位投種輪儲種槽內(nèi)，在3.27～3.42 s、3.33～3.41 s和3.27～3.40 s由低位投種輪內(nèi)側(cè)在重力分力作用下向外側(cè)移動，在3.58、3.57、3.54 s離開低位投種輪進入導(dǎo)種槽，在3.75、3.75、3.74 s離開導(dǎo)種槽在自身重力下進行投種。由此可知，種子在窩眼排種輪上可平穩(wěn)順利落入投種輪，并且最終投種時間較為接近。

表2 離散元仿真參數(shù)Tab.2 Discrete element simulation contact parameters

圖10 單穴種子運動軌跡Fig.10 Single hole seed movement trajectory

圖11 單穴種子速度變化曲線Fig.11 Single hole seed speed change curves Ⅰ.窩眼排種輪充種區(qū) Ⅱ.窩眼排種輪清種區(qū) Ⅲ.護種板護種區(qū) Ⅳ.窩眼排種輪投種區(qū) Ⅴ.低位投種輪攜種區(qū) Ⅵ.低位投種輪投種區(qū)

4.3 單因素仿真試驗

為提高排種器的工作性能，采用單因素仿真試驗方法選取最優(yōu)參數(shù)，主要對V形導(dǎo)種槽分布組數(shù)和窩眼排種輪線速比進行確定。以合格率(3粒/穴)和漏播率(小于3粒/穴)為試驗指標。仿真設(shè)定一般作業(yè)時窩眼排種輪轉(zhuǎn)速為29.2 r/min，待排種器穩(wěn)定工作后開始計時，記錄18 s試驗數(shù)據(jù)。本文記錄數(shù)據(jù)選取時間區(qū)間為3～21 s，每組采用在EDEM后處理中0.1倍速播放，統(tǒng)計100穴種子。

4.3.1V形凹槽分布組數(shù)

V形凹槽可以將兩排窩眼間的種子向型孔充種位推動，其分布組數(shù)是對充種區(qū)種群起到穩(wěn)定而連續(xù)擾動的關(guān)鍵因素。按照前文設(shè)計結(jié)果，設(shè)定V形凹槽分布組數(shù)為8、12、16組和無V形凹槽(0組)時對充種性能的影響，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同V形凹槽分布組數(shù)的仿真結(jié)果Tab.3 Population state with different vshaped groove distribution groups

由表3可知，隨著V形凹槽分布組數(shù)增多，充種合格率先增大后減小，漏播率先減小后增大，合格率變異系數(shù)與漏播率變異系數(shù)均相對穩(wěn)定。結(jié)合EDEM軟件的后處理功能，在充種區(qū)建立檢測器，如圖12所示。通過檢測器監(jiān)測，得到V形凹槽分布組數(shù)對種群狀態(tài)的影響，如圖13所示。通過圖13分析其原因，當分布組數(shù)為8組和16組時，監(jiān)控區(qū)種子法向力出現(xiàn)多個波峰，較不穩(wěn)定，V形凹槽對種群的作用處于不平衡狀態(tài)，不利于V形凹槽導(dǎo)種，導(dǎo)致漏播率較高；無V形凹槽時監(jiān)控區(qū)種子，種群離散程度較小，法向力出現(xiàn)多個波峰，較不穩(wěn)定，處于型孔間的種子無向型孔位的導(dǎo)向作用，使漏充率增加。當分布組數(shù)為12組時，監(jiān)控區(qū)種子法向力穩(wěn)定，種群離散程度大，充種合格率高，故確定V形凹槽分布組數(shù)為12組。

圖12 仿真試驗建立的監(jiān)測器Fig.12 Monitor built by simulation test

圖13 不同V形凹槽分布組數(shù)時種群狀態(tài)Fig.13 Population status with different V-shaped groove distribution group number

4.3.2清種刷與窩眼排種輪線速比

合理的清種刷與窩眼排種輪線速比有利于精量有效分離種子，提高充種性能。選用清種刷直徑為75 mm，采用波紋刷毛，其刷毛直徑為0.15 mm。結(jié)合3.2.1節(jié)中的參數(shù)設(shè)計并參考《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，毛刷輪與窩眼排種輪的線速比為1.0～2.0，故確定線速比分別為1.0、1.4、1.7和2.0時進行仿真試驗，結(jié)果如表4所示。由試驗結(jié)果可知，當線速比過小時，易在清種刷與窩眼排種輪相切處形成種子堆積;當線速比過大時，易將清種刷與窩眼排種輪相切處的種層刷飛，對種群擾動過大，以上均不利于充種。參照《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》并結(jié)合仿真試驗結(jié)果，確定線速比為1.4。

表4 不同線速比的仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different line speed ratios

4.4 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗

4.4.1試驗方案與結(jié)果

為研究窩眼排種輪轉(zhuǎn)速、型孔寬度和種層高度對排種器工作性能的影響，基于單因素試驗所確定的設(shè)計參數(shù)進一步研究各因素對排種器工作性能的影響。在前期大量試驗的基礎(chǔ)上，確定排種輪轉(zhuǎn)速范圍為10～44 r/min，型孔寬度范圍為12～16 mm,種層高度范圍為30～70 mm。試驗因素編碼如表5所示，試驗設(shè)計方案與結(jié)果如表6所示，其中X1、X2、X3分別為窩眼排種輪轉(zhuǎn)速、型孔寬度、種層高度的編碼值。

表5 試驗因素編碼Tab.5 Factors and codes of test

4.4.2試驗結(jié)果分析

根據(jù)表7數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 8.0.6進行多元回歸擬合，建立合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)與三因素的二次多項式回歸模型。

回歸模型方差分析和顯著性檢驗結(jié)果如表7所示。由表7可知，合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)模型的擬合度極顯著(P<0.01)。且回歸方程失擬不顯著，與實際情況擬合較好。

表6 試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.6 Experiment design and result

對于合格指數(shù)回歸方程，X1X3和X2X3的P值大于0.05，影響不顯著，其它各項的影響均顯著或極顯著。失擬項P=0.697 5，說明不存在其它影響響應(yīng)指標的主要因素。對于漏播指數(shù)回歸方程，X1X3和X2X3的P值大于0.05，影響不顯著，其它各項的影響都是極顯著。失擬項P=0.539 0，說明不存在其它影響響應(yīng)指標的主要因素。對于重播指數(shù)回歸方程，X2、X1X2、X1X3、X2X3的P值大于0.05，影響均不顯著，其它各項的影響均顯著或極顯著。失擬項P=0.213 1，說明不存在其它影響響應(yīng)指標的主要因素。剔除不顯著的回歸項，在保證回歸模型顯著、失擬項不顯著的前提下，對合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)的回歸方程進行重新擬合，回歸方程為

(9)

(10)

(11)

通過對式(9)～(11)回歸系數(shù)的檢驗得出，影響合格指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素為:窩眼排種輪轉(zhuǎn)速、型孔寬度、種層高度。影響重播指數(shù)的主次因素為：窩眼排種輪轉(zhuǎn)速、種層高度、型孔寬度。

表7 方差分析Tab.7 Variance analysis

4.5 各因素對排種合格指數(shù)的影響

通過Design-Expert 8.0.6對數(shù)據(jù)進行處理，可得到窩眼排種輪轉(zhuǎn)速、型孔寬度和種層高度對合格指數(shù)的影響，其響應(yīng)曲面如圖14所示。分別固定種層高度、型孔寬度和窩眼排種輪轉(zhuǎn)速因素為零水平，根據(jù)響應(yīng)曲面圖，分析其余2個因素間的交互作用對排種合格指數(shù)的影響。

圖14 因素交互作用對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.14 Response surface of influence of factors interaction on qualified index

由圖14a可知，型孔寬度一定時，隨著窩眼排種輪轉(zhuǎn)速的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。窩眼排種輪轉(zhuǎn)速一定時，隨著型孔寬度的增大，排種合格指數(shù)同樣先上升后下降。

由圖14b可知，窩眼排種輪轉(zhuǎn)速一定時，隨著種層高度的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。種層高度一定時，隨著窩眼排種輪轉(zhuǎn)速的增大，排種合格指數(shù)同樣先上升后下降。

由圖14c可知，型孔寬度一定時，隨著種層高度的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。種層高度一定時，隨著型孔寬度的增大，排種合格指數(shù)同樣先上升后下降。由上述內(nèi)容可知，各因素以及各因素之間的交互作用對排種器工作性能影響較大，為了獲得最佳排種作業(yè)參數(shù)，優(yōu)化窩眼排種輪轉(zhuǎn)速、型孔寬度和種層高度，實現(xiàn)因素間參數(shù)的合理匹配是提高合格指數(shù)的關(guān)鍵。

以合格指數(shù)為最終優(yōu)化目標，根據(jù)JB/T 10293—2001《單粒(精密)播種機技術(shù)條件》中的要求，播種合格指數(shù)大于等于80.0%，重播指數(shù)小于等于15.0%，漏播指數(shù)小于等于8.0%。結(jié)合各因素邊界條件，建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)和約束條件為

Fmax=Y1-Y2-Y3

(12)

(13)

運用Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化模塊，對約束目標優(yōu)化求解，得到窩眼排種輪轉(zhuǎn)速為22.10 r/min，型孔寬度為14.23 mm，種層高度為52.59 mm時，排種合格指數(shù)最高。合格指數(shù)為92.11%、漏播指數(shù)為2.24%、重播指數(shù)為5.65%。

5 排種器臺架試驗

5.1 試驗條件

本文試驗分別為單窩眼排種輪試驗、驗證試驗和低位集穴排種試驗，采用的試驗裝置分別為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的排種器性能檢測儀[24-25]和STB-700型播種試驗臺，油莎豆種子為河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的中油莎1號，含水率為8.27%，試驗地點為河南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心。

5.2 單窩眼排種輪排種器試驗

低位集穴排種器主要由上半部窩眼排種輪排種器和下半部集穴低位投種輪組成，窩眼排種輪能否對種子起到精量有效分離將直接影響后續(xù)低位集穴機構(gòu)的工作性能，因此有必要對單窩眼排種輪性能進行研究。試驗將低位集穴排種器上半部窩眼排種輪安裝至中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)的排種器性能檢測儀上，如圖15所示。因為所設(shè)計窩眼排種輪為三排并聯(lián)型孔，因此每排型孔落種部位用軟管連接至檢測導(dǎo)種管，分別進行統(tǒng)計。設(shè)置仿真優(yōu)化后的最佳參數(shù)窩眼排種輪轉(zhuǎn)速為22.10 r/min，型孔寬度為14.23 mm，種層高度為52.59 mm進行試驗。

圖15 排種器性能檢測儀Fig.15 Performance tester for seed-metering device

單窩眼排種輪3排型孔排種合格率差別不大，分別為92.7%、93.1%、92.0%，3排型孔指標差異不顯著，說明窩眼排種輪可以對種子起到較好的單粒分離效果。

5.3 驗證試驗

以STB-700型播種試驗臺為載體，如圖16a所示。油莎豆排種器按照仿真試驗優(yōu)化后的參數(shù)，動力由6RK140RGU-CFM型邁力減速電機提供，搭配UX-52型交流減速電機調(diào)速器結(jié)合速為SW6234C型激光轉(zhuǎn)速儀控制電機轉(zhuǎn)速，為便于試驗之后對播種效果的觀察，在傳送帶上涂抹黃油。其中已成穴直徑為每穴種子與最遠兩粒種子間的距離。受傳送帶長度限制，每次統(tǒng)計26穴，4次為1組試驗，進行3組重復(fù)臺架試驗。試驗結(jié)束后對傳送帶上的種子進行統(tǒng)計記錄。試驗臺實際播種效果如圖16b所示。試驗結(jié)果平均值見表8。可見在最優(yōu)參數(shù)作用下，結(jié)果與仿真結(jié)果近似，仿真試驗可信。

圖16 排種器性能試驗裝置實物圖與播種效果Fig.16 Physical map of seed-metering device performance test device and sowing effect

表8 試驗驗證結(jié)果Tab.8 Test verification results %

5.4 集穴性能試驗

當種層高度為52.59 mm，型孔寬度14.23 mm時，選取排種器窩眼輪轉(zhuǎn)速10～50 r/min，試驗選取穴粒數(shù)合格率、漏播率、重播率、破碎率(排種器連續(xù)工作3 min，進行統(tǒng)計)和成穴直徑平均值為試驗指標，評價排種器工作性能。試驗結(jié)果如表9所示。

根據(jù)表9可得，當型孔寬度為14.23 mm、種層高度為52.59 mm時，未出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，排種器合格率隨轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，在30 r/min時，合格率達到90.38%，且合格率始終不小于80.77%，破碎率均低于1.35%，可以滿足播種要求。成穴直徑平均值隨轉(zhuǎn)速的增加而增大，其中窩眼排種輪轉(zhuǎn)速在50 r/min時，成穴直徑平均值最大，為79.57 mm。

為進一步考察試驗中低位集穴排種器集穴性能，對不同轉(zhuǎn)速下3組試驗數(shù)據(jù)進行顯著性分析，如圖17所示。在排種器10 r/min下，種子成穴后最大分散間距(已成穴直徑平均值)處于較低水平，集穴效果最佳，3組試驗數(shù)據(jù)差異不顯著；在轉(zhuǎn)速20 r/min下，種子成穴后最大分散間距有些波動，但整體集穴較好；當轉(zhuǎn)速在30 r/min下，種子成穴后最大分散間距波動范圍較大，第1組試驗數(shù)據(jù)和其他2組試驗差異顯著，說明轉(zhuǎn)速的提高影響了種子集穴效果；當轉(zhuǎn)速為40 r/min和50 r/min時，種子成穴后最大分散間距每組試驗數(shù)值互相差異顯著，說明種子集穴效果波動較大，種子落地后會隨機彈跳、滾動，但從整體來看，種子分散間距滿足設(shè)計要求。

圖17 不同轉(zhuǎn)速下種子最大分散間距Fig.17 Maximum seed dispersion spacing at different speeds

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種油莎豆低位集穴排種器，解決了油莎豆種子因表面凹凸不平、形狀不規(guī)則導(dǎo)致的流動性差、充種性能不佳和每穴3粒精播種子投種時軸向分散的問題。闡述了排種器的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，通過對油莎豆物料特性進行測量，設(shè)計了窩眼排種輪直徑、型孔以及其表面增設(shè)的V形凹槽，以提高充種性能；設(shè)計了低位集穴投種裝置，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)參數(shù)，既可降低投種高度，又可將分散下落的種子向中間聚集，提高成穴效果。

(2)通過構(gòu)建油莎豆種子及排種器EDEM離散元仿真模型，對一穴3粒種子運動軌跡進行了分析，從速度變化曲線中可以得出3粒種子投種一致性較好；分析了V形槽分布組數(shù)，得出分布組數(shù)為12組時，監(jiān)控區(qū)種子法向力穩(wěn)定，種群離散程度大，充種合格率高；仿真確定了清種刷與窩眼排種輪線速比為1.4；通過設(shè)計二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗，得出了影響合格指數(shù)主次因素為：窩眼排種輪轉(zhuǎn)速、型孔寬度、種層高度；并運用響應(yīng)面法分析了試驗因素對響應(yīng)指標的影響。采用多目標優(yōu)化方法，確定了排種器最佳參數(shù)組合：窩眼排種輪轉(zhuǎn)速為22.10 r/min、型孔寬度為14.23 mm、種層高度為52.59 mm時，排種合格指數(shù)最高。合格指數(shù)為92.11%、漏播指數(shù)為2.24%、重播指數(shù)為5.65%。

(3)對設(shè)計的低位集穴排種器進行了臺架試驗，分別為單窩眼排種輪試驗和低位集穴排種試驗，從單窩眼排種輪排種試驗得出3排型孔排種合格率差別不大，3排型孔指標差異不顯著；從集穴性能試驗得出轉(zhuǎn)速的提高影響了種子集穴效果；轉(zhuǎn)速提高成穴直徑波動越大，種子落地后會隨機彈跳、滾動，但從整體來看，種子分散間距滿足設(shè)計要求。在30 r/min時，合格率達到90.38%，滿足精密播種要求。