董建鑫 高筱鈞 張仕林 劉 研 陳旭輝 黃玉祥,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心，陜西楊凌 712100)

0 引言

實(shí)現(xiàn)玉米精密播種技術(shù)的關(guān)鍵是確保排種器排種均勻、穩(wěn)定[1-2]。機(jī)械式排種器因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配套性好、制造和使用成本低等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)擁有廣泛的應(yīng)用前景[3-5]。隨著精密播種技術(shù)發(fā)展，田間高速作業(yè)能力已成為衡量播種機(jī)性能的重要指標(biāo)[6-8]?，F(xiàn)階段，玉米精密播種機(jī)作業(yè)速度不斷提高，但由于受種子形狀、尺寸差異等因素制約，機(jī)械式排種器高速作業(yè)時(shí)難以保持高質(zhì)量排種效果[9-10]。因此，提升機(jī)械式排種器的高速作業(yè)性能，對(duì)促進(jìn)玉米精密播種技術(shù)與裝備發(fā)展具有重要意義。

機(jī)械式排種器的工作過(guò)程一般可分為充種、清種、護(hù)種、投種4個(gè)階段，為確保其工作性能可靠，學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了大量研究[11-14]。在提高充種效果方面，常采用增大種群擾動(dòng)、施加機(jī)械振動(dòng)等方式，破壞種層間相互制約的力鏈并提升種群流動(dòng)性，從而降低種子進(jìn)入充種口時(shí)的充填阻力[15-17]；為了提高清種效果，常利用清種毛刷、鋼絲及刮種片等輔助部件，使多余種子在外力作用下脫落，或結(jié)合高速影像探明有效清種區(qū)域，優(yōu)化護(hù)種板角度等方法[18-20]。此外，相關(guān)學(xué)者還設(shè)計(jì)了雙定種、導(dǎo)種槽等新型取種單元結(jié)構(gòu)，對(duì)充種前種子的運(yùn)動(dòng)方式起到有效導(dǎo)向作用，引導(dǎo)種子進(jìn)入型孔，從而提升大豆排種器的高速作業(yè)能力[21-23]。然而，由于玉米種子充種時(shí)姿態(tài)各異，隨著機(jī)械式排種器的轉(zhuǎn)速提升，短時(shí)間內(nèi)種子充入姿態(tài)難以有效匹配充種口形狀，易造成漏充現(xiàn)象；且當(dāng)多粒種子保持隨機(jī)姿態(tài)充入型孔時(shí)，也容易將其堵塞，導(dǎo)致無(wú)法完成清種；上述問(wèn)題是造成機(jī)械式排種器高速作業(yè)時(shí)排種精度下降的主要原因。

為此，本文設(shè)計(jì)一種姿控驅(qū)導(dǎo)式玉米精量排種器，利用調(diào)姿齒對(duì)種子的充前姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，配合單元型孔控制種子的充入姿態(tài)，并采用雙側(cè)種盤對(duì)置、單列排種的結(jié)構(gòu)布局，以確保高速作業(yè)時(shí)充、清種效果穩(wěn)定，進(jìn)而提升排種性能。根據(jù)種子的物理機(jī)械特性，完成排種器的關(guān)鍵零部件參數(shù)設(shè)計(jì)，分析種子姿態(tài)調(diào)整原理，開(kāi)展臺(tái)架性能試驗(yàn)，獲取排種器最優(yōu)參數(shù)組合，并驗(yàn)證其高速作業(yè)性能及姿態(tài)調(diào)控技術(shù)的有效性，以期為機(jī)械式精量排種器研究提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

姿控驅(qū)導(dǎo)式精量排種器的結(jié)構(gòu)爆炸圖如圖1a所示，主要包括前殼體、護(hù)種板、排種盤、褲型入種管、遞種隔板、導(dǎo)種輪、后殼體、傳動(dòng)軸、投種口。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖

圖1b為排種器裝配圖。其中，取種單元作為調(diào)控種子姿態(tài)并實(shí)現(xiàn)充、清種的關(guān)鍵部件，由調(diào)姿齒與單元型孔構(gòu)成，調(diào)姿齒用于調(diào)整位于調(diào)姿槽底部種子的姿態(tài)；護(hù)種板與殼體壁面之間為調(diào)姿槽，槽底采用弧形曲面，使槽底的種子在側(cè)向力作用下進(jìn)入取種單元；導(dǎo)種輪上連續(xù)分布有導(dǎo)種倉(cāng)格，由于承接兩側(cè)排種盤上取種單元投遞的種子，相鄰兩個(gè)倉(cāng)格側(cè)面開(kāi)口相反；毛刷位于護(hù)種板末端，防止取種單元與護(hù)種板夾碎清落的種子；排種盤內(nèi)徑處設(shè)有擾種齒，用于破壞種群的靜止堆積狀態(tài)，促使種子進(jìn)入調(diào)姿槽內(nèi)。

排種器工作原理如圖2所示，共分為充種、清種、遞種、導(dǎo)種和投種5個(gè)階段，其中充種階段包含種子的姿態(tài)調(diào)控過(guò)程。

圖2 排種器工作原理圖

種子從入種管進(jìn)入排種器前、后兩側(cè)種室后，隨擾種齒攪動(dòng)進(jìn)入調(diào)姿槽，由于調(diào)姿槽寬度的限制，槽底的馬齒形與球錐形種子將保持豎立1、側(cè)立2或斜躺3共3種姿態(tài)，豎立姿態(tài)的種子受護(hù)種板邊緣高度的限制，無(wú)法進(jìn)入取種單元，因此需要利用調(diào)姿齒撥動(dòng)其進(jìn)行翻滾，以調(diào)整姿態(tài)，直至調(diào)整為斜躺或側(cè)立姿態(tài)后，在側(cè)向力作用下穿越護(hù)種板底部，進(jìn)入取種單元內(nèi)準(zhǔn)備充種。此時(shí)，種子將保持平躺或側(cè)立兩種姿態(tài)，在遞種隔板壁面摩擦力驅(qū)動(dòng)下，控制其保持現(xiàn)有姿態(tài)充入單元型孔；取種單元攜帶種子運(yùn)動(dòng)至清種區(qū)后，多余種子受到約束力不足而隨重力下落，型孔內(nèi)僅保留單粒種子；隨后兩側(cè)取種單元內(nèi)的種子投遞至導(dǎo)種倉(cāng)格內(nèi)匯聚成同一列后，隨重力與離心力運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)種倉(cāng)格底部，在投種區(qū)排出。

2 關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 種子形狀特征及尺寸

種子的形狀特征及尺寸是排種器關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[24]。本文選用未經(jīng)過(guò)分級(jí)處理的鄭單958玉米種子作為研究對(duì)象，根據(jù)其外形輪廓特征將種子分為馬齒形、球錐形與近球形3類，將每類種子各隨機(jī)選取100粒，通過(guò)三維掃描的方法得到其外形輪廓，依次測(cè)量每顆種子的三軸尺寸并統(tǒng)計(jì)。以種子質(zhì)心為原點(diǎn)，長(zhǎng)度、寬度、厚度所在坐標(biāo)軸分別為z軸、y軸、x軸，如圖3所示。

圖3 玉米種子三軸尺寸

2.2 排種盤

排種盤直徑?jīng)Q定取種單元的數(shù)量及分布，對(duì)整機(jī)性能至關(guān)重要?！掇r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中，機(jī)械式排種器的種盤直徑通常取80～260 mm，不宜過(guò)大或過(guò)小[25]。排種盤直徑過(guò)小時(shí)，圓周可分布取種單元數(shù)量減少，排種器高速作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)速提升，不利于排種均勻、穩(wěn)定；排種盤直徑過(guò)大時(shí)，取種單元數(shù)目可增多，有利于降低排種器的工作轉(zhuǎn)速，提高排種穩(wěn)定性，但直徑過(guò)大也會(huì)相應(yīng)提升制造成本、裝配難度及作業(yè)功耗[26-27]。故本文綜合考慮后選取排種盤外徑d為230 mm，內(nèi)徑d0為150 mm，如圖4所示。

圖4 排種盤裝配示意圖

2.3 調(diào)姿槽

調(diào)姿槽用于配合調(diào)姿齒調(diào)整種子的充前姿態(tài)。由于種群中馬齒形與球錐形種子的形狀、尺寸差異較大，并且數(shù)量較多。為實(shí)現(xiàn)上述兩種形狀種子的姿態(tài)調(diào)整，需要確定調(diào)姿槽的尺寸參數(shù)。首先應(yīng)確保近球形種子在最大均徑smax下可以進(jìn)入取種單元內(nèi)，其次針對(duì)馬齒形和球錐形種子的姿態(tài)進(jìn)行分析，具體如下：

為準(zhǔn)確調(diào)整種子的姿態(tài)，應(yīng)初步限制長(zhǎng)軸垂直于槽壁的種子(受限姿態(tài)1與受限姿態(tài)2)落入槽內(nèi)，調(diào)姿槽的寬度r1應(yīng)小于種子的最小長(zhǎng)度lmin(圖5a、5b)；當(dāng)落入槽內(nèi)種子的長(zhǎng)軸平行于槽壁時(shí)，種子可到達(dá)槽底呈豎立、斜躺或側(cè)立姿態(tài)，由于護(hù)種板邊緣高度r2小于種子的最小長(zhǎng)度lmin，保持豎立姿態(tài)(受限姿態(tài)3與受限姿態(tài)4)的種子無(wú)法進(jìn)入取種單元，所以需要對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整(圖5c、5d)；為使調(diào)整后的種子以斜躺或側(cè)立姿態(tài)進(jìn)入取種單元，護(hù)種板邊緣高r2應(yīng)大于種子的最大寬度wmax或種子的最大厚度tmax(圖5e、5f)。因此，調(diào)姿槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足

圖5 調(diào)姿槽結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

(1)

式中l(wèi)——馬齒形或球錐形種子長(zhǎng)度，mm

w——馬齒形或球錐形種子寬度，mm

t——馬齒形或球錐形種子厚度，mm

由表1可知，lmin、wmax、tmax與smax的取值分別為10.77、9.98、8.41、9.99 mm。根據(jù)式(1)確定r1與r2均取10 mm。

表1 玉米種子三軸尺寸測(cè)量結(jié)果

為使種子調(diào)整姿態(tài)后能順利通過(guò)護(hù)種板底端進(jìn)入取種單元，還需確定槽底截面圓弧半徑的取值。以調(diào)姿槽寬度r1為半徑的圓O1、以護(hù)種板邊緣高r2為半徑的圓O2，均不與以槽底截面圓弧r0為半徑的圓O0發(fā)生干涉，即圓O1與圓O2下側(cè)的公切線與圓O0間存在長(zhǎng)度為Δr0的間隙，如圖6所示。其中，圓心O1、O2分別為護(hù)種板截面末端倒角的起點(diǎn)與終點(diǎn)，圓O1與槽壁相切于點(diǎn)a、圓O2與槽底相切于點(diǎn)b，圓O0同時(shí)經(jīng)過(guò)a、b兩點(diǎn)，圓心O0位于線段ab的法向平分線上。

圖6 槽底圓弧截面參數(shù)示意圖

因此，圓O1、圓O2下側(cè)公切線與圓O0的間隙Δr0應(yīng)滿足

Δr0≥0

(2)

由圖6中圓O1、圓O2與圓O0的幾何位置關(guān)系可得

(3)

式中l(wèi)ab——點(diǎn)a、b間距離，mm

將r1與r2取值代入式(3)后，聯(lián)立式(2)可得：r0≥12.85 mm。為使調(diào)姿槽內(nèi)種子調(diào)整姿態(tài)后有足夠側(cè)向充填力進(jìn)入取種單元，槽底截面圓弧半徑不宜過(guò)大，Δr0取值應(yīng)接近于0，因此r0取12.85 mm。

種子完成姿態(tài)調(diào)整后的受力情況如圖7所示。

圖7 槽底種子受力分析

以種子質(zhì)心為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，種子在x軸方向的合力滿足

∑Fx=[(FN+Fr+G)cos45°-f]cos45°

(4)

其中

(5)

Fn=(FN+Fr+G)cos45°

(6)

式中FN——種子受到的上方種層壓力，N

Fr——種子受到的離心力，N

G——種子受到的重力，N

f——種子與排種器結(jié)構(gòu)間摩擦力，N

μ——種子與排種器間滑動(dòng)摩擦因數(shù)

Fn——種子受到的支持力，N

m——種子質(zhì)量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2

r——種子所在位置半徑，m

ω——排種器角速度，rad/s

聯(lián)立式(4)～(6)，可得

∑Fx=0.5(1-μ)(FN+mrω2+mg)

(7)

由式(7)可知，種子受到x軸方向的合力，與排種器角速度ω、上方種子的壓力FN呈正相關(guān)。因此，排種器的角速度越高，種子進(jìn)入取種單元時(shí)的側(cè)向作用力越大，可以確保其高速作業(yè)時(shí)充種可靠。

2.4 取種單元

2.4.1結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

取種單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接決定排種器的充、清種性能。取種單元主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括調(diào)姿齒齒型，型孔寬度W、型孔壁面高度H1、型孔高度H2、型孔壁面長(zhǎng)度L1、型孔長(zhǎng)度L2、型孔圓角半徑R、型孔外壁面傾角γ。型孔外壁面配合遞種隔板驅(qū)動(dòng)并引導(dǎo)種子進(jìn)入單元型孔，當(dāng)型孔外壁面長(zhǎng)度過(guò)大時(shí)，取種單元的體積增大，圓周分布數(shù)量減少，不利于降低工作轉(zhuǎn)速，當(dāng)型孔外壁面長(zhǎng)度過(guò)小時(shí)，調(diào)姿齒齒面面積受到限制，齒面面積過(guò)小不利于調(diào)整種子的姿態(tài)。因此，型孔外壁面長(zhǎng)度應(yīng)控制在lmin與lmax之間，取 13 mm，如圖8a所示。

圖8 取種單元結(jié)構(gòu)示意圖

調(diào)姿齒的齒型決定種子的姿態(tài)調(diào)整效果，進(jìn)而也會(huì)影響排種器性能。為探究調(diào)姿齒不同齒型對(duì)排種性能的影響，分別設(shè)定線型、凸型、凹型調(diào)姿齒與無(wú)調(diào)姿齒4種情況進(jìn)行試驗(yàn)，以確定最優(yōu)齒型，如圖8b所示。

取種單元的參數(shù)取值應(yīng)依據(jù)充入種子的具體受控姿態(tài)而定，共分為以下5種；單粒種子保持平躺姿態(tài)充入型孔(圖9a)；單粒種子保持側(cè)立姿態(tài)充入型孔(圖9b)；兩粒平躺姿態(tài)的種子疊加充入型孔(圖9c)；兩粒側(cè)立姿態(tài)種子疊加充入型孔(圖9d)；單粒近球形種子任意姿態(tài)充入型孔(圖9e)。其中，前4種情況對(duì)應(yīng)種子類型均為馬齒形或球錐形。因此，取種單元結(jié)構(gòu)參數(shù)滿足

圖9 種子姿態(tài)控制情況

(8)

式中 ΔW——型孔寬度方向間距，mm

ΔH1——t1max與型孔壁面高度差，mm

ΔH2——型孔高度方向間距，mm

ΔL1——待清種子重心超出型孔長(zhǎng)度，mm

ΔL2——長(zhǎng)度方向間距，mm

Δh——種子與型孔頂部間距，mm

Δl——種子進(jìn)入型孔部分的長(zhǎng)度，mm

同時(shí)，為防止間隙處進(jìn)入種子，ΔW與ΔH2均不超過(guò)tmin，為精準(zhǔn)清除疊加充入型孔的待清種子，ΔH1應(yīng)大于0，型孔壁面高度H1應(yīng)小于2tmin，ΔL1和ΔL2均小于0.5lmin，為避免種子被卡住，Δh應(yīng)大于0，且型孔內(nèi)的待投種子還需要受到足夠的約束力，Δl應(yīng)大于0.5lmax。

根據(jù)表1中種子尺寸范圍結(jié)合式(8)的限定條件，可以精準(zhǔn)確定型孔寬度W、型孔壁面高度H1、型孔高度H2、型孔壁面長(zhǎng)度L1、型孔長(zhǎng)度L2分別取11、7、13、3、9 mm?；谏鲜鰠?shù)取值可進(jìn)一步確定型孔圓角半徑R與型孔外壁面傾角γ的最大值分別為11.7 mm與51.8°。由于試驗(yàn)用種未經(jīng)過(guò)分級(jí)處理，個(gè)體差異較大，為提高取種單元對(duì)種子的適應(yīng)性，型孔圓角半徑R與型孔外壁面傾角γ的取值依據(jù)具體試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果。

2.4.2種子姿態(tài)調(diào)整原理分析

調(diào)姿槽內(nèi)的種子姿態(tài)各異，部分保持豎立姿態(tài)的馬齒形和球錐形種子需要進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。將種子的姿態(tài)調(diào)整過(guò)程分為4個(gè)階段，分別為調(diào)姿階段Ⅰ、滑躍階段Ⅱ、下落階段Ⅲ和側(cè)入階段Ⅳ，如圖10a所示。不同階段中種子受力情況如圖10b所示。

圖10 種子姿態(tài)調(diào)整過(guò)程分析

在調(diào)姿階段Ⅰ中，種子受力為調(diào)姿齒與種子間的接觸力N，種子與種子間摩擦力f1，種子與排種器間摩擦力f，向種子質(zhì)心處取矩可得

∑M=NΔd+0.5l(f1-f)

(9)

其中

f1=ηFN

(10)

式中 Δd——種子與調(diào)姿齒接觸點(diǎn)的質(zhì)心距，mm

η——種子與種子間滑動(dòng)摩擦因數(shù)

種子在排種盤徑向(y軸向)與切線方向(x軸向)的合力滿足

(11)

式中α——種子所在位置處徑向與垂向夾角，(°)

當(dāng)種子即將調(diào)整姿態(tài)時(shí)，調(diào)姿齒和種子的接觸點(diǎn)與種子的質(zhì)心距接近其0.5倍的長(zhǎng)度，將Δd取0.5l代入式(9)并與式(5)、(10)、(11)聯(lián)立，得種子質(zhì)心處的合力矩大于0，因此種子將繞質(zhì)心滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)軸翻轉(zhuǎn)后壓覆于調(diào)姿齒的上齒面。

在滑躍階段Ⅱ中，將種子與種子間摩擦力f1、種子與排種器間摩擦力f向種子質(zhì)心處取矩，種子質(zhì)心處的合力矩及種子與調(diào)姿齒接觸面法線方向(y軸向)的合力與切線方向(x軸向)的合力滿足

(12)

式中λ——調(diào)姿齒傾斜角，(°)

由式(12)可知，種子與種子間摩擦力f1和種子與排種器間摩擦力f為一對(duì)大小相等、作用點(diǎn)關(guān)于質(zhì)心對(duì)稱的平行力，因此種子質(zhì)心處合力矩為零。此時(shí)，種子將壓覆于調(diào)姿齒的上齒面，并沿x軸的反方向相對(duì)調(diào)姿齒齒面進(jìn)行滑動(dòng)，直到越過(guò)調(diào)姿齒后進(jìn)入下一階段。

聯(lián)立式(5)、(12)可得

(13)

為確?；S階段Ⅱ順利進(jìn)行，調(diào)姿齒的傾斜角度不宜過(guò)大，否則對(duì)種子產(chǎn)生攜帶作用過(guò)大，種子無(wú)法及時(shí)回落槽底而影響充種效果。預(yù)試驗(yàn)中種子進(jìn)入取種單元位置處徑向與垂向夾角α最大為65°，且排種器轉(zhuǎn)速低于30 r/min時(shí)，排種效果較優(yōu)，代入式(13)計(jì)算可得，調(diào)姿齒傾斜角λ不超過(guò)30.5°；同時(shí)防止調(diào)姿槽內(nèi)種子結(jié)拱而造成漏充，調(diào)姿齒應(yīng)為調(diào)姿槽內(nèi)種群施加擾動(dòng)力，調(diào)姿齒傾斜角λ不宜過(guò)小，因此調(diào)姿齒傾斜角λ取30°。在調(diào)姿齒不與調(diào)姿槽底曲面發(fā)生干涉的前提下，可以確定其長(zhǎng)度u與寬度v分別取12 mm和10.5 mm。

在下落階段Ⅲ中，種子在排種盤徑向(y軸向)與切向(x軸向)的合力，以及質(zhì)心處合力矩滿足

(14)

由式(14)可知，種子在合外力的作用下，沿x軸反方向與y軸方向共同加速下落。

在側(cè)入階段Ⅳ中，種子的長(zhǎng)軸貼覆槽底弧面，隨調(diào)姿齒共同沿排種盤圓周運(yùn)動(dòng)，種子的y軸與x軸合力同樣滿足式(11)，質(zhì)心處合力矩滿足

∑M=NΔd+0.5w(f1-f)

(15)

此時(shí)，摩擦力f1和f為一對(duì)大小相等的平行力，并且調(diào)姿齒和種子的接觸點(diǎn)與種子的質(zhì)心距Δd接近于0，將Δd取0代入式(15)中，可以判斷種子質(zhì)心處合力矩為0。因此，該階段種子將保持長(zhǎng)軸平行于槽底的姿態(tài)，隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在側(cè)向力的作用下進(jìn)入取種單元內(nèi)準(zhǔn)備充種。

2.4.3取種單元分布

排種器在滿足充種、清種、遞種、導(dǎo)種和投種5個(gè)工作階段的需求下，應(yīng)盡量增多取種單元的數(shù)量，以便降低工作轉(zhuǎn)速并提高投種頻率，適應(yīng)高速作業(yè)工況[25]。為確保順利完成遞種，種子所受離心力恒小于重力，因此取種單元數(shù)量滿足

(16)

式中k——單個(gè)排種盤上取種單元的數(shù)量

v——播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h

z——玉米播種株距，取25 cm

n——排種器工作轉(zhuǎn)速，r/min

為確保排種器的高速作業(yè)質(zhì)量可靠，其最高轉(zhuǎn)速相對(duì)臨界轉(zhuǎn)速越小越好。因此，設(shè)計(jì)排種器工作轉(zhuǎn)速n低于30 r/min，作業(yè)速度v最高14 km/h，根據(jù)農(nóng)藝要求選取玉米播種株距z為25 cm，代入式(16)得，單個(gè)種盤上取種單元數(shù)量不少于16個(gè)。

相鄰兩個(gè)取種單元的間距為

(17)

式中i——取種單元長(zhǎng)度，取20.6 mm

為確保種子能夠及時(shí)進(jìn)入取種單元中，m應(yīng)大于1.5倍的種子最大長(zhǎng)度(21 mm)[25]。上文中取種單元安裝后外側(cè)長(zhǎng)度為20.6 mm，當(dāng)k取16，代入式(17)可得m為21.4 mm，滿足設(shè)計(jì)條件。

將k取16代入式(16)中計(jì)算可得，排種器在作業(yè)速度8、10、12、14 km/h的條件下，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速分別為16.7、20.8、25、29.2 r/min。

2.5 遞種隔板

遞種隔板用于分隔導(dǎo)種輪與取種單元，并與取種單元共同構(gòu)建出完整的單元型孔空間。為防止排種器轉(zhuǎn)速提升后，個(gè)別未完成遞種的種子停留于型孔與遞種倉(cāng)格之間，運(yùn)動(dòng)至遞種口末端受剪破碎，因此將遞種口末端繼續(xù)延伸，并設(shè)有鋸齒結(jié)構(gòu)用于清除該類種子。為合理確定遞種口起始端位置，需要對(duì)種子清種過(guò)程進(jìn)行分析。當(dāng)取種單元運(yùn)動(dòng)至清種起始角φ處，以種子滑落方向?yàn)閤軸、法向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，待清種子的受力情況如圖11a所示。

圖11 遞種隔板

為使待清種子能夠掉落，種子在x軸向的合力應(yīng)大于0，滿足

(18)

當(dāng)排種盤最大轉(zhuǎn)速取30 r/min時(shí)，即ω為0.05 rad/s，d為230 mm，前期試驗(yàn)測(cè)得μ為0.3，代入式(18)并與式(5)聯(lián)立計(jì)算可得，清種起始角φ大于46.7°。因此，為留出足夠的清種區(qū)域，遞種口從水平方向80°夾角開(kāi)始，經(jīng)過(guò)90°結(jié)束并繼續(xù)向下延伸80°，如圖11b所示。

3 性能優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)所用排種器為姿控驅(qū)導(dǎo)式玉米精量排種器，其主要零部件均選用深圳市未來(lái)工廠科技有限公司生產(chǎn)的未來(lái)8200pro樹脂，采用光固化3D打印技術(shù)加工而成，加工精度為±0.2 mm。試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)采用JPS-12型排種性能試驗(yàn)臺(tái)，并配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速攝像機(jī)(i-SPEED3型，日本Olympus公司)、視頻處理軟件(i-SPEED Suite高速影像軟件)、網(wǎng)格坐標(biāo)面板和高光燈組成，如圖12所示。

圖12 臺(tái)架試驗(yàn)

試驗(yàn)選用未經(jīng)過(guò)分級(jí)的鄭單958玉米種子，千粒質(zhì)量290.2 g，含水率10.36%，休止角22.33°。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)以調(diào)姿齒齒型為試驗(yàn)因素，分別對(duì)線型、凸型、凹型調(diào)姿齒與無(wú)調(diào)姿齒4種情況開(kāi)展單因素試驗(yàn)，探究調(diào)姿齒齒型對(duì)排種性能試驗(yàn)指標(biāo)的影響，以確定調(diào)姿齒的最優(yōu)齒型。

(2)根據(jù)前期排種器性能預(yù)試驗(yàn)及理論分析，分別確定影響排種器工作性能的因素取值范圍：型孔圓角半徑R為3.3～11.7 mm、型孔外壁面傾角γ為18.2°～51.8°、排種器工作轉(zhuǎn)速n為11.6～28.4 r/min。在調(diào)姿齒選取最優(yōu)齒型的基礎(chǔ)上，為得到排種器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，以型孔圓角半徑R、型孔外壁面傾角γ和工作轉(zhuǎn)速n為試驗(yàn)因素，開(kāi)展三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)，試驗(yàn)編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)編碼

(3)在排種器最優(yōu)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，開(kāi)展高速作業(yè)條件下的排種性能對(duì)比試驗(yàn)。在作業(yè)速度為8、10、12、14 km/h共4個(gè)梯度的條件下，分別測(cè)試姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器、無(wú)種子姿態(tài)調(diào)控過(guò)程的排種器(姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器雙側(cè)排種盤上均不安裝護(hù)種板，且取種單元不添加調(diào)姿齒結(jié)構(gòu))與勺輪式排種器的排種性能并對(duì)比。

3.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)玉米種植的農(nóng)藝要求，試驗(yàn)設(shè)定播種株距為25 cm，依據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，將排種穩(wěn)定時(shí)連續(xù)排出的251粒種子記為一組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)合格率Y1、漏播率Y2及重播率Y3進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將每組試驗(yàn)指標(biāo)的平均值作為最終結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1調(diào)姿齒齒型單因素試驗(yàn)

設(shè)定排種器作業(yè)速度為12 km/h，型孔外壁面傾角γ為51.8°，型孔圓角半徑R為3.3 mm，進(jìn)行不同調(diào)姿齒齒型的單因素試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同調(diào)姿齒齒型試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，有、無(wú)調(diào)姿齒結(jié)構(gòu)對(duì)排種合格率具有顯著影響，無(wú)調(diào)姿齒時(shí)排種漏播率達(dá)到32.4%，說(shuō)明未進(jìn)行姿態(tài)調(diào)控的部分種子無(wú)法進(jìn)入取種單元，隨著調(diào)姿槽內(nèi)種子的堆積結(jié)拱，反而抑制充種；有調(diào)姿齒時(shí)排種合格率均高于86%，漏播率在4%以下，較無(wú)調(diào)姿齒結(jié)構(gòu)時(shí)合格率最大可提升29.1個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明調(diào)姿齒對(duì)充種前的種子進(jìn)行調(diào)姿，同時(shí)也能對(duì)調(diào)姿槽內(nèi)種群施加擾動(dòng)，可大幅提升充種效果。

調(diào)姿齒的不同齒型對(duì)充種效果的影響程度不同，線型調(diào)姿齒的排種合格率最高，為89.6%，其次是凹型和凸型。原因是種子進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整時(shí)首先與調(diào)姿齒齒面邊緣接觸，凹型邊緣對(duì)種子攜帶作用較強(qiáng)，不利于種子及時(shí)進(jìn)入取種單元；凸型邊緣與調(diào)姿槽槽底弧面完全貼合，種子調(diào)姿時(shí)直接接觸齒面，滾動(dòng)力矩較小，調(diào)姿效果減弱；線型邊緣在種子調(diào)姿時(shí)與種子底部線性接觸，產(chǎn)生滾動(dòng)力矩較大，種子易于調(diào)整姿態(tài)。因此，線型調(diào)姿齒對(duì)種子姿態(tài)調(diào)整效果最好，排種合格率提升效果最優(yōu)。

3.3.2二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)

基于上述單因素試驗(yàn)結(jié)果，在調(diào)姿齒齒型為線型的條件下，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。為進(jìn)一步分析試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

表5 顯著性分析

(19)

為直觀分析因素間交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，利用Design-Expert 8.0.6軟件繪制出試驗(yàn)因素間有顯著交互作用的響應(yīng)曲面，如圖13所示。

圖13 因素間交互作用對(duì)性能影響的響應(yīng)曲面

由圖13a可知，型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑對(duì)排種合格率影響的交互作用顯著，隨著型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑的增大，排種合格率呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)型孔外壁面傾角為43.4°～51.8°，型孔圓角半徑為3.3～5.4 mm時(shí)，排種合格率較高；由圖13b可知，型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑對(duì)排種重播率影響的交互作用極顯著，隨著型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑的增大，排種重播率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，同樣當(dāng)型孔外壁面傾角為43.4°～51.8°，型孔圓角半徑為3.3～5.4 mm 時(shí)，排種重播率較低。

根據(jù)上述變化趨勢(shì)分析可知，隨取種單元的型孔外壁面傾角增大與型孔圓角半徑的減小，種子進(jìn)入取種單元時(shí)受到的阻礙作用減小，并且型孔開(kāi)口面積增大，有利于種子充填，所以排種合格率上升。但是，當(dāng)取種單元對(duì)種子的阻礙作用過(guò)小并且型孔開(kāi)口過(guò)大時(shí)，容易導(dǎo)致兩粒種子同時(shí)進(jìn)入型孔內(nèi)，不利于清種，從而造成排種重播率增大。

為得到該排種器在高速作業(yè)條件下的最優(yōu)參數(shù)組合，以排種合格率最大，漏播率與重播率最小為優(yōu)化目標(biāo)，并結(jié)合排種器高速8～14 km/h作業(yè)時(shí)的轉(zhuǎn)速范圍(16.7～29.2 r/min)，對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化求解，目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

(20)

求解可得，排種器在工作轉(zhuǎn)速為16.7 r/min、型孔外壁面傾角為46.9°、型孔圓角半徑為4.5 mm的條件下，工作性能達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)排種合格率、漏播率和重播率分別為92.4%、2.4%和5.2%。

為進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，排種器在最優(yōu)參數(shù)條件下進(jìn)行3次臺(tái)架試驗(yàn)并對(duì)結(jié)果取平均值，此時(shí)排種合格率、漏播率和重播率分別達(dá)到91.6%、2.8%與5.6%，較試驗(yàn)預(yù)測(cè)結(jié)果誤差較小，表明二次正交旋轉(zhuǎn)回歸組合試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性。

3.4 排種性能對(duì)比試驗(yàn)

基于上述正交試驗(yàn)的結(jié)果，姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器在型孔外壁面傾角取46.9°、型孔圓角半徑取4.5 mm的條件下，與無(wú)種子姿態(tài)調(diào)控過(guò)程的該排種器和勺輪式排種器分別開(kāi)展作業(yè)速度為8、10、12、14 km/h的排種性能對(duì)比試驗(yàn)。在上文試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，添加每組試驗(yàn)用種的破損率Y4與株距均勻性變異系數(shù)C統(tǒng)計(jì)結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)該排種器的高速作業(yè)性能。

由表6可知，姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器在作業(yè)速度為8～14 km/h的范圍內(nèi)，排種合格率均高于90%，漏播率均低于3%，重播率均低于8%，破損率均低于0.5%，株距均勻性變異系數(shù)均低于19%，滿足玉米精量播種的技術(shù)要求；無(wú)姿態(tài)調(diào)控排種器在相同作業(yè)速度范圍內(nèi)，排種合格率均低于87%，漏播率均高于0.7%，重播率均高于12%，破損率均低于0.6%，株距均勻性變異系數(shù)均低于23%；分析原因得，未對(duì)種子進(jìn)行姿態(tài)調(diào)控的排種器中，種子充入型孔時(shí)姿態(tài)雜亂、難以匹配開(kāi)口形狀，導(dǎo)致充種效果不佳，同時(shí)出現(xiàn)雙粒種子堵塞型孔的現(xiàn)象而無(wú)法有效清種，當(dāng)速度由8 km/h提升至14 km/h時(shí)，原排種器較無(wú)姿態(tài)調(diào)控排種器的合格率差異由4.8%上升至11.2%，重播率差異由6.8%上升至9.5%，上述問(wèn)題隨速度提升而加劇，但采用種子姿態(tài)調(diào)控技術(shù)使其有效解決；相較勺輪式排種器，當(dāng)作業(yè)速度為 8 km/h 時(shí)，姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器的作業(yè)效果與勺輪式排種器差異較小，排種合格率提升1.3個(gè)百分點(diǎn)，株距均勻性變異系數(shù)提升3.8個(gè)百分點(diǎn)，但隨作業(yè)速度提升差異逐漸增大，在速度14 km/h下排種合格率提升9.8個(gè)百分點(diǎn)，株距均勻性變異系數(shù)提升6.6個(gè)百分點(diǎn)，姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器對(duì)高速的適應(yīng)性更強(qiáng)。

表6 臺(tái)架性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

因此，姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器高速作業(yè)時(shí)的排種精度及穩(wěn)定性均優(yōu)于無(wú)姿態(tài)調(diào)控的排種器與勺輪式排種器，證明采用種子姿態(tài)調(diào)控技術(shù)，可有效確保排種器高速作業(yè)時(shí)充、清種效果可靠，進(jìn)而提升整體高速作業(yè)能力，同時(shí)也說(shuō)明其對(duì)高速作業(yè)具備良好的適應(yīng)性及穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

(1)為提升機(jī)械式排種器的高速作業(yè)性能，提出利用調(diào)姿齒與單元型孔調(diào)整并控制玉米種子充種姿態(tài)的技術(shù)思路，設(shè)計(jì)了一種姿控驅(qū)導(dǎo)式玉米精量排種器，并完成調(diào)姿槽、取種單元、遞種隔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

(2)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，調(diào)姿齒齒型為線型時(shí)，對(duì)排種合格率的提升效果最優(yōu)，較無(wú)調(diào)姿齒的情況下可提升29.1個(gè)百分點(diǎn)；正交試驗(yàn)結(jié)果表明，排種器在工作轉(zhuǎn)速為16.7 r/min，型孔外壁面傾角為46.9°與型孔圓角半徑為4.5 mm的條件下，性能達(dá)到最優(yōu)，排種合格率、漏播率和重播率分別為92.4%、2.4%和5.2%，驗(yàn)證后得出排種合格率、漏播率和重播率分別為91.6%、2.8%與5.6%，表明正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果具有較高準(zhǔn)確性。

(3)排種性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，在作業(yè)速度 8～14 km/h的范圍內(nèi)，姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器的排種合格率均高于90%，漏播率均低于3%，重播率均低于8%，破損率均低于0.5%，株距均勻性變異系數(shù)均低于19%，滿足玉米精量播種的技術(shù)要求；姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器的作業(yè)性能與精度均優(yōu)于無(wú)姿態(tài)調(diào)控的排種器與勺輪式排種器，證明采用種子姿態(tài)調(diào)控技術(shù)能有效提升其高速作業(yè)能力，使其具備良好的高速適應(yīng)性及穩(wěn)定性。