基于電磁振動的玉米粒群定向整列系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化與試驗

權(quán)龍哲，奚德君，肖云瀚，王建森，張明俊，王洪飛，張?zhí)煊?/p>

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基于電磁振動的玉米粒群定向整列系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化與試驗

權(quán)龍哲，奚德君，肖云瀚，王建森，張明俊，王洪飛，張?zhí)煊?/p>

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為提高玉米粒群定向整列系統(tǒng)性能及精度，分析電磁振動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)對定向整列性能的影響。首先，通過分析系統(tǒng)的工作原理，構(gòu)建了籽粒的滑移模型；其次，開展了系統(tǒng)動力學(xué)分析及定向階段籽粒的受力分析，探討了籽粒定向整列過程與系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)之間的關(guān)系，選取出對系統(tǒng)作業(yè)性能有顯著影響的參數(shù)，得到滿足要求的設(shè)計參數(shù)臨界條件；最后，搭建定向整列試驗平臺，通過三因素二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計試驗，進一步優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，建立因素與試驗指標(biāo)（定向成功率、整列成功率）的回歸方程。經(jīng)優(yōu)化計算得出：最佳設(shè)計參數(shù)范圍為振動方向角32°～35°、振幅為0.1～0.15 mm、振動頻率為51.5～52 Hz，相對應(yīng)的試驗指標(biāo)定向成功率范圍為63.8%～67.4%，整列成功率范圍為95.8%～96.3%，其中最優(yōu)參數(shù)組合為：振動方向角34.42°、振幅為0.14 mm、振動頻率51.77 Hz；將系統(tǒng)置于最優(yōu)參數(shù)組合進行驗證試驗，同時借助高速攝像系統(tǒng)對籽粒定向整列過程實時記錄和分析，在無機械機構(gòu)輔助的情況下，平均定向成功率為66.2%，整列成功率為97.4%。該研究可為玉米籽粒定向種植、定向育苗等相關(guān)裝備的研制提供參考。

動力學(xué)；模型；設(shè)計；優(yōu)化；電磁振動；定向整列；玉米籽粒；高速攝像

0 引 言

玉米定向種植是一種新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，與傳統(tǒng)種植模式相比具有高產(chǎn)，防病，通風(fēng)等諸多優(yōu)點，只有實現(xiàn)大規(guī)模機械化定向種植，才可能推而廣之，而玉米粒群的自動定向整列是實現(xiàn)機械化定向種植的前提和關(guān)鍵。

近年來，定向整列技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng) 域[1-7]，其中利用電磁振動輸送物料的方式較為常見，相關(guān)研究人員針對該問題開展了廣泛研究：聞邦椿等[8]提出了振動輸送理論；王應(yīng)彪等[9]探究了階梯式玉米籽粒定向輸送技術(shù)；高星星等[10]開展了淡水魚頭尾與腹背定向裝置的設(shè)計與試驗；金誠謙等[11]研究了大蒜播種時鱗芽朝向?qū)Υ笏馍L發(fā)育方面的影響，其中針對玉米定向整列技術(shù)的研究報道較為少見，該技術(shù)是玉米機械化定向種植研究中亟待解決的關(guān)鍵問題[12-18]；另一方面，相關(guān)研究人員針對廣義農(nóng)業(yè)物料輸送理論開展了廣泛研究：瓦爾特·霍爾曼等[19-20]提出了物料的質(zhì)量結(jié)合系數(shù)和阻尼系數(shù)對電磁振動輸送機影響較大；Booth等[21]估算物料在全滑動情況下的輸送速度；Lim[22]認(rèn)為摩擦因數(shù)和輸送平面的安裝傾角對物料輸送速度影響很大；Raafat等[23]研究了物料與輸送平臺間摩擦力的情況及驅(qū)動機構(gòu)的參數(shù)對物料輸送速度的影響；辛麗麗等[24]認(rèn)為物料結(jié)合系數(shù)和阻尼系數(shù)與電磁振動系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)有關(guān)，其中針對電磁振動環(huán)境中的玉米粒群定向和整列相關(guān)理論研究鮮有報道，特別是以實現(xiàn)玉米粒群定向整列為目標(biāo)的電磁振動系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化的研究更為少見，為此，本文擬針對玉米定向整列理論及振動場參數(shù)優(yōu)化問題開展相關(guān)研究。

1 系統(tǒng)工作原理及籽?；颇Ｐ?/h2>

玉米粒群定向整列系統(tǒng)的機構(gòu)簡圖如圖1所示。交流電經(jīng)過半波整流后加在激振線圈4上，當(dāng)處于交流電的正半周時，激振線圈4上有電流通過，電磁鐵3和銜鐵2之間產(chǎn)生激振力(N)，使定向整列輸送平臺1向右下方運動，主彈簧5變形，儲存一定的彈性勢能。當(dāng)?shù)浇涣麟姷呢?fù)半周時，激振線圈4上的電流消失，電磁鐵3和銜鐵2之間的激振力也消失，主彈簧5的彈性勢能得以釋放，使平臺1朝反方向離開，這樣系統(tǒng)就以交流電的頻率在做往復(fù)運動，實現(xiàn)籽粒的輸送。

在選定籽粒已知運動狀態(tài)的前提下，可根據(jù)振動機的設(shè)計與調(diào)試?yán)碚揫20]確定系統(tǒng)的工作參數(shù)（振幅、振動頻率、振動方向角及安裝傾角）。

通常來講，用拋擲指數(shù)、正向滑行指數(shù)及反向滑行指數(shù)來描述籽粒的運動狀態(tài)：

1. 輸送平臺 2. 銜鐵 3. 電磁鐵 4. 激振線圈 5. 主彈簧 6. 減振底座

1. Conveying platform 2. Armature 3. Electromagnet 4.Exciting coil 5. Main spring 6. Damping base

注：為安裝傾角，（°）；F為籽粒受到的摩擦力，N；為籽粒重力，N；為激振力方向；為振動方向角，（°）。

Note:ismounting angle, (°);Fis friction of the grain, N;is grain gravity, N;is direction of exciting force ;is vibration direction angle, (°).

圖1 定向整列系統(tǒng)的機構(gòu)原理及籽粒受力分析

Fig.1 Mechanism principle of oriented alignment systemand grain force analysis

當(dāng)<1，>1，<1時，只出現(xiàn)正向滑行的運動 狀態(tài)；當(dāng)<1，>1，>1時，在料槽的一個振動周期內(nèi)，將會出現(xiàn)正向滑行和反向滑行2種運動狀態(tài)。

對于本研究系統(tǒng)來說，反向滑行沒有實際意義，會增大料槽的磨損，所以以期系統(tǒng)產(chǎn)生較大的正向滑行不產(chǎn)生反向滑行。因此，參考振動輸送機與振動給料機的設(shè)計與使用[20]，取<1，=2～3，≈1。

通過斜面法測定籽粒與橡膠板的摩擦角0(°)，摩擦系數(shù)=tan0，可計算出常數(shù)

振動方向角為

振幅為

正向滑行速度為

式中為安裝傾角，（°）；為激振角頻率，rad/s；P為正向滑行的速度系數(shù)，根據(jù)正向滑行運動狀態(tài)可查出速度系數(shù)P=3.4[25]。

2 系統(tǒng)動力學(xué)分析

籽粒自身特性和系統(tǒng)操作方式均通過阻尼和質(zhì)量結(jié)合影響著系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)[26]，只有將籽粒自身特性與系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)相結(jié)合，才能準(zhǔn)確描述振動場中籽粒的運動規(guī)律。因此本節(jié)擬在籽粒平穩(wěn)滑行的前提下，建立與分析含有籽粒自身特性和系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)的的動力學(xué)模型。

2.1 動力學(xué)建模

將該系統(tǒng)視為具有粘性阻尼的雙自由度雙質(zhì)點強迫振動系統(tǒng)[27-28]，如圖2所示，1表示該電磁振動系統(tǒng)的上質(zhì)量體（包括料槽、銜鐵、玉米籽粒等），2表示該電磁振動系統(tǒng)的下質(zhì)量體（包括電磁鐵、減振底座、配重等），1為主彈簧的剛度，2為減振彈簧的剛度。

注：m1和m2為2個集中質(zhì)量，kg；y1和y2為2個集中質(zhì)量在垂直方向上的位移，mm；k1和k2為2個彈簧的彈簧剛度，N·mm–1；c1和c2為2個彈簧的阻尼系數(shù)。

由電磁振動學(xué)原理可知，該系統(tǒng)瞬時激振力（N）可近似表示為

式中F為最大電磁激振力，N。

激振線圈產(chǎn)生的電磁激振力為

式中為整數(shù)；為振動周期，s。

根據(jù)上述力學(xué)模型，應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理建立動力平衡方程。

∈2為2×1的系統(tǒng)激振力矩陣，即=(–(),())T。

2.2 動力學(xué)分析

將籽粒的正向滑行假設(shè)成物料的干摩擦作用[29]，含有干摩擦的系統(tǒng)是一個強非線性系統(tǒng)，在阻尼力的影響下穩(wěn)定狀態(tài)仍接近諧振，通常可將此非線性阻尼的強迫振動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為具有線性阻尼的強迫振動系統(tǒng)[23]，在2.1節(jié)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用能量守恒原理把真實系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性等效系統(tǒng)。

簡諧電磁激振力sin作用下的振動系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)解為

式中為相位角，（°）。

激振力在方向上的微元功為

（10）

在一個周期內(nèi)（=0~2π/），通過sin輸入系統(tǒng)的能量為

（11）

設(shè)系統(tǒng)的位移為=sin(–)，阻尼力（）為

式中為非線性阻尼系數(shù)。

阻尼力（）在一個周期內(nèi)所消耗的能量為

由式（13）可見，粘性阻尼力作的負(fù)功與振幅、阻尼系數(shù)和振動頻率有關(guān)，根據(jù)能量守恒原理，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)受迫振動后有

由此，可求得穩(wěn)態(tài)振幅為

當(dāng)質(zhì)量從平衡位置移動到最大位移時，摩擦力做功為。所以一個振動周期中的摩擦力做功為

（16）

其中籽粒在滑行運動時受到的摩擦力為

（17）

在一個周期內(nèi)，干摩擦阻尼的等效線性阻尼和非線性阻尼消耗的能量相等，則有

式中c為等效線性阻尼系數(shù)。

經(jīng)整理得

利用得到的阻尼系數(shù)，求出質(zhì)量結(jié)合系數(shù)，如下式為

振幅比B為

負(fù)荷質(zhì)量比為

設(shè)計質(zhì)量比為

式中m為有效質(zhì)量（玉米粒群質(zhì)量和料槽質(zhì)量的和），kg；m為玉米粒群質(zhì)量，kg；m為料槽質(zhì)量，kg。

對于振動系統(tǒng)而言，可根據(jù)阻尼比定義系統(tǒng)狀態(tài)，當(dāng)阻尼比≥1時，系統(tǒng)處于強阻尼狀態(tài)，不產(chǎn)生周期振動，而是蠕動地返回到平衡位置，是一種非周期性運動；當(dāng)阻尼比<1時，系統(tǒng)處于弱阻尼狀態(tài)，為周期往復(fù)振動[8]，此時有利于定量化地分析籽粒定向整列機理，使其有律可循，因此，阻尼比選取范圍為[0,1]，阻尼比指阻尼系數(shù)與臨界阻尼系數(shù)之比

式中0為系統(tǒng)固有頻率，rad/s。

= 20（25）

當(dāng)阻尼比=1時，則有

= 20（26）

與式（19）聯(lián)立，得到其成立的臨界條件為

式（27）揭示了由安裝傾角α、振幅B、振動頻率ω所確定的保持系統(tǒng)為周期往復(fù)運動的臨界條件，如圖3所示，理論上講曲面及曲面上方對應(yīng)的參數(shù)組合，均能保證系統(tǒng)處于周期往復(fù)運動狀態(tài)，故該曲面可為設(shè)計參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)。

2.3 定向階段籽粒的受力分析

針對籽粒定向過程進行深入研究：假設(shè)籽粒體全長（m），質(zhì)心為，籽?！按蠖恕焙汀凹舛恕狈謩e距離質(zhì)心（m）、（m），定向階段籽粒的受力分析如圖4所示，由于質(zhì)量偏心原理，籽粒受到沿臺面向左上方激振力作用，籽粒沿長軸方向各部分受到的向左上方的牽引力和沿臺面向右的摩擦力均不同，當(dāng)激振力達(dá)到一定程度后，籽粒沿長軸方向各部分受到的合力相對質(zhì)心形成一對不平衡轉(zhuǎn)矩，迫使籽粒逆時針轉(zhuǎn)動，經(jīng)分析得到籽粒繞自身質(zhì)心的轉(zhuǎn)矩（N·m）。

式中q()和q()分別為沿籽粒長軸方向籽粒質(zhì)心距離大端處籽粒受到線載荷，N/m；為籽粒質(zhì)量，g。

從上式可以看出：

≠0，籽粒可以繞自身質(zhì)心做旋轉(zhuǎn)運動；

＞0，籽粒大端朝運動方向做轉(zhuǎn)體運動。

為分析籽粒轉(zhuǎn)體過程中的運動狀態(tài)，任意取一點（在籽粒長軸上遠(yuǎn)離質(zhì)心的“大端”處）和任意點（在籽粒長軸上遠(yuǎn)離質(zhì)心的“尖端”處）進行分析，令沿長軸方向籽?！按蠖恕本嚯x點為1，籽?！按蠖恕本嚯x點為1。假設(shè)點、點分別以籽粒質(zhì)心為圓心做圓周運動，整理得到籽粒點、點旋轉(zhuǎn)速度

注：FN為籽粒受到的支持力，N；a為籽粒質(zhì)心距籽粒大端距離，mm；b為籽粒質(zhì)心距籽粒小端距離，mm；F為激振力，N；o為籽粒質(zhì)心。

式中m為參振總質(zhì)量，kg。

根據(jù)這種假設(shè)，可以得到籽粒長軸方向上任意一點的旋轉(zhuǎn)速度運動方程，為研究玉米籽粒定向設(shè)備結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

3 系統(tǒng)試驗與參數(shù)優(yōu)化

搭建參數(shù)可調(diào)的玉米粒群定向整列試驗臺，通過試驗優(yōu)化出該裝置的最佳設(shè)計參數(shù)。

3.1 試驗臺的搭建

如圖5所示，該系統(tǒng)由輸送系統(tǒng)1、電磁振動系統(tǒng)2、底部減振系統(tǒng)3、控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)4和參數(shù)實時檢測系統(tǒng)5等構(gòu)成。系統(tǒng)框架由鋁合金型材鉸接而成，小型電磁鐵緊固于鋼板的下端，整列輸送平臺末端安裝有喂料斗，平臺底部焊接有懸鐵，與電磁鐵配合輸送槽側(cè)面裝有標(biāo)尺，可確定籽粒運動位移，進而可確定籽粒實際滑行速度。

將試驗臺的振動方向角、安裝傾角、振幅及振動頻率均設(shè)計成參數(shù)可調(diào)，通過調(diào)整控制箱改變電流大小，實現(xiàn)振幅的調(diào)節(jié)；通過SDVC31-L（深圳市世科達(dá)機電有限公司，量程為40.0～400.0 Hz）數(shù)字調(diào)頻控制器調(diào)節(jié)和顯示系統(tǒng)頻率；通過調(diào)整輸送平臺的角度及板彈簧的角度，實現(xiàn)安裝傾角（料槽與水平面的夾角）和振動方向角（板彈簧與料槽夾角的余角）的調(diào)節(jié)。通過?，擜S63A（株洲市測繪儀器儀表公司，其量程為0.001～1.999 mm）數(shù)字測振儀確定系統(tǒng)的振幅及振動速度以達(dá)到參數(shù)實時檢測的目的。在試驗平臺正上方架設(shè)約克公司的Phantom高速攝像系統(tǒng)[30-31]，其中高速攝像機采用KODAK公司生產(chǎn)的彩色CCD攝像機，調(diào)整高速攝像機的位置角度、焦距，將高速攝像機拍攝幀數(shù)設(shè)定為125幀/s，試驗平臺由2個對稱放置的1 kW新聞燈照射，并借助配套軟件進行記錄分析。

1. 輸送系統(tǒng) 2. 電磁振動系統(tǒng) 3. 底部減振系統(tǒng) 4. 控制調(diào)節(jié)系統(tǒng) 5. 參數(shù)實時檢測系統(tǒng)

3.2 試驗設(shè)計

本研究對象選擇區(qū)域代表性顯著、種植面積大、具備定向種植條件的半馬齒或者大馬齒型玉米品種[32]作為研究對象，選用中科11號、晟玉18號、利民33號、東單80號及鄭丹958號5個品種，各樣本均隨機選擇種穗中部飽滿、整齊的1 000顆優(yōu)質(zhì)籽粒。對不同品種籽粒的物理特性進行測定[33]，其物理特性的變化范圍為：含水率為13.88%～14.53%、密度為1.13～1.19 g/cm3、籽粒與橡膠板之間的滑動摩擦系數(shù)為0.58～0.79。一般來說，電磁振動輸送系統(tǒng)的安裝傾角通常為0°[25]；試驗裝置按50 Hz市用電頻率進行設(shè)計，頻率比取0.85~0.95，當(dāng)頻率比取0.95時，試驗臺工作點位于亞共振區(qū)，其振動效果最好，即設(shè)計頻率與激振頻率比值為0.95，因此，激振頻率取51.0～52.5 Hz[34]；通過式（2）、式（3）得到振動方向角范圍為25°～40°，振幅范圍為0.05～0.20 mm；通過圖3確定系統(tǒng)為周期往復(fù)性運動的臨界曲面，可得振幅范圍為0～1.0 mm。綜合分析，選取滿足籽粒正向滑行和系統(tǒng)振動為周期往復(fù)運動2條件的參數(shù)范圍，即上述參數(shù)范圍的交集。當(dāng)安裝傾角為0°、振動頻率為51.0～52.5 Hz、摩擦系數(shù)為0.58～0.79、振動方向角為25°～40°、振幅為0.05～0.20 mm時，根據(jù)式（4）計算籽粒的正向滑行速度范圍為1.59~7.24 mm/s。

為考察籽粒的定向整列成功率，選取定向成功率1(%)和整列成功率2(%)為性能評價指標(biāo)。

1=1/′100% （31）

2=2/′100% （32）

式中1為擬定籽粒長軸軸線與前進方向所成夾角小于30°的籽粒數(shù)；2為正向滑行速度大于1.59 mm/s的籽粒數(shù)，為每次試驗總籽粒數(shù)。

采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計安排試驗，試驗共進行23組，每組試驗重復(fù)3次取平均值，試驗因素水平如表1所示，試驗方案及結(jié)果如表2所示。

3.3 定向整列成功率回歸模型與響應(yīng)曲面分析

使用Design-Expert 6.0.10軟件處理試驗結(jié)果，剔除模型中不顯著項，試驗方案獲得玉米定向成功率1和整列成功率2的回歸數(shù)學(xué)模型。

1=–47614.10853+37.219691–1122.343772+

1823.760323–0.4651213+30.1698923–

0.1975212–1708.5641322–17.5300932（33）

2=–3995.83588+9.498701+72.888112+

150.600723–1.8856212–0.1759913–1.3873832（34）

為確定各試驗因素對試驗指標(biāo)（定向成功率、整列成功率）影響的顯著性，進行方差分析，結(jié)果分別如表3所示。

表1 因素水平編碼

表2 試驗方案與結(jié)果

表3 定向成功率、整列成功率的方差分析

注：“***”表示極顯著(<0.01)；“**”表示非常顯著(0.01≤<0.05)；“*”表示顯著(0.05≤<0.1)，下同。

Note: “***”means highly significant (<0.01); “**”means very significant (0.01≤<0.05); “*” means significant (0.05≤<0.1), the same below.

對定向成功率1和整列成功率2進行方差分析，剔除模型中不顯著項，所得的定向成功率1模型極顯著，殘差項不顯著；所得的整列成功率2模型極顯著，殘差項不顯著，說明所得的回歸數(shù)學(xué)模型與實際結(jié)果擬合良好。分析可知，各因素對定向成功率和整列成功率影響順序由強到弱為：振動方向角、振動頻率、振幅，各因素對定向成功率1和整列成功率2的響應(yīng)曲面如圖6所示。

利用Design- Expert8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對回歸模型進行求解，根據(jù)系統(tǒng)的實際工作條件、作業(yè)性能要求及上述響應(yīng)曲面分析結(jié)果，選擇優(yōu)化約束條件為

考慮機具工作的穩(wěn)定性，同時保證系統(tǒng)的作業(yè)質(zhì)量，從優(yōu)化結(jié)果中選取最佳參數(shù)組合范圍為：振動方向角32°～35°、振幅為0.1～0.15 mm、振動頻率為51.5～52 Hz，相對應(yīng)的定向成功率范圍為63.8%~67.4%，整列成功率范圍為95.8%～96.3%，其中最優(yōu)參數(shù)組合為：振動方向角34.42°、振幅為0.14 mm、振動頻率51.77 Hz，此時定向成功率為65.4%，整列成功率為96.8%。

3.4 驗證試驗

將玉米粒群定向整列系統(tǒng)置于最佳參數(shù)組合進行3次重復(fù)試驗以驗證參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)確性，將3.2節(jié)中每個品種的1 000顆籽粒隨機分成10組，每組100顆籽粒，進行50組驗證試驗，通過高速攝像系統(tǒng)記錄籽粒在輸送平臺上的運動過程，隨機抽取5組試驗，如圖7所示。無機械機構(gòu)輔助的試驗結(jié)果為：定向成功率為66.2%，整列成功率為97.4%，考慮到籽粒個體形態(tài)差異較大和粒間碰撞摩擦引起的隨機誤差不定，導(dǎo)致驗證試驗結(jié)果與理論優(yōu)化結(jié)果不同，但基本一致，說明該系統(tǒng)定向整列性能優(yōu)異，體現(xiàn)了理論模型的準(zhǔn)確性及系統(tǒng)的可靠性，可為玉米定向種植、定向育苗等相關(guān)裝備的研制提供參考。

圖7 玉米籽粒運動的高速攝影圖像

4 結(jié) 論

1）針對玉米籽粒獨特的物理特性，構(gòu)建了保證玉米籽粒平穩(wěn)快速滑行的理論模型及保證系統(tǒng)為周期性往復(fù)運動的理論模型，確定出對玉米籽粒定向整列系統(tǒng)的影響最大且在試驗中易檢測可控的3個系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，為振動方向角、振幅、振動頻率。

2）以振動方向角、振幅、振動頻率作為自變量，定向成功率和整列成功率為目標(biāo)函數(shù)進行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，對其回歸模型進行優(yōu)化求解，確定了最佳設(shè)計參數(shù)組合范圍為振動方向角32°～35°、振幅為0.1～ 0.15 mm、振動頻率為51.5～52 Hz時，相對應(yīng)的試驗指標(biāo)定向成功率為63.8%～67.4%，其中最優(yōu)參數(shù)組合為：振動方向角34.42°、振幅為0.14 mm、振動頻率51.77 Hz。

3）在參數(shù)可調(diào)試驗平臺上進行了驗證試驗，同時借助高速攝像系統(tǒng)對玉米籽粒整列過程實施記錄和分析，平均定向成功率達(dá)到66.2%，定向整列成功率為97.4%。本研究可為玉米籽粒定向種植、定向育苗等相關(guān)裝備的研制提供理論支持。

[1] 王春耀，梁勤安，閔磊，等. 水果輸送過程中定向機理的分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(20)：95－98. Wang Chunyao, Liang Qinan, Min Lei, et al. Analysis and test for orientation mechanism in fruit transportation[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 95－98. (in Chinese with English abstract)

[2] 史鵬濤，文懷興，王寧俠，等. 大棗全自動輸送定向切片機設(shè)計與應(yīng)用效果[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(24)：28－34. Shi Pengtao, Wen Huaixing, Wang Ningxia, et al. Design and application effects of automatic conveying and directional slicer for jujube[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(24): 28－34. (in Chinese with English abstract)

[3] 韓豹，孟繁超，梁麗娜，等. 粳稻定向播種裝置供種機構(gòu)性能數(shù)值模擬與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(14)：22－29. Han Bao, Meng Fanchao, Liang Lina, et al. Numerical simulation and experiment on performance of supplying seeds mechanism of directional precision seeding device for japonica rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(14): 22－29. (in Chinese with English abstract)

[4] 張曉輝，劉剛，初曉慶，等. 自走式棉田打頂定向施藥管理機的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(22)：40－48. Zhang Xiaohui, Liu Gang, Chu Xiaoqing, et al. Design and experiment of self-propelled cotton topping and directional spraying machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(22): 40－48. (in Chinese with English abstract)

[5] 李長友，馬興灶，程紅勝，等. 荔枝定向去核剝殼機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(8)：93－100. Li Changyou, Ma Xingzao, Cheng Hongsheng, et al. Design and experiment of litchi denucleating and decorticating machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(8): 93－100. (in Chinese with English abstract)

[6] 劉向東，王學(xué)農(nóng)，王春耀，等. 差速式三通道鮮杏動態(tài)定向輸送裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(10)：35－43. Liu Xiangdong, Wang Xuenong, Wang Chunyao, et al. Design and test of apricot dynamic orientation and conveying device with 3-path differential belts[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(10): 35－43. (in Chinese with English abstract)

[7] 姜松，孫柯，楊德勇，等. 禽蛋大小頭自動定向排列中翻轉(zhuǎn)運動機理研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(3)：215－222. Jiang Song, Sun Ke, Yang Deyong, et al. Turnover motion mechanism of automatic orientation of eggs according to pointed end and blunt end[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(3): 215－222. (in Chinese with English abstract)

[8] 聞邦椿，劉樹英，陳照波，等. 機械振動理論及應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，2009.

[9] 王應(yīng)彪，趙學(xué)觀，徐麗明，等. 基于電磁振動的玉米種子定向排序輸送技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(1)：79－88.Wang Yingbiao, Zhao Xueguan, Xu Liming, et al. Experiment and directional movement technology of corn seed base on the electromagnetic vibration[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1): 79－88. (in Chinese with English abstract)

[10] 高星星，譚鶴群. 淡水魚頭尾與腹背定向裝置的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(5)：342－347. Gao Xingxing, Tan Hequn. Design and experiment of directional transport device of freshwater fish bodies[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(5): 342－347. (in Chinese with English abstract)

[11] 金誠謙，袁文勝，吳崇友，等. 大蒜播種時鱗芽朝向?qū)Υ笏馍L發(fā)育影響的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(4)：155－158. Jin Chengqian, Yuan Wensheng, Wu Chongyou, et al. Experimental study on effects of the bulbil direction on garlic growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(4): 155－158. (in Chinese with English abstract)

[12] 趙學(xué)觀，徐麗明，王應(yīng)彪，等. 基于Fluent與高速攝影的玉米種子定向吸附研究[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(10)：103－109. Zhao Xueguan, Xu Liming, Wang Yingbiao, et al. Directional adsorption characteristics of corn seed based on Fluent and highspeed photography[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(10): 103－109. (in Chinese with English abstract)

[13] 江光華，韓英志，王艷紅，等. 玉米定向排種精播技術(shù)初探[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2012(2)：17－20. Jiang Guanghua, Han Yingzhi, Wang Yanhong, et al. Directional and precision sowing techniques of corn[J]. Agricultural Engineering, 2012(2): 17－20. (in Chinese with English abstract)

[14] 聞邦椿，劉樹英. 振動機械的理論與動態(tài)設(shè)計方法[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[15] Kawamoto H. Some techniques on electrostatic separation of particle size utilizing electrostatic traveling-wave field[J]. Journal of Electrostatics, 2008, 66(3/4): 220－228.

[16] Piatkowski T, Sempruch J. Model of the process of load unit stream sorting by means of flexible active fence[J]. Mechanism and Machine Theory, 2008, 43(5): 549－564.

[17] 俞亞新，林佳輝，趙勻，等. 基于單軸對稱特性的稻種定向排序仿真與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(10)：62－67. Yu Yaxin, Lin Jiahui, Zhao Yun, et al. Simulation and test on rice seed orientation based on single axisymmetric properties [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(10): 62－67. (in Chinese with English abstract)

[18] 薦世春，劉云東. 大蒜播種機蒜瓣自動定向控制裝置的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2009(10)：28－29. Jian Shichun, Liu Yundong. Experimental research on the garlic clove automatic orientation control device of garlic planting machine[J]. Agrlcultural Equipment & Vehicle Engineering, 2009(10): 28－29. (in Chinese with English abstract)

[19] 瓦爾特·霍爾曼，曹秉忠. 物料由于阻尼和質(zhì)量結(jié)合對振動槽運行狀態(tài)的影響[J]. 起重運輸機械，1975(6)：55－63.

[20] 瓦爾特·霍爾曼，曹秉忠. 物料由于阻尼和質(zhì)量結(jié)合對振動槽運行狀態(tài)的影響(續(xù))[J]. 起重運輸機械，1976(1)：60－68.

[21] Booth J H, Callion H Ma. On predicting the mean conveying velocity of a vibratory conveyor[J]. Proceedings of the Institution of Mechanicl Engineers, 1963, 178(20): 521－538.

[22] Lim G H. On the conveying velocity of a vibratory feeder[J]. Computers&Structures, 1997, 62(1): 197－203.

[23] Raafat A, Mahmoud A. Performance of an oscillating conveyor driven through a spring[J]. Machanism and Machine Theory, 1997, 32(7): 835－842.

[24] 辛麗麗，梁繼輝，聞邦椿，等. 考慮物料結(jié)合系數(shù)的傾角振動輸送機系統(tǒng)動力學(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(2)：87－90.

Xin Lili, Liang Jihui, Wen Bangchun, et al. Dynamic analysis of a vibrating conveyer with inclination in consideration of material combination coefficient[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(2): 87－90. (in Chinese with English abstract)

[25] 聞邦椿，劉鳳翹，劉杰. 振動篩、振動給料機、振動輸送機的設(shè)計與調(diào)試[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1989.

[26] Oehmen H H. 振動輸送機理論[J]. 起重運輸機械，1983(8)：2－11.

[27] 蘇江. 壓電振子在直線式振動送料器上的應(yīng)用研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2014. Su Jiang. Application Research on Piezoelectric Vibrator in Straighe-line Vibratory Feeder[D]. Changchun: Jilin University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[28] 洪致育，林良明. 運輸機械[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[29] 郭寶良，段志善，鄭建校，等. 非諧和水平振動輸送機物料速度優(yōu)化分析[J]. 振動，測試與診斷，2013，33(2)： 109－113. Guo Baoliang, Duan Zhishan, Zheng Jianxiao, et al. Optimization analysis of material speed of non-harmonic horizontally vibrated conveyer[J]. Journal of Vibration, Measurement&Diagnosis, 2013, 33(2): 109－113. (in Chinesewith English abstract)

[30] 權(quán)龍哲，張丹，曾百功，等. 玉米根茬抖動升運機構(gòu)的建模與優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(3)：23－29. Quan Longzhe, Zhang Dan, Zeng Baigong, et al. Modeling and optimizing dither mechanism for conveying corn stubble[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(3): 23－29. (in Chinese with English abstract)

[31] 崔濤，劉佳，楊麗，等. 基于高速攝像的玉米種子滾動摩擦特性試驗與仿真[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(15)： 34－41. Cui Tao, Liu Jia, Yang Li, et al. Experiment and simulation of rolling friction characteristic of corn seed based on high- speed photography[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(15): 34－41. (in Chinese with English abstract)

[32] 劉長青，陳兵旗，張新會，等. 玉米定向精播種粒形態(tài)與品質(zhì)動態(tài)檢測方法[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015,46(9)：47－54. Liu Changqing, Chen Bingqi, Zhang Xinhui, et al. Dynamic detection of corn seeds for directional precision seeding[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 47－54. (in Chinese with English abstract)

[33] 周文秀. 玉米籽粒的物理力學(xué)特性硏究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2015. Zhou Wenxiu. The Physical and Mechanical Properties Research of Corn Grain[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2015. (in Chinese with English abstract)

[34] 嚴(yán)宇才. 一種微型電磁式振動能量收集器的設(shè)計與研究[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013. Yan Yucai. Design and Study of a Micro Electromagnetic Vibration Energy Harvester[D]. Hangzhou: Zhejiang University of Technology, 2013. (in Chinese with English abstract)

權(quán)龍哲，奚德君，肖云瀚，王建森，張明俊，王洪飛，張?zhí)煊? 基于電磁振動的玉米粒群定向整列系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(19)：59－66. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.008 http://www.tcsae.org

Quan Longzhe, Xi Dejun, Xiao Yunhan, Wang Jiansen, Zhang Mingjun, Wang Hongfei, Zhang Tianyu. Parameters optimization and experiment of oriented alignment system for maize seed group based on electromagnetic vibration[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(19): 59－66. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.008 http://www.tcsae.org

Parameters optimization and experiment of oriented alignment system for maize seed group based on electromagnetic vibration

Quan Longzhe, Xi Dejun, Xiao Yunhan, Wang Jiansen, Zhang Mingjun, Wang Hongfei, Zhang Tianyu

(150030,)

The study of corn mechanization planting orientation is still in the primary stage. Design of relevant institutions is mostly based on conceptual design of ideal grain shape, and the study on the basic characteristics and basic theory on corn particle swarm oriented alignment technology is lack. The motion state is more complex and affects the oriented alignment effects of maize grain seriously in electromagnetic vibration modes on maize grain in line in the process of conveying and sorting grain. Understanding of mechanical properties and optimization of vibration source parameters are the premise and key to get better oriented alignment effect of maize grain in the study of maize grain in vibration field. At first, this paper established the model of maize grain sliding motion through the force analysis of corn grain in the electromagnetic vibration system, and also obtained the minimum amplitude of the system of 0.05 mm which was the critical condition of contacts between the kernel and platform. Secondly, considering the special physical characteristics of corn grain, 1000 grains for each kind among 5 different kinds of corn with high quality in directional cultivation conditions were selected, and the instruments were adopted, such as the electronic balance with precision electronic scale of 0.01 g, the BPG-9.30AH electric thermostat blast drying box and MXD-01 friction coefficient instrument. For the different types of maize grains, the measured water content is in the range of 13.88%-14.53%, the density range is 1.13-1.19 g/cm3, and the sliding friction coefficient range between corn and hard rubber is 0.58-0.79. The corn planting orientation still relies on artificial pendulum, lacking mechanized corn directional seeding device. In order to make corn group oriented alignment system achieve directional cultivation, directional seeding accuracy requirements, and design parameters of the electromagnetic vibration system for corn particle swarm oriented alignment performance, were analyzed, as well as kinematics and dynamics of the system. The relationship between seed oriented alignment process and design parameters of system was explored in order to satisfy critical conditions requirements; the selected parameters had significant influence on the working performance of the system, and the main parameters affecting the performance of oriented alignment were the direction angle of vibration, vibration amplitude and frequency. On the corn particle swarm oriented alignment test platform, through the 2 orthogonal rotation design tests with 3 factors, the design parameters were optimized, and the factor and test index (directional success rate, the success rate of the entire column) regression equation was established. The optimal design parameters range was as follows: Vibrating direction angle was 32°-35°, amplitude was 0.1-0.15 mm, and vibration frequency was 51.5-52 Hz; corresponding to the test index, directional success rate was in the range of 63.8%-67.4%, the success rate of entire column was 95.8%-96.3%; the optimal combination of design parameters was the vibration direction angle of 34.42°, the amplitude of 0.14 mm and the vibration frequency of 51.77 Hz. The best combination of parameters was used in system verification test, with the high speed camera system implementation of recording and analysis on grain oriented alignment process, and in the absence of mechanical assisted mechanism, the average success rate of the orientation reached 66.2%, the success rate of entire column was 97.4%. The research can provide reference for the directional planting of maize grain and the development of directional seedling-raising equipment.

dynamics; models; design; optimization; electromagnetic vibration; oriented alignment; corn grain; high-speed photography

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.19.008

S233.73

A

1002-6819(2017)-19-0059-08

2017-05-29

2017-07-31

國家自然科學(xué)基金資助項目（51405078）；中國博士后科學(xué)基金資助項目（2014M561318）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目（20132325120007）

權(quán)龍哲，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，主要從事智能農(nóng)業(yè)裝備研究。哈爾濱 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，150030。 Email：quanlongzhe@163.com