動定指勺夾持式玉米精量排種器優(yōu)化設(shè)計與試驗

王金武 唐 漢 關(guān) 睿 李 鑫 白海超 田立權(quán)

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

引言

玉米精量播種是根據(jù)農(nóng)藝要求利用精密播種機械將玉米種子精準(zhǔn)定量地播入土壤預(yù)定位置的先進技術(shù)[1-2]，其重點是在保證播種密度前提下，實現(xiàn)粒距均勻和播深一致。精量排種器作為實現(xiàn)精密播種技術(shù)的核心工作部件，是保證播種粒距均勻性的重要手段，也是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點與熱點[3-5]。機械式排種器因具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、造價低廉等特點得到廣泛應(yīng)用[6]。目前市場較常用的機械式排種器主要為勺盤(輪)式和指夾式兩種，通過旋轉(zhuǎn)舀取或平面擺動夾持的方式進行充種作業(yè)，已基本解決玉米單粒播種問題。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者對舀、夾式排種器進行了大量研究[7-13]，這些研究多以結(jié)構(gòu)形式創(chuàng)新為主，提高了常規(guī)作業(yè)下舀、夾單粒率，但整體仍存在對玉米種子形狀及尺寸要求嚴(yán)格，適播范圍相對小，高速作業(yè)質(zhì)量有待改善等問題，無法完全滿足實際精量播種作業(yè)要求。

針對上述問題，為提高機械式玉米排種器作業(yè)質(zhì)量與適播范圍，設(shè)計一種基于限位導(dǎo)引原理的動定指勺夾持式玉米精量排種器，對其工作原理進行分析，優(yōu)化關(guān)鍵部件指勺種盤和限位導(dǎo)引總成結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用單因素適應(yīng)性試驗、多因素優(yōu)化試驗及對比試驗檢驗排種器作業(yè)性能，以期為玉米精量播種機具及其關(guān)鍵部件的創(chuàng)新設(shè)計提供技術(shù)參考及可行方案。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

動定指勺夾持式玉米精量排種器主要由排種軸、指勺種盤(種盤端蓋、定夾指勺、動夾指勺和微調(diào)彈簧)、限位導(dǎo)引總成(深溝槽凸輪盤殼體、調(diào)控擺臂、調(diào)節(jié)螺母和調(diào)控拉桿)、滾動滑輪、卸種濾板、清種毛刷和固裝底殼等部件組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示。其中指勺種盤和限位導(dǎo)引總成是排種器核心工作部件，其設(shè)計配置的合理性直接影響機具作業(yè)質(zhì)量。指勺種盤主要由18套動定指勺系統(tǒng)(定夾指勺和動夾指勺)及微調(diào)彈簧安裝于種盤端蓋內(nèi)組合而成，定夾指勺與種盤端蓋固定裝配，動夾指勺與微調(diào)彈簧配合安裝于種盤端蓋卡槽內(nèi)。動夾指勺外側(cè)配置滾動滑輪，保證指勺種盤整體在凸輪盤殼體深溝槽導(dǎo)軌內(nèi)平穩(wěn)柔順運動，防止出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象。配合調(diào)控擺臂進行復(fù)合限位導(dǎo)引，共同控制指勺系統(tǒng)開啟空間，進行夾持充種以適應(yīng)不同等級尺寸玉米種子的播種作業(yè)。動、定夾指勺皆由耐磨性尼龍材料制成，避免夾持時種子滑落及傷種問題。清種毛刷由豬鬃制成，可人為調(diào)整毛刷角度來控制清種程度。卸種濾板位于固裝底殼正下方，以便清除播種作業(yè)后排種器內(nèi)殘余的種子。

圖1 動定指勺夾持式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of clamping static and dynamic finger-spoon maize precision seed metering device1.排種軸 2、7.深溝槽凸輪盤殼體 3、6.種盤端蓋 4.定夾指勺 5.動夾指勺 8.固裝底殼 9.調(diào)控擺臂 10.滾動滑輪 11.微調(diào)彈簧 12.卸種濾板 13.調(diào)節(jié)螺母 14.調(diào)控拉桿 15.清種毛刷 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.導(dǎo)種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

1.2 工作原理

排種器工作過程主要分為夾持充種、運移清種、平穩(wěn)導(dǎo)種和零速投種4個串聯(lián)階段，如圖1b所示。正常作業(yè)時，玉米種子由種箱填充至充種區(qū)內(nèi)，通過固裝底殼自身物料仿架空限位結(jié)構(gòu)控制種子流動狀態(tài)，保證充種區(qū)內(nèi)種子數(shù)量動態(tài)平衡。通過調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)凸輪盤殼體深溝槽充種區(qū)位置處導(dǎo)軌軌跡進行復(fù)合限位導(dǎo)引，控制指勺系統(tǒng)開啟空間以保證各等級尺寸玉米種子的穩(wěn)定夾持。機具行走輪通過鏈傳動將動力傳至排種軸，并帶動指勺種盤整體進行旋轉(zhuǎn)運動。定夾指勺自身固定不動僅隨種盤進行圓周旋轉(zhuǎn)，玉米種子在指勺種盤的旋轉(zhuǎn)攪動下進行分種，動夾指勺在復(fù)合導(dǎo)軌和微調(diào)彈簧共同作用下沿種盤徑向進行定時伸縮開閉，形成速度不等圓周種群層。當(dāng)運動至充種區(qū)時動夾指勺開啟，種子在自身重力、種群碰撞摩擦力及指勺支持力共同作用下進行夾持取種；當(dāng)離開充種區(qū)時動夾指勺在彈簧力作用下柔性閉合并夾持多粒種子，完成充種過程。指勺系統(tǒng)夾持種子運移至清種區(qū)時，配合清種毛刷作用除去受力不均的多余種子，保證單粒夾持取種，完成清種過程。單粒種子被夾持進入導(dǎo)種區(qū)，動夾指勺平穩(wěn)開啟，完成導(dǎo)種環(huán)節(jié)。種子被運移至投種點拋送瞬間在自身重力和離心力作用下進行零速投送，完成投種過程。通過各環(huán)節(jié)共同作用提高機具播種質(zhì)量與適播范圍，實現(xiàn)精密播種作業(yè)。

2 排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 指勺種盤

指勺種盤是排種器的關(guān)鍵執(zhí)行部件，主要由種盤(前后)端蓋、動定指勺系統(tǒng)及微調(diào)彈簧等部件組成。如圖2所示，定夾指勺均勻周向固裝于種盤端蓋上，且隨指勺種盤進行旋轉(zhuǎn)運動，動夾指勺布置于種盤端蓋卡槽內(nèi)，通過動夾指勺對微調(diào)彈簧進行定位壓縮，實現(xiàn)動夾指勺隨種盤旋轉(zhuǎn)和沿種盤徑向伸縮的復(fù)合運動，形成動、定指勺間開閉腔體對玉米種子穩(wěn)定夾持。同時動夾指勺底部兩側(cè)對應(yīng)配置滾動滑輪，以便于指勺種盤在凸輪盤殼體深溝槽導(dǎo)軌內(nèi)平穩(wěn)運動。

圖2 指勺種盤結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of finger-spoon plate1.種盤前端蓋 2.滾動滑輪 3.動夾指勺 4.種盤后端蓋 5.定夾指勺 6.微調(diào)彈簧

動定指勺系統(tǒng)直接與玉米種子接觸夾持，其結(jié)構(gòu)形狀及尺寸參數(shù)的設(shè)計影響機具充種性能。由于不同玉米品種形狀尺寸間差異性較大，使得常規(guī)排種器播種適應(yīng)范圍有限，因此本文對不同類型玉米種子的尺寸分布進行研究測定，優(yōu)化設(shè)計動、定指勺結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析指勺平穩(wěn)夾持臨界條件，改善排種器充種質(zhì)量及適應(yīng)性能。

2.1.1玉米種子尺寸分級

玉米種子幾何尺寸是設(shè)計動、定指勺結(jié)構(gòu)參數(shù)的主要依據(jù)，是影響指勺穩(wěn)定精量夾持的重要因素。為提高排種器夾持取種適應(yīng)范圍，合理設(shè)計指勺結(jié)構(gòu)參數(shù)，本文選取不同等級尺寸玉米種子進行研究。目前中國尚未建立玉米種子尺寸等級劃分相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合玉米種植調(diào)研現(xiàn)狀[14-15]，選取黑龍江地區(qū)種植范圍較廣且尺寸等級不同4種玉米品種作為供試種子。通過人工分級清選處理，按形狀尺寸差異將供試種子分為扁形大粒、扁形小粒、圓形大粒和圓形小粒，如圖3所示。

圖3 玉米種子分級效果圖Fig.3 Effect diagrams of maize seeds grading

隨機挑選各類型種子1 000顆測定其幾何尺寸，統(tǒng)計其均值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表1所示。分析數(shù)據(jù)可知，4種類型供試種子尺寸集中分布于不同范圍，具有較顯著差異，但其三軸尺寸均呈中等偏態(tài)分布。在動、定指勺結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計過程中，應(yīng)保證指勺滿足多種類型玉米種子夾持要求，提高排種器作業(yè)質(zhì)量。

表1 玉米種子幾何尺寸參數(shù)Tab.1 Geometric dimension parametersof maize seeds mm

2.1.2動定指勺系統(tǒng)

在夾持充種過程中，指勺系統(tǒng)整體隨指勺種盤進行圓周旋轉(zhuǎn)運動，動夾指勺相對于定夾指勺進行徑向伸縮運動，依靠其兩者間形成空間腔體夾持種子。在動、定指勺設(shè)計過程中，應(yīng)簡化勺體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，保證勺體弧面光滑過渡，各向夾持受力均勻平穩(wěn)，減少指勺邊緣對種子損傷。如圖4所示，設(shè)計時將所夾持種子簡化為橢球體，通過橢圓形截曲線進行旋轉(zhuǎn)掃描切除優(yōu)化得到指勺實體，其指勺凹曲面為橢圓形，同時動、定指勺凹曲面沿截曲線傾斜切線對稱設(shè)計。本文以動夾指勺為例，對其參數(shù)進行設(shè)計分析，定夾指勺相關(guān)尺寸相同，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為指勺凹曲面切線傾斜角α、指勺夾持作用深度L、指勺夾持作用寬度W。

圖4 動定指勺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of static and dynamic finger-spoon system1.定夾指勺 2.動夾指勺 3.微調(diào)彈簧

為提高指勺夾持充種質(zhì)量與適應(yīng)范圍，結(jié)合各等級玉米種子幾何尺寸分布，指勺基本參數(shù)應(yīng)遵循的設(shè)計原則[16]為

(1)

動、定指勺凹曲面皆由橢圓形截曲線旋轉(zhuǎn)掃描優(yōu)化而成，其橢圓長軸與水平成傾斜角，以夾持中心(近似為被夾持種子質(zhì)心)為坐標(biāo)原點O，建立直角坐標(biāo)系xOy，則指勺凹曲面傾斜截曲線方程為

(2)

圖5 指勺夾持力學(xué)分析Fig.5 Analysis of clamped force by finger-spoon

為研究指勺系統(tǒng)夾持充種穩(wěn)定性，分析被夾持種子與系統(tǒng)間保持相對平衡且不被甩離的臨界條件，對充種過程指勺系統(tǒng)和種子的運動狀態(tài)進行力學(xué)分析。如圖5所示，為根據(jù)指勺夾持種子實際運動狀態(tài)抽象的模型示意圖，以指勺種盤旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點O，建立直角坐標(biāo)系XOY。選取伸縮夾持過程中動夾指勺進行受力分析，動夾指勺主要受到微調(diào)彈簧彈力FR、被夾持種子反向支持力FN1、被夾持種子反向摩擦力FS1、定夾指勺滑道支持力FN3、定夾指勺滑道摩擦力FS3、指勺所受離心力FC1和指勺自身重力G1共同作用。根據(jù)達朗貝爾原理，若保證動夾指勺平穩(wěn)夾持，則各平衡力系應(yīng)滿足

(3)

其中

(4)

式中m1——動夾指勺質(zhì)量，g

g——重力加速度，m/s2

k——微調(diào)彈簧剛度系數(shù)，N/mm

Δx——微調(diào)彈簧伸縮變形量，mm

ω——指勺種盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

R1——動夾指勺旋轉(zhuǎn)半徑，mm，近似為質(zhì)心規(guī)則圓柱體

β——動夾指勺旋轉(zhuǎn)圓周角，(°)

μ1——動夾指勺與玉米種子間摩擦因數(shù)

μ2——動、定指勺間摩擦因數(shù)

在此基礎(chǔ)上，以玉米種子為研究對象進行力學(xué)分析，種子主要受到動夾指勺夾持支持力FN1、動夾指勺夾持摩擦力FS1、定夾指勺夾持壓力FN2、定夾指勺夾持摩擦力FS2、種子所受離心力FC2和種子自身重力G2共同作用。若保證種子被平穩(wěn)夾持并進行圓周旋轉(zhuǎn)運動，則沿種子運動軌跡法線和切線方向應(yīng)受力平衡，其各力間應(yīng)滿足

(5)

其中

(6)

式中m2——玉米種子質(zhì)量，g

R2——玉米種子旋轉(zhuǎn)半徑，mm，近似為質(zhì)心規(guī)則橢球體

將式(3)～(6)合并整理簡化可得

(7)

由于排種器整體結(jié)構(gòu)限制，指勺種盤圓周直徑不可過大，設(shè)定種盤旋轉(zhuǎn)半徑(即玉米種子旋轉(zhuǎn)半徑)R2為185.0 mm，根據(jù)夾持充種角度要求可知動夾指勺旋轉(zhuǎn)圓周角β≤90°，常規(guī)排種旋轉(zhuǎn)角速度ω∈(1.5,5.3) rad/s，各材料間摩擦因數(shù)恒定，將上述參數(shù)代入式(7)中，可得工況下所設(shè)計指勺凹曲面切線傾斜角α應(yīng)小于33.8°，以保證指勺平穩(wěn)夾持作業(yè)。根據(jù)式(1)、(7)及玉米種子尺寸參數(shù)，設(shè)計指勺凹曲面切線傾斜角α為30°，指勺夾持作用深度L為13.5 mm，指勺夾持作用寬度W為7.2 mm。

2.2 限位導(dǎo)引總成

2.2.1限位導(dǎo)引原理

為精準(zhǔn)平穩(wěn)的控制指勺系統(tǒng)的開啟與閉合，有效串聯(lián)各排種作業(yè)環(huán)節(jié)，本文采用凸輪復(fù)合導(dǎo)引方式優(yōu)化設(shè)計了限位導(dǎo)引總成。如圖6所示，限位導(dǎo)引總成主要由深溝槽凸輪盤殼體、調(diào)控擺臂、調(diào)節(jié)螺母和調(diào)控拉桿(未標(biāo)注)等部件組成。實際作業(yè)時，結(jié)合播種玉米種子形狀尺寸要求，通過調(diào)控拉桿及型孔控制調(diào)控擺臂的位置，改變充種區(qū)位置處凸輪盤殼體深溝槽導(dǎo)軌軌跡，實現(xiàn)復(fù)合限位作用，進而調(diào)節(jié)指勺系統(tǒng)伸縮開閉行程空間。指勺種盤整體依靠外側(cè)配置的滾動滑輪被約束于復(fù)合導(dǎo)軌內(nèi)，限位導(dǎo)引總成固定不動，指勺種盤隨排種軸進行旋轉(zhuǎn)運動，通過微調(diào)彈簧和導(dǎo)引總成共同作用實現(xiàn)動夾指勺的徑向伸縮夾持。

圖6 限位導(dǎo)引總成復(fù)合約束示意圖Fig.6 Schematic diagram of composite constraints by limited guiding assembly1.定夾指勺 2.動夾指勺 3.微調(diào)彈簧 4.滾動滑輪 5.調(diào)控擺臂 6.深溝槽凸輪盤殼體

充種過程是排種器夾持運移的初始環(huán)節(jié)，也是最重要環(huán)節(jié)之一，合理穩(wěn)定調(diào)節(jié)充種區(qū)域內(nèi)指勺伸縮開啟空間是提高整體作業(yè)質(zhì)量的重要保證。指勺開啟行程過大，易夾持多粒種子造成重播現(xiàn)象；指勺開啟行程過小，易夾持不到種子造成漏播現(xiàn)象。因此在充種區(qū)域配置圓弧形調(diào)控擺臂，安裝于凸輪盤殼體內(nèi)，一端固定鉸接于凸輪盤殼體，另一端通過調(diào)控型孔調(diào)節(jié)擺臂的作用尺寸及角度，實現(xiàn)指勺導(dǎo)軌的復(fù)合導(dǎo)引約束。根據(jù)玉米種子形狀尺寸差異、指勺種盤及凸輪盤整體配置要求，設(shè)計調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸范圍為0～24 mm，即當(dāng)調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為0 mm時，完全依靠凸輪盤殼體深溝槽導(dǎo)軌進行約束導(dǎo)引；當(dāng)調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸大于0 mm時，依靠復(fù)合導(dǎo)軌進行約束導(dǎo)引。調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸范圍直接影響排種器夾持充種性能，也是提高排種器作業(yè)質(zhì)量和適播范圍的重要因素，因此在后續(xù)臺架試驗階段將對此因素開展試驗研究。

2.2.2凸輪盤導(dǎo)軌輪廓曲線

深溝槽凸輪盤殼體是限位導(dǎo)引總成的基礎(chǔ)載體部件，其深溝槽導(dǎo)軌輪廓曲線直接準(zhǔn)確適時的控制指勺系統(tǒng)開閉，應(yīng)根據(jù)排種器各作業(yè)環(huán)節(jié)區(qū)域劃分及指勺伸縮行程要求對導(dǎo)軌輪廓曲線進行設(shè)計。排種器各環(huán)節(jié)區(qū)域劃分應(yīng)遵循如下原則：盡量加大充種區(qū)域作業(yè)范圍，保證充種性能穩(wěn)定性與可靠性；使指勺系統(tǒng)緩慢過渡至清種區(qū)，保證有效清除受力不均的多余種子；使導(dǎo)種區(qū)快速過渡至投種區(qū)，防止指勺連帶作用，保證排種器有效零速投種。根據(jù)上述原則及充種區(qū)內(nèi)種群具體位置，設(shè)計充種區(qū)角度為85°，清種區(qū)角度為120°，導(dǎo)種區(qū)角度為100°，投種區(qū)角度為55°。

圖7 深溝槽凸輪盤導(dǎo)軌輪廓曲線示意圖Fig.7 Schematic diagrams of contour curve in groove cam

在此基礎(chǔ)上，對深溝槽導(dǎo)軌輪廓曲線進行優(yōu)化設(shè)計，綜合分析指勺種盤處于低中速運行狀態(tài)，作業(yè)過程中指勺系統(tǒng)將產(chǎn)生柔性沖擊，所設(shè)計的深溝槽凸輪盤屬于“力鎖合”凸輪機構(gòu)[17]，所優(yōu)化的導(dǎo)軌輪廓曲線為間歇式可升離凸輪曲線。采用反轉(zhuǎn)法[18]對凸輪盤導(dǎo)軌輪廓曲線進行求解，如圖7所示，滾子中心A點即為導(dǎo)軌凸輪曲線理論輪廓曲線。重點對充種區(qū)至清種區(qū)升程段、投種區(qū)至充種區(qū)升程段和清種區(qū)至導(dǎo)種區(qū)回程段進行設(shè)計，其方程為

(8)

式中S1——充種區(qū)至清種區(qū)升程位移，mm

S2——清種區(qū)至導(dǎo)種區(qū)回程位移，mm

S3——投種區(qū)至充種區(qū)升程位移，mm

δ——旋轉(zhuǎn)相位角，(°)

δ1——充種區(qū)至清種區(qū)升程運動角，(°)

δ2——清種區(qū)至導(dǎo)種區(qū)回程運動角，(°)

δ3——投種區(qū)至充種區(qū)升程運動角，(°)

h1——充種區(qū)遠休行程，mm

h2——清種區(qū)遠休行程，mm

r0——導(dǎo)軌輪廓曲線基圓半徑，mm

根據(jù)指勺系統(tǒng)伸縮夾持空間及時間要求，設(shè)定導(dǎo)種區(qū)至投種區(qū)輪廓曲線為基圓曲線，其半徑r0為50 mm，充種區(qū)遠休行程h1為8 mm，清種區(qū)遠休行程h2為14 mm，充種區(qū)至清種區(qū)升程運動角δ1為20°，清種區(qū)至導(dǎo)種區(qū)回程運動角δ2為55°，投種區(qū)至充種區(qū)升程運動角δ3為35°，將上述代入式(8)中，即可得到所優(yōu)化設(shè)計深溝槽導(dǎo)軌輪廓曲線。

3 臺架性能試驗

3.1 試驗材料與條件

試驗地點為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實驗室。試驗材料為前期研究測定的4種等級尺寸玉米品種(扁形大粒、扁形小粒、圓形大粒和圓形小粒)，通過人工分級清選處理，保證供試種子形狀均勻、飽滿無損傷及蟲害，測定各類型玉米種子千粒質(zhì)量分別為：扁形大粒331.08 g、扁形小粒281.12 g、圓形大粒302.87 g、圓形小粒275.23 g，其平均幾何尺寸參照表1。

試驗裝置主要由動定指勺夾持式玉米精量排種器和JPS-12型排種器性能檢測試驗臺(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院研制)組成，如圖8所示。在試驗過程中，排種器固定安裝于臺架，種床帶相對于排種器反向運動，模擬播種機具實際前進狀態(tài)，噴油泵將黏性油液噴于種床帶上，玉米種子從排種器落至涂有油層的種床帶，通過試驗臺圖像采集處理系統(tǒng)進行實時檢測并采集數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確測定各項排種性能指標(biāo)[19-20]。

圖8 排種性能試驗臺Fig.8 Test bed of seeding performance experiments1.動定指勺夾持式玉米精量排種器 2.安裝臺架 3.噴油泵 4.驅(qū)動電動機 5.圖像采集處理系統(tǒng) 6.種床帶

3.2 試驗因素與指標(biāo)

根據(jù)前期理論分析、預(yù)試驗研究及實際生產(chǎn)經(jīng)驗可知，在動定指勺夾持式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下，影響機具排種質(zhì)量與適播范圍的主要因素為排種器工作轉(zhuǎn)速和調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸，因此試驗過程中將針對兩因素開展單因素適應(yīng)性試驗和多因素優(yōu)化試驗相關(guān)研究，并在工況下與其他排種器進行性能對比。通過調(diào)節(jié)性能檢測試驗臺變頻器控制排種器工作轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)排種器調(diào)控拉桿控制調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸，以提高試驗可操作性及準(zhǔn)確性。

根據(jù)玉米播種作業(yè)農(nóng)藝要求，參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》和JB/T 10293—2001《單粒(精密)播種機技術(shù)條件》，選取玉米播種株間合格指數(shù)和變異系數(shù)為試驗指標(biāo)，以評價排種器作業(yè)質(zhì)量、適播范圍及穩(wěn)定性。其相關(guān)計算公式分別為

(9)

(10)

式中S——株間合格指數(shù)，%

C——株間變異系數(shù)，%

n0——單粒排種數(shù)，顆

N——理論排種數(shù)，顆

n′——樣本穴距總數(shù)，個

x——理論播種穴距，mm

3.3 試驗內(nèi)容與方法

為檢驗排種器作業(yè)質(zhì)量及對各等級尺寸種子的作業(yè)適應(yīng)性與穩(wěn)定性，結(jié)合實際播種作業(yè)要求及各因素可控有效范圍，采用單因素試驗，研究在排種器工作轉(zhuǎn)速15～45 r/min和調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸0～24 mm工況下機具作業(yè)質(zhì)量變化規(guī)律。

在此基礎(chǔ)上，選取圓形大粒玉米種子為作業(yè)對象，采用二因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗研究排種器最佳工作參數(shù)組合，并在最佳工況下進行混合不分級種子性能對比試驗，設(shè)定試驗因素編碼如表2所示。在單因素及多因素試驗過程中，每組試驗重復(fù)5次，每次連續(xù)記錄種床帶上由排種器穩(wěn)定工作時排出的250顆種子，其他各項參數(shù)保持恒定，數(shù)據(jù)處理取平均值作為試驗結(jié)果。

3.4 試驗結(jié)果與分析

3.4.1單因素試驗結(jié)果與分析

以排種器工作轉(zhuǎn)速和調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為試驗因素，進行單因素適應(yīng)性試驗以分析各因素對性能評價指標(biāo)的影響規(guī)律，試驗方案與結(jié)果如表3和表4所示。

表2 試驗因素編碼Tab.2 Coding of experimental factors

由表3可知，調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為12 mm時，分別設(shè)定排種器在工作轉(zhuǎn)速為15、20、25、30、35、40、45 r/min工況下進行作業(yè)(對應(yīng)種床帶反向運動速度為3、4、5、6、7、8、9 km/h)。運用Matlab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，分析相應(yīng)指標(biāo)變化趨勢可知，隨工作轉(zhuǎn)速增加，排種器對各等級尺寸種子排種指標(biāo)均呈降低趨勢(合格指數(shù)逐漸降低，變異系數(shù)逐漸增加)。排種器工作轉(zhuǎn)速為15～45 r/min時，對圓形大粒種子排種性能最優(yōu)，其合格指數(shù)大于84.21%，變異系數(shù)小于15.13%；對扁形小粒種子排種性能次之；對圓形小粒種子排種性能最差，其合格指數(shù)大于80.30%，變異系數(shù)小于21.67%。工作轉(zhuǎn)速大于30 r/min時，對各等級尺寸種子排種指標(biāo)降低趨勢逐漸加大，主要由于夾持接觸時間減小，導(dǎo)致指勺充種性能下降，但均可滿足精量播種作業(yè)要求。

表3 各類型玉米種子在不同工作轉(zhuǎn)速下試驗結(jié)果Tab.3 Experiment results of maize seeds with different types under different rotational speeds %

表4 各類型玉米種子在不同調(diào)節(jié)尺寸下試驗結(jié)果Tab.4 Experiment results of maize seeds with different types under different adjustment dimensions %

由表4可知，工作轉(zhuǎn)速為30 r/min時，分別設(shè)定排種器在調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為0、4、8、12、16、20、24 mm工況下進行作業(yè)。運用Matlab軟件對試驗數(shù)據(jù)進行處理，分析相應(yīng)指標(biāo)趨勢可知，隨調(diào)節(jié)尺寸增加，排種器對各等級尺寸種子排種指標(biāo)均呈先增加后降低趨勢(合格指數(shù)先增加后降低，變異系數(shù)先降低后增加)。調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為0～24 mm時，對圓形大粒種子排種性能最優(yōu)，其合格指數(shù)大于85.04%，變異系數(shù)小于17.24%；對扁形大粒種子排種性能次之；對圓形小粒種子排種性能最差。調(diào)節(jié)尺寸為16 mm時，對圓形大粒種子合格指數(shù)最高為90.12%；調(diào)節(jié)尺寸為12 mm時，對圓形大粒種子變異系數(shù)最低為12.33%。

3.4.2多因素試驗結(jié)果與分析

通過單因素分析可知，在工況條件下排種器均可適應(yīng)4種等級尺寸玉米種子的精密播種作業(yè)。在此基礎(chǔ)上，選取排種性能較優(yōu)的圓形大粒玉米種子為作業(yè)對象，進行二因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計試驗研究，對影響因素進行顯著性分析，以期得到排種器最佳工作參數(shù)組合[21-22]，并在最佳工況下開展混合不分級種子性能對比試驗。在試驗過程中，由于人為控制調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸，試驗操作實際值與理論參數(shù)設(shè)計值存在一定誤差，但其最大誤差為1.7%，在可接受范圍內(nèi)，對排種器工作轉(zhuǎn)速和調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸兩參數(shù)設(shè)計值進行結(jié)果分析，具體試驗設(shè)計方案與測定結(jié)果如表5所示，其中x1為排種器工作轉(zhuǎn)速編碼值，x2為調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸編碼值。

表5 試驗方案與結(jié)果Tab.5 Results and design of tests

通過Design-Expert 6.0.10軟件對試驗數(shù)據(jù)回歸分析，進行因素方差分析，篩選出較為顯著影響因素，得到性能指標(biāo)與因素編碼值間回歸方程。

(11)

(12)

為直觀地分析試驗指標(biāo)與因素間關(guān)系，運用Design-Expert 6.0.10軟件得到響應(yīng)曲面，如圖9所示。

圖9 各因素對試驗性能參數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surfaces of factors to qualified index

在作業(yè)評價指標(biāo)滿足精密播種要求前提下，對各因素影響規(guī)律進行分析，根據(jù)相關(guān)回歸方程和響應(yīng)曲面圖等高線分布密度可知，排種器工作轉(zhuǎn)速和調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸交互作用對合格指數(shù)和變異系數(shù)影響均較顯著。由圖9a可知，工作轉(zhuǎn)速一定時，合格指數(shù)隨調(diào)節(jié)尺寸增加而先增加后降低；調(diào)節(jié)尺寸一定時，合格指數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加而降低；工作轉(zhuǎn)速變化時，合格指數(shù)變化區(qū)間較大，因此工作轉(zhuǎn)速是影響合格指數(shù)的主要因素。由圖9b可知，工作轉(zhuǎn)速一定時，變異系數(shù)隨調(diào)節(jié)尺寸增加而先降低后增加；調(diào)節(jié)尺寸一定時，變異系數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加而增加。調(diào)節(jié)尺寸變化時，變異系數(shù)變化區(qū)間較大，因此調(diào)節(jié)尺寸是影響變異系數(shù)的主要因素。

為得到試驗因素最佳工作組合，對其進行優(yōu)化設(shè)計，建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合因素邊界條件，遵循高速精量播種作業(yè)(提高作業(yè)效率與質(zhì)量)原則，采用多目標(biāo)變量優(yōu)化方法[23-24]，對合格指數(shù)和變異系數(shù)的回歸方程進行分析，建立非線性規(guī)劃參數(shù)模型為

(13)

基于Design-Expert 6.0.10軟件中的多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化模塊對數(shù)學(xué)模型進行分析求解，可得當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速為30.5 r/min，調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為12.0 mm時，排種器對圓形大粒玉米種子排種質(zhì)量與穩(wěn)定性最優(yōu)，其合格指數(shù)為88.90%，變異系數(shù)為12.74%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進行試驗驗證，其合格指數(shù)為88.41%，變異系數(shù)為12.32%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

在單因素適應(yīng)性試驗和多因素優(yōu)化試驗基礎(chǔ)上，在最佳工作參數(shù)組合工況下開展不分級混合種子排種試驗研究，并選用美國Precision Planting公司生產(chǎn)的指夾式玉米排種器進行性能對比。保證4種等級尺寸玉米種子數(shù)量相同且混合均勻，重復(fù)5次試驗進行數(shù)據(jù)處理。試驗結(jié)果表明，當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速為30.5 r/min，調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為12.0 mm時，所設(shè)計的動定指勺夾持式玉米排種器對混合種子的合格指數(shù)為87.11%，變異系數(shù)為12.01%；國外進口指夾式玉米排種器對混合種子的合格指數(shù)為93.87%，變異系數(shù)為14.78%。對比分析可知，動定指勺夾持式玉米排種器播種質(zhì)量略低于國外進口指夾式玉米排種器，有待后續(xù)改進優(yōu)化，但其適播范圍與夾持穩(wěn)定性相對較優(yōu)，整體播種變異系數(shù)較低，可與目前國內(nèi)玉米種子分級較少現(xiàn)狀相適應(yīng)，滿足我國精量播種作業(yè)要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種動定指勺夾持式玉米精量排種器，闡述了排種器總體結(jié)構(gòu)及工作原理，對其關(guān)鍵部件指勺種盤和限位導(dǎo)引總成結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化設(shè)計，提高了排種質(zhì)量與適播范圍。

(2)以4種等級尺寸玉米種子為作業(yè)對象，以工作轉(zhuǎn)速和調(diào)節(jié)尺寸為試驗因素，株間合格指數(shù)和變異系數(shù)為試驗指標(biāo)，采用單因素試驗研究各因素對性能指標(biāo)影響規(guī)律。試驗結(jié)果表明，排種器對各等級尺寸玉米種子均具有良好的適應(yīng)性，可滿足精量播種作業(yè)要求；隨工作轉(zhuǎn)速增加，對各等級尺寸種子排種指標(biāo)呈降低趨勢；隨調(diào)節(jié)尺寸增加，對各等級尺寸種子排種指標(biāo)呈先增加后降低趨勢。

(3)采用多因素二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗研究排種器最佳工作參數(shù)組合，建立排種性能指標(biāo)與試驗參數(shù)間數(shù)學(xué)模型，運用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗結(jié)果進行分析，對回歸數(shù)學(xué)模型進行優(yōu)化驗證。試驗結(jié)果表明，當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速為30.5 r/min，調(diào)控擺臂調(diào)節(jié)尺寸為12.0 mm時，對圓形大粒玉米種子排種作業(yè)性能最優(yōu)，其合格指數(shù)為88.41%，變異系數(shù)為12.32%。

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