凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器設計與試驗

賴慶輝 賈廣鑫 蘇 微 洪方偉 趙瑾汶

(昆明理工大學農(nóng)業(yè)與食品學院， 昆明 650500)

0 引言

近年來，人參播種采用1.2～1.5 m幅寬、4 cm×5 cm株行距坐床單粒點播栽培技術，成為培育優(yōu)質(zhì)高檔人參的必選。隨著人參種植面積的逐年增加，人參播種環(huán)節(jié)存在的機械化程度低、人工點播勞動強度大、播種成本高等問題，嚴重制約了人參產(chǎn)業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展，因此，人參精密播種機械化問題亟待解決[1-3]。

排種器是實現(xiàn)精密播種的核心部件。我國人參的密集播種要求限制了傳統(tǒng)氣力式排種器在人參精密播種中的應用，一些新型氣力式排種器的研究仍處于實驗室階段[4-7]，而結(jié)構(gòu)簡單、動力配備適應性強、能實現(xiàn)密集精密播種的窩眼輪式精密排種器成為解決人參精密播種的首選[8-10]。窩眼輪式精密排種器已在大豆、油菜和三七等近圓形種子的單粒精密播種中得到了廣泛應用[11-14]，而對于形狀不規(guī)則、播種前經(jīng)催芽處理后有裂口、流動性差的人參種子，在充種過程中具有不確定性和復雜性，出現(xiàn)充種率低、漏充嚴重等問題。為提高窩眼輪式排種器的充種性能，國內(nèi)外專家進行的研究大致分為兩類：在排種器的基礎上增設其他裝置，對種子起到定向充種作用[15-16]；設計特殊形狀的型孔或改變型孔分布，以增加對種群擾動作用[17-19]。但是，在排種器上增加其他裝置使排種器結(jié)構(gòu)變得復雜，改變型孔分布導致播種行距整齊性差，不利于田間管理。因此，解決人參種子對窩眼輪式排種器適應性差，進而造成充種困難的問題成為本文研究的關鍵。

為此，提出一種凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器，通過理論計算和離散元仿真試驗分析得到結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，通過臺架試驗和田間試驗對排種器的充種性能和工作性能進行驗證，以期解決人參種子對窩眼輪式排種器適應性差的難題。

1 排種器工作原理與充種過程分析

1.1 排種器工作原理

凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器為集排式排種器，本文以3行排種器作為研究對象，結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器主要由殼體、扭簧強制投種裝置、窩眼輪、擋種毛刷、齒形清種板、毛刷輪、傳動機構(gòu)、柔性護種板和投種裝置調(diào)節(jié)旋鈕組成。

圖1 凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器示意圖Fig.1 Structure sketch of ginseng precision special-hole type seed-metering device with convex hull1.殼體 2.扭簧強制投種裝置 3.窩眼輪 4.擋種毛刷 5.齒形清種板 6.毛刷輪 7.傳動機構(gòu) 8.柔性護種板 9.投種裝置調(diào)節(jié)旋鈕

如圖2，排種器工作時，動力從毛刷輪端輸入經(jīng)傳動機構(gòu)帶動窩眼輪轉(zhuǎn)動；工作狀態(tài)下，窩眼輪表面的凸包結(jié)構(gòu)擾動種群，“沸騰”狀態(tài)的種子在重力與種間作用力的共同作用下充入異形孔(由導種槽和型孔構(gòu)成)，毛刷輪憑借與窩眼輪的旋轉(zhuǎn)速度差將窩眼輪輪緣多余的種子刷去，齒形清種板可將粘附在毛刷輪表面的種子清除；充入異形孔的種子隨排種輪經(jīng)護種區(qū)到達投種點，為保證種子完全投出，利用扭簧強制投種裝置強制投種。為降低對種子的損傷，柔性護種板由曲板和護種板殼兩部分構(gòu)成，二者通過彈簧連接，可對種子受力起到緩沖作用；曲板內(nèi)側(cè)設計有與凸包結(jié)構(gòu)相對應的內(nèi)環(huán)槽，使柔性護種板在起到護種作用的同時又保證了窩眼輪的通過性。

圖2 排種器工作示意圖Fig.2 Work diagram of seed-metering device1.殼體 2.擋種毛刷 3.窩眼輪 4.凸包 5.異形孔 6.扭簧 7.人參種子 8.護種板外殼 9.曲板 10.彈簧 11.毛刷輪 12.齒形清種板 13.種層

1.2 排種器充種過程分析

排種器的播種精度取決于充種過程，充種過程是由種子自身重力，種子間和種子與窩眼輪間的正壓力、滑動摩擦力和滾動摩擦力等構(gòu)成的不斷變化的動力學系統(tǒng)，是將種子從種群中分離出來的復雜過程[20]。因此，充種過程可分為種群離散和脫離種群兩個階段。

在種群離散階段，貼近窩眼輪的種層受到窩眼輪的托持力和摩擦力，種子在托持力和摩擦力的作用下克服種間阻力而產(chǎn)生滑移和翻滾，形成種層波動，目標種子由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，更容易脫離種群，且目標種子在重力場中的不斷運動最終會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。一定程度上，充種區(qū)內(nèi)種層波動越大種群離散程度越大，越有利于充種。為在該階段提高充種性能，在窩眼輪上增加凸包，該結(jié)構(gòu)對種子起到了一定的托持作用并增大了種子與窩眼輪間的摩擦力，配合異形孔對種群的作用，使種群產(chǎn)生更大、更穩(wěn)定而連續(xù)的波動，種子流動性提高，充種率增加，如圖3所示。

圖3 不同形式窩眼輪在種群離散階段種子接觸狀態(tài)Fig.3 Seed contact state in population dispersion stage with different seed-metering wheels1.充種區(qū)內(nèi)種子 2.窩眼輪 3.窩眼輪上的凸包

在脫離種群階段，穩(wěn)定狀態(tài)下的種子在自身重力，以及種子間和種子與窩眼輪間的力作用下占據(jù)型孔優(yōu)勢位置，從而被完全囊入型孔，并隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動脫離種群。為提高該階段的充種性能，將型孔設計成帶有導種槽的異形孔。導種槽可使目標種子在充種前產(chǎn)生趨于流向型孔的趨勢，克服第一層種層因種間摩擦力大于其自身重力在型孔處發(fā)生臨時“結(jié)拱”而導致的漏播現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 目標種子在不同型孔下的充種狀態(tài)Fig.4 Filling-seed condition of target seed under different orifices1.充種區(qū)內(nèi)種子 2.窩眼輪 3.型孔 4.目標種子運動軌跡 5.導種槽 6.目標種子

2 關鍵部件設計

2.1 人參種子基本參數(shù)

種子自身的物理特性是排種器設計重要參考依據(jù)。播種時催芽人參種子平均含水率ω′為34.8%；平均千粒質(zhì)量mH為43.24 g；平均自然休止角φ為30.05°；人參種子三軸尺寸平均值，長L、寬W、厚H分別為5.8、4.7、3.0 mm，球度Sp為74.84%，呈“腎形”扁平狀。

2.2 窩眼輪參數(shù)設計

窩眼輪是窩眼輪式排種器的關鍵部件，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括窩眼輪直徑、型孔個數(shù)、型孔尺寸、凸包分布距離(與型孔中心距)、凸包高徑比。窩眼輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中d1為窩眼輪直徑，d2為強制投種溝槽直徑，d3為驅(qū)動輪轂直徑，A為型孔長度，B為型孔寬度，C為型孔深度，B1為儲種深度，A1為導種槽長度，θ為導種槽傾角，Ls為凸包分布距離，ε為凸包分布角。

圖5 窩眼輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of seed-metering wheel structure

2.2.1窩眼輪直徑

窩眼輪直徑是排種器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，決定排種器結(jié)構(gòu)分布和其他部件的結(jié)構(gòu)尺寸，是影響充種性能的重要因素。窩眼輪直徑?jīng)Q定型孔處于充種區(qū)的時間。為研究窩眼輪各參數(shù)對充種時間T的影響，建立充種時間T的方程

(1)

式中γ——種子充填角，(°)

ω——窩眼輪角速度，rad/s

n——窩眼輪轉(zhuǎn)速，r/min

vm——播種機作業(yè)速度，m/s

S——株距，m

z——型孔數(shù)量

整理公式(1)可得

(2)

由式(2)可知，當種子充填角γ、播種機作業(yè)速度vm和株距S一定時，充種時間T只與型孔數(shù)量z有關，故窩眼輪直徑不宜太小，因其曲率大不利于充種。參考常用窩眼輪直徑80～140 mm，本文選用窩眼輪直徑為120 mm[21]。

2.2.2異形孔設計

型孔的形狀和尺寸取決于種子的形狀和尺寸。催芽后人參種子三軸尺寸滿足L>W>H，根據(jù)最小勢能原則，確定種子在“平躺”狀態(tài)下為最穩(wěn)定狀態(tài)，種子以長度方向充入型孔的幾率最高。為便于充種和投種，將型孔設計為橫向分布并帶有導種槽的非對稱結(jié)構(gòu)，其中型孔的長度、寬度和深度應滿足

(3)

式中Lmax——人參種子長度最大值，mm

Wmax——人參種子寬度最大值，mm

Hmax——人參種子厚度最大值，mm

Hmin——人參種子厚度最小值，mm

試驗測得人參種子長、寬、厚最大值分別為6.5、5.8、3.6 mm，厚度最小值為2.0 mm?？紤]人參種子為扁平狀，因此選擇型孔長度A、寬度B、深度C分別為7.2、6.2、3.8 mm，正視圖為橢圓的柱狀型孔。

導種槽起導種作用，其傾角θ(大于種子與窩眼輪材料的最大靜摩擦角φabs，試驗測得φabs=24.6°)即為加工導種槽的平頭銑刀與型孔底面的加工傾角，考慮充種時種子受損最小，導種槽延伸至型孔最深處，加工出來的異形孔類似瓢形。根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)示意圖，可滿足幾何關系

(4)

當導種槽傾角大于45°時，導種槽長度A1減小，不利于充種，故初選導種槽傾角θ為35°，則導種槽長度A1與儲種深度B1分別為2.3、2.4 mm。

根據(jù)窩眼輪直徑和異形孔基本尺寸，以人參精密播種要求設計每周異形孔數(shù)，在保證異形孔強度的要求下，異形孔間相隔距離為7.5 mm，異形孔數(shù)最大為24個。按照人參播種株距4 cm，窩眼輪線速度不超過0.3 m/s，播種機作業(yè)速度2 km/h計算，窩眼輪異形孔數(shù)z滿足

(5)

其中

vw=ωR

(6)

式中vw——窩眼輪線速度，m/s

R——窩眼輪半徑，m

由式(5)可知窩眼輪每周異形孔數(shù)z≥17.45，確定為18～24之間。

2.2.3充種過程運動學分析

異形孔的充種性能是評價排種器工作質(zhì)量的重要指標，種子從窩眼輪表面運動到異形孔內(nèi)部受力復雜，選取異形孔邊緣的種子對其充種過程進行運動學分析，如圖6所示，種子順利囊入異形孔的極限相對速度應滿足

圖6 種子充入異形孔的運動學分析示意圖Fig.6 Diagram of seed filling special-hole kinematic analysis

(7)

式中vr——種子順利囊入異形孔的極限相對速度，m/s

Dn——型孔最大開口尺寸，mm

d0——種子的當量直徑，mm

g——重力加速度，m/s2

由公式(6)、(7)可以確定窩眼輪轉(zhuǎn)速的取值范圍

(8)

已知R=60 mm,根據(jù)異形孔設計參數(shù)Dn=B+A1=8.1 mm，d0=(W+H)/2=3.85 mm，代入公式(8)可得n≤49.58 r/min。

2.2.4凸包設計

凸包是穩(wěn)定充種區(qū)摩擦力，使離散種子處于穩(wěn)定狀態(tài)和提高充種率的關鍵結(jié)構(gòu)。設計凸包相間分布在型孔兩側(cè)，如圖5所示。凸包是球體的部分曲面，其高徑比需要滿足一定的條件才能起到擾動種群的作用[22]，要求凸包摩擦角δ大于種子與窩眼輪的靜摩擦角，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，幾何關系滿足

圖7 凸包結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of convex hull structure

(9)

式中r——凸包基球半徑，mm

h——凸包高度，mm

d——凸包基座直徑，mm

在保證凸包不攜種的前提下，凸包基球半徑越大對種群的擾動性越強，因此需要凸包高徑比滿足

(10)

其中

(11)

式中ξ——高徑比

Wmin——人參種子寬度最小值，mm

人參種子寬度最小值為3.5 mm，本文定義凸包基座直徑d為3.2 mm，根據(jù)公式(9)～(11)確定凸包高徑比在0.24～0.50之間，凸包分布距離在5.2～23.4 mm之間。

3 EDEM離散元仿真試驗

3.1 仿真試驗模型建立及仿真參數(shù)確定

3.1.1仿真試驗模型建立

以長白山地區(qū)常見的“大馬牙”人參種子作為建模對象，選取與三軸尺寸平均值相近的人參種子，利用三維激光掃描得到人參種子的三維空間點云數(shù)據(jù)，運用逆向工程技術獲得人參種子真實三維幾何模型。將模型導入EDEM軟件并利用非球形顆粒的快速填充功能，得到種子的多球面聚合顆粒模型，如圖8所示，圖中由左到右依次為種子的真實圖像、三維幾何模型和多球面聚合顆粒模型。本文選用顆粒-顆粒和顆粒-排種器的接觸模型均為Hertz-Mindlin無滑移動接觸模型。

圖8 人參種子實物圖與仿真模型Fig.8 Real figure and simulation models of ginseng seed

建立排種器仿真試驗模型，為減少仿真試驗計算量，去除無接觸部件，在NX.中創(chuàng)建3行排種器三維模型并導入到EDEM中，如圖9所示。

圖9 排種器仿真模型Fig.9 Simulation models of seed-metering device

3.1.2仿真參數(shù)

排種器中與種子接觸的部件有殼體、窩眼輪、毛刷輪和清種扭簧，其中殼體和清種扭簧為不銹鋼材料，窩眼輪和毛刷輪的刷絲為ABS塑料。經(jīng)參數(shù)標定后確定顆粒-顆粒和顆粒-幾何模型的接觸參數(shù)，人參顆粒、不銹鋼和ABS塑料的本征參數(shù)及相互間的接觸參數(shù)如表1所示[23-24]。

表1 離散元仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of EDEM

3.2 單因素仿真試驗

為使參數(shù)設計進一步具體化，對排種器的充種性能進行單因素仿真試驗分析，依據(jù)現(xiàn)有的研究成果[25-26]，確定設計參數(shù)為異形孔數(shù)、導種槽傾角、凸包分布距離和毛刷輪與窩眼輪的線速比，定義各試驗因素的固定值為20、35°、14.5 mm和1.7。以充種單粒率(1粒/孔)和漏充率(0粒/孔)為試驗指標。充種區(qū)種群的離散程度和第1層種子與窩眼輪的相對運動狀態(tài)是影響充種性能的重要因素，因此結(jié)合EDEM軟件的后處理功能，采用局部種群質(zhì)量比率和第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力，分別衡量不同時步下的種群離散程度和第1層種子的運動狀態(tài)。其中局部種群質(zhì)量比率越小，證明種群離散程度越大。監(jiān)測局部種群質(zhì)量比率需要在種群中建立監(jiān)測器，如圖10所示，輸出每個時間步長下監(jiān)測器中種子質(zhì)量進而得到局部種群質(zhì)量比率

圖10 仿真試驗建立的監(jiān)測器Fig.10 Bin group built in simulation test

(12)

式中ηi——i時刻局部種群質(zhì)量比率

Mi——i時刻監(jiān)測器內(nèi)種子質(zhì)量，g

ρ——顆粒密度，g/cm3

Vk——監(jiān)測器體積，cm3

仿真設定窩眼輪轉(zhuǎn)速為31.25 r/min(株距為4 cm，作業(yè)速度為1.5 km/h左右)，每組仿真試驗從排種器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始輸出記錄10 s試驗數(shù)據(jù)，本文數(shù)據(jù)輸出時間區(qū)間為3～13 s，每排統(tǒng)計100粒種子。

3.2.1異形孔數(shù)

按照2.2.2節(jié)的參數(shù)設計結(jié)果，分析異形孔數(shù)分別為18、20、22和24時對充種過程的影響，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同異形孔數(shù)的仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of different number of special-holes %

由表2可知，隨著異形孔數(shù)的增加，充種單粒率先增加后減??；相比較漏充率變化不大。為進一步分析異形孔數(shù)對充種單粒率的影響，分別導出不同試驗局部種群質(zhì)量比率和第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力。如圖11所示。當異形孔數(shù)為18時，法向力波動較大，種群不穩(wěn)定不利于充種；當異形孔數(shù)為22和24時法向力相對穩(wěn)定，但隨著異形孔數(shù)的增加單個異形孔充種時間變短，充種單粒率減小，其變異系數(shù)增大。異形孔數(shù)為20時，充種單粒率較高，單粒率變異系數(shù)較小，因此確定異形孔數(shù)為20個。

圖11 異形孔數(shù)對種群狀態(tài)的影響Fig.11 Effects of number of special-hole on population state

3.2.2導種槽傾角

導種槽傾角決定著異形孔的容積，是影響充種性能的重要因素之一，結(jié)合2.2.2節(jié)的參數(shù)設計分析導種槽傾角為25°、35°、45°和90°(即無導種槽時)對充種過程的影響，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同導種槽傾角的仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of different slot’s angles%

由表3可知，隨著導種槽傾角的增加充種單粒率先增大后減小，漏充率逐漸增加。原因是導種槽傾角為25°時，異形孔容積最大，種子復充現(xiàn)象嚴重；結(jié)合圖12，隨著導種槽傾角的增加，導種效果變差，異形孔對種群的擾動減小，種群的離散程度減小流動性變差，不利于目標種子充入異形孔。因此當導種槽傾角為35°時，充種單粒率最高，單粒率變異系數(shù)相對較小，因此確定導種槽傾角為35°。

圖12 導種槽傾角對種群狀態(tài)的影響Fig.12 Effect of slot’s angle on population state

3.2.3凸包分布距離

根據(jù)1.2節(jié)中對充種過程的分析，凸包分布距離是對種群產(chǎn)生穩(wěn)定而連續(xù)波動的關鍵因素，按照2.2.4節(jié)的參數(shù)設計結(jié)果，分析凸包分布距離為6、14.5、23 mm(凸包分布距離最小值、凸包分布距離中值和凸包分布距離最大值)和無凸包時對充種過程的影響，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同凸包分布距離的仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different distribution distance of convex hull %

由表4可知，隨著凸包分布距離的增大，充種單粒率先增大后減小，漏充率先減小后增大，單粒率變異系數(shù)與漏充率變異系數(shù)均相對穩(wěn)定。根據(jù)圖13分析其原因，當分布距離為6 mm和23 mm時，第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力出現(xiàn)多個波峰，凸包對種群的作用與型孔對種群的作用處于不平衡狀態(tài)；無凸包時第1層種子與窩眼輪摩擦力最小，種子在殼體處形成堆積，處于監(jiān)測器內(nèi)的種子數(shù)量較少，故種群離散程度明顯減小，且法向力出現(xiàn)多個波峰，因此充種區(qū)減小且種層運動狀態(tài)不穩(wěn)定不利于充種而使漏充率增加。分布距離為14.5 mm時，第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力穩(wěn)定，種群離散程度大，充種單粒率高，故確定凸包分布距離為14.5 mm。

圖13 凸包分布距離對種群狀態(tài)的影響Fig.13 Effects of distribution distance of convex hull on population state

3.2.4毛刷輪與窩眼輪線速比

毛刷輪與窩眼輪線速比對清種過程有著重要影響，要求毛刷輪比較柔軟并有一定的彈性，毛刷輪外徑切入排種輪2～3 mm不僅清種效果好，不傷種，而且還能擾動種群，有利于充種，因此要求毛刷輪與窩眼輪的線速比在一定范圍內(nèi)。本文選用毛刷輪直徑為80 mm，結(jié)合2.2.1節(jié)中的參數(shù)設計并參考《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》，毛刷輪與窩眼輪的線速比在1.0～2.0間，故確定線速比分別為1.0、1.4、1.7和2.0時進行仿真試驗研究，結(jié)果如表5所示。由試驗結(jié)果可知，當線速比過小時，易在毛刷輪與窩眼輪相切處形成種子堆積；當線速比過大時，易將毛刷輪與窩眼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)機械設計手冊》并結(jié)合仿真試驗結(jié)果，確定線速比為1.7。

表5 不同毛刷輪與窩眼輪線速比的仿真結(jié)果Tab.5 Simulation results of line speed ratio between different brush wheels and seed-metering wheel %

3.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗

3.3.1試驗方案與結(jié)果分析

為研究窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比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計參數(shù)進一步研究各因素對排種器工作性能的影響。試驗因素編碼如表6所示，試驗設計方案與結(jié)果如表7所示，其中X1、X2、X3分別為窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度的編碼值，試驗指標Y1、Y2、Y3分別為合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)。

表6 試驗因素編碼Tab.6 Experimental factors and codes

表7 試驗方案與結(jié)果Tab.7 Experiment design and results

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，試驗結(jié)果Y2≤5%，結(jié)合本研究重點為凸包異形孔結(jié)構(gòu)對窩眼輪式排種器充種性能的影響，因此只對合格指數(shù)和漏播指數(shù)進行方差分析。表8為合格指數(shù)與漏播指數(shù)方差分析，二次回歸模型均高度顯著(P<0.01)，失擬項均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬，剔除不顯著影響因素后，得到Y(jié)1、Y3的回歸方程

(13)

(14)

由表8可知，三因素對合格指數(shù)的影響重要性依次為凸包高徑比、窩眼輪轉(zhuǎn)速、種層高度，其中窩眼輪轉(zhuǎn)速與凸包高徑比間存在的交互作用不容忽視，二者響應曲面如圖14所示。在低轉(zhuǎn)速區(qū)合格指數(shù)隨凸包高徑比的增大先增大后減小，在高轉(zhuǎn)速區(qū)合格指數(shù)隨凸包高徑比的增大而增大；在凸包高徑比較小區(qū)合格指數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而減小，在凸包高徑比較大區(qū)合格指數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，因此二者具有較顯著的相關性。

圖14 窩眼輪轉(zhuǎn)速與凸包高徑比交互作用的響應曲面Fig.14 Response surface for interaction of speed and DRH

從表8可以看出，各因素對于漏播指數(shù)的影響極為顯著，其中影響重要性依次為窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度，其中凸包高徑比與種層高度間存在交互作用。

表8 合格指數(shù)與漏播指數(shù)方差分析Tab.8 Variance analysis of eligibility index and missed seeding index

3.3.2試驗結(jié)果目標優(yōu)化

為在水平約束條件下尋求各因素的最優(yōu)組合，仍將合格指數(shù)和漏播指數(shù)作為評價指標，結(jié)合因素邊界條件建立數(shù)學模型，并對評價指標回歸模型進行多目標化求解，優(yōu)化目標函數(shù)的邊界條件為

(15)

以合格指數(shù)最高和漏播指數(shù)最低為優(yōu)化目標進行多目標優(yōu)化，求解得窩眼輪轉(zhuǎn)速為29.75 r/min、凸包高徑比為0.43、種層高度為53.92 mm時性能最優(yōu)，合格指數(shù)為95.59%、重播指數(shù)為2.97%、漏播指數(shù)為1.40%。

4 排種器性能試驗

4.1 臺架試驗

為驗證仿真試驗的優(yōu)化結(jié)果，選取經(jīng)過催芽后的長白山“大馬牙”人參種子，含水率為40%，在JPS-12型視覺排種器性能試驗臺上進行試驗驗證，按照仿真試驗優(yōu)化后的參數(shù)使用ABS材料3D打印窩眼輪并制作排種器，為方便觀察排種器工作狀態(tài)下種群情況，種箱前板用亞克力板制作，試驗裝置如圖15所示。設置排種器工作轉(zhuǎn)速為29.75 r/min，種層高度為54 mm。

圖15 排種器性能試驗裝置Fig.15 Seed-metering device performance test1.傳送帶 2.排種軸 3.凸包異形孔窩眼輪式排種器 4.高速攝像裝置 5.鏈傳動 6.臺架 7.電機

4.1.1充種性能試驗

為驗證排種器的充種性能，去掉柔性護種板，利用合肥富煌君達高科信息技術有限公司生產(chǎn)的千眼狼5F01M高速攝像機拍攝充種情況，待排種器工作穩(wěn)定后取10轉(zhuǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 排種器充種性能試驗結(jié)果Tab.9 Test results of seed filling performance%

試驗結(jié)果表明，充種單粒率為93.67%，其變異系數(shù)為0.76%；漏充率為2.50%，其變異系數(shù)為20.00%。充種性能穩(wěn)定，3排排種器間的差異性不大，結(jié)果與仿真試驗吻合，驗證了仿真試驗的可靠性。從高速攝像的記錄中可以看出種子多以“平躺”狀態(tài)充入異形孔，未出現(xiàn)大于(等于)3粒/孔的情況，復充情況均為兩粒豎直插入異形孔，柔性護種板可以避免傷種問題。

4.1.2工作性能試驗

為研究排種器的工作性能和播種分布均勻性，將柔性護種板裝到排種器上，調(diào)整落種點與傳動帶的高度為120 mm，設置傳動帶速度為0.36 m/s，控制油泵在傳送帶上刷油，待排種穩(wěn)定后，測定1 m范圍內(nèi)種子數(shù)量，并統(tǒng)計傷種情況。按照人參種植株距4 cm計算，1 m范圍內(nèi)理論播種數(shù)量為25粒，隨機測定20組數(shù)據(jù)取平均值，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 分段測量試驗結(jié)果Tab.10 Sectional measurement test results

由表10可知，排種器行內(nèi)排種量分布均勻性的變異系數(shù)為2.32%，因此凸包異形孔窩眼輪式排種器較常規(guī)窩眼輪式排種器具有明顯優(yōu)勢。

4.2 田間試驗

為進一步研究凸包異形孔窩眼輪式精密排種器的工作性能，按照人參種植農(nóng)藝要求(移栽法)加工了28行凸包異形孔窩眼輪式排種器，經(jīng)實驗室臺架試驗驗證其工作穩(wěn)定性后，組裝成2BS-28型人參播種機，并在吉林省四平市興寶生態(tài)園人參種植基地進行田間試驗。圖16為田間試驗現(xiàn)場和試驗效果。

圖16 田間試驗Fig.16 Field test

田間試驗中，配套汽油機動力5.5 kW，設計播種機工作速度1.4 km/h，試驗地地表已旋耕平整；隨機選取10組，每組試驗段1 m對播種粒距的合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)以及種子破損率進行統(tǒng)計，試驗結(jié)果與NY/T 1143—2006《播種機質(zhì)量評價技術規(guī)范》進行對比，如表11所示。田間試驗結(jié)果表明，本文設計的凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器滿足人參精密播種要求。

表11 田間試驗結(jié)果Tab.11 Field test results %

5 結(jié)論

(1)設計了凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器，以充種條件為依據(jù)，通過理論計算和運動學分析設計了窩眼輪的基本參數(shù)。確定窩眼輪直徑為120 mm，型孔的長、寬、深分別為7.2、6.2、3.8 mm。

(2)借助離散元單因素仿真試驗對設計參數(shù)進行優(yōu)化，確定了異形孔數(shù)為20個，導種槽傾角為35°，凸包分布距離為14.5 mm，毛刷輪與窩眼輪的線速比為1.7。通過設計二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，得到合格指數(shù)和漏播指數(shù)的回歸方程，經(jīng)方差分析可知，影響合格指數(shù)的因素主次順序依次為凸包高徑比、窩眼輪轉(zhuǎn)速、種層高度，其中凸包高徑比與窩眼輪轉(zhuǎn)速間的交互作用不容忽視；影響漏播指數(shù)的因素主次順序依次為窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度，其中凸包高徑比與種層高度間存在交互作用。對回歸方程進行多目標優(yōu)化求解得出，當窩眼輪轉(zhuǎn)速為29.75 r/min、凸包高徑比為0.43、種層高度為53.92 mm時，合格指數(shù)為95.59%、重播指數(shù)為2.97%、漏播指數(shù)為1.40%。

(3)對最優(yōu)參數(shù)組合進行了試驗驗證。臺架試驗充種性能試驗結(jié)果表明，充種單粒率為93.67%，單粒率變異系數(shù)為0.76%，漏充率為2.50%，漏充率變異系數(shù)為20.00%；臺架試驗的工作性能試驗結(jié)果表明，排種器行內(nèi)排種量分布均勻性的變異系數(shù)均值為2.32%。田間試驗結(jié)果表明，粒距合格指數(shù)86.5%，重播指數(shù)8.26%，漏播指數(shù)5.24%，合格粒距變異系數(shù)7.74%，種子破損率0.50%。凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器充種性能較好，傷種率低，能夠滿足人參精密播種要求。