預切種式甘蔗橫向排種器設計與試驗

麻芳蘭 劉天翔 李尚平 羅曉虎 吳 飛 玉運發(fā)

(1.廣西大學機械工程學院， 南寧 530004； 2.廣西民族大學信息科學與工程學院， 南寧 530006)

0 引言

廣西壯族自治區(qū)甘蔗機械化種植約占56%，主要采用實時切種種植技術，該種植方式沿壟溝縱向播種[1]，其勞動強度較大、用種多、單位面積出苗量不高，且易被大風吹倒。此外，實時切種式甘蔗排種器不能識別蔗芽，易對其損傷，影響了甘蔗的出芽率[2]。

根據(jù)甘蔗良種良育的要求，預切種式甘蔗橫向播種方式消耗蔗種少(耗種4 500～5 250 kg/hm2)、種植密度分布均勻、單位面積出苗率較高、抗倒伏能力強，且能避免傷芽情況，有利于促進甘蔗的高產(chǎn)，是一種新的甘蔗種植良種良法。

目前，我國預切種式甘蔗種植機尚處于研究階段，技術尚未成熟，如國內的覃豪中等[3]研究的Z908型預切種式甘蔗種植機的鏈式排種器和國外MOSLEM[4]研究的鏈式排種器，由于排種器結構和蔗槽設計不合理，出現(xiàn)因排種不連續(xù)而造成漏種和耗種量大的情況，無法實現(xiàn)甘蔗的精準種植要求[5]。并且，預切種式種植機主流播種方式為縱向播種，容易漏種，尚未實現(xiàn)精準種植。目前，市場上尚無適用于甘蔗橫向播種的種植機械，甘蔗橫向播種的種植工作主要由人工完成，其生產(chǎn)成本高、勞動強度大、工作效率低。

針對預切種式甘蔗橫向播種技術難題，本文設計一種預切種式甘蔗橫向排種器。通過對排種器的機理分析、運動仿真分析，利用自制試驗平臺研究排種器傳送鏈速度、排種器傳送鏈傾角等因素對排種性能的影響，并研發(fā)試驗樣機進行性能驗證試驗[6-8]。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

預切種式甘蔗橫向種植機整機結構示意圖如圖1所示。預切種式甘蔗橫向排種器(如圖2所示)主要由一級提升傳送鏈、二級換向傳送鏈、機架、擋板、集蔗箱、清種裝置和傳動系統(tǒng)部件等組成[9-10]。預切種式甘蔗橫向種植的農(nóng)藝要求為雙芽蔗、雙行橫向種植，具體種植要求為：重植率小于等于5%、漏植率小于等于5%、合格率大于等于90%、行距1.4 m、株距330 mm、排種方向為橫向。

圖1 預切種式甘蔗橫向種植機結構示意圖Fig.1 Sketch of pre-cutting sugarcane transverse planting machine1.機架 2.變速傳動機構 3.開溝器 4.施肥機構 5.排種器 6.地輪 7.覆土機構 8.調深輔助輪組 9.活動平臺板 10.補種裝置 11.蔗種箱

圖2 預切種式甘蔗橫向排種器結構示意圖Fig.2 Structure sketch of pre-cut sugarcane transverse seed metering device1.一級提升傳送鏈 2.二級換向傳送鏈 3.機架 4.軸承座 5.地輪軸 6.擋板 7.二級換向傳送鏈輸入軸 8.齒輪箱 9.一級提升傳送鏈輸入軸 10.集蔗箱 11.清種裝置

1.2 工作原理

預切種式甘蔗橫向排種器采用上排種的工作方式。排種器的一級提升傳送鏈由3組鏈輪呈三角形分布，有傾角段的提升鏈與集蔗箱構成倒三角形的截面，如圖3所示，蔗種在種間擠壓力及自身重力的作用下自動充種進入蔗槽[11]。

圖3 集蔗箱內種子流運動情況Fig.3 Movement of seed flow in container of collecting cane

首先，蔗種隨著一級提升傳送鏈的轉動向上運動，蔗槽上多余的蔗種由于鏈條振動和自身的重力作用回落至集蔗箱底部，結合清種裝置有效地降低重植率。設置一級提升傳送鏈的水平段，當出現(xiàn)蔗槽缺蔗的現(xiàn)象，結合實時補種裝置能及時補蔗[12]。

蔗種傳送至一級提升傳送鏈末端，為了降低投種高度，減少蔗種掉落勢能，在一級提升傳送鏈底部設置二級換向傳送鏈，保證兩鏈傳送落種的精確性。

最后，蔗種隨著二級換向傳送鏈的轉動向下運動，落入開溝器開好的溝槽中。

2 雙芽段蔗種在排種器中的運動分析

2.1 集蔗箱中蔗種的運動分析

蔗種在集蔗箱中根據(jù)運動特性劃分為強制層、帶動層和自流層[13-15]，如圖3所示。已進入蔗槽的蔗種為強制層，排種器工作時，蔗種被蔗槽強制排出；未能進入蔗槽并靠近強制層的蔗種為帶動層，在排種器工作時因蔗種間摩擦力作用也被帶動，靠近強制層周圍界面上的蔗種速度最大，距蔗槽越遠速度越小；在蔗種帶動層外則是自流層，由自身重力作用做自流運動。

2.2 集蔗箱傾角對充種性能的影響

如圖4所示，在集蔗箱的蔗種數(shù)量相同的情況下，集蔗箱傾角越大，箱內蔗種相對高度越高，蔗種間擠壓力越大，充種效率越高。

圖4 集蔗箱不同傾角集蔗箱容蔗情況Fig.4 Sugarcane container with different dip angles in collecting box

2.3 傳送鏈的鏈速度對充種性能的影響

傳送鏈的鏈速度v對蔗槽的充種性能影響很大，當速度過高，蔗種來不及進入蔗槽，造成漏播。假定雙芽段蔗種為均質規(guī)則的圓柱形，沿傾角為θ的蔗槽上邊緣向下滾動，靠自重落入蔗槽。選取蔗種質心為原點，蔗種在蔗槽邊緣處受力分析如圖5所示，蔗槽對蔗種的支撐力為FN；蔗槽與蔗種間的滾動摩擦力為FS；蔗種的慣性力為Fg。

圖5 蔗槽種子充填受力分析Fig.5 Analysis of filling force of sugarcane groove seeds

設蔗種與蔗槽接觸處足夠粗糙，此時蔗種作純滾動，平面運動方程為

FS=mgsinθ-ma

(1)

FN=mgcosθ

(2)

(3)

式中m——蔗種質量，g

g——重力加速度，m/s2

θ——傳送鏈傾角，(°)

a——蔗種質心加速度，m/s2

α——蔗種滾動質心角速度，rad/s

r——蔗種平均半徑，mm

純滾動條件

a=rα

(4)

速度與位移的關系為

(5)

式中s——路程

滾動摩擦力為

(6)

由公式(1)～(6)計算得

(7)

(8)

(9)

式中vt——蔗種質心的末速度，m/s

v0——蔗種質心的初速度，m/s

圖5b為傾角傳送鏈上蔗種的充種情況，在時間t內蔗種必須通過的路程s為

(10)

其中vmax=v+vt+gtsinθ

(11)

式中vmax——蔗種脫離蔗槽最大速度，m/s

v——傳送鏈速度，m/s

A——蔗槽上寬，取55 mm

d——蔗種平均直徑，取35 mm

必須下落到型孔的距離為

(12)

為使種子穩(wěn)定地填充到型孔，則由式(7)～(12)計算得

(13)

式中θmax——傳送鏈最大傾角，取69.3°(此時蔗槽斜面與水平面平行)

由公式(13)得傳送鏈速度v≤16.48 m/s時，蔗種能穩(wěn)定落入蔗槽內。

2.4 提升傳送鏈傾角對清種性能的影響

提升傳送鏈傾角對重力清種的效果具有重要影響，疊加種子如未能及時回落至集蔗箱底部，則會增加重植現(xiàn)象。若假定雙芽段蔗種為均質規(guī)則的圓柱形，選取蔗種質心為原點，蔗種在蔗槽邊緣處受力分析如圖6所示。

圖6 蔗槽種子疊加受力分析Fig.6 Stress analysis of sugarcane trough seed

回轉運動動能為

(14)

式中J——轉動慣量

需要克服的重力勢能為

EP=mgh

(15)

式中h——高度

轉動慣量[16]為

(16)

由能量守恒定律得

∑E=EK+EP=0

(17)

由公式(4)、(14)～(17)化簡得

(18)

由式(18)可知，傳送鏈的傾角越大，回轉運動動能越大，需要克服的重力勢能越小，所以傳送鏈的傾角越大越有利于蔗種自身重力清種，能減少排種器的重植現(xiàn)象。

2.5 二級換向傳送鏈運動分析

當蔗種由蔗槽傳送至一級和二級傳送鏈的末端，蔗槽繞著鏈輪作旋轉運動，此時蔗種受自身重力、蔗槽作用力和離心力共同作用。選擇蔗種為研究對象，受力分析如圖7所示。

圖7 投種受力分析Fig.7 Stress analysis of seed feeding

蔗種作斜拋運動，蔗種質心運動微分方程兩次積分運算得

(19)

式中vx——蔗種速度水平方向分量，m/s

vy——蔗種速度豎直方向分量，m/s

推得

(20)

式中c1、c2、c3、c4——常數(shù)

運動方程為

(21)

軌跡方程為

(22)

式中x——水平方向位移，mm

y——豎直方向位移，mm

v1——蔗種投出的初速度，m/s

γ——蔗種投出速度方向夾角，(°)

t——蔗種掉落時間，s

2.6 蔗槽設計

蔗槽的主要功能是能夠較好地容納并取出一個雙蔗芽蔗種，隨著一級提升傳送鏈向上運動，在運動的過程中保持平穩(wěn)不掉落。實際上甘蔗形狀不是規(guī)則統(tǒng)一的圓柱體，甘蔗段母線也非直線(圖8)。設計蔗槽除了考慮雙蔗芽蔗種的蔗段直徑、蔗節(jié)直徑和平均直徑外，還需要考慮雙蔗芽蔗種的彎曲程度。

圖8 雙蔗芽蔗種形狀Fig.8 Shape of sugarcane seed with double sugarcane bud

蔗槽長度：雙蔗芽蔗種長度一般為300 mm左右，在實際生產(chǎn)中對超過350 mm的蔗種進行剔除，蔗槽長度設計為350 mm。

蔗槽寬度：考慮本試驗雙蔗芽蔗種平均直徑約為35 mm，考慮甘蔗的彎曲程度，蔗槽截面為上寬下窄梯形，相比矩形的蔗槽截面不會出現(xiàn)兩個蔗種同時與蔗槽底部接觸的情況，造成卡蔗的現(xiàn)象。

蔗槽高度：要保證蔗種在蔗槽提升過程中保持穩(wěn)定，不從蔗槽掉落，槽口高度應高于蔗種質心高度。為了使清種工作有效，疊加在蔗槽上的蔗種的質心高度應遠高于槽口高度。不同尺寸蔗種在蔗槽容蔗情況如圖9所示。

圖9 不同尺寸蔗種在蔗槽的容蔗情況Fig.9 Sugarcane tolerance of different sizes of sugarcane varieties in sugarcane trough

3 基于Recurdyn的排種器運動仿真

3.1 仿真試驗模型與試驗方案

3.1.1仿真試驗模型

采用Recurdyn仿真軟件建立復雜的傳送鏈系統(tǒng)的動力學模型，Recurdyn專業(yè)模塊中的鏈條分析模塊具有建?？旖莸膬?yōu)點，提高了設計效率[17-20]。在Recurdyn中建立預切種式甘蔗橫向排種器簡化模型，如圖10所示。

圖10 預切種式甘蔗橫向排種器簡化模型Fig.10 Simplified model of transverse seed metering device for sugarcane with pre-cutting seed

3.1.2虛擬仿真試驗方案

通過排種器的鏈軸轉速分別為6.11、9.16、13.74 r/min的虛擬仿真試驗，對比仿真過程集蔗箱蔗種排序狀況，研究提升鏈鏈速度對排種性能的影響。

通過排種器的一級提升傳送鏈的傾角分別為40°、55°、69.3°的虛擬仿真試驗，對比仿真過程集蔗箱蔗種排序狀況，研究提升鏈傾角對排種性能的影響。

3.2 仿真試驗結果分析

3.2.1鏈軸轉速對排種性能的影響

不同鏈軸轉速仿真試驗結果如圖11所示，結果表明：鏈軸轉速越小，漏種越少，排種效果越好；鏈軸轉速越大，漏種越多，排種效果越差。

圖11 不同鏈軸轉速仿真試驗結果Fig.11 Simulation test of axis speed

為方便觀察集蔗箱和蔗槽內的蔗種運動情況，將部分零件隱藏，圖12a為鏈軸轉速9.16 r/min在3.09 s的排種情況，圖12b為鏈軸轉速13.74 r/min在2.60 s的排種情況。通過對比可知，鏈軸速度越大，集蔗箱內蔗種排序越混亂，影響蔗種充入蔗槽效果，造成排種器漏植情況或使排種器不能正常工作。

圖12 排種器不同鏈軸轉速的仿真過程Fig.12 Simulation process of different chain axis speeds of programmer

3.2.2傳送鏈傾角對排種性能的影響

不同傳送鏈傾角仿真試驗結果如圖13所示，結果表明：傾角越小，漏種越少，排種效果越好；傾角越大，漏種越多，排種效果越差。

圖13 不同傳送鏈傾角仿真試驗結果Fig.13 Simulation test results of transport chain inclination angle

圖14a為傾角40°在3.35 s的排種情況，圖14b為傾角69.3°在3.35 s的排種情況。通過對比可知，傾角越大，蔗槽對蔗種支撐作用力小，蔗種易掉出蔗槽致使集蔗箱內蔗種排序混亂，造成排種器漏植情況。

圖14 排種器不同傾角仿真過程Fig.14 Simulation process of seed metering device at different angles

4 臺架試驗與結果分析

4.1 臺架試驗及方法

4.1.1試驗平臺

試驗平臺是自制的簡易鏈式排種器，如圖15所示，由可調節(jié)角度的集蔗箱和可調節(jié)角度的提升傳送鏈組成，提升傳送鏈設置9個蔗槽，動力由可調速的步進電機提供，在進行試驗前首先用激光測速儀對鏈軸的轉速進行標定。

圖15 簡化的鏈式排種器試驗臺Fig.15 Simplified chain seed metering device1.提升鏈 2.步進電機 3.調速器 4.機架 5.集蔗箱

4.1.2試驗參數(shù)與評價指標

本節(jié)試驗參數(shù)為：排種器的一級鏈軸轉速A、傳送鏈傾角B和集蔗箱傾角C，試驗指標為：排種器的重植率、漏植率和合格率，分別安排單因素試驗和正交試驗。

4.1.3試驗材料

試驗采用的蔗種為中蔗9號，生長期為半年，每段蔗種上有兩個及以上的蔗芽，且蔗種的曲度小。隨機選取切好的100根長度均為300 mm的雙芽段蔗種，用游標卡尺進行測量，測量結果如表1所示。

表1 雙芽段蔗種蔗段和蔗節(jié)直徑統(tǒng)計參數(shù)Tab.1 Statistical parameters of sugarcane sectors and sugarcane sects in double-bud sectors

4.1.4試驗方法

按照試驗安排，將蔗種有序擺放于集蔗箱內，集蔗箱的蔗種數(shù)量為80根。開啟電機，蔗槽將集蔗箱內蔗種向上提升；待集蔗箱的蔗種全部排出后，關閉電機。將排出的蔗種再次倒入集蔗箱，各因素重復試驗3次。采用高速攝像機對蔗種傳送數(shù)據(jù)進行采集[21]，通過數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象分析各因素對排種性能的影響。

4.2 鏈軸轉速單因素試驗

試驗條件：選取中間值，傳送鏈傾角B為55°，集蔗箱傾角C為55°，試驗水平如表2所示。

表2 鏈軸轉速水平Tab.2 Chain shaft speed level

試驗結果如圖16所示，當鏈軸轉速為13.74 r/min時，排種器的合格率最高，為95.85%。隨著鏈軸轉速的增加，排種器的重植率降低，而排種器的漏植率增加。

圖16 傳送鏈鏈軸轉速試驗結果Fig.16 Test results of speed of chain shaft

當鏈軸轉速小時，傳送鏈的抖動小，疊加蔗槽上蔗種受到外界合力小于蔗種與蔗槽間的最大摩擦力，容易隨著蔗槽提升運動被帶出從而造成重植率高；當鏈軸轉速增大時，傳送鏈的振動和抖動增大，已充入蔗槽的蔗種因抖動而掉落，從而造成漏植率高。

排種器漏植現(xiàn)象主要集中在排種后段。在排種后段集蔗箱內只有少量蔗種，上層蔗種群對下層蔗種群擠壓力變小，當蔗槽向上提升時，接近蔗槽邊緣的蔗種的排序容易亂，蔗種間出現(xiàn)交叉現(xiàn)象。圖17為排種過程45、49、54 s時的集蔗箱內蔗種的排序情況，下層蔗種交叉，上層的蔗種不能有效地充入蔗槽中，造成漏種情況。在實際的種植機中，由于種箱很大，出現(xiàn)這種情況的幾率較小。

圖17 蔗種間交叉現(xiàn)象Fig.17 Interspecific crossing of sugarcane

4.3 傳送鏈傾角單因素試驗

試驗條件：傳送鏈軸轉速為9.16 r/min，集蔗箱傾角為55°，試驗水平如表3所示。

表3 傳送鏈傾角水平Tab.3 Chain inclination angle level

試驗結果如圖18所示，在傳送鏈傾角為60°時，排種器的合格率最高，為89.84%。

圖18 傳送鏈傾角試驗結果Fig.18 Test results of transport chain inclination angle

隨著傳送鏈傾角的增加，排種器的漏植率增加，排種器的重植率降低。

當傳送鏈傾角變小時，重力清種效率低，蔗槽上存有多余的蔗種，隨著蔗槽提升運動被帶出，從而造成重植率高；當傳送鏈傾角變大時，蔗槽斜面對已充入蔗槽蔗種的支撐力變小，蔗槽的蔗種極易因傳送鏈運轉時抖動而從蔗槽掉落。

排種器重植現(xiàn)象集中在排種前段。當傳送鏈傾角小時，蔗種重力清種的作用小和清種空間小，此時位于集蔗箱上層靠近提升鏈蔗槽被動層的蔗種群易被帶出。排種器重植現(xiàn)象如圖19所示。

4.4 集蔗箱傾角單因素試驗

試驗條件：傳送鏈軸轉速為9.16 r/min，傳送鏈傾角為55°，試驗水平如表4所示。

表4 集蔗箱傾角水平Tab.4 Concentrate inclination angle level

試驗結果如圖20所示，當集蔗箱傾角為45°時，排種器的合格率最高，為92.98%。

圖20 傳送鏈傾角試驗結果Fig.20 Test results of transport chain inclination angle

4.5 正交試驗

綜合考慮鏈軸轉速A、傳送鏈傾角B和集蔗箱傾角C對排種器排種性能的綜合影響。試驗為三因素五水平正交試驗，采用L25(56)正交試驗表。因素水平如表5所示。為了提高統(tǒng)計分析精確性和可靠性，每組試驗重復3次，取得重植率、漏植率、合格率的和，對試驗數(shù)據(jù)進行單向干擾控制后，進行方差分析。方差分析結果如表6所示。排種器各因素效應圖如圖21所示。

表5 正交試驗因素水平Tab.5 Orthogonal test factors and levels

表6 重植率、漏植率、合格率方差分析Tab.6 ANOVA of replantation rate, leakage rate and pass rate

圖21 排種器各因素效應圖Fig.21 Effect diagrams of each factor of seed metering device

通過極差分析可知，影響排種器排種性能的因素主次順序為：傳送鏈傾角B、鏈軸轉速A、集蔗箱傾角C。

如表6所示，當置信區(qū)間為0.01時，傳送鏈傾角B、鏈軸轉速A對合格率的影響極顯著；集蔗箱傾角C對合格率的影響不顯著。

排種器排種合格率的最優(yōu)組合參數(shù)為：傳送鏈傾角為55°、鏈軸轉速為9.16 r/min、集蔗箱傾角為45°。

5 排種性能驗證試驗

5.1 預切種式甘蔗橫向排種器樣機

根據(jù)試驗結果優(yōu)化排種器后，進行預切種式甘蔗橫向種植機整機的研制工作，其中預切種式甘蔗橫向排種器樣機及布置如圖22所示。

圖22 預切種式甘蔗橫向排種器樣機及布置Fig.22 Prototype and arrangement of pre-cut sugarcane transverse seed metering device1.步進電機 2.排種器傳動鏈條 3.施肥機構 4.施肥傳動鏈條 5.種植機機架 6.肥料箱 7.集蔗箱 8.排種器齒輪箱 9.排種器一級提升傳送鏈 10.排種器二級換向傳送鏈

5.2 驗證試驗

5.2.1室內驗證試驗

在種植機樣機下方放置一條長度為6 m的傳送帶，以模擬種植機在田間工作行走的狀態(tài)；將地輪拆除，使用可調速的步進電機模擬樣機排種的相對行進速度。試驗指標有排種器的合格率、重植率、漏植率和排種器功率。試驗條件為：鏈軸轉速9.16 r/min、傳送鏈傾角55°、集蔗箱傾角45°、地輪軸轉速21 r/min、蔗箱蔗種100根。

試驗結果如表7，結果表明：排種器的漏植率為5%，重植率為3.2%，合格率為92.6%。蔗種間距均勻(圖23a)，種肥間隔合理。肥料掉落區(qū)域正好位于兩根蔗種之間(圖23b)，避免肥料落在蔗芽上造成燒苗現(xiàn)象。滿足預切種式甘蔗橫向排種器的設計要求。

表7 室內試驗結果Tab.7 Laboratory test results

圖23 室內試驗及排種效果Fig.23 Field experiment and seeding effect

5.2.2田間驗證試驗

預切種式甘蔗橫向種植機安裝調試后，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱》對預切種式甘蔗橫向種植機進行驗證試驗分析，對播種均勻性進行測定。

田間試驗結果如表8所示，試驗結果表明：排種方向合格率93.37%，排種株距合格率90.33%，變異系數(shù)0.39，株距在33～49.5 cm合理的株距范圍內，基本符合甘蔗種植的排種間距要求。田間試驗及排種效果如圖24所示。

表8 播種均勻性試驗結果Tab.8 Test results of seeding uniformity

圖24 田間試驗及排種效果Fig.24 Field experiment and seeding effect

6 結論

(1) 根據(jù)甘蔗橫向播種要求和對現(xiàn)有預切種甘蔗種植機的分析，研制了一種預切種式甘蔗橫向排種器。通過對排種器進行運動機理分析和運動仿真分析，確定影響排種性能的因素有傳送鏈軸轉速、傳送鏈傾角和集蔗箱傾角。

(2) 單因素試驗結果表明：在鏈軸轉速為13.74 r/min時，排種器的合格率最高，為95.85%；在傳送鏈傾角為60°時，排種器的合格率最高，為89.84%，有較好的排種效果；在集蔗箱傾角為45°時，排種器的合格率最高，為92.98%。

(3) 正交試驗結果表明：傳送鏈傾角、鏈軸轉速對排種性能有極顯著的影響；集蔗箱傾角對排種性能的影響不顯著。影響排種性能的主次因素為：傳送鏈傾角、鏈軸轉速、集蔗箱傾角。

(4) 保證排種器排種合格的最優(yōu)參數(shù)組合為：傳送鏈傾角為55°、鏈軸轉速為9.16 r/min、集蔗箱傾角為45°。

(5) 室內驗證試驗結果表明：采用最佳組合參數(shù)的排種器能滿足預切種式甘蔗橫向播種的要求，排種器的合格率92.6%、漏植率5%和重植率3.2%。

(6) 田間驗證試驗結果表明：排種方向合格率93.37%，排種株距合格率90.33%，變異系數(shù)0.39%，株距在33～49.5 cm的合理株距范圍內，實現(xiàn)了雙芽段蔗種的精準橫向播種。