氣送式油菜播種機(jī)集排器供種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 磊 廖宜濤 廖慶喜 齊天翔 張青松 王寶山

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

油菜種植區(qū)域的耕地坡度為0°～5°，適于高速、寬幅油菜播種機(jī)[1-2]作業(yè)。氣送式油菜播種機(jī)整機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，適應(yīng)高速、寬幅等作業(yè)特點(diǎn)，滿(mǎn)足油菜高效播種作業(yè)需求[3-6]。氣送式油菜精量寬幅免耕播種機(jī)作業(yè)時(shí)，受地表坡度影響，供種裝置隨播種機(jī)前后傾斜及擺動(dòng)，導(dǎo)致供種裝置單位時(shí)間內(nèi)的供種量差異較大，供種穩(wěn)定性較差[7-9]。

為提高氣送式集排器排種性能，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了許多相關(guān)研究。文獻(xiàn)[10-11]應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)方法設(shè)計(jì)并優(yōu)化了導(dǎo)流渦輪結(jié)構(gòu)，以提高氣送式集排器內(nèi)氣流場(chǎng)的有序性；文獻(xiàn)[12-14]設(shè)計(jì)傾斜拋物線型孔輪，安裝攪種裝置，并應(yīng)用EDEM仿真確定種層調(diào)節(jié)板參數(shù)，以提高氣送式集排器充種性能；文獻(xiàn)[15-17]設(shè)計(jì)分配器上凸蓋結(jié)構(gòu)，并利用CFD仿真分析排種分配系統(tǒng)參數(shù)對(duì)氣流場(chǎng)的影響，應(yīng)用DEM-CFD耦合仿真優(yōu)化氣送式集排器送料裝置、增壓管、碗式分配器結(jié)構(gòu)，以提高集排器各行排量一致性；文獻(xiàn)[18-21]研究了風(fēng)機(jī)風(fēng)壓、氣流流速、氣流種子比、輸種管結(jié)構(gòu)對(duì)氣送式排種系統(tǒng)排種性能的影響。上述研究提高了氣送式集排器的排種性能，但有關(guān)作業(yè)地表坡度對(duì)氣送式集排器供種性能影響及提高氣送式集排器對(duì)地表坡度適應(yīng)性的研究卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

針對(duì)現(xiàn)有氣送式油菜集排器供種裝置在油菜種植區(qū)域地表坡度變化范圍大時(shí)供種量穩(wěn)定性不足等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種采用調(diào)節(jié)彈簧控制毛刷與外切圓弧型孔輪距離，實(shí)現(xiàn)坡地播種、穩(wěn)定供種的供種裝置，確定外切圓弧型孔曲線方程、主圓弧偏轉(zhuǎn)角及種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用智能種植機(jī)械測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行供種裝置優(yōu)化試驗(yàn)，以期為氣送式集排器結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 氣送式排種系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

氣送式油菜排種系統(tǒng)主要由高壓風(fēng)機(jī)、氣流分配管、種箱、供種裝置、等分送料裝置、送料管、分配器、輸種管等組成，該系統(tǒng)可提供氣送式集排器24行種子輸送所需氣流，完成供種、分種、混種、送種、排種、輸種環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 供種裝置結(jié)構(gòu)

供種裝置主要由卸種板、供種殼體、外切圓弧型孔輪、播量調(diào)控輪、隔板、調(diào)節(jié)板、清種毛刷、進(jìn)種隔板、種箱、種室隔板、調(diào)節(jié)彈簧、硅膠刮種板、傳動(dòng)軸、充種室、轉(zhuǎn)軸、供種口等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 工作過(guò)程及工作原理

播種作業(yè)時(shí)，供種裝置供種過(guò)程包括充種、清種、攜種、投種，供種裝置相對(duì)平整地表的狀態(tài)如圖3所示。定義供種裝置逆時(shí)針傾斜為正向傾斜，順時(shí)針傾斜為負(fù)向傾斜，調(diào)節(jié)板與外切圓弧型孔輪間距離最小處種層厚度為充種量調(diào)控區(qū)種層厚度h。理想狀態(tài)下，供種裝置為水平狀態(tài)1，清種毛刷將清除型孔中的部分種子；遇坡度地表上坡作業(yè)時(shí)，供種裝置為傾斜狀態(tài)2，供種裝置負(fù)向傾斜角θ，調(diào)節(jié)彈簧伸長(zhǎng)，清種量增加，且充種量調(diào)控區(qū)種層厚度降低，由清種增加及充種量調(diào)控區(qū)種層厚度降低減小的型孔充種量可平衡負(fù)向傾斜導(dǎo)致的充種增加量；遇坡度地表下坡作業(yè)時(shí)，供種裝置為傾斜狀態(tài)3，供種裝置正向傾斜角θ，調(diào)節(jié)彈簧縮短，清種量減少，且充種量調(diào)控區(qū)種層厚度增加，由充種量調(diào)控區(qū)種層厚度增加而增大的型孔充種量可平衡正向傾斜導(dǎo)致的充種減少量，實(shí)現(xiàn)坡地動(dòng)態(tài)穩(wěn)定供種。

2 供種裝置設(shè)計(jì)

2.1 型孔輪參數(shù)

因油菜種子近似球形、表皮光滑且流動(dòng)性好，確定型孔輪為圓柱形。播種機(jī)播量與油菜供種裝置供種量關(guān)系方程為

(1)

式中Qb——農(nóng)藝要求油菜播量，粒/s

B——免耕播種機(jī)作業(yè)幅寬，m

vm——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

a——播種行距，m

b——播種粒距，m

Qm——供種裝置供種量，粒/s

N——型孔輪數(shù)

Z——單個(gè)型孔輪徑向型孔數(shù)

q——單個(gè)型孔充入種子數(shù)

n——型孔輪轉(zhuǎn)速，r/min

供種裝置供種量與種植農(nóng)藝要求播量相同，由式(1)得

(2)

由式(2)可知，單個(gè)型孔輪徑向型孔數(shù)與作業(yè)幅寬、前進(jìn)速度成正比，與型孔輪數(shù)、播種行距、播種粒距、單個(gè)型孔充入種子數(shù)、型孔輪轉(zhuǎn)速成反比。綜合考慮長(zhǎng)江中下游和新疆地區(qū)油菜播種作業(yè)速度為4～10 km/h，播量為3.75～8.25 kg/hm2，播種機(jī)幅寬為4.8 mm，行距為200 mm，確定型孔輪直徑為80 mm。根據(jù)油菜品種千粒質(zhì)量差異，確定型孔理論充種粒數(shù)為10～15，傳動(dòng)軸上為4～8個(gè)型孔輪交錯(cuò)排布，單個(gè)型孔輪徑向型孔數(shù)為24，型孔輪工作轉(zhuǎn)速為20～50 r/min[22]。

2.2 型孔設(shè)計(jì)

為滿(mǎn)足供種裝置型孔高速作業(yè)下不傷種，精量播種中供種應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定。綜合考慮供種裝置作業(yè)工況及減少拖帶充種，設(shè)計(jì)增加種群擾動(dòng)且易于種子充種及流動(dòng)的外切圓弧型孔，截面形狀如圖4所示。

外切圓弧型孔由輔充圓弧、主圓弧、導(dǎo)流圓弧組成，輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧均與主圓弧外切。外切圓弧型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)華油雜62油菜種子，當(dāng)量直徑為1.9～2.1 mm，球形度大于94.5%。為保證油菜種子有效充入型孔且在投種區(qū)順利從型孔中排出，主圓弧對(duì)應(yīng)圓周角應(yīng)小于180°。根據(jù)型孔輪布局，外切圓弧型孔無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)，型孔輪、主圓弧、種子相對(duì)位置如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)種子有效充入型孔，基于幾何關(guān)系可知

(3)

式中Rc——主圓弧半徑，mm

R——型孔輪半徑，取40 mm

β——型孔對(duì)應(yīng)型孔輪圓心角，(°)

lR——型孔對(duì)應(yīng)型孔輪弦長(zhǎng)，mm

δ——型孔對(duì)應(yīng)主圓弧圓心角，(°)

lt——型孔對(duì)應(yīng)主圓弧弦長(zhǎng)，mm

r——油菜種子半徑，1 mm

hc——主圓弧深度，mm

由式(3)可知

(4)

綜合考慮滿(mǎn)足冬油菜、春油菜播量要求，且實(shí)現(xiàn)有效供種，結(jié)合式(4)確定主圓弧半徑為4.5 mm，主圓弧深度為3.5 mm。主圓弧方程為

x2+y2=20.25

(5)

根據(jù)主圓弧、輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧與型孔輪間相對(duì)位置關(guān)系，輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧方程關(guān)系式為

(6)

式中Rs——輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧的半徑，mm

e——輔充圓弧圓心的x軸坐標(biāo)

k——輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧圓心的y軸坐標(biāo)

根據(jù)式(5)、(6)得外切圓弧型孔方程為

(7)

外切圓弧型孔主圓弧是決定型孔供種性能的關(guān)鍵，為提高供種裝置的供種穩(wěn)定性，以無(wú)偏轉(zhuǎn)時(shí)主圓弧二分之一半徑處的坐標(biāo)Oe為偏轉(zhuǎn)中心，偏轉(zhuǎn)主圓弧，如圖6所示，可得偏轉(zhuǎn)主圓弧方程與以O(shè)e為圓心、主圓弧半徑為直徑的偏轉(zhuǎn)圓方程關(guān)系式

(8)

式中m1——偏轉(zhuǎn)主圓弧圓心x軸坐標(biāo)

n1——偏轉(zhuǎn)主圓弧圓心y軸坐標(biāo)

為保證主圓弧偏轉(zhuǎn)過(guò)程中的完整性，最大偏轉(zhuǎn)角時(shí)，偏轉(zhuǎn)主圓弧應(yīng)與直線OD相切，方程應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式

(9)

式中k1——直線OD斜率，計(jì)算結(jié)果為7.59

b1——直線OD截距，計(jì)算結(jié)果為40.85

由式(9)可得偏轉(zhuǎn)主圓弧偏轉(zhuǎn)最大角度時(shí)圓心坐標(biāo)On(-3.15 mm，0.58 mm)。根據(jù)主圓弧方程圓心坐標(biāo)Oc、偏轉(zhuǎn)主圓弧方程圓心坐標(biāo)On、偏轉(zhuǎn)圓方程圓心坐標(biāo)Oe的幾何關(guān)系，可得偏轉(zhuǎn)主圓弧繞點(diǎn)Oe順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的最大偏轉(zhuǎn)角α為20.48°。

2.3 種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

2.3.1種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)受力分析

種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由調(diào)節(jié)彈簧、調(diào)節(jié)板、清種毛刷、轉(zhuǎn)軸等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧控制調(diào)節(jié)板與型孔輪間距離，以控制充種量調(diào)控區(qū)種層厚度、型孔的充種及清種量，并控制清種毛刷與型孔輪間距離。以固定連接的調(diào)節(jié)板和清種毛刷為剛體，其在平整地表受力如圖8所示。

剛體在平面xy內(nèi)繞轉(zhuǎn)軸固定鉸鏈Oz轉(zhuǎn)動(dòng)，力系平衡。基于平面力系平衡，力系主矢、主矩均為零。建立平衡方程

(10)

式中μm——種子與清種毛刷間的摩擦因數(shù)

μr——種子與調(diào)節(jié)板間的摩擦因數(shù)

θt——調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力與y軸夾角，(°)

θG——?jiǎng)傮w重力與x軸夾角，(°)

Fa——轉(zhuǎn)軸對(duì)剛體x軸上的約束力,N

Fb——轉(zhuǎn)軸對(duì)剛體y軸上的約束力,N

Ft——調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力,N

Ftx——調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力在x軸方向分力,N

Fty——調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力在y軸方向分力,N

ρtx——調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力在x軸方向分力的力臂,m

Fm——型孔內(nèi)種子對(duì)剛體的支持力,N

ρn——型孔內(nèi)種子對(duì)剛體支持力的力臂,m

fm——型孔內(nèi)種子對(duì)剛體的摩擦力,N

ρm——型孔內(nèi)種子對(duì)剛體摩擦力的力臂,m

Fr——充種室內(nèi)種群對(duì)剛體在質(zhì)心Oa處壓力,N

fr——充種室內(nèi)種群對(duì)剛體的摩擦力,N

G——?jiǎng)傮w重力,N

Gx——?jiǎng)傮w重力在x軸方向分力,N

Gy——?jiǎng)傮w重力在y軸方向分力,N

ρr——?jiǎng)傮w重力在x軸方向分力和充種室內(nèi)種群對(duì)剛體在質(zhì)心點(diǎn)Oa處壓力的力臂,m

種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是由轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)固定鉸鏈約束，基于固定鉸鏈約束的力學(xué)特性，F(xiàn)a、Fb是大小未知的正交分力，F(xiàn)a、Fb對(duì)固定鉸鏈Oz的主矩為0，故地表具有坡度，供種裝置繞型孔中心點(diǎn)O轉(zhuǎn)動(dòng)θ時(shí)，由式(10)可知調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力為

(11)

遇坡度地表上坡作業(yè)時(shí)，剛體重力與x軸夾角θG隨供種裝置負(fù)向傾斜角θ的增加而逐漸減??；基于散粒體對(duì)側(cè)壁壓力變化規(guī)律，充種室內(nèi)種群對(duì)剛體的壓力Fr隨θ的增加而逐漸增大。負(fù)向傾斜時(shí)調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力為

(12)

基于供種裝置為整體傾斜，傾斜過(guò)程中，F(xiàn)r逐漸減小，力臂ρr、ρtx、ρm、ρn不變，為實(shí)現(xiàn)力矩平衡，調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力Ft隨傾斜角θ的增加而逐漸增大，調(diào)節(jié)彈簧伸長(zhǎng)量增加，迫使剛體繞點(diǎn)Oz逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，清種毛刷與型孔間距離減小，增加了清種量，當(dāng)清種毛刷與型孔間距減小到一定值時(shí)，F(xiàn)m增大，可實(shí)現(xiàn)力系平衡。

遇坡度地表下坡作業(yè)時(shí)，調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力Ft為

(13)

由式(13)可知，隨供種裝置傾斜角θ的增加，F(xiàn)r逐漸減小，力臂ρr、ρtx、ρm、ρn不變，為實(shí)現(xiàn)力矩平衡，調(diào)節(jié)彈簧對(duì)剛體的拉力Ft隨傾斜角θ的增加而逐漸減小，調(diào)節(jié)彈簧伸長(zhǎng)量減小，迫使剛體繞點(diǎn)Oz順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，增加了清種毛刷與型孔間距離，減小了清種量，當(dāng)清種毛刷與型孔間距增大到一定值時(shí)，F(xiàn)m減小，可實(shí)現(xiàn)力系平衡。

2.3.2調(diào)節(jié)板與清種毛刷設(shè)計(jì)

綜合考慮供種裝置結(jié)構(gòu)、充種室布局及種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與型孔輪的相對(duì)位置，確定種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與型孔輪幾何關(guān)系如圖9所示。

地表平整時(shí)，為保證清種毛刷有效清種且不卡種，清種毛刷安裝最低點(diǎn)應(yīng)為調(diào)節(jié)板與型孔輪距離最小處，結(jié)合圖9可得調(diào)節(jié)板與型孔輪距離關(guān)系方程

(14)

式中ha——轉(zhuǎn)軸至x軸距離，mm

hb——轉(zhuǎn)軸至y軸距離，mm

lm——轉(zhuǎn)軸至清種毛刷安裝最低點(diǎn)距離，mm

lb——調(diào)節(jié)板對(duì)稱(chēng)中心線至型孔輪圓心距離，mm

lc——清種毛刷厚度，mm

cn——調(diào)節(jié)板厚度，mm

由式(14)可知清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)板厚度與地表平整時(shí)轉(zhuǎn)軸至型孔輪中心距離間的關(guān)系。依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，ha為64 mm，hb為34 mm，R為40 mm,hc為3.5 mm，參考適應(yīng)于平整地表油菜種子供種裝置種層調(diào)節(jié)板安裝角度及油菜種子滑動(dòng)摩擦角，確定θG為70°，可得不等式方程

(15)

由式(15)可確定清種毛刷厚度和調(diào)節(jié)板厚度范圍，依據(jù)適應(yīng)平整地表作業(yè)供種裝置的調(diào)節(jié)板安裝位置并結(jié)合實(shí)際加工工藝，確定清種毛刷厚度為11～15 mm，長(zhǎng)度為80 mm，寬度為15 mm，材料為尼龍絲；調(diào)節(jié)板厚度為6～10 mm。

供種裝置工作過(guò)程中，型孔輪轉(zhuǎn)動(dòng)使充種室內(nèi)充種量調(diào)控區(qū)種層厚度高于種量調(diào)節(jié)裝置底邊位置，為避免清種毛刷的安裝導(dǎo)致提前清種，則應(yīng)滿(mǎn)足關(guān)系式

bn≥ln≥lm

(16)

式中l(wèi)n——轉(zhuǎn)軸至調(diào)節(jié)板最低點(diǎn)距離，mm

bn——調(diào)節(jié)板寬度，mm

根據(jù)ha、hb、R設(shè)計(jì)尺寸，并結(jié)合式(14)～(16)可得轉(zhuǎn)軸至清種毛刷安裝最低點(diǎn)的距離lm為48.53 mm，轉(zhuǎn)軸至調(diào)節(jié)板最低點(diǎn)距離應(yīng)大于lm，綜合考慮轉(zhuǎn)軸在調(diào)節(jié)板上的相對(duì)位置、種箱中油菜種子供給速率及實(shí)際作業(yè)中油菜播量需求，確定調(diào)節(jié)板寬度bn為64 mm。

2.3.3調(diào)節(jié)彈簧設(shè)計(jì)

由圖9中調(diào)節(jié)彈簧與調(diào)節(jié)板的幾何關(guān)系，根據(jù)余弦定理可得調(diào)節(jié)彈簧與調(diào)節(jié)板寬度關(guān)系方程

(17)

式中l(wèi)a——調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度，mm

λ——調(diào)節(jié)彈簧固定系數(shù)，取1.3

由式(17)可得地表平整下調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度與轉(zhuǎn)軸至調(diào)節(jié)板最低點(diǎn)距離、轉(zhuǎn)軸至清種毛刷安裝最低點(diǎn)距離間關(guān)系。依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸，ln為54 mm，lm為48.53 mm，θt為63°，可得調(diào)節(jié)彈簧長(zhǎng)度為47.96～53.37 mm。

調(diào)節(jié)彈簧選用圓柱螺旋拉伸彈簧，彈簧拉力計(jì)算公式[23]為

(18)

式中Gt——彈簧切變模量，取79 GPa

d——彈簧鋼絲直徑，mm

D——彈簧中徑，mm

nt——有效圈數(shù)

xt——彈簧形變量，mm

基于散粒體堆積特性，充種室內(nèi)種群對(duì)調(diào)節(jié)板的壓力小于種群的重力，充種室內(nèi)種群對(duì)調(diào)節(jié)板壓力計(jì)算式為

(19)

式中Gr——充種室內(nèi)種子重力，N

調(diào)節(jié)彈簧為2根對(duì)稱(chēng)安裝，根據(jù)調(diào)節(jié)彈簧最小工作載荷、最大工作載荷長(zhǎng)度及自由長(zhǎng)度關(guān)系，結(jié)合式(12)、(19)可得調(diào)節(jié)彈簧參數(shù)與充種室內(nèi)種群對(duì)調(diào)節(jié)板壓力及調(diào)節(jié)板重力的關(guān)系

(20)

式中an——調(diào)節(jié)板長(zhǎng)度，取115 mm

pn——調(diào)節(jié)板密度，取7 900 kg/m3

g——重力加速度，取9.81 m/s2

根據(jù)式(20)，為滿(mǎn)足圓柱螺旋拉伸彈簧的力學(xué)特性及幾何參數(shù)關(guān)系，確定選用碳素彈簧鋼絲，計(jì)算得鋼絲直徑為0.3～0.5 mm，彈簧中徑為5 mm，有效圈數(shù)為70～90，彈性模量為206 GPa。預(yù)試驗(yàn)中將鋼絲直徑為0.3～0.5 mm的調(diào)節(jié)彈簧分別安裝至供種裝置，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼絲直徑為0.3 mm的調(diào)節(jié)彈簧工作時(shí)未能有效回彈，鋼絲直徑為0.5 mm的調(diào)節(jié)彈簧工作時(shí)所受作用力小于調(diào)節(jié)彈簧的初拉力，故鋼絲直徑確定為0.4 mm。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 地表坡度對(duì)供種性能影響試驗(yàn)

為探究地表坡度對(duì)供種性能影響規(guī)律，開(kāi)展坡度地表供種性能穩(wěn)定性試驗(yàn)。

3.1.1試驗(yàn)條件

試驗(yàn)裝置為外切圓弧型孔主圓弧無(wú)偏轉(zhuǎn)的供種裝置，模擬地表坡度設(shè)備為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的智能種植機(jī)械測(cè)試平臺(tái)，如圖10所示。該平臺(tái)可模擬并實(shí)時(shí)顯示播種機(jī)在田間作業(yè)的工作狀態(tài)，通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)供種裝置傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)液壓缸驅(qū)動(dòng)六自由度平臺(tái)實(shí)現(xiàn)播種機(jī)前后、左右方向-5°～5°傾斜及擺動(dòng)。

3.1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)供種裝置采用4個(gè)外切圓弧型孔輪交錯(cuò)排布，種箱中裝入5 kg油菜種子，以減少種量變化對(duì)供種性能的影響。供種裝置調(diào)節(jié)板固定安裝，參考適應(yīng)平整地表供種裝置調(diào)節(jié)板安裝位置，確定調(diào)節(jié)板與型孔輪軸心距離為51 mm，未安裝調(diào)節(jié)彈簧與清種毛刷，試驗(yàn)材料為華油雜62油菜種子，千粒質(zhì)量為4.67 g。試驗(yàn)中以地表坡度為試驗(yàn)因素，綜合考慮長(zhǎng)江中下游及新疆地區(qū)油菜播種機(jī)作業(yè)工況，地表坡度設(shè)置為0°～5°，設(shè)置供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min，以滿(mǎn)足實(shí)際油菜播種的供種量需求。為更好地研究地表坡度前后傾斜對(duì)供種性能的影響規(guī)律，簡(jiǎn)化地表坡度形式。開(kāi)展固定傾斜角度對(duì)供種性能影響單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)水平為供種裝置傾斜-5°～5°，每間隔1°為一個(gè)水平，試驗(yàn)重復(fù)5次；開(kāi)展供種裝置擺動(dòng)對(duì)供種性能影響單因素試驗(yàn)，擺動(dòng)周期為10 s，試驗(yàn)水平為供種裝置擺動(dòng)-1°～1°、-2°～2°、-3°～3°、-4°～4°、-5°～5°，試驗(yàn)重復(fù)5次。以供種裝置60 s內(nèi)供種質(zhì)量為供種速率，確定供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)。

3.1.3結(jié)果分析

由圖11可知，固定傾斜供種速率隨供種裝置傾斜角的增加而逐漸減?。回?fù)向傾斜時(shí)，固定傾斜-5°相對(duì)無(wú)傾斜供種速率的增加量大于34%；正向傾斜時(shí)，固定傾斜5°相對(duì)無(wú)傾斜供種速率的減少率大于25%，表明供種裝置傾斜對(duì)供種速率有顯著的影響。供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨固定傾斜角的增加無(wú)明顯變化規(guī)律。

由圖12可知，供種裝置擺動(dòng)時(shí)供種速率隨供種裝置擺動(dòng)角范圍的增加而逐漸增大，表明相同傾斜角時(shí)，負(fù)向傾斜引起的供種速率增加量高于正向傾斜引起的供種速率減少量，是由于負(fù)向傾斜外切圓弧型孔種子增加量高于正向傾斜外切圓弧型孔種子減少量，故擺動(dòng)的供種速率均大于無(wú)傾斜時(shí)供種速率。供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨擺動(dòng)角的增加無(wú)明顯變化規(guī)律。

3.2 供種性能優(yōu)化試驗(yàn)

為分析種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及型孔參數(shù)對(duì)供種速率的影響，開(kāi)展二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)確定供種裝置參數(shù)組合。

3.2.1試驗(yàn)裝備

試驗(yàn)裝置為安裝種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的供種裝置，設(shè)備為智能種植機(jī)械測(cè)試平臺(tái)。

3.2.2試驗(yàn)方法

設(shè)置供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min，以固定傾斜5°相對(duì)無(wú)傾斜下的供種速率變化率(相對(duì)變化率Y1)和固定傾斜-5°相對(duì)無(wú)傾斜下的供種速率變化率(相對(duì)變化率Y2)作為坡度地表供種穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)。相對(duì)變化率Y1計(jì)算式為

(21)

式中qa——固定傾斜5°時(shí)的供種速率，g/min

qz——無(wú)傾斜時(shí)的供種速率，g/min

相對(duì)變化率Y2計(jì)算式為

(22)

式中qb——固定傾斜-5°時(shí)的供種速率，g/min

3.2.3二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與參數(shù)分析，確定清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)、調(diào)節(jié)板厚度、外切圓弧型孔主圓弧偏轉(zhuǎn)角為影響供種速率相對(duì)變化量的主要因素。采用響應(yīng)面優(yōu)化法開(kāi)展二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)[24-25]，確定種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最佳參數(shù)組合?；诶碚摲治龊蛯?shí)際加工工藝，確定試驗(yàn)因素水平如表1所示。試驗(yàn)中不同主圓弧偏轉(zhuǎn)角的外切圓弧型孔輪采用3D打印加工。根據(jù)四因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)表開(kāi)展試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Experiment scheme and results

3.2.4回歸分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，X1X3、X2X3、X2X4對(duì)Y1影響不顯著，X2X3、X3X4對(duì)Y2影響不顯著，剔除不顯著因素的方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

剔除不顯著因素后，建立Y1、Y2真實(shí)值的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。各因素對(duì)Y1影響的回歸模

型為

(23)

各因素對(duì)Y2影響的回歸模型為

(24)

3.2.5參數(shù)優(yōu)化

基于理論分析、試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)分析可知，調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)、清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)板厚度、主圓弧偏轉(zhuǎn)角對(duì)Y1、Y2均有顯著影響。

基于油菜種植農(nóng)藝要求中對(duì)成苗數(shù)的要求，播量偏高，通過(guò)后期油菜苗競(jìng)爭(zhēng)生長(zhǎng)，可保證有效成苗數(shù)，播量偏低難以滿(mǎn)足成苗數(shù)要求。依據(jù)NY/T 2709—2015《油菜播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》的要求，以固定傾斜5°相對(duì)無(wú)傾斜下的供種速率變化率為多目標(biāo)優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合各因素邊界條件，建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(25)

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化模塊，求解約束目標(biāo)，清種毛刷厚度為12.95 mm、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)為82.32、調(diào)節(jié)板厚度為7.78 mm、主圓弧偏轉(zhuǎn)角為7.71°時(shí)，Y1最低。

綜合考慮供種裝置實(shí)際加工制造水平，以清種毛刷厚度為13 mm、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)為82.5、調(diào)節(jié)板厚度為7.8 mm、主圓弧偏轉(zhuǎn)角為7.7°的供種裝置開(kāi)展驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，無(wú)傾斜時(shí)供種速率為144.39 g/min，固定傾斜5°時(shí)為141.04 g/min，Y1為2.32%，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.46%；固定傾斜-5°時(shí)供種速率為150.58 g/min，Y2為4.29%，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.52%。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證安裝有種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的供種裝置對(duì)坡度地表作業(yè)的適應(yīng)性及可靠性，利用智能種植機(jī)械測(cè)試平臺(tái)開(kāi)展擺動(dòng)對(duì)供種性能影響單因素試驗(yàn)。設(shè)置供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min，擺動(dòng)周期為10 s，試驗(yàn)水平為供種裝置擺動(dòng)-1°～1°、-2°～2°、-3°～3°、-4°～4°、-5°～5°，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。統(tǒng)計(jì)供種速率、擺動(dòng)相對(duì)無(wú)傾斜供種速率變化率(相對(duì)變化率Y3)、供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

相對(duì)變化率Y3計(jì)算式為

(26)

式中qi——往復(fù)擺動(dòng)角度i時(shí)的供種速率，g/min

由圖13可知，Y3隨擺動(dòng)角范圍的增加而逐漸增大，相對(duì)變化率Y3為0～1.6%；供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨擺動(dòng)角的增加在0.58%～0.86%內(nèi)變化，Y3和供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)均滿(mǎn)足油菜坡地播種供種量穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種采用調(diào)節(jié)彈簧調(diào)節(jié)清種毛刷與外切圓弧型孔輪距離，從而控制充種及清種量、實(shí)現(xiàn)坡地播種、穩(wěn)定供種的供種裝置，闡述了供種裝置的工作原理，確定了外切圓弧型孔曲線方程、主圓弧偏轉(zhuǎn)角及種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了種量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與型孔輪間的力學(xué)關(guān)系。

(2)通過(guò)二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，得到清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)、調(diào)節(jié)板厚度、主圓弧偏轉(zhuǎn)角與相對(duì)變化率的二次回歸方程。利用主要目標(biāo)法確定最佳參數(shù)組合為：清種毛刷厚度13 mm、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)82.5、調(diào)節(jié)板厚度7.8 mm、主圓弧偏轉(zhuǎn)角7.7°，供種穩(wěn)定性較優(yōu)。

(3)臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在最優(yōu)參數(shù)組合下，供種速率在擺動(dòng)-5°～5°相對(duì)無(wú)傾斜狀態(tài)下的變化率不大于1.6%，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于0.86%，滿(mǎn)足油菜坡地播種供種量穩(wěn)定性要求。