四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

頓國(guó)強(qiáng) 毛 寧 劉文輝 吳星澎 周 成 紀(jì)文義

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040；2.湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院，湖州 313000；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030)

0 引言

大豆是東北地區(qū)主要的糧食作物，其生產(chǎn)的穩(wěn)定性對(duì)保障糧食安全具有重要意義[1-2]。大豆育種技術(shù)的發(fā)展是品種改良和糧食增產(chǎn)的必經(jīng)之路，育種機(jī)械的使用是提高作業(yè)效率保證育種質(zhì)量的重中之重[3-4]。而我國(guó)大豆小區(qū)育種大多采用傳統(tǒng)的人力手工播種，嚴(yán)重影響了育種試驗(yàn)的準(zhǔn)確性、科學(xué)性、普遍性，所以大豆小區(qū)育種的研究非常必要[5]。

現(xiàn)階段小區(qū)育種試驗(yàn)中所用到的大豆品種多且數(shù)量少，大豆的尺寸也存在較大差異，小區(qū)育種田間試驗(yàn)機(jī)械化水平較低[6-7]。姜峰[8]研發(fā)了機(jī)動(dòng)式大豆育種精密播種機(jī)，采用插裝式組合式箱體結(jié)構(gòu)；趙宇[9]研發(fā)了2BXJ-6型大豆壟三栽培育種精量播種機(jī)，設(shè)計(jì)了一款配套于壟三栽培育種的插裝式排種器，可實(shí)現(xiàn)壟上等距雙條播的農(nóng)藝要求；谷金龍等[10]設(shè)計(jì)了一種2BXJ-4(A)型插裝式大豆小區(qū)育種精密播種機(jī)，實(shí)際應(yīng)用中播種空行程大，排種器箱體沉重，清換種作業(yè)操作繁瑣；黃珊珊等[11]設(shè)計(jì)了2BXJ_4A1型大豆小區(qū)育種精量播種機(jī)，采用弧形齒條機(jī)構(gòu)預(yù)充種機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，縮短播種空行程，但上述4種播種機(jī)均采用整體插裝式排種器的方式完成清換種，清換種作業(yè)操作不夠便捷。因此，應(yīng)創(chuàng)新清種原理，研發(fā)新型清種機(jī)構(gòu)。

綜合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究[12]，為解決大豆小區(qū)育種作業(yè)時(shí)清換種問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器，通過(guò)理論分析確定其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用離散元仿真軟件構(gòu)造模型進(jìn)行仿真[13]，模擬大豆小區(qū)育種排種器排種過(guò)程，分析排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)下限角度的影響以及種箱厚度對(duì)殘余種子數(shù)的影響，優(yōu)化確定排種器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。最終通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)具性能加以驗(yàn)證。

1 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

四桿平移式小區(qū)育種排種器[14]由殼體、清種毛刷、平行連桿(帶U型槽)、收種箱、投種箱、導(dǎo)種管、排種盤、排種軸、圓形套環(huán)、六方軸套組成，如圖1所示。殼體上部與排種盤形成種箱，清種毛刷固裝在種箱右側(cè)擋板處，排種軸穿過(guò)殼體中部，其一邊用于驅(qū)動(dòng)，另一邊排種盤與六方軸套固裝并通過(guò)六方軸套套裝在排種軸上，手持六方軸套可將排種盤向外拉出，排種盤上的圓形套環(huán)的軸銷分別與平行連桿上的U型槽配合，殼體兩側(cè)靠平行連桿吊裝收種箱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收種箱的位置通過(guò)排種盤的拔出而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，投種箱位于收種箱右下部，導(dǎo)種管位于投種箱下部。

圖1 四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of four-bar translational soybean plot seed metering device1.收種箱 2.平行連桿 3.U型槽 4.排種盤 5.殼體 6.清種毛刷 7.圓形套環(huán) 8.六方軸套 9.投種箱 10.導(dǎo)種管 11.排種軸

1.2 排種器工作原理

排種器的工作過(guò)程分為充種、清種和投種3個(gè)階段，當(dāng)其工作時(shí)，排種軸驅(qū)動(dòng)排種盤沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，種箱內(nèi)的大豆種子在自身重力、摩擦力以及周圍種子擠壓的綜合作用力下落入型孔內(nèi)進(jìn)入充種區(qū)，如圖2所示，隨著排種盤一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)型孔經(jīng)過(guò)清種毛刷時(shí)，毛刷清除多余的種子后進(jìn)入護(hù)種區(qū)，當(dāng)型孔轉(zhuǎn)到導(dǎo)種管上方位置時(shí)進(jìn)入投種區(qū)，大豆種子靠重力脫離型孔落入投種箱，通過(guò)投種箱下部導(dǎo)種管落入種溝，完成排種器的清種、排種作業(yè)。

圖2 排種器充種過(guò)程Fig.2 Filling process chart of seed metering device

當(dāng)排種器在完成前一小區(qū)播種作業(yè)后，如圖3所示，手持六方軸套向外拉出，殼體下方由平行四桿吊裝的種箱在圓形套環(huán)與U型槽的配合下隨之向外運(yùn)動(dòng)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)排種盤，種箱以及型孔內(nèi)的種子依靠自身重力落入平行連桿連接的收種箱內(nèi)，而后手持六方軸套將排種盤向里歸位，向排種箱內(nèi)倒入下一小區(qū)的種子。由于排種器內(nèi)為無(wú)死角結(jié)構(gòu)，拔出排種盤后，種箱及型孔內(nèi)均無(wú)種子殘留，排種器歸位后，種箱內(nèi)只有下一小區(qū)的種子，避免了種子混雜問(wèn)題，完成排種器的換種作業(yè)，依次循環(huán)，四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器完成排種、清種、換種作業(yè)。

圖3 四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器俯視圖Fig.3 Vertical view of four-bar translational soybean plot seed metering device1.平行連桿 2.六方軸套 3.排種盤 4.導(dǎo)種管 5.圓形套環(huán) 6.清種毛刷 7.收種箱 8.排種軸 9.殼體

傳統(tǒng)的大豆小區(qū)育種排種器多為插裝式結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行清換種作業(yè)時(shí)，將整個(gè)的排種箱拔出，提前準(zhǔn)備好盛裝種子的容器以防種子落入試驗(yàn)田中，傾倒上一小區(qū)的種子后，還需手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)排種盤，清除護(hù)種區(qū)內(nèi)殘余的種子，仔細(xì)檢查種箱內(nèi)無(wú)種子殘留后，方可向種箱內(nèi)倒入下一小區(qū)的種子，清換種作業(yè)操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器在進(jìn)行清換種作業(yè)時(shí)，無(wú)需將種箱拔出，箱體結(jié)構(gòu)靈活，只需拉出、旋轉(zhuǎn)、歸位3個(gè)步驟就可輕松完成清換種作業(yè)，箱內(nèi)結(jié)構(gòu)無(wú)死角，排種、收種種箱分離，排種作業(yè)排種盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，種子落入投種箱，清換種作業(yè)時(shí)，手持六方軸套逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)排種盤，上一小區(qū)種子直接落入收種箱，不僅便于種子的收集，還從根本上解決了種子殘留的問(wèn)題，整個(gè)清換種作業(yè)操作省時(shí)省力。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

2.1 充種下限角度

大豆充種過(guò)程可以近似看作物料過(guò)篩運(yùn)動(dòng)，當(dāng)大豆沿排種盤表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，除某些運(yùn)動(dòng)學(xué)要素外，還必須確定大豆能經(jīng)過(guò)型孔的充種下限角度。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)后，大豆會(huì)以一定的下限角度θ充入型孔，下限角度會(huì)隨著排種盤轉(zhuǎn)速的變化而改變，不同轉(zhuǎn)速下的下限角度范圍不同，充種效果也不同，所以需對(duì)下限角度進(jìn)行分析，排種盤結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖4所示。

圖4 排種盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of seed metering tray structure

根據(jù)圖4中幾何關(guān)系可知

(1)

式中N——單側(cè)型孔所對(duì)應(yīng)的圓心角，(°)

S——排種盤圓心至型孔底部距離，mm

r——型孔外徑，mm

R——排種盤半徑，mm

H——型孔深度，mm

而排種盤軸向截面內(nèi)，周向型孔數(shù)K與其單側(cè)對(duì)應(yīng)的圓心角N、型孔間隔圓心角M有關(guān)[15]，即

(2)

式中L——型孔圓弧段圓心所在圓的半徑

小區(qū)育種作業(yè)時(shí)，排種盤的轉(zhuǎn)速n與播種機(jī)前進(jìn)速度v的關(guān)系為

(3)

式中LS——株距，取80 mm

由公式(1)、(2)可知，當(dāng)型孔外徑r與型孔間隔圓心角M一定時(shí)，增大型孔圓弧段圓心所在圓的半徑L，減小型孔深度H，單側(cè)型孔圓心角N減小，周向型孔數(shù)K增大，充種下限角度隨之增大，所以下限角度θ與周向型孔數(shù)K成正比例關(guān)系。由式(3)可知，當(dāng)播種機(jī)前進(jìn)作業(yè)時(shí)，其前進(jìn)速度v與株距LS一定時(shí)，排種盤的轉(zhuǎn)速n與周向型孔數(shù)K成反比，所以排種盤的轉(zhuǎn)速n與下限角度θ成反比。因此，為提高排種盤的充種效果，可適當(dāng)增大型孔圓弧段的圓心所在圓的半徑，即排種盤直徑，增加型孔數(shù)量，減小型孔深度，降低其作業(yè)速度。

2.2 型孔參數(shù)

2.2.1充種運(yùn)動(dòng)分析

大豆充填型孔過(guò)程一直處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，為了便于理論研究，忽略空氣阻力的影響，如圖5所示，選取位置A處于排種盤正半軸、位置B處于排種盤水平位置、位置C處于排種盤負(fù)半軸位置，對(duì)大豆掉落型孔運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析。由于排種盤線速度大于大豆運(yùn)動(dòng)速度，致使大豆落入型孔的軌跡從右至左，為保證種子完全落入型孔，大豆重心位置O至少與型孔口持平。

圖5 大豆充填型孔位置圖Fig.5 Location map of soybean filling hole

根據(jù)位置A的幾何關(guān)系可知，大豆種子落入型孔時(shí)，種子重心至少經(jīng)過(guò)距離

(4)

式中l(wèi)——型孔直徑

α——重心O豎直下落高度與水平方向夾角

根據(jù)位置B的幾何關(guān)系可知，大豆種子落入型孔時(shí)，種子重心至少經(jīng)過(guò)距離

h=r

(5)

根據(jù)位置C的幾何關(guān)系可知，大豆種子落入型孔時(shí)，種子重心至少經(jīng)過(guò)距離

h

(6)

由此可見，大豆越接近排種排負(fù)半軸位置，重心經(jīng)過(guò)距離越短，越容易充入型孔中。

2.2.2型孔尺寸確定

排種盤型孔大小應(yīng)根據(jù)大豆的物料參數(shù)來(lái)確定，本文選取品種為黑河43大豆的物理參數(shù)為依據(jù)，其粒長(zhǎng)7.85 mm、粒寬7.31 mm、粒厚6.38 mm，均徑為6.57 mm[16]。小區(qū)育種單粒精播時(shí)，排種盤型孔為半球形結(jié)構(gòu)，型孔的邊緣增設(shè)倒角，型孔倒角比為0～0.3，這種設(shè)計(jì)易于種子填充，并可有效防止種子損傷。

由于大豆小區(qū)育種作業(yè)速度范圍為0.8～1.2 m/s[17]，計(jì)算排種盤轉(zhuǎn)速范圍為30～70 r/min，取30 r/min為實(shí)例，經(jīng)計(jì)算得排種盤線速度v=204 mm/s。根據(jù)上述大豆充種運(yùn)動(dòng)規(guī)律，如圖6所示，研究大豆在不同位置A、B、C時(shí)型孔尺寸，α=45°、β=30°時(shí)，其幾何關(guān)系如圖7所示。

圖6 大豆充填型孔局部放大圖Fig.6 Enlarged view of soybean filling hole

圖7 位置A、C填充幾何關(guān)系圖Fig.7 Location A,C filling geometric relationship diagram

位置B時(shí)大豆處于水平運(yùn)動(dòng)，重心經(jīng)過(guò)的距離h=r，排種盤型孔長(zhǎng)度

(7)

l=vt

(8)

位置A時(shí)大豆處于排種盤正半軸位置，重心經(jīng)過(guò)距離h>r，根據(jù)圖7中位置A幾何關(guān)系圖可知

(9)

位置C時(shí)大豆處于排種盤負(fù)半軸位置，重心經(jīng)過(guò)距離h

(10)

位置A、B、C大豆落入型孔所需的時(shí)間分別為ta、tb、tc，位置A、B、C型孔所對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度分別為la、lb、lc。經(jīng)計(jì)算得：ta=0.028 8 s，la=9.32 mm；tb=0.028 1 s，lb=9.12 mm；tc=0.022 5 s，lc=9.12 mm。

由此可見ta>tb>tc、la>lb=lc，大豆越接近負(fù)半軸位置，即下限角度越小充種效果越好，越接近正半軸位置，所需排種盤型孔直徑越大充種時(shí)間越長(zhǎng)。為了使不同狀態(tài)下的大豆均能充入型孔，確定型孔直徑的范圍:lmax+0.5≤l≤lmax+1；型孔深度H的范圍:lmax-1≤H≤lmax-0.5[18]，型孔直徑l=10 mm，型孔深度H=7 mm。

2.2.3排種盤直徑

排種盤的形狀、尺寸對(duì)排種性能都有一定影響，通過(guò)增大排種盤的直徑和排種盤上型孔的數(shù)量，可以提高排種器的充種率，但是排種盤直徑過(guò)大，會(huì)致使與其關(guān)聯(lián)型孔尺寸增大，導(dǎo)致排種盤整體結(jié)構(gòu)尺寸增加，以致于在播種機(jī)上安裝空間也增大，重量增加。排種盤的直徑過(guò)小會(huì)使排種盤曲率變小，不利于種子填充，嚴(yán)重影響排種器的充種性能，過(guò)小的排種盤也會(huì)導(dǎo)致排種盤上型孔數(shù)量減小，相同株距、作業(yè)速度下轉(zhuǎn)速較大，充種時(shí)間短，易產(chǎn)生漏播[19]。排種盤直徑的取值范圍一般為80～260 mm，本文所設(shè)計(jì)的手推式育種排種器，針對(duì)小區(qū)育種作業(yè)其作業(yè)速度通常很低，排種盤直徑對(duì)排種性能影響并不大。因此，本研究參照2BXJ-6型插裝式排種器設(shè)計(jì)排種盤直徑為130 mm。

2.2.4型孔數(shù)

排種盤上型孔數(shù)e與排種盤直徑L、機(jī)組前進(jìn)速度v、排種盤轉(zhuǎn)速n、株距LS等因素相關(guān)，其計(jì)算公式為

(11)

式中δ——傳動(dòng)輪的滑移率，為5%～12%

同一直徑的排種盤，增大型孔數(shù)量會(huì)使排種盤線速度降低，增強(qiáng)種子的填充性。經(jīng)計(jì)算得本文設(shè)計(jì)的排種盤型孔數(shù)量為28。

2.3 毛刷角度

毛刷在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中主要負(fù)責(zé)清種，使每個(gè)型孔內(nèi)只有一粒種子，避免種箱內(nèi)剩余少數(shù)種子產(chǎn)生不規(guī)則彈跳。毛刷角度的選擇可以近似為大豆在圓柱外表面上運(yùn)動(dòng)和脫離角的問(wèn)題，如圖8所示。

圖8 毛刷角度分析圖Fig.8 Brush angle analysis chart

圖中F1為重力，F(xiàn)1=mg；F2=mgsinφ；F3=fN；F4為離心力，F(xiàn)4=mv2/r=mrφ2；φ為微粒在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中的角位移；γ為t=0時(shí)刻微粒在絕對(duì)運(yùn)動(dòng)中的起始角位移。作這些力在圓柱截面圓周切線和法線上的投影，寫出微分方程

rφ2=gsinφ±f(gcosφ-rφ2)

(12)

式(12)取積分得

(13)

其中C為任意常數(shù)，f為微粒的靜摩擦因數(shù)。當(dāng)圓柱表面的圓周速度大于微粒速度時(shí)，即t=0，φ=γ，φ2=0，則

C=e-2fφ[3fsinγ-(1-2f2)cosγ]

(14)

(15)

當(dāng)法向反力FN等于零的瞬間微粒脫離圓柱，得

3cosφ-6sinφ-2Ce-2fφ=0

(16)

y1=3(3cosφ-2fsinφ)

(17)

y2=2Ce-2fφ

(18)

求得方程的根φ=45°。小區(qū)育種排種器在保證清種效果的前提下，還要保證清種毛刷對(duì)種子的垂直分力盡量小，避免種箱剩余種子發(fā)生向外不規(guī)則彈跳。根據(jù)理論分析，確定毛刷的清種角度為45°時(shí)清種效果最佳。

3 種箱參數(shù)仿真試驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)的設(shè)定

由于大豆種子表面沒(méi)有粘附力，大豆顆粒相互的接觸以及大豆顆粒與種刷壁面的接觸模型均選用Hertz-Mindlin(no-slip)模型，查閱文獻(xiàn)[20-21]確定其仿真參數(shù)如表1所示。自然界中的豆粒形態(tài)并不是嚴(yán)格意義上的球體，所以大豆顆粒采用橢球體模型，其能夠真實(shí)準(zhǔn)確地模擬出大豆種子在排種器中的運(yùn)動(dòng)情況，選用試驗(yàn)品種為黑河43，粒長(zhǎng)7.85 mm，粒寬7.31 mm，粒厚6.38 mm，均徑6.57 mm，應(yīng)用球面堆積構(gòu)型法構(gòu)造種子模型。

表1 全局變量參數(shù)Tab.1 Global variable parameters

3.2 下限角度仿真過(guò)程

3.2.1排種器仿真模型建立

以四桿平移式小區(qū)育種排種器為原模型，利用SolidWorks進(jìn)行1∶1比例建模[22]，并對(duì)不必要的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后排種器主要由外殼體、型孔、排種盤、虛擬工廠4部分構(gòu)成，如圖9所示。將模型轉(zhuǎn)換成step文件導(dǎo)入EDEM中，并按照表1設(shè)置參數(shù)。

圖9 下限角度仿真EDEM模型Fig.9 Lower limit angle simulation EDEM model1.虛擬工廠 2.外殼體 3.型孔 4.排種盤 5.大豆

3.2.2充種下限角度仿真過(guò)程

根據(jù)前文充種下限角度理論分析，確定排種盤的轉(zhuǎn)速與充種下限角度成反比例關(guān)系，排種盤的轉(zhuǎn)速是影響充種下限角度的關(guān)鍵參數(shù)，由于大豆小區(qū)育種對(duì)排種器的作業(yè)速度要求不高，機(jī)具作業(yè)速度小于1.5 m/s，在理論株距的前提下，計(jì)算得到排種盤的轉(zhuǎn)速范圍為30～70 r/min。設(shè)定大豆顆?？倲?shù)2 000個(gè)，生成速率1 000 m/s，且大豆直徑服從正態(tài)分布，計(jì)算得出種子半徑標(biāo)準(zhǔn)差0.297 mm，設(shè)置仿真的總時(shí)長(zhǎng)為2 s，如圖10所示分別選取轉(zhuǎn)速為30、40、50、60、70 r/min進(jìn)行仿真試驗(yàn)。每個(gè)轉(zhuǎn)速隨機(jī)測(cè)量5次下限角度并記錄，一種轉(zhuǎn)速重復(fù)試驗(yàn)3次避免偶然性因素，最終對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)且每種轉(zhuǎn)速選出5個(gè)最佳數(shù)值。

圖10 不同轉(zhuǎn)速下EDEM仿真圖Fig.10 EDEM simulation diagrams at different speeds

3.2.3下限角度方差分析

EDEM仿真過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速提高，大豆的充種質(zhì)量有所降低，充種下限角度也越來(lái)越小，由此看來(lái)，選取合適的下限角度作為種箱左側(cè)傾斜角度，不僅可以提高充種效率，而且可以合理地利用種箱空間。為進(jìn)一步驗(yàn)證排種盤轉(zhuǎn)速與充種下限角度之間的關(guān)系，分析離散元仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以排種盤轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，下限角度為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，由Design-Expert 8.0.6軟件計(jì)算分析，結(jié)果如表2所示。在下限角度數(shù)據(jù)分析中，排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)下限角度影響極顯著(P=0.003 5)，下限角度隨排種盤轉(zhuǎn)速的增大逐漸減小，成反比例關(guān)系，驗(yàn)證了理論分析結(jié)果。

表2 排種箱下限角度方差分析Tab.2 Variance analysis of lower limit angle of seed metering box

分別取每種轉(zhuǎn)速下限角度的均值，應(yīng)用Origin對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合曲線如圖11所示，擬合曲線顯示下限角度與排種盤轉(zhuǎn)速呈線性相關(guān)。但在大豆小區(qū)育種實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，手推式大豆小區(qū)育種農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)速度較慢，參照文獻(xiàn)[23]，株距為6～8 cm、排種盤轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)小區(qū)育種作業(yè)質(zhì)量最優(yōu)，所以選取40 r/min對(duì)應(yīng)的平均下限角度119°作為種箱左側(cè)的傾斜角度。

圖11 下限角度擬合曲線Fig.11 Lower limit angle fitting curve

3.3 種箱厚度仿真過(guò)程

3.3.1種箱厚度EDEM仿真模型

為確保種箱厚度試驗(yàn)真實(shí)，根據(jù)上述試驗(yàn)選取119°作為種箱左側(cè)傾角，簡(jiǎn)化毛刷選取45°作為種箱右側(cè)傾角。將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入EDEM中，按照表1填寫參數(shù)。在種箱上部建立種子工廠，種箱厚度取8～16 mm，設(shè)置大豆的總數(shù)為100個(gè)，生成速率1 000 m/s，且大豆直徑服從正態(tài)分布，計(jì)算得出種子半徑標(biāo)準(zhǔn)差0.297 mm，產(chǎn)生大豆顆粒的總時(shí)間為2 s，為防止大豆的種群擾動(dòng)作用對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，待大豆全部落入種箱穩(wěn)定后，排種盤從2 s后以角速度30 rad/s開始轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)置仿真總時(shí)間為20 s，數(shù)據(jù)記錄間隔為0.005 s，仿真過(guò)程如圖12所示。

圖12 種箱厚度EDEM仿真圖Fig.12 EDEM simulation of seed box thickness1.種箱 2.排種盤 3.型孔 4.收種箱 5.護(hù)種板 6.大豆 7.虛擬工廠

3.3.2種箱厚度方差分析

導(dǎo)出9次仿真數(shù)據(jù)，應(yīng)用Origin對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合圖如圖13所示，可以看出2 s后，種箱內(nèi)殘余種子數(shù)隨著時(shí)間的推移逐漸減少，并最終保持一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值不變，種箱厚度為8、9、10、11、16 mm時(shí)種箱內(nèi)殘留種子數(shù)隨時(shí)間推移呈直線趨勢(shì)減小最后保持不變，排種效果比較穩(wěn)定。種箱厚度為12、13、14、15 mm時(shí)種箱內(nèi)殘留種子數(shù)隨時(shí)間推移逐漸減小但波動(dòng)較大，排種效果相對(duì)較差。因此，種箱厚度的選擇還需進(jìn)一步分析。

圖13 殘留種子數(shù)變化曲線Fig.13 Change curves of residual seed number

重復(fù)上述仿真試驗(yàn)5次，記錄下5次仿真試驗(yàn)各種箱厚度的種子殘留數(shù)，進(jìn)一步研究排種器種箱厚度對(duì)種箱內(nèi)殘留種子數(shù)的影響，分別取每種種箱厚度下殘留種子數(shù)的均值，應(yīng)用Origin對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到擬合曲線如圖14所示，說(shuō)明種箱厚度對(duì)殘留種子數(shù)影響顯著。種箱內(nèi)殘留種子數(shù)隨著種箱厚度先減小后增加，在11 mm時(shí)種箱內(nèi)殘留種子數(shù)最少。因此，種箱厚度確定為11 mm。

圖14 種箱厚度擬合曲線Fig.14 Seed box thickness fitting curve

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)大豆選取品種黑河43，百粒質(zhì)量20 g，含水率12%，凈度98%。試驗(yàn)儀器及設(shè)備主要有：根據(jù)仿真試驗(yàn)中排種器的尺寸參數(shù)和利用3D打印技術(shù)加工的四桿平移式小區(qū)育種排種器樣機(jī)、皮尺(量程30 m；精度1 mm)、直尺(量程100 m；精度1 mm)、土壤濕度儀、土壤硬度儀、數(shù)碼相機(jī)等，試驗(yàn)過(guò)程如圖15所示。

圖15 四桿平移式小區(qū)育種播種機(jī)田間試驗(yàn)Fig.15 Field test of four-bar translational seeder for plot breeding

4.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)于2020年9月在黑龍江省東北林業(yè)大學(xué)實(shí)施，土壤含水率25.5%，1～5 cm處土壤硬度4.88 kg/cm2。選取種子120粒，設(shè)定理論播深3～5 cm，小區(qū)試驗(yàn)理論株距設(shè)置為5 cm，根據(jù)小區(qū)育種實(shí)際要求，機(jī)具的平均行進(jìn)速度分別取1.8、2.7、3.6 km/h 3個(gè)水平，根據(jù)實(shí)際小區(qū)育種農(nóng)藝要求，小區(qū)育種試驗(yàn)田長(zhǎng)度設(shè)置4 m，小區(qū)過(guò)道距離0.5 m，每個(gè)作業(yè)速度重復(fù)測(cè)試3次，對(duì)該播種機(jī)田間性能進(jìn)行分析。

4.3 結(jié)果與分析

四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器在試驗(yàn)過(guò)程中種子順利落入投種箱并通過(guò)導(dǎo)種管落入種溝，在切換小區(qū)進(jìn)行清換種作業(yè)時(shí)，手持六方軸套逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)排種盤，種子順利落入收種箱內(nèi)，而后向種箱內(nèi)倒入下一小區(qū)種子進(jìn)行再次作業(yè)，此過(guò)程證明該排種器可順利完成排種、清種、換種作業(yè)，清換種作業(yè)相較傳統(tǒng)插裝式排種器操作更加便捷省時(shí)省力。如表3所示，合格指數(shù)、漏播指數(shù)在車速1.8 km/h和2.7 km/h的情況下變化不大。隨著車速增加至3.6 km/h，合格指數(shù)降低，漏播指數(shù)增加。這主要是由于車速增加至3.6 km/h以后，排種盤的轉(zhuǎn)速變快，影響了排種器的充種性能，進(jìn)而使得漏播指數(shù)、合格指數(shù)增加。在試驗(yàn)理論粒距下，車速3.6 km/h時(shí)平均合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)分別為87.61%、6.63%、5.75%，根據(jù)JB/T 51017—1999《中耕作物精密播種機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等》，均達(dá)到優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)，從而證明本研究設(shè)計(jì)的四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器在提高清換種效率的同時(shí)能夠保證工作質(zhì)量。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Field test results

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了四桿平移式小區(qū)育種排種器，理論分析了大豆充種下限角度與排種盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并通過(guò)理論分析確定了排種器的排種盤直徑、型孔尺寸、型孔數(shù)量、毛刷角度的設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2)單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，下限角度隨排種盤轉(zhuǎn)速增大逐漸減小，成反比例關(guān)系，下限角度在119°時(shí)充種效果較好；種箱厚度試驗(yàn)結(jié)果表明，種箱厚度為11 mm時(shí)，排種效果好且種箱內(nèi)殘余種子數(shù)較少。

(3)田間試驗(yàn)結(jié)果表明：本研究設(shè)計(jì)的四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器在提高清換種效率的同時(shí)能夠保證工作質(zhì)量，最高作業(yè)速度3.6 km/h時(shí)其平均合格指數(shù)87.61%、重播指數(shù)6.63%、漏播指數(shù)5.75%，均達(dá)到JB/T 51017—1999《中耕作物精密播種機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等》優(yōu)等品的標(biāo)準(zhǔn)。