鏈勺翻轉(zhuǎn)清種式蠶豆精密排種器設(shè)計與試驗(yàn)

賴慶輝 謝觀福 蘇 微 趙瑾汶 孫文強(qiáng) 陳朝陽

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

0 引言

蠶豆是世界上第三大冬季食用豆，中國蠶豆種植面積和產(chǎn)量均居世界第一位[1]；但是目前我國蠶豆播種大多采用人工點(diǎn)播，勞動強(qiáng)度大、作業(yè)質(zhì)量差、生產(chǎn)效率低，嚴(yán)重制約了蠶豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]，因此提高蠶豆機(jī)械化水平十分重要。

精密排種器作為蠶豆播種的核心部件，其工作性能直接影響播種質(zhì)量[3-7]，按大類可分為氣力式排種器和機(jī)械式排種器，由于我國蠶豆種植地形復(fù)雜，地塊小而分散，而氣力式排種器又存在能耗大、成本高、地頭氣壓難以保證等問題，不適合小地塊作業(yè)，且對蠶豆的吸附效果差，故氣力式排種器在我國不適用[8-9]。而機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，適合我國丘陵坡地小地塊的蠶豆精密播種；李玉環(huán)等[2]設(shè)計了一種勺夾式蠶豆精量排種器，有效提高了排種器對種子的適應(yīng)性；周春健等[10]設(shè)計了一種外槽輪式排種器，提高了播種效率和質(zhì)量；荊毅[11]研制了2BCL-3型蠶豆精量播種機(jī)，依據(jù)蠶豆外形尺寸和投種過程的力學(xué)分析，對排種器型孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，提高了排種器對蠶豆種子的適應(yīng)性；韓國Jang Automation公司[12]研制了JP-6型手扶窩眼輪式蠶豆播種機(jī)，設(shè)計了不同型孔尺寸的窩眼輪，能根據(jù)種子的不同外形尺寸和農(nóng)藝要求進(jìn)行更換。上述研究均解決了蠶豆種子充種困難問題，提高了播種效率。但蠶豆種子呈扁平狀，其三軸尺寸差異大，型孔尺寸難以確定，清種難，易重播。

針對上述問題，本文設(shè)計一種鏈勺翻轉(zhuǎn)清種式蠶豆精密排種器，利用L型種勺的結(jié)構(gòu)特性，通過種勺翻轉(zhuǎn)，處于取種部分內(nèi)側(cè)的種子滑躺在留種部分，多余的種子掉落，達(dá)到清種目的，增加角度調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)充種區(qū)排種鏈傾角和清種區(qū)排種鏈傾角，利用EDEM和RecurDyn聯(lián)合仿真方法進(jìn)行單因素試驗(yàn)，分析鏈條抖動量對排種性能的影響，校核彈簧剛度，確定因素較優(yōu)范圍，采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行臺架試驗(yàn)，得到最優(yōu)工作組合，并對工作性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期解決由蠶豆種子三軸尺寸差異大造成的清種難度大和重播指數(shù)高的問題。

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)

鏈勺翻轉(zhuǎn)清種式蠶豆精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，主要包括排種器殼體、護(hù)種板、主動鏈輪、種勺、護(hù)鏈板、角度調(diào)節(jié)裝置、清種鏈輪、種箱、張緊裝置、張緊彈簧、排種鏈輪。

圖1 鏈勺翻轉(zhuǎn)清種式蠶豆精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of structure of precision seed metering device for broad bean with flipping and clearing type of chain spoon1.排種器殼體 2.護(hù)種板 3.回流板 4.主動鏈輪 5.種勺 6.護(hù)鏈板 7.角度調(diào)節(jié)裝置 8.清種鏈輪 9.種箱 10.張緊裝置 11.張緊彈簧 12.排種鏈輪

1.2 工作原理

排種器工作過程分為充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、護(hù)種區(qū)、投種區(qū)5個階段，如圖2所示。在排種器工作前先調(diào)整到合適的種層高度，蠶豆種子進(jìn)入種箱后形成種子群；主動鏈輪在動力驅(qū)動下帶動排種鏈運(yùn)動，種群中下層蠶豆種子在重力、種子間和種子與種箱內(nèi)壁間相互作用力的共同作用下充入種勺取種部分，排種鏈上的種勺依次舀取1?；?粒蠶豆種子，提高充種效果，避免漏播；當(dāng)種勺運(yùn)動至清種區(qū)翻越清種鏈輪時，處于取種部分內(nèi)側(cè)的種子滑躺在種勺留種部分，多余的種子掉落，落入回流板，通過自身重力落回種箱；進(jìn)入攜種區(qū)，若仍有處于堆積狀態(tài)的種子，其受力不穩(wěn)定，可通過鏈條自振實(shí)現(xiàn)二次清種；當(dāng)種勺運(yùn)動至主動鏈輪，種勺留種部分的種子在重力和慣性共同作用下落入前一種勺的背部，并進(jìn)入護(hù)種區(qū)；在護(hù)種區(qū)上下兩種勺和護(hù)種板形成一個封閉空間，種子在封閉空間內(nèi)隨鏈條繼續(xù)運(yùn)動；到達(dá)投種區(qū)后，封閉空間被打開，種子失去支持力落入種溝，完成投種。

圖2 排種器工作示意圖Fig.2 Schematic of seed metering device1.種勺 2.排種器殼體 3.護(hù)種板 4.主動鏈輪 5.清種鏈輪 6.種群 7.種箱 8.種勺留種部分 9.種勺取種部分 10.排種鏈輪

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 種勺結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計

種勺型孔參數(shù)是排種器設(shè)計的關(guān)鍵，直接影響到排種器的充種、清種和投種過程，型孔的結(jié)構(gòu)形式、容積，種子即將進(jìn)入型孔的姿態(tài)，以及種子在型孔中的排列狀態(tài)和穩(wěn)定程度都會直接影響排種的精確性[13]。

由于蠶豆種子的長度、寬度和厚度差異較大，在工作過程中易造成重播，僅依靠鏈條自振清種，清種難度大，因此本文設(shè)計了一種L型種勺，利用種勺翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)清種功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示，分為取種部分和留種部分，為提高種子對種勺的適應(yīng)性，種勺結(jié)構(gòu)尺寸依據(jù)蠶豆種子的三軸尺寸設(shè)計，將種勺取種部分和留種部分型孔設(shè)計成方形。

圖3 種勺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of seed spoon structure

2.1.1蠶豆種子基本參數(shù)

本文隨機(jī)選取了1 000粒蠶豆種子，對其長dl、寬dw、大端厚hb和小端厚hs進(jìn)行統(tǒng)計，其中：種子長度dl正態(tài)分布均值為20.16 mm；種子寬度dw正態(tài)分布均值為14.65 mm；種子大端厚度hb正態(tài)分布均值為7.41 mm；種子小端厚度hs正態(tài)分布均值為4.96 mm。蠶豆種子尺寸如圖4所示。

圖4 蠶豆種子尺寸示意圖Fig.4 Schematic of broad bean seed size

2.1.2種勺取種部分設(shè)計

蠶豆種子的長度、寬度和厚度差異較大，在種箱中受到了其余種子的擠壓作用，容易造成多充現(xiàn)象，若充入種勺的種子數(shù)量超過2粒，則會增加清種時的難度，因此以充入1?；?粒種子為設(shè)計目標(biāo)，以概率較高的3種充種姿態(tài)為目標(biāo)充種姿態(tài)，如圖5所示。

圖5 目標(biāo)充種姿態(tài)Fig.5 Ideal full posture

根據(jù)種子目標(biāo)充種姿態(tài)對取種部分進(jìn)行設(shè)計，如圖3所示。取種部分型孔的長度A1、寬度B1和深度C1需滿足

(1)

將蠶豆種子尺寸參數(shù)代入公式(1)，計算得到取種部分型孔的長度A1、寬度B1、深度C1范圍分別為20.16～25.12 mm、14.65～24.57 mm、3.71～7.44 mm；為了便于充種，且降低重播指數(shù)，種勺取種部分型孔的長度、寬度、深度設(shè)計為A1=24 mm、B1=16 mm、C1=4 mm，對此設(shè)計參數(shù)下的種勺進(jìn)行充種試驗(yàn)，得到目標(biāo)充種姿態(tài)的概率超過95%，滿足設(shè)計要求。

2.1.3種勺留種部分設(shè)計

在種勺翻轉(zhuǎn)過程中，種子受力平衡被破壞而掉落，做近似自由落體運(yùn)動，其姿態(tài)有平躺、側(cè)臥和豎立3種，因此對種子進(jìn)行自由落體試驗(yàn)，得種子落下后平躺、側(cè)臥和豎立3種狀態(tài)的概率分別為95%、4%和1%，平躺姿態(tài)概率遠(yuǎn)高于側(cè)臥和豎立，故根據(jù)種子平躺姿態(tài)尺寸來確定種勺留種部分型孔尺寸，種勺留種部分?jǐn)y種狀態(tài)如圖6所示。

圖6 留種部分?jǐn)y種狀態(tài)Fig.6 Carrying status in seeding area

結(jié)合留種部分種子平躺的特性，為保證留種部分內(nèi)種子單粒，留種部分型孔的長度A2、寬度B2和深度C2需滿足

(2)

根據(jù)公式(2)得留種部分型孔的長度A2、寬度B2、深度C2的取值范圍分別為20.16～25.12 mm、20.16～25.12 mm、3.71～7.44 mm；為降低漏播指數(shù)，且保證合格指數(shù)，留種部分型孔尺寸應(yīng)盡可能取中間值，因此選擇留種部分型孔長度A2、寬度B2、深度C2分別為24、23、6 mm。

綜合上述分析，在滿足種勺強(qiáng)度的前提下，種勺壁厚取1 mm，因此種勺長度A、寬度B、高度C分別取26、25、27 mm。

2.1.4種勺安裝間距選擇

理想狀態(tài)下，在相同時間內(nèi)，排種器投出的種子數(shù)量和落入種溝的種子數(shù)量相等，則有

(3)

式中v1——播種機(jī)作業(yè)速度，m/s

v——鏈條線速度，m/s

L——理論播種株距，mm

l——種勺安裝間距，mm

Δt——投種時間間隔，s

由于蠶豆的播種株距為13～14 cm，播種機(jī)作業(yè)速度一般在4～6 km/h之間[14]，鏈條線速度一般不超過0.55 m/s[15]，由公式(3)得，在極限作業(yè)條件下種勺最大安裝間距為46.1 mm；為了提高充種效率，種勺安裝間距應(yīng)大于種子長度dl，即種勺最小安裝間距為20.16 mm。本文鏈條選擇06B型[16]，其鏈條節(jié)距p為9.525 mm，鏈板高度h為8.23 mm，種勺安裝在外鏈板上，故種勺分布間距需滿足：2np∈[20.16 mm,46.1 mm]，n為鏈節(jié)數(shù)。計算可得n為2,種勺間距l(xiāng)為38.1 mm。

2.2 充種區(qū)排種鏈傾角設(shè)計

為使種子在取種部分保持平穩(wěn)，將鏈條呈一定角度傾斜布置[17]，結(jié)合2.1.4節(jié)種勺安裝間距設(shè)計，充種區(qū)排種鏈傾角示意圖如圖7所示。為了能讓未落入上一種勺的種子順利回填，相鄰兩種勺頂部的水平距離Wt應(yīng)大于種子的小端厚度hs；為了提高種子流動性，防止種子堆積，充種區(qū)排種鏈傾角α應(yīng)大于蠶豆種子堆積角φ。綜上，充種區(qū)排種鏈傾角設(shè)計需滿足

圖7 充種區(qū)排種鏈傾角示意圖Fig.7 Schematic of inclination angle of seeding chain in filling area

(4)

前期試驗(yàn)測得的蠶豆種子堆積角φ為40.3°，代入式(4)得充種區(qū)排種鏈傾角40.3°≤α≤82.5°。

2.3 清種過程分析

種勺在充種區(qū)充入1?；?粒蠶豆種子，如圖8所示，種勺處于狀態(tài)1時，種子2在種勺取種部分的支撐下始終保持穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)種勺翻越清種鏈輪時，種子1滑躺在留種部分，種子2由于受力平衡被破壞而掉落，進(jìn)入回流板并落回種箱；若仍有多余的種子在種勺翻轉(zhuǎn)過程中未能清出，由于種子2與種子1接觸面積較小，始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，可在攜種過程通過鏈條自振實(shí)現(xiàn)二次清種，保證種勺中為單粒種子。

圖8 種勺清種過程示意圖Fig.8 Schematic of seed cleaning process

在清種過程中，為了能夠通過改變清種區(qū)排種鏈傾角來調(diào)節(jié)清種效果，設(shè)計了角度調(diào)節(jié)裝置，如圖1所示，其一端固定在排種器殼體上，另一端固定在清種鏈輪上，中間通過一根軸沿著圓形滑槽滑動，從而改變鏈輪相對位置，達(dá)到調(diào)節(jié)清種區(qū)排種鏈傾角的目的；清種區(qū)排種鏈傾角如圖8所示，種勺運(yùn)動方向與水平位置之間的夾角δ為清種區(qū)排種鏈傾角，圖示的角度為正值，反之為負(fù)值。

2.4 清種鏈輪設(shè)計

充種完成后，種勺在斜上充種末端翻越清種鏈輪時，由于種子質(zhì)心高于受力點(diǎn)，若種子在x方向所受合力無法滿足向心力需求時，將會產(chǎn)生一個力矩，將種子甩出種勺，造成漏播；因此利用達(dá)朗貝爾原理對臨界狀態(tài)下取種部分的蠶豆種子進(jìn)行受力分析，如圖9所示。

圖9 清種區(qū)蠶豆種子受力分析Fig.9 Analysis on force of broad bean seeds in clearing area

在臨界狀態(tài)下，x方向的合力完全充當(dāng)了種子圓周運(yùn)動所需的向心力，種子的受力方程為

(5)

其中

(6)

式中 ∑Fx——種子在x方向所受合力，N

∑Fy——種子在y方向所受合力，N

FN——種子所需向心力，N

Ff——種子與種勺取種部分的摩擦力，N

N——種勺取種部分對種子支持力，N

G——種子重力，N

θ——G與y軸負(fù)向夾角，(°)

r——旋轉(zhuǎn)半徑，mm

μ——種子與種勺間的摩擦因數(shù)

d——清種鏈輪的分度圓直徑，mm

g——重力加速度，m/s2

聯(lián)立公式(5)、(6)得

(7)

由前期試驗(yàn)測得種子與取種部分的摩擦因數(shù)μ為0.452，當(dāng)種勺間距l(xiāng)=38.1 mm時，代入公式(3)求得鏈條最大線速度為0.49 m/s，重力G和y軸負(fù)向的夾角滿足7.5°≤θ≤49.7°，則轉(zhuǎn)動半徑應(yīng)滿足r≥41.9 mm，減去種勺底座厚度和半個鏈板高度后，分度圓直徑應(yīng)滿足d≥53.6 mm。較大的分度圓直徑可減小鏈條的彎曲應(yīng)力，延長鏈條使用壽命[15]，但直徑過大會導(dǎo)致排種器體型龐大，因此綜合考慮，確定清種鏈輪分度圓直徑d=82.04 mm，即27齒。

2.5 張緊裝置設(shè)計

鏈條抖動量是影響排種器充種、清種、攜種和投種的重要因素，抖動量過大易造成漏播，且易造成排種器各部件損傷，抖動量過小則不利于清種。因此設(shè)計了張緊裝置來控制鏈條抖動量，由于在調(diào)整充種區(qū)和清種區(qū)排種鏈傾角時，張緊鏈輪相對位置會隨之改變，故將張緊裝置設(shè)計成可滑動結(jié)構(gòu)，如圖10a所示。張緊裝置采用彈簧自動張緊方式，對稱布置，如圖10b所示，根據(jù)06B鏈條單排鏈測量力為70 N，彈簧張緊力需滿足

圖10 排種鏈張緊示意圖Fig.10 Schematics of seeding chain tension

(8)

式中Fs——彈簧張緊力，N

G′——不銹鋼線的剛性模數(shù)，7 300 N/mm

k——彈簧剛度，N/mm

Nc——彈簧有效圈數(shù)

Xc——彈簧壓縮量，mm

dm——彈簧線徑，mm

Dm——彈簧外徑，mm

由式(8)可知，在彈簧線徑、外徑、自由長度和彈簧壓縮量確定的情況下，可由張緊力計算得到彈簧剛度和有效圈數(shù)，因此需進(jìn)一步研究鏈條所需的張緊力。

3 單因素仿真試驗(yàn)

3.1 仿真模型建立

由于蠶豆在播種過程中，受到各個部件的隨機(jī)碰撞，其運(yùn)動極不規(guī)律，在臺架或者田間試驗(yàn)中很難觀察到其運(yùn)動規(guī)律，因此借助EDEM軟件來直觀地觀察蠶豆在播種過程中的運(yùn)動狀態(tài)；而為了探討排種器工作過程中鏈條抖動量，可利用RecurDyn軟件實(shí)現(xiàn)鏈條與鏈輪配合這種復(fù)雜剛體運(yùn)動，因此采用EDEM-RecurDyn聯(lián)合仿真的方法來驗(yàn)證理論分析，為了減少仿真計算量，將回流板和種箱合并，去除角度調(diào)節(jié)裝置，由于排種鏈輪既需要設(shè)置轉(zhuǎn)動副又需要設(shè)置滑動副，因此將張緊裝置簡化，排種鏈輪沿著滾動軸轉(zhuǎn)動，同時隨著滑動軸滑動，簡化模型如圖11所示。

圖11 排種器簡化模型Fig.11 Simplified model of seed metering device

試驗(yàn)采用云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成的云豆早7蠶豆種子作為建模對象，選取與種子平均三軸尺寸相接近的蠶豆種子，利用三維激光掃描得到蠶豆種子的三維空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)，運(yùn)用Geomagic studio軟件后處理獲得蠶豆種子網(wǎng)格幾何模型。將模型導(dǎo)入EDEM軟件并利用非球顆?？焖偬畛涔δ?，獲得蠶豆種子離散元模型，如圖12所示。

圖12 蠶豆種子實(shí)物圖與離散元模型Fig.12 Physical map and discrete element models of broad bean seeds

根據(jù)排種器加工所用材料，賦予每個部件相應(yīng)材質(zhì)特性，設(shè)定排種鏈條和種箱為不銹鋼材料，其余部件為ABS材料。通過查閱文獻(xiàn)得到不銹鋼和ABS塑料的泊松比、剪切模量及密度[18]，并由前期物性參數(shù)試驗(yàn)測得其余參數(shù)，蠶豆種子、不銹鋼、ABS塑料的力學(xué)性能和相互之間的物理特性參數(shù)如表1所示。

表1 蠶豆種子仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of broad bean seeds

3.2 仿真單因素試驗(yàn)設(shè)計

結(jié)合前文排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計的參數(shù)，作業(yè)速度、充種區(qū)排種鏈傾角、清種區(qū)排種鏈傾角、種層高度和排種鏈條張緊力為本試驗(yàn)的可變參數(shù)，也是影響排種性能的重要因素。通過預(yù)試驗(yàn)，確定作業(yè)速度、充種區(qū)排種鏈傾角、清種區(qū)排種鏈傾角、種層高度、排種鏈條張緊力的固定值分別為4.2 km/h、70°、0°、

75 mm、50 N，進(jìn)行單因素試驗(yàn)。試驗(yàn)指標(biāo)包括合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次統(tǒng)計200個種勺的取種情況。

3.3 排種鏈條張緊力試驗(yàn)

3.3.1排種鏈條張緊力確定

根據(jù)06B單排鏈條測量力為70 N，可沿著滑動軸方向添加彈簧預(yù)緊力，分析預(yù)緊力分別為30、40、50、60、70 N時對排種器工作性能的影響,故分別沿著兩對稱滑動軸從排種器殼體指向排種鏈輪方向添加15、20、25、30、35 N的力，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 張緊力單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Tension force single factor test results %

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著鏈條施加的預(yù)緊力逐漸增大，合格指數(shù)呈先增加后減小的趨勢，重播指數(shù)呈逐漸增大趨勢，漏播指數(shù)呈逐漸減小趨勢并趨向平穩(wěn)，張緊力為50 N時合格指數(shù)最高，重播指數(shù)最低，漏播指數(shù)處于較低值。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》選擇彈簧線徑dm為1.5 mm，外徑Dm為10 mm，自由長度Lf為30 mm的不銹鋼彈簧，設(shè)計彈簧壓縮量Xc為5 mm時，計算得到有效圈數(shù)Nc為9，彈簧的剛度k為5 N/mm。

為了進(jìn)一步分析張緊力對排種性能影響的原因，利用RecurDyn的后處理功能，分析排種器工作過程中排種鏈條的法向位移，不同載荷下鏈條抖動量曲線如圖13所示。結(jié)合表2可以看出，隨著張緊力的逐漸增大，排種鏈條法向位移逐漸減小，鏈條抖動隨之減小，漏播情況逐漸減少，因此合格指數(shù)呈逐漸增大的趨勢。張緊力為50 N時，合格指數(shù)相對較高。當(dāng)張緊力大于50 N時，排種鏈條法向位移過小，即鏈條振動過小，導(dǎo)致重播指數(shù)逐漸增加，故合格指數(shù)逐漸減小。

圖13 不同張緊力下鏈條抖動量變化曲線Fig.13 Change curves of chain jitter amount under different tensions

3.3.2彈簧剛度校核

由于通過理論計算的剛度與仿真狀態(tài)下存在些許偏差，為了得到張緊力為50 N時仿真狀態(tài)下的剛度，設(shè)計了一種阻尼器，阻尼器自由長度Lz為25 mm，利用最陡爬坡試驗(yàn)方法校核彈簧的剛度，如圖14a所示。

圖14 阻尼器示意圖Fig.14 Schematics of damper

試驗(yàn)原理為在試驗(yàn)過程中分別沿著兩對稱滑動軸從滾動軸指向機(jī)架方向添加25 N的力，逐步調(diào)整仿真彈簧的剛度，測量滑動軸與機(jī)架的相對位移。當(dāng)彈簧剛度過小，阻尼器壓縮彈簧，此時相對位移為正，如圖14b所示；當(dāng)彈簧剛度過大，滑動軸向外滑動，此時相對位移為負(fù)，如圖14c所示；當(dāng)彈簧剛度校核成功時，滑動軸相對機(jī)架不存在相對滑動，即相對位移為0，如圖14d所示；最終得到該彈簧在排種器張緊力為50 N時的剛度。

以剛度為試驗(yàn)因素，相對位移為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)前期理論計算，取剛度的范圍為3.5～6.5 N/mm，取步長為0.5 N/mm，進(jìn)行7組仿真試驗(yàn)，設(shè)計方案與結(jié)果如表3所示。

表3 彈簧剛度仿真試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Spring stiffness simulation test results

為得到仿真試驗(yàn)中剛度與滑動軸相對位移之間的關(guān)系，對表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到多項(xiàng)式擬合曲線如圖15所示，曲線方程為

圖15 仿真剛度與相對位移擬合曲線Fig.15 Simulation stiffness coefficient and relative displacement fitting curve

y=-0.23x2+3.42x-11.53

(9)

公式(9)的決定系數(shù)R2=0.998 74，接近1，表明該方程擬合的可靠度高。將相對位移為0代入公式(9)中，求得剛度為5.2 N/mm。將5.2 N/mm輸入RecurDyn中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測得相對位移量為0.003 84 mm，由此表明彈簧剛度校核成功。

3.4 種層高度試驗(yàn)

為探討種層高度對排種器工作性能的影響規(guī)律，根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，在種箱內(nèi)蠶豆種子數(shù)量為滿箱、半箱和1/8箱時進(jìn)行試驗(yàn)，即種層高度為150、75、19 mm時進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 種層高度單因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Single factor test result of seed layer height %

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨種層高度的增加，合格指數(shù)先增大后減小，重播指數(shù)逐漸增大，漏播指數(shù)逐漸減小。種層高度為75 mm時合格指數(shù)最高，重播指數(shù)和漏播指數(shù)均處于較低值。

3.5 充種區(qū)排種鏈傾角試驗(yàn)

為探討充種區(qū)排種鏈傾角對排種器工作性能的影響規(guī)律，分別在充種區(qū)排種鏈傾角為40°、50°、60°、70°、80°時進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同充種區(qū)排種鏈傾角試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of inclination angle of seeding chain in different filling area %

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著充種區(qū)排種鏈傾角的增大，排種器工作時合格指數(shù)先增大后減小，重播指數(shù)逐漸減小，漏播指數(shù)逐漸增大，充種區(qū)排種鏈傾角在60°～80°之間時合格指數(shù)大于85%，此時重播指數(shù)和漏播指數(shù)均處于較低值，因此確定充種區(qū)排種鏈傾角為60°～80°。

3.6 清種區(qū)排種鏈傾角試驗(yàn)

為探討清種區(qū)排種鏈傾角對排種器工作性能的影響規(guī)律，分別在清種區(qū)排種鏈傾角為-10°、-5°、0°、5°和10°時進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同清種區(qū)排種鏈傾角試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Test results of inclination angle of seeding chain in different clearing areas %

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著清種區(qū)排種鏈傾角的增大，合格指數(shù)先增大后減小，重播指數(shù)逐漸增大，漏播指數(shù)逐漸減小，清種區(qū)排種鏈傾角在-5°～5°之間時合格指數(shù)均大于85%，重播指數(shù)和漏播指數(shù)均處于較低值，因此確定清種區(qū)排種鏈傾角為-5°～5°。

3.7 作業(yè)速度試驗(yàn)

為探討作業(yè)速度對排種器工作性能的影響規(guī)律，將鏈條最大線速度代入公式(3)得作業(yè)速度不超過6.4 km/h，故分別在作業(yè)速度為4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 km/h時進(jìn)行單因素試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同作業(yè)速度試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Test results at different operating speeds %

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著作業(yè)速度的增大，排種器工作時合格指數(shù)先增大后減小，重播指數(shù)逐漸減小，漏播指數(shù)逐漸增大，作業(yè)速度在4～5 km/h時，合格指數(shù)均大于85%，且重播指數(shù)和漏播指數(shù)均處于較低值，因此確定作業(yè)速度在4～5 km/h之間。

4 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)采用平均含水率為10.98%的云豆早7蠶豆種子作為試驗(yàn)對象，試驗(yàn)裝置采用昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院的JPS-12型視覺排種器性能試驗(yàn)臺，如圖16所示，并通過合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的千眼狼5F01型高速攝像機(jī)對蠶豆排種過程進(jìn)行分析。

圖16 排種器性能試驗(yàn)裝置Fig.16 Seed-metering device performance test1.排種帶 2.電機(jī) 3.鏈勺翻轉(zhuǎn)清種式蠶豆精密排種器 4.補(bǔ)光燈 5.高速攝像裝置 6.計算機(jī)

4.2 試驗(yàn)設(shè)計

在前期單因素試驗(yàn)中確定了作業(yè)速度的取值范圍為4～5 km/h，清種區(qū)排種鏈傾角的取值范圍為-5°～5°，充種區(qū)排種鏈傾角取值范圍為60°～80°，為尋找使得排種器具有最佳工作性能的因素組合，選擇用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法，試驗(yàn)因素編碼如表8所示，試驗(yàn)指標(biāo)分別為合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3，在排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)下，對連續(xù)200個種勺的排種情況進(jìn)行檢測，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)設(shè)計方案與試驗(yàn)結(jié)果如表9所示,X1、X2、X3為因素編碼值。

表8 試驗(yàn)因素編碼Tab.8 Experimental factors and codes

表9 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.9 Experiment design and results

4.3 回歸方程建立與顯著性檢驗(yàn)

為了建立合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Design-Expert 12.0.3軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和擬合，顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表10所示。

4.3.1合格指數(shù)Y1

根據(jù)表10可知，合格指數(shù)Y1的模型擬合度為極顯著(P<0.01)，其中X1X3和X2X3對合格指數(shù)不顯著(P>0.05)，其余各項(xiàng)均為顯著或極顯著，所選試驗(yàn)因素對合格指數(shù)的影響有二次關(guān)系，失擬項(xiàng)P=0.791 8，不顯著，因此不存在其它對試驗(yàn)指標(biāo)具有影響作用的因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(10)

影響合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、清種區(qū)排種鏈傾角、充種區(qū)排種鏈傾角。

4.3.2重播指數(shù)Y2

表10 合格指數(shù)、重播指數(shù)與漏播指數(shù)方差分析Tab.10 Variance analysis of qualified index, replay index and missed index

(11)

影響重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)榍宸N區(qū)排種鏈傾角、作業(yè)速度、充種區(qū)排種鏈傾角。

4.3.3漏播指數(shù)Y3

(12)

影響重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)槌浞N區(qū)排種鏈傾角、作業(yè)速度、清種區(qū)排種鏈傾角。

4.4 試驗(yàn)因素響應(yīng)分析

為分析交互項(xiàng)對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，繪制了顯著交互項(xiàng)的響應(yīng)曲面，如圖17所示。

圖17 因素交互作用影響合格指數(shù)和漏播指數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.17 Response surfaces of factors interaction affecting qualification index and leakage index

如圖17a，隨著清種區(qū)排種鏈傾角和作業(yè)速度減小，合格指數(shù)升高，當(dāng)清種區(qū)排種鏈傾角和作業(yè)速度達(dá)到一定水平時，合格指數(shù)的增加趨勢趨于平緩。如圖17b，隨著清種區(qū)排種鏈傾角和作業(yè)速度的減小，重播指數(shù)不斷減小，當(dāng)清種區(qū)排種鏈傾角和作業(yè)速度達(dá)到一定水平時，重播指數(shù)的增加趨勢趨于平緩。如圖17c，隨著充種區(qū)排種鏈傾角的增加且清種區(qū)排種鏈傾角減小，漏播指數(shù)不斷減小，當(dāng)充種區(qū)排種鏈傾角和清種區(qū)排種鏈傾角達(dá)到一定水平時，漏播指數(shù)的增加趨勢趨于平緩。因此，各交互項(xiàng)對排種器工作性能影響較大。

4.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了獲得最佳排種作業(yè)參數(shù)，優(yōu)化工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)因素間參數(shù)的合理匹配是提高合格指數(shù)的關(guān)鍵。以合格指數(shù)最高、重播指數(shù)和漏播指數(shù)最低為目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)和各因素選取條件為

(13)

求得作業(yè)速度為4.25 km/h、清種區(qū)排種鏈傾角為-2.9°、充種區(qū)排種鏈傾角為74°時，合格指數(shù)最高、重播指數(shù)和漏播指數(shù)最低，分別為94.44%、5.18%、0.38%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，在相同條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其結(jié)果為合格指數(shù)93.83%，重播指數(shù)為5.67%，漏播指數(shù)為0.50%，均達(dá)到排種要求，由此可見，優(yōu)化結(jié)果可靠。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種鏈勺翻轉(zhuǎn)清種式蠶豆精密排種器。對翻轉(zhuǎn)清種過程中種子受力情況和運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了分析，闡明了種勺翻轉(zhuǎn)清種的機(jī)理；通過對排種過程的理論計算和力學(xué)分析，確定了種勺取種部分型孔的長度L1、寬度W1、深度H1分別為24、16、4 mm，留種部分型孔長度L2、寬度W2、深度H2分別為24、23、6 mm，種勺分布間距為38.1 mm，清種鏈輪為27齒。

(2)利用EDEM和RecurDyn聯(lián)合仿真方法進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，確定了排種器張緊力為50 N、種層高度為75 mm時排種性能較好，并得到了充種區(qū)排種鏈傾角、清種區(qū)排種鏈傾角、作業(yè)速度的最優(yōu)區(qū)間，對彈簧剛度進(jìn)行了校核，得到彈簧張緊力在50 N時剛度為5.2 N/mm。

(3)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行臺架試驗(yàn)，建立了合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)與作業(yè)速度、清種區(qū)排種鏈傾角、充種區(qū)排種鏈傾角之間的數(shù)學(xué)回歸模型，得出了因素主次順序，運(yùn)用響應(yīng)曲面分析了交互項(xiàng)對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，得到了各因素的最優(yōu)組合為作業(yè)速度4.25 km/h、清種區(qū)排種鏈傾角-2.9°和充種區(qū)排種鏈傾角74°，并對排種性能進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，在作業(yè)速度4.25 km/h、清種區(qū)排種鏈傾角-2.9°和充種區(qū)排種鏈傾角74°時，排種的合格指數(shù)為93.83%，重播指數(shù)為5.67%，漏播指數(shù)為0.50%，滿足蠶豆的播種要求。