帶式玉米高速導(dǎo)種裝置旋夾納種機(jī)理分析與參數(shù)優(yōu)化

馬成成 衣淑娟 陶桂香 李衣菲 陳 濤 劉漢武

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院, 大慶 163319; 2.德邦大為(佳木斯)農(nóng)機(jī)有限公司, 佳木斯 100176)

0 引言

玉米種植面積大,播種時(shí)間短,且播種質(zhì)量直接影響其產(chǎn)量,這就要求玉米播種在保證高質(zhì)量的同時(shí)還要滿足高速[1-2]。采用無約束及欠約束導(dǎo)種方式在高速導(dǎo)種時(shí),籽粒與導(dǎo)種部件內(nèi)壁碰撞加劇,造成籽粒的落點(diǎn)精度降低,播種均勻性差[3-6]。帶式導(dǎo)種裝置采用輸種帶同步運(yùn)移籽粒的方式實(shí)現(xiàn)了全約束導(dǎo)種,降低籽粒運(yùn)移過程中的碰撞劇烈程度,保證從排種器排出籽粒的均勻有序狀態(tài),能夠滿足精密播種機(jī)的高速作業(yè)[7]。

帶式導(dǎo)種裝置作為高速播種技術(shù)的核心部件,是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[8-12]。目前國內(nèi)學(xué)者對帶式導(dǎo)種裝置的研究主要集中于導(dǎo)種執(zhí)行部件的理論研究與改進(jìn)設(shè)計(jì)。陳學(xué)庚等[13]設(shè)計(jì)了一種與排種盤轉(zhuǎn)速、播種機(jī)行走速度相關(guān),且傳動與投種機(jī)構(gòu)一體的帶式導(dǎo)種裝置,但籽粒是在重力的作用下從排種盤掉落到種子輸種帶種腔,僅適合排種盤工作轉(zhuǎn)速為30 r/min播種作業(yè)。在此基礎(chǔ)上,劉全威[14]設(shè)計(jì)一種撥指同步帶式導(dǎo)種裝置,在排種盤與輸種帶之間加入推種板,在推種板推力和種子自重的作用下脫離排種盤型孔并掉落至種子導(dǎo)種裝置的種腔內(nèi),但當(dāng)作業(yè)速度超過9.7 km/h時(shí),粒距合格指數(shù)的降幅和粒距變異系數(shù)的增幅均迅速增大。國外關(guān)于玉米帶式高速導(dǎo)種裝置研究起步較早[15-18],具有代表性的有美國John Deere公司研發(fā)了毛刷帶式導(dǎo)種裝置[19],采用毛刷帶作為運(yùn)種部件,實(shí)現(xiàn)毛刷帶攜種運(yùn)動,提高在高速條件下的導(dǎo)種穩(wěn)定性,但毛刷材質(zhì)帶體在持續(xù)高速作業(yè)下易產(chǎn)生磨損[20]。Precision Planting公司研發(fā)的一種具有主動納種功能的帶式高速導(dǎo)種裝置[21],對從排種盤進(jìn)入種腔內(nèi)的籽粒進(jìn)行約束,提高籽粒從排種盤過渡到種腔的穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)了16 km/h高速精量播種作業(yè),因其有破損率低、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn),該導(dǎo)種技術(shù)逐漸引入國內(nèi)應(yīng)用于玉米高速精密播種作業(yè)中[22]。但對其撥指輪旋夾納種機(jī)理尚未有研究報(bào)道,影響其納種性能因素尚不明確,因此,探究該導(dǎo)種裝置旋夾納種機(jī)理,對其關(guān)鍵部件改進(jìn)與優(yōu)化具有實(shí)際意義。

本研究以具有撥指輪納種機(jī)構(gòu)的帶式高速導(dǎo)種裝置為研究對象,研究撥指輪旋夾納種作用機(jī)理,建立撥指輪納種動力學(xué)模型,探究影響納種性能因素,對撥指輪結(jié)構(gòu)及工作參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化。在撥指表面添加人字形紋路,增大撥指輪對籽粒的摩擦力,提高納種穩(wěn)定性。采用多因素試驗(yàn)對添加人字形紋路撥指輪的納種機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,以獲取最佳納種效果。

1 帶式玉米高速導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,該裝置主要由輸種帶、撥指輪、投種板、預(yù)緊彈簧、清種爪、主動帶輪、被動帶輪、電機(jī)、護(hù)種罩殼、齒輪箱以及輸種帶殼體等部件組成,其工作過程分為納種、運(yùn)種和投種3個(gè)串聯(lián)階段。

圖1 帶式玉米高速導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)示意圖

該導(dǎo)種裝置安裝于排種器卸種口處,播種時(shí),主副撥指輪在籽粒脫離種盤之前利用旋轉(zhuǎn)夾取的方式將籽粒取下,隨后將籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)并排放至輸種帶種腔,籽粒在輸種帶轉(zhuǎn)動下運(yùn)移到投種口并將籽粒投放到種溝中,平均作業(yè)速度可達(dá)16 km/h。

2 旋夾納種機(jī)理分析

2.1 納種機(jī)構(gòu)組成與工作原理

為降低籽粒與種腔壁間的彈跳碰撞作用,在輸種帶上方配置納種機(jī)構(gòu),以撥指輪旋夾方式對籽粒進(jìn)行運(yùn)動約束,提高在高速播種過程中籽粒從排種盤進(jìn)入輸種帶種腔的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度。

該導(dǎo)種裝置納種機(jī)構(gòu)主要由主撥指輪、副撥指輪、清種爪、齒輪軸、齒輪箱、電機(jī)以及后蓋殼等部件組成(圖2)。其中主副撥指輪種帶作為納種機(jī)構(gòu)的核心工作部件,直接影響籽粒從排種盤過渡到輸種帶種腔的穩(wěn)定性與精準(zhǔn)度。撥指輪采用橡膠材料制作,主撥指輪下側(cè)設(shè)有清種爪,避免因籽?？ㄔ谥鲹苤篙喌膿苤钢g影響納種工作。主副撥指輪半徑比為1.7,撥指輪圓周均勻分布傾斜弧形結(jié)構(gòu)的撥指,其中主撥指輪分布有17個(gè)撥指,副撥指輪上分布有15個(gè)撥指。

圖2 納種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)納種機(jī)構(gòu)作業(yè)過程,將其分為夾取籽粒、轉(zhuǎn)運(yùn)籽粒與排放籽粒3個(gè)工作階段,如圖3所示。圖3中v0為播種前進(jìn)速度,m/s;ω1為主撥指輪旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;ω2為副撥指輪旋轉(zhuǎn)角速度,rad/s;ω2=1.7ω1。在納種過程中,電機(jī)驅(qū)動主撥指輪與副撥指輪相向轉(zhuǎn)動。當(dāng)排種盤攜帶單粒籽粒運(yùn)動至納種口時(shí),柔性主副撥指輪通過旋轉(zhuǎn)夾取的方式將籽?！罢毕?該工作過程為夾取籽粒;被夾取的籽粒在主副撥指輪的旋轉(zhuǎn)夾持下運(yùn)動,該工作過程為轉(zhuǎn)運(yùn)籽粒;隨后撥指輪將籽粒排放到下方輸種帶種腔中,該工作過程為排放籽粒。利用這種先“摘”后“放”的納種方式,能夠在不傷種的前提下使得籽粒從排種盤穩(wěn)定均勻地過渡到輸種帶的種腔中。

圖3 旋夾納種原理圖

2.2 納種過程力學(xué)分析

為研究該機(jī)構(gòu)納種穩(wěn)定性與籽粒進(jìn)入種腔精準(zhǔn)度,建立了撥指輪夾取、轉(zhuǎn)運(yùn)和排放籽粒過程中籽粒力學(xué)模型,對這3個(gè)階段籽粒的受力情況進(jìn)行分析。

2.2.1撥指輪夾取籽粒力學(xué)分析

撥指輪夾取籽粒時(shí),主副撥指輪瞬時(shí)對籽粒施加摩擦力f1、f2,f1與f2的合力構(gòu)成撥指輪對籽粒的旋夾力Fc,此外,籽粒還受重力G、離心力J、負(fù)壓對籽粒的吸附力P以及型孔對籽粒的支持力N,受力如圖4所示。

圖4 撥指輪夾取籽粒受力示意圖

若保證籽粒被平穩(wěn)取下,則需撥指輪對籽粒的夾取力Fc大于T(籽粒重力G與離心力J的合力)[23]與N1(型孔對籽粒沿平行排種盤方向的支持力)的合力,即

(1)

式中δ——T與N1的夾角,(°)

籽粒重力與離心力的合力T、型孔對籽粒沿平行排種盤方向的支持力N1可表示為

(2)

式中τ——G與J的夾角,(°)

Nc——支持力系數(shù)

將式(1)、(2)合并整理得

(3)

其中

(4)

式中m——籽粒質(zhì)量,kg

D——籽粒重心到型孔圓心的距離,mm

n1——排種盤轉(zhuǎn)速,r/min

pa——大氣壓力,Pa

p0——真空室壓力,Pa

d——吸孔直徑,m

J——排種盤對籽粒的離心力,N

G——籽粒重力,N

式(3)、(4)表明,撥指輪夾取籽粒需要克服排種盤對籽粒的離心力以及風(fēng)機(jī)對籽粒的吸附力。而在高速播種過程中,要求排種盤轉(zhuǎn)速高,籽粒的離心力隨之增大,同時(shí),為保證型孔在高速條件下穩(wěn)定充種,風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓應(yīng)比常規(guī)播種速度所需的負(fù)壓大[24],這就要求撥指輪提供足夠的旋夾力,即提高撥指與籽粒間的摩擦力,才能實(shí)現(xiàn)在排種盤高轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)高負(fù)壓條件下將籽粒從型孔上取下。

2.2.2撥指輪轉(zhuǎn)運(yùn)籽粒力學(xué)分析

主副撥指輪將籽粒取下后,進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)階段,籽粒受到撥指輪對籽粒的夾取力Fc(f1與f2的合力)、主副撥指輪對籽粒的支持力FN1、FN2,以及籽粒自身重力G。以籽粒中心為坐標(biāo)原點(diǎn)o,建立直角坐標(biāo)系xoy,此時(shí)籽粒受力如圖5所示。

圖5 轉(zhuǎn)運(yùn)籽粒受力示意圖

主副撥指輪對籽粒的支持力FN1、FN2可表示為

(5)

式中θ1——主撥指輪對籽粒支持力與水平面夾角,(°)

θ2——副撥指輪對籽粒支持力與水平面夾角,(°)

主副撥指輪對某一時(shí)間點(diǎn)籽粒的摩擦力f1與f2的合力形成夾取力Fc,即

(6)

其中

(7)

式中μ——撥指與籽粒間的摩擦因數(shù)

聯(lián)立式(5)～(7)可得

(8)

式(8)表明,轉(zhuǎn)運(yùn)籽粒時(shí),籽粒所受旋夾力Fc受θ1、θ2及μ的影響。增大撥指與籽粒間的摩擦因數(shù)會提高撥指與籽粒的摩擦力,避免撥指與籽粒出現(xiàn)滑移。由圖6可知,在同一時(shí)間點(diǎn),撥指輪對籽粒支持力與水平面的夾角與輪心距L有關(guān),隨輪心距L減小,θ1、θ2增大(θ1>θ′1;θ2>θ′2),撥指輪對籽粒的支持力隨之增大(FN1>F′N1;FN2>F′N2),提高了撥指與籽粒間的摩擦力,避免撥指與籽粒發(fā)生滑移現(xiàn)象。但輪心距過小會增加納種載荷,加劇撥指磨損,嚴(yán)重時(shí)會出現(xiàn)籽粒堆積堵塞;輪心距過大,撥指與籽粒間則會相對滑移,失去主動納種作用。因此,為進(jìn)一步明確輪心距對納種效果的影響,本文對其進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。

圖6 支持力隨輪心距變化示意圖

2.2.3撥指輪排放籽粒力學(xué)分析

籽粒經(jīng)撥指輪轉(zhuǎn)運(yùn)后被排放到輸種帶種腔中,籽粒在脫離撥指輪瞬時(shí)會在撥指對籽粒的彈力Ft1、Ft2和籽粒重力G的作用下做斜下拋運(yùn)動進(jìn)入種腔(圖7),Fe為撥指對籽粒的彈力Ft與籽粒重力的合力。

圖7 排放籽粒受力與運(yùn)動示意圖

撥指在恢復(fù)原狀時(shí)對籽粒產(chǎn)生的彈力及籽粒自身重力為

(9)

式中Ft1——主撥指輪撥指對籽粒的彈力,N

Ft2——副撥指輪撥指對籽粒的彈力,N

Δx1——主撥指輪撥指形變量,mm

Δx2——副撥指輪撥指形變量,mm

k——撥指彈性系數(shù),N/mm

g——重力加速度,m/s2

籽粒脫離撥指輪做斜下拋運(yùn)動的加速度為

(10)

籽粒做斜下拋運(yùn)動進(jìn)入種腔沿x、y軸的速度為

(11)

其中

v0=2πRn2

(12)

式中vx——籽粒在x軸方向的速度,m/s

vy——籽粒在y軸方向的速度,m/s

R——撥指輪半徑,mm

n2——撥指輪轉(zhuǎn)速,r/min

v0——籽粒斜下拋初速度,m/s

α——籽粒斜下拋角度,(°)

t——籽粒進(jìn)入種腔所用的時(shí)間,s

聯(lián)立式(10)～(12)可得

(13)

式(13)表明,籽粒進(jìn)入種腔的速度與撥指形變量、撥指輪轉(zhuǎn)速及撥指輪半徑相關(guān)。撥指形變量與撥指長度及其材料特性相關(guān),在加工材料不變的情況下,撥指越長,與籽粒接觸時(shí)產(chǎn)生的形變量就越大,彈力就越大,加速種子進(jìn)入種腔,但撥指過長會增加撥指間的卡種風(fēng)險(xiǎn)。撥指輪轉(zhuǎn)速越大,斜下拋初速度越大,進(jìn)入種腔的速度就越大,但過大會導(dǎo)致籽粒進(jìn)入種腔時(shí)與種腔內(nèi)壁碰撞加劇,降低籽粒進(jìn)入種腔的精準(zhǔn)度。鑒于撥指輪圓周由柔性撥指組成,與籽粒接觸時(shí),撥指產(chǎn)生形變,使得撥指輪圓周半徑會不斷變化且無法控制,為提高臺架試驗(yàn)可操作性及準(zhǔn)確性,本文對撥指形變量、撥指輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。

3 關(guān)鍵部件改進(jìn)方案

對撥指輪夾取、轉(zhuǎn)運(yùn)和排放籽粒3個(gè)階段籽粒的受力情況分析可知,增大撥指與籽粒間的摩擦因數(shù)能有效提高撥指輪對籽粒的旋夾力,故本研究利用人字形紋路摩擦因數(shù)大,防滑性好,且具有導(dǎo)向性的特點(diǎn)[25],在撥指表面添加人字形紋路(圖8)。通過建立的力學(xué)數(shù)學(xué)模型明確出影響納種穩(wěn)定性與籽粒進(jìn)入輸種帶種腔精準(zhǔn)度的主要因素為輪心距、撥指輪轉(zhuǎn)速以及撥指長度。因此,在后續(xù)試驗(yàn)階段,將結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)對帶有人字形紋路和無人字形紋路的撥指輪進(jìn)行試驗(yàn)對比,探究帶有人字形紋路的撥指輪對納種性能的影響,并通過多因素試驗(yàn)對輪心距、撥指輪轉(zhuǎn)速以及撥指長度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

圖8 添加人字形紋路的主副撥指輪

4 試驗(yàn)材料與方法

4.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為黑龍江省廣泛種植的“德美亞1號”玉米品種,經(jīng)人工分級清選處理,保證供試籽粒飽滿、無損傷及蟲害,測定其形態(tài)為硬粒型,千粒質(zhì)量為289.61 g,含水率為12.3%,密度平均值為1.223 g/cm3,平均幾何尺寸為:長度9.31 mm、寬度7.35 mm、厚度4.06 mm(對100粒籽粒進(jìn)行測量取平均值)。

4.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)播種實(shí)驗(yàn)室,試驗(yàn)裝置主要由JPS-16型計(jì)算機(jī)視覺排種器試驗(yàn)臺、PCO.dimaxCS3型高速攝像儀(德國pco.dimax cs高速攝像機(jī),Nikon鏡頭,圖像拍攝程序?yàn)镃amware,圖像處理程序?yàn)門EMA)、改裝的氣吸式玉米精量排種器、帶式玉米高速導(dǎo)種裝置以及PC機(jī)(美國惠普HP公司)等搭建組成,如圖9所示。

圖9 納種機(jī)構(gòu)性能檢測試驗(yàn)臺

為便于對納種時(shí)的玉米籽粒位移軌跡進(jìn)行捕捉,將排種器進(jìn)行可視化處理,將原有排種器局部外殼、排種盤及橡膠密封圈采用透明3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)透明化,并將排種器與導(dǎo)種裝置相對固定在安裝臺架上。試驗(yàn)時(shí),種床帶相對于排種器反向運(yùn)動,模擬播種機(jī)前進(jìn)運(yùn)動狀態(tài),噴油泵將油噴于種床帶上,玉米籽粒從投種口落至涂有油層的種床帶上[26-28]。

為防止拍攝角度對籽粒軌跡位移數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生影響,將高速攝像機(jī)固定于水平位置。為得到籽粒納種過程中實(shí)際位移變化,應(yīng)保證各組試驗(yàn)中高速攝像機(jī)與籽粒運(yùn)動平面的垂直距離一致,在籽粒運(yùn)動平面內(nèi)放置刻度尺作為標(biāo)定,提高試驗(yàn)測量精確度。

4.3 試驗(yàn)方法

由上述撥指輪對籽粒夾取轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)理分析可知,籽粒納種穩(wěn)定性與撥指輪轉(zhuǎn)速、輪心距及撥指長度有關(guān),故本研究選取撥指輪轉(zhuǎn)速、輪心距及撥指長度為試驗(yàn)因素進(jìn)行納種性能試驗(yàn)。采用3D打印技術(shù)獲取不同撥指長度的橡膠撥指輪,其中主撥指輪與副撥指輪的撥指長度按等比擴(kuò)大或縮小(主副撥指輪撥指長度比為3∶1)。采用調(diào)節(jié)撥指輪傳動齒輪半徑的方式改變輪心距。利用PWM電機(jī)調(diào)速器控制撥指輪轉(zhuǎn)速,利用紅外線轉(zhuǎn)速儀檢測撥指輪轉(zhuǎn)速。通過前期預(yù)試驗(yàn)選取18孔排種盤作為試驗(yàn)排種盤。

4.4 籽粒軌跡追蹤后處理

軌跡測定過程中,為獲得適合本研究高速納種時(shí)籽粒運(yùn)動軌跡圖形分辨率,設(shè)置高速攝像機(jī)幀率為500 f/s,采集域?yàn)?00 mm×200 mm,曝光時(shí)長為2 ms,圖像為1 920像素×1 440像素。調(diào)整輪心距、撥指輪轉(zhuǎn)速及撥指長度至指定值進(jìn)行試驗(yàn),通過攝像機(jī)將所采集籽粒運(yùn)動軌跡圖像實(shí)時(shí)存儲于計(jì)算機(jī)內(nèi),待試驗(yàn)結(jié)束后保存為.avi格式視頻文件。利用TEMA控制軟件對視頻文件進(jìn)行圖像目標(biāo)追蹤,并提取不同幀圖像中玉米籽粒質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo),繪制出各條件下籽粒位移軌跡。

為準(zhǔn)確記錄籽粒位移變化,以刻度尺底部o為坐標(biāo)原點(diǎn),建立直角坐標(biāo)系xoy。高速攝像機(jī)拍攝下的撥指輪對籽粒的夾取、轉(zhuǎn)運(yùn)和排放捕捉實(shí)際效果如圖10所示。

圖10 高速攝像下納種過程

通過高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)將各幀圖像內(nèi)籽粒質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)值記錄到Excel軟件中,即可得出籽粒運(yùn)動位移軌跡。圖11為5組籽粒在被夾取轉(zhuǎn)運(yùn)過程中和與撥指輪發(fā)生碰撞彈跳時(shí)的位移時(shí)間曲線。

圖11 籽粒位移變化曲線

圖11a籽粒位移軌跡平滑,且各組試驗(yàn)中籽粒位移軌跡未出現(xiàn)波動,證明籽粒被撥指輪穩(wěn)定納入,其中在0～1.5 s時(shí)間段內(nèi)籽粒隨種盤運(yùn)動,在1.5 s時(shí)刻位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折,該轉(zhuǎn)折點(diǎn)為籽粒被夾取,1.5～2.0 s為籽粒轉(zhuǎn)運(yùn)階段。圖11b為籽粒與撥指輪出現(xiàn)碰撞彈跳時(shí)的位移軌跡曲線,在1.5～2.5 s時(shí)間段內(nèi)籽粒運(yùn)動軌跡呈波浪狀,證明此時(shí)籽粒出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象。故本研究以籽粒位移軌跡曲線平滑與波動統(tǒng)計(jì)納種合格指數(shù)。

籽粒經(jīng)納種機(jī)構(gòu)進(jìn)入輸種帶種腔的分布狀態(tài)如圖12所示。圖12a中籽粒A與籽粒B間隔7個(gè)種腔,籽粒B與籽粒C間隔4個(gè)種腔,籽粒在輸種帶分布不均勻,種腔間隔變異系數(shù)大;圖12b中籽粒A、籽粒B與籽粒C間隔均為6個(gè)種腔,籽粒在輸種帶分布較均勻,種腔間隔變異系數(shù)小。故本研究通過計(jì)算每組試驗(yàn)籽粒種腔間隔變異系數(shù)衡量籽粒進(jìn)入輸種帶種腔的精準(zhǔn)度。

圖12 籽粒在輸種帶種腔的分布狀態(tài)

5 試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1 單因素試驗(yàn)

為驗(yàn)證撥指表面添加人字形紋路對納種性能的影響,分別在有人字形紋路和無人字形紋路條件下進(jìn)行臺架對比試驗(yàn)。其中主撥指輪每個(gè)撥指有5條紋路,副撥指輪為3條,紋路彎折角度為120°,間隔1 mm,寬、高均為0.5 mm。將排種盤轉(zhuǎn)速依次設(shè)置為41、45、48、51、55 r/min進(jìn)行試驗(yàn),對應(yīng)的播種前進(jìn)速度依次為12、13、14、15、16 km/h,各進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),取平均值,試驗(yàn)方法同上,試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 有無人字形紋路時(shí)對比試驗(yàn)曲線

圖13表明,低速播種時(shí),無人字形紋路和有人字形紋路的撥指輪納種合格指數(shù)與種腔間隔變異系數(shù)無明顯差異,當(dāng)播種速度為13～16 km/h時(shí),有人字形紋路撥指輪納種合格指數(shù)和種腔間隔變異系數(shù)均明顯優(yōu)于無人字形紋路撥指輪,證明撥指表面添加人字形紋路可以提高撥指輪的納種性能。

5.2 多因素試驗(yàn)

為研究撥指輪改進(jìn)后的納種機(jī)構(gòu)納種穩(wěn)定性與籽粒進(jìn)入輸種帶種腔精準(zhǔn)度,采用三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)探究納種機(jī)構(gòu)最佳作業(yè)性能,根據(jù)前期理論分析及田間實(shí)際播種作業(yè)需求,配合各因素可控有效范圍,選取輪心距為35～39 mm,撥指輪轉(zhuǎn)速為500～620 r/min,撥指長度為10～14 mm,試驗(yàn)因素編碼如表1所示。表中均以主撥指輪的撥指長度及轉(zhuǎn)速進(jìn)行表述,其中主、副撥指輪撥指長度比為3∶1,轉(zhuǎn)速比為1∶1.7。

表1 試驗(yàn)因素編碼

選取試驗(yàn)指標(biāo)為納種合格指數(shù)y1和籽粒在種腔間隔變異系數(shù)y2,以評價(jià)機(jī)構(gòu)的納種穩(wěn)定性與籽粒進(jìn)入種腔精準(zhǔn)度。試驗(yàn)時(shí),保證各組試驗(yàn)測定籽粒數(shù)量超過1 000粒,其他各項(xiàng)參數(shù)保持恒定。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果

通過Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析,進(jìn)行因素方差分析,篩選出影響較為顯著因素,進(jìn)而得到性能指標(biāo)與因素編碼值回歸方程

y1=98.91-0.25X2-0.45X1X2-

(14)

y2=0.26+0.009 6X1-0.005 2X2-0.007 5X1X2+

(15)

式中X1、X2、X3——因素編碼值

為直觀地分析試驗(yàn)指標(biāo)與因素間關(guān)系,運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件得到響應(yīng)曲面。因交互作用項(xiàng)輪心距和撥指輪轉(zhuǎn)速對納種合格指數(shù)與種腔間隔變異系數(shù)影響均顯著,故分析輪心距和撥指輪轉(zhuǎn)速的交互作用對試驗(yàn)性能指標(biāo)的影響,如圖14所示。

圖14 因素交互作用對試驗(yàn)性能影響的響應(yīng)曲面

圖14a為撥指長度位于中心水平時(shí)(12 mm),輪心距和撥指輪轉(zhuǎn)速的交互作用對納種合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面,由圖可知,當(dāng)撥指長度一定時(shí),納種合格指數(shù)隨輪心距的增加呈先增大后減小的趨勢;當(dāng)輪心距一定時(shí),納種合格指數(shù)隨著撥指輪轉(zhuǎn)速的增加呈先增大后減小的趨勢;圖14b為撥指長度位于中心水平時(shí)(12 mm),輪心距和撥指輪轉(zhuǎn)速的交互作用對種腔間隔變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面,由圖可知,當(dāng)撥指輪轉(zhuǎn)速一定時(shí),種腔間隔變異系數(shù)隨著輪心距的增加而增大;當(dāng)輪心距一定時(shí),種腔間隔變異系數(shù)隨著撥指輪轉(zhuǎn)速的增加呈先增大后減小的趨勢。

分析其變化原因?yàn)?輪心距較小時(shí),會增大撥指輪納種阻力,降低籽粒的通過性;輪心距較大時(shí),撥指輪失去主動納種作用,增大撥指與籽粒間的滑移。撥指輪轉(zhuǎn)速較慢時(shí),撥指輪納種效率降低,造成籽粒阻塞;撥指輪轉(zhuǎn)速較快時(shí),會增大撥指對籽粒的碰撞,導(dǎo)致籽粒彈跳加劇。

在此基礎(chǔ)上,為得到試驗(yàn)因素最佳水平組合,即納種機(jī)構(gòu)最佳工作參數(shù)組合,對試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件,對納種合格指數(shù)和種腔間隔變異系數(shù)回歸方程進(jìn)行分析,得到其非線性規(guī)劃的優(yōu)化模型為

(16)

通過優(yōu)化求解,得出當(dāng)輪心距為36.8 mm、撥指輪轉(zhuǎn)速為584.97 r/min、撥指長度為10.8 mm時(shí),納種穩(wěn)定性與排種精準(zhǔn)度最佳,在此最優(yōu)參數(shù)組合下對應(yīng)的納種合格指數(shù)為98.23%,種腔間隔變異系數(shù)為0.24%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,納種合格指數(shù)為98.52%,種腔間隔變異系數(shù)為0.25%,與優(yōu)化結(jié)果基本一致,誤差在可接受范圍內(nèi)。

5.3 對比試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的帶式玉米高速導(dǎo)種裝置作業(yè)性能,將其與不安裝高速導(dǎo)種裝置的性能進(jìn)行臺架試驗(yàn)對比。設(shè)置播種前進(jìn)速度依次為12、13、14、15、16 km/h,試驗(yàn)指標(biāo)為合格率與變異系數(shù),各進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn),取平均值,試驗(yàn)方法同上,試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 有無高速導(dǎo)種裝置時(shí)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知,有高速導(dǎo)種裝置的排種器在12、13、14、15、16 km/h的播種速度下比無高速導(dǎo)種裝置合格率提高13.79、14.96、17.98、19.73、21.02個(gè)百分點(diǎn);變異系數(shù)提高5.33、5.01、4.44、4.27、3.12個(gè)百分點(diǎn),可見裝有高速導(dǎo)種裝置的播種效果遠(yuǎn)優(yōu)于無高速導(dǎo)種裝置。

6 結(jié)論

(1)以具有納種機(jī)構(gòu)的帶式玉米高速導(dǎo)種裝置為研究對象,對其旋夾納種機(jī)理進(jìn)行分析,建立了撥指輪夾取、轉(zhuǎn)運(yùn)和排放籽粒過程中籽粒動力學(xué)模型,提出在撥指表面添加人字形紋路的改進(jìn)方法,并明確得出影響納種穩(wěn)定性與籽粒進(jìn)入輸種帶種腔精準(zhǔn)度的主要因素為輪心距、撥指輪轉(zhuǎn)速及撥指長度。

(2)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明,播種作業(yè)速度較高時(shí),添加人字形紋路撥指輪納種合格指數(shù)和種腔間隔變異系數(shù)均明顯優(yōu)于無人字形紋路撥指輪,證明撥指表面添加人字形紋路可以提高納種性能。

(3)對撥指輪改進(jìn)后的納種機(jī)構(gòu)進(jìn)行多因素試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)輪心距為36.8 mm、撥指輪轉(zhuǎn)速為584.97 r/min、撥指長度為10.8 mm時(shí),納種穩(wěn)定性及籽粒進(jìn)入輸種帶種腔精準(zhǔn)度最優(yōu),在此條件下,納種合格指數(shù)為98.23%,種腔間隔變異系數(shù)為0.24%。實(shí)際結(jié)果與優(yōu)化值差異較小,優(yōu)化值準(zhǔn)確可靠。

(4)在優(yōu)化參數(shù)組合條件下,進(jìn)行臺架對比試驗(yàn),結(jié)果表明,有帶式玉米高速導(dǎo)種裝置的作業(yè)性能遠(yuǎn)優(yōu)于不安裝帶式玉米高速導(dǎo)種裝置的作業(yè)性能。