清種補種上提式甘蔗排種器設計與試驗

鐘家勤，陶利民，李尚平，車日富，李凱華，何永玲

（1.廣西大學機械工程學院，南寧 530004；2.廣西民族大學電子信息學院，南寧 530006；3.廣西海洋工程裝備與技術重點實驗室，欽州 535011；4.廣西高校北部灣近海海洋工程裝備與技術重點實驗室，欽州 535011；5.廣西欽州力順機械有限公司，欽州 535000）

0 引言

甘蔗種植作為甘蔗生產過程中勞動強度最大的環(huán)節(jié)之一，目前其自動化、機械化程度仍處于較低水平。預切種式甘蔗精準種植是現階段的主流研究方向[1-2]，目前，廣西“雙高”基地正在進行大面積推廣預切種雙芽段甘蔗橫向種植，深受蔗農的歡迎。與縱向種植相比，該種植技術具有分蘗強、出芽率高、耗種量少和抗倒伏能力強等優(yōu)點[3-8]。但其機械化種植存在排種精度低、均勻性難以滿足農藝要求等問題。

為解決預切種甘蔗排種不均、漏播等問題，國內外學者進行了大量研究。TAGHINEZHAD 等[9-10]分析了預切種種植機排種輥耙齒和播種速度對排種精度的影響規(guī)律；NAMJOO 等[11-12]研究了提升鏈角度和播種速度對排種性能的影響；SAENGPRACHATANARUG 等[13]通過改進提升式排種器的夾板結構來改進排種效果；TITINAI等[14]分別改進了種箱傾斜角度、鏈槽間距來提高排種精度；CLEMENT[15]設計了種箱底部鏈傳動輸送蔗段的供種裝置以解決堆疊問題；HE 等[16]利用振動式排種裝置避免傷芽；WANG 等[17]試驗研究了耙桿鏈夾角、蔗段數量對排種合格指數、重播指數和漏播指數的影響。蘇微等[18]設計了一種預切種甘蔗勺鏈式排種器，闡明了最速降線提高充種性能的原理；黃小文等[19-21]對帶取種針式排種器、振動式排種器、指甲式排種器進行了研究。上述研究可一定程度上實現自動排種，雖提高了排種效率及排種精度，但普遍仍存在對蔗段適應性差、排種不均勻的問題[22-23]。且研究主要集中在甘蔗預切種的縱向種植領域，其在蔗段的方向性、均勻性要求方面與雙芽段甘蔗橫向種植存在很大差異。而目前，對于雙芽段甘蔗橫向排種的相關研究技術還不夠成熟，大多機械采用人工播種的方式，勞動強度極大、排種精度低。

為解決雙芽段甘蔗橫向種植機精準性不高的問題，本文在課題組前期開發(fā)的倒三角形集蔗-上提式排種器基礎上，根據雙芽段甘蔗橫向穩(wěn)態(tài)傳送原理的分析，提出一種既具有分蔗、排序、彈性清種、及動態(tài)補種功能，又不傷芽的上提式排種器。通過對排種過程進行運動學、動力學分析，明確對排種性能影響的主要因素，并通過平臺試驗分析各因素對排種效果的影響，確定最優(yōu)參數。為甘蔗橫向精準種植提供有益的參考。

1 結構和工作原理

1.1 整機結構

本課題組開發(fā)的預切種式甘蔗橫向種植機結構如圖1 所示，主要由開溝器（前犁、旋耕和后犁）、倒三角形集蔗-上提式排種器（集蔗箱、提升排種機構）、落種機構、施肥機構、覆土覆膜機構、地輪等組成。排種器工作時，集蔗箱中的蔗段經過提升排種機構輸送至落種機構，再有序落至種床，完成甘蔗的橫向精準播種。本文針對其中的上提式排種器進行分析。

圖1 預切種式甘蔗橫向種植機主要結構Fig.1 Main structure of pre-cut sugarcane transversal planter

1.2 上提式排種器的組成與工作原理

排種器是預切種式甘蔗橫向種植機精準播種的關鍵部件。根據課題組前期研究，采用倒三角形集蔗-上提式的排種方法[24]，可實現甘蔗橫向種植、均勻間隔布種和避免漏播、重播。但試驗中發(fā)現蔗段在提升輸送的過程中，易于向后翻轉、回流，從而造成排種亂序和漏播現象。針對該排種器的問題，本文設計了一種清種補種上提式排種器，其在提升輸送過程中可完成分蔗、排序、彈性清種、分級動態(tài)補種等功能。

排種器的結構如圖2 所示，主要包括輸送輥、排種帶、集蔗箱、分蔗清種板、彈性板等。

圖2 上提式排種器Fig.2 Elevating type seed metering device

提升排種過程中，蔗段從集蔗箱的出料口落入排種帶的蔗槽中，并隨排種帶的運動向上輸送。分蔗清種板起限流的作用，一部分蔗段被限制在集蔗箱出料口進行入槽排序，分蔗清種板對出料口堆積的蔗段產生阻力進行撥蔗，限制進入一級清種補種區(qū)的蔗段量，以減小蔗段擾動空間及蔗段回流對集蔗區(qū)蔗段有序性的影響。另部分蔗段則隨排種帶運動輸送至一級清種補種區(qū)以供排序以及初步補種。

經初步排序以及補種后的蔗段隨排種帶運動，彈性板對蔗槽上層冗余的蔗段產生阻力，剔除多余蔗段，使其回流。未被阻擋的蔗段繼續(xù)隨排種帶有序運動至二級清種補種區(qū)，部分蔗段提升中繼續(xù)前進，多余的蔗段則會再回流至二級清種補種區(qū)，進行二次排種調整、補種。

清種補種過程可根據蔗段橫向穩(wěn)態(tài)傳送的約束原理，利用提升過程中排種帶、彈性板、一級清種補種區(qū)及二級清種補種區(qū)對蔗段的動態(tài)約束作用，使得冗余、亂序的蔗段進行動態(tài)地調整。同時，因增加彈性板，減小蔗段回流的運動空間和運動行程，可有效降低蔗段回流轉向的概率，利于蔗段橫向有序排種，實現排種過程的實時補種，達到精準種植。

2 分蔗清種補種過程分析

雙芽橫向蔗段在上提式排種器中經歷排序充種、分蔗、清種、補種等過程。為了能有效清種、橫向有序排種，合理設計排種器的結構，對分蔗清種過程、出料口結拱、清種補種過程進行動力學及仿真分析。

2.1 蔗段直徑

蔗段直徑是排種器設計的重要依據。本文以中蔗9號為對象，隨機選取預切好的甘蔗蔗段70 根，長度l均為30 cm，每個蔗段上有2 個及以上蔗節(jié)。測量得到蔗段平均直徑dave=28.11 mm，最大直徑dmax=32.86 mm，最小直徑dmin=25.14 mm，變異系數為0.01。

2.2 分蔗清種過程受力分析

導種板以及分蔗清種板形成逐漸減小的出料口，提升過程中，橫向蔗段在集蔗箱中利用蔗段相互擠壓的作用力、流動性及自身重力向集蔗箱出料口運動并進行排種，在排種帶上形成堆疊。為了分析蔗段在分蔗清種過程的受力情況，取與分蔗清種板接觸的任一段蔗段（如蔗段Q）為對象，如圖3 所示。

圖3 出料口蔗段受力分析Fig.3 Force analysis of outlet sugarcane

令其他蔗段對蔗段Q的合力為F，則

式中n為與蔗段Q接觸的蔗段數量。

在理想狀態(tài)下，蔗段Q作加速度不斷變化的加速運動，記為a，方向為排種帶的運動方向，運動時間為t，則：

聯(lián)立式（1）～（2）可得：

蔗段Q的運動受其他蔗段作用力的影響，該作用力與集蔗箱中的蔗段數量、蔗段接觸力相關。

蔗段Q在x方向受到的合力為

式中Fix,fix,Fsx,fbx,fsx為分別為Fi、fi、Fs、fb、fs的x方向分力，N；FQx為蔗段Q合壓力的x方向分力，N；d為蔗段Q直徑，mm。

根據式（5）得到分蔗清種板對蔗段Q的力：

由式（5）～（6）可知，分蔗清種板對蔗段Q的作用力受 間隙H2、角度θ2、壓力Fix、Fsx、摩擦力fix、fbx、fsx影響。根據文獻[24]，排種帶傾角θ2取55°。根據文獻[25]，為使蔗段可以通過分蔗清種板，同時阻擋多余蔗段，H2應滿足：

式中H為擋板高度，30 mm。結合蔗段直徑計算，本文取H2=30 mm。

2.3 導種板與分蔗清種板底端間隙

導種板與分蔗清種板底端間隙影響排種質量，間隙小蔗段受到擠壓易出現結拱堵塞，間隙大則蔗段充種過快，重播指數較高。為使蔗段在出料口均勻排序、穩(wěn)定排種，對出料口的臨界結拱狀態(tài)進行理論分析以獲得出料口的寬度范圍。排種器出料口的結拱受力分析如圖4 所示。

圖4 出料口結拱分析Fig.4 Analysis of outlet arch

結拱穩(wěn)定臨界狀態(tài)下，其受力平衡滿足下式[26-29]：

式中Sc為集蔗箱出料口長縫隙孔的面積，m3；ρ為甘蔗的密度，取 1.35×103kg/m3；Cc為集蔗箱出料口長縫隙孔的周長，m。

蔗段在切向載荷作用下出現中部上拱，造成堵塞。與穩(wěn)定平衡拱的拱線相垂直的表面上具有較大的壓應力，該壓應力沿拱線的切線方向，從中央向拱基移動逐漸增大，在拱基A、B處的值最大，對其做莫爾應力圓（σa，0），中央拱點E的應力為（σe，0），如圖4b 所示，可得：

式中φn取 24.46°[30]；τ0取0.45 MPa[31]。

Sc和Cc計算式如下：

根據式（7）～（11）得dc為

代入各已知數值得到dc≥0.129 m。本文通過試驗分析確定dc值。

2.4 清種補種過程分析

蔗段提升過程中，由于彈性板與排種帶蔗槽形成了限流空間，蔗段較少時，彈性板將蔗段阻擋在板下部的一級清種補種區(qū)。該區(qū)起到限流、回種作用，使冗余蔗段排序、清種、補種。蔗段較多時，蔗段進入二級清種補種區(qū)，以備二次回種、補種。

2.4.1 彈性板結構

彈性板是一塊具有彈性的弧形清種板。為了避免清種不當損壞蔗段，彈性板采用PVC 透明軟膠板，保證蔗段的清種排序，彈性板設計為彎曲形，如圖5 所示。

圖5 彈性板Fig.5 Elastic board

彈性板與擋板的間隙H1以及彈性板的剛度決定了清種強度。H1越小清種強度越大，但同時增大了已入槽蔗段被撥走清落的概率；為保證有效清種且不卡種，取0＜H1≤0.75dave[26]，本文取初始H1=0.5dave=14 mm。彈性板的剛度越大，清種效果越好，但蔗段容易堵塞在一級清種補種區(qū)。彈性板被蔗段擠壓受力Ft為

式中k為彈性板的剛度，N/mm。

對彈性板變形量進行分析，如圖5b 所示，擠壓變形量可由下式表示：

本文取R2=2dmax≈65 mm[25]。

要使變形后的彈性板起到限流、清種作用，變形后彈性板與擋板的間隙應滿足：

代入各已知值得到Δy≤7 mm，將Δy代入式（14），可得Δx≤30 mm，即彈性板的最大變形量為30 mm，該變形量的承受力與彈性板的剛度k有關，而彈性板的剛度與其底端半徑R1呈 負相關關系、與厚度δ 呈正相關關系。為保證彈性板的清種、補種效果，本文通過力學試驗確定R1、δ 值。

2.4.2 蔗段補種過程分析

排種帶上蔗段的充種過程如圖6 所示，在時間t內蔗段必須通過的路程S[24]為

圖6 蔗段充種過程受力分析Fig.6 Force analysis of sugarcane during filling proces

式中l(wèi)1為 蔗槽寬度，取50 mm；v0為蔗段質心初速度，m/s；s′為擋板的厚度，5 mm；vt為蔗段質心脫離擋板的速度，m/s。

假設蔗段作純滾動，其受到的滾動摩擦力[24]為

蔗段下落到蔗槽的距離[24]為

要使蔗段穩(wěn)定補種[24]，結合式（16）～（18）得：

計算得到排種帶速度v1≤0 .138 m/s，即v1≤138 mm/s，因此，排種過程中的穩(wěn)定補種與排種帶速度有關，本文通過單因素試驗分析排種帶速度對排種效果的影響。

2.4.3 清種補種空間的分析

在彈性板作用下，輸送過程中蔗段因不平衡碰撞力而傾斜，若一、二級清種補種區(qū)空間過大，則傾斜蔗段回流時易轉向，甚至豎直。本文通過對蔗段在清種、補種過程的運動分析確定清種補種空間的主要參數。

1）蔗段碰撞回流受力分析

提升過程中，蔗段與彈性板發(fā)生碰撞而反彈回流，碰撞過程符合動量守恒[32-33]，計算式為

式中v2為碰撞末速度，m/s；t1為 碰撞初始時刻，s；t2為碰撞結束時刻，s；Fp為碰撞力，N。

將彈性板視為線彈性介質，對其碰撞力作用后產生的彈塑性變形進行簡化，碰撞時的最大沖擊力[34]為

式中m2為彈性板的質量，kg；E1、E2分別為蔗段、彈性板的彈性模量，N/m2；μ1、 μ2分別為蔗段、彈性板的泊松比。

根據式（19）～（21），蔗段碰撞后的反彈力與初始速度（排種帶速度）、彈性板的彈性模量正相關。為使蔗段能進行有效限流、補種，本文進行蔗段與彈性板碰撞力的仿真分析，基于碰撞結果，對不同厚度彈性板進行剛性推拉試驗，以確定其厚度。

2）蔗段在清種補種過程的空間及受力分析

在一、二級清種補種區(qū)輸送過程中蔗段傾斜受力如圖7 所示。為使傾斜蔗段有序回流充種、補種，一級清種補種區(qū)蔗段應滿足條件：

圖7 蔗段傾斜受力Fig.7 Force of sugarcane tilt

3）清種補種過程仿真分析

蔗段在排種過程中受到其他蔗段的摩擦力、壓力，彈性板的壓力等作用，其作用點的變化導致蔗段轉向，因此，清種補種空間既要有一定的蔗段容量，又不能過大。

本文采用RecurDyn 以及EDEM 仿真軟件建立排種器的仿真模型（圖8）。顆粒采用Hertz-Mindlin 接觸力學模型，相關離散元仿真參數參考文獻[30]及測量確定，如表1 所示。將排種器模型簡化保存為X-T 格式導入EDEM，將分蔗清種板及彈性板導入RecurDyn，在RecurDyn 柔性化彈性板，建立wall，導入到EDEM，模型如圖8 所示。仿真時間步長為25%，網格尺寸取2.5倍最小球形單元尺寸，仿真時間為30 s。

圖8 仿真模型Fig.8 Simulation model

對蔗段進行標記，隨機選取排種前、后段編號分別為12、14、16、33、35 和37 的6 個蔗段，利用EDEM后處理對蔗段進行受力分析，結果如圖9 所示。

圖9 蔗段受力分析Fig.9 Force analysis of sugarcane

由圖9 可知，12、14、37 號蔗段所受合力變化幅度較大，與彈性板的碰撞力較大（碰撞力大于100 N），蔗段通過彈性板進入二級清種補種區(qū)；較大的碰撞力集中在排種前段的蔗段，因為一級清種補種區(qū)在排種前半段堆積較多蔗段，蔗段的相互擠壓、碰撞使碰撞力較大。16、33、35 號蔗段所受合力變化幅度較小，與彈性板的碰撞力較小（碰撞力小于20 N），蔗段經歷多次碰撞、回流直至入槽完成排種；較小的碰撞力集中在排種后段的蔗段，因為一級清種補種區(qū)在后段堆積較少蔗段，蔗段的相互作用較小。

為研究清種補種空間對排種性能的影響，對蔗段運動狀態(tài)進行分析。圖10 為排種帶速度80 mm/s 下提升輸送過程中蔗段種群在自身重力、種群碰撞摩擦力及彈性板綜合力共同作用下的蔗段回流狀態(tài)。若清種補種空間較?。ㄈ鐖D10a 所示，L1=15 cm），則蔗段回流后仍為橫向，不影響充種；若清種補種空間較大（如圖10b 所示，L1=22.5 cm），則蔗段回流后極易轉向而無法對空槽進行補種。圖11 為L1、L2對漏播指數的影響，漏播指數隨L1、L2的增大呈增大的趨勢。L1、L2越小，漏種越少，排種效果越好;L1、L2越大，漏種越多，排種效果越差。由于蔗段是不規(guī)則的類圓柱體，傳送過程中蔗段各處的摩擦力不一致，使蔗段姿態(tài)容易發(fā)生變化。若運動空間足夠大，蔗段極易轉成豎向，直接影響清種補種的性能，因此，需探究適合的L1、L2等參數對排種效果的影響。

圖10 蔗段在提升過程的狀態(tài)變化Fig.10 State changes of sugarcane during lifting process

圖11 L1、L2 對漏播指數的影響Fig.11 Impact of L1 and L2 on miss-seeding index

3 臺架性能試驗

3.1 彈性板推壓試驗

為了確定彈性板的厚度和底端半徑，進行推壓試驗。

3.1.1 材料與方法

試驗選擇市面上常用的PVC 透明軟膠板，厚度為1～5 mm。5 mm 厚度水晶板可自由彎曲的最小半徑為25 mm，因此，試驗選擇R1為25～40 mm。

試驗裝置如圖12 所示，由彈性板、壓板、指針推拉力計（型號：NK-200，精度: ±1%）、游標卡尺，臥式手搖拉力計測試座組成。

圖12 推壓測試裝置Fig.12 Push test device

將指針推拉計的推頭對準壓板中部進行壓力測試，通過手柄調整推進距離，游標卡尺測量推進距離，每推進5 mm 記錄一次測量值。各因素重復試驗3 次，取平均值。

3.1.2 結果分析

在R1=25 mm 時進行厚度推壓試驗，試驗結果如圖13a 所示，壓力隨變形量的增加而增加。1 和2 mm 厚度的板承受的壓力小于20 N，根據2.4.3 節(jié)仿真分析，蔗段反彈、回流的碰撞力大多在 0～20 N 之間，因此1、2 mm 厚度的彈性板無法起到清種作用。當彈性板的厚度≥3 mm 時可承受大于20 N 的壓力。當厚度為5 mm 時，能承受100～120 N 的壓力，此時彈性板既能起到清種作用，又能在蔗段較多時分離部分蔗段至二級清種補種區(qū)進行二次補種。因此本文選用彈性板厚度為5 mm。

圖13 推壓試驗結果Fig.13 Pushing test result

選擇5 mm 厚度彈性板進行半徑R1影響的推壓試驗，試驗結果如圖13b 所示，壓力隨變形量的增加而增加。當R1＞25 mm，壓力小于100 N，無法起到清種的作用，而R1＝25 mm 時，能承受100～120 N 的壓力。因此，本文選擇R1=25 mm。

3.2 清種補種區(qū)關鍵參數對排種性能影響試驗

3.2.1 試驗平臺

以中蔗9 號為試驗材料，含水率70%，集蔗箱內蔗段數量為40 根。試驗采用自制的PVC 傳送帶排種器，如圖14 所示，試驗平臺由集蔗箱（根據集蔗箱的大小，容量＜60 根甘蔗）、排種帶（蔗槽采用5 cm 寬度間隔均勻布置）、輸送輥、伺服電機、調速器、臺架組成。

圖14 試驗平臺Fig.14 Test platform

3.2.2 試驗方法及試驗指標

將預切蔗段有序擺放在集蔗箱內，開啟電機，排種帶將蔗段提升輸送，待集蔗箱內的蔗段完全排出后，關閉電機[24]。采用攝像機對排種過程進行數據采集。將排出的蔗段再次倒入集蔗箱，各因素水平重復試驗3 次，取平均值。按照《GBT 6 973-2005 單粒(精密)播種機試驗方法》評價漏播指數y1、重播指數y2、排種合格指數y3等指標。堵塞試驗以堵塞次數為指標。

3.2.3 單因素試驗

為分析dc對排種堵塞的影響，分析L1、L2、v1對漏播指數、重播指數、合格指數的影響，選取dc、L1、L2、v1進行單因素試驗，各因素水平如表2 所示。

表2 試驗因素水平Table 2 Levels of test factors

根據2.4.3 節(jié)仿真試驗，L1=15 cm、L2=15 cm 時，漏播指數較低，且預試驗表明v1=100 mm/s 時漏播指數較低，因此，單因素試驗在L1=15 cm、L2=15 cm、v1=100 mm/s條件下進行，試驗結果如表3 所示。導種板與分蔗清種板底端的間隙對堵塞效果的影響如表4 所示。

表3 單因素試驗方差分析Table 3 Analysis of variance in single factor test

表4 堵塞次數統(tǒng)計Table 4 Statistics of blockage number

由表4 可知，隨dc減小，堵塞次數增多，在dc≥13 cm 時，無堵塞和斷層下落，蔗段運動流暢，因此本文選擇dc=13 cm。

一、二級清種補種區(qū)長度對排種性能的影響如圖15所示。

圖15 L1、L2 對排種性能影響的單因素試驗結果Fig.15 Single factor experimental results of influence of L1 and L2 on seeding performance

由表3 和圖15a 可知，L1對漏播指數、重播指數、合格指數有顯著影響。隨著L1的增加，漏播指數先減小后增加，重播指數減小，合格指數先增加后減小。當L1＞22.5 cm 時，雖重播指數為0，但合格指數較低，且漏播指數極高，甚至超過10%，不滿足預切種甘蔗橫向種植的農藝要求，因此，正交試驗L1的取值范圍為7.5 cm≤L1≤22.5 cm。

當L1較小時，清種空間較小，蔗段極易快速充滿一級清種補種區(qū)并堆積在二級清種補種區(qū)，圖16a 為二級清種補種區(qū)上存儲較多蔗段，隨著蔗槽傳送被帶出，從而導致重播指數增加；當L1較大時，一級清種補種區(qū)行程較長，過大的空間使蔗段極易轉向，造成漏播指數極大。

圖16 排種狀態(tài)Fig.16 Seeding state

由表3 和圖15b 可知，L2對漏播指數、重播指數、合格指數有顯著的影響。隨著L2的增加，漏播指數呈增加的趨勢，重播指數呈減小的趨勢，合格指數先增加后減小。當L2＞22.5 cm，漏播指數極大、合格指數較低；當7.5 cm≤L2≤ 22.5 時，漏播指數較低，合格指數較高，重播指數≤ 5%，滿足預切種甘蔗橫向種植的農藝要求。因此，正交試驗L2的取值范圍為7.5 cm≤L2≤ 22.5 cm。

當L2較小時，二級清種補種區(qū)行程較短，存儲的蔗段容易隨傳送帶運動被帶出而增大重播指數；隨著L2的增加，提升過程蔗段回流后易轉向概率增大，補種入槽難，從而增大漏播指數，并降低重播指數；圖16b 為L2=30 cm 時第9、10 s 時的排種狀態(tài)，回流蔗段在二級清種補種區(qū)傾斜，蔗段無法及時有效補種，造成漏播，但蔗段掉落后會重新調整為有序，可繼續(xù)補種。

排種帶速度對排種性能的影響如圖17 所示。

圖17 排種帶速度對排種性能的影響Fig.17 Influence of seed belt speed on seed performance

由表3 和圖17 可知，排種帶速度對漏播指數有顯著的影響，對重播指數、合格指數無顯著性影響。隨著排種帶轉速的增大，漏播指數先減小后增大，而重播指數、合格指數先增大后減小。v1＜60 mm/s 時，漏播指數極大，且合格指數較低，因此，正交試驗v1的 取值范圍為60 mm/s≤v1≤120 mm/s。

當排種帶速度較小時，蔗段兩端在一級清種補種區(qū)受力不均勻，易轉向；且速度較小時，蔗段提升過程主要受到滑動摩擦力的作用，而蔗段彎曲使摩擦力不均勻加劇轉向，因此，蔗段在一級清種補種區(qū)難以入槽，漏播指數極高，重播指數和合格指數較低。隨著排種帶速度的增加，蔗段從滑動摩擦轉換成滾動摩擦，減小兩端的力不平衡，漏播指數降低，重播指數和合格指數增高。當排種帶速度較高時，蔗段在集蔗箱出料口處入槽充種加快，蔗段只有少部分在一級清種補種區(qū)進行一次補種，較少蔗段進入到二級清種補種區(qū)進行二次補種，漏播指數增大、重播指數降低。如圖18 為不同排種帶速度的充種效果。

圖18 不同排種帶速度下的充種效果Fig.18 Seed filling effect of different seeding belt speeds

單因素試驗表明，L1、L2對漏播指數、重播指數、合格指數具有顯著影響，v1對漏播指數影響顯著。為研究顯著性因素L1、L2、v1對漏播指數、重播指數、合格指數的綜合影響，進行進一步的正交試驗。

3.2.4 二次回歸正交旋轉組合試驗

根據單因素試驗結果，為確定清種補種空間參數，綜合考慮L1、L2、v1對排種性能的影響，進行二次回歸正交旋轉組合試驗，以漏播指數y1、重播指數y2及合格指數y3為評價指標。試驗因素編碼如表5 所示。

表5 二次回歸正交旋轉組合試驗因素編碼表Table 5 Factor coding table for quadratic regression orthogonal rotation combination test

二次回歸正交旋轉組合試驗結果如表6 所示。

表6 二次回歸正交旋轉組合試驗結果Table 6 Result of quadratic regression orthogonal rotation combination test

使用Design-expert 數據分析軟件對漏播指數以及重播指數指標進行方差分析，結果如表7 所示。由表7 可知，漏播指數、重播指數以及合格指數的回歸模型擬合度極顯著，其回歸方程失擬不顯著。

表7 二次回歸正交旋轉組合試驗方差分析Table 7 Analysis of variance in quadratic regression orthogonal rotation combination test

對試驗數據進行多元回歸擬合，分別建立漏播指數、重播指數、合格指數的二次多項式回歸模型：

根據所建立的回歸方程，得到各因素與試驗指標的響應曲面如圖19 所示。由圖19 可知，漏播指數隨L1、L2的增加呈先減小后增加的趨勢，重播指數隨L1、L2的增加呈先增后減的趨勢。

圖19 各因素對排種性能指標的影響Fig.19 Effects of various factors on seed metering performance index

為了保證有序排種,尋求約束條件范圍內的各因素最優(yōu)組合。因為甘蔗為多年生作物，漏種多直接造成出芽率低、缺株斷壟，影響甘蔗產量，因此，本文選擇最小漏播指數作為優(yōu)化目標，重播指數≤5%，合格指數≥90%。利用Design-expert 優(yōu)化模塊求解因素水平內的較優(yōu)參數組合，目標函數和約束條件如式（27）所示。

求解得到L1=13 cm、L2=16 cm、v1=97 mm/s，此時漏播指數為2.8%，重播指數為4%，合格指數為93%。

3.2.5 驗證試驗

根據上述試驗結果，以較優(yōu)組合參數開展驗證性試驗。試驗方法、指標測量與前述試驗一致。將清種補種上提式排種器與常規(guī)無清種補漏功能的上提式排種器[24]進行對比試驗，試驗效果如圖20 所示，試驗結果如表8所示，漏播指數為1.7%，重播指數為3.5%，合格指數為94.8%，與常規(guī)提升排種的漏播指數6.9%相比，漏播指數降低75%，清種補種上提式排種器可有效降低漏播指數，提高排種精度。

表8 驗證試驗結果Table 8 Validation test results

圖20 驗證試驗排種效果Fig.20 Seeding effect of verification test

4 討論

1）蔗段的提升行程極大影響排種的有序性，當行程超過蔗段長度，漏播指數甚至超過10%，無法滿足農藝要求。因此，應該采取縮短排種行程的措施降低漏播指數，提高合格指數。本文采用具有清種補種功能的排種器，利用彈性板進行彈性清種，并減小蔗段回流的運動空間和運動行程，以達到提高排種有序性的目的。

2）前期研究中，采用提升排種器對排種性能進行研究[24]。探討了傳送鏈角度、集蔗箱傾角以及鏈軸轉速對漏播指數、重播指數及合格指數的影響，未對種箱進行探討。而實際工作過程中，種箱很大，提升后回流的蔗段交錯亂序概率增加。本文增加的分蔗板，可有效對蔗段進行分區(qū)，減少蔗段之間的相互擾動，進一步降低蔗段轉向概率。

3）蔗段彎曲不規(guī)則、直徑變化大，對精準排種造成困難，后續(xù)實際應用中需對排種器的適應性開展試驗研究。

4）考慮到田間作業(yè)的環(huán)境惡劣致使排種器的抖動、前進速度不穩(wěn)定，后續(xù)還應繼續(xù)開展振動、前進速度、路面坡度等因素對排種性能的影響規(guī)律研究。

5 結論

1）為解決現有雙芽段甘蔗橫向種植機排種器排種過程漏播、精準性差的問題，研制了一種具有清種補種功能的上提式排種器。對其工作過程進行理論、仿真分析及參數確定。

2）采用EDEM-RecurDyn 耦合仿真分析，分析蔗段的力學、運動學規(guī)律，并通過推壓試驗確定彈性板的參數。利用單因素試驗得到：一、二級清種補種區(qū)長度對漏播指數、重播指數、合格指數有顯著性影響，排種帶速度對漏播指數具有顯著性影響，而對重播指數、合格指數影響不顯著。

3）進行二次回歸正交旋轉組合試驗及Design-Expert 軟件分析，建立了各試驗因素與漏播指數、重播指數、合格指數關系的數學模型，利用多目標優(yōu)化方法獲得最佳參數組合。

4）驗證試驗結果表明：當一級清種補種區(qū)長度為13 cm、二級清種補種區(qū)長度為16 cm、排種帶速度為97 mm/s 時，清種補種上提式排種器漏播指數僅為1.7%、重播指數為3.5%、合格指數為94.8%；與常規(guī)上提式排種器的漏播指數6.9%相比，漏播指數降低了75%，所設計的排種器可增加排種有序性，有利于促進甘蔗生產的增產增收。