清種補(bǔ)種上提式甘蔗排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鐘家勤，陶利民，李尚平，車日富，李凱華，何永玲

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西民族大學(xué)電子信息學(xué)院，南寧 530006；3.廣西海洋工程裝備與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，欽州 535011；4.廣西高校北部灣近海海洋工程裝備與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，欽州 535011；5.廣西欽州力順機(jī)械有限公司，欽州 535000）

0 引言

甘蔗種植作為甘蔗生產(chǎn)過(guò)程中勞動(dòng)強(qiáng)度最大的環(huán)節(jié)之一，目前其自動(dòng)化、機(jī)械化程度仍處于較低水平。預(yù)切種式甘蔗精準(zhǔn)種植是現(xiàn)階段的主流研究方向[1-2]，目前，廣西“雙高”基地正在進(jìn)行大面積推廣預(yù)切種雙芽段甘蔗橫向種植，深受蔗農(nóng)的歡迎。與縱向種植相比，該種植技術(shù)具有分蘗強(qiáng)、出芽率高、耗種量少和抗倒伏能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[3-8]。但其機(jī)械化種植存在排種精度低、均勻性難以滿足農(nóng)藝要求等問(wèn)題。

為解決預(yù)切種甘蔗排種不均、漏播等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究。TAGHINEZHAD 等[9-10]分析了預(yù)切種種植機(jī)排種輥耙齒和播種速度對(duì)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(duì)排種性能的影響；SAENGPRACHATANARUG 等[13]通過(guò)改進(jìn)提升式排種器的夾板結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)排種效果；TITINAI等[14]分別改進(jìn)了種箱傾斜角度、鏈槽間距來(lái)提高排種精度；CLEMENT[15]設(shè)計(jì)了種箱底部鏈傳動(dòng)輸送蔗段的供種裝置以解決堆疊問(wèn)題；HE 等[16]利用振動(dòng)式排種裝置避免傷芽；WANG 等[17]試驗(yàn)研究了耙桿鏈夾角、蔗段數(shù)量對(duì)排種合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的影響。蘇微等[18]設(shè)計(jì)了一種預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器，闡明了最速降線提高充種性能的原理；黃小文等[19-21]對(duì)帶取種針式排種器、振動(dòng)式排種器、指甲式排種器進(jìn)行了研究。上述研究可一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排種，雖提高了排種效率及排種精度，但普遍仍存在對(duì)蔗段適應(yīng)性差、排種不均勻的問(wèn)題[22-23]。且研究主要集中在甘蔗預(yù)切種的縱向種植領(lǐng)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(duì)于雙芽段甘蔗橫向排種的相關(guān)研究技術(shù)還不夠成熟，大多機(jī)械采用人工播種的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度極大、排種精度低。

為解決雙芽段甘蔗橫向種植機(jī)精準(zhǔn)性不高的問(wèn)題，本文在課題組前期開(kāi)發(fā)的倒三角形集蔗-上提式排種器基礎(chǔ)上，根據(jù)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(dòng)態(tài)補(bǔ)種功能，又不傷芽的上提式排種器。通過(guò)對(duì)排種過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析，明確對(duì)排種性能影響的主要因素，并通過(guò)平臺(tái)試驗(yàn)分析各因素對(duì)排種效果的影響，確定最優(yōu)參數(shù)。為甘蔗橫向精準(zhǔn)種植提供有益的參考。

1 結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本課題組開(kāi)發(fā)的預(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由開(kāi)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(jī)構(gòu)）、落種機(jī)構(gòu)、施肥機(jī)構(gòu)、覆土覆膜機(jī)構(gòu)、地輪等組成。排種器工作時(shí)，集蔗箱中的蔗段經(jīng)過(guò)提升排種機(jī)構(gòu)輸送至落種機(jī)構(gòu)，再有序落至種床，完成甘蔗的橫向精準(zhǔn)播種。本文針對(duì)其中的上提式排種器進(jìn)行分析。

圖1 預(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)主要結(jié)構(gòu)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(yù)切種式甘蔗橫向種植機(jī)精準(zhǔn)播種的關(guān)鍵部件。根據(jù)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(shí)現(xiàn)甘蔗橫向種植、均勻間隔布種和避免漏播、重播。但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)蔗段在提升輸送的過(guò)程中，易于向后翻轉(zhuǎn)、回流，從而造成排種亂序和漏播現(xiàn)象。針對(duì)該排種器的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種清種補(bǔ)種上提式排種器，其在提升輸送過(guò)程中可完成分蔗、排序、彈性清種、分級(jí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)種等功能。

排種器的結(jié)構(gòu)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(guò)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(yùn)動(dòng)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(jìn)行入槽排序，分蔗清種板對(duì)出料口堆積的蔗段產(chǎn)生阻力進(jìn)行撥蔗，限制進(jìn)入一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)的蔗段量，以減小蔗段擾動(dòng)空間及蔗段回流對(duì)集蔗區(qū)蔗段有序性的影響。另部分蔗段則隨排種帶運(yùn)動(dòng)輸送至一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)以供排序以及初步補(bǔ)種。

經(jīng)初步排序以及補(bǔ)種后的蔗段隨排種帶運(yùn)動(dòng)，彈性板對(duì)蔗槽上層冗余的蔗段產(chǎn)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(yùn)動(dòng)至二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)，部分蔗段提升中繼續(xù)前進(jìn)，多余的蔗段則會(huì)再回流至二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)，進(jìn)行二次排種調(diào)整、補(bǔ)種。

清種補(bǔ)種過(guò)程可根據(jù)蔗段橫向穩(wěn)態(tài)傳送的約束原理，利用提升過(guò)程中排種帶、彈性板、一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)及二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)對(duì)蔗段的動(dòng)態(tài)約束作用，使得冗余、亂序的蔗段進(jìn)行動(dòng)態(tài)地調(diào)整。同時(shí)，因增加彈性板，減小蔗段回流的運(yùn)動(dòng)空間和運(yùn)動(dòng)行程，可有效降低蔗段回流轉(zhuǎn)向的概率，利于蔗段橫向有序排種，實(shí)現(xiàn)排種過(guò)程的實(shí)時(shí)補(bǔ)種，達(dá)到精準(zhǔn)種植。

2 分蔗清種補(bǔ)種過(guò)程分析

雙芽橫向蔗段在上提式排種器中經(jīng)歷排序充種、分蔗、清種、補(bǔ)種等過(guò)程。為了能有效清種、橫向有序排種，合理設(shè)計(jì)排種器的結(jié)構(gòu)，對(duì)分蔗清種過(guò)程、出料口結(jié)拱、清種補(bǔ)種過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)及仿真分析。

2.1 蔗段直徑

蔗段直徑是排種器設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文以中蔗9號(hào)為對(duì)象，隨機(jī)選取預(yù)切好的甘蔗蔗段70 根，長(zhǎng)度l均為30 cm，每個(gè)蔗段上有2 個(gè)及以上蔗節(jié)。測(cè)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(shù)為0.01。

2.2 分蔗清種過(guò)程受力分析

導(dǎo)種板以及分蔗清種板形成逐漸減小的出料口，提升過(guò)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(dòng)性及自身重力向集蔗箱出料口運(yùn)動(dòng)并進(jìn)行排種，在排種帶上形成堆疊。為了分析蔗段在分蔗清種過(guò)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(duì)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(duì)蔗段Q的合力為F，則

式中n為與蔗段Q接觸的蔗段數(shù)量。

在理想狀態(tài)下，蔗段Q作加速度不斷變化的加速運(yùn)動(dòng)，記為a，方向?yàn)榕欧N帶的運(yùn)動(dòng)方向，運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t，則：

聯(lián)立式（1）～（2）可得：

蔗段Q的運(yùn)動(dòng)受其他蔗段作用力的影響，該作用力與集蔗箱中的蔗段數(shù)量、蔗段接觸力相關(guān)。

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(jù)式（5）得到分蔗清種板對(duì)蔗段Q的力：

由式（5）～（6）可知，分蔗清種板對(duì)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(jù)文獻(xiàn)[24]，排種帶傾角θ2取55°。根據(jù)文獻(xiàn)[25]，為使蔗段可以通過(guò)分蔗清種板，同時(shí)阻擋多余蔗段，H2應(yīng)滿足：

式中H為擋板高度，30 mm。結(jié)合蔗段直徑計(jì)算，本文取H2=30 mm。

2.3 導(dǎo)種板與分蔗清種板底端間隙

導(dǎo)種板與分蔗清種板底端間隙影響排種質(zhì)量，間隙小蔗段受到擠壓易出現(xiàn)結(jié)拱堵塞，間隙大則蔗段充種過(guò)快，重播指數(shù)較高。為使蔗段在出料口均勻排序、穩(wěn)定排種，對(duì)出料口的臨界結(jié)拱狀態(tài)進(jìn)行理論分析以獲得出料口的寬度范圍。排種器出料口的結(jié)拱受力分析如圖4 所示。

圖4 出料口結(jié)拱分析Fig.4 Analysis of outlet arch

結(jié)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(zhǎng)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(zhǎng)縫隙孔的周長(zhǎng)，m。

蔗段在切向載荷作用下出現(xiàn)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(yīng)力，該壓應(yīng)力沿拱線的切線方向，從中央向拱基移動(dòng)逐漸增大，在拱基A、B處的值最大，對(duì)其做莫爾應(yīng)力圓（σa，0），中央拱點(diǎn)E的應(yīng)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(jì)算式如下：

根據(jù)式（7）～（11）得dc為

代入各已知數(shù)值得到dc≥0.129 m。本文通過(guò)試驗(yàn)分析確定dc值。

2.4 清種補(bǔ)種過(guò)程分析

蔗段提升過(guò)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(shí)，彈性板將蔗段阻擋在板下部的一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)。該區(qū)起到限流、回種作用，使冗余蔗段排序、清種、補(bǔ)種。蔗段較多時(shí)，蔗段進(jìn)入二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)，以備二次回種、補(bǔ)種。

2.4.1 彈性板結(jié)構(gòu)

彈性板是一塊具有彈性的弧形清種板。為了避免清種不當(dāng)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(shè)計(jì)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(qiáng)度。H1越小清種強(qiáng)度越大，但同時(shí)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(jí)清種補(bǔ)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(duì)彈性板變形量進(jìn)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(yīng)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(guān)，而彈性板的剛度與其底端半徑R1呈 負(fù)相關(guān)關(guān)系、與厚度δ 呈正相關(guān)關(guān)系。為保證彈性板的清種、補(bǔ)種效果，本文通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)確定R1、δ 值。

2.4.2 蔗段補(bǔ)種過(guò)程分析

排種帶上蔗段的充種過(guò)程如圖6 所示，在時(shí)間t內(nèi)蔗段必須通過(guò)的路程S[24]為

圖6 蔗段充種過(guò)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(zhì)心初速度，m/s；s′為擋板的厚度，5 mm；vt為蔗段質(zhì)心脫離擋板的速度，m/s。

假設(shè)蔗段作純滾動(dòng)，其受到的滾動(dòng)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(bǔ)種[24]，結(jié)合式（16）～（18）得：

計(jì)算得到排種帶速度v1≤0 .138 m/s，即v1≤138 mm/s，因此，排種過(guò)程中的穩(wěn)定補(bǔ)種與排種帶速度有關(guān)，本文通過(guò)單因素試驗(yàn)分析排種帶速度對(duì)排種效果的影響。

2.4.3 清種補(bǔ)種空間的分析

在彈性板作用下，輸送過(guò)程中蔗段因不平衡碰撞力而傾斜，若一、二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)空間過(guò)大，則傾斜蔗段回流時(shí)易轉(zhuǎn)向，甚至豎直。本文通過(guò)對(duì)蔗段在清種、補(bǔ)種過(guò)程的運(yùn)動(dòng)分析確定清種補(bǔ)種空間的主要參數(shù)。

1）蔗段碰撞回流受力分析

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

式中v2為碰撞末速度，m/s；t1為 碰撞初始時(shí)刻，s；t2為碰撞結(jié)束時(shí)刻，s；Fp為碰撞力，N。

將彈性板視為線彈性介質(zhì)，對(duì)其碰撞力作用后產(chǎn)生的彈塑性變形進(jìn)行簡(jiǎn)化，碰撞時(shí)的最大沖擊力[34]為

式中m2為彈性板的質(zhì)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(jù)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(guān)。為使蔗段能進(jìn)行有效限流、補(bǔ)種，本文進(jìn)行蔗段與彈性板碰撞力的仿真分析，基于碰撞結(jié)果，對(duì)不同厚度彈性板進(jìn)行剛性推拉試驗(yàn)，以確定其厚度。

2）蔗段在清種補(bǔ)種過(guò)程的空間及受力分析

在一、二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)輸送過(guò)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(bǔ)種，一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)蔗段應(yīng)滿足條件：

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

3）清種補(bǔ)種過(guò)程仿真分析

蔗段在排種過(guò)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(diǎn)的變化導(dǎo)致蔗段轉(zhuǎn)向，因此，清種補(bǔ)種空間既要有一定的蔗段容量，又不能過(guò)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(xué)模型，相關(guān)離散元仿真參數(shù)參考文獻(xiàn)[30]及測(cè)量確定，如表1 所示。將排種器模型簡(jiǎn)化保存為X-T 格式導(dǎo)入EDEM，將分蔗清種板及彈性板導(dǎo)入RecurDyn，在RecurDyn 柔性化彈性板，建立wall，導(dǎo)入到EDEM，模型如圖8 所示。仿真時(shí)間步長(zhǎng)為25%，網(wǎng)格尺寸取2.5倍最小球形單元尺寸，仿真時(shí)間為30 s。

圖8 仿真模型Fig.8 Simulation model

對(duì)蔗段進(jìn)行標(biāo)記，隨機(jī)選取排種前、后段編號(hào)分別為12、14、16、33、35 和37 的6 個(gè)蔗段，利用EDEM后處理對(duì)蔗段進(jìn)行受力分析，結(jié)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(hào)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(guò)彈性板進(jìn)入二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)；較大的碰撞力集中在排種前段的蔗段，因?yàn)橐患?jí)清種補(bǔ)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(hào)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(jīng)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?yàn)橐患?jí)清種補(bǔ)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(bǔ)種空間對(duì)排種性能的影響，對(duì)蔗段運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析。圖10 為排種帶速度80 mm/s 下提升輸送過(guò)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(bǔ)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(bǔ)種空間較大（如圖10b 所示，L1=22.5 cm），則蔗段回流后極易轉(zhuǎn)向而無(wú)法對(duì)空槽進(jìn)行補(bǔ)種。圖11 為L(zhǎng)1、L2對(duì)漏播指數(shù)的影響，漏播指數(shù)隨L1、L2的增大呈增大的趨勢(shì)。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(guò)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(yùn)動(dòng)空間足夠大，蔗段極易轉(zhuǎn)成豎向，直接影響清種補(bǔ)種的性能，因此，需探究適合的L1、L2等參數(shù)對(duì)排種效果的影響。

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

圖11 L1、L2 對(duì)漏播指數(shù)的影響Fig.11 Impact of L1 and L2 on miss-seeding index

3 臺(tái)架性能試驗(yàn)

3.1 彈性板推壓試驗(yàn)

為了確定彈性板的厚度和底端半徑，進(jìn)行推壓試驗(yàn)。

3.1.1 材料與方法

試驗(yàn)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(yàn)選擇R1為25～40 mm。

試驗(yàn)裝置如圖12 所示，由彈性板、壓板、指針推拉力計(jì)（型號(hào)：NK-200，精度: ±1%）、游標(biāo)卡尺，臥式手搖拉力計(jì)測(cè)試座組成。

圖12 推壓測(cè)試裝置Fig.12 Push test device

將指針推拉計(jì)的推頭對(duì)準(zhǔn)壓板中部進(jìn)行壓力測(cè)試，通過(guò)手柄調(diào)整推進(jìn)距離，游標(biāo)卡尺測(cè)量推進(jìn)距離，每推進(jìn)5 mm 記錄一次測(cè)量值。各因素重復(fù)試驗(yàn)3 次，取平均值。

3.1.2 結(jié)果分析

在R1=25 mm 時(shí)進(jìn)行厚度推壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)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(jù)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(wú)法起到清種作用。當(dāng)彈性板的厚度≥3 mm 時(shí)可承受大于20 N 的壓力。當(dāng)厚度為5 mm 時(shí)，能承受100～120 N 的壓力，此時(shí)彈性板既能起到清種作用，又能在蔗段較多時(shí)分離部分蔗段至二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)進(jìn)行二次補(bǔ)種。因此本文選用彈性板厚度為5 mm。

圖13 推壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Pushing test result

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

3.2 清種補(bǔ)種區(qū)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)排種性能影響試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)平臺(tái)

以中蔗9 號(hào)為試驗(yàn)材料，含水率70%，集蔗箱內(nèi)蔗段數(shù)量為40 根。試驗(yàn)采用自制的PVC 傳送帶排種器，如圖14 所示，試驗(yàn)平臺(tái)由集蔗箱（根據(jù)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(jī)、調(diào)速器、臺(tái)架組成。

圖14 試驗(yàn)平臺(tái)Fig.14 Test platform

3.2.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)指標(biāo)

將預(yù)切蔗段有序擺放在集蔗箱內(nèi)，開(kāi)啟電機(jī)，排種帶將蔗段提升輸送，待集蔗箱內(nèi)的蔗段完全排出后，關(guān)閉電機(jī)[24]。采用攝像機(jī)對(duì)排種過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將排出的蔗段再次倒入集蔗箱，各因素水平重復(fù)試驗(yàn)3 次，取平均值。按照《GBT 6 973-2005 單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》評(píng)價(jià)漏播指數(shù)y1、重播指數(shù)y2、排種合格指數(shù)y3等指標(biāo)。堵塞試驗(yàn)以堵塞次數(shù)為指標(biāo)。

3.2.3 單因素試驗(yàn)

為分析dc對(duì)排種堵塞的影響，分析L1、L2、v1對(duì)漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)的影響，選取dc、L1、L2、v1進(jìn)行單因素試驗(yàn)，各因素水平如表2 所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Table 2 Levels of test factors

根據(jù)2.4.3 節(jié)仿真試驗(yàn)，L1=15 cm、L2=15 cm 時(shí)，漏播指數(shù)較低，且預(yù)試驗(yàn)表明v1=100 mm/s 時(shí)漏播指數(shù)較低，因此，單因素試驗(yàn)在L1=15 cm、L2=15 cm、v1=100 mm/s條件下進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。導(dǎo)種板與分蔗清種板底端的間隙對(duì)堵塞效果的影響如表4 所示。

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

表4 堵塞次數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of blockage number

由表4 可知，隨dc減小，堵塞次數(shù)增多，在dc≥13 cm 時(shí)，無(wú)堵塞和斷層下落，蔗段運(yùn)動(dòng)流暢，因此本文選擇dc=13 cm。

一、二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)長(zhǎng)度對(duì)排種性能的影響如圖15所示。

圖15 L1、L2 對(duì)排種性能影響的單因素試驗(yàn)結(jié)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(duì)漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)有顯著影響。隨著L1的增加，漏播指數(shù)先減小后增加，重播指數(shù)減小，合格指數(shù)先增加后減小。當(dāng)L1＞22.5 cm 時(shí)，雖重播指數(shù)為0，但合格指數(shù)較低，且漏播指數(shù)極高，甚至超過(guò)10%，不滿足預(yù)切種甘蔗橫向種植的農(nóng)藝要求，因此，正交試驗(yàn)L1的取值范圍為7.5 cm≤L1≤22.5 cm。

當(dāng)L1較小時(shí)，清種空間較小，蔗段極易快速充滿一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)并堆積在二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)，圖16a 為二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)上存儲(chǔ)較多蔗段，隨著蔗槽傳送被帶出，從而導(dǎo)致重播指數(shù)增加；當(dāng)L1較大時(shí)，一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)行程較長(zhǎng)，過(guò)大的空間使蔗段極易轉(zhuǎn)向，造成漏播指數(shù)極大。

圖16 排種狀態(tài)Fig.16 Seeding state

由表3 和圖15b 可知，L2對(duì)漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)有顯著的影響。隨著L2的增加，漏播指數(shù)呈增加的趨勢(shì)，重播指數(shù)呈減小的趨勢(shì)，合格指數(shù)先增加后減小。當(dāng)L2＞22.5 cm，漏播指數(shù)極大、合格指數(shù)較低；當(dāng)7.5 cm≤L2≤ 22.5 時(shí)，漏播指數(shù)較低，合格指數(shù)較高，重播指數(shù)≤ 5%，滿足預(yù)切種甘蔗橫向種植的農(nóng)藝要求。因此，正交試驗(yàn)L2的取值范圍為7.5 cm≤L2≤ 22.5 cm。

當(dāng)L2較小時(shí)，二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)行程較短，存儲(chǔ)的蔗段容易隨傳送帶運(yùn)動(dòng)被帶出而增大重播指數(shù)；隨著L2的增加，提升過(guò)程蔗段回流后易轉(zhuǎn)向概率增大，補(bǔ)種入槽難，從而增大漏播指數(shù)，并降低重播指數(shù)；圖16b 為L(zhǎng)2=30 cm 時(shí)第9、10 s 時(shí)的排種狀態(tài)，回流蔗段在二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)傾斜，蔗段無(wú)法及時(shí)有效補(bǔ)種，造成漏播，但蔗段掉落后會(huì)重新調(diào)整為有序，可繼續(xù)補(bǔ)種。

排種帶速度對(duì)排種性能的影響如圖17 所示。

圖17 排種帶速度對(duì)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(duì)漏播指數(shù)有顯著的影響，對(duì)重播指數(shù)、合格指數(shù)無(wú)顯著性影響。隨著排種帶轉(zhuǎn)速的增大，漏播指數(shù)先減小后增大，而重播指數(shù)、合格指數(shù)先增大后減小。v1＜60 mm/s 時(shí)，漏播指數(shù)極大，且合格指數(shù)較低，因此，正交試驗(yàn)v1的 取值范圍為60 mm/s≤v1≤120 mm/s。

當(dāng)排種帶速度較小時(shí)，蔗段兩端在一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)受力不均勻，易轉(zhuǎn)向；且速度較小時(shí)，蔗段提升過(guò)程主要受到滑動(dòng)摩擦力的作用，而蔗段彎曲使摩擦力不均勻加劇轉(zhuǎn)向，因此，蔗段在一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)難以入槽，漏播指數(shù)極高，重播指數(shù)和合格指數(shù)較低。隨著排種帶速度的增加，蔗段從滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)換成滾動(dòng)摩擦，減小兩端的力不平衡，漏播指數(shù)降低，重播指數(shù)和合格指數(shù)增高。當(dāng)排種帶速度較高時(shí)，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(jí)清種補(bǔ)種區(qū)進(jìn)行一次補(bǔ)種，較少蔗段進(jìn)入到二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)進(jìn)行二次補(bǔ)種，漏播指數(shù)增大、重播指數(shù)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(yàn)表明，L1、L2對(duì)漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)具有顯著影響，v1對(duì)漏播指數(shù)影響顯著。為研究顯著性因素L1、L2、v1對(duì)漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)的綜合影響，進(jìn)行進(jìn)一步的正交試驗(yàn)。

3.2.4 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，為確定清種補(bǔ)種空間參數(shù)，綜合考慮L1、L2、v1對(duì)排種性能的影響，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，以漏播指數(shù)y1、重播指數(shù)y2及合格指數(shù)y3為評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)因素編碼如表5 所示。

表5 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)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(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Result of quadratic regression orthogonal rotation combination test

使用Design-expert 數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)漏播指數(shù)以及重播指數(shù)指標(biāo)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表7 所示。由表7 可知，漏播指數(shù)、重播指數(shù)以及合格指數(shù)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(zhuǎn)組合試驗(yàn)方差分析Table 7 Analysis of variance in quadratic regression orthogonal rotation combination test

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，分別建立漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)的二次多項(xiàng)式回歸模型：

根據(jù)所建立的回歸方程，得到各因素與試驗(yàn)指標(biāo)的響應(yīng)曲面如圖19 所示。由圖19 可知，漏播指數(shù)隨L1、L2的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，重播指數(shù)隨L1、L2的增加呈先增后減的趨勢(shì)。

圖19 各因素對(duì)排種性能指標(biāo)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(nèi)的各因素最優(yōu)組合。因?yàn)楦收釣槎嗄晟魑?，漏種多直接造成出芽率低、缺株斷壟，影響甘蔗產(chǎn)量，因此，本文選擇最小漏播指數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)，重播指數(shù)≤5%，合格指數(shù)≥90%。利用Design-expert 優(yōu)化模塊求解因素水平內(nèi)的較優(yōu)參數(shù)組合，目標(biāo)函數(shù)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(shí)漏播指數(shù)為2.8%，重播指數(shù)為4%，合格指數(shù)為93%。

3.2.5 驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，以較優(yōu)組合參數(shù)開(kāi)展驗(yàn)證性試驗(yàn)。試驗(yàn)方法、指標(biāo)測(cè)量與前述試驗(yàn)一致。將清種補(bǔ)種上提式排種器與常規(guī)無(wú)清種補(bǔ)漏功能的上提式排種器[24]進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)效果如圖20 所示，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，漏播指數(shù)為1.7%，重播指數(shù)為3.5%，合格指數(shù)為94.8%，與常規(guī)提升排種的漏播指數(shù)6.9%相比，漏播指數(shù)降低75%，清種補(bǔ)種上提式排種器可有效降低漏播指數(shù)，提高排種精度。

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Validation test results

圖20 驗(yàn)證試驗(yàn)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(dāng)行程超過(guò)蔗段長(zhǎng)度，漏播指數(shù)甚至超過(guò)10%，無(wú)法滿足農(nóng)藝要求。因此，應(yīng)該采取縮短排種行程的措施降低漏播指數(shù)，提高合格指數(shù)。本文采用具有清種補(bǔ)種功能的排種器，利用彈性板進(jìn)行彈性清種，并減小蔗段回流的運(yùn)動(dòng)空間和運(yùn)動(dòng)行程，以達(dá)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(duì)排種性能進(jìn)行研究[24]。探討了傳送鏈角度、集蔗箱傾角以及鏈軸轉(zhuǎn)速對(duì)漏播指數(shù)、重播指數(shù)及合格指數(shù)的影響，未對(duì)種箱進(jìn)行探討。而實(shí)際工作過(guò)程中，種箱很大，提升后回流的蔗段交錯(cuò)亂序概率增加。本文增加的分蔗板，可有效對(duì)蔗段進(jìn)行分區(qū)，減少蔗段之間的相互擾動(dòng)，進(jìn)一步降低蔗段轉(zhuǎn)向概率。

3）蔗段彎曲不規(guī)則、直徑變化大，對(duì)精準(zhǔn)排種造成困難，后續(xù)實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)排種器的適應(yīng)性開(kāi)展試驗(yàn)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(dòng)、前進(jìn)速度不穩(wěn)定，后續(xù)還應(yīng)繼續(xù)開(kāi)展振動(dòng)、前進(jìn)速度、路面坡度等因素對(duì)排種性能的影響規(guī)律研究。

5 結(jié)論

1）為解決現(xiàn)有雙芽段甘蔗橫向種植機(jī)排種器排種過(guò)程漏播、精準(zhǔn)性差的問(wèn)題，研制了一種具有清種補(bǔ)種功能的上提式排種器。對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行理論、仿真分析及參數(shù)確定。

2）采用EDEM-RecurDyn 耦合仿真分析，分析蔗段的力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，并通過(guò)推壓試驗(yàn)確定彈性板的參數(shù)。利用單因素試驗(yàn)得到：一、二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)長(zhǎng)度對(duì)漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)有顯著性影響，排種帶速度對(duì)漏播指數(shù)具有顯著性影響，而對(duì)重播指數(shù)、合格指數(shù)影響不顯著。

3）進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)及Design-Expert 軟件分析，建立了各試驗(yàn)因素與漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，利用多目標(biāo)優(yōu)化方法獲得最佳參數(shù)組合。

4）驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)一級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)長(zhǎng)度為13 cm、二級(jí)清種補(bǔ)種區(qū)長(zhǎng)度為16 cm、排種帶速度為97 mm/s 時(shí)，清種補(bǔ)種上提式排種器漏播指數(shù)僅為1.7%、重播指數(shù)為3.5%、合格指數(shù)為94.8%；與常規(guī)上提式排種器的漏播指數(shù)6.9%相比，漏播指數(shù)降低了75%，所設(shè)計(jì)的排種器可增加排種有序性，有利于促進(jìn)甘蔗生產(chǎn)的增產(chǎn)增收。