雙螺旋振動(dòng)式馬鈴薯供種裝置離散元仿真及優(yōu)化

摘要：

對(duì)丘陵山區(qū)馬鈴薯切塊種薯播種機(jī)械化程度低的問(wèn)題，提出一種雙螺旋振動(dòng)式供種裝置，通過(guò)EDEM仿真試驗(yàn)對(duì)切塊薯在料斗內(nèi)輸送過(guò)程進(jìn)行研究，并設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)通過(guò)響應(yīng)面法對(duì)切塊薯振動(dòng)式供種裝置關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高供種速率。通過(guò)理論分析和仿真試驗(yàn)表明，影響切塊薯物料輸送效率的因素包括振動(dòng)裝置工作電壓、單個(gè)軌道螺距以及底面傾角，其中工作電壓和單個(gè)軌道螺距通過(guò)改變物料在螺旋軌道上的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)調(diào)整輸送速率，而底面傾角通過(guò)改變物料分散進(jìn)入螺旋軌道的速度來(lái)提高。通過(guò)正交試驗(yàn)和響應(yīng)面法，得到較優(yōu)參數(shù)：工作電壓200V，單個(gè)軌道螺距186.626mm，料斗底面傾角為5.075°時(shí)，輸送速率最高為214粒/min，滿足馬鈴薯切塊薯排種器供種需求。該研究為后續(xù)丘陵山區(qū)馬鈴薯精量播種技術(shù)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯；振動(dòng)排種；供種裝置；離散元法；正交試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 04-0023-09

收稿日期：2023年10月14日" 修回日期：2024年2月4日

基金項(xiàng)目：四川省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFQ0070）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金 （SWU120004）

第一作者：周百冬，男，1999年生，江西撫州人，碩士研究生；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化。E-mail： 1543013698@qq.com

通訊作者：李成松，男，1976年生，四川南充人，博士，教授；研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程。E-mail： 1453056262@qq.com

Discrete element simulation research and optimization of double-channel

vibration potato seed feeder

Zhou Baidong1， Niu Qi1， Yu Wei1， Xie Shouyong1， 2， Wang Lihong1， 2， Li Chengsong1， 2

（1. College of Engineering and Technology， Southwest University， Chongqing， 400715， China;

2. Chongqing Key Laboratory of Agricultural Equipment for Hilly and Mountainous Areas，

Southwest University， Chongqing， 400715， China）

Abstract：

In response to the problem of low mechanization of potato block planting in hilly and mountainous areas， a double-helix vibrating seed supply device was proposed. The EDEM simulation test was used to study the conveying process of the cutting potato in the hopper， and the orthogonal test was designed. The key parameters of the cutting potato vibrating seed supply device were optimized and the seed supply rate was improved by the response surface method. Through theoretical analysis and simulation experiments， it was shown that the factors affecting the conveying efficiency of cut potato materials included the working voltage of the vibration device， the pitch of a single track and the inclination angle of the bottom surface. The working voltage and the pitch of a single track adjusted the conveying rate by changing the movement speed of the material on the spiral track， while the inclination angle of the bottom surface was improved by changing the speed of the material dispersed into the spiral track. Through orthogonal experiment and response surface method， the optimal parameters were obtained as follows： working voltage was 200 V， single track pitch was 186.626 mm， hopper bottom inclination angle was 5.075°， and the maximum conveying rate was 214 grains/min， which met the demand of potato seed metering device. This study provided a theoretical reference for the subsequent precision seeding technology of potatoes in hilly and mountainous areas.

Keywords：

potato; vibration seeding; seed feed device; discrete element method; orthogonal test

0 引言

馬鈴薯機(jī)械化播種是提高馬鈴薯產(chǎn)量的關(guān)鍵步驟。排種器是馬鈴薯播種機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，對(duì)于播種質(zhì)量和效率有著重要影響［1］。西南混作區(qū)種植面積約占40%，但是由于種植區(qū)域多為丘陵山地，地塊狹小，栽培模式復(fù)雜等原因，機(jī)械化播種率不足10%，且缺少適用于該地區(qū)的馬鈴薯播種機(jī)械［2］。目前國(guó)內(nèi)外常用的馬鈴薯排種器通?？梢苑譃闄C(jī)械式和氣力式，機(jī)械式包括勺舀式、轉(zhuǎn)盤(pán)式、針刺式等，氣力式包括氣吸式和氣吹式。由于西南丘陵山區(qū)工作條件的限制，現(xiàn)在的播種機(jī)在使用過(guò)程中都存在重播、嚴(yán)重漏播等問(wèn)題，制約了該地區(qū)馬鈴薯播種機(jī)械化的發(fā)展［3， 4］。

種薯整列拾取技術(shù)是排種器的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要作用是將雜亂無(wú)序的種薯進(jìn)行拾取、分離和投種［2］。電磁振動(dòng)式播種是通過(guò)電磁激振器產(chǎn)生的電磁力提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)振動(dòng)部件進(jìn)行規(guī)律性振動(dòng)，使堆積的物料進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并沿軌道單列輸送，在物料輸送過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)種子的單粒拾取、分離并可以通過(guò)出料口聯(lián)結(jié)投種裝置實(shí)現(xiàn)低速投種［5］。

在國(guó)內(nèi)，俞亞新等［6］研制了振動(dòng)式稻種胚胎有序排列排種器，分析了稻種在振動(dòng)板上的運(yùn)動(dòng)特性，解析了形成排列緊密的種子流的條件；夏萍等［7］設(shè)計(jì)了以催芽水稻種子為主的振動(dòng)式包衣排種器，描述主要結(jié)構(gòu)和工作原理，對(duì)包衣種子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并開(kāi)展臺(tái)架試驗(yàn)和作物生長(zhǎng)試驗(yàn)；李耀明等［8］種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立振動(dòng)臺(tái)模型并采用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)模擬種子運(yùn)動(dòng)過(guò)程，明確振動(dòng)臺(tái)的振頻、彈簧剛度、質(zhì)量、偏心距等影響種子運(yùn)動(dòng)和吸種效果。國(guó)外振動(dòng)技術(shù)在播種方面運(yùn)用相關(guān)研究較少，Li等［9］采用數(shù)值模擬方法對(duì)農(nóng)作物種子振動(dòng)分篩過(guò)程進(jìn)行研究，確定其有效分篩的臨界速度；Ilea等［10， 11］對(duì)于振動(dòng)清選過(guò)程中種子物料在水平篩上的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了相關(guān)研究，并對(duì)振動(dòng)狀態(tài)下摩擦平面上的物料顆粒模型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析，明晰了振動(dòng)條件下種子的向前運(yùn)動(dòng)向后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及碰撞分離原因。

以上研究表明對(duì)于振動(dòng)播種和輸送方式已有許多相關(guān)研究，但是目前振動(dòng)排序輸送技術(shù)多用于外形規(guī)則統(tǒng)一的物料分選與供給，關(guān)于不規(guī)則的馬鈴薯切塊種薯（簡(jiǎn)稱切塊薯）物料的輸送規(guī)律相關(guān)研究較少。此外，離散元法（Discrete Element Method）是近年來(lái)廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)及優(yōu)化，該方法可以對(duì)物料顆粒的形狀和物理模型進(jìn)行準(zhǔn)確描述，并從微觀角度研究分析種子物料與排種器之間的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系，是研究種子物料顆粒在排種裝置中運(yùn)動(dòng)特性的重要研究方法［12-15］，適用于切塊薯物料在螺旋軌道運(yùn)動(dòng)過(guò)程的分析。

本文基于電磁振動(dòng)原理設(shè)計(jì)一種雙螺旋通道振動(dòng)式切塊薯供種裝置，對(duì)振動(dòng)料斗內(nèi)切塊薯輸送原理進(jìn)行理論分析，確定影響排種性能關(guān)鍵因素，采用EDEM軟件對(duì)輸送過(guò)程進(jìn)行仿真試驗(yàn)，對(duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)雙螺旋通道切塊薯振動(dòng)供種裝置結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為后續(xù)振動(dòng)式切塊薯排種器設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 雙螺旋通道振動(dòng)供種裝置結(jié)構(gòu)及模型

振動(dòng)式排種器供種裝置主要由兩個(gè)部分構(gòu)成：料斗和電磁振動(dòng)裝置，如圖1所示。其中上半部分為振動(dòng)料斗，內(nèi)側(cè)固定了兩條螺旋輸送通道，呈對(duì)稱分布，用于切塊種薯的排列輸送；料斗底部設(shè)置傾角，能夠使堆積的種薯分散，便于種薯進(jìn)入并通過(guò)螺旋軌道向上進(jìn)行單列輸送供種。下半部分為電磁振動(dòng)裝置，包括主振板彈簧、電磁線圈和底座等結(jié)構(gòu)。

通常上部振動(dòng)料斗通過(guò)主振板彈簧與固定底座聯(lián)結(jié)，在工作過(guò)程電磁鐵產(chǎn)生作用力，并轉(zhuǎn)化為主振板彈簧彈性勢(shì)能，使振動(dòng)料斗垂直向下位移并產(chǎn)生圍繞圓周中心的耦合旋轉(zhuǎn)，磁力消失時(shí)，由主振彈簧釋放彈性勢(shì)能，對(duì)料斗內(nèi)部接觸的物料產(chǎn)生垂直彈簧切線的作用力，這個(gè)力使得料斗內(nèi)物料沿料斗螺旋軌道進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。通過(guò)電磁激振器不斷運(yùn)動(dòng)，使振動(dòng)料斗中的堆積物料連續(xù)不斷進(jìn)行分散運(yùn)動(dòng)，然后沿著料斗內(nèi)壁的螺旋軌道向上排序輸送，實(shí)現(xiàn)物料的分散和排序輸送［16-18］。

供種裝置是振動(dòng)式排種器的重要部件，參照西南地區(qū)馬鈴薯播種的農(nóng)藝要求，播種的合理株距為350mm，播種方式為單壟雙行，每穴單粒切塊種薯，采用雙螺旋通道進(jìn)行單列排序輸送，每個(gè)螺旋通道出料口對(duì)應(yīng)一個(gè)排種口以滿足播種農(nóng)藝要求，通過(guò)換算雙螺旋振動(dòng)料斗供種速率需要達(dá)到160粒/min。

2 振動(dòng)料斗排序輸送原理研究

切塊薯物料在振動(dòng)料斗內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，在進(jìn)入螺旋軌道之前，隨著振動(dòng)過(guò)程會(huì)在料斗底部進(jìn)行分散運(yùn)動(dòng)，隨著底面傾角的增加，切塊薯物料在料斗底部運(yùn)動(dòng)是所受沿底面方向的重力加速度分力和激振力也會(huì)增加，會(huì)使擴(kuò)散速度加快，從而影響切塊薯在振動(dòng)料斗內(nèi)的輸送速度。

當(dāng)切塊薯進(jìn)入螺旋軌道后，選取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中單粒種薯作為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析，如圖2所示。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中只考慮單列輸送情況，此時(shí)軌道上的切塊薯種薯只與前后兩粒種薯存在相互作用。切塊薯在螺旋軌道上緊貼料斗內(nèi)壁進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，因此忽略離心方向的力和運(yùn)動(dòng)。因此作用在單粒切塊薯上的作用力包括：電磁振動(dòng)裝置提供的激振力F，為了便于受力分析可以將其分為沿螺旋軌道切面方向的分力Ft和沿垂直螺旋軌道方向上的分力Fn；沿螺旋軌道切面向下的摩擦力f；前后兩粒種薯的作用力F1、F2；料斗內(nèi)壁摩擦力（可忽略不計(jì)）以及重力mg。

參考相關(guān)文獻(xiàn)［19-21］可知，激振力與電磁料斗的振幅之間具有正相關(guān)，增加工作電壓可以提高料斗振幅及增加激振力，當(dāng)激振力增加時(shí)，其作用在切塊薯上的沿螺旋軌道切面向上和垂直向上的分力Ft和Fn均會(huì)增加，且Ft增幅會(huì)大于受到Fn增加而增加的摩擦力f。因此提高工作電壓會(huì)增加物料輸送速度。

在振動(dòng)料斗高度H和直徑D都確定時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)單個(gè)軌道螺距L改變調(diào)節(jié)螺旋升角。計(jì)算如式（3）、式（4）所示。

當(dāng)螺距增加時(shí)，螺旋升角增加所受摩擦力增加，物料輸送速度降低，而隨著螺距增加，物料輸送軌道的長(zhǎng)度降低。因此，螺距對(duì)于輸送效果的影響較為復(fù)雜難以直接判斷。

物料在料斗內(nèi)上的運(yùn)動(dòng)速度包括進(jìn)入軌道前在料斗底面進(jìn)行擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和在螺旋軌道上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，通過(guò)以上理論分析可以確定影響排種效率的主要因素是工作電壓、單個(gè)軌道螺距以及底面傾角。增加底面傾角可以使種薯更快進(jìn)入螺旋軌道，提高輸送效率；增加工作電壓可以提高振幅，從而增加物料運(yùn)動(dòng)速度提高輸送速度；螺距對(duì)于物料運(yùn)動(dòng)效果影響較為復(fù)雜。

3 基于離散元法的切塊薯輸送過(guò)程仿真分析

所建立模型的準(zhǔn)確性和可靠性是保證仿真試驗(yàn)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)，而對(duì)模型的適當(dāng)簡(jiǎn)化可以在保證正確性的同時(shí)降低仿真的難度，因此進(jìn)行以下簡(jiǎn)化。（1）在仿真試驗(yàn)中忽略切塊薯表皮和內(nèi)核之間差異，將其視為一體，用相同的參數(shù)特性來(lái)表示；（2）在模型的構(gòu)建過(guò)程中忽視種芽的位置及大小，忽視切塊薯表面的凹陷，將切塊薯表面視作規(guī)則；（3）忽視極少量尺寸形狀參數(shù)與其他種薯有較大差異的種薯。

3.1 離散元仿真模型的構(gòu)建

西南混作區(qū)常用馬鈴薯切塊薯進(jìn)行播種，在種薯的處理過(guò)程中通常按照質(zhì)量大小進(jìn)行不同切塊［22］，如圖3所示。

切塊薯形狀大小不統(tǒng)一，形狀不規(guī)則，因此難以直接簡(jiǎn)化成規(guī)則的球體或橢球形模型。本文選取常用荷蘭15號(hào)切塊薯種薯，參考相關(guān)文獻(xiàn)［23， 24］進(jìn)行參數(shù)測(cè)定，并建立切塊薯種薯模型。分析種薯在螺旋軌道上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)過(guò)程，需要考慮切塊種薯形狀尺寸相關(guān)參數(shù)，而切塊薯的外形尺寸并不規(guī)則，常用的圖形比較法、投影法、幾何體類(lèi)似法等并不適用，參考相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)于不規(guī)則物料的分類(lèi)標(biāo)定［25］，將馬鈴薯切塊薯按照切面數(shù)量和形狀分成四種類(lèi)型：?jiǎn)吻忻姘肭蛐?、三切面扇形、雙切面梯形和三切面楔形，按其外形特點(diǎn)和尺寸參數(shù)構(gòu)建模型，進(jìn)行離散單元顆粒填充，其離散元模型如圖4所示。

基于Hertz-Mindlin（無(wú)滑動(dòng)）接觸理論，模型如圖5所示，可以分析切塊薯在軌道上的接觸。

基于該模型，切塊薯顆粒在顆粒間或者顆粒和模型間所受法向力Fn和切向力Ft滿足式（5）、式（6）。

Fn=43E*R*δn32

（5）

Ft=-Stδt

（6）

式中：

E*——等效彈性模量；

R*——等效接觸半徑；

δn——法向重疊量；

δt——切向重疊量；

St——切向剛度。

切塊薯物料間或物料—材料間法向阻尼力Fdn及切向阻尼力Fdt滿足式（7）、式（8）。

Fdn=-256βSnm*vreln

（7）

Fdt=-256βStm*vrelt

（8）

β=lneln2e+π2

（9）

Sn=2E*R*δn

（10）

St=8G*R*δn

（11）

G*=（2-v12）/G1+（2-v22）/G2

（12）

式中：

β——阻尼比；

m*——等效質(zhì)量；

v1——顆粒A的泊松比；

v2——顆粒B的泊松比；

Sn——法向剛度；

St——切向剛度；

vreln——法向相對(duì)速度；

vrelt——切向相對(duì)速度。

切向力Ft還受到庫(kù)倫摩擦力f的限制，其中f=μsFn，μs為靜摩擦系數(shù)。

滾動(dòng)摩擦系數(shù)可以通過(guò)接觸面上的力矩Ti來(lái)體現(xiàn)，如式（13）所示。

Ti=-μrFnRiωi

（13）

式中：

μr——滾動(dòng)摩擦系數(shù)；

Ri——質(zhì)心到接觸點(diǎn)位置距離；

ωi——接觸點(diǎn)角速度。

在切塊薯供種過(guò)程中，存在切塊薯種薯與振動(dòng)料斗之間相互作用。在振動(dòng)供種裝置模型的建立過(guò)程中，假定振動(dòng)料斗材料為45鋼。通過(guò)查詢相關(guān)文獻(xiàn)［23-25］和測(cè)定可得仿真參數(shù)如表1所示。

為了驗(yàn)證切塊薯離散元模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)EDEM仿真和實(shí)際試驗(yàn)測(cè)定了切塊薯物料的休止角。按照相同條件并分別進(jìn)行3次重復(fù)測(cè)定，實(shí)際試驗(yàn)測(cè)定休止角平均值為27.3°，仿真試驗(yàn)平均值為26.8°，相對(duì)誤差為1.8%，表明構(gòu)建模型后仿真與實(shí)際結(jié)果基本吻合，說(shuō)明構(gòu)建切塊薯模型與實(shí)際模型物理特性上存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.2 離散元仿真試驗(yàn)

電磁振動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)電磁振動(dòng)供種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)確定，其振動(dòng)激勵(lì)也就確定，在EDEM中電磁振動(dòng)激勵(lì)可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行代替，供種裝置在激振器作用下的正弦螺旋圓周振動(dòng)是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可分為垂直振動(dòng)和水平圓周振動(dòng)2部分，因此可以給裝置模型添加垂直方向和圓周方向的正弦運(yùn)動(dòng)函數(shù)來(lái)模擬正弦式水平圓周運(yùn)動(dòng)。正弦式垂直運(yùn)動(dòng)函數(shù)和正弦式水平圓周運(yùn)動(dòng)函數(shù)如式（14）所示。

Y（t）=y0sin（2πfHz）

φ（t）=φ0sin（2πfHz）

（14）

式中：

Y（t）——垂直方向位移，mm；

y0——垂直振幅，mm；

φ（t）——圓周方向運(yùn)動(dòng)角度，（°）；

φ0——圓周方向角振幅，（°）；

fHz——振動(dòng)頻率，Hz。

選用電磁振動(dòng)器的振動(dòng)頻率為50Hz，電壓范圍為0～220V，調(diào)節(jié)精度為10V，振動(dòng)裝置彈簧安裝半徑為rA=160mm，彈簧安裝角φA=20°，垂直振幅和角振幅之間的關(guān)系如式（15）所示。

φ0=y0rAtanφA×180π

（15）

式中：

φ0——角振幅，（°）；

y0——垂直振幅，mm；

rA——彈簧安裝點(diǎn)A處半徑，mm；

φA——彈簧安裝角，（°）。

電磁振動(dòng)裝置電磁激勵(lì)隨著工作電壓變大而增加，并通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定切塊薯物料進(jìn)入螺旋軌道臨界電壓為160V，并通過(guò)三軸位移傳感器測(cè)定160～220V范圍內(nèi)不同對(duì)壓所對(duì)應(yīng)的電磁振動(dòng)垂直振幅，并通過(guò)式（7）計(jì)算出對(duì)應(yīng)角振幅，結(jié)果如表2所示。

根據(jù)切塊薯物料參數(shù)和農(nóng)藝要求，參考振動(dòng)裝置設(shè)計(jì)過(guò)程［26］，建立直徑為500mm、高度為250mm的電磁振動(dòng)料斗模型。根據(jù)理論分析確定的影響輸送速度的因素，選擇單軌螺距、工作電壓、底面傾角作為試驗(yàn)因素，選擇分散并輸送所有物料顆粒的總時(shí)間T為評(píng)價(jià)指標(biāo)，輸送總時(shí)間T包括物料顆粒在料斗底部運(yùn)動(dòng)時(shí)間t1和在螺旋軌道上輸送時(shí)間t2。通過(guò)驗(yàn)證裝置結(jié)構(gòu)合理性和預(yù)實(shí)驗(yàn)，確定仿真因素水平如表3所示。

在振動(dòng)供種裝置中心正上方創(chuàng)建100mm×100mm大小的顆粒工廠，根據(jù)不同類(lèi)型種薯比例生成相應(yīng)數(shù)量的種薯，生成數(shù)量為120粒，生成時(shí)間設(shè)置10s，切塊馬鈴薯種薯質(zhì)量分布選取隨機(jī)分布（random）。仿真過(guò)程如圖6所示。首先設(shè)定底面傾角為6°，單個(gè)螺旋軌道螺距為190mm，工作電壓作為變量進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，在仿真過(guò)程中隨機(jī)選取若干粒螺旋軌道上的切塊薯物料并獲得其在螺旋軌道輸送過(guò)程的平均運(yùn)動(dòng)速度，并結(jié)合動(dòng)態(tài)輸送過(guò)程研究不同工作電壓對(duì)于輸送速度及輸送總時(shí)間T的影響。

同樣仿真條件下再分別設(shè)置底面傾角為6°，工作電壓為190V；工作電壓為190V，單軌螺距為190mm兩種參數(shù)條件，分別研究單軌螺距和底面傾角為變量對(duì)于輸送特性的影響。

3.3 仿真結(jié)果分析

以工作電壓190V、螺距為200mm、軌道寬度為50mm的仿真試驗(yàn)為例對(duì)切塊薯在螺旋軌道上輸送過(guò)程進(jìn)行分析。在仿真過(guò)程中不同時(shí)刻切塊薯運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖7所示。仿真開(kāi)始，顆粒工廠開(kāi)始生成切開(kāi)薯顆粒，并隨重力隨機(jī)掉落在振動(dòng)料斗底部，隨時(shí)間推移逐漸開(kāi)始堆積，如圖7（a）所示。5s開(kāi)始電磁振動(dòng)料斗開(kāi)始進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，顆粒工廠繼續(xù)生成物料顆粒，堆積的切塊薯物料在電磁振動(dòng)作用下逐漸分散并進(jìn)入兩側(cè)螺旋軌道開(kāi)始進(jìn)行輸送，并在10s時(shí)停止顆粒物料生成，如同圖7（b）所示。隨著仿真進(jìn)行料斗底部物料顆粒持續(xù)進(jìn)入螺旋軌道并逐漸運(yùn)動(dòng)到兩端出料口，在輸送過(guò)程中，切塊薯速度差異較小，輸送效果穩(wěn)定，如圖7（c）所示。在輸送過(guò)程中，重復(fù)堆疊的物料顆粒在兩端顆粒擠壓作用下跌落至底部，并隨著底部其他顆粒重新進(jìn)入螺旋軌道，如圖7（d）所示。

對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到不同工作電壓對(duì)于切塊薯運(yùn)動(dòng)速度以及輸送總時(shí)間影響如圖8、圖9所示。當(dāng)其他條件工相同時(shí)，切塊薯在螺旋軌道上運(yùn)動(dòng)速度隨工作電壓不斷增加而增加。同樣隨著工作電壓增加，電磁振動(dòng)料斗輸送總時(shí)間減少，即輸送效率提高。但是當(dāng)工作電壓增加到200V以后，輸送效率提升不再明顯。結(jié)合仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，隨著工作電壓增加，振動(dòng)料斗垂直振幅和角振幅增大，切塊薯在料斗底面擴(kuò)散至螺旋軌道入口的速度和在螺旋軌道上運(yùn)動(dòng)的速度均得到提升，輸送時(shí)間減少，效率提升，但是當(dāng)工作電壓超過(guò)200V時(shí)，此時(shí)振動(dòng)料斗工作振幅大于物料切塊薯物料在螺旋軌道上滑動(dòng)的臨界振幅，切塊薯物料開(kāi)始產(chǎn)生跳躍運(yùn)動(dòng)，此時(shí)切塊薯運(yùn)動(dòng)方向不再沿著螺旋軌道方向向上，因此物料平均運(yùn)動(dòng)速度增加，但是沿軌道方向分速度變化不明顯，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于跳躍運(yùn)動(dòng)容易使切塊薯物料的堆疊并跌落軌道，需要重新進(jìn)行排序輸送。

不同單螺旋軌道螺距對(duì)于切塊薯運(yùn)動(dòng)速度以及輸送總時(shí)間影響如圖10、圖11所示。在一定范圍內(nèi)當(dāng)單個(gè)軌道螺距增加時(shí)，振動(dòng)裝置提高的激振力方向與螺旋軌道平面方向夾角減小，激振力沿螺旋軌道向上的分力增大，因此物料在軌道上平均速度增加，且此時(shí)螺旋軌道長(zhǎng)度減小，輸送時(shí)間明顯減少，輸送效率提升。隨著螺距增加至190mm后，激振力與軌道夾角減小大零后增加，物料運(yùn)動(dòng)平均速度快速下降，輸送效率降低。

不同底面傾角對(duì)于物料在螺旋軌道上的運(yùn)動(dòng)幾乎無(wú)影響，主要是通過(guò)影響物料在料斗底面堆積后分散進(jìn)入螺旋軌道的速度，從而影響輸送效率，其對(duì)于輸送效率影響如圖12所示。隨著底面傾角的增加，物料分散并從底部進(jìn)入螺旋軌道的時(shí)間明顯較小，但由于分散時(shí)間較短，因此對(duì)于輸送效率提升并不明顯。并且通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程的觀察，在增加底面傾角時(shí)，使切塊薯物料更容易在料斗底面的內(nèi)壁和兩個(gè)單螺旋軌道入口產(chǎn)生堆積，影響切塊薯進(jìn)入螺旋軌道。

4 正交試驗(yàn)優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過(guò)單因素試驗(yàn)研究不同工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于輸送速度和效率的影響，并以相同仿真試驗(yàn)條件（設(shè)置生成240粒切塊薯，生成時(shí)間設(shè)置為15s）進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。以振動(dòng)裝置工作電壓、單螺旋軌道螺距以及料斗底面傾角作為水平因素，輸送速率W為評(píng)價(jià)指標(biāo)，W為每分鐘從兩個(gè)排種口輸送的切塊薯物料總數(shù)，單位為粒/min。參考Box-Benhnken Design（BBD）原理設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，其優(yōu)化試驗(yàn)因素水平如表4所示，仿真結(jié)果如表5所示。X1、X2、X3為各因素編碼值。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選擇Design-Expert分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。采用ANOVA分析可以得出切塊薯物料輸送速率與水平因素之間關(guān)系，回歸方程為

Y=

204.4+31.63X1-7.50X2-1.13X3-3.25X1X2+2.5X1X3-25X2X3-26.45X12-28.20X22-2.95X32

回歸模型方差分析如表6所示。

根據(jù)各個(gè)因素回歸系數(shù)大小，可以得出結(jié)論，工作電壓對(duì)于輸送速率影響極其顯著，單個(gè)軌道螺距對(duì)于輸送速率影響顯著，料斗底面傾角對(duì)于輸送速率影響不顯著。

4.3 響應(yīng)面分析

采用響應(yīng)面圖更能夠直觀判斷各因素對(duì)于輸送速率的影響，由二次回歸模型方程得出各個(gè)因素交互影響響應(yīng)曲面如圖13所示。

輸送速率隨工作電壓增加而提高并直至趨于穩(wěn)定，隨著螺距增加先增大后減小，底面傾角對(duì)于輸送速率幾乎無(wú)影響。

排種速率是排種器的關(guān)鍵參數(shù)之一，供種裝置輸送速率越高，排種器工作效率越高。因此選擇輸送速率最大為目標(biāo)，對(duì)建立的二次回歸模型進(jìn)行尋優(yōu)，得到工作電壓為202.249V，由于振動(dòng)料斗控制器調(diào)節(jié)精度為10V，因此電磁振動(dòng)料斗的最優(yōu)工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)為工作電壓200V，單個(gè)軌道螺距186.626mm，料斗底面傾角5.075°，此時(shí)輸送速率為214粒/min。

5 結(jié)論

1） 在電磁振動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)固定后，垂直振幅和角振幅只有工作電壓相關(guān)，電磁振動(dòng)料斗結(jié)構(gòu)確定后，影響物料在料斗內(nèi)輸送效率的因素包括工作電壓、單個(gè)軌道螺距以及料斗底面傾角。工作電壓和單個(gè)軌道螺距通過(guò)影響物料在螺旋軌道上運(yùn)動(dòng)速度來(lái)影響輸送效率，底面傾角通過(guò)影響物料在料斗底面分散并進(jìn)入兩條螺旋軌道的時(shí)間，來(lái)影響物料在料斗中的輸送效率。

2） 當(dāng)工作電壓小于200V時(shí)，通過(guò)提升工作電壓可以提高種薯在螺旋軌道上的運(yùn)動(dòng)速度，并提升輸送效率，當(dāng)工作電壓大于200V時(shí)，繼續(xù)提升工作電壓仍可以提高運(yùn)送速度，但由于跳躍運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生，沿螺旋軌道上的速度提升不明顯，并造成輸送效果穩(wěn)定性降低，輸送速率難以繼續(xù)提升。單個(gè)軌道螺距小于190mm時(shí)，提升螺距會(huì)提升輸送速度和效率，大于190mm時(shí)，繼續(xù)提升會(huì)降低。底面傾角對(duì)于輸送速率影響較小，且工作電壓越大，振動(dòng)越明顯，其對(duì)于輸送效率影響越小。

3） 設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，通過(guò)響應(yīng)面法確定最優(yōu)參數(shù)為工作電壓為200V，單個(gè)軌道螺距為186.626mm，料斗底面傾角為5.075°，此時(shí)輸送速率為214粒/min，誤差為3.69%，優(yōu)化結(jié)果可靠，能夠較好地滿足排種器的供種需求，為后續(xù)排種器和播種機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。

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