許健　蔡宗壽　張國(guó)帥　沈鵬

摘要：為優(yōu)化傾斜圓盤(pán)勺式大豆排種器的最佳排種性能參數(shù)（取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角、取種勺直徑、工作轉(zhuǎn)速），對(duì)其關(guān)鍵部件取種勺的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析并建立充種過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型。采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)，運(yùn)用離散元軟件EDEM對(duì)排種器排種性能進(jìn)行正交虛擬排種試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到各個(gè)試驗(yàn)因素的回歸方程，利用Matlab繪制三維等值線(xiàn)圖，確定各參數(shù)對(duì)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算得出最優(yōu)參數(shù)組合，當(dāng)取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角為30.1°，取種勺直徑為7.2 mm，工作轉(zhuǎn)速為49 r/min時(shí)，合格指數(shù)為96.85%，重播指數(shù)為2.01%，漏播指數(shù)為1.14%。

關(guān)鍵詞：大豆排種器;取種勺;工作原理;離散元法;旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn);最優(yōu)參數(shù)組合;精密播種

中圖分類(lèi)號(hào)： S223.2? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A? 文章編號(hào)：1002-1302（2019）04-0192-05

精密播種是將種子合理均勻地放置在所需的間距以保證每粒種子擁有合適種植面積的先進(jìn)技術(shù)，是現(xiàn)代播種作業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。排種器是實(shí)現(xiàn)精密播種的核心部件，其工作性能和穩(wěn)定性將直接影響播種機(jī)的工作質(zhì)量[1-2]。傾斜圓盤(pán)勺式排種器作為機(jī)械式排種器，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能較好，目前被廣泛應(yīng)用于播種機(jī)上。但目前已有的傾斜圓盤(pán)勺式排種器在作業(yè)過(guò)程中難以保持工作性能的穩(wěn)定性和高效性，不能完全滿(mǎn)足實(shí)際精密播種的作業(yè)要求[3]。

離散元法具有計(jì)算大量顆粒在給定條件下如何運(yùn)動(dòng)的能力，被廣泛應(yīng)用于排種器性能分析[4-6]。劉濤等運(yùn)用離散元法研究不同型孔結(jié)構(gòu)對(duì)窩眼輪式排種器的種群擾動(dòng)強(qiáng)度[7]。陳進(jìn)等借助離散元法分析振動(dòng)種盤(pán)中水稻種群的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[8]。劉宏新等創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種對(duì)置斜盤(pán)排種器，并用離散元法驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性[9]。本研究以?xún)A斜圓盤(pán)勺式大豆排種器為試驗(yàn)載體，對(duì)其關(guān)鍵部件取種勺的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析并建立充種過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，以重播率、漏播率和合格率為排種性能指標(biāo)，運(yùn)用離散元軟件EDEM進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，旨在利用一定的計(jì)算方法獲得排種器的最優(yōu)參數(shù)組合，為排種器樣機(jī)試制及優(yōu)化提供理論依據(jù)，促進(jìn)精密播種行業(yè)的發(fā)展。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 主要結(jié)構(gòu)

如圖1-a所示，排種器主要由取種勺、排種勺盤(pán)、隔板、導(dǎo)種輪、殼體等部件組成，其中取種勺是排種器的核心工作部件，其結(jié)構(gòu)尺寸與配置的合理性將直接影響排種器的工作性能。排種勺盤(pán)上均勻分布18個(gè)取種勺，與導(dǎo)種輪的18個(gè)導(dǎo)種室凹槽一一對(duì)應(yīng)。傾斜圓盤(pán)排種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是排種勺盤(pán)與垂直方向成β角，這種傾斜配置的排種器具有提高種子側(cè)向充填的能力，并且該型排種器無(wú)需格外的清種裝置，種子能在自身重力作用下自動(dòng)清種，可有效避免機(jī)械損傷。

1.2 工作原理

排種器工作過(guò)程主要分為充種、清種、遞種、護(hù)種和投種5個(gè)串聯(lián)階段（圖1-b）。當(dāng)排種器正常工作時(shí)，種子隨種箱進(jìn)入充種區(qū)，播種機(jī)的行走輪通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)排種勺盤(pán)和導(dǎo)種輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，大豆種子在排種盤(pán)的旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)下進(jìn)行分種，種子在自身重力、種子間的相互作用力及取種勺支持力共同作用下，側(cè)向充填進(jìn)取種勺內(nèi)，完成充種過(guò)程;隨著取種勺的繼續(xù)向上轉(zhuǎn)動(dòng)至清種區(qū)，穩(wěn)定存在于取種勺內(nèi)的多粒種子，在力系發(fā)生轉(zhuǎn)變的情況下，逐漸回落至充種區(qū)，直至取種勺內(nèi)僅存1粒種子，該階段為清種;取種勺攜單粒種子繼續(xù)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)至隔板處的導(dǎo)種口時(shí)，單粒種子在重力沿軸心分力及離心力的共同作用下進(jìn)入導(dǎo)種室，完成遞種環(huán)節(jié);位于導(dǎo)種室內(nèi)的種子在導(dǎo)種輪和隔板的護(hù)送下繼續(xù)向下轉(zhuǎn)動(dòng)至投種區(qū)，該階段為護(hù)種;種子被運(yùn)移至投種點(diǎn)在自身重力和離心力作用下落入播種機(jī)開(kāi)溝器形成的穴孔中，完成投種進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)精密播種。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 取種勺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

取種勺是排種器工作的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)形狀及尺寸參數(shù)直接影響排種器工作的可靠性。在充種過(guò)程中，取種勺隨著排種勺盤(pán)進(jìn)行圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在取種勺設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)保證取種勺內(nèi)弧面光滑過(guò)渡設(shè)計(jì)，以避免取種勺邊緣對(duì)種子造成機(jī)械損傷。以取種勺攜種空間中心（近似為種子質(zhì)心）為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立空間直角坐標(biāo)系OXYZ（圖2），取種勺的攜種空間由圓柱和四棱錐體在頂部斜相交組成。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角α、取種勺直徑d。

取種勺直徑過(guò)小時(shí)，種子在充種過(guò)程中很難側(cè)向充填進(jìn)取種勺內(nèi)，導(dǎo)致漏播現(xiàn)象;取種勺直徑過(guò)大時(shí)，多粒種子容易側(cè)向充填進(jìn)取種勺內(nèi)，但多余的種子在清種區(qū)無(wú)法有效地靠重力自行清種，存在多粒種子進(jìn)入導(dǎo)種輪，引起重播現(xiàn)象。同理，當(dāng)取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角過(guò)小時(shí)，取種勺對(duì)種子的把持作用很弱，致使種子在未到隔板開(kāi)口處就回落，造成漏播現(xiàn)象;當(dāng)取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角過(guò)大時(shí)，取種勺對(duì)種子把持作用過(guò)強(qiáng)，致使多余的種子在清種區(qū)無(wú)法順利回落，造成重播現(xiàn)象。為提高取種勺工作性能，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，取種勺基本參數(shù)應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則[10]為

3 基于EDEM的輔助參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

為優(yōu)化取種凹勺結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高排種器排種性能，選擇取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角（以下簡(jiǎn)稱(chēng)切線(xiàn)傾斜角）、取種勺直徑以及工作轉(zhuǎn)速3個(gè)因素進(jìn)行仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)[11]。

3.1 顆粒模型與幾何模型的建立

以中黃39大豆種子為研究對(duì)象，隨機(jī)取樣1 200粒，分別對(duì)其長(zhǎng)、寬、厚的三維尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按其尺寸頻率分布均值建立顆粒模型，統(tǒng)計(jì)得出，中黃39大豆種子的球形率高達(dá)96.8%，因此可以在離散元仿真軟件中設(shè)置顆粒為球體。由于仿真模擬只須將與種子接觸的幾何部件導(dǎo)入EDEM軟件中，因此將排種器模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，應(yīng)用三維軟件Pro/E對(duì)其建模（圖4）。

3.2 EDEM軟件仿真

根據(jù)材料庫(kù)及文獻(xiàn)[12]數(shù)據(jù)得出大豆種子和排種器相互間的物理特性（表1）。

由于大豆種子表面無(wú)黏附作用，因此選擇Hertz-MindLin（no slip）built-in為仿真接觸模型。為保證仿真時(shí)排種器工作有足夠的顆粒和仿真時(shí)間，設(shè)置生成1 200粒大豆種子模型，半徑平均值為3.452 mm，采用正態(tài)分布的方式

生成顆粒尺寸，標(biāo)準(zhǔn)差為0.086，設(shè)置固定時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigth時(shí)間步長(zhǎng)的16%，仿真時(shí)間總長(zhǎng)為20 s，其中前2 s為充種過(guò)程。每次仿真結(jié)束后，在投種口下方建立Grid Bin Group（網(wǎng)格組），以便檢測(cè)計(jì)算排種性能的相關(guān)指標(biāo)，仿真過(guò)程如圖5所示。

3.3 仿真試驗(yàn)因素與指標(biāo)

試驗(yàn)指標(biāo)根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》確立，性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括合格指數(shù)A、重播指數(shù)D、漏播指數(shù)M。

根據(jù)上述理論分析及實(shí)際排種器作業(yè)要求，合理控制試驗(yàn)因素變化范圍，每個(gè)試驗(yàn)方案重復(fù)3次，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，因素水平編碼見(jiàn)表2，試驗(yàn)方案與結(jié)果見(jiàn)表3。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.4.1 合格指數(shù) 運(yùn)用SPSS數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)表3合格指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，其回歸方程檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

運(yùn)用Matlab繪制三維等值線(xiàn)圖（圖6）。

由回歸方程和三維等值線(xiàn)圖可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)3因素對(duì)合格指數(shù)顯著性影響大小順序是工作轉(zhuǎn)速>切線(xiàn)傾斜角>取種勺直徑。

3.4.2 重播指數(shù) 同理，對(duì)表3重播指數(shù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，其回歸方程檢驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

運(yùn)用Matlab繪制三維等值線(xiàn)圖（圖8）。

由回歸方程和三維等值線(xiàn)圖可知，在試驗(yàn)范圍內(nèi)3因素對(duì)漏播指數(shù)顯著性影響大小順序是工作轉(zhuǎn)速>取種勺直徑>切線(xiàn)傾斜角。

3.4.4 排種器性能優(yōu)化 根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》要求可知，排種器合格率應(yīng)大于80%，重播率應(yīng)小于15%，漏播率應(yīng)小于8%，以此建立的約束函數(shù)[13]為

根據(jù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型和排種器各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的回歸方程，利用Matlab中非線(xiàn)性?xún)?yōu)化fmincon函數(shù)，以合格率最大和重播率、漏播率最小為條件進(jìn)行尋優(yōu)處理。優(yōu)化處理結(jié)果：取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角為30.1°，取種勺直徑為7.2 mm，工作轉(zhuǎn)速為49 r/min。在此條件下進(jìn)行仿真驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，排種器合格指數(shù)為96.85%，重播指數(shù)為2.01%，漏播指數(shù)為1.14%。

4 結(jié)論

以?xún)A斜圓盤(pán)勺式大豆排種器為試驗(yàn)載體，對(duì)其關(guān)鍵部件取種勺的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行研究分析并建立充種過(guò)程動(dòng)力學(xué)模型。運(yùn)用EDEM軟件作正交排種虛擬試驗(yàn)，通過(guò)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)建立3個(gè)考察指標(biāo)的回歸方程。運(yùn)用Matlab繪制3個(gè)考察指標(biāo)的等值線(xiàn)圖，得到試驗(yàn)因素對(duì)各指標(biāo)的影響趨勢(shì)并確定影響合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素。確定該型排種器的最佳參數(shù)組合，當(dāng)取種勺凹曲面切線(xiàn)傾斜角為30.1°，取種勺直徑為7.2 mm，工作轉(zhuǎn)速為49 r/min時(shí)，排種性能最優(yōu)，此時(shí)排種器合格指數(shù)為96.85%，重播指數(shù)為2.01%，漏播指數(shù)為1.14%。

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