王鳳花 孫 凱 賴慶輝 董家宇 蘇 微 于慶旭

(昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院， 昆明 650500)

0 引言

目前，我國大多采用人工作業(yè)方式種植微型薯，其勞動強度大、生產(chǎn)效率低，迫切需要實現(xiàn)微型薯的機械化播種[1]。微型薯播種機是實現(xiàn)播種機械化的關(guān)鍵裝備。

微型薯播種機主要分為機械式和氣力式兩大類[2-9]，其中氣力式微型薯播種機具有不傷種、適應(yīng)種子能力強等優(yōu)點。MCLEOD等[10]設(shè)計了一種氣力式微型薯排種裝置，通過負壓吸種、攜種和正壓清種、投種，與機械式播種機相比，有效降低重播率；法國ERME型氣力式微型薯精密播種機[11]采用氣吸播種方式實現(xiàn)微型薯精密播種，提高了播種效率；賴慶輝等[12]設(shè)計了一種氣吸式微型薯精密排種器，采用振動離散種群的方式提高充種率，通過臺架試驗驗證了排種可靠性；毛瓊[13]通過微型薯破損試驗得出，氣吸式排種方式對種薯的損傷率小于1%，滿足微型薯種植農(nóng)藝要求；呂金慶等[14]設(shè)計了一種氣力式精量播種機，采用負壓吸種、正壓投種方式，通過更換吸種嘴可播種常規(guī)薯與微型薯。針對機械式排種方式的微型薯精密播種機，MEIJER等[15]設(shè)計了一種基于帶式排種方式的半自動雙行馬鈴薯播種機，具有較高的播種質(zhì)量，但需人工補種，工作環(huán)境惡劣；BOYDAS等[16]針對鏈勺式微型薯播種機進行了試驗，發(fā)現(xiàn)排種盤轉(zhuǎn)速與漏播指數(shù)成正比，播種過程中微型薯破損率較高；李建東等[17]研制了一種2CM-4B型鏈勺式微型薯精密播種機，由于微型薯尺寸差異較大，重播、漏播指數(shù)及傷種率有待降低。綜上，機械式微型薯播種機結(jié)構(gòu)簡單，但傷種嚴重；氣力式微型薯播種機以大面積種植地為對象，播種質(zhì)量好，效率高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，不符合山地丘陵地區(qū)的播種要求。

本文針對我國山地丘陵地區(qū)的小地塊播種需求，結(jié)合微型薯農(nóng)藝要求，設(shè)計一種單行氣吸式微型薯精密播種機，對排種器、開溝覆土器和傳動系統(tǒng)進行理論分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用EDEM軟件對振動供種機構(gòu)進行仿真分析，并通過田間播種性能試驗，尋求最佳結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)組合。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

氣吸式微型薯精密播種機主要由機架、負壓風(fēng)機、種箱、排種器、開溝器、覆土器、行走地輪等組成，播種機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 氣吸式微型薯精密播種機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure sketch of precision air-suction type planter of minituber1.風(fēng)機動力輸入軸 2.三點懸掛機構(gòu) 3.機架 4.負壓風(fēng)機 5.風(fēng)管 6.種箱 7.排種器 8.電池組 9.行走地輪 10.鏈傳動系統(tǒng) 11.覆土器 12.開溝器 13.帶傳動系統(tǒng)

微型薯播種作業(yè)時，播種機在拖拉機牽引下，帶動地輪轉(zhuǎn)動，地輪通過兩級鏈傳動系統(tǒng)減速后，帶動排種盤轉(zhuǎn)動。同時，拖拉機PTO通過帶傳動系統(tǒng)帶動負壓風(fēng)機轉(zhuǎn)動，為排種器氣室提供負壓。微型薯在重力作用下，由種箱落入排種器振動供種機構(gòu)內(nèi)，在振動供種機構(gòu)的振動下，微型薯處于離散狀態(tài)，并在排種器內(nèi)外壓差的作用下，被吸附在吸孔上，隨排種盤一起轉(zhuǎn)動，當(dāng)微型薯轉(zhuǎn)動至氣室末端時，隨著吸孔移出氣室負壓區(qū)，微型薯失去吸附力，在重力的作用下，掉入種溝，完成排種作業(yè)。覆土器于排種作業(yè)完成后，進行種溝土壤回填，完成覆土工作。

1.2 農(nóng)藝要求及主要技術(shù)指標

針對山地丘陵地區(qū)作業(yè)的氣吸式微型薯播種機采用單壟單行的種植方式，其播種深度為50～100 mm，播種株距為100～250 mm。根據(jù)微型薯種植農(nóng)藝要求，該氣吸式微型薯播種機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 氣吸式微型薯精密播種機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of precision air-suction type planter of minituber

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

2.1 微型薯分級及物理特性

微型薯的物理特性是播種機設(shè)計的重要依據(jù)，本文選用“麗薯6號”微型薯(質(zhì)量1～10 g)作為研究對象，隨機抽取500粒，利用游標卡尺(精度0.02 mm)、ME204E型電子天平(精度0.001 g)及休止角測量儀對微型薯的三軸尺寸、質(zhì)量及休止角進行測量。并依據(jù)農(nóng)業(yè)物料分級要求，按微型薯質(zhì)量將微型薯分為3級。各級微型薯參數(shù)如表2所示。

表2 各級微型薯物理特性參數(shù)Tab.2 Physical characteristics of different levels minitubers

2.2 排種器設(shè)計

排種器作為播種機的核心部件，其工作性能決定了播種機的作業(yè)質(zhì)量。本文采用振動供種氣吸圓盤式排種器，通過振動供種機構(gòu)使種群離散化提高充種率；采用氣力圓盤吸種降低微型薯破損率。該排種器主要由氣室、排種盤、振動機構(gòu)及前后蓋板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。排種器負壓腔由負壓風(fēng)機提供負壓，振動供種機構(gòu)直流電機由蓄電池組供電，蓄電池組與拖拉機自帶蓄電池組并聯(lián)接入拖拉機發(fā)電機輸出端，拖拉機啟動時，發(fā)電機可持續(xù)向蓄電池充電。

圖2 氣吸式微型薯排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic of precision air-suction type seed metering device of minituber1.后蓋板 2.振動機構(gòu) 3.氣室 4.支撐桿 5.密封槽 6.螺栓 7.排種盤 8.振動板 9.前蓋板 10.排種軸 11.帶座軸承 12.直流電機

2.2.1排種盤參數(shù)確定

(1)排種盤直徑

排種盤作為排種器核心部件(圖3)，其直徑?jīng)Q定了排種器的整體結(jié)構(gòu)、吸孔數(shù)量及氣室的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖3 排種盤結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic of structural parameters of seeding disc

一般情況下，充種時間越長，充種性能越好。排種盤直徑和充種時間的關(guān)系為

(1)

式中t0——充種時間，s

L0——充種區(qū)域弧長，m

v0——排種盤吸孔圓心線速度，m/s

δ——充種區(qū)域弧度，rad

D——排種盤直徑，m

Δh——排種盤直徑與吸孔分布圓直徑差，m

ns——排種盤轉(zhuǎn)速，r/min

由式(1)可知，充種時長t0與排種盤轉(zhuǎn)速、充種區(qū)弧度有關(guān)，與排種盤直徑無關(guān)，即充種效果與排種盤直徑無關(guān)。綜合考慮播種速度、排種器質(zhì)量及外形尺寸，選取排種盤直徑D=0.2 m。

(2)吸孔數(shù)量

當(dāng)作業(yè)速度和株距確定的情況下，排種盤上的吸孔數(shù)量增加，可降低排種盤線速度，增大充種時間，有利于提高充種性能，但吸孔數(shù)量過多，所需的風(fēng)機負壓隨之增大。故應(yīng)合理選取排種盤吸孔數(shù)量。排種盤吸孔數(shù)量N應(yīng)滿足

(2)

式中vm——播種機作業(yè)速度，m/s

Lb——播種株距，m

ε——地輪滑移系數(shù),%

排種盤直徑D=0.2 m，取播種機作業(yè)速度vm=0.5 m/s，根據(jù)農(nóng)藝要求，微型薯種植株距為0.10～0.25 m，取Lb=0.20 m，取排種盤轉(zhuǎn)速ns=20 r/min，地輪滑移率ε=6.5%，從而確定吸孔數(shù)量為N=8。

(3)吸孔直徑

吸孔直徑是影響排種器性能的重要因素，氣室負壓一定時，吸孔直徑過大，單位面積吸附力變小，導(dǎo)致漏播指數(shù)增加；若吸孔直徑過小，單位面積吸附力增大，吸附面積減小，針對尺寸較大的種子吸附作用較弱，對較小的種子易造成多粒吸附，重播指數(shù)上升。針對不同直徑和質(zhì)量的種子設(shè)計配套吸孔有助于提高充種率。因此，本文按微型薯的級別分別設(shè)計了3種不同的吸孔直徑。計算式為

d=(0.6～0.7)dp

(3)

式中d——吸孔直徑，mm

dp——各級微型薯平均粒徑，mm

由表2可知，各級微型薯的平均粒徑分別為15.03、20.09、25.55 mm。因此按式(3)確定3種吸孔直徑d分別為11、14、17 mm。

2.2.2振動供種機構(gòu)設(shè)計

研究發(fā)現(xiàn)，在振動的作用下，可增大種群擾動，降低種群內(nèi)摩擦力，利于單個薯種從種群中分離出來，從而提高充種率[18-20]。因此針對微型薯設(shè)計一種機械偏心輪式振動供種機構(gòu)。

振動供種機構(gòu)如圖4所示，直流電機帶動曲柄圓盤逆時針轉(zhuǎn)動，在直線軸承及軸的限位作用下，連桿帶動振動板上下往復(fù)振動，從而使微型薯種群處于“沸騰狀態(tài)”，其中，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)振動板振動頻率，通過調(diào)節(jié)曲柄的長度可調(diào)節(jié)振動幅度。

圖4 振動供種機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structural schematic of vibration mechanism1.支架板 2.直線軸承 3.圓軸 4.振動板 5.微型薯種群 6.調(diào)節(jié)螺栓 7.連桿 8.曲柄圓盤

為研究振動機構(gòu)的振動特性，將振動機構(gòu)簡化為對心式曲柄滑塊機構(gòu)，如圖5所示。

圖5 對心式曲柄滑塊機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structural sketch of centric crank slider mechanism

設(shè)振動板上止點即振動板最高點為O′，由圖5可得

x=R+L-Rcosθ-Lcosσ

(4)

設(shè)λ=R/L為曲柄半徑與連桿長度之比，為方便研究，設(shè)該機構(gòu)運動為正弦運動，即λ=R/L<1，則式(4)可近似簡化為

(5)

其中

k=2πf

(6)

(7)

式中x——振動板位移，m

R——曲柄長度，m

L——連桿長度，m

θ——連桿與圓盤豎直方向夾角，(°)

σ——曲柄與圓盤豎直方向夾角，(°)

k——振動圓頻率t——振動時間，s

f——振動頻率，HzA——振動幅度，m

由式(5)～(7)可得連桿上端點即振動板加速度

a=2Aπ2f2(cos(2πft)+λcos(2πft))

(8)

若微型薯種群處于“沸騰”狀態(tài)，則

max(2Aπ2f2(cos(2πft)+λcos(2πft)))>g

(9)

式中a——振動板加速度，m/s2

g——重力加速度，m/s2

由式(9)可知，影響微型薯種群在振動板上狀態(tài)的因素為振動頻率和振動幅度。為進一步研究振動頻率和振動幅度對種群離散程度的影響，本文利用離散元法，通過離散元仿真軟件EDEM進行振動仿真試驗，探究不同振動頻率和振動幅度對種群的離散規(guī)律，為最佳振動參數(shù)的確定提供理論參考。仿真模型如圖6所示。

圖6 振動供種數(shù)值模擬仿真模型Fig.6 Numerical simulation models of vibration seed-filling

種群離散程度增大時，種子相對運動隨之增大，種群與振動板相對距離和相對速度增加[20]。本文以振動頻率為2、6、10 Hz，振動幅度為10、20、30 mm作為仿真試驗水平，以種群與振動板的相對速度為試驗指標衡量種群離散程度。仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 振動仿真試驗結(jié)果Fig.7 Result of vibration simulation test

由圖7可得，振動頻率與振動幅度較小時，種群與振動板無相對運動，此時微型薯之間摩擦力較大，充種率低；隨著振動頻率和振動幅度的增大，相對速度增大，種群離散程度增加，種群內(nèi)摩擦力降低，充種率提高。當(dāng)振動頻率和振動幅度過大，振動板內(nèi)微型薯運動激烈，導(dǎo)致部分微型薯脫離吸孔和振動板，播種質(zhì)量降低。仿真試驗表明，振動頻率為6 Hz，振動幅度為20 mm時，微型薯離散程度較高，充種效果較好。

2.2.3吸種過程力學(xué)分析

假設(shè)微型薯種為均勻球體，合力作用在其質(zhì)心上，每個吸孔單粒吸種。微型薯在振動供種機構(gòu)的作用下，其受到的種間內(nèi)摩擦力較小，可忽略不計。此時微型薯種需克服重力、氣流吸附力的作用而隨排種盤一起轉(zhuǎn)動，以排種盤徑向為平面，研究吸種過程薯種的受力情況，該過程薯種受力如圖8所示。

圖8 吸種過程受力分析Fig.8 Force analysis of absorbing stage

排種盤順時針方向勻速轉(zhuǎn)動，根據(jù)微型薯受力平衡條件，一個吸孔吸附微型薯力的計算式為

(10)

(11)

式中Fx——單個吸孔吸附力，N

C——微型薯半徑，m

m——微型薯質(zhì)量，kg

b——吸孔半徑，m

ωp——排種盤角速度，rad/s

r——吸孔分布圓半徑，m

α——吸孔中心與排種盤中心連線和水平面夾角，(°)

由式(10)可得，單個吸孔吸附微型薯所需的吸力與其質(zhì)量、半徑、排種盤轉(zhuǎn)速、吸孔直徑有關(guān)。取播種機作業(yè)速度為2～4 km/h，即排種盤角速度為4.78～9.56 rad/s，取微型薯平均質(zhì)量為5.97 g，平均粒徑為20.08 mm，C取14.04 mm，α為0°～90°，計算得到單個吸孔所需的力為0.075～0.136 N。

計算得到單個吸孔所需的負壓為

(12)

式中PX0——單個吸孔所需負壓，kPa

吸孔直徑d取14 mm，計算可得單個吸孔所需負壓范圍為0.502～0.882 kPa。

負壓腔所需的總負壓為

PX=nPX0

(13)

式中n——負壓腔段吸孔數(shù)量

通過式(13)求得負壓腔段所需的負壓為2.01～3.53 kPa。故可求得風(fēng)機所產(chǎn)生的負壓為

(14)

式中K——吸孔移動時的吸種可靠性系數(shù)

df——負壓管直徑，m

Pf——風(fēng)機負壓，kPa

考慮負壓腔的密封情況，K取1.1。負壓腔管內(nèi)徑為0.025 m。故可求得風(fēng)機所產(chǎn)生的負壓為6.93～12.04 kPa，考慮實際播種機田間作業(yè)等情況，取負壓范圍為6～14 kPa。

2.3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

傳動系統(tǒng)是播種機重要組成部分，其精準、穩(wěn)定程度直接決定播種質(zhì)量。氣吸式播種機傳動系統(tǒng)分為負壓風(fēng)機傳動系統(tǒng)和排種傳動系統(tǒng)，分別用于配套拖拉機與負壓風(fēng)機、行走地輪、排種盤的動力傳輸。

負壓風(fēng)機傳動系統(tǒng)簡圖如圖9所示，配套拖拉機PTO動力經(jīng)軸與兩級帶傳動系統(tǒng)，到達負壓風(fēng)機。一級主動帶輪、一級從動帶輪與配套傳動帶構(gòu)成一級帶傳動系統(tǒng)，二級主動帶輪、負壓風(fēng)機帶輪與配套傳動帶構(gòu)成二級帶傳動系統(tǒng)。

圖9 負壓風(fēng)機傳動系統(tǒng)簡圖Fig.9 Transmission system sketch of negative pressure fan1.二級主動帶輪 2.一級從動帶輪 3.傳動軸 4.傳動帶 5.PTO輸入軸 6.一級主動帶輪 7.負壓風(fēng)機帶輪 8.負壓風(fēng)機

一級帶傳動系統(tǒng)傳動比為

(15)

式中i1——一級帶傳動系統(tǒng)傳動比

D1——一級主動帶輪直徑，mm

D2——一級從動帶輪直徑，mm

r1——一級主動帶輪轉(zhuǎn)速，r/min

r2——一級從動帶輪轉(zhuǎn)速，r/min

二級帶傳動系統(tǒng)傳動比為

(16)

一級從動帶輪與二級主動帶輪同軸傳動，可得

r2=r3

(17)

式中i2——二級帶傳動系統(tǒng)傳動比

D3——二級主動帶輪直徑，mm

D4——負壓風(fēng)機帶輪直徑，mm

r3——二級主動帶輪轉(zhuǎn)速，r/min

r4——負壓風(fēng)機帶輪轉(zhuǎn)速，r/min

配套拖拉機PTO輸出轉(zhuǎn)速540 r/min，負壓風(fēng)機額定轉(zhuǎn)速3 500 r/min，負壓風(fēng)機帶輪直徑D4=50 mm，綜合考慮播種機結(jié)構(gòu)與整機耐久性，確定一級帶傳動傳動比i1=2，二級帶傳動傳動比i2=3.5，計算可得一級主動帶輪直徑D1為200 mm，一級從動帶輪直徑D2為100 mm，二級主動帶輪直徑D3為180 mm。

排種傳動系統(tǒng)簡圖如圖10所示，行走地輪動力經(jīng)兩級鏈傳動到達排種盤實現(xiàn)排種作業(yè)，其傳動比i計算式為

圖10 排種傳動系統(tǒng)簡圖Fig.10 Transmission system of seed metering tray1.鏈輪1 2.鏈輪2 3.鏈輪4 4.排種盤 5.鏈輪3 6.帶座軸承 7.行走地輪

(18)

式中Dd——地輪直徑，mm

微型薯播種株距為100～250 mm，取Lb=200 mm；地輪滑移率ε=6.5%，地輪直徑Dd=345 mm；排種盤吸孔數(shù)目N=8；結(jié)合式(9)可得i=0.72。根據(jù)總傳動比與整機質(zhì)量，確定鏈傳動系統(tǒng)鏈輪型號為08B，兩級鏈傳動系統(tǒng)的鏈輪齒數(shù)分別為Z1=Z2=Z3=18，Z4=25。

2.4 開溝和覆土裝置選型

2.4.1開溝器

開溝器作為播種機的主要觸土部件，決定了開溝質(zhì)量和整機能耗[21]。目前開溝器主要分為圓盤式、鋤鏟式、芯鏵式、滑刀式和船式等[22]。針對云南紅壤特性及播種深度，本文選用結(jié)構(gòu)簡單、適合微型薯精密播種的船式開溝器。結(jié)合微型薯種植農(nóng)藝要求，確定開溝器所開種溝寬度100 mm，種溝深度50～100 mm。所選開溝器如圖11所示。

圖11 船式開溝器實物圖Fig.11 Boat opener1.升降調(diào)節(jié)旋鈕 2.固定螺栓 3.開溝器主體 4.開溝器立柱

2.4.2覆土裝置設(shè)計

目前覆土裝置主要分為爪盤式、鏈環(huán)式、彈簧鋼絲式、圓盤式以及刮板式等[22-23]。圓盤式覆土裝置具有牽引阻力小、不易纏草堵塞、使用壽命長等優(yōu)點，本文采用雙圓盤覆土器進行覆土作業(yè)，根據(jù)整機結(jié)構(gòu)尺寸和種溝尺寸，確定圓盤覆土器的圓盤直徑Df為300 mm，圓盤間距W1為350 mm，兩圓盤垂直方向夾角αp為18°。所選覆土圓盤如圖12所示。

圖12 圓盤覆土器Fig.12 Disk cover

3 田間試驗

3.1 試驗材料與儀器設(shè)備

試驗地點為昆明理工大學(xué)呈貢校區(qū)試驗田，試驗對象選用占比最多的“麗薯6號”二級微型薯，選用排種盤吸孔直徑14 mm，用風(fēng)速風(fēng)壓測量儀(KANOMAX-6036型)對負壓風(fēng)機管進行負壓測量，用RC41B型數(shù)顯頻率測試表對排種器振動機構(gòu)進行振動頻率測量。試驗如圖13所示。

圖13 田間試驗Fig.13 Field trials1.拖拉機 2.風(fēng)速風(fēng)壓測量儀(KANOMAX-6036型) 3.氣吸式微型薯精密播種機 4.RC41B型數(shù)顯頻率測試表

3.2 試驗方法

為較全面探究播種機的播種效果，本文以合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為試驗指標，進行單因素試驗與二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗，確定各因素對試驗指標的影響趨勢和較優(yōu)取值范圍。在播種機穩(wěn)定播種階段連續(xù)測量200粒微型薯的播種效果為一組試驗，每組試驗重復(fù)3次，測量5次取平均值。依據(jù)GB/T 6242—2006《種植機械 馬鈴薯種植機試驗方法》和NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》進行數(shù)據(jù)處理以獲取各試驗指標。

3.3 單因素試驗

經(jīng)前期預(yù)試驗，選取對試驗指標影響較為顯著的振動頻率、振動幅度、吸種負壓和作業(yè)速度為試驗因素，進行單因素試驗，試驗結(jié)果如圖14所示。

圖14 單因素試驗結(jié)果Fig.14 Single factor test results

隨著振動頻率的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，漏播指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，重播指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。振動頻率在6 Hz時合格指數(shù)達到最高，為92.3%。

隨著振動幅度的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，漏播指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，重播指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。振動幅度在20 mm時合格指數(shù)達到最高，為93.7%。

隨著吸種負壓的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢，漏播指數(shù)呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢，重播指數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。吸種負壓在10 kPa時合格指數(shù)達到最高，為95.3%。

隨著作業(yè)速度的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的變化趨勢，漏播指數(shù)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢，重播指數(shù)呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。作業(yè)速度在3 km/h以下時合格指數(shù)大于90%。

3.4 二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗

為確定最佳參數(shù)區(qū)間，結(jié)合單因素試驗分析結(jié)果，確定振動頻率為4～8 Hz，振動幅度為16～24 mm，吸種負壓為6～14 kPa，作業(yè)速度為2～4 km/h。試驗因素編碼如表3所示。試驗設(shè)計方案與結(jié)果見表4。表中X1、X2、X3、X4分別為振動頻率、振動幅度、吸種負壓、作業(yè)速度因素編碼值。

3.5 試驗結(jié)果分析

3.5.1合格指數(shù)Y1

表3 試驗因素編碼Tab.3 Experimental factors and codes

表4 試驗方案與結(jié)果Tab.4 Experiment design and results

(19)

3.5.2漏播指數(shù)Y2

(20)

3.5.3重播指數(shù)Y3

(21)

3.6 各因素交互作用對合格指數(shù)的影響

通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理，可得振動頻率、振動幅度、吸種負壓和作業(yè)速度交互作用對合格指數(shù)Y1的影響，其響應(yīng)面如圖15所示。

以圖15a、15d、15f為對象分析因素交互對試驗指標的影響。圖15a為吸種負壓10 kPa、作業(yè)速度3 km/h時，振動頻率和振動幅度對合格指數(shù)Y1交互作用的響應(yīng)曲面。由圖可知，隨著振動頻率和振動幅度的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。振動頻率和振動幅度過小時，種群與振動板無相對運動，種群內(nèi)摩擦力大，不利于吸種，此時漏播指數(shù)較高，合格指數(shù)較低；隨著振動頻率和振動幅度逐漸增大，振動對種群擾動增大，種群內(nèi)摩擦力減小，利于充種，此時合格指數(shù)升高；振動頻率和振動幅度過大時，振動對種群擾動過大，種子運動過于激烈，種子由于相互碰撞而導(dǎo)致充種率降低，漏播指數(shù)增加，合格指數(shù)和重播指數(shù)降低。振動頻率在5～7 Hz，振動幅度在18～22 mm時合格指數(shù)較高。圖15d為振動頻率6 Hz、作業(yè)速度3 km/h時，振動幅度和吸種負壓對合格指數(shù)Y1交互作用的響應(yīng)曲面。由圖可知，隨著振動幅度和吸種負壓的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢。振動幅度和吸種負壓過小時，種群“騰空”時間較短，且吸孔吸附力較小，此時充種率較低，合格指數(shù)較低；隨著振動幅度和吸種負壓逐漸增大，種群“騰空”時間增加，吸孔吸附力增大，充種成功率提高，此時合格指數(shù)升高；振動幅度和吸種負壓過大時，吸孔吸附力增加，但種群運動過于激烈，微型薯動能過大，導(dǎo)致充種成功的微型薯被碰撞而脫離吸孔，合格指數(shù)較低。振動幅度在19～22 mm，吸種負壓在8～10 kPa時合格指數(shù)較高。圖15f為振動頻率6 Hz、振動幅度20 mm時，吸種負壓和作業(yè)速度對合格指數(shù)Y1交互作用的響應(yīng)曲面。由圖可知，隨著吸種負壓的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)出先升高后降低的變化趨勢，隨著作業(yè)速度的增大，合格指數(shù)呈現(xiàn)出逐漸降低的變化趨勢。吸種負壓過小時，吸孔吸附力較小，無法有效吸附微型薯，此時充種率較低，合格指數(shù)較低；吸種負壓過大時，吸孔吸附力過大，“一孔多種”現(xiàn)象增加，合格指數(shù)下降。隨著作業(yè)速度逐漸增大，吸孔充種時間逐漸降低，充種率降低，導(dǎo)致合格指數(shù)逐漸降低。吸種負壓在8～10 kPa，作業(yè)速度在1～3 km/h時合格指數(shù)較高。

表5 方差分析Tab.5 Variance analysis

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

圖15 因素交互作用影響合格指數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.15 Response surfaces of interaction factors on eligible rate

3.7 參數(shù)優(yōu)化

為確定最佳參數(shù)取值范圍，設(shè)定合格指數(shù)大于90%，重播指數(shù)和漏播指數(shù)均小于5%，當(dāng)吸種負壓為10 kPa，作業(yè)速度為2.5 km/h時，優(yōu)化所得最佳參數(shù)范圍如圖16所示。

圖16 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.16 Parameter optimization analysis chart

由圖16可得，當(dāng)吸種負壓為10 kPa、作業(yè)速度為2.5 km/h、振動頻率為5.6～6.8 Hz、振動幅度為19.6～20.8 mm時，所得合格指數(shù)大于90%，重播指數(shù)和漏播指數(shù)小于5%。

對優(yōu)化后的理論結(jié)果進行試驗驗證。在相同的試驗條件下，選取振動頻率5.6～6.8 Hz、振動幅度為19.6～20.8 mm、吸種負壓為10 kPa、作業(yè)速度為2.5 km/h，進行3次重復(fù)驗證試驗，試驗過程如圖17所示。經(jīng)驗證試驗可得該條件下播種機播種合格指數(shù)為93.28%、漏播指數(shù)為3.25%、重播指數(shù)為3.47%，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果一致，滿足微型薯精密播種要求。

圖17 驗證試驗Fig.17 Verification test

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種氣吸圓盤式微型薯精密播種機，可一次完成開溝、播種、覆土等作業(yè)，并對播種裝置、開溝裝置、覆土裝置及傳動系統(tǒng)進行了計算分析及選型。

(2)采用振動供種和負壓吸種的原理，設(shè)計了一種適用于微型薯的氣吸圓盤式排種器，并通過理論分析與數(shù)值模擬確定了排種器主要結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)。

(3)采用正交試驗確定了影響排種性能的因素主次關(guān)系，并進行了田間試驗，結(jié)果表明：當(dāng)吸種負壓為10 kPa、作業(yè)速度為2.5 km/h、振動頻率為5.6～6.8 Hz、振動幅度為19.6～20.8 mm時，播種機播種合格指數(shù)為93.28%、漏播指數(shù)為3.25%、重播指數(shù)為3.47%，通過驗證試驗證明了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。