李尚平 黃宗曉 張 偉 向 銳 王夢(mèng)萍 莫瀚寧

(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)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 南寧 530006)

0 引言

我國(guó)是甘蔗種植大國(guó)，主要分布在廣西、廣東、云南和海南等省市。目前我國(guó)甘蔗生產(chǎn)機(jī)械化程度較低、勞動(dòng)力成本較高，影響了甘蔗糖業(yè)的健康發(fā)展。從2008年到2016年，甘蔗種植面積已連年下降[1]，目前約73萬(wàn) hm2。廣西甘蔗機(jī)械化耕作率達(dá)到98%，而甘蔗的機(jī)械化種植率僅55%左右，以實(shí)時(shí)切種種植機(jī)為主，其勞動(dòng)強(qiáng)度大、排種均勻性不高、耗種量大(0.921 15 kg/m2)、出芽率不高。而國(guó)外普遍應(yīng)用的預(yù)切種式種植技術(shù)，在國(guó)內(nèi)尚處于研發(fā)推廣應(yīng)用階段。

在國(guó)內(nèi)，廣泛使用雙芽段實(shí)時(shí)切種種植機(jī)和引進(jìn)國(guó)外提升式預(yù)切種種植機(jī)[2]。梁棟[3]探討了5種排種器機(jī)構(gòu)，前3種為實(shí)時(shí)切種式，后2種為預(yù)切種式，包括鏈槽提升式和排種輥下排式。甘庶種植機(jī)仍存在排種不均勻、漏種率高、傷芽率高、耗種多、卡種堵塞等問(wèn)題。研究者對(duì)單芽預(yù)切段甘蔗排種器提出振動(dòng)盤和提升式[4-8]；對(duì)雙蔗芽設(shè)計(jì)了槽輪下排式預(yù)切種甘蔗種植機(jī)，試驗(yàn)表明，傷芽率小于等于7%、漏種率小于等于7%、合格率大于等于85%[9]。國(guó)外有學(xué)者對(duì)提升式預(yù)切種種植機(jī)鏈槽布置、長(zhǎng)度、角度以及提升速度、播種速度進(jìn)行了相關(guān)研究[10-13]。

本課題組在分析企業(yè)研制的2CZBDJZ-2型懸掛式預(yù)切種甘蔗種植機(jī)時(shí)，發(fā)現(xiàn)漏種較嚴(yán)重。通過(guò)對(duì)該機(jī)型提升、播種的多段視頻進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)了連續(xù)提升、播種過(guò)程中鏈槽內(nèi)裝蔗種的情況，發(fā)現(xiàn)提升鏈槽內(nèi)無(wú)蔗種的概率為27%、3根以上為31%，排種不均勻，導(dǎo)致漏種嚴(yán)重。針對(duì)此問(wèn)題，本課題組與企業(yè)合作設(shè)計(jì)具有有序集蔗、均勻種植功能的預(yù)切種式寬窄行甘蔗種植機(jī)。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工作原理

優(yōu)化前預(yù)切種式甘蔗種植機(jī)工作原理：蔗種經(jīng)種箱傳動(dòng)鏈提升，進(jìn)入轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)向，再落到蔗壟內(nèi)，完成排種過(guò)程。根據(jù)圖1統(tǒng)計(jì)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于提升機(jī)構(gòu)的隨機(jī)性，單靠提升機(jī)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)蔗種均勻布種、精準(zhǔn)種植。為此設(shè)計(jì)了由液壓驅(qū)動(dòng)的預(yù)切種甘蔗種植試驗(yàn)樣機(jī)如圖2所示，增加轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)、集蔗箱、下排式單輥排種機(jī)構(gòu)。

圖1 甘蔗提升齒槽內(nèi)蔗種數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.1 Statistics of sugarcane number in lifting cogging

圖2 改進(jìn)后全液壓驅(qū)動(dòng)預(yù)切種種植機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Improved full hydraulic drive pre-seed-cutting planter1.蔗種提升機(jī)構(gòu) 2.轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu) 3.施肥機(jī)構(gòu) 4.集蔗箱 5.三點(diǎn)懸掛裝置 6.排種輥 7.成型開(kāi)溝犁 8.機(jī)架 9.補(bǔ)種排種器 10.種箱 11.覆土覆膜機(jī)構(gòu) 12.行走輪

優(yōu)化后工作原理為：蔗種經(jīng)蔗種提升機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)作用，有序進(jìn)入集蔗箱。集蔗箱安裝在排種輥上，輥上分布12個(gè)由耙齒形成的V型齒槽，排種輥與集蔗箱為齒形相互嵌入。隨著排種輥的轉(zhuǎn)動(dòng)，箱內(nèi)蔗種在上層重力和耙齒切向撥動(dòng)力的作用下，蔗種依次填充在V型齒槽內(nèi)，再經(jīng)過(guò)集蔗箱彈性控流板的控流作用及連接排種輥滑塊彈簧裝置調(diào)整，蔗種按照一定順序依次排出，實(shí)現(xiàn)均勻布種。

為了研究排種系統(tǒng)的功能，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，由集蔗箱、排種輥、驅(qū)動(dòng)裝置等部分組成。為了研究有關(guān)參數(shù)對(duì)排種性能的影響，試驗(yàn)裝置采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 單輥下排式排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Seeder structure diagram with double roll and single bottom sowing edge1.集蔗箱齒形側(cè)板 2.蔗種 3.排種輥 4.軸承 5.擋板 6、13.彈簧 7.導(dǎo)軌 8.短鏈接板 9.滑塊 10.耙齒支撐板 11.耙齒 12.集蔗箱彈性控流板 14.聯(lián)軸器 15.長(zhǎng)連接板 16.電機(jī)支撐座 17.減速器 18.步進(jìn)電機(jī) 19.鉸鏈

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)

為了保證有序集蔗，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)，以便將蔗種落下的勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m宜有序集蔗的動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)有序集蔗。

轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)主要靠轉(zhuǎn)向直板的傾斜角度和圓柱銷使蔗種與圓柱銷碰撞后改變位姿，實(shí)現(xiàn)有序轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)見(jiàn)圖4，為了增加轉(zhuǎn)向概率，增加了兩排相互交錯(cuò)垂直于轉(zhuǎn)向直板的圓柱銷，圓柱銷由橡膠包裹，相互間隔大于雙蔗芽蔗種長(zhǎng)度1.2倍，以防止蔗種橫卡在圓柱銷上。轉(zhuǎn)向出口處設(shè)計(jì)成一定圓弧型，使蔗種以較小動(dòng)能的穩(wěn)定狀態(tài)縱向有序進(jìn)入集蔗箱內(nèi)。

圖4 改進(jìn)轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Improved steering structure1.提升導(dǎo)流板 2.雙蔗芽蔗種 3.轉(zhuǎn)向直板 4.橡膠包裹的圓柱銷 5.調(diào)整直板角度液壓缸支座 6.減速圓弧板 7.分流板 8.集蔗箱 9.集蔗箱導(dǎo)流板

當(dāng)蔗種提升至最高點(diǎn)時(shí)為橫向姿態(tài)，此時(shí)蔗種重心在中間，故為不穩(wěn)定的下落位姿，有很小的作用力就能使其位姿改變，造成蔗種二次混亂。經(jīng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)作用，蔗種的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。由于雙芽蔗種的質(zhì)心特點(diǎn)，蔗種撞擊圓柱銷后即轉(zhuǎn)成縱向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)蔗種的下落為穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)動(dòng)量定理，與圓柱銷碰撞力小和作用時(shí)間短，消耗動(dòng)能較小，蔗種速度隨著高度的降低逐步升高。在圓弧出口段摩擦力作用下，消耗了蔗種大部分動(dòng)能，進(jìn)而通過(guò)集蔗箱導(dǎo)流板實(shí)現(xiàn)較平穩(wěn)、有序地集蔗。

2.2 單輥排種器

2.2.1V型齒槽排種輥設(shè)計(jì)原理

采用兩組排種輥實(shí)現(xiàn)窄行的雙邊布種，將排種輥設(shè)計(jì)成多個(gè)V型齒槽，通過(guò)排種輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，將V型槽內(nèi)的蔗種均勻排出。由于蔗種直徑不均勻、集蔗箱內(nèi)蔗種交叉，而引起排種輥V型齒槽不能填充蔗種和排種不均勻。故設(shè)計(jì)了集蔗箱側(cè)板與排種輥耙齒相嵌入結(jié)構(gòu)和集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)，使蔗種有效填充到V型齒槽，實(shí)現(xiàn)有序排種；為排除堵塞故障，在集蔗箱彈性控流板和排種輥滑塊處均設(shè)計(jì)了彈簧容讓裝置。

兩組排種輥中心距A=300 mm，布置如圖5所示(播種前進(jìn)方向垂直于紙面)。

圖5 兩組排種輥的布置圖Fig.5 Layout dimension of seeding roller

圖6 蔗種平均直徑分布圖Fig.6 Average diameter distribution of sugarcane

取耙齒長(zhǎng)度L比甘蔗最大直徑大10%[16-19]，計(jì)算公式為

2r+2L≤200

(1)

R=r+L/2

(2)

L=1.1dmax

(3)

(4)

式中r——排種輥半徑,mm

R——排種輥中心到耙齒中心的長(zhǎng)度,mm

δ——耙齒厚度

y——排種輥耙齒排數(shù)

為適應(yīng)不同的甘蔗種直徑，取耙齒長(zhǎng)度L=40 mm、厚度δ=5 mm，排種輥耙齒排數(shù)y=12，排種輥半徑為r=50 mm。

2.2.2集蔗箱與排種輥的齒形嵌入結(jié)構(gòu)

將排種輥設(shè)計(jì)成有一定間隔的齒形結(jié)構(gòu)，有利于混亂蔗種從齒形中排出，排除排種過(guò)程的堵塞故障。相應(yīng)將集蔗箱側(cè)板設(shè)計(jì)成與耙齒相交錯(cuò)的齒形結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，也增大耙齒對(duì)蔗種的切向作用力，提高排種質(zhì)量與效率。

圖7 齒形嵌入結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Tooth shape profile embedded structure1.步進(jìn)電機(jī) 2.集蔗箱齒形側(cè)板 3.齒形排種輥 4.排種輥滑塊彈性裝置

圖8 3種控流板下蔗種受力分析Fig.8 Analysis diagrams of stress of sugarcane under three flow-controlling plate structure of sugarcane-gathering box

2.2.3集蔗箱彈性控流板

集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)定量排種，解決排種堵塞及分流蔗種。首先，為使不同直徑蔗種定量排出,彈性控流板設(shè)計(jì)成能夠彈性移動(dòng)。其次，考慮彈性控流板排除堵塞和分流功能。為確保齒槽中的蔗種在耙齒切向力作用下有序排出，需要分析排種過(guò)程蔗種的合力。對(duì)于齒槽中有多根蔗種時(shí)，通過(guò)彈性曲面上分力的作用實(shí)現(xiàn)分流,使多余的蔗種重新分流回集蔗箱。為排除排蔗過(guò)程的堵塞故障，排種輥和集蔗箱之間設(shè)計(jì)了彈性裝置，使得蔗種和集蔗箱橫向之間有一定的容讓空間，以利于及時(shí)排除堵塞故障。

設(shè)計(jì)了3種有利于排除堵塞的集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)，其蔗種的受力分析如圖8所示。結(jié)構(gòu)1為彈性平面板，結(jié)構(gòu)2為單彈性曲面板，結(jié)構(gòu)3為兩段圓弧組合的彈性曲面板。F1為控流板對(duì)蔗種的作用力，F(xiàn)2為耙齒對(duì)蔗種的作用力，F(xiàn)3為控流板對(duì)彈簧的作用力，F(xiàn)為作用于蔗種的合力。

當(dāng)單根蔗種直徑較大時(shí)：在耙齒和結(jié)構(gòu)1的作用下,合力斜向上不利于排種，此時(shí)通過(guò)加大扭矩使彈性裝置移動(dòng)而排出，因作用力較大，甘蔗容易傷芽(如圖8a所示)；在耙齒和結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3的作用下其合力向下，有利于排種(如圖8b、8c所示)。對(duì)于齒槽內(nèi)有2根蔗種時(shí)，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3中上層蔗種受到的合力向上，有利于將上層蔗種分流，自我排除堵塞(如圖8d、8f所示)；結(jié)構(gòu)2上層蔗種受到的合力向下，處于擠壓狀態(tài)，不利于自我排除堵塞(如圖8e所示)。值得注意的是以上蔗種的受力情況，還與彈性控流板夾角及彈性力方向相關(guān)。

2.2.4排種輥滑塊彈性裝置

為了增加排種輥排除堵塞故障的能力，在排種輥上設(shè)計(jì)了滑塊彈簧裝置(如圖9所示)，以排除蔗種交叉等嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)堵塞時(shí)，排種輥的扭矩增大，推動(dòng)排種輥在滑塊上橫向移動(dòng)，通過(guò)自動(dòng)調(diào)整間隙，使蔗種在耙齒作用力下可順勢(shì)排出。故障排除后，排種輥在彈簧力作用下恢復(fù)到原來(lái)的位置。

圖9 排種輥滑塊彈簧裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure schematic of seeding roller slider elastic device1.擋板 2.彈簧 3.導(dǎo)軌 4.滑塊 5.短鏈接板 6.軸承

2.3 運(yùn)動(dòng)仿真分析

2.3.1轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真分析

轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)集蔗過(guò)程某一時(shí)刻仿真分析如圖10所示，用轉(zhuǎn)動(dòng)的耙輥模擬蔗種從提升進(jìn)入轉(zhuǎn)向。

圖10 轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)仿真圖Fig.10 Structure simulation of turn to ordered sugarcane

3次重復(fù)性試驗(yàn)，每次21根蔗種，指標(biāo)是蔗種夾角α，利用ADAMS中的Orientation Measure方向位姿測(cè)量功能，記錄下整個(gè)轉(zhuǎn)向過(guò)程中蔗種軸向與絕對(duì)坐標(biāo)X軸(水平方向)夾角β的曲線。因?yàn)殚_(kāi)始狀態(tài)蔗種軸向方向與絕對(duì)坐標(biāo)X軸為90°，在測(cè)量時(shí)默認(rèn)為0°，所以用測(cè)量最終值的絕對(duì)值減去90°，得到蔗種徑向夾角α。定義：經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)向和導(dǎo)流，在集蔗箱中蔗種軸向方向與排種輥軸向夾角小于45°的蔗種數(shù)與總蔗種數(shù)的百分比，稱為有序轉(zhuǎn)向合格率。

仿真曲線只截取了第7根蔗種的夾角，如圖11所示，縱坐標(biāo)是測(cè)量夾角,故α=β-90°。在2 s時(shí)蔗種進(jìn)入轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，發(fā)生了多次轉(zhuǎn)向，在4 s左右進(jìn)入集蔗箱導(dǎo)流板，在4.8 s后有序進(jìn)入集蔗箱底部，靜止。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明蔗種有序轉(zhuǎn)向合格率為89%。證明了轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)的可行性。

圖11 第7根蔗種與X軸夾角仿真結(jié)果Fig.11 Seventh sugarcane species and X-axis angle record simulation

2.3.2排種器排種運(yùn)動(dòng)仿真分析

在ADAMS中蔗種模型和耙齒均是剛性，耙齒與排種輥以Bushing連接，使其有一定柔性，模型Y方向?yàn)槁浞N方向。查閱文獻(xiàn)[20-21]設(shè)置好蔗種和集蔗箱接觸的相關(guān)參數(shù)。排種輥轉(zhuǎn)速30(°)/s(1 s/根),重復(fù)試驗(yàn)5次，每次21根蔗種，指標(biāo)為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中σ——落種時(shí)間間隔標(biāo)準(zhǔn)差，s

Δti——蔗種落種時(shí)間間隔，s

N——排種總根數(shù)，根

P——合格率，%

Lr——漏種率，%

N1——漏種根數(shù)，根

N2——重植根數(shù)，根

Pl——堵塞率，%

n——總排種次數(shù)，次

n1——堵塞次數(shù)，次

排種器仿真效果如圖12所示。

圖12 排種器排種仿真圖Fig.12 Platoon simulation row1.集蔗箱 2.排種輥 3.蔗種

蔗種在落種方向(Y方向)位移隨時(shí)間的變化曲線如圖13所示。每條曲線表示一根蔗種的位置變化，當(dāng)蔗種Y方向下落到Y(jié)=28 mm時(shí)，蔗種被排出，以Y=-50 mm作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)，記錄每根落種時(shí)間間隔點(diǎn)。

圖13 蔗種落種方向位移隨時(shí)間的變化曲線Fig.13 Change curves of displace in direction of sugarcane seeding with time

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，每根蔗種的位移-時(shí)間變化曲線規(guī)律基本相同，呈現(xiàn)周期性，這主要是由于排種輥耙葉對(duì)其作用也是周期性。但6.5～7.5 s存在蔗種向上運(yùn)動(dòng)，是由蔗種間相互擠壓和耙齒作用力造成的。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)排種輥的可行性；落種均勻(平均標(biāo)準(zhǔn)差0.09 s)，合格率98%，漏種率和堵塞率為0%；排種過(guò)程中集蔗箱內(nèi)蔗種仍存在混亂現(xiàn)象。

3 試驗(yàn)

3.1 轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)的驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置如圖14所示，選擇試驗(yàn)蔗種平均直徑為30.2 mm，長(zhǎng)度為350 mm。

圖15 單輥排種系統(tǒng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)Fig.15 Schematics of simulation test platform1.傳送帶 2.支撐架 3.排種器

圖14 轉(zhuǎn)向有序集蔗機(jī)構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)Fig.14 Test platform of turn to ordered sugarcane structure1.模擬提升機(jī)構(gòu) 2.電機(jī) 3.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)

通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)提升機(jī)構(gòu)，在每個(gè)鏈槽內(nèi)添加1到多根蔗種，隨著提升到最高點(diǎn)掉落在轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)上，完成蔗種位姿的改變，在出口處下方設(shè)置透明導(dǎo)流集蔗箱，通過(guò)攝像機(jī)記錄集蔗箱內(nèi)每個(gè)蔗種的方向；最后人工統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果。轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)的驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)，每次試驗(yàn)30根蔗種，以集蔗箱內(nèi)的蔗種夾角作為指標(biāo)。

發(fā)現(xiàn)提升高度和出口圓弧存在相關(guān)性：當(dāng)提升高度太大或圓弧段減速不夠時(shí)，蔗種動(dòng)能太大，沖出集蔗箱，位姿不穩(wěn)定；當(dāng)提升高度太小或圓弧段減速大時(shí)，蔗種動(dòng)能太小，常常停在出口圓弧處，未能實(shí)現(xiàn)有序集蔗。調(diào)整提升高度和出口圓弧后的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)向集蔗箱內(nèi)自動(dòng)有序集蔗的功能，合格率為95.1%，驗(yàn)證了轉(zhuǎn)向集蔗系統(tǒng)有序集蔗的可行性。

3.2 單輥排種器單因素試驗(yàn)與分析

3.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)平臺(tái)

在自行研制的模擬排種試驗(yàn)平臺(tái)(圖15)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳送帶模擬播種前進(jìn)速度,速度為0.33 m/s。試驗(yàn)蔗種平均直徑為31.24 mm。主要影響因素有：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、集蔗箱側(cè)板水平夾角和排種輥轉(zhuǎn)速，影響排種性能的指標(biāo)為：合格率、漏種率和堵塞率。單因素每次試驗(yàn)選取40根蔗種，5次重復(fù)性試驗(yàn)，集蔗箱采用透明的亞克力板，便于實(shí)時(shí)觀察排種過(guò)程。

由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種輥，集蔗箱內(nèi)蔗種隨著排種輥轉(zhuǎn)動(dòng)逐根填充到V型齒槽內(nèi)，排種輥帶動(dòng)蔗種按一定時(shí)間間隔落種。在出蔗口和透明集蔗箱旁裝有高清攝像頭，記錄整個(gè)排種過(guò)程。后期通過(guò)查看視頻記錄蔗種落種時(shí)間間隔點(diǎn)和集蔗箱內(nèi)的蔗種運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3.2.2集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對(duì)排種性能的影響

設(shè)定集蔗箱雙側(cè)邊與水平方向夾角均為60°，排種輥轉(zhuǎn)速為2 r/min。

試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。結(jié)構(gòu)3合格率最高，為86.33%，但是漏種率3.36%略偏高；結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2合格率較低，漏種率較低；結(jié)構(gòu)2堵塞率最高,為4.3%。

3種不同的集蔗箱彈性控流板安裝如圖17所示。根據(jù)排種結(jié)果和集蔗箱蔗種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析可知，結(jié)構(gòu)1(圖17a)蔗種之間相互擠壓排出、易傷芽，橫向移動(dòng)彈性裝置位移量達(dá)到最大，故結(jié)構(gòu)1的合格率、漏種率、堵塞率均低。結(jié)構(gòu)2(圖17b)圓弧面板與排種輥的耙齒間形成了V型槽結(jié)構(gòu)，蔗種易堆積、傷芽，多根蔗種同時(shí)擠壓排出，故其合格率和漏種率較低、堵塞率稍高。結(jié)構(gòu)3(圖17c)第2段圓弧與排種輥同圓心，不會(huì)形成V型槽結(jié)構(gòu)，減小了蔗種之間的擠壓力，調(diào)節(jié)V型槽僅容一根蔗種，故結(jié)構(gòu)3的合格率最高。

圖16 集蔗箱控流板不同結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Test results of different structure of cane box flow control plate

圖17 集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)安裝方式及示意圖Fig.17 Sketches of installation and flow-controlling plate structure of sugarcane-gathering box1.集蔗箱控流板下端 2.鉸鏈 3.彈簧 4.集蔗箱控流板上端

3.2.3集蔗箱側(cè)板與水平夾角對(duì)排種性能的影響

設(shè)定集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3，排種輥轉(zhuǎn)速2 r/min，固定側(cè)板與水平夾角為60°。

集蔗箱兩側(cè)板與水平夾角的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖18、19所示：隨著夾角的增大,排種效果由好變差；在55°～65°排種效果較好，合格率大于90%,漏種率小于5%。

圖18 集蔗箱彈性控流板與水平夾角試驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Test results of flow-controlling plate structure of sugarcane-gathering box and horizontal angle

當(dāng)側(cè)板與水平夾角較小時(shí)，集蔗箱空間變大，排種輥耙齒嵌入集蔗箱長(zhǎng)度增加。且上層蔗種量變多、空間變大物流更加不受約束，容易發(fā)生混亂，造成漏種率增大。當(dāng)夾角較大時(shí)，耙齒嵌入集蔗箱長(zhǎng)度變短，集蔗箱空間減少呈V型槽，物流堆積嚴(yán)重；底層蔗種壓力變大，耙齒剛性小耙不動(dòng)，造成漏種率增大。

3.2.4排種輥轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響設(shè)定集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3，集蔗箱控流側(cè)板與水平夾角60°，集蔗箱齒形側(cè)板與水平夾角55°。試驗(yàn)結(jié)果如圖20，隨著排種輥轉(zhuǎn)速升高，排種效果變差，特別是10 r/min，漏種率大于10%、堵塞率高達(dá)8.33%。

圖19 集蔗箱齒形側(cè)板與水平夾角試驗(yàn)結(jié)果Fig.19 Test results of toothed side plates and horizontal angle of sugarcane-gathering box

圖20 排種輥不同轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果Fig.20 Experimental results of different rotation speeds of seeding rolls

當(dāng)排種輥轉(zhuǎn)速增大時(shí)，蔗種落入排種輥V型齒槽和耙齒與蔗種作用時(shí)間Δt變小，集蔗箱內(nèi)蔗種易混亂而堵塞。蔗種運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閳A周切線方向，當(dāng)排種輥齒槽無(wú)蔗種時(shí)，有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，但Δt變小和蔗種混亂，未能及時(shí)調(diào)整位姿落入空齒槽中，故排種效果變差。

3.3 單輥排種器正交試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置、材料和試驗(yàn)方法與3.2.1節(jié)相同。

從單因素試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、兩側(cè)板與水平夾角和排種輥轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能均有較大的影響，但每個(gè)因素的水平影響程度不同。為了找出3個(gè)因素的影響程度并探究其影響規(guī)律，有必要進(jìn)行正交試驗(yàn)研究。因兩側(cè)板夾角均是55°～65°之間排種性能最優(yōu)，故將集蔗箱兩側(cè)板與水平的夾角合為一個(gè)因素考慮，即采用集蔗箱兩側(cè)板之間的夾角為變量。正交試驗(yàn)因素為：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、排種輥轉(zhuǎn)速、集蔗箱兩側(cè)板夾角。試驗(yàn)指標(biāo)為：排種合格率、漏種率、堵塞率。選取正交試驗(yàn)因素水平如表1，正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果如表2，A、B、C是因素水平值，合格率和堵塞率的方差分析如表3。

表1 正交試驗(yàn)因素水平Tab.1 Orthogonal test factors and levels

合格率包含了漏種率的影響，故本文以合格率和堵塞率作為主要分析指標(biāo)。

(1)置信水平α=0.05的方差分析表明：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對(duì)排種合格率具有極顯著的影響，排種輥轉(zhuǎn)速和集蔗箱兩側(cè)板夾角對(duì)排種合格率為顯著影響；集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對(duì)排種堵塞率具有顯著影響?？梢?jiàn)集蔗箱控流板結(jié)構(gòu)是主要影響因素。

(2)極差分析結(jié)果顯示，排種器各因素對(duì)排種合格率影響的主次順序是：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、集蔗箱兩側(cè)板夾角、排種輥轉(zhuǎn)速。最優(yōu)參數(shù)組合：以合格率分析的組合為A3B3C1,以堵塞率分析的組合為A1B3C1；由于取條件A1比A3的合格率低、漏種率高、堵塞率基本一樣，故最優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C1，即集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3、轉(zhuǎn)速為6 r/min、集蔗箱兩側(cè)板夾角為105°。

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.2 Orthogonal test design and results

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

注：*表示影響顯著(P≤0.05)；** 表示影響極顯著(P≤0.01)。

3.4 單輥排種器驗(yàn)證性試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置、材料和試驗(yàn)方法與3.2.1節(jié)相同。采用正交試驗(yàn)的最佳組合參數(shù)，即：集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3、轉(zhuǎn)速6 r/min和集蔗箱兩側(cè)板夾角105°。在室內(nèi)模擬排種試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn)，每次試驗(yàn)40根蔗種，試驗(yàn)指標(biāo)和結(jié)果如表4。

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)屋佅屡攀脚欧N系統(tǒng)的平均排種合格率為91.0%,平均漏種率為4.5%,平均堵塞率為0.5%，排種較均勻(即落種間隔標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.563 s)。試驗(yàn)各指標(biāo)均達(dá)到了種植要求。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與ADAMS仿真基本一致，但仿真與實(shí)際排種過(guò)程合格率還是存在7.1%的誤差。

表4 驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Confirmatory test results

4 結(jié)論

(1)通過(guò)仿真分析和試驗(yàn),研究了排種過(guò)程蔗種的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，探討了預(yù)切種寬窄行甘蔗種植機(jī)單輥下排式排種系統(tǒng)的可行性。

(2)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C(jī)構(gòu)的合格率為95.1%。單輥下排式排種器集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)3的排種效果較優(yōu)；隨著側(cè)板與水平夾角增大，合格率先升高、后降低，漏種率先降低、后升高；隨著轉(zhuǎn)速增大，合格率和漏種率降低。

(3)正交試驗(yàn)方差分析表明：當(dāng)置信水平α=0.05，集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對(duì)排種合格率具有極顯著影響，排種輥轉(zhuǎn)速和集蔗箱兩側(cè)板夾角對(duì)排種合格率具有顯著影響，集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對(duì)排種堵塞率具有影響顯著。

(4)單輥排種器參數(shù)最優(yōu)組合為：集蔗箱控流板結(jié)構(gòu)3、集蔗箱兩側(cè)板夾角為105°、排種轉(zhuǎn)速為6 r/min。在該組合下的驗(yàn)證試驗(yàn)表明：排種平均合格率91.0%、平均漏種率4.5%、平均堵塞率為0.5%，排種均勻性較好。