賴慶輝 賈廣鑫 蘇 微 洪方偉 趙瑾汶

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

0 引言

近年來，人參播種采用1.2～1.5 m幅寬、4 cm×5 cm株行距坐床單粒點播栽培技術(shù)，成為培育優(yōu)質(zhì)高檔人參的必選。隨著人參種植面積的逐年增加，人參播種環(huán)節(jié)存在的機械化程度低、人工點播勞動強度大、播種成本高等問題，嚴重制約了人參產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，因此，人參精密播種機械化問題亟待解決[1-3]。

排種器是實現(xiàn)精密播種的核心部件。我國人參的密集播種要求限制了傳統(tǒng)氣力式排種器在人參精密播種中的應(yīng)用，一些新型氣力式排種器的研究仍處于實驗室階段[4-7]，而結(jié)構(gòu)簡單、動力配備適應(yīng)性強、能實現(xiàn)密集精密播種的窩眼輪式精密排種器成為解決人參精密播種的首選[8-10]。窩眼輪式精密排種器已在大豆、油菜和三七等近圓形種子的單粒精密播種中得到了廣泛應(yīng)用[11-14]，而對于形狀不規(guī)則、播種前經(jīng)催芽處理后有裂口、流動性差的人參種子，在充種過程中具有不確定性和復(fù)雜性，出現(xiàn)充種率低、漏充嚴重等問題。為提高窩眼輪式排種器的充種性能，國內(nèi)外專家進行的研究大致分為兩類：在排種器的基礎(chǔ)上增設(shè)其他裝置，對種子起到定向充種作用[15-16]；設(shè)計特殊形狀的型孔或改變型孔分布，以增加對種群擾動作用[17-19]。但是，在排種器上增加其他裝置使排種器結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，改變型孔分布導(dǎo)致播種行距整齊性差，不利于田間管理。因此，解決人參種子對窩眼輪式排種器適應(yīng)性差，進而造成充種困難的問題成為本文研究的關(guān)鍵。

為此，提出一種凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器，通過理論計算和離散元仿真試驗分析得到結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，通過臺架試驗和田間試驗對排種器的充種性能和工作性能進行驗證，以期解決人參種子對窩眼輪式排種器適應(yīng)性差的難題。

1 排種器工作原理與充種過程分析

1.1 排種器工作原理

凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器為集排式排種器，本文以3行排種器作為研究對象，結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器主要由殼體、扭簧強制投種裝置、窩眼輪、擋種毛刷、齒形清種板、毛刷輪、傳動機構(gòu)、柔性護種板和投種裝置調(diào)節(jié)旋鈕組成。

圖1 凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器示意圖Fig.1 Structure sketch of ginseng precision special-hole type seed-metering device with convex hull1.殼體 2.扭簧強制投種裝置 3.窩眼輪 4.擋種毛刷 5.齒形清種板 6.毛刷輪 7.傳動機構(gòu) 8.柔性護種板 9.投種裝置調(diào)節(jié)旋鈕

如圖2，排種器工作時，動力從毛刷輪端輸入經(jīng)傳動機構(gòu)帶動窩眼輪轉(zhuǎn)動；工作狀態(tài)下，窩眼輪表面的凸包結(jié)構(gòu)擾動種群，“沸騰”狀態(tài)的種子在重力與種間作用力的共同作用下充入異形孔(由導(dǎo)種槽和型孔構(gòu)成)，毛刷輪憑借與窩眼輪的旋轉(zhuǎn)速度差將窩眼輪輪緣多余的種子刷去，齒形清種板可將粘附在毛刷輪表面的種子清除；充入異形孔的種子隨排種輪經(jīng)護種區(qū)到達投種點，為保證種子完全投出，利用扭簧強制投種裝置強制投種。為降低對種子的損傷，柔性護種板由曲板和護種板殼兩部分構(gòu)成，二者通過彈簧連接，可對種子受力起到緩沖作用；曲板內(nèi)側(cè)設(shè)計有與凸包結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的內(nèi)環(huán)槽，使柔性護種板在起到護種作用的同時又保證了窩眼輪的通過性。

圖2 排種器工作示意圖Fig.2 Work diagram of seed-metering device1.殼體 2.擋種毛刷 3.窩眼輪 4.凸包 5.異形孔 6.扭簧 7.人參種子 8.護種板外殼 9.曲板 10.彈簧 11.毛刷輪 12.齒形清種板 13.種層

1.2 排種器充種過程分析

排種器的播種精度取決于充種過程，充種過程是由種子自身重力，種子間和種子與窩眼輪間的正壓力、滑動摩擦力和滾動摩擦力等構(gòu)成的不斷變化的動力學(xué)系統(tǒng)，是將種子從種群中分離出來的復(fù)雜過程[20]。因此，充種過程可分為種群離散和脫離種群兩個階段。

在種群離散階段，貼近窩眼輪的種層受到窩眼輪的托持力和摩擦力，種子在托持力和摩擦力的作用下克服種間阻力而產(chǎn)生滑移和翻滾，形成種層波動，目標種子由靜止狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\動狀態(tài)，更容易脫離種群，且目標種子在重力場中的不斷運動最終會趨于穩(wěn)定狀態(tài)。一定程度上，充種區(qū)內(nèi)種層波動越大種群離散程度越大，越有利于充種。為在該階段提高充種性能，在窩眼輪上增加凸包，該結(jié)構(gòu)對種子起到了一定的托持作用并增大了種子與窩眼輪間的摩擦力，配合異形孔對種群的作用，使種群產(chǎn)生更大、更穩(wěn)定而連續(xù)的波動，種子流動性提高，充種率增加，如圖3所示。

圖3 不同形式窩眼輪在種群離散階段種子接觸狀態(tài)Fig.3 Seed contact state in population dispersion stage with different seed-metering wheels1.充種區(qū)內(nèi)種子 2.窩眼輪 3.窩眼輪上的凸包

在脫離種群階段，穩(wěn)定狀態(tài)下的種子在自身重力，以及種子間和種子與窩眼輪間的力作用下占據(jù)型孔優(yōu)勢位置，從而被完全囊入型孔，并隨著窩眼輪的轉(zhuǎn)動脫離種群。為提高該階段的充種性能，將型孔設(shè)計成帶有導(dǎo)種槽的異形孔。導(dǎo)種槽可使目標種子在充種前產(chǎn)生趨于流向型孔的趨勢，克服第一層種層因種間摩擦力大于其自身重力在型孔處發(fā)生臨時“結(jié)拱”而導(dǎo)致的漏播現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 目標種子在不同型孔下的充種狀態(tài)Fig.4 Filling-seed condition of target seed under different orifices1.充種區(qū)內(nèi)種子 2.窩眼輪 3.型孔 4.目標種子運動軌跡 5.導(dǎo)種槽 6.目標種子

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 人參種子基本參數(shù)

種子自身的物理特性是排種器設(shè)計重要參考依據(jù)。播種時催芽人參種子平均含水率ω′為34.8%；平均千粒質(zhì)量mH為43.24 g；平均自然休止角φ為30.05°；人參種子三軸尺寸平均值，長L、寬W、厚H分別為5.8、4.7、3.0 mm，球度Sp為74.84%，呈“腎形”扁平狀。

2.2 窩眼輪參數(shù)設(shè)計

窩眼輪是窩眼輪式排種器的關(guān)鍵部件，其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括窩眼輪直徑、型孔個數(shù)、型孔尺寸、凸包分布距離(與型孔中心距)、凸包高徑比。窩眼輪結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，其中d1為窩眼輪直徑，d2為強制投種溝槽直徑，d3為驅(qū)動輪轂直徑，A為型孔長度，B為型孔寬度，C為型孔深度，B1為儲種深度，A1為導(dǎo)種槽長度，θ為導(dǎo)種槽傾角，Ls為凸包分布距離，ε為凸包分布角。

圖5 窩眼輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of seed-metering wheel structure

2.2.1窩眼輪直徑

窩眼輪直徑是排種器的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，決定排種器結(jié)構(gòu)分布和其他部件的結(jié)構(gòu)尺寸，是影響充種性能的重要因素。窩眼輪直徑?jīng)Q定型孔處于充種區(qū)的時間。為研究窩眼輪各參數(shù)對充種時間T的影響，建立充種時間T的方程

(1)

式中γ——種子充填角，(°)

ω——窩眼輪角速度，rad/s

n——窩眼輪轉(zhuǎn)速，r/min

vm——播種機作業(yè)速度，m/s

S——株距，m

z——型孔數(shù)量

整理公式(1)可得

(2)

由式(2)可知，當種子充填角γ、播種機作業(yè)速度vm和株距S一定時，充種時間T只與型孔數(shù)量z有關(guān)，故窩眼輪直徑不宜太小，因其曲率大不利于充種。參考常用窩眼輪直徑80～140 mm，本文選用窩眼輪直徑為120 mm[21]。

2.2.2異形孔設(shè)計

型孔的形狀和尺寸取決于種子的形狀和尺寸。催芽后人參種子三軸尺寸滿足L>W>H，根據(jù)最小勢能原則，確定種子在“平躺”狀態(tài)下為最穩(wěn)定狀態(tài)，種子以長度方向充入型孔的幾率最高。為便于充種和投種，將型孔設(shè)計為橫向分布并帶有導(dǎo)種槽的非對稱結(jié)構(gòu)，其中型孔的長度、寬度和深度應(yīng)滿足

(3)

式中Lmax——人參種子長度最大值，mm

Wmax——人參種子寬度最大值，mm

Hmax——人參種子厚度最大值，mm

Hmin——人參種子厚度最小值，mm

試驗測得人參種子長、寬、厚最大值分別為6.5、5.8、3.6 mm，厚度最小值為2.0 mm?？紤]人參種子為扁平狀，因此選擇型孔長度A、寬度B、深度C分別為7.2、6.2、3.8 mm，正視圖為橢圓的柱狀型孔。

導(dǎo)種槽起導(dǎo)種作用，其傾角θ(大于種子與窩眼輪材料的最大靜摩擦角φabs，試驗測得φabs=24.6°)即為加工導(dǎo)種槽的平頭銑刀與型孔底面的加工傾角，考慮充種時種子受損最小，導(dǎo)種槽延伸至型孔最深處，加工出來的異形孔類似瓢形。根據(jù)圖5結(jié)構(gòu)示意圖，可滿足幾何關(guān)系

(4)

當導(dǎo)種槽傾角大于45°時，導(dǎo)種槽長度A1減小，不利于充種，故初選導(dǎo)種槽傾角θ為35°，則導(dǎo)種槽長度A1與儲種深度B1分別為2.3、2.4 mm。

根據(jù)窩眼輪直徑和異形孔基本尺寸，以人參精密播種要求設(shè)計每周異形孔數(shù)，在保證異形孔強度的要求下，異形孔間相隔距離為7.5 mm，異形孔數(shù)最大為24個。按照人參播種株距4 cm，窩眼輪線速度不超過0.3 m/s，播種機作業(yè)速度2 km/h計算，窩眼輪異形孔數(shù)z滿足

(5)

其中

vw=ωR

(6)

式中vw——窩眼輪線速度，m/s

R——窩眼輪半徑，m

由式(5)可知窩眼輪每周異形孔數(shù)z≥17.45，確定為18～24之間。

2.2.3充種過程運動學(xué)分析

異形孔的充種性能是評價排種器工作質(zhì)量的重要指標，種子從窩眼輪表面運動到異形孔內(nèi)部受力復(fù)雜，選取異形孔邊緣的種子對其充種過程進行運動學(xué)分析，如圖6所示，種子順利囊入異形孔的極限相對速度應(yīng)滿足

圖6 種子充入異形孔的運動學(xué)分析示意圖Fig.6 Diagram of seed filling special-hole kinematic analysis

(7)

式中vr——種子順利囊入異形孔的極限相對速度，m/s

Dn——型孔最大開口尺寸，mm

d0——種子的當量直徑，mm

g——重力加速度，m/s2

由公式(6)、(7)可以確定窩眼輪轉(zhuǎn)速的取值范圍

(8)

已知R=60 mm,根據(jù)異形孔設(shè)計參數(shù)Dn=B+A1=8.1 mm，d0=(W+H)/2=3.85 mm，代入公式(8)可得n≤49.58 r/min。

2.2.4凸包設(shè)計

凸包是穩(wěn)定充種區(qū)摩擦力，使離散種子處于穩(wěn)定狀態(tài)和提高充種率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。設(shè)計凸包相間分布在型孔兩側(cè)，如圖5所示。凸包是球體的部分曲面，其高徑比需要滿足一定的條件才能起到擾動種群的作用[22]，要求凸包摩擦角δ大于種子與窩眼輪的靜摩擦角，結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示，幾何關(guān)系滿足

圖7 凸包結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic of convex hull structure

(9)

式中r——凸包基球半徑，mm

h——凸包高度，mm

d——凸包基座直徑，mm

在保證凸包不攜種的前提下，凸包基球半徑越大對種群的擾動性越強，因此需要凸包高徑比滿足

(10)

其中

(11)

式中ξ——高徑比

Wmin——人參種子寬度最小值，mm

人參種子寬度最小值為3.5 mm，本文定義凸包基座直徑d為3.2 mm，根據(jù)公式(9)～(11)確定凸包高徑比在0.24～0.50之間，凸包分布距離在5.2～23.4 mm之間。

3 EDEM離散元仿真試驗

3.1 仿真試驗?zāi)Ｐ徒⒓胺抡鎱?shù)確定

3.1.1仿真試驗?zāi)Ｐ徒?/p>

以長白山地區(qū)常見的“大馬牙”人參種子作為建模對象，選取與三軸尺寸平均值相近的人參種子，利用三維激光掃描得到人參種子的三維空間點云數(shù)據(jù)，運用逆向工程技術(shù)獲得人參種子真實三維幾何模型。將模型導(dǎo)入EDEM軟件并利用非球形顆粒的快速填充功能，得到種子的多球面聚合顆粒模型，如圖8所示，圖中由左到右依次為種子的真實圖像、三維幾何模型和多球面聚合顆粒模型。本文選用顆粒-顆粒和顆粒-排種器的接觸模型均為Hertz-Mindlin無滑移動接觸模型。

圖8 人參種子實物圖與仿真模型Fig.8 Real figure and simulation models of ginseng seed

建立排種器仿真試驗?zāi)Ｐ?，為減少仿真試驗計算量，去除無接觸部件，在NX.中創(chuàng)建3行排種器三維模型并導(dǎo)入到EDEM中，如圖9所示。

圖9 排種器仿真模型Fig.9 Simulation models of seed-metering device

3.1.2仿真參數(shù)

排種器中與種子接觸的部件有殼體、窩眼輪、毛刷輪和清種扭簧，其中殼體和清種扭簧為不銹鋼材料，窩眼輪和毛刷輪的刷絲為ABS塑料。經(jīng)參數(shù)標定后確定顆粒-顆粒和顆粒-幾何模型的接觸參數(shù)，人參顆粒、不銹鋼和ABS塑料的本征參數(shù)及相互間的接觸參數(shù)如表1所示[23-24]。

表1 離散元仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of EDEM

3.2 單因素仿真試驗

為使參數(shù)設(shè)計進一步具體化，對排種器的充種性能進行單因素仿真試驗分析，依據(jù)現(xiàn)有的研究成果[25-26]，確定設(shè)計參數(shù)為異形孔數(shù)、導(dǎo)種槽傾角、凸包分布距離和毛刷輪與窩眼輪的線速比，定義各試驗因素的固定值為20、35°、14.5 mm和1.7。以充種單粒率(1粒/孔)和漏充率(0粒/孔)為試驗指標。充種區(qū)種群的離散程度和第1層種子與窩眼輪的相對運動狀態(tài)是影響充種性能的重要因素，因此結(jié)合EDEM軟件的后處理功能，采用局部種群質(zhì)量比率和第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力，分別衡量不同時步下的種群離散程度和第1層種子的運動狀態(tài)。其中局部種群質(zhì)量比率越小，證明種群離散程度越大。監(jiān)測局部種群質(zhì)量比率需要在種群中建立監(jiān)測器，如圖10所示，輸出每個時間步長下監(jiān)測器中種子質(zhì)量進而得到局部種群質(zhì)量比率

圖10 仿真試驗建立的監(jiān)測器Fig.10 Bin group built in simulation test

(12)

式中ηi——i時刻局部種群質(zhì)量比率

Mi——i時刻監(jiān)測器內(nèi)種子質(zhì)量，g

ρ——顆粒密度，g/cm3

Vk——監(jiān)測器體積，cm3

仿真設(shè)定窩眼輪轉(zhuǎn)速為31.25 r/min(株距為4 cm，作業(yè)速度為1.5 km/h左右)，每組仿真試驗從排種器運轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開始輸出記錄10 s試驗數(shù)據(jù)，本文數(shù)據(jù)輸出時間區(qū)間為3～13 s，每排統(tǒng)計100粒種子。

3.2.1異形孔數(shù)

按照2.2.2節(jié)的參數(shù)設(shè)計結(jié)果，分析異形孔數(shù)分別為18、20、22和24時對充種過程的影響，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同異形孔數(shù)的仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of different number of special-holes %

由表2可知，隨著異形孔數(shù)的增加，充種單粒率先增加后減?。幌啾容^漏充率變化不大。為進一步分析異形孔數(shù)對充種單粒率的影響，分別導(dǎo)出不同試驗局部種群質(zhì)量比率和第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力。如圖11所示。當異形孔數(shù)為18時，法向力波動較大，種群不穩(wěn)定不利于充種；當異形孔數(shù)為22和24時法向力相對穩(wěn)定，但隨著異形孔數(shù)的增加單個異形孔充種時間變短，充種單粒率減小，其變異系數(shù)增大。異形孔數(shù)為20時，充種單粒率較高，單粒率變異系數(shù)較小，因此確定異形孔數(shù)為20個。

圖11 異形孔數(shù)對種群狀態(tài)的影響Fig.11 Effects of number of special-hole on population state

3.2.2導(dǎo)種槽傾角

導(dǎo)種槽傾角決定著異形孔的容積，是影響充種性能的重要因素之一，結(jié)合2.2.2節(jié)的參數(shù)設(shè)計分析導(dǎo)種槽傾角為25°、35°、45°和90°(即無導(dǎo)種槽時)對充種過程的影響，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同導(dǎo)種槽傾角的仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of different slot’s angles%

由表3可知，隨著導(dǎo)種槽傾角的增加充種單粒率先增大后減小，漏充率逐漸增加。原因是導(dǎo)種槽傾角為25°時，異形孔容積最大，種子復(fù)充現(xiàn)象嚴重；結(jié)合圖12，隨著導(dǎo)種槽傾角的增加，導(dǎo)種效果變差，異形孔對種群的擾動減小，種群的離散程度減小流動性變差，不利于目標種子充入異形孔。因此當導(dǎo)種槽傾角為35°時，充種單粒率最高，單粒率變異系數(shù)相對較小，因此確定導(dǎo)種槽傾角為35°。

圖12 導(dǎo)種槽傾角對種群狀態(tài)的影響Fig.12 Effect of slot’s angle on population state

3.2.3凸包分布距離

根據(jù)1.2節(jié)中對充種過程的分析，凸包分布距離是對種群產(chǎn)生穩(wěn)定而連續(xù)波動的關(guān)鍵因素，按照2.2.4節(jié)的參數(shù)設(shè)計結(jié)果，分析凸包分布距離為6、14.5、23 mm(凸包分布距離最小值、凸包分布距離中值和凸包分布距離最大值)和無凸包時對充種過程的影響，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 不同凸包分布距離的仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different distribution distance of convex hull %

由表4可知，隨著凸包分布距離的增大，充種單粒率先增大后減小，漏充率先減小后增大，單粒率變異系數(shù)與漏充率變異系數(shù)均相對穩(wěn)定。根據(jù)圖13分析其原因，當分布距離為6 mm和23 mm時，第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力出現(xiàn)多個波峰，凸包對種群的作用與型孔對種群的作用處于不平衡狀態(tài)；無凸包時第1層種子與窩眼輪摩擦力最小，種子在殼體處形成堆積，處于監(jiān)測器內(nèi)的種子數(shù)量較少，故種群離散程度明顯減小，且法向力出現(xiàn)多個波峰，因此充種區(qū)減小且種層運動狀態(tài)不穩(wěn)定不利于充種而使漏充率增加。分布距離為14.5 mm時，第1層種子與窩眼輪接觸的單粒平均法向力穩(wěn)定，種群離散程度大，充種單粒率高，故確定凸包分布距離為14.5 mm。

圖13 凸包分布距離對種群狀態(tài)的影響Fig.13 Effects of distribution distance of convex hull on population state

3.2.4毛刷輪與窩眼輪線速比

毛刷輪與窩眼輪線速比對清種過程有著重要影響，要求毛刷輪比較柔軟并有一定的彈性，毛刷輪外徑切入排種輪2～3 mm不僅清種效果好，不傷種，而且還能擾動種群，有利于充種，因此要求毛刷輪與窩眼輪的線速比在一定范圍內(nèi)。本文選用毛刷輪直徑為80 mm，結(jié)合2.2.1節(jié)中的參數(shù)設(shè)計并參考《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》，毛刷輪與窩眼輪的線速比在1.0～2.0間，故確定線速比分別為1.0、1.4、1.7和2.0時進行仿真試驗研究，結(jié)果如表5所示。由試驗結(jié)果可知，當線速比過小時，易在毛刷輪與窩眼輪相切處形成種子堆積；當線速比過大時，易將毛刷輪與窩眼輪相切處的種層刷飛，對種群擾動過大，以上均不利于充種。參照《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》并結(jié)合仿真試驗結(jié)果，確定線速比為1.7。

表5 不同毛刷輪與窩眼輪線速比的仿真結(jié)果Tab.5 Simulation results of line speed ratio between different brush wheels and seed-metering wheel %

3.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗

3.3.1試驗方案與結(jié)果分析

為研究窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比和種層高度對排種器工作性能的影響，基于單因素試驗所確定的設(shè)計參數(shù)進一步研究各因素對排種器工作性能的影響。試驗因素編碼如表6所示，試驗設(shè)計方案與結(jié)果如表7所示，其中X1、X2、X3分別為窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度的編碼值，試驗指標Y1、Y2、Y3分別為合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)。

表6 試驗因素編碼Tab.6 Experimental factors and codes

表7 試驗方案與結(jié)果Tab.7 Experiment design and results

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，試驗結(jié)果Y2≤5%，結(jié)合本研究重點為凸包異形孔結(jié)構(gòu)對窩眼輪式排種器充種性能的影響，因此只對合格指數(shù)和漏播指數(shù)進行方差分析。表8為合格指數(shù)與漏播指數(shù)方差分析，二次回歸模型均高度顯著(P<0.01)，失擬項均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬，剔除不顯著影響因素后，得到Y(jié)1、Y3的回歸方程

(13)

(14)

由表8可知，三因素對合格指數(shù)的影響重要性依次為凸包高徑比、窩眼輪轉(zhuǎn)速、種層高度，其中窩眼輪轉(zhuǎn)速與凸包高徑比間存在的交互作用不容忽視，二者響應(yīng)曲面如圖14所示。在低轉(zhuǎn)速區(qū)合格指數(shù)隨凸包高徑比的增大先增大后減小，在高轉(zhuǎn)速區(qū)合格指數(shù)隨凸包高徑比的增大而增大；在凸包高徑比較小區(qū)合格指數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而減小，在凸包高徑比較大區(qū)合格指數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加先增大后減小，因此二者具有較顯著的相關(guān)性。

圖14 窩眼輪轉(zhuǎn)速與凸包高徑比交互作用的響應(yīng)曲面Fig.14 Response surface for interaction of speed and DRH

從表8可以看出，各因素對于漏播指數(shù)的影響極為顯著，其中影響重要性依次為窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度，其中凸包高徑比與種層高度間存在交互作用。

表8 合格指數(shù)與漏播指數(shù)方差分析Tab.8 Variance analysis of eligibility index and missed seeding index

3.3.2試驗結(jié)果目標優(yōu)化

為在水平約束條件下尋求各因素的最優(yōu)組合，仍將合格指數(shù)和漏播指數(shù)作為評價指標，結(jié)合因素邊界條件建立數(shù)學(xué)模型，并對評價指標回歸模型進行多目標化求解，優(yōu)化目標函數(shù)的邊界條件為

(15)

以合格指數(shù)最高和漏播指數(shù)最低為優(yōu)化目標進行多目標優(yōu)化，求解得窩眼輪轉(zhuǎn)速為29.75 r/min、凸包高徑比為0.43、種層高度為53.92 mm時性能最優(yōu)，合格指數(shù)為95.59%、重播指數(shù)為2.97%、漏播指數(shù)為1.40%。

4 排種器性能試驗

4.1 臺架試驗

為驗證仿真試驗的優(yōu)化結(jié)果，選取經(jīng)過催芽后的長白山“大馬牙”人參種子，含水率為40%，在JPS-12型視覺排種器性能試驗臺上進行試驗驗證，按照仿真試驗優(yōu)化后的參數(shù)使用ABS材料3D打印窩眼輪并制作排種器，為方便觀察排種器工作狀態(tài)下種群情況，種箱前板用亞克力板制作，試驗裝置如圖15所示。設(shè)置排種器工作轉(zhuǎn)速為29.75 r/min，種層高度為54 mm。

圖15 排種器性能試驗裝置Fig.15 Seed-metering device performance test1.傳送帶 2.排種軸 3.凸包異形孔窩眼輪式排種器 4.高速攝像裝置 5.鏈傳動 6.臺架 7.電機

4.1.1充種性能試驗

為驗證排種器的充種性能，去掉柔性護種板，利用合肥富煌君達高科信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的千眼狼5F01M高速攝像機拍攝充種情況，待排種器工作穩(wěn)定后取10轉(zhuǎn)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果如表9所示。

表9 排種器充種性能試驗結(jié)果Tab.9 Test results of seed filling performance%

試驗結(jié)果表明，充種單粒率為93.67%，其變異系數(shù)為0.76%；漏充率為2.50%，其變異系數(shù)為20.00%。充種性能穩(wěn)定，3排排種器間的差異性不大，結(jié)果與仿真試驗吻合，驗證了仿真試驗的可靠性。從高速攝像的記錄中可以看出種子多以“平躺”狀態(tài)充入異形孔，未出現(xiàn)大于(等于)3粒/孔的情況，復(fù)充情況均為兩粒豎直插入異形孔，柔性護種板可以避免傷種問題。

4.1.2工作性能試驗

為研究排種器的工作性能和播種分布均勻性，將柔性護種板裝到排種器上，調(diào)整落種點與傳動帶的高度為120 mm，設(shè)置傳動帶速度為0.36 m/s，控制油泵在傳送帶上刷油，待排種穩(wěn)定后，測定1 m范圍內(nèi)種子數(shù)量，并統(tǒng)計傷種情況。按照人參種植株距4 cm計算，1 m范圍內(nèi)理論播種數(shù)量為25粒，隨機測定20組數(shù)據(jù)取平均值，試驗結(jié)果如表10所示。

表10 分段測量試驗結(jié)果Tab.10 Sectional measurement test results

由表10可知，排種器行內(nèi)排種量分布均勻性的變異系數(shù)為2.32%，因此凸包異形孔窩眼輪式排種器較常規(guī)窩眼輪式排種器具有明顯優(yōu)勢。

4.2 田間試驗

為進一步研究凸包異形孔窩眼輪式精密排種器的工作性能，按照人參種植農(nóng)藝要求(移栽法)加工了28行凸包異形孔窩眼輪式排種器，經(jīng)實驗室臺架試驗驗證其工作穩(wěn)定性后，組裝成2BS-28型人參播種機，并在吉林省四平市興寶生態(tài)園人參種植基地進行田間試驗。圖16為田間試驗現(xiàn)場和試驗效果。

圖16 田間試驗Fig.16 Field test

田間試驗中，配套汽油機動力5.5 kW，設(shè)計播種機工作速度1.4 km/h，試驗地地表已旋耕平整；隨機選取10組，每組試驗段1 m對播種粒距的合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)以及種子破損率進行統(tǒng)計，試驗結(jié)果與NY/T 1143—2006《播種機質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》進行對比，如表11所示。田間試驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器滿足人參精密播種要求。

表11 田間試驗結(jié)果Tab.11 Field test results %

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器，以充種條件為依據(jù)，通過理論計算和運動學(xué)分析設(shè)計了窩眼輪的基本參數(shù)。確定窩眼輪直徑為120 mm，型孔的長、寬、深分別為7.2、6.2、3.8 mm。

(2)借助離散元單因素仿真試驗對設(shè)計參數(shù)進行優(yōu)化，確定了異形孔數(shù)為20個，導(dǎo)種槽傾角為35°，凸包分布距離為14.5 mm，毛刷輪與窩眼輪的線速比為1.7。通過設(shè)計二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，得到合格指數(shù)和漏播指數(shù)的回歸方程，經(jīng)方差分析可知，影響合格指數(shù)的因素主次順序依次為凸包高徑比、窩眼輪轉(zhuǎn)速、種層高度，其中凸包高徑比與窩眼輪轉(zhuǎn)速間的交互作用不容忽視；影響漏播指數(shù)的因素主次順序依次為窩眼輪轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度，其中凸包高徑比與種層高度間存在交互作用。對回歸方程進行多目標優(yōu)化求解得出，當窩眼輪轉(zhuǎn)速為29.75 r/min、凸包高徑比為0.43、種層高度為53.92 mm時，合格指數(shù)為95.59%、重播指數(shù)為2.97%、漏播指數(shù)為1.40%。

(3)對最優(yōu)參數(shù)組合進行了試驗驗證。臺架試驗充種性能試驗結(jié)果表明，充種單粒率為93.67%，單粒率變異系數(shù)為0.76%，漏充率為2.50%，漏充率變異系數(shù)為20.00%；臺架試驗的工作性能試驗結(jié)果表明，排種器行內(nèi)排種量分布均勻性的變異系數(shù)均值為2.32%。田間試驗結(jié)果表明，粒距合格指數(shù)86.5%，重播指數(shù)8.26%，漏播指數(shù)5.24%，合格粒距變異系數(shù)7.74%，種子破損率0.50%。凸包異形孔窩眼輪式人參精密排種器充種性能較好，傷種率低，能夠滿足人參精密播種要求。