王 磊 廖宜濤 廖慶喜 齊天翔 張青松 王寶山

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

油菜種植區(qū)域的耕地坡度為0°～5°，適于高速、寬幅油菜播種機[1-2]作業(yè)。氣送式油菜播種機整機和傳動系統(tǒng)簡單，適應(yīng)高速、寬幅等作業(yè)特點，滿足油菜高效播種作業(yè)需求[3-6]。氣送式油菜精量寬幅免耕播種機作業(yè)時，受地表坡度影響，供種裝置隨播種機前后傾斜及擺動，導(dǎo)致供種裝置單位時間內(nèi)的供種量差異較大，供種穩(wěn)定性較差[7-9]。

為提高氣送式集排器排種性能，國內(nèi)外學(xué)者進行了許多相關(guān)研究。文獻[10-11]應(yīng)用計算流體力學(xué)方法設(shè)計并優(yōu)化了導(dǎo)流渦輪結(jié)構(gòu)，以提高氣送式集排器內(nèi)氣流場的有序性；文獻[12-14]設(shè)計傾斜拋物線型孔輪，安裝攪種裝置，并應(yīng)用EDEM仿真確定種層調(diào)節(jié)板參數(shù)，以提高氣送式集排器充種性能；文獻[15-17]設(shè)計分配器上凸蓋結(jié)構(gòu)，并利用CFD仿真分析排種分配系統(tǒng)參數(shù)對氣流場的影響，應(yīng)用DEM-CFD耦合仿真優(yōu)化氣送式集排器送料裝置、增壓管、碗式分配器結(jié)構(gòu)，以提高集排器各行排量一致性；文獻[18-21]研究了風(fēng)機風(fēng)壓、氣流流速、氣流種子比、輸種管結(jié)構(gòu)對氣送式排種系統(tǒng)排種性能的影響。上述研究提高了氣送式集排器的排種性能，但有關(guān)作業(yè)地表坡度對氣送式集排器供種性能影響及提高氣送式集排器對地表坡度適應(yīng)性的研究卻鮮見報道。

針對現(xiàn)有氣送式油菜集排器供種裝置在油菜種植區(qū)域地表坡度變化范圍大時供種量穩(wěn)定性不足等問題，設(shè)計一種采用調(diào)節(jié)彈簧控制毛刷與外切圓弧型孔輪距離，實現(xiàn)坡地播種、穩(wěn)定供種的供種裝置，確定外切圓弧型孔曲線方程、主圓弧偏轉(zhuǎn)角及種量調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用智能種植機械測試平臺進行供種裝置優(yōu)化試驗，以期為氣送式集排器結(jié)構(gòu)改進提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 氣送式排種系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

氣送式油菜排種系統(tǒng)主要由高壓風(fēng)機、氣流分配管、種箱、供種裝置、等分送料裝置、送料管、分配器、輸種管等組成，該系統(tǒng)可提供氣送式集排器24行種子輸送所需氣流，完成供種、分種、混種、送種、排種、輸種環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 供種裝置結(jié)構(gòu)

供種裝置主要由卸種板、供種殼體、外切圓弧型孔輪、播量調(diào)控輪、隔板、調(diào)節(jié)板、清種毛刷、進種隔板、種箱、種室隔板、調(diào)節(jié)彈簧、硅膠刮種板、傳動軸、充種室、轉(zhuǎn)軸、供種口等組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3 工作過程及工作原理

播種作業(yè)時，供種裝置供種過程包括充種、清種、攜種、投種，供種裝置相對平整地表的狀態(tài)如圖3所示。定義供種裝置逆時針傾斜為正向傾斜，順時針傾斜為負向傾斜，調(diào)節(jié)板與外切圓弧型孔輪間距離最小處種層厚度為充種量調(diào)控區(qū)種層厚度h。理想狀態(tài)下，供種裝置為水平狀態(tài)1，清種毛刷將清除型孔中的部分種子；遇坡度地表上坡作業(yè)時，供種裝置為傾斜狀態(tài)2，供種裝置負向傾斜角θ，調(diào)節(jié)彈簧伸長，清種量增加，且充種量調(diào)控區(qū)種層厚度降低，由清種增加及充種量調(diào)控區(qū)種層厚度降低減小的型孔充種量可平衡負向傾斜導(dǎo)致的充種增加量；遇坡度地表下坡作業(yè)時，供種裝置為傾斜狀態(tài)3，供種裝置正向傾斜角θ，調(diào)節(jié)彈簧縮短，清種量減少，且充種量調(diào)控區(qū)種層厚度增加，由充種量調(diào)控區(qū)種層厚度增加而增大的型孔充種量可平衡正向傾斜導(dǎo)致的充種減少量，實現(xiàn)坡地動態(tài)穩(wěn)定供種。

2 供種裝置設(shè)計

2.1 型孔輪參數(shù)

因油菜種子近似球形、表皮光滑且流動性好，確定型孔輪為圓柱形。播種機播量與油菜供種裝置供種量關(guān)系方程為

(1)

式中Qb——農(nóng)藝要求油菜播量，粒/s

B——免耕播種機作業(yè)幅寬，m

vm——播種機前進速度，m/s

a——播種行距，m

b——播種粒距，m

Qm——供種裝置供種量，粒/s

N——型孔輪數(shù)

Z——單個型孔輪徑向型孔數(shù)

q——單個型孔充入種子數(shù)

n——型孔輪轉(zhuǎn)速，r/min

供種裝置供種量與種植農(nóng)藝要求播量相同，由式(1)得

(2)

由式(2)可知，單個型孔輪徑向型孔數(shù)與作業(yè)幅寬、前進速度成正比，與型孔輪數(shù)、播種行距、播種粒距、單個型孔充入種子數(shù)、型孔輪轉(zhuǎn)速成反比。綜合考慮長江中下游和新疆地區(qū)油菜播種作業(yè)速度為4～10 km/h，播量為3.75～8.25 kg/hm2，播種機幅寬為4.8 mm，行距為200 mm，確定型孔輪直徑為80 mm。根據(jù)油菜品種千粒質(zhì)量差異，確定型孔理論充種粒數(shù)為10～15，傳動軸上為4～8個型孔輪交錯排布，單個型孔輪徑向型孔數(shù)為24，型孔輪工作轉(zhuǎn)速為20～50 r/min[22]。

2.2 型孔設(shè)計

為滿足供種裝置型孔高速作業(yè)下不傷種，精量播種中供種應(yīng)連續(xù)穩(wěn)定。綜合考慮供種裝置作業(yè)工況及減少拖帶充種，設(shè)計增加種群擾動且易于種子充種及流動的外切圓弧型孔，截面形狀如圖4所示。

外切圓弧型孔由輔充圓弧、主圓弧、導(dǎo)流圓弧組成，輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧均與主圓弧外切。外切圓弧型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計依據(jù)華油雜62油菜種子，當量直徑為1.9～2.1 mm，球形度大于94.5%。為保證油菜種子有效充入型孔且在投種區(qū)順利從型孔中排出，主圓弧對應(yīng)圓周角應(yīng)小于180°。根據(jù)型孔輪布局，外切圓弧型孔無偏轉(zhuǎn)時，型孔輪、主圓弧、種子相對位置如圖5所示。為實現(xiàn)種子有效充入型孔，基于幾何關(guān)系可知

(3)

式中Rc——主圓弧半徑，mm

R——型孔輪半徑，取40 mm

β——型孔對應(yīng)型孔輪圓心角，(°)

lR——型孔對應(yīng)型孔輪弦長，mm

δ——型孔對應(yīng)主圓弧圓心角，(°)

lt——型孔對應(yīng)主圓弧弦長，mm

r——油菜種子半徑，1 mm

hc——主圓弧深度，mm

由式(3)可知

(4)

綜合考慮滿足冬油菜、春油菜播量要求，且實現(xiàn)有效供種，結(jié)合式(4)確定主圓弧半徑為4.5 mm，主圓弧深度為3.5 mm。主圓弧方程為

x2+y2=20.25

(5)

根據(jù)主圓弧、輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧與型孔輪間相對位置關(guān)系，輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧方程關(guān)系式為

(6)

式中Rs——輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧的半徑，mm

e——輔充圓弧圓心的x軸坐標

k——輔充圓弧、導(dǎo)流圓弧圓心的y軸坐標

根據(jù)式(5)、(6)得外切圓弧型孔方程為

(7)

外切圓弧型孔主圓弧是決定型孔供種性能的關(guān)鍵，為提高供種裝置的供種穩(wěn)定性，以無偏轉(zhuǎn)時主圓弧二分之一半徑處的坐標Oe為偏轉(zhuǎn)中心，偏轉(zhuǎn)主圓弧，如圖6所示，可得偏轉(zhuǎn)主圓弧方程與以O(shè)e為圓心、主圓弧半徑為直徑的偏轉(zhuǎn)圓方程關(guān)系式

(8)

式中m1——偏轉(zhuǎn)主圓弧圓心x軸坐標

n1——偏轉(zhuǎn)主圓弧圓心y軸坐標

為保證主圓弧偏轉(zhuǎn)過程中的完整性，最大偏轉(zhuǎn)角時，偏轉(zhuǎn)主圓弧應(yīng)與直線OD相切，方程應(yīng)滿足關(guān)系式

(9)

式中k1——直線OD斜率，計算結(jié)果為7.59

b1——直線OD截距，計算結(jié)果為40.85

由式(9)可得偏轉(zhuǎn)主圓弧偏轉(zhuǎn)最大角度時圓心坐標On(-3.15 mm，0.58 mm)。根據(jù)主圓弧方程圓心坐標Oc、偏轉(zhuǎn)主圓弧方程圓心坐標On、偏轉(zhuǎn)圓方程圓心坐標Oe的幾何關(guān)系，可得偏轉(zhuǎn)主圓弧繞點Oe順時針轉(zhuǎn)動的最大偏轉(zhuǎn)角α為20.48°。

2.3 種量調(diào)節(jié)機構(gòu)

2.3.1種量調(diào)節(jié)機構(gòu)受力分析

種量調(diào)節(jié)機構(gòu)由調(diào)節(jié)彈簧、調(diào)節(jié)板、清種毛刷、轉(zhuǎn)軸等組成，結(jié)構(gòu)如圖7所示。通過調(diào)節(jié)彈簧控制調(diào)節(jié)板與型孔輪間距離，以控制充種量調(diào)控區(qū)種層厚度、型孔的充種及清種量，并控制清種毛刷與型孔輪間距離。以固定連接的調(diào)節(jié)板和清種毛刷為剛體，其在平整地表受力如圖8所示。

剛體在平面xy內(nèi)繞轉(zhuǎn)軸固定鉸鏈Oz轉(zhuǎn)動，力系平衡。基于平面力系平衡，力系主矢、主矩均為零。建立平衡方程

(10)

式中μm——種子與清種毛刷間的摩擦因數(shù)

μr——種子與調(diào)節(jié)板間的摩擦因數(shù)

θt——調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力與y軸夾角，(°)

θG——剛體重力與x軸夾角，(°)

Fa——轉(zhuǎn)軸對剛體x軸上的約束力,N

Fb——轉(zhuǎn)軸對剛體y軸上的約束力,N

Ft——調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力,N

Ftx——調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力在x軸方向分力,N

Fty——調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力在y軸方向分力,N

ρtx——調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力在x軸方向分力的力臂,m

Fm——型孔內(nèi)種子對剛體的支持力,N

ρn——型孔內(nèi)種子對剛體支持力的力臂,m

fm——型孔內(nèi)種子對剛體的摩擦力,N

ρm——型孔內(nèi)種子對剛體摩擦力的力臂,m

Fr——充種室內(nèi)種群對剛體在質(zhì)心Oa處壓力,N

fr——充種室內(nèi)種群對剛體的摩擦力,N

G——剛體重力,N

Gx——剛體重力在x軸方向分力,N

Gy——剛體重力在y軸方向分力,N

ρr——剛體重力在x軸方向分力和充種室內(nèi)種群對剛體在質(zhì)心點Oa處壓力的力臂,m

種量調(diào)節(jié)機構(gòu)是由轉(zhuǎn)軸實現(xiàn)固定鉸鏈約束，基于固定鉸鏈約束的力學(xué)特性，F(xiàn)a、Fb是大小未知的正交分力，F(xiàn)a、Fb對固定鉸鏈Oz的主矩為0，故地表具有坡度，供種裝置繞型孔中心點O轉(zhuǎn)動θ時，由式(10)可知調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力為

(11)

遇坡度地表上坡作業(yè)時，剛體重力與x軸夾角θG隨供種裝置負向傾斜角θ的增加而逐漸減?。换谏⒘ｓw對側(cè)壁壓力變化規(guī)律，充種室內(nèi)種群對剛體的壓力Fr隨θ的增加而逐漸增大。負向傾斜時調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力為

(12)

基于供種裝置為整體傾斜，傾斜過程中，F(xiàn)r逐漸減小，力臂ρr、ρtx、ρm、ρn不變，為實現(xiàn)力矩平衡，調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力Ft隨傾斜角θ的增加而逐漸增大，調(diào)節(jié)彈簧伸長量增加，迫使剛體繞點Oz逆時針轉(zhuǎn)動，清種毛刷與型孔間距離減小，增加了清種量，當清種毛刷與型孔間距減小到一定值時，F(xiàn)m增大，可實現(xiàn)力系平衡。

遇坡度地表下坡作業(yè)時，調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力Ft為

(13)

由式(13)可知，隨供種裝置傾斜角θ的增加，F(xiàn)r逐漸減小，力臂ρr、ρtx、ρm、ρn不變，為實現(xiàn)力矩平衡，調(diào)節(jié)彈簧對剛體的拉力Ft隨傾斜角θ的增加而逐漸減小，調(diào)節(jié)彈簧伸長量減小，迫使剛體繞點Oz順時針轉(zhuǎn)動，增加了清種毛刷與型孔間距離，減小了清種量，當清種毛刷與型孔間距增大到一定值時，F(xiàn)m減小，可實現(xiàn)力系平衡。

2.3.2調(diào)節(jié)板與清種毛刷設(shè)計

綜合考慮供種裝置結(jié)構(gòu)、充種室布局及種量調(diào)節(jié)機構(gòu)與型孔輪的相對位置，確定種量調(diào)節(jié)機構(gòu)與型孔輪幾何關(guān)系如圖9所示。

地表平整時，為保證清種毛刷有效清種且不卡種，清種毛刷安裝最低點應(yīng)為調(diào)節(jié)板與型孔輪距離最小處，結(jié)合圖9可得調(diào)節(jié)板與型孔輪距離關(guān)系方程

(14)

式中ha——轉(zhuǎn)軸至x軸距離，mm

hb——轉(zhuǎn)軸至y軸距離，mm

lm——轉(zhuǎn)軸至清種毛刷安裝最低點距離，mm

lb——調(diào)節(jié)板對稱中心線至型孔輪圓心距離，mm

lc——清種毛刷厚度，mm

cn——調(diào)節(jié)板厚度，mm

由式(14)可知清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)板厚度與地表平整時轉(zhuǎn)軸至型孔輪中心距離間的關(guān)系。依據(jù)設(shè)計尺寸，ha為64 mm，hb為34 mm，R為40 mm,hc為3.5 mm，參考適應(yīng)于平整地表油菜種子供種裝置種層調(diào)節(jié)板安裝角度及油菜種子滑動摩擦角，確定θG為70°，可得不等式方程

(15)

由式(15)可確定清種毛刷厚度和調(diào)節(jié)板厚度范圍，依據(jù)適應(yīng)平整地表作業(yè)供種裝置的調(diào)節(jié)板安裝位置并結(jié)合實際加工工藝，確定清種毛刷厚度為11～15 mm，長度為80 mm，寬度為15 mm，材料為尼龍絲；調(diào)節(jié)板厚度為6～10 mm。

供種裝置工作過程中，型孔輪轉(zhuǎn)動使充種室內(nèi)充種量調(diào)控區(qū)種層厚度高于種量調(diào)節(jié)裝置底邊位置，為避免清種毛刷的安裝導(dǎo)致提前清種，則應(yīng)滿足關(guān)系式

bn≥ln≥lm

(16)

式中l(wèi)n——轉(zhuǎn)軸至調(diào)節(jié)板最低點距離，mm

bn——調(diào)節(jié)板寬度，mm

根據(jù)ha、hb、R設(shè)計尺寸，并結(jié)合式(14)～(16)可得轉(zhuǎn)軸至清種毛刷安裝最低點的距離lm為48.53 mm，轉(zhuǎn)軸至調(diào)節(jié)板最低點距離應(yīng)大于lm，綜合考慮轉(zhuǎn)軸在調(diào)節(jié)板上的相對位置、種箱中油菜種子供給速率及實際作業(yè)中油菜播量需求，確定調(diào)節(jié)板寬度bn為64 mm。

2.3.3調(diào)節(jié)彈簧設(shè)計

由圖9中調(diào)節(jié)彈簧與調(diào)節(jié)板的幾何關(guān)系，根據(jù)余弦定理可得調(diào)節(jié)彈簧與調(diào)節(jié)板寬度關(guān)系方程

(17)

式中l(wèi)a——調(diào)節(jié)彈簧長度，mm

λ——調(diào)節(jié)彈簧固定系數(shù)，取1.3

由式(17)可得地表平整下調(diào)節(jié)彈簧長度與轉(zhuǎn)軸至調(diào)節(jié)板最低點距離、轉(zhuǎn)軸至清種毛刷安裝最低點距離間關(guān)系。依據(jù)設(shè)計尺寸，ln為54 mm，lm為48.53 mm，θt為63°，可得調(diào)節(jié)彈簧長度為47.96～53.37 mm。

調(diào)節(jié)彈簧選用圓柱螺旋拉伸彈簧，彈簧拉力計算公式[23]為

(18)

式中Gt——彈簧切變模量，取79 GPa

d——彈簧鋼絲直徑，mm

D——彈簧中徑，mm

nt——有效圈數(shù)

xt——彈簧形變量，mm

基于散粒體堆積特性，充種室內(nèi)種群對調(diào)節(jié)板的壓力小于種群的重力，充種室內(nèi)種群對調(diào)節(jié)板壓力計算式為

(19)

式中Gr——充種室內(nèi)種子重力，N

調(diào)節(jié)彈簧為2根對稱安裝，根據(jù)調(diào)節(jié)彈簧最小工作載荷、最大工作載荷長度及自由長度關(guān)系，結(jié)合式(12)、(19)可得調(diào)節(jié)彈簧參數(shù)與充種室內(nèi)種群對調(diào)節(jié)板壓力及調(diào)節(jié)板重力的關(guān)系

(20)

式中an——調(diào)節(jié)板長度，取115 mm

pn——調(diào)節(jié)板密度，取7 900 kg/m3

g——重力加速度，取9.81 m/s2

根據(jù)式(20)，為滿足圓柱螺旋拉伸彈簧的力學(xué)特性及幾何參數(shù)關(guān)系，確定選用碳素彈簧鋼絲，計算得鋼絲直徑為0.3～0.5 mm，彈簧中徑為5 mm，有效圈數(shù)為70～90，彈性模量為206 GPa。預(yù)試驗中將鋼絲直徑為0.3～0.5 mm的調(diào)節(jié)彈簧分別安裝至供種裝置，試驗結(jié)果表明鋼絲直徑為0.3 mm的調(diào)節(jié)彈簧工作時未能有效回彈，鋼絲直徑為0.5 mm的調(diào)節(jié)彈簧工作時所受作用力小于調(diào)節(jié)彈簧的初拉力，故鋼絲直徑確定為0.4 mm。

3 試驗與結(jié)果分析

3.1 地表坡度對供種性能影響試驗

為探究地表坡度對供種性能影響規(guī)律，開展坡度地表供種性能穩(wěn)定性試驗。

3.1.1試驗條件

試驗裝置為外切圓弧型孔主圓弧無偏轉(zhuǎn)的供種裝置，模擬地表坡度設(shè)備為華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的智能種植機械測試平臺，如圖10所示。該平臺可模擬并實時顯示播種機在田間作業(yè)的工作狀態(tài)，通過液壓馬達驅(qū)動供種裝置傳動軸轉(zhuǎn)動，通過液壓缸驅(qū)動六自由度平臺實現(xiàn)播種機前后、左右方向-5°～5°傾斜及擺動。

3.1.2試驗方法

試驗供種裝置采用4個外切圓弧型孔輪交錯排布，種箱中裝入5 kg油菜種子，以減少種量變化對供種性能的影響。供種裝置調(diào)節(jié)板固定安裝，參考適應(yīng)平整地表供種裝置調(diào)節(jié)板安裝位置，確定調(diào)節(jié)板與型孔輪軸心距離為51 mm，未安裝調(diào)節(jié)彈簧與清種毛刷，試驗材料為華油雜62油菜種子，千粒質(zhì)量為4.67 g。試驗中以地表坡度為試驗因素，綜合考慮長江中下游及新疆地區(qū)油菜播種機作業(yè)工況，地表坡度設(shè)置為0°～5°，設(shè)置供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min，以滿足實際油菜播種的供種量需求。為更好地研究地表坡度前后傾斜對供種性能的影響規(guī)律，簡化地表坡度形式。開展固定傾斜角度對供種性能影響單因素試驗，試驗水平為供種裝置傾斜-5°～5°，每間隔1°為一個水平，試驗重復(fù)5次；開展供種裝置擺動對供種性能影響單因素試驗，擺動周期為10 s，試驗水平為供種裝置擺動-1°～1°、-2°～2°、-3°～3°、-4°～4°、-5°～5°，試驗重復(fù)5次。以供種裝置60 s內(nèi)供種質(zhì)量為供種速率，確定供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)。

3.1.3結(jié)果分析

由圖11可知，固定傾斜供種速率隨供種裝置傾斜角的增加而逐漸減??；負向傾斜時，固定傾斜-5°相對無傾斜供種速率的增加量大于34%；正向傾斜時，固定傾斜5°相對無傾斜供種速率的減少率大于25%，表明供種裝置傾斜對供種速率有顯著的影響。供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨固定傾斜角的增加無明顯變化規(guī)律。

由圖12可知，供種裝置擺動時供種速率隨供種裝置擺動角范圍的增加而逐漸增大，表明相同傾斜角時，負向傾斜引起的供種速率增加量高于正向傾斜引起的供種速率減少量，是由于負向傾斜外切圓弧型孔種子增加量高于正向傾斜外切圓弧型孔種子減少量，故擺動的供種速率均大于無傾斜時供種速率。供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨擺動角的增加無明顯變化規(guī)律。

3.2 供種性能優(yōu)化試驗

為分析種量調(diào)節(jié)機構(gòu)及型孔參數(shù)對供種速率的影響，開展二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗確定供種裝置參數(shù)組合。

3.2.1試驗裝備

試驗裝置為安裝種量調(diào)節(jié)機構(gòu)的供種裝置，設(shè)備為智能種植機械測試平臺。

3.2.2試驗方法

設(shè)置供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min，以固定傾斜5°相對無傾斜下的供種速率變化率(相對變化率Y1)和固定傾斜-5°相對無傾斜下的供種速率變化率(相對變化率Y2)作為坡度地表供種穩(wěn)定性評價指標。相對變化率Y1計算式為

(21)

式中qa——固定傾斜5°時的供種速率，g/min

qz——無傾斜時的供種速率，g/min

相對變化率Y2計算式為

(22)

式中qb——固定傾斜-5°時的供種速率，g/min

3.2.3二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗

通過對種量調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計與參數(shù)分析，確定清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)、調(diào)節(jié)板厚度、外切圓弧型孔主圓弧偏轉(zhuǎn)角為影響供種速率相對變化量的主要因素。采用響應(yīng)面優(yōu)化法開展二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗[24-25]，確定種量調(diào)節(jié)機構(gòu)最佳參數(shù)組合?；诶碚摲治龊蛯嶋H加工工藝，確定試驗因素水平如表1所示。試驗中不同主圓弧偏轉(zhuǎn)角的外切圓弧型孔輪采用3D打印加工。根據(jù)四因素五水平二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗表開展試驗，每組試驗重復(fù)5次。試驗方案與結(jié)果見表2。

表1 因素水平Tab.1 Factors and levels

表2 試驗方案與結(jié)果Tab.2 Experiment scheme and results

3.2.4回歸分析

采用Design-Expert 8.0.6軟件對回歸方程進行方差分析，結(jié)果表明，X1X3、X2X3、X2X4對Y1影響不顯著，X2X3、X3X4對Y2影響不顯著，剔除不顯著因素的方差分析結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

剔除不顯著因素后，建立Y1、Y2真實值的回歸方程，并檢驗其顯著性。各因素對Y1影響的回歸模

型為

(23)

各因素對Y2影響的回歸模型為

(24)

3.2.5參數(shù)優(yōu)化

基于理論分析、試驗結(jié)果和數(shù)據(jù)分析可知，調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)、清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)板厚度、主圓弧偏轉(zhuǎn)角對Y1、Y2均有顯著影響。

基于油菜種植農(nóng)藝要求中對成苗數(shù)的要求，播量偏高，通過后期油菜苗競爭生長，可保證有效成苗數(shù)，播量偏低難以滿足成苗數(shù)要求。依據(jù)NY/T 2709—2015《油菜播種機作業(yè)質(zhì)量》的要求，以固定傾斜5°相對無傾斜下的供種速率變化率為多目標優(yōu)化目標，結(jié)合各因素邊界條件，建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，目標函數(shù)和約束條件為

(25)

通過Design-Expert 8.0.6軟件的優(yōu)化模塊，求解約束目標，清種毛刷厚度為12.95 mm、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)為82.32、調(diào)節(jié)板厚度為7.78 mm、主圓弧偏轉(zhuǎn)角為7.71°時，Y1最低。

綜合考慮供種裝置實際加工制造水平，以清種毛刷厚度為13 mm、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)為82.5、調(diào)節(jié)板厚度為7.8 mm、主圓弧偏轉(zhuǎn)角為7.7°的供種裝置開展驗證試驗。試驗結(jié)果表明，無傾斜時供種速率為144.39 g/min，固定傾斜5°時為141.04 g/min，Y1為2.32%，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.46%；固定傾斜-5°時供種速率為150.58 g/min，Y2為4.29%，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)為0.52%。

3.3 驗證試驗

為驗證安裝有種量調(diào)節(jié)機構(gòu)的供種裝置對坡度地表作業(yè)的適應(yīng)性及可靠性，利用智能種植機械測試平臺開展擺動對供種性能影響單因素試驗。設(shè)置供種裝置轉(zhuǎn)速為30 r/min，擺動周期為10 s，試驗水平為供種裝置擺動-1°～1°、-2°～2°、-3°～3°、-4°～4°、-5°～5°，每組試驗重復(fù)5次。統(tǒng)計供種速率、擺動相對無傾斜供種速率變化率(相對變化率Y3)、供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)，試驗結(jié)果如圖13所示。

相對變化率Y3計算式為

(26)

式中qi——往復(fù)擺動角度i時的供種速率，g/min

由圖13可知，Y3隨擺動角范圍的增加而逐漸增大，相對變化率Y3為0～1.6%；供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)隨擺動角的增加在0.58%～0.86%內(nèi)變化，Y3和供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)均滿足油菜坡地播種供種量穩(wěn)定性要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種采用調(diào)節(jié)彈簧調(diào)節(jié)清種毛刷與外切圓弧型孔輪距離，從而控制充種及清種量、實現(xiàn)坡地播種、穩(wěn)定供種的供種裝置，闡述了供種裝置的工作原理，確定了外切圓弧型孔曲線方程、主圓弧偏轉(zhuǎn)角及種量調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析了種量調(diào)節(jié)機構(gòu)與型孔輪間的力學(xué)關(guān)系。

(2)通過二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗，得到清種毛刷厚度、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)、調(diào)節(jié)板厚度、主圓弧偏轉(zhuǎn)角與相對變化率的二次回歸方程。利用主要目標法確定最佳參數(shù)組合為：清種毛刷厚度13 mm、調(diào)節(jié)彈簧有效圈數(shù)82.5、調(diào)節(jié)板厚度7.8 mm、主圓弧偏轉(zhuǎn)角7.7°，供種穩(wěn)定性較優(yōu)。

(3)臺架驗證試驗表明，在最優(yōu)參數(shù)組合下，供種速率在擺動-5°～5°相對無傾斜狀態(tài)下的變化率不大于1.6%，供種速率穩(wěn)定性變異系數(shù)不大于0.86%，滿足油菜坡地播種供種量穩(wěn)定性要求。