蘇 微 陳子威 賴(lài)慶輝 賈廣鑫 呂 勤 田保寧

(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(lái)，隨著半夏的需求量逐年增高，野生半夏的產(chǎn)量遠(yuǎn)達(dá)不到需求，因此急需人工種植以提高半夏產(chǎn)量。目前半夏種植多以傳統(tǒng)人工點(diǎn)播或撒播為主，而傳統(tǒng)人工點(diǎn)播或撒播勞動(dòng)強(qiáng)度大、成本高、生產(chǎn)效率低，因此研制一種針對(duì)半夏人工種植的精密播種機(jī)對(duì)于實(shí)現(xiàn)半夏種植產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展具有重大意義。

精密排種器是精密播種機(jī)的核心部件，其中精密排種器又分為氣力式和機(jī)械式。氣力式排種器排種精度高但動(dòng)力配備大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本過(guò)高[1-4]，而機(jī)械式排種器以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本低、適用于窄行播種等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的機(jī)械式排種器主要有窩眼輪式、鏈勺式、勺輪式等，其中窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)力配備適應(yīng)性強(qiáng)可實(shí)現(xiàn)密集精密播種，多用于大豆、油菜等球度相對(duì)較高的種子，但在工作過(guò)程中種子易受剪切載荷作用而導(dǎo)致傷種現(xiàn)象，對(duì)種子適應(yīng)性差[5-10]；鏈勺式排種器利用鏈條帶動(dòng)種勺取種，對(duì)種子的適應(yīng)性強(qiáng)，具有不傷種、易充種、易實(shí)現(xiàn)單粒排種等優(yōu)點(diǎn)，多用于馬鈴薯、甘蔗、大蒜等形狀不規(guī)則的大顆粒種子，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜且在中高速作業(yè)時(shí)鏈條抖動(dòng)顯著，易造成漏播[11-17]；勺輪式排種器通過(guò)勺輪盤(pán)上的舀勺在種箱內(nèi)取種，對(duì)于種子要求較高，適合于大蒜、玉米等形狀較為不規(guī)則的種子播種[18-20]。綜合而言，以上幾類(lèi)排種器均不適用于半夏這類(lèi)形狀不規(guī)則、大小不均勻、表皮易破損等特點(diǎn)的種子。因此有必要研究一種可實(shí)現(xiàn)半夏精密播種要求的新型排種器。

為此本文設(shè)計(jì)一種輪勺式半夏精密排種器，該排種器在結(jié)構(gòu)上繼承勺輪式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)單體播種的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合鏈勺式排種器不傷種、易充種等優(yōu)點(diǎn)[21]，通過(guò)理論分析設(shè)計(jì)排種器結(jié)構(gòu)，利用離散元仿真試驗(yàn)確定排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)輪勺式排種器的充種性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期為輪勺式排種器設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)半夏精密播種。

1 半夏種子物理特性參數(shù)測(cè)定

1.1 試驗(yàn)材料

半夏種子屬于散粒物料，其基本物理特性參數(shù)包括半夏種子三軸尺寸、千粒質(zhì)量、泊松比、彈性模量和剪切模量，本文選用河北旱半夏種子作為試驗(yàn)對(duì)象，在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與物料實(shí)驗(yàn)室通過(guò)游標(biāo)卡尺、電子天平、量筒以及食品物性分析儀等儀器分別對(duì)半夏種子的物理特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

1.2 物理特性參數(shù)測(cè)定

1.2.1三軸尺寸測(cè)定

半夏種子的長(zhǎng)度L、寬度W、厚度H對(duì)種勺的型孔尺寸設(shè)計(jì)影響很大，本文以河北旱半夏為參考對(duì)象，先經(jīng)過(guò)分級(jí)處理篩選長(zhǎng)度在10.0～11.0 mm的半夏種子，選取分級(jí)后500粒飽滿(mǎn)的半夏種子，測(cè)量半夏種子長(zhǎng)度平均值為10.5 mm，寬度平均值為8.2 mm，厚度平均值為7.9 mm，其三軸尺寸范圍如圖1所示。

圖1 半夏種子三軸尺寸分布圖Fig.1 Triaxial size distribution of Pinellia ternata seeds

1.2.2千粒質(zhì)量與密度測(cè)定

分別通過(guò)精度為0.01 g的電子天平和精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺以及量程為50 mL、精度為0.1 mL的量筒對(duì)半夏種子的千粒質(zhì)量及其密度進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得的千粒質(zhì)量為0.65 kg，密度平均值為1.03 g/cm3。

1.2.3半夏種子特性試驗(yàn)與泊松比測(cè)定

種子的特性試驗(yàn)可以反映出種子在受到擠壓或剪切時(shí)所承受的力學(xué)狀態(tài)，為排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傷種受力分析等提供理論依據(jù)，本文采用英國(guó)Stable Micro System 公司研制的檢測(cè)精度為0.000 2%、最大檢測(cè)力為1 000 N的專(zhuān)業(yè)食品物性分析儀對(duì)半夏種子進(jìn)行壓縮、剪切試驗(yàn)，得到種子彈性模量E為2.822×107Pa、剪切模量G為1.03×107Pa，并根據(jù)剪切模量和彈性模量的線性關(guān)系得到半夏種子的泊松比λ為0.37。

求得的基本參數(shù)如表1所示，為后續(xù)輪勺式中草藥半夏精密排種器模型仿真提供依據(jù)。

表1 半夏種子物理參數(shù)Tab.1 Physical property parameters of Pinellia ternata

2 排種器工作原理與充種過(guò)程分析

2.1 排種器結(jié)構(gòu)

在測(cè)定半夏種子物理特性參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種輪勺式精密排種器，排種器的種勺周?chē)錆M(mǎn)種子，有利于充種，種勺轉(zhuǎn)動(dòng)到取種輪上部時(shí)，實(shí)現(xiàn)清種，在結(jié)構(gòu)上省去導(dǎo)種機(jī)構(gòu)和清種機(jī)構(gòu)，可直接通過(guò)取種輪上的種勺取種，經(jīng)過(guò)清種區(qū)、護(hù)種區(qū)，在投種區(qū)實(shí)現(xiàn)排種。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。排種器主要由種勺、取種輪、回流板、種勺安裝板、種箱隔板、種箱、擋種毛刷、外殼、軸承、排種軸套以及護(hù)種板等組成。

圖2 輪勺式中草藥半夏精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure sketch of wheel-spoon type precision seed-metering device for Chinese herbal medicine Pinellia ternata1.種勺 2.取種輪 3.回流板 4.種勺安裝板 5.種箱隔板 6.種箱 7.擋種毛刷 8.外殼 9.軸承 10.排種軸套 11.護(hù)種板

2.2 排種器工作原理

排種器工作時(shí)，動(dòng)力由排種軸輸入，帶動(dòng)取種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，種勺在取種輪的帶動(dòng)下進(jìn)入種箱的充種區(qū)，充種區(qū)的目標(biāo)種子在重力與種間相互作用力的共同作用下流入到種勺的型孔內(nèi)，完成充種的種勺跟隨取種輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在離開(kāi)種群后，種勺與取種輪間的多余種子隨著種勺進(jìn)入到清種區(qū)，型孔外的其他種子在離心力和重力的共同作用下脫離種勺落在取種輪兩邊的回流板上，并滾落到種箱內(nèi)，而型孔內(nèi)的目標(biāo)種子會(huì)繼續(xù)隨取種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入到護(hù)種區(qū)；在護(hù)種區(qū)，目標(biāo)種子在離心力和重力的共同作用下，落到前一個(gè)種勺的背部，相鄰的兩種勺與護(hù)種板間形成獨(dú)立的空間，獨(dú)立空間內(nèi)的種子隨取種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)投種區(qū)，種子在重力的作用下完成投種。種勺隨取種輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，完成下一次排種，以此循環(huán)，輪勺式排種器實(shí)現(xiàn)半夏播種作業(yè)，排種器工作原理如圖3所示。

圖3 排種器工作原理圖Fig.3 Work diagram of seed-metering device1.種箱 2.種箱隔板 3.種勺 4.回流板 5.種勺安裝板 6.護(hù)種板

輪勺式排種器同鏈勺式排種器取種原理基本一致，從充種區(qū)開(kāi)始取種，經(jīng)過(guò)清種區(qū)、護(hù)種區(qū)，在排種區(qū)進(jìn)行排種，整個(gè)充種過(guò)程種子不受剪切力或擠壓力的作用，不會(huì)造成傷種現(xiàn)象，同時(shí)克服了鏈勺式排種器因鏈條抖動(dòng)造成的漏播問(wèn)題。

2.3 充種過(guò)程分析

排種器充種過(guò)程是一種復(fù)雜過(guò)程，該過(guò)程決定了排種器的播種精度；在充種區(qū)內(nèi)，種子會(huì)受到種群及種勺施加的多種作用力，充種過(guò)程中，根據(jù)目標(biāo)種子的相對(duì)位置將充種過(guò)程分為種勺內(nèi)有半夏種子和種勺內(nèi)無(wú)半夏種子兩種情況，如圖4所示。

圖4 取種過(guò)程不同狀態(tài)下目標(biāo)種子受力分析Fig.4 Stress analysis of target seed under different conditions during seed collection

在充種過(guò)程中對(duì)目標(biāo)種子進(jìn)行受力分析，其受力公式為

(1)

式中Fi——周邊半夏對(duì)待取半夏的作用力，N

m——半夏種子質(zhì)量，kg

FN——種勺對(duì)目標(biāo)種子的支持力，N

a——目標(biāo)種子加速度，m/s2

g——重力加速度，取9.8 m/s2

ω——目標(biāo)種子角加速度，rad/s2

Mo——種子所受力對(duì)支撐點(diǎn)的力矩，N·m

I——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2

種勺內(nèi)無(wú)半夏種子如圖4a：充種過(guò)程中，種勺經(jīng)過(guò)擋種毛刷開(kāi)始進(jìn)入種群，目標(biāo)種子在周?chē)陌胂姆N子的作用力以及種勺支持力等多種作用力的作用下使得合力方向趨于種勺型孔位置，從而使得還未進(jìn)入到型孔的目標(biāo)種子可以順利地落入到種勺內(nèi)。

種勺內(nèi)有半夏種子如圖4b：種勺進(jìn)入種群后，目標(biāo)種子填入種勺型孔，型孔內(nèi)的目標(biāo)種子在周?chē)胂姆N子的作用力以及種勺支持力等多種作用力下趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)下可以避免在種勺脫離種群前保證種勺內(nèi)的目標(biāo)種子不會(huì)從型孔中滑出。

綜上分析，本文設(shè)計(jì)的輪勺式排種器在工作過(guò)程中經(jīng)過(guò)充種區(qū)時(shí)，目標(biāo)種子充入型孔后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且離開(kāi)種群后目標(biāo)種子不易脫離種勺。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

半夏種子的物理特性是設(shè)計(jì)排種器的重要參考依據(jù)，因此，本文以半夏種子三軸尺寸為參考，充種條件為依據(jù)，通過(guò)理論計(jì)算及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析確定輪勺式半夏精密排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 種勺結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

種勺是輪勺式半夏精密排種器的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響排種器的充種效果。

3.1.1種勺外形設(shè)計(jì)

為避免種勺在取種過(guò)程中存在托種的現(xiàn)象，并能保證種勺在進(jìn)入護(hù)種區(qū)時(shí)種勺能與護(hù)種板之間形成一定的相對(duì)獨(dú)立的空間，因此種勺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為“下寬上窄”，并且其背部設(shè)計(jì)一定弧度以保證在種勺安裝時(shí)可以與取種輪緊密貼合，如圖5所示。

圖5 種勺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematics of seed spoon structure

3.1.2種勺型孔尺寸

半夏種子球度Sp計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)1.2.1節(jié)中測(cè)量的半夏三軸平均尺寸計(jì)算可得半夏球度Sp為84%，為保證目標(biāo)種子可以順利進(jìn)入種勺內(nèi)，故將型孔形狀設(shè)計(jì)為圓形，型孔尺寸應(yīng)滿(mǎn)足

(3)

式中Lmax——半夏種子長(zhǎng)度最大值，mm

Lave——半夏種子長(zhǎng)度平均值，mm

Hmin——半夏種子厚度最小值，mm

Have——半夏種子厚度平均值，mm

dr——種勺型孔直徑，mm

d——種勺型孔深度，mm

結(jié)合半夏種子的三軸尺寸及球度，為使在充種過(guò)程中更加順利，將種勺型孔設(shè)計(jì)為“圓柱孔”的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 種勺型孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic of seed spoon hole structure

根據(jù)公式(3)和1.2.1節(jié)的三軸尺寸計(jì)算得到種勺型孔深度d的范圍為4～8 mm，型孔直徑dr的范圍為10.5～18 mm，為滿(mǎn)足要求，將種勺型孔半徑r范圍確定為5.5～9 mm，由于半夏種子呈橢球狀，種子進(jìn)入型孔的不同姿態(tài)會(huì)對(duì)充種有一定的影響，而種勺型孔半徑對(duì)半夏種子進(jìn)入型孔起到重要作用，在半夏種子進(jìn)入型孔后，型孔的深度在上述范圍內(nèi)均不易滑落，因此，為便于簡(jiǎn)化分析，結(jié)合實(shí)際的試驗(yàn)，將種勺型孔深度d確定為5.5 mm，而型孔半徑r則作為試驗(yàn)因素進(jìn)行進(jìn)一步分析。

3.1.3種勺型孔傾角

種勺型孔傾角為種勺型孔底部的切線與種勺底部的夾角。種勺型孔傾角有利于種勺經(jīng)過(guò)充種區(qū)時(shí)取種并攜帶種子離開(kāi)種群時(shí)防止攜帶多余種子，為滿(mǎn)足種勺單粒取種，在種勺通過(guò)種群時(shí)，對(duì)型孔外的種子進(jìn)行靜力學(xué)分析，如圖7所示。

圖7 型孔外種子靜力學(xué)分析Fig.7 Static analysis of seeds outside hole

種勺隨取種輪做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)種勺位于某一位置時(shí)，種勺及型孔內(nèi)的目標(biāo)種子有隨取種輪沿切向方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，種勺攜帶除目標(biāo)種子外的其他種子會(huì)產(chǎn)生沿運(yùn)動(dòng)方向加速度at以及運(yùn)動(dòng)方向切線方向加速度an，而這兩種加速度均和種勺傾角相關(guān)。保證種勺型孔傾角可以起到清種的作用，需要種勺型孔外的種子的合加速度位于oxy坐標(biāo)系的第一象限內(nèi)。因此，型孔外的種子受力應(yīng)滿(mǎn)足

(4)

式中φs——半夏種間最大摩擦角，(°)

Fn——型孔外種子所受支持力，N

Ff——型孔外種子所受摩擦力，N

μs——半夏種間動(dòng)摩擦因數(shù)

β——種勺型孔傾角，(°)

通過(guò)對(duì)半夏種子的物理特性測(cè)量得到，半夏種子間的最大摩擦角φs為22.8°，半夏種子間的動(dòng)摩擦因數(shù)μs為0.086，因此，計(jì)算得到種勺型孔傾角β在4.92°～22.8°之間。后續(xù)通過(guò)仿真分析和實(shí)際試驗(yàn)確定種勺型孔傾角β為20°。

3.2 取種輪參數(shù)設(shè)計(jì)

為使得種勺所攜帶型孔外的其他種子更易掉落到取種輪兩側(cè)的回流板上，在取種輪的外緣設(shè)計(jì)棱角，此棱角可以避免種勺和取種輪之間的“托種”現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 取種輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic of seed wheel structure

離開(kāi)充種區(qū)的種勺隨取種輪做圓周運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)過(guò)取種輪的最高點(diǎn)時(shí)，如果種勺型孔內(nèi)的種子所受慣性力過(guò)大，將會(huì)脫離型孔，無(wú)法進(jìn)入護(hù)種區(qū)從而造成漏播，因此對(duì)處于取種輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的半夏種子進(jìn)行力學(xué)分析，如圖9所示。

圖9 最高點(diǎn)型孔內(nèi)半夏種子受力分析Fig.9 Stress analysis of Pinellia ternata seeds in the highest point hole

以半夏種子的質(zhì)心作為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，x軸的正方向垂直于半夏種子與種勺接觸面向外，y軸正方向垂直于x軸并指向種勺運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向，由此建立直角坐標(biāo)系，對(duì)種子進(jìn)行受力分析，得

(5)

其中

(6)

式中 ∑Fx——種子在x方向所受合力，N

∑Fy——種子在y方向所受合力，N

FI——轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力，N

Fm——種子與種勺間的摩擦力，N

ε——轉(zhuǎn)動(dòng)慣性力與x軸正向夾角，(°)

μ——種子與種勺間的摩擦因數(shù)

vw——取種輪線速度，m/s

D——取種輪直徑，mm

種勺隨著取種輪作圓周運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，y方向的合力沿著y軸的負(fù)方向可以保證型孔內(nèi)的半夏種子不被甩出，聯(lián)立公式(5)、(6)得到

(7)

當(dāng)取種輪轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度在0.3 m/s時(shí),在FI與x軸正向夾角ε為0°時(shí)，根據(jù)3.1.3節(jié)，種勺傾角β為20°，種勺與半夏種子間的摩擦因數(shù)μ為0.457，計(jì)算得到D≥97.7 mm，取種輪直徑越大，種勺數(shù)量越多，充種性能越好，但是取種輪直徑也不宜過(guò)大，參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)，確定取種輪直徑D為220 mm。

3.3 種勺分布

輪勺式排種器的充種頻率取決于取種輪上的種勺數(shù)量與取種輪的線速度。當(dāng)取種輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，種勺數(shù)量越多，排種器的充種頻率越高；當(dāng)種勺數(shù)量一定時(shí)，取種輪轉(zhuǎn)速越快，排種器的充種頻率越高，而充種頻率越高排種器的充種性能越好。而種勺的數(shù)量z需要滿(mǎn)足

(8)

式中vm——播種機(jī)作業(yè)速度，m/s

S——半夏播種株距，mm

半夏株距為5 cm左右，播種機(jī)作業(yè)速度為1.00 km/h，結(jié)合3.2節(jié)，取種輪直徑為220 mm，而取種輪線速度過(guò)快會(huì)出現(xiàn)充種、清種不及時(shí)等現(xiàn)象從而導(dǎo)致重播以及漏播嚴(yán)重，取種輪線速度過(guò)低會(huì)出現(xiàn)清種時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的現(xiàn)象從而導(dǎo)致漏播。參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，當(dāng)取種輪的線速度不超過(guò)0.3 m/s時(shí)，經(jīng)計(jì)算種勺的數(shù)量z≥13，后續(xù)通過(guò)試驗(yàn)確定種勺的個(gè)數(shù)，其安裝如圖10所示。

圖10 種勺裝配圖Fig.10 Assembly drawing of planting spoon1.種勺 2.種勺安裝板 3.取種輪

3.4 回流板參數(shù)設(shè)計(jì)

離開(kāi)充種區(qū)后，種勺隨取種輪做圓周運(yùn)動(dòng)，除目標(biāo)種子外的其他種子依托在種勺與取種輪之間并跟隨一起運(yùn)動(dòng)，當(dāng)種勺經(jīng)過(guò)清種區(qū)時(shí)，除型孔內(nèi)的其他種子在重力和離心力的作用下掉落到取種輪兩側(cè)的回流板上，并回流到種箱內(nèi)，如圖11所示，為保證種子可以在自身重力的作用下回流到種箱內(nèi)，對(duì)回流板上的種子受力分析得

圖11 種子在回流板上受力示意圖Fig.11 Schematic of stress analysis of seeds on reflux plate

(9)

式中θ——回流板傾角，(°)

φ——半夏與回流板材料最大摩擦角，(°)

FZ——回流板對(duì)半夏種子的支持力，N

Fc——回流板對(duì)半夏種子的摩擦力，N

經(jīng)過(guò)測(cè)量得到種子與回流板材料靜摩擦角φ為24.8°，根據(jù)種箱以及外殼的結(jié)構(gòu)，并結(jié)合試驗(yàn)，確定回流板傾角θ為25°。

4 EDEM離散元模擬仿真

4.1 仿真模型建立及仿真參數(shù)確定

4.1.1仿真模型建立

本文以河北省旱半夏種子為對(duì)象進(jìn)行建模，選取與平均三軸尺寸相近的半夏種子，通過(guò)三維掃描儀對(duì)選取的半夏種子掃描得到其三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在Geomagic-Studio軟件中利用逆向工程技術(shù)將獲得的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成半夏種子的三維網(wǎng)格幾何模型，并導(dǎo)入到EDEM軟件中，通過(guò)非球形顆粒的快速填充功能，得到多球面聚合顆粒模型，如圖12所示。

圖12 半夏種子實(shí)物圖與仿真模型Fig.12 Graph and simulation model of Pinellia ternata seeds

通過(guò)NX三維繪圖軟件建立排種器三維模型，為提高仿真效率，簡(jiǎn)化或省略三維模型中不參與仿真的部件，導(dǎo)出STL格式文件并導(dǎo)入到EDEM軟件中，如圖13所示。

圖13 排種器EDEM仿真模型Fig.13 Import seed-metering device model in EDEM

4.1.2仿真參數(shù)確定

在排種器工作過(guò)程中，種子將會(huì)接觸種勺、回流板、取種輪，其中取種輪及種勺的材料為ABS塑料，回流板材料為不銹鋼材料。選擇Hertz-Mindlin(no slip)模型作為顆粒間及顆粒與排種器間的接觸模型。試驗(yàn)前進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，確定顆粒-顆粒、顆粒-材料的接觸參數(shù)以及ABS塑料、半夏種子和不銹鋼材料的各基礎(chǔ)參數(shù)及相互間的接觸參數(shù)，如表2所示。

表2 離散元仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of EDEM

4.2 單因素仿真試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定輪勺式排種器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，通過(guò)EDEM軟件對(duì)排種器的充種性能進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，以合格指數(shù)(1粒/勺)、漏充指數(shù)(0粒/勺)和重充指數(shù)(≥2粒/勺)為試驗(yàn)指標(biāo)，如圖14所示。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)各影響因素進(jìn)行分析。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，從排種器穩(wěn)定工作時(shí)開(kāi)始記錄10 s內(nèi)的數(shù)據(jù)，每次統(tǒng)計(jì)100個(gè)種勺的取種情況。

圖14 EDEM仿真試驗(yàn)指標(biāo)Fig.14 EDEM simulation test index

4.2.1種勺數(shù)量

按照3.3節(jié)計(jì)算的種勺數(shù)量，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，在仿真試驗(yàn)時(shí)設(shè)定取種輪轉(zhuǎn)速為20.0 r/min、種層高度為140.0 mm、種勺型孔半徑為7.5 mm，分析種勺數(shù)量為14、16、18、20個(gè)時(shí)對(duì)充種過(guò)程的影響，其試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同種勺數(shù)量時(shí)仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of different numbers of seed spoon %

通過(guò)試驗(yàn)分析可知，隨著種勺數(shù)量的增加，排種器充種過(guò)程中的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)先降低后升高，其中在種勺數(shù)量為14個(gè)時(shí)，兩相鄰種勺間距過(guò)大，種群流動(dòng)不穩(wěn)定，不利于充種，從而導(dǎo)致合格指數(shù)降低，而在種勺數(shù)量為18個(gè)時(shí)，種勺間距較合適，兩種勺間的種群流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，合格指數(shù)最高，隨著種勺數(shù)量的增加，種勺間距過(guò)小導(dǎo)致充種不及時(shí)，此時(shí)合格指數(shù)下降，由此，將種勺數(shù)量選定為18個(gè)。

4.2.2種層高度

排種器工作過(guò)程中種箱內(nèi)的種層高度對(duì)其充種效果起一定的影響作用，由于實(shí)際加工的種箱總高度為160.0 mm，試驗(yàn)中種層高度需稍低于種箱的總高度以防止取種過(guò)程中種箱內(nèi)上層的種子流出種箱，同時(shí)為保證一定的充種區(qū)域，將種層高度范圍定為80.0～150.0 mm。為探究種層高度對(duì)輪勺式排種器充種性能的影響，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)時(shí)設(shè)定種勺數(shù)量為18個(gè)、取種輪轉(zhuǎn)速為20.0 r/min、種勺型孔半徑為7.5 mm，分析種箱內(nèi)種層高度為80.0、100.0、120.0、140.0、150.0 mm時(shí)對(duì)排種器充種過(guò)程中合格指數(shù)、漏充指數(shù)以及重充指數(shù)的影響，為保證種箱內(nèi)充種區(qū)的種層高度不變，通過(guò)調(diào)節(jié)種箱隔板的高度，使隔板外側(cè)的種群填充到充種區(qū)，其試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同種層高度時(shí)仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different seed heights %

通過(guò)試驗(yàn)分析可知，隨著種層高度的增加，排種器充種過(guò)程中的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)降低，重充指數(shù)升高，其中在種層高度為120.0 mm時(shí)合格指數(shù)達(dá)到最高，而在種層高度為80.0 mm時(shí)，合格指數(shù)最低，說(shuō)明當(dāng)種層高度較低時(shí)種間力過(guò)小使得種子無(wú)法落入到種勺型孔內(nèi)，致使漏充指數(shù)升高，當(dāng)種層高度過(guò)高時(shí)，充種區(qū)內(nèi)種間力較大，導(dǎo)致種勺更易攜帶型孔外其他種子進(jìn)入清種區(qū)使得重充指數(shù)升高，合格指數(shù)降低?？紤]到后續(xù)試驗(yàn)中各因素間的交互作用，將種層高度確定為100.0～150.0 mm。

4.2.3取種輪轉(zhuǎn)速

取種輪轉(zhuǎn)速對(duì)排種器的充種效果有很重要的影響，為研究取種輪轉(zhuǎn)速對(duì)排種器作業(yè)過(guò)程中充種過(guò)程的影響程度，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，在仿真試驗(yàn)中設(shè)定種勺數(shù)量為18個(gè)、種層高度為140.0 mm、種勺型孔半徑為7.5 mm，分析取種輪轉(zhuǎn)速為10.0、15.0、20.0、25.0、30.0 r/min時(shí)對(duì)排種器充種性能的影響，其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 不同取種輪轉(zhuǎn)速時(shí)仿真結(jié)果Tab.5 Simulation results under different rotational seed wheel speeds %

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著取種輪轉(zhuǎn)速的提高，試驗(yàn)的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)逐漸升高，其中在取種輪轉(zhuǎn)速為20.0 r/min時(shí)，合格指數(shù)最高，而在取種輪轉(zhuǎn)速為10.0 r/min時(shí)，合格指數(shù)最低，說(shuō)明當(dāng)取種輪轉(zhuǎn)速過(guò)慢，種勺與取種輪間更易形成種子堆積，當(dāng)取種輪轉(zhuǎn)速越快，處于充種區(qū)的兩相鄰種勺之間的種群回填不及時(shí)使得漏充指數(shù)升高從而導(dǎo)致合格指數(shù)降低?？紤]到后續(xù)試驗(yàn)中各因素間的交互作用，將取種輪轉(zhuǎn)速確定為15.0～30.0 r/min。

4.2.4種勺型孔半徑

種勺型孔大小決定著排種器在充種過(guò)程中單粒取種的成功率，為研究種勺型孔對(duì)排種器充種性能的影響程度，根據(jù)3.1.2節(jié)對(duì)種勺型孔的理論設(shè)計(jì)，通過(guò)預(yù)試驗(yàn)，在仿真分析中設(shè)定種勺數(shù)量為18個(gè)、取種輪轉(zhuǎn)速為20.0 r/min、種層高度為140.0 mm，分析型孔半徑為5.5、6.0、7.0、8.0、9.0 mm時(shí)對(duì)排種器充種性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同種勺型孔半徑時(shí)仿真結(jié)果Tab.6 Simulation results under different seed spoon hole radius %

由表6可知，隨著種勺型孔半徑的增大，試驗(yàn)中的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)逐漸降低。當(dāng)種勺型孔半徑為5.5 mm時(shí)，合格指數(shù)最低，當(dāng)種勺型孔半徑為8.0 mm時(shí)，合格指數(shù)最高，說(shuō)明在取種過(guò)程中，種勺經(jīng)過(guò)充種區(qū)種群時(shí)，種勺型孔半徑過(guò)小，目標(biāo)種子無(wú)法穩(wěn)定地“躺”在種勺的型孔內(nèi)，隨著取種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，型孔內(nèi)的目標(biāo)種子更易脫離種勺型孔，導(dǎo)致漏充指數(shù)升高，合格指數(shù)降低；當(dāng)種勺型孔過(guò)大時(shí)，種勺更易攜帶型孔外的其他種子隨取種輪一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)重充指數(shù)會(huì)逐漸升高，合格指數(shù)下降，考慮到后續(xù)試驗(yàn)中各因素間的交互作用，將種勺型孔半徑確定為6.0～9.0 mm。

5 排種器臺(tái)架試驗(yàn)

5.1 臺(tái)架試驗(yàn)材料

臺(tái)架試驗(yàn)所需的材料包括排種器外殼、護(hù)種板、種勺、取種輪、種勺安裝板、種箱、軸套，其中取種輪、種勺、護(hù)種板和軸套均使用ABS材料，排種器外殼、種箱通過(guò)激光下料不銹鋼材料，經(jīng)折彎和焊接等工藝加工而成。本次臺(tái)架試驗(yàn)所使用的種子為人工篩選后的相對(duì)飽滿(mǎn)的河北旱半夏種子，臺(tái)架試驗(yàn)于2021年6月20日在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備實(shí)驗(yàn)室的JPS-12型視覺(jué)排種器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖15所示，利用合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)的千眼狼5F01高速攝像機(jī)拍攝輪勺式排種器在充種過(guò)程中的情況，參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，記錄排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)下200個(gè)種勺的充種情況，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次并取結(jié)果的平均值。

圖15 輪勺式中草藥半夏精密排種器試驗(yàn)臺(tái)Fig.15 Test bench of wheel-spoon type precision seed-metering device for Chinese herbal medicine Pinellia ternata1.輪勺式半夏精密排種器 2.電機(jī) 3.高速攝像機(jī) 4.補(bǔ)光燈 5.臺(tái)架 6.排種帶

5.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

基于對(duì)單因素試驗(yàn)結(jié)果的分析，確定取種輪轉(zhuǎn)速、種層高度、種勺型孔半徑的水平范圍，為進(jìn)一步研究這3種試驗(yàn)因素是否存在交互影響及3個(gè)因素交互作用對(duì)輪勺式排種器工作性能的影響，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)確定排種器的最佳作業(yè)性能參數(shù)，其中試驗(yàn)因素編碼如表7所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表8所示，X1、X2、X3分別為種層高度、取種輪轉(zhuǎn)速、種勺型孔半徑的編碼值，Y1、Y2、Y3分別為合格指數(shù)(1粒/勺)、漏充指數(shù)(0粒/勺)、重充指數(shù)(≥2粒/勺)。

表7 試驗(yàn)因素編碼Tab.7 Experimental factors codes

表8 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.8 Experiment design and results

5.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert軟件對(duì)本次臺(tái)架試驗(yàn)中排種器工作時(shí)的合格指數(shù)、漏充指數(shù)和重充指數(shù)進(jìn)行方差分析，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

5.3.1合格指數(shù)Y1

表9 各指數(shù)方差分析Tab.9 Variance analysis of each index

(10)

5.3.2漏充指數(shù)Y2

(11)

5.3.3重充指數(shù)Y3

(12)

5.4 交互項(xiàng)對(duì)合格指數(shù)的影響

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)處理可以得到取種輪轉(zhuǎn)速、種層高度、種勺型孔半徑之間的交互作用對(duì)合格指數(shù)Y1的影響，其響應(yīng)曲面如圖16所示。

圖16 因素交互作用對(duì)合格指數(shù)的影響響應(yīng)曲面Fig.16 Effects of interaction factors on eligible rate

在排種器種勺型孔半徑為7.5 mm時(shí)，取種輪轉(zhuǎn)速和種層高度交互作用對(duì)合格指數(shù)Y1的影響響應(yīng)曲面如圖16a所示。輪勺式排種器取種輪轉(zhuǎn)速為15.0～22.0 r/min，種層高度為120.0～140.0 mm，排種器的合格指數(shù)較大，當(dāng)取種輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著種層高度的增加，充種區(qū)內(nèi)種間力逐漸增大，有利于充種，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，種層高度過(guò)大時(shí)，種間力過(guò)大，重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降；當(dāng)種層高度一定時(shí)，隨著取種輪轉(zhuǎn)速的逐漸加快，排種器自身的振動(dòng)也隨之增大，有利于提升排種器的清種效果，重充指數(shù)下降，合格指數(shù)逐漸上升，當(dāng)取種輪轉(zhuǎn)速過(guò)快，充種區(qū)的種群回填不及時(shí)導(dǎo)致漏充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降。

圖16b為取種輪轉(zhuǎn)速為22.5 r/min時(shí)，種層高度和種勺型孔半徑交互作用對(duì)合格指數(shù)Y1影響的響應(yīng)曲面。輪勺式排種器的種勺型孔半徑為7.4～7.8 mm，種層高度為123.0～146.0 mm，排種器的合格指數(shù)較高，在作業(yè)速度一定時(shí)，隨著種層高度的增大，充種區(qū)內(nèi)種間力逐漸增加，有利于充種，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸增大，種層高度較高時(shí)，充種區(qū)內(nèi)種間力過(guò)高導(dǎo)致重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降；當(dāng)種層高度一定時(shí)，隨著種勺型孔半徑的增大，充種區(qū)內(nèi)的目標(biāo)種子在種間力的作用下更易進(jìn)入到型孔，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，當(dāng)種勺型孔半徑過(guò)大時(shí)，重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降。

圖16c為種層高度125.0 mm時(shí)，種勺型孔半徑和取種輪轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)合格指數(shù)Y1影響的響應(yīng)曲面。輪勺式排種器的種勺型孔半徑為7.4～7.7 mm，取種輪轉(zhuǎn)速為15.0～18.0 r/min，排種器的合格指數(shù)較高，在種勺型孔半徑一定時(shí)，隨著取種輪轉(zhuǎn)速逐漸加快，排種器自身的振動(dòng)也隨之增大，有利于提升排種器的清種效果，重充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，當(dāng)取種輪轉(zhuǎn)速過(guò)大，充種區(qū)的種群回填不及時(shí)導(dǎo)致漏充指數(shù)增大，合格指數(shù)逐漸下降；在取種輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著種勺型孔半徑的增加，種群內(nèi)的目標(biāo)種子更易充入到型孔中，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，當(dāng)種勺型孔半徑過(guò)大時(shí)，重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降。

5.5 最佳參數(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95.5%、重充指數(shù)小于3.5%以及漏充指數(shù)小于1.0%，結(jié)合5.3.1節(jié)中得到影響合格指數(shù)的重要性依次為取種輪轉(zhuǎn)速、種層高度、種勺型孔半徑，所以將影響程度相對(duì)最小的種勺型孔半徑作為參數(shù)優(yōu)化固定值，設(shè)置種勺型孔半徑為7.5 mm，通過(guò)優(yōu)化后所得最佳參數(shù)區(qū)域如圖17所示，其中取種輪轉(zhuǎn)速取值范圍為17.0～19.0 r/min、種層高度取值范圍為123.0～133.0 mm。

圖17 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.17 Parameter optimization analysis chart

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在保證試驗(yàn)條件不變的情況下選定種勺型孔半徑為7.5 mm，取種輪轉(zhuǎn)速為18.0 r/min，種層高度為130.0 mm進(jìn)行試驗(yàn)并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到在這一條件下輪勺式排種器的合格指數(shù)平均值為96.0%，漏充指數(shù)的平均值為1.0%，重充指數(shù)的平均值為3.0%，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相符。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的輪勺式半夏精密排種器，以充種條件為依據(jù)，通過(guò)理論計(jì)算和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)；種勺型孔深度為5.5 mm、種勺型孔傾角為20°、取種輪直徑為220 mm、回流板傾角為25°。

(2)通過(guò)EDEM軟件進(jìn)行離散元單因素仿真試驗(yàn)，分析了不同種勺數(shù)量、取種輪轉(zhuǎn)速、種層高度以及種勺型孔半徑各因素對(duì)輪勺式排種器充種性能的影響，并確定種勺數(shù)量為18個(gè)、取種輪轉(zhuǎn)速范圍15.0～30.0 r/min、種層高度范圍100.0～150.0 mm以及種勺型孔半徑范圍6.0～9.0 mm。

(3)以取種輪轉(zhuǎn)速、種層高度和種勺型孔半徑作為試驗(yàn)因素，搭建臺(tái)架進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到影響合格指數(shù)的主次順序?yàn)槿》N輪轉(zhuǎn)速、種層高度、種勺型孔半徑，其中取種輪轉(zhuǎn)速和種層高度的交互作用為極顯著因素。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，得到當(dāng)種勺型孔半徑為7.5 mm，取種輪轉(zhuǎn)速為17.0～19.0 r/min、種層高度為123.0～133.0 mm，合格指數(shù)大于95.5%、漏充指數(shù)小于1.0%、重充指數(shù)小于3.5%，優(yōu)化結(jié)果經(jīng)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證可靠。