康啟新，張國忠,2，鄭 侃,2，劉浩蓬,2，唐楠銳，劉婉茹，季 超

勺夾式藠頭排種器設(shè)計與試驗

康啟新1，張國忠1,2※，鄭 侃1,2，劉浩蓬1,2，唐楠銳1，劉婉茹1，季 超1

（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）

針對藠頭（）種植勞動強度大、人工成本高等問題，該研究設(shè)計了一種由排種盤、取種勺、取投種凸輪、種箱、安裝板等組成的勺夾式藠頭排種器。對該排種器工作原理和取種、攜種、投種過程進行理論分析，建立離散元仿真模型，對取種過程進行仿真分析，確定了最優(yōu)種勺結(jié)構(gòu)。以大葉藠為對象，以取種合格率和漏取率為試驗指標(biāo)，進行種勺直徑、種勺深度、取種起始角、種面高度與種箱高度之比和取種速度5因素顯著性篩選試驗，并以種勺直徑、取種起始角、種面高度與種箱高度之比為試驗因素進行回歸正交試驗；采用Plackett-Burman試驗法和Box-Behnken中心試驗法建立取種合格率和漏取率的回歸模型，并進行參數(shù)優(yōu)化，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為種勺直徑27 mm、取種起始角30°和種面高度與種箱高度之比92.5%。在最優(yōu)參數(shù)組合下進行臺架試驗，得到取種合格率91.17%，漏取率6.17%。田間試驗結(jié)果表明在前進速度0.1～0.2 m/s的條件下，該排種器平均播種合格率、平均重播率和漏播率分別為63.10%、12.76%和24.14%。研究結(jié)果可為藠頭播種機械的研究與設(shè)計提供參考。

離散元；響應(yīng)面；排種器；勺夾式；藠頭

0 引 言

藠頭又名薤、蕎頭等，是百合科蔥屬多年生草本植物，主要分布在中國長江流域及以南地區(qū)，其地下莖富含蛋白質(zhì)、可溶性糖等營養(yǎng)物質(zhì)，目前全國種植面積已超過6.5萬hm2[1-2]。藠頭可食用也可入藥，腌制加工后風(fēng)味獨特，大量出口日本、韓國等國家，是重要創(chuàng)匯特色蔬菜之一[3-4]。藠頭種子形狀不規(guī)則、個體大小不一，種植勞動強度大，人工成本高，嚴重影響農(nóng)民種植積極性和藠頭產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展，亟需開發(fā)先進適用的藠頭機械播種技術(shù)與裝備。

精量取種是藠頭機械化播種的關(guān)鍵技術(shù)和農(nóng)藝要求之一。當(dāng)前排種器主要分為機械式、氣力式兩大類[5]。機械式排種器應(yīng)用廣泛，常用于外形較為規(guī)則的物料；氣力式排種器適應(yīng)性強且不易傷種，目前玉米、油菜、大豆、棉花等較小粒徑種子的氣力式播種技術(shù)研究已趨于成熟[6-9]，但馬鈴薯、大蒜等不規(guī)則塊狀物料的精量播種尚存在較多技術(shù)難題[10-13]。呂金慶等[13]設(shè)計了一種舀勺式排種器，主要用于馬鈴薯精量播種。?？档萚14]設(shè)計了一種雙層種箱式馬鈴薯排種裝置，結(jié)構(gòu)采用鏈勺式排種器并進行了性能優(yōu)化。為進一步提高排種性能，呂金慶等[15]設(shè)計了一種氣吸式馬鈴薯排種器，試驗合格指數(shù)達到98.9%，但對裝置密封性能及風(fēng)量要求較高。崔榮江等[16]設(shè)計了一種勺鏈?zhǔn)酱笏馊》N器，取種效果較好。侯加林等[17]基于“去多留一”原則設(shè)計了一種爪式大蒜取種裝置，提高了播種單粒率。鏈勺式和勺帶式排種器通常適應(yīng)于較大粒徑不規(guī)則種子的取排種，結(jié)構(gòu)簡單，但易受振動影響造成漏種。藠頭外形較馬鈴薯、大蒜更加復(fù)雜，目前尚未有針對藠頭播種技術(shù)的研究與應(yīng)用報道。

本文以湖北崇陽等地廣泛種植的大葉藠品種為對象，根據(jù)其種植農(nóng)藝要求設(shè)計一種勺夾式排種器，對取種勺的結(jié)構(gòu)尺寸進行分析，利用離散元仿真軟件EDEM對取種過程及取種勺夾結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真分析，采用Plackett-Burman試驗法和Box-Behnken中心試驗法進行臺架試驗，利用Design-Expert 12軟件計算獲取最優(yōu)參數(shù)組合，并以此為基礎(chǔ)開展田間驗證試驗，以期為藠頭播種機械設(shè)計提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

勺夾式藠頭排種器主要由種箱、驅(qū)動軸、主軸、排種盤、勺夾機構(gòu)、凸輪等組成，如圖1a所示。排種器由地輪或電機提供動力，通過鏈傳動帶動排種盤旋轉(zhuǎn)。安裝在排種盤一側(cè)的種勺隨排種盤在種箱內(nèi)勺取藠種，經(jīng)歷攜種護種后在投種盒上方投種。勺夾機構(gòu)如圖1b所示，由種勺、勺夾桿、扭力彈簧等組成，種勺用扁孔套裝在勺夾桿扁頭上；勺夾桿為“L”型曲軸，可繞其長軸的中心軸在上蓋板和勺桿底座間轉(zhuǎn)動并帶動種勺開合。種勺旋轉(zhuǎn)開合量由投種凸輪、取種凸輪和扭力彈簧共同控制。調(diào)整凸輪安裝高度和位置，即可調(diào)節(jié)勺夾開合量和取投種位置，完成精量取種和準(zhǔn)確投種。

1.驅(qū)動軸 2.鏈條 3.投種盒 4.排種器安裝板 5.排種盤 6.投種凸輪 7.種勺 8.排種器主軸 9.種箱 10.取種凸輪 11.藠頭種子 12.扭力彈簧 13.“L”型勺夾桿 14.上蓋板 15.勺桿底座

1.2 排種器工作原理

勺夾式藠頭排種器工作過程及原理如圖2所示。排種盤在垂直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，安裝其上的勺夾機構(gòu)先后經(jīng)歷取種、攜種、投種和過渡4個區(qū)間。在取種區(qū)，“L”型勺夾桿尾端在取種凸輪斜面擠壓下，克服扭力彈簧扭矩繞勺夾桿軸線順時針旋轉(zhuǎn)，勺夾桿前端種勺隨之打開，藠頭種子在種勺攪動下進入種勺與排種盤面間空腔中，完成充種。勺夾隨排種盤繼續(xù)回轉(zhuǎn)進入攜種區(qū)，此時“L”型勺夾桿尾端脫離取種凸輪表面，在彈簧扭力下繞自身中心軸逆時針旋轉(zhuǎn)，種勺閉合，由于藠種位于種勺與排種盤面間，此時即被種勺夾緊，并隨排種盤繼續(xù)轉(zhuǎn)動。勺夾進入投種區(qū)時，勺夾桿尾端開始接觸投種凸輪斜面，勺夾在凸輪阻擋下再次旋轉(zhuǎn)，種勺打開，藠種在重力作用下落入投種盒內(nèi)，完成投種。此后勺夾隨排種盤繼續(xù)回轉(zhuǎn)，與投種凸輪脫離接觸，并在扭力彈簧作用下自行復(fù)位，進入過渡區(qū)準(zhǔn)備開始下一個工作周期。

排種盤取種區(qū)、攜種區(qū)、投種區(qū)和過渡區(qū)的起始位置由投種凸輪6、取種凸輪10安裝位置確定與調(diào)整。勺夾機構(gòu)的開閉周期示意如圖2b所示。

1. “L”型勺夾桿 2.扭力彈簧 3.藠頭種子 4.排種盤 5.彈簧擋桿

1. “L” shaped spoon clip rod 2.Torsion spring 3.Seeds of4.Seed metering disc 5.Spring retaining rod

注：為排種盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad?s-1；為排種盤旋轉(zhuǎn)線速度，m?s-1。

Note:is the angular velocity of seed metering disc rotation, rad?s-1;is the linear speed of seed metering disc rotation, m?s-1.

圖2 排種器工作原理

Fig.2 Working principle of seed metering device

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 排種盤

排種盤為5 mm厚的不銹鋼圓板，圓周上均布若干勺夾機構(gòu)安裝位，每個安裝位由1個勺夾開孔、1個勺夾桿轉(zhuǎn)動槽及4個螺栓安裝孔組成。排種器種勺在排種盤一側(cè)邊緣均勻布置，排種盤邊緣線速度即為取種速度。根據(jù)文獻[18]，精量穴播條件下，為保證穴距不隨機組前進速度變化，需滿足如下關(guān)系：

式中為穴距，m；m為地輪旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；m為地輪半徑，m；為排種器勺夾機構(gòu)個數(shù)。

記地輪與排種盤旋轉(zhuǎn)角速度比為，勺夾個數(shù)按照下式計算：

式中為地輪與排種盤旋轉(zhuǎn)角速度比。

由前述結(jié)構(gòu)及工作原理分析可知，為保證取種過程不發(fā)生干涉，相鄰勺夾間距離應(yīng)大于等于2倍藠種長度，結(jié)合式（2）有：

式中為排種盤半徑，m；為藠種長度，m。

根據(jù)排種器工作要求，為提高排種器工作效率、增加排種器穩(wěn)定性，需盡可能增加勺夾機構(gòu)個數(shù)、提高機具前進速度、降低排種盤轉(zhuǎn)速和取種速度。由式（2）和式（3）可知，當(dāng)?shù)剌啺霃絤、播種穴距確定時，角速度比增大，排種器勺夾機構(gòu)個數(shù)增加，排種盤半徑增大。為此，結(jié)合式（3）引入如下關(guān)系式：

式中vm為機具前進速度，m/s。藠種長度L平均值43.47 mm[19]，藠頭種植穴距s通常為0.10～0.13 m，結(jié)合農(nóng)藝要求取0.1 m；選取常用半徑Rm為0.2 m的地輪，將上述參數(shù)值代入式（4），繪制取種速度與前進速度的比值與角速度比k的關(guān)系曲線，如圖3所示。

根據(jù)排種器設(shè)計要求，結(jié)合角速度比與取種速度和前進速度之比的關(guān)系曲線，考慮在增加取種勺夾個數(shù)情況下盡量減小排種器結(jié)構(gòu)尺寸，嘗試將=2帶入式（2），在m=0.2 m，=0.1 m的情況下得勺夾個數(shù)約為25，此時排種盤半徑約為0.347 m，尺寸偏大。為減小排種器結(jié)構(gòu)尺寸，取勺夾個數(shù)為20，此時排種盤半徑圓整后為0.3 m，轉(zhuǎn)速比為1.59，根據(jù)已知條件和式（2）得出排種盤取種速度與機具前進速度關(guān)系式為

參考大蒜播種機前進速度[18]，代入式（5）求得本文排種器取種速度范圍0.06～0.14 m/s。

2.2 勺夾機構(gòu)

2.2.1 種勺

如圖4所示，藠頭種子鱗莖膨大部位為類橢球形，有長柄，整體成水滴狀。種勺形狀和尺寸直接影響藠頭種子夾持接觸形式和夾持效果，進而影響排種器作業(yè)精度?；趭A持過程中種勺與藠頭種子“平面—曲面”與“曲面—曲面”的接觸情形，將種勺設(shè)計為圖5的3種形式：平板式、錐勺式和圓勺式。平板式種勺充種空間大，與單粒藠頭種子有效接觸面積??；錐勺式和圓勺式種勺充種空間較小，但單粒有效接觸面積大，錐勺式形狀較復(fù)雜，但與圓勺式相比增加了藠種長柄部分的接觸空間。

注：以種子根部中心為原點，穿過球莖且指向鱗芽方向為x軸，垂直x軸向上方向為y軸正方向，垂直x軸且指向觀察側(cè)方向為z軸建立笛卡爾坐標(biāo)系，藠頭種子沿x軸向的最大尺寸為長度L，在y軸上的最大尺寸為寬度B，在z軸上的最大尺寸為厚度H。

注：Dp為圓勺直徑，mm。

在種勺攪動運動下，藠頭種子球莖或果柄進入種勺與排種盤形成的夾持空間而被種勺夾持。果柄部分細長、受力面積小易掉落，且較為脆弱，球莖部分則有較好的抗擠壓性能，故球莖寬度或厚度方向宜作為主要夾持方向。單粒藠種進入夾持空間隨排種盤一起轉(zhuǎn)動，受力分析如圖6所示。

由圖6可知，充種空間內(nèi)單粒藠頭種子受自身重力，種勺和排種盤的支持力，各作用力之間滿足如下關(guān)系：

根據(jù)圖6，由于排種盤勻速旋轉(zhuǎn)，重力分量cos隨旋轉(zhuǎn)角度變化，故存在種勺及排種盤對藠頭種子施加指向排種盤圓心的被動力i，i和cos共同提供向心力，當(dāng)勺夾未離開箱內(nèi)種面時，周圍種子對充種空間內(nèi)種子的作用力也提供向心力。由式（6）可知，勺夾取種后逐漸減小，重力分量cos增大，Nsin、N、也隨之增大，i減小。當(dāng)勺夾桿尾端離開取種凸輪后，勺夾瞬時關(guān)閉將充種空間內(nèi)種子夾緊，勺夾張角瞬間減小，此時不變，支持力N轉(zhuǎn)換為扭力彈簧帶動種勺提供的夾持力?？梢?，種勺結(jié)構(gòu)和尺寸、排種盤旋轉(zhuǎn)角度，種箱內(nèi)種子分布等因素與藠種受力密切相關(guān)，并對夾持性能產(chǎn)生影響。

注：以藠頭種子質(zhì)心為點建立空間直角坐標(biāo)系，軸為正視取種側(cè)水平向右，軸豎直向上，平面與排種盤平行，軸垂直于平面向外。1為排種盤圓心在平面的投影；為N及其分力所在平面與平面間的夾角，(°)；為勺夾取種張角（N與軸負方向夾角），(°)；N為取種勺底部對藠頭的支持力，N；為排種盤對藠頭的支持力，N；為藠頭種子質(zhì)量，kg；i為種勺對藠頭種子除底部支持力外的合力，N。

Note: The center of mass ofseeds is the-point to establish a right-angle coordinate system in space, the-axis is orthogonal to the seed taking side horizontally to the right, the-axis is vertically upward, and theplane is parallel to the seed metering disc; the-axis is perpendicular to theplane outward.1is the projection of the center of the seed metering disc in the plane;is the angle between the plane whereNand its component forces are located and theplane, (°);is the seed filling angle with spoon clip (the angle betweenNand the negative direction of-axis), (°);Nis the support force onat the bottom of the spoon, N;is the support force onat the seed metering disc, N;is the mass ofseeds, kg;iis the combined force onseeds at the spoon except for the support force at the bottom, N.

圖6 取種區(qū)藠頭種子受力分析

Fig.6 Force analysis ofseeds in seed taking region

根據(jù)前期研究，大葉藠種長、寬、厚平均值約為43.47、21.68和18.28 mm，為減少重播概率，選取厚度作為種勺尺寸的主要限制條件[19]。根據(jù)農(nóng)藝要求，藠頭每穴播種1～2粒，圓勺直徑和平板及錐勺寬度p與種子厚度需滿足：

式中pMIN為圓勺直徑和平板及錐勺寬度的最小值，mm；pMAX為圓勺直徑和平板及錐勺寬度的最大值，mm。

按照式（7）pMIN和pMAX分別取20、30 mm。平板式種勺深度設(shè)置為5mm以保證其具有一定強度，錐勺式和圓勺式種勺的最大深度取為0.5pMAX即15 mm，以保證足夠接觸面積；平板和錐勺的長度均設(shè)置為45 mm，大于藠頭種子平均長度，以增加取種成功率。

種勺在取種過程中呈打開狀態(tài)，此時的臨界尺寸條件如圖7所示。為便于充種，種勺張開后形成的充種空間在種勺與排種盤面間的距離的最小臨界值取藠頭種子寬度方向的平均尺寸。充種空間在種勺與排種盤面間的距離的計算如式（8）～（9）所示。

注：1為圓勺式種勺充種空間與排種盤間的距離，mm；2為平板式或錐勺式種勺充種空間與排種盤間的距離，mm；o為不同種勺參考點的旋轉(zhuǎn)半徑，mm；s為平板式種勺的長度，mm；為o與豎直方向重合時的旋轉(zhuǎn)角，(°)；1為種勺旋轉(zhuǎn)中心軸與排種盤一面的距離，mm；2為種勺旋轉(zhuǎn)中心軸與種勺上端面的距離，mm；3為種勺旋轉(zhuǎn)中心軸與種勺邊緣的水平距離，mm。

Note:1is the distance between the seed filling space of round spoon and the seed metering disc, mm;2is the distance between the seed filling space of flat spoon or taper spoon and the seed metering disc, mm;ois the rotation radius of the reference point of different kinds of spoons, mm;sis the length of the flat type spoon, mm;is the rotation angle whenocoincides with the vertical direction, (°);1is the distance between the rotating center axis of the spoon and the side of the seed metering disc, mm;2is the distance between the center axis of rotation of the spoon and the top plane of the spoon, mm;3is the horizontal distance between the central axis of rotation and the edge of the spoon, mm.

圖7 勺夾取種張角的臨界條件

Fig.7 Critical condition of the seed filling angleof the spoon clip

取藠頭種子寬度方向的平均尺寸21.68 mm，勺夾的1、2、3分別為10.5、15和5 mm。由圓勺取種臨界條件可知，此時種勺直徑p為20 mm，進而由勾股定理及式（8）可得為45°時，可取最大值20.71 mm，近似滿足臨界條件中藠頭種子尺寸需求。選取平板式或錐勺式種勺時，種勺長度s為45 mm，由勾股定理及式（9）可知，勺夾最大旋轉(zhuǎn)角≥20.17°即可滿足臨界條件。綜上，確定勺夾取種張角為45°，以滿足不同種勺的取種需求。

2.2.2 勺夾扭力彈簧

勺夾的閉合動力與攜種時藠頭種子所受夾持力均由扭力彈簧提供，其一端與排種盤固定，另一端與勺夾桿的彈簧擋桿固定。夾持攜種過程中，夾持力過小，藠頭種子容易脫落；夾持力過大，藠頭種子受擠壓嚴重，易造成壓縮損傷，且勺夾在關(guān)閉時會產(chǎn)生較大沖擊，影響種勺使用壽命。圖8為勺夾在工作過程中閉合、夾持和開啟狀態(tài)下的受力分析。

為簡化分析，忽略夾持攜種過程中藠頭所受靜摩擦力，采用共點力系，平穩(wěn)攜種條件下勺夾桿中心軸所受力矩平衡方程如式（10）所示。

投種時，勺夾桿尾端在投種凸輪上勻速平穩(wěn)滑動，勺夾桿中心軸所受力矩仍平衡，即：

式中為勺夾桿中心軸力矩，N·mm；為勺夾桿半徑，mm。

注：P為彈簧扭力，N；f1為排種盤對勺夾桿摩擦力，N；Fb為種勺受藠頭的作用力，N；N1為勺桿底座對勺夾桿的支持力，N；N2為上蓋板對勺夾桿的支持力，N；r1為彈簧作用力臂，mm；r2為藠頭種子與種勺作用力點到勺夾桿中心軸距離，mm；N3為投種凸輪對勺夾桿尾端支持力，N；f2為投種凸輪對勺夾桿尾端摩擦力，N；r3為勺夾桿末端到其旋轉(zhuǎn)軸的距離，mm；β為勺夾桿尾端與投種凸輪夾角，(°)。

b與攜種過程中藠頭種子所受支持力為作用力和反作用力的關(guān)系。在攜種過程中，作用力b、彈簧彈力和摩擦力1與勺夾桿中心軸的轉(zhuǎn)矩平衡；在投種過程中，彈簧彈力和摩擦力1與投種凸輪對勺夾桿尾端產(chǎn)生的摩擦分力2、支持分力3的合力矩平衡。由式（10）可知，b的大小與夾持位置相關(guān)，作用點距離勺夾桿中心軸越近，b越大。

根據(jù)上述分析可知，忽略排種盤對勺夾桿摩擦力1時有如下受力關(guān)系：

式中T為彈簧扭矩系數(shù)，N·mm/(°)；為彈簧材料彈性模量，MPa；為彈簧線徑，mm；t為彈簧中徑，mm；t為彈簧圈數(shù)。

由式（12）可知，夾持力與彈簧扭轉(zhuǎn)角度成正比，為避免最小夾持力與最大夾持力差距過大，影響藠頭種子夾持可靠性，應(yīng)使T盡可能小。夾持力b最小應(yīng)能使摩擦力克服重力提供向心力，以保證勻速圓周運動，即：

式中為藠頭種子與排種盤間摩擦系數(shù)。

根據(jù)前期研究，如種勺穩(wěn)定夾持兩粒較大藠頭種子，排種盤最大旋轉(zhuǎn)線速度為0.3 m/s，種子與排種盤間摩擦系數(shù)為0.53，此時夾持力應(yīng)不小于1 N。夾持力b最大應(yīng)小于藠頭種子的壓縮極限89.2 N[19]。故彈簧結(jié)構(gòu)參數(shù)應(yīng)使夾持力滿足如下臨界條件：

式中為藠頭種子壓縮極限，N。由2.2.1節(jié)及式（12）可知，選取平板式或錐勺式種勺且張角為20.17°時，彈簧所提供的夾持力最小，此時2為52.2 mm；選取圓勺式種勺且張角為45°時，夾持力最大，此時2為21.2 mm。

根據(jù)勺夾機構(gòu)整體設(shè)計，扭力彈簧內(nèi)徑為5 mm，彈簧中徑t為5+，其中彈簧線徑不超過勺桿底座的厚度2 mm；彈簧螺旋長度不宜超過30 mm，根據(jù)式（14）及上述條件可得彈簧線徑為2 mm，螺旋圈數(shù)為9，結(jié)合勺夾機構(gòu)裝配要求，彈簧兩腳夾角為120°。此時由式（12）可知彈簧可提供最大夾持力為2.85 N，小于藠頭種子的壓縮極限89.2 N[19]，滿足低損播種需要。

2.3 凸 輪

勺夾桿轉(zhuǎn)動依靠凸輪與勺夾桿尾端之間的相對運動實現(xiàn)，凸輪是控制勺夾桿轉(zhuǎn)動時間以及角度的關(guān)鍵部件。凸輪由螺栓固定在安裝板上，安裝位置可以在一定角度范圍內(nèi)繞排種盤中心調(diào)整。取投種起始位置為勺夾完全打開時勺夾桿的位置，取投種起始角為取投種起始位置與圖9中虛線位置的夾角，安裝位置對應(yīng)的取投種起始角為0°。

注：θ1為取種凸輪的工作角，(°)；θ2為投種凸輪的工作角，(°)。

勺夾進入種箱后不斷深入種群進行取種，勺夾從進入種箱開始隨排種盤轉(zhuǎn)過90°后開始逐漸遠離種子群，此過程中若種勺不閉合，則種子易在攪動中脫離充種空間，故凸輪的取種范圍不應(yīng)大于90°。將取種凸輪安裝孔中心所在弧角度設(shè)計為90°，除去固定孔位及斜面緩開緩閉區(qū)域，取種凸輪的工作角1為57°。極限取種范圍中除去工作角1可知取種起始角的調(diào)節(jié)范圍小于等于33°，結(jié)合裝置結(jié)構(gòu)及安裝尺寸設(shè)計其可調(diào)范圍為0°～30°，調(diào)節(jié)間隔為5°，取種凸輪的工作范圍可在87°的取種范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

為避免種子在投種過程中產(chǎn)生干擾，影響投種精度，應(yīng)保證每個勺夾單獨投種，即投種凸輪工作角2小于勺夾間的夾角，設(shè)置20個勺夾時，相鄰勺夾間夾角為18°。投種凸輪工作角2應(yīng)小于等于18°，加上一定的斜面快開快閉區(qū)域及安裝孔位后，投種凸輪安裝孔中心所在弧角度圓整為35°，工作角2為13°。安裝板上設(shè)置一定的投種起始角調(diào)節(jié)范圍為0～35°，加上工作角2可得投種范圍為48°，投種凸輪的工作范圍可在投種范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

勺夾桿尾端在與凸輪接觸過程中，需保證凸輪寬度始終大于撥桿直徑，凸輪中心弧半徑與勺夾桿尾端旋轉(zhuǎn)軌跡半徑相同，故取凸輪寬度為20 mm，中心弧半徑為150 mm。根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)，當(dāng)勺夾完全張開取種張角為45°時，勺夾桿末端與安裝板距離為54 mm，故取凸輪高度為54 mm。取投種凸輪結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 取投種凸輪

2.4 種勺形狀仿真優(yōu)化

為分析不同形狀種勺間的性能差異，采用離散元分析軟件EDEM[20-23]對排種器不同結(jié)構(gòu)種勺的取種性能進行仿真分析[17]。為盡可能滿足實際取種時種子幾何尺寸的差異，在仿真中應(yīng)用顆粒工廠將藠頭種子以0.9、1.0、1.1倍大小按照20%、50%和30%占比隨機分布，以5 kg/s的速度共生成藠頭種子7.5 kg。

藠種間和藠種與種勺間無黏附作用，顆粒間及顆粒與種勺間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin（no-slip）模型[24-26]。藠頭種子仿真參數(shù)依據(jù)前期標(biāo)定試驗結(jié)果設(shè)置，具體如表1所示。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

應(yīng)用EDEM軟件模擬不同種勺結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速下的取種效果，以取種合格率和漏取率為指標(biāo)。取種1～2粒藠種的次數(shù)占總?cè)》N次數(shù)的比例為取種合格率，未取種次數(shù)占總?cè)》N次數(shù)比例為漏取率。試驗中排種器取種速度為0.06～0.14 m/s。圓勺直徑和深度均為30 mm；平板勺寬度和深度分別為30和5 mm；錐勺寬度和深度均為30 mm。仿真過程如圖11所示。

在仿真過程中，不同種勺均出現(xiàn)了如圖11d、11e所示的取種情況。由圖12試驗結(jié)果可知，圓勺式取種合格率在不同速度下均優(yōu)于其他2種種勺，并穩(wěn)定在85%以上，平均取種合格率為91.14%，平均漏取率略高于其他2種種勺，為2.2%。通過方差分析可得，種勺類型對取種合格率有極顯著影響（<0.01）。3種形式種勺的取種合格率在取種速度達到中間水平時有較高值，漏取率有較低值，取種速度為0.1 m/s時的取種性能更好。取種速度對取種合格率無顯著影響（<0.05）。平板式和錐勺式種勺雖然有較低的漏取率，但由于充種空間大，取種過程中3粒及以上取種次數(shù)較多，造成取種合格率低，不能滿足需求。平板式、錐勺式、圓勺式的平均單粒率（每次取種1粒次數(shù)占總?cè)》N次數(shù)比例）分別為33%、24%和68%，圓勺式種勺的單粒取種性能更好，有利于節(jié)約種子。綜上，圓勺式種勺在取種合格率和單粒率上具有優(yōu)勢，為優(yōu)選結(jié)構(gòu)。

圖11 取種過程仿真試驗

圖12 排種器取種性能仿真試驗結(jié)果

3 臺架試驗

3.1 材料與方法

勺夾式藠頭排種器試驗裝置如圖13所示，主要由安裝板、種箱、取種系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)組成，由伺服電機提供動力。電機轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，最大轉(zhuǎn)速1 500 r/min。種箱采用透明亞克力材質(zhì)加工，方便觀察取種過程。

1.種勺 2.種箱 3.藠頭種子 4.伺服電機 5.驅(qū)動器 6.控制器 7.24 V電源

試驗參考GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，以取種合格率1和漏取率2作為評價指標(biāo)，通過記錄連續(xù)取種200次取種情況，計算取種合格率和漏取率。結(jié)合上文理論分析及預(yù)試驗，選取5個因素（種勺直徑s、種勺深度s、取種起始角s、種面高度與種箱高度之比s及取種速度s）進行試驗。試驗過程中，觀察箱內(nèi)種子運動情況并手動添加種子維持種面高度。

采用Plackett-Burman試驗確定顯著性影響因素，并進一步通過Box-Benhnken中心組合試驗對顯著性參數(shù)進行優(yōu)化。

3.2 Plackett-Burman試驗

應(yīng)用Design-Expert 12軟件進行Plackett-Burman試驗設(shè)計，以取種合格率、漏取率為響應(yīng)值，試驗因素水平如表2所示，試驗方案及結(jié)果如表3所示，對試驗結(jié)果主效應(yīng)間進行方差分析，如表4。由表4可知，種勺直徑s對漏取率有極顯著影響（<0.01），種面高度與種箱高度之比s對取種合格率和漏取率均有顯著影響（<0.05）。綜合考慮取種起始角s的影響，選取種勺直徑s、取種起始角s、種面高度與種箱高度之比s作為影響因素進行優(yōu)化試驗。

表2 Plackett-Burman試驗因素與水平

表3 Plackett-Burman試驗方案及結(jié)果

表4 方差分析

注：**表示影響極顯著，<0.01；*表示影響顯著，<0.05。下同。

Note: **indicates that the impact is extremely significant,<0.01; * indicates that the impact is significant,<0.05. The same below.

3.3 Box-Behnken 試驗

為了獲取排種器較優(yōu)組合參數(shù)，基于上述試驗結(jié)果開展Box-Behnken中心組合試驗。選取種勺直徑s、取種起始角s、種面高度與種箱高度之比s為影響因素，因素水平編碼如表5。種勺深度s和取種速度s選取中間值10 mm和0.1 m/s，根據(jù)試驗設(shè)計方案共開展17組試驗，試驗方案及結(jié)果如表6所示。

表5 因素水平編碼

表6 Box-Behnken 試驗方案及結(jié)果

注：1、2、3分別為s、s、s的水平值。

Note:1,2, and3are the level values ofs,s, ands.

為進一步分析各試驗因素及其交互作用對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律，采用Design-Expert 12對試驗結(jié)果進行多元回歸擬合，建立試驗指標(biāo)與各因素的回歸模型，顯著性檢驗結(jié)果如表7所示。

由表7可知，回歸模型檢驗均極顯著（<0.01），失擬檢驗均不顯著，故回歸模型與實際情況擬合良好。對于取種合格率回歸方程，除1、2、13、23、22外，其余項均顯著，且因素影響取種合格率的主次因素為：種面高度與種箱高度之比、種勺直徑、取種起始角；對于漏取率回歸方程，除212132322外，其余項均顯著，且因素影響漏取率的主次因素為：種勺直徑、種面高度與種箱高度之比、取種起始角。剔除回歸模型中不顯著項，得到試驗指標(biāo)與各因素之間的二次回歸方程為：

表7 Box-Behnken試驗方差分析

為直觀分析因素與試驗指標(biāo)之間的關(guān)系，利用Design-Expert 12繪制響應(yīng)曲面圖，其中種勺直徑和取種起始角與取種合格率之間的響應(yīng)曲面如圖14所示。由圖14可知，在取種速度為0.1 m/s、種勺深度為10 mm、種面高度與種箱高度之比為75%且取種起始角恒定的情況下，取種合格率隨著種勺直徑的增大先增加后減小；選取較小的種勺直徑時，取種合格率隨取種起始角的增大而減??；選取大于25 mm的較大種勺直徑時，取種合格率隨取種起始角的增大而增加。由等高曲線可知，種勺直徑為22.5～30 mm，取種起始角為11°～30°時，取種合格率存在最大值。

圖14 種勺直徑和取種起始角對取種合格率的影響

3.4 參數(shù)優(yōu)化及試驗驗證

為尋找排種器性能最優(yōu)狀態(tài)下的各因素參數(shù)組合，以取種合格率1最高和漏取率2最低為目標(biāo)函數(shù)，以種勺直徑s、取種起始角s、種面高度與種箱高度之比s為約束條件，對所建立的二次回歸模型優(yōu)化求解，目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

運用Design-Expert 12優(yōu)化求解模塊得到種勺直徑s=27 mm，取種起始角s=30°，種面高度與種箱高度之比s=92.5%時，排種器取種性能達到最優(yōu)，取種合格率為91.89%，漏取率為3.14%。為驗證優(yōu)化參數(shù)的可靠性，進行3次重復(fù)試驗，在取種速度為0.1 m/s時，得到平均取種合格率為91.17%，平均漏取率為6.17%。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

田間試驗于2022年4月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗田進行。田間土壤平均含水率為17.56%，200 mm深度處平均土壤堅實度為11.4 kPa。

基于排種器仿真試驗及優(yōu)化設(shè)計，試制如圖15a所示的排種器田間試驗裝置，該裝置主要由手扶拖拉機、懸掛架、仿形機架、地輪、傳動副、鏈輪、種箱、排種盤、取投種凸輪和勺夾機構(gòu)等組成。排種單體前進動力由1WG5.2-80型微耕機提供，其柴油機標(biāo)定功率5.88 kW，最大功率6.47 kW，地輪到排種器傳動比為0.82∶1，試驗時地輪平均滑移率為7.99%，理論穴距S為108 mm。試驗選用湖北崇陽產(chǎn)大葉藠種，凈度≥83.04%，平均含水率43.76%。

4.2 試驗方法

試驗依據(jù)《GB/T 6973－2005 單粒（精密）播種機試驗方法》及藠頭種植農(nóng)藝要求，采用穴距衡量排種器性能，試驗共進行3組，每組試驗分5次行程，每次行程10 m，機具前進速度為0.1～0.2 m/s。每組試驗結(jié)束后，選取每次行程中間6 m進行穴距測量，如圖15b。數(shù)據(jù)按照0.1的間隔繪制頻率分布直方圖，得到穴距值S與理論穴距S的比值落入每個區(qū)段的頻數(shù)。

1.柴油機 2.驅(qū)動軸鏈輪 3.傳動副 4.地輪 5.勺夾 6.排種盤鏈輪

1.Diesel engine 2.Sprocket of the drive shaft 3.Transmission unit 4.Ground wheel 5.Spoon clip 6.Sprocket of the seed metering disc

注：S為穴距，mm。

Note:Sis the hole distance, mm.

圖15 田間試驗

Fig.15 Field test

4.3 試驗結(jié)果與分析

繪制頻率分布直方圖，如圖16所示，縱坐標(biāo)相對頻率r為區(qū)段頻數(shù)與該組試驗測定種子數(shù)的比值，3組試驗的穴距值多數(shù)集中分布在（0.5～1.5）S的區(qū)間內(nèi)，相對頻率分別為57.33%、61.29%和66.43%。經(jīng)過計算，試驗結(jié)果如表8所示，試驗的平均播種合格率、重播率和漏播率分別為63.10%、12.76%和24.14%，播種穴距的平均標(biāo)準(zhǔn)差為0.28 mm。

注：Sl為理論穴距，mm。

表8 田間試驗結(jié)果

注：為播種合格率，%；為重播率，%；為漏播率，%；為穴距標(biāo)準(zhǔn)差，mm。

Note:is seeding qualified rate, %;is re-seeding rate, %;is miss-seeding rate, %;is standard deviation of the hole distance, mm.

觀察田間試驗過程可知，排種器能夠在田間環(huán)境中完成取種、攜種及投種全過程，取種攜種效果與臺架試驗相近（圖17a），投種過程（圖17b）也出現(xiàn)了單粒及雙粒投種。根據(jù)《NY/T 503-2015單粒（精密）播種機作業(yè)質(zhì)量》要求，粒（穴）距≤100 mm時，播種合格率、重播率、漏播率分別應(yīng)滿足≥60.0%、≤30.0%、≤25.0%，排種器各項性能指標(biāo)基本符合作業(yè)要求，但仍有提升改進空間。

圖17 排種器田間取種、攜種和投種情形

5 討 論

1）大葉藠種形狀不規(guī)則、尺寸變化大，對精量取種造成困難，實際應(yīng)用中應(yīng)對藠種進行分級、提高種子尺寸一致性來提升播種質(zhì)量。其他與藠頭種子形狀相近的較小塊粒狀種子，如大蒜、馬鈴薯等，外形與種勺有一定的貼合度，也可應(yīng)用于本文設(shè)計的排種器，后續(xù)需對排種器的通用性開展試驗研究。

2）試驗中種面高度與種箱高度之比作為影響因素反映了箱內(nèi)種子的多少對于排種器性能的影響規(guī)律，由于藠頭種子流動性較差，箱內(nèi)種子過多時勺夾容易堆積托種；種子過少則易在箱內(nèi)形成盲區(qū)，藠種不能及時填充從而造成漏取。考慮箱內(nèi)藠種在勺夾攪動下會形成一定的空隙率，合適的空隙率有利于箱內(nèi)藠種的流動，故后續(xù)需進一步探究供種方式及箱內(nèi)種子空隙率對于排種器性能的影響[27]。

3）投種高度通常也是影響播種質(zhì)量的重要因素[28]，田間試驗過程中藠頭種子落地后在土壤表面發(fā)生了彈跳，影響了排種性能，后續(xù)需開展藠頭種子與土壤的碰撞研究，探索合適的投種高度和投種方式以減少彈跳，進一步提高播種準(zhǔn)確性。

4）考慮到田間試驗作業(yè)環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致機具抖動、機具前進速度變化大，后續(xù)還需繼續(xù)開展機具前進速度、振動等因素對排種器工作性能的影響規(guī)律研究。

6 結(jié) 論

1）設(shè)計了一種由凸輪控制開合而實現(xiàn)取投種的勺夾式藠頭排種器，對取種、攜種過程中的藠頭種子進行了受力分析，闡述了勺夾式排種器取種原理。針對排種器勺夾進行了離散元仿真試驗分析，結(jié)果表明圓勺式取種合格率最高，為優(yōu)選結(jié)構(gòu)。

2）建立了以取種合格率和漏取率為目標(biāo)的多元回歸模型，對種勺直徑s、取種起始角s、種面高度與種箱高度之比s進行了參數(shù)優(yōu)化。最優(yōu)參數(shù)組合為：種勺直徑s=27 mm，取種起始角s=30°，種面高度與種箱高度之比s=92.5%，此時，平均取種合格率為91.17%，漏取率為6.17%。

3）田間排種試驗結(jié)果表明，機具在0.1～0.2 m/s的前進速度下，排種器平均播種合格率、重播率和漏播率分別為63.10%、12.76%和24.14%。平均穴距標(biāo)準(zhǔn)差為0.28 mm。排種器各項性能指標(biāo)基本符合作業(yè)要求，投種過程及排種工作穩(wěn)定性仍有較大優(yōu)化提升空間。

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Design and experiment of the spoon clip type seed metering device for

KANG Qixin1, ZHANG Guozhong1,2※, ZHENG kan1,2, LIU Haopeng1,2, TANG Nanrui1, LIU Wanru1, JI Chao1

(1.430070,; 2.430070,)

, as a characteristic vegetable, is exported to Southeast Asian countries such as Japan and South Korea with remarkable economic benefits. Aimed at the problems ofplanting, main including high labor intensity and artificial planting process cost, a spoon clip seed metering device forwas designed. It consists of a seed metering disc, spoon, seed taking and discharging cam, seed box, mounting plate, and other components. The working principle of the spoon clip seed metering device for, and the mechanism of seed taking, seed carrying, and seed discharging were expounded by analyzing the stress state and movement state ofseeds in the working process of seed metering device. The seed taking process of the seed metering device was simulated using discrete element simulation software to optimize the spoon for different structures. The Plackett-Burman test method was used to select the significant factors of spoon diameter, spoon depth, start angle of seed taking, ratio of seed surface height to seed box height, and speed of seed taking. Qualified rate of seed taking and missing rate of seed taking were used as test indexes. Orthogonal regression tests were carried out with spoon diameter, start angle of seed taking, and ratio of seed surface height to seed box height as experimental factors. Regression models of qualified rate of seed taking and missing rate of seed taking were established, and parameters were optimized. Field test were conducted to examine the field seeding performance of the seed metering device forbased on obtaining optimal parameters. Simulation results show that the type of spoon has a high significance on the qualified rate of seed taking (<0.01). Qualified rate of seed taking of the round spoon is more excellent than the other two spoons at different speeds, with an average value of 91.14%, and the round spoon is selected as the preferred structure through comprehensive analysis. According to the results of the Plackett-Burman test, diameter of spoon has a highly significant effect on the missing rate of seed taking (<0.01), and ratio of seed surface height to seed box height has a significant effect on both the qualified rate of seed taking and missing rate of seed taking (<0.05). The analysis of the effects of the test factors and their interactions on the test indicators in the Box-Behnken test shows that the test regression model is highly significant (<0.01). The interaction of spoon diameter and start angle of seed taking have a significant effect on the qualified rate of seed taking. Under the condition that other factors are determined, the qualified rate of seed taking increases with the increase of pickup diameter and then decreases. The qualified rate of seed taking decreases with the increase of the start angle of seed taking for smaller spoon diameters and increases with the increase of the start angle of seed taking for spoon diameters larger than 25 mm. The optimal parameters are as follows: spoon diameter is 27 mm, start angle of seed taking is 30°, and ratio of seed surface height to seed box height is 92.5%. Under the optimal parameter combination, the filling qualified rate and missing rate of seed taking were obtained, they were 91.17% and 6.17% respectively, which were consistent with the predicted results of the model. Observations of the field test process indicate that the seed metering device can complete the whole process of seed taking, seed carrying, and seed discharging in the field environment. The results of the field seeding test show that the average seeding qualified rate is 63.10%, and the average multiples rate and seeding missing rate are 12.76% and 24.14%, respectively, at the forward speed of 0.1-0.2 m/s. According to the operating quality for single seed metering device can satisfy the field operation. However, stability and efficiency can still be further optimized and improved. The research can provide a reference for the research and design of planting machinery for.

discrete element; response surface; seed metering device; spoon clip type;

10.11975/j.issn.1002-6819.202212020

S223.2

A

1002-6819(2023)-05-0015-11

康啟新，張國忠，鄭侃，等. 勺夾式藠頭排種器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39(5)：15-25.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212020 http://www.tcsae.org

KANG Qixin, ZHANG Guozhong, ZHENG Kan, et al. Design and experiment of the spoon clip type seed metering device for[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(5): 15-25. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202212020 http://www.tcsae.org

2022-12-20

2023-02-07

國家特色蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系專項資助項目（CARS-24-D-02）

康啟新，博士生，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控。Email：kangqixin@webmail.hzau.edu.cn

張國忠，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計與測控。Email：zhanggz@mail.hzau.edu