董建鑫 高筱鈞 張仕林 黃玉祥,2 張崇勤 史江濤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院, 陜西楊凌 712100; 2.陜西省農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心, 陜西楊凌 712100;3.濰柴雷沃智慧農(nóng)業(yè)科技股份有限公司, 濰坊 261000; 4.西安亞澳農(nóng)機(jī)股份有限公司, 西安 710300)

0 引言

投種作為排種器的末端工作環(huán)節(jié),對(duì)精量播種作業(yè)質(zhì)量具有直接影響[1-4]。近年來(lái),隨著規(guī)?；a(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式的發(fā)展,以及對(duì)作物單產(chǎn)水平的高度關(guān)注,需要播種機(jī)在密植條件下實(shí)現(xiàn)高速精播(作業(yè)速度高于8 km/h)[5-7]。然而,隨著機(jī)具作業(yè)速度的提高,機(jī)械式排種器的投種效果不斷下降,種子易隨投種點(diǎn)位變化而偏離理想投種軌跡,造成落點(diǎn)異位,播種均勻性不佳,甚至引發(fā)重、漏播現(xiàn)象,難以滿足實(shí)際生產(chǎn)中的高速精播需求[8-11]。因此,改善機(jī)械式排種器在高速工況下的投種效果對(duì)于促進(jìn)我國(guó)播種作業(yè)高速精量化發(fā)展,具有重要意義。

研究人員圍繞精量排種器的投種方面已開(kāi)展相關(guān)研究,并取得良好的進(jìn)展[12-16]。劉宏新等[17]利用高速影像與EDEM仿真分析了立式淺盆型排種器投種均勻性的影響因素,并確定了投種口尺寸范圍;XING等[18]借助高速影像分析了水稻排種器不同工況下的投種軌跡,確定了其最優(yōu)工作條件;XUE等[11,19]設(shè)計(jì)了一種雙弧形投種點(diǎn)引導(dǎo)槽,有效防止種子與機(jī)構(gòu)的摩擦碰撞對(duì)排種均勻性的影響;李玉環(huán)等[20-21]設(shè)計(jì)了氣吸式排種器直線推種機(jī)構(gòu),避免種子在導(dǎo)種管內(nèi)碰撞異位,并提出直線推種+末端撥離的投種方法,解決了“橫向飛種”問(wèn)題對(duì)投種效果的影響。雖然上述方法為改善機(jī)械式排種器的投種效果提供了良好的借鑒,但由于對(duì)投種部件結(jié)構(gòu)約束與待投種子的互作用關(guān)系認(rèn)識(shí)不足,且忽視復(fù)雜外形籽粒導(dǎo)種過(guò)程中運(yùn)動(dòng)、受力與姿態(tài)等因素的影響,導(dǎo)致其投種效果具有一定的不穩(wěn)定性,尤其在高速工況下投種軌跡分散現(xiàn)象明顯,播種均勻性下降嚴(yán)重。

為此,本文提出約束種子運(yùn)動(dòng)自由度并引導(dǎo)投種方向的方法,設(shè)計(jì)一種新型導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu),以改善玉米姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器高速工況下的投種效果;通過(guò)分析導(dǎo)種過(guò)程中待投種子的運(yùn)動(dòng)與受力關(guān)系,確定導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵參數(shù),并開(kāi)展排種性能優(yōu)化及驗(yàn)證試驗(yàn),以期為提升機(jī)械式排種器的高速作業(yè)性能提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

為進(jìn)一步改善前期研制的玉米姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器在高速工況下的投種效果,提升排種粒距均勻性[22],基于原排種器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ),設(shè)計(jì)一種新型的導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu),從而實(shí)現(xiàn)可靠的高頻、連續(xù)投種。增設(shè)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的排種器包括前殼體、護(hù)種板、排種盤(pán)、遞種隔板、導(dǎo)種輪、導(dǎo)種軌、傳動(dòng)軸與后殼體等主要零部件,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)爆炸圖Fig.1 Explosion diagram of seed metering device structure1.前殼體 2.護(hù)種板 3.排種盤(pán) 4.遞種隔板 5.導(dǎo)種輪 6.導(dǎo)種軌 7.排種軸 8.后殼體 9.投種口

該排種器的主要工作部件為取種單元與導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)。取種單元作為調(diào)控種子姿態(tài)并實(shí)現(xiàn)充、清種的關(guān)鍵部件,由調(diào)姿齒與單元型孔構(gòu)成。在充種過(guò)程中,取種單元利用調(diào)姿齒調(diào)整調(diào)姿槽底部種子的充前姿態(tài),將豎立姿態(tài)的種子一律調(diào)整至斜躺或側(cè)立姿態(tài),使其通過(guò)護(hù)種板底部進(jìn)入取種單元內(nèi)完成定向充種。之后,取種單元內(nèi)多余種子隨重力作用脫落,完成清種過(guò)程。

導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)由導(dǎo)種輪與導(dǎo)種軌2個(gè)構(gòu)件組成,主要用于完成排種器的導(dǎo)種與投種工作過(guò)程。當(dāng)取種單元內(nèi)的單粒種子到達(dá)遞種區(qū)域后,側(cè)向滑落至導(dǎo)種倉(cāng)格內(nèi),完成遞種過(guò)程;導(dǎo)種倉(cāng)格內(nèi)的種子隨導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)至一定角度后開(kāi)始沿接觸面滑動(dòng)較短距離,之后壓覆于導(dǎo)種軌的工作弧面上繼續(xù)運(yùn)動(dòng),隨著約束運(yùn)移弧面向引導(dǎo)投種弧面的過(guò)渡,其運(yùn)動(dòng)軌跡與速度均不斷變化,直到與引導(dǎo)投種弧面圓心處于同一水平時(shí),完成導(dǎo)種過(guò)程;此時(shí),種子處于臨界投種狀態(tài),投種的點(diǎn)位與初速度均確定,即將隨重力開(kāi)始豎直下拋,完成投種過(guò)程。排種器的工作原理如圖2所示。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Seed metering device working principle diagram1.調(diào)姿齒 2.單元型孔 3.取種單元 4.玉米種子 5.導(dǎo)種輪 6.導(dǎo)種軌 7.導(dǎo)種倉(cāng)格 8.約束運(yùn)移弧面 9.引導(dǎo)投種弧面 Ⅰ.充種過(guò)程 Ⅱ.清種過(guò)程 Ⅲ.遞種過(guò)程 Ⅳ.導(dǎo)種過(guò)程 Ⅴ.投種過(guò)程

2 導(dǎo)種軌跡規(guī)劃

合理規(guī)劃導(dǎo)種軌跡是確保投種效果可靠的關(guān)鍵,也是導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。待投種子的導(dǎo)種過(guò)程可劃分為3個(gè)階段,分別為待投種子的短距離心階段(對(duì)應(yīng)軌跡a-b)、約束運(yùn)移階段(對(duì)應(yīng)軌跡b-b′)與引導(dǎo)投種階段(對(duì)應(yīng)軌跡b′-c),種子到達(dá)點(diǎn)c處開(kāi)始投種,如圖3所示。

圖3 導(dǎo)種軌跡規(guī)劃Fig.3 Seed guiding trajectory planning1.待投種子 2.導(dǎo)種軌跡

短距離心階段為待投種子導(dǎo)種過(guò)程的起始階段,由點(diǎn)a處開(kāi)始離心運(yùn)動(dòng),到達(dá)點(diǎn)b處與約束運(yùn)移弧面接觸后結(jié)束。以導(dǎo)種輪軸心為原點(diǎn),水平方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系,離心運(yùn)動(dòng)中種子所處位置的半徑記為r,角度記為δ(位置處半徑與豎直方向夾角),離心運(yùn)動(dòng)起始位置半徑記為ra,角度記為δa,結(jié)束位置記為rb,角度記為δb,種子所受合外力∑F方向沿接觸面切向,種子離心距離為lab(圖4a)。

圖4 導(dǎo)種軌跡分析Fig.4 Analysis of seed guiding trajectory

離心運(yùn)動(dòng)中種子合外力∑F始終大于0,由能量守恒定律可得,種子所受合外力做功為

(1)

式中vt——點(diǎn)b處種子接觸導(dǎo)種軌時(shí)速度,m/s

m——種子質(zhì)量,kg

ω——導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s

由式(1)可知,短距離心階段中種子接觸導(dǎo)種軌時(shí)的速度vt與離心距離lab及導(dǎo)種輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω呈正相關(guān)。當(dāng)種子的離心距離lab或?qū)ХN輪的角速度ω越大時(shí),種子接觸導(dǎo)種軌時(shí)的速度vt越大。為防止種子與導(dǎo)種軌接觸時(shí)碰撞并產(chǎn)生彈跳作用,影響接下來(lái)約束運(yùn)移階段中種子的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,應(yīng)保證離心距離lab盡可能較小。

待投種子的約束運(yùn)移階段為導(dǎo)種過(guò)程中的過(guò)渡階段,由點(diǎn)b開(kāi)始沿弧線軌跡運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)b′處結(jié)束。該階段中種子運(yùn)動(dòng)自由度受到約束,驅(qū)使其按照預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)移軌跡平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),從而確保引導(dǎo)投種階段順利進(jìn)行(圖4b)。

由于該階段對(duì)應(yīng)軌跡b-b′為弧線,且導(dǎo)種輪工作時(shí)勻速運(yùn)轉(zhuǎn),可以判斷種子受到合外力為0,即

∑F=Fr+Fn+f+G=0

(2)

式中Fr——種子受到離心力,N

G——種子受到重力,N

Fn——種子受到支持力,N

f——種子受到摩擦力,N

由式(2)可知,種子在約束運(yùn)移階段中將始終保持勻速圓周運(yùn)動(dòng),直至點(diǎn)b′處進(jìn)入下一階段。

待投種子的引導(dǎo)投種階段為導(dǎo)種過(guò)程的末尾階段,由點(diǎn)b′開(kāi)始沿反向弧線軌跡運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)c處結(jié)束。該階段中由于種子受到反向弧線軌跡的引導(dǎo)作用,運(yùn)動(dòng)速度v開(kāi)始逐漸沿引導(dǎo)投種弧面的切線方向偏轉(zhuǎn),當(dāng)種子運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)c時(shí)速度v的方向豎直向下,此時(shí)脫離導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的束縛,沿豎直方向開(kāi)始下拋運(yùn)動(dòng)(圖4c)。

綜上所述,當(dāng)待投種子按預(yù)先規(guī)劃的導(dǎo)種軌跡完成運(yùn)移后,投種初速度豎直向下(作用點(diǎn)與方向均確定)。因此推斷,玉米姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器增設(shè)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)后,種子的投種點(diǎn)位與初速度基本恒定,種子投出后的下落軌跡唯一,呈豎直直線。

3 導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

3.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)取值對(duì)排種器的投種效果具有直接影響,其主要由導(dǎo)種輪與導(dǎo)種軌兩部分結(jié)構(gòu)參數(shù)共同構(gòu)成,如圖5所示。

圖5 導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.5 Structure parameters diagram of guiding seed throwing mechanism

導(dǎo)種軌由約束運(yùn)移弧面與引導(dǎo)投種弧面銜接而成,固定安裝于前、后殼體間與導(dǎo)種輪共同工作。其中,約束運(yùn)移弧面配合導(dǎo)種倉(cāng)格對(duì)待投種子的運(yùn)動(dòng)自由度施加約束,迫使其按照預(yù)先規(guī)劃的運(yùn)移軌跡平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),從而確保引導(dǎo)投種階段順利進(jìn)行;導(dǎo)種倉(cāng)格內(nèi)容種空間伴隨自身轉(zhuǎn)動(dòng)與引導(dǎo)投種弧面的延伸,逐漸轉(zhuǎn)化為楔形,用于穩(wěn)定投種點(diǎn)處種子的姿態(tài),從而確保種子能夠順利投出。為提供充足的遞種區(qū)域,使種子及時(shí)完成遞種,避免與導(dǎo)種軌結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉,約束運(yùn)移弧面起始角α0取75°。

導(dǎo)種輪邊緣交錯(cuò)分布有開(kāi)口方向相反的導(dǎo)種倉(cāng)格。根據(jù)第2節(jié)分析,應(yīng)盡量縮短種子的離心距離lab;此外,還需保障導(dǎo)種倉(cāng)格內(nèi)恰好能夠完全容納種子,使種子具有充足的姿態(tài)調(diào)整空間。因此導(dǎo)種倉(cāng)格的高度h0、厚度b0均不宜過(guò)大,但也不能低于種子的最大長(zhǎng)度lmax(測(cè)得為14.1 mm)[22];已知導(dǎo)種輪半徑rp為115 mm,為滿足上述條件,導(dǎo)種倉(cāng)格半徑rd取100 mm,導(dǎo)種倉(cāng)格高度h0與厚度b0均取 15 mm。 同時(shí),導(dǎo)種倉(cāng)格傾角θ0越大,楔形容種空間的楔角越小,投種姿態(tài)越穩(wěn)定,有利于順利投種;在確保排種器的遞種過(guò)程不受影響時(shí),導(dǎo)種倉(cāng)格傾角θ0應(yīng)取最大值。取種單元的斜線框區(qū)域?yàn)檫f種口,在導(dǎo)種倉(cāng)格的隔斷不干涉遞種過(guò)程前提下,導(dǎo)種倉(cāng)格傾角θ0最大值為27°,如圖6所示。

圖6 導(dǎo)種倉(cāng)格Fig.6 Seed guiding chamber1.遞種口 2.隔斷

導(dǎo)種軌工作弧面的軸向投影曲線方程即為曲線段ac在坐標(biāo)系中的平面方程,由圓弧段ab′與圓弧段b′c組成。圖5中,以導(dǎo)種輪軸心為原點(diǎn)O,水平方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系,即可求得圓弧段ab′的方程為

(3)

圓弧段b′c的方程為

y∈((rd+rt)cos(α0+αt),rdcos(α0+αt)))

(4)

由式(3)、(4)可知,約束運(yùn)移弧面圓心角αt與引導(dǎo)投種弧面半徑rt決定了待投種子的導(dǎo)種軌跡,對(duì)投種效果具有直接影響,其取值根據(jù)下文分析及試驗(yàn)確定。

3.2 約束運(yùn)移弧面圓心角

約束運(yùn)移弧面圓心角影響種子在約束運(yùn)移階段中運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。當(dāng)種子到達(dá)點(diǎn)a處具有離心運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),經(jīng)過(guò)短距離心運(yùn)動(dòng)后在點(diǎn)b接觸導(dǎo)種軌,以點(diǎn)a處種子質(zhì)心為原點(diǎn),滑動(dòng)平面的切向?yàn)閤軸,法向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系,對(duì)種子進(jìn)行受力分析,如圖7所示。

圖7 種子離心運(yùn)動(dòng)受力分析Fig.7 Force analysis of seed centrifugal motion

根據(jù)種子在點(diǎn)a處沿x軸向合力大于0,可得

Fx=Frcosθ0+Gsin(δ+θ0-0.5π)-f1>0

(5)

其中

f1=μ(Gcos(δ+θ0-0.5π)-Frsinθ0)

(6)

式中f1——種子與導(dǎo)種輪間滑動(dòng)摩擦力,N

μ——種子與排種器間滑動(dòng)摩擦因數(shù)

聯(lián)立式(5)、(6),解得

(7)

已知種子所在點(diǎn)a位置處半徑r取0.09 m,重力加速度g取9.8 m/s2,種子與排種器摩擦因數(shù)μ為0.3,導(dǎo)種倉(cāng)格傾角θ0取27°,當(dāng)排種盤(pán)角速度ω取0～3.06 rad/s時(shí)(對(duì)應(yīng)作業(yè)速度0～14 km/h),由式(7)計(jì)算可得:種子所在位置處角度δ大于79.7°。

為確保待投種子在約束運(yùn)移階段中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng),約束運(yùn)移弧面圓心角αt應(yīng)滿足

αt>δ-α0

(8)

式(8)中,種子位置角δ取79.7°,約束運(yùn)移弧面起始角α0取75°,代入式(8)計(jì)算可得,約束運(yùn)移弧面圓心角αt大于4.7°,當(dāng)種子經(jīng)過(guò)遞種區(qū)域后,需至少轉(zhuǎn)過(guò)4.7°后開(kāi)始短距離心階段。因此,為確保待投種子在約束運(yùn)移階段中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn),應(yīng)保障約束運(yùn)移階段的軌跡弧長(zhǎng)充足,約束運(yùn)移弧面圓心角αt不宜過(guò)小,應(yīng)遠(yuǎn)大于4.7°。

3.3 投種初速度

投種初速度易對(duì)投種軌跡的分布范圍產(chǎn)生影響。在引導(dǎo)投種階段中,種子到達(dá)點(diǎn)c時(shí)質(zhì)心與引導(dǎo)投種弧面的圓心o1位于同一水平,此時(shí)種子處于臨界投種狀態(tài),投種初速度豎直向下,即將開(kāi)始豎直下拋運(yùn)動(dòng)。以導(dǎo)種輪軸心為原點(diǎn)o,水平方向?yàn)閤軸,豎直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系,對(duì)種子的臨界投種狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析,如圖8所示。

圖8 臨界投種速度分析Fig.8 Analysis of critical seed throwing velocity

種子在投種點(diǎn)c處的絕對(duì)速度va為牽連速度ve與相對(duì)速度vr的矢量和,滿足

va=ve+vr

(9)

由式(9)得

(10)

其中

(11)

式中θ1——種子絕對(duì)速度與牽連速度夾角,(°)

αv——線段ob′與線段oc間夾角,(°)

聯(lián)立式(10)、(11)可得

va=rdω(sin(α0+αt+αv)+
cos(α0+αt)cot(θ0+α0+αt+αv))

(12)

由式(12)可知,投種初速度va與約束運(yùn)移弧面圓心角αt呈正相關(guān),當(dāng)約束運(yùn)移弧面圓心角αt取值越大時(shí),投種初速度va越大,反之越小。預(yù)試驗(yàn)中,約束運(yùn)移弧面圓心角αt低于30°時(shí),存在延遲投種現(xiàn)象,投種軌跡易波動(dòng),高于45°時(shí),投種存在水平速度,易偏離豎直方向。分析原因可知,約束運(yùn)移弧面圓心角αt較小時(shí),投種點(diǎn)位較高且投種初速度較小,由于投種時(shí)楔形容種空間的楔角過(guò)大,投種姿態(tài)穩(wěn)定性不足,個(gè)別不能及時(shí)投出的種子,投種軌跡產(chǎn)生波動(dòng);約束運(yùn)移弧面圓心角αt過(guò)大時(shí),投種點(diǎn)位較低,由于導(dǎo)種軌跡曲線的曲率過(guò)大,種子易脫離結(jié)構(gòu)引導(dǎo)作用,投出后速度較大且存在水平分量,同樣也會(huì)造成投種軌跡偏離豎直方向。因此,結(jié)合導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)與排種盤(pán)結(jié)構(gòu)尺寸,選取約束運(yùn)移弧面圓心角αt的范圍在30°～45°之間,其最優(yōu)取值通過(guò)后續(xù)試驗(yàn)確定。

3.4 引導(dǎo)投種弧面半徑

引導(dǎo)投種階段中種子能否順利在投種點(diǎn)c處投出,取決于引導(dǎo)投種弧面半徑。當(dāng)種子在點(diǎn)c前或點(diǎn)c后投出時(shí),均會(huì)導(dǎo)致投種初速度偏離豎直方向,造成投種軌跡分散現(xiàn)象。種子在點(diǎn)b′與引導(dǎo)投種弧面接觸后,導(dǎo)種倉(cāng)格內(nèi)容種空間逐漸轉(zhuǎn)化為楔形,種子的姿態(tài)在結(jié)構(gòu)摩擦作用下漸漸調(diào)整,與楔形空間適應(yīng)。由點(diǎn)c處楔形容種空間形狀可以判斷,種子的投種姿態(tài)大致可分為豎立、橫躺與平躺,共3種姿態(tài);當(dāng)種子以豎立姿態(tài)投出時(shí),種子經(jīng)過(guò)點(diǎn)c后,機(jī)構(gòu)的開(kāi)口尺寸c1應(yīng)大于種子厚度t的水平投影長(zhǎng)度;同理,當(dāng)種子以橫躺姿態(tài)投出時(shí),種子經(jīng)過(guò)點(diǎn)c后,機(jī)構(gòu)開(kāi)口尺寸c1應(yīng)大于0.5倍種寬(0.5w)的水平投影長(zhǎng)度;當(dāng)種子以平躺姿態(tài)投出時(shí),種子經(jīng)過(guò)點(diǎn)c后,機(jī)構(gòu)開(kāi)口尺寸c1應(yīng)大于0.5倍種長(zhǎng)(0.5l)的水平投影長(zhǎng)度,如圖9所示。

圖9 投種姿態(tài)分析Fig.9 Seed throwing posture analysis1.豎立姿態(tài) 2.橫躺姿態(tài) 3.平躺姿態(tài)

由種子的實(shí)際尺寸分布范圍可知,種身的欠約束部分長(zhǎng)度(t、0.5w或0.5l)在水平方向的投影范圍較為接近。為確保種子能夠順利投出,防止種子經(jīng)過(guò)點(diǎn)c后受到過(guò)度的引導(dǎo)作用,偏離豎直方向,機(jī)構(gòu)開(kāi)口尺寸c1應(yīng)大于上述投影長(zhǎng)度,引導(dǎo)投種弧面半徑rt不宜過(guò)小。同時(shí),為防止個(gè)別呈豎立姿態(tài)的小尺寸種子到達(dá)投種點(diǎn)c之前投出,投種點(diǎn)c處機(jī)構(gòu)間隙c0不宜過(guò)大,應(yīng)小于種子最小厚度tmin,即

(13)

由式(13)可得

(14)

已知導(dǎo)種輪半徑rd為100 mm,種子最小厚度tmin為3.82 mm[22],若約束運(yùn)移弧面圓心角αt的取值由30°增大至45°時(shí),代入式(14)中計(jì)算可得,引導(dǎo)投種弧面半徑rt由63.39 mm縮小至19.56 mm,由此可見(jiàn)在不同的約束運(yùn)移弧面圓心角αt取值下,引導(dǎo)投種弧面半徑rt的取值范圍不同,兩者呈負(fù)相關(guān)。因此,為提高導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)對(duì)玉米種子個(gè)體結(jié)構(gòu)差異的適應(yīng)性,確定引導(dǎo)投種弧面半徑rt最優(yōu)值,應(yīng)根據(jù)約束運(yùn)移弧面圓心角αt的取值開(kāi)展試驗(yàn)優(yōu)化。

4 性能優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與測(cè)試裝置

試驗(yàn)所用排種器為增設(shè)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的玉米姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器,其主要零部件加工材料選用鋁合金6061,通過(guò)CNC三軸數(shù)控加工中心制造,精度為±0.01 mm;試驗(yàn)用種為未經(jīng)過(guò)清選與分級(jí)的鄭單958玉米種子,千粒質(zhì)量290.2 g,含水率10.36%;采用自主搭建試驗(yàn)臺(tái)架配合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)展排種器性能優(yōu)化試驗(yàn)。其中,排種器試驗(yàn)臺(tái)架由驅(qū)動(dòng)電機(jī)(轉(zhuǎn)速:0～90 r/min)、傳動(dòng)裝置(鏈輪、鏈條、傳動(dòng)軸)、導(dǎo)種管與輸送帶(帶速:0～14 km/h,表面粘貼雙面膠帶用于固定落種)構(gòu)成;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由高速攝像機(jī)(i-SPEED-3型,日本Olympus公司)、運(yùn)動(dòng)追蹤軟件(Tracker)、坐標(biāo)面板和高光燈組成,如圖10所示。

圖10 試驗(yàn)臺(tái)架Fig.10 Test bench1.高光燈 2.輸送帶 3.高速攝像機(jī) 4.影像控制器 5.投種檢測(cè)區(qū) 6.落種檢測(cè)區(qū) 7.導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)結(jié)合理論分析與前期預(yù)試驗(yàn),根據(jù)均分試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,分別在約束運(yùn)移弧面圓心角αt取值為30°、35°、40°與45°條件下開(kāi)展單因素試驗(yàn),同時(shí)利用高速攝影與運(yùn)動(dòng)分析技術(shù)探究約束運(yùn)移弧面圓心角αt對(duì)投種點(diǎn)位空間分布范圍的影響規(guī)律,并確定約束運(yùn)移弧面圓心角αt的最優(yōu)值。

(2)在試驗(yàn)(1)的基礎(chǔ)上,對(duì)影響排種器高速工況下排種性能的關(guān)鍵因素引導(dǎo)投種弧面半徑rt與機(jī)具作業(yè)速度開(kāi)展雙因素試驗(yàn)[23-25]。機(jī)具作業(yè)速度X1設(shè)定4個(gè)水平:8、10、12、14 km/h,引導(dǎo)投種弧面半徑X2設(shè)定4個(gè)水平:10、20、30、40 mm,探究各因素對(duì)排種器高速工況下排種性能的影響規(guī)律,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析,建立回歸方程,獲取導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合。

(3)基于試驗(yàn)(1)、(2),對(duì)采用導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器與原排種器進(jìn)行臺(tái)架高速作業(yè)性能對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)定作業(yè)速度分別為8、10、12、14 km/h,在相同作業(yè)速度條件下對(duì)2種排種器的工作性能進(jìn)行測(cè)試與對(duì)比,綜合評(píng)價(jià)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的提升作用。

4.2.2評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)玉米精量播種農(nóng)藝要求設(shè)定試驗(yàn)中播種粒距為25 cm,依據(jù)NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》,運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)粒距合格指數(shù)Y1、粒距重播指數(shù)Y2與合格粒距變異系數(shù)Y3進(jìn)行統(tǒng)計(jì),251粒穩(wěn)定排出種子為一組試驗(yàn),每組試驗(yàn)重復(fù)3次,以各指標(biāo)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.3.1單因素試驗(yàn)

在排種器作業(yè)速度取14 km/h,引導(dǎo)投種弧面半徑取19 mm的條件下,開(kāi)展不同約束運(yùn)移弧面圓心角αt的單因素試驗(yàn)。同時(shí),利用高速攝像機(jī)錄制不同試驗(yàn)因素水平下的投種過(guò)程,將視頻文件導(dǎo)入Tracker軟件,圖像長(zhǎng)度單位設(shè)置為mm,標(biāo)定圖像與實(shí)際尺寸,以投種口中心為坐標(biāo)原點(diǎn)o,建立xoy正平面坐標(biāo)系與zoy側(cè)平面坐標(biāo)系,采集連續(xù)投出100粒種子在投種口處的橫坐標(biāo)值記為投種點(diǎn)位的水平偏量,第i粒種子的正面水平偏量記為xi,側(cè)面水平偏量記為zi,根據(jù)不同試驗(yàn)因素水平下投種點(diǎn)位水平偏量的分布情況,探明試驗(yàn)因素對(duì)投種點(diǎn)位空間分布范圍的影響規(guī)律,如圖11所示。

圖11 投種點(diǎn)位水平偏量測(cè)定Fig.11 Measurement of seed points horizontal deviation

試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,約束運(yùn)移弧面圓心角對(duì)排種粒距合格指數(shù)、粒距重播指數(shù)與粒距變異系數(shù)均具有顯著影響;隨著約束運(yùn)移弧面圓心角取值的增大,排種合格指數(shù)呈先增高后降低的變化趨勢(shì),重播指數(shù)與合格粒距變異系數(shù)與之相反;當(dāng)約束運(yùn)移弧面圓心角為35°時(shí),排種合格指數(shù)達(dá)到最大值91.5%,重播指數(shù)與合格粒距變異系數(shù)均達(dá)到最小值5.1%與16.5%,此時(shí)排種性能較好。

隨著約束運(yùn)移弧面圓心角取值的增大,種子到達(dá)投種口處點(diǎn)位的正面水平偏量的分布范圍呈先縮小后擴(kuò)大的變化趨勢(shì),當(dāng)約束運(yùn)移弧面圓心角為35°時(shí),正面水平偏量的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到最小值4.73 mm(圖12a);側(cè)面水平偏量的分布范圍整體變化較小,與正面水平偏量的分布范圍的變化趨勢(shì)基本一致,其標(biāo)準(zhǔn)差在約束運(yùn)移弧面圓心角為35°時(shí)達(dá)到最小值2.16 mm(圖12b)。通過(guò)研究投種過(guò)程的高速影像發(fā)現(xiàn),當(dāng)約束運(yùn)移弧面圓心角取值較大或較小時(shí),均會(huì)導(dǎo)致投種軌跡正面與側(cè)面的波動(dòng)范圍擴(kuò)大,投種軌跡更加分散,與上文理論分析一致。因此,約束運(yùn)移弧面圓心角不宜過(guò)大或過(guò)小,當(dāng)其取值為35°時(shí),投種點(diǎn)位較為集中,排種粒距均勻性較好。

圖12 投種點(diǎn)位水平偏量分布范圍Fig.12 Distribution of seed points horizontal deviation

4.3.2雙因素試驗(yàn)

基于上述單因素試驗(yàn)結(jié)果,在約束運(yùn)移弧面圓心角為35°的條件下開(kāi)展雙因素試驗(yàn),并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中各因素水平間差異進(jìn)行顯著性分析,如表2所示(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。

表2 雙因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Results of double factors test %

由表2可知,作業(yè)速度與引導(dǎo)投種弧面半徑對(duì)合格指數(shù)的影響均不顯著;當(dāng)作業(yè)速度確定時(shí),合格指數(shù)隨著引導(dǎo)投種弧面半徑的增大呈略微增大后減小的趨勢(shì),當(dāng)其處于20 mm或30 mm時(shí)取得最大值;當(dāng)引導(dǎo)投種弧面半徑確定時(shí),合格指數(shù)隨著作業(yè)速度的提升整體相對(duì)平穩(wěn);說(shuō)明該排種器的合格指數(shù)受作業(yè)速度與引導(dǎo)投種弧面半徑的影響較小。作業(yè)速度對(duì)重播指數(shù)的影響顯著,引導(dǎo)投種弧面半徑對(duì)重播指數(shù)的影響不顯著;當(dāng)作業(yè)速度確定時(shí),重播指數(shù)隨著引導(dǎo)投種弧面半徑的增大呈略微減小后增大的趨勢(shì),在弧面半徑為20 mm或30 mm時(shí)取最小值;當(dāng)引導(dǎo)投種弧面半徑確定時(shí),重播指數(shù)隨作業(yè)速度的上升呈先增大后平穩(wěn)的趨勢(shì),但當(dāng)引導(dǎo)投種弧面半徑取20 mm或30 mm時(shí),重播指數(shù)相對(duì)其它取值時(shí)較低。作業(yè)速度與引導(dǎo)投種弧面半徑對(duì)粒距變異系數(shù)的影響均顯著;當(dāng)作業(yè)速度確定時(shí),變異系數(shù)隨著引導(dǎo)投種弧面半徑的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì),在其為20 mm或30 mm時(shí)達(dá)到最小值;當(dāng)引導(dǎo)投種弧面半徑確定時(shí),變異系數(shù)隨著作業(yè)速度的提升呈現(xiàn)出上升趨勢(shì),但引導(dǎo)投種弧面半徑取20 mm或30 mm時(shí),變異系數(shù)相對(duì)其它取值時(shí)較低。

綜上所述,當(dāng)引導(dǎo)投種弧面半徑在20～30 mm 之間時(shí),排種器的工作性能保持在較優(yōu)水平,更加適宜高速作業(yè)。原因在于玉米種子的尺寸差異大且形狀不規(guī)則,種子投放時(shí)的外形、尺寸及姿態(tài)存在差異性;當(dāng)引導(dǎo)投種弧面半徑過(guò)小時(shí),由于種子約束運(yùn)移階段結(jié)束后具有慣性,不能及時(shí)接觸引導(dǎo)投種弧面,部分種子直接到達(dá)投種點(diǎn)未經(jīng)引導(dǎo)投出;當(dāng)引導(dǎo)投種弧面半徑過(guò)大時(shí),投種點(diǎn)處開(kāi)口間隙較大,部分小尺寸種子到達(dá)投種點(diǎn)前提前投出。上述因素均會(huì)造成投種軌跡分散的現(xiàn)象,影響排種器高速工況下的排種性能。

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)表2中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元線性回歸分析,可得試驗(yàn)因素作業(yè)速度X1、引導(dǎo)投種弧面半徑X2及其交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)粒距合格指數(shù)Y1、粒距重播指數(shù)Y2與粒距變異系數(shù)Y3影響的顯著性,如表3所示。

表3 試驗(yàn)因素對(duì)指標(biāo)影響的顯著性系數(shù)pTab.3 Impact of experimental factors on indicators

由表3可知,排種器作業(yè)速度對(duì)粒距合格指數(shù)的影響不顯著,對(duì)粒距重播指數(shù)與粒距變異系數(shù)的影響均達(dá)到極顯著,引導(dǎo)投種弧面半徑僅對(duì)粒距變異系數(shù)的影響顯著,且試驗(yàn)因素間的交互作用對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)均無(wú)顯著影響。根據(jù)分析結(jié)果可得試驗(yàn)指標(biāo)與因素間的多元回歸方程

(15)

為尋求該排種器在高速工況下的最優(yōu)工作性能,以粒距合格指數(shù)最大、粒距重播指數(shù)與粒距變異系數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)優(yōu)化求解得到排種器在作業(yè)速度為8 km/h、引導(dǎo)投種弧面半徑為24.3 mm時(shí),粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)和變異系數(shù)分別達(dá)到91.1%、4.4%和13.3%。

4.3.3性能對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)

基于上述試驗(yàn)結(jié)果,在引導(dǎo)投種弧面半徑為24.3 mm的條件下,添加排種破損率作為試驗(yàn)指標(biāo),進(jìn)行不同作業(yè)速度8、10、12、14 km/h的排種器性能測(cè)試,并與原排種器(無(wú)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu))的作業(yè)性能對(duì)比,結(jié)果如表4所示。

表4 性能對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of performance comparison verification %

由表4可知,增設(shè)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的玉米姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器,在作業(yè)速度8～14 km/h范圍內(nèi),排種合格指數(shù)均大于等于91.3%,重播指數(shù)均小于等于5.9%,破損率均小于等于0.34%,粒距變異系數(shù)均小于等于16.1%,滿足精量播種技術(shù)要求。其中,當(dāng)作業(yè)速度為8 km/h時(shí),排種合格指數(shù)為91.5%,重播指數(shù)為4.7%,粒距變異系數(shù)為13.6%,與上文試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果幾乎一致。因此,可以確定導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為約束運(yùn)移弧面圓心角取35°,引導(dǎo)投種弧面半徑取24.3 mm。

與原排種器性能對(duì)比分析可知,導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)對(duì)排種器的整體工作性能具有提升作用,其中對(duì)投種效果的提升最為明顯。增設(shè)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的排種器粒距變異系數(shù)較原排種器降低,且隨著作業(yè)速度的提升降低效果更加明顯。當(dāng)作業(yè)速度由8 km/h提升至14 km/h后,變異系數(shù)的降幅由0.1個(gè)百分點(diǎn)上升至2.7個(gè)百分點(diǎn),說(shuō)明采用導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)為導(dǎo)種過(guò)程中種子運(yùn)動(dòng)施加了約束與引導(dǎo)作用,確保了投種點(diǎn)位的一致性,并縮小了由待投種子姿態(tài)、外形及尺寸等因素造成的投種軌跡差異,有效改善了原排種器在高速工況下的投種效果。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)玉米姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器高速工況下投種點(diǎn)位不一致,排種粒距均勻性不佳的問(wèn)題,提出約束種子運(yùn)動(dòng)自由度并引導(dǎo)投種方向的方法,設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu),通過(guò)合理規(guī)劃待投種子的導(dǎo)種軌跡,分析待投種子的運(yùn)動(dòng)與受力情況,確定了導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)及其取值范圍。

(2)單因素試驗(yàn)表明,當(dāng)約束運(yùn)移弧面圓心角取值為35°時(shí),投種點(diǎn)位較為集中,排種粒距均勻性較好;雙因素試驗(yàn)表明,當(dāng)排種器在作業(yè)速度為8 km/h、引導(dǎo)投種弧面半徑為24.3 mm時(shí),排種性能達(dá)到最優(yōu);經(jīng)驗(yàn)證得,最優(yōu)條件下排種粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)和變異系數(shù)分別為91.5%、4.7%和13.6%,與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

(3)性能對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)表明,增設(shè)導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)的姿控驅(qū)導(dǎo)式排種器在作業(yè)速度8～14 km/h范圍內(nèi),排種合格指數(shù)均大于等于91.3%,重播指數(shù)均小于等于5.9%,破損率均小于等于0.34%,粒距變異系數(shù)均小于等于16.1%;且隨著作業(yè)速度上升,導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)對(duì)排種均勻性提升效果更加明顯,當(dāng)作業(yè)速度由8 km/h上升至14 km/h時(shí),較原排種器粒距變異系數(shù)降幅由0.1個(gè)百分點(diǎn)增大至2.7個(gè)百分點(diǎn),采用導(dǎo)向投種機(jī)構(gòu)可有效提升原排種器的高速作業(yè)性能。