陳玉龍 賈洪雷,2 王佳旭 王 奇 趙佳樂,2 胡 斌

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長春 130025； 2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130025；3.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003)

大豆高速精密播種機(jī)凸勺排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳玉龍1賈洪雷1,2王佳旭1王 奇1趙佳樂1,2胡 斌3

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 長春 130025； 2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長春 130025；3.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003)

為滿足大豆高速精密播種作業(yè)要求，設(shè)計(jì)一種凸勺排種器，闡述了其基本結(jié)構(gòu)和工作原理，利用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)其主要部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。利用離散元軟件EDEM進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過單因素試驗(yàn)確定凸勺半徑和凸勺傾角的較優(yōu)取值范圍，并且對(duì)凸勺邊緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)凸勺邊緣為兩側(cè)傾斜時(shí)排種性能較優(yōu)；設(shè)計(jì)二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，運(yùn)用Design-Expert 8.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，建立凸勺半徑、凸勺傾角與合格率和漏播率之間的回歸模型，獲得最優(yōu)參數(shù)組合為凸勺半徑6.8 mm，凸勺傾角-9.4°，凸勺厚度2.2 mm，型孔長度14.1 mm，此時(shí)合格率達(dá)到95.1%，漏播率為0.6%。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，播種機(jī)前進(jìn)速度在6～12 km/h時(shí)，合格率高于93%，漏播率低于3%，滿足播種機(jī)高速精密作業(yè)要求。

大豆排種器； 凸勺； 離散元法

引言

大豆播種機(jī)排種器從原理上主要分為機(jī)械式和氣力式，氣力式排種器結(jié)構(gòu)較機(jī)械式排種器更為復(fù)雜，價(jià)格昂貴，機(jī)械式排種器在國內(nèi)仍然被廣泛使用。高速化和精量化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向，高速播種作業(yè)的工作速度要求達(dá)到10 km/h或更高[1-4]，由于大豆的株距較小，現(xiàn)有的機(jī)械式大豆播種機(jī)很難滿足高速作業(yè)要求[5-7]，因此研制一種滿足高速作業(yè)要求的機(jī)械式大豆排種器具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

研究人員對(duì)機(jī)械式排種器的高速化進(jìn)行了大量研究，王業(yè)成等[8]設(shè)計(jì)摩擦式排種器，通過內(nèi)外摩擦環(huán)增大種群摩擦力，提高排種器極限轉(zhuǎn)速；劉宏新等[3,9]結(jié)合立式圓盤排種器和內(nèi)窩孔式排種器，設(shè)計(jì)了具有復(fù)合充填力的立式淺盆型排種器，提高了排種盤的有效轉(zhuǎn)速；史嵩等[4]設(shè)計(jì)機(jī)械氣力組合式排種器，在內(nèi)窩孔式排種器上利用正壓充種，適應(yīng)高速作業(yè)要求。

離散元法在19世紀(jì)70年代被提出，最初用于分析巖土的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)行為[10-12]，近年來在排種器的研究上得到廣泛應(yīng)用[13]，縮短了設(shè)計(jì)周期，可以觀察排種器內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)過程[14-16]，為排種機(jī)理的研究和排種器的設(shè)計(jì)提供了新方法[17-20]。

本文設(shè)計(jì)一種凸勺排種器，利用離散元軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，確定影響排種性能的主要因素及最優(yōu)參數(shù)組合，并利用臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

凸勺排種器結(jié)構(gòu)如圖1a所示，主要由排種盤、中間隔板、導(dǎo)種輪、排種軸、法蘭和殼體組成，其中排種盤、導(dǎo)種輪和主軸固接在一起，在外力驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)；中間隔板夾在排種盤和導(dǎo)種輪之間，并且固接在殼體上。與傳統(tǒng)的垂直圓盤排種盤不同，該排種器的凸勺作為取種的功能結(jié)構(gòu)，突出在排種盤外側(cè)，在取種時(shí)，種子沿排種盤切向進(jìn)入凸勺。

圖1 凸勺排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Spoon precision seed metering device1.殼體 2.排種盤 3.排種軸 4.隔板 5.法蘭 6.導(dǎo)種輪 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.遞種區(qū) Ⅳ.攜種區(qū) Ⅴ.投種區(qū)

排種器工作過程主要分為充種、清種、遞種、攜種和投種5個(gè)階段，如圖1b所示。工作時(shí)，種子經(jīng)殼體下面的進(jìn)種口限量地進(jìn)入排種器內(nèi)的種子室，機(jī)具行走輪通過鏈、萬向軸或其他傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳至排種軸，排種盤和導(dǎo)種輪跟隨排種軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，排種盤上的凸勺在轉(zhuǎn)過種子群時(shí)，種子在排種盤旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)作用下分種，形成速度不等圓周種子層，在籽粒自身重力、籽粒間碰撞摩擦力及凸勺支持力共同作用下進(jìn)入凸勺內(nèi)，完成充種過程；當(dāng)凸勺攜帶種子離開種子群時(shí)，由于力系方向變化，使懸于勺口多余種子在重力作用下滑落，只留下凸勺內(nèi)的一顆種子，完成清種；凸勺內(nèi)種子繼續(xù)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)來到隔板的遞種口處時(shí)，種子發(fā)生軸向側(cè)充，通過隔板上的遞種口落入與凸勺對(duì)應(yīng)的導(dǎo)種輪上的攜種孔內(nèi)，這一階段為遞種，導(dǎo)種輪與排種盤同步轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)動(dòng)至下方投種口，這一階段為攜種；在投種口處，種子在重力和離心力的作用下，脫離排種器落入種床內(nèi)，完成投種，實(shí)現(xiàn)精量播種作業(yè)。

傳統(tǒng)的型孔式排種器充種方向如圖2a所示，型孔的開口方向沿排種盤徑向，種子充種運(yùn)動(dòng)速度VS1的方向與型孔開口方向一致，沿徑向充種，而型孔的轉(zhuǎn)動(dòng)速度VP1的方向沿排種盤切向，導(dǎo)致排種器的最大轉(zhuǎn)速受種子充種極限速度的限制[21]。本文設(shè)計(jì)的凸勺排種器的凸勺開口方向沿排種盤切向，如圖2b所示，種子充種運(yùn)動(dòng)VS2的方向與型孔開口方向一致，沿切向充種，型孔的轉(zhuǎn)動(dòng)速度VP2的方向同樣沿排種盤切向，充種時(shí)間與排種器轉(zhuǎn)速成反比，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速增大時(shí)，充種時(shí)間減小，高速時(shí)仍能順利充種，充種時(shí)間不會(huì)限制排種器轉(zhuǎn)速，因此凸勺排種器能夠適應(yīng)高速作業(yè)。

圖2 充種方向示意圖Fig.2 Diagrams of filling direction

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 排種盤

排種盤完成排種器工作過程中的取種、清種和部分遞種作業(yè)，是排種器的核心部件，排種盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)排種器的工作性能具有重要影響。

排種盤的結(jié)構(gòu)如圖3所示，凸勺均勻分布在排種盤的邊緣，排種盤上凸勺內(nèi)側(cè)開有型孔，型孔寬度等于凸勺內(nèi)直徑，充種時(shí)，種子進(jìn)入由凸勺和型孔組成的容種空間內(nèi)。

圖3 排種盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of seed plate 1.圓盤 2.凸勺 3.型孔

2.1.1 凸勺結(jié)構(gòu)尺寸

為了順利完成取種，種子必須能夠完全進(jìn)入容種空間內(nèi)，如圖4a所示，凸勺半徑R應(yīng)不小于dmax(最大種子直徑)，凸勺上邊緣到型孔上邊緣距離L2應(yīng)不小于dmax。為了避免重播，當(dāng)種子進(jìn)入容種空間后，必須能夠及時(shí)清除多余種子，只留下1顆，并且保證不會(huì)堵塞凸勺，若凸勺的總厚度L1過大，如圖4b所示，在第1顆種子進(jìn)入容種空間之后，第2顆種子超過一半進(jìn)入凸勺，則出現(xiàn)重播的幾率較大。當(dāng)R=dmax時(shí)，如圖4c所示，L1最小接近于零，型孔長度L3最小接近dmax。若L3過大，在第1顆種子進(jìn)入容種空間后，第2顆種子繼續(xù)進(jìn)入凸勺，造成重播，如圖4d所示，因此必須保證2顆種子不能同時(shí)進(jìn)入型孔，當(dāng)R=0.5dmax，L1=0.5dmax時(shí)，L2和L3達(dá)到最大值。

圖4 凸勺尺寸示意圖Fig.4 Diagrams of spoon dimension

所以，凸勺的尺寸應(yīng)滿足

(1)

2.1.2 凸勺分布

排種盤直徑是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，在維持相同的前進(jìn)速度時(shí)，直徑越小所能分布的型孔越少，排種軸的轉(zhuǎn)速越大；直徑增大，則排種器結(jié)構(gòu)增大、重量增加。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，排種盤直徑采用260 mm。

凸勺數(shù)目、轉(zhuǎn)速與播種機(jī)前進(jìn)速度的關(guān)系為

(2)

式中v——播種機(jī)前進(jìn)速度，km/hz——株距，本文取10 cmn——排種軸轉(zhuǎn)速，r/minm——凸勺數(shù)目

從式(2)可以看出，在保持相同的前進(jìn)速度和株距的情況下，凸勺數(shù)目與排種軸轉(zhuǎn)速成反比。在排種盤直徑一定時(shí)，排種盤上分布的凸勺數(shù)目越大，排種軸轉(zhuǎn)速越小，有利于充種。若凸勺數(shù)目過多，將會(huì)使相鄰?fù)股自诔浞N時(shí)產(chǎn)生干涉，影響充種效果，因此必須確定順利充種前提下凸勺的最小間距和最大數(shù)目。

圖5 凸勺分布距離示意圖Fig.5 Diagram of spoon distribution distance

l≥S+0.5dmax

(3)

(4)

(5)

式中l(wèi)——凸勺間距v0——排種盤線速度ω——排種盤角速度D——排種盤直徑

整理可得

(6)

從式(6)可以看出，型孔數(shù)目與排種盤直徑成正比，與排種軸轉(zhuǎn)速和種子粒徑成反比。

當(dāng)凸勺外壁與相鄰型孔緊挨時(shí)，凸勺間距最小，凸勺數(shù)目最多，此時(shí)

(7)

(8)

整理得

(9)

v0t≤l

(10)

將式(4)代入式(10)得

(11)

在排種盤直徑為260 mm，最大種子直徑為8 mm時(shí)，由式(11)計(jì)算得轉(zhuǎn)速最大為53.3 r/min。在凸勺半徑為4、5、6、7、8 mm時(shí)，由式(9)計(jì)算得凸勺數(shù)目分別為44、42、41、41、41個(gè)，在播種機(jī)前進(jìn)速度為10 km/h時(shí)，轉(zhuǎn)速分別為37.9、39.7、40.7、40.7、40.7 r/min，小于53.3 r/min，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3 凸勺傾角

當(dāng)凸勺傾角發(fā)生變化時(shí)，對(duì)排種盤的取種及清種效果產(chǎn)生影響，規(guī)定凸勺中心線平行于排種盤切向時(shí)為0°，凸勺偏向排種盤中心時(shí)為正角度。當(dāng)凸勺傾角為正時(shí)，如圖6a所示，凸勺的清種效果優(yōu)于0°，清種起始角降低，但是充種時(shí)由于存在正偏角，將不利于充種。當(dāng)凸勺傾角為負(fù)時(shí)，如圖6b所示，凸勺的充種效果優(yōu)于0°，但是不利于清種，將增大清種起始角，具體的凸勺傾角需要通過試驗(yàn)獲得。

圖6 凸勺傾角示意圖Fig.6 Diagrams of spoon inclination angle

2.2 隔板

凸勺內(nèi)的種子通過隔板上的遞種口進(jìn)入導(dǎo)種輪，遞種口的起始角決定了種子側(cè)充的起始角，遞種口的跨度決定能否順利清種。為避免種子在種群中提前側(cè)充形成重播，遞種口應(yīng)位于種群外，同時(shí)遞種口起始角不宜過大，避免種子在側(cè)充完成前進(jìn)入清種區(qū)造成漏播。前期通過高速攝像進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在10 km/h時(shí)種群傾角約為27°，如圖7所示，傾角隨著速度增加出現(xiàn)小幅增大。種群跨度約為130°，如圖8所示，種群上邊緣約為3°，因此遞種口的起始角設(shè)為5°，終止角設(shè)為90°，遞種口跨度85°，保證種子有足夠的時(shí)間完成側(cè)充。

圖7 種群傾角Fig.7 Inclination angle of seed group

圖8 隔板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of baffle plate

3 試驗(yàn)材料與方法

3.1 離散元仿真參數(shù)與模型構(gòu)建

利用離散元仿真軟件EDEM對(duì)排種器工作過程進(jìn)行仿真，接觸模型采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型，全局變量參數(shù)設(shè)置如表1所示[20]。

在Solidworks中對(duì)排種器進(jìn)行數(shù)字化建模，并簡化排種器模型，如圖9所示，將文件另存為.x_t格式，導(dǎo)入到EDEM中。

顆粒設(shè)為直徑8 mm的圓球，仿真時(shí)間步長設(shè)置為1.32×10-5s，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為2倍最小單元7.51 mm，仿真過程如圖10所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Parameters used in simulation

圖9 仿真簡化模型示意圖Fig.9 Schematic of simplified simulation model1.殼體 2.排種盤 3.隔板 4.導(dǎo)種輪 5.投種口

圖10 排種器仿真過程Fig.10 Schematic of seed metering device in simulation

3.2 臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)在吉林大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室的JPS-12排種器性能測(cè)試系統(tǒng)上進(jìn)行，用于驗(yàn)證離散元仿真結(jié)果。測(cè)試系統(tǒng)由排種器、傳送帶、高速攝像機(jī)、噴油裝置、計(jì)算機(jī)、電控系統(tǒng)和2個(gè)調(diào)頻電動(dòng)機(jī)組成。排種器由電動(dòng)機(jī)1通過鏈輪帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送帶由電動(dòng)機(jī)2帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)，噴油裝置將油噴在傳送帶上形成油帶，排種器投出的種子落在傳送帶上，種子發(fā)生的位移較小，最大程度反映了排種器的排種性能。試驗(yàn)時(shí)，排種器固定而傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，傳送帶的向后運(yùn)動(dòng)代替排種器的向前運(yùn)動(dòng)。

試驗(yàn)時(shí)首先啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)2，傳送帶運(yùn)動(dòng)，接著啟動(dòng)噴油裝置，然后啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)1，待排種器運(yùn)轉(zhuǎn)1 min后停止，測(cè)量油帶上種子分布，由于傳送帶長度有限，需重復(fù)上述步驟進(jìn)行多次測(cè)量，共統(tǒng)計(jì)250顆種子，重復(fù)測(cè)量5次，取平均值。

表2 大豆物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of soybean

3.3 試驗(yàn)因素與指標(biāo)

根據(jù)上述分析可知，凸勺半徑和傾角是排種盤的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，因此選取凸勺的半徑和傾角作為試驗(yàn)因素。由式(1)計(jì)算凸勺及型孔的尺寸，如表3所示，傾角初選-20°、-10°、0°、10°、20°，進(jìn)行單因素試驗(yàn)，確定較優(yōu)取值范圍，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。為滿足高速作業(yè)要求，試驗(yàn)均在前進(jìn)速度為10 km/h時(shí)進(jìn)行。

表3 凸勺及型孔尺寸Tab.3 Sizes of spoon and hole

GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，推薦采用合格率、重播率和漏播率作為排種器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，而合格率、重播率與漏播率之和為100%，知道兩項(xiàng)即可得出第3項(xiàng)，因此選取合格率與漏播率為試驗(yàn)指標(biāo)。合格率與漏播率的確定需要通過對(duì)粒距的測(cè)量，而仿真試驗(yàn)中不易測(cè)定粒距，因此通過統(tǒng)計(jì)仿真試驗(yàn)中投種口投出的種子確定合格率與漏播率，當(dāng)投出1顆種子時(shí)記為合格，沒有種子投出時(shí)記為漏播，同時(shí)投出2顆或更多時(shí)記為重播。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 凸勺半徑仿真試驗(yàn)

以凸勺半徑為因素進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，此時(shí)凸勺傾角設(shè)定為0°，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖12 凸勺邊緣形狀對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響曲線Fig.12 Effect curves of edge shapes on experimental index

凸勺半徑/mm型孔數(shù)目轉(zhuǎn)速/(r·min-1)合格率/%漏播率/%44437.980.9±0.9c16.6±0.5a54239.786.1±1.0b9.6±0.6b64140.790.7±1.1a5.8±0.3c74140.788.9±1.1ab5.1±0.2c84140.785.4±0.9b4.6±0.2c

注：同一列中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

由表4可知，凸勺半徑對(duì)合格率和漏播率影響顯著，合格率隨著凸勺半徑的增加先增大后減小，漏播率隨凸勺半徑的增大而減小，并且減小趨勢(shì)逐漸減弱。當(dāng)凸勺半徑增大時(shí)，取種的有效面積增大，成功取種幾率增大，因此漏播率減小，在凸勺半徑從4 mm增大到6 mm時(shí)，合格率逐漸升高，當(dāng)凸勺半徑大于6 mm時(shí)，取多粒種子的情況增多，導(dǎo)致合格率降低。

表4中的試驗(yàn)結(jié)果并不理想，在凸勺半徑為6 mm時(shí)，合格率最高為90.7%；漏播率隨著凸勺半徑的增加而降低，在凸勺半徑為8 mm時(shí)漏播率最低(4.6%)。

觀察仿真過程發(fā)現(xiàn)，部分種子在離開種群時(shí)處于凸勺邊緣的平面上，未能進(jìn)入凸勺，在清種時(shí)落入種群，造成漏播，因此對(duì)凸勺邊緣進(jìn)行優(yōu)化，將凸勺邊緣由無傾斜改為向外傾斜、向內(nèi)傾斜和兩側(cè)傾斜，如圖11所示。在凸勺半徑為6 mm時(shí)進(jìn)行仿真試驗(yàn)，前進(jìn)速度分別取6、8、10、12 km/h，對(duì)應(yīng)的排種軸轉(zhuǎn)速分別為24.4、32.6、40.7、48.8 r/min，結(jié)果如圖12所示。從圖12a中可以看出，4種不同的凸勺邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的合格率均隨著前進(jìn)速度的增加先提高后下降，在8～10 km/h內(nèi)合格率較高，凸勺邊緣兩側(cè)傾斜時(shí)，合格率高于其他組；從圖12b中可以看出，4種凸勺邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的漏播率均隨著前進(jìn)速度的增加而增大，凸勺邊緣不傾斜與向外傾斜時(shí)漏播率接近，凸勺邊緣向內(nèi)傾斜與兩側(cè)傾斜時(shí)漏播率接近且明顯小于其他兩組。

圖11 凸勺邊緣形狀示意圖Fig.11 Schematic of spoon edge shapes

當(dāng)凸勺邊緣向內(nèi)傾斜時(shí)，增加了種子進(jìn)入凸勺內(nèi)的機(jī)會(huì)，降低了漏播率，同時(shí)提高了重播率，當(dāng)凸勺傾角向外傾斜時(shí)，增大了種子落回種群的機(jī)會(huì)，降低了重播率，但增大了漏播率，綜合考慮合格率與漏播率，凸勺邊緣兩側(cè)傾斜時(shí)排種性能最佳，因此凸勺邊緣設(shè)為兩側(cè)傾斜進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

在凸勺邊緣兩側(cè)傾斜時(shí)，重復(fù)凸勺半徑單因素仿真試驗(yàn)，并與表4中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖13所示，在凸勺半徑4～8 mm范圍內(nèi)，凸勺邊緣為兩側(cè)傾斜的合格率均大于優(yōu)化前，漏播率均小于優(yōu)化前，凸勺邊緣的優(yōu)化對(duì)排種器性能有顯著提高。

圖13 不同凸勺半徑下凸勺邊緣形狀對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響曲線Fig.13 Effect curves of edge shapes on experimental index at different spoon radii

對(duì)圖13中的凸勺邊緣為兩側(cè)傾斜時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸建模，得

(12)

(13)

式中Y1——合格率，%Y2——漏播率，%X1——凸勺半徑，mm

合格率Y1隨著凸勺半徑的增加先提高后降低，在6.4 mm附近達(dá)到最大值92.4%。利用回歸方程(12)求出合格率大于90%時(shí)的凸勺半徑的取值范圍為5.1～7.7 mm。

漏播率Y2隨著凸勺半徑的增加而逐漸降低，利用回歸方程(13)求出漏播率小于5%時(shí)的凸勺半徑，大于5.0 mm。

4.2 凸勺傾角仿真試驗(yàn)

以凸勺傾角為因素進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)，設(shè)定凸勺半徑R為6 mm，型孔長度L3為14 mm，凸勺厚度取3 mm，試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖14 凸勺傾角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響曲線Fig.14 Effect curves of hole inclination angle on experimental index

合格率隨著凸勺傾角的增加先增大后減小，在-10°附近達(dá)到最大(94.2%)。漏播率隨著凸勺傾角的增加先減小后增大，在-10°附近達(dá)到最小值(1.6%)。當(dāng)凸勺傾角為負(fù)角度時(shí)，凸勺進(jìn)入種群的角度與種群的貼合度較好，利于提高凸勺在進(jìn)入種群的瞬間取種的成功率，但是當(dāng)凸勺離開種群時(shí)，不利于清種，會(huì)增大重播的幾率；當(dāng)凸勺為正角度時(shí)，凸勺清種的效果較好，減少重播現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)造成漏播率的增大。

對(duì)圖14中的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸建模，得

(14)

(15)

式中X2——凸勺傾角，(°)

通過回歸方程(14)求出合格率大于93%時(shí)的凸勺傾角的取值范圍為-18.1°～4.8°，在凸勺傾角為-6.6°時(shí)合格率最大，為93.6%。通過回歸方程(15)求出漏播率小于3%時(shí)，凸勺傾角的取值范圍為-22.0°～7.9°，在凸勺傾角為-7.1°時(shí)漏播率最小，為1.8%。

4.3 二次正交旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

以凸勺半徑和凸勺傾角為因素，采用二因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)[22-23]，依據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，凸勺半徑取值上下限分別為5.1、7.7 mm，凸勺傾角的取值上下限分別為-18.1°、4.8°，各因素水平編碼如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素編碼Tab.5 Experiment factors codes

對(duì)表6中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，獲得回歸模型為

8.39X1+0.13X2+69.53

(16)

0.03X1X2-10.69X1-0.15X2+39.68

(17)

對(duì)上述二次回歸模型進(jìn)行方差分析和回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果如表7所示。

表6 回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)安排與結(jié)果Tab.6 Results of quadratic regression orthogonal rotating experiment

表7 回歸方程方差分析Tab.7 Variance analysis of regression equation

通過Design-Expert 8.0軟件得到凸勺半徑與凸勺傾角對(duì)合格率和漏播率影響的響應(yīng)曲面圖，如圖15所示，隨著凸勺半徑的增大和凸勺傾角的增加，合格率呈先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)凸勺傾角固定時(shí)，隨著凸勺半徑的增大，凸勺取種能力增強(qiáng)，在開始階段合格率升高，但隨著凸勺半徑的繼續(xù)增加，重播現(xiàn)象開始增加，導(dǎo)致合格率下降，在凸勺半徑增大的整個(gè)過程中漏播率持續(xù)降低；當(dāng)凸勺半徑固定時(shí)，隨著凸勺傾角增大，凸勺的取種能力逐漸降低，清種能力逐漸增強(qiáng)，重播率減小，漏播率增加，合格率呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。

利用Design-Expert 8.0軟件，以合格率最大、漏播率最小為條件進(jìn)行尋優(yōu)處理，得到X1最優(yōu)值為6.8 mm，X2最優(yōu)值為-9.4°，即當(dāng)凸勺半徑取6.8 mm，凸勺傾角取-9.4°時(shí)，此時(shí)合格率為95.1%，漏播率為0.6%。通過計(jì)算，此時(shí)凸勺厚度為2.2 mm，型孔長度為14.1 mm。

圖15 響應(yīng)曲面圖Fig.15 Response surface plots

4.4 臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)

根據(jù)仿真試驗(yàn)獲得的最優(yōu)參數(shù)組合設(shè)計(jì)加工物理樣機(jī)(圖16)，進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，考核在前進(jìn)速度分別為6、8、10、12、14 km/h時(shí)排種器的排種性能穩(wěn)定性，結(jié)果如圖17所示。

物理樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)整體趨勢(shì)一致。在前進(jìn)速度10 km/h時(shí)，仿真試驗(yàn)合格率95.0%，漏播率1.2%，物理樣機(jī)試驗(yàn)合格率94.2%，漏播率1.5%，與通過回歸模型得到的數(shù)據(jù)接近。

圖16 臺(tái)架試驗(yàn)Fig.16 Platform experiment

圖17 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Resutls of verification experiment

在播種機(jī)前進(jìn)速度低于12 km/h時(shí)，合格率與漏播率的波動(dòng)較小，臺(tái)架試驗(yàn)的合格率略低于仿真試驗(yàn)，漏播率略高于仿真試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)的合格率高于93%，漏播率低于3%。當(dāng)前進(jìn)速度大于12 km/h時(shí)，合格率與漏播率均出現(xiàn)劇烈波動(dòng)，合格率大幅降低，漏播率大幅升高，并且臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)的結(jié)果差異變大，當(dāng)速度達(dá)到14 km/h時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)的合格率低于80%，漏播率大于18%，觀察試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)，在速度為14 km/h時(shí)種群內(nèi)的種子運(yùn)動(dòng)非常劇烈，種群的離散程度加大，不利于種子的充填。

5 結(jié)論

(1)從理論上對(duì)排種盤和隔板進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)，排種盤直徑為260 mm，凸勺半徑取4、5、6、7、8 mm時(shí)，凸勺數(shù)分別為44、42、41、41、41個(gè)，隔板上遞種口起始角為5°、終止角為90°，滿足充種要求，分析表明排種器的排種性能與凸勺半徑、傾角等因素有關(guān)。

(2)離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：凸勺邊緣向兩側(cè)同時(shí)傾斜時(shí)排種性能最優(yōu)，凸勺半徑和凸勺傾角對(duì)排種性能有顯著影響，且存在交互作用；合格率隨著凸勺半徑的增加先增大后減小，隨著凸勺傾角的增加先增大后減小，漏播率隨著凸勺半徑的增大而減小，隨著凸勺傾角的增大先增加后減?。煌ㄟ^回歸模型求得排種盤最佳設(shè)計(jì)參數(shù)為凸勺半徑6.8 mm，凸勺傾角-9.4°，凸勺厚度2.2 mm，型孔長度14.1 mm，對(duì)應(yīng)的合格率為95.1%，漏播率為0.6%。

(3)物理樣機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)表明，仿真試驗(yàn)結(jié)果與物理試驗(yàn)基本一致，當(dāng)前進(jìn)速度為6～12 km/h時(shí)，排種器合格率高于93%，漏播率低于3%，滿足播種機(jī)高速精密作業(yè)要求。

1 尚強(qiáng)民. 如何看待中國糧食進(jìn)口量超億噸[J]. 中國糧食經(jīng)濟(jì), 2015(3): 32-35.

2 姚巧倩, 曹寶明. 中國大豆進(jìn)出口量與大豆價(jià)格關(guān)系的分析[J]. 滁州學(xué)院學(xué)報(bào), 2015，17(1): 32-35. YAO Qiaoqian, CAO Baoming. Research on the price of soybean affected by its volumes of China’s export and import[J]. Journal of Chuzhou University,2015,17(1):32-35. (in Chinese)

3 劉宏新, 徐曉萌, 郭麗峰，等. 具有復(fù)合充填力的立式淺盆型排種器充種機(jī)理[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014,30(21): 9-16. LIU Hongxin, XU Xiaomeng, GUO Lifeng，et al. Research on seed-filling mechanism of vertical shallow basin type seed-metering device with composite filling force [J].Transactions of the CSAE, 2014,30(21):9-16.(in Chinese)

4 史嵩, 張東興, 楊麗，等. 氣壓組合孔式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014,30(5):10-18. SHI Song, ZHANG Dongxing, YANG Li，et al. Design and experiment of pneumatic maize precision seed-metering device with combined holes [J].Transactions of the CSAE, 2014,30(5):10-18.(in Chinese)

5 PARISH R L, MCCOY J E, BRACY R P. Belt-type seeder for soybeans[J]. Applied Engineering in Agriculture, 1999,15 (2): 103-106.

6 賈洪雷, 趙佳樂, 郭明卓，等. 雙凹面搖桿式排種器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2015,46(1): 60-65.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20150109&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.01.009. JIA Honglei, ZHAO Jiale, GUO Mingzhuo，et al. Design and performance experiment on double-concave surface rocker type seed metering device [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(1): 60-65.(in Chinese)

7 JIA H L, ZHAO J L, JIANG X M，et al. Design and optimization of a double-concave rocker seedmeter for precision seeding[J]. Ama-Agricultural Mechanization in Asia Africa and Latin America, 2015,46(2): 29-34.

8 王業(yè)成, 邱立春, 張文嬌，等. 摩擦型立式圓盤精密排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2012,28(1): 22-26. WANG Yecheng, QIU Lichun, ZHANG Wenjiao，et al. Design and experiment of friction vertical plate precision seed-metering device [J].Transactions of the CSAE, 2012,28(1):22-26.(in Chinese)

9 劉宏新, 王福林. 立式圓盤排種器工作過程的高速影像分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2008,39(4):60-64. LIU Hongxin, WANG Fulin. Study on high-speed image of working principle of vertical plate seed-metering device [J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008,39(4):60-64.(in Chinese)

10 CUNDALL P A, STRACK O D. A discrete numerical model for granular assemblies[J]. Géotechnique, 1979,29 (1): 47-65.

11 CUNDALL P A. Formulation of a three-dimensional distinct element model—Part I. A scheme to detect and represent contacts in a system composed of many polyhedral blocks[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1988,25(3): 107-116.

12 MOLLON G, RICHEFEU V, VILLARD P，et al. Discrete modelling of rock avalanches: sensitivity to block and slope geometries[J]. Granular Matter, 2015,17(5): 645-666.

13 馬征, 李耀明, 徐立章. 農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域顆粒運(yùn)動(dòng)研究綜述[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2013,44(2):22-29.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20130205&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2013.02.005. MA Zheng, LI Yaoming, XU Lizhang. Summarize of particle movements research in agricultural engineering realm [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013,44(2):22-29.(in Chinese)

14 ZHOU H B, CHEN Y, SADEK M A. Modelling of soil-seed contact using the Discrete Element Method (DEM)[J]. Biosystems Engineering, 2014,121: 56-66.

15 ZHAO Z, WU Y F, YIN J J，et al. Monitoring method of rice seeds mass in vibrating tray for vacuum-panel precision seeder[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2015,114: 25-31.

16 KHATCHATOURIAN O A, BINELO M O, LIMA R F. Simulation of soya bean flow in mixed-flow dryers using DEM[J]. Biosystems Engineering, 2014,123: 68-76.

17 LI Z Q, YU J Q, FENG Z R，et al. Simulation and performance analysis of a soybean seed metering device using discrete element method[J]. Sensor Letters, 2013,11(6-7): 1217-1222.

18 石林榕, 吳建民, 孫偉，等. 基于離散單元法的水平圓盤式精量排種器排種仿真試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2014,30(8):40-48. SHI Linrong, WU Jianmin, SUN Wei，et al. Simulation test for metering process of horizontal disc precision metering device based on discrete element method [J].Transactions of the CSAE, 2014,30(8):40-48.(in Chinese)

19 胡建平, 周春健, 侯沖，等. 磁吸板式排種器充種性能離散元仿真[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014,45(2):94-98.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20140216&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2014.02.016. HU Jianping, ZHOU Chunjian, HOU Chong，et al. Simulation analysis of seed-filling performance of magnetic plate seed-metering device by discrete element method [J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014,45(2):94-98.(in Chinese)

20 LIU H X, GUO L F, FU L L，et al. Study on multi-size seed-metering device for vertical plate soybean precision planter[J]. International Journal of Agricultural & Biological Engineering, 2015,8(1): 1-8.

21 張澤平, 馬成林, 左春檉. 精密排種器及排種理論研究進(jìn)展[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1995,25(4):112-117.

22 GAO G H, FENG T X, YANG H，et al. Development and optimization of end-effector for extracton of potted anthurium seedings during transplanting[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2016,32(1): 37-46.

23 YAZGI A, DEGIRMENCIOGLU A. Optimisation of the seed spacing uniformity performance of a vacuum-type precision seeder using response surface methodology[J]. Biosystems Engineering, 2007,97(3): 347-356.

Design and Experiment of Scoop Metering Device for Soybean High-speed and Precision Seeder

CHEN Yulong1JIA Honglei1,2WANG Jiaxu1WANG Qi1ZHAO Jiale1,2HU Bin3

(1.CollegeofBiologicalandAgriculturalEngineering,JilinUniversity,Changchun130025,China2.KeyLaboratoryofBionicEngineering,MinistryofEducation,JilinUniversity,Changchun130025,China3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,ShiheziUniversity,Shihezi832003,China)

In order to meet the requirement of high-speed and precision sowing operation of soybean, a spoon seed metering device was proposed, and its basic structure and working principle were analyzed. The numerical calculation method was used to design the plate and partition of the seed metering device. The diameter of the plate was designed as 260 mm, the number and radius of spoon were inversely proportional, and the angle of the mouth on the partition was from 5° to 90°. The optimal ranges of the radius and the inclination angle of the scoop were determined by single factor tests, which were obtained through simulation experiment by EDEM. The structure of the scoop edge was optimized through simulation experiment, and the optimal seeding performance was obtained when the scoop edge was inclined to both sides. The quadratic orthogonal rotation combination test was designed and the experimental data was processed by the Design-Expert 8.0 software. The regression model was established for the radius and inclination angle of the spoon about the qualified index and missing index. The optimal parameters of the scoop were radius of 6.8 mm, inclination angle of -9.4°, thickness of 2.2 mm and length of 14.1 mm, with the qualified index of 95.1% and the missing index of 0.6%. The physical prototype was processed according to the optimal parameters and the bench test was carried out with results in accordance with simulation tests. The qualified index of the seeder was above 93% and the missing index was less than 3% when the speed of the planter was in the range of 6 km/h to 12 km/h, which satisfied the requirement of high-speed and precision sowing.

soybean seed metering device; scoop; discrete element method

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.010

2016-12-05

2017-02-21

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B03)和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51665050)

陳玉龍(1991—)，男，博士生，主要從事保護(hù)性耕作及其智能裝備研究，E-mail： 17743125073@163.com

賈洪雷(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作及其智能裝備研究，E-mail： jiahl@vip.163.com

S233.2+3

A

1000-1298(2017)08-0095-10