呂金慶 王鵬榕 楊曉涵 李紫輝 李季成 衣淑娟

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319)

0 引言

馬鈴薯機(jī)械化播種是馬鈴薯全程機(jī)械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)馬鈴薯高產(chǎn)的必經(jīng)之路。目前我國(guó)北方一季作區(qū)主要采用舀勺式馬鈴薯播種機(jī)進(jìn)行播種作業(yè)，但由于清種裝置工作效果不佳，易出現(xiàn)勺內(nèi)多種和勺間夾種等問(wèn)題，導(dǎo)致機(jī)具播種作業(yè)質(zhì)量偏低，所以設(shè)計(jì)并優(yōu)化清種裝置具有重要意義[1-3]。

清種過(guò)程是指種勺在離開(kāi)喂薯區(qū)后，勺內(nèi)可能有一顆以上的種薯，勺間可能夾帶種薯，此時(shí)需要將多余種薯清理掉，使之落回種箱。德國(guó)GRIMME公司生產(chǎn)的馬鈴薯播種機(jī)排種器清種裝置采用機(jī)械式振動(dòng)清種，振動(dòng)形式為通過(guò)桿條調(diào)節(jié)四邊形不規(guī)則凸輪的間歇性振動(dòng)，工作時(shí)易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，其振動(dòng)頻率不均，振動(dòng)效果較差，作業(yè)狀態(tài)不穩(wěn)定；國(guó)內(nèi)部分馬鈴薯播種機(jī)采用的振動(dòng)清種裝置為輸送帶帶動(dòng)偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，常因工作時(shí)間長(zhǎng)、摩擦過(guò)熱，導(dǎo)致出現(xiàn)輸送帶斷裂等現(xiàn)象[4-7]；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)楊紅光等研究的2CM-4型馬鈴薯播種機(jī)，可一次性實(shí)現(xiàn)開(kāi)溝、施肥、播種、起壟和覆膜等多項(xiàng)工序，其單鏈排種器上安裝有振動(dòng)清種裝置，可有效清除勺內(nèi)多余種薯[8]。

為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種清種裝置，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)偏心軸套及偏心輪轉(zhuǎn)動(dòng)，外部的振動(dòng)輪隨著輸送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，有效防止因振動(dòng)輪與輸送帶內(nèi)側(cè)表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦而導(dǎo)致輸送帶斷裂等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)振動(dòng)清種和清夾帶種過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析，以及彈性引導(dǎo)式清種鼻的彈起曲線分析，采用對(duì)比試驗(yàn)和二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)的方法，分析各因素對(duì)清種效果產(chǎn)生的影響，通過(guò)田間試驗(yàn)得到清種裝置最佳參數(shù)組合，在降低種薯幼芽損傷率的同時(shí)，提升清種效率。

1 總體結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電動(dòng)式振動(dòng)清種裝置、彈性引導(dǎo)式清種鼻、輸送帶及輸送帶驅(qū)動(dòng)輪、種箱等組成。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagrams of seeder meter1.種箱 2.輸送帶 3.電動(dòng)式振動(dòng)清種裝置 4.彈性引導(dǎo)式清種鼻 5.輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪

1.2 工作原理

輸送帶在喂薯區(qū)一側(cè)向上運(yùn)動(dòng)，種勺依次舀取一或兩顆薯塊，勺間會(huì)隨機(jī)夾帶不同數(shù)目的薯塊，當(dāng)輸送帶繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)到清種區(qū)時(shí)，在直流電機(jī)的作用下，振動(dòng)清種裝置內(nèi)的偏心輪旋轉(zhuǎn)，輸送帶與振動(dòng)凸輪產(chǎn)生均勻振動(dòng)，并傳遞給安裝于輸送帶外側(cè)的種勺，使勺內(nèi)種薯進(jìn)行簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，當(dāng)勺內(nèi)含有兩個(gè)或兩個(gè)以上的種薯時(shí)，最上方種薯與輸送帶間的正壓力逐漸減小為零，進(jìn)而翻轉(zhuǎn)，落回種箱，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)清種功能，而勺間夾帶的種薯隨著輸送帶運(yùn)動(dòng)至清種鼻鼻尖處與其碰撞，清種鼻做緩沖回彈運(yùn)動(dòng)，在減緩對(duì)種薯沖擊力的同時(shí)，使種薯回落種箱完成清種作業(yè)，勺內(nèi)種薯運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)越過(guò)主驅(qū)動(dòng)輪后，在重力作用下落于前一個(gè)種勺的背上，并繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)至投種點(diǎn)，種薯失去支持力，落于種溝底部，完成一次清種后的排種作業(yè)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 電動(dòng)式振動(dòng)清種裝置

電動(dòng)式振動(dòng)清種裝置實(shí)物如圖2所示，主要由微調(diào)機(jī)構(gòu)和振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由電機(jī)支架組合、振動(dòng)調(diào)節(jié)板以及調(diào)節(jié)手輪等組成，結(jié)構(gòu)如圖3所示。電機(jī)支架組合由特制電機(jī)固定裝置、橫筋板以及縱筋板等組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，振動(dòng)調(diào)節(jié)板和調(diào)節(jié)手輪組合具有易安裝、振幅調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)，振動(dòng)調(diào)節(jié)板固聯(lián)在方管上，調(diào)節(jié)板上開(kāi)有65 mm的長(zhǎng)孔，可均勻調(diào)節(jié)偏心輪機(jī)構(gòu)與輸送帶間距離來(lái)改變振幅，有效提高清種效率。

圖2 電動(dòng)式振動(dòng)清種裝置Fig.2 Electric vibration cleaning device

振源采用直流電機(jī)帶動(dòng)偏心輪旋轉(zhuǎn)，具有頻率穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，且拖拉機(jī)均有直流電輸出功能，實(shí)際作業(yè)時(shí)安裝調(diào)試相對(duì)簡(jiǎn)單[9-14]。設(shè)計(jì)的微調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4所示，工作時(shí)可通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)振動(dòng)清種裝置，使其將輸送帶頂起實(shí)現(xiàn)均勻調(diào)整振動(dòng)頻率和振幅的目的，實(shí)物如圖5所示。微調(diào)機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、偏心軸套和振動(dòng)輪等組成。直流電機(jī)與偏心輪同軸安裝，偏心輪安裝在特制的偏心軸套中，可固定偏心距。

圖3 振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of amplitude adjustment mechanism1.直流電機(jī) 2.偏心輪 3.電機(jī)支架組合 4.振動(dòng)調(diào)節(jié)板 5.調(diào)節(jié)手輪

圖4 微調(diào)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.4 Structure diagrams of fine tuning mechanism1.偏心軸套 2.振動(dòng)輪 3.直流電機(jī)

圖5 微調(diào)機(jī)構(gòu)Fig.5 Fine tuning mechanism

2.2 電動(dòng)式振動(dòng)清種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

種薯運(yùn)動(dòng)至偏心輪上方，在偏心輪的作用下，位于勺內(nèi)上方多余的種薯受到輸送帶對(duì)其的彈力使其回落至種箱，上方種薯處于平衡位置時(shí)其受力方向如圖6所示。

圖6 振動(dòng)清種運(yùn)動(dòng)分析Fig.6 Kinematic analysis of vibration seed-clearing

勺內(nèi)種薯受力為

(1)

式中N1——輸送帶對(duì)種薯支持力，N

G——種薯重力，N

Fn——輸送帶對(duì)種薯摩擦力，N

Fs——下方種薯對(duì)上方種薯摩擦力，N

N——下方種薯對(duì)上方種薯支持力，N

β1——下方種薯對(duì)上方種薯支持力與X軸夾角，(°)

α——排種器與水平方向夾角，(°)

工作時(shí)，種薯沿X軸做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，當(dāng)種薯與輸送帶間正壓力為零時(shí)，種薯受到如圖7所示的3個(gè)力。

圖7 振動(dòng)清種動(dòng)力學(xué)分析Fig.7 Dynamics analysis of vibration seed-clearing

位移方程為

S=λsin(ωt)

(2)

式中S——位移，m

ω——振動(dòng)角頻率，rad/s

t——振動(dòng)時(shí)間，s

λ——振幅，m

對(duì)時(shí)間t求二階導(dǎo)數(shù)得

ax=-λω2sin(ωt)

(3)

其X軸方向的分力對(duì)種薯產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使種薯翻轉(zhuǎn)落回種箱。作業(yè)時(shí)，受種薯形狀和振動(dòng)的影響，重力和種薯間的支持力不能保持時(shí)刻共線的狀態(tài)，因此可以實(shí)現(xiàn)清種功能，其受力方程為

(4)

(5)

式中g(shù)——重力加速度，m/s2

μ——種薯間摩擦因數(shù)

φd——物料開(kāi)始跳動(dòng)的最小相位角，(°)

引入振動(dòng)強(qiáng)度K，其表達(dá)式為

(6)

式中β——振動(dòng)方向振幅

可得出拋擲指數(shù)

(7)

式中bd——物料跳動(dòng)指數(shù)

當(dāng)拋擲指數(shù)等于1時(shí)，進(jìn)行振動(dòng)清種，得出偏心輪的臨界偏心距

(8)

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)選取直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min，μ取0.6，α取80°，將數(shù)值代入式(8)，求得偏心距為1.8 mm，實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，由于排種器安裝角度等為固定參數(shù)，常通過(guò)調(diào)節(jié)清種系統(tǒng)振幅和頻率提高播種作業(yè)質(zhì)量，頻率反映到試驗(yàn)時(shí)為輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，取主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為33～50 r/min，偏心距過(guò)大會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)頻率過(guò)高，出現(xiàn)勺內(nèi)無(wú)種薯的情況，因此取偏心距為1～3 mm。

2.3 彈性引導(dǎo)式清種鼻

彈性引導(dǎo)式清種鼻結(jié)構(gòu)如圖8所示，以彈簧鋼為原材料制成，主要由托板、安裝板、鼻筋骨以及鼻梁等部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、種薯?yè)p傷率低等優(yōu)點(diǎn)。彈性引導(dǎo)式清種鼻鼻梁彎曲成圖中所示形狀，可適當(dāng)延長(zhǎng)清種鼻作用于種薯的時(shí)間，減緩清種鼻對(duì)種薯的沖擊力，鼻筋骨表面掛膠處理增大緩沖空間，同時(shí)增加清種鼻與種薯的接觸面積，使種薯在整個(gè)清種過(guò)程中受力均勻，根據(jù)實(shí)際作業(yè)情況，本文設(shè)計(jì)的彈性引導(dǎo)式清種鼻縱向長(zhǎng)度為468 mm，鼻梁彎折角度設(shè)置為146°，鼻筋骨寬為30 mm[15-18]。

圖8 彈性引導(dǎo)式清種鼻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.8 Structure diagrams of elastic guided seed-clearing nose1.托板 2.安裝板 3.鼻筋骨 4.鼻梁

2.4 彈性引導(dǎo)式清種鼻結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

圖9 夾帶種薯運(yùn)動(dòng)分析Fig.9 Kinematic analysis of entrained seed potato

建立如圖9所示的坐標(biāo)系，夾帶種薯從A點(diǎn)輸送至B點(diǎn)，其軌跡方程為[19-20]

(9)

式中v——輸送帶速度，m/s

xab——A點(diǎn)到B點(diǎn)X軸方向位移，m

yab——A點(diǎn)到B點(diǎn)Y軸方向位移，m

夾帶薯所受到的摩擦力Fs為

Fs=FNtanα

(10)

其中

FN=mgcosα

(11)

式中FN——夾帶種薯受到的正壓力，N

摩擦力所做的功在Y軸上的分量為

(12)

式中A——提升直線方程系數(shù)

根據(jù)能量守恒定律，得出

(13)

則提升直線方程為

(14)

由于清夾帶種薯過(guò)程中，速度保持不變，有

(15)

式中F1——清種鼻對(duì)種薯的推力，N

t1——清夾帶薯所用時(shí)間，s

Δv——速度的變化量，m/s

m——單塊種薯質(zhì)量，kg

由式(15)可知，種薯所受的沖擊力主要取決于種子的速度變化量。排種器的清種性能主要受輸送帶驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、充種角和清種角等的影響[21-23]。采用的種勺直徑d為7.2 cm，為使種勺達(dá)到最好的充種效果，充種區(qū)角θ為

(16)

式中L——種勺深度，m

為保證良好的充種性能取θ=80°；為使種薯在整個(gè)清種過(guò)程中受力均勻，根據(jù)種勺排布位置取清種角為146°，因此清種鼻鼻梁按種薯在輸送帶上升的軌跡方程，以146°的角度環(huán)繞在輸送帶上部驅(qū)動(dòng)軸上，因此清種鼻對(duì)種薯具有恒定的推種角。

2.5 清種鼻彈起曲線分析

建立如圖10所示的極坐標(biāo)系，模擬一次清種作業(yè)過(guò)程中鼻尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，并結(jié)合微分幾何學(xué)列出其極坐標(biāo)方程[24]，取O為輸送帶主驅(qū)動(dòng)軸的軸心，B為清種鼻的尖端，B1為清種完成后鼻尖彈起的末位置，ρ為清種鼻尖端到輸送帶主驅(qū)動(dòng)軸軸心的距離。

圖10 清種鼻彈起曲線模型Fig.10 Model of seed-clearing elastic curve

由微分幾何學(xué)知

(17)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，推種角為一定值，其中n為常數(shù)，可得

(18)

則

ρ=e-nθ+c1

(19)

式中c1——常數(shù)

當(dāng)θ=0°時(shí)，ρ=R+l1，R為輸送帶主驅(qū)動(dòng)軸的半徑，l1為清種鼻與輸送帶水平間距，可得

ρ=(R+l1)enθ

(20)

當(dāng)θ=π/2時(shí)，ρ=R+l2，l2為種勺外端與輸送帶頂端相平齊時(shí)，種勺外端與輸送帶間的距離，則

(21)

可知n仍是常數(shù)，則清種鼻的曲線方程為

ρ=(R+l1)enθ

(22)

為了充分發(fā)揮彈性清種鼻的性能，模擬曲線方程形狀，設(shè)計(jì)清種鼻鼻筋骨如圖11所示。

圖11 鼻筋骨結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.11 Structure diagrams of nasal bone

由實(shí)際作業(yè)情況可知，勺間是否夾帶種薯主要與種箱內(nèi)種薯數(shù)量有關(guān)，種薯數(shù)量反映到試驗(yàn)時(shí)為種層高度，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)作業(yè)，種層高度為33～100 cm，綜上所述偏心輪的偏心距、輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速以及種層高度直接影響清種裝置的工作性能，進(jìn)而影響播種機(jī)的工作質(zhì)量。

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

2018年5月，在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)阿城示范試驗(yàn)基地，進(jìn)行舀勺式馬鈴薯排種器清種裝置的田間試驗(yàn)。試驗(yàn)前進(jìn)行整地作業(yè)，土壤為普通黑土，土壤堅(jiān)實(shí)度為62.6 kPa，土壤含水率為16.8%，滿足農(nóng)藝要求。播種機(jī)的配套動(dòng)力為59.6 kW拖拉機(jī)，試驗(yàn)品種為東農(nóng)303，種薯的平均三軸尺寸為41.1 mm×37.6 mm×25.2 mm，形狀指數(shù)為201.8，平均質(zhì)量為24.56 g，平均含水率為74.2%，凈度大于99%，振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖12所示，田間作業(yè)及測(cè)量過(guò)程如圖13所示。

圖12 振幅調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.12 Amplitude adjustment mechanism

圖13 田間試驗(yàn)Fig.13 Field experiment

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照GB/T 6242—2006《種植機(jī)械 馬鈴薯種植機(jī) 試驗(yàn)方法》規(guī)定的試驗(yàn)方法，考察加裝振動(dòng)清種和彈性引導(dǎo)式清種鼻裝置的舀勺式馬鈴薯排種器的播種性能，輸送帶每個(gè)工作周期所運(yùn)輸?shù)姆N薯數(shù)量直接影響排種器的工作效率，最終的具體表現(xiàn)形式為排種器重播率、漏播率。本文以偏心距、輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和種層高度為試驗(yàn)因素，漏播率和重播率為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，記錄3次測(cè)量平均值；播種后，選取每次播種過(guò)程中，一行的4個(gè)測(cè)量段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，每段測(cè)量15個(gè)種薯的間距，每?jī)啥蜗嗑?5 m，計(jì)算出重播率和漏播率，根據(jù)NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)定。

3.3 試驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.3.1試驗(yàn)方案及結(jié)果

采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法安排試驗(yàn)，以漏播率和重播率為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)置各因素的水平范圍為：偏心距選取1～3 mm，輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速選取33～50 r/min，根據(jù)試驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)偏心距為1～3 mm的偏心軸套，在種箱內(nèi)畫出種箱高度刻線，進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，可通過(guò)調(diào)整中間傳動(dòng)裝置改變輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變振動(dòng)頻率的目的[25]，選取試驗(yàn)所需水平值，進(jìn)行田間試驗(yàn)的過(guò)程中，可根據(jù)不同的實(shí)際情況對(duì)清種裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)影響漏播率和重播率的因素進(jìn)行顯著性分析，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)各個(gè)參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，由于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)種層高度無(wú)法精確至小數(shù)點(diǎn)后兩位，因此種層高度只保留整數(shù)值，由于加工精度等問(wèn)題偏心距保留小數(shù)點(diǎn)后一位，試驗(yàn)因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到漏播率Y1、重播率Y22個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程，并檢驗(yàn)其顯著性。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test plan and experimental results

(1)漏播率Y1回歸模型的建立與顯著性分析

(23)

對(duì)上述回歸方程進(jìn)行失擬檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，試驗(yàn)指標(biāo)和試驗(yàn)因素存在顯著的二次關(guān)系，分析結(jié)果合理。

表3 漏播率與重播率方差分析Tab.3 Variance analysis coefficient of variation of missing sowing rate and replay rate

注：*** 表示極顯著(P<0.01)；** 表示顯著(0.01

(2)重播率Y2回歸模型的建立與顯著性分析

(24)

3.3.3響應(yīng)曲面分析

通過(guò)Design-Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)的處理，得出偏心距、輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速、種層高度之間的顯著和較顯著交互作用對(duì)漏播率、重播率2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖14、15所示。

對(duì)于漏播率Y1，當(dāng)種層高度達(dá)到56 cm時(shí)，偏心距和輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的交互作用影響如圖14所示。當(dāng)偏心距一定時(shí)，漏播率Y1整體隨著輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，最優(yōu)的輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速范圍為36.5～39.4 r/min；當(dāng)輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，漏播率Y1整體上與偏心距正相關(guān)，最佳距離范圍為1.4～2.0 mm，其中偏心距是影響漏播率Y1的主要試驗(yàn)因素。

圖14 種層高度為56 cm時(shí)因素對(duì)漏播率的響應(yīng)曲面Fig.14 Response surface of missing sowing rate when seed level was 56 cm

圖15 種層高度為56 cm時(shí)因素對(duì)重播率的響應(yīng)曲面Fig.15 Response surface of replay rate when seed level was 56 cm

對(duì)于重播率Y2，當(dāng)種層高度達(dá)到56 cm時(shí)，偏心距和輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的交互作用影響如圖15所示，當(dāng)偏心距一定時(shí)，重播率Y2隨著輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，最優(yōu)的輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速范圍為38.1～44.3 r/min；當(dāng)輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，重播率Y2與偏心距負(fù)相關(guān)，最佳距離范圍為1.8～2.4 mm。兩個(gè)交互作用項(xiàng)中偏心距為影響試驗(yàn)指標(biāo)的主要因素。

通過(guò)對(duì)響應(yīng)曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)3個(gè)回歸方程進(jìn)行求解，根據(jù)播種機(jī)的實(shí)際工作條件、作業(yè)要求及相關(guān)理論的分析選擇優(yōu)化的約束條件。目標(biāo)及約束條件為

(25)

對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，能夠得到多種參數(shù)組合。考慮到實(shí)際的工作要求，選擇其中最優(yōu)的參數(shù)組合范圍：偏心距為1.4～2.4 mm，輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為36.5～42.6 m/s，種層高度為12.5～100 cm，得到漏播率的范圍為2.03%～2.37%，重播率的范圍為3.4%～3.9%。

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

驗(yàn)證試驗(yàn)的試驗(yàn)條件和試驗(yàn)測(cè)試方法與上述試驗(yàn)相同，對(duì)經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化調(diào)節(jié)后的舀勺式馬鈴薯排種器清種裝置的清種效果進(jìn)行驗(yàn)證，并與標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而驗(yàn)證舀勺式馬鈴薯排種器清種裝置的清種性能。

舀勺式馬鈴薯排種器清種裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)和作業(yè)參數(shù)的選擇為：偏心距為1.9 mm、輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為40.61 r/min、種層高度為33 cm。將上述因素水平進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其中測(cè)量結(jié)果為3次測(cè)量的平均值，測(cè)得重播率為3.04%，漏播率為2.01%，與優(yōu)化所得結(jié)果基本一致，且均明顯優(yōu)于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其重播率、漏播率均較低，是由于偏心距足夠小，輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速足夠大，使振源產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度以及振動(dòng)頻率使勺內(nèi)多余的薯塊掉落，與理論公式所得結(jié)論相一致，驗(yàn)證了公式的合理性。試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化參數(shù)的合理性，按照優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行作業(yè)能夠滿足要求。

3.5 彈性引導(dǎo)式清種鼻性能對(duì)比分析

為驗(yàn)證彈性引導(dǎo)式清種鼻的作業(yè)性能，對(duì)未安裝彈性引導(dǎo)式清種鼻的排種器與安裝彈性引導(dǎo)式清種鼻的排種器進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)條件不變，通過(guò)調(diào)整中間傳動(dòng)裝置，調(diào)節(jié)輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，采用偏心距為1.9 mm的偏心軸套，種箱內(nèi)種層高度為33 cm，在此工況下進(jìn)行5次田間播種試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)如圖16所示，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖16 清種鼻對(duì)比試驗(yàn)Fig.16 Comparative experiment of seed-clearing clear nose

主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速/(r·min-1)原排種器新排種器重播率種薯幼芽損傷率重播率種薯幼芽損傷率50.12.83.62.11.340.33.12.92.30.930.54.22.33.50.7

通過(guò)性能對(duì)比試驗(yàn)可以看出：安裝彈性引導(dǎo)式清種鼻的排種器，其重播率和種薯幼芽損傷率明顯降低，顯著提高了排種器的工作性能，實(shí)現(xiàn)了舀勺式馬鈴薯播種機(jī)精量播種的目的。

根據(jù)式(15)可以看出：清種鼻對(duì)種薯的推力與清夾帶薯所用時(shí)間成反比。且根據(jù)對(duì)比試驗(yàn)可知原清種裝置對(duì)種子的作用時(shí)間為新清種裝置對(duì)種子作用時(shí)間的1/4，因此彈性引導(dǎo)式清種鼻通過(guò)延長(zhǎng)清種裝置作用于種薯的時(shí)間，減小了清種裝置對(duì)種子的沖擊力，可有效解決因勺間夾帶種薯和勺內(nèi)多種而導(dǎo)致重播率高的問(wèn)題，同時(shí)降低了種薯幼芽損傷率，大幅改善了清種性能。

4 結(jié)論

(1)舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器內(nèi)安裝電動(dòng)式振動(dòng)清種裝置，可有效清除勺內(nèi)多余種薯，上部安裝彈性引導(dǎo)式清種鼻，可減少種薯回落時(shí)的沖擊力，試驗(yàn)證明，清種裝置具有良好的清種性能。通過(guò)建立振動(dòng)清種過(guò)程的數(shù)學(xué)模型和清夾帶種薯過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，得出影響清種性能的主要因素為偏心距、輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速和種層高度。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，針對(duì)性強(qiáng)，有效提升了舀勺式馬鈴薯播種機(jī)排種器作業(yè)時(shí)的清種效率。

(2)田間試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)偏心距為1.9 mm、輸送帶主驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速為40.61 r/min、種層高度為33 cm時(shí)，重播率為3.04%，漏播率為2.01%，此時(shí)振動(dòng)清種裝置作業(yè)效果較好。清種鼻性能對(duì)比試驗(yàn)表明，安裝該清種裝置的排種器在降低種薯幼芽損傷率的同時(shí)有效降低了重播率，滿足馬鈴薯種植機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范的相關(guān)要求。