李天華，黃圣海，牛子孺，侯加林，吳彥強(qiáng)，李玉華

行星輪式大蒜插播機(jī)播種直立度優(yōu)化與試驗

李天華1,2，黃圣海3，牛子孺1,2，侯加林1,2※，吳彥強(qiáng)1,2，李玉華1,2

（1. 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，泰安 271018； 2. 山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實驗室，泰安 271018；3.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100089）

大蒜機(jī)械化播種的植入環(huán)節(jié)中，在蒜種-土壤-觸土部件強(qiáng)耦合作用下，正頭后的蒜種直立度極易變低，如何“保姿植入”成為亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。針對此問題，該文以行星輪式大蒜插播機(jī)為研究對象，對插播鴨嘴的尖部運動軌跡進(jìn)行分析，明晰了影響植后蒜種直立度的關(guān)鍵因素為插播鴨嘴的線速度、開啟相位角及插播鴨嘴張開角度與凸輪凸起段對應(yīng)的圓心角之比（開口速比）。運用Box-Benhnken中心組合試驗方法對插播鴨嘴的線速度、開啟相位角、開口速比進(jìn)行三因素三水平二次回歸試驗設(shè)計，進(jìn)行了插播試驗，采用Design-expert軟件建立響應(yīng)面數(shù)學(xué)模型，對影響直立度的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了綜合優(yōu)化，求解出最優(yōu)工作參數(shù)組合為插播鴨嘴的線速度200 mm/s，開啟相位角20°，開口速比2。大田試驗結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)作業(yè)的蒜種直立度均值為63.2°，較優(yōu)化前提高了21.8%，滿足大蒜種植的蒜種直立度要求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；大蒜播種機(jī)；行星輪；直立度；保姿植入

0 引 言

大蒜是重要的經(jīng)濟(jì)作物，中國是大蒜第一生產(chǎn)大國，2018年種植面積達(dá)37.9～40.5萬hm2，占全球大蒜種植面積60%以上[1]，但中國大蒜播種主要依靠人力，工作強(qiáng)度大、效率低、成本高?，F(xiàn)有的播種機(jī)械易發(fā)生漏播、重播現(xiàn)象且入土后的蒜種直立度偏低，影響大蒜產(chǎn)量和品質(zhì)。先進(jìn)播種機(jī)械的缺乏已成為制約中國大蒜行業(yè)快速發(fā)展的瓶頸問題[2]。

越來越多的學(xué)者開展了大蒜單粒取種和正頭技術(shù)研究，但主要集中在插播機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計[3-7]。Zhang等[8]設(shè)計了一種用于大蒜盒種植半自動試驗臺，實現(xiàn)大蒜的定向種植；Brajesh等[9]研制了適用于大蒜、丁香的播種機(jī)；Devesh等[10]、耿愛軍等[11]分別設(shè)計了大蒜種植機(jī)、大蒜自動定向播種機(jī)，并進(jìn)行了試驗研究；Zhang等[12]研制一種播種機(jī)垂直播種結(jié)構(gòu)；林悅香等[13]設(shè)計了一款彈簧夾持式大蒜直立播種機(jī)；韓秋燕等[14]設(shè)計了一種新型的插穴式自動定向大蒜播種機(jī)。張麗芬[15]設(shè)計了基于PLC控制技術(shù)的蒜瓣方向識別裝置，實現(xiàn)了蒜種姿態(tài)的自動識別。研究發(fā)現(xiàn)，植入土壤過程中，正頭后的大蒜在蒜種-土壤-植入部件強(qiáng)耦合作用下極易發(fā)生傾斜翻轉(zhuǎn)，甚至發(fā)生蒜種被拋離蒜穴現(xiàn)象，造成播種失敗，但是對蒜種保姿植入技術(shù)的研究還未見報道。插播機(jī)是實現(xiàn)蒜種保姿植入的核心部件，高性能的大蒜插播機(jī)能夠確保蒜種保持“鱗芽朝上”的姿態(tài)植入土壤，滿足種植農(nóng)藝要求。

為提高大蒜機(jī)械化播種的植后直立度，攻克“保姿植入”技術(shù)難題，在項目組已有研究[16]的基礎(chǔ)上，本文以大蒜插播機(jī)為研究對象，建立了大蒜插播模型，進(jìn)行蒜種植入過程的運動學(xué)解析。以直立度均值為目標(biāo)，對影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析與試驗，分析各參數(shù)對作業(yè)性能的影響，并對插播機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，尋求最優(yōu)作業(yè)參數(shù)組合，以期為大蒜播種機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

大蒜播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)架、種箱、排種裝置、插播機(jī)、傳動系統(tǒng)、壓平輥及地輪組成。采用懸掛式結(jié)構(gòu)與拖拉機(jī)配套，在拖拉機(jī)的帶動下，地輪與地面摩擦輸出動力至主軸，經(jīng)調(diào)速機(jī)構(gòu)將動力分別傳遞至調(diào)向齒輪與插播機(jī)，調(diào)向齒輪改變轉(zhuǎn)向后將動力分別傳遞至種箱與排種器。排種器取得單粒蒜種后投入接種鴨嘴；插播鴨嘴將接種鴨嘴打開，若大蒜鱗芽朝下，將會從接種鴨嘴下部的孔中漏出并被接種鴨嘴與插播鴨嘴夾住，由于大蒜重心在上部，因此會以鱗芽為中心旋轉(zhuǎn)180°左右，隨后落入插播鴨嘴內(nèi)，實現(xiàn)正頭；相反，若大蒜鱗芽向上，由于重心在下，大蒜會保持直立姿態(tài)落入插播鴨嘴中，正頭過程完成[16]；隨后插播機(jī)將蒜種插入土壤，并由壓平輥壓實，種植過程完成。

1.傳動系統(tǒng) 2.機(jī)架 3.種箱 4.排種裝置 5.接種鴨嘴 6.壓平輥 7.插播機(jī)

1.2 插播機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖2所示，插播機(jī)包括插播圓盤、六角傳動軸、行星輪系、主傳動軸、插播鴨嘴、鴨嘴開合控制機(jī)構(gòu)。其中行星輪系安裝在插播圓盤上，行星輪系中的太陽輪與主傳動軸同軸轉(zhuǎn)動，獲得動力，經(jīng)中間齒輪將動力傳遞至行星輪，行星輪與六角傳動軸同軸轉(zhuǎn)動[17-18]。

1.接種鴨嘴 2.鴨嘴開合控制機(jī)構(gòu) 3.插播鴨嘴 4.主傳動軸 5.行星輪系 6.六角傳動軸 7.插播圓盤

圖3a為鴨嘴開合控制機(jī)構(gòu)，安裝在六角傳動軸與插播圓盤上隨插播圓盤轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動；鴨嘴固連在六角傳動軸一側(cè)，六角傳動軸與推桿固連，推桿通過軸銷與耳板連接，可繞軸銷轉(zhuǎn)動，滾珠通過軸銷與推桿連接。開口前，滾珠與凸輪的凸起（段）不接觸，鴨嘴為閉合狀態(tài)；開口時，滾珠開始沿段上行，推桿繞軸銷轉(zhuǎn)動，鴨嘴開始打開；閉合時，隨插播轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，在復(fù)位彈簧的作用下，滾珠從凸起處（段）開始下行，推桿反向轉(zhuǎn)動，鴨嘴閉合。段的周向安裝位置決定插播鴨嘴打開時的開啟相位角（圖4），段的凸起高度決定鴨嘴張開角度2（圖3c），為保證蒜種從鴨嘴中順利落入蒜穴，經(jīng)多次預(yù)實驗，確定插播鴨嘴斜邊（轉(zhuǎn)動中心至尖點連線）=100 mm，斜邊與豎直方向的夾角=22°時，插播鴨嘴張開角度2為15°，bc段對應(yīng)的圓心角1，即凸起上升角1，當(dāng)1越小時，插播鴨嘴打開速度越大。定義開口速比為插播鴨嘴張開角度2與bc段對應(yīng)的圓心角1之比，開口速比計算如式（1）所示。當(dāng)開口速比越大時，同轉(zhuǎn)速下，插播鴨嘴打開速度越大[19]。

1.復(fù)位彈簧 2.凸輪凸起 3.滾珠 4.耳板 5.軸銷 6.推桿 7.控制凸輪

1.Reset spring 2.Bulge on the cam 3.Ball 4.Ear plate 5.Axle 6.Push rod 7. Cam for control

注：為插播鴨嘴閉合狀態(tài)運動起始點；為插播鴨嘴閉合狀態(tài)運動結(jié)束點及打開起始點；為插播鴨嘴打開過程結(jié)束點及開口狀態(tài)運動起始點；為插播鴨嘴開口狀態(tài)運動結(jié)束點及閉合起始點；1為凸輪凸起的上升角，(°)；2為鴨嘴最大張開角度，(°)。

Note:is the starting point of the closed state movement of the inserting duckbill;is the ending point of the closed state movement and the starting open point of the inserting duckbill;is the ending point of the opening state movement and the opening state movement starting point of the inserting duckbill;is the ending point of the opening state movement and the closing starting point of the inserting duckbill;1is the rising angle of the bulge on the cam, (°);2is the maximum opening angle of duckbill, (°).

圖3 開合控制結(jié)構(gòu)及工作過程

Fig.3 Opening and closing control structure and working process

當(dāng)插播鴨嘴插入土壤后，插播開合控制機(jī)構(gòu)將插播鴨嘴打開，打開位置如圖4所示，其中開啟相位角為插播鴨嘴和中心點連線與軸的夾角[16]。

注：α為插播鴨嘴斜邊與豎直方向上的夾角，(°)；φ為插播鴨嘴和中心點連線與y軸的夾角，(°)。

2 插播鴨嘴運動軌跡與蒜種直立度分析

2.1 插播目標(biāo)

插播鴨嘴的主要作用是保證將鱗芽向上的蒜種在植入土壤的過程中保持直立向上的姿態(tài)，避免被鴨嘴、土壤干涉而發(fā)生傾斜甚至翻轉(zhuǎn)。蒜種的直立度由蒜種與水平面的夾角的平均值表示，直立度越高插播效果越好[20-21]，如圖5所示。

注：β為蒜種與水平面的夾角，(°)。

根據(jù)插播鴨嘴的運動學(xué)特性參數(shù)，運動軌跡、蒜種姿態(tài)和插播鴨嘴打開速度，需要滿足的約束條件有：在滿足蒜種植入的條件下蒜穴要盡可能??；蒜種插入蒜穴后周圍土壤要迅速回填，確保蒜種植后不傾斜；植入后避免插播鴨嘴對蒜種產(chǎn)生二次干涉。

2.2 插播鴨嘴的運動軌跡與方程

2.2.1 尖點運動軌跡

調(diào)頭后的蒜種在插播過程中仍然會出現(xiàn)傾斜甚至反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，通過前期試驗分析，該現(xiàn)象可能與插播鴨嘴的運動軌跡有關(guān)。圖6為插播鴨嘴沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，前后2瓣鴨嘴的尖點相對地面的運動軌跡[22-23]。

注：α為插播鴨嘴斜邊與豎直方向上的夾角，(°)；R為插播圓盤半徑，r為插播鴨嘴轉(zhuǎn)動中心（軸銷）至尖點長度，mm；點a為閉合運動時鴨嘴尖點的位置，b為鴨嘴開始打開時鴨嘴尖點最低點的位置，c、c′為前后鴨嘴尖點最大打開位置，d、d′為鴨嘴開始閉合時的位置。

由圖6可知，當(dāng)插播鴨嘴尖點從點運行至點時為閉合狀態(tài)，前后2個尖點重合，沿同一條曲線運動。段形成“茄狀”；當(dāng)運動至點時，前后2瓣鴨嘴分別向逆、順時針方向打開，至、點時開口達(dá)到最大，并保持至、點，隨后在運動至點的過程中閉合。

2.2.2 運動方程

按照插播鴨嘴下落、開啟、保持及閉合的過程，將其前后尖點運動軌跡共分為4段，分別對應(yīng)式（2）～（8）。其中式（2）為插播鴨嘴閉合下落時，前后尖點重合的運動軌跡，即圖6中段。

式（3）～（4）為插播鴨嘴下落至最底部后，開啟階段（即圖6中點鴨嘴打開）的前、后尖點運動軌跡分離，段、段分別對應(yīng)為前、后側(cè)尖點運動軌跡方程式（3）、式（4）：

式（5）～（6）為插播鴨嘴達(dá)到最大開口后，在保持開口狀態(tài)下的運動方程，即圖6中插播鴨嘴前后尖點在′、段軌跡：

式（7）～（8）為插播鴨嘴離開蒜穴前從最大開口開始閉合后的方程，即圖6中前后尖點′′、段軌跡：

式中V為插播鴨嘴線速度，mm/s；為插播圓盤半徑，mm；為插播鴨嘴轉(zhuǎn)動中心（軸銷）至尖點長度，mm；為轉(zhuǎn)動中心（軸銷）至尖點連線與豎直方向的夾角，rad；為插播鴨嘴轉(zhuǎn)速，rad/s；為開口速比；為開啟相位角，rad。

2.3 運動參數(shù)對插播鴨嘴軌跡影響

由式（2）～（8）可知，影響插播鴨嘴運動軌跡的參數(shù)主要為插播鴨嘴線速度V與機(jī)器作業(yè)行進(jìn)速度的比值，插播鴨嘴開啟相位角，開口速比等。

2.3.1 插播鴨嘴圓周速度與機(jī)器前進(jìn)速度之比

將式（2）～（8）導(dǎo)入CAXA軟件中，其中=191 mm，=100 mm，=22°，機(jī)器作業(yè)行進(jìn)速度為250 mm/s，計算得到=1.4、1.2、1、0.8、0.6時的運動軌跡，如圖7所示。

注：H為鴨嘴入土深度，mm；L0為蒜穴開口長度，mm；λ為插播鴨嘴線速度與機(jī)器行進(jìn)速度之比。

當(dāng)>1時，插播鴨嘴插入土壤最深處時圓周速度大于機(jī)器前進(jìn)速度，鴨嘴相對于地面向后運動，由圖可知與=1相比，蒜穴較大，且前側(cè)鴨嘴會打翻蒜穴中的蒜種；當(dāng)<1時，插播鴨嘴圓周速度小于機(jī)器前進(jìn)速度，鴨嘴相對于地面向前運動，后側(cè)鴨嘴會打翻蒜穴中的蒜種；當(dāng)=1時，鴨嘴處于圖6中點時，鴨嘴相對于地面靜止，即圓周速度與機(jī)器前進(jìn)速度相等，鴨嘴前后對稱打開，對蒜種無二次干涉，因此=1符合工作要求。

2.3.2 插播鴨嘴開啟相位角

取=1，=0、10、20、30°分別代入式（2）～（8），得到圖8所示插播鴨嘴打開過程的尖點運動軌跡。由圖8可知，決定插播鴨嘴的開啟位置。越大，鴨嘴開啟時的插入深度越?。x地面越近），相對于蒜穴中心點（最深點）0的距離越大；當(dāng)=30時，插播鴨嘴完全打開并即將離開蒜穴。因此，開啟相位角越大蒜種下落越晚，且越容易脫離蒜穴，導(dǎo)致曝種現(xiàn)象。

注：a0為插播鴨嘴運動起點，b0、b10、b20、b30分別為開啟相位角φ=0°、10°、15°、20°時插播鴨嘴尖點開始開口點，c0、c10、c20、c30、c0′、c10′、c20′、c30′分別為插播鴨嘴左右尖點的開口最大點。

2.3.3 插播鴨嘴開口速比

圖9是插播鴨嘴開口速比=0.5、1、1.5、2時插播鴨嘴尖點運動軌跡，由圖9可知，插播鴨嘴在點開始打開，當(dāng)=0.5時，至0.5、0.5′點時完全打開；當(dāng)=2時，插播鴨嘴由點至2、2′點完全打開。因此，開口速比影響蒜種開始下落時間，且越大蒜種下落越早，越有利于回填土壤對蒜種的夾持；另外當(dāng)開口速比過小時插播鴨嘴將夾持蒜種脫離蒜穴。

注：b為插播鴨嘴尖點開始開口點，c0.5、c1、c1.5、c2、c0.5′、c1′、c1.5′、c2′分別為開口速比k=0.5、1、1.5、2時插播鴨嘴左右尖點開口最大點。

3 室內(nèi)試驗

3.1 試驗方法

為驗證理論分析的正確性，搭建了大蒜插播試驗臺，如圖10所示，試驗臺包括排種器、種箱、傳動系統(tǒng)電機(jī)、插播機(jī)、傳送帶、土槽等。采用傳送裝置模擬播種前進(jìn)運動，土槽模擬植入土壤，填充砂性土，土壤含水率為7.2%。傳送裝置由Y VF2-80M2-4型變頻電機(jī)帶動，功率為1.5 kW，通過變頻器調(diào)速改變傳送速度。插播機(jī)電機(jī)為FECC12-600型直流電機(jī)，功率為0.6 kW，利用串接的調(diào)速器實現(xiàn)調(diào)速。在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械化及其自動化實驗中心進(jìn)行室內(nèi)試驗。每組參數(shù)下播種100粒Ⅱ型蒼山大蒜樣本，統(tǒng)計插播后蒜種直立度平均值，采用式（9）計算傳送帶每小時傳送距離。

=60（9）

式中插播鴨嘴轉(zhuǎn)速，r/min；為大蒜株距，mm；為插播機(jī)鴨嘴個數(shù)。

1.排種器 2.種箱 3.傳動系統(tǒng) 4.電機(jī) 5.插播機(jī) 6.土槽 7.傳送帶。

蒜種直立度測量方法如圖11所示，將一根直桿與蒜種鱗芽共線，測量直桿末端到地面的高度，通過式（10）計算蒜種鱗芽與地面的夾角。

1.直桿 2.橫桿 3.鉛錘 4.橫桿支架

1.Straight rod 2.Crossbar 3.Plummet 4.Crossbar bracket

注：為大蒜與水平面夾角，(°)；為直桿長度，mm；為直桿末端到地面的高度，mm。

Note:is the angle between the garlic and the horizontal plane, (°);is the length of the straight rod, mm;is the height from the end of the straight rod to the ground, mm.

圖11 蒜種直立度測量

Fig.11 Garlic upright measurement

改變圖3中段對應(yīng)的圓心角來改變開口速比，通過加工段不同的凸輪凸起，來實現(xiàn)開口速比的調(diào)整，圖12為不同開口速比的凸輪。

通過調(diào)整凸輪凸起段在機(jī)器中安裝的周向位置來改變開啟相位角，即調(diào)整圖3中線段與坐標(biāo)軸的夾角，凸輪凸起安裝時與坐標(biāo)軸的夾角越大，插播鴨嘴開啟相位角越大。設(shè)定鴨嘴轉(zhuǎn)動至最下方時，開啟相位角為0°。

圖12 不同開口速比的凸輪凸起

3.2 單因素試驗

參照2.3節(jié)中各參數(shù)對插播鴨嘴運動軌跡的影響分析，在=1的條件下，各組參數(shù)取值分別為：=10°，=1.5，V=100、200、300、400、500 mm/s；m300 mm/s，=10°，=0.5、1、1.5、2、2.5；m300 mm/s，=1.5，=0、10、20、30、40°。試驗結(jié)果如圖13所示，由圖13a可知，隨插播鴨嘴線速度m的增加蒜種直立度降低；由圖13b可知，隨插播鴨嘴開口速比增大直立度整體呈上升趨勢，但在=1.5時，直立度較低，而在=2.5時凸輪出現(xiàn)明顯震動；由圖13c所示，隨插播鴨嘴開啟相位角的增大，直立度增大，但當(dāng)開啟相位角大于20°后，蒜種直立度急速下降，在開啟相位角40°時，大部分蒜種被帶出地面，無法完成正常播種。

圖13 插播鴨嘴參數(shù)對直立度的影響

3.3 正交試驗

為了獲得上述3個因素的最優(yōu)參數(shù)值，選擇Box-Behnken中心組合設(shè)計理論進(jìn)行試驗[24-25]。由單因素試驗可知插播鴨嘴線轉(zhuǎn)速度、開啟相位角及開口速比均影響插播作業(yè)質(zhì)量，因此，以鱗芽與地面夾角的平均值表征插播機(jī)工作性能，平均值大表征蒜種直立度高，插播效果好。根據(jù)單因素試驗確定插播鴨嘴線速度取值范圍為200～500 mm/s，其開啟相位角范圍為0～20°，開口速比范圍為1～2。每組樣本個數(shù)為20，重復(fù)5次取平均值，插播鴨嘴各試驗因素和水平如表1所示。

表1 試驗因素與水平

3.3.1 試驗結(jié)果

根據(jù)Box-Behnken試驗原理設(shè)計插播鴨嘴3因素3水平分析的試驗[26-27]，試驗方案與響應(yīng)值見表2，其中1、2、3表示各因素編碼值。

表2 仿真試驗設(shè)計與響應(yīng)值

3.3.2 回歸方程與顯著性檢驗

根據(jù)表2，利用Design Expert8.0.6.1軟件開展多元回歸擬合分析[28-30]，建立直立度均值對插播鴨嘴線速度水平1、開啟相位角水平2、開口速比水平3的二次多項式響應(yīng)面回歸模型，如式（11）所示。

對回歸方程進(jìn)行方差分析，如表3所示。由表3可知，直立度均值模型的<0.000 1，表明回歸模型極顯著，失擬項的>0.05，表明回歸方程擬合度高。模型決定系數(shù)2值為0.980 7，表明這個模型可以解釋98%以上的評價指標(biāo)。模型信噪比為23.875大于4，表明模型較優(yōu)可以用于參數(shù)優(yōu)化。各回歸項對方程的影響通過值大小反應(yīng)，模型中有6個回歸項影響極顯著（<0.01），分別為1、2、3、13、23、32；1個回歸項對模型影響顯著（<0.05），為22，有2個回歸項對模型影響不顯著（>0.05），分別為12、22。剔除不顯著項，對模型進(jìn)行優(yōu)化，如式（12）所示，分析優(yōu)化后模型的值（<0.000 1）與失擬項值（0.490）可知優(yōu)化模型可靠。

表3 回歸方程方差分析

注：<0.01（極顯著，**）；<0.05（顯著，*）。

Note:<0.01 (highly significant, **);<0.05 (significant, *).

3.3.3 交互因素對播種直立度影響規(guī)律分析

根據(jù)回歸方程分析結(jié)果，利用Design Expert8.0.6.1軟件繪制響應(yīng)面，采用響應(yīng)面圖分析插播鴨嘴線速度、開啟相位角、開口速比交互因素對響應(yīng)值的影響，如圖14所示。

圖14a為插播鴨嘴開口速比位于中心水平（1.5）時，插播鴨嘴線速度與開啟相位角對直立度均值交互作用的響應(yīng)面圖，可知直立度均值隨線速度的增大呈現(xiàn)下降趨勢，隨插播鴨嘴開啟相位角的增加呈上升趨勢，觀察響應(yīng)面可知當(dāng)開啟相位角為20°、線速度在200 mm/s左右時，直立度均值最大。降低插播鴨嘴線速度，增大開啟相位角，有利于直立度的提高。插播鴨嘴線速度與開啟相位角交互作用對直立度均值影響不顯著（>0.05）。

圖14b為插播鴨嘴開啟相位角位于中心水平（10°）時，線速度與開口速比對直立度均值交互作用的響應(yīng)面圖，由圖可知，開口速比在1～1.1區(qū)間內(nèi)，插播鴨嘴線速度變化對直立度均值影響不顯著；開口速比在1.1~2區(qū)間內(nèi)，直立度均值隨插播鴨嘴線速度的增大而逐漸降低，不同開口速比下變化程度不同。直立度均值隨開口速比的增大呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，且不同插播鴨嘴線速度下變化程度不同。從圖中可以看出，線速度為200 mm/s且開口速比為2時，直立度均值最大。線速度與開口速比交互作用對直立度均值具有顯著影響（<0.05）。

圖14c為插播鴨嘴線速度位于中心水平（300 mm/s）時，開啟相位角與開口速比對直立度均值交互作用的響應(yīng)面圖，由圖可知直立度均值隨開啟相位角的增大而逐漸升高，不同開口速比下變化程度不同。直立度均值隨開口速比的增大呈現(xiàn)先下降后上升趨勢，且不同插播鴨嘴線速度下變化程度不同。從圖中可以看出，開啟相位角為20°且開口速比分別為1和2時，直立度均值較大。開啟相位角與開口速比交互作用對直立度均值具有顯著影響（<0.05）。

圖14 插播鴨嘴線速度、開啟相位角及開口速比對直立度均值的影響

3.3.4 參數(shù)優(yōu)化

以蒜種直立度均值最大為優(yōu)化目標(biāo)，用Design Expert8.0.6.1軟件對插播鴨嘴線速度、插播鴨嘴開啟相位角以及開口速比等進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)及數(shù)學(xué)模型為：

優(yōu)化后得到各參數(shù)為轉(zhuǎn)速10 r/min，開啟相位角20°，開口速比2，蒜種直立度均值63.5°。對優(yōu)化后的模型進(jìn)行室內(nèi)試驗驗證，得到蒜種直立度均值為64.3°，與預(yù)測值相符。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為了驗證優(yōu)化后插播機(jī)的工作性能，在山東省安丘市進(jìn)行了試驗，試驗地土壤類型為壤土，土壤含水率為約為8.1%，大蒜品種為蒼山大蒜，試驗前對地塊進(jìn)行旋耕碎土、整平，插播作業(yè)如圖15所示。

圖15 田間試驗

試驗儀器與設(shè)備：拖拉機(jī)，與安丘市豐益機(jī)械廠共同研制的2BYCF-7新型懸掛式精準(zhǔn)大蒜播種機(jī)，蒜種直立度測量裝置（如圖11），水分測定儀，卷尺，鋼尺等，新型懸掛式精準(zhǔn)大蒜播種機(jī)與拖拉機(jī)采用三點掛接。

4.2 試驗方法與結(jié)果

大田試驗方法同室內(nèi)試驗，選取優(yōu)化后的插播鴨嘴參數(shù)進(jìn)行試驗，即線速度為200 mm/s，開啟相位角為20°，開口速比為2。取樣時選取插播鴨嘴線速度穩(wěn)定的區(qū)域，試驗樣本個數(shù)為100，重復(fù)5次取平均值，以蒜種直立度均值作為評價指標(biāo)。蒜種直立度測量方法同室內(nèi)實驗，計算方法同式10。如表4統(tǒng)計結(jié)果，田間試驗蒜種直立度為63.2°，與優(yōu)化前（出廠參數(shù)：鴨嘴線速度250 mm/s，開啟相位角15°和開口速比1.5）比直立度提高了21.8%，滿足大蒜播種直立度的要求。

表4 田間試驗蒜種直立度

5 結(jié) 論

1）結(jié)合大蒜播種機(jī)及行星輪式插播機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理，對影響插播鴨嘴尖點運動軌跡的主要因素進(jìn)行了理論分析及軌跡仿真，得出主要影響因素分別為插播鴨嘴的線速度、開啟相位角、開口速比。

2）對插播鴨嘴的角速度、開啟相位角、開口速比進(jìn)行單因素試驗，研究了各因素對蒜種直立度的影響規(guī)律，確定了插播鴨嘴的角速度、開啟相位角、開口速比取值范圍分別為200～400 mm/s、0～20°、1～2。

3）以插播鴨嘴的角速度、開啟相位角、開口速比為試驗因素以直立度均值為指標(biāo)，采用Box-Behnken試驗設(shè)計原理進(jìn)行了插播試驗，并利用Design Expert8.0.6軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，得出了最優(yōu)參數(shù)組合為插播鴨嘴角速度為200 mm/s，開啟相位角為20°，開口速比為2；模型預(yù)測蒜種直立度為63.5°，田間試驗驗證直立度為63.2°，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

在大蒜插播試驗過程中發(fā)現(xiàn)相同工作條件下土壤類型影響蒜穴的形狀、土壤回流量、回流速度，從而影響蒜種直立度，后續(xù)將進(jìn)一步研究土壤類型對蒜種直立度的影響。

[1]栗曉宇，耿愛軍，侯加林，等. 大蒜播種機(jī)研究現(xiàn)狀及展望[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械，2017(2)：105－107，109.

Li Xiaoyu, Geng Aijun, Hou Jialin, et al. Research status and Prospect of garlic seeder[J]. Agricultural machinery, 2017(2): 105－107, 109. (in Chinese with English abstract)

[2]崔榮江，黃嘉寶，張振河，等. 大蒜機(jī)械化播種技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2018，56(6)：54－56.

Cui Rongjiang, Huang Jiabao, Zhang Zhanghe, et al. Research status of garlic mechanized sowing technology[J]. Transactions of the Agricultural Equipment and Vehicle Engineering, 2018, 56(6): 54－56. (in Chinese with English abstract)

[3]魏玉珍，鄒棟林，劉勇蘭，等. 大蒜芽端篩選及直立種植方案探究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(10)：113－118.

Wei Yuzhen, Zou Donglin, Liu Yonglan, et al. Method inquisition of garlic bud screening and upright planting[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(10): 113－118. (in Chinese with English abstract)

[4]Duck K, Won K, Tea G, et al. Garlic upright-position and planting device: US 6619219 B2[P]. 2003-11-16.

[5]Gao C, Zhang H. Study on the direction identification and alignment of garlic scaly bud[C]//Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, 2012: 220－223.

[6]劉甲振，耿愛軍，栗曉宇，等. 大蒜播種機(jī)單粒取種及補(bǔ)種技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2019，41(2)：262－268.

Liu Jiazhen, Geng Aijun, Li Xiaoyu, et al. Research status of garlic planting machine single seed-filling and resow[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2019, 41(2): 262－268. (in Chinese with English abstract)

[7]馬偉童，宋井玲，孫倩，等. 連續(xù)種植式大蒜立直種植裝置性能分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2020，42(4)：23－27，39.

Ma Weitong, Song Jingling, Sun Qian, et al. Performance analysis of continuous garlic upright planting device[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(4): 23－27, 39. (in Chinese with English abstract)

[8]Zhang Zhaolei, Geng Aijun, Yang Jianning, et al. Design and test of the semi-automatic test-bed with inclined belt of garlic transplanting machine[J]. American Journal of Plant Sciences, 2015, 6(19): 3298－3305.

[9]Brajesh N, Shrivastava A K, Rajesh K N, et al. Design, Development and Evaluation of Self-Propelled Garlic (Allium Sativum L.) Clove Planter[D]. Jabalpur: College of Agricultural Engineering Jabalpur, 2010.

[10]Devesh K, Jitendra K, Kamal K. Studies and performance of a garlic planter in Uttar Pradesh[J]. International Journal of Agricultural Engineering, 2017, 10(1): 228－233.

[11]耿愛軍，栗曉宇，侯加林，等. 自動定向大蒜播種機(jī)的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(11)：17－25.

Geng Aijun, Li Xiaoyu, Hou Jialin, et al. Design and experiment of automatic directing garlic planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 17－25. (in Chinese with English abstract)

[12]Zhang D Q, Wu Y J, Zhang C K. Vertical planting structure design for planter[C]// Applied Mechanics and Materials. Trans Tech Publications, 2014: 87－90.

[13]林悅香，尚書旗，楊然兵，等. 大蒜直立播種機(jī)設(shè)計[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2013，35(10)：87－89，94.

Lin Yuexiang, Shang Shuqi, Yang Ranbing, et al. The design of upright garlic planter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013, 35(10): 87－89, 94. (in Chinese with English abstract)

[14]韓秋燕，王小瑜，郝杰，等. 插穴式自動定向大蒜播種機(jī)的設(shè)計研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016，38(7)：172－175.

Han Qiuyan, Wang Xiaoyu, Hao Jie, et al. Design research of plug-hole automatic orientation garlic planting machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(7): 172－175. (in Chinese with English abstract)

[15]張麗芬. 大蒜種植機(jī)械蒜瓣方向識別與系統(tǒng)設(shè)計-基于PLC控制技術(shù)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(8)：228－230.

Zhang Lifen. Planting garlic covers machine PLC control technology and system design-based on the direction identification[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(8): 228－230. (in Chinese with English abstract)

[16]侯加林，黃圣海，牛子孺，等. 大蒜正頭裝置調(diào)頭機(jī)理分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2018，49(11)：87－96.

Hou Jialin, Huang Shenghai, Niu Ziru, et al. Mechanism analysis and test of adjusting garlics upwards using two duckbill devices[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(11): 87－96. (in Chinese with English abstract)

[17]胡建平，潘杰，張晨迪，等. 行星輪栽植機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2018，49(11)：78－86.

Hu Jianping, Pan Jie, Zhang Chendi, et al. Optimization design and experiment on planetary gears planting mechanism of self-propelled transplanting machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(11): 78－86. (in Chinese with English abstract)

[18]張曉龍，伍德林，吳崇友，等. 鴨嘴式缽苗移栽機(jī)的設(shè)計和試驗研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(3)：134－138，143.

Zhang Xiaolong, Wu Delin, Wu Chongyou, et al. Design and experimental study of duckbill type transplanting machine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(3): 134－138, 143. (in Chinese with English abstract)

[19]焦灝博，劉姣娣，曹衛(wèi)彬. 鴨嘴開合控制機(jī)構(gòu)張角誤差分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40(10)：18－23，268.

Jiao Haobo, Liu Jiaodi, Cao Weibin. Analysis and optimization of the duckbill opening angle error of the transplanting mechanism[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(10): 18－23, 268. (in Chinese with English abstract)

[20]金誠謙，袁文勝，吳崇友，等. 大蒜播種時鱗芽朝向?qū)Υ笏馍L發(fā)育影響的試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(4)：155－158.

Jin Chengqian, Yuan Wensheng, Wu Chongyou, et al. Experimental study on effects of the bulbil direction on garlic growth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(4): 155－158. (in Chinese with English abstract)

[21]崔榮江，張華，徐文藝，等. 大蒜種體入土后的直立栽種條件研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015，37(2)：83－86.

Cui Rongjiang, Zhang Hua, Xu Wenyi, et al. Discussion on the present situation and development of garlic mechanized production in China[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2015, 37(2): 83－86. (in Chinese with English abstract)

[22]姬江濤，楊林輝，金鑫，等. 行星輪系滑道式缽苗栽植機(jī)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(18)：83－92.

Ji Jiangtao, Yang Linhui, Jin Xin, et al. Design and parameter optimization of planetary gear-train slip type pot seedling planting mechanism[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 83－92. (in Chinese with English abstract)

[23]陳建能，夏旭東，王英，等. 缽苗在鴨嘴式栽植機(jī)構(gòu)中的運動微分方程及應(yīng)用試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(3)：31－39.

Chen Jianneng, Xia Xudong, Wang Ying, et al. Motion differential equations of seedling in duckbilled planting nozzle and its application experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 31－39. (in Chinese with English abstract)

[24]Ahmad A, Alkharfy K M, Wani T A, et al. Application of Box–Behnken design for ultrasonic-assisted extraction of polysaccharides from Paeonia emodi[J]. International journal of biological macromolecules, 2015, 72: 990－997.

[25]Araujo F M, Santos M D, de Oliveira M A, et al. Box-Behnken design applied to optimize the ultrasound-assisted extraction of petroleum biomarkers in river sediment samples using green analytical chemistry[J]. Analytical Methods, 2017, 9(40): 5859－5867.

[26]宋占華，宋華魯，耿愛軍，等. 棉花秸稈雙支撐切割性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(16)：37－45.

Song Zhanhua, Song Hualu, Geng Aijun, et al. Experiment on cutting characteristics of cotton stalk with double supports[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(16): 37－45. (in Chinese with English abstract)

[27]嚴(yán)偉，胡志超，吳努，等. 鏟篩式殘膜回收機(jī)輸膜機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(1)：17－24.

Yan Wei, Hu Zhichao, Wu Nu, et al. Parameter optimization and experiment for plastic film transport mechanism of shovel screen type plastic film residue collector[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 17－24. (in Chinese with English abstract)

[28]Kamarudin NB, Sharma S, Gupta A, et al. Statistical investigation of extraction parameters of keratin from chicken feather using Design-Expert[J]. 3 Biotech. 2017, 7(2): 127.

[29]Duangjit S, Chairat W, Opanasopit P, et al. Application of Design Expert for the investigation of capsaicin-loaded microemulsions for transdermal delivery[J]. Pharmaceutical development and technology. 2016, 21(6): 698－705.

[30]Peláez JI, Gomez-Ruiz JA, Fornari J, et al. Automatic identification of characteristic points related to pathologies in electrocardiograms to design expert systems[J]. Soft Computing. 2019, 23(12): 4207－4219.

Optimization and experiment of planting perpendicularity of planetary wheel garlic planter

Li Tianhua1,2, Huang Shenghai3, Niu Ziru1,2, Hou Jialin1,2※, Wu Yanqiang1,2, Li Yuhua1,2

(1.,,271018,; 2.,271018,; 3.,,100089,)

In the implantation process of garlic mechanized seeding, under the strong coupling among garlic seeds, soil and parts touching it, the verticality of adjusted garlic seeds is very easy to reduce again, thus affecting the final garlic output and garlic quality. How to ensure that garlic seeds are planted in an upward vertical direction has become a key technology to be solved. To solve this problem, this paper took the planetary wheel garlic planter designed in the early stage as the research object, introduced its structure and working principle in combination with the whole garlic planter, realized the adjustment of the opening and speed ratio of the inserting duckbill by processing the cams of different planters, and changed the opening phase angle of the inserting duckbill by adjusting the circumferential position of the cams installed in the machine. Based on the establishment of garlic inserting seed model and the analysis of the process, the tip motion equation of the duckbill was established and imported into CAXA software to generate the movement track. Through the analysis of the movement track under different parameters, it is clear that the key factors that affect the verticality of garlic seeds after planting are the linear speed of the inserting duckbill, the opening phase angle and the ratio of the opening angle of spigot duck's beak to the center angle corresponding to the cam convex section (the opening and speed ratio). In order to verify the correctness of the theoretical analysis, a garlic planting test-bed was developed, and the indoor experiment of Cangshan garlic planting was carried out. Through the single factor experiment, it was determined that the value range of the linear speed of the duckbill was 200-500 mm/s, the range of the opening phase angle was 0-20°, and the range of the opening and speed ratio was 1-2. In order to obtain the optimal parameters of these three factors, the Box-Benhnken central composite test method was used to design the linear velocity, opening phase angle and opening velocity ratio of the spilt duck's beak by three factors and three levels quadratic regression test. The sowing test was carried out, and the response surface mathematical model was established by using Design-expert software. The key parameters affecting the verticality were comprehensively optimized. The optimal working parameters are as follows, the linear speed is 200 mm/s, the opening phase angle is 20°, the opening and speed ratio is 2. In order to verify the performance of the inserter using the optimized parameters, field experiments were carried out. The results showed that the average vertical degree of garlic seeds in the optimal parameter operation was 63.2°, which was 21.8% higher than that before. It not only met the requirements of garlic planting vertical degree, but also further improved the integration of agricultural machinery and agronomy, which improved the guarantee for large-scale mechanized vertical sowing of garlic.

agricultural machinery; garlic seeder; planetary wheel; perpendicularity; keep posture planting

李天華，黃圣海，牛子孺，侯加林，吳彥強(qiáng)，李玉華. 行星輪式大蒜插播機(jī)播種直立度優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(3)：37－45.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.005 http://www.tcsae.org

Li Tianhua, Huang Shenghai, Niu Ziru, Hou Jialin, Wu Yanqiang, Li Yuhua. Optimization and experiment of planting perpendicularity of planetary wheel garlic planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(3): 37－45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.005 http://www.tcsae.org

2019-06-05

2019-11-18

國家特色蔬菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-24-D-01）、山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目（2017YF001）、山東省農(nóng)業(yè)重大應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新項目（SD2019NJ004）、山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新團(tuán)隊項目（SDAIT-05-11）

李天華，博士，副教授，主要從事智能農(nóng)機(jī)裝備的研究。Email：lth5460@163.com。

侯加林，博士，教授，主要從事智能農(nóng)機(jī)裝備的研究。Email：jlhou@sdau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.03.005

S223.2+3

A

1002-6819(2020)-05-0037-09