侯加林，劉全程，李天華，李玉華，婁 偉，耿愛軍※

（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(shí)驗(yàn)室，泰安 271018；3.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，泰安 271018）

0 引 言

大蒜是中國的重要經(jīng)濟(jì)作物，其種植面積、產(chǎn)量及外貿(mào)出口量均居世界首位[1-2]。大蒜機(jī)械化播種具有省工、高效、保農(nóng)時(shí)的優(yōu)點(diǎn)[3-6]，但是現(xiàn)有的播種機(jī)械工作時(shí)易出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。機(jī)械化播種作為大蒜全程機(jī)械化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，開展基于大蒜“一穴一?！狈N植農(nóng)藝要求[7]的單粒取種技術(shù)研究，是當(dāng)前大蒜播種機(jī)械化發(fā)展的重要方向。

栗曉宇等[8-9]提出利用蒜種盒來播種大蒜，需人工將蒜種置于種盒，自動(dòng)化程度低；李瑞川等[10]研制的WZ-4型大蒜種植機(jī)與孫雪[11]設(shè)計(jì)的大蒜播種機(jī)采用扇形轉(zhuǎn)筒實(shí)現(xiàn)單粒取種；梁開星[12]設(shè)計(jì)了一種氣吸式單粒取種裝置，并發(fā)現(xiàn)取種吸盤無法較好適應(yīng)蒜種復(fù)雜外形特征是造成蒜種漏取的主要原因。侯加林等[13]采用“取多留一”的設(shè)計(jì)原則，研制了爪式循環(huán)單粒取種裝置，取種爪容種空間的縮小能將多余蒜種清離只保留一粒蒜種，易造成傷種。李玉華等[14]提出了輪勺式單粒排種裝置，取種勺與異形面結(jié)構(gòu)的取種輪構(gòu)成容種空腔，漏充率較高。目前，勺鏈?zhǔn)饺》N的方式在大蒜播種機(jī)應(yīng)用最廣泛[15]，在其他大籽粒種子播種機(jī)中也有廣泛應(yīng)用[16-18]。但是通過取種勺從大蒜種群中主動(dòng)提取一粒蒜種，具有一定盲目性，且易產(chǎn)生漏充、重種，需要從研究種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律和改進(jìn)取種方式方面入手，使取種勺取種具有目標(biāo)性，從而提高充種性能。近年離散單元法作為仿真顆粒物料運(yùn)動(dòng)和機(jī)械特征可靠的數(shù)值技術(shù)[19-20]，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域等獲得廣泛應(yīng)用[21-27]。

本研究設(shè)計(jì)了雙充種室大蒜單粒取種裝置，并進(jìn)行理論分析，確定關(guān)鍵部件參數(shù)，闡明雙充種室結(jié)構(gòu)提高取種單粒合格率，降低蒜種漏充的機(jī)理。利用EDEM軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)，分析種群運(yùn)動(dòng)規(guī)律及不同參數(shù)對(duì)充種性能的影響，得到第二充種室內(nèi)充入蒜種與被清掉蒜種的速度變化關(guān)系，采用 Box-Behnken中心組合試驗(yàn)[28]得出最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

雙充種室大蒜單粒取種裝置主要由第一充種室、傳動(dòng)軸、傳動(dòng)鏈、鏈輪、取種勺、護(hù)種板、第二充種室、導(dǎo)種口等部件組成，如圖1a所示。傳動(dòng)鏈兩端分別設(shè)有鏈輪，由傳動(dòng)軸輸出動(dòng)力。工作過程主要分為一次充種，運(yùn)移，投種，二次充種，重力清種和排種 6個(gè)串聯(lián)作業(yè)階段，如圖1b所示。

作業(yè)時(shí)，傳動(dòng)鏈帶動(dòng)一級(jí)取種勺從第一充種室內(nèi)舀取蒜種，蒜種在自身重力、周圍蒜種群作用力及取種勺作用力的共同作用下充入一級(jí)取種勺，一級(jí)取種勺舀取蒜種運(yùn)移至頂端翻越鏈輪，離心力作用下蒜種被拋送進(jìn)入第二充種室，二級(jí)取種勺舀取蒜種，通過協(xié)調(diào)一、二級(jí)取種勺速度，保證第二充種室內(nèi)蒜種的數(shù)量不少于 1粒，若蒜種數(shù)量超過1粒，則1粒蒜種在第二充種室的取種勺內(nèi)，其余蒜種疊放于二級(jí)取種勺內(nèi)蒜種的上側(cè)，呈現(xiàn)上下層疊有序擺放姿態(tài)，二級(jí)取種勺帶動(dòng)蒜種運(yùn)移出第二充種室，上層多余蒜種平衡狀態(tài)被打破，在重力作用下回落到蒜種箱，完成清種，二級(jí)取種勺經(jīng)導(dǎo)種口處完成蒜種單粒投放。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取種勺

取種勺的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要取決于蒜種尺寸及充種后蒜種的附著姿態(tài)，蒜種在取種勺內(nèi)的附著姿態(tài)可以為平躺、側(cè)臥、站立3種姿態(tài)，如圖2所示。

研究表明[29]，蒜種穩(wěn)定充入取種勺的姿態(tài)分布概率與其附著姿態(tài)的水平截面積成正相關(guān)，且概率總和為 1。平躺、站立姿態(tài)下的投影截面近似為橢圓形和扇形，滿足如下關(guān)系：

式中S1為蒜種平躺姿態(tài)下水平截面積，mm2；S2為蒜種側(cè)臥姿態(tài)下水平截面積，mm2；S3為蒜種站立姿態(tài)下水平截面積，mm2；下標(biāo)0表示各尺寸的平均值。

選取山東省內(nèi)種植范圍較廣且尺寸等級(jí)不同的 3類供試大蒜品種（金鄉(xiāng)、蒼山、白橋大蒜），人工清選后，對(duì)每個(gè)品種隨機(jī)抽取 500粒大蒜測(cè)量。利用三豐573-181-20型數(shù)顯游標(biāo)卡尺（量程100 mm，精度0.02 mm）測(cè)量供試蒜種的長度l，寬度w，厚度t并計(jì)算平均值，得到 3種供試大蒜平均長度l0分別為 32.48、34.26和33.83 mm，平均寬度w0分別為18.94、18.68和20.26 mm，平均厚度t0分別為21.08、20.34和21.45 mm，選擇厚度尺寸作為分級(jí)依據(jù)[30]，將供試大蒜分為 3個(gè)等級(jí)，其中Ⅱ級(jí)大蒜的占比最高，分別達(dá)到60.2%、75.2%和68.4%，具體結(jié)果如表1所示。

表1 蒜種尺寸區(qū)間Table 1 Overall dimension of garlic seeds

以金鄉(xiāng)大蒜為例，結(jié)合式（1）計(jì)算得平躺姿態(tài)下水平截面積最大，并根據(jù)最小勢(shì)能原理[4,6]，將平躺姿態(tài)作為主要尺寸的設(shè)計(jì)依據(jù)，為保證取種勺能容納 1粒平躺姿態(tài)的蒜種，取種勺開口長徑D1應(yīng)大于蒜種平均長度l0，為避免 2粒站立姿態(tài)的蒜種同時(shí)充入取種勺，取種勺開口長徑D1應(yīng)小于2粒蒜種的平均寬度w0之和；為保證蒜種重心在取種勺內(nèi)，取種勺深度H應(yīng)大于蒜種平均厚度t0的一半，小于平均長度l0的一半，參照經(jīng)驗(yàn)公式[29]取種勺結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)應(yīng)滿足：

式中k1為取種勺開口長徑調(diào)節(jié)系數(shù)，取 1～1.3；k2為取種勺開口短徑調(diào)節(jié)系數(shù)，取1.1～1.3；k3為深度調(diào)節(jié)系數(shù)，取 0.5～0.6；根據(jù)式（2）確定取種勺開口長徑、開口短徑和深度分別為35、22和12 mm。

取種勺分布采用傳動(dòng)鏈與一、二級(jí)取種勺前后串聯(lián)排列的布置方式，如圖1b所示。參考國內(nèi)外相關(guān)機(jī)型傳動(dòng)鏈傾角一般設(shè)置60°～90°，本文為減小取種裝置空間結(jié)構(gòu)和便于蒜種投放，預(yù)試驗(yàn)后確定第一充種區(qū)內(nèi)傳動(dòng)鏈傾角為 70°，第二充種室內(nèi)傳動(dòng)鏈傾角為 65°。理想狀態(tài)下，單位時(shí)間內(nèi)第二充種室內(nèi)傳動(dòng)鏈取種勺轉(zhuǎn)過的數(shù)量等于所投蒜種的數(shù)量，即：

式中v0為播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s；v2為第二充種室內(nèi)傳動(dòng)鏈線速度，m/s；l為第二充種室傳動(dòng)鏈取種勺間距，mm；L為蒜種種植間距，mm；山東地區(qū)大蒜種植間距L為80～110 mm，播種機(jī)前進(jìn)速度v0為0.06～0.14 m/s[13,15]，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[31]選用滾子鏈（鏈號(hào) 12A，節(jié)距19.05 mm），取種勺安裝于傳動(dòng)鏈上，取種勺間距為 8個(gè)鏈節(jié)（152.4 mm），將上述參數(shù)帶入式（3），計(jì)算二級(jí)傳動(dòng)鏈線速度，得到二級(jí)取種勺速度為0.08～0.25 m/s。

2.2 第一充種室

第一充種室具體結(jié)構(gòu)包括種箱（45#鋼）、取種勺（樹脂）、T型連接鏈板、分流板、鏈輪等部件，如圖3a所示。T型連接鏈板用于固定連接一級(jí)傳動(dòng)鏈和取種勺，結(jié)合取種勺尺寸確定凸出板節(jié)的長度為7 mm，寬度為5 mm。分流板位于兩行傳動(dòng)鏈之間固定安裝在隔板上，長度為120 mm。

一級(jí)取種勺經(jīng)鏈輪Ⅰ進(jìn)入種箱后舀取蒜種，以充入一級(jí)取種勺單粒蒜種為研究對(duì)象，以蒜種質(zhì)心為原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，x方向與慣性離心力同向，y方向垂直于慣性離心力，如圖3b所示，蒜種的受力滿足如下關(guān)系：

慣性離心力和蒜種與取種勺摩擦力滿足如下關(guān)系：

式中μ為蒜種與取種勺摩擦系數(shù)，通過試驗(yàn)測(cè)定μ=0.46。

慣性離心力與支持力夾角的余角滿足如下關(guān)系：

結(jié)合式（4）～式（6）計(jì)算得如下關(guān)系：

由式（7）可知，一級(jí)傳動(dòng)鏈線速度與種群橫向合壓力、縱向合壓力有關(guān)。種群橫向合壓力和縱向合壓力與種層厚度及流動(dòng)特性有關(guān)；當(dāng)蒜種的充種位置α一定時(shí)，種群橫向合壓力和縱向合壓力增加，線速度隨之增大。

取種勺攜帶蒜種翻越鏈輪進(jìn)入投種區(qū)，如圖3c所示，蒜種與一級(jí)取種勺間保持相對(duì)平衡且不被甩離的臨界條件應(yīng)滿足如下關(guān)系：

由于第一充種室結(jié)構(gòu)一定，參考鏈輪標(biāo)準(zhǔn)選擇鏈輪半徑為40 mm，種勺旋轉(zhuǎn)角為30°～100°，結(jié)合式（5）求解一級(jí)取種勺翻越鏈輪Ⅱ最大臨界速度為0.76 m/s，取種勺速度過快不宜充種[13-17]，參照取種勺布置方式和二級(jí)取種勺的速度范圍，保證第二充種室內(nèi)蒜種的數(shù)量不少于1粒，確定一級(jí)取種勺間距為二級(jí)取種勺間距的一半，其間距為4個(gè)鏈節(jié)（76.2 mm），一級(jí)傳動(dòng)鏈線速度即一級(jí)取種勺速度為0.08～0.25 m/s。

根據(jù)農(nóng)業(yè)物料學(xué)理論，以種箱底部和側(cè)壁相交處為起始點(diǎn)，蒜種休止角斜邊延長線與種箱側(cè)壁的接觸點(diǎn)到種箱底部的距離遠(yuǎn)小于種層厚度，因此模型定義為深倉型[32]，種箱為不規(guī)則形狀，為便于分析與計(jì)算，將其簡化成半徑為150 mm的圓柱體，取種箱內(nèi)微小物料層dj，橫截面積為A，周長為C，物料層受力由垂直壓應(yīng)力σ1和水平壓應(yīng)力σ2組成，蒜種的受力平衡方程為

對(duì)式（9）兩端積分，代入初始條件y=0，σ1=0得

式中fs為蒜種與種箱（45#鋼）的摩擦系數(shù)，試驗(yàn)測(cè)定為0.47；γ為蒜種的重度，kN/m3；K為壓力比；j為種層厚度，cm；Φr為蒜種的休止角，(°)；計(jì)算A/C=0.075 m，基于前期研究[30,33]，蒜種容重8.16 kN/m3，將蒜種休止角為26.51°代入式（10），確定壓力比K為 0.383。應(yīng)用 MATLAB求解式（11）獲得蒜種層厚度與應(yīng)力關(guān)系圖，如圖4所示。隨種層厚度增加，垂直壓應(yīng)力和水平壓應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)種層厚度≥150 mm，壓應(yīng)力逐漸減緩趨于水平，結(jié)合種箱空間尺寸，確定種層厚度范圍為150～550 mm（滿倉）。

2.3 第二充種室

第二充種室是保證降低漏充率關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，主要由鏈條傳輸通道和容種通道及毛刷組成，如圖5所示。容種通道安裝于護(hù)種板下側(cè)保證順利承接蒜種，依據(jù)二級(jí)取種勺的間距確定容種通道的長度為130 mm，為保證容種通道內(nèi)同一平面只有 1粒蒜種，依據(jù)取種勺開口長徑尺寸確定直徑為36 mm。依據(jù)選取的12A型鏈條尺寸，鏈條傳輸通道的寬度和長度分別設(shè)計(jì)為20和30 mm。毛刷設(shè)置在鏈條傳輸通道和容種通道交界處，二級(jí)取種勺運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)與毛刷產(chǎn)生摩擦，為增加使用壽命，選用厚度規(guī)格為5 mm的毛刷。

作業(yè)時(shí)，在一級(jí)取種勺無重種和無連續(xù)漏取蒜種的理想狀態(tài)下，二級(jí)取種勺從初始位置向上運(yùn)行。一級(jí)取種勺在第一充種室內(nèi)連續(xù)取種 2次，第一次漏取蒜種，第二次單粒取種；第一次投放后，二級(jí)取種勺在第二充種室內(nèi)為無蒜種，第二次投放后，二級(jí)取種勺承接單粒蒜種，如圖6a所示。一級(jí)取種勺在第一充種室內(nèi)連續(xù)取種 2次，第一次單粒取種，第二次漏取蒜種；第一次投放后，二級(jí)取種勺在第二充種室內(nèi)承接到單粒蒜種，第二次投放后，二級(jí)取種勺內(nèi)沒有蒜種充入，實(shí)現(xiàn)單粒播種，如圖6b所示。一級(jí)取種勺在第一充種室內(nèi)連續(xù)2次單粒取種，2次投放后，二級(jí)取種勺在第二充種室內(nèi)承接到目標(biāo)蒜種和多余蒜種，如圖6c所示。

針對(duì)工況3，需清掉多余蒜種，保留目標(biāo)蒜種，在毛刷作用下，多余蒜種處于不穩(wěn)定的“波動(dòng)”狀態(tài)，在容種通道內(nèi)產(chǎn)生相對(duì)滑移，多余蒜種向遠(yuǎn)離毛刷的方向移動(dòng)，蒜種在容種通道內(nèi)的受力方程為

式中Ni（i=1，2）為毛刷和目標(biāo)蒜種對(duì)多余蒜種的支持力，N；fi（i=1，2）為毛刷和目標(biāo)蒜種對(duì)多余蒜種的摩擦力，N；ai為多余蒜種的加速度，m/s2；MO3為多余大蒜所受力對(duì)蒜種間接觸點(diǎn)O3產(chǎn)生的力矩，N·m；Δω/Δt為多余蒜種的角加速度，rad/s2。

多余蒜種在容種通道內(nèi)經(jīng)過“波動(dòng)”后達(dá)到短暫平衡狀態(tài)，當(dāng)一級(jí)取種勺攜帶蒜種離開容種通道后，多余蒜種的平衡狀態(tài)被打破，在自身重力作用下落入種箱實(shí)現(xiàn)清種。結(jié)合預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，一、二級(jí)取種勺速度設(shè)置不同，第二充種室內(nèi)二級(jí)取種勺在容種通道承接蒜種位置則不同，清種效果也不同，本文定義一級(jí)取種勺速度與二級(jí)取種勺速度的比值為取種速比，根據(jù)一、二級(jí)取種勺速度的范圍，確定取種速比為0.5～1。

3 EDEM離散元仿真

綜上分析，確定一級(jí)取種勺速度（0.08～0.25 m/s）、種層厚度（150～550 mm）和取種速比（0.5～1）為主要影響因素；為了進(jìn)一步優(yōu)化參數(shù)，采用EDEM軟件進(jìn)行離散元單因素試驗(yàn)仿真分析。

3.1 仿真模型

為便于分析，減少計(jì)算量，將雙充種室大蒜單粒取種裝置三維模型精簡后以.igs格式導(dǎo)入 EDEM軟件中。以金鄉(xiāng)大蒜為研究對(duì)象，根據(jù)測(cè)量尺寸，采用多球面填充方式建立蒜種顆粒模型，選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型作為顆粒間及顆粒與取種裝置間的接觸模型，蒜種顆粒與種箱（45#鋼）碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.427，0.473和0.203；蒜種顆粒與取種勺（樹脂）碰撞恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)和滑動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.432，0.466和0.214，基本仿真參數(shù)如表2所示[6,13,34]。采用Random分布隨機(jī)生成蒜種，分布系數(shù)為蒜種模型大小的0.9～1.1倍。傳動(dòng)鏈帶動(dòng)取種勺運(yùn)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)蒜種充種的動(dòng)作主要應(yīng)用Add Kinematic模塊中的Add Linear Translation和Add Linear Rotation指令。

表2 離散元模型基本仿真參數(shù)Table 2 Basic parameters of discrete element model

3.2 試驗(yàn)因素與評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)參考《GB/T6973—2005單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[35]和《DB37/T3705—2019大蒜播種機(jī)通用技術(shù)規(guī)范》[36]，為便于觀察仿真過程中蒜種運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)置取種裝置以實(shí)體模型形式顯示。

單粒合格率、漏充率、重播率計(jì)算方法如下：

式中N1為取種勺內(nèi)只有1粒蒜種；N0為取種勺投放蒜種的總次數(shù)。

式中N2為取種勺內(nèi)沒有蒜種。

式中N3為取種勺內(nèi)有2?；?粒以上蒜種。

3.3 單因素仿真試驗(yàn)

3.3.1 一級(jí)取種勺速度對(duì)充種性能的影響

研究一級(jí)取種勺速度為0.07、0.10、0.13、0.16、0.19、0.22、0.25 m/s情況下對(duì)各指標(biāo)的影響，需固定種層厚度值。由于種層過厚重播率增加，過低漏充率增加，因此仿真設(shè)置生成種層厚度為350 mm。動(dòng)態(tài)顆粒工廠蒜種的生產(chǎn)率分別設(shè)置為 0.02、0.028、0.036、0.044、0.052、0.06、0.068 kg/s，維持不同取種勺速度取種后種層厚度的穩(wěn)定。記錄穩(wěn)定工作狀態(tài)下100次一級(jí)取種勺取種過程，重復(fù)3次，結(jié)果取均值，應(yīng)用后處理 Setup Selections模塊下的Geometry Bin，輸出7個(gè)水平沿傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)方向下與接觸傳動(dòng)鏈蒜種群的平均速度，結(jié)果如圖7所示。隨著一級(jí)取種勺速度增大，種群的平均速度變大，漏充率先降后升，重播率降低；當(dāng)一級(jí)取種勺速度為0.13 m/s時(shí)，漏充率較低。一級(jí)取種勺速度較小時(shí)，接觸傳動(dòng)鏈蒜種群與一級(jí)取種勺的速度差值小，種群活躍度低，重播率高；一級(jí)取種勺速度較高時(shí)，充種時(shí)間縮短導(dǎo)致漏充率變高。

一級(jí)取種勺速度為0.13 m/s時(shí)，蒜種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖8所示。由圖可知，一級(jí)取種勺攜帶蒜種向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，沿傳動(dòng)鏈運(yùn)動(dòng)方向的蒜種群被攪動(dòng)，向種箱邊緣區(qū)域流動(dòng)（狀態(tài) 1），該區(qū)域種群速度小于一級(jí)取種勺速度，產(chǎn)生一定速度差，保持種群流動(dòng)性；當(dāng)一級(jí)取種勺離開種群后，種群活躍度增加，位于種箱邊緣區(qū)域的蒜種呈現(xiàn)迅速回填趨勢(shì)（狀態(tài)2），蒜種孔隙率降低，充種性能提高。

3.3.2 種層厚度對(duì)充種性能的影響

根據(jù)一級(jí)取種勺速度對(duì)充種性能的影響分析，取一級(jí)取種勺速度為0.13 m/s，種層厚度設(shè)置為150、250、350、450、550 mm共5個(gè)水平分析種層厚度對(duì)充種性能的影響。設(shè)置動(dòng)態(tài)顆粒工廠以生產(chǎn)率0.036 kg/s生成下落蒜種，維持取種時(shí)種層厚度的穩(wěn)定。結(jié)果如表3所示。由表3可知，隨著種層厚度的增加，單粒合格率先增大后減小，漏充率逐漸減小，重播率逐漸增加；當(dāng)種層厚度過低時(shí)，漏充率增大且出現(xiàn)了連續(xù)漏充的現(xiàn)象，不利于第二充種室的充種。綜合比較，較優(yōu)種層厚度為350 mm。

表3 不同種層厚度的評(píng)價(jià)指標(biāo)仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of evaluation indicator for different seed layer thicknesses

3.3.3 取種速比對(duì)充種性能的影響

根據(jù)一級(jí)取種勺速度、種層厚度對(duì)充種性能的影響分析，取一級(jí)取種勺速度為0.13 m/s，種層厚度為350 mm；二級(jí)取種勺速度選0.13、0.15、0.17、0.20和0.25 m/s，對(duì)應(yīng)取種速比分別為 1.00、0.88、0.76、0.64和 0.52，以下落至第二充種室目標(biāo)蒜種和多余蒜種為研究對(duì)象進(jìn)行仿真試驗(yàn)，應(yīng)用EDEM后處理Setup Selections模塊下Manual Selection功能，輸出不同取種速比下蒜種的平均速度。

一級(jí)取種勺將蒜種投放進(jìn)入第二充種室的容種通道內(nèi)，下落蒜種的速度逐漸增大并到達(dá)峰值，傳動(dòng)鏈帶動(dòng)二級(jí)取種勺上升并承接到下落的蒜種，此時(shí)蒜種速度驟降，穩(wěn)定后同二級(jí)取種勺勻速向上運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程如圖9所示。取種速比較小時(shí)，蒜種與二級(jí)取種勺的接觸時(shí)間短，二級(jí)取種勺攜帶蒜種在容種通道時(shí)間增長。

圖10為不同速比下被清掉多余蒜種的速度變化曲線，由圖10可知，當(dāng)取種速比為0.52時(shí)，1.85～2.4 s為多余蒜種與目標(biāo)蒜種一同疊放在二級(jí)取種勺向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段，此過程時(shí)間長，多余蒜種的速度處于較為穩(wěn)定的階段，清種能力較弱；當(dāng)取種速比為0.76時(shí)，1.96～2.08 s為多余蒜種與目標(biāo)蒜種一同疊放在二級(jí)取種勺內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的時(shí)間段，此過程多余蒜種的速度呈現(xiàn)波動(dòng)，表明多余蒜種處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，易被清掉，2.08～2.36 s為多余蒜種被清掉回落到種箱的時(shí)間段，曲線呈現(xiàn)“雙峰”狀態(tài)，清種效果較優(yōu)；當(dāng)取種速比為1時(shí)，沒有多余蒜種和目標(biāo)蒜種疊放在二級(jí)取種勺內(nèi)向上運(yùn)動(dòng)的過程，表明此取種速比下，多余蒜種未充入第二充種室，若此時(shí)一級(jí)取種勺內(nèi)沒有蒜種投放，第二充種室內(nèi)出現(xiàn)漏充現(xiàn)象。

4 臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

為了測(cè)試取種裝置性能，采用自制的試驗(yàn)臺(tái)架在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)107實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，如圖11所示。試驗(yàn)材料選擇山東地區(qū)廣泛種植的金鄉(xiāng)大蒜，蒜種含水率為48.7%，單粒蒜種質(zhì)量為4.5～9 g。取種裝置固定在安裝架上，交流齒輪調(diào)速電機(jī)（轉(zhuǎn)速0～54 r/min連續(xù)可調(diào)）通過交流調(diào)速器控制一二級(jí)取種勺速度，單粒合格率、漏充率、重播率之和為 100%[14]，已知單粒合格率、漏充率，可求得重播率，取種裝置設(shè)計(jì)的核心目是提高蒜種單粒合格率減少漏充率，因此以單粒合格率和漏充率作為衡量取種裝置工作性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，待取種裝置工作穩(wěn)定后，統(tǒng)計(jì)取種裝置上二級(jí)取種勺500次投種情況，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，結(jié)果取均值。

4.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)前期試驗(yàn)，選擇一級(jí)取種勺速度X1、取種速比X2、種層厚度X3為試驗(yàn)因素，依據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法[28]，進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素和水平如表4所示。

表4 試驗(yàn)因素和水平Table 4 Factors and levels of test

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)方案及結(jié)果如表5所示，運(yùn)用Design Expert 8.0.6數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合分析，得到蒜種單粒合格率y1、漏充率y2的回歸方程為

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 5 Experiment design and results

試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程的方差分析結(jié)果見表6。由表6得，單粒合格率、漏充率的回歸模型擬合度極顯著（P＜0.01），且各回歸模型失擬項(xiàng)不顯著，表明回歸模型擬合度高；決定系數(shù)分別為0.970 8和0.983 4，表明回歸模型對(duì)樣本數(shù)據(jù)解釋程度高達(dá) 97%以上，模型信噪比分別為 14.491和18.475，均大于4，表明模型較優(yōu)可以用于參數(shù)優(yōu)化。由方差分析知，試驗(yàn)因素對(duì)單粒合格率影響順序依次為X3＞X1＞X2，試驗(yàn)因素對(duì)漏充率的影響順序依次為X1＞X3＞X2。

表6 回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

4.3.2 響應(yīng)面分析

依據(jù)單粒合格率和漏充率回歸模型，將其中2個(gè)試驗(yàn)因素置于0水平，分析其他因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，繪制響應(yīng)面圖，如圖12所示。由圖12a知，種層厚度處于 0水平（350 mm），當(dāng)取種速比一定，單粒合格率隨著一級(jí)取種勺速度的增加先增大后減??；當(dāng)一級(jí)取種勺速度一定，單粒合格率先隨著取種速比的增加先增大后減小。由圖12b知，取種速比處于0水平（0.76），當(dāng)一級(jí)取種勺速度一定，單粒合格率隨著種層厚度的增加先增大后減??；當(dāng)種層厚度一定，單粒合格率隨著一級(jí)取種勺速度的增加先增大后減小。

由圖12d知，種層厚度處于0水平（350 mm），當(dāng)取種速比一定，漏充率隨著一級(jí)取種勺速度的增加先減小后增大；當(dāng)一級(jí)取種勺速度一定，漏充率隨著取種速比的增加先減小后增大。由圖12e知，取種速比處于 0水平（0.76），當(dāng)一級(jí)取種勺速度一定，漏充率隨著種層厚度的增加而減??；當(dāng)種層厚度一定，漏充率隨著一級(jí)取種勺速度的增加先減小后增大。由圖12f知，一級(jí)取種勺速度處于0水平（0.13 m/s），當(dāng)取種速比一定，漏充率隨著種層厚度的增加而減??；當(dāng)種層厚度一定時(shí)，漏充率隨著取種速比的增加先減小后增大。

4.3.3 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了使試驗(yàn)臺(tái)達(dá)到最佳工作性能，對(duì)試驗(yàn)中的影響因素進(jìn)行優(yōu)化，目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

利用Design-Expert軟件對(duì)參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化求解，得到最佳參數(shù)組合：一級(jí)取種勺速度為0.12 m/s、取種速比為0.75、種層厚度為372.68 mm，模型預(yù)測(cè)單粒合格率為95.23%，漏充率為1.17%，重播率為3.6%。播種時(shí)種層厚度實(shí)時(shí)變化，圓整后，一級(jí)取種勺速度取0.12 m/s、取種速比取0.75，以種層厚度最佳值370 mm為中心，10 mm為1個(gè)水平，種層厚度范圍為290～450 mm開展試驗(yàn)，重復(fù) 3次結(jié)果取平均值，其中各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化規(guī)律與圖11反映規(guī)律一致且當(dāng)種層厚度范圍為360～390 mm時(shí)作業(yè)效果最優(yōu)，單粒合格率、漏充率及重播率均值分別為95.38%、1.18%、和3.44%，單粒合格率、漏充率及重播率變異系數(shù)分別為 0.32%、6.11%、4.15%；表明種層厚度在360～390 mm內(nèi)取種裝置的性能差異不大，結(jié)果與模型預(yù)測(cè)結(jié)果相對(duì)誤差小于5%。

4.3.4 蒜種機(jī)械破損率與品種適應(yīng)性試驗(yàn)

選取最優(yōu)工作參數(shù)組合，進(jìn)行蒜種機(jī)械破損率試驗(yàn)，蒜種凈度100%，蒜種外觀無損傷，根據(jù)《DB37/T3705 —2019大蒜播種機(jī)通用技術(shù)規(guī)范》[36]和《GB/T 5262—2008農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)條件》[37]，按式（19）計(jì)算蒜種機(jī)械破損率。

式中Pj為蒜種機(jī)械破損率，%；Py為蒜種原始破損率，%；Wp為導(dǎo)種口排出蒜種樣本中破損蒜種質(zhì)量，g；Wz導(dǎo)種口排出蒜種樣本總質(zhì)量，g。接取從導(dǎo)種口排出的蒜種，每次試驗(yàn)取樣1 000粒大蒜，重復(fù)3次試驗(yàn)，結(jié)果取平均值；人工測(cè)量記錄排出蒜種質(zhì)量均值為5 727.94 g，破損蒜種質(zhì)量均值為 29.79 g，計(jì)算蒜種機(jī)械破損率均值為0.52%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

在人工分選蒜種等級(jí)后，更換不同種類大蒜對(duì)應(yīng)尺寸的取種勺，取種勺采用3D打印，相同試驗(yàn)條件下對(duì)3個(gè)品種大蒜Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級(jí)的蒜種分別進(jìn)行品種適應(yīng)性試驗(yàn)，重復(fù)3次取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 品種適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Results of variety adaptability test

由表7可知，最佳參數(shù)組合條件下，取種裝置對(duì) 3個(gè)品種的大蒜具有較好的適應(yīng)性，各項(xiàng)作業(yè)指標(biāo)差別較小，且3個(gè)大蒜品種中對(duì)Ⅱ級(jí)蒜種適應(yīng)性最好。

4.4 田間試驗(yàn)

將排種器組裝在手扶式大蒜播種機(jī)上，配套動(dòng)力為154F汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。2020年10月，在山東省濟(jì)寧市金鄉(xiāng)縣卜集鎮(zhèn)進(jìn)行田間試驗(yàn)，如圖13所示。試驗(yàn)材料為金鄉(xiāng)大蒜分級(jí)后的Ⅱ類大蒜，試驗(yàn)地土壤類型為壤土，取一級(jí)取種勺速度為0.12 m/s、取種速比為0.75、種層厚度范圍為360～390 mm，種箱內(nèi)壁設(shè)有刻度線，人跟隨機(jī)器一同前進(jìn)，當(dāng)種層厚度低于360 mm的刻度線時(shí)，由人工向種箱內(nèi)添加蒜種，始終保持種層厚度在360～390 mm刻度線以內(nèi)。機(jī)器穩(wěn)定工作后，隨機(jī)選取3組，每組行進(jìn)5 m距離統(tǒng)計(jì)1次插播穴內(nèi)種植情況，取平均值計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)。最佳參數(shù)組合的作業(yè)工況下，單粒合格率為95.85%，漏充率為1.2%，重播率為2.95%，播種效率為0.035～0.055 hm2/h。試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)于臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，單粒合格率和漏充率相對(duì)誤差小于 5%，重播率相對(duì)誤差較高，主要是由于田間作業(yè)時(shí)，土地不平整且機(jī)器作業(yè)相對(duì)于試驗(yàn)臺(tái)架產(chǎn)生的振動(dòng)較大。本研究取種裝置與現(xiàn)有大蒜單粒取種裝置[13-15]的作業(yè)性能對(duì)比如表8所示。由表8可知，雙充種室取種裝置相較于爪式循環(huán)、勺鏈?zhǔn)饺》N裝置[13,15]田間試驗(yàn)的（蒼山大蒜）單粒合格率分別提高2.75%、1.05%，漏充率分別降低2.6%、0.8%，重播率分別降低0.15%、0.25%；相較于輪勺式取種裝置[16]室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)（金鄉(xiāng)大蒜）的單粒合格率提高4.75%，漏充率和重播率分別降低4.3%和0.45%。

表8 取種裝置作業(yè)性能對(duì)比Table 8 Operation performance comparison of seed metering device

5 結(jié) 論

1）設(shè)計(jì)了雙充種室大蒜單粒取種裝置，采用一、二級(jí)取種勺前后串聯(lián)排列的方式，通過離散元仿真軟件EDEM 進(jìn)行了單因素仿真試驗(yàn)，研究一級(jí)取種勺速度、種層厚度參數(shù)對(duì)取種效果的影響，明晰了雙充種室取種、清種的內(nèi)在機(jī)理，確定了合理的取種速比，保證了一、二級(jí)取種勺協(xié)調(diào)取種，使第二充種室內(nèi)蒜種數(shù)量不少于1粒，可有效實(shí)現(xiàn)單粒取種、降低蒜種漏充率。

2）采用Box-Behnken中心組合設(shè)計(jì)方案建立了以單粒合格率和漏充率為評(píng)價(jià)指標(biāo)的響應(yīng)面回歸模型，通過方差分析，得出了一級(jí)取種勺速度、種層厚度、取種速比對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律；圓整后優(yōu)化參數(shù)組合：一級(jí)取種勺速度為0.12 m/s、取種速比為0.75、種層厚度范圍為 360～390 mm，作業(yè)性能最優(yōu)，此時(shí)取種裝置的單粒合格率為95.38%，漏充率為1.18%，重播率為3.44%。

3）蒜種機(jī)械破損率試驗(yàn)表明，蒜種機(jī)械破碎率為0.52%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求；品種適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果表明取種裝置對(duì) 3類供試大蒜中Ⅱ級(jí)蒜種具有較優(yōu)適應(yīng)性；開展了田間試驗(yàn)，田間試驗(yàn)結(jié)果滿足作業(yè)要求，作業(yè)效果優(yōu)于現(xiàn)有爪式循環(huán)、勺鏈?zhǔn)健⑤喩资酱笏鈫瘟Ｈ》N裝置。