舀勺式馬鈴薯播種機排種器清種裝置設計與試驗

呂金慶 王鵬榕 楊曉涵 李紫輝 李季成 衣淑娟

(1.東北農業(yè)大學工程學院， 哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農墾大學工程學院， 大慶 163319)

0 引言

馬鈴薯機械化播種是馬鈴薯全程機械化生產的重要環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)馬鈴薯高產的必經之路。目前我國北方一季作區(qū)主要采用舀勺式馬鈴薯播種機進行播種作業(yè)，但由于清種裝置工作效果不佳，易出現(xiàn)勺內多種和勺間夾種等問題，導致機具播種作業(yè)質量偏低，所以設計并優(yōu)化清種裝置具有重要意義[1-3]。

清種過程是指種勺在離開喂薯區(qū)后，勺內可能有一顆以上的種薯，勺間可能夾帶種薯，此時需要將多余種薯清理掉，使之落回種箱。德國GRIMME公司生產的馬鈴薯播種機排種器清種裝置采用機械式振動清種，振動形式為通過桿條調節(jié)四邊形不規(guī)則凸輪的間歇性振動，工作時易發(fā)生相對滑動，其振動頻率不均，振動效果較差，作業(yè)狀態(tài)不穩(wěn)定；國內部分馬鈴薯播種機采用的振動清種裝置為輸送帶帶動偏心輪轉動，常因工作時間長、摩擦過熱，導致出現(xiàn)輸送帶斷裂等現(xiàn)象[4-7]；青島農業(yè)大學楊紅光等研究的2CM-4型馬鈴薯播種機，可一次性實現(xiàn)開溝、施肥、播種、起壟和覆膜等多項工序，其單鏈排種器上安裝有振動清種裝置，可有效清除勺內多余種薯[8]。

為解決上述問題，本文設計一種清種裝置，由電動機帶動偏心軸套及偏心輪轉動，外部的振動輪隨著輸送帶轉動，有效防止因振動輪與輸送帶內側表面產生滑動摩擦而導致輸送帶斷裂等問題。通過對振動清種和清夾帶種過程的動力學分析，以及彈性引導式清種鼻的彈起曲線分析，采用對比試驗和二次旋轉正交組合試驗的方法，分析各因素對清種效果產生的影響，通過田間試驗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，提升清種效率。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

舀勺式馬鈴薯播種機排種器結構如圖1所示，主要由電動式振動清種裝置、彈性引導式清種鼻、輸送帶及輸送帶驅動輪、種箱等組成。

圖1 排種器結構簡圖Fig.1 Structure diagrams of seeder meter1.種箱 2.輸送帶 3.電動式振動清種裝置 4.彈性引導式清種鼻 5.輸送帶主驅動輪

1.2 工作原理

輸送帶在喂薯區(qū)一側向上運動，種勺依次舀取一或兩顆薯塊，勺間會隨機夾帶不同數(shù)目的薯塊，當輸送帶繼續(xù)向上運動到清種區(qū)時，在直流電機的作用下，振動清種裝置內的偏心輪旋轉，輸送帶與振動凸輪產生均勻振動，并傳遞給安裝于輸送帶外側的種勺，使勺內種薯進行簡諧運動，當勺內含有兩個或兩個以上的種薯時，最上方種薯與輸送帶間的正壓力逐漸減小為零，進而翻轉，落回種箱，實現(xiàn)振動清種功能，而勺間夾帶的種薯隨著輸送帶運動至清種鼻鼻尖處與其碰撞，清種鼻做緩沖回彈運動，在減緩對種薯沖擊力的同時，使種薯回落種箱完成清種作業(yè)，勺內種薯運動到最高點越過主驅動輪后，在重力作用下落于前一個種勺的背上，并繼續(xù)向下運動至投種點，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 關鍵部件設計與結構參數(shù)確定

2.1 電動式振動清種裝置

電動式振動清種裝置實物如圖2所示，主要由微調機構和振幅調節(jié)機構組成。振幅調節(jié)機構由電機支架組合、振動調節(jié)板以及調節(jié)手輪等組成，結構如圖3所示。電機支架組合由特制電機固定裝置、橫筋板以及縱筋板等組成，具有結構簡單、使用周期長等優(yōu)點，振動調節(jié)板和調節(jié)手輪組合具有易安裝、振幅調節(jié)方便等優(yōu)點，振動調節(jié)板固聯(lián)在方管上，調節(jié)板上開有65 mm的長孔，可均勻調節(jié)偏心輪機構與輸送帶間距離來改變振幅，有效提高清種效率。

圖2 電動式振動清種裝置Fig.2 Electric vibration cleaning device

振源采用直流電機帶動偏心輪旋轉，具有頻率穩(wěn)定的優(yōu)點，且拖拉機均有直流電輸出功能，實際作業(yè)時安裝調試相對簡單[9-14]。設計的微調機構結構如圖4所示，工作時可通過微調機構調節(jié)振動清種裝置，使其將輸送帶頂起實現(xiàn)均勻調整振動頻率和振幅的目的，實物如圖5所示。微調機構由直流電機、偏心軸套和振動輪等組成。直流電機與偏心輪同軸安裝，偏心輪安裝在特制的偏心軸套中，可固定偏心距。

圖3 振幅調節(jié)機構結構簡圖Fig.3 Structure diagram of amplitude adjustment mechanism1.直流電機 2.偏心輪 3.電機支架組合 4.振動調節(jié)板 5.調節(jié)手輪

圖4 微調機構結構簡圖Fig.4 Structure diagrams of fine tuning mechanism1.偏心軸套 2.振動輪 3.直流電機

圖5 微調機構Fig.5 Fine tuning mechanism

2.2 電動式振動清種裝置結構參數(shù)的確定

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

圖6 振動清種運動分析Fig.6 Kinematic analysis of vibration seed-clearing

勺內種薯受力為

(1)

式中N1——輸送帶對種薯支持力，N

G——種薯重力，N

Fn——輸送帶對種薯摩擦力，N

Fs——下方種薯對上方種薯摩擦力，N

N——下方種薯對上方種薯支持力，N

β1——下方種薯對上方種薯支持力與X軸夾角，(°)

α——排種器與水平方向夾角，(°)

工作時，種薯沿X軸做簡諧振動，當種薯與輸送帶間正壓力為零時，種薯受到如圖7所示的3個力。

圖7 振動清種動力學分析Fig.7 Dynamics analysis of vibration seed-clearing

位移方程為

S=λsin(ωt)

(2)

式中S——位移，m

ω——振動角頻率，rad/s

t——振動時間，s

λ——振幅，m

對時間t求二階導數(shù)得

ax=-λω2sin(ωt)

(3)

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

(4)

(5)

式中g——重力加速度，m/s2

μ——種薯間摩擦因數(shù)

φd——物料開始跳動的最小相位角，(°)

引入振動強度K，其表達式為

(6)

式中β——振動方向振幅

可得出拋擲指數(shù)

(7)

式中bd——物料跳動指數(shù)

當拋擲指數(shù)等于1時，進行振動清種，得出偏心輪的臨界偏心距

(8)

查閱機械設計手冊選取直流電機轉速為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，實際作業(yè)過程中，由于排種器安裝角度等為固定參數(shù)，常通過調節(jié)清種系統(tǒng)振幅和頻率提高播種作業(yè)質量，頻率反映到試驗時為輸送帶主驅動輪的轉速，根據實際作業(yè)情況，取主驅動輪轉速為33～50 r/min，偏心距過大會導致振動頻率過高，出現(xiàn)勺內無種薯的情況，因此取偏心距為1～3 mm。

2.3 彈性引導式清種鼻

彈性引導式清種鼻結構如圖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，具有結構簡單、種薯損傷率低等優(yōu)點。彈性引導式清種鼻鼻梁彎曲成圖中所示形狀，可適當延長清種鼻作用于種薯的時間，減緩清種鼻對種薯的沖擊力，鼻筋骨表面掛膠處理增大緩沖空間，同時增加清種鼻與種薯的接觸面積，使種薯在整個清種過程中受力均勻，根據實際作業(yè)情況，本文設計的彈性引導式清種鼻縱向長度為468 mm，鼻梁彎折角度設置為146°，鼻筋骨寬為30 mm[15-18]。

圖8 彈性引導式清種鼻結構簡圖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 彈性引導式清種鼻結構參數(shù)的確定

圖9 夾帶種薯運動分析Fig.9 Kinematic analysis of entrained seed potato

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

(9)

式中v——輸送帶速度，m/s

xab——A點到B點X軸方向位移，m

yab——A點到B點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)

由于清夾帶種薯過程中，速度保持不變，有

(15)

式中F1——清種鼻對種薯的推力，N

t1——清夾帶薯所用時間，s

Δv——速度的變化量，m/s

m——單塊種薯質量，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動輪轉速、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°；為使種薯在整個清種過程中受力均勻，根據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)繞在輸送帶上部驅動軸上，因此清種鼻對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所示的極坐標系，模擬一次清種作業(yè)過程中鼻尖的運動軌跡，并結合微分幾何學列出其極坐標方程[24]，取O為輸送帶主驅動軸的軸心，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動軸軸心的距離。

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

由微分幾何學知

(17)

根據設計要求，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θ=0°時，ρ=R+l1，R為輸送帶主驅動軸的半徑，l1為清種鼻與輸送帶水平間距，可得

ρ=(R+l1)enθ

(20)

當θ=π/2時，ρ=R+l2，l2為種勺外端與輸送帶頂端相平齊時，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，設計清種鼻鼻筋骨如圖11所示。

圖11 鼻筋骨結構簡圖Fig.11 Structure diagrams of nasal bone

由實際作業(yè)情況可知，勺間是否夾帶種薯主要與種箱內種薯數(shù)量有關，種薯數(shù)量反映到試驗時為種層高度，根據實際經驗作業(yè)，種層高度為33～100 cm，綜上所述偏心輪的偏心距、輸送帶主驅動輪轉速以及種層高度直接影響清種裝置的工作性能，進而影響播種機的工作質量。

3 田間試驗

3.1 試驗條件

2018年5月，在東北農業(yè)大學阿城示范試驗基地，進行舀勺式馬鈴薯排種器清種裝置的田間試驗。試驗前進行整地作業(yè)，土壤為普通黑土，土壤堅實度為62.6 kPa，土壤含水率為16.8%，滿足農藝要求。播種機的配套動力為59.6 kW拖拉機，試驗品種為東農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，平均質量為24.56 g，平均含水率為74.2%，凈度大于99%，振幅調節(jié)機構如圖12所示，田間作業(yè)及測量過程如圖13所示。

圖12 振幅調節(jié)機構Fig.12 Amplitude adjustment mechanism

圖13 田間試驗Fig.13 Field experiment

3.2 評價指標

參照GB/T 6242—2006《種植機械 馬鈴薯種植機 試驗方法》規(guī)定的試驗方法，考察加裝振動清種和彈性引導式清種鼻裝置的舀勺式馬鈴薯排種器的播種性能，輸送帶每個工作周期所運輸?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、輸送帶主驅動輪轉速和種層高度為試驗因素，漏播率和重播率為試驗指標，進行二次正交旋轉組合試驗，每組試驗重復3次，記錄3次測量平均值；播種后，選取每次播種過程中，一行的4個測量段進行數(shù)據采集，每段測量15個種薯的間距，每兩段相距25 m，計算出重播率和漏播率，根據NY/T 1415—2007《馬鈴薯種植機質量評價技術規(guī)范》中的相關規(guī)定對試驗結果進行分析評定。

3.3 試驗方案及結果分析

3.3.1試驗方案及結果

采用二次旋轉正交組合試驗設計方法安排試驗，以漏播率和重播率為試驗指標，設置各因素的水平范圍為：偏心距選取1～3 mm，輸送帶主驅動輪轉速選取33～50 r/min，根據試驗需求，設計偏心距為1～3 mm的偏心軸套，在種箱內畫出種箱高度刻線，進行試驗時，可通過調整中間傳動裝置改變輸送帶主驅動輪的轉速，達到改變振動頻率的目的[25]，選取試驗所需水平值，進行田間試驗的過程中，可根據不同的實際情況對清種裝置進行調節(jié)。通過試驗，對影響漏播率和重播率的因素進行顯著性分析，根據實際需要對各個參數(shù)組合進行優(yōu)化，由于實際試驗時種層高度無法精確至小數(shù)點后兩位，因此種層高度只保留整數(shù)值，由于加工精度等問題偏心距保留小數(shù)點后一位，試驗因素編碼如表1所示，試驗方案及試驗結果如表2所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Experimental factors and codes

3.3.2試驗結果分析

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行二次回歸分析，并進行多元回歸擬合，得到漏播率Y1、重播率Y22個試驗指標的回歸方程，并檢驗其顯著性。

表2 試驗方案與結果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)

對上述回歸方程進行失擬檢驗，結果如表3所示，試驗指標和試驗因素存在顯著的二次關系，分析結果合理。

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響應曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6軟件對數(shù)據的處理，得出偏心距、輸送帶主驅動輪轉速、種層高度之間的顯著和較顯著交互作用對漏播率、重播率2個試驗指標影響的響應曲面，如圖14、15所示。

對于漏播率Y1，當種層高度達到56 cm時，偏心距和輸送帶主驅動輪轉速的交互作用影響如圖14所示。當偏心距一定時，漏播率Y1整體隨著輸送帶主驅動輪轉速的增加呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢，最優(yōu)的輸送帶主驅動輪轉速范圍為36.5～39.4 r/min；當輸送帶主驅動輪轉速一定時，漏播率Y1整體上與偏心距正相關，最佳距離范圍為1.4～2.0 mm，其中偏心距是影響漏播率Y1的主要試驗因素。

圖14 種層高度為56 cm時因素對漏播率的響應曲面Fig.14 Response surface of missing sowing rate when seed level was 56 cm

圖15 種層高度為56 cm時因素對重播率的響應曲面Fig.15 Response surface of replay rate when seed level was 56 cm

對于重播率Y2，當種層高度達到56 cm時，偏心距和輸送帶主驅動輪轉速的交互作用影響如圖15所示，當偏心距一定時，重播率Y2隨著輸送帶主驅動輪轉速的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，最優(yōu)的輸送帶主驅動輪轉速范圍為38.1～44.3 r/min；當輸送帶主驅動輪轉速一定時，重播率Y2與偏心距負相關，最佳距離范圍為1.8～2.4 mm。兩個交互作用項中偏心距為影響試驗指標的主要因素。

通過對響應曲面的分析，利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊對3個回歸方程進行求解，根據播種機的實際工作條件、作業(yè)要求及相關理論的分析選擇優(yōu)化的約束條件。目標及約束條件為

(25)

對目標函數(shù)中的3個參數(shù)進行優(yōu)化求解，能夠得到多種參數(shù)組合。考慮到實際的工作要求，選擇其中最優(yōu)的參數(shù)組合范圍：偏心距為1.4～2.4 mm，輸送帶主驅動輪轉速為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 驗證試驗

驗證試驗的試驗條件和試驗測試方法與上述試驗相同，對經過改進設計和優(yōu)化調節(jié)后的舀勺式馬鈴薯排種器清種裝置的清種效果進行驗證，并與標準作業(yè)指標進行對比，進而驗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構參數(shù)和作業(yè)參數(shù)的選擇為：偏心距為1.9 mm、輸送帶主驅動輪轉速為40.61 r/min、種層高度為33 cm。將上述因素水平進行驗證試驗，其中測量結果為3次測量的平均值，測得重播率為3.04%，漏播率為2.01%，與優(yōu)化所得結果基本一致，且均明顯優(yōu)于相關標準。其重播率、漏播率均較低，是由于偏心距足夠小，輸送帶主驅動輪轉速足夠大，使振源產生的振動強度以及振動頻率使勺內多余的薯塊掉落，與理論公式所得結論相一致，驗證了公式的合理性。試驗驗證了優(yōu)化參數(shù)的合理性，按照優(yōu)化后的參數(shù)進行作業(yè)能夠滿足要求。

3.5 彈性引導式清種鼻性能對比分析

為驗證彈性引導式清種鼻的作業(yè)性能，對未安裝彈性引導式清種鼻的排種器與安裝彈性引導式清種鼻的排種器進行對比試驗，試驗條件不變，通過調整中間傳動裝置，調節(jié)輸送帶主驅動輪轉速，采用偏心距為1.9 mm的偏心軸套，種箱內種層高度為33 cm，在此工況下進行5次田間播種試驗，對比試驗如圖16所示，試驗結果如表4所示。

圖16 清種鼻對比試驗Fig.16 Comparative experiment of seed-clearing clear nose

主動輪轉速/(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

通過性能對比試驗可以看出：安裝彈性引導式清種鼻的排種器，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，實現(xiàn)了舀勺式馬鈴薯播種機精量播種的目的。

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

4 結論

(1)舀勺式馬鈴薯播種機排種器內安裝電動式振動清種裝置，可有效清除勺內多余種薯，上部安裝彈性引導式清種鼻，可減少種薯回落時的沖擊力，試驗證明，清種裝置具有良好的清種性能。通過建立振動清種過程的數(shù)學模型和清夾帶種薯過程的運動學分析，得出影響清種性能的主要因素為偏心距、輸送帶主驅動輪轉速和種層高度。該裝置結構簡單，針對性強，有效提升了舀勺式馬鈴薯播種機排種器作業(yè)時的清種效率。

(2)田間試驗結果表明，當偏心距為1.9 mm、輸送帶主驅動輪轉速為40.61 r/min、種層高度為33 cm時，重播率為3.04%，漏播率為2.01%，此時振動清種裝置作業(yè)效果較好。清種鼻性能對比試驗表明，安裝該清種裝置的排種器在降低種薯幼芽損傷率的同時有效降低了重播率，滿足馬鈴薯種植機質量評價技術規(guī)范的相關要求。