氣吸式排種器卸種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

丁 力 楊 麗 張東興 崔 濤 李玉環(huán) 高筱鈞

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

精密播種具有省時(shí)、省種、高效和增產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，得到高度重視和廣泛應(yīng)用[1-4]。投種是排種器精密播種的最后環(huán)節(jié)，是把種子從排種器內(nèi)單粒有序地分離出去。投種時(shí)，既要保證種子掉落的穩(wěn)定性和連貫性，又要減小投種時(shí)對(duì)種子造成的損傷[5-6]。氣吸式排種器通過(guò)氣流與種子接觸，可以更好地適應(yīng)種子的形狀和減小種子損傷，適應(yīng)性與播種精度較高，應(yīng)用較為廣泛[7-11]。

氣吸式排種器高速播種作業(yè)時(shí)，種子在吸附力作用下，隨種盤做高速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，在充種、清種、攜種過(guò)程中，極易導(dǎo)致因卸種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成脫種漏播和投種不均勻現(xiàn)象。對(duì)此，楊麗等[12]采用圓弧形卸種器，并利用相對(duì)運(yùn)動(dòng)原理將托種盤窩眼內(nèi)的玉米種子逐漸撥出；史嵩[13]設(shè)計(jì)了型孔導(dǎo)槽曲線，使種子在推種板的作用下均按照相同的軌跡疏導(dǎo)脫離種盤；賴慶輝等[14]使排種器投種區(qū)通氣孔與負(fù)壓腔完全隔絕，吸孔吸附力消失，種子在自身重力作用下投種，完成投種過(guò)程。丁力等[15]在前期研究中設(shè)計(jì)了氣吸式高速精量排種器及卸種機(jī)構(gòu)，但在研究中發(fā)現(xiàn)，原卸種機(jī)構(gòu)高速播種時(shí)對(duì)種盤沖擊振動(dòng)較大，易造成脫種現(xiàn)象；吸孔被堵塞會(huì)引發(fā)連續(xù)漏播現(xiàn)象；氣流不能完全阻斷會(huì)引發(fā)投種不均勻現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了作業(yè)質(zhì)量。

本文采用機(jī)械頂種和阻斷氣流相結(jié)合的方式，利用卸種機(jī)構(gòu)與種盤的嚙合傳動(dòng)關(guān)系，有效阻斷氣流，強(qiáng)制頂出吸附的雜質(zhì)和顆粒，解決投種不均勻問(wèn)題；利用嚙合過(guò)程緊密配合關(guān)系，達(dá)到平穩(wěn)傳動(dòng)、減小振動(dòng)、提高播種質(zhì)量的目的。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器工作時(shí)，進(jìn)氣口通入負(fù)壓氣流，同時(shí)種盤在排種軸的帶動(dòng)下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，負(fù)壓氣流的吸附力使種子迅速向吸孔運(yùn)動(dòng)，吸附在吸孔上的種子將從種子堆中上升，隨種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)；吸孔周邊多余吸附的種子被清種機(jī)構(gòu)清除，吸附占據(jù)優(yōu)勢(shì)的種子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)直至到達(dá)氣室末端，負(fù)壓氣流消失，種子在重力、離心力的作用下開(kāi)始掉落，同時(shí)，位于種盤后盤面的卸種機(jī)構(gòu)將進(jìn)一步阻斷負(fù)壓氣流，保證種子的均勻投種。

1.2 吸孔堵塞現(xiàn)象

氣吸式排種器依靠負(fù)壓將種子顆粒吸附在吸孔上，實(shí)際工作中，種子中往往會(huì)摻雜細(xì)小顆?；螂s質(zhì)，這些細(xì)小顆粒如果被負(fù)壓氣流吸附將很難清除，從而引發(fā)連續(xù)性漏播問(wèn)題。實(shí)際顆粒雜質(zhì)堵塞吸孔情形如圖2所示。

圖2 吸孔堵塞現(xiàn)象Fig.2 Blockage of suction holes

2 卸種機(jī)構(gòu)安裝位置

排種器的投種過(guò)程是影響播種性能的最后環(huán)節(jié)，直接影響播種粒距均勻性[16-17]。卸種機(jī)構(gòu)的安裝位置將決定種子開(kāi)始投送的起始時(shí)刻，是減少種子因碰撞、彈跳造成粒距均勻性變差的重要環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)[18]中對(duì)氣吸式排種器投種過(guò)程建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，得出種子脫離吸孔后的運(yùn)動(dòng)軌跡與種盤半徑、轉(zhuǎn)速相關(guān)。由于種盤半徑已在設(shè)計(jì)時(shí)確定，因此，轉(zhuǎn)速將直接影響種子的投送性能。本文設(shè)計(jì)的排種器為高速排種器，常用作業(yè)速度區(qū)間在10～14 km/h，為研究不同作業(yè)速度下對(duì)投種的影響，建立種子吸附模型。

種子在攜種區(qū)的受力情況如圖3所示。N為吸孔對(duì)種子的反力。

圖3 攜種區(qū)種子受力分析Fig.3 Force analysis of seeds in seed-carrying area

要使種子不掉落，必須滿足

(1)

(2)

t=b/2-h

(3)

(4)

式中Q1——種子所受重力G、離心力J、種子之間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力的合力，N

P——種子所受的吸附力，N

d——吸孔直徑，mm

t——Q1到吸孔凸起距離，mm

p0——型孔兩側(cè)壓差，kPa

b——玉米種子厚度，mm

h——吸孔凸起高度，mm

Ff為種子受到的空氣阻力，可以忽略不計(jì)，合力Q1可由余弦定理求出

(5)

式中α——力G、J夾角，原排種器氣室末端為75°

離心力

J=mRω2

(6)

式中R——吸孔所在半徑，mm

m——種子質(zhì)量，kg

ω——角速度，rad/s

聯(lián)立式(5)和式(6)可得

(7)

播種機(jī)前進(jìn)速度和種盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(8)

式中N′——種盤轉(zhuǎn)速，r/min

vm——前進(jìn)速度，km/h

S——株距，mm

Z——吸孔數(shù)

聯(lián)立式(7)、(8)，代入10 km/h和14 km/h相關(guān)數(shù)據(jù)，可得在種子攜種過(guò)程的氣室末端，14 km/h相對(duì)于10 km/h，種子從吸孔脫落的概率增加了1.48%。

較高的轉(zhuǎn)速會(huì)帶來(lái)更大的振動(dòng)，容易造成攜種區(qū)末端種子提前與吸孔脫離，從而引發(fā)因投種位置不同而導(dǎo)致的投種不均勻。要保證排種器在攜種區(qū)能夠?qū)ΨN子有較好的吸附作用，防止飛種，使種子減少碰撞和彈跳。經(jīng)過(guò)前期試驗(yàn)，選取與水平位置夾角為5°位置阻斷氣流。此時(shí)聯(lián)立式(7)、(8)，代入排種器最高作業(yè)速度14 km/h和α=85°，得出種子在攜種區(qū)氣室末端脫落的概率相比于改進(jìn)前降低了1.67%。同時(shí)，為防止氣流對(duì)投種的干擾，加入具有防堵塞與增強(qiáng)排種均勻性的卸種機(jī)構(gòu)。

3 卸種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

卸種機(jī)構(gòu)位于種盤后盤面，由卸種輪、卸種桿等組成，如圖4所示。卸種機(jī)構(gòu)工作時(shí)，卸種輪由種盤帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，每個(gè)卸種輪齒與種盤吸孔相嚙合，卸種桿在彈簧彈力作用下可以使卸種輪始終與種盤后盤面貼合。由于所設(shè)計(jì)的排種器為高速排種器，作業(yè)速度高達(dá)14 km/h，對(duì)于種盤和卸種輪配合要求高，普通漸開(kāi)線型的齒形曲線并不適用卸種輪的嚙合，其力量傳遞不均勻，且容易與種盤發(fā)生干涉。因此，需要設(shè)計(jì)一種適用于卸種輪和種盤之間配合的齒面曲線，使嚙合平穩(wěn)可靠，且該線形應(yīng)具有良好的通用性。

圖4 卸種機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic of seed unloading mechanism1.卸種桿 2.種盤 3.卸種輪 4.彈簧

3.1 卸種輪基圓設(shè)計(jì)及嚙合頻率

卸種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)依靠種盤帶動(dòng)，在卸種輪轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，卸種輪齒始終與種盤后盤面的吸孔相嚙合，且卸種輪的基圓始終在種盤后盤面上滾動(dòng)，如圖5所示。為了使其順利嚙合，卸種輪沿圓弧方向的齒距和種盤沿圓弧方向的吸孔間距應(yīng)相等，即

(9)

(10)

式中r——卸種輪半徑，mm

n——卸種輪齒數(shù)

圖5 卸種輪和種盤嚙合關(guān)系Fig.5 Meshing relationship between seed unloading wheel and seed plate

種盤半徑及吸孔數(shù)在前期研究中已經(jīng)確定，分別為70 mm和27?？紤]到安裝位置和卸種齒高度，選取卸種輪齒數(shù)5，由此可得卸種輪基圓半徑r為13 mm。

種盤作為驅(qū)動(dòng)部件，卸種輪作為從動(dòng)部件，當(dāng)種盤轉(zhuǎn)速為N′時(shí)，卸種輪轉(zhuǎn)速為

(11)

式中n′——卸種輪轉(zhuǎn)速，r/min

嚙合頻率為

(12)

當(dāng)作業(yè)速度14 km/h、種盤轉(zhuǎn)速34.6 r/min時(shí)，卸種輪轉(zhuǎn)速為186.84 r/min。卸種輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率為3.114 Hz，嚙合頻率為15.57 Hz，周期為0.064 s。

3.2 卸種輪齒齒形設(shè)計(jì)與確定

高速轉(zhuǎn)動(dòng)的種盤應(yīng)盡量避免多余的振動(dòng)，卸種輪齒是與種盤吸孔配合的主要部件，合理的齒形是保證種盤平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)鍵。為了便于分析計(jì)算，將原本不在同一平面上的嚙合運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為同一平面的嚙合運(yùn)動(dòng)關(guān)系，進(jìn)而分析計(jì)算卸種輪齒形，齒形曲線推導(dǎo)示意圖如圖6所示。

圖6 齒形嚙合位置推導(dǎo)示意圖Fig.6 Derivation sketch of gear meshing position1.種盤 2.卸種輪

圖6中假設(shè)卸種輪保持靜止，根據(jù)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，種盤圍繞卸種輪做純滾動(dòng)。選取某一時(shí)刻，種盤中心在Q點(diǎn)，此時(shí)卸種輪上的嚙合點(diǎn)為B，種盤上的嚙合點(diǎn)為B′；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，當(dāng)種盤繞卸種輪中心O點(diǎn)轉(zhuǎn)過(guò)θ角度，卸種輪嚙合點(diǎn)變?yōu)锳點(diǎn)，種盤上的嚙合點(diǎn)B′的運(yùn)動(dòng)軌跡即為卸種齒的齒形曲線。

Rβ=rθ

(13)

即

B′點(diǎn)坐標(biāo)可改寫(xiě)為((R+r)sinθ-Rcos(90°-(θ+β)),(R+r)cosθ-Rsin(90°-(θ+β)))。因此，B′點(diǎn)的位移曲線參數(shù)方程可以表示為

(14)

聯(lián)立式(13)、(14)可得

(15)

將前文所述相關(guān)數(shù)據(jù)代入，可得卸種輪齒齒形參數(shù)化方程為

(16)

當(dāng)卸種輪和種盤轉(zhuǎn)至脫離嚙合位置時(shí)，同樣假定卸種輪保持靜止，逆時(shí)針?lè)崔D(zhuǎn)種盤，點(diǎn)B′的運(yùn)行軌跡即為卸種輪齒脫離嚙合的嚙合曲線，如圖7所示。

圖7 脫離嚙合位置推導(dǎo)示意圖Fig.7 Derivation schematic of meshing position of detached gear tooth profile

與前文嚙合位置曲線推導(dǎo)相類似，推得B′的位移曲線參數(shù)方程

(17)

通過(guò)對(duì)比式(15)和式(17)兩參數(shù)方程，發(fā)現(xiàn)兩曲線關(guān)于X軸對(duì)稱，證明卸種齒在種盤吸孔正下方脫離嚙合。

根據(jù)式(15)、(17)卸種輪齒齒形參數(shù)化方程，在Matlab中輸出曲線，繪制成卸種齒外齒廓如圖8所示。在嚙合過(guò)程中，在滿足卸種齒與種盤后盤面不干涉的前提下，對(duì)卸種輪齒齒頂進(jìn)行加高，如圖8b所示。進(jìn)而能夠更進(jìn)一步起到對(duì)前盤面吸附顆粒的力學(xué)作用。同時(shí)為了防止出現(xiàn)加工誤差，在嚙合過(guò)程中發(fā)生干涉，對(duì)卸種輪齒底部進(jìn)行如圖8c所示的圓弧過(guò)渡處理。

圖8 齒形外輪廓Fig.8 Gear tooth profile

3.3 卸種輪齒齒高設(shè)計(jì)

種盤厚度設(shè)計(jì)為3 mm，卸種輪位于種盤后盤面，卸種輪齒應(yīng)插入吸孔中并在種盤前盤面凸出，才能保證前盤面吸附的雜質(zhì)或種子被頂出，從而達(dá)到機(jī)械強(qiáng)排作用。因此，取卸種輪齒齒高為3 mm。

3.4 種盤后盤面吸孔設(shè)計(jì)

種盤后盤面吸孔應(yīng)能保證設(shè)計(jì)的齒高不與其發(fā)生干涉。卸種輪齒頂部到卸種輪中心的距離OL為16 mm，卸種輪基圓一直在種盤后盤面上滾動(dòng)，當(dāng)卸種齒頂部轉(zhuǎn)至與種盤后盤面平齊的位置時(shí)，如圖9所示。此位置是吸孔最邊緣位置，也是吸孔最大開(kāi)口位置。圖中OL長(zhǎng)度為16 mm，Ou長(zhǎng)度為基圓半徑13 mm，φ為OL與Ou夾角，由勾股定理可得Lu長(zhǎng)度為9.33 mm。這是卸種輪齒與種盤吸孔嚙合所需的最短長(zhǎng)度。

圖9 吸孔推導(dǎo)示意圖Fig.9 Suction hole derivation diagram

圖9的俯視圖如圖10所示。τ為種盤上相鄰吸孔夾角的一半，即

(18)

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，可得τ=6.67°。由此可得弧長(zhǎng)

(19)

(20)

up長(zhǎng)度大于卸種輪齒與種盤吸孔嚙合所需長(zhǎng)度9.33 mm，由此證明所選齒高的合理性。

圖10 吸孔推導(dǎo)俯視圖Fig.10 Derivation sketch of top view by suction hole

為了保證卸種輪齒和種盤嚙合有足夠空間，同時(shí)保證所設(shè)計(jì)的吸孔能夠起到增強(qiáng)吸附力作用，根據(jù)文獻(xiàn)[20]前期研究，確定吸孔形狀。

4 卸種輪與種盤嚙合仿真分析

高速轉(zhuǎn)動(dòng)的種盤和卸種輪，嚙合過(guò)程十分復(fù)雜，為探究所設(shè)計(jì)的卸種輪能否起到平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)的作用，采用仿真的方式，通過(guò)分析兩輪嚙合的實(shí)際位置和運(yùn)動(dòng)狀況，模擬分析卸種輪齒設(shè)計(jì)的合理性。

4.1 模型建立

在SolidWorks軟件中建立卸種輪和種盤的三維模型，將模型導(dǎo)入 ADAMS，在 ADAMS中，通過(guò)施加各種約束: 卸種輪和種盤旋轉(zhuǎn)中心添加旋轉(zhuǎn)副，卸種桿添加固定副，然后卸種輪和種盤之間添加實(shí)體碰撞力，建立完整的ADAMS虛擬樣機(jī)模型如圖11所示。

圖11 ADAMS實(shí)體模型Fig.11 ADAMS entity model1.種盤 2.卸種輪 3.卸種桿

4.2 仿真條件

為了更好地體現(xiàn)出嚙合過(guò)程的受力情況，在卸種輪上施加100 N·mm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，同時(shí)，為保證施加負(fù)載時(shí)不出現(xiàn)陡變，使用step函數(shù)使負(fù)載在0.2 s內(nèi)平緩作用，如圖12所示。即step(time，0，0，0.2，100)+step(time，0，0，2，0)。其中time為時(shí)間變量。

本文設(shè)計(jì)的排種器為氣吸式高速精量排種器，作業(yè)速度高達(dá)14 km/h，高速情況下對(duì)種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)性要求更高。卸種輪和種盤轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，嚙合力的變化情況能體現(xiàn)出卸種齒齒形設(shè)計(jì)的合理性，徑向力的變化反映出卸種桿的支撐和卸種輪與種盤的貼合作用，軸向力的變化能看出卸種輪在軸向上的沖擊和干涉。換算成種盤轉(zhuǎn)速，設(shè)置種盤角速度為3.62 rad/s進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖13所示。

圖12 轉(zhuǎn)矩負(fù)載變化曲線Fig.12 Torque load changing curve

圖13 嚙合過(guò)程仿真曲線Fig.13 Meshing process simulation curve

4.3 仿真結(jié)果分析

提取0～2 s內(nèi)卸種輪和種盤作用力進(jìn)行分析，由圖13a可以看出，在種盤轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬間，卸種輪齒和種盤初始位置設(shè)置為相切狀態(tài)，種盤角速度由0 rad/s瞬時(shí)提升為3.62 rad/s，從而產(chǎn)生較大的沖擊力，使得嚙合力瞬時(shí)提升為一個(gè)較大值。隨后至0.2 s階段，隨著負(fù)載的逐漸升高，兩實(shí)體間的嚙合力也相應(yīng)增大，同時(shí)也伴隨著較為明顯的波動(dòng)。0.2 s過(guò)后，負(fù)載不再增加，嚙合力在一個(gè)穩(wěn)定值附近波動(dòng)，變化較為顯著，且呈現(xiàn)出明顯的周期性變化，波動(dòng)周期為 0.065 s，近似等于理論計(jì)算周期。由圖13b可以看出，在0～0.2 s時(shí)，徑向力隨著卸種輪負(fù)載的增加逐漸加大，且存在明顯波動(dòng)，呈周期性變化；為保證卸種輪始終與種盤相貼合，在卸種桿下方加裝彈簧，使其在彈簧彈力的作用下始終與種盤保持相對(duì)位置。從圖13c可以看出，嚙合過(guò)程軸向力不為零，說(shuō)明由于系統(tǒng)的振動(dòng)與沖擊在軸向也產(chǎn)生力的作用，且隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加，軸向力也在增加，隨后在-1.5～1.0 N之間呈周期性波動(dòng)。為減少卸種輪沿軸向的沖擊力，使安裝在卸種桿上的卸種輪在軸向處于浮動(dòng)狀態(tài)，減少卸種輪齒與種盤的硬碰撞。

5 試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證優(yōu)化后的卸種機(jī)構(gòu)能否有效提高排種質(zhì)量，選取原卸種機(jī)構(gòu)和安裝有優(yōu)化后的卸種機(jī)構(gòu)的排種器，以前進(jìn)速度、負(fù)壓為因素，進(jìn)行三因素試驗(yàn)，研究各因素對(duì)排種性能指標(biāo)的影響。選取最佳卸種機(jī)構(gòu)，進(jìn)行回歸分析，尋求排種器最佳工作參數(shù)組合[19-20]。

5.2 因素與水平

高速作業(yè)更能體現(xiàn)出卸種機(jī)構(gòu)與種盤的平穩(wěn)嚙合和卸種機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，因此，根據(jù)文獻(xiàn)[21]，選取高速作業(yè)10、12、14 km/h，負(fù)壓3.0、3.5、4.0 kPa進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)因素與水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Test factors and levels

5.3 試驗(yàn)條件與方法

選用鄭單958未分級(jí)的種子，安放在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的排種器性能檢測(cè)儀上[22-24]。風(fēng)壓測(cè)定選取RE-1211型風(fēng)壓計(jì)，試驗(yàn)裝置如圖14所示。

圖14 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.14 Test device physical map1.排種器 2.RE-1211型風(fēng)壓計(jì) 3.導(dǎo)種管 4.排種器性能檢測(cè)儀 5.新卸種輪 6.原卸種輪 7.新卸種機(jī)構(gòu)

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，每組試驗(yàn)采集251粒種子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每組重復(fù)3次，以重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格指數(shù)為排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)置理論株距為25 cm。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

三因素試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表中數(shù)據(jù)形式為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。利用Origin 2017軟件，在3種不同速度下，通過(guò)選取對(duì)排種性能有影響的關(guān)鍵指標(biāo)合格指數(shù)和漏播指數(shù)，針對(duì)卸種輪形式和負(fù)壓進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果如圖15所示。圖中不同小寫(xiě)字母表示差異顯著。

5.4.1各因素對(duì)排種合格指數(shù)的影響

10 km/h作業(yè)速度條件下，卸種機(jī)構(gòu)和負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)的影響差異不顯著，但優(yōu)化后的新卸種機(jī)構(gòu)作業(yè)合格指數(shù)大于原卸種機(jī)構(gòu)，負(fù)壓的增大對(duì)于合格指數(shù)的影響先增加后降低，在負(fù)壓3.5 kPa時(shí)，合格指數(shù)最高，負(fù)壓3.0 kPa時(shí)合格指數(shù)最低。

12 km/h作業(yè)速度條件下，卸種機(jī)構(gòu)對(duì)合格指數(shù)影響差異顯著，新卸種機(jī)構(gòu)合格指數(shù)高于原卸種機(jī)構(gòu)，負(fù)壓3.5 kPa與4.0 kPa對(duì)合格指數(shù)影響差異不顯著，負(fù)壓3.0 kPa與其他負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)影響差異性顯著，負(fù)壓的增大對(duì)合格指數(shù)的影響先增加后降低，在負(fù)壓3.5 kPa時(shí)，合格指數(shù)最高，負(fù)壓3.0 kPa時(shí)合格率最低。

表2 三因素試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Result of three factors experiments

圖15 不同速度下各因素對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響Fig.15 Influences of various factors on qualified rate and missing rate at different speeds

14 km/h作業(yè)速度條件下，卸種機(jī)構(gòu)和負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)均有顯著性影響，其中卸種機(jī)構(gòu)對(duì)合格指數(shù)影響差異顯著，負(fù)壓3.0 kPa與其他兩種負(fù)壓差異顯著，但負(fù)壓3.5 kPa與4.0 kPa對(duì)合格指數(shù)影響差異不顯著；優(yōu)化后的卸種機(jī)構(gòu)作業(yè)合格指數(shù)大于原卸種機(jī)構(gòu)，負(fù)壓的增大對(duì)合格指數(shù)的影響先增加后降低，在負(fù)壓3.5 kPa時(shí)，合格指數(shù)最高，負(fù)壓3.0 kPa時(shí)合格指數(shù)最低，說(shuō)明負(fù)壓3.5 kPa左右有最優(yōu)作業(yè)參數(shù)。

5.4.2各因素對(duì)排種漏播指數(shù)的影響

10 km/h作業(yè)速度條件下，新卸種機(jī)構(gòu)和原卸種機(jī)構(gòu)對(duì)漏播指數(shù)的影響差異不顯著，但新卸種機(jī)構(gòu)漏播指數(shù)較低；負(fù)壓3.0 kPa與負(fù)壓3.5、4.0 kPa對(duì)漏播指數(shù)影響差異顯著，但負(fù)壓3.5 kPa與4.0 kPa差異不顯著，負(fù)壓的增大降低了漏播指數(shù)，在負(fù)壓4.0 kPa時(shí)，漏播指數(shù)最低。

12 km/h作業(yè)速度條件下，新卸種機(jī)構(gòu)和原卸種機(jī)構(gòu)對(duì)漏播指數(shù)的影響差異性顯著，且新卸種機(jī)構(gòu)漏播指數(shù)低于原卸種機(jī)構(gòu)；負(fù)壓3.0 kPa與負(fù)壓3.5、4.0 kPa對(duì)漏播指數(shù)影響差異顯著，但負(fù)壓3.5 kPa與4.0 kPa差異不顯著，負(fù)壓的增大使漏播指數(shù)先降低后增加，在負(fù)壓3.5 kPa時(shí)，漏播指數(shù)最低。

14 km/h作業(yè)速度條件下，新卸種機(jī)構(gòu)顯著降低了漏播指數(shù)，新卸種機(jī)構(gòu)和原卸種機(jī)構(gòu)對(duì)漏播指數(shù)的影響差異顯著；負(fù)壓3.0 kPa與負(fù)壓3.5、4.0 kPa對(duì)漏播指數(shù)影響差異顯著，但負(fù)壓3.5 kPa與4.0 kPa差異不顯著，漏播指數(shù)隨著負(fù)壓的增大而降低，負(fù)壓4.0 kPa時(shí)，漏播指數(shù)最低。

5.4.3排種均勻性分析

從上述圖表中可知，合格指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和漏播指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差隨著作業(yè)速度的增加而變大，但優(yōu)化后的新卸種機(jī)構(gòu)在各個(gè)速度下的標(biāo)準(zhǔn)差均低于原卸種機(jī)構(gòu)，說(shuō)明新卸種機(jī)構(gòu)在各個(gè)速度條件下可以有效提高排種穩(wěn)定性；從負(fù)壓變化情況可知，隨著負(fù)壓的增加，合格指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差先降低后增加，說(shuō)明在負(fù)壓3.5 kPa左右有一個(gè)穩(wěn)定的最優(yōu)的排種作業(yè)參數(shù)。從粒距變異系數(shù)可以看出，在各個(gè)速度和負(fù)壓下，新卸種機(jī)構(gòu)排種均勻性均優(yōu)于原卸種機(jī)構(gòu)。

5.5 試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表3所示，表中X1為速度，X2為卸種機(jī)構(gòu)，X3為負(fù)壓。

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis

注：*表示差異顯著(0.01

由表3可以看出，速度、卸種機(jī)構(gòu)和負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)影響顯著，其中速度和卸種機(jī)構(gòu)對(duì)合格指數(shù)影響極顯著，兩兩之間不存在交互作用；對(duì)于漏播指數(shù)，速度、卸種機(jī)構(gòu)和風(fēng)壓對(duì)其影響顯著，且速度和風(fēng)壓兩因素影響極顯著，從交互作用的方差中可知，交互作用對(duì)漏播指數(shù)影響不顯著。

采用軟件Design-Expert 8.0.6，選取新卸種機(jī)構(gòu)，參照10、12、14 km/h全面試驗(yàn)結(jié)果，分別對(duì)影響排種質(zhì)量的3個(gè)指標(biāo)：合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2和重播指數(shù)Y3重新進(jìn)行擬合回歸，得出最優(yōu)參數(shù)組合[25]。剔除對(duì)指標(biāo)影響不顯著因素，得出回歸方程為

(21)

Y2=1.09+0.87X1-0.60X3

(22)

(23)

式中各參數(shù)均為編碼值，模型顯著性檢驗(yàn)P<0.05，表明該模型具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由回歸方程，在Design-Expert 8.0.6軟件中設(shè)置優(yōu)化合格指數(shù)最大，同時(shí)重播和漏播指數(shù)最小，得出最佳參數(shù)組合。然后，對(duì)優(yōu)化后的理論值進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在相同的試驗(yàn)條件下重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)5次，理論最佳參數(shù)組合和試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 工作參數(shù)理論值和實(shí)際值Tab.4 Theoretical and practical values of working parameters

由表4可知，在10～14 km/h作業(yè)條件下，粒距合格指數(shù)均能達(dá)到96.8%，漏播指數(shù)均小于等于2.0%，重播指數(shù)均小于等于1.2%，與理論優(yōu)化結(jié)果基本一致。說(shuō)明新卸種機(jī)構(gòu)能夠與高速旋轉(zhuǎn)的種盤平穩(wěn)嚙合，減少了因種盤與卸種機(jī)構(gòu)傳動(dòng)引起的振動(dòng)脫種現(xiàn)象，同時(shí)降低了因吸孔被堵塞引起的連續(xù)漏播現(xiàn)象，使各項(xiàng)指標(biāo)滿足精密播種需求。

6 結(jié)論

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種具有防堵塞與增強(qiáng)排種均勻性的氣吸式排種器卸種機(jī)構(gòu)，解決了因細(xì)小雜質(zhì)或破損種子堵塞吸孔而造成的漏播問(wèn)題。通過(guò)分析卸種機(jī)構(gòu)安裝位置，得出種子攜種過(guò)程的氣室末端，14 km/h相對(duì)于10 km/h的種子從吸孔脫落的概率增加了1.48%；改進(jìn)了卸種機(jī)構(gòu)安裝位置，使得種子在攜種區(qū)氣室末端脫落的概率相比于改進(jìn)前降低了1.67%。

(2)為保證所設(shè)計(jì)的卸種機(jī)構(gòu)與種盤吸孔配合良好、運(yùn)行平穩(wěn)、投種可靠，采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)的原理，推導(dǎo)出一種適用于卸種輪和種盤之間配合的齒面曲線，在Matlab中繪制成卸種輪齒外齒廓；采用ADAMS仿真的方式，通過(guò)分析嚙合力、徑向力和軸向力3個(gè)指標(biāo)，模擬驗(yàn)證了卸種輪齒設(shè)計(jì)的合理性；結(jié)果表明，該曲線方程適用于不同種盤和吸孔數(shù)的卸種輪的設(shè)計(jì)，其嚙合平穩(wěn)可靠，具有良好的通用性。

(3)以卸種機(jī)構(gòu)、前進(jìn)速度和負(fù)壓為因素進(jìn)行三因素全面試驗(yàn)，分析了不同速度下卸種機(jī)構(gòu)和負(fù)壓之間的差異性，得出卸種機(jī)構(gòu)和負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)具有顯著性影響，合格指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差和漏播指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差隨著作業(yè)速度的增加而變大，但隨著負(fù)壓的增大先降低后增加；對(duì)影響排種質(zhì)量的3個(gè)指標(biāo)：合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)進(jìn)行擬合回歸，得出不同速度下最優(yōu)參數(shù)組合，分別為：10 km/h，負(fù)壓3.43 kPa，合格指數(shù)為98.9%；12 km/h，負(fù)壓3.55 kPa，合格指數(shù)為98.1%；14 km/h，負(fù)壓3.81 kPa，合格指數(shù)為97.35%。并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：粒距合格指數(shù)達(dá)到96.8%，漏播指數(shù)均小于等于2.0%，重播指數(shù)均小于等于1.2%，得到的試驗(yàn)指標(biāo)與優(yōu)化結(jié)果基本一致。