預(yù)切種式寬窄行甘蔗種植機單輥排種系統(tǒng)設(shè)計與試驗

李尚平 黃宗曉 張 偉 向 銳 王夢萍 莫瀚寧

(1.廣西大學(xué)機械工程學(xué)院， 南寧 530004； 2.廣西民族大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 南寧 530006)

0 引言

我國是甘蔗種植大國，主要分布在廣西、廣東、云南和海南等省市。目前我國甘蔗生產(chǎn)機械化程度較低、勞動力成本較高，影響了甘蔗糖業(yè)的健康發(fā)展。從2008年到2016年，甘蔗種植面積已連年下降[1]，目前約73萬 hm2。廣西甘蔗機械化耕作率達(dá)到98%，而甘蔗的機械化種植率僅55%左右，以實時切種種植機為主，其勞動強度大、排種均勻性不高、耗種量大(0.921 15 kg/m2)、出芽率不高。而國外普遍應(yīng)用的預(yù)切種式種植技術(shù)，在國內(nèi)尚處于研發(fā)推廣應(yīng)用階段。

在國內(nèi)，廣泛使用雙芽段實時切種種植機和引進國外提升式預(yù)切種種植機[2]。梁棟[3]探討了5種排種器機構(gòu)，前3種為實時切種式，后2種為預(yù)切種式，包括鏈槽提升式和排種輥下排式。甘庶種植機仍存在排種不均勻、漏種率高、傷芽率高、耗種多、卡種堵塞等問題。研究者對單芽預(yù)切段甘蔗排種器提出振動盤和提升式[4-8]；對雙蔗芽設(shè)計了槽輪下排式預(yù)切種甘蔗種植機，試驗表明，傷芽率小于等于7%、漏種率小于等于7%、合格率大于等于85%[9]。國外有學(xué)者對提升式預(yù)切種種植機鏈槽布置、長度、角度以及提升速度、播種速度進行了相關(guān)研究[10-13]。

本課題組在分析企業(yè)研制的2CZBDJZ-2型懸掛式預(yù)切種甘蔗種植機時，發(fā)現(xiàn)漏種較嚴(yán)重。通過對該機型提升、播種的多段視頻進行分析，統(tǒng)計了連續(xù)提升、播種過程中鏈槽內(nèi)裝蔗種的情況，發(fā)現(xiàn)提升鏈槽內(nèi)無蔗種的概率為27%、3根以上為31%，排種不均勻，導(dǎo)致漏種嚴(yán)重。針對此問題，本課題組與企業(yè)合作設(shè)計具有有序集蔗、均勻種植功能的預(yù)切種式寬窄行甘蔗種植機。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與工作原理

優(yōu)化前預(yù)切種式甘蔗種植機工作原理：蔗種經(jīng)種箱傳動鏈提升，進入轉(zhuǎn)向機構(gòu)轉(zhuǎn)向，再落到蔗壟內(nèi)，完成排種過程。根據(jù)圖1統(tǒng)計的結(jié)果發(fā)現(xiàn)：由于提升機構(gòu)的隨機性，單靠提升機構(gòu)無法實現(xiàn)蔗種均勻布種、精準(zhǔn)種植。為此設(shè)計了由液壓驅(qū)動的預(yù)切種甘蔗種植試驗樣機如圖2所示，增加轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)、集蔗箱、下排式單輥排種機構(gòu)。

圖1 甘蔗提升齒槽內(nèi)蔗種數(shù)統(tǒng)計Fig.1 Statistics of sugarcane number in lifting cogging

圖2 改進后全液壓驅(qū)動預(yù)切種種植機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Improved full hydraulic drive pre-seed-cutting planter1.蔗種提升機構(gòu) 2.轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu) 3.施肥機構(gòu) 4.集蔗箱 5.三點懸掛裝置 6.排種輥 7.成型開溝犁 8.機架 9.補種排種器 10.種箱 11.覆土覆膜機構(gòu) 12.行走輪

優(yōu)化后工作原理為：蔗種經(jīng)蔗種提升機構(gòu)和轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)作用，有序進入集蔗箱。集蔗箱安裝在排種輥上，輥上分布12個由耙齒形成的V型齒槽，排種輥與集蔗箱為齒形相互嵌入。隨著排種輥的轉(zhuǎn)動，箱內(nèi)蔗種在上層重力和耙齒切向撥動力的作用下，蔗種依次填充在V型齒槽內(nèi)，再經(jīng)過集蔗箱彈性控流板的控流作用及連接排種輥滑塊彈簧裝置調(diào)整，蔗種按照一定順序依次排出，實現(xiàn)均勻布種。

為了研究排種系統(tǒng)的功能，搭建了試驗平臺，由集蔗箱、排種輥、驅(qū)動裝置等部分組成。為了研究有關(guān)參數(shù)對排種性能的影響，試驗裝置采用步進電機驅(qū)動，如圖3所示。

圖3 單輥下排式排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Seeder structure diagram with double roll and single bottom sowing edge1.集蔗箱齒形側(cè)板 2.蔗種 3.排種輥 4.軸承 5.擋板 6、13.彈簧 7.導(dǎo)軌 8.短鏈接板 9.滑塊 10.耙齒支撐板 11.耙齒 12.集蔗箱彈性控流板 14.聯(lián)軸器 15.長連接板 16.電機支撐座 17.減速器 18.步進電機 19.鉸鏈

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)

為了保證有序集蔗，設(shè)計了轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)，以便將蔗種落下的勢能轉(zhuǎn)變?yōu)檫m宜有序集蔗的動能，實現(xiàn)有序集蔗。

轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)主要靠轉(zhuǎn)向直板的傾斜角度和圓柱銷使蔗種與圓柱銷碰撞后改變位姿，實現(xiàn)有序轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向機構(gòu)見圖4，為了增加轉(zhuǎn)向概率，增加了兩排相互交錯垂直于轉(zhuǎn)向直板的圓柱銷，圓柱銷由橡膠包裹，相互間隔大于雙蔗芽蔗種長度1.2倍，以防止蔗種橫卡在圓柱銷上。轉(zhuǎn)向出口處設(shè)計成一定圓弧型，使蔗種以較小動能的穩(wěn)定狀態(tài)縱向有序進入集蔗箱內(nèi)。

圖4 改進轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Improved steering structure1.提升導(dǎo)流板 2.雙蔗芽蔗種 3.轉(zhuǎn)向直板 4.橡膠包裹的圓柱銷 5.調(diào)整直板角度液壓缸支座 6.減速圓弧板 7.分流板 8.集蔗箱 9.集蔗箱導(dǎo)流板

當(dāng)蔗種提升至最高點時為橫向姿態(tài)，此時蔗種重心在中間，故為不穩(wěn)定的下落位姿，有很小的作用力就能使其位姿改變，造成蔗種二次混亂。經(jīng)轉(zhuǎn)向機構(gòu)作用，蔗種的重力勢能轉(zhuǎn)化成動能。由于雙芽蔗種的質(zhì)心特點，蔗種撞擊圓柱銷后即轉(zhuǎn)成縱向運動，此時蔗種的下落為穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)動量定理，與圓柱銷碰撞力小和作用時間短，消耗動能較小，蔗種速度隨著高度的降低逐步升高。在圓弧出口段摩擦力作用下，消耗了蔗種大部分動能，進而通過集蔗箱導(dǎo)流板實現(xiàn)較平穩(wěn)、有序地集蔗。

2.2 單輥排種器

2.2.1V型齒槽排種輥設(shè)計原理

采用兩組排種輥實現(xiàn)窄行的雙邊布種，將排種輥設(shè)計成多個V型齒槽，通過排種輥勻速轉(zhuǎn)動，將V型槽內(nèi)的蔗種均勻排出。由于蔗種直徑不均勻、集蔗箱內(nèi)蔗種交叉，而引起排種輥V型齒槽不能填充蔗種和排種不均勻。故設(shè)計了集蔗箱側(cè)板與排種輥耙齒相嵌入結(jié)構(gòu)和集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)，使蔗種有效填充到V型齒槽，實現(xiàn)有序排種；為排除堵塞故障，在集蔗箱彈性控流板和排種輥滑塊處均設(shè)計了彈簧容讓裝置。

兩組排種輥中心距A=300 mm，布置如圖5所示(播種前進方向垂直于紙面)。

圖5 兩組排種輥的布置圖Fig.5 Layout dimension of seeding roller

圖6 蔗種平均直徑分布圖Fig.6 Average diameter distribution of sugarcane

取耙齒長度L比甘蔗最大直徑大10%[16-19]，計算公式為

2r+2L≤200

(1)

R=r+L/2

(2)

L=1.1dmax

(3)

(4)

式中r——排種輥半徑,mm

R——排種輥中心到耙齒中心的長度,mm

δ——耙齒厚度

y——排種輥耙齒排數(shù)

為適應(yīng)不同的甘蔗種直徑，取耙齒長度L=40 mm、厚度δ=5 mm，排種輥耙齒排數(shù)y=12，排種輥半徑為r=50 mm。

2.2.2集蔗箱與排種輥的齒形嵌入結(jié)構(gòu)

將排種輥設(shè)計成有一定間隔的齒形結(jié)構(gòu)，有利于混亂蔗種從齒形中排出，排除排種過程的堵塞故障。相應(yīng)將集蔗箱側(cè)板設(shè)計成與耙齒相交錯的齒形結(jié)構(gòu)(如圖7所示)，也增大耙齒對蔗種的切向作用力，提高排種質(zhì)量與效率。

圖7 齒形嵌入結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Tooth shape profile embedded structure1.步進電機 2.集蔗箱齒形側(cè)板 3.齒形排種輥 4.排種輥滑塊彈性裝置

圖8 3種控流板下蔗種受力分析Fig.8 Analysis diagrams of stress of sugarcane under three flow-controlling plate structure of sugarcane-gathering box

2.2.3集蔗箱彈性控流板

集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)定量排種，解決排種堵塞及分流蔗種。首先，為使不同直徑蔗種定量排出,彈性控流板設(shè)計成能夠彈性移動。其次，考慮彈性控流板排除堵塞和分流功能。為確保齒槽中的蔗種在耙齒切向力作用下有序排出，需要分析排種過程蔗種的合力。對于齒槽中有多根蔗種時，通過彈性曲面上分力的作用實現(xiàn)分流,使多余的蔗種重新分流回集蔗箱。為排除排蔗過程的堵塞故障，排種輥和集蔗箱之間設(shè)計了彈性裝置，使得蔗種和集蔗箱橫向之間有一定的容讓空間，以利于及時排除堵塞故障。

設(shè)計了3種有利于排除堵塞的集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)，其蔗種的受力分析如圖8所示。結(jié)構(gòu)1為彈性平面板，結(jié)構(gòu)2為單彈性曲面板，結(jié)構(gòu)3為兩段圓弧組合的彈性曲面板。F1為控流板對蔗種的作用力，F(xiàn)2為耙齒對蔗種的作用力，F(xiàn)3為控流板對彈簧的作用力，F(xiàn)為作用于蔗種的合力。

當(dāng)單根蔗種直徑較大時：在耙齒和結(jié)構(gòu)1的作用下,合力斜向上不利于排種，此時通過加大扭矩使彈性裝置移動而排出，因作用力較大，甘蔗容易傷芽(如圖8a所示)；在耙齒和結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)3的作用下其合力向下，有利于排種(如圖8b、8c所示)。對于齒槽內(nèi)有2根蔗種時，結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3中上層蔗種受到的合力向上，有利于將上層蔗種分流，自我排除堵塞(如圖8d、8f所示)；結(jié)構(gòu)2上層蔗種受到的合力向下，處于擠壓狀態(tài)，不利于自我排除堵塞(如圖8e所示)。值得注意的是以上蔗種的受力情況，還與彈性控流板夾角及彈性力方向相關(guān)。

2.2.4排種輥滑塊彈性裝置

為了增加排種輥排除堵塞故障的能力，在排種輥上設(shè)計了滑塊彈簧裝置(如圖9所示)，以排除蔗種交叉等嚴(yán)重堵塞現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)堵塞時，排種輥的扭矩增大，推動排種輥在滑塊上橫向移動，通過自動調(diào)整間隙，使蔗種在耙齒作用力下可順勢排出。故障排除后，排種輥在彈簧力作用下恢復(fù)到原來的位置。

圖9 排種輥滑塊彈簧裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure schematic of seeding roller slider elastic device1.擋板 2.彈簧 3.導(dǎo)軌 4.滑塊 5.短鏈接板 6.軸承

2.3 運動仿真分析

2.3.1轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)的運動仿真分析

轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)集蔗過程某一時刻仿真分析如圖10所示，用轉(zhuǎn)動的耙輥模擬蔗種從提升進入轉(zhuǎn)向。

圖10 轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)仿真圖Fig.10 Structure simulation of turn to ordered sugarcane

3次重復(fù)性試驗，每次21根蔗種，指標(biāo)是蔗種夾角α，利用ADAMS中的Orientation Measure方向位姿測量功能，記錄下整個轉(zhuǎn)向過程中蔗種軸向與絕對坐標(biāo)X軸(水平方向)夾角β的曲線。因為開始狀態(tài)蔗種軸向方向與絕對坐標(biāo)X軸為90°，在測量時默認(rèn)為0°，所以用測量最終值的絕對值減去90°，得到蔗種徑向夾角α。定義：經(jīng)過轉(zhuǎn)向和導(dǎo)流，在集蔗箱中蔗種軸向方向與排種輥軸向夾角小于45°的蔗種數(shù)與總蔗種數(shù)的百分比，稱為有序轉(zhuǎn)向合格率。

仿真曲線只截取了第7根蔗種的夾角，如圖11所示，縱坐標(biāo)是測量夾角,故α=β-90°。在2 s時蔗種進入轉(zhuǎn)向機構(gòu)，發(fā)生了多次轉(zhuǎn)向，在4 s左右進入集蔗箱導(dǎo)流板，在4.8 s后有序進入集蔗箱底部，靜止。試驗統(tǒng)計結(jié)果表明蔗種有序轉(zhuǎn)向合格率為89%。證明了轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)的可行性。

圖11 第7根蔗種與X軸夾角仿真結(jié)果Fig.11 Seventh sugarcane species and X-axis angle record simulation

2.3.2排種器排種運動仿真分析

在ADAMS中蔗種模型和耙齒均是剛性，耙齒與排種輥以Bushing連接，使其有一定柔性，模型Y方向為落種方向。查閱文獻[20-21]設(shè)置好蔗種和集蔗箱接觸的相關(guān)參數(shù)。排種輥轉(zhuǎn)速30(°)/s(1 s/根),重復(fù)試驗5次，每次21根蔗種，指標(biāo)為

(5)

(6)

(7)

(8)

式中σ——落種時間間隔標(biāo)準(zhǔn)差，s

Δti——蔗種落種時間間隔，s

N——排種總根數(shù)，根

P——合格率，%

Lr——漏種率，%

N1——漏種根數(shù)，根

N2——重植根數(shù)，根

Pl——堵塞率，%

n——總排種次數(shù)，次

n1——堵塞次數(shù)，次

排種器仿真效果如圖12所示。

圖12 排種器排種仿真圖Fig.12 Platoon simulation row1.集蔗箱 2.排種輥 3.蔗種

蔗種在落種方向(Y方向)位移隨時間的變化曲線如圖13所示。每條曲線表示一根蔗種的位置變化，當(dāng)蔗種Y方向下落到Y(jié)=28 mm時，蔗種被排出，以Y=-50 mm作為監(jiān)測點，記錄每根落種時間間隔點。

圖13 蔗種落種方向位移隨時間的變化曲線Fig.13 Change curves of displace in direction of sugarcane seeding with time

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，每根蔗種的位移-時間變化曲線規(guī)律基本相同，呈現(xiàn)周期性，這主要是由于排種輥耙葉對其作用也是周期性。但6.5～7.5 s存在蔗種向上運動，是由蔗種間相互擠壓和耙齒作用力造成的。仿真結(jié)果驗證了所設(shè)計排種輥的可行性；落種均勻(平均標(biāo)準(zhǔn)差0.09 s)，合格率98%，漏種率和堵塞率為0%；排種過程中集蔗箱內(nèi)蔗種仍存在混亂現(xiàn)象。

3 試驗

3.1 轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)的驗證試驗

試驗裝置如圖14所示，選擇試驗蔗種平均直徑為30.2 mm，長度為350 mm。

圖15 單輥排種系統(tǒng)模擬試驗平臺Fig.15 Schematics of simulation test platform1.傳送帶 2.支撐架 3.排種器

圖14 轉(zhuǎn)向有序集蔗機構(gòu)試驗平臺Fig.14 Test platform of turn to ordered sugarcane structure1.模擬提升機構(gòu) 2.電機 3.轉(zhuǎn)向機構(gòu)

通過電機驅(qū)動提升機構(gòu)，在每個鏈槽內(nèi)添加1到多根蔗種，隨著提升到最高點掉落在轉(zhuǎn)向機構(gòu)上，完成蔗種位姿的改變，在出口處下方設(shè)置透明導(dǎo)流集蔗箱，通過攝像機記錄集蔗箱內(nèi)每個蔗種的方向；最后人工統(tǒng)計試驗結(jié)果。轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)的驗證試驗進行5次重復(fù)性試驗，每次試驗30根蔗種，以集蔗箱內(nèi)的蔗種夾角作為指標(biāo)。

發(fā)現(xiàn)提升高度和出口圓弧存在相關(guān)性：當(dāng)提升高度太大或圓弧段減速不夠時，蔗種動能太大，沖出集蔗箱，位姿不穩(wěn)定；當(dāng)提升高度太小或圓弧段減速大時，蔗種動能太小，常常停在出口圓弧處，未能實現(xiàn)有序集蔗。調(diào)整提升高度和出口圓弧后的試驗統(tǒng)計結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向機構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)向集蔗箱內(nèi)自動有序集蔗的功能，合格率為95.1%，驗證了轉(zhuǎn)向集蔗系統(tǒng)有序集蔗的可行性。

3.2 單輥排種器單因素試驗與分析

3.2.1試驗設(shè)計和試驗平臺

在自行研制的模擬排種試驗平臺(圖15)進行單因素試驗，由電機驅(qū)動傳送帶模擬播種前進速度,速度為0.33 m/s。試驗蔗種平均直徑為31.24 mm。主要影響因素有：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、集蔗箱側(cè)板水平夾角和排種輥轉(zhuǎn)速，影響排種性能的指標(biāo)為：合格率、漏種率和堵塞率。單因素每次試驗選取40根蔗種，5次重復(fù)性試驗，集蔗箱采用透明的亞克力板，便于實時觀察排種過程。

由步進電機驅(qū)動排種輥，集蔗箱內(nèi)蔗種隨著排種輥轉(zhuǎn)動逐根填充到V型齒槽內(nèi)，排種輥帶動蔗種按一定時間間隔落種。在出蔗口和透明集蔗箱旁裝有高清攝像頭，記錄整個排種過程。后期通過查看視頻記錄蔗種落種時間間隔點和集蔗箱內(nèi)的蔗種運動規(guī)律。

3.2.2集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對排種性能的影響

設(shè)定集蔗箱雙側(cè)邊與水平方向夾角均為60°，排種輥轉(zhuǎn)速為2 r/min。

試驗結(jié)果如圖16所示。結(jié)構(gòu)3合格率最高，為86.33%，但是漏種率3.36%略偏高；結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2合格率較低，漏種率較低；結(jié)構(gòu)2堵塞率最高,為4.3%。

3種不同的集蔗箱彈性控流板安裝如圖17所示。根據(jù)排種結(jié)果和集蔗箱蔗種運動狀態(tài)分析可知，結(jié)構(gòu)1(圖17a)蔗種之間相互擠壓排出、易傷芽，橫向移動彈性裝置位移量達(dá)到最大，故結(jié)構(gòu)1的合格率、漏種率、堵塞率均低。結(jié)構(gòu)2(圖17b)圓弧面板與排種輥的耙齒間形成了V型槽結(jié)構(gòu)，蔗種易堆積、傷芽，多根蔗種同時擠壓排出，故其合格率和漏種率較低、堵塞率稍高。結(jié)構(gòu)3(圖17c)第2段圓弧與排種輥同圓心，不會形成V型槽結(jié)構(gòu)，減小了蔗種之間的擠壓力，調(diào)節(jié)V型槽僅容一根蔗種，故結(jié)構(gòu)3的合格率最高。

圖16 集蔗箱控流板不同結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果Fig.16 Test results of different structure of cane box flow control plate

圖17 集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)安裝方式及示意圖Fig.17 Sketches of installation and flow-controlling plate structure of sugarcane-gathering box1.集蔗箱控流板下端 2.鉸鏈 3.彈簧 4.集蔗箱控流板上端

3.2.3集蔗箱側(cè)板與水平夾角對排種性能的影響

設(shè)定集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3，排種輥轉(zhuǎn)速2 r/min，固定側(cè)板與水平夾角為60°。

集蔗箱兩側(cè)板與水平夾角的影響試驗結(jié)果如圖18、19所示：隨著夾角的增大,排種效果由好變差；在55°～65°排種效果較好，合格率大于90%,漏種率小于5%。

圖18 集蔗箱彈性控流板與水平夾角試驗結(jié)果Fig.18 Test results of flow-controlling plate structure of sugarcane-gathering box and horizontal angle

當(dāng)側(cè)板與水平夾角較小時，集蔗箱空間變大，排種輥耙齒嵌入集蔗箱長度增加。且上層蔗種量變多、空間變大物流更加不受約束，容易發(fā)生混亂，造成漏種率增大。當(dāng)夾角較大時，耙齒嵌入集蔗箱長度變短，集蔗箱空間減少呈V型槽，物流堆積嚴(yán)重；底層蔗種壓力變大，耙齒剛性小耙不動，造成漏種率增大。

3.2.4排種輥轉(zhuǎn)速對排種性能的影響設(shè)定集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3，集蔗箱控流側(cè)板與水平夾角60°，集蔗箱齒形側(cè)板與水平夾角55°。試驗結(jié)果如圖20，隨著排種輥轉(zhuǎn)速升高，排種效果變差，特別是10 r/min，漏種率大于10%、堵塞率高達(dá)8.33%。

圖19 集蔗箱齒形側(cè)板與水平夾角試驗結(jié)果Fig.19 Test results of toothed side plates and horizontal angle of sugarcane-gathering box

圖20 排種輥不同轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果Fig.20 Experimental results of different rotation speeds of seeding rolls

當(dāng)排種輥轉(zhuǎn)速增大時，蔗種落入排種輥V型齒槽和耙齒與蔗種作用時間Δt變小，集蔗箱內(nèi)蔗種易混亂而堵塞。蔗種運動方向為圓周切線方向，當(dāng)排種輥齒槽無蔗種時，有向下運動的趨勢，但Δt變小和蔗種混亂，未能及時調(diào)整位姿落入空齒槽中，故排種效果變差。

3.3 單輥排種器正交試驗

試驗裝置、材料和試驗方法與3.2.1節(jié)相同。

從單因素試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、兩側(cè)板與水平夾角和排種輥轉(zhuǎn)速對排種性能均有較大的影響，但每個因素的水平影響程度不同。為了找出3個因素的影響程度并探究其影響規(guī)律，有必要進行正交試驗研究。因兩側(cè)板夾角均是55°～65°之間排種性能最優(yōu)，故將集蔗箱兩側(cè)板與水平的夾角合為一個因素考慮，即采用集蔗箱兩側(cè)板之間的夾角為變量。正交試驗因素為：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、排種輥轉(zhuǎn)速、集蔗箱兩側(cè)板夾角。試驗指標(biāo)為：排種合格率、漏種率、堵塞率。選取正交試驗因素水平如表1，正交試驗設(shè)計與結(jié)果如表2，A、B、C是因素水平值，合格率和堵塞率的方差分析如表3。

表1 正交試驗因素水平Tab.1 Orthogonal test factors and levels

合格率包含了漏種率的影響，故本文以合格率和堵塞率作為主要分析指標(biāo)。

(1)置信水平α=0.05的方差分析表明：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對排種合格率具有極顯著的影響，排種輥轉(zhuǎn)速和集蔗箱兩側(cè)板夾角對排種合格率為顯著影響；集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對排種堵塞率具有顯著影響。可見集蔗箱控流板結(jié)構(gòu)是主要影響因素。

(2)極差分析結(jié)果顯示，排種器各因素對排種合格率影響的主次順序是：集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)、集蔗箱兩側(cè)板夾角、排種輥轉(zhuǎn)速。最優(yōu)參數(shù)組合：以合格率分析的組合為A3B3C1,以堵塞率分析的組合為A1B3C1；由于取條件A1比A3的合格率低、漏種率高、堵塞率基本一樣，故最優(yōu)參數(shù)組合為A3B3C1，即集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3、轉(zhuǎn)速為6 r/min、集蔗箱兩側(cè)板夾角為105°。

表2 正交試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.2 Orthogonal test design and results

表3 方差分析Tab.3 Analysis of variance

注：*表示影響顯著(P≤0.05)；** 表示影響極顯著(P≤0.01)。

3.4 單輥排種器驗證性試驗

試驗裝置、材料和試驗方法與3.2.1節(jié)相同。采用正交試驗的最佳組合參數(shù)，即：集蔗箱彈性控流板為結(jié)構(gòu)3、轉(zhuǎn)速6 r/min和集蔗箱兩側(cè)板夾角105°。在室內(nèi)模擬排種試驗平臺上進行5次重復(fù)性試驗，每次試驗40根蔗種，試驗指標(biāo)和結(jié)果如表4。

驗證試驗結(jié)果表明：單輥下排式排種系統(tǒng)的平均排種合格率為91.0%,平均漏種率為4.5%,平均堵塞率為0.5%，排種較均勻(即落種間隔標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.563 s)。試驗各指標(biāo)均達(dá)到了種植要求。驗證試驗結(jié)果與ADAMS仿真基本一致，但仿真與實際排種過程合格率還是存在7.1%的誤差。

表4 驗證性試驗結(jié)果Tab.4 Confirmatory test results

4 結(jié)論

(1)通過仿真分析和試驗,研究了排種過程蔗種的運動機理，探討了預(yù)切種寬窄行甘蔗種植機單輥下排式排種系統(tǒng)的可行性。

(2)單因素試驗結(jié)果表明：轉(zhuǎn)向?qū)Я饔行蚣釞C構(gòu)的合格率為95.1%。單輥下排式排種器集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)3的排種效果較優(yōu)；隨著側(cè)板與水平夾角增大，合格率先升高、后降低，漏種率先降低、后升高；隨著轉(zhuǎn)速增大，合格率和漏種率降低。

(3)正交試驗方差分析表明：當(dāng)置信水平α=0.05，集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對排種合格率具有極顯著影響，排種輥轉(zhuǎn)速和集蔗箱兩側(cè)板夾角對排種合格率具有顯著影響，集蔗箱彈性控流板結(jié)構(gòu)對排種堵塞率具有影響顯著。

(4)單輥排種器參數(shù)最優(yōu)組合為：集蔗箱控流板結(jié)構(gòu)3、集蔗箱兩側(cè)板夾角為105°、排種轉(zhuǎn)速為6 r/min。在該組合下的驗證試驗表明：排種平均合格率91.0%、平均漏種率4.5%、平均堵塞率為0.5%，排種均勻性較好。