預切種甘蔗勺鏈式排種器設計與試驗

蘇 微 洪方偉 賴慶輝 賈廣鑫 陳子威

(昆明理工大學農(nóng)業(yè)與食品學院， 昆明 650500)

0 引言

甘蔗是我國重要的糖料作物。云南省甘蔗種植面積26萬公頃，位列全國第2位，甘蔗種植是農(nóng)民的重要經(jīng)濟來源。目前，云南省甘蔗種植依舊以人工作業(yè)為主，其勞動強度大、生產(chǎn)效率低，迫切需要研發(fā)一種適合云南省甘蔗種植農(nóng)藝的甘蔗種植機[1-5]。根據(jù)云南省甘蔗種植地塊面積小、配套拖拉機功率小的特點，結(jié)合農(nóng)民在農(nóng)閑時對蔗種進行砍蔗、優(yōu)選、浸種、排序等工序，設計一種預切種式排種器，以提高甘蔗出苗率及其種植效率，對實現(xiàn)云南省甘蔗種植機械化具有重要意義。

排種器是種植機的核心部件，目前甘蔗排種器主要分為實時切種式和預切種式兩類，其中預切種式排種器具有出苗率高、自動化程度高等優(yōu)點[6]。

對于預切種式排種器國內(nèi)外已有大量研究。澳大利亞Massey Ferguson、P&HBonel和美國GESSNER等公司針對凹板提升式排種器進行了研究，開發(fā)并推出了相應的甘蔗種植機，其排種器通過在升運鏈上設置凹板實現(xiàn)排種，但存在排種不均、漏充重充現(xiàn)象嚴重、耗種量大等問題[7-9]。為此，國外學者對提升式排種器進行了相關研究和改進，通過增加重力清種機構、改進夾板結(jié)構等方式改善了排種器排種效果，但漏充嚴重的問題依然存在[10-16]。印度KAMAL KISAN公司研制了一種輥式排種器，利用排種輥進行充種，其自動化程度高、工作性能較好，但作業(yè)速度較低，并且時有堵種現(xiàn)象發(fā)生。我國學者針對振動盤式、槽輪式、單輥排種式預切種排種器進行了研究[17-22]，取得了較好的排種效果，但仍然存在漏充問題，且機構較為復雜。上述研究的凹板提升式排種器雖然結(jié)構簡單、排種效率高，但是凹板對蔗種適應性差、待充蔗種亂序，導致排種器工作時充種性能差和易堵塞的問題未能從根本上解決。因此，用種勺取代傳統(tǒng)凹板來提高蔗種的適應性，并使待充蔗種有序排列，成為實現(xiàn)蔗種高效排種的關鍵。

針對云南省甘蔗種植現(xiàn)狀及預切種種植機漏充現(xiàn)象嚴重的問題，設計一種預切種甘蔗勺鏈式排種器，以期通過優(yōu)化分析種勺結(jié)構來提高排種效果，并通過設置隔離板有效改善排種器亂種現(xiàn)象，從而為甘蔗種植機的設計提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構與工作原理

1.1 整機結(jié)構

預切種甘蔗勺鏈式排種器試驗臺主要由排種器、種層高度調(diào)節(jié)裝置及支架組成，如圖1a所示。排種器部分主要由角度調(diào)節(jié)裝置、隔離板、主種箱、護種罩、升運鏈、種勺、清種器組成；種層高度調(diào)節(jié)裝置主要由副種箱和撥種器組成。

圖1 預切種甘蔗勺鏈式排種器試驗臺結(jié)構示意圖Fig.1 Schematics of test stand structure of pre-cutting and spoon seed-metering device for sugarcane1.電機Ⅰ 2.支架 3.電機Ⅱ 4.角度調(diào)節(jié)裝置 5.隔離板 6.主種箱 7.護種罩 8.升運鏈 9.種勺 10.清種器 11.副種箱 12.撥種器 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.護種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

1.2 工作原理

排種器工作前，將蔗種橫向放入主種箱中，升運鏈在電機Ⅰ提供的動力驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，帶動種勺轉(zhuǎn)動從主種箱中取種，當種勺進入充種區(qū)時，蔗種在蔗種間、種箱-蔗種和種勺-蔗種的共同作用下充入種勺，完成充種過程。蔗種在種勺中繼續(xù)向上運動進入清種區(qū)，當種勺中有多根蔗種時，在清種器和機械振動的共同作用下將多余的蔗種清出種勺，清出的蔗種落到主種箱的隔離板上，完成清種過程。蔗種繼續(xù)隨種勺運動，在護種罩的作用下通過護種區(qū)進入投種口，蔗種依靠自身重力掉落，完成投種過程。

2 關鍵部件參數(shù)設計

2.1 種勺

預切種甘蔗勺鏈式排種器主要通過種勺從種群中分離蔗種，因此種勺是該排種器的重要工作部件。

2.1.1結(jié)構參數(shù)

種勺的結(jié)構參數(shù)取決于蔗種的尺寸。本文選擇云南省種植面積最大的“新臺糖22號”蔗種作為研究對象。根據(jù)在甘蔗種植過程中需保證每根蔗種上留有2個或3個種芽的農(nóng)藝要求，選擇100個蔗種進行測量，經(jīng)統(tǒng)計，蔗種的直徑為24～36 mm，長度為298～342 mm。為此，種勺結(jié)構應滿足

(1)

式中r——種勺半徑，mm

d——蔗種直徑，mm

C——種勺長度，mm

L——蔗種長度，mm

H——種勺深度，mm

結(jié)合蔗種尺寸，經(jīng)計算，取種勺半徑為22.5 mm，種勺深度為20 mm，種勺長度為400 mm。

2.1.2邊界曲線

在充種過程中，為使蔗種穩(wěn)定且高效地充入種勺，種勺邊界曲線選擇最速降線進行分析[23]。

以種勺內(nèi)蔗種為研究對象，建立空間坐標系并對其進行受力分析，簡化蔗種沿著種勺邊界進入種勺的曲線為拋物線，如圖2b所示，設拋物線方程為z=tx2，研究蔗種在xOz平面內(nèi)的運動狀態(tài)，受力分析為

(2)

式中β——曲線在滑落點切線夾角，(°)

φ——蔗種與種勺間摩擦角，(°)

FN——種勺對蔗種支持力，N

Ff——種勺對蔗種摩擦力，N

m——蔗種質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

(3)

根據(jù)能量守恒定律有

(4)

式中vz——蔗種初始下落速度，m/s

vx——蔗種到達種勺底部時水平速度，m/s

由式(3)、(4)可得

(5)

代入拋物線方程z=tx2得到

(6)

2.1.3充種過程動力學分析

圖3 種勺中蔗種受力圖Fig.3 Stress diagram of sugarcane in seed scoop

充種過程是衡量排種器工作性能的重要指標，充種過程中蔗種間、蔗種與種勺間及蔗種與種箱組成復雜且不斷變化的動力學系統(tǒng)。為研究種勺的設計參數(shù)，以待充蔗種為研究對象，利用達朗貝爾原理對其受力情況進行分析，如圖3所示。

為實現(xiàn)平穩(wěn)充種，根據(jù)達朗貝爾原理建立方程

(7)

式中Fc——蔗種對種勺中蔗種的側(cè)向壓力，N

Fr——蔗種慣性離心力，N

vs——升運鏈線速度，m/s

D——鏈輪分度圓直徑，mm

α——排種器與水平面夾角，(°)

μ1——種勺與蔗種靜摩擦因數(shù)

整理得到

(8)

由式(8)可得，排種器傾角α是影響種勺能否穩(wěn)定充種的重要因素，并且與蔗種靜摩擦角φ、鏈輪分度圓直徑D、升運鏈線速度vs有關，其中根據(jù)試驗測得μ1為0.590。代入相關參數(shù)得到α≥20.9°，即相對于垂直狀態(tài)，排種器傾角應小于69.1°。為在臺架試驗中方便驗證排種器與水平面夾角，本文在排種器試驗臺上加入了角度調(diào)節(jié)裝置，如圖4所示。

圖4 角度調(diào)節(jié)裝置Fig.4 Schematic of angle adjusting device1.夾緊螺母 2.定位板 3.限位板 4.支撐軸

2.2 清種器

由于蔗種的尺寸差異較大，種勺設計時需要大于單根蔗種的尺寸，導致了可能會有多根蔗種進入種勺。為此設計一種清種器，如圖5a所示，在保留一根蔗種在種勺的同時清出多余的蔗種。

圖5 清種器結(jié)構示意圖Fig.5 Schematics of seeds clearing

如圖5b，對多充的蔗種進行受力分析，若使蔗種能夠從種勺中滾落，需有

(9)

式中γ——兩蔗種圓心連線與垂線夾角，(°)

ψ——蔗種角加速度，rad/s2

a——質(zhì)心加速度，m/s2

I——轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

得到

(10)

由Ff=μ2mgcosγ得

(11)

(12)

式中μ2——蔗種與蔗種間滾動摩擦因數(shù)

代入相關參數(shù)后得到角度γ需大于等于16.20°才可使多充的蔗種滾落，為了降低清種器對充種的影響，取角度γ的最小值16.20°，此時清種器長度T為22 mm。

2.3 升運鏈

升運鏈的尺寸影響到排種器的整體結(jié)構及工作效率，在保證實現(xiàn)基本運動的前提下，應能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)整結(jié)構參數(shù)和運動參數(shù)的需要，此外應盡量選擇尺寸較小的鏈條和鏈輪以減小試驗臺整體尺寸。

在升運鏈設計中，鏈輪的大小直接決定了升運鏈的尺寸及工作效率。在升運鏈工作過程中，需要保證排種器的運行穩(wěn)定，當蔗種在翻越主動鏈輪時，極易被甩出種勺，通過試驗發(fā)現(xiàn)在主動鏈輪上方設計有護種罩時若蔗種被甩出種勺，部分蔗種將無法順利投種，甚至被卡在護種罩與升運鏈之間無法下落。因此對該過程進行受力分析，得出使蔗種不被甩出種勺的最小鏈輪直徑。如圖6所示，當蔗種翻越主動鏈輪時，蔗種受到主動鏈輪離心力Fr、種勺對蔗種的摩擦力Ff、種勺對蔗種的支持力FN及自身重力的共同作用。為了確保蔗種不被甩出，需使離心力小于重力與摩擦力分力之和，可以得到

(13)

整理可得

(14)

式中δ——種勺旋轉(zhuǎn)角，(°)

R——鏈輪半徑，mm

其中種勺最小旋轉(zhuǎn)角取30°，鏈輪最大線速度取0.5 m/s。計算得R≥0.025 m，為了適當提高作業(yè)速度的上限并參考鏈輪標準，選擇鏈輪型號為10A18齒，半徑為43 mm。

圖6 蔗種翻越鏈輪受力分析Fig.6 Schematic of seed ejector force analysis of sugarcane seed crossing sprocket

3 單因素試驗

3.1 仿真試驗

3.1.1仿真模型的建立

為了確定種勺傾角的具體參數(shù)及種勺數(shù)量，利用EDEM軟件進行了單因素仿真試驗。蔗種作為體積較大的模型，其形狀細節(jié)對仿真試驗結(jié)果影響較小[24]，本文按照“新臺糖22號”雙芽段蔗種平均尺寸建立蔗種輪廓模型，使用多球面填充蔗種模型得到蔗種顆粒模型，如圖7所示。

圖7 蔗種顆粒模型Fig.7 Particle model of sugarcane seed

在SolidWorks中對排種器進行建模，為了減少仿真過程中的計算量，對模型進行簡化處理，將排種器簡化為一條向上運動足夠長的薄板，按照實際距離固定種勺和清種器。將模型作為幾何體導入EDEM中，如圖8所示。在EDEM中主種箱上方添加種子工廠用來模擬種層高度調(diào)節(jié)裝置，在主種箱中落入一定量的蔗種后薄板開始向上運動，在本次仿真中，種層高度為種子工廠在最初的1 s內(nèi)產(chǎn)生的蔗種所堆積的高度。

圖8 排種器仿真模型Fig.8 Simulation model of seed metering device

與蔗種接觸的部件有種勺、清種器、主種箱，其中種勺和清種器為ABS塑料，主種箱為不銹鋼材料。選擇Hertz-Mindlin(no slip)作為顆粒間及顆粒與排種器間的接觸模型。經(jīng)過前期試驗和查閱文獻[25-26]后確定蔗種-幾何模型的本征參數(shù)及其相互之間的接觸參數(shù)，如表1所示。

表1 離散元仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of EDEM

仿真試驗中設置排種器傾角(薄板傾角)和種層高度的固定值為15°和250 mm。排種器作業(yè)速度按照傳統(tǒng)單行種植模式計算，如圖9所示。

圖9 單行種植模式Fig.9 Single-row planting model

作業(yè)速度與電機Ⅰ轉(zhuǎn)速的關系為

(15)

式中v——作業(yè)速度，m/s

n——電機Ⅰ轉(zhuǎn)速，r/min

N——種勺數(shù)量

λ——電機與鏈輪傳動比

M——鏈條長度，m

排種器相關參數(shù)如表2所示。

表2 排種器相關參數(shù)Tab.2 Seed metering device related parameters

根據(jù)種勺與清種器尺寸得到種勺間的最小間距為137.5 mm，鏈條鏈節(jié)數(shù)為90 個，在保證排種效率及各種勺間距相同的前提下，種勺數(shù)量取為9、10、15、18個。將所需參數(shù)代入式(15)得到v=7.30×10-4Nn。為了保證排種器能夠在合適的作業(yè)速度下正常工作，試驗中選擇作業(yè)速度為2 km/h(即0.556 m/s)，此時薄板上升速度取值為1.020、0.918、0.612、0.510 m/s。

3.1.2種勺傾角的影響

為了保證種勺的充種效果，在種勺參數(shù)設計中將種勺傾斜一定的角度并保持上述最速降線所得角度不變(如圖10，e1、e2為種勺傾角，i1、i2為種勺入口角，使e1

圖10 種勺傾角示意圖Fig.10 Diagram of seed scoop angle

當種勺傾角逐漸增大時，由于種勺滑落點切線夾角不變，種勺入口路徑逐漸變短，同時種勺深度也隨著種勺傾角的增加而降低，從而降低蔗種在種勺中的穩(wěn)定性。試驗后得到在不影響充種的情況下，種勺傾角的最大值為45°。

以充種合格指數(shù)(1根/勺)和漏充指數(shù)(0根/勺)為試驗指標。分析種勺傾角為0°、15°、30°、45°時對充種過程的影響，每組仿真試驗統(tǒng)計100次充種過程，重復試驗3次取平均值。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同種勺傾角仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of different kinds of seed spoon inclination %

由表3可知，隨著種勺傾角的增加，充種合格指數(shù)先增加后減小，漏充指數(shù)均先減小后增加，種勺傾角在30°時，充種效果得到明顯提高。如圖11所示，在對種勺傾角分析后發(fā)現(xiàn)，隨著種勺傾角的增加，種勺凹槽深度存在n1>n2>n3的關系，由此可得，種勺傾角能夠通過降低種勺凹槽深度同時減少蔗種到達種勺底部所需的時間來提高種勺充種性能。當種勺傾角為30°時，充種合格指數(shù)最高。

圖11 種勺傾角分析示意圖Fig.11 Schematic of seed spoon inclination analysis

3.1.3種勺數(shù)量的影響

種勺數(shù)量決定了種勺的間距，直接影響種勺充種的時間。種勺過少時不利于排種器排種效率的提高；種勺過多時不利于種勺充種，使漏充指數(shù)升高。

為研究種勺數(shù)量對充種性能的影響，仿真分析了種勺數(shù)量為9、10、15、18個(即種勺間距分別為275、247.5、165、137.5 mm)時的充種情況，種勺傾角取30°，其余仿真參數(shù)與前文一致，結(jié)果如表4所示。

表4 不同種勺數(shù)量時性能仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different seed spoon numbers %

由表4可知，當種勺小于等于15個時，充種合格指數(shù)和漏充指數(shù)變化不大，當種勺大于15個時，呈現(xiàn)出合格指數(shù)減小、漏充指數(shù)增加的趨勢。主要因為種勺數(shù)量過大導致種勺間距減小，相同鏈輪線速度的情況下，種勺充種時間被縮短，導致漏充指數(shù)增加。因此取種勺數(shù)量為15個。

3.2 臺架試驗

3.2.1種層高度調(diào)節(jié)裝置

由于蔗種體積較大，在試驗時種層高度變化較大，為了保證試驗結(jié)果的真實可靠，設計了種層高度調(diào)節(jié)裝置以保證主種箱中種層高度不變，其原理為副種箱中下層的蔗種隨撥種器向前運動，在擋種板作用下有序進入主種箱。試驗時，預先在主種箱和副種箱內(nèi)放入蔗種，調(diào)節(jié)撥種器工作速度與排種器排種速度一致實現(xiàn)主種箱中種層高度不變，預先放置于主種箱中蔗種的種層高度即為試驗時的種層高度。

為了方便后續(xù)試驗，對兩個提供動力的電機在撥種器工作速度與排種器排種速度一致時的轉(zhuǎn)速進行了試驗。試驗方法為將電機Ⅰ固定于一轉(zhuǎn)速，測量此時排種器的排種速度(單位時間內(nèi)的平均充種數(shù))，調(diào)節(jié)電機Ⅱ轉(zhuǎn)速至蔗種從副種箱出種口撥出的平均速度與排種器的排種速度相同。每組試驗重復5次取均值，得到兩個電機轉(zhuǎn)速組合如表5所示。

表5 種層高度調(diào)節(jié)裝置電機轉(zhuǎn)速組合Tab.5 Seed layer height adjusting device motor combination

3.2.2隔離板

種勺能夠穩(wěn)定充種的前提條件是主種箱中蔗種在作業(yè)時能夠保證有序狀態(tài)。在前期試驗中發(fā)現(xiàn)部分多充的蔗種在被清種器清出種勺并落回主種箱后會導致原處于有序狀態(tài)的種群出現(xiàn)亂種現(xiàn)象，導致排種器排種中斷，如圖12所示。

圖12 亂種現(xiàn)象示意圖Fig.12 Diagram of random phenomenon

為此在主種箱中添加橡膠材質(zhì)的隔離板，起到將被清蔗種與主種箱中待充蔗種隔離并重新排序的作用。如圖13所示，影響隔離板隔離效果的因素主要為隔離板傾角b，當隔離板傾角較大時，導致隔離效果降低；當隔離板傾角較小時，易發(fā)生蔗種堆積于隔離板上并間接導致亂種。由于被清蔗種下落狀態(tài)受蔗種間、蔗種與隔離板、蔗種自身重力、蔗種下落角度等因素共同作用，通過對隔離板傾角進行單因素試驗來確定最佳角度。

圖13 隔離板傾角示意圖Fig.13 Diagram of isolation board inclination

經(jīng)前期試驗得到隔離板在傾角為30°～50°時能夠起到隔離效果，以排種器是否出現(xiàn)亂種現(xiàn)象或隔離板堆積現(xiàn)象為試驗指標，保證其他因素不變，設置隔離板傾角分別為34°、42°、50°以及無隔離板，每組試驗重復試驗3次，由于蔗種數(shù)量限制，作業(yè)速度為2 km/h時，作業(yè)時間最長為90 s，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同隔離板傾角試驗結(jié)果Tab.6 Test results of inclination of different insulation boards

由試驗結(jié)果可知，亂種現(xiàn)象的出現(xiàn)具有較大的偶然性，隔離板能夠有效降低亂種現(xiàn)象發(fā)生的概率。當隔離板傾角為42°時，隔離板的隔離效果最好。

4 性能試驗

4.1 試驗材料與設備

試驗采用云南地區(qū)廣泛種植的“新臺糖22號”蔗種，于2019年12月在昆明理工大學農(nóng)業(yè)與食品學院進行。試驗采用自制的排種器試驗臺，如圖14所示，試驗過程中，排種器與種層高度調(diào)節(jié)裝置固定安裝在支架上，利用合肥富煌君達高科信息技術有限公司提供的千眼狼5F01型高速攝像機拍攝充種情況，待排種器工作穩(wěn)定后統(tǒng)計排種器進行50個種勺的充種情況，每組試驗重復3次取平均值。

圖14 預切種甘蔗勺鏈式排種器試驗臺Fig.14 Test bench of pre-cutting and spoon seed-metering device for sugarcane1.護種罩 2.支架 3.高速攝像裝置 4.角度調(diào)節(jié)裝置 5.副種箱 6.隔離板 7.主種箱

4.2 試驗方法與結(jié)果

為研究作業(yè)速度、排種器傾角和種層高度對預切種甘蔗勺鏈式排種器工作性能的影響，基于前文研究所確定設計參數(shù)，進一步研究各因素對排種器工作性能的影響，通過式(15)將電機Ⅰ轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為作業(yè)速度，采用二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗研究排種器最佳作業(yè)性能參數(shù)。試驗因素編碼如表7所示，試驗設計方案與結(jié)果如表8所示，其中X1、X2、X3分別為作業(yè)速度、排種器傾角、種層高度的編碼值，試驗指標Y1、Y2、Y3分別為合格指數(shù)(1根/勺)、漏充指數(shù)(0根/勺)和重充指數(shù)(大于等于2根/勺)。

表7 試驗因素編碼Tab.7 Test factors and coding

表8 試驗方案與結(jié)果Tab.8 Experiment design and results

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1合格指數(shù)Y1

表9 方差分析Tab.9 Variance analysis

(16)

圖15 因素交互作用影響合格指數(shù)的響應曲面Fig.15 Effects of interaction factors on eligible rate

4.3.2漏充指數(shù)Y2

Y2=2.95+1.72X1-0.88X2-0.40X3+

(17)

4.3.3重充指數(shù)Y3

采用Design-Expert軟件對重充指數(shù)試驗數(shù)據(jù)進行方差分析，回歸方程的顯著性檢驗結(jié)果如表9所示。重充指數(shù)模型Y3的擬合度極顯著(P<0.01)。失擬項P=0.117 1，不顯著，說明無其他影響指標的主要因素，各因素對漏充指數(shù)影響由大到小為排種器傾角X2、種層高度X3、作業(yè)速度X1。排種器傾角與種層高度的交互項(X2X3)影響顯著，剔除交互項中不顯著因素后的回歸模型為

Y2=2.34-0.71X1+1.81X2+1.47X3+0.12X2X3

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4.4 各因素交互作用對合格指數(shù)的影響

通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理，可得作業(yè)速度、排種器傾角、種層高度交互作用對合格指數(shù)Y1的影響，其響應曲面如圖15所示。

圖15a為種層高度280 mm時，作業(yè)速度和排種器傾角交互作用影響合格指數(shù)Y1的響應曲面。由圖可知，當作業(yè)速度處于較低水平時，隨著作業(yè)速度的增加，排種器本身的振動幅度逐漸增加，能夠提升清種效果，重充指數(shù)降低同時合格指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，當作業(yè)速度處于較高水平時，排種器本身振動幅度較大，種勺中蔗種彈出種勺的幾率增加，同時由于種勺充種時間降低，漏充指數(shù)增加，合格指數(shù)呈下降趨勢。

圖15b為排種器傾角15°時，作業(yè)速度和種層高度交互作用影響合格指數(shù)Y1的響應曲面。當種層高度處于較低水平時，隨著種層高度的增大，種群中上層蔗種對下層蔗種的壓力逐漸增加，能夠促進充種，降低漏充指數(shù)，此時合格指數(shù)呈上升趨勢，當種層高度處于較高水平時，上層蔗種對下層蔗種壓力過大，導致重充指數(shù)升高，此時合格指數(shù)呈下降趨勢。

圖15c為作業(yè)速度2 km/h時，排種器傾角和種層高度交互作用影響合格指數(shù)Y1的響應曲面。當種層高度處于較低水平時，隨著種層高度的增加，種群中上層蔗種對下層蔗種的壓力逐漸增加，同時由于隔離板的存在使接觸種勺的蔗種數(shù)量一定，促進充種，降低漏充指數(shù)，此時合格指數(shù)呈上升趨勢，當種層高度處于較高水平時，上層蔗種對下層蔗種壓力過大，導致重充指數(shù)升高，此時合格指數(shù)呈下降趨勢；由于排種器傾角與種層高度的作用機理均為上層蔗種對下層蔗種的壓力，排種器傾角與種層高度呈現(xiàn)較大的相關性。

4.5 參數(shù)優(yōu)化

為確定最佳參數(shù)取值范圍，設定合格指數(shù)大于93%，重充指數(shù)和漏充指數(shù)均小于5%，確保種箱中有足夠多的蔗種，設置種層高度為360 mm，優(yōu)化所得最佳參數(shù)范圍如圖16所示，得到作業(yè)速度取值范圍為1.45～2.37 km/h，排種器傾角取值范圍為9.53°～15.15°。

對優(yōu)化后的理論結(jié)果進行試驗驗證。在相同試驗條件下選取種層高度為360 mm，作業(yè)速度為1.45～2.37 km/h，排種器傾角為9.53°～15.15°，進行3次重復驗證試驗。經(jīng)驗證試驗可得該條件下排種器充種平均合格指數(shù)為95.33%，平均漏充指數(shù)為3.11%，平均重充指數(shù)為1.56%，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果一致。

圖16 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.16 Parameter optimization analysis chart

5 結(jié)論

(1)針對云南省甘蔗種植現(xiàn)狀及預切種種植機排種不均、漏充現(xiàn)象嚴重的問題，設計了一種預切種甘蔗勺鏈式排種器，以充種條件為依據(jù)通過理論計算和運動分析確定了種勺、清種器、升運鏈的基本參數(shù)。

(2)針對種勺傾角和種勺數(shù)量進行了基于EDEM的單因素仿真試驗，確定了種勺傾角為30°，種勺數(shù)量為15個；針對隔離板傾角進行了單因素試驗，確定了隔離板傾角為42°。

(3)以作業(yè)速度、排種器傾角、種層高度為試驗因素，以合格指數(shù)、漏充指數(shù)、重充指數(shù)為試驗指標進行了二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗，運用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進行分析，得到合格指數(shù)、漏充指數(shù)、重充指數(shù)的回歸方程。當種層高度為360 mm、作業(yè)速度為1.45～2.37 km/h、排種器傾角為9.53°～15.15°時，排種器平均合格指數(shù)為95.33%，平均漏充指數(shù)為3.11%，平均重充指數(shù)為1.56%。