導(dǎo)種環(huán)槽U型孔組合型輪式前胡排種器設(shè)計與試驗

方梁菲 曹成茂 秦 寬 葛 俊

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實驗室，合肥 230036)

0 引言

近年來中藥材市場前胡需求量逐漸增大，國內(nèi)安徽、江西、江蘇、貴州等地廣泛種植，安徽省寧國市地處皖南山區(qū)天目山北麓，以盛產(chǎn)白花前胡而聞名，是國內(nèi)前胡的主產(chǎn)地之一。寧前胡播量為15～22.5 kg/hm2，采用條播方式種植[1]，目前主要依賴人工播種，勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，尚無滿足前胡種植農(nóng)藝要求的播種裝置，機(jī)械化程度低嚴(yán)重制約了中草藥前胡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

前胡種子外形扁平，粒徑小、質(zhì)量輕，機(jī)械化精量排種難度較大。在小粒徑種子播種裝置方面，雷小龍等[2]設(shè)計了一種油麥兼用型氣送式集排供種裝置；曹成茂等[3]針對小麥和水稻設(shè)計了一種一器多行環(huán)槽式排種器；文獻(xiàn)[4-7]研究了小麥精量排種機(jī)理。針對外形不規(guī)整扁平狀種子機(jī)械化播種問題，相關(guān)專家學(xué)者開展了諸多研究，張靜[8]對蘿卜、茄子、番茄等扁平類種子進(jìn)行了精量播種機(jī)理研究；文獻(xiàn)[9-11]對氣力式辣椒排種器進(jìn)行了設(shè)計與試驗研究；趙濤等[12]針對苜蓿機(jī)械化播種問題進(jìn)行了精量排種器設(shè)計與試驗；夏紅梅等[13]基于導(dǎo)向振動供種機(jī)理設(shè)計了扁平茄果類種子供種裝置。雖然在小粒徑及扁平狀種子排種研究方面已取得較多成果，但前胡種子的外形特征和物理力學(xué)特性與小麥、水稻、辣椒、茄果類種子相比差異較大，現(xiàn)有的扁平類種子排種器不能直接用于前胡機(jī)械化精量播種，因此需對前胡開展精量排種研究。

本文根據(jù)寧前胡種子幾何物理特性，參考現(xiàn)有型孔輪式排種器及排肥器結(jié)構(gòu)[14-20]，設(shè)計一種導(dǎo)種環(huán)槽U型孔組合型輪式排種器，開展排種輪排種性能試驗研究，通過優(yōu)化試驗確定排種器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)并進(jìn)行田間試驗，以期推動前胡機(jī)械化種植技術(shù)發(fā)展。

1 播種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 播種裝置整體結(jié)構(gòu)

前胡播種裝置主要由排種軸轉(zhuǎn)速控制變速器、種箱、排種器、開溝器、導(dǎo)種管、彈性覆土爪等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。播種裝置工作時，行走輪由汽油發(fā)動機(jī)通過鏈輪箱驅(qū)動，行走輪軸通過鏈輪鏈條與排種軸轉(zhuǎn)速控制變速器輸入端連接，變速器輸出端經(jīng)鏈輪帶動排種軸轉(zhuǎn)動，排種軸帶動排種輪轉(zhuǎn)動，完成播種。其中排種輪是關(guān)鍵工作部件。播種裝置主要工作參數(shù)如表1所示。

圖1 前胡播種裝置三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Three-dimensional structure diagram of Radix peucedani seed metering device1.排種軸轉(zhuǎn)速控制變速器 2.汽油發(fā)動機(jī) 3.開溝器 4.導(dǎo)種管 5.彈性覆土爪 6.限深輪 7.排種器 8.種箱

表1 前胡播種裝置主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of Radix peucedani seed metering device

1.2 排種器結(jié)構(gòu)及工作過程

導(dǎo)種環(huán)槽U型孔組合型輪式排種器主要由排種器殼體、充種調(diào)節(jié)板、充種室、排種輪、清種刷等組成，如圖2所示。其中排種輪為核心工作部件。

圖2 導(dǎo)種環(huán)槽U型孔組合型排種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of wheel seed metering device with guide ring groove combining U-hole1.種箱 2.充種調(diào)節(jié)板 3.充種室 4.排種器殼體 5.彈性卸種板 6.投種口 7.排種輪 8.護(hù)種板 9.清種刷 10.U型孔 11.導(dǎo)種環(huán)槽

排種器工作區(qū)域包括充種區(qū)Ⅰ、攜種區(qū)Ⅱ、護(hù)種區(qū)Ⅲ和投種區(qū)Ⅳ，如圖2a所示。播種裝置工作時，種箱內(nèi)的前胡種子在重力作用下進(jìn)入充種區(qū)；充種區(qū)的種子在重力、排種輪擾動攜帶、種群間摩擦力、種子與排種輪間的摩擦力及種子間擠推力共同作用下進(jìn)入導(dǎo)種環(huán)槽和U型孔，完成充種；攜有前胡種子的U型孔旋轉(zhuǎn)經(jīng)過攜種區(qū)和護(hù)種區(qū)，到達(dá)投種區(qū)時，種子在重力和離心力共同作用下落入投種口，完成供種。充種區(qū)的種層初始充填高度由充種調(diào)節(jié)板控制，H為充種調(diào)節(jié)板縱向調(diào)節(jié)距離。排種輪結(jié)構(gòu)如圖2b所示。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 排種輪直徑

排種輪是輪式排種器的關(guān)鍵部件，顯著影響排種效果，其直徑是確定型孔數(shù)、排種輪線速度和種子慣性離心力等參數(shù)的依據(jù)[7,17]。充種時間與排種輪直徑之間的關(guān)系為

(1)

式中t——充種時間，s

l——充種區(qū)弧長，mm

v——排種輪線速度，m/s

θ——充種區(qū)角度，rad

R——排種輪半徑，mm

h——型孔深度，mm

n——排種輪轉(zhuǎn)速，r/min

由式(1)可得

(2)

式(2)表明，充種時間僅與充種區(qū)角度和排種輪轉(zhuǎn)速有關(guān)，與排種輪直徑無關(guān)。排種輪直徑、排種輪環(huán)槽型孔形狀和尺寸、排種輪轉(zhuǎn)速是影響條播效果的主要因素，若排種輪直徑過小，型孔數(shù)量就少，為保證播種量，就需增加排種輪轉(zhuǎn)速，排種輪轉(zhuǎn)速過大，充種時間就會相應(yīng)縮短，種子來不及充入環(huán)槽和型孔，就會導(dǎo)致播種量不夠。參考小麥輪式排種器排種輪直徑(50～80 mm)[7]并考慮前胡播種機(jī)整體結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，本文設(shè)計排種輪直徑為70 mm。

2.2 導(dǎo)種環(huán)槽、U型孔設(shè)計

排種輪型孔的結(jié)構(gòu)、尺寸、容積以及種子在型孔內(nèi)的排列狀態(tài)、受力和穩(wěn)定程度影響排種性能[7]。前胡種子外形不規(guī)則，呈扁平橢圓狀(圖3)，且質(zhì)量輕、流動性差，自然休止角為40.19°[21-22]。前期臺架預(yù)試驗表明，傳統(tǒng)窩眼輪式排種器、異型孔輪式排種器[17]等用于前胡排種效果不好，排種均勻性變異系數(shù)、種子損傷率等指標(biāo)均較高。為減小充種過程種子損傷，根據(jù)前胡種子幾何物理特性，在排種輪周向設(shè)計一圈截面為梯形的環(huán)槽作為導(dǎo)種槽，在充種過程中起到導(dǎo)種引流作用，可引導(dǎo)前胡種子流順利充入型孔，梯形截面的兩側(cè)邊與水平面夾角為導(dǎo)種環(huán)槽傾角，設(shè)為α(圖4a)。囊種型孔內(nèi)嵌在導(dǎo)種環(huán)槽內(nèi)部。

圖3 前胡種子Fig.3 Pictures of Radix peucedani seed

圖4 排種輪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4 Key structural parameters of seed metering wheel

選取安徽省寧國市中溪鎮(zhèn)東坡村寧前胡種植機(jī)械化示范基地的前胡種子作為研究對象，篩選的種子如圖3a所示。隨機(jī)選取100顆前胡種子，測得三軸尺寸平均值分別為：長度L=4.85 mm、寬度W=3.64 mm、厚度T=0.64 mm；三軸尺寸最大值分別為：Lmax=5.46 mm、Wmax=3.82 mm、Tmax=0.78 mm。種子平均顆粒堆積密度ρb為0.141 g/cm3，自然休止角為40.19°，千粒質(zhì)量為3.2 g，含水率為8.9%。

寧前胡的播種量為15～22.5 kg/hm2，播種機(jī)前進(jìn)平均速度設(shè)定為1.2 km/h，為便于后期機(jī)械化除草和收獲，結(jié)合安徽省寧國市前胡種植農(nóng)藝要求，前胡采用條播方式種植，條播以一壟(畦)三行為宜，種帶寬度不大于50 mm，行中心距為280 mm，一壟(畦)的寬度設(shè)為800 mm，因此前胡播種速率為0.13～0.20 g/s。

導(dǎo)種環(huán)槽橫截面、型孔相關(guān)尺寸參數(shù)直接影響排種器的充種、排種性能，型孔關(guān)鍵尺寸設(shè)計是以前胡種子條播農(nóng)藝要求及充種時種子進(jìn)入型孔的狀態(tài)為依據(jù)。研究表明，種子在重力場中的運(yùn)動狀態(tài)與其本身的“平躺”、“側(cè)立”、“豎立”狀態(tài)的截面積成正比[7]。即

(3)

其中

PP+PC+PS=1

(4)

式中PP——種子平躺姿態(tài)概率，%

PC——種子側(cè)臥姿態(tài)概率，%

PS——種子豎立姿態(tài)概率，%

SP——種子平躺姿態(tài)截面積，mm2

SC——種子側(cè)臥姿態(tài)截面積，mm2

SS——種子豎立姿態(tài)截面積，mm2

由式(3)、(4)可得

(5)

前胡種子3種姿態(tài)的截面近似橢圓形，其面積分別為

(6)

型孔設(shè)計可參考充種時種子的姿勢狀態(tài)概率，依據(jù)式(3)～(6)計算得充種狀態(tài)概率如表2所示。根據(jù)最小勢能原則[6]并結(jié)合前期臺架預(yù)試驗觀察，前胡種子充入型孔時，絕大多數(shù)為平躺姿態(tài)，因此確定“平躺”狀態(tài)為前胡種子最大可能的穩(wěn)定狀態(tài)。考慮前胡種子呈扁平橢圓狀且質(zhì)量輕(圖3)，為順利充種和充分利用型孔充種空間，將型孔設(shè)計成U型且型孔底面設(shè)計為平面(其三維結(jié)構(gòu)如圖2b所示)。

表2 前胡種子3軸平均尺寸及充種狀態(tài)概率Tab.2 Comparison of triaxial average size and seed filling state probability of Radix peucedani seeds

U型孔囊取種子數(shù)量取決于其容積[18]，由圖4可知，單個U型孔容積近似為

V1=h1w1l1/2

(7)

(8)

式中V1——U型孔容積，mm3

h1——U型孔設(shè)計深度，mm

w1——U型孔設(shè)計寬度，mm

l1——U型孔設(shè)計長度，mm

h2——導(dǎo)種環(huán)槽梯形橫截面高度，mm

為保證充種數(shù)量，在U型孔寬度方向應(yīng)能并排充入兩顆長軸尺寸最大的前胡種子，即U型孔設(shè)計寬度w1≥2Lmax=10.92 mm。前胡充種過程中若種子呈豎立姿態(tài)，則深度方向空間應(yīng)滿足h1+h2≥Lmax=5.46 mm，即導(dǎo)種環(huán)槽高度與型孔深度之和需大于Lmax(圖4)。參考排種輪直徑及前胡種子三軸最大尺寸，確定h2為3 mm，則U型孔設(shè)計深度h1≥2.46 mm。設(shè)計條播排種器型孔寬度和深度時需考慮調(diào)整系數(shù)[7]，調(diào)整系數(shù)取值一般為1.3～2.0，本文寬度調(diào)整系數(shù)取1.3，深度方向調(diào)整系數(shù)取2.0。因此，U型孔寬度和深度設(shè)計值范圍分別為：10.92 mm≤w1≤14.196 mm、2.46 mm≤h1≤4.92 mm，經(jīng)圓整后取值范圍為：11 mm≤w1≤14 mm、3 mm≤h1≤5 mm。

導(dǎo)種環(huán)槽梯形截面的底邊與U型孔的設(shè)計寬度w1相等，由于前胡種子與尼龍材料之間的靜摩擦角為28.8°[22]，自然休止角為40.19°，為保證導(dǎo)種效果，提高種子的流動性，導(dǎo)種環(huán)槽傾角α設(shè)計值應(yīng)大于40.19°為宜，因此導(dǎo)種環(huán)槽傾角α的設(shè)計范圍可取42°～50°。

2.3 排種輪轉(zhuǎn)速

排種輪轉(zhuǎn)速是輪式排種器的重要參數(shù)之一，本文根據(jù)單個排種器每秒排種量確定排種輪轉(zhuǎn)速范圍[18]。當(dāng)w1和h1分別取值11、3 mm時，由式(8)得l1=13.50 mm，可計算出單個U型孔平均近似容積Vave=222.75 mm3。參照前胡播種速率，若保證排種器的排量介于0.13～0.20 g/s之間，即能滿足前胡播種農(nóng)藝要求。寧前胡種子平均顆粒堆積密度ρb=0.141 g/cm3，當(dāng)排量為0.13 g/s時，理論供種容積速率應(yīng)為V0.13=921.99 mm3/s。同理可計算出排量為0.2 g/s時，理論供種容積速率V0.2=1 418.44 mm3/s。

為保證種子流連續(xù)性和供種穩(wěn)定性，U型孔應(yīng)盡可能沿周向布滿排種輪，依據(jù)排種輪直徑及U型孔設(shè)計尺寸，確定型孔數(shù)量為12。排種輪轉(zhuǎn)速范圍可按照滿足播量要求時，每秒轉(zhuǎn)過的型孔數(shù)量進(jìn)行參考。由以上分析可知，當(dāng)單個U型孔平均近似容積Vave=222.75 mm3時，為保證排量分別滿足0.13 g/s(理論供種容積速率V0.13=921.99 mm3/s)、0.2 g/s(理論供種容積速率V0.2=1 418.44 mm3/s)時，排種輪每秒需轉(zhuǎn)過的U型孔數(shù)量分別為4.14個/s(即0.345 r/s)、6.37個/s(即0.53 r/s)，則對應(yīng)的排種輪轉(zhuǎn)速分別為20.70、31.85 r/min。經(jīng)圓整后排種輪轉(zhuǎn)速范圍為20～31 r/min。

2.4 供種過程力學(xué)分析

種子順利充入U型孔是實現(xiàn)穩(wěn)定供種的首要環(huán)節(jié)，種子在充種區(qū)受到排種輪的擾動，在重力、摩擦力、種群間壓力等作用下充入U型孔。由于前胡種子在充種室內(nèi)以散粒體形式連續(xù)運(yùn)動，以多粒種子充入型孔實現(xiàn)條播，可將充入型孔的種子群視為一個整體，對其質(zhì)心進(jìn)行力學(xué)分析[7,14]，根據(jù)質(zhì)點系運(yùn)動的法向和切向建立輔助坐標(biāo)系，種子群在充種區(qū)的受力分析如圖5所示，建立的種子群質(zhì)心受力方程為

圖5 種群充種過程力學(xué)分析Fig.5 Mechanical analysis diagram of population seed filling process

(9)

式中N——U型孔對種群質(zhì)心的支撐力，N

FH——充種區(qū)種子對種群質(zhì)心的側(cè)壓力，N

Fc——種群質(zhì)心的慣性離心力，N

G——種群質(zhì)心重力，N

β——起始充種角，(°)

f1——種群質(zhì)心與型孔內(nèi)壁間的摩擦力，N

f2——種群質(zhì)心與充種區(qū)種子間的摩擦力，N

μ1——種子與型孔表面摩擦因數(shù)

μ2——種子之間摩擦因數(shù)

ω——排種輪角速度，rad/s

由式(9)可得

(10)

由式(10)可知，起始充種角β與排種輪轉(zhuǎn)速n、側(cè)壓力FH、種群質(zhì)心與型孔內(nèi)壁間摩擦力f1等參數(shù)相關(guān)。當(dāng)型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料確定時，轉(zhuǎn)速n增加會減小種子起始充種角β，適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速，增大起始充種角，可保證充種穩(wěn)定和充分。

當(dāng)U型孔內(nèi)的種群進(jìn)入投種區(qū)時，取投種臨界狀態(tài)的種群質(zhì)心為研究對象，種群質(zhì)心的受力分析如圖6所示。投種臨界狀態(tài)受力方程為

圖6 種群投種過程力學(xué)分析Fig.6 Mechanical analysis diagram of population seeding process

(11)

式中N1——U型孔對種群質(zhì)心的支撐力，N

FIy——種群質(zhì)心切向慣性力，N

FIx——種群質(zhì)心法向慣性力，N

f′ ——種群質(zhì)心與U型孔底面間摩擦力，N

γ——起始投種角，(°)

由式(9)、(11)可得

(12)

式(12)表明，起始投種角γ與轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，而前胡種子流動性差，與排種輪之間的摩擦因數(shù)大，為提高投種性能，起始投種角γ需盡量減小，因此排種輪轉(zhuǎn)速也相應(yīng)降低。

相關(guān)研究表明[7]，型孔類機(jī)械輪式排種器會存在一個極限供種轉(zhuǎn)速，當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速達(dá)到極限供種轉(zhuǎn)速時，充種區(qū)上部與清種區(qū)之間易發(fā)生“飛種”現(xiàn)象，極限供種轉(zhuǎn)速nm與最大充種角βm的關(guān)系式為

(13)

考慮到前胡種子間摩擦力大、流動性差，為保證充種充分，可盡量增大最大充種角，參照文獻(xiàn)[7]設(shè)計最大充種角βm為35°，可得極限供種轉(zhuǎn)速nm為121.86 r/min。上文設(shè)計的排種輪工作轉(zhuǎn)速最大值為31.85 r/min，小于極限供種轉(zhuǎn)速。

3 排種器排種性能仿真試驗

為探究排種器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對排種性能的影響，優(yōu)化排種器工作性能，采用離散元軟件EDEM[23]，通過正交試驗尋求U型孔深度、U型孔寬度、導(dǎo)種環(huán)槽傾角三者最佳參數(shù)組合。為簡化仿真模型，排種輪和排種器殼體均選用尼龍材料。

3.1 離散元仿真模型構(gòu)建

以安徽省寧國市寧前胡種子作為建模對象，按照其三軸尺寸平均值及外形建立種子三維模型，將模型導(dǎo)入EDEM軟件，利用球形顆?？焖偬畛渚酆系玫降膶幥昂N子離散元模型如圖7a所示。將建立的排種器模型導(dǎo)入EDEM軟件，為減少計算量，去除與種子無接觸的部件，構(gòu)建的排種器仿真幾何體模型如圖7b所示。由于前胡排種過程不涉及種子間及種子與排種器間的黏結(jié)作用，因此選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型作為種子顆粒與顆粒以及種子顆粒與條播排種器之間的接觸模型。寧前胡種子顆粒和排種器的相關(guān)材料參數(shù)及接觸力學(xué)參數(shù)如表3所示[22]。

圖7 前胡排種器離散元仿真模型Fig.7 Discrete element simulation model of seed metering device

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Simulation parameters

3.2 評價方法與試驗設(shè)計

目前尚未見文獻(xiàn)報道前胡種子條播機(jī)構(gòu)作業(yè)的評價標(biāo)準(zhǔn)，參考GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī) 試驗方法》、JB/T 6274.1—2013《谷物播種機(jī) 第1部分：技術(shù)條件》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中小麥、谷子等作物種子條播評價方法，采用單位時間平均播種量(以下簡稱平均播種量)及排種均勻性變異系數(shù)作為前胡排種器性能的主要評價指標(biāo)。為獲得較優(yōu)的排種器工作參數(shù)組合，開展U型孔深度、U型孔寬度、導(dǎo)種環(huán)槽傾角的三因素試驗。根據(jù)上文得出的相關(guān)參數(shù)范圍，U型孔深度設(shè)為3、4、5 mm，U型孔寬度設(shè)為11、12.5、14 mm，導(dǎo)種環(huán)槽傾角設(shè)為42°、46°、50°，試驗指標(biāo)為平均播種量Y1及排種均勻性變異系數(shù)Y2，用Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行三因素三水平正交仿真試驗，試驗共進(jìn)行17組，各因素編碼如表4所示，試驗設(shè)計方案如表5所示，其中a、b、c分別為U型孔深度、U型孔寬度和導(dǎo)種環(huán)槽傾角編碼值。

表4 仿真試驗因素編碼Tab.4 Simulation test factors and codes

仿真試驗時，排種輪轉(zhuǎn)速設(shè)定為25 r/min，虛擬種帶前進(jìn)速度設(shè)定為1.2 km/h，即0.33 m/s，顆粒工廠生成后，仿真時間設(shè)定為3 s，即種帶前進(jìn)距離為0.99 m，種子與虛擬種帶床間碰撞恢復(fù)系數(shù)設(shè)為0.01，其余仿真參數(shù)見表3。每組仿真結(jié)束后，將種帶均分為10段，每段長度10 cm，統(tǒng)計各段種帶上的前胡種子數(shù)量。在EDEM后處理模塊添加Grid Bin Group，位于排種口底部中間位置，統(tǒng)計3 s內(nèi)的排種量，以計算平均播種量。

3.3 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表5所示，用Design-Expert軟件分別對U型孔深度、U型孔寬度、導(dǎo)種環(huán)槽傾角進(jìn)行回歸擬合分析，建立平均播種量Y1及排種均勻性變異系數(shù)Y2的回歸方程，對影響試驗指標(biāo)的3個因素進(jìn)行顯著性檢驗與分析，獲得顯著試驗因素與評價指標(biāo)的二次多項式響應(yīng)回歸模型，模型方差分析及顯著性檢驗結(jié)果如表6所示。

表5 試驗方案及試驗結(jié)果Tab.5 Test scheme and results

表6 回歸模型方差分析Tab.6 Regression model variance analysis

二次回歸模型均極顯著(P<0.01)，失擬項均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬。各因素與平均播種量Y1、排種均勻性變異系數(shù)Y2的回歸方程分別為

Y1=-0.56-6.42×10-4A+0.18B-0.03C+
1.83×10-3AB+1.44×10-3AC+7.44×10-17BC-9.30×10-3A2-6.91×10-3B2+4.03×10-4C2

(14)

Y2=676.68-9.50A-51.08B-11.76C-0.59AB+
0.12AC+0.21BC+1.17A2+1.61B2+0.08C2

(15)

方差分析結(jié)果表明，對于平均播種量Y1，A、B、C影響極顯著，B2影響顯著，AB、AC、BC、A2、C2影響不顯著；各試驗因素對平均播種量Y1的影響由大到小為導(dǎo)種環(huán)槽傾角、U型孔寬度、U型孔深度。對于排種均勻性變異系數(shù)Y2，B、C、B2影響極顯著，A影響顯著，AB、AC、BC、A2、C2影響不顯著；各試驗因素對排種均勻性變異系數(shù)Y2的影響由大到小為U型孔寬度、導(dǎo)種環(huán)槽傾角、U型孔深度。

為更直觀分析各因素交互對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律，設(shè)定其中一個影響因素為中間水平，另兩個因素交互作用如圖8、9所示。圖8a為導(dǎo)種環(huán)槽傾角處于中心水平時，U型孔深度和U型孔寬度交互作用時對平均播種量的影響，當(dāng)U型孔寬度一定時，平均播種量隨U型孔深度先增加后減小，當(dāng)U型孔寬度逐漸增大時，會增強(qiáng)平均播種量隨U型孔深度變化的趨勢。圖8b為U型孔寬度處于中心水平時，U型孔深度和導(dǎo)種環(huán)槽傾角交互作用時對平均播種量的影響，當(dāng)U型孔深度一定時，平均播種量隨著導(dǎo)種環(huán)槽傾角的增大而增大。圖8c為U型孔深度處于中心水平時，U型孔寬度和導(dǎo)種環(huán)槽傾角交互作用時對平均播種量的影響，當(dāng)U型孔寬度一定時，平均播種量隨著導(dǎo)種環(huán)槽傾角的增大而增大，當(dāng)導(dǎo)種環(huán)槽傾角一定時，平均播種量隨寬度增大呈先增大后減小的趨勢。

圖8 各試驗因素對平均播種量的影響Fig.8 Influences of various experimental factors on average seeding amount

圖9a為導(dǎo)種環(huán)槽傾角處于中心水平時，U型孔深度和U型孔寬度交互作用時對排種均勻性變異系數(shù)的影響規(guī)律，當(dāng)U型孔深度一定時，排種均勻性變異系數(shù)隨著U型孔寬度的增加而減小，當(dāng)U型孔深度增加時，會增強(qiáng)排種均勻性變異系數(shù)隨U型孔寬度增大而減小的趨勢。圖9b為U型孔寬度處于中心水平時，U型孔深度和導(dǎo)種環(huán)槽傾角交互作用時對排種均勻性變異系數(shù)的影響，當(dāng)U型孔深度一定時，排種均勻性變異系數(shù)隨著導(dǎo)種環(huán)槽傾角的增加而減小，當(dāng)導(dǎo)種環(huán)槽傾角一定時，排種均勻性變異系數(shù)隨著U型孔深度的增加而減小。圖9c為U型孔深度處于中心水平時，U型孔寬度和導(dǎo)種環(huán)槽傾角交互作用時對排種均勻性變異系數(shù)的影響，當(dāng)導(dǎo)種環(huán)槽傾角一定時，排種均勻性變異系數(shù)隨著U型孔寬度增加而減小，當(dāng)導(dǎo)種環(huán)槽傾角逐漸增大時，會減弱排種均勻性變異系數(shù)隨著U型孔寬度增大而減小的趨勢。

圖9 各試驗因素對排種均勻性變異系數(shù)的影響Fig.9 Influences of various experimental factors on variation coefficient of seed metering uniformity

為尋求約束條件下各因素的最優(yōu)組合，以平均播種量滿足0.13 g/s≤Y1≤0.20 g/s、排種均勻性變異系數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，采用Design-Expert求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(16)

得出最優(yōu)參數(shù)組合為：U型孔深度為4.65 mm、U型孔寬度為13.63 mm、導(dǎo)種環(huán)槽傾角為47.01°，此參數(shù)組合下預(yù)測的平均播種量為0.199 g/s、排種均勻性變異系數(shù)為12.37%。

4 臺架試驗

4.1 排種器單行排種性能驗證試驗

為驗證仿真優(yōu)化試驗結(jié)果，在安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實驗室JPS-12型排種器試驗臺進(jìn)行單排種器排種性能臺架試驗。試驗材料：寧前胡種子(試驗所用前胡種子采收于安徽省寧國市中溪鎮(zhèn)東坡村寧前胡種植機(jī)械化示范基地，種子已經(jīng)過篩選)，其平均三軸尺寸見表2，千粒質(zhì)量為3.2 g，含水率8.9%。主要試驗器材：3D打印的排種輪、自制前胡排種器試驗支架(圖10a)、卷尺、精度為0.001 g的電子天平、6236P型轉(zhuǎn)速儀、秒表。排種輪關(guān)鍵參數(shù)為：排種輪軸向長度100 mm、排種輪直徑70 mm、U型孔深度4.60 mm、U型孔寬度13.60 mm、導(dǎo)種環(huán)槽傾角為47°，單排種器排種性能試驗臺架如圖10b所示。

圖10 前胡排種器排種性能試驗臺架Fig.10 Bench test of seeding performance of seed metering device

試驗時設(shè)定種帶床前進(jìn)速度為1.2 km/h，排種輪轉(zhuǎn)速為25 r/min，待排種器工作穩(wěn)定后，試驗持續(xù)10 s后暫停種帶床，選取10段長度為10 cm的種帶，統(tǒng)計種子數(shù)量，計算平均播種量及排種均勻性變異系數(shù)，重復(fù)6次試驗取平均值作為試驗結(jié)果。測得臺架驗證試驗平均播種量為0.191 g/s，排種均勻性變異系數(shù)為15.39%，與仿真優(yōu)化結(jié)果基本一致，仿真預(yù)測模型可靠。

4.2 排種器3行排種性能臺架試驗

4.2.1試驗設(shè)計

通過前文仿真試驗，得出了排種輪關(guān)鍵參數(shù)的最佳組合。相關(guān)研究表明，排種器轉(zhuǎn)速、種層充填高度對排種器的排種性能存在一定影響[7,24-25]，為進(jìn)一步尋求前胡排種器最佳工作參數(shù)，以排種輪轉(zhuǎn)速、種層初始充填高度為影響因素，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)Y2、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)Z1、各行排量一致性變異系數(shù)Z2為性能評價指標(biāo)，開展兩因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗。試驗共進(jìn)行13組，試驗裝置如圖11所示，試驗因素編碼如表7所示，試驗設(shè)計及結(jié)果如表8所示，其中x1、x2分別為排種輪轉(zhuǎn)速和種層初始充填高度的編碼值。

圖11 排種器3行排種性能試驗裝置Fig.11 Test device for seed metering performance of three rows1.排種器試驗臺 2.軸承 3.種箱 4.鏈輪 5.排種器 6.排種軸 7.調(diào)速電機(jī)

表7 試驗因素編碼Tab.7 Test factors and codes

表8 試驗設(shè)計與結(jié)果Tab.8 Test design and results

考察行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)時，將圖11所示試驗裝置兩側(cè)排種器內(nèi)的種子清空，采用中間的排種器進(jìn)行試驗，每組試驗重復(fù)3次，每次試驗種子數(shù)量統(tǒng)計方式與3.2節(jié)一致，計算行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)Y2，取平均值作為每組試驗結(jié)果?？疾炜偱帕糠€(wěn)定性變異系數(shù)和各行排量一致性變異系數(shù)時，用量杯收集各排種口排出的種子，測定種子的凈質(zhì)量，每組試驗重復(fù)5次，每次收集時間持續(xù)1 min，計算總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)Z1、各行排量一致性變異系數(shù)Z2。

4.2.2試驗結(jié)果分析

(1)回歸方程及顯著性檢驗

運(yùn)用Design-Expert軟件對表8的試驗結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)Y2、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)Z1、各行排量一致性變異系數(shù)Z2的回歸方程分別為

(17)

(18)

(19)

對試驗結(jié)果進(jìn)行方差分析可知(表9)，Y2、Z1、Z2的回歸模型均極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項均不顯著，說明在給定參數(shù)范圍內(nèi)，回歸模型與實際擬合度較高。行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)Y2、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)Z1、各行排量一致性變異系數(shù)Z2

表9 方差分析Tab.9 Analysis of variance

的決定系數(shù)R2分別為0.878 1、0.929 9、0.854 2，表明回歸模型預(yù)測值與實際值有較高的相關(guān)性。

(2)試驗因素影響效應(yīng)分析

由表9可知，各因素對行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)的影響由大到小為排種輪轉(zhuǎn)速、種層初始充填高度；各因素對總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)的影響由大到小為排種輪轉(zhuǎn)速、種層初始充填高度；各因素對各行排量一致性變異系數(shù)的影響由大到小為排種輪轉(zhuǎn)速、種層初始充填高度。排種輪轉(zhuǎn)速、種層初始充填高度對行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)交互影響的響應(yīng)面如圖12所示。

圖12 排種輪轉(zhuǎn)速和種層初始充填高度對排種性能指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.12 Response surface diagrams of influence of rotation speed of seed metering wheel and initial filling height of seed layer on seed metering performance indexes

由圖12可知，當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速一定時，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排量一致性變異系數(shù)均隨著種層初始充填高度的增加呈先減小后增加的趨勢。當(dāng)種層初始充填高度一定時，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)和各行排量一致性變異系數(shù)隨著排種輪轉(zhuǎn)速的增加呈先緩慢減小又較快增加的趨勢，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨著排種輪轉(zhuǎn)速的增加呈較快減小又緩慢增加的趨勢。種層初始充填高度越高，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)隨排種輪轉(zhuǎn)速變化的趨勢越明顯。從響應(yīng)曲面及各影響因素的顯著性分析可知，當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速變化時，3個試驗指標(biāo)的變化區(qū)間均較大，因此，排種輪轉(zhuǎn)速對3個試驗指標(biāo)的影響均顯著。當(dāng)種層初始充填高度變化時，對行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)影響顯著，對各行排量一致性變異系數(shù)影響不顯著。

4.2.3優(yōu)化與驗證

為確定排種器最佳工作參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)及影響因素邊界條件，建立優(yōu)化模型為

(20)

經(jīng)過優(yōu)化求解得到排種輪轉(zhuǎn)速為25.69 r/min、種層初始充填高度為46.70 mm時，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)分別為18.62%、1.60%、2.96%，排種器工作性能最佳。設(shè)定排種輪轉(zhuǎn)速為25.70 r/min、種層初始充填高度為47 mm，進(jìn)行臺架驗證試驗，考察行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)，試驗共進(jìn)行6次，取平均值，臺架試驗結(jié)果分別為18.91%、1.66%、3.05%，與優(yōu)化預(yù)測結(jié)果相吻合。

在排種輪轉(zhuǎn)速為25.70 r/min、種層初始充填高度為47 mm的條件下，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)小于45%，各行排量一致性變異系數(shù)小于3.9%，符合小麥條播機(jī)相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)；總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)介于小麥與谷子播種機(jī)對總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)的指標(biāo)要求之間[26-27]。

5 田間試驗

為進(jìn)一步驗證該排種器的排種性能，在安徽省寧國市中溪鎮(zhèn)東坡村寧前胡種植機(jī)械化示范基地進(jìn)行田間播種試驗(圖13a)。綜合理論分析及仿真、臺架試驗及優(yōu)化結(jié)果，確定前胡導(dǎo)種環(huán)槽U型孔組合型輪式排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)為：U型孔深度h1=4.6 mm、U型孔寬度w1=13.6 mm、U型孔長度l1=16.5 mm、導(dǎo)種環(huán)槽傾角α=47°，排種器轉(zhuǎn)速設(shè)定為n=25.70 r/min，種層初始填充高度設(shè)置為50 mm。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了前胡播種機(jī)樣機(jī)，機(jī)具前進(jìn)速度為1.2 km/h，工作幅寬為800 mm，工作行數(shù)為3行，行中心距280 mm。播種后隨機(jī)選擇5組1 m播種區(qū)域，測定行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)分別為22.54%、1.95%、3.66%，與臺架試驗結(jié)果基本吻合。播種3個月后前胡苗情長勢如圖13b所示。田間試驗結(jié)果滿足寧前胡播種農(nóng)藝要求。

圖13 前胡田間播種試驗及苗情長勢Fig.13 Field sowing experiment and seedling growth of Radix peucedani

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種導(dǎo)種環(huán)槽U型孔組合型輪式排種器，對排種輪關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計。該排種器針對前胡種子外形不規(guī)則、扁平質(zhì)輕且流動性差等特性，在傳統(tǒng)異型孔輪式排種器基礎(chǔ)上增加導(dǎo)種環(huán)槽，通過導(dǎo)種環(huán)槽引導(dǎo)，促進(jìn)種群流動，進(jìn)而提高充種效果和排種穩(wěn)定性，可實現(xiàn)中草藥前胡的精量條播。

(2)應(yīng)用離散元軟件EDEM，采用Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化法進(jìn)行三因素三水平正交仿真試驗，研究了排種輪U型孔深度、U型孔寬度和導(dǎo)種環(huán)槽傾角3個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對平均播種量和排種均勻性變異系數(shù)的影響并對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。得出各因素(關(guān)鍵參數(shù))對平均播種量的影響由大到小為：導(dǎo)種環(huán)槽傾角、U型孔寬度、U型孔深度；對排種均勻性變異系數(shù)的影響由大到小為：U型孔寬度、導(dǎo)種環(huán)槽傾角、U型孔深度。3個關(guān)鍵參數(shù)的最優(yōu)組合為：U型孔深度4.65 mm、U型孔寬度13.63 mm、導(dǎo)種直環(huán)槽傾角47.01°,最優(yōu)參數(shù)組合下預(yù)測的平均播種量和排種均勻性變異系數(shù)分別為0.199 g/s和12.37%。

(3)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，開展了供種性能兩因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗，分析了排種輪轉(zhuǎn)速、種層初始充填高度對行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)的影響，臺架試驗結(jié)果表明，排種輪轉(zhuǎn)速為25.69 r/min、種層初始充填高度為46.70 mm時，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)分別為18.62%、1.60%、2.96%，排種器工作性能最佳。選定排種輪最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合和最佳工作參數(shù)進(jìn)行田間試驗，田間試驗結(jié)果表明，當(dāng)作業(yè)速度為1.2 km/h時，行內(nèi)排種均勻性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)分別為22.54%、1.95%、3.66%，滿足寧前胡播種農(nóng)藝要求。