章勇杰 , 黃政暉 , 宋源普 , 倪忠進(jìn) , 倪益華 , 楊自棟 , 溫春雨
(浙江農(nóng)林大學(xué)光機(jī)電工程學(xué)院,浙江 杭州 311300)
浙江省中醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)較為完整,種植產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益高,其中浙貝母種植總量約占全國(guó)90%,種植面積約為5.5萬(wàn)畝,年產(chǎn)量約9 000 t,產(chǎn)值約9億元[1-3]。隨著浙貝母種植面積的擴(kuò)大,浙貝母種植出現(xiàn)了效率低、機(jī)械化水平低、人工種植勞動(dòng)強(qiáng)度大等系列問(wèn)題。在浙貝母機(jī)械化生產(chǎn)中,浙江省丘陵山區(qū)坡地較多、地塊小且分散,在農(nóng)機(jī)轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中受限嚴(yán)重,且中大型農(nóng)機(jī)無(wú)法正常作業(yè)[4-6]。針對(duì)浙江省丘陵地區(qū)特殊地勢(shì)地貌,研究設(shè)計(jì)浙貝母種植機(jī)械,不僅可以解決浙貝母種植生產(chǎn)效率低、農(nóng)戶(hù)勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題,還可以提高農(nóng)民種植浙貝母的經(jīng)濟(jì)收益,更可以推廣到其他中藥材的生產(chǎn)過(guò)程中,加快“三農(nóng)”建設(shè)步伐,推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展。
因此,課題組針對(duì)上述浙貝母種植問(wèn)題,因地制宜地設(shè)計(jì)了一種小型浙貝母排種器。
浙貝母排種器主要由種箱、傳動(dòng)鏈輪、播種通道、種勺及傳動(dòng)鏈條等部件組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí),種貝由于自身重力和種貝間擠壓作用進(jìn)入種勺中,完成充種過(guò)程。隨排種器傳動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng),種勺中種貝進(jìn)入運(yùn)種過(guò)程,當(dāng)傳動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)到播種通道,種勺中種貝掉落至另一個(gè)種勺背面。在播種通道中種貝隨傳動(dòng)鏈條轉(zhuǎn)動(dòng)至通道底部進(jìn)入投種過(guò)程,依靠種貝自身重力及機(jī)器運(yùn)行所獲速度,從播種通道掉落到種溝中,完成單顆種貝的投種。
圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖
參考莖塊類(lèi)作物物料測(cè)量方法[7-8],測(cè)量浙貝母種貝長(zhǎng)度、寬度和高度,定義其幾何尺寸,如圖2和圖3所示。隨機(jī)選取15組,每組1 kg種貝,測(cè)量其三軸尺寸,取各組數(shù)據(jù)平均值作為種貝三軸尺寸,結(jié)果如表1所示。
圖2 種貝幾何尺寸
圖3 種貝三軸尺寸測(cè)量
表1 種貝幾何尺寸
經(jīng)測(cè)量,浙貝母種貝長(zhǎng)為36.62 mm,寬為32.69 mm,高為19.55 mm,外部形狀呈橢圓球狀,將種貝外形尺寸簡(jiǎn)化為橢圓形,可為種勺等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和浙貝母離散元仿真模型建立提供數(shù)據(jù)支撐[9-10]。
由于種貝長(zhǎng)為36.62 mm,寬為32.69 mm,高為19.55 mm,種勺形狀設(shè)計(jì)為端面,D1=37 mm、D2=33mm凹弧形,為防止種貝從種勺中掉落,底部凹弧深度最小值取10 mm。種貝外形呈橢圓球形,為滿(mǎn)足種貝落入種勺中能貼合自身形狀,種勺設(shè)有凹弧結(jié)構(gòu)。種勺三視結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示,為方便種勺拆裝換取,采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)。
圖4 種勺結(jié)構(gòu)示意圖
種勺端面凹弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依照“最速降線(xiàn)”截曲線(xiàn)原理,種勺三維模型如圖5所示。種勺主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為端面底部凹弧開(kāi)口直徑D1和D2、種勺深度H及凹弧截曲線(xiàn)等。
圖5 種勺三維模型圖
種勺設(shè)計(jì)需遵循下式:
式中,為種貝長(zhǎng)度方向最大值平均值;為種貝高度方向最大值平均值。
為了便于分析研究,將種貝視為質(zhì)點(diǎn),假設(shè)種貝選擇滑移時(shí)間最短軌跡進(jìn)入種勺底部,將種勺端面凹弧處邊界曲線(xiàn)設(shè)計(jì)為“最速降線(xiàn)”[11-13]。實(shí)際的種貝運(yùn)動(dòng)軌跡圖如圖6所示。當(dāng)種貝從種勺開(kāi)口處滑移至種勺底部,其經(jīng)歷最短路徑,即最速降線(xiàn)曲線(xiàn)。
圖6 種貝實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡圖
將種勺凹弧中心最低點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)O,建立直角坐標(biāo)系。為簡(jiǎn)化截曲線(xiàn)方程,將其視為拋物線(xiàn),即:
以上式研究種貝在XOZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),則:式中,m為種貝質(zhì)量,g;ɡ為重力加速度,m/s2;γ為種勺凹弧線(xiàn)邊緣切線(xiàn)與水平夾角,°;φ為種貝與種勺摩擦角,°;G為種貝自身重力,N;Fn為種勺對(duì)種貝的支持力,N;Fs為種貝與種勺的摩擦力,N。
假設(shè)種勺取種過(guò)程中摩擦力Fs所做功為w,當(dāng)種
貝滑落高度為h時(shí),其橫向位移為即種貝滑落至種勺底部,此時(shí)截曲線(xiàn)為最速降線(xiàn)。
當(dāng)z=h時(shí),,則種勺與種貝摩擦力Fs所做功w為:
在種貝滑向種勺底部過(guò)程中滿(mǎn)足能量守恒定律,即:
整理可得:
簡(jiǎn)化可得:
式中,vz為種貝滑落初始速度,m/s;vx為種貝停止滑落水平速度,m/s;h為種貝滑落高度,mm,其最大值為種勺深度H。
將上式代入種勺截面曲線(xiàn)拋物線(xiàn)方程z=ax2中,可得:
理想狀態(tài)下,種貝滑至種勺底部凹弧時(shí)速度vx為0 m/s,種貝滑落高度h為種勺深度10 mm,種貝與種勺間摩擦系數(shù)為0.396。參考小型牽引式中藥材播種機(jī),實(shí)際作業(yè)過(guò)程中排種器傳動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速為2.2 r/s~14 r/s,種勺線(xiàn)速度為0.1 m/s~0.65 m/s,種貝滑移軌跡在x方向的數(shù)值為16.5 mm,代入公式可得最速降線(xiàn)曲線(xiàn)切線(xiàn)傾角為45.29°~60.08°。
鏈輪設(shè)計(jì)主要考慮種貝在翻越主動(dòng)鏈輪時(shí)所受的離心力,離心力過(guò)大時(shí),種貝會(huì)做離心運(yùn)動(dòng)而被拋出排種器外。排種器傳動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)如圖7所示。由于板鏈為勻速運(yùn)動(dòng),因此種貝在翻越主動(dòng)鏈輪時(shí)離心力與重力大小不變。
圖7 主動(dòng)鏈輪結(jié)構(gòu)示意圖
種貝在翻越主動(dòng)鏈輪時(shí)受力分析如圖8所示,種貝在越過(guò)直線(xiàn)L0時(shí)開(kāi)始受到離心力、種貝與種勺間作用力及自身重力作用。
圖8 主動(dòng)鏈輪受力分析圖
為保證種貝在種勺中不被甩出,種貝所受各力應(yīng)滿(mǎn)足以下條件:
式中,F(xiàn)s為種貝所受種勺摩擦力,N;Fc為種貝所受離心力,N;Fn為種貝所受種勺支持力,N;α為種勺相對(duì)旋轉(zhuǎn)角,°;μ為種勺對(duì)種貝摩擦因數(shù);v為板鏈線(xiàn)速度,m/s;R1為主動(dòng)鏈輪齒頂圓直徑,mm。
簡(jiǎn)化上式可得:
式中,v為排種鏈條線(xiàn)速度,取最大值0.65 m/s;主動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)速為13.8 r/s,α∈(0, 90°)。
不等式右邊取最大值,α取45°,經(jīng)計(jì)算可得R1≥39 mm。
考慮到加工難易程度,板鏈取標(biāo)準(zhǔn)件,鏈條選取08B鏈條,鏈輪選取08B 18齒鏈輪。考慮到機(jī)械緊湊性、播種穩(wěn)定性及鏈條為整數(shù)節(jié),將兩鏈輪中心距設(shè)計(jì)為241 mm,以滿(mǎn)足排種穩(wěn)定性、增加充種時(shí)間、提高播種質(zhì)量。
采用EDEM離散元仿真試驗(yàn)對(duì)浙貝母排種器進(jìn)行虛擬仿真,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[14-17]。
3.1.1 浙貝母模型建立
種貝屬性設(shè)置如表2所示,以浙江磐安浙貝母為參考,種貝模型如圖9所示。
表2 種貝物料特性參數(shù)
圖9 種貝模型
3.1.2 土壤模型建立
設(shè)置土壤顆粒半徑為5 mm,土壤屬性參數(shù)如表3所示,土壤模型如圖10所示。
表3 土壤特性參數(shù)
圖10 土壤模型
3.1.3 排種器模型建立
將排種器三維模型導(dǎo)入EDEM離散元仿真軟件中,如圖11所示。排種器模型參數(shù)如表4所示。將排種軸設(shè)定為轉(zhuǎn)動(dòng)部件,其他零件簡(jiǎn)化為固定件,種箱上方區(qū)域設(shè)定為種貝顆粒生成區(qū)域。
圖11 排種器仿真模型
實(shí)際工作中,排種性能受前進(jìn)速度、播種通道傾斜角度以及種貝掉落離地高度等因素影響。
3.2.1 試驗(yàn)方法
選擇200個(gè)種貝顆粒作為初始條件,設(shè)置排種器前進(jìn)速度、播種通道傾斜角度、種貝掉落離地高度對(duì)照組進(jìn)行仿真試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)仿真結(jié)束后種貝合格指數(shù)(種貝鱗芽朝上且種貝未發(fā)生破損),以確定各參數(shù)對(duì)排種器作業(yè)性能的影響。
3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
在排種器作業(yè)過(guò)程中種貝出現(xiàn)漏種、單粒、重種三種狀態(tài),如圖12所示,種貝鱗芽朝上且未發(fā)生破損則定義種貝為合格,如圖13所示。
圖12 排種漏種、單粒、重種狀態(tài)圖
圖13 播種合格示意圖
1)排種器前進(jìn)速度對(duì)種貝合格指數(shù)的影響。排種器前進(jìn)速度對(duì)種貝合格指數(shù)仿真試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。
表5 不同排種器前進(jìn)速度下種貝合格指數(shù)
通過(guò)SPSS軟件對(duì)排種器前進(jìn)速度和種貝合格指數(shù)擬合出關(guān)系曲線(xiàn),如圖14所示。由圖14可知,當(dāng)前進(jìn)速度在0.3 m/s~0.4 m/s時(shí),種貝合格指數(shù)在80%以上,前進(jìn)速度對(duì)種貝合格指數(shù)影響呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì),當(dāng)前進(jìn)速度大于0.5 m/s時(shí),種貝合格指數(shù)下降速度較快。
圖14 排種器前進(jìn)速度和種貝合格指數(shù)關(guān)系擬合曲線(xiàn)
2)播種通道傾斜角度對(duì)種貝合格指數(shù)的影響。播種通道傾斜角度對(duì)種貝合格指數(shù)仿真試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。
表6 不同播種通道傾斜角度下種貝合格指數(shù)
通過(guò)SPSS軟件對(duì)播種通道傾斜角度和種貝合格指數(shù)擬合出關(guān)系曲線(xiàn),如圖15所示。由圖15可知,隨傾斜角度增加,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)趨勢(shì),當(dāng)傾斜角度在0°~20°時(shí),種貝合格指數(shù)為80%~87%。
圖15 播種通道傾斜角度和種貝合格指數(shù)關(guān)系擬合曲線(xiàn)
3)種貝掉落離地高度對(duì)種貝合格指數(shù)的影響。種貝掉落離地高度對(duì)種貝合格指數(shù)仿真試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。
表7 不同種貝掉落離地高度下種貝合格指數(shù)
通過(guò)SPSS軟件對(duì)種貝掉落離地高度和種貝合格指數(shù)擬合出關(guān)系曲線(xiàn),如圖16所示。由圖16可知,隨離地高度增加,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)下降趨勢(shì),且下降趨勢(shì)明顯。
圖16 種貝掉落離地高度和種貝合格指數(shù)關(guān)系擬合曲線(xiàn)
由于各個(gè)因素間存在一定的交互性,為研究三個(gè)因素間交互作用對(duì)排種器性能的影響,需進(jìn)行二次回歸旋轉(zhuǎn)正交仿真試驗(yàn)。以排種器前進(jìn)速度、播種通道傾斜角度以及種貝掉落離地高度作為試驗(yàn)因素,以種貝合格指數(shù)作為排種器性能指標(biāo)。
3.3.1 試驗(yàn)方法
選擇三因素可控范圍對(duì)試驗(yàn)因素水平設(shè)定參數(shù),試驗(yàn)選擇排種器前進(jìn)速度范圍為0.3 m/s~0.5 m/s,播種通道傾斜角度范圍為0°~20°,種貝掉落離地高度范圍為50 mm~100 mm,采用三因素三水平二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究排種器作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合,因素水平編碼如表8所示。
表8 因素水平編碼
3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
1)試驗(yàn)結(jié)果。在Design-Expert 12軟件中Box-Behnken設(shè)計(jì)三因素三水平分析仿真試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。
表9 正交試驗(yàn)結(jié)果
2)結(jié)果分析。應(yīng)用Design-Expert 12軟件對(duì)表9試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立關(guān)于排種器前進(jìn)速度A、播種通道傾斜角度B和種貝掉落離地高度C對(duì)種貝合格指數(shù)影響的二次多項(xiàng)式響應(yīng)回歸模型,如下式所示。
二次多項(xiàng)式響應(yīng)回歸模型方差分析如表10所示。
表10 回歸模型方差分析
根據(jù)回歸模型分析所得結(jié)果,應(yīng)用Design-Expert 12軟件繪制各因素對(duì)種貝合格指數(shù)的交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖。
排種器前進(jìn)速度和播種通道傾斜角度交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖如圖17所示。在前進(jìn)速度從0.3 m/s變化到0.5 m/s的過(guò)程中,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì);在傾斜角度從0°變化到20°的過(guò)程中,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì)。表明在排種器前進(jìn)速度和播種通道傾斜角度交互效應(yīng)試驗(yàn)中,僅排種器前進(jìn)速度對(duì)種貝合格指數(shù)影響顯著。
圖17 排種器前進(jìn)速度和播種通道傾斜角度交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面
排種器前進(jìn)速度和種貝掉落離地高度交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖如圖18所示。離地高度從50 mm變化到100 mm的過(guò)程中,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢(shì);在前進(jìn)速度從0.3 m/s變化到0.5 m/s的過(guò)程中,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)。表明在排種器前進(jìn)速度和種貝掉落離地高度交互效應(yīng)試驗(yàn)中,排種器前進(jìn)速度和種貝掉落離地高度對(duì)種貝合格指數(shù)影響顯著。
圖18 排種器前進(jìn)速度和種貝掉落離地高度交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面
播種通道傾斜角度和種貝掉落離地高度交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面圖如圖19所示。在傾斜角度從0°變化到20°的過(guò)程中,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢(shì);在離地高度從50 mm變化到100 mm的過(guò)程中,種貝合格指數(shù)呈現(xiàn)逐漸遞減趨勢(shì)。表明播種通道傾斜角度和種貝掉落離地高度交互效應(yīng)試驗(yàn)中,僅種貝掉落離地高度對(duì)種貝合格指數(shù)影響顯著。
圖19 播種通道傾斜角度和種貝掉落離地高度交互效應(yīng)3D響應(yīng)曲面
3.3.3 試驗(yàn)優(yōu)化與驗(yàn)證
為確定浙貝母排種器工作最優(yōu)參數(shù)組合,應(yīng)用Design-Expert 12軟件以種溝中種貝合格指數(shù)最大值作為優(yōu)化指標(biāo),對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下:
在Design-Expert 12軟件中通過(guò)二次回歸旋轉(zhuǎn)正交仿真試驗(yàn),可得浙貝母排種器作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合:排種器前進(jìn)速度為0.426 m/s,播種通道傾斜角度為16.048°,種貝掉落離地高度為84.017 mm。在該參數(shù)組合下,種貝合格指數(shù)為80.311%。
根據(jù)離散元仿真結(jié)果優(yōu)化排種器模型并試制加工樣機(jī),通過(guò)進(jìn)行田間試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證浙貝母排種器田間作業(yè)性能,浙貝母排種器三維模型及樣機(jī)如圖20所示。
圖20 浙貝母排種器三維模型及樣機(jī)
田間試驗(yàn)時(shí),根據(jù)離散元仿真結(jié)果,排種器運(yùn)動(dòng)速度為0.426 m/s(成年人正常行走速度)。試驗(yàn)過(guò)程中,為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,采集試驗(yàn)田中3壟浙貝母種植數(shù)據(jù),每壟隨機(jī)選取5段15 m地段長(zhǎng)度進(jìn)行指標(biāo)測(cè)量,播種過(guò)程如圖21所示,種貝株距和行距測(cè)量如圖22所示。
圖21 田間試驗(yàn)圖
圖22 浙貝母測(cè)量圖
田間試驗(yàn)完成后,選擇浙貝母排種器作業(yè)穩(wěn)定性高播種區(qū)間進(jìn)行數(shù)據(jù)采取,對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算,試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。
表11 浙貝母排種器田間試驗(yàn)結(jié)果
浙貝母排種器性能指標(biāo)包括合格指數(shù)S、重播指數(shù)D、破損指數(shù)P、漏播指數(shù)M,各指標(biāo)計(jì)算公式如下:
式中,N為播種總數(shù),顆;n0為種貝漏播數(shù),顆;n1為種貝單粒排種數(shù),顆;n2為種貝重播數(shù),顆;n3為種貝破損數(shù),顆。
經(jīng)計(jì)算可得:S為79.25%,D為13.22%,P為1.12%,M為6.41%。
據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)估計(jì),不合格種貝減產(chǎn)率為20%,則種貝整體減產(chǎn)率為4.15%,符合浙貝母機(jī)械化種植技術(shù)規(guī)范,田間試驗(yàn)結(jié)果如表12所示。
表12 浙貝母排種器田間試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)
1)課題組設(shè)計(jì)并試制了鏈勺式浙貝母排種器,解決了丘陵山區(qū)浙貝母機(jī)械化生產(chǎn)受阻的問(wèn)題。
2)單因素試驗(yàn)表明:排種器前進(jìn)速度和種貝掉落離地高度對(duì)種貝合格指數(shù)影響顯著,播種通道傾斜角度對(duì)種貝合格指數(shù)影響不大。
3)多因素試驗(yàn)表明:浙貝母排種器作業(yè)最優(yōu)參數(shù)組合為排種器前進(jìn)速度0.426 m/s,播種通道傾斜角度16.048°,種貝掉落離地高度84.017 mm。在該參數(shù)下,種貝合格指數(shù)為80.311%。
4)樣機(jī)田間試驗(yàn)表明:鏈勺式浙貝母排種器滿(mǎn)足浙貝母機(jī)械化種植技術(shù)要求,浙貝母合格指數(shù)為79.25%,重播指數(shù)為13.22%,漏播指數(shù)為6.41%,破損指數(shù)為1.12%。據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶(hù)估計(jì),不合格種貝減產(chǎn)率為20%,則種貝整體減產(chǎn)率為4.15%,符合浙貝母機(jī)械化種植技術(shù)規(guī)范,表明排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足實(shí)際浙貝母播種要求。