氣力針式行星輪系窄行密植精密排種器設(shè)計與試驗(yàn)

廖宜濤 張百祥 鄭 娟 廖慶喜 劉嘉誠 李成良

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

菠菜等葉菜類作物采用窄行密植種植模式，通過增加單位面積內(nèi)的植株數(shù)，使植株在合理密度下更好地發(fā)揮產(chǎn)量優(yōu)勢，但種植密度大，行株距小，對播種均勻性要求高[1-3]，且籽粒小、質(zhì)量小，因此機(jī)械化精密播種難度大，以人工播種或機(jī)械播種后間苗生產(chǎn)為主，生產(chǎn)成本高、勞動力消耗大，迫切需要開發(fā)適用播種裝備。

排種器是播種裝備的核心裝置，其性能直接決定播種質(zhì)量[4-6]。常見排種器有機(jī)械式和氣力式兩種[7]。目前蔬菜窄行密植播種應(yīng)用的排種器以窩眼輪機(jī)械式排種器為主[8-9]，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但受取充種方式影響，存在易卡種造成漏播率較高、種子破損率較高等問題。氣力式排種器對種子外形尺寸要求不嚴(yán)，通用性好，對種子損傷小，播種精度高，已廣泛應(yīng)用于玉米、大豆、棉花等寬行低密度作物的精密播種[10-14]。在氣力式窄行密植排種技術(shù)方面，文獻(xiàn)[15-16]研制的窄行距排種器主要用于2～4行的密植排種，更多行數(shù)的播種需要配置多個排種器，播種機(jī)的傳動和配氣系統(tǒng)較為復(fù)雜。在穴盤苗播種中，多采用滾筒式和板針式等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)一器6行以上的窄行密植精密播種[17-18]，但在大田生產(chǎn)上，由于相應(yīng)播幅較寬、排種器連續(xù)工作等要求，滾筒式與氣室密封結(jié)構(gòu)復(fù)雜，長時間作業(yè)氣壓穩(wěn)定性差；板針式多采用往復(fù)式結(jié)構(gòu)，作業(yè)效率較低。課題組前期針對窄行密植作物單粒精密播種問題，設(shè)計了一種采用兩端氣室、回轉(zhuǎn)氣力針式結(jié)構(gòu)的排種裝置，解決了排種器工作時氣室與滾筒密封性差的問題，可實(shí)現(xiàn)24行并聯(lián)單粒排種，單粒精密排種合格指數(shù)達(dá)90%以上，但排種器是水平位置投種，投種高度偏高，存在下落種子與種床土壤彈跳滑移導(dǎo)致播種粒距不均的問題[19]；在該排種器基礎(chǔ)上設(shè)計點(diǎn)播式全約束導(dǎo)種裝置，實(shí)現(xiàn)了單粒排種和平穩(wěn)導(dǎo)種于一體的功能，消除了種子與土壤的碰撞彈跳現(xiàn)象，播種機(jī)穴粒數(shù)合格率為86.2%，穴距合格率為93.9%，但排種裝置和導(dǎo)種裝置分布排列，整機(jī)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，質(zhì)量較大[20]。

本文基于前期氣力針式排種器和導(dǎo)種機(jī)構(gòu)，設(shè)計一種采用行星輪系排種機(jī)構(gòu)的氣力針式窄行密植精密排種器，通過行星輪系機(jī)構(gòu)和氣流分配管吸種針的配合，改進(jìn)原有吸種針運(yùn)動軌跡，吸種時降低吸種針與種子的相對運(yùn)動速度，投種時降低種子與種床的高度，以提高播種性能。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

氣力針式行星輪系窄行密植精密排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由行星輪系排種機(jī)構(gòu)、機(jī)架、左氣室、種倉、右氣室等組成。其中，行星輪系排種機(jī)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)低速吸種、低位投種的關(guān)鍵，主要包括行星輪系機(jī)構(gòu)、氣流分配管、吸種針和鏈輪等。

圖1 氣力針式行星輪系窄行密植精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖

排種器為對稱結(jié)構(gòu)，行星輪系排種機(jī)構(gòu)兩端各有一個氣室，氣室主體內(nèi)設(shè)計有氣室隔板將氣室圓周區(qū)域分割為300°的負(fù)壓區(qū)和60°的正壓區(qū)，氣室正壓區(qū)一側(cè)隔板與豎直方向夾角為0°，另一側(cè)隔板與豎直方向夾角為60°；行星輪系機(jī)構(gòu)包括固定在太陽輪軸上的太陽輪和4個繞太陽輪轉(zhuǎn)動且均勻?qū)ΨQ分布在行星輪架上的行星輪；吸種針根據(jù)播種行距安裝在氣流分配管上[17]，氣流分配管與行星輪固定連接并穿過行星輪架通到氣室內(nèi)，驅(qū)動輪與行星輪架為剛性連接的一體結(jié)構(gòu)，驅(qū)動軸在動力驅(qū)動下帶動行星輪架轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動行星輪和氣流分配管轉(zhuǎn)動。

1.2 工作原理

排種器工作過程可分為吸種區(qū)、攜種區(qū)、投種區(qū)和過渡區(qū)4個階段，其中充種區(qū)、攜種區(qū)和過渡區(qū)為負(fù)壓區(qū)，投種區(qū)為正壓區(qū)，如圖2所示。

圖2 氣室工作區(qū)域與排種器工作原理圖

排種器工作時，位于氣室外側(cè)驅(qū)動軸上的鏈輪在動力作用下帶動行星輪架以角速度ω1逆時針轉(zhuǎn)動，太陽輪固定不動，行星輪架帶動行星輪逆時針轉(zhuǎn)動，同時行星輪與太陽輪嚙合，行星輪繞太陽輪以角速度ω2逆時針自轉(zhuǎn)，與行星輪固接的氣流分配管同步轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動吸種針轉(zhuǎn)動。氣流分配管運(yùn)動到種倉正上方時吸種針豎直向下，在負(fù)壓作用下單粒吸種，經(jīng)過攜種區(qū)進(jìn)入投種區(qū)，氣流分配管運(yùn)動到種倉正下方時吸種針同樣豎直向下，在正壓、自重作用下卸種，完成投種作業(yè)后吸種針經(jīng)過過渡區(qū)再次到達(dá)種倉正上方進(jìn)行吸種動作，如圖2所示。排種器連續(xù)工作，氣流分配管和吸種針將種子群轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆騿瘟７N子，行星輪系排種機(jī)構(gòu)保證吸種針特定軌跡，實(shí)現(xiàn)在吸種區(qū)低速吸種和在投種區(qū)低位投種。

2 吸種與投種環(huán)節(jié)分析

吸種環(huán)節(jié)是排種過程初始環(huán)節(jié)，種子在行星輪系排種機(jī)構(gòu)的作用下從種倉由種群定量分離形成連續(xù)種子流；投種環(huán)節(jié)是種子保持均勻有序狀態(tài)入土的末端環(huán)節(jié)，平穩(wěn)運(yùn)移來的單粒等間隔種子流被運(yùn)送到投種區(qū)進(jìn)行投種；通過行星輪系的運(yùn)動帶動氣流分配管繞太陽輪公轉(zhuǎn)，同時又與行星輪同步自轉(zhuǎn)，氣流分配管上的吸種針完成高位低速吸種和低位零速投種。吸種與投種環(huán)節(jié)既影響種子的有序狀態(tài)，又決定種子入土后分布均勻性。因此，為保證排種器性能，需開展排種過程的吸種和投種環(huán)節(jié)種子運(yùn)動規(guī)律和軌跡研究，為排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)與尺寸設(shè)計提供依據(jù)。

2.1 吸種環(huán)節(jié)分析

2.1.1吸種環(huán)節(jié)受力分析

吸種環(huán)節(jié)理想狀態(tài)為單粒種子吸附在吸種針上并隨其一起轉(zhuǎn)動，對種子的運(yùn)動和受力進(jìn)行分析，以菠菜密植單粒精密播種為例，菠菜種子可看作球體，種子的受力情況如圖3所示，吸種針完成吸種，下一瞬時離開種倉進(jìn)入攜種區(qū)，此時被吸附單粒種子滿足吸種受力平衡方程為

圖3 吸種環(huán)節(jié)種子受力分析

(1)

其中

(2)

式中FQ——吸種瞬間種子所受吸附力，N

G——種子自身重力，N

FL——種子受到的離心力，N

FN1——種子受到吸種針的支持力，N

FN2——種子受到種群的支持力，N

FS1——種子受到吸種針的摩擦力，N

FS2——種子受到種群的摩擦力，N

ω——吸種針角速度，為驅(qū)動軸公轉(zhuǎn)角速度ω1與行星輪自轉(zhuǎn)角速度ω2矢量和，rad/s

RL——吸種針末端種子運(yùn)動半徑，mm

β——吸種角，(°)m——種子質(zhì)量，kg

φ1——種子與吸種針之間滑動摩擦角，(°)

φ2——種子的自然休止角，(°)

由式(1)、(2)可得

FQ=mω2RL+

(3)

當(dāng)FN2=G時，有

FQ=mω2RL+

(4)

由式(4)可知，單粒吸種所需吸附力FQ與種子自重、吸種角β、吸種針角速度ω、吸種針末端種子運(yùn)動半徑RL、種子物料特性(滑動摩擦角φ1、自然休止角φ2)等有關(guān)。

吸種階段主要是實(shí)現(xiàn)種子被單粒吸附、有序運(yùn)移，保證排種均勻。氣力式排種器單粒吸種概率除受氣壓、型孔直徑影響外[21-23]，同時受型孔與種子吸附作用時間影響，因此合理設(shè)計吸種針運(yùn)動軌跡，降低吸種針在種倉內(nèi)的運(yùn)動速度，增加吸種作用時間，可以提高排種器的吸種性能。

2.1.2吸種環(huán)節(jié)運(yùn)動軌跡分析

吸種動作對實(shí)現(xiàn)單粒穩(wěn)定吸種起關(guān)鍵的作用，吸種時，吸種針劃過種倉，可增加種群擾動、減少吸種區(qū)種子群的內(nèi)摩擦力和被吸附種子運(yùn)移阻力，吸種針與種子的相對運(yùn)動是影響吸種效果的重要因素，因此吸種環(huán)節(jié)運(yùn)動軌跡重點(diǎn)分析其相對運(yùn)動軌跡。行星輪系排種機(jī)構(gòu)是保證吸種針實(shí)現(xiàn)特定軌跡的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示。為保證吸種針端點(diǎn)特定運(yùn)動軌跡和特定吸種點(diǎn)，行星輪M1、M2、M3、M4與氣流分配管上的吸種針初始安裝位置為-90°、0°、90°和180°，即圓心M1、N1、M3共線，圓心M2、N1、M4共線。

圖4 行星輪系排種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖

通過行星輪系機(jī)構(gòu)與氣流分配管和吸種針相結(jié)合，使排種器實(shí)現(xiàn)低位投種，吸種針端點(diǎn)P和氣流分配管圓心(行星輪中心)Q的運(yùn)動軌跡如圖5所示。排種機(jī)構(gòu)運(yùn)動1周，Q的運(yùn)動軌跡為圓形，吸種針端點(diǎn)P依次經(jīng)歷不同的工作段軌跡：氣流分配管圓心在點(diǎn)a和點(diǎn)c時吸種針豎直向下，在點(diǎn)b和點(diǎn)d時吸種針豎直向上，根據(jù)排種器工作過程，DF段為吸種段的運(yùn)動軌跡，點(diǎn)E是上半周的最低點(diǎn)，吸種針運(yùn)動到點(diǎn)E附近時進(jìn)行吸種，點(diǎn)D為吸種針與種群接觸的初始點(diǎn)，點(diǎn)F為吸種針與種群接觸的最末點(diǎn)，下一瞬時吸種針離開種倉；FA段為攜種段的運(yùn)動軌跡,點(diǎn)A為下半周的最低點(diǎn)，吸種針運(yùn)動到點(diǎn)A附近時進(jìn)行投種，AD段為回轉(zhuǎn)段的運(yùn)動軌跡。

圖5 排種機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動軌跡

吸種針呈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，其端點(diǎn)的運(yùn)動軌跡相同，取單個分析，以太陽輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖5所示的直角坐標(biāo)系，行星輪中心的軌跡為一圓形，吸種針端點(diǎn)的運(yùn)動是兩個運(yùn)動的合成，當(dāng)行星輪中心轉(zhuǎn)動角度為θ時，吸種針端點(diǎn)轉(zhuǎn)動角度為2θ，逆時針轉(zhuǎn)動方向?yàn)檎?。根?jù)幾何關(guān)系，行星輪中心的坐標(biāo)方程為

(5)

吸種針端點(diǎn)的運(yùn)動軌跡方程為

(6)

式中X0、Y0——行星輪中心坐標(biāo)

X、Y——吸種針端點(diǎn)坐標(biāo)

R——行星輪半徑，mm

L——吸種針長度，mm

φ0——初始相位角，圖5為90°

θ——行星輪轉(zhuǎn)過角度，(°)

對吸種針端點(diǎn)的速度進(jìn)行分析，將式(6)對時間進(jìn)行求導(dǎo)，得到吸種針端點(diǎn)速度表達(dá)式為

(7)

對吸種針端點(diǎn)的加速度進(jìn)行分析，將式(7)對時間求導(dǎo)，得到吸種針端點(diǎn)加速度表達(dá)式為

(8)

式中α——吸種針角加速度，rad/s2

由式(6)～(8)可知，影響行星輪系排種機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)特性的關(guān)鍵參數(shù)是行星輪半徑R和吸種針長度L。行星輪半徑R與排種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動范圍有關(guān)，吸種針長度L影響吸種針與種群接觸程度。

2.2 投種環(huán)節(jié)分析

2.2.1受力分析

投種時，氣流分配管內(nèi)的負(fù)壓變成正壓，種子在自重和正壓作用下離開吸種針，對卸種瞬間種子受力進(jìn)行分析，如圖6所示，此時種子應(yīng)滿足的力學(xué)方程為

圖6 投種環(huán)節(jié)受力分析

(9)

其中

(10)

由式(9)、(10)可得

(11)

式中an——法向加速度，m/s2

由式(11)可知，卸種瞬間種子所受的吸附力FQ與種子自重、投種角β、吸種針角速度ω、吸種針末端種子運(yùn)動半徑RL、種子滑動摩擦角φ1等有關(guān)。

投種階段影響種子入土狀態(tài)，氣力式排種器投種時種子從脫離型孔到落入種床土壤過程受慣性力、重力和正壓力作用，種子做自由落體運(yùn)動，投種角決定正壓區(qū)位置，即投種高度。投種高度越低，種子與種床土壤碰撞彈跳滑移現(xiàn)象概率越小，有利于提高種子分布均勻性，因此合理設(shè)計氣室正壓區(qū)位置，降低投種高度，減小投種時種子的水平初始速度使其達(dá)到零速投種，可以提高排種器投種精度。

2.2.2運(yùn)動軌跡分析

吸種針投種軌跡決定投種點(diǎn)位置，直接影響排種器投種精度，吸種針與地面的絕對運(yùn)動是確保排種器滿足合格粒距以及保證粒距均勻性的重要因素，因此投種環(huán)節(jié)運(yùn)動軌跡重點(diǎn)分析其絕對運(yùn)動軌跡。同樣以太陽輪中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，排種器作業(yè)時前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向，過坐標(biāo)原點(diǎn)垂直向上為Y軸正向建立坐標(biāo)系。吸種針端點(diǎn)絕對運(yùn)動軌跡如圖7所示，其中，C1、C2、C3為吸種點(diǎn)，A1、A2、A3為投種點(diǎn)，H為株距。

圖7 排種執(zhí)行機(jī)構(gòu)絕對運(yùn)動軌跡

實(shí)際作業(yè)中，行星輪架一邊繞坐標(biāo)原點(diǎn)O作勻速圓周運(yùn)動，一邊由機(jī)架牽引作前進(jìn)運(yùn)動，行星輪中心的運(yùn)動軌跡為余擺線，根據(jù)幾何關(guān)系，其坐標(biāo)方程為

(12)

式中V0——排種器前進(jìn)速度，m/s

吸種針端點(diǎn)的絕對運(yùn)動軌跡方程和速度表達(dá)式分別為

(13)

(14)

則吸種針端點(diǎn)P絕對速度為

(15)

為保證實(shí)際工作過程中在確定株距下動軌跡(絕對運(yùn)動軌跡)的實(shí)現(xiàn)[24]，引入速比特征系數(shù)λ

(16)

式中R1——回轉(zhuǎn)半徑，太陽輪中心o與行星輪中心的距離，mm

N——吸種針并聯(lián)數(shù)量

根據(jù)窄行密植種植模式，排種器理論株距設(shè)計為80 mm，為保證排種器排種質(zhì)量，排種器排種轉(zhuǎn)速需保持在一定范圍內(nèi)，排種轉(zhuǎn)速與前進(jìn)速度之間的匹配關(guān)系是考慮的關(guān)鍵因素，確定排種器前進(jìn)速度為

(17)

由式(13)～(17)可知，投種絕對運(yùn)動軌跡與排種器前進(jìn)速度、行星輪系排種機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)半徑和排種轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)，λ主要取決于回轉(zhuǎn)半徑，影響排種器前進(jìn)速度。

2.3 吸種針運(yùn)動仿真分析

為探究排種器吸種針運(yùn)動規(guī)律和排種器實(shí)現(xiàn)高位低速吸種、低位零速投種條件，在SolidWorks 2018中完成排種器三維實(shí)體模型設(shè)計裝配，導(dǎo)入ADAMS 2018中進(jìn)行運(yùn)動仿真分析，設(shè)置運(yùn)動循環(huán)周期為 6 s，排種器吸種針端點(diǎn)仿真運(yùn)動軌跡和位移與速度曲線(相對運(yùn)動軌跡下)如圖8所示。

圖8 吸種針端點(diǎn)仿真軌跡和位移與速度曲線

根據(jù)排種器工作過程，在一個運(yùn)動循環(huán)周期內(nèi)，結(jié)合相對運(yùn)動軌跡下的位移曲線與速度曲線，吸種針端點(diǎn)的運(yùn)動過程可分為回轉(zhuǎn)段、吸種段、攜種段和投種段4個階段：

(1)回轉(zhuǎn)段指吸種針完成投種后運(yùn)動至充種區(qū)的過程，如圖8a中P1P2段。由圖可知，吸種針投種后從最低點(diǎn)上升運(yùn)動到過渡區(qū)，P1A段橫向位移增大，縱向位移減小，點(diǎn)A回轉(zhuǎn)段橫向位移最大，縱向位移為0；由圖8c、8d可知AC段橫向位移減小，縱向位移增大，點(diǎn)B縱向位移最大，吸種針端點(diǎn)速度從0增加到2(L-R)ω；CP2段橫向位移從0減小到最小值，縱向位移逐漸增大，運(yùn)動到點(diǎn)C時橫向位移為0，點(diǎn)D為前半個周期位移最小點(diǎn)，BD段速度從0增加到2(L+R)ω,速度加快可減少過渡區(qū)時間。

(2)吸種段指吸種針處于種倉正上方時的運(yùn)動軌跡，如圖8a中P2P3段。吸種針運(yùn)動到吸種區(qū)，P2E段橫向位移從最小值增加到0，點(diǎn)E為吸種針與種床接觸最低點(diǎn)，吸種針豎直向下，保證與種群接觸充分；EP3段橫向位移增大，縱向位移增大，吸種針離開種倉。由圖8d可知，P2P3段吸種針與種群接觸時速度減小，吸種后速度增加離開種群，速度降低可以增加充種時間，即型孔與種子群接觸時間，保證充分吸種提高充種概率，吸種完成離開種群速度增大可減小重吸概率。

(3)攜種段指吸種針離開種倉運(yùn)動至投種口前的運(yùn)動過程，如圖8a中P3P4段。結(jié)合圖8c、8d可知，攜種段軌跡與回轉(zhuǎn)段一致，P3G段橫向位移減小，縱向位移增大，速度增大到最大值2(L+R)ω；GJ段橫向位移增大，縱向位移減??；JP4段橫向位移減小，縱向位移增大，點(diǎn)J攜種段橫向位移最大，縱向位移為0，吸種針端點(diǎn)速度減小到2(L-R)ω,此時絕對速度為V0-2(L+R)ω。

(4)投種段指吸種針運(yùn)動至投種口時與投種完成下一瞬時離開正壓區(qū)的運(yùn)動軌跡,理想狀態(tài)下，吸種針在點(diǎn)P4進(jìn)行投種。由圖8c可知，點(diǎn)P4橫向位移為0，縱向位移最大；當(dāng)播種機(jī)以V0速度勻速前進(jìn)時，吸種針端點(diǎn)線速度方向與前進(jìn)方向相反，吸種針到達(dá)投種區(qū)投種時絕對速度從V0-2(L+R)ω逐漸減小至0，速度降低實(shí)現(xiàn)零速投種，保證種子在種床分布均勻。根據(jù)式(16)，計算得速比特征系數(shù)λ=1.53，投種完成后吸種針經(jīng)過回轉(zhuǎn)段進(jìn)入下一運(yùn)動循環(huán)周期。

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，一個運(yùn)動循環(huán)周期內(nèi)存在一個上半周的最低點(diǎn)E和一個下半周的最低點(diǎn)P1(P4)，可以保證吸種針在上半周最低點(diǎn)吸種，實(shí)現(xiàn)低速吸種，在下半周最低點(diǎn)投種，實(shí)現(xiàn)低位零速投種。吸種針的運(yùn)動軌跡是排種器設(shè)計的關(guān)鍵，通過對比仿真軌跡與理論軌跡可知[25-26]，兩者整體基本一致，初步驗(yàn)證了該排種器的運(yùn)動規(guī)律滿足設(shè)計要求。

行星輪系排種機(jī)構(gòu)確定了吸種針的運(yùn)動軌跡，氣流分配管和吸種針的運(yùn)動是兩個相對運(yùn)動和一個機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動的合成：機(jī)器前進(jìn)運(yùn)動，地輪通過鏈傳動帶動行星輪架轉(zhuǎn)動，行星輪架帶動氣流分配管和吸種針轉(zhuǎn)動，行星輪系機(jī)構(gòu)帶動氣流分配管和吸種針繞太陽輪轉(zhuǎn)動，即氣流分配管和吸種針隨行星輪架轉(zhuǎn)動的同時受行星輪約束作用轉(zhuǎn)動。

卸種后種子在慣性作用下有一線速度，由圖9可知，下落的種子在重力和正壓的作用下做自由落體運(yùn)動。投種時種子水平初始速度越小，投種精度越高，投種點(diǎn)種子水平初始速度VC為

圖9 投種過程運(yùn)動分析圖

VC=V0-Vcosθ

(18)

其中

V=ωRL

(19)

式中V——種子具有的線速度，m/s

由式(18)可知，當(dāng)吸種針角速度和吸種針末端種子運(yùn)動半徑一定時，θ=0°，投種點(diǎn)種子水平初始速度VC最小，即吸種針在正下方軌跡最低點(diǎn)投種，低位投種降低了投種點(diǎn)與種溝垂直高度，在一定程度上降低種子與種床土壤碰撞彈跳滑移。零速投種是種子水平分速度與排種器前進(jìn)速度大小相等，方向相反，可有效提高排種合格指數(shù)[27-29]。實(shí)現(xiàn)零速投種即需要保證卸種后種子下落過程中X方向合速度為0，即

VC=0

(20)

即

V0=Vcosθ

(21)

由式(18)和式(21)及結(jié)合仿真分析可知，排種器滿足低位零速投種的條件是：投種角θ=0°(低位投種)；λ=1.53(零速投種，此時排種器前進(jìn)速度V0等于種子在最低點(diǎn)的切線速度V)。

3 排種器關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 行星輪系機(jī)構(gòu)

行星輪系機(jī)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，左右兩側(cè)均包括1個太陽輪和4個行星輪，結(jié)構(gòu)如圖10所示，通過對排種過程的分析，結(jié)合設(shè)計要求，需滿足

圖10 行星輪系機(jī)構(gòu)

(22)

式中Z1——太陽輪齒數(shù)

Z2——行星輪齒數(shù)

D1——太陽輪直徑，mm

D2——行星輪直徑，mm

R2——行星殼盤外壁沿半徑，mm

M——齒輪模數(shù)，mm

結(jié)合設(shè)計要求及裝配關(guān)系，選定齒厚為10 mm、模數(shù)為2 mm、壓力角為20°的直齒圓柱齒輪，計算得出行星輪與太陽輪齒數(shù)Z1=Z2=39，行星殼盤外壁沿半徑R2=130 mm。

3.2 吸種針和氣流分配管

以菠菜為播種對象，采用墨綠先鋒菠菜種子，其平均三軸尺寸為3.69 mm×3.25 mm×2.36 mm，幾何平均寬度為3.05 mm。吸種針直管內(nèi)徑為10 mm，根據(jù)

DX=(0.64～0.66)B

(23)

式中B——種子幾何平均寬度，取3.05 mm

計算得出吸種針型孔直徑為2.00 mm，吸種針通過螺紋連接固定在氣流分配管上。

氣流分配管與行星輪數(shù)量相同，氣流分配管上布置吸種針，通過對排種過程的分析，結(jié)合前期研究和播種農(nóng)藝要求，4根氣流分配管對稱分布，設(shè)定播種行距為70 mm，播種行數(shù)為12行，氣流分配管內(nèi)徑為20 mm，滿足氣流分配管內(nèi)徑大于全部吸種針末端種子吸附面過流面積的要求[19]。

3.3 種倉

種倉底部為弧形結(jié)構(gòu)，與吸種針運(yùn)動軌跡相符，并保證種倉底部彎曲弧形S2大于吸種針的回轉(zhuǎn)弧形軌跡S1，保證良好的吸種效果。吸種針長度L、行星輪與太陽輪中心距離R1等參數(shù)都會影響種倉結(jié)構(gòu)尺寸，定義吸種針長度L與行星輪、太陽輪中心距離R1比值為系數(shù)K，K直接影響吸種針端點(diǎn)在吸種區(qū)的軌跡。

圖11a是系數(shù)K取0.5、1.0、1.2、1.5、2.0時吸種針端點(diǎn)在吸種區(qū)運(yùn)動軌跡。由圖11a可知，吸種針在點(diǎn)b處于吸種最低點(diǎn)，當(dāng)K=2.0時，吸種針在點(diǎn)c2.0開始吸種，至c′2.0時完成吸種，當(dāng)K=0.5時，吸種針在點(diǎn)b0.5完成吸種。因此，速比系數(shù)影響吸種針吸種時間，且K越大吸種時間越長，有利于提高排種器吸種性能，當(dāng)速比系數(shù)過小時吸種針只與種群最上層接觸，下層種子無法完成吸種。

排種機(jī)構(gòu)設(shè)計為多行并聯(lián)結(jié)構(gòu)，根據(jù)裝配關(guān)系，L需小于相鄰兩根氣流分配管的中心距Ld1，種倉寬度DC需小于對稱兩根氣流分配管的中心距Ld2，其中

(24)

式中R——行星輪分度圓半徑，取39 mm

經(jīng)計算確定K=1.2，L=95 mm,DC=130 mm，如圖11b所示，根據(jù)排種器種倉安裝位置，設(shè)計種倉高度HC=60 mm。

圖11 不同K值時吸種針端點(diǎn)在吸種區(qū)的軌跡

4 排種性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與裝置

試驗(yàn)材料選用菠菜種子，試驗(yàn)時種子含水率為37.3%，千粒質(zhì)量為9.13 g。試驗(yàn)裝置采用BENETECH GM520型手持式風(fēng)壓表測定風(fēng)機(jī)出風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口氣壓，排種性能檢測裝置采用華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研制的小粒徑種子精量排種器種子流傳感裝置[30]，排種性能試驗(yàn)如圖12所示。單因素試驗(yàn)排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓與排種性能指標(biāo)關(guān)系曲線如圖13所示。

圖12 排種性能試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖13 排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓與排種性能指標(biāo)關(guān)系曲線

4.2 試驗(yàn)設(shè)計與方法

由前期研究進(jìn)展[19]可知，排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓對排種性能有較大影響，因此選擇三者為試驗(yàn)因素，為尋求最佳參數(shù)范圍，進(jìn)行三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》選擇排種合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2、漏播指數(shù)Y3為評價指標(biāo)，試驗(yàn)因素編碼如表1所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，每組試驗(yàn)統(tǒng)計排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)連續(xù)排出的251粒種子。

表1 試驗(yàn)因素編碼

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)和單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定排種轉(zhuǎn)速為12～28 r/min，以4 r/min為增量，吸種負(fù)壓為1.4～2.6 kPa，卸種正壓為0.4～1.6 kPa，以0.3 kPa為增量。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案，共開展20組試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。X1、X2、X3為排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓編碼值。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 10.0對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，建立合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)與排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓、卸種正壓之間的回歸方程，并對試驗(yàn)結(jié)果和回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表3所示。

(1)合格指數(shù)Y1

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，多元回歸擬合得到各因素影響合格指數(shù)的回歸模型為

Y1=90.29-2.32X1+1.04X2-0.34X3+0.55X1X2-

(25)

表3 回歸方程方差分析

Y1=90.29-2.32X1+1.04X2-

(26)

通過對式(26)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)，得到合格指數(shù)的因素影響由大到小為：排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓。

(2)重播指數(shù)Y2

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，多元回歸擬合得到各因素影響重播指數(shù)的回歸模型為

Y2=3.61-1.19X1+1.02X2-0.8X3-0.5X1X2+

(27)

Y2=3.61-1.19X1+1.02X2-0.8X3-0.5X1X2+

(28)

通過對式(28)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)，得到重播指數(shù)的因素影響由大到小為：排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓。

(3)漏播指數(shù)Y3

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，多元回歸擬合得到各因素影響漏播指數(shù)的回歸模型為

Y3=6.1+3.51X1-2.07X2+1.14X3-0.051X1X2-

(29)

Y3=6.1+3.51X1-2.07X2+1.14X3-

(30)

通過對式(30)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)，得到漏播指數(shù)的因素影響由大到小為：排種轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓。

4.4 各因素對合格指數(shù)的影響

通過Design-Expert 10.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得到排種轉(zhuǎn)速X1、吸種負(fù)壓X2和卸種正壓X3對合格指數(shù)的影響規(guī)律，其響應(yīng)曲面如圖14所示。

圖14 交互因素對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面

圖14a為卸種正壓為1.0 kPa時，排種轉(zhuǎn)速和吸種負(fù)壓交互作用的響應(yīng)曲面。排種轉(zhuǎn)速為16～24 r/min、吸種負(fù)壓為1.7～2.3 kPa時，排種合格指數(shù)較高。吸種負(fù)壓一定時，隨著排種轉(zhuǎn)速的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。排種轉(zhuǎn)速一定時，隨著吸種負(fù)壓的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。排種轉(zhuǎn)速為20 r/min、吸種負(fù)壓為2 kPa時，合格指數(shù)最高。

圖14b為吸種負(fù)壓為2.0 kPa時，排種轉(zhuǎn)速和卸種正壓的交互作用的響應(yīng)曲面。排種轉(zhuǎn)速為 16～24 r/min、卸種正壓為0.7～1.3 kPa時，排種合格指數(shù)較高。卸種正壓一定時，隨著排種轉(zhuǎn)速的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。排種轉(zhuǎn)速一定時，隨著卸種正壓的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。排種轉(zhuǎn)速為20 r/min、卸種正壓為1 kPa時，合格指數(shù)最高。

圖14c為排種轉(zhuǎn)速為20 r/min時，吸種負(fù)壓和卸種正壓的交互作用的響應(yīng)曲面。吸種負(fù)壓為1.7～2.3 kPa時，卸種正壓為0.7～1.3 kPa時，排種合格指數(shù)較高。吸種負(fù)壓一定時，隨著卸種正壓的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。卸種正壓一定時，隨著吸種負(fù)壓的增大，排種合格指數(shù)先上升后下降。吸種負(fù)壓為2.0 kPa時，卸種正壓為1.0 kPa時，合格指數(shù)最高。

4.5 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

為尋求排種性能最優(yōu)狀態(tài)下的參數(shù)組合，以合格指數(shù)最大、重播與漏播指數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，對所建立的二次回歸模型開展多因素優(yōu)化求解，運(yùn)用Design-Expert 10.0 的優(yōu)化模塊求解得：當(dāng)排種轉(zhuǎn)速為19.56 r/min、吸種負(fù)壓為2.05 kPa、卸種正壓為1.00 kPa時，排種性能達(dá)到最優(yōu)，對應(yīng)排種合格指數(shù)為90.92%，漏播指數(shù)為4.98%，重播指數(shù)為4.10%。模型求解出來的最優(yōu)參數(shù)組合與零水平參數(shù)組合參數(shù)接近。為驗(yàn)證優(yōu)化數(shù)據(jù)可靠性，根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)控制條件，對求解的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行圓整，設(shè)定吸種負(fù)壓為2.0 kPa、卸種正壓為1.0 kPa、排種轉(zhuǎn)速為20 r/min，重復(fù)進(jìn)行3次臺架試驗(yàn)，其平均值為合格指數(shù)91.48%、漏播指數(shù)4.28%、重播指數(shù)4.24%，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相近。

5 投種試驗(yàn)

根據(jù)投種環(huán)節(jié)力學(xué)分析及排種器吸種針運(yùn)動軌跡分析可知，投種后種子在種床分布的株距均勻性主要與排種轉(zhuǎn)速和卸種正壓有關(guān)[18]。種子脫離排種器到落入種床土壤過程僅受慣性力、重力和正壓力的作用，運(yùn)動過程不受約束，屬于無約束導(dǎo)種[8]。

為測試排種轉(zhuǎn)速、卸種正壓以及投種高度對株距均勻性的影響，通過在排種器下方設(shè)計接種土槽，模擬排種器田間投種狀態(tài)開展投種試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖15所示，其中接種土槽由土槽臺架、土槽同步帶模組、土槽臺架控制模塊、土槽等組成；鋪設(shè)土層厚度為50 mm，土壤為田間采集的細(xì)碎沙壤土，試驗(yàn)時土壤含水率為18.37%，投種試驗(yàn)設(shè)計投種高度100、200、300 mm，通過改變排種器在土槽臺架上方的垂直高度來改變投種高度。

圖15 投種試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

為明確投種高度的影響，選取排種性能試驗(yàn)合格指數(shù)大于90%，漏播指數(shù)小于5%，重播指數(shù)小于5%的工作條件下的參數(shù)組合進(jìn)行投種試驗(yàn)，根據(jù)前期正交試驗(yàn)，對所建立的二次回歸模型開展多因素優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

(31)

求解得：在吸種負(fù)壓為2.0 kPa、排種轉(zhuǎn)速為18～22 r/min、卸種正壓為0.8～1.2 kPa時，合格指數(shù)均大于90%，重播指數(shù)小于5%，漏播指數(shù)小于5%，投種試驗(yàn)在該工作條件下展開，參數(shù)如表4所示。

表4 試驗(yàn)參數(shù)

將不同排種轉(zhuǎn)速代入式(16)、(17)，得到試驗(yàn)臺土槽前進(jìn)速度分別為150、175、200 mm/s，可保證確定株距80 mm時軌跡的實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)參數(shù)如表4所示；根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》要求，測定250個粒距，選取合格指數(shù)和粒距變異系數(shù)作為評價指標(biāo)；每組試驗(yàn)重復(fù)3次，統(tǒng)計其平均值，結(jié)果如表5所示。

表5 投種試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，相同工作參數(shù)下，由種子流傳感器檢測的排種合格指數(shù)均高于90%，但投種后在種床土壤上測得的合格指數(shù)有所降低，投種高度越大，合格指數(shù)下降幅度越大，表明種子觸地的隨機(jī)碰撞改變了落種粒距間隔。在同一卸種正壓下，投種高度從100 mm增至200 mm時，粒距變異系數(shù)變化幅度相對較小；當(dāng)投種高度增加到300 mm時，落種粒距間隔變化較大，粒距變異系數(shù)增大至17.0%以上；在同一投種高度下，排種轉(zhuǎn)速越大，粒距變異系數(shù)增加越大。在相同工作轉(zhuǎn)速和投種高度條件下，以卸種正壓1.0 kPa為中心，正壓增大或減小時，粒距變異系數(shù)均增大，從1.0 kPa增至1.2 kPa時粒距變異系數(shù)變化比降至0.8 kPa時更明顯。當(dāng)投種正壓0.8～1.0 kPa、工作轉(zhuǎn)速18～20 r/min、投種高度小于200 mm時，粒距變異系數(shù)不大于13.2%，工作性能較優(yōu)。

分析轉(zhuǎn)速和正壓因素造成粒距均勻性差的原因有：在正壓增大時種子在下落過程中速度變大，種子彈跳現(xiàn)象明顯，更易造成株距分布不均勻；轉(zhuǎn)速和正壓減小時吸種針卸種不及時，造成延遲投種現(xiàn)象，種子在下落過程中具有水平位移，粒距均勻性較差。分析投種高度因素造成粒距均勻性差的原因有：投種高度過高時，種子從投種口掉落到接觸種床土壤的時間增大，增加了種子與種床碰撞彈跳滑移的概率，造成粒距變異系數(shù)變化明顯。

結(jié)合投種環(huán)節(jié)力學(xué)分析和投種試驗(yàn)結(jié)果及分析可知，投種高度對粒距均勻性影響明顯，隨著投種高度的增大，粒距變異系數(shù)逐漸增大，投種高度小于200 mm時，粒距變異系數(shù)變化不明顯；投種高度大于200 mm時，粒距變異系數(shù)顯著增大。采用行星輪系與氣流分配管結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)在排種器最低位投種，相比已有正負(fù)氣壓組合管針式集排器的水平位置投種[19]，降低了投種高度，以提高粒距均勻性。

6 結(jié)論

(1)針對菠菜等小粒徑蔬菜種子采用窄行密植、播種均勻性要求高，缺乏適用播種裝備的問題，設(shè)計了一種氣力針式行星輪系窄行密植多行并聯(lián)低位投種精密排種器，通過行星輪系機(jī)構(gòu)與氣流分配管配合，改進(jìn)吸種針運(yùn)動軌跡，合理降低投種高度，以提高窄行密植單粒精密播種質(zhì)量，適用于菠菜等小粒徑蔬菜種子窄行精密播種。

(2)構(gòu)建了吸種和投種環(huán)節(jié)力學(xué)模型，通過理論與ADAMS虛擬樣機(jī)仿真分析了吸種針端點(diǎn)的相對運(yùn)動軌跡和絕對運(yùn)動軌跡，結(jié)合相對運(yùn)動軌跡下的位移與速度曲線，明確了排種器在吸種區(qū)低速吸種和在投種區(qū)低位投種的過程，以及排種器實(shí)現(xiàn)低位零速投種條件，確定了排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(3)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，得出影響排種合格指數(shù)的主次順序?yàn)榕欧N轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓。利用Design-Expert 10.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化，得出最佳工作參數(shù)組合為：排種轉(zhuǎn)速19.56 r/min、吸種負(fù)壓2.05 kPa、卸種正壓1.00 kPa，此時合格指數(shù)最大，重播與漏播指數(shù)最小。經(jīng)臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，其性能指標(biāo)為合格指數(shù)均值91.48%、重播指數(shù)均值4.24%、漏播指數(shù)均值4.28%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。依據(jù)速比特征系數(shù)為1.53設(shè)置了投種試驗(yàn)，投種試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)投種正壓為0.8～1.0 kPa、工作轉(zhuǎn)速18～20 r/min、投種高度小于200 mm時，粒距變異系數(shù)不大于13.2%，工作性能較優(yōu)。