機(jī)械式漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

王宗源，明家銳，王其歡，張策，岳棟，耿端陽

(山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院,山東淄博,255000)

0 引言

隨著我國(guó)玉米播種機(jī)械化技術(shù)的快速發(fā)展,玉米精密播種已經(jīng)達(dá)到了很高的水平[1]。但由于排種器結(jié)構(gòu)限制,現(xiàn)有玉米、大豆等大籽粒作物精量播種機(jī),平均漏播率仍在11.7%左右,玉米漏播損失達(dá)到100 kg/hm2以上[2-5]。排種器作為播種機(jī)的核心部件,排種器形成種子流的穩(wěn)定性和均勻性成為排種器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵,也成為影響播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。以玉米排種器為例,先后出現(xiàn)了外槽輪式、水平圓盤式、勺輪式、指夾式以及氣吸/吹式排種器等多種結(jié)構(gòu)形式[6],這些結(jié)構(gòu)形式都是為了提高玉米播種過程的穩(wěn)定性和均勻性。

為了減少播種機(jī)作業(yè)過程的漏播問題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)排種檢測(cè)與補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量研究。20世紀(jì)90年代末Garcia等[7]采用計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)了玉米播種過程的在線監(jiān)測(cè)。Al-Yamani等[8]采用編碼與監(jiān)控相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)了播種過程漏種位置監(jiān)測(cè)與補(bǔ)種,降低了玉米播種機(jī)作業(yè)的漏播率。

國(guó)內(nèi)在提高排種器均勻分種研究的基礎(chǔ)上,也對(duì)漏播檢測(cè)與補(bǔ)種技術(shù)也進(jìn)行了大量研究。如孫偉等[9]針對(duì)馬鈴薯種植過程中存在的漏種問題,開發(fā)了由漏播檢測(cè)系統(tǒng)與播種系統(tǒng)組成的自動(dòng)補(bǔ)種技術(shù),解決了馬鈴薯排種器作業(yè)過程的漏種問題。朱瑞祥等[10]激光光電傳感器和霍爾傳感器檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了漏播位置的無偏差補(bǔ)種,保證了播種過程種子流的穩(wěn)定性和均勻性。

針對(duì)上述玉米漏播導(dǎo)致玉米產(chǎn)量損失的問題,本文采用冗余設(shè)計(jì)的方式,研究一種機(jī)械式漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置。通過對(duì)漏播檢測(cè)裝置以及補(bǔ)種裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析,確定影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。應(yīng)用正交試驗(yàn)對(duì)機(jī)械式漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置進(jìn)行試驗(yàn)研究,獲得最佳作業(yè)參數(shù)組合,以期提高播種質(zhì)量。

1 排種器精準(zhǔn)播種策略與工作原理

1.1 排種器精準(zhǔn)播種策略

減少排種器漏播問題的策略有兩種,一種是采用新原理和新方法提高排種精度,減少漏播問題;另一種是采用可靠性設(shè)計(jì)中的冗余設(shè)計(jì)方法,即采用冗余系統(tǒng)防止漏種問題的發(fā)生。然而,新原理、新方法需要較長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積累和積極的探索,一般具有周期長(zhǎng)、成本高的特點(diǎn),所以本研究選擇冗余設(shè)計(jì)方法降低排種器的漏播率。假設(shè)所選排種器的播種率為q,則漏播率為1-q,其可靠性模型如圖1所示。

圖1 補(bǔ)種減漏排種器可靠性模型

假設(shè)冗余系統(tǒng)有n個(gè)結(jié)構(gòu)一致的排種器,則有系統(tǒng)的播種率

Q0=1-(1-q)n

(1)

式中:Q0——排種系統(tǒng)播種率,%。

根據(jù)國(guó)家播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范,玉米精量播種機(jī)漏播率為10%的標(biāo)準(zhǔn),則冗余2個(gè)排種器,其系統(tǒng)漏播率由原來的10%降到1%,大幅提高了排種器的排種穩(wěn)定性。所以本研究采用以價(jià)格低廉的窩眼輪式排種器為基礎(chǔ),以冗余設(shè)計(jì)為手段的機(jī)械結(jié)構(gòu)的漏播補(bǔ)種排種器,其原理如圖2所示。

圖2 冗余排種系統(tǒng)原理

排種系統(tǒng)采用兩套排種器。工作時(shí)主排種窩眼輪在排種器軸的帶動(dòng)下,實(shí)現(xiàn)種子的單粒穩(wěn)定分種。同時(shí),由于窩眼有種子存在,則探種桿被窩眼中的種子頂起,并帶動(dòng)鎖桿鎖定補(bǔ)種裝置,使補(bǔ)種裝置與動(dòng)力分離,補(bǔ)種窩眼輪處于停轉(zhuǎn)狀態(tài);而一旦主排種窩眼輪出現(xiàn)了未充種的情況,探種桿下壓并帶動(dòng)鎖桿抬起,使補(bǔ)種裝置與動(dòng)力接合,補(bǔ)種窩眼輪進(jìn)行工作,在該模式下主排種窩眼輪與補(bǔ)種窩眼輪同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種功能。

1.2 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

在上述設(shè)計(jì)策略指導(dǎo)下,研究了一種配套滾筒式播種單體的漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置,如圖3所示。

圖3 配套機(jī)械檢測(cè)與補(bǔ)種裝置的滾筒式播種單體結(jié)構(gòu)圖

該裝置由主排種裝置、檢測(cè)裝置和補(bǔ)種裝置等構(gòu)成。其中主排種裝置包括主排種窩眼輪、清種毛刷和護(hù)種板;檢測(cè)裝置包括探種桿、探種預(yù)緊彈簧以及鎖桿;補(bǔ)種裝置包括補(bǔ)種窩眼輪、補(bǔ)種固定盤、補(bǔ)種軸、轉(zhuǎn)臂、撥桿、補(bǔ)種復(fù)位彈簧、超越離合器及其端蓋。主排種窩眼輪通過殼體內(nèi)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)工作;補(bǔ)種裝置通過補(bǔ)種固定盤偏心安裝于殼體端蓋上,并由沿殼體圓周分布的數(shù)個(gè)撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)推動(dòng)轉(zhuǎn)臂進(jìn)行工作。

工作時(shí),主排種窩眼輪與清種毛刷隨著機(jī)具的前進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)漏播檢測(cè)裝置對(duì)主排種窩眼輪的充種狀況進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)裝置的探種桿檢測(cè)到主排種窩眼輪出現(xiàn)未充種狀況時(shí),主排種窩眼輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)探種桿在探種預(yù)緊彈簧的作用下壓入主排種窩眼輪導(dǎo)槽底部,帶動(dòng)與探種桿固接的鎖桿轉(zhuǎn)動(dòng)并解除對(duì)補(bǔ)種裝置的鎖定。解鎖后的補(bǔ)種裝置轉(zhuǎn)臂在補(bǔ)種復(fù)位彈簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)直至被補(bǔ)種固定盤卡住,后由隨殼體轉(zhuǎn)動(dòng)的撥桿推動(dòng)復(fù)位后的轉(zhuǎn)臂進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)臂與補(bǔ)種窩眼輪通過超越離合器連接,使撥桿推動(dòng)轉(zhuǎn)臂時(shí)的動(dòng)力能夠傳遞至補(bǔ)種窩眼輪,而在補(bǔ)種復(fù)位彈簧作用下發(fā)生的轉(zhuǎn)動(dòng)不會(huì)帶動(dòng)補(bǔ)種窩眼輪。又因轉(zhuǎn)臂與機(jī)具中心呈偏心布置,使撥桿推動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后會(huì)與轉(zhuǎn)臂脫離,即可使補(bǔ)種窩眼輪完成一次補(bǔ)種。若主排種窩眼輪下一窩眼依舊未充種,則探種桿繼續(xù)壓入主排種窩眼輪導(dǎo)槽底部,鎖桿不對(duì)補(bǔ)種裝置進(jìn)行鎖定,補(bǔ)種裝置繼續(xù)在補(bǔ)種復(fù)位彈簧以及撥桿的作用下帶動(dòng)補(bǔ)種窩眼輪工作;若主排種窩眼輪下一窩眼中充有種子,則種子克服探種預(yù)緊彈簧作用力將探種桿頂起,帶動(dòng)鎖桿轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定補(bǔ)種裝置,阻止補(bǔ)種裝置在補(bǔ)種復(fù)位彈簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)補(bǔ)種裝置處于靜止?fàn)顟B(tài),撥桿無法推動(dòng)補(bǔ)種裝置,只有主排種窩眼輪工作。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械式漏播檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

2.1.1 漏播檢測(cè)方案

為了實(shí)現(xiàn)漏播的及時(shí)、可靠補(bǔ)種,需要對(duì)主排種窩眼輪充種狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)、可靠的檢測(cè),在主排種窩眼輪圓周設(shè)有探種桿,并通過探種預(yù)緊彈簧使其緊壓窩眼,所以在主排種窩眼輪圓周設(shè)有保證探種桿位置穩(wěn)定的導(dǎo)向槽;為避免因?yàn)榉N子尺寸、位置偏斜導(dǎo)致的探種桿漏檢問題,該導(dǎo)向槽采用了雙槽結(jié)構(gòu),最終形成如圖4所示的雙導(dǎo)向槽主排種窩眼輪檢測(cè)結(jié)構(gòu)。

由上述可知,為減少漏播應(yīng)盡量減少主排種窩眼輪的漏播率,見式(1),所以為了保證主排種窩眼輪的播種合格率,應(yīng)該選擇合適的窩眼形狀和大小。

以黃淮海地區(qū)廣泛種植的鄭單958種子為研究對(duì)象,其結(jié)構(gòu)為棱臺(tái)結(jié)構(gòu),測(cè)得種子長(zhǎng)、上寬、下寬、厚,其均值分別為11.5 mm、9.3 mm、7.1 mm、4.9 mm,借鑒劉娜等研究成果,設(shè)計(jì)窩眼孔直徑d0為13 mm,孔深h0為8.5 mm[11-12]。

為了提高檢測(cè)準(zhǔn)確性,采用雙導(dǎo)向槽—雙壓頭探種桿的檢測(cè)方式進(jìn)行檢測(cè),窩眼孔由雙導(dǎo)向槽分為三部分。為了保證窩眼孔中所有籽粒都能被及時(shí)檢測(cè)到,應(yīng)使探種桿與窩眼孔邊緣之間、探種桿雙壓頭之間的距離都小于種子厚度(保守考慮使其小于測(cè)得的種子最小厚度,3.8 mm),因此雙壓頭探種桿的雙壓頭外邊沿寬度與雙壓頭內(nèi)邊沿寬度應(yīng)滿足式(2)。

(2)

式中:L——探種桿檢測(cè)范圍,mm;

L′——雙壓頭內(nèi)邊沿寬度,mm;

bmin——玉米種子最小厚度,mm。

為滿足式(2),可得L為5.4～13 mm,L′為0～3.9 mm。綜合考慮窩眼孔與種子尺寸要求,確定探種桿雙壓頭外沿距離L為6 mm,雙壓頭內(nèi)沿距離L′為2 mm。

2.1.2 探種角度分析

根據(jù)前文所述的檢測(cè)方案,補(bǔ)種裝置是在漏播檢測(cè)裝置發(fā)現(xiàn)主排種窩眼輪未充種后才進(jìn)行工作;為了保證補(bǔ)種作業(yè)時(shí)機(jī)的準(zhǔn)確性,應(yīng)使漏種窩眼在經(jīng)過檢測(cè)位置到達(dá)投種點(diǎn)的時(shí)間內(nèi),補(bǔ)種裝置能夠完成補(bǔ)種作業(yè)。本研究采用盡量提早發(fā)現(xiàn)的檢測(cè)方式,即以投種口A之前的窩眼孔B為檢測(cè)點(diǎn),假設(shè)檢測(cè)點(diǎn)B與投種點(diǎn)A相對(duì)于主排種裝置回轉(zhuǎn)中心的相位角為γ,稱探種角,如圖5所示。

圖5 探種桿與主排種窩眼輪的位置關(guān)系

同時(shí),為保證在正常工況下,即主排種窩眼輪無漏播的情況下,鎖桿一直將補(bǔ)種裝置鎖定,避免連續(xù)作業(yè)時(shí)補(bǔ)種裝置工作造成重播,為此探種桿的檢測(cè)壓頭為以B點(diǎn)為起點(diǎn)跨越探種角γ到投種點(diǎn)A點(diǎn)的跨越式結(jié)構(gòu),使窩眼中前一個(gè)種子滑過探種桿后,后續(xù)窩眼中的種子可以繼續(xù)將探種桿頂起,從而使鎖桿與補(bǔ)種裝置保持鎖定。因此,探種角度γ應(yīng)大于兩窩眼的夾角,即γ滿足式(3)。

(3)

式中:γ——探種角,(°);

Z——窩眼數(shù),個(gè)。

當(dāng)窩眼中出現(xiàn)漏種時(shí),鎖桿需及時(shí)與補(bǔ)種裝置分離,實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種。考慮種子尺寸以及在型孔中充種姿態(tài)可能影響鎖桿與補(bǔ)種裝置的鎖定狀態(tài),即極限情況下,種子位于窩眼孔的側(cè)邊,從而形成最大影響范圍為半側(cè)型孔相對(duì)于排種器的相位角±σ,以及探種桿帶動(dòng)鎖桿轉(zhuǎn)至與補(bǔ)種裝置解鎖與鎖定存在滯后時(shí)間Δt。因此增大探種角γ來提前該運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,以消除漏播檢測(cè)裝置時(shí)機(jī)上的滯后,γ可表示為

(4)

式中:σ——充種姿態(tài)的影響范圍,(°);

ω——窩眼輪角速度,rad/s;

Δt——鎖桿結(jié)合補(bǔ)種裝置所需時(shí)間,s。

又窩眼輪角速度可用機(jī)具前進(jìn)速度、株距等表示,如式(5)所示。

(5)

式中:vm——作業(yè)速度,m/s;

S——株距,取0.22 m。

根據(jù)如圖5所示的窩眼與窩眼輪的幾何關(guān)系,σ可表示為

(6)

式中:R——主排種窩眼輪直徑,mm。

為保證排種器結(jié)構(gòu)的緊湊,同時(shí)降低種子在隨排種器轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的離心力,窩眼輪的尺寸不宜過大,設(shè)定窩眼輪的半徑R為45 mm;同時(shí)在保證充種時(shí)間同時(shí)避免清種毛刷對(duì)相鄰窩眼充種的影響[13-14],設(shè)計(jì)窩眼個(gè)數(shù)Z為9個(gè)。

將式(5)、式(6)代入式(4),可得式(7)。

(7)

顯然在窩眼排種器結(jié)構(gòu)一定的情況下探種角受到作業(yè)速度以及充種姿態(tài)的影響。隨作業(yè)速度增大,鎖桿轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定補(bǔ)種裝置所需的時(shí)間越小;種子姿態(tài)越靠近投種點(diǎn),所需的探種角越小。因在種子隨窩眼轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中,種子的充種姿態(tài)具有不確定性,故在40°～50°范圍內(nèi)采用了臺(tái)架試驗(yàn)的方式確定探種角γ的最優(yōu)值。

2.1.3 探種桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)鎖桿與補(bǔ)種裝置的快速結(jié)合與分離,探種桿應(yīng)能在窩眼孔中受到種子支持力的作用下繞其回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)一定角度,帶動(dòng)與探種桿固連的鎖桿轉(zhuǎn)動(dòng),進(jìn)而鎖定與解鎖補(bǔ)種裝置。在保證能夠鎖定與解鎖補(bǔ)種裝置的前提下,消耗時(shí)間最短,探種桿與主排種窩眼輪位置關(guān)系如圖6所示。

設(shè)探種桿長(zhǎng)度為lAP,探測(cè)過程轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為θ可表示為

(8)

式中:θ——探種桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度,(°);

R′——導(dǎo)槽半徑,mm;

lAP——探種桿長(zhǎng)度,mm。

由式(8)可知,探種桿長(zhǎng)度lAP越長(zhǎng),導(dǎo)槽半徑R′越大,則探種桿的旋轉(zhuǎn)角度θ越小。考慮到排種器傳動(dòng)機(jī)構(gòu)空間位置,在保證窩眼輪材料強(qiáng)度的前提下,設(shè)計(jì)導(dǎo)槽半徑R′為35 mm。

為確定探種桿的長(zhǎng)度lAP,設(shè)主排種窩眼輪旋轉(zhuǎn)中心C為原點(diǎn),以機(jī)器前進(jìn)方向?yàn)閄軸,投種方向?yàn)閅軸,建立圖6所示直角坐標(biāo)系。

根據(jù)幾何關(guān)系可知,探種桿回轉(zhuǎn)中心P位于圓C(以C為圓心,銷塊外圓r為半徑)在D點(diǎn)的切線與圓A(以A為圓心,lAP為半徑)的交點(diǎn)處。并使探種桿AP與主排種窩眼輪外徑相切,以保證最小轉(zhuǎn)角[15],則點(diǎn)P需滿足式(9)。

xP2+yP2=lAP2+R2

(9)

式中:xP——P點(diǎn)橫坐標(biāo),mm;

yP——P點(diǎn)縱坐標(biāo),mm。

為使鎖桿牢固得將補(bǔ)種裝置鎖定,正常工況下鎖桿需與鎖塊外圓相切。

(xP-xD)2+(yP-yD)2+r2=xP2+yP2

(10)

式中:xD——D點(diǎn)橫坐標(biāo),mm;

yD——D點(diǎn)縱坐標(biāo),mm ;

r——鎖塊外圓半徑,mm。

其中鎖桿將補(bǔ)種裝置鎖止的位置D可表示為

(11)

式中:α——窩眼輪投種角;

β——投種點(diǎn)A與回轉(zhuǎn)中心C、鎖止點(diǎn)D與回轉(zhuǎn)中心C連線的夾角,(°)。

合并式(9)～式(11)得式(12)。

(12)

由式(12)可知,探種桿lAP的長(zhǎng)度隨β的增大而增大,探測(cè)過程轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ隨β的增大而減小。參照《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》,設(shè)計(jì)窩眼輪的投種角α為15°。綜合考慮機(jī)具結(jié)構(gòu)的緊湊性與探種桿旋轉(zhuǎn)角度,設(shè)計(jì)θ為12°。此時(shí)夾角β為120°,探種桿lAP長(zhǎng)為70 mm,回轉(zhuǎn)中心P點(diǎn)坐標(biāo)為(67.6 mm,30.2 mm)。

2.2 補(bǔ)種裝置設(shè)計(jì)

2.2.1 補(bǔ)種裝置運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)所述補(bǔ)種方案,補(bǔ)種窩眼輪的轉(zhuǎn)動(dòng)是靠補(bǔ)種裝置轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)的,由窩眼輪式排種器的工作原理可知,為使補(bǔ)種窩眼輪排出一粒種子,撥桿帶動(dòng)補(bǔ)種裝置轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度應(yīng)等于2π/Z。

考慮到采用補(bǔ)種裝置進(jìn)行補(bǔ)種時(shí)受其安裝位置的影響[16]。為了提高補(bǔ)種質(zhì)量,以機(jī)具回轉(zhuǎn)中心O為圓心,豎直向下為Y軸,機(jī)具前進(jìn)的反方向?yàn)閄軸,建立如圖7所示直角坐標(biāo)系,對(duì)補(bǔ)種裝置轉(zhuǎn)臂被撥桿推動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析。

圖7 補(bǔ)種裝置運(yùn)動(dòng)分析

根據(jù)幾何關(guān)系可知,撥桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度ξ5可表示為

ξ5=π+ξ2-ξ4-∠OCF

(13)

式中:ξ5——撥桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度,(°);

ξ2——OC與縱軸Y的夾角,(°);

ξ4——CF′與豎直方向的夾角,(°)。

為保證補(bǔ)種裝置復(fù)位到初始位置時(shí),撥桿能夠推動(dòng)轉(zhuǎn)臂,在△OCF′中CF′的長(zhǎng)度應(yīng)小于轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度l,則

lCF′=cos(π-ξ2+ξ4)lOC+

(14)

式中:lOC——補(bǔ)種裝置回轉(zhuǎn)中心C與O點(diǎn)距離,mm;

lCF′——撥桿轉(zhuǎn)至F′時(shí)與C點(diǎn)距離,mm;

lOF——撥桿與O點(diǎn)距離,mm;

l——轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度,mm。

同時(shí)由于補(bǔ)種裝置的偏心布置,轉(zhuǎn)臂在被撥桿推動(dòng)旋轉(zhuǎn)一定角度后將與撥桿分離。在轉(zhuǎn)臂在轉(zhuǎn)過ξ5后,處于與撥桿即將分離的臨界狀態(tài),即在△OCF中CF的長(zhǎng)度應(yīng)等于轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度l,則

(15)

式中:lCF——撥桿轉(zhuǎn)至F時(shí)與C點(diǎn)距離,mm;

ξ3——撥桿由F″轉(zhuǎn)至F的角度,(°)。

此時(shí)在△OCF中的∠OCF可以表示為

(16)

針對(duì)主排種窩眼輪出現(xiàn)的連續(xù)未充種現(xiàn)象,為保證補(bǔ)種裝置作業(yè)連續(xù)性,撥桿在從一個(gè)行程的起點(diǎn)F″轉(zhuǎn)動(dòng)到終點(diǎn)F的角度ξ3應(yīng)滿足式(17)。

(17)

式中:N——播種單體轉(zhuǎn)動(dòng)一周排出種子數(shù)量,個(gè)。

合并式(13)～式(17)得式(18)。

(18)

由式(18)可知,當(dāng)ξ5確定時(shí),轉(zhuǎn)臂l的長(zhǎng)度隨lOC的增大以及ξ2的增大而減小。根據(jù)選擇的播種單體型號(hào),N為6。綜合考慮機(jī)具的尺寸要求,確定lOC的長(zhǎng)度為82.5 mm、撥桿與機(jī)具回轉(zhuǎn)中心的距離lOF為140 mm。當(dāng)ξ1取45°時(shí),回轉(zhuǎn)中心C點(diǎn)坐標(biāo)為(53.3,53.3),可在結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)滿足補(bǔ)種裝置運(yùn)動(dòng)要求,此時(shí)轉(zhuǎn)臂長(zhǎng)度l為64 mm,ξ4為39.5°。

2.2.2 同步補(bǔ)種條件

為保證補(bǔ)種的準(zhǔn)確性,對(duì)補(bǔ)種裝置復(fù)位過程以及主排種窩眼輪與補(bǔ)種窩眼輪的排種過程進(jìn)行分析。并根據(jù)撥桿運(yùn)動(dòng)過程中是否帶動(dòng)補(bǔ)種裝置轉(zhuǎn)動(dòng),可將撥桿的行程分為兩部分,如圖7所示,其一為由F″轉(zhuǎn)至F′的空行程,其角度為ξ1;其二為由F′轉(zhuǎn)至F的撥桿推動(dòng)補(bǔ)種裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的工作行程,其角度為ξ3-ξ1。在撥桿空行程過程中,補(bǔ)種裝置在解鎖后被補(bǔ)種復(fù)位彈簧拉回復(fù)位,在撥桿工作行程中帶動(dòng)補(bǔ)種裝置工作。

1) 補(bǔ)種裝置復(fù)位行程分析。為實(shí)現(xiàn)補(bǔ)種裝置在鎖桿解除鎖定后能及時(shí)復(fù)位,使撥桿在F′處可以推動(dòng)轉(zhuǎn)臂,因此撥桿轉(zhuǎn)過空行程角ξ1的時(shí)間內(nèi),補(bǔ)種裝置應(yīng)從鎖止?fàn)顟B(tài)在補(bǔ)種復(fù)位彈簧的作用下回到初始位置CF′。此時(shí)補(bǔ)種裝置復(fù)位所需的時(shí)間應(yīng)小于撥桿由F″轉(zhuǎn)到F′位置的時(shí)間,即

(19)

式中:t——補(bǔ)種裝置復(fù)位時(shí)間,s;

ξ1——撥桿轉(zhuǎn)動(dòng)的空行程角,(°)。

由△OCF′的幾何關(guān)系可知撥桿的空行程角ξ1可以表示為式(20)。

(20)

合并式(13)～式(17)與式(20)可得撥桿空行程角ξ1為42.8°。

為使補(bǔ)種復(fù)位彈簧更好地帶動(dòng)補(bǔ)種裝置復(fù)位的同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)的緊湊性,設(shè)計(jì)補(bǔ)種固定盤上的彈簧固定點(diǎn)M與初始位置CF′時(shí)轉(zhuǎn)臂上的彈簧固定點(diǎn)E′垂直,且lCE的長(zhǎng)度為35 mm、lME′為40 mm。當(dāng)補(bǔ)種復(fù)位彈簧彈力越大時(shí),補(bǔ)種裝置復(fù)位時(shí)間越短,根據(jù)播種單體的作業(yè)速度一般在0.4～1.4 m/s。選取彈力系數(shù)為2.5 N/cm的彈簧,進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。以彈簧被拉長(zhǎng)至ME時(shí)彈簧的最大拉力與補(bǔ)種裝置復(fù)位時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn),其結(jié)果如圖8所示。

圖8 彈簧最大作用力與補(bǔ)種裝置復(fù)位時(shí)間關(guān)系圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇補(bǔ)種復(fù)位彈簧的最大作用力Fkmax為8～15 N進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2) 補(bǔ)種裝置排種時(shí)序分析。為實(shí)現(xiàn)同步補(bǔ)種,當(dāng)主排種窩眼輪出現(xiàn)未充種狀況時(shí),主排種窩眼輪的待排種窩眼轉(zhuǎn)至投種點(diǎn)時(shí),補(bǔ)種裝置應(yīng)帶動(dòng)補(bǔ)種窩眼輪中的種子同時(shí)到達(dá)投種點(diǎn),對(duì)其排種行程進(jìn)行分析,如圖9所示。

(a) 待排種角位置

在排種系統(tǒng)完成一個(gè)工作行程后,主排種窩眼輪待排種的窩眼與投種點(diǎn)A相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心C的角度為ε1,稱為待排種角;補(bǔ)種窩眼輪待補(bǔ)種窩眼與投種口相對(duì)于回轉(zhuǎn)中心C的角度為ε2,稱為待補(bǔ)種角。設(shè)當(dāng)撥桿轉(zhuǎn)至F?時(shí),可使補(bǔ)種窩眼輪轉(zhuǎn)過ε2將種子排出。對(duì)一個(gè)工作行程中撥桿從F″位置轉(zhuǎn)至F?位置經(jīng)過的時(shí)間t′進(jìn)行分析,此時(shí)t′可以表示為式(21)。

(21)

式中:t′——補(bǔ)種裝置排種時(shí)間,s;

Ψ——撥桿由F″轉(zhuǎn)至F?經(jīng)過的角度,(°)。

由△OCF?的幾何關(guān)系可知當(dāng)撥桿帶動(dòng)轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)過ε2時(shí),撥桿轉(zhuǎn)過的角度Ψ可表示為式(22)。

(22)

顯然,為實(shí)現(xiàn)同步補(bǔ)種,在補(bǔ)種裝置排出種子的同時(shí)主排種窩眼輪未充種的窩眼也應(yīng)轉(zhuǎn)過角度ε1到達(dá)投種點(diǎn),即ε1應(yīng)滿足式(23)。

(23)

結(jié)合式(21)～式(23)可得,當(dāng)補(bǔ)種窩眼輪待補(bǔ)種角ε2大于0°,即主排種窩眼輪待排種角度ε1大于28.5°時(shí)可滿足待補(bǔ)種裝置隨主排種裝置同步補(bǔ)種的條件。為避免窩眼過于靠近投種口,出現(xiàn)種子脫離窩眼落入投種裝置的情況造成重播,因此ε2不宜過小,結(jié)合型孔的大小確定待補(bǔ)種角ε2為10°,待排種角ε1為31.3°,滿足同步補(bǔ)種需求。

3 臺(tái)架性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)材料為在黃淮海地區(qū)廣泛種植的鄭單958包衣種子,并通過JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)排種器性能進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)對(duì)檢測(cè)裝置與補(bǔ)種裝置的原理分析以及預(yù)試驗(yàn)確定了影響播種質(zhì)量的主要因素為機(jī)具前進(jìn)速度、補(bǔ)種裝置復(fù)位彈簧拉力以及探種角度。試驗(yàn)中通過調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而改變機(jī)具前進(jìn)速度;更換不同規(guī)格彈簧以調(diào)節(jié)彈簧拉力;更換探種桿以調(diào)節(jié)探種角度。試驗(yàn)過程中對(duì)三個(gè)因素開展單因素試驗(yàn)與正交試驗(yàn),對(duì)播種裝置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[17],選取漏播指數(shù)與合格指數(shù)為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo),其計(jì)算公式如式(24)～式(25)所示。

(24)

(25)

式中:S1——漏播指數(shù),%;

S2——合格指數(shù),%;

N0——播種數(shù)量,個(gè);

n1——漏播個(gè)數(shù),個(gè);

n2——合格個(gè)數(shù),個(gè)。

3.3 單因素試驗(yàn)

為分析各因素對(duì)播種機(jī)作業(yè)性能的影響,綜合考慮作業(yè)速度及其他各因素的控制范圍,采用單因素試驗(yàn),選擇作業(yè)速度為0.4～1.4 m/s;探種角度40°～50°;彈簧最大作用力8～15 N。每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

在探種角度為45°、補(bǔ)種復(fù)位彈簧最大作用力為12 N的情況下,對(duì)作業(yè)速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)。由圖10(a)可知,隨作業(yè)速度的增大,漏播指數(shù)呈持續(xù)上升的趨勢(shì),并在1.1 m/s處上升變化增大,合格指數(shù)呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)?當(dāng)前進(jìn)速度較低時(shí),排種器的充種性能較好,且補(bǔ)種裝置的性能較優(yōu),而隨著前進(jìn)速度的增大,排種器充種的時(shí)間變短,導(dǎo)致充種效果較差,且隨前進(jìn)速度增大,補(bǔ)種裝置難以及時(shí)復(fù)位,導(dǎo)致補(bǔ)種質(zhì)量差,造成漏播指數(shù)上升以及合格指數(shù)的下降。其中作業(yè)速度0.7～1.1 m/s為正交試驗(yàn)的范圍。

(a) 探種角度45°,彈簧最大作用力12 N

在前進(jìn)速度為0.8 m/s,補(bǔ)種復(fù)位彈簧最大作用力為12 N的情況下,對(duì)探種角度進(jìn)行單因素試驗(yàn)。由圖10(b)可知,隨探種角度的增大,漏播指數(shù)呈先下降后升高的趨勢(shì),合格指數(shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)探種角度增大時(shí),漏播檢測(cè)裝置對(duì)種子的尺寸及充種姿態(tài)適應(yīng)性更好,能夠帶動(dòng)鎖桿及時(shí)可靠的完成補(bǔ)種裝置的結(jié)合與分離,降低漏播指數(shù),提高合格指數(shù)。隨著探種角度的繼續(xù)增大鎖桿過早地去對(duì)補(bǔ)種裝置進(jìn)行鎖定,導(dǎo)致補(bǔ)種效果變差,漏播指數(shù)升高,合格指數(shù)下降。因此選取探種角度43°～47°為正交試驗(yàn)的范圍。

在前進(jìn)速度為0.8 m/s,探種角度為45°的情況下,對(duì)復(fù)位彈簧最大作用力進(jìn)行單因素試驗(yàn)。如圖10(c)可知,隨彈簧最大作用力的增加,漏播指數(shù)先下降后呈緩慢上升趨勢(shì),合格指數(shù)先上升后呈緩慢下降趨勢(shì)。這是由于在該探種角度及作業(yè)速度的條件下,隨復(fù)位彈簧最大作用力的增大,補(bǔ)種裝置復(fù)位的時(shí)間縮短,使補(bǔ)種裝置可以及時(shí)復(fù)位進(jìn)行補(bǔ)種,降低了漏播指數(shù)并提高合格指數(shù)。而隨著復(fù)位彈簧最大作用力的繼續(xù)增大,補(bǔ)種裝置的復(fù)位時(shí)間已經(jīng)滿足了對(duì)時(shí)序的需求,過大的彈簧作用力使機(jī)具的震動(dòng)及負(fù)載增大,導(dǎo)致漏播指數(shù)上升及合格指數(shù)呈下降的趨勢(shì)。因此選取復(fù)位彈簧最大作用力為10～14 N為正交試驗(yàn)的試驗(yàn)范圍。

3.4 正交試驗(yàn)

由前述分析可知,播種質(zhì)量受作業(yè)速度、探種角度和彈簧最大作用力綜合影響,得到補(bǔ)種裝置的最佳參數(shù)組合,根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理以作業(yè)速度、探種角度、彈簧最大作用力為試驗(yàn)指標(biāo)探究對(duì)漏播指數(shù)(Y1)及播種合格指數(shù)(Y2)的影響規(guī)律,因此設(shè)作業(yè)速度為U、探種角度為V、彈簧最大作用力為W,對(duì)其進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn),試驗(yàn)因素編碼表如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素與水平

通過SPSS26.0軟件在顯著性水平α=0.05下,對(duì)各因素進(jìn)行F檢驗(yàn)并對(duì)其進(jìn)行方差分析,試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,方差分析如表3所示。

表2 試驗(yàn)方案和結(jié)果

表3 方差分析

結(jié)果表明對(duì)于漏播指數(shù),作業(yè)速度與彈簧最大作用力對(duì)其存在顯著影響,而探種角度對(duì)其并無顯著影響,其較優(yōu)參數(shù)組合為U2V1W2。對(duì)于合格指數(shù)來說,三個(gè)因素均對(duì)其存在顯著性關(guān)系,較優(yōu)的參數(shù)組合為U2V2W3。剔除不顯著因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響,確定最優(yōu)的參數(shù)組合為U2V2W2。即作業(yè)速度為0.9 m/s、探種角度為45°、彈簧最大作用力為12 N。在該組合下進(jìn)行試驗(yàn),播種機(jī)的漏播指數(shù)為3.4%,合格指數(shù)為94.5%。

3.5 對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證該漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置的性能,在最優(yōu)參數(shù)組合下,與傳統(tǒng)滾筒式播種裝置開展對(duì)比試驗(yàn),在相同作業(yè)速度下,測(cè)得兩者漏播指數(shù)與合格指數(shù),重復(fù)三次試驗(yàn)取平均值。傳統(tǒng)滾筒式播種裝置的漏播指數(shù)與合格指數(shù)分別為7.3%與89.7%,配有補(bǔ)種裝置的滾筒式播種裝置的漏播指數(shù)與合格指數(shù)分別為3.4%與94.5%。試驗(yàn)結(jié)果表明,該工況下配有漏播檢測(cè)與補(bǔ)種裝置的播種裝置較傳統(tǒng)滾筒式播種裝置漏播指數(shù)降低了3.9%,合格指數(shù)提高了4.8%,具有良好的作業(yè)效果。

4 結(jié)論

1) 針對(duì)玉米播種過程中的漏播現(xiàn)象,確定了基于冗余設(shè)計(jì)原理的排種器漏播補(bǔ)種策略,研究了一種機(jī)械式漏播檢測(cè)補(bǔ)種裝置,并根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì),確定了雙壓頭探種桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)L為6 mm、L′為2 mm;補(bǔ)種裝置轉(zhuǎn)臂的長(zhǎng)度為64 mm;探種裝置及補(bǔ)種裝置回轉(zhuǎn)中心的位置坐標(biāo)分別為(67.6 mm,30.2 mm)、(53.3 mm,53.3 mm)以及實(shí)現(xiàn)同步補(bǔ)種的條件。

2) 通過對(duì)檢測(cè)裝置的漏播監(jiān)測(cè)過程以及補(bǔ)種裝置補(bǔ)種過程進(jìn)行分析,確定影響播種質(zhì)量的主要因素。并以作業(yè)速度、探種角度、彈簧最大作用力為試驗(yàn)因素,以漏播指數(shù)、合格指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo),采用單因素試驗(yàn)確定了各因素的取值范圍。

3) 在單因素試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,開展了三因素三水平的正交試驗(yàn),確定了所選主要參數(shù)的最佳組合,即作業(yè)速度0.9 m/s,探種角度45°、彈簧最大作用力12 N,此時(shí)漏播指數(shù)為3.4%,合格指數(shù)為94.5%,達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在該最優(yōu)參數(shù)組合下與傳統(tǒng)滾筒式播種裝置進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),結(jié)果表明配有該裝置的滾筒式播種裝置,漏播指數(shù)降低了3.9%,合格指數(shù)提高了4.8%,對(duì)降低漏播提高播種質(zhì)量具有較大意義。