侯加林 黃圣海 牛子孺 吳彥強(qiáng) 李天華

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018)

0 引言

我國(guó)是世界上大蒜種植面積最大的國(guó)家，據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年大蒜種植面積達(dá)37.9～40.5萬(wàn)hm2[1]。目前我國(guó)大蒜生產(chǎn)仍以人工為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高，現(xiàn)有的大蒜生產(chǎn)機(jī)械存在無(wú)法滿足農(nóng)藝要求、作業(yè)效果不佳等缺點(diǎn)，播種后鱗芽正頭率低，已經(jīng)成為制約大蒜機(jī)械化直立播種的關(guān)鍵因素[2-10]。

離散元技術(shù)可有效分析顆粒狀物質(zhì)的動(dòng)力學(xué)行為，在多個(gè)領(lǐng)域已廣泛運(yùn)用[11]。在播種機(jī)械中采用離散元技術(shù)，對(duì)玉米排種以及玉米顆粒參數(shù)標(biāo)定進(jìn)行模擬仿真，分析其影響因素，所獲得的仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致[12-14]。在施肥機(jī)械中利用離散元技術(shù)對(duì)施肥裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行關(guān)鍵影響因素分析以及參數(shù)優(yōu)化，仿真與驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果相吻合[15-16]。在物料輸送機(jī)械中采用離散元技術(shù)對(duì)輸送機(jī)械性能的影響因素進(jìn)行分析，以及對(duì)輸送機(jī)械參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[17-18]。另外在物料篩分、食品加工機(jī)械中，對(duì)多組分混合物的篩選以及粘結(jié)模型的破碎過程進(jìn)行仿真，分析工作過程中物料的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，及影響其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的主要因素[19-21]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒜種鱗芽正頭的研究以結(jié)構(gòu)創(chuàng)新居多，對(duì)影響鱗芽正頭率的主要因素研究較少[22]。本文以蒼山大蒜為研究對(duì)象，采用離散元技術(shù)分析大蒜在雙鴨嘴大蒜正頭裝置內(nèi)的調(diào)頭過程，著重研究蒜種運(yùn)動(dòng)軌跡及在運(yùn)動(dòng)中特定點(diǎn)蒜種姿態(tài)的變化，得到影響鱗芽正頭率的主要因素，通過室內(nèi)試驗(yàn)及大田試驗(yàn)驗(yàn)證上述分析的正確性，為大蒜播種機(jī)械正頭部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化，提供一種新的研究手段。

1 雙鴨嘴式大蒜播種機(jī)基本結(jié)構(gòu)

雙鴨嘴式大蒜播種機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)架、種箱、排種裝置、插播裝置、圓盤耙、傳動(dòng)系統(tǒng)、壓平輥及地輪組成。采用懸掛式結(jié)構(gòu)與拖拉機(jī)配套，播種時(shí)一次性完成整地、排種、插播、覆土鎮(zhèn)壓等多道工序。

圖1 雙鴨嘴式大蒜播種機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of garlic planter with two duckbill devices1.種箱 2.排種裝置 3.工具箱 4.耕深調(diào)節(jié)器 5.地輪 6.插播裝置 7.壓平輥 8.傳動(dòng)系統(tǒng) 9.車輪護(hù)罩 10.機(jī)架 11.圓盤耙 12.耙深調(diào)節(jié)器 13.左支撐板 14.種箱轉(zhuǎn)軸軸承座 15.排種器轉(zhuǎn)軸軸承座

播種作業(yè)時(shí)大蒜播種機(jī)在拖拉機(jī)的帶動(dòng)下前進(jìn)，圓盤耙在播種機(jī)的最前方將地面整平，并將雜草切割，防止雜草纏繞插播鴨嘴。地輪與地面摩擦輸出動(dòng)力至主軸，再經(jīng)調(diào)速機(jī)構(gòu)將動(dòng)力分別傳遞至調(diào)向齒輪與插播裝置，調(diào)向齒輪改變轉(zhuǎn)向后將動(dòng)力傳遞至種箱與排種器，如圖2(圖中i表示傳動(dòng)比)所示。排種器上的取種指夾轉(zhuǎn)動(dòng)至種箱時(shí)打開并夾住一粒大蒜，實(shí)現(xiàn)單粒取種；隨著排種盤的旋轉(zhuǎn)，單粒蒜種轉(zhuǎn)到接種鴨嘴上方時(shí)取種指夾打開，大蒜落入雙鴨嘴調(diào)頭裝置中的接種鴨嘴；隨后雙鴨嘴調(diào)頭裝置中的插播鴨嘴將接種鴨嘴打開，大蒜在重力的作用下落入插播鴨嘴，并在此過程中實(shí)現(xiàn)正頭，即實(shí)現(xiàn)鱗芽向上的種植農(nóng)藝要求，插播鴨嘴隨插播裝置轉(zhuǎn)動(dòng)并將大蒜插進(jìn)土壤；播種后的地面由壓平輥壓實(shí)，整個(gè)種植過程完成。

圖2 雙鴨嘴式大蒜播種機(jī)傳動(dòng)原理圖Fig.2 Transmission schematic of garlic planter with two duckbill devices1.種箱 2.排種器 3.插播裝置 4.調(diào)向齒輪 5.調(diào)速機(jī)構(gòu) 6.地輪

2 雙鴨嘴式正頭裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 調(diào)頭裝置結(jié)構(gòu)

雙鴨嘴式調(diào)頭裝置是播種機(jī)的關(guān)鍵部件，該裝置能夠?qū)⒋笏庠谥踩胪寥乐皩⑵湔{(diào)至鱗芽向上，從而滿足大蒜種植時(shí)農(nóng)藝要求。該調(diào)頭裝置主要由接種鴨嘴與插播鴨嘴組合構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中接種鴨嘴包括長(zhǎng)接種鴨嘴與短接種鴨嘴，二者各自通過連接軸安裝在接種鴨嘴支架的軸孔上，并用復(fù)位彈簧將二者閉合。插播鴨嘴包括插播鴨嘴支架、前插播鴨嘴、后插播鴨嘴；前插播鴨嘴與后插播鴨嘴分別與插播支架鉸接，并用復(fù)位彈簧將二者閉合。

圖3 調(diào)頭裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of adjusting mechanism1.前插播鴨嘴 2.后插播鴨嘴 3.驅(qū)動(dòng)擋塊 4.長(zhǎng)接種鴨嘴 5、13.連接軸 6.接種鴨嘴驅(qū)動(dòng)臂 7.復(fù)位彈簧 8.短接種鴨嘴 9.大蒜 10.插播鴨嘴支架 11.軸銷 12.插播鴨嘴驅(qū)動(dòng)臂

圖4 蒜種運(yùn)動(dòng)過程受力圖Fig.4 Force analysis diagrams of garlic in process of movement

播種作業(yè)時(shí)，插播鴨嘴組合隨轉(zhuǎn)盤做圓周運(yùn)動(dòng)，插播鴨嘴支架與長(zhǎng)接種鴨嘴的驅(qū)動(dòng)擋塊碰撞并推動(dòng)長(zhǎng)接種鴨嘴運(yùn)動(dòng)，此時(shí)在接種鴨嘴驅(qū)動(dòng)臂的作用下，短接種鴨嘴以軸銷為中心反方向運(yùn)動(dòng)，鴨嘴打開；此時(shí)，接種鴨嘴內(nèi)的大蒜，若其鱗芽朝下，如圖3所示，鱗芽就被擋塊與插播鴨嘴支架夾住，由于大蒜重心在上部，大蒜會(huì)以鱗芽為中心旋轉(zhuǎn)180°左右，接著落入插播鴨嘴組合內(nèi)，完成正頭；相反，若大蒜鱗芽向上，由于重心在下，大蒜會(huì)落入插播鴨嘴后，鱗芽依舊朝上。

2.2 調(diào)頭裝置工作原理

下面對(duì)雙鴨嘴式調(diào)頭裝置調(diào)頭過程中關(guān)鍵時(shí)刻進(jìn)行力學(xué)分析。對(duì)于大蒜落入接種鴨嘴后鱗芽向下時(shí)，大蒜在調(diào)頭裝置中的調(diào)頭過程分為3種狀態(tài)，如圖4所示。

狀態(tài)1為蒜種在接種鴨嘴中靜止，如圖4a所示，此時(shí)蒜種受力平衡，即

(1)

(2)

式中FN1——短接種鴨嘴對(duì)大蒜支持力，N

FN2——長(zhǎng)接種鴨嘴對(duì)大蒜支持力，N

θ——支持力FN1與FN2之間的夾角，(°)

G——大蒜重力，N

狀態(tài)2時(shí)，蒜種處于緩慢旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，接種鴨嘴在插播鴨嘴推動(dòng)力的作用下打開，如圖4b所示，蒜種鱗芽尖部受長(zhǎng)接種鴨嘴的驅(qū)動(dòng)擋塊與插播鴨嘴的推力F夾持，由于鱗芽尖部具有一定的韌性，可認(rèn)為蒜種繞鱗芽旋轉(zhuǎn), 即繞蒜種矩心O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，蒜種受到自身重力G向下的轉(zhuǎn)矩和短接種鴨嘴的支持力FN1、摩擦力Ff的阻力矩。由圖4b可計(jì)算出蒜種繞O點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩

MO=GHcosα-FN1L1-FfL2

(3)

式中Ff——蒜種與短接種鴨嘴之間摩擦力

L1——支持力FN1的力臂，mm

L2——摩擦力Ff的力臂,mm

H——蒜種重心到鱗芽尖部的距離，mm

α——蒜種重心與O點(diǎn)的連線和水平面夾角，(°)

狀態(tài)3時(shí)，蒜種處于快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，短接種鴨嘴與蒜種脫離，阻力矩消失，且角α越來(lái)越小，力臂越來(lái)越大，蒜種在自身重力的作用下快速旋轉(zhuǎn)，如圖4c所示。當(dāng)蒜種脫離接種鴨嘴后在慣性的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，完成調(diào)頭。

MO=GHcosα

(4)

由式(3)、(4)可知，重心到鱗芽的距離H越大其轉(zhuǎn)矩MO越大，蒜種調(diào)頭效果越好，即蒜種重心越靠近蒜種底部，其調(diào)頭效果越好。

3 調(diào)頭過程EDEM虛擬仿真與分析

雙鴨嘴式調(diào)頭裝置在調(diào)頭的工作過程中與大蒜發(fā)生多次干涉碰撞，大蒜的運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜，無(wú)法完全通過試驗(yàn)或者理論計(jì)算來(lái)分析大蒜的運(yùn)動(dòng)過程，研究其調(diào)頭機(jī)理。本研究選用離散元數(shù)值模擬仿真軟件(EDEM)研究大蒜調(diào)頭過程的動(dòng)力學(xué)規(guī)律。

3.1 雙鴨嘴式調(diào)頭裝置最大作業(yè)速度計(jì)算

大蒜插播效率由調(diào)頭裝置的工作效率決定，而調(diào)頭裝置的工作效率由插播裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度決定。大蒜從接種鴨嘴到插播鴨嘴組合的運(yùn)動(dòng)過程為：從排種器落入接種鴨嘴，經(jīng)過反彈后穩(wěn)定，當(dāng)接種鴨嘴被插播鴨嘴組合打開后，大蒜做自由落體運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示。

圖5 大蒜正頭運(yùn)動(dòng)過程圖Fig.5 Moving process of adjusting garlic upwards

插播鴨嘴在t1時(shí)刻從位置1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過時(shí)間Δt后到達(dá)位置2，此時(shí)，時(shí)間為t2，旋轉(zhuǎn)角度為β；在此過程中大蒜從接種鴨嘴落入到插播鴨嘴中，忽略機(jī)具與大蒜的整體移動(dòng)，若要滿足大蒜落入插播鴨嘴，則接種鴨嘴水平方向上的位移必須小于x。

(5)

(6)

h=h1+h2

(7)

(8)

β=ωΔt

(9)

(10)

式中r——圓盤半徑,mm

ω——圓盤角速度,rad/s

由式(5)～(10)可解得

即為插播裝置最大角速度。

3.2 接種鴨嘴關(guān)鍵部位設(shè)計(jì)

大蒜調(diào)頭機(jī)構(gòu)中最重要的是接種鴨嘴的設(shè)計(jì)，調(diào)頭工作的正常進(jìn)行必須滿足以下條件：①保證大蒜鱗芽豎直向上或向下。②當(dāng)鱗芽向下時(shí)，保證鱗芽能夠伸出接種鴨嘴。③鱗芽向上時(shí)，當(dāng)插播支架與長(zhǎng)接種鴨嘴驅(qū)動(dòng)擋塊相接觸時(shí)，為保證大蒜能夠豎直下落，插播支架不得與大蒜根部相接觸。以上功能主要通過設(shè)計(jì)一對(duì)錐形仿形接種鴨嘴實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 接種鴨嘴結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagrams of duckbill device for catching garlics1.轉(zhuǎn)軸 2.彈簧座 3.擴(kuò)容區(qū) 4.仿形區(qū) 5.驅(qū)動(dòng)擋塊 6.驅(qū)動(dòng)臂 7.驅(qū)動(dòng)臂擋塊

長(zhǎng)接種鴨嘴分為轉(zhuǎn)軸、彈簧座、擴(kuò)容區(qū)、仿形區(qū)、驅(qū)動(dòng)擋塊、驅(qū)動(dòng)臂、驅(qū)動(dòng)臂擋塊。長(zhǎng)接種鴨嘴去除驅(qū)動(dòng)擋塊后即為短接種鴨嘴。短接種鴨嘴與長(zhǎng)接種鴨嘴對(duì)稱分布，共同組成一個(gè)錐形接種鴨嘴。

每對(duì)接種鴨嘴的仿形區(qū)以圖7中A型所示結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并設(shè)計(jì)B型和C型兩種不同的形狀結(jié)構(gòu)以優(yōu)化錐形鴨嘴，從而更好地滿足條件②、③。A型為圓錐形基準(zhǔn)鴨嘴，B型鴨嘴是將開口角度隨高度增加不斷增大，C型是仿照大蒜形狀設(shè)計(jì)。

文字是承載和傳播文化的符號(hào)，是人類話語(yǔ)生產(chǎn)和精神生產(chǎn)的工具和產(chǎn)品。透過每一個(gè)字及其所組成的詞語(yǔ)的形聲義的演變以及人們對(duì)這種演變所做的闡釋，我們可以了解文字所承載和傳播的文化的具體內(nèi)涵、獨(dú)特特征、變化發(fā)展。因此，我們選取了一些中華文化關(guān)鍵字，對(duì)其進(jìn)行文字和詞語(yǔ)的詮釋，以期從側(cè)面理解和闡釋中華文化。本篇論文以“中”字為例進(jìn)行相關(guān)論述。

圖7 不同類型的接種鴨嘴仿形區(qū)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Profiling structure diagrams of different kinds of duckbill devices for catching garlics

3.3 大蒜顆粒EDEM仿真模型的建立

本研究選用山東省蒼山大蒜，由于大蒜外形的不規(guī)則特征，首先要對(duì)大蒜進(jìn)行分類以便對(duì)大蒜建模仿真。根據(jù)對(duì)大蒜種子調(diào)研分析，對(duì)500粒種子樣本進(jìn)行測(cè)量，按照?qǐng)D8所示的大蒜長(zhǎng)、寬、厚以及鱗芽的尺寸規(guī)格，將大蒜分為3個(gè)等級(jí)，并計(jì)算了各類大蒜在樣本中所占比例，結(jié)果見表1。

圖8 大蒜結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Structure diagram of garlic

等級(jí)蒜體長(zhǎng)度區(qū)間/mm蒜體寬度區(qū)間/mm蒜體厚度區(qū)間/mm鱗芽長(zhǎng)度區(qū)間/mm比例/%Ⅰ34.6～39.634.6～39.620.5～25.516.4～20.434Ⅱ29.6～34.616.0～20.015.5～20.512.4～16.435Ⅲ24.6～29.612.0～16.010.5～15.58.4～12.431

取每個(gè)等級(jí)中長(zhǎng)、寬、厚的平均值在三維建模軟件中建立大蒜的三維模型，共建立3級(jí)大蒜模型，并將3個(gè)模型轉(zhuǎn)換為x_t格式導(dǎo)入EDEM軟件中，用球形顆粒填充。圖9為各類型大蒜實(shí)物圖與EDEM軟件仿真模型對(duì)比圖。

圖9 大蒜實(shí)物與EDEM模型Fig.9 Objects of garlic and models by EDEM

應(yīng)用三維建模軟件對(duì)大蒜調(diào)頭機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，為了減少EDEM仿真模擬時(shí)間，將與大蒜運(yùn)動(dòng)過程中不發(fā)生接觸的部件去除，將調(diào)頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為接種支架、接種鴨嘴、插播支架、插播鴨嘴、行星齒輪托架、中間傳動(dòng)軸、3根六角傳動(dòng)軸等。將建立好的模型轉(zhuǎn)換為x_t格式導(dǎo)入EDEM軟件中，如圖10所示。

圖10 鴨嘴式大蒜調(diào)頭機(jī)構(gòu)仿真模型Fig.10 Simulation model of adjusting mechanism1.插播支架 2.插播鴨嘴 3.中間傳動(dòng)軸 4.六角傳動(dòng)軸 5.行星齒輪托架 6.接種鴨嘴 7.接種支架 8.顆粒工廠

根據(jù)調(diào)頭機(jī)構(gòu)所用材料，將接種鴨嘴、接種支架、插播鴨嘴、插播支架設(shè)置為有機(jī)玻璃，將中間傳動(dòng)軸、六角傳動(dòng)軸、行星齒輪支架統(tǒng)一設(shè)置為45號(hào)鋼。由于調(diào)頭機(jī)構(gòu)調(diào)頭時(shí)是單粒蒜種，不存在大蒜顆粒間接觸，因此大蒜間接觸參數(shù)在此處略去。大蒜顆粒、有機(jī)玻璃的物性參數(shù)及接觸參數(shù)如表2所示。

表2 大蒜調(diào)頭仿真參數(shù)Tab.2 Simulation parameters of adjusting garlics upwards

3.4 大蒜顆粒EDEM仿真

根據(jù)雙鴨嘴式調(diào)頭裝置最大作業(yè)速度計(jì)算公式計(jì)算后，設(shè)置行星齒輪盤工作轉(zhuǎn)速分別為10、15、20、25 r/min，共12組虛擬仿真，顆粒工廠設(shè)置在接種鴨嘴的上方，每次生成一粒大蒜，生成速度分別為1、1.5、2、2.5粒/s，每組鴨嘴不同速度共下落300粒大蒜，每種類型的大蒜按照表1所示比例，分別設(shè)置：Ⅰ級(jí)102粒、Ⅱ級(jí)105粒、Ⅲ級(jí)93粒。設(shè)置大蒜下落初速度為200 mm/s，方向向下，角速度為0 rad/s；大蒜鱗芽朝向設(shè)置為隨機(jī)，時(shí)間步長(zhǎng)為5.2×10-6s。圖11為大蒜仿真過程圖，其中圖11a、11b、11c為大蒜鱗芽豎直向上時(shí)仿真過程，圖11d、11e、11f為大蒜鱗芽豎直向下時(shí)仿真過程，該過程與上述原理分析一致。

圖11 鴨嘴式大蒜調(diào)頭機(jī)構(gòu)仿真過程Fig.11 Simulation process of adjusting mechanism

圖12 大蒜軌跡圖Fig.12 Movement trajectory of garlic

如圖12所示，以不同狀態(tài)下的大蒜為研究對(duì)象對(duì)大蒜的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，設(shè)置其以流線型顯示，圖中彩色流線表示被跟蹤大蒜顆粒質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡。圖12a為大蒜鱗芽向上時(shí)，大蒜從顆粒工廠豎直下落至接種鴨嘴與接種鴨嘴發(fā)生碰撞后改變運(yùn)動(dòng)軌跡，隨后落至接種鴨嘴底端并經(jīng)過短暫的輕微振蕩后靜止，在大蒜振蕩后插播鴨嘴支架將接種鴨嘴打開，大蒜下落至插播鴨嘴，圖中箭頭方向?yàn)榇笏膺\(yùn)動(dòng)方向。圖12b為大蒜下落至接種鴨嘴底端后鱗芽朝下，大蒜質(zhì)心以鱗芽為中心旋轉(zhuǎn)約180°后落入插播鴨嘴，可觀察到接種鴨嘴底部有一半圓形軌跡，圖中箭頭方向?yàn)榇笏膺\(yùn)動(dòng)方向。圖12c為鱗芽朝下時(shí)大蒜調(diào)頭失敗，大蒜在接種鴨嘴底部穩(wěn)定后，在插播鴨嘴支架的碰撞下向上運(yùn)動(dòng)，接著自由下落，圖中箭頭方向?yàn)榇笏膺\(yùn)動(dòng)方向。圖12d為大蒜在接種鴨嘴底部繞鱗芽轉(zhuǎn)動(dòng)的軌跡放大圖，箭頭方向代表大蒜質(zhì)心運(yùn)動(dòng)到該位置時(shí)鱗芽朝向。

3.5 仿真結(jié)果與分析

在仿真過程中發(fā)現(xiàn)4個(gè)影響大蒜鱗芽正頭率的因素：接種鴨嘴形狀；大蒜重心位置；插播裝置轉(zhuǎn)動(dòng)速度；二次彈跳。

3.5.1EDEM仿真受力校核

在EDEM中對(duì)仿真過程中3種狀態(tài)所受力的大小進(jìn)行測(cè)量，并將EDEM中所測(cè)數(shù)據(jù)(表3)，代入公式(1)～(4)中。由表3可知，將重力G與支持力FN1、支持力FN2代入公式(1)、(2)后，公式兩邊相等；式(3)代入數(shù)據(jù)后MO=1.323 N·mm，大于0，蒜種處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)；公式(4)代入數(shù)據(jù)得MO=2.207 N·mm，力矩大于0，且大于狀態(tài)2時(shí)的力矩；從力學(xué)的角度上說(shuō)明了用EDEM仿真是可信的。

表3 蒜種受力仿真結(jié)果Tab.3 Value of force simulations of garlics

3.5.2總體樣本分析

圖13為300粒大蒜在插播轉(zhuǎn)盤工作速度分別為10、15、20、25 r/min時(shí)，圖7中A、B、C型接種鴨嘴的鱗芽正頭率變化曲線。

圖13 3種接種鴨嘴總體鱗芽正頭率變化曲線Fig.13 Variation curves of rate of garlic bulbil with upward direction for three kinds of mechanisms

由圖13可知，隨速度從10 r/min到25 r/min不斷增加，A、B、C型接種鴨嘴的鱗芽正頭率不斷降低，在10～15 r/min之間3種接種鴨嘴的鱗芽正頭率下降緩慢，在20～25 r/min之間下降迅速，說(shuō)明轉(zhuǎn)速影響大蒜鱗芽正頭率。在調(diào)頭裝置相同轉(zhuǎn)速下，C型接種鴨嘴的鱗芽正頭率最高，B型接種鴨嘴的鱗芽正頭率最低，說(shuō)明接種鴨嘴的形狀是影響大蒜鱗芽正頭率的因素之一。

3.5.3對(duì)不同級(jí)別蒜種樣本分析

圖14 3種接種鴨嘴鱗芽正頭率變化曲線Fig.14 Variation curves of three kinds of duckbill devices adjusting garlics upwards respectively

圖14為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3種級(jí)別的大蒜以及總樣本的鱗芽正頭率隨工作轉(zhuǎn)速的變化曲線。由圖14可知，Ⅰ、Ⅲ兩種級(jí)別的大蒜在同種接種鴨嘴中的鱗芽正頭率相近，Ⅱ級(jí)大蒜鱗芽正頭率較低，由表1可知，Ⅱ級(jí)大蒜的尺寸在Ⅰ、Ⅲ兩種類型之間，說(shuō)明在同種接種鴨嘴中大蒜的尺寸與鱗芽正頭率無(wú)關(guān)。對(duì)比圖9中3種大蒜外形發(fā)現(xiàn)Ⅱ級(jí)大蒜的中心靠近鱗芽，Ⅰ、Ⅲ兩種級(jí)別的大蒜中心遠(yuǎn)離鱗芽，可知重心位置是影響大蒜鱗芽正頭率的一個(gè)因素。

3.5.4對(duì)大蒜二次彈跳現(xiàn)象分析

根據(jù)圖14數(shù)據(jù)走向可知20～25 r/min之間鱗芽正頭率下降較快，對(duì)各個(gè)大蒜的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，速度為20 r/min與25 r/min時(shí)存在大蒜二次反彈而導(dǎo)致大蒜調(diào)頭失敗，如圖12c所示。對(duì)A、B、C 3種接種鴨嘴發(fā)生二次彈跳而導(dǎo)致大蒜調(diào)頭失敗的比率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖15所示，B型鴨嘴發(fā)生二次反彈的比率最高，C型鴨嘴最低；在速度20 r/min之前C型接種鴨嘴不會(huì)因二次彈跳而導(dǎo)致調(diào)頭失敗，可以確定二次彈跳對(duì)C型接種鴨嘴影響較小。

圖15 3種接種鴨嘴二次彈跳率變化曲線Fig.15 Variation curves of the secondary bounce rate for three kinds of mechanisms

3.5.5大蒜正頭率影響因素分析

由以上分析可知：①影響鱗芽正頭率的主要因素為插播鴨嘴工作轉(zhuǎn)速、蒜種重心位置、鴨嘴類型，而蒜種大小對(duì)鱗芽正頭率基本無(wú)影響。其中C型接種鴨嘴鱗芽正頭率最高，且工作轉(zhuǎn)速越高，蒜種重心位置越靠近鱗芽，正頭率越低。②工作轉(zhuǎn)速提高引起的蒜種二次彈跳會(huì)進(jìn)一步降低正頭率，且轉(zhuǎn)速越高二次彈跳率越高，正頭率越低。在插播鴨嘴工作速度低于20 r/min時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)蒜種的二次彈跳現(xiàn)象，當(dāng)插播鴨嘴工作轉(zhuǎn)速大于20 r/min，開始出現(xiàn)二次彈跳現(xiàn)象。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 室內(nèi)試驗(yàn)

試制了試驗(yàn)樣機(jī)，在室內(nèi)進(jìn)行播種試驗(yàn)，如圖16所示，對(duì)3種接種鴨嘴在10、15、20、25 r/min的4種不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行試驗(yàn)，樣機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)速度分別為0.72、1.08、1.44、1.8 km/h，每種試驗(yàn)采集300粒蒜種，重復(fù)3次，取平均值。采用高速攝像機(jī)提取了播種過程蒜種運(yùn)動(dòng)過程，并記錄因二次彈跳導(dǎo)致調(diào)頭失敗的大蒜數(shù)目。

圖16 調(diào)頭裝置試驗(yàn)臺(tái)與播種效果Fig.16 Test bed of adjusting mechanism and seeding effect1.移動(dòng)電源 2.排種裝置 3.接種鴨嘴 4.插播裝置 5.土槽 6.絞盤

4.1.1大蒜調(diào)頭過程

圖17為用高速攝像機(jī)記錄的大蒜調(diào)頭運(yùn)動(dòng)過程，其中圖17a、17b、17c為大蒜鱗芽豎直向下時(shí)工作過程，圖17d、17e、17f為大蒜鱗芽豎直向上時(shí)工作過程。為便于觀察將大蒜鱗芽染成紅色，圖17中所示的試驗(yàn)調(diào)頭過程與圖12中仿真調(diào)頭過程一致，說(shuō)明離散元技術(shù)可以很好地模擬此過程。

圖17 大蒜調(diào)頭工作過程Fig.17 Process of mechanism adjusting garlic

4.1.2重心位置分析

為探究重心位置對(duì)大蒜調(diào)頭的影響，隨機(jī)選取300粒大蒜對(duì)其進(jìn)行水浴試驗(yàn)，即將蒜種放進(jìn)鹽水中，鱗芽向下者其重心位置靠近鱗芽。對(duì)300粒大蒜統(tǒng)計(jì)，重心靠近蒜種鱗芽的數(shù)量為16粒，占總體樣本的5.3%。挑選出100粒重心靠近鱗芽的大蒜和100粒重心靠近蒜種底部的大蒜，選用C型鴨嘴在插播鴨嘴轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)對(duì)其做單因素試驗(yàn)，重復(fù)3次，取其平均值。試驗(yàn)結(jié)果為，重心靠近鱗芽的大蒜調(diào)頭率為93.33%，重心靠近蒜種底部的大蒜調(diào)頭率為95.67%，兩者相差2.34個(gè)百分點(diǎn)，但因蒜種重心位置靠近鱗芽的大蒜在總體樣本中所占比例為5.3%，所以重心位置對(duì)總體蒜種調(diào)頭率影響不顯著。

4.1.3室內(nèi)試驗(yàn)分析

圖18為3種接種鴨嘴仿真與試驗(yàn)鱗芽正頭率隨調(diào)頭裝置工作轉(zhuǎn)速變化的曲線。大蒜鱗芽正頭率隨裝置工作轉(zhuǎn)速的增加而減小，且下降速度越來(lái)越大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致，最大誤差為2.66%，證明了用EDEM軟件對(duì)大蒜調(diào)頭仿真的可行性。

圖18 3種接種鴨嘴仿真與室內(nèi)試驗(yàn)正頭率變化曲線Fig.18 Simulation and laboratory experiment variation curves of garlic upwards by three kinds of mechanisms

為探究工作轉(zhuǎn)速與接種鴨嘴類型對(duì)大蒜正頭率影響的顯著性，以及確定二者最優(yōu)組合，對(duì)上述室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素試驗(yàn)的極差與方差分析。以工作速度與鴨嘴類型兩因素進(jìn)行分析，對(duì)插播裝置的工作轉(zhuǎn)速選取正頭率較高的10、15、20 r/min進(jìn)行分析，接種鴨嘴的3水平分別為A、B、C型接種鴨嘴，其試驗(yàn)因素水平如表4所示。

表4 試驗(yàn)因素水平Tab.4 Factors and levels of experiments

試驗(yàn)方案及結(jié)果見表5，A、B為工作轉(zhuǎn)速和鴨嘴類型的水平值，由表可知，因素A的極差R為6.89，因素B的極差R為5.90，即RA>RB，因此，對(duì)鱗芽正頭率影響程度由大到小為：工作速度、鴨嘴類型；以鱗芽正頭率最高為最優(yōu)指標(biāo)，最優(yōu)的因素水平組合為：工作轉(zhuǎn)速為10 r/min，鴨嘴類型為C型，即A1B3。

表5 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.5 Design and results of experiment

利用方差分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見表6，由表可知，因素A的P值為0.019(小于0.05)，因素B的P值為0.037(小于0.05)，因此工作速度與鴨嘴類型對(duì)鱗芽正頭率均有顯著影響。另外，從上述數(shù)據(jù)中可知，在A、B、C 3種鴨嘴中，選用C型鴨嘴時(shí)，調(diào)頭率最高；確定選用C型鴨嘴，當(dāng)工作速度分別為10、15、20 r/min時(shí)，正頭率分別為97.11%、96.45%、95.67%，可滿足農(nóng)藝要求；由單因素試驗(yàn)結(jié)果(圖18)可知，選用C型鴨嘴、工作速度為25 r/min時(shí)，正頭率為93.55%，正頭率相對(duì)較低；因此，為提高工作效率，同時(shí)滿足農(nóng)藝要求，最優(yōu)組合應(yīng)選為：工作轉(zhuǎn)速為20 r/min，鴨嘴類型為C型，即A3B3。

表6 正頭率方差分析Tab.6 ANOVA of rate of garlics upwards

4.1.4二次彈跳分析

圖19為仿真與室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)大蒜發(fā)生二次彈跳的比率。二次彈跳率隨調(diào)頭裝置工作速度的增加而增加，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)一致。

圖19 3種接種鴨嘴仿真與室內(nèi)試驗(yàn)二次彈跳率變化曲線Fig.19 Variation curves of the secondary bounce rates of garlics by simulation and laboratory experiment for three kinds of mechanisms

4.2 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定試驗(yàn)效果，對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)中調(diào)頭率較高的C型接種鴨嘴進(jìn)行田間試驗(yàn)。于2018年3月在山東省泰安市山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜試驗(yàn)基地進(jìn)行了試驗(yàn)，土壤類型為壤土，面積約0.5 hm2，對(duì)地塊進(jìn)行旋耕處理。選用本團(tuán)隊(duì)試制的大田樣機(jī)，配套動(dòng)力為輪式拖拉機(jī)，采用三點(diǎn)懸掛的掛接方式牽引播種機(jī)，如圖20所示。拖拉機(jī)作業(yè)速度分別為0.72、1.08、1.44、1.8 km/h，以對(duì)應(yīng)插播裝置工作速度10、15、20、25 r/min。每種作業(yè)速度下采集蒜種樣本300粒，統(tǒng)計(jì)C型接種鴨嘴在工作轉(zhuǎn)速為10、15、20、25 r/min時(shí)，蒜種正頭率分別為95.67%、95.33%、

93.67%、89.33%，可知C型接種鴨嘴的正頭率隨工作轉(zhuǎn)速的增大而降低，與仿真和室內(nèi)試驗(yàn)變化趨勢(shì)一致。田間試驗(yàn)正頭率低于室內(nèi)試驗(yàn)與仿真，最大誤差為5%，原因可能是田間工作時(shí)地勢(shì)復(fù)雜，且插播鴨嘴與地面接觸時(shí)蒜種會(huì)與土壤發(fā)生干涉，影響正頭率。在預(yù)試驗(yàn)中，B型接種鴨嘴在3種接種鴨嘴中正頭率最低，在10 r/min的工況下進(jìn)行田間試驗(yàn)，鱗芽正頭率最高，為91%，C型鴨嘴與B型鴨嘴相比提高了4.67個(gè)百分點(diǎn)，說(shuō)明鴨嘴優(yōu)化是可行的。

圖20 播種機(jī)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)Fig.20 Operation diagram of seeder

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用離散元方法建立了雙鴨嘴式大蒜正頭機(jī)構(gòu)播種動(dòng)力學(xué)模型，分析了蒜種在3種不同類型正頭機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律并進(jìn)行了試驗(yàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)基本一致，試驗(yàn)正頭率與仿真正頭率誤差在5%以內(nèi)，證明了離散元方法分析蒜種運(yùn)動(dòng)規(guī)律是可行的。

(2)田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，選用C型鴨嘴、作業(yè)速度在0.72～1.8 km/h之間時(shí)，大蒜鱗芽正頭率為89.33%～95.67%，相比A、B型接種鴨嘴，C型接種鴨嘴正頭率較高，且最為穩(wěn)定。