內(nèi)充式三七精密排種器的設(shè)計(jì)

曾心玥，賴(lài)慶輝，趙瑾汶，謝觀福，韓曉娟

(昆明理工大學(xué) 農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院，云南 昆明 650500)

三七是我國(guó)名貴中藥材，市場(chǎng)需求大，但播種機(jī)械化程度低，缺少配套播種裝備，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化種植，制約了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，因此三七精密播種機(jī)械化問(wèn)題亟待解決[1-6]。在三七機(jī)械播種中，排種器是精密播種機(jī)的核心部件[7-11]。目前，三七播種機(jī)的排種器主要有窩眼輪式、氣力式和內(nèi)充式排種器等[12-14]，其中窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但存在傷種和多排作業(yè)情況下工作阻力大等問(wèn)題；氣力式排種器可以高速作業(yè)，工作效率高，但存在氣力損失、供氣不穩(wěn)定、成本高等問(wèn)題。內(nèi)充式排種器充分利用種子自身重力和離心力，更利于充種，為此國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)該排種器進(jìn)行了不同程度的研究。劉佳等[15]結(jié)合機(jī)械內(nèi)充排種器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和氣吹式排種器單粒留種原理，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充式玉米精密排種器；陳海濤等[16]針對(duì)大豆小區(qū)育種播種機(jī)清換種技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)清換種氣吹內(nèi)充式排種器；廖慶喜等[17]針對(duì)油菜籽輕導(dǎo)致機(jī)械排種易堵塞的問(wèn)題設(shè)計(jì)了一種氣吹內(nèi)充式油菜排種器。國(guó)內(nèi)研究的內(nèi)充式排種器大多為機(jī)械氣力組合式排種器，其排種性能好，可高速作業(yè)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配存在一定的難度。而周勇等[18]基于內(nèi)充式原理設(shè)計(jì)了一種容納式階梯狀充填孔棉花排種器，有效降低了種子破損率，減少了型孔堵塞問(wèn)題，但其型孔形狀復(fù)雜，不易加工，導(dǎo)致成本增加。為此，要解決機(jī)械內(nèi)充式排種器排種性能與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)間的矛盾，需引入新的理論設(shè)計(jì)方案。發(fā)明問(wèn)題解決理論(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch,TRIZ)是一種解決機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題的強(qiáng)有力方法，目前在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到了一些應(yīng)用。權(quán)龍哲等[19]運(yùn)用TRIZ理論設(shè)計(jì)了玉米根茬收獲系統(tǒng)，挖產(chǎn)推送機(jī)構(gòu)等得到創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。曹衛(wèi)彬等[20]利用TRIZ理論得出紅花絲最佳采摘方案，并對(duì)紅花絲盲采裝置的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。從現(xiàn)有的研究可知，TRIZ理論在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的運(yùn)用較少，尤其在排種器設(shè)計(jì)中的運(yùn)用非常罕見(jiàn)。

為此，本研究設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充式三七精密排種器，采用沖突解決原理解決機(jī)械內(nèi)充式排種器排種性能與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的矛盾,并設(shè)計(jì)關(guān)鍵部件，以降低設(shè)計(jì)成本，提高可靠性和排種性能，為三七播種機(jī)械化發(fā)展奠定基礎(chǔ)，并為T(mén)RIZ理論在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中的運(yùn)用提供理論依據(jù)。

1 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

三七內(nèi)充式精密排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。其整體結(jié)構(gòu)、型孔和凸包位置見(jiàn)圖1-A，主要由種箱、排種器外殼、清種片、擋種板、護(hù)種板、排種盤(pán)等組成。排種器的工作原理如圖1-B所示，由排種軸帶動(dòng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，種子靠重力從種箱落入排種盤(pán)中，并在種子擠壓力及離心力作用下充入型孔中，排種盤(pán)攜帶種子轉(zhuǎn)動(dòng)，并在頂部護(hù)種板作用下使種子做圓周運(yùn)動(dòng)，最后種子依靠重力及離心力離開(kāi)型孔，從而落入種穴中，完成排種作業(yè)過(guò)程。

2 排種器工作原理分析

2.1 充種過(guò)程原理分析

充種過(guò)程中，種子充入型孔后存在種間作用力，種子與種子緊密接觸在一起，形成種群。排種盤(pán)旋轉(zhuǎn)形成的離心力場(chǎng)和種子自身的重力場(chǎng)，難以有效實(shí)現(xiàn)種群中單粒種子的分離，且種群也會(huì)在一定程度上阻礙離心力場(chǎng)分離種群的單粒種子，使得排種器出現(xiàn)能量消耗大等問(wèn)題。攪動(dòng)場(chǎng)可以使種子由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)動(dòng)狀態(tài)，提高了種子流動(dòng)性，減小種間作用力及種群對(duì)離心場(chǎng)的阻礙作用，從而使充種合格率提高[21-22]。因此，本研究通過(guò)增加攪動(dòng)場(chǎng)的方式來(lái)提高排種器的充種性能。攪動(dòng)場(chǎng)的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)在排種盤(pán)上增加凸包、擾動(dòng)條、導(dǎo)種槽或添加振動(dòng)裝置、攪種輪來(lái)實(shí)現(xiàn)，本試驗(yàn)為降低機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，采用在排種盤(pán)上增加凸包的形式增加攪動(dòng)場(chǎng)。

如圖2所示，對(duì)型孔周?chē)姆N子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，無(wú)導(dǎo)種槽時(shí)，目標(biāo)種子充入型孔的相對(duì)速度Vr0和型孔直徑的關(guān)系為：

(1)

式中：A0為無(wú)導(dǎo)種槽時(shí)的型孔直徑，mm；H為種子種群厚度，mm；g為重力加速度，9.8 m/s2。

有導(dǎo)種槽時(shí)，目標(biāo)種子充入型孔的相對(duì)速度Vr和型孔直徑A的關(guān)系為：

(2)

式中：A1為導(dǎo)種槽長(zhǎng)度，mm。

由此可見(jiàn)，在相同尺寸的型孔下，有導(dǎo)種槽時(shí)的Vr較無(wú)導(dǎo)種槽型孔時(shí)的Vr0增大了A1(g/H)1/2，使得排種盤(pán)可以較高轉(zhuǎn)速工作，且當(dāng)排種盤(pán)速度一定時(shí)，有導(dǎo)種槽的型孔直徑較無(wú)導(dǎo)種槽的型孔直徑小，從而減小了種子與型孔的間隙，有利于型孔更加精準(zhǔn)地充入單粒種子并減少種子破損。

2.2 清種過(guò)程原理分析

清種過(guò)程中，型孔周?chē)姆N子依靠重力及種間力滑落，多余種子應(yīng)及時(shí)回落到種群中，否則會(huì)造成重播或種子破損[23]。清種過(guò)程的物-場(chǎng)模型如圖3所示，其中S1代表多粒三七種子，S2代表單粒三七種子，通過(guò)推力場(chǎng)(F1)和預(yù)先作用力場(chǎng)(F2)的作用將多粒三七種子(S1)與單粒三七種子(S2)分離開(kāi)來(lái)。考慮到清種裝置的可卸性、通用性及排種器的整體結(jié)構(gòu)，采用推力場(chǎng)和預(yù)先作用力場(chǎng)進(jìn)行清種。

目前，排種器多采用清種裝置進(jìn)行強(qiáng)制清種[24]，這種設(shè)計(jì)使得排種器結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，增加了排種器安裝和拆卸的難度，且會(huì)對(duì)種子造成一定的損傷,但僅僅依靠種子自身重力及種間力清種并不能改善一個(gè)型孔充入多粒種子的現(xiàn)象。為此，本研究選擇帶齒的柔性清種片清種，將其安裝在護(hù)種板始端，固定在排種器外殼上(圖4)，且預(yù)先作用力場(chǎng)由帶清種槽的型孔形成，這樣可以解決型孔多充現(xiàn)象且不造成種子因“回種”而破損，具有較好的自動(dòng)清種功能(圖5)。

2.3 投種過(guò)程原理分析

排種器僅依靠種子重力投種易導(dǎo)致投種位置不固定、卡種漏播等問(wèn)題，為避免這些問(wèn)題需借助外力場(chǎng)的作用，本研究通過(guò)預(yù)先增加離心力的方式，使種子沿預(yù)定軌跡落入種穴中。圖6為構(gòu)建的投種過(guò)程物-場(chǎng)模型，該模型通過(guò)重力場(chǎng)(F3)和離心力預(yù)作用場(chǎng)(F4)使得充種型孔(S3)的種子掉落，離開(kāi)型孔。通過(guò)增加離心力預(yù)作用場(chǎng)的方式，讓S3依靠重力及慣性轉(zhuǎn)化為空型孔(S4)，降低排種器的漏播率及種子損傷率，提高排種器的排種性能。離心力預(yù)作用場(chǎng)通過(guò)在型孔上增加投種槽的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 基于沖突解決原理的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

因排種盤(pán)是排種器中最為關(guān)鍵的部件，為此本研究主要對(duì)排種盤(pán)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1所示，型孔和凸包分布在排種盤(pán)上，故排種盤(pán)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括直徑、型孔數(shù)、凸包尺寸和型孔尺寸等。

3.1 排種盤(pán)直徑及型孔數(shù)

排種盤(pán)直徑是排種器基本結(jié)構(gòu)特征參數(shù)之一，決定著排種器及其他部件的結(jié)構(gòu)、尺寸，是影響充種、清種性能的重要部件。排種盤(pán)直徑一般取80～200 mm[25]，綜合考慮排種器整體結(jié)構(gòu)及部件分布，排種盤(pán)不宜過(guò)小，因此本研究最終選取排種盤(pán)的內(nèi)徑(d0)為180 mm，外徑(d1)為d0+B，其中B為型孔深度。株距、播種機(jī)作業(yè)速度、型孔數(shù)和排種盤(pán)轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系：

(3)

式中：Vm為播種機(jī)作業(yè)速度，m/s；S為株距，m；Z為型孔數(shù)；n為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min。

由式(3)可知，當(dāng)株距與播種機(jī)作業(yè)速度的比值為定值時(shí)，型孔數(shù)越多，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速越低，越有利于提高機(jī)械式排種器充種性能,且減小種子機(jī)械損傷。因此，在排種盤(pán)兩個(gè)相鄰型孔互不影響的前提下，應(yīng)盡可能多地布置型孔，忽略地輪滑移系數(shù)，根據(jù)排種盤(pán)直徑及播種機(jī)作業(yè)速度(一般為2.1 km/h)，則型孔數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足下式[26]：

(4)

式中：Dd為排種盤(pán)內(nèi)型孔中心對(duì)應(yīng)的圓周直徑，m；Vd為內(nèi)型孔中心處線(xiàn)速度，m/s。

由式(4)整理可得

(5)

根據(jù)三七種植的農(nóng)藝要求，其株距S=0.05 m。通過(guò)EDEM軟件對(duì)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn),選取排種盤(pán)轉(zhuǎn)速n為35.0 r/min。則由式(5)計(jì)算得型孔數(shù)為20。

3.2 凸包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排種盤(pán)工作時(shí)，當(dāng)株距、播種機(jī)作業(yè)速度一定時(shí)，型孔數(shù)越多，排種盤(pán)線(xiàn)速度越低，越有利于排種器充種。為保證相鄰型孔互不干擾，排種盤(pán)直徑應(yīng)設(shè)計(jì)較大，但排種盤(pán)直徑過(guò)大時(shí)，會(huì)加大排種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸，使得種子受到的種間阻力增加，導(dǎo)致排種盤(pán)充種過(guò)程中種子難以產(chǎn)生滑移和翻滾，造成排種盤(pán)功耗增加，這是作業(yè)性能與機(jī)構(gòu)功率消耗的矛盾?？蓪⑸鲜雒軟_突歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)物體的體積(排種盤(pán)整體結(jié)構(gòu))與整機(jī)功率消耗之間的矛盾，以及運(yùn)動(dòng)物體的體積與作用對(duì)象(種子)受到的阻力之間的矛盾。基于此，以運(yùn)動(dòng)物體的體積為改善參數(shù)，功率和應(yīng)力為惡化參數(shù)，在矛盾沖突矩陣中截取子矩陣[27]。對(duì)該子矩陣進(jìn)行分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有價(jià)值、實(shí)用且出現(xiàn)次數(shù)最多(2次)的創(chuàng)新發(fā)明原理是多功能原理，即通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體體積結(jié)構(gòu)參數(shù)的改善，使得系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)充種、攜種和投種的功能。因此，本研究在排種盤(pán)上設(shè)計(jì)凸包結(jié)構(gòu)，增加排種盤(pán)的攪種功能，使種群參數(shù)穩(wěn)定且連續(xù)波動(dòng)，從而提高充種效率。

圖7為凸包結(jié)構(gòu)示意圖。凸包分布在排種盤(pán)內(nèi)徑圓周上，該凸包是球體的部分曲面。為達(dá)到擾動(dòng)種群的目的，其高徑比需滿(mǎn)足一定條件，且摩擦角(δ)需大于種子與排種盤(pán)的靜摩擦角(φ)[28]，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得靜摩擦角φ為26.6°。因此，構(gòu)建的幾何關(guān)系方程如下：

(6)

式中：r為凸包基球半徑，mm；h為凸包高度，mm；d為凸包基座直徑，mm；ξ為凸包高徑比。

為保證凸包不攜種，凸包高度和基座直徑需分別不大于三七種子長(zhǎng)度(L)、寬度(W)的最小值，且凸包的基球半徑越大其對(duì)種群的擾動(dòng)性越強(qiáng)。經(jīng)多次測(cè)定表明，三七種子長(zhǎng)度、寬度的最小值分別為4.0和4.8 mm。因此確定凸包的基座直徑為4.6 mm，根據(jù)公式(6)確定凸包高徑比為0.24～0.50 mm。最終取凸包高徑比為0.43 mm，凸包個(gè)數(shù)與型孔個(gè)數(shù)相同。仿真試驗(yàn)表明，與錯(cuò)位分布相比，凸包與型孔同位分布時(shí)凸包對(duì)種子擾動(dòng)更優(yōu)，且凸包位于排種盤(pán)錐柱寬度(Lh)的中心線(xiàn)上時(shí)擾動(dòng)效果更好(圖8)。

3.3 型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

型孔附在排種盤(pán)上隨著排種盤(pán)一起運(yùn)動(dòng)，其大小直接影響著排種器排種性能的優(yōu)劣，型孔越大越有利于充種，但型孔增大會(huì)導(dǎo)致重播指數(shù)增加，而型孔越小，漏播指數(shù)會(huì)相應(yīng)增加?？蓪⑸鲜雒軟_突歸結(jié)為靜止物體的面積(型孔面積)與作用對(duì)象(三七種子)的適應(yīng)性沖突，以及靜止物體的面積與排種器生產(chǎn)率之間的矛盾。為此，以靜止物體的面積為改善參數(shù)，適應(yīng)性和生產(chǎn)率為惡化參數(shù)，在矛盾沖突矩陣[27]中截取子矩陣并進(jìn)行分析，結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)化原理、不足或超額行動(dòng)原理和預(yù)先作用原理為有價(jià)值的發(fā)明原理。動(dòng)態(tài)化原理將型孔設(shè)計(jì)成動(dòng)態(tài)型孔，其尺寸根據(jù)種子大小發(fā)生變化，該設(shè)計(jì)可以有效提高排種性能，但大大增加了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，不便于裝配，且設(shè)計(jì)成本增加。不足或超額行動(dòng)原理將型孔的尺寸適當(dāng)增大，能方便、有效地使每粒三七種子都能充入型孔中，防止出現(xiàn)漏播現(xiàn)象。預(yù)先作用原理在型孔充種面作導(dǎo)種、清種處理，使得種子在排種盤(pán)上以長(zhǎng)度方向充入型孔的幾率達(dá)到最高，并保證種子處在最穩(wěn)定的狀態(tài)，且在型孔投種面作投種槽處理，預(yù)先給種子一作用力，使種子沿倒角斜面垂直落入種穴，這種特殊形狀的型孔也可增加對(duì)種群的擾動(dòng)作用[29-30]。為此，根據(jù)不足或超額行動(dòng)原理和預(yù)先作用原理設(shè)計(jì)了一種帶導(dǎo)種槽和清種槽的異形圓柱型孔，并通過(guò)種子的長(zhǎng)度和厚度來(lái)設(shè)計(jì)型孔尺寸。綜合以上分析，設(shè)計(jì)的三七排種器排種盤(pán)上的型孔結(jié)構(gòu)如圖9所示。

為便于充種并考慮充種時(shí)種子受損最小，型孔尺寸應(yīng)滿(mǎn)足下式[28]：

(7)

式中：Lmax為三七種子長(zhǎng)度最大值，mm；A為型孔直徑，mm;Lmin為三七種子長(zhǎng)度最小值，mm；Hmax為三七種子厚度最大值，mm；B為型孔深度，mm；Hmin為三七種子厚度最小值，mm；B1為儲(chǔ)種深度，mm；A1為導(dǎo)種槽長(zhǎng)度，mm;θ1為導(dǎo)種槽傾角，(°)；φmax為三七種子最大自然休止角，(°)。

試驗(yàn)測(cè)得三七種子長(zhǎng)度和厚度的最大尺寸分別為7.2和6 mm，最小尺寸分別為5.2和4 mm，種子最大自然休止角為30.9°。當(dāng)導(dǎo)種槽傾角θ1大于45.0°時(shí)，導(dǎo)種槽長(zhǎng)度減小，不利于充種，故型孔直徑和深度的取值分別為7.2～10.4 mm和4.0～8.0 mm,導(dǎo)種槽傾角的取值為30.9°～45.0°。本研究選取型孔直徑為9.5 mm、深度為6.0 mm，通過(guò)單因素仿真試驗(yàn)選擇導(dǎo)種槽傾角為43.0°的異形圓柱型孔。由公式(7)計(jì)算得導(dǎo)種槽長(zhǎng)度和儲(chǔ)種深度分別為1.7和4.4 mm。

與上述結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，同時(shí)還設(shè)計(jì)了清種槽和投種槽。清種槽和導(dǎo)種槽的作用都是使種子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有預(yù)先作用力。為保證種子處在型孔中時(shí)有自動(dòng)清種能力，并在清種過(guò)程中使種子以最穩(wěn)定狀態(tài)滑出型孔，減少排種器對(duì)種子的損傷，本研究將清種槽與導(dǎo)種槽設(shè)計(jì)為相同尺寸。由上述導(dǎo)種槽尺寸計(jì)算得清種槽長(zhǎng)度為1.7 mm，清種槽傾角為43.0°。設(shè)計(jì)投種槽是為了使種子依靠重力與離心力的作用沿投種槽滑落，并在脫離排種器后垂直降落。故投種槽的幾何關(guān)系需滿(mǎn)足：

(8)

式中：A3為投種槽長(zhǎng)度，mm；θ3為投種槽傾角，(°)；B2為投種槽深度，mm。

由公式(7)、(8)計(jì)算得投種槽傾角和投種槽長(zhǎng)度取值分別為18.8°～51.6°和0～5.8 mm。本研究選取投種槽傾角為35°，因此由公式(8)計(jì)算得投種槽長(zhǎng)度為3.8 mm，投種槽深度為2.7 mm。

如圖10所示，對(duì)即將沿投種槽投種的種子進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可知目標(biāo)種子的投種速度應(yīng)滿(mǎn)足以下關(guān)系：

(9)

式中：Vω為排種盤(pán)線(xiàn)速度，m/s；ω為排種盤(pán)角速度，rad/s；Va為目標(biāo)種子投種速度，m/s。

因排種盤(pán)角速度與轉(zhuǎn)速存在以下關(guān)系：

ω=πn/30。

(10)

故結(jié)合式(9)、(10)，可得目標(biāo)種子沿投種槽的投種速度為：

(11)

4 EDEM離散元仿真試驗(yàn)

4.1 仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒓胺抡鎱?shù)確定

4.1.1 仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?以云南省文山州七丹藥業(yè)種植基地的三七種子作為建模對(duì)象，運(yùn)用三維激光掃描技術(shù)和逆向工程技術(shù)獲得真實(shí)的三七種子三維幾何模型。將該模型導(dǎo)入EDEM仿真軟件，并利用EDEM中的非球顆?？焖偬畛涔δ塬@得三七種子多球面聚合顆粒的離散元模型(圖11)。

為了減少仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)量，去除無(wú)接觸部件，在NX.三維軟件中簡(jiǎn)化排種器仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?dǎo)入EDEM中，簡(jiǎn)化后的排種器如圖12所示。

該排種器主要由排種盤(pán)外殼(包含種箱)、排種盤(pán)、擋種板、清種器、護(hù)種板和排種器底殼組成。按表1設(shè)置變量參數(shù)，在排種器的進(jìn)種口建立顆粒工廠(chǎng)，設(shè)定顆粒生成總數(shù)為1 000個(gè)。

4.1.2 仿真參數(shù) 殼體、排種盤(pán)、清種器、擋種板和護(hù)種板是排種器與種子接觸的部件，且材料都為ABS塑料。確定顆粒-顆粒和顆粒-幾何模型接觸參數(shù)，其中三七種子和接觸部件ABS塑料的本征參數(shù)與相互接觸參數(shù)[31]如表1所示。

表1 三七種子及其接觸部件ABS塑料的離散元仿真參數(shù)Table 1 Discrete element simulation parameters of Panax notoginseng seed and its contact part of ABS plastics

4.2 單因素仿真試驗(yàn)

對(duì)排種器的充種性能進(jìn)行單因素仿真試驗(yàn)分析，使參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)一步具體化。在轉(zhuǎn)速、凸包分布的單因素試驗(yàn)中，試驗(yàn)指標(biāo)為充種單粒率和漏充率；在導(dǎo)種槽傾角和種層高度的單因素試驗(yàn)中，試驗(yàn)指標(biāo)為充種單粒率和重充率。確定設(shè)計(jì)參數(shù)為轉(zhuǎn)速、凸包分布、導(dǎo)種槽傾角和種層高度，定義各試驗(yàn)因素固定值分別為35.0 r/min、與型孔同位分布、43.0°和55.0 mm。每組仿真試驗(yàn)從排種器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后開(kāi)始輸出，記錄15 s試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每次統(tǒng)計(jì)150粒種子。

4.2.1 排種盤(pán)轉(zhuǎn)速 排種盤(pán)轉(zhuǎn)速是影響排種器充種性能的重要因素之一，轉(zhuǎn)速過(guò)低有利于充種，但影響工作效率；轉(zhuǎn)速過(guò)高，型孔充種時(shí)間過(guò)短易導(dǎo)致排種器漏充。為研究排種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)充種性能的影響，仿真試驗(yàn)分析了轉(zhuǎn)速分別為27.5，35.0，42.5和50.0 r/min時(shí)的充種情況，結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加，充種單粒率呈先增加后減少趨勢(shì)，而漏充率呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為35.0 r/min時(shí)，單粒率最高，漏充率最低。為進(jìn)一步研究排種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)充種性能的影響，在下文的正交試驗(yàn)中將轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)因素之一，以確定轉(zhuǎn)速與其他因素的最優(yōu)組合。

表2 排種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)充種性能的影響Table 2 Effect of seed metering disc speed on seed filling performance

4.2.2 凸包分布 為研究凸包分布對(duì)充種性能的影響，結(jié)合3.2節(jié)對(duì)凸包參數(shù)設(shè)計(jì)的分析，根據(jù)凸包分布的兩種情況進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果(表3)表明，凸包與型孔同位分布時(shí)充種性能較好。

表3 凸包分布位置對(duì)充種性能的影響Table 3 Effect of convex hull distribution position on seed filling performance

為進(jìn)一步分析凸包分布對(duì)充種性能的影響，導(dǎo)出不同時(shí)間種子與排種盤(pán)接觸的平均法向力，結(jié)果如圖13所示。圖13顯示，凸包與型孔錯(cuò)位分布時(shí)，種子與排種盤(pán)接觸的平均法向力出現(xiàn)較多波峰，說(shuō)明該凸包分布形式使種群受力不平衡，導(dǎo)致種層運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，不利于充種；凸包與型孔同位分布時(shí)，在型孔周?chē)S向種子的離散程度較高，流動(dòng)性強(qiáng)，使得單粒種子較容易脫離種群，且種群受力相對(duì)穩(wěn)定，充種單粒率高。因此確定凸包分布位置為與型孔同位分布。

4.2.3 導(dǎo)種槽傾角 導(dǎo)種槽不僅具有導(dǎo)種的作用，其傾角也影響著充種性能，而帶有清種槽的型孔具有自動(dòng)清種的能力，清種槽隨著導(dǎo)種槽參數(shù)的變化而變化，參數(shù)相同。為此，只分析導(dǎo)種槽傾角為35.0°，39.0°，43.0°，47.0°和90.0°(無(wú)導(dǎo)種槽)時(shí)對(duì)充種性能的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 導(dǎo)種槽傾角對(duì)充種性能的影響Table 4 Effect of seed guide groove inclination on seed filling performance

由表4可知，型孔無(wú)導(dǎo)種槽時(shí)(導(dǎo)種槽傾角為90.0°)的充種單粒率明顯小于有導(dǎo)種槽時(shí)(導(dǎo)種槽傾角為35.0°～47.0°)的充種單粒率；對(duì)于有導(dǎo)種槽的型孔，隨著導(dǎo)種槽傾角的增大，充種單粒率先增大后減小，重充率先減小后增大，在傾角為43.0°時(shí)達(dá)到最佳，此時(shí)單粒率最大，重充率最小，可見(jiàn)帶有43.0°導(dǎo)種槽的型孔具有很好的充種和清種性能。

對(duì)三七種子與排種盤(pán)間的平均法向力進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖14。

圖14表明，隨著導(dǎo)種槽傾角的增加，型孔的導(dǎo)種、清種效果變差，種群離散程度減小、流動(dòng)性減弱，導(dǎo)致種子復(fù)充、漏充現(xiàn)象增加。因此選擇導(dǎo)種槽傾角為43.0°作為正交試驗(yàn)中導(dǎo)種槽傾角因素的零水平，對(duì)該因素進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

4.2.4 種層高度 為分析種層高度對(duì)排種器充種性能的影響，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取種層高度分別為45.0，55.0，65.0和75.0 mm進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果如表5所示。由表5可知，當(dāng)種層高度小于等于65.0 mm時(shí)，單粒率和重充率平均值變化均較??；當(dāng)種層高度大于65.0 mm時(shí)，單粒率平均值大幅下降，而重充率平均值大幅上升。通過(guò)仿真試驗(yàn)得知，當(dāng)種層高度過(guò)高，清種槽清種時(shí)，種子會(huì)受到種群力的作用而進(jìn)入到下一個(gè)攜帶種子的型孔中，從而導(dǎo)致重充?？傮w來(lái)看，隨著種層高度的增加，排種器充種性能變差，型孔對(duì)種群的擾動(dòng)減小，種群的離散程度減小，流動(dòng)性變差，不利于多余種子離開(kāi)型孔。種層高度為55.0 mm時(shí)，充種單粒率較高，單粒率變異系數(shù)較小，是比較理想的種層高度。

表5 種層高度對(duì)充種性能的影響Table 5 Effect of seed layer height on seed filling performance

4.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)

4.3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果 排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、種層高度和導(dǎo)種槽傾角是排種器可靠充種、穩(wěn)定攜種的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響著排種性能，因此選取排種盤(pán)轉(zhuǎn)速(X1)、種層高度(X2)和導(dǎo)種槽傾角(X3)作為試驗(yàn)因素，以單粒率(Y1)、漏充率(Y2)、重充率(Y3)作為考察指標(biāo)，進(jìn)行二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)，進(jìn)一步研究各因素對(duì)排種器工作性能的影響。試驗(yàn)因素編碼如表6所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果如表7所示，利用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表8所示。

表6 排種器工作性能影響因素的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)的因素水平編碼表Table 6 Factor-level coding table of quadratic regression orthogonal rotation combination test for influencing factors of seed metering performance

表7 排種器工作性能影響因素的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 7 Quadratic regression orthogonal rotation combination test scheme and results of factors affecting working performance of seed metering device

表8 排種器工作性能影響因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 8 Analysis of variance of quadratic regression orthogonal rotation combination test results

(14)

(2)漏充率(Y2)。由表8可知，漏充率模型的擬合度達(dá)極顯著水平(P<0.000 1);失擬項(xiàng)P為0.588 7，說(shuō)明除設(shè)定的3個(gè)因素外再無(wú)其他影響因素;交互項(xiàng)X1X2和X1X3影響極顯著。剔除交互項(xiàng)中不顯著因素后的回歸模型為：

(15)

(16)

4.3.2 試驗(yàn)因素交互作用對(duì)單粒率的影響 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、種層高度、導(dǎo)種槽傾角兩兩互作對(duì)單粒率影響的響應(yīng)曲面，結(jié)果如圖15所示。由圖15-A可知，導(dǎo)種槽傾角為43.0°時(shí)，隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和種層高度的增加，單粒率先增大后減小，其原因是當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和種層高度處于較低水平時(shí)，種層高度越大，種群對(duì)充種性能的正向力越大，越利于充種；當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和種層高度處于較高水平時(shí)，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速越大，充種時(shí)間越短，導(dǎo)致漏充現(xiàn)象嚴(yán)重。由圖15-B可知，種層高度為55.0 mm時(shí)，隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)種槽傾角的增大，單粒率先增大后減小，其原因是排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和導(dǎo)種槽傾角適度的增大使型孔更易于充入種子，單粒率增加，而導(dǎo)種槽傾角較大和排種盤(pán)轉(zhuǎn)速較高時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)充種性能影響較大，排種盤(pán)充種時(shí)間減少，導(dǎo)致單粒率呈下降趨勢(shì)。由圖15-C可知，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為35.0 r/min時(shí)，隨著種層高度和導(dǎo)種槽傾角的增加，單粒率先增大后減小，其原因是種層高度和導(dǎo)種槽傾角在合適范圍內(nèi)增加時(shí)，其會(huì)給種子一個(gè)正向壓力，使種子更容易充入型孔中，導(dǎo)致單粒率逐漸增加，但當(dāng)種層高度和導(dǎo)種槽傾角處于較高水平時(shí)，隨著導(dǎo)種槽傾角的繼續(xù)增大，型孔容積增大，加之種層高度的增加，使得清種槽傾角發(fā)揮不了作用，導(dǎo)致單粒率逐漸降低。

4.3.3 最佳參數(shù)優(yōu)化 為確定排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、種層高度及導(dǎo)種槽傾角的最佳取值范圍，設(shè)定單粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%，在此條件下采用多目標(biāo)優(yōu)化法進(jìn)行優(yōu)化分析。因?qū)ХN槽傾角對(duì)充種性能影響相對(duì)較小，故設(shè)置導(dǎo)種槽傾角為43.0°，對(duì)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和種層高度的最佳取值范圍進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如圖16所示。由圖16可知，當(dāng)導(dǎo)種槽傾角為43.0°，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為31.1～37.8 r/min，種層高度為46.6～58.2 mm時(shí)，單粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%。

5 臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 臺(tái)架搭建

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的優(yōu)化結(jié)果，選取云南省文山州七丹藥業(yè)種植基地的三七種子(平均含水率為40%)，在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院的JPS-12視覺(jué)排種器性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，按照仿真試驗(yàn)優(yōu)化后的參數(shù)使用ABS材料3D打印排種盤(pán)并制作排種器，為方便觀察種群的運(yùn)動(dòng)情況，排種器外殼用亞克力板制作。在臺(tái)架上安裝了種層高度控制刻度尺以便對(duì)種層高度進(jìn)行控制。利用合肥富煌君達(dá)高科信息技術(shù)有限公司提供的千眼狼5F01高速攝像機(jī)拍攝充種情況。試驗(yàn)裝置如圖17所示。

5.2 充種性能試驗(yàn)

按照仿真優(yōu)化結(jié)果中排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為31.1～37.8 r/min，種層高度為46.6～58.2 mm，導(dǎo)種槽傾角為43.0°,設(shè)置排種盤(pán)轉(zhuǎn)速分別為32.0，34.0和36.0 r/min，對(duì)應(yīng)的種層高度分別為47.0，55.0和58.0 mm的3組試驗(yàn)，每組重復(fù)測(cè)試3次，待排種器工作穩(wěn)定后取10轉(zhuǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表9所示。表9表明，3組試驗(yàn)的排種器充種單粒率平均值分別為96.67%，96.67%和96.33%，漏充率平均值分別為2.00%，2.33%和2.33%，重充率平均值分別為1.33%，1.00%和1.33%，結(jié)果與仿真試驗(yàn)吻合，驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。同時(shí)，從高速攝像的記錄中可以看出，種子多以“平躺”狀態(tài)充入型孔，柔性護(hù)種板可以避免傷種問(wèn)題。

6 結(jié) 論

1)基于TRIZ理論設(shè)計(jì)了內(nèi)充式三七精密排種器，確定排種盤(pán)內(nèi)徑為180 mm；型孔數(shù)為20個(gè)；型孔的直徑和深度分別為9.5和6.0 mm；導(dǎo)種槽和清種槽結(jié)構(gòu)尺寸相同，其中導(dǎo)種槽傾角、長(zhǎng)度和儲(chǔ)種深度分別為43.0°，1.7 mm和4.4 mm；投種槽傾角、長(zhǎng)度和深度分別為35.0°，3.8 mm和2.7 mm。

2)針對(duì)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、種層高度、導(dǎo)種槽傾角和凸包分布位置，利用EDEM軟件進(jìn)行了仿真單因素試驗(yàn)，確定凸包與型孔同位分布，并確定了排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、種層高度和導(dǎo)種槽傾角3個(gè)因素各自的取值范圍。二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)表明，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)單粒率影響最大，其次是種層高度，再次是導(dǎo)種槽傾角，其中排種盤(pán)轉(zhuǎn)速和種層高度的交互作用不容忽視；影響漏充率的因素重要性依次為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、凸包高徑比、種層高度，其中凸包高徑比與種層高度間存在交互作用。在導(dǎo)種槽傾角為43.0°、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為31.1～37.8 r/min、種層高度為46.6～58.2 mm時(shí)，單粒率大于96.00%，漏充率小于2.50%，重充率小于1.50%。

3)對(duì)最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果顯示3組9次試驗(yàn)的排種器充種單粒率平均值為96.33%～96.67%，漏充率平均值為2.00%～2.33%，重充率平均值為1.00%～1.33%，與仿真試驗(yàn)結(jié)果一致。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的內(nèi)充式三七精密排種器排種性能好，能滿(mǎn)足三七精密播種農(nóng)藝要求。