預切種振動供種式木薯播種器勺鏈排種機構設計與試驗

牟向偉 陳林濤 馬 旭 薛俊祥 向金山

(1.廣西師范大學職業技術師范學院，桂林 541004；2.華南農業大學工程學院，廣州 510642)

0 引言

由于我國木薯種植以個體農戶為主，種植模式不統一、機械作業困難，目前依靠人工作業[1]，急需研發適應木薯種植農藝要求的精密種植機?，F有播種器主要采用實時切種方式，由于木薯種較長，形狀復雜，無法實現自動播種，且人工喂種持續性差、漏植現象嚴重[2]。預切種方式利用切種機將木薯種切成形狀簡單、長度約150 mm的種莖，清選后由播種器的排種機構將單段種莖排至種溝[3-6]。鏈勺式播種原理廣泛應用在預切種方式中，工作時利用鏈條帶動撈種勺進行充種，最終實現精密播種。該原理已成為國內外解決形狀不規則種子播種的主要技術，在馬鈴薯、甘蔗等作物中均有應用，但在木薯精密播種研究中鮮有報道[6-7]。

目前預切種勺鏈式播種器研究主要包括限制排種速度、加大充種高度以及優化排種機構撈種勺與輸送鏈參數等，實現了可靠充種[7-8]。澳大利亞的Massey Ferguson與P&HBonel等公司和美國的GESSNER等公司針對凹板提升式排種機構進行研究[3-4]，開發了相應的甘蔗種植機，其排種機構通過在升運鏈上設置凹板實現排種，但存在播種不均、漏充現象嚴重、耗種量大等問題。趙滿全等[9]研制了2BSL-2型馬鈴薯起壟播種機，采用鏈勺式排種機構，在種箱最下端橫截斷面投影面積幾乎與種勺投影面積相等，改善了充種性能。李成松等[10]研制了單行懸掛式馬鈴薯施肥種植機，采用鏈勺式排種機構，通過增加人工補種段來降低漏播指數，但鏈勺式排種機構輸送鏈后方需安裝擋板，結構復雜，作業速度提升空間有限。韓杰等[11]研究預切種式甘蔗種植機，但由于排種機構結構和蔗槽設計不合理，出現因播種不連續而造成的漏種和耗種量大等問題。勺鏈式排種機構充種困難、漏充指數高仍是目前播種器的技術缺點。以上研究為預切種勺鏈式木薯精密播種器設計提供了技術參考。

木薯種莖為一定長度圓柱狀木質莖桿，且表面具有凸起芽眼，播種過程中存在待充種莖亂序、充種困難以及播種合格指數低等問題[12]。筆者前期在預切種式木薯播種器供種環節中設計了一種階梯式振動散種機構，通過“振動分散輸送+種莖群姿態調整”的方式進行亂序木薯種莖群的散種下滑和姿態調整，達到排序供種[12]。為進一步實現木薯種莖精密播種，在階梯式振動散種機構后方配套設計一種排種機構，完成可靠充種與精密播種。但通過排種機構撈種勺從調姿排序好的木薯種莖群中主動撈取單一種莖，具有一定盲目性，易產生漏充、重播等問題。

因此，本文在預切種振動供種式木薯精密播種器中設計一種勺鏈排種機構，優化播種器整機結構?；谧钏俳稻€理論對排種機構撈種勺進行參數設計，并對排種機構作業時充種與投種過程中的木薯種莖受力與運動狀態進行分析，確定影響充種性能顯著因素；以離散元法EDEM仿真為技術手段，優化排種機構參數提高排種機構作業性能；通過臺架和田間試驗驗證勺鏈排種機構工作性能。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

播種器主要由階梯式振動散種機構與勺鏈排種機構組成。階梯式振動散種機構由喂種箱、種量控制板、限位板、振動散種板、階梯式調姿板、落種滑板、供種箱以及振動系統等組成；勺鏈排種機構由充種箱、輸送鏈、撈種勺、刮種部件、護種部件、種層擋板、機架以及電動機等組成，整體結構如圖1所示。

圖1 預切種振動供種式木薯精密播種器結構示意圖

1.2 工作原理

工作時，將一定量的木薯種莖(亂序)投至喂種箱，通過調控種量控制提升板高度，保證一定供種量。其次通過階梯式振動散種機構下方振動系統，使種莖群在振動散種板和階梯式調姿板上往復運動，通過階梯式調姿板卡槽限位作用，實現種莖調姿定向。種莖經落種滑板有序落入充種箱，在充種箱上方設有種層擋板，防止經振動散種機構作用種莖群的“亂種”現象。接著后方輸送鏈在電動機驅動下帶動撈種勺轉動，種莖在種莖群間擠壓力及自身重力作用下進入撈種勺，完成充種。種莖進入清種區，當撈種勺存有多根種莖，刮種部件將多余的種莖清除。種莖隨撈種勺繼續運動，在護種部件作用下運動至投種口，依靠自身重力掉落、完成精密播種。

2 勺鏈排種機構理論分析與關鍵部件設計

勺鏈排種機構主要包括輸送鏈和撈種勺。撈種勺結構形狀、尺寸參數以及其在輸送鏈分布形式直接影響充種性能?；谧钏俳稻€理論對勺鏈排種機構撈種勺進行參數設計，對撈種勺充種和投種過程木薯種莖受力和運動狀態進行分析，進而優化結構。

2.1 充種過程理論分析與結構設計

撈種勺是勺鏈排種機構將單根木薯種莖從種莖群中分離，并將種莖平穩輸送到排種機構投種口完成播種的核心部件。在撈種勺優化設計過程中，應簡化撈種勺內部凹槽結構，保證其各朝向種莖受力均勻，且快速充種至撈種勺，提高充種時間[13-14]。

2.1.1撈種勺結構參數

選擇廣西地區種植面積最大的桂熱4號(廣西亞熱帶作物研究所提供)作為試驗對象，清選處理后選擇預切后100顆種莖(平均含水率68.46%，百顆質量5 987.83 g)進行種莖直徑測量。統計得出種莖直徑在29～31 mm間占比為59%。取種莖平均直徑d為30 mm。撈種勺基本結構參數(長度L、寬度W以及高度D)主要與種莖整體物料尺寸有關。種莖長度l為150 mm，撈種勺長度L定為160 mm。種莖平均直徑d為30 mm，且考慮凸起種芽和種莖彎曲程度，寬度W設為40 mm。為保證種莖在撈種勺充種過程中保持穩定，并不從撈種勺中滑出，撈種勺高度D應高于種莖質心高度d/2，撈種勺高度D定為20 mm，撈種勺基本結構參數如圖2所示。

圖2 撈種勺結構示意圖

2.1.2撈種勺邊界曲線

在充種過程中，為使木薯種莖穩定且高效充入撈種勺，撈種勺邊界曲線選擇最速降線進行理論分析[7]。以撈種勺內木薯種莖為研究對象，簡化種莖沿撈種勺邊界進入撈種勺曲線為拋物線，如圖3所示，設拋物線方程為z=ax2，研究種莖在Oxz平面內運動狀態，受力方程為

圖3 撈種勺最速降線

(1)

式中m——木薯種莖質量，g

α——截曲線在滑落點切線夾角，(°)

φ——木薯種莖與撈種勺間摩擦角，(°)

FN——撈種勺對木薯種莖的支持力，N

FS——撈種勺對木薯種莖的摩擦力，N

(2)

過程中滿足能量守恒定律，即

(3)

式中vz——木薯種莖初始下滑速度，m/s

vx——木薯種莖終止水平速度，m/s

由式(3)可得

(4)

將式(4)代入撈種勺曲線拋物線方程z=ax2中，撈種勺切線傾角α為

(5)

通過對撈種勺最速降線起始位置、初始滑移速度、種莖與撈種勺凹槽摩擦角、撈種勺高度D等參數設定，推導出種莖進入撈種勺切線傾角α，此時能保證充種可靠。種莖穩定滑移到撈種勺凹槽，在理想狀態下種莖到達撈種勺底部時速度為零，種莖滑落高度h為撈種勺高度D，前期試驗測得種莖與撈種勺凹槽內壁摩擦角φ為 31°～43°；種莖初始下落速度即為輸送鏈線速度，主動鏈輪轉速取20～130 r/min，x為30 mm，代入式(5)中求得α為37.72°～65.31°。如果α較小，易出現種莖被振出撈種勺的情況[7,14]。為保證種莖落入撈種勺的穩定性，α取55°。

為進一步保證撈種勺充種穩定性，需優化撈種勺凹槽參數。撈種勺凹槽總體形狀越“細深”，易產生卡種和投種不暢；若其總體形狀越“粗淺”，充種能力有限，易發生漏充。由于木薯種莖表面具有凸起種芽，物料特性復雜，撈種勺設計需避免種莖在撈種勺卡種以及減少種莖投出時與撈種勺的投種壁口發生碰撞；當設計其凹槽向撈種勺內壁延伸，能保證種莖在種勺中平穩運移，充種可靠；為方便種莖從撈種勺脫離投出，凹槽結構可朝投種位置優化；種莖充入撈種勺充種運動過程復雜，需在后續EDEM仿真中重點對撈種勺形狀參數進行分析。

2.1.3充種過程動力學分析

充種過程是由木薯種莖自身重力、種莖間和種莖與撈種勺間的正壓力、滑動摩擦力和滾動摩擦力等構成的復雜動力學系統[15]。為便于分析，將種莖充種過程分為“預充種”和“完全充種”狀態。

(1)撈種勺尚未進入充種區，木薯種莖為預充種狀態，種莖主要受到撈種勺表面和種莖群擠壓作用。為便于分析，假設木薯種莖為圓柱體，如圖4所示。建立力學平衡方程

圖4 木薯種莖預充種狀態力學模型

(6)

式中r1——木薯種莖所在撈種接觸位置半徑，m

ω——撈種勺角速度，rad/s

vr1——種莖相對撈種勺外壁切向速度，m/s

θ——充種傾角，(°)

μ1——種莖與撈種勺外壁間摩擦因數

μ2——種莖間摩擦因數

N1——撈種勺外壁對種莖支持力，N

N2——種莖群壓力，N

f1——種莖與撈種勺外壁摩擦力，N

f2——種莖群摩擦力，N

ax——加速度x軸分量，m/s2

ay——加速度y軸分量，m/s2

(7)

式中λ——撈種勺傾斜角，(°)

tx——種莖x軸方向運動時間，s

ty——種莖y軸方向運動時間，s

由式(7)得到種莖x軸和y軸方向運動時間為

(8)

如果木薯種莖實現完全充種狀態，則完全充種必要限定條件為tx≤ty，滿足

(9)

根據式(6)～(9)可知，影響充種性能主要因素有撈種勺參數、充種傾角、種莖相對于撈種勺外壁切向速度。當確定撈種勺尺寸參數后，種莖要實現完全充種狀態，主要需確定充種傾角和輸送鏈主動鏈輪線速度。

(2)種莖實現完全充種，木薯種莖處于完全充種狀態，受力分析如圖5所示。建立力學平衡方程

圖5 木薯種莖完全充種狀態力學模型

(10)

式中r2——種莖所在撈種位置半徑，mm

α1——種莖所處撈種勺徑向與x軸夾角，(°)

vr2——種莖相對于撈種勺的切向速度，m/s

由式(10)求解得

(11)

可知充種傾角是影響撈種勺能否穩定撈起種莖重要因素，整理式(10)、(11)得充種傾角θ滿足

(12)

綜上，建立種莖在充種區“預充種”和“完全充種”2種狀態下動力學方程，由式(12)知充種傾角與種莖所在撈種位置處半徑r2、種莖相對撈種勺切向速度vr2有關；且r2、vr2與主動鏈輪分度圓直徑和運動線速度有關，后續需對主動鏈輪進行參數設計，進而優化充種傾角。

2.2 投種過程理論分析與結構設計

在輸送鏈上合理布置撈種勺是提高播種器充種性能的關鍵，有利于改善排種作業均勻性和直線度，緩解種莖落入種溝時的瞬時速度，實現零速投種[13-17]。下面進行種莖拋送投種臨界受力分析，以期優化播種器整機結構。

2.2.1撈種勺數量與零速投種分析

在理想狀態下，單根播種在相同時間(t為落種時間間隔)內落入種溝的種莖數量等于播種器排出種莖的數量[17]，滿足

(13)

式中v0——播種機前進速度，m/s

S——木薯種莖理論株距，mm

L1——撈種勺間距離，mm

v1——輸送鏈運動線速度，m/s

木薯種莖播種理論株距S介于150～500 mm，設播種機速度不超過1.5 m/s，為保證可靠充種，查閱文獻確定輸送鏈運動線速度不超過0.9 m/s[28]。經式(13)計算，撈種勺間距宜取90～300 mm。為使參數設計進一步具體化，播種器作業速度按照傳統單行種植模式計算[7]，作業速度與電動機轉速關系式為

(14)

式中n——電動機轉速，r/min

Q——撈種勺數量，個

λ1——電動機與主動鏈輪傳動比，取0.7

M——鏈條長度，取2 500 mm

d1——主動鏈輪分度圓直徑，mm

在保證播種效率及各個撈種勺間距相同的前提下，根據式(14)優取撈種勺數量為9、12、15、18個，即撈種勺間距離為277.8、208.3、166.7、138.9 mm，在撈種勺間距90～300 mm宜取范圍，均符合播種器播種作業要求。撈種勺數量決定撈種勺間距，影響撈種勺充種時間。撈種勺過少不利于排種機構工作效率提高；撈種勺過多不利于撈種勺充種，使漏充指數升高。為保證充種質量，具體數量還需通過EDEM仿真進行詳細確定。

考慮木薯種莖落地前對相鄰撈種勺干擾作用，在種莖運動至投種點位置時，種莖在重力及離心力共同作用下離開撈種勺[17]。為滿足零速投種要求，選取種莖相對播種器輸送鏈投送方向為水平方向，設定輸送鏈運動兩個相鄰撈種勺距所需時間為t0，則

(15)

在時間t0內種莖相對播種器下落位移為

(16)

將式(13)、(15)、(16)合并整理，可得

(17)

式中β1——種莖投送速度與水平間夾角，(°)

由于木薯種莖相對播種器作業速度為零，故種莖投送速度與水平間夾角β1=0°，將各參數代入式(17)得l1=95.1 mm。在時間t0內下一個撈種勺運動到投種點位置時，種莖相對播種器垂直方向運動165.2 mm，未對種莖投落造成播種干擾，滿足播種器零速投種要求。

2.2.2木薯種莖拋送投種臨界條件

在輸送鏈工作過程中需保證播種器運行穩定，當種莖翻越主動鏈輪時易被甩出撈種勺，通過預試驗發現在主動鏈輪上設計護種部件，若種莖被甩出撈種勺，部分種莖將無法順利投種，造成漏播。因此，需求使種莖不被甩出撈種勺的最小輸送鏈主動鏈輪的直徑，優化播種器整機結構，如圖6所示。

圖6 木薯種莖拋送投種臨界力學分析

以木薯種莖質心為原點，臨界狀態下保證種莖不被甩出應滿足

(18)

其中

(19)

式中 ∑Fx——種莖在x方向所受合力，N

∑Fy——種莖在y方向所受合力，N

FI——轉動慣性力，N

γ——FI與x軸正向夾角，(°)

δ——重力與x軸負向夾角，(°)

R——主動鏈輪轉動半徑，mm

聯立式(18)、(19)得

(20)

木薯理論播種株距介于150～500 mm，為保證播種器能夠在合適速度工作，參考文獻[18-20]，輸送鏈運動速度優選0.3、0.5、0.7、0.9 m/s，對應播種機作業速度為1.08、1.8、2.5、3.2 km/h。為保證工作效率，取輸送鏈運動最大速度0.9 m/s，計算主動鏈輪分度圓直徑，此時需滿足d1≥90 mm，綜合考慮選擇ST12A-16-N20型鏈輪為主動鏈輪；但不同輸送鏈運動速度對充種性能的影響需通過后續EDEM仿真進行確定。

綜上，上述分析得出影響播種器勺鏈排種機構充種性能顯著因素分別是撈種勺型式、輸送鏈速度、撈種勺數量、充種傾角。

3 仿真試驗

3.1 試驗因素與試驗指標

在前期大量研究成果基礎上，固定撈種勺數量為12個、輸送鏈運動速度為0.5 m/s和充種傾角為40°進行試驗。單因素仿真試驗以充種合格指數Y1、漏充指數Y2和重充指數Y3為評價指標。

3.2 仿真模型建立及仿真參數確定

3.2.1仿真模型建立

選取廣西地區常用的桂熱4號木薯種莖為試驗材料，由于木薯種莖顆粒的表面沒有粘附力，選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為顆粒間及顆粒與撈種勺間的接觸模型[12]。為真實仿真木薯種莖之間運動特性，采用多球聚合模型[12](Multi-spher method)建立種莖顆粒模型，結果如圖7所示。

圖7 木薯種莖顆粒仿真模型

利用SolidWorks對預切種木薯精密播種器進行建模，參考文獻[7]，為減少仿真過程的計算量，對播種器模型進行簡化處理，播種器模型簡化成一塊向上運動足夠長且帶撈種勺的平面薄板，按照實際距離安裝固定撈種勺，在EDEM的Parameter模塊中對顆粒工廠進行初始條件設置，充種箱上方添加種莖工廠用來模擬種層高度調節裝置，在充種箱中落入一定量的木薯種莖顆粒后，平面薄板運動如圖8所示；每次投入50根種莖進行模擬仿真，進行EDEM后處理分析，在軟件中Rayleigh時間步長為1%，總時長設置為55 s。

圖8 木薯精密播種器仿真模型

3.2.2仿真參數

經木薯種莖參數標定試驗，并結合農業物料離散元參數[21-22]，得到所需的仿真基本參數如表1。

表1 離散元模型基本參數

3.3 單因素仿真試驗

3.3.1撈種勺形狀

基于2.1.2節撈種勺邊界曲線分析，本文撈種勺設計首先保證切線傾角α不變，結合工程經驗設計3種撈種勺[18-19]：撈種勺Ⅰ(圓弧形凹槽)、撈種勺Ⅱ(凹槽向內“延伸”)、撈種勺Ⅲ(凹槽向撈種勺投種壁口)，具體形狀如圖9所示，其中撈種勺Ⅰ的D11為20 mm，r11為18 mm；撈種勺Ⅱ的D22為20 mm，W22為23 mm，r22為5 mm，φ22為15°；撈種勺Ⅲ的D3為15 mm，D33為5 mm，r33為25 mm，r′33為40 mm。每種撈種勺試驗重復3次，結果取平均值，見表2?？芍獡品N勺Ⅱ充種性能優于撈種勺Ⅰ、Ⅲ。撈種勺Ⅲ充種性能最差，漏充指數7.72%，漏充現象嚴重。

表2 不同撈種勺型式的充種性能仿真結果

圖9 不同型式的撈種勺形狀結構與參數

分析可知充種區內木薯種莖數量和撈種勺外側種莖間的相對運動狀態是影響撈種勺可靠充種的重要影響因素[7，14]。因此，結合 EDEM后處理功能采用充種區內木薯種莖的回填質量和撈種勺外種莖間法向力分別衡量不同時步下種莖回填效果和撈種勺外側種間相對運動狀態，以此進一步說明以最速降線理論設計的撈種勺對充種性能的影響規律。當充種區木薯種莖的回填質量越大，說明撈種勺的充種性能越好。

為監測充種區局部種莖質量和撈種勺外局部種莖群相對運動狀態，在播種器充種箱內木薯種莖群中建立監測器[14]，如圖10所示。其中監測器主要監測充種區局部種莖質量與撈種勺外局部種莖群相對運動狀態。

圖10 仿真試驗中建立的2個監測器

利用EDEM后處理功能，分別分析在3種撈種勺下，充種區局部種莖回填質量和平均法向力，如圖11所示。

圖11 不同撈種勺型式時充種區局部種莖回填質量和平均法向力變化曲線

結合圖11可知，當采用撈種勺Ⅲ進行充種作業，單根木薯種莖平均法向力較大，出現多個較大波峰值，且充種區局部種莖回填質量波動也較大，是因為撈種勺Ⅲ凹槽向撈種勺投種壁口靠近，充種區局部木薯種莖回填質量不穩定，導致了木薯種莖平均法向力波動大，這種撈種勺易造成木薯種莖漏充；當采用撈種勺Ⅱ進行充種作業，撈種勺凹槽向內延伸，種莖群流動穩定，充種區局部種莖回填質量波動小，且單根木薯種莖平均法向力波動較小，充種可靠。

因此，對比分析表2和圖11，基于最速降線理論設計的撈種勺Ⅰ，其內部凹槽平緩，雖重充指數較低，但漏充指數也較高，不宜采用該種型式撈種勺。撈種勺Ⅱ凹槽向內延伸，種莖進入撈種勺充種穩定，此時排種機構充種合格指數可達91.48%，漏充指數為4.87%，充種效果較佳。故此，撈種勺優選為撈種勺Ⅱ。

3.3.2撈種勺數量

為進一步研究撈種勺數量對充種性能的影響規律，根據式(14)優取撈種勺數量為9、12、15、18個，進行單因素試驗。仿真時撈種勺優選撈種勺Ⅱ，每組仿真重復3次，取平均值，結果如表3。

表3 不同撈種勺數量下充種性能仿真結果

隨著撈種勺數量增加，呈現充種合格指數減小，漏充指數增加。主要是因為撈種勺數量過多，在相同主鏈輪線速度的情況下，充種時間變短，導致漏充指數增加。為保證較高充種性能，撈種勺數量取9～15個。

3.3.3輸送鏈運動速度

為保證播種器能夠在合適作業速度下正常工作，輸送鏈運動速度優選0.3、0.5、0.7、0.9 m/s。充種性能仿真結果如表4。

表4 不同輸送鏈速度下充種性能仿真結果

由表4可知，隨著輸送鏈運動速度增加，充種合格指數呈現減小趨勢，漏充指數呈現增大趨勢。在輸送鏈不同線速度作用下，在充種區木薯種莖與撈種勺間的接觸法向力影響木薯種莖與撈種勺相對運動，從而影響充種效果[15]。為進一步分析不同輸送鏈運動速度對充種性能的影響規律，利用EDEM后處理功能輸出木薯種莖與撈種勺接觸法向力隨時間的變化曲線，如圖12所示?？芍斴斔玩溸\動速度為0.9 m/s，接觸法向力波動較大，種莖受撈種勺不穩定力作用不利于充種。為保證工作效率和充種穩定性，輸送鏈運動速度取0.3～0.7 m/s。

圖12 不同輸送鏈運動速度下木薯種莖接觸法向力變化曲線

3.3.4充種傾角

由圖5所示的種莖充種過程分析可知，當撈種勺充種傾角增大，由于撈種勺滑落點切線夾角不變，撈種勺入口路線變短，撈種勺深度也隨著充種傾角增加而降低，會進一步影響種莖在撈種勺中的穩定性，經大量試驗得到在不影響充種性能情況下，最大值為45°[7]。為研究不同充種傾角對充種性能的影響規律，充種傾角取30°、35°、40°、45°進行仿真試驗，充種性能仿真結果如表5。

表5 不同充種傾角下充種性能仿真結果

結果表明隨著充種傾角增加，充種合格指數先增加后減小，原因是隨著充種傾角增加，增加了種莖運動側向力，充種能力增加[12]，但隨著充種傾角增加，運動速度變大，降低了種莖進入撈種勺的機率，漏充指數增加。為進一步分析不同充種傾角對充種性能的影響，輸出不同充種傾角下種莖速度變化曲線[15]如圖13所示，充種傾角為45°時，種莖速度變化大，充種合格指數減小。為保證工作效率和充種穩定性，充種傾角取30°～40°。

圖13 不同充種傾角下木薯種莖速度變化曲線

EDEM單因素仿真表明當選擇撈種勺Ⅱ時，因素較優取值范圍是：撈種勺數量為9～15個，充種傾角為30°～40°，輸送鏈運動速度為0.3～0.7 m/s。

3.4 響應面BBD仿真試驗

基于單因素試驗所確定的因素取值范圍，通過響應面BBD試驗確定最優因素參數組合。

3.4.1試驗方案與結果分析

試驗因素編碼值和試驗方案如表6、7，其中x1、x2、x3為充種傾角、撈種勺數量以及輸送鏈運動速度的編碼值，每組試驗重復3次，結果取平均值。

表6 試驗因素編碼

根據表7試驗結果進行充種合格指數與漏充指數的方差分析，結果如表8、9所示。

表7 試驗方案與結果

表8 充種合格指數回歸模型方差分析

根據上述分析結果，建立充種合格指數Y1、漏充指數Y2、重充指數Y3與x1、x2、x3之間的回歸方程

表9 漏充指數回歸模型方差分析

Y1=93.12+2.31x1-2.37x2+

3.04x3+1.75x1x2-2.58x1x3+

(21)

Y2=3.64+0.65x1+1.80x2-

3.68x3-1.1x1x2+1.35x1x3-

(22)

Y3=3.24-2.96x1+0.575x2+0.64x3-

0.65x1x2+1.23x1x3-0.50x2x3+

(23)

根據回歸結果，分別固定輸送鏈運動速度、取撈種勺數量和充種傾角為零水平，繪制相應的曲面和等值曲線，分析試驗因素對充種合格指數及漏充指數的影響規律，如圖14所示。由表8、9可知，影響排種機構充種合格指數的因素主次順序為輸送鏈運動速度、撈種勺數量以及充種傾角；影響漏充指數的因素主次順序為輸送鏈運動速度、撈種勺數量以及充種傾角。

圖14 試驗因素對試驗指標影響的響應曲面

3.4.2試驗結果目標優化

為了獲得最佳作業參數，優化工作參數，實現因素間的合理匹配是提高合格指數的關鍵，以充種合格指數Y1最大、漏充指數Y2最小與重充指數Y3最小為目標，目標函數為

(24)

采用線性規劃數學模型對目標函數進行優化，求得充種傾角為37.04°、撈種勺數量為11.7個、輸送鏈運動速度為0.627 m/s時，充種合格指數為94.3%，漏充指數為1.8%，重充指數為3.9%。

4 播種性能試驗

4.1 臺架試驗

為驗證仿真試驗準確性以及試驗樣機作業可靠性，研制預切種振動供種式木薯精密播種器試驗樣機進行試驗。試驗采用與仿真一致的桂熱4號木薯種莖為試驗材料，地點為廣西師范大學機械工程實驗室，試驗于2022年4月22—24日進行。選用撈種勺Ⅱ(為方便加工和參數調節，圓整充種傾角為37°、撈種勺數量12個、輸送鏈運動速度為0.63 m/s進行試驗)。圖15為方便觀察充種性能，去掉護種部件。利用湖南科天健光電技術有限公司的ACUTEYE-2M-1000型高速攝像儀(采用高性能CMOS傳感器，像素分辨率為1 920像素×1 080像素，最高幀率1 087 f/s)拍攝充種情況，待播種器穩定后統計播種器進行50個撈種勺充種時情況，以充種合格指數Y1、漏充指數Y2和重充指數Y3為試驗指標進行試驗，試驗重復3次，結果取平均值。

圖15 播種器臺架試驗

根據臺架試驗可知，播種器充種合格指數為93.8%，漏充指數為1.9%，重充指數為4.3%，試驗結果與仿真結果吻合，說明基于EDEM的播種器工作參數優化試驗結果可靠。

4.2 田間試驗

2022年4月26日在廣西壯族自治區資源縣中峰農場試驗地進行田間試驗。為驗證播種器對不同品種木薯適應性能，選取桂墾09-26、新選048、華南205品種進行田間試驗。試驗土壤堅實度63.2 kPa，土壤含水率18%。國內目前還沒有針對木薯播種裝備的技術標準，依據文獻[23-24]以及農民實際播種需求,選取種莖株間合格指數y1、重播指數y2和漏播指數y3為指標進行田間試驗。

測定各項播種性能指標，為減少試驗誤差，將作業區劃分為啟動區、測試區和停止區，測量總距離為150 m，前后啟動區和停止區為15 m(試驗現場如圖16所示)，在此工況下進行3次田間試驗，結果取平均值，如表10。為較好觀察木薯精密播種機播種效果，3次田間試驗時，在部分測試區播種時，播種機的覆土裝置不進行作業，方便觀察播種效果。待試驗指標測定后，這部分試驗區域后續進行人工覆土。由于田間作業時，土地不平整，使播種機產生振動，田間試驗結果與臺架試驗結果存在差異。

圖16 田間試驗現場

表10 田間播種性能對比

5 結論

(1)設計了一種預切種振動供種式木薯播種器勺鏈排種機構?；谧钏俳稻€理論對撈種勺進行設計，并對排種機構充種和投種過程木薯種莖受力和運動狀態進行分析，找出影響機構性能顯著因素分別是撈種勺型式、輸送鏈速度、撈種勺數量、充種傾角。

(2)基于EDEM建立了木薯種莖-勺鏈排種機構充種過程離散元模型，以充種合格指數、漏充指數、重充指數為試驗指標進行單因素試驗，結果表明選取撈種勺Ⅱ，撈種勺數量為9～15個，充種傾角為30°～40°，輸送鏈運動速度為0.3～0.7 m/s是較優取值范圍；通過響應面BBD試驗確定最優因素參數組合；當充種傾角37.04°，撈種勺數量11.7個、輸送鏈運動速度0.627 m/s時，充種合格指數為94.3%，漏充指數為1.8%。

(3)研制試驗樣機進行了臺架與田間試驗。在最優因素參數組合下，播種器充種合格指數為93.8%，漏充指數為1.9%。田間試驗表明在該作業參數組合下播種器性能滿足木薯精密播種的農藝要求。