摘 要：針對傳統(tǒng)舀種勺式穴播器在工作過程中，種群被舀種勺種室兩側(cè)分流，播種滾筒內(nèi)種量較少時(shí)，舀種勺腔充種不完全的問題，基于胡麻種子物理特性和種植農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種種群聚集、直接舀種的胡麻精量穴播器。通過分析穴播器工作原理確定其組成、聚種斜槽結(jié)構(gòu)和直流舀種勺結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍，對直流舀種勺舀種過程和清種過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，確定穴播器角速度范圍；以直流舀種勺深度、過橋槽夾角和穴播器角速度為試驗(yàn)因素，以穴播器排種合格率、漏播率和重播率為試驗(yàn)指標(biāo)，借助EDEM離散元仿真軟件開展二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)，結(jié)果表明：直流舀種勺深度為2.75mm、過橋槽夾角為56.56°、穴播器角速度為2.71rad/s時(shí)性能最佳，此時(shí)穴播器排種合格率為94.27%，漏播率為5.67%，重播率為0.06%。臺(tái)架試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)排種合格率、漏播率和重播率平均值分別為89.00%、8.33%、2.67%，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果基本一致。對比直流舀種勺和勺舌式舀種勺排種效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，直流舀種勺的排種效果優(yōu)于勺舌式舀種勺的排種效果，穴播器排種合格率最大可提高3.39個(gè)百分點(diǎn)，漏播率最大可下降 2.68個(gè)百分點(diǎn)，重播率最大可下降2個(gè)百分點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：胡麻；穴播器；聚種斜槽；直流舀種勺；EDEM
0 引言
目前胡麻種植多以人工點(diǎn)播和撒播為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，不便后期田間管理。因此研制一種結(jié)構(gòu)簡單、高效的胡麻精量穴播器對于實(shí)現(xiàn)胡麻種植機(jī)械化和規(guī)?；l(fā)展具有重要意義。
排種器是保證播種機(jī)工作質(zhì)量和效率的關(guān)鍵。根據(jù)其工作原理，排種器分為機(jī)械式和氣力式[1]-[7]。氣力式排種器排種精度高，種子損傷率低，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、生產(chǎn)成本高[8-11]。機(jī)械式排種器具有結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、易于播種等優(yōu)點(diǎn)[12-14]，成為丘陵山區(qū)胡麻機(jī)械化種植的首選。機(jī)械化穴播是實(shí)現(xiàn)精量播種的主要方式之一，具有定量和定穴距播種的優(yōu)點(diǎn)，可有效提高作物的出苗率和成活率[15]。為提高穴播器的性能，SINGH等[16]對穴播器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定穴播器最優(yōu)的型孔錐角；RATNYAKE等[17]研制一種水稻錐形滾筒穴播機(jī)，相比直播節(jié)省種子約75%，增產(chǎn)約37%；張青松等[18]設(shè)計(jì)了一種帶缺口矩形油菜勺式精量穴播排種器，解決傳統(tǒng)油菜條播用種量大、株距變異系數(shù)大的問題；張順等[19]為適應(yīng)常規(guī)水稻輕簡化精量穴直播種植，設(shè)計(jì)了一種U型腔道式水稻精量穴播排種器。張國忠等[20]設(shè)計(jì)了一種具有弧形毛刷清種護(hù)種裝置的雙腔側(cè)充式水稻精量穴播排種器，實(shí)現(xiàn)雜交稻和常規(guī)稻的大田精量穴播；石林榕等[21]設(shè)計(jì)了一種帶舀種勺舌的滾勺式胡麻精量穴播器，在傳統(tǒng)舀種勺勺腔兩側(cè)設(shè)計(jì)舀種勺舌，將胡麻種子導(dǎo)引填充舀種勺腔，解決傳統(tǒng)穴播器漏充嚴(yán)重的問題，但是引種舌的設(shè)置增加了胡麻種子進(jìn)入種室的時(shí)間，尤其當(dāng)穴播器內(nèi)腔種量較少時(shí)，舀種成功率有待提高。綜上，國內(nèi)外對穴播器的研究主要集中在水稻、油菜等規(guī)則形狀的作物[22]，對于胡麻等異形小籽粒作物種子的穴播器研究較少。
基于傳統(tǒng)穴播器內(nèi)腔種量較少時(shí)，舀種勺舀取種子不充分、引種舌導(dǎo)引種子填充勺腔不完全的問題，提出將分散種群沿穴播器內(nèi)腔兩側(cè)匯聚、種子流直接充填舀種勺腔的方法，設(shè)計(jì)一種種群直流舀種式胡麻精量穴播器，在結(jié)構(gòu)上沿用舀種勺舌式穴播器結(jié)構(gòu)簡單、不傷種的優(yōu)勢，通過理論分析設(shè)計(jì)穴播器結(jié)構(gòu)，利用離散元仿真試驗(yàn)確定穴播器最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)，通過臺(tái)架試驗(yàn)和對比試驗(yàn)對種群直流舀種式胡麻精量穴播器的排種性能進(jìn)行驗(yàn)證，以期為異形小籽粒排種器的設(shè)計(jì)提供參考。
1 胡麻種植農(nóng)藝
西北旱區(qū)胡麻種植農(nóng)藝要求如圖1所示，根據(jù)胡麻機(jī)械化穴播要求，播量為 37.5~52.5kg/hm2，穴粒數(shù)6~10粒。為便于中耕機(jī)和收獲機(jī)作業(yè)，確定播種穴距為200mm，株距為200mm，播深30~50mm[23]。
圖1 胡麻種植農(nóng)藝要求
2 穴播器結(jié)構(gòu)與工作原理
2.1 總體結(jié)構(gòu)
種群直流舀種式胡麻精量穴播器主要由播種滾筒、舀種勺、導(dǎo)種管、旋轉(zhuǎn)軸和排種嘴等組成。播種滾筒是由圓周陣列布置的聚種斜槽組成的聚種腔體，由位于聚種腔體兩側(cè)的前后安裝盤、側(cè)板圍成的空心旋轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。穴播器側(cè)板壁設(shè)有導(dǎo)種管，聚種腔體內(nèi)壁形成供種子流動(dòng)的環(huán)形流動(dòng)通道，舀種勺均布安裝在聚種腔體內(nèi)，形成一圓平面，該平面穿過流動(dòng)通道，有利于提高舀種成功率。
圖2 穴播器結(jié)構(gòu)示意圖
2.2 工作原理
穴播器工作時(shí)，舀種勺需經(jīng)歷舀種、換位清種、過橋清種、導(dǎo)種和排種5個(gè)階段，穴播器工作原理如圖3所示。胡麻種子通過導(dǎo)種管進(jìn)入穴播器內(nèi)腔，穴播器在種床上滾動(dòng)，舀種勺隨之旋轉(zhuǎn)舀取一定量的胡麻種子，胡麻種子在自身重力、種間相互作用力、聚種腔體和舀種勺擾動(dòng)的作用下進(jìn)入勺腔，完成舀種。隨著穴播器的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，舀種勺舀取的部分種子失去底部支持力而掉落，形成第1次清種。隨后，舀種勺腔內(nèi)的胡麻種子沿過橋槽滑向種室，由于種室入口阻擋，過橋槽表面種子掉落，形成第2次清種。當(dāng)舀種勺運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)種區(qū)時(shí)，胡麻種子沿種室滑道通過泄種口進(jìn)入排種嘴。隨著排種嘴插入種床擠壓復(fù)位彈簧，活動(dòng)排種嘴張開胡麻種子順利排入穴孔中，當(dāng)排種嘴離開穴孔后，穴孔周圍土壤坍塌掩埋種子，經(jīng)鎮(zhèn)壓輪壓實(shí)，完成一個(gè)周期的排種作業(yè)。
圖3 穴播器工作原理圖
3 關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)
3.1 胡麻種子基本參數(shù)
種子的形狀及特征尺寸是穴播器關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)[24]。本文選擇甘肅地區(qū)廣泛種植的隴亞10號(hào)胡麻種子。種子外形扁平，頂部稍尖，整體呈“瓜子狀”，如圖4所示，隨機(jī)選取100粒為試驗(yàn)對象，用精度為0.02mm的數(shù)顯式游標(biāo)卡尺對其三軸尺寸進(jìn)行測量，重復(fù)3次，平均三軸尺寸：長Lmean為4.43mm，寬Wmean為2.38mm，厚Tmean為0.95mm。含水率為5.13%，千粒質(zhì)量為8.13 g，自然休止角為23°，質(zhì)量密度為1.05g/mL，體積密度為0.66 g/mL[25]。
圖4 胡麻種子基本參數(shù)
3.2 播種滾筒設(shè)計(jì)
3.2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)
播種滾筒直徑?jīng)Q定舀種勺的數(shù)量及分布，對穴播器性能至關(guān)重要?；谖鞅焙祬^(qū)胡麻種植農(nóng)藝要求，參考其他舀種勺式穴播器直徑360~480mm，播種滾筒直徑過小，圓周可分布的舀種勺數(shù)量減少，穴播器質(zhì)量減輕，易造成排種嘴入土深度不足，種子浮在土壤表面，影響出苗；播種滾筒直徑過大時(shí)，舀種勺數(shù)目增多，有利于降低穴播器的工作轉(zhuǎn)速，提高排種穩(wěn)定性，但直徑過大增加制造成本，而且穴播器圓周跳動(dòng)頻率增加，不利于拖拉機(jī)牽引。播種滾筒寬度影響胡麻種植效益，寬度增加行距變大，降低胡麻種植密度；寬度減小，胡麻種植密集，不利于后期田間管理。綜合考慮，本研究選取播種滾筒寬度W1為70mm，側(cè)板直徑D4為260mm，播種滾筒直徑D2為330mm，排種嘴垂直高度為65mm，聚種斜槽厚度為10mm，確定種子流環(huán)形流動(dòng)通道直徑D3 為320mm，穴播器直徑D1為460mm，結(jié)構(gòu)見圖5。
圖5 播種滾筒結(jié)構(gòu)圖
3.2.2 聚種斜槽設(shè)計(jì)
當(dāng)穴播器工作一定時(shí)間后，內(nèi)腔中種量變少，舀種勺腔填充不完全易造成漏播。本研究設(shè)計(jì)的聚種斜槽利用其表面滑種側(cè)板將少量種子匯聚，便于舀種勺舀取種子。聚種斜槽主要由滑種側(cè)板、V字形擾種齒、一字形花紋和沿兩側(cè)一字形花紋中心線延伸的S形花紋組成，其結(jié)構(gòu)如圖6a所示。V字形擾種齒緊貼于聚種斜槽內(nèi)壁，可打破穴播器內(nèi)腔中種群穩(wěn)定堆積狀態(tài)，其V字開口朝向種子流環(huán)形流動(dòng)通道，引導(dǎo)種子朝流動(dòng)通道移動(dòng)，提高舀種成功率。本研究設(shè)計(jì)的V字形擾種齒是由長度Lr為20mm、寬度Wr為1mm的2個(gè)矩形長條組成，設(shè)擾種齒厚度為T1，擾種齒傾角為β，擾種齒間距為h，如圖6b所示。聚種斜槽安裝時(shí)不能與穴播器原有結(jié)構(gòu)干涉，由前期分析可知，穴播器側(cè)板直徑D4為260mm，聚種斜槽厚度為10mm，綜合考慮，確定聚種斜槽垂直高度H1為30mm，滑種側(cè)板垂直高度H2為20mm、寬度W3為3mm，胡麻種子自然休止角為23。，為保證滑種側(cè)板對其表面種子匯聚，確定聚種斜槽傾角α為50°，聚種斜槽安裝在播種滾筒內(nèi)部，其寬度應(yīng)與播種滾筒寬度一致，故聚種斜槽寬度W2 為70mm，如圖6c所示，將以上參數(shù)代入公式（1）中
通過計(jì)算可得，種子流環(huán)形流動(dòng)通道寬度W4為30.4mm。
圖6 聚種斜槽結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)擾種齒厚度較小時(shí)，不能充分?jǐn)_動(dòng)種群，不利于舀種勺充種；當(dāng)擾種齒厚度過大時(shí)，對種子擾動(dòng)效果好，種群流動(dòng)性增強(qiáng)，但會(huì)出現(xiàn)擾種齒攜種現(xiàn)象。因此，擾種齒應(yīng)僅擾動(dòng)貼近聚種斜槽內(nèi)壁的一薄層種子為宜[26]，即滿足：
由式（2）可知擾種齒厚度T1范圍為0.76 ~0.95mm，為便于加工制作，本研究確定擾種齒厚度T1為1mm。根據(jù)文獻(xiàn)[27]，當(dāng)擾種齒間距h小于2倍種子長度時(shí)，種子會(huì)在擾種齒中間夾持，易損傷種子，因此應(yīng)使h＞2Lmean，故擾種齒間距h應(yīng)大于8.86mm；鑒于胡麻種子被V字形擾種齒引導(dǎo)朝種子流環(huán)形流動(dòng)通道移動(dòng)，綜合考慮確定擾種齒間距h為9mm，擾種齒傾角β為30°。
對聚種斜槽擾種過程進(jìn)行受力分析，以貼近擾種齒上部單粒種子為研究對象，將其視為一個(gè)剛性質(zhì)點(diǎn)，以種子質(zhì)心為原點(diǎn)O建立空間直角坐標(biāo)系，x軸垂直于滑種側(cè)板內(nèi)壁，y軸平行于擾種齒上表面，z軸通過種子垂直于擾種齒上表面，如圖7所示。
圖7 擾種過程受力分析
根據(jù)種子在擾種齒上的受力投影圖（圖8）可知，種子在 x、y、z 方向上的受力方程為
式中 N1——擾種齒對種子的支持力，N
N2——滑種側(cè)板對種子的支持力，N
f1——種子與擾種齒表面摩擦力，N
f2——種子與滑種側(cè)板表面摩擦力，N
Gty ——重力 G 在 y 軸方向的分力，N
FK——種子科氏力，N
Gz——重力 G 在 z 軸方向的分力，N
FI——種子離心力，N
其中
式中
μ1——種子與聚種斜槽間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)
m ——種子質(zhì)量，kg
vr——種子相對速度，m/s
r3——種子流動(dòng)通道半徑，mm 石
ω——穴播器角速度，rad/s
Gr——重力 G 沿?cái)_種齒傾角分解的切向力，N
為使擾種齒上表面種子沿齒條向種子流動(dòng)通道移動(dòng)，應(yīng)確保其有沿y軸正向運(yùn)動(dòng)的趨勢，即
將式（3）、（4）代入式（5）中可得
由式（6）可知，影響種子與擾種齒相對運(yùn)動(dòng)的參數(shù)有穴播器角速度ω、種子與聚種斜槽間的滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ1、種子流流動(dòng)通道半r3、聚種斜槽傾角α和擾種齒傾角β。將前期確定參數(shù)代入式（6），經(jīng)計(jì)算種子與擾種齒發(fā)生相對運(yùn)動(dòng) 穴播器角速度ω>0.346 rad/s。
圖8 擾種過程受力投影圖
3.3 直流充種舀種勺設(shè)計(jì)
3.3.1 直流充種舀種勺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
舀種勺是穴播器實(shí)現(xiàn)精量排種的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響穴播器排種的精確性和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)舀種勺工作時(shí)，種子需要繞過種室的兩側(cè)才能進(jìn)入舀種勺腔，降低了種子進(jìn)入舀種勺腔的概率，尤其是種子數(shù)量較少時(shí)因此，課題組前期研究在舀種勺腔兩側(cè)設(shè)置引種舌，將種室兩側(cè)的種子流進(jìn)行導(dǎo)引填充舀種勺腔，間接擴(kuò)大種子流與舀種勺腔的接觸面積，從而提高種子進(jìn)入舀種勺腔的概率，但種子需要引種舌表面移動(dòng)后才能進(jìn)入舀種勺腔，增加種子進(jìn)入舀種勺腔的時(shí)間，而種子隨穴播器快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分種子在進(jìn)入舀種勺腔時(shí)由于轉(zhuǎn)動(dòng)幅度大從舀種勺腔表面掉落至種群，進(jìn)入舀種勺腔的種量減少，降低舀種成功率?；诖?，本研究設(shè)計(jì)一種直流充種舀種勺，為保證種子直接充填舀種勺腔重點(diǎn)將傳統(tǒng)舀種勺種室部分進(jìn)行“側(cè)身”設(shè)計(jì)，使種室與舀種勺腔不在同一平面上，主要由舀種勺腔、過橋槽、種室、安裝板組成，其結(jié)構(gòu)見圖9。
圖9 直流舀種勺結(jié)構(gòu)圖
3.3.2 舀種勺傾角
為使得舀種勺腔內(nèi)的種子經(jīng)過橋槽順利進(jìn)入種室，設(shè)舀種勺過橋槽與種室上壁水平面之間傾角γ。離開換位清種區(qū)的舀種勺隨播種滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在到達(dá)過橋清種區(qū)入口時(shí)，若傾角γ過大，勺腔表面種子在未進(jìn)入過橋槽時(shí)，由于自身重力和慣性力的作用，種子將會(huì)掉落回種群。為此，對舀種勺過橋清種運(yùn)動(dòng)過程的胡麻種子進(jìn)行力學(xué)分析，如圖10所示
圖10 過橋清種區(qū)入口臨界狀態(tài)胡麻種子受力分析
將舀取的胡麻種子作為一個(gè)整體，以整體質(zhì)心為坐標(biāo)軸原點(diǎn)，x軸平行于過橋槽，指向穴播器運(yùn)動(dòng)方向，y軸正向垂直于x軸并向外，由此建立直角坐標(biāo)系，對種子進(jìn)行受力分析，得
式中 ∑Fx——種子在 x 軸方向所受合力，N
∑Fy——種子在 y 軸方向所受合力，N
FI——種子所受轉(zhuǎn)動(dòng)離心力，N
f——種子與舀種勺間的摩擦力，N
FN——過橋槽對種子的支持力，N
FK——種子所受科氏力，N
νd——穴播器線速度，m/s
舀種勺隨播種滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，x方向的合力沿x軸的正方向，保證種子沿過橋槽流動(dòng)，y軸方向的合力沿著y軸負(fù)方向保證種子不被甩出。當(dāng)播種滾筒線速度為 0.3 m/s、FI與y軸正向夾角δ為0°時(shí)。計(jì)算傾角γ的極限值，由于舀種勺和聚種斜槽采用3D打印，材料為尼龍，滑動(dòng)摩擦因數(shù)μ1為0.42，式（7）可簡化為
由式（8）可得γ≥24.04，由前期分析可知，舀種勺傾角不宜太大，綜合加工成本及播種滾筒內(nèi)腔結(jié)構(gòu)，確定舀種勺傾角γ為 30°。
3.3.3 導(dǎo)種滑道設(shè)計(jì)
合理規(guī)劃導(dǎo)種滑道是確保順暢導(dǎo)種的關(guān)鍵。如圖11所示，以種室左頂點(diǎn)為原點(diǎn)，水平方向?yàn)閤軸，豎直方向?yàn)閥軸建立坐標(biāo)系，將同一舀種勺同周期進(jìn)入種室的種子視為整體，導(dǎo)種過程中種子所處位置的半徑記為r,種子位置與豎直方向夾角記為ψ，導(dǎo)種過程起始位置半徑記ra，角度記為ψa，結(jié)束位置記為rb，角度記為ψb，種子所受合外力方向沿滑道切向。
圖11 導(dǎo)種過程分析
導(dǎo)種過程中為保證種子順利進(jìn)入排種嘴，種子所受合外力始終大于0，根據(jù)能量守恒定律可得，種子所受合外力做功為
式中νa——點(diǎn) a 處種子接觸滑道時(shí)速度，m/s
νb——種子離開導(dǎo)種滑道時(shí)速度，m/s
Fi——種子所受離心力，N
Fn——種子所受支持力，N
Ff——種子所受摩擦力，N
G——種子所受重力，N
由式（9）可知，種子離開導(dǎo)種滑道時(shí)的速度νb與種子進(jìn)入滑道的速度νa、種子位置半徑r和穴播器角速度ω有關(guān)。為防止種子通過導(dǎo)種滑道進(jìn)入排種嘴時(shí)速度較大與排種嘴碰撞產(chǎn)生彈跳損傷其表面，應(yīng)減小穴播器角速度ω和種子位置半徑r。當(dāng)穴播器角速度ω較小時(shí)，一定程度上可提高排種穩(wěn)定性，但相應(yīng)排種株距變大，不滿足胡麻種植要求。舀種勺種室寬度一定，種子離開導(dǎo)種滑道位置半徑rb遠(yuǎn)小于進(jìn)入滑道位置半徑ra時(shí)，滑道相應(yīng)曲率增大，種子較快進(jìn)入滑道與內(nèi)壁碰撞，掉落回排種嘴?；诖吮狙芯吭O(shè)計(jì)導(dǎo)種滑道為種子位置半徑逐漸減小的弧線，當(dāng)種子快速進(jìn)入導(dǎo)種滑道后，滑道內(nèi)壁起一定緩沖作用降低種子速度，且當(dāng)穴播器勻速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以判斷種子所受合外力為0，種子在導(dǎo)種滑道中保持勻速運(yùn)動(dòng)，直至進(jìn)入排種嘴。
3.3.4 直流充種舀種勺其他參數(shù)的確定
考慮到直流充種舀種勺工作的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)過橋槽高度T2 為3mm、過橋槽長度l為30mm、舀種勺高度T3為30mm。西北地區(qū)胡麻種植農(nóng)藝要求每穴胡麻數(shù)為6~10粒，以8粒為依據(jù)，經(jīng)計(jì)算所需體積為41.7mm3。簸箕形體舀種勺截面下底邊長w大于種長，小于2倍種長，最后確定w為8mm。舀種勺截面高h(yuǎn)1確定為４倍的種寬，h1約為5mm。舀種勺深度d越大舀取過程舀取的種子越多，由前期試驗(yàn)可知，舀種勺深度d不超過4mm，初步確定d為3mm。過橋槽夾角ε的大小關(guān)系過橋槽截面大小進(jìn)而影響通過過橋槽的種子量，為保證種子順利通過過橋槽，過橋槽截面三角形底邊長應(yīng)大于種寬，小于2倍種寬，如圖9b所示，經(jīng)計(jì)算過橋槽夾角45°<ε<77°。排種試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)舀種勺過橋槽夾角ε、舀種勺深度 d 均影響取種量的穩(wěn)定性，以ε和d作為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)確定最佳參數(shù)。
3.4 舀種過程分析
種群直流舀種式胡麻精量穴播器的舀種過程尤為重要。根據(jù)舀種勺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，舀種過程可分為：進(jìn)種，舀取，回流。在舀種勺作用下，穴播器內(nèi)腔胡麻種群可大致分為3層：充填區(qū)、伴隨區(qū)、回流區(qū)，如圖12所示。
圖12 舀種過程分析
進(jìn)種：種子由導(dǎo)種管進(jìn)入舀種區(qū)，種子堆積在播種滾筒內(nèi)腔，將底部舀種勺“掩埋”。隨著穴播器工作，種量逐漸減少，舀種勺填充不充分產(chǎn)生漏播。因此，從種群流動(dòng)來看，種群朝舀種勺腔匯聚是種子被更好地舀取的關(guān)鍵。
舀取：種子在聚種斜槽作用下，充填區(qū)種群和伴隨區(qū)種群發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)，充填區(qū)種群沿種子流環(huán)形流動(dòng)通道有序流動(dòng)，伴隨區(qū)種群由于底部充填區(qū)種群的運(yùn)動(dòng)，堆積狀態(tài)逐漸坍塌。直流充種舀種勺安裝在種子流環(huán)形流動(dòng)通道平面內(nèi)，種子流相對有序流動(dòng)，直接充填舀種勺腔，提高舀種勺舀取成功率。此時(shí)種群中其他種子阻礙舀取種子，充填區(qū)種群朝舀種勺腔運(yùn)動(dòng)，并對舀取種子進(jìn)行擠壓。
回流：種群靜止堆積狀態(tài)被聚種斜槽和舀種勺的擾動(dòng)作用打破后，一部分種群會(huì)跟隨舀種勺一起向換位清種區(qū)運(yùn)動(dòng)，隨著穴播器工作過程中舀種勺姿態(tài)的變化，跟隨其運(yùn)動(dòng)的種群由于底部支持力的減弱，在自身重力作用下掉落，形成回流。回流區(qū)的種子朝穴播器滾筒運(yùn)動(dòng)相反的方向移動(dòng)，而被舀取的種子繼續(xù)跟隨舀種勺運(yùn)動(dòng)脫離種群進(jìn)入換位清種區(qū)。
在這3個(gè)過程中，穴播器中的種子在聚種斜槽的作用下，對種群進(jìn)行匯聚，便于舀種勺舀取。直流充種舀種勺改變種群流動(dòng)方向，縮短舀種時(shí)間，尤其改
善當(dāng)穴播器種量較少時(shí)舀種勺充種困難的問題。因此，本研究重點(diǎn)設(shè)計(jì)和優(yōu)化直流充種舀種勺、聚種斜槽的結(jié)構(gòu)并確定其工作參數(shù)。
首先，對舀取階段充填區(qū)種子進(jìn)行受力分析，設(shè)種子進(jìn)入舀種勺腔伴隨穴播器一起運(yùn)動(dòng)，如圖13所示。將種群視為一個(gè)整體，以種子流切線方向?yàn)閤軸，垂直切線方向?yàn)閥軸建立直角坐標(biāo)系，種子能夠被穩(wěn)定舀取的臨界條件為
式中 θ——舀種角，°
為保證舀種勺舀取的種子隨穴播器穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，將種群壓力忽略不計(jì)，將該條件代入式（10）可得：
由式（11）得，穴播器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω與種子流動(dòng)通道半徑r3、舀種勺傾角γ、舀種角θ等因素有關(guān)。為保證舀種勺穩(wěn)定舀種，舀種角θ<90°，由式（11）計(jì)算可知，ω<7.33 rad/s。
圖13 舀種受力分析
3.5 舀種勺分布
當(dāng)機(jī)組作業(yè)速度和株距一定時(shí)，舀種勺式穴播器的舀種頻率取決于舀種勺數(shù)量和穴播器線速度。舀種勺數(shù)越多，穴播器轉(zhuǎn)速越慢。單個(gè)舀種勺充種時(shí)間越長，更有利于舀種。故在不影響穴播器加工和舀種勺舀種作業(yè)的情況下，適當(dāng)增加舀種勺數(shù)量。舀種勺數(shù)N需滿足
式中 υm——機(jī)組作業(yè)速度，m/s
s ——株距，mm
c ——地輪滑移系數(shù)
υd——穴播器線速度，m/s
由式（12）可知，穴播器舀種勺數(shù)量與機(jī)組作業(yè)速度vm、播種株距s 、地輪滑移系數(shù)c 、穴播器線速度vd有關(guān)。試驗(yàn)地為砂土，滑移系數(shù)約為9.3%[28]，機(jī)組作業(yè)速度為0.6m/s，參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，當(dāng)穴播器的線速度不超過0.3 m/s 時(shí)，經(jīng)計(jì)算舀種勺數(shù) N >11，綜合考慮確定舀種勺數(shù)量為13個(gè)，此時(shí)相鄰舀種勺勺腔對應(yīng)的中心角約為27.7°。
4 排種仿真試驗(yàn)
4.1 模型建立
為研究穴播器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對排種性能的影響，課題組前期研究將胡麻種子進(jìn)行多球聚合，建立胡麻顆粒模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。該方法雖然能較好的模擬胡麻種子曲面輪廓，但計(jì)算效率較低。本研究基于EDEM 2022中多面體求解器功能，采用Solidworks軟件建立胡麻三維模型，并將其以多面體模型導(dǎo)入EDEM 2022.3 中。胡麻種子物理參數(shù)和種間幾乎無表面粘附力，選用 Hertz-Mindlin（no-slip）接觸模型。為減少計(jì)算量，仿真過程中將穴播器圓周排種嘴和銷釘緊固件刪除，仿真模型如圖14所示。
圖14 排種仿真模型
EDEM仿真過程中，由于胡麻多面體模型求解方式與多球聚合模型求解方式不同，在相關(guān)文獻(xiàn)確定的仿真接觸參數(shù)基礎(chǔ)上對多面體模型相關(guān)接觸參數(shù)進(jìn)行對比驗(yàn)證。測定多面體模型堆積角，利用MATLAB軟件提取堆積圖像邊界輪廓并進(jìn)行線性擬合，通過計(jì)算擬合線斜率的反正切值即可得到胡麻種子的堆積角，實(shí)際堆積角輪廓邊界處理如圖15所示。試驗(yàn)5次取平均值確定胡麻實(shí)際堆積角為 21.86°。當(dāng)采用前期測定的滾動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行堆積角仿真試驗(yàn)時(shí)，多面體模型所形成的堆積角小于實(shí)際堆積角，通過預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)改變其滾動(dòng)摩擦因數(shù)對多面體模型堆積角效果影響不明顯，因?yàn)槎嗝骟w模型為滑動(dòng)摩擦，多球聚合為滾動(dòng)摩擦，滾動(dòng)摩擦遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)摩擦。當(dāng)改變其種間靜摩擦因數(shù)可以更好的逼近實(shí)際堆積角，仿真堆積角輪廓邊界處理如圖16所示。當(dāng)種間靜摩擦因數(shù)為0.32時(shí)，試驗(yàn)5次取平均值確定胡麻仿真堆積角為22.34°，此時(shí)實(shí)際堆積角與仿真堆積角相對誤差為 2.15%，滿足胡麻仿真試驗(yàn)要求，故本研究將多面體胡麻模型種間靜摩擦因數(shù)確定為0.32，胡麻種子與穴播器材料的相關(guān)仿真接觸參數(shù)[29]見表 1。
圖15 實(shí)際堆積角圖像處理過程
（a）胡麻仿真堆積角
圖16 仿真堆積角圖像處理過程
表1 仿真接觸參數(shù)
4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及評價(jià)方案
根據(jù)種群直流舀種式胡麻精量穴播器特點(diǎn)及理論分析，確定舀種勺深度、過橋槽夾角及穴播器角速度為試驗(yàn)因素，以穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率為評價(jià)指標(biāo)。為研究試驗(yàn)因素是否存在交互影響及3個(gè)因素交互作用對種群直流舀種式胡麻精量穴播器工作性能的影響，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)確定穴播器的最佳作業(yè)參數(shù)，試驗(yàn)因素編碼如表2所示，由于缺乏指導(dǎo)胡麻精量穴播的標(biāo)準(zhǔn)，參考 標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》。穴粒數(shù)處于6~10粒之間，認(rèn)為合格，當(dāng)穴粒數(shù)小于6粒時(shí)，按漏播率計(jì)算，穴粒數(shù)大于10粒時(shí)，按重播率計(jì)算。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
表2 試驗(yàn)因素編碼
表3 試驗(yàn)結(jié)果
4.3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析
以1號(hào)試驗(yàn)為例,穴播器角速度為4rad/s，為保證穴播器工作一個(gè)周期，仿真時(shí)間取2s，EDEM仿真試驗(yàn)過程如圖17所示。利用 Design-Expert13軟件對本次仿真試驗(yàn)中穴播器工作時(shí)的合格率、漏播率和重播率進(jìn)行方差分析，其顯著性檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。
圖17 直流舀種勺EDEM仿真過程
表4 方差分析
從表4中可得，合格率模型的擬合度極顯著（P<0.01），其失擬項(xiàng) P=0.2778，不顯著（P>0.05），說明不存在其他影響合格率的主要因素，其回歸方程不失擬。影響穴播器排種合格率的主次順序?yàn)檠úテ鹘撬俣萖3、過橋槽夾角X2、舀種勺深度X1。X2、X3、X2X3、X32影響極顯著，X1、X1X3影響顯著，剔除交互項(xiàng)中不顯著因素后的回歸模型方程為
由表4可知，漏播率模型的擬合度極顯著（P<0.01），其失擬項(xiàng) P=0.2547，不顯著（P>0.05），說明不存在其他影響漏播率的主要因素，影響穴播器漏播率的主次順序?yàn)檠úテ鹘撬俣萖3、過橋槽夾角X2、舀種勺深度X1。X2、X3、X1X2、X32 影響極顯著，剔除交互項(xiàng)中不顯著因素后的回歸模型方程為
由表4可知，重播率模型的擬合度極顯著（P<0.01），其失擬項(xiàng)P=0.1647，不顯著（P>0.05），說明不存在其他影響重播率的主要因素，影響穴播器重播率的主次順序?yàn)檫^橋槽夾角X2、穴播器角速度X3 舀種勺深度X1。X1、X2、X3、X1X3、X2X3 影響極顯著，X32 影響顯著，剔除交互項(xiàng)中不顯著因素后的回歸模型方程為
4.4 交互項(xiàng)對合格率的影響
由表4可知舀種勺深度、過橋槽夾角、穴播器角速度之間的交互作用對合格率Y1 的影響顯著，其響應(yīng)曲面如圖18所示。
圖18 因素交互項(xiàng)對合格率影響響應(yīng)曲面
由圖18（a）可知，當(dāng)過橋槽夾角為60°時(shí)，穴播器角速度為3.0 ~4.0 rad/s，舀種勺深度為2.5~3.0mm，穴播器的合格率較大。當(dāng)穴播器角速度一定時(shí)，隨著舀種勺深度的增大，更多的種子被舀取，漏播率逐漸下降，合格率逐漸上升。當(dāng)舀種勺深度過大時(shí)，舀取種子過多，重播率逐漸上升，合格率逐漸下降；當(dāng)舀種勺深度一定時(shí)，隨著穴播器角速度逐漸變大，舀種勺舀取的種子所受離心力隨之增大，有利于穴播器的清種效果，重播率下降，合格率逐漸上升。當(dāng)穴播器角速度過大時(shí)，舀種區(qū)的種群回流不及時(shí)導(dǎo)致漏播率逐漸上升，合格率逐漸下降。
由圖18（b）可知，當(dāng)舀種勺深度為3mm時(shí)，過橋槽夾角為55°~ 65°，穴播器角速度為3.0~4.0rad/s，穴播器的合格率較高。當(dāng)穴播器角速度一定時(shí)，隨著過橋槽夾角的增大，過橋清種區(qū)間通過過橋槽進(jìn)入種室的種子越多，漏播率逐漸下降，合格率逐漸上升。過橋槽夾角過大時(shí)，種子可以順利通過過橋槽進(jìn)入種室，重播率逐漸上升，合格率逐漸下降。當(dāng)過橋槽夾角一定時(shí)，隨著舀種勺深度逐漸變大，舀種勺舀取的種子越多，有利于穴播器的充種效果，漏播率下降，合格率逐漸上升。當(dāng)舀種勺深度過大時(shí)，舀種勺容積增大，舀種勺舀取種子量過多，重播率逐漸上升，合格率逐漸下降。
4.5 參數(shù)優(yōu)化
為得到最佳的試驗(yàn)因素水平，結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件，通過式（13）~（15）回歸方程模型優(yōu)化求解。以穴粒數(shù)合格率最大，漏播率和重播率最小為目標(biāo)，結(jié)合各因素試驗(yàn)取值邊界條件，建立參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為
由上文可知，舀種勺深度為2.5~3.5mm，過橋槽夾角為55~65°，穴播器角速度為2 ~ 6 rad/s。將其代入式（16）可知：當(dāng)舀種勺深度為2.75mm、過橋槽夾角為56.56°、穴播器角速度為2.71 rad/s 時(shí)，穴粒數(shù)合格率為94.27%，漏播率為5.67%，重播率為0.06%。
5 臺(tái)架試驗(yàn)
為驗(yàn)證直流充種舀種勺結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對穴播器排種性能的影響，對最優(yōu)參數(shù)的直流充種舀種勺進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)地點(diǎn)為甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實(shí)驗(yàn)室，直流舀種勺和聚種斜槽通過3D打印，材料為尼龍，精度為0.1 mm，如圖19。試驗(yàn)裝置為JPS-12型排種器性能試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)種間距測量精度為±2mm, 如圖20。等試驗(yàn)臺(tái)工作一定時(shí)間，穴播器角速度穩(wěn)定之后開始計(jì)數(shù)，進(jìn)行6組共記錄300組數(shù)據(jù)，并計(jì)算出排種合格率、漏播率和重播率。試驗(yàn)結(jié)果見表5。
圖19 種群直流舀種式胡麻精量穴播器
圖20 穴播器臺(tái)架試驗(yàn)
表5 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果
由表5可知，穴粒數(shù)合格率平均值為89.00%，漏播率平均值為8.33%，重播率平均值為2.67%。最佳工作參數(shù)組合下的舀種勺作業(yè)性能滿足胡麻精量穴播對穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率的要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證種群直流舀種式胡麻精量穴播器的實(shí)際排種性能，將舀種勺舌式胡麻精量穴播器與種群直流舀種式胡麻精量穴播器進(jìn)行臺(tái)架對比試驗(yàn)。設(shè)置穴播器角速度分別為2.6、2.8、3.0、3.2、3.4 rad/s，兩種舀種勺參數(shù)采用試驗(yàn)得出最佳參數(shù)，試驗(yàn)指標(biāo)為排種合格率，漏播率和重播率，每組進(jìn)行3次，取平均值，試驗(yàn)方法同上，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。
表6 兩種穴播器試驗(yàn)結(jié)果對比
由表6可知，穴播器角速度在 2.6、2.8、3.0、3.2、3.4 rad/s時(shí)，安裝直流舀種勺的穴播器相比安裝勺舌式舀種勺的穴播器，排種合格率整體上升，最大可提高3.39個(gè)百分點(diǎn)；漏播率和重播率整體下降，漏播率最大下降2.68個(gè)百分點(diǎn)；重播率最大下降2個(gè)百分點(diǎn)。由此可見，直流舀種勺的排種效果優(yōu)于勺舌式舀種勺的排種效果。
6 結(jié)論
（1）本文設(shè)計(jì)了一種種群直流舀種式胡麻精量穴播器。通過對穴播器工作原理和聚種斜槽聚種、擾種左右理論分析，確定聚種斜槽垂直高度為30mm，傾角為50°，寬度為70mm，滑種側(cè)板垂直高度為20mm，寬度為3mm；舀種勺高度為 30mm，過橋槽高度為3mm，長度為30mm。
（2）通過二次旋轉(zhuǎn)正交組合仿真試驗(yàn)分析舀種勺深度、過橋槽夾角和穴播器角速度對排種性能的影響，試驗(yàn)得到，最優(yōu)參數(shù)組合: 舀種勺深度為2.75mm、過橋槽夾角為56.56°、排種輪角速度為2.71rad/s，此時(shí)穴粒數(shù)合格率為 94.27%，漏播率為5.67%，重播率為0.06%。
（3）將最優(yōu)參數(shù)組合舀種勺3D打印制作進(jìn)行排種性能臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：穴粒數(shù)合格率平均值為89.00%，漏播率平均值為8.33%，重播率平均值為 2.67%，其臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果基本一致；臺(tái)架對比試驗(yàn)表明，在不同作業(yè)速度下，安裝直流舀種勺的穴播器相對于安裝勺舌式舀種勺的穴播器合格率最大可提高3.39個(gè)百分點(diǎn)，漏播率最大可下降2.68個(gè)百分點(diǎn)，重播率最大可下降2 個(gè)百分點(diǎn)，表明種群直流舀種式胡麻精量穴播器更適于胡麻穴播。
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文章摘自：李輝,趙武云,石林榕,等.種群直流舀種式胡麻精量穴播器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1-13[2024-09-08].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1964.s.20240729.1333.013.html.
