指夾式玉米精量排種器導種投送運移機理分析與試驗

王金武 唐 漢 王金峰 沈紅光 馮 鑫 黃會男

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

指夾式玉米精量排種器導種投送運移機理分析與試驗

王金武 唐 漢 王金峰 沈紅光 馮 鑫 黃會男

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

為研究指夾式玉米精量排種器籽粒投送運移規律，提高排種器導種性能，建立了導種投送過程的運動學和動力學模型，分析了各因素對運移穩定性及投送落種軌跡的影響。采用多因素二次通用旋轉組合試驗研究了工作轉速和傾斜角對排種均勻穩定性的影響，運用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗數據進行優化分析得到其最佳工作條件。在此基礎上，運用鏡面反射成像原理，搭建了排種軌跡測定試驗臺，結合高速攝像與圖像目標追蹤技術對落種籽粒軌跡運移規律進行了研究。試驗結果表明，在工作轉速為15～45 r/min、傾斜角為0°工況下，籽粒正面軌跡及側面軌跡的水平位移隨工作轉速增加而增加，株距變異系數隨工作轉速增加而降低；當工作轉速大于35 r/min時，籽粒軌跡及落點位置分布逐漸離散，株距變異系數明顯增加，其正面水平位移穩定在12.9～14.3 mm內，側面水平位移穩定在3.7～4.8 mm內，平均株距變異系數為15.13%。在工作轉速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°工況下，軌跡投種角隨傾斜角的增加而減小，其整體角度穩定在66.4°～79.6°內。該研究為優化設計指夾式玉米精量排種器關鍵部件及配套導種管提供了參考。

玉米； 指夾式精量排種器； 導種投送； 機理； 試驗

引言

精密播種是利用精密播種機械將籽粒精準定量地播入土壤預定位置的先進技術[1]，播種過程中籽粒在田間分布規律是由精準株距、播深和行距所組成的三維空間坐標所決定。精密排種器作為實現精密播種技術的核心部件，是國內外學者研究的重點與熱點[2-4]。指夾式玉米精量排種器是一種通過夾持充種、振動清種、柔性導種及零速投種等多項環節共同作用進行播種作業的機械式排種器[5]，因具有結構簡單、破損率低、適應性好等優點被廣泛應用于精密播種技術中。

目前國內外學者對指夾式玉米精量排種器的研究主要集中于取種執行部件的理論研究與改進設計[6-8]，以提高其夾持單粒率，但對導種投送環節的相關研究較少。運移導種系統作為排種器最終作業部件，位于配套導種管上端，其將籽粒穩定投送至導種管壁將導種和投送環節串聯為一體，其性能及運移規律直接影響機具播種質量。目前國內指夾式玉米精量排種器導種性能仍不穩定，籽粒與系統間存在滑移現象，運移過程中易造成籽粒在排種器與導種管連接處及導種管壁內發生碰撞異位，籽粒間運動自振幅度差異將導致籽粒由導種管投入種床時無法完全抵消與播種機具間的相對速度差，籽粒落入種床時間也各不相同，影響播種作業精度及穩定均勻性，造成實際田間作業無法得到理想播種性能[9-11]。因此，探究排種器導種投送機理，分析影響導種系統運移性能的主要因素，對排種器關鍵部件及配套導種管的優化設計具有實際意義。

近些年高速攝像與圖像目標追蹤技術在農業工程領域廣泛應用，為玉米籽粒導投運移規律的研究提供了良好平臺與手段[12-14]。本研究以所設計的指夾式玉米精量排種器為研究載體[5]，對其運移投送機理進行分析，建立導種投送過程的運動學和動力學模型，研究各因素對運移穩定性及投送軌跡的影響。在此基礎上，采用多因素試驗分析工作轉速與傾斜角對排種均勻穩定性影響，并運用鏡面反射成像原理，搭建排種軌跡測定試驗臺，結合高速攝像與圖像目標追蹤技術對玉米籽粒的三維空間位移進行測定分析，歸納投送落種軌跡分布，研究籽粒軌跡運動規律。

1 導種投送運移機理分析

1.1 排種器結構與工作原理

指夾式玉米精量排種器結構如圖1所示，主要由排種軸、指夾壓盤、調控凸輪、指夾盤(取種指夾和微調彈簧)、排種盤、導種端蓋、導種帶、導種帶輪(Ⅰ、Ⅱ)、清種毛刷和導種護罩等部件組成，其工作過程分為充種、清種、導種和投種4個串聯階段，具體工作原理見文獻[5]。

圖1 指夾式玉米精量排種器結構圖Fig.1 Structure diagram of pickup finger precision seed metering device1.充種蓋 2.指夾壓盤 3.排種盤 4.清種毛刷 5.取種指夾6.微調彈簧 7.導種帶 8.導種帶輪 9.排種軸 10.調控凸輪11.窺視膠墊 12.驅動鏈輪 13.導種端蓋 14.護罩殼體 Ⅰ—充種區 Ⅱ—夾持區 Ⅲ—清種區 Ⅳ—投種區

1.2 平穩運移導種系統

為減緩高速播種過程中籽粒與導種管及土壤間的彈跳碰撞作用，提高播種精準度、均勻性和橫縱直線度，降低投種點高度，在排種器后側設計配置平穩導種系統，與播種機具工作末端導種管柔性配合，充分利用導種管引向作業，以二次投種方式抵消籽粒落入種溝瞬間的相對速度，實現籽粒的平穩運移投送，如圖2所示(圖中未標注配套導種管)。圖中D為玉米種植株距，mm；v0為機具前進速度，m/s；ω為排種軸旋轉角速度，rad/s。

圖2 平穩運移導種系統結構簡圖Fig.2 Structure diagram of steady migratory guiding seed system1.導種口 2.導種帶 3.排種軸 4.導種帶輪Ⅰ 5.導種護罩6.導種帶輪Ⅱ Ⅰ—導種運移區 Ⅱ—投種拋送區 Ⅲ—空轉行程區

排種器導種系統主要由導種帶、導種帶輪(Ⅰ、Ⅱ)及導種護罩等部件組成。其中導種帶作為導種系統的核心工作部件，直接影響排種器平穩運移作業性能(籽粒運移均勻性和投送軌跡)。導種帶采用橡膠材料制作，其兩側設有微型種帶護板，避免運動中因離心力及機械震動產生籽粒的相對滑移，其圓周上均勻等距配有12個傾斜導種葉片，與兩側護罩構成12個封閉導種室。根據導種系統作用區域將其分為導種運移區、投種拋送區和空轉行程區3個階段。

在導種過程中，排種軸驅動導種帶輪Ⅰ(主動帶輪)與導種帶輪Ⅱ(從動帶輪)同步轉動，單粒籽粒由導種口進入導種室內，隨導種帶整體進行逆時針旋轉運移，籽粒被平穩運送至投種點處進行反向投種拋送，減少與機具間相對速度，實現第1次籽粒運移作業。籽粒經導種帶投送，在自身重力及導種管柔性接引作用下落入導種管內，通過導種管引向實現低位零速投種，實現第2次籽粒運移作業。

本文主要對排種器導種系統作業機理進行研究，建立運移投送過程運動學及動力學模型，對籽粒運移均勻性及精準度進行測定，得到其最佳工作條件，并結合高速攝像與圖像目標追蹤技術對籽粒投送軌跡分布進行測定提取，為導種系統及配套對接導種管優化設計奠定理論基礎。

1.3 導種運移力學分析

為研究導種運移階段籽粒平穩性，對此階段籽粒運動狀態進行力學分析，研究籽粒與導種葉片間相對平衡且不被甩離的臨界條件。以排種軸旋轉中心為坐標原點O，建立空間直角坐標系XYZ，如圖3所示。當單粒籽粒由導種口進入導種室內，隨導種帶逆時針旋轉運動，對玉米籽粒進行受力分析，籽粒受到導種帶離心力Fc、導種葉片支持力FN、導種葉片摩擦力Fs和籽粒自身重力G所組成的空間力系共同作用。

圖3 導種運移過程受力分析圖Fig.3 Diagram of mechanical analysis in guiding seed phase

若保證籽粒與導種葉片間相對平衡，避免籽粒被甩離導種葉片影響拋送落種狀態，在導種帶轉動平面XOZ沿籽粒相對葉片滑移方向各力間應滿足

F′c+Gcosφ+FNcos(π-β-φ)≤Fscosβ

(1)

其中

(2)

式中m——籽粒質量，mgφ——導種葉片相對旋轉角，(°)β——導種葉片結構傾斜角，(°)μ——籽粒與導種葉片間摩擦因數R1——導種帶輪Ⅰ半徑，mmF′c——玉米籽粒所受離心力切向分量，其分量夾角較小，大小近似為離心力，N

將式(1)和式(2)合并可得

mω2R1+Gcosφ≤mgsinβ(μcosβ+cos(β+φ))

(3)

為求解臨界滑移狀態下排種轉速極限值，將式(3)進行整理得

(4)

由于排種器整體結構一定(見文獻[5])，即其導種帶輪Ⅰ半徑R1為50～60 mm，葉片旋轉角φ為60°～110°，葉片傾斜角β≤22.3°，將以上參數代入式(4)中，可得在工況條件下，當排種器工作轉速小于49.5 r/min時，籽粒與導種帶間保持相對靜止平衡狀態，不發生相對滑移。因此，在后續多因素試驗中所設定工作轉速因素水平值將小于此臨界值，以尋求最佳因素組合條件。

1.4 籽粒投送落種位移分析

玉米籽粒在三維空間中投送落種軌跡是研究導種投送運移機理的重要參考，合理的運移軌跡有利于導種系統第1次投送至導種管時，籽粒速度大小及方向的平穩過渡，保證籽粒流對應順序及間隔一致，減少籽粒與管壁間彈跳碰撞，提高籽粒著床時均勻性及精準性。因此，對導種系統投送后籽粒落種軌跡進行分析。

當單粒籽粒在投種點處被拋送離開傾斜導種葉片時，在平行于導種帶轉動平面(正面)籽粒將產生與機具前進方向相反、初速度為vx的正向水平勻速運動，在重力作用下籽粒將產生豎直向下的勻加速運動(加速度g=9.8 m/s2)，同時由于籽粒質心在導種帶上位置與導種帶中心線位置具有一定偏差，投送瞬間將受到離心力分量突變，在垂直于導種帶轉動平面(側面)籽粒將產生初速度為vy的側向水平勻速運動，綜合上述因素共同作用，籽粒投送落種軌跡為空間三維拋物線。

圖4 投送過程運動學分析Fig.4 Kinematics analysis in dropping seed phase

對投送落種過程玉米籽粒進行運動學分析，在導種帶轉動平面建立直角坐標系XPZ，坐標原點P與初始投種點相重合，在垂直于轉動平面建立直角坐標系YQZ，坐標原點Q與導種帶中心點相重合，如圖4所示。籽粒的運動軌跡為

(5)

其中

(6)

式中X——正面水平方向位移，mmY——側面水平方向位移，mmZ——豎直方向位移，mmθ——籽粒投送速度與水平間夾角，(°)t——籽粒投送運動時間，sv1——導種帶線速度，m/svx——投種速度正面水平方向分量，m/svy——投種速度側面水平方向分量，m/svz——投種速度豎直方向分量，m/s

忽略投送過程中空氣阻力影響，根據動量定理可得

(7)

將式(5)～(7)合并，進行整理可得籽粒空間軌跡位移為

(8)

式中t0——籽粒脫落導種帶葉片所用時間，sR2——導種帶輪Ⅱ半徑，mm

通過對導種投送運移過程進行動力學與運動學分析可知，當排種器導種系統整體結構一定時，導種系統對籽粒運移投送穩定性及落種軌跡主要與排種器工作轉速、籽粒投送速度與水平間夾角、籽粒脫落導種帶時間等因素有關，影響著播種精準性與均勻性。因此，在后續試驗階段，將通過多因素試驗研究導種系統工況下運移精準性及均勻性，并結合高速攝像與圖像目標追蹤技術對籽粒投送落種軌跡分布進行測定提取。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

試驗材料為黑龍江省廣泛種植的“德美亞1號”玉米品種，經人工分級清選處理，保證供試籽粒飽滿、無損傷及蟲害，測定其千粒質量為281.12 g，密度均值為1.154 g/cm3，平均幾何尺寸為：長度9.27 mm、寬度7.40 mm、厚度4.11 mm(對100粒籽粒進行測量取平均值)。

2.2 試驗條件

試驗地點為東北農業大學排種性能實驗室，試驗裝置主要由JPS-12型排種器性能檢測試驗臺(黑龍江省農業機械工程科學研究院)、Phantom V9.1高速攝像儀(美國Vision Research公司，Nikon鏡頭，圖像處理程序為Phantom控制軟件)、指夾式玉米精量排種器、PC計算機(美國惠普HP公司)、空間網格面板和反射鏡面板等搭建組成，如圖5所示。

圖5 排種軌跡測定試驗臺Fig.5 Test platform for dropping trajectory measurement1.排種試驗控制器 2.計算機 3.種床運行電動機 4.噴油泵 5.指夾式精量排種器 6.空間網格面板 7.排種驅動電動機 8.圖像采集處理裝置 9.種床帶 10.傳動系統 11.安裝臺架 12.反射鏡面板 13.臺架傾斜手柄 14.高速攝像儀

為便于對排種器導種系統工作性能及玉米籽粒運移軌跡進行分析，將導種系統進行可視化處理，將原有金屬護罩改為有機玻璃材質，并將排種器固定在安裝臺架上。試驗時，種床帶相對于排種器反向運動，模擬播種機前進運動狀態，噴油泵將油噴于種床帶上，玉米籽粒從排種口落至涂有油層的種床帶上，通過攝像處理裝置進行實時檢測并采集數據，以實現準確測量各項排種性能指標[15-17]。

為防止拍攝角度對籽粒軌跡位移數據采集時產生影響，將高速攝像儀固定于水平位置。為得到籽粒拋送過程中實際位移變化，應保證各組試驗中高速攝像儀與籽粒運動平面的垂直距離一致，在籽粒運動平面內放置丁字尺作為標定。為全面分析運移過程中玉米籽粒的三維空間位移量，應從導種帶轉動平面(正面)和垂直于轉動平面(側面)進行拍攝，僅依靠一臺高速攝像儀無法完成三維空間上的數據采集。因此根據鏡面反射成像原理，設計空間網格面板和反射鏡面板間呈135°夾角定位，模擬三維空間坐標系XYZ，在空間網格面板粘貼單位刻度為5 mm的坐標網格紙，以便高速攝像對玉米籽粒三維空間位移量進行測定，減少因儀器不足帶來的不便，提高試驗測量精確度。

2.3 試驗方法

由上述導種運移投送機理分析可知，籽粒運移投送穩定性及落種運動軌跡與排種器工作轉速、投送速度與水平間夾角、籽粒脫落導種帶時間等因素有關。鑒于籽粒脫落時間極短(各組試驗近似相同)且難以控制，為提高臺架試驗可操作性及準確性，本研究選取工作轉速及投種水平角度為試驗因素，分別進行多因素排種穩定性試驗和單因素高速攝像投送落種軌跡測定試驗。通過調節JPS-12型排種試驗臺電動機變頻器頻率控制排種器工作轉速平穩運轉，將投種水平角度轉換為排種器導種系統投種端面與臺架水平面間夾角(即傾斜角)，通過控制臺架傾斜手柄調節排種器傾斜角。

為研究導種系統投種穩定性與均勻性，采用二因素五水平通用旋轉組合試驗研究排種器最佳作業性能，根據前期理論分析、單因素預試驗及田間實際播種作業需求，配合各因素可控有效范圍，設定試驗因素水平如表1所示。參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，選取試驗指標為合格指數和變異系數，以評價排種器排種穩定性。試驗時，通過排種器性能檢測試驗臺數據采集系統對各工況下性能指標進行測定，保證各組試驗測定籽粒數量超過1 000粒，其他各項參數保持恒定。

表1 試驗因素編碼
Tab.1 Factors and levels of experiments

編碼試驗因素工作轉速x1/(r·min-1)傾斜角x2/(°)1.41445.012.0140.68.5030.00-119.4-8.5-1.41415.0-12.0

在此基礎上，結合高速攝像與圖像目標追蹤技術對較優工況下籽粒三維空間投送軌跡分布進行測定提取，采用單因素試驗研究各傾斜角(-12°～12°)及工作轉速(15～45 r/min)對落種軌跡的影響。試驗時，高速攝像儀正對空間網格面板擺放，對空間網格面板和反射鏡面板內玉米籽粒位移進行測定，觀察并分析導種系統對玉米籽粒的運移投送軌跡特性，每組試驗重復3次，對100粒玉米籽粒下落位移進行統計，單因素角度調節如圖6所示。

2.4 籽粒軌跡追蹤后處理

圖6 單因素傾斜角試驗Fig.6 Single-factor tests at different tilt angles

軌跡測定過程中，設定高速攝像儀拍攝幀率為1 000幀/s，采集域為512 mm×512 mm，曝光時長為990 μs，調整排種器工作轉速和傾斜角至指定值進行試驗，通過攝像機將所采集籽粒運動軌跡圖像實時存儲于計算機內，待試驗結束后保存為.cin格式視頻文件。利用Phantom控制軟件主系統窗口對視頻文件進行圖像目標追蹤，并提取不同幀圖像中玉米籽粒質心點坐標，繪制出各工作條件下玉米籽粒拋送軌跡。由于兩幀圖片間過渡時間較短，對種子質心點坐標值進行處理時存在一定誤差，因此將兩幀圖片間距調大些，減少因數據采集造成的誤差。

圖7 高速攝像籽粒坐標點測定Fig.7 Coordinate measurement of corn grains by high-speed photography

3 試驗結果與分析

3.1 多因素試驗結果與分析

試驗方案與結果如表2所示，試驗參數設計值與實際值誤差小于1.3%，可近似以排種器工作轉速和傾斜角的設計值對結果進行分析。

通過Design-Expert 6.0.10軟件對試驗數據回歸分析，進行因素方差分析，篩選出較為顯著影響因素，進而得到性能指標與因素編碼值間回歸方程。

(9)

表2 試驗方案與結果
Tab.2 Design and results of tests

序號試驗因素性能指標工作轉速X1傾斜角X2合格指數y1/%變異系數y2/%11176.5616.5921-177.1316.213-1-183.9213.844-1184.3414.1851.414078.0117.076-1.414088.969.01701.41479.9518.1180-1.41480.5618.5690083.2314.03100082.8714.47110083.0113.56120081.9213.29130082.5514.04

(10)

為直觀地分析試驗指標與因素間關系，運用Design-Expert 6.0.10軟件得到響應曲面，如圖8所示。

圖8 各因素對試驗性能參數的響應曲面Fig.8 Response surfaces of seeding qualified index to factors

根據上述回歸方程和響應曲面圖可知，排種器工作轉速與傾斜角間存在交互作用。由圖8a可知，當傾斜角一定時，合格指數隨工作轉速增加而降低；當工作轉速一定時，合格指數隨傾斜角增加而先增加后降低；當工作轉速變化時，合格指數的變化區間較大，因此工作轉速是影響合格指數的主要因素。由圖8b可知，當傾斜角一定時，變異系數隨工作轉速增加而增加；當工作轉速一定時，變異系數隨傾斜角增加而先降低后增加；當傾斜角變化時，變異系數的變化區間較大，因此傾斜角是影響變異系數的主要因素。

在此基礎上，為得到試驗因素最佳水平組合，即排種器最佳工作參數組合，對試驗進行優化設計。建立參數化數學模型，結合試驗因素的邊界條件，對合格指數和變異系數回歸方程進行分析，得到其非線性規劃的數學模型為

風選系統正常運轉后，可提高商品煤品類精度，但相應的排矸量也相應增加，勢必減少商品煤總量，這就需要進行項目經濟性對比分析，從而佐證項目經濟性和可行性。經對風選實驗時商品煤質量情況進行測定，結合市場價格情況和具體資金投入等進行綜合分析計算，來測算項目的經濟效益。

(11)

當工作轉速為27.6 r/min，傾斜角為0.2°時，排種器作業性能最優，排種穩定性及均勻性最好，其合格指數為87.03%，變異系數為10.98%。根據優化結果進行試驗驗證，合格指數為86.92%，變異系數為10.02%，與優化結果基本一致，誤差在可接受范圍內。在實際作業過程時，在保證播種質量的同時應提高排種器作業效率，同時減少其傾斜程度。本試驗主要通過多因素試驗研究排種器導種系統作業過程中運移穩定性及均勻性，探求其最佳工作條件，為單因素試驗測定籽粒投送落種軌跡奠定基礎。

3.2 單因素試驗結果與分析

結合高速攝像與圖像目標追蹤技術，以排種器工作轉速和傾斜角為試驗因素進行單因素試驗，對不同工況條件下投送落種軌跡進行測定分析。將各幀圖片內籽粒質心點坐標值記錄到Excel軟件中，即可得出不同工作狀態下籽粒運移規律與趨勢。圖9為傾斜角-12°、0°、12°，工作轉速15～45 r/min工況條件下玉米籽粒運移投送落種坐標分布。

圖9 籽粒坐標位置概率分布圖Fig.9 Probability distribution graphs of corn grain coordinates

3.3 工作轉速對運移投送軌跡影響

當工作轉速為15～45 r/min、傾斜角為0°時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩定在1.1～17 mm內，側面軌跡水平位移整體穩定在0.7～5.9 mm內，且各組試驗中籽粒與導種帶間均未發生相互滑移。分析可知，工作轉速對運移投種軌跡具有顯著性影響，各投種軌跡曲線均為正態分布。在傾斜角-12°～12°范圍內均表現為：隨工作轉速增加，導種帶及玉米籽粒線速度水平分量逐漸增加，籽粒拋物線軌跡開口變大，其正面水平位移與側面水平位移隨之增大。

當工作轉速為15～35 r/min、傾斜角為0°時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩定在1.1～12.9 mm內，側面軌跡水平位移整體穩定在0.7～4.8 mm內，籽粒運移投送軌跡及落點位置較集中，波動性較小，株距間變異系數較小。工作轉速大于35 r/min時，籽粒軌跡及落點位置分布逐漸離散，株距變異系數明顯增加，此時正面水平位移穩定在12.9～14.3 mm內，側面水平位移穩定在3.7～4.8 mm內。在各組試驗中，籽粒側向位移受工作轉速影響較大，側向軌跡分布離散不均，籽粒正面水平位移變異系數均小于側面水平位移坐標。造成此種現象的主要原因可能是隨工作轉速增加，排種器側向振動增大，導致籽粒在慣性作用下與排種殼體間發生輕微碰撞，造成籽粒運動軌跡變化。

對工作轉速為15～45 r/min、傾斜角為0°工況時籽粒投種角及株間變異系數進行測定分析，結果如表3所示。分析可知，投種角和株間變異系數隨工作轉速增加而減小，籽粒軌跡投種角整體穩定在62.3°～80.7°內，株間變異系數整體穩定在8.99%～17.97%內。通過SPSS軟件對兩者的相關系數進行顯著性檢驗，其伴隨概率P皆小于0.01，投種角Yt和株間變異系數Yc隨工作轉速變化的回歸方程決定系數R2分別為0.943和0.982，其相關函數分別為

Yt=-0.607 9x+90.95

(12)

Yc=-0.003 6x2+0.486 5x+2.960 2

(13)

表3 各工作轉速下投種角與株間變異系數測定結果
Tab.3 Measurement results of dropping seed angle and variation coefficient at different rotational speeds

工作轉速/(r·min-1)軌跡投種角均值/(°)變異系數均值/%1580.78.992078.611.862575.913.163074.114.283571.815.234065.716.434562.317.97

3.4 傾斜角對運移投送軌跡影響

當工作轉速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩定在2～45 mm內，側面軌跡水平位移整體穩定在1.1～5.1 mm內。當工作轉速30 r/min，傾斜角小于-8°或大于8°時，籽粒與導種帶發生輕微滑移運動，影響運移軌跡穩定分布。

分析可知，傾斜角對運移投種軌跡具有顯著性影響。在試驗過程中傾斜角的變化使得籽粒并未在同一位置進行初始投種，投種點在0～4 mm高度范圍內波動，對籽粒正面水平軌跡影響相對較小，落點位置較集中，對側面水平落點位置影響較大，軌跡波動性較大。造成此種現象的主要原因可能是隨傾斜角改變，籽粒投種角發生較大變化，且不同初始投種點導致初速度不同，在投種下落過程中籽粒姿態發生改變，使得運動軌跡側面位移增大，穩定性下降。

對工作轉速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°工況下籽粒投種角及株間變異系數進行測定分析，結果如表4所示。分析可知，投種角隨傾斜角的增大而減小，株間變異系數隨傾斜角增大而先減小后增大，籽粒軌跡投種角整體穩定在66.4°～79.6°，株間變異系數整體穩定在14.28%～18.26%內。投種角Yt和株間變異系數Yc隨傾斜角變化的回歸方程決定系數R2分別為0.978和0.974，其相關函數分別為

Yt=-0.513 4x+73.557

(14)

Yc=-0.024 7x2+0.020 4x+14.605

(15)

表4 各傾斜角下投種角與株間變異系數測定結果
Tab.4 Measurement results of dropping seed angle and variation coefficient at different tilt angles

傾斜角/(°)軌跡投種角均值/(°)變異系數均值/%-1279.617.87-877.016.03-475.715.19074.114.28472.414.94869.716.711266.418.26

4 結論

(1)以指夾式玉米精量排種器為研究載體，對其導種運移投送機理進行分析，建立導種投送過程的運動學及動力學模型，分析各因素對運移穩定性及投送落種軌跡的影響。

(2)采用多因素二次通用旋轉組合試驗研究排種器工作轉速及傾斜角對排種均勻穩定性的交互影響，運用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗結果進行分析，對回歸數學模型進行多因素優化。試驗結果表明，當工作轉速為27.6 r/min，傾斜角為0.2°時，排種器排種穩定性及均勻性最優，合格指數為86.92%，變異系數為10.02%，驗證了排種器運行工作參數的合理性。

(3)運用鏡面反射成像原理，搭建了排種軌跡測定試驗臺，結合高速攝像與圖像目標追蹤技術對投送落種過程中玉米籽粒三維空間位移進行測定分析，以工作轉速和傾斜角為試驗因素進行了籽粒投送軌跡運移規律的研究。試驗結果表明，在工作轉速為15～45 r/min、傾斜角為0°工況下，籽粒正面軌跡及側面軌跡的水平位移隨工作轉速增加而增加，株距變異系數隨工作轉速增加而降低；當工作轉速大于35 r/min時，籽粒軌跡及落點位置分布逐漸離散，株距變異系數明顯增加，其正面水平位移穩定在12.9～14.3 mm內，側面水平位移穩定在3.7～4.8 mm內，平均株距變異系數為15.13%。在工作轉速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°工況下，軌跡投種角隨傾斜角的增加而減小，其整體角度穩定在66.4°～79.6°內。

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Analysis and Experiment of Guiding and Dropping Migratory Mechanism on Pickup Finger Precision Seed Metering Device for Corn

WANG Jinwu TANG Han WANG Jinfeng SHEN Hongguang FENG Xin HUANG Huinan

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

In order to improve the guiding migration performance of pickup finger precision seed metering device, the steady migratory mechanism of guiding-seed system was studied. The kinematics and dynamics models of guiding-seed and dropping-seed processes were established based on its working principle. The influences of various factors on dropping trajectory and migration stability were analyzed. The quadratic general rotary unitized design was carried out by taking the rotational speed of seed meter and tilt angle as experiment factors, and the seeding qualified index and variation coefficient as experiment indexes. Based on experimental data, a mathematical model was built by using the Design-Expert 6.0.10 software, and the experiment factors were optimized, the best combination was achieved. On this basis, a kind of dropping trajectory measuring test platform was designed and built based on the theory of mirror reflection. And then the three-dimensional space velocities of the falling corn were measured and analyzed by high-speed photography and target tracking technology. The single factor tests for factors, including rotational speed and tilt angle, were carried out and the corresponding regression equations were obtained by analysis. Experimental results showed that when the rotational speed was between 15 r/min and 45 r/min and the tilt angle was 0°, the horizontal displacements of trajectories of frontal and profile dropping seed were increased with the increase of rotational speed and the variation coefficient of seeding was decreased with the increase of rotational speed. As the rotational speed was greater than 35 r/min, the trajectories and landing positions of corn grains were gradually discrete and the variation coefficient of seeding was significantly increased, and its horizontal displacements of frontal trajectory were stabilized within the range of 12.9～14.3 mm, the horizontal displacements of profile trajectory were stabilized within the range of 3.7～4.8 mm, and the average variation coefficient was 15.13%. The dropping seed angle was decreased with the increase of tilt angle at rotational speed of 30 r/min and tilt angle of -12°～12°. The results can provide guidance and direction for the research of mechanical precision seed metering device and its seed tube.

corn； pickup finger precision seed metering device； guiding and dropping seed； mechanism； experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.005

2016-09-20

2016-11-20

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04)

王金武(1968—)，男，教授，博士生導師，主要從事田間機械及機械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

王金峰(1981—)，男，副教授，主要從事田間作業機械研究，E-mail: jinfeng_w@126.com

S223.2

A

1000-1298(2017)01-0029-09