精量播種機V型凹槽撥輪式導種部件設計與試驗

趙淑紅 陳君執 王加一 陳佳奇 楊 超 楊悅乾

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

精量播種是利用播種機械將籽粒精準定量地播入土壤預定位置的技術，由仿形、開溝、排種、導種、覆土、鎮壓等多個工作部件和作業環節共同作用完成[1-3]。近些年，國內外學者對精量播種技術及相關部件進行了深入研究，要求排種器排種精量、導種管投送均勻、仿形機構靈活平穩、開溝器溝形及深度一致、覆土器覆土穩定、鎮壓器壓力一致，各部件綜合控制以滿足播種農藝要求。相對而言，對機具導種部件的研究較少，因籽粒與導種管壁彈跳碰撞造成的不規則運動是田間植株分布不均的主要原因之一[4-5]，影響排種器投送籽粒精準性與穩定性，導致籽粒落入種床瞬間無法完全抵消與機具相對速度差，使得作業時無法達到理想性能指標。

目前國內較常用導種部件以金屬卷片管、可伸縮塑料管及硬質弧形管為主，由于自身缺陷、設計不合理及制造不規范等問題，使得籽粒在管內運動隨機性較大，粒距均勻性較差[6]。賈洪雷等[7]采用水流與機械配合方式設計多種類型導種裝置，減少了因籽粒彈跳產生的不均問題；楊麗等[8]提出一種機械式玉米籽粒導送機構及精確投種方法，通過帶輪傳送提高播種均勻性與平穩性；劉立晶等[9]采用三維逆向工程技術改進了弧形導種管；王樂等[10]采用高速攝像技術分析了籽粒在弧形導種管內運動規律。上述學者分別從部件結構、參數優化及影響因素等方面對各類導種部件進行了研究，但其整體適用范圍較局限，高速作業質量有待提高，無法完全滿足實際精量播種作業。因此設計結構簡單合理、可主動調整排種后籽粒運動狀態的新型導種部件，對提高精量播種作業穩定性具有重要意義。

在工作過程中，由于籽粒與部件間的彈跳、碰撞及滑移等作用關系較復雜，還無法完全通過理論來分析因素間的相互作用。近些年隨著虛擬仿真技術的發展應用，離散元法(Discrete element method，DEM)及其軟件EDEM[11-12]為研究部件-籽粒間相互作用的宏觀及微觀變化規律、優化部件作業性能提供了良好平臺與手段。將試驗設計方法與離散元虛擬仿真技術相結合，對導種部件進行參數優化，對機具性能改善與生產推廣具有重要意義。

在此背景下，為提高導種投送均勻性與穩定性，設計一種V型凹槽撥輪式導種部件，建立導種部件-玉米籽粒間離散元模型，運用EDEM軟件對導種環節進行虛擬仿真，分析各參數對導種性能的影響，并通過高速攝像測定試驗、性能對比試驗及振動適應試驗檢驗設計的合理性，以期為精量播種技術及配套導種管的研制提供理論方法。

1 導種部件設計與分析

1.1 主要結構與工作原理

圖1 V型凹槽撥輪式導種部件Fig.1 V-groove dialing round type guiding-seed device1.勺式玉米排種器 2.柔性撥種輪 3.V型凹槽導種管

如圖1所示，V型凹槽撥輪式導種部件主要由V型凹槽導種管、柔性撥種輪及配套電控傳動系統(包括電源適配器及自編Arduino控制器，獨立驅動柔性撥種輪以固定比例與排種器同步轉動)等部件組成。導種管整體采用高壓聚乙烯樹脂材料制成，基于對多種玉米籽粒尺寸測定，設計其橫截面為V型凹槽形狀，沿導種曲線形成V型軌道。柔性撥種輪采用橡膠材料制成，其圓周邊線為弧形斜切分種曲線，保證相鄰兩弧形葉片間形成喇叭口狀分種空間，并通過電控傳動系統驅動其旋轉，調節排種下落過程中籽粒運動狀態，使籽粒在V型軌道內穩定滑移。

為減緩作業過程中籽粒與導種管壁及種床土壤碰撞，在排種區域內配置V型凹槽撥輪式導種部件，充分利用其投送分種作用，以二次投種方式減小或抵消籽粒落入種溝瞬間的相對速度，實現籽粒的平穩投送。以勺式玉米排種器為排種載體，正常作業時，排種器取種凹勺逆時針旋轉取種及排種[13]，撥種輪通過電控傳動系統以固定比例轉速進行旋轉，所排出的籽粒經撥種輪反向分種，調整緩沖下落過程中籽粒軌跡及速度，將籽粒接引至導種管V型軌道內穩定滑移，籽粒在自身重力及導種管導引作用下平穩調節并落入種床，實現相對投種，通過各環節共同作用提高機具播種均勻性與穩定性。

1.2 結構設計與機理分析

V型凹槽撥輪式導種部件主要通過柔性撥種輪和V型凹槽導種管實現柔性分種及平穩滑移，保證籽粒等時有效的均勻投送。根據最速降線理論對導種管滑移導種曲線進行設計，綜合對多種籽粒大小的適應性確定V型凹槽橫截面尺寸，通過對籽粒平穩分種臨界狀態的力學分析研究撥種輪主要尺寸，以提高整體導種均勻性及穩定性。

1.2.1滑移導種曲線

滑移導種曲線是導種部件核心元素之一，在設計中應重點分析其對籽粒等時均勻性的影響，減少籽粒在管內運動時間，平衡機具前進方向相對速度，避免落至種床時，與土壤造成異位彈跳。因此本文重點對其滑移導種曲線進行研究分析[14]，在簡化導種曲線結構參數的同時，保證籽粒穩定滑移。

為分析籽粒在導種管內平穩滑移狀態，采用平面解析法對其導種曲線進行研究。滑移導種曲線主要由傾斜直引線、最速降線曲線及兩者光滑過渡線組成，對應將導種管分成傾斜直引導種段和最速降線導種段。其中傾斜直引導種段尺寸較小，主要引送柔性撥種輪分種后的籽粒至最速降線導種段平穩運動，約束柔性撥種輪分種空間范圍，根據排種器初始投種角[15]確定其參數，在此設定其引線傾角為β=75°。本文重點對后半段最速降線導種曲線進行設計分析，圖2所示為根據實際導種滑移過程籽粒運動情況抽象的模型示意圖，其中狀態Ⅰ為撥種輪柔性分種，狀態Ⅱ為導種管平穩滑移。

圖2 滑移導種曲線分析Fig.2 Analysis of guiding-seed curve

籽粒經撥種輪分種、傾斜直引導種段過渡進入最速降線導種段起始位置Q處，并平穩滑移至投種點M處，其滑移所經歷的最短路徑即為最速降線曲線。以導種管起始端口為坐標原點O，機具前進相反方向為X軸，豎直向下方向為Y軸，建立直角坐標系XOY。根據最速降線理論簡化此段導種曲線，即經坐標原點的拋物線，曲線方程為y=ax2+bx，其中a、b為曲線方程系數。對滑移過程中籽粒運動狀態進行分析，則

(1)

式中m——籽粒質量，g

g——重力加速度，m/s2

α——導種曲線切線傾角，(°)

φ——籽粒與導種管壁摩擦角，(°)

FN——導種管壁對籽粒支持力，N

FS——導種管壁與籽粒摩擦力，N

假設在平穩滑移過程中摩擦力FS所做的功為A，滑移軌跡微元為ds，當籽粒滑移高度為h時(其最大值為最速降線管段豎直高度H2，導種管整體高度H為傾斜直引線管段豎直高度H1與最速降線管段豎直高度H2之和)，其橫向位移為

(2)

式中h——籽粒滑移豎直高度，mm

當籽粒由最速降線導種段起始位置Q(xq，yq)滑移至投種點M(xm,ym)處過程中，完成全程最速降線滑移運動，即在坐標系中其滑移高度為h=H(實際滑移高度為H2)，此時摩擦力做功A可表示為

(3)

由能量守恒定律可知，籽粒在全程最速降線導種管段滑移過程中，其狀態與垂直位移、初始速度及最終速度相關，即

(4)

其中

式中vq——籽粒初始滑移速度，m/s

vm——籽粒終止投送速度，m/s

將式(2)～(4)合并化簡得

(5)

其中

將上述參數代入最速降線導種曲線方程中，可得

(6)

此時導種曲線投種點M處切線傾角為

(7)

通過上述理論分析可知，通過對最速降線導種段起始位置Q、初始滑移速度、籽粒與導種管壁摩擦角、導種管豎直高度等參數設定和計算，即可推導出導種曲線投種點切線傾角。假設機具盡量實現相對零速投種，即投種點M處水平分速度vmx與機具前進速度大小相等，即vmx=v0。籽粒初始滑移速度與撥種輪分種線速度(即排種器工作轉速)有關，因此當排種器結構參數一定時，導種部件最速降線截曲線主要由機具前進速度、排種器工作轉速及投種點切線傾角等參數決定。以勺式玉米排種器為例，根據實際測定及參考相關文獻可知[16]，其工作轉速ω1為15～50 r/min，經撥種輪以固定比例轉速變換調整籽粒滑移初始速度；參考東北地區玉米種植農藝要求，其播種株距S為200～300 mm，常規播種機具前進速度v0為3～9 km/h；根據常規播種機具排種器與開溝器位置關系，設計導種管總豎直高度為H=450 mm，最速降線導種管段豎直高度為H2=315 mm，籽粒投種點M的坐標值為(125，450) mm。將上述參數代入式(7)中，即可得導種曲線投種點切線傾角α為 27.63°～58.71°，在虛擬試驗階段將重點對此參數進行優化研究。

1.2.2V型凹槽截面

為保證籽粒在管內平穩滑移，減少其彈跳、翻滾及碰撞等現象，導種管橫截面采用V型凹槽結構設計，由其橫截面沿導種曲線掃描成型，通過籽粒自身重力調整其在V型軌道內平穩滑移，實現有序均勻排列投送，如圖3所示。由于玉米籽粒形狀、尺寸具有一定差異性，為防止滑移過程中發生卡滯現象，在V型底角處設計R5圓角平滑過渡，避免出現尖銳邊角。為防止籽粒由投種口落入種床內發生擴散問題，通過預試驗研究可知，籽粒多集中于投種點半徑20 mm范圍內，因此對導種部件末尾端部進行收縮設計，保證播種質量的同時防止異物進出。其主要結構參數為V型凹槽橫截面高度L、寬度W和夾角θ。

圖3 V型凹槽橫截面示意圖Fig.3 Diagram of cross section of V-groove

為提高導種管對多種玉米品種的適應范圍，改善籽粒滑移運動的流暢性，對相關參數進行優化約束。若V型凹槽尺寸過大，將無法約束籽粒滑移運動，增加其彈跳碰撞概率；尺寸過小，易造成籽粒卡滯、堵塞現象。兼顧其對不同品種適應性，選取種植范圍較廣且尺寸等級不同的3種類型玉米品種[17](東農253、德美亞1號及豐和7號)為參考，對各品種隨機抽取500粒，測定其外形尺寸(長、寬、厚)分別為9.14～11.35 mm、7.01～9.24 mm、5.99～8.70 mm。以籽粒總體平均幾何尺寸參數為依據并參考文獻[18]，設定V型凹槽橫截面基本參數所遵循原則為

(8)

根據式(8)設計V型凹槽橫截面高度為L=56 mm，寬度為W=22.5 mm，對其末尾端部進行收縮設計。為簡化加工難度，綜合考慮籽粒質心分布及平衡調節狀態，設計其V型夾角為θ=60°。

玉米籽粒在V型軌道內的自身平衡調節直接影響其滑移狀態及投種軌跡。籽粒在V型軌道內的滑移狀態主要為3種：橫向滑移(圖3中狀態Ⅰ)、立向滑移(圖3中狀態Ⅱ)、縱向滑移(圖3中狀態Ⅲ)。結合籽粒質心分布特點可知，籽粒以縱向狀態Ⅲ滑移投送最穩定，為理想滑移狀態。對此狀態進行力學分析，如圖3所示。當籽粒經撥種輪分種進入V型凹槽并在軌道內滑移時，由于V型軌道對稱結構，保證籽粒在縱向截面內左右支持力FN1、FN2與圓角反向作用力P相對平衡，其中左右支持力FN1和FN2合成為總支持力FN，在橫向截面內總支持力FN、籽粒與軌道摩擦力FS和重力G沿滑移運動法線方向相對平衡，整體力系控制籽粒自身在三維空間內穩定運動，即使籽粒以其他狀態滑移或發生微小彈跳也將進行自身調整，逐漸保持縱向平穩運動。實際應用作業時，將在導種管內壁上涂抹一定鉛粉，減少相對運動產生摩擦，后續高速攝像試驗過程中將對籽粒運移狀態進行觀測驗證。

1.2.3柔性撥種輪

在導種管入口端部配置柔性撥種輪，通過電控傳動系統驅動其旋轉，經排種器拋出的籽粒落于柔性撥種輪上，調節下落過程中籽粒狀態，并進入V型軌道內平穩滑移。其中撥種輪結構決定籽粒分種狀態，尺寸決定分種空間，尺寸過大將影響導種管整體尺寸及配置關系，尺寸過小將無法有效完成分種作業。以目前市場常用的勺式玉米排種器為排種載體，綜合考慮撥種輪結構尺寸及工作轉速，同時保證撥種輪分種與排種器排種頻率協調，要求其兩者轉動角速度成固定比例(角速度過大影響作業穩定性，角速度過小影響作業效率)，籽粒投種線速度一致，且撥種輪葉片與排種器取種凹勺(18個取種凹勺)數量成比例。對比分析撥種輪配置3、6、9個弧形葉片結構狀態(葉片間隔角度分別為120°、60°、40°)，即當葉片間隔角度為120°時，葉片間距過大，撥種輪配套轉速過大，易造成籽粒與葉片的投送碰撞；當葉片間隔角度為40°時，撥種輪整體尺寸一定時，葉片間距較密集，弧形分種空間過小，影響單粒籽粒分種效果。因此綜合分析選取撥種輪為6個彈性橡膠弧形葉片(與排種器工作轉速呈整數比例3∶1運轉)，并獨立設置控制系統驅動撥種輪轉動，以適應分種作業。撥種輪葉片邊線由內凹形圓弧和外凸形圓弧組合而成，整體圓周形成弧形切斜分種曲線，保證相鄰兩弧形葉片間形成喇叭口狀分種空間[19]。撥種輪采用橡膠制造，減少籽粒落入時彈跳現象，防止造成機械損傷。且撥種輪工作轉速不應過大，減小其往返慣性力，使其工作平穩且無振動。

圖4 柔性撥種輪分種臨界力學分析Fig.4 Critical mechanical analysis of dialing round1.導種輪 2.V型凹槽 3.柔性撥種輪 4.傳動軸

為研究柔性撥種輪分種過程中平穩性，分析籽粒在柔性撥種輪上保持相對平衡且不被甩離的臨界條件，保證籽粒平穩運送入V型軌道內，對此階段籽粒的運動狀態進行力學分析。如圖4所示，當單粒籽粒隨柔性撥種輪運動至V型軌道臨界點時，籽粒主要受各力綜合作用，若保證籽粒與撥種輪間相對平衡，避免籽粒被甩離影響后續導種滑移作業，則力系整體應滿足

(9)

式中Ff——籽粒與撥種輪葉片間摩擦力，N

Fc——撥種輪對籽粒離心力，N

Fn——撥種輪葉片對籽粒支持力，N

μ——籽粒與撥種輪間摩擦因數

δ——撥種輪相對旋轉角，(°)

ω2——撥種輪旋轉角速度，rad/s

r0——撥種輪有效半徑，mm

為求解臨界甩離狀態下撥種輪有效半徑，將式(9)進行整理簡化可得

(10)

由于排種器在一定工作轉速范圍內進行作業，撥種輪以3∶1比例轉速進行作業，其相對旋轉角δ為40°～100°，將上述參數代入式(10)中，并綜合考慮導種部件整體結構，設計撥種輪有效半徑r0=24 mm，可保證籽粒與撥種輪間相對平衡，不發生相對滑移。

通過對導種部件關鍵結構研究可知，影響其導種均勻性及穩定性的主要因素為機具前進速度、排種器工作轉速及導種曲線投種點切線傾斜角度，因此在后續虛擬仿真及試驗過程中，將重點對相關運行參數及結構參數進行分析，優化整體部件作業性能。

2 離散元模型建立與仿真過程分析

2.1 離散元模型建立

2.1.1導種部件模型建立

為合理有效地進行仿真模擬，選取勺式玉米排種器為排種載體，配置所設計導種部件，隱藏去除與籽粒運動過程中接觸無關的部件，應用三維制圖軟件Pro/E對機具進行實體建模(比例1∶1)，以.igs文件格式導入EDEM軟件中，如圖5所示。根據物理樣機試制特點，設置排種器取種凹勺及后側導種圓盤材料屬性為鋁合金，泊松比為0.42，剪切模量為1.7×1010Pa，密度為2 700 kg/m3。導種管材料為高壓聚乙烯樹脂，泊松比為0.35，剪切模量為2.45×108Pa，密度為1 600 kg/m3。柔性撥種輪材料為橡膠，泊松比為0.45，剪切模量為1.5×109Pa，密度為1 300 kg/m3。

圖5 導種部件幾何模型Fig.5 Geometric model of guiding-seed device1.勺式玉米排種器 2.柔性撥種輪 3.V型凹槽導種管

2.1.2顆粒模型建立

為真實模擬導種部件-籽粒間作用關系，還原田間播種投送籽粒至種床的真實狀態，分別建立土壤及籽粒離散元顆粒模型，并設定其相關邊界參數。根據文獻[20]將土壤顆粒簡化為球狀，設置其粒徑尺寸為2～5 mm，且尺寸大小呈正態分布。選取德美亞1號玉米籽粒為供試品種，通過人工分級清選處理，測定籽粒的三軸平均幾何尺寸(長×寬×高)為9.27 mm×7.40 mm×4.11 mm，建立三維模型并運用EDEM軟件多球面組合方式填充，根據試驗測定及文獻中結果[21]，設置籽粒泊松比為0.35，剪切模量為2.17×107Pa，密度為1 250 kg/m3。

2.1.3其他仿真參數設定

將導種部件幾何模型和顆粒模型導入EDEM軟件中，通過其前處理模塊(Creator)依次對接觸力學作用關系和顆粒工廠進行設置。由于籽粒表面無粘附作用，因此選擇Hertz-Mindlin無滑動模型為虛擬試驗過程中籽粒間及籽粒與部件間接觸模型[22]。為模擬實際田間播種作業狀態，運用EDEM軟件建立虛擬土槽，設置EDEM顆粒工廠以1 000個/s的速率生成初速度為零的籽粒模型，總量為1 500粒，生成籽粒模型的總時間為1.5 s，保證有充足籽粒進行仿真。

2.2 虛擬仿真過程與分析

在虛擬作業過程中，設置導種部件位于土槽一側進行初始作業，根據實際作業狀態及玉米播種農藝要求，以某一常規工況為例進行仿真，分析其各環節導種狀態。設置機具前進速度為6 km/h，排種器工作轉速為30 r/min，撥種輪工作轉速為90 r/min，導種曲線投種點切線傾角為45°。為保證仿真的連續性，設置其固定時間步長為5.76×10-5s(即Rayleigh時間步長的10%)，總時間為25 s，網格單元尺寸為5 mm，為顆粒平均半徑的2倍，以便對后續數據精準處理。

圖6所示為三維空間xyz內播種系統虛擬仿真作業狀態，對導種管路進行虛隱化處理，以便觀察分析籽粒被拋送、分種、滑移及投種過程狀態。以單一玉米籽粒為研究對象，圖片疊加并以流線型(stream)狀態顯示，圖中彩色流線表示被跟蹤籽粒運動軌跡，其不同顏色表示其運動速度的變化，即可清晰表示籽粒各環節運動狀態。通過仿真可知，籽粒由排種器拋出，經柔性撥種輪分種降低其運動速度，同時保證籽粒以撥種輪切線分速度在V型軌道內平穩滑移，其滑移速度范圍為3.67～9.17 m/s，且多數籽粒以線接觸形式進行自身滑移并調整狀態，并未發生彈跳及碰撞現象。

圖6 EDEM虛擬導種作業Fig.6 EDEM simulation of guiding-seed process

在此基礎上，為量化所設計導種部件的導種均勻性及穩定性，參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》和JB/T 10293—2001《單粒(精密)播種機技術條件》，選取合格指數及變異系數為試驗指標，其中變異系數是評價導種穩定性的指標，合格指數是評價排種器及導種部件整體均勻性的指標。其計算公式為

(11)

(12)

式中S——合格指數，%

C——變異系數，%

n0——單粒排種數，個

N——理論排種數，個

n′——樣本穴距總數，個

x——理論播種穴距，mm

在此工況下，進行3組重復虛擬仿真排種試驗，利用EDEM軟件Ruler工具測定籽粒間株距，代入式(11)、(12)計算試驗指標，取平均值得到其合格指數為93.31%，變異系數為7.21%，證明運用虛擬仿真測定相關性能的合理性與可行性。在后續虛擬試驗過程，將正交旋轉試驗方法與虛擬仿真技術相結合，重點優化導種部件作業性能，探究運行參數與結構參數對指標的影響規律。

3 EDEM虛擬仿真試驗與分析

3.1 虛擬仿真試驗設計

為研究各工況下導種部件性能變化規律，分析影響作業均勻性及穩定性的主要因素，得到理想參數組合，在前期虛擬模型建立及數值模擬分析基礎上，進行EDEM正交旋轉虛擬仿真試驗研究。

根據前期理論分析及實際作業狀態可知，影響導種部件作業質量主要因素為機具前進速度、排種器工作轉速及導種曲線投種點切線傾角。結合前期理論分析、單因素預試驗及常規播種作業狀態，設定試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Coding of experimental factors

圖7 各因素對合格指數的響應曲面Fig.7 Response surfaces of factors on qualified index

3.2 試驗結果分析與優化

在此基礎上，采用三因素五水平二次正交旋轉組合設計多因素優化虛擬試驗方案，根據所得數據進行結果分析，并對影響指標的主要因素進行顯著性分析。每組試驗重復3次，連續記錄虛擬土槽上穩定工作狀態下所投出籽粒，其他各項參數保持恒定，數據處理取平均值作為試驗結果。具體試驗方案與結果如表2所示，其中x1、x2、x3為因素編碼值。

表2 試驗方案與結果Tab.2 Schemes and results of experiments

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，得到性能指標與因素編碼值間回歸方程

(13)

(14)

圖8 各因素對變異系數的響應曲面Fig.8 Response surfaces of factors on coefficient of variation

為直觀地分析指標與因素間關系，運用Design-Expert 6.0.10軟件得到響應曲面，如圖7和圖8所示。

在作業指標滿足精量播種且保證籽粒在導種管內平穩滑移的前提下，對各因素影響規律進行分析，根據相關回歸方程和響應曲面中的等高線分布密度可知，機具前進速度、排種器工作轉速及導種曲線投種點切線傾角間存在交互作用，且對合格指數和變異系數影響均較顯著。由圖7a可知，當前進速度一定時，合格指數隨工作轉速增加而降低；當工作轉速一定時，合格指數隨前進速度增加而增加；當工作轉速變化時，合格指數變化區間較大，因此工作轉速對合格指數影響更顯著。由圖7b可知，當工作轉速一定時，合格指數隨切線傾角增加而降低；當切線傾角一定時，合格指數隨工作轉速增加而增加；當工作轉速變化時，合格指數變化區間較大，因此工作轉速對合格指數影響更顯著。由圖7c可知，當前進速度一定時，合格指數隨切線傾角增加而增加；當切線傾角一定時，合格指數隨前進速度增加而先增加后降低；當前進速度變化時，合格指數變化區間較大，因此前進速度對合格指數影響更顯著。綜上分析，對合格指數影響顯著性由大到小依次為：工作轉速、前進速度、切線傾角。

由圖8a可知，當前進速度一定時，變異系數隨工作轉速增加而先降低后增加；當工作轉速一定時，變異系數隨前進速度增加而增加；當工作轉速變化時，變異系數變化區間較大，因此工作轉速對變異系數影響更顯著。由圖8b可知，變異系數皆隨工作轉速與切線傾角增加而先降低后增加，當工作轉速變化時，變異系數變化區間較大，因此工作轉速對變異系數影響更顯著。由圖8c可知，當前進速度一定時，變異系數隨切線傾角增加而先降低后增加；當切線傾角一定時，變異系數隨前進速度增加而增加；當切線傾角變化時，變異系數變化區間較大，因此切線傾角對變異系數影響更顯著。綜上分析，對變異系數影響顯著性大小依次為：工作轉速、切線傾角、前進速度。

在此基礎上，為得到試驗因素最佳水平組合，對試驗進行優化設計。建立參數化數學模型[23]，結合試驗因素的邊界條件，滿足高速播種作業要求，同時提高機具整體作業質量，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

(15)

基于Design-Expert 6.0.10軟件中的多目標參數優化(Optimization)模塊對數學模型進行分析求解，可得當前進速度為7.69 km/h、工作轉速為29.47 r/min、切線傾角為46.10°時，導種均勻性及穩定性最優，根據優化結果進行虛擬試驗驗證，合格指數為92.05%，變異系數為8.00%。

4 臺架試驗

為驗證基于離散元仿真的V型凹槽撥輪式導種部件優化設計的準確性，采用3D打印技術對所設計導種部件進行加工[24]，在試驗工況下分別進行高速攝像測定試驗、性能對比試驗及振動適應試驗，檢驗其設計合理性。

4.1 試驗材料與條件

試驗地點為東北農業大學排種性能試驗室。試驗材料為尺寸等級不同的3種類型玉米品種(東農253、德美亞1號及豐和7號，其中高速攝像測定試驗及振動適應試驗選用中間尺寸等級的德美亞1號籽粒，性能對比試驗選用3種類型籽粒)，經人工分級清選處理，保證供試籽粒形狀均勻及無損傷蟲害。試驗裝置主要包括勺式玉米排種器(選取應用較廣的指夾式玉米排種器、氣吸式玉米排種器進行對比試驗)、V型凹槽撥輪式導種部件(選取應用較廣的可伸縮塑料導種管、弧形導種管及無導種管進行對比試驗)、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，改造配置凸輪式振動軸)、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)和計算機(美國惠普公司)等，如圖9所示。

圖9 排種性能試驗臺Fig.9 Test bed of seeding performance experiments1.勺式玉米排種器 2.安裝臺架 3.電控傳動系統 4.V型凹槽撥輪式導種部件 5.噴油泵 6.種床帶 7.照明燈 8.高速攝像儀 9.驅動電動機 10.凸輪式振動軸

在試驗過程中，排種器固定于安裝臺架上，安裝臺架下配置凸輪式振動軸(臺架整體可進行振動試驗)，種床帶相對于排種器反向運動，模擬播種機具實際前進狀態，噴油泵將黏性油液噴于種床帶上，同時電控傳動系統以比例轉速獨立驅動撥種輪進行自身旋轉(配置電源適配器及自編Arduino控制板，可根據排種器工作轉速變化進行撥種輪實時控制，控制流程如圖10所示)，籽粒從導種管投種點落至涂有油層的種床帶，通過試驗臺圖像采集處理系統進行實時檢測并采集數據，以準確測定各項性能指標。其中籽粒在管內滑移狀態通過高速攝像試驗進行分析，性能對比試驗通過檢測試驗臺所配置圖像采集系統自動處理，在不同振動工況下導種管適應情況通過調整臺架振動頻率及振幅進行研究。

圖10 電控傳動系統控制流程圖Fig.10 Schematic diagram of electric drive system

4.2 試驗內容與方法

分別開展高速攝像測定試驗、性能對比試驗及振動適應試驗研究，重點監測籽粒在導種管內滑移狀態、臺架性能指標、導種適應性及外界振動條件下導種穩定性。在高速攝像測定試驗中，在所仿真優化的工況下(前進速度為7.69 km/h，工作轉速為29.47 r/min，切線傾角為46.10°)進行測定試驗研究。在性能對比試驗中，開展V型凹槽撥輪式導種管對不同玉米品種適應性試驗；在排種器工作轉速為15～45 r/min工況下，對比研究其與可伸縮塑料導種管、弧形導種管及無導種管4種狀態的作業質量；同時選取指夾式玉米排種器及氣吸式玉米排種器對V型凹槽撥輪式導種管開展試驗。在振動適應試驗中，根據試驗數據采集及文獻[25-27]，同時避免田間作業過程中不確定因素，模擬常規工況下振動情況，開展臺架振動試驗研究。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1高速攝像測定試驗

為便于對籽粒滑移狀態進行測定分析，對導種管壁進行可視化處理，其側臂材質采用透明有機玻璃材質。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[28]。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籽粒位置。

圖11 高速攝像籽粒測定Fig.11 Measuring of maize grains by high-speed photography

為準確記錄籽粒導種滑移過程中狀態變化，以排種器初始投種點O為坐標原點，分別在其正向及45°方向對其運動狀態進行觀察，如圖11所示。通過數據采集及觀察可得，籽粒由排種器拋出，經撥種輪分種將其送至V型凹槽內，通過滾動、滑移等接觸進行自身調整，籽粒以分種初速度沿V型軌道開始滑移，當滑移至導種管中部時可實現重心穩定平衡狀態，保持此狀態進行投送。對200粒籽粒滑移狀態進行統計分析，可知籽粒以縱向滑移平穩狀態占81.25%，極少數籽粒在管內不規則碰撞及翻滾，證明了所設計V型凹槽作用的有效性。

4.3.2性能對比試驗

為研究V型凹槽撥輪式導種管對不同類型玉米品種適應性及穩定性，選取等級不同的3種類型玉米籽粒為研究對象，在所優化工況下(前進速度為7.69 km/h，工作轉速為29.47 r/min)開展3次重復試驗，進行數據處理取平均值作為試驗結果，如表3所示。

由表3可知，導種管對3種玉米品種適應性皆滿足精密播種農藝要求，其中對德美亞1號(呈中扁馬齒型)導種均勻性最好，撥種輪分種效果良好；東農253(呈大扁馬齒型)在導種過程易出現彈跳現象，降低其作業穩定性。

表3 品種適應性試驗結果Tab.3 Results of suitability experiments %

為進一步對比所設計導種管作業性能，分別選取可伸縮塑料導種管、弧形導種管及無導種管進行臺架對比研究。在工作轉速為15、20、25、30、35、40、45 r/min工況下進行臺架試驗，選用上述3種類型玉米品種進行臺架試驗，其余條件不變，各組試驗重復3次取整體平均值作為試驗結果，如表4所示。

表4 臺架對比試驗結果Tab.4 Results of seeding performances experiments %

注：數據為各種導種狀態對3種不同尺寸等級玉米籽粒作業平均值，前進速度表示種床帶反向運動速度，即播種機具前進速度。

由表4可知，在相同工況下(15～45 r/min)，各類導種管隨工作轉速的變化規律一致，即隨工作轉速增加合格指數逐漸降低，變異系數逐漸增加。所設計的V型凹槽撥輪式導種管可適用于不同尺寸等級的玉米籽粒，其合格指數與無導種管狀態基本相同，但變異系數優于其他3種狀態；工作轉速為45 r/min時，所設計導種管的變異系數較可伸縮塑料導種管、弧形導種管、無導種管提高了41.87%、30.55%、28.34%，具有較優的導種均勻性與穩定性。

在此基礎上，分別選取美國Precision Planting公司生產的指夾式玉米排種器和意大利馬斯奇奧公司生產的氣吸式玉米排種器為對比排種載體[29-30]，配置V型凹槽撥輪式導種管進行對比試驗研究。在常規工況下(工作轉速為15～45 r/min)，選取數量相同的3種玉米籽粒混合均勻進行臺架試驗，重復3次試驗進行數據處理。試驗結果表明，工作轉速為45 r/min時，指夾式玉米排種器配置所設計的導種管時合格指數為82.60%，變異系數為14.67%；氣吸式玉米排種器配置所設計的導種管時合格指數為86.41%，變異系數為9.01%。對比分析可知，所設計的V型凹槽撥輪式導種管可適于多種類型玉米排種器，其綜合作業質量優劣順序為氣吸式玉米排種器、勺式玉米排種器、指夾式玉米排種器，但適播范圍及穩定性相對較優，播種變異系數明顯改善，與國內玉米籽粒機械播種的現狀相適應，滿足精量播種作業要求。

4.3.3振動適應試驗

為研究因外界地表或機架等產生的振動對導種性能影響，參考國內外排種振動試驗方案，綜合外界田間試驗在時間及空間等方面約束，且由于不同區域地形的不確定因素無法控制(如振動頻率f、振動幅度A等)，選取臺架振動試驗替代常規田間試驗，在工況下進行振動適應試驗研究。在前進速度為7.69 km/h，工作轉速為29.47 r/min，切線傾角為46.10°，振動幅度為1、2、3、4、5、6、7 mm，振動頻率為1、2、3、4、5、6、7 Hz工況下開展單因素試驗，探討振動對導種均勻性及穩定性的影響，同時觀察各振動條件下籽粒滑移狀態變化。各組試驗重復3次取平均值作為試驗結果，如圖12所示。

圖12 振動參數對導種性能的影響Fig.12 Effects of vibration on guiding-seed performance

由圖12a可知，隨振動幅度增加，合格指數先增加后降低，變異系數逐漸增加。當振動幅度為1～3 mm時，對兩指標影響顯著性較小；當振動幅度大于3 mm時，合格指數急劇降低，變異系數急劇增加，即導種均勻性及穩定性受到較大影響；當振動幅度達到7 mm時，合格指數為85.39%，變異系數為12.03%。通過觀察管內籽粒狀態可知，隨振動幅度逐漸增加，籽粒在V型軌道滑移過程中發生微小彈跳，自平衡姿態調整緩慢，滑移波動性較大，導致籽粒未完全調整即滑離投種點。

由圖12b可知，隨振動頻率增加，合格指數先增加后降低，變異系數逐漸增加。當振動頻率為1～4 Hz時，導種性能基本保持穩定；當振動頻率大于4 Hz時，合格指數急劇下降，變異系數急劇增加，即導種均勻性及穩定性受到較大影響；當振動頻率為7 Hz時，合格指數達到85.70%，變異系數達到13.49%。通過觀察管內籽粒狀態可知，隨振動頻率逐漸增加，在V型軌道滑移過程中由于慣性作用籽粒與管壁碰撞頻率增加，線接觸轉換為點接觸滑移，

使得籽粒運動平穩性下降，造成籽粒運動軌跡及落種位置分布逐漸離散，變異系數明顯增加。

5 結論

(1)設計了一種V型凹槽撥輪式導種部件，對其滑移導種曲線、V型凹槽和柔性撥種輪進行結構設計與機理分析，提高了投種均勻性及穩定性。

(2)依據離散元法建立導種部件-玉米籽粒間作用模型，運用EDEM軟件對導種投送環節進行虛擬仿真，以機具前進速度、排種器工作轉速和導種曲線投種點切線傾角為試驗因素，合格指數與變異系數為試驗指標，采用虛擬二次正交旋轉試驗方法建立了因素與指標間數學模型，運用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗結果進行處理。采用多目標變量優化方法建立了優化模型。結果表明，當機具前進速度、排種器工作轉速和導種曲線切線傾角分別為7.69 km/h、29.47 r/min和46.10°時，導種均勻性及穩定性最優，其合格指數為92.05%，變異系數為8.00%。

(3)開展了高速攝像測定試驗、性能對比試驗及振動適應試驗。試驗結果表明，多數籽粒在導種管內以平穩狀態滑移，極少數出現不規則碰撞及翻滾；所設計的導種部件對不同類型玉米籽粒適應性良好，且其合格指數與無導種管狀態基本相同，變異系數優于可伸縮塑料導種管、弧形導種管及無導種管，可適用于勺式、指夾式和氣吸式玉米排種器；工作轉速為45 r/min時，所設計導種管的變異系數較可伸縮塑料導種管、弧形導種管、無導種管提高了41.87%、30.55%、28.34%；在振動幅度為1～3 mm、振動頻率為1～4 Hz工況下，振動幅度及頻率對導種部件作業均勻性影響較小。

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