預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器設(shè)計與試驗

蘇 微 洪方偉 賴慶輝 賈廣鑫 陳子威

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

0 引言

甘蔗是我國重要的糖料作物。云南省甘蔗種植面積26萬公頃，位列全國第2位，甘蔗種植是農(nóng)民的重要經(jīng)濟(jì)來源。目前，云南省甘蔗種植依舊以人工作業(yè)為主，其勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低，迫切需要研發(fā)一種適合云南省甘蔗種植農(nóng)藝的甘蔗種植機(jī)[1-5]。根據(jù)云南省甘蔗種植地塊面積小、配套拖拉機(jī)功率小的特點(diǎn)，結(jié)合農(nóng)民在農(nóng)閑時對蔗種進(jìn)行砍蔗、優(yōu)選、浸種、排序等工序，設(shè)計一種預(yù)切種式排種器，以提高甘蔗出苗率及其種植效率，對實現(xiàn)云南省甘蔗種植機(jī)械化具有重要意義。

排種器是種植機(jī)的核心部件，目前甘蔗排種器主要分為實時切種式和預(yù)切種式兩類，其中預(yù)切種式排種器具有出苗率高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)[6]。

對于預(yù)切種式排種器國內(nèi)外已有大量研究。澳大利亞Massey Ferguson、P&HBonel和美國GESSNER等公司針對凹板提升式排種器進(jìn)行了研究，開發(fā)并推出了相應(yīng)的甘蔗種植機(jī)，其排種器通過在升運(yùn)鏈上設(shè)置凹板實現(xiàn)排種，但存在排種不均、漏充重充現(xiàn)象嚴(yán)重、耗種量大等問題[7-9]。為此，國外學(xué)者對提升式排種器進(jìn)行了相關(guān)研究和改進(jìn)，通過增加重力清種機(jī)構(gòu)、改進(jìn)夾板結(jié)構(gòu)等方式改善了排種器排種效果，但漏充嚴(yán)重的問題依然存在[10-16]。印度KAMAL KISAN公司研制了一種輥式排種器，利用排種輥進(jìn)行充種，其自動化程度高、工作性能較好，但作業(yè)速度較低，并且時有堵種現(xiàn)象發(fā)生。我國學(xué)者針對振動盤式、槽輪式、單輥排種式預(yù)切種排種器進(jìn)行了研究[17-22]，取得了較好的排種效果，但仍然存在漏充問題，且機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。上述研究的凹板提升式排種器雖然結(jié)構(gòu)簡單、排種效率高，但是凹板對蔗種適應(yīng)性差、待充蔗種亂序，導(dǎo)致排種器工作時充種性能差和易堵塞的問題未能從根本上解決。因此，用種勺取代傳統(tǒng)凹板來提高蔗種的適應(yīng)性，并使待充蔗種有序排列，成為實現(xiàn)蔗種高效排種的關(guān)鍵。

針對云南省甘蔗種植現(xiàn)狀及預(yù)切種種植機(jī)漏充現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，設(shè)計一種預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器，以期通過優(yōu)化分析種勺結(jié)構(gòu)來提高排種效果，并通過設(shè)置隔離板有效改善排種器亂種現(xiàn)象，從而為甘蔗種植機(jī)的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器試驗臺主要由排種器、種層高度調(diào)節(jié)裝置及支架組成，如圖1a所示。排種器部分主要由角度調(diào)節(jié)裝置、隔離板、主種箱、護(hù)種罩、升運(yùn)鏈、種勺、清種器組成；種層高度調(diào)節(jié)裝置主要由副種箱和撥種器組成。

圖1 預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematics of test stand structure of pre-cutting and spoon seed-metering device for sugarcane1.電機(jī)Ⅰ 2.支架 3.電機(jī)Ⅱ 4.角度調(diào)節(jié)裝置 5.隔離板 6.主種箱 7.護(hù)種罩 8.升運(yùn)鏈 9.種勺 10.清種器 11.副種箱 12.撥種器 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.護(hù)種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

1.2 工作原理

排種器工作前，將蔗種橫向放入主種箱中，升運(yùn)鏈在電機(jī)Ⅰ提供的動力驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，帶動種勺轉(zhuǎn)動從主種箱中取種，當(dāng)種勺進(jìn)入充種區(qū)時，蔗種在蔗種間、種箱-蔗種和種勺-蔗種的共同作用下充入種勺，完成充種過程。蔗種在種勺中繼續(xù)向上運(yùn)動進(jìn)入清種區(qū)，當(dāng)種勺中有多根蔗種時，在清種器和機(jī)械振動的共同作用下將多余的蔗種清出種勺，清出的蔗種落到主種箱的隔離板上，完成清種過程。蔗種繼續(xù)隨種勺運(yùn)動，在護(hù)種罩的作用下通過護(hù)種區(qū)進(jìn)入投種口，蔗種依靠自身重力掉落，完成投種過程。

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

2.1 種勺

預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器主要通過種勺從種群中分離蔗種，因此種勺是該排種器的重要工作部件。

2.1.1結(jié)構(gòu)參數(shù)

種勺的結(jié)構(gòu)參數(shù)取決于蔗種的尺寸。本文選擇云南省種植面積最大的“新臺糖22號”蔗種作為研究對象。根據(jù)在甘蔗種植過程中需保證每根蔗種上留有2個或3個種芽的農(nóng)藝要求，選擇100個蔗種進(jìn)行測量，經(jīng)統(tǒng)計，蔗種的直徑為24～36 mm，長度為298～342 mm。為此，種勺結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足

(1)

式中r——種勺半徑，mm

d——蔗種直徑，mm

C——種勺長度，mm

L——蔗種長度，mm

H——種勺深度，mm

結(jié)合蔗種尺寸，經(jīng)計算，取種勺半徑為22.5 mm，種勺深度為20 mm，種勺長度為400 mm。

2.1.2邊界曲線

在充種過程中，為使蔗種穩(wěn)定且高效地充入種勺，種勺邊界曲線選擇最速降線進(jìn)行分析[23]。

以種勺內(nèi)蔗種為研究對象，建立空間坐標(biāo)系并對其進(jìn)行受力分析，簡化蔗種沿著種勺邊界進(jìn)入種勺的曲線為拋物線，如圖2b所示，設(shè)拋物線方程為z=tx2，研究蔗種在xOz平面內(nèi)的運(yùn)動狀態(tài)，受力分析為

(2)

式中β——曲線在滑落點(diǎn)切線夾角，(°)

φ——蔗種與種勺間摩擦角，(°)

FN——種勺對蔗種支持力，N

Ff——種勺對蔗種摩擦力，N

m——蔗種質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

(3)

根據(jù)能量守恒定律有

(4)

式中vz——蔗種初始下落速度，m/s

vx——蔗種到達(dá)種勺底部時水平速度，m/s

由式(3)、(4)可得

(5)

代入拋物線方程z=tx2得到

(6)

2.1.3充種過程動力學(xué)分析

圖3 種勺中蔗種受力圖Fig.3 Stress diagram of sugarcane in seed scoop

充種過程是衡量排種器工作性能的重要指標(biāo)，充種過程中蔗種間、蔗種與種勺間及蔗種與種箱組成復(fù)雜且不斷變化的動力學(xué)系統(tǒng)。為研究種勺的設(shè)計參數(shù)，以待充蔗種為研究對象，利用達(dá)朗貝爾原理對其受力情況進(jìn)行分析，如圖3所示。

為實現(xiàn)平穩(wěn)充種，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理建立方程

(7)

式中Fc——蔗種對種勺中蔗種的側(cè)向壓力，N

Fr——蔗種慣性離心力，N

vs——升運(yùn)鏈線速度，m/s

D——鏈輪分度圓直徑，mm

α——排種器與水平面夾角，(°)

μ1——種勺與蔗種靜摩擦因數(shù)

整理得到

(8)

由式(8)可得，排種器傾角α是影響種勺能否穩(wěn)定充種的重要因素，并且與蔗種靜摩擦角φ、鏈輪分度圓直徑D、升運(yùn)鏈線速度vs有關(guān)，其中根據(jù)試驗測得μ1為0.590。代入相關(guān)參數(shù)得到α≥20.9°，即相對于垂直狀態(tài)，排種器傾角應(yīng)小于69.1°。為在臺架試驗中方便驗證排種器與水平面夾角，本文在排種器試驗臺上加入了角度調(diào)節(jié)裝置，如圖4所示。

圖4 角度調(diào)節(jié)裝置Fig.4 Schematic of angle adjusting device1.夾緊螺母 2.定位板 3.限位板 4.支撐軸

2.2 清種器

由于蔗種的尺寸差異較大，種勺設(shè)計時需要大于單根蔗種的尺寸，導(dǎo)致了可能會有多根蔗種進(jìn)入種勺。為此設(shè)計一種清種器，如圖5a所示，在保留一根蔗種在種勺的同時清出多余的蔗種。

圖5 清種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematics of seeds clearing

如圖5b，對多充的蔗種進(jìn)行受力分析，若使蔗種能夠從種勺中滾落，需有

(9)

式中γ——兩蔗種圓心連線與垂線夾角，(°)

ψ——蔗種角加速度，rad/s2

a——質(zhì)心加速度，m/s2

I——轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2

得到

(10)

由Ff=μ2mgcosγ得

(11)

(12)

式中μ2——蔗種與蔗種間滾動摩擦因數(shù)

代入相關(guān)參數(shù)后得到角度γ需大于等于16.20°才可使多充的蔗種滾落，為了降低清種器對充種的影響，取角度γ的最小值16.20°，此時清種器長度T為22 mm。

2.3 升運(yùn)鏈

升運(yùn)鏈的尺寸影響到排種器的整體結(jié)構(gòu)及工作效率，在保證實現(xiàn)基本運(yùn)動的前提下，應(yīng)能夠在一定范圍內(nèi)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)的需要，此外應(yīng)盡量選擇尺寸較小的鏈條和鏈輪以減小試驗臺整體尺寸。

在升運(yùn)鏈設(shè)計中，鏈輪的大小直接決定了升運(yùn)鏈的尺寸及工作效率。在升運(yùn)鏈工作過程中，需要保證排種器的運(yùn)行穩(wěn)定，當(dāng)蔗種在翻越主動鏈輪時，極易被甩出種勺，通過試驗發(fā)現(xiàn)在主動鏈輪上方設(shè)計有護(hù)種罩時若蔗種被甩出種勺，部分蔗種將無法順利投種，甚至被卡在護(hù)種罩與升運(yùn)鏈之間無法下落。因此對該過程進(jìn)行受力分析，得出使蔗種不被甩出種勺的最小鏈輪直徑。如圖6所示，當(dāng)蔗種翻越主動鏈輪時，蔗種受到主動鏈輪離心力Fr、種勺對蔗種的摩擦力Ff、種勺對蔗種的支持力FN及自身重力的共同作用。為了確保蔗種不被甩出，需使離心力小于重力與摩擦力分力之和，可以得到

(13)

整理可得

(14)

式中δ——種勺旋轉(zhuǎn)角，(°)

R——鏈輪半徑，mm

其中種勺最小旋轉(zhuǎn)角取30°，鏈輪最大線速度取0.5 m/s。計算得R≥0.025 m，為了適當(dāng)提高作業(yè)速度的上限并參考鏈輪標(biāo)準(zhǔn)，選擇鏈輪型號為10A18齒，半徑為43 mm。

圖6 蔗種翻越鏈輪受力分析Fig.6 Schematic of seed ejector force analysis of sugarcane seed crossing sprocket

3 單因素試驗

3.1 仿真試驗

3.1.1仿真模型的建立

為了確定種勺傾角的具體參數(shù)及種勺數(shù)量，利用EDEM軟件進(jìn)行了單因素仿真試驗。蔗種作為體積較大的模型，其形狀細(xì)節(jié)對仿真試驗結(jié)果影響較小[24]，本文按照“新臺糖22號”雙芽段蔗種平均尺寸建立蔗種輪廓模型，使用多球面填充蔗種模型得到蔗種顆粒模型，如圖7所示。

圖7 蔗種顆粒模型Fig.7 Particle model of sugarcane seed

在SolidWorks中對排種器進(jìn)行建模，為了減少仿真過程中的計算量，對模型進(jìn)行簡化處理，將排種器簡化為一條向上運(yùn)動足夠長的薄板，按照實際距離固定種勺和清種器。將模型作為幾何體導(dǎo)入EDEM中，如圖8所示。在EDEM中主種箱上方添加種子工廠用來模擬種層高度調(diào)節(jié)裝置，在主種箱中落入一定量的蔗種后薄板開始向上運(yùn)動，在本次仿真中，種層高度為種子工廠在最初的1 s內(nèi)產(chǎn)生的蔗種所堆積的高度。

圖8 排種器仿真模型Fig.8 Simulation model of seed metering device

與蔗種接觸的部件有種勺、清種器、主種箱，其中種勺和清種器為ABS塑料，主種箱為不銹鋼材料。選擇Hertz-Mindlin(no slip)作為顆粒間及顆粒與排種器間的接觸模型。經(jīng)過前期試驗和查閱文獻(xiàn)[25-26]后確定蔗種-幾何模型的本征參數(shù)及其相互之間的接觸參數(shù)，如表1所示。

表1 離散元仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of EDEM

仿真試驗中設(shè)置排種器傾角(薄板傾角)和種層高度的固定值為15°和250 mm。排種器作業(yè)速度按照傳統(tǒng)單行種植模式計算，如圖9所示。

圖9 單行種植模式Fig.9 Single-row planting model

作業(yè)速度與電機(jī)Ⅰ轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(15)

式中v——作業(yè)速度，m/s

n——電機(jī)Ⅰ轉(zhuǎn)速，r/min

N——種勺數(shù)量

λ——電機(jī)與鏈輪傳動比

M——鏈條長度，m

排種器相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 排種器相關(guān)參數(shù)Tab.2 Seed metering device related parameters

根據(jù)種勺與清種器尺寸得到種勺間的最小間距為137.5 mm，鏈條鏈節(jié)數(shù)為90 個，在保證排種效率及各種勺間距相同的前提下，種勺數(shù)量取為9、10、15、18個。將所需參數(shù)代入式(15)得到v=7.30×10-4Nn。為了保證排種器能夠在合適的作業(yè)速度下正常工作，試驗中選擇作業(yè)速度為2 km/h(即0.556 m/s)，此時薄板上升速度取值為1.020、0.918、0.612、0.510 m/s。

3.1.2種勺傾角的影響

為了保證種勺的充種效果，在種勺參數(shù)設(shè)計中將種勺傾斜一定的角度并保持上述最速降線所得角度不變(如圖10，e1、e2為種勺傾角，i1、i2為種勺入口角，使e1

圖10 種勺傾角示意圖Fig.10 Diagram of seed scoop angle

當(dāng)種勺傾角逐漸增大時，由于種勺滑落點(diǎn)切線夾角不變，種勺入口路徑逐漸變短，同時種勺深度也隨著種勺傾角的增加而降低，從而降低蔗種在種勺中的穩(wěn)定性。試驗后得到在不影響充種的情況下，種勺傾角的最大值為45°。

以充種合格指數(shù)(1根/勺)和漏充指數(shù)(0根/勺)為試驗指標(biāo)。分析種勺傾角為0°、15°、30°、45°時對充種過程的影響，每組仿真試驗統(tǒng)計100次充種過程，重復(fù)試驗3次取平均值。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 不同種勺傾角仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of different kinds of seed spoon inclination %

由表3可知，隨著種勺傾角的增加，充種合格指數(shù)先增加后減小，漏充指數(shù)均先減小后增加，種勺傾角在30°時，充種效果得到明顯提高。如圖11所示，在對種勺傾角分析后發(fā)現(xiàn)，隨著種勺傾角的增加，種勺凹槽深度存在n1>n2>n3的關(guān)系，由此可得，種勺傾角能夠通過降低種勺凹槽深度同時減少蔗種到達(dá)種勺底部所需的時間來提高種勺充種性能。當(dāng)種勺傾角為30°時，充種合格指數(shù)最高。

圖11 種勺傾角分析示意圖Fig.11 Schematic of seed spoon inclination analysis

3.1.3種勺數(shù)量的影響

種勺數(shù)量決定了種勺的間距，直接影響種勺充種的時間。種勺過少時不利于排種器排種效率的提高；種勺過多時不利于種勺充種，使漏充指數(shù)升高。

為研究種勺數(shù)量對充種性能的影響，仿真分析了種勺數(shù)量為9、10、15、18個(即種勺間距分別為275、247.5、165、137.5 mm)時的充種情況，種勺傾角取30°，其余仿真參數(shù)與前文一致，結(jié)果如表4所示。

表4 不同種勺數(shù)量時性能仿真結(jié)果Tab.4 Simulation results of different seed spoon numbers %

由表4可知，當(dāng)種勺小于等于15個時，充種合格指數(shù)和漏充指數(shù)變化不大，當(dāng)種勺大于15個時，呈現(xiàn)出合格指數(shù)減小、漏充指數(shù)增加的趨勢。主要因為種勺數(shù)量過大導(dǎo)致種勺間距減小，相同鏈輪線速度的情況下，種勺充種時間被縮短，導(dǎo)致漏充指數(shù)增加。因此取種勺數(shù)量為15個。

3.2 臺架試驗

3.2.1種層高度調(diào)節(jié)裝置

由于蔗種體積較大，在試驗時種層高度變化較大，為了保證試驗結(jié)果的真實可靠，設(shè)計了種層高度調(diào)節(jié)裝置以保證主種箱中種層高度不變，其原理為副種箱中下層的蔗種隨撥種器向前運(yùn)動，在擋種板作用下有序進(jìn)入主種箱。試驗時，預(yù)先在主種箱和副種箱內(nèi)放入蔗種，調(diào)節(jié)撥種器工作速度與排種器排種速度一致實現(xiàn)主種箱中種層高度不變，預(yù)先放置于主種箱中蔗種的種層高度即為試驗時的種層高度。

為了方便后續(xù)試驗，對兩個提供動力的電機(jī)在撥種器工作速度與排種器排種速度一致時的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了試驗。試驗方法為將電機(jī)Ⅰ固定于一轉(zhuǎn)速，測量此時排種器的排種速度(單位時間內(nèi)的平均充種數(shù))，調(diào)節(jié)電機(jī)Ⅱ轉(zhuǎn)速至蔗種從副種箱出種口撥出的平均速度與排種器的排種速度相同。每組試驗重復(fù)5次取均值，得到兩個電機(jī)轉(zhuǎn)速組合如表5所示。

表5 種層高度調(diào)節(jié)裝置電機(jī)轉(zhuǎn)速組合Tab.5 Seed layer height adjusting device motor combination

3.2.2隔離板

種勺能夠穩(wěn)定充種的前提條件是主種箱中蔗種在作業(yè)時能夠保證有序狀態(tài)。在前期試驗中發(fā)現(xiàn)部分多充的蔗種在被清種器清出種勺并落回主種箱后會導(dǎo)致原處于有序狀態(tài)的種群出現(xiàn)亂種現(xiàn)象，導(dǎo)致排種器排種中斷，如圖12所示。

圖12 亂種現(xiàn)象示意圖Fig.12 Diagram of random phenomenon

為此在主種箱中添加橡膠材質(zhì)的隔離板，起到將被清蔗種與主種箱中待充蔗種隔離并重新排序的作用。如圖13所示，影響隔離板隔離效果的因素主要為隔離板傾角b，當(dāng)隔離板傾角較大時，導(dǎo)致隔離效果降低；當(dāng)隔離板傾角較小時，易發(fā)生蔗種堆積于隔離板上并間接導(dǎo)致亂種。由于被清蔗種下落狀態(tài)受蔗種間、蔗種與隔離板、蔗種自身重力、蔗種下落角度等因素共同作用，通過對隔離板傾角進(jìn)行單因素試驗來確定最佳角度。

圖13 隔離板傾角示意圖Fig.13 Diagram of isolation board inclination

經(jīng)前期試驗得到隔離板在傾角為30°～50°時能夠起到隔離效果，以排種器是否出現(xiàn)亂種現(xiàn)象或隔離板堆積現(xiàn)象為試驗指標(biāo)，保證其他因素不變，設(shè)置隔離板傾角分別為34°、42°、50°以及無隔離板，每組試驗重復(fù)試驗3次，由于蔗種數(shù)量限制，作業(yè)速度為2 km/h時，作業(yè)時間最長為90 s，試驗結(jié)果如表6所示。

表6 不同隔離板傾角試驗結(jié)果Tab.6 Test results of inclination of different insulation boards

由試驗結(jié)果可知，亂種現(xiàn)象的出現(xiàn)具有較大的偶然性，隔離板能夠有效降低亂種現(xiàn)象發(fā)生的概率。當(dāng)隔離板傾角為42°時，隔離板的隔離效果最好。

4 性能試驗

4.1 試驗材料與設(shè)備

試驗采用云南地區(qū)廣泛種植的“新臺糖22號”蔗種，于2019年12月在昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院進(jìn)行。試驗采用自制的排種器試驗臺，如圖14所示，試驗過程中，排種器與種層高度調(diào)節(jié)裝置固定安裝在支架上，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型高速攝像機(jī)拍攝充種情況，待排種器工作穩(wěn)定后統(tǒng)計排種器進(jìn)行50個種勺的充種情況，每組試驗重復(fù)3次取平均值。

圖14 預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器試驗臺Fig.14 Test bench of pre-cutting and spoon seed-metering device for sugarcane1.護(hù)種罩 2.支架 3.高速攝像裝置 4.角度調(diào)節(jié)裝置 5.副種箱 6.隔離板 7.主種箱

4.2 試驗方法與結(jié)果

為研究作業(yè)速度、排種器傾角和種層高度對預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器工作性能的影響，基于前文研究所確定設(shè)計參數(shù)，進(jìn)一步研究各因素對排種器工作性能的影響，通過式(15)將電機(jī)Ⅰ轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為作業(yè)速度，采用二次回歸旋轉(zhuǎn)正交組合試驗研究排種器最佳作業(yè)性能參數(shù)。試驗因素編碼如表7所示，試驗設(shè)計方案與結(jié)果如表8所示，其中X1、X2、X3分別為作業(yè)速度、排種器傾角、種層高度的編碼值，試驗指標(biāo)Y1、Y2、Y3分別為合格指數(shù)(1根/勺)、漏充指數(shù)(0根/勺)和重充指數(shù)(大于等于2根/勺)。

表7 試驗因素編碼Tab.7 Test factors and coding

表8 試驗方案與結(jié)果Tab.8 Experiment design and results

4.3 試驗結(jié)果與分析

4.3.1合格指數(shù)Y1

表9 方差分析Tab.9 Variance analysis

(16)

圖15 因素交互作用影響合格指數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.15 Effects of interaction factors on eligible rate

4.3.2漏充指數(shù)Y2

Y2=2.95+1.72X1-0.88X2-0.40X3+

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4.3.3重充指數(shù)Y3

采用Design-Expert軟件對重充指數(shù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，回歸方程的顯著性檢驗結(jié)果如表9所示。重充指數(shù)模型Y3的擬合度極顯著(P<0.01)。失擬項P=0.117 1，不顯著，說明無其他影響指標(biāo)的主要因素，各因素對漏充指數(shù)影響由大到小為排種器傾角X2、種層高度X3、作業(yè)速度X1。排種器傾角與種層高度的交互項(X2X3)影響顯著，剔除交互項中不顯著因素后的回歸模型為

Y2=2.34-0.71X1+1.81X2+1.47X3+0.12X2X3

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4.4 各因素交互作用對合格指數(shù)的影響

通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可得作業(yè)速度、排種器傾角、種層高度交互作用對合格指數(shù)Y1的影響，其響應(yīng)曲面如圖15所示。

圖15a為種層高度280 mm時，作業(yè)速度和排種器傾角交互作用影響合格指數(shù)Y1的響應(yīng)曲面。由圖可知，當(dāng)作業(yè)速度處于較低水平時，隨著作業(yè)速度的增加，排種器本身的振動幅度逐漸增加，能夠提升清種效果，重充指數(shù)降低同時合格指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)作業(yè)速度處于較高水平時，排種器本身振動幅度較大，種勺中蔗種彈出種勺的幾率增加，同時由于種勺充種時間降低，漏充指數(shù)增加，合格指數(shù)呈下降趨勢。

圖15b為排種器傾角15°時，作業(yè)速度和種層高度交互作用影響合格指數(shù)Y1的響應(yīng)曲面。當(dāng)種層高度處于較低水平時，隨著種層高度的增大，種群中上層蔗種對下層蔗種的壓力逐漸增加，能夠促進(jìn)充種，降低漏充指數(shù)，此時合格指數(shù)呈上升趨勢，當(dāng)種層高度處于較高水平時，上層蔗種對下層蔗種壓力過大，導(dǎo)致重充指數(shù)升高，此時合格指數(shù)呈下降趨勢。

圖15c為作業(yè)速度2 km/h時，排種器傾角和種層高度交互作用影響合格指數(shù)Y1的響應(yīng)曲面。當(dāng)種層高度處于較低水平時，隨著種層高度的增加，種群中上層蔗種對下層蔗種的壓力逐漸增加，同時由于隔離板的存在使接觸種勺的蔗種數(shù)量一定，促進(jìn)充種，降低漏充指數(shù)，此時合格指數(shù)呈上升趨勢，當(dāng)種層高度處于較高水平時，上層蔗種對下層蔗種壓力過大，導(dǎo)致重充指數(shù)升高，此時合格指數(shù)呈下降趨勢；由于排種器傾角與種層高度的作用機(jī)理均為上層蔗種對下層蔗種的壓力，排種器傾角與種層高度呈現(xiàn)較大的相關(guān)性。

4.5 參數(shù)優(yōu)化

為確定最佳參數(shù)取值范圍，設(shè)定合格指數(shù)大于93%，重充指數(shù)和漏充指數(shù)均小于5%，確保種箱中有足夠多的蔗種，設(shè)置種層高度為360 mm，優(yōu)化所得最佳參數(shù)范圍如圖16所示，得到作業(yè)速度取值范圍為1.45～2.37 km/h，排種器傾角取值范圍為9.53°～15.15°。

對優(yōu)化后的理論結(jié)果進(jìn)行試驗驗證。在相同試驗條件下選取種層高度為360 mm，作業(yè)速度為1.45～2.37 km/h，排種器傾角為9.53°～15.15°，進(jìn)行3次重復(fù)驗證試驗。經(jīng)驗證試驗可得該條件下排種器充種平均合格指數(shù)為95.33%，平均漏充指數(shù)為3.11%，平均重充指數(shù)為1.56%，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果一致。

圖16 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.16 Parameter optimization analysis chart

5 結(jié)論

(1)針對云南省甘蔗種植現(xiàn)狀及預(yù)切種種植機(jī)排種不均、漏充現(xiàn)象嚴(yán)重的問題，設(shè)計了一種預(yù)切種甘蔗勺鏈?zhǔn)脚欧N器，以充種條件為依據(jù)通過理論計算和運(yùn)動分析確定了種勺、清種器、升運(yùn)鏈的基本參數(shù)。

(2)針對種勺傾角和種勺數(shù)量進(jìn)行了基于EDEM的單因素仿真試驗，確定了種勺傾角為30°，種勺數(shù)量為15個；針對隔離板傾角進(jìn)行了單因素試驗，確定了隔離板傾角為42°。

(3)以作業(yè)速度、排種器傾角、種層高度為試驗因素，以合格指數(shù)、漏充指數(shù)、重充指數(shù)為試驗指標(biāo)進(jìn)行了二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗，運(yùn)用Design-Expert軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，得到合格指數(shù)、漏充指數(shù)、重充指數(shù)的回歸方程。當(dāng)種層高度為360 mm、作業(yè)速度為1.45～2.37 km/h、排種器傾角為9.53°～15.15°時，排種器平均合格指數(shù)為95.33%，平均漏充指數(shù)為3.11%，平均重充指數(shù)為1.56%。