基于DEM-MBD耦合的鏈勺式人參精密排種器研究

賴慶輝 賈廣鑫 蘇 微 趙立軍 邱小寶 呂 勤

(1.昆明理工大學現代農業工程學院， 昆明 650500； 2.重慶文理學院智能制造工程學院， 重慶 402160；3.霸州市海寶科技有限公司， 廊坊 065700)

0 引言

近年來，隨著國家政策的調整和藥食同源的提倡，人參采用參畦1.2～1.7 m、株距3～5 cm和行距15～18 cm的非林地直播種植技術得到了大面積推廣。但是，僅在耕整地環節實現了機械化，而在需要“搶農時”的人參播種環節仍沿用傳統人工點播或半機械化點播方式，嚴重制約著我國人參種植規模化、產業化和工廠化的發展，因此需發展非林地人參種植機械化精密直播技術[1]。

解決非林地人參種植精密直播技術的關鍵在于排種器。人參種子形狀不規則、表面褶皺，流動性差，且播種前經過催芽后，有裂口、易損傷等特點，成為排種器設計的難點。總結國內外關于人參播種機的文獻報道可知，國內外人參種植農藝差異大，進口人參播種機對我國農藝不適用且價格昂貴。國內對人參播種機械的研究多集中于氣力式和機械式：氣力式人參播種機械的研究以氣吸針式和氣吸滾筒式為主，作業過程功率消耗大、結構復雜，且均處在實驗室階段；機械式播種機械的研究以型孔式和半自動機械為主，型孔式易傷種，播種前需要對種子分級，對種子適應性差，半自動機械勞動強度大。因此，選擇適用人參種子的傷種率低、結構簡單的機械式精密排種器，是研究人參精密排種器的前提[2-4]。鏈勺式排種技術利用鏈條帶動種勺舀種，具有對種子形狀適用性強、易充種和易實現單粒排種等特點，且在充種過程中對種子無剪切載荷、損傷率低，已成為國內外解決形狀不規則種子的主要排種技術，目前廣泛應用于馬鈴薯、大蒜、甘蔗等種子形狀不規則的作物精密播種中[5-12]。但是將鏈勺式精密排種器應用到人參等中、小粒徑種子作物的精密播種研究中，鮮有報道。

鏈勺式精密排種器中排種鏈條的運動狀態不僅影響著種子的運動狀態，也是影響排種器充種性能的重要因素。由于種子在鏈勺式排種器中受顆粒力學系統和多體動力學系統組成的復雜系統的共同作用，用數學模型難以準確描述種子的運動特性及排種器排種鏈條的運動狀態，需要使用輔助軟件進行分析[13-15]。近年來，隨著離散元法(DEM)和多體動力學(MBD)的發展，DEM-MBD耦合數值模擬技術已在農業領域得到了廣泛應用[16-17]。因此，構建基于DEM-MBD耦合的鏈勺式人參精密排種器仿真體系，分析人參種子在鏈勺式排種器多體動力學系統下的受力情況和運動狀態，提高鏈勺式排種器充種性能和實現零傷種成為本文研究的關鍵。

針對上述問題，研制一種鏈勺式人參精密排種器，以DEM-MBD耦合仿真為技術手段，探索鏈勺式排種器的充種機理，優化排種器的主要結構參數和工作參數來提高鏈勺式排種器的工作性能，并通過臺架試驗對排種器的工作性能進行驗證，以期為鏈勺式排種器設計提供技術支持和理論指導，并解決人參精密播種中存在的充種困難、易傷種的難題。

1 排種器工作原理與充種過程分析

1.1 排種器工作原理

鏈勺式人參精密排種器為單行單體式排種器，結構如圖1所示。排種器主要由排種器殼體、護種板、主動鏈輪、排種鏈條、種勺、排種鏈輪、從動鏈輪和種箱等組成。

如圖2，排種器工作時，人參種子在重力和種間作用力的共同作用下流入種箱充種區；動力從主動鏈輪輸入帶動排種鏈條轉動，充種區一側的排種鏈條向上運動，鏈條上的種勺依次進入充種區，充種區內待充種子在重力與種間作用力的共同作用下充入種勺的型孔內；完成充種的種勺在突破種層后攜種繼續向上運動的過程中，冗余的種子受排種鏈鏈條運轉所產生的抖動、排種鏈條運行速度、種勺托持力、種子自身重力和種間摩擦力共同作用的影響落回種箱；種勺運動至最高點翻越主動鏈輪，型孔內的種子受到重力和離心力的作用脫離型孔落至前一個種勺的底部，并進入護種區；護種區內，位于種勺底部的種子處在相鄰兩個種勺與護種板形成的獨立空間內，隨著鏈條的運動至投種區點，種子失去支持力自由落體至種溝內；種勺繞過排種鏈輪經從動鏈輪翻轉進入下一個循環，完成整個排種過程。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Work diagram of seed-metering device1.排種器殼體 2.護種板 3.主動鏈輪 4.排種鏈條 5.種勺 6.排種鏈輪 7.從動鏈輪 8.擋種毛刷 9.種箱 10.型孔 11.種子

1.2 排種器充種過程分析

排種器的充種過程是影響排種器播種精度的重要環節。排種器在工作時，根據種子的受力狀態和所處位置的變化規律，可將充種過程分為脫離種群和種子回填兩個階段。

脫離種群階段：種子在自身重力、種子間作用力和種子與種勺間作用力的共同作用下充入種勺的型孔內，充入種勺的目標種子與種群形成隔離，并隨著種勺的運動脫離種群。為在該階段提高排種器的充種性能與充種精度，應結合人參種子的形狀與尺寸和最小勢能原理，設計種勺型孔進而使更多的種子以穩定狀態充入型孔[4]。

種子回填階段：充種狀態下的種勺占據了種群一定空間，使種群形成了瞬時“空穴”，隨著種勺在種群中運動，種子在自身重力和種間作用力的共同作用下流入“空穴”，為下一個種勺的充種做準備。種子回填不及時直接影響下一個種勺的充種，且排種器作業速度越快，充種效果越差。為在該階段提高排種器的充種性能，將排種器設計成傾斜充種。傾斜充種改變了兩個種勺間的空間結構，改變了種群回填流動方向，增大了種子回填數量，為下一個種勺的充種提供了待充條件，如圖3所示。

圖3 不同充種方式對種群的影響Fig.3 Effects of different filling methods on population1.排種鏈條 2.種勺 3.充種區內種子

2 關鍵部件設計

2.1 排種鏈條選型

排種鏈條屬于與種子直接接觸部件，為防止鏈條卡種，所選鏈條的滾子間隙及鏈板內寬與人參種子三軸尺寸有直接關系。播種時催芽人參種子的長、寬、厚分別為4.05～6.50 mm、2.19～5.72 mm、2.08～3.60 mm；其三軸尺寸長、寬、厚平均值Lave、Wave、Have分別為5.8、4.7、3.0 mm，球度Sp為74.84%，呈“腎形”扁平狀[4]。參考GB/T 1243―2006《傳動用短節距精密滾子鏈、套筒鏈、附件和鏈輪》選擇04C鏈號的鏈條作為排種鏈條，04C鏈條主要結構參數如表1，主要結構如圖4所示。

表1 04C鏈條主要結構參數Tab.1 Main structural parameters of 04C chain

圖4 04C鏈條結構示意圖Fig.4 Schematic of 04C chain structure

2.2 種勺結構與分布設計

種勺是鏈勺式人參精密排種器將單粒人參種子從種群分離，并將種子平穩輸送到投種區完成排種過程的關鍵部件。為防止型孔外緣“托種”造成重播，并保證種勺底部與護種板形成獨立空間，因此將種勺設計成“天圓地方”結構。其主要結構參數包括型孔尺寸、種勺傾角和種勺形體尺寸。種勺結構示意圖如圖5所示，其中A1、B1、C1分別為種勺長度、寬度、高度，A、B、C分別為型孔長度、寬度、深度，θ為種勺傾角。

圖5 種勺結構示意圖Fig.5 Schematic of seed spoon structure

2.2.1型孔尺寸

種勺型孔的形狀和尺寸取決于種子的形狀和尺寸，是影響充種性能的重要因素。根據催芽后人參種子的三軸尺寸和最小勢能原理可知，種子“平躺”狀態為最穩定狀態，種子在擾動狀態下以最穩定狀態充入型孔的幾率最高[18]。其中型孔的長度、寬度和深度應滿足

(1)

式中Lmax——人參種子長度最大值，mm

Wmax——人參種子寬度最大值，mm

Hmax——人參種子厚度最大值，mm

Hmin——人參種子厚度最小值，mm

結合人參種子的三軸尺寸和形狀，為使充種更加順利，在參數范圍內A、B、C盡可能取最大值，因此選擇種勺的型孔長度A、寬度B、深度C分別為7.5、6.0、3.5 mm的“D形孔”結構。

2.2.2種勺傾角

種勺傾角為種勺運動方向的法向與種勺底部平面的內夾角。種勺傾角具有種勺在完成充種而突破種層后，攜種繼續向上運動的過程中清種的作用。為防止種勺在充種過程中過多攜帶種子，應滿足

θ≥90°-α

(2)

式中α——充種傾角，(°)

選擇種勺型孔完全突破種層時刻，以種勺所攜帶的型孔外的種子為研究對象，進行運動學和靜力學分析，如圖6所示。

圖6 種勺攜帶型孔外種子運動學和靜力學分析Fig.6 Kinematics and static analysis of seed spoon carrying type outside hole seeds

根據運動學分析可知，種勺攜帶型孔外種子的牽連加速度ae和相對加速度ar的方向分別與種勺運動方向和種勺傾角有關。保證種勺傾角具有自動清種能力，應滿足種勺攜帶型孔外種子的絕對加速度aa在Oxy坐標系第一象限內。所以，對種勺攜帶型孔外種子進行靜力學分析，應滿足

(3)

(4)

式中β——型孔相對傾角，(°)

φabs——種子與種勺材料最大摩擦角，(°)

FN——種勺攜帶型孔外種子所受正壓力，N

f——種勺攜帶型孔外種子所受摩擦力，N

μs——人參種間動摩擦因數

m——人參種子質量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2

試驗測得種子與種勺材料的最大摩擦角φabs=24.6°(種勺使用ABS塑料注塑而成)，人參種子間的動摩擦因數μs=0.613，因此得到型孔相對傾角β為4.97°～24.6°，種勺傾角θ需要充種傾角α確定后才能確定。

2.2.3種勺形體尺寸

種勺形體尺寸取決于鏈條附板寬度、型孔尺寸、種勺傾角、種勺分布和充種傾角等因素，決定著排種器尺寸，是影響充種效果的重要因素。根據圖5結合2.1節和2.2.1節內容，種勺形體尺寸需滿足

(5)

式中b4——單排鏈條銷軸長度，mm

h2——鏈條內鏈板高度，mm

h3——鏈條附板高度，mm

w3——鏈條附板寬度，mm

p——04C鏈條節距，mm

根據表1中04C鏈條主要結構參數和式(5)確定種勺長度A1為11 mm，種勺寬度B1為11 mm，種勺高度C1為16 mm，在種勺貼近鏈條一側的型孔上部設計“塔形”過渡凸起，防止種勺與鏈條貼合處卡種。

2.2.4種勺分布

理想狀態下，單粒播種在相同時間內落入種溝的人參種子數量等于排種器排出種子的數量，滿足

(6)

式中v1——播種機前進速度，m/s

v——排種鏈條線速度，m/s

S——理論株距，mm

l——種勺間距，mm

Δt——落種時間間隔，s

人參播種株距介于25～50 mm，機械自走式播種機速度一般為1～2 km/h，為保證充種質量，排種鏈條線速度不超過0.55 m/s[19]，經計算，在播種機極限速度下，種勺分布間距為24.75～49.5 mm；結合種勺安裝在鏈條附板上的排種器結構設計，種勺分布間距應滿足24.75 mm≤2np≤49.5 mm(n為鏈節數)。鏈條節距為6.35 mm，n可取2和3，為提高鏈條利用率和使鏈條轉速最小化，n取2。故種勺分布間距l為25.4 mm。

2.3 充種傾角

由1.2節充種過程分析可知，傾斜充種可有效提高排種器的充種性能，結合2.2.3節種勺分布設計，充種區鏈條與種勺結構如圖7。為使充種區種子更順暢地流入兩個種間，應滿足

圖7 傾斜充種示意圖Fig.7 Schematic of inclined seed filling

(7)

式中Wt——種子流入通道寬度，mm

φ——種子自然休止角，(°)

試驗測得種子自然休止角φ為30.05°，故得到充種傾角30.05°≤α≤75.17°，將護種段的鏈條運動方向設計成垂直地面方向，可以使種子更穩定地落入種溝內，排種鏈條布置如圖8。為了提高排種鏈條在充種段的利用率，充種傾角為45°≤α≤75.17°。

圖8 排種鏈條布置示意圖Fig.8 Schematic of chain of seeding

2.4 主動鏈輪

人參種子在隨著種勺翻越主動鏈輪過程中，若所受的慣性力過大，則會被甩出種勺，無法進入護種板，造成漏播。對翻越主動鏈輪時種勺內的種子進行受力分析，如圖9所示。

圖9 翻越主動鏈輪時種勺內的種子受力分析Fig.9 Stress analysis of seeds in seed spoon when climbing over driving sprocket

以人參種子質心為原點，垂直于種子與勺壁接觸面指向勺壁方向為x軸正向，垂直于x軸指向種子具有運動趨勢的方向為y軸正向，建立直角坐標系，則臨界狀態下保證種子不被甩出應滿足

(8)

其中

(9)

式中 ∑Fx——種子在x方向所受合力，N

∑Fy——種子在y方向所受合力，N

FI——轉動慣性力，N

Ff——種子與種勺間的摩擦力，N

Fn——種勺壁對種子支持力，N

γ——FI與x軸正向夾角，(°)

δ——重力與x軸負向夾角，(°)

R——轉動半徑，mm

μ——種子與種勺間的摩擦因數

d——主動鏈輪分度圓直徑，mm

聯立公式(8)、(9)得

(10)

當種勺間距l=25.4 mm時，根據公式(6)計算得排種鏈條最大線速度vmax=0.56 m/s，分度圓直徑應滿足d≥53 mm，即當FI與mg共線時d=53 mm，較大的分度圓直徑可減小鏈條的彎曲應力，綜合考慮，確定主動鏈輪分度圓直徑d=56.71 mm，即28齒。

2.5 排種鏈條張緊裝置

張緊裝置是保證鏈勺式排種器充種、排種穩定和保護排種器各部件在工作過程中不被損壞的重要部件。排種鏈條的充種、清種段和過渡段易受外力影響，參考《機械設計手冊》鏈傳動布置與張緊，將從動鏈輪設計為張緊輪，張緊方向在排種鏈條充種、清種段和過渡段的角分線上，如圖10a所示。張緊方式為彈簧自動張緊[20]，從動鏈輪張緊采用雙彈簧對稱張緊方式，如圖10b所示，結合排種器結構和常用彈簧參數，選擇彈簧線徑dm為1.5 mm、彈簧外徑Dm為10 mm、自由長度Lf為35 mm的不銹鋼彈簧，設計彈簧壓縮量Xc為5 mm時，應滿足

圖10 排種鏈條張緊示意圖Fig.10 Schematics of tension of seeding chain

(11)

式中Fs——彈簧張緊力，N

G——不銹鋼絲的剛性模數，取7 300 N/mm

k——彈簧剛度，N/mm

Nc——彈簧有效圈數

由此可知彈簧的有效圈數決定了彈簧剛度系數，彈簧剛度系數需根據張緊力確定。鏈傳動系統的張緊力決定著鏈傳動系統的使用壽命和排種鏈條運轉過程中的抖動量。鏈條的抖動量直接影響排種器的充種性能，因此張緊力的大小需要進一步分析排種器的充種效果和鏈傳動系統的使用壽命而確定。所以，張緊力Fs、彈簧剛度k和彈簧的有效圈數Nc，需要進一步試驗分析后確定。

2.6 種層高度

如圖2所示，種層高度是影響充種、清種效果的關鍵因素。在排種鏈條的充種、清種段，為保證充種效果，種層高度應至少高過1個種勺；為保證清種效果，種層高度不高過充種、清種段長度的二分之一。本文結合排種器結構，定義充種、清種段長度為Lc=250 mm，為此種層高度應滿足

(12)

式中Hs——種層高度，mm

αmax——充種傾角最大值，(°)

根據2.3節可知，充種傾角最大值為75.17°，故由式(12)得到15.47 mm≤Hs≤120.84 mm，考慮種箱底部安裝有擋種毛刷的影響，本文種層高度為20 mm≤Hs≤120 mm。

3 基于DEM-MBD耦合仿真試驗

離散元法(Discrete element method, DEM)和多體動力學(Model based definition, MBD)近年來開始應用于農業工程領域，在鏈勺式排種器中，種子以顆粒的形式受隨鏈條運動的種勺的作用將種子從種群分離。由于排種器工作中種子顆粒受種間作用力影響，需要應用離散元進行分析；排種鏈條在運轉過程中具有振動特性，需要應用多體動力學進行分析；待播種子的運動軌跡與鏈條運轉軌跡大致相同，且常用的離散元仿真軟件和多體動力學仿真軟件無法單獨完成上述要求，因此采用DEM-MBD耦合的方法進行分析。

3.1 仿真模型建立

在DEM-MBD耦合仿真試驗中，離散元仿真軟件使用EDEM，近年來EDEM在農業工程領域應用最為廣泛；多體動力學仿真軟件使用RecurDyn (Recursive Dynamic)，RecurDyn是由韓國FunctionBay公司開發的新一代多體系統動力學仿真軟件。它采用相對坐標系運動方程理論和完全遞歸算法，非常適合于求解大規模的多體系統動力學問題[21-22]。

3.1.1多體動力學模型

利用RecurDyn多體動力學軟件可以實現鏈勺式排種器中排種鏈的傳動，并利用其后處理功能，對排種鏈條的運動特性進行分析。

排種鏈系統的機械傳動相對復雜，其中鏈節眾多，各鏈節中又包括內鏈板、外鏈板、附板、銷軸、套筒和滾子等零部件，因此在RecurDyn中直接建立鏈傳動模型不太容易實現。因此，利用三維建模軟件NX.建立模型，為提高建模效率和后期仿真效率，故將模型簡化。在NX.中完成建模與裝配后，把裝配好的排種鏈系統模型轉化為step格式導入到RecurDyn中進行動力學仿真。

在多體動力學仿真過程中可將對仿真結果不產生影響的零件省去或者簡化，以此減少仿真過程中不必要約束的添加和數量，提高仿真效率。因此將排種鏈多體動力學仿真模型的各零部件簡化為：內鏈板與套筒、滾子合為內鏈節，外鏈板(或附板)、銷軸合為外鏈節(或附板鏈節)。簡化后排種鏈條各部件及裝配三維模型如圖11所示。

圖11 簡化后排種鏈條各部件及裝配三維模型Fig.11 Simplified 3D model of all components and assembly of rear type chain

將裝配好的排種器模型所生成的step格式模型文件導入至RecurDyn中，如圖12。使用Library模塊將排種鏈條、鏈輪和種箱設定為steel；由于種勺、排種器殼體和護種板為ABS材料，故使用Density模塊將種勺、排種器殼體和護種板的密度設置為1.25×10-6kg/mm3。

圖12 導入RecurDyn中的排種器模型Fig.12 Imported seed platter model in RecurDyn

鏈勺式排種器工作過程中，主動鏈輪旋轉，鏈條通過與鏈輪輪齒嚙合，帶動種勺完成充種、清種、攜種、護種和排種功能。因此，在RecurDyn中需要添加約束，添加的主要約束為：主動鏈輪、排種鏈輪和從動鏈輪分別以Ground為參考系添加旋轉副；排種殼體、護種板和種箱分別以Ground為參考系添加固定副；內鏈節分別與主動鏈輪、排種鏈輪和從動鏈輪之間添加接觸副；內鏈節分別與外鏈節或附板鏈節之間添加旋轉副；種勺與附板鏈節之間添加固定副。在主動鏈輪的旋轉副上添加驅動函數，考慮與EDEM耦合時，生成種子期間排種器不工作，故選用IF(time-t1:0,0,x*pi) 驅動函數，其含義：在t1前主動鏈輪轉速為0，在t1后主動鏈輪轉速為x(rad/s)，pi代表圓周率[21]。

3.1.2離散元模型

在保證EDEM與RecurDyn耦合接口連接情況下，由于離散元仿真中，鏈輪不參與仿真，因此利用RecurDyn中External SPI功能模塊下的EDEM接口模塊將各鏈節、種勺排種器殼體、護種板和種箱以wall文件形式導出，然后通過EDEM中Geometries模塊下的Import Geometry from RecurDyn功能將生成的wall文件導入EDEM，導入EDEM排種器模型如圖13所示。

圖13 導入EDEM中的排種器模型Fig.13 Imported seed planter model in EDEM

仿真試驗所采用的顆粒模型，采用長白山地區常見的“大馬牙”人參種子。種子顆粒通過逆向工程技術得到三維模型后導入EDEM，并通過顆粒快速填充功能，得到種子的多球面聚合顆粒模型，如圖14。

圖14 人參種子Fig.14 Ginseng seed

顆粒-顆粒和顆粒-排種器模型的接觸模型均為Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。排種器與種子接觸的部件有排種器殼體、護種板、排種鏈條、種勺和種箱，其中排種器殼體、護種板和種勺為ABS注塑件，排種鏈條和種箱為不銹鋼件。經參數標定后，種子顆粒、鋼材和ABS塑料的本征參數及相互間的接觸參數如表2所示[4]。

表2 離散元仿真參數Tab.2 Simulation parameters of EDEM

3.2 單因素仿真試驗

為使鏈勺式排種器設計參數進一步具體化，基于DEM-MBD耦合對排種器的工作性能進行單因素仿真試驗分析。根據第2節對關鍵參數的設計，結合現有鏈勺式排種器的研究成果，固定主動鏈輪轉速為89.29 r/min(即株距為4 cm，作業速度為1.5 km/h時的作業頻率為625次/min)、種層高度為85 mm，充種傾角為70°，型孔相對傾角為0°，對排種鏈條張緊力、充種傾角、型孔相對傾角和種層高度進行分析[23]。

試驗中以充種單粒率(1粒/勺)和漏充率(0粒/勺)為試驗指標。充種區內種子數量和種勺外側種間相對運動狀態是影響充種性能的重要因素，因此結合EDEM后處理功能，采用充種區種子回填質量和種勺外種間法向力分別衡量不同時步下種子回填效果和種勺外側種間相對運動狀態，其中充種區種子回填質量越大，充種效果就越好。為監測充種區局部種子質量和種勺外局部種群相對運動狀態，需要在種群中建立監測器，如圖15，其中監測器1監測充種區局部種子質量，監測器2監測種勺外局部種群相對運動狀態。如圖16所示，工作狀態的種勺與監測器1的相對位置變化，可由充種區局部種子質量變化曲線分為充種過程和種子回填過程。

圖15 仿真試驗建立的監測器Fig.15 Established monitors in simulation test

圖16 種勺與監測器1相對位置示意圖Fig.16 Schematic of relative position of planting spoon and bin group 11.種勺 2.監測器1

耦合仿真試驗中，在EDEM中設置DEM的Rayleigh時間步長為1%，在RecurDyn中設置仿真總時長為13 s，步長為500步，每組試驗做3次，每次統計100個種勺的取種情況。

3.2.1排種鏈條張緊力

根據2.5節的理論分析和3.1節中建模方法，在從動鏈輪上添加張緊桁架，并沿張緊方向添加外施恒力載荷，如圖17。

圖17 DEM-MBD耦合張緊載荷示意圖Fig.17 Schematic of DEM-MBD coupling tension load

根據04C單排鏈條測量力為50 N，分析外施載荷分別為10、20、30、40、50 N時對排種器工作性能的影響，仿真結果如表3所示。

根據表3可知，隨著載荷增大，充種單粒率先增加后減小，漏充率減小。為進一步分析排種鏈條張緊力對充種性能的影響，利用RecurDyn后處理功能，分別分析不同載荷下，目標種勺在充種、清種過程排種鏈條法向位移(即充種、清種段鏈條的抖動量)和鏈條與主動鏈輪嚙合時嚙合沖擊力，利用EDEM后處理功能，分別分析不同張緊力下，充種區局部種子回填質量和種勺外局部種群運動狀態，如圖18。

表3 排種鏈條不同載荷下的仿真結果Tab.3 Simulation results of seeding chain under different loads %

圖18 不同張緊力對鏈傳動系統和種群的影響Fig.18 Influence of different loads on chain drive system and population

由圖18、表3可知，隨著載荷的增加，鏈條抖動量減小，鏈條與主動鏈輪的嚙合沖擊力增大；鏈條抖動量越小，充種區局部種子回填質量越穩定，種勺外局部種群單粒種子平均法向力越小，且平均法向力波動越小，越有利于充種。當載荷為50 N時，單粒率下降，漏充率最低，因為排種鏈條抖動量越小越不利于清種。因此，充分利用鏈條工作時所產生的振動，使其有利于清種，為使鏈條鏈輪嚙合沖擊力適當，延長鏈傳動系統的使用壽命，故確定鏈條張緊力為30～40 N。

結合2.5節理論分析，當選擇彈簧有效圈數Nc為8時，確定彈簧剛度k為3.40 N/mm，排種鏈條張緊力Fs為34 N。

3.2.2充種傾角

根據1.2節中對鏈勺式排種器充種過程分析和2.3節中充種傾角的參數化設計結果，結合3.2.1節得出的排種鏈條張緊力研究結果，分析充種傾角為45°、55°、65°、75°、90°(即無充種傾角)時對排種器工作性能的影響，仿真結果如表4所示。

表4 不同充種傾角下的仿真結果Tab.4 Simulation results of different filling angles %

由表4可知，隨著充種傾角的增大，充種單粒率先增大后減小，漏充率增大，單粒率的變異系數增大，漏充率變異系數先增大后減小，當無充種傾角時，漏充率最高。為進一步分析充種傾角對鏈勺式排種器充種單粒率的影響，在EDEM中分別導出不同試驗充種區局部種子質量和種勺外局部種群單粒種子平均法向力，如圖19所示。隨著充種傾角的增大，充種區局部種子質量增大，種勺外局部種群單粒種子平均法向力減小，平均法向力波動減小。所以，較小的充種傾角，有利于充種區種子回填，有利于種勺外種群流動，有利于充種。隨著充種傾角的增大，充種單粒率先增大后減小，充種漏充率減小，主要因為較小的充種傾角增大了充種復充率(≥2粒/勺)，因此驗證了一定范圍內的充種傾角可提高排種器的工作性能。為保證充種單粒率最大，充種漏充率最小，故選定充種傾角為65°～75°。

圖19 不同充種傾角對種群的影響Fig.19 Influence of different filling angle on population

3.2.3型孔相對傾角

根據2.2.2節對種勺傾角的理論設計，結合3.2.1節和3.2.2節的試驗結果，分析型孔相對傾角為0°(即無型孔相對傾角時)、5°、10°、15°、20°、25°對排種器工作性能的影響，仿真結果如表5所示。

表5 不同型孔相對傾角下的仿真結果Tab.5 Simulation results of different hole inclination compensation angles %

由表5可知，隨著種勺傾角的增大充種單粒率先增大后減小，漏充率增大，單粒率變異系數均相對穩定。當型孔相對傾角為0°時，單粒率和漏充率均相對較低，因為在清種過程中，利用排種鏈條運轉所產生的抖動不易清掉種勺中復充的種子；當型孔相對傾角為25°時，排種鏈條運轉所產生的抖動，致使種勺囊種效果變差，漏充率增大，充種單粒率不穩定。由此可知，型孔相對傾角有利于結合排種鏈條的運轉所產生的抖動進行清種，但是型孔相對傾角過大，會降低排種器的單粒率，并使單粒率的變異系數增大。根據試驗結果，選定型孔相對傾角為5°。

3.2.4種層高度

種層高度是影響充種過程和清種過程的重要因素，決定著種箱結構參數設計。結合3.2.1～3.2.3節的單因素仿真試驗分析，為保證充種效果和保證排種鏈條運行所產生的抖動具有清種效果，需滿足20 mm≤Hs≤120 mm。為此分析種層高度為20、45、70、95、120 mm時對排種器充種和清種效果的影響，仿真結果如表6所示。

表6 不同種層高度下的仿真結果Tab.6 Simulation results of different seed heights %

隨著同時處于種群內種勺數量的增加，單粒率先增大后減小，漏充率較小，當種層高度為70 mm和95 mm時，單粒率變異系數相對穩定；當種層高度為20 mm時，漏充率最大，說明較小的種層高度不利于充種；當種層高度為120 mm時，漏充率最小，單粒率相對減小，說明較大的種層高度導致種勺復充，不利于清種。結合圖20可知，隨著種層高度的增加，充種區局部種子質量增大，種勺外單粒種子的平均法向力先減小后增大，種層高度的增加有利于在充種過程中種子回填，種勺外種群狀態更加穩定，當種層高度為20 mm時，單粒種子的平均法向力最大，是因為種層高度最小，種子間相互壓力最小，種群流動時最活躍，導致法向力波動較大；當種層高度為120 mm時，種層高度最大，種子間壓力最大，種群流動時更加穩定，法向力波動較小。故選擇種層高度為70～95 mm。

圖20 不同種層高度對種群的影響Fig.20 Influence of different seed heights

3.3 二次回歸正交旋轉組合仿真試驗

3.3.1試驗方案與結果分析

為進一步研究主動鏈輪轉速、充種傾角和種層高度對鏈勺式排種器工作性能的影響，基于關鍵部件及工作參數設計和單因素仿真試驗所確定的設計參數，進一步研究各因素對排種器工作性能的影響。試驗因素編碼如表7所示，試驗設計方案與試驗結果如表8所示，其中X1、X2、X3分別為主動鏈輪轉速、充種傾角、種層高度的編碼值，試驗指標Y1、Y2、Y3分別為單粒率、復充率、漏充率。

表7 試驗因素編碼Tab.7 Experimental factors and codes

表8 試驗方案與結果Tab.8 Experiment design and results

利用Design-Expert 12.0.3軟件對試驗結果進行多元回歸擬合，其中試驗結果Y2≤8.67%，結合本文研究重點為設計鏈勺式排種器，解決人參種子在播種過程中充種困難的問題，因此只對鏈勺式人參精密排種器充種的單粒率和漏充率進行方差分析。表9為單粒率與漏充率方差分析，其中二次回歸模型均高度顯著(P<0.01)，失擬項均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬，剔除不顯著影響因素后，得到Y1、Y3的回歸方程

(13)

(14)

表9 單粒率與漏充率方差分析Tab.9 Variance analysis of single grain rate and leakage rate

由表9可知，三因素對單粒率影響的主次順序為主動鏈輪轉速、充種傾角、種層高度，其中主動鏈輪轉速與充種傾角間存在的交互作用不容忽視，二者響應曲面如圖21a所示。在低轉速區單粒率隨充種傾角的增大先增大后減小，在高轉速區單粒率隨充種傾角的增大先增大后減小；在充種傾角較小區單粒率隨轉速的增大先增大后減小，在充種傾角較大區單粒率隨著轉速的增加先增大后減小，因此二者具有顯著的相關性。三因素對漏充率影響的主次順序為種層高度、充種傾角、主動鏈輪轉速，其中種層高度與充種傾角間存在的交互作用不容忽視，二者響應曲面如圖21b所示。在種層高度較小區漏充率隨充種傾角的增大而增大，在種層高度較大區漏充率隨充種傾角的增大而增大；在充種傾角較小區漏充率隨種層高度的增大而增大，在充種傾角較大區漏充率隨著種層高度的增加先減小后增大，因此二者具有顯著的相關性。

圖21 試驗因素交互作用對單粒率和漏充率影響的響應曲面Fig.21 Influence of interaction on single grain rate and leakage rate

3.3.2試驗結果目標優化

為在水平約束條件下尋求各因素的最優組合，仍將單粒率和漏充率作為評價指標，結合因素邊界條件建立數學模型，并對評價指標回歸模型進行多目標化求解，優化目標函數和約束條件為

(15)

以單粒率最高和漏充率最低為優化目標進行多目標優化，經求解得主動鏈輪轉速為79.10 r/min、充種傾角為71.73°、種層高度為84.28 mm時性能最優，單粒率為95.68%、復充率為3.57%、漏充率為0.75%。

4 排種器臺架試驗

4.1 試驗材料

按照理論設計參數和仿真試驗優化后的參數，排種器殼體、護種板和種勺均使用ABS材料，由霸州市海寶科技有限公司經模具制造和注塑成型工藝加工而成，其中排種器外殼的充種傾角為72°，種勺傾角為23°；種箱由不銹鋼材料經折彎和焊接工藝加工而成，如圖22所示。試驗所使用的種子選取裂口率在95%以上、胚率在80%以上、含水率為40%左右的長白山“大馬牙”人參種子。

圖22 試驗用排種器Fig.22 Seed-metering device used in test

4.2 臺架試驗

試驗在昆明理工大學農業機械裝備實驗室的JPS-12型視覺排種器性能試驗臺上進行，試驗裝置如圖23所示。試驗時選擇3個排種器同時試驗，固定行距為15 cm，設置排種器主動鏈輪工作轉速為79.10 r/min，種層高度為84 mm。

圖23 排種器性能試驗裝置Fig.23 Seed-metering device performance test1.計算機Ⅰ 2.控制柜 3.傳送帶 4.計算機Ⅱ 5.電機 6.鏈勺式人參精密排種器 7.排種軸 8.高速攝像裝置 9.補光燈

4.2.1充種性能試驗

為方便觀察排種器的充種情況，選擇排種鏈條的充種、清種段上端將要與主動鏈輪嚙合處為觀測點，使用合肥富煌君達高科信息技術有限公司提供的千眼狼5F01M型高速攝像機拍攝種勺的充種情況，待排種器工作穩定后取200個種勺統計數據。

根據試驗結果可知，鏈勺式人參精密排種器充種單粒率為94.33%，其變異系數為0.81%；漏充率為1.17%，其變異系數為24.74%，充種性能穩定，3排排種器間的差異性不大，結果與仿真試驗吻合，基于DEM-MBD耦合對鏈勺式人參精密排種器的仿真試驗可靠。通過分析高速攝像的記錄，可以看出種子多以“平躺”姿態囊入種勺，復充情況均是兩粒種子豎直并列充入型孔，未出現一個種勺充種數量大于等于3粒種子的情況。

4.2.2工作性能試驗

為研究排種器的工作性能和播種分布均勻性，調整落種點與傳動帶的高度為75 mm，設置傳動帶速度為0.37 m/s(播種株距按4 cm計算，機具工作速度為1.33 km/h)，控制油泵在傳送帶上刷油，待排種穩定后，按照最小測定區段10 m(250個粒距)測量，統計區段內種子數量和傷種數量[24]，如圖24所示，試驗結果如表10所示。

圖24 分段測量Fig.24 Sectional measurement

表10 分段測量試驗結果Tab.10 Test results of sectional measurement

由表10可知，排種器行內排種量分布均勻性的變異系數為1.40%，損傷種子數量均值為0.33，其標準差為0.32，其變異系數為31.67%，表明鏈勺式人參精密排種器工作性能較好，基本達到零傷種標準。

5 結論

(1)設計了一種鏈勺式人參精密排種器。通過對充種過程中種子受力情況和運動狀態的分析，闡明了傾斜充種可提高充種性能的機理；通過對攜種過程的理論計算和力學分析，確定了種勺型孔長、寬、深分別為7.5、6.0、3.5 mm，種勺的長、寬、高分別為11、11、16 mm，種勺分布間距為25.4 mm，主動鏈輪為28齒。

(2)利用DEM-MBD耦合仿真技術，通過單因素仿真試驗，分析了不同排種鏈條的張緊力、不同排種器結構參數和工作參數對其工作性能的影響，進一步確定了排種器張緊力為34 N，型孔傾角為5°。通過設計二次回歸正交旋轉組合試驗研究主動鏈輪轉速、充種傾角和種層高度對排種器工作性能的影響，試驗結果表明，在主動鏈輪轉速為79.10 r/min、充種傾角為71.73°、種層高度為84.28 mm時，單粒率(1粒/勺)為95.68%、復充率(≥2粒/勺)為3.57%、漏充率(0粒/勺)為0.75%，排種器工作性能最佳。

(3)對仿真試驗得到的優化結果進行臺架試驗驗證，得到單粒率為94.33%，其變異系數為0.81%；漏充率為1.17%，其變異系數為24.74%；排種器行內排種量分布均勻性的變異系數為1.40%，損傷種子數量均值為0.33，其標準差為0.32，其變異系數為31.67%。基于DEM-MBD耦合所設計的鏈勺式人參精密排種器工作性能較好，基本實現零傷種，可滿足我國人參非林地精密播種要求。