輪勺式半夏精密排種器設計與試驗

蘇 微 陳子威 賴慶輝 賈廣鑫 呂 勤 田保寧

(昆明理工大學農業(yè)與食品學院， 昆明 650500)

0 引言

近年來，隨著半夏的需求量逐年增高，野生半夏的產量遠達不到需求，因此急需人工種植以提高半夏產量。目前半夏種植多以傳統(tǒng)人工點播或撒播為主，而傳統(tǒng)人工點播或撒播勞動強度大、成本高、生產效率低，因此研制一種針對半夏人工種植的精密播種機對于實現(xiàn)半夏種植產業(yè)化和規(guī)模化發(fā)展具有重大意義。

精密排種器是精密播種機的核心部件，其中精密排種器又分為氣力式和機械式。氣力式排種器排種精度高但動力配備大、結構復雜、生產成本過高[1-4]，而機械式排種器以結構簡單、生產成本低、適用于窄行播種等優(yōu)點而得到廣泛應用，傳統(tǒng)的機械式排種器主要有窩眼輪式、鏈勺式、勺輪式等，其中窩眼輪式排種器結構簡單，動力配備適應性強可實現(xiàn)密集精密播種，多用于大豆、油菜等球度相對較高的種子，但在工作過程中種子易受剪切載荷作用而導致傷種現(xiàn)象，對種子適應性差[5-10]；鏈勺式排種器利用鏈條帶動種勺取種，對種子的適應性強，具有不傷種、易充種、易實現(xiàn)單粒排種等優(yōu)點，多用于馬鈴薯、甘蔗、大蒜等形狀不規(guī)則的大顆粒種子，但是結構相對復雜且在中高速作業(yè)時鏈條抖動顯著，易造成漏播[11-17]；勺輪式排種器通過勺輪盤上的舀勺在種箱內取種，對于種子要求較高，適合于大蒜、玉米等形狀較為不規(guī)則的種子播種[18-20]。綜合而言，以上幾類排種器均不適用于半夏這類形狀不規(guī)則、大小不均勻、表皮易破損等特點的種子。因此有必要研究一種可實現(xiàn)半夏精密播種要求的新型排種器。

為此本文設計一種輪勺式半夏精密排種器，該排種器在結構上繼承勺輪式排種器結構簡單、可實現(xiàn)單體播種的優(yōu)勢，結合鏈勺式排種器不傷種、易充種等優(yōu)點[21]，通過理論分析設計排種器結構，利用離散元仿真試驗確定排種器結構參數(shù)和工作參數(shù)，通過臺架試驗對輪勺式排種器的充種性能進行驗證，以期為輪勺式排種器設計提供理論指導和依據(jù)，從而實現(xiàn)半夏精密播種。

1 半夏種子物理特性參數(shù)測定

1.1 試驗材料

半夏種子屬于散粒物料，其基本物理特性參數(shù)包括半夏種子三軸尺寸、千粒質量、泊松比、彈性模量和剪切模量，本文選用河北旱半夏種子作為試驗對象，在昆明理工大學農業(yè)與物料實驗室通過游標卡尺、電子天平、量筒以及食品物性分析儀等儀器分別對半夏種子的物理特性參數(shù)進行測量。

1.2 物理特性參數(shù)測定

1.2.1三軸尺寸測定

半夏種子的長度L、寬度W、厚度H對種勺的型孔尺寸設計影響很大，本文以河北旱半夏為參考對象，先經(jīng)過分級處理篩選長度在10.0～11.0 mm的半夏種子，選取分級后500粒飽滿的半夏種子，測量半夏種子長度平均值為10.5 mm，寬度平均值為8.2 mm，厚度平均值為7.9 mm，其三軸尺寸范圍如圖1所示。

圖1 半夏種子三軸尺寸分布圖Fig.1 Triaxial size distribution of Pinellia ternata seeds

1.2.2千粒質量與密度測定

分別通過精度為0.01 g的電子天平和精度為0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺以及量程為50 mL、精度為0.1 mL的量筒對半夏種子的千粒質量及其密度進行測量，測得的千粒質量為0.65 kg，密度平均值為1.03 g/cm3。

1.2.3半夏種子特性試驗與泊松比測定

種子的特性試驗可以反映出種子在受到擠壓或剪切時所承受的力學狀態(tài)，為排種器結構設計與傷種受力分析等提供理論依據(jù)，本文采用英國Stable Micro System 公司研制的檢測精度為0.000 2%、最大檢測力為1 000 N的專業(yè)食品物性分析儀對半夏種子進行壓縮、剪切試驗，得到種子彈性模量E為2.822×107Pa、剪切模量G為1.03×107Pa，并根據(jù)剪切模量和彈性模量的線性關系得到半夏種子的泊松比λ為0.37。

求得的基本參數(shù)如表1所示，為后續(xù)輪勺式中草藥半夏精密排種器模型仿真提供依據(jù)。

表1 半夏種子物理參數(shù)Tab.1 Physical property parameters of Pinellia ternata

2 排種器工作原理與充種過程分析

2.1 排種器結構

在測定半夏種子物理特性參數(shù)基礎上，結合傳統(tǒng)機械式排種器結構，創(chuàng)新設計了一種輪勺式精密排種器，排種器的種勺周圍充滿種子，有利于充種，種勺轉動到取種輪上部時，實現(xiàn)清種，在結構上省去導種機構和清種機構，可直接通過取種輪上的種勺取種，經(jīng)過清種區(qū)、護種區(qū)，在投種區(qū)實現(xiàn)排種。其結構如圖2所示。排種器主要由種勺、取種輪、回流板、種勺安裝板、種箱隔板、種箱、擋種毛刷、外殼、軸承、排種軸套以及護種板等組成。

圖2 輪勺式中草藥半夏精密排種器結構示意圖Fig.2 Structure sketch of wheel-spoon type precision seed-metering device for Chinese herbal medicine Pinellia ternata1.種勺 2.取種輪 3.回流板 4.種勺安裝板 5.種箱隔板 6.種箱 7.擋種毛刷 8.外殼 9.軸承 10.排種軸套 11.護種板

2.2 排種器工作原理

排種器工作時，動力由排種軸輸入，帶動取種輪轉動，種勺在取種輪的帶動下進入種箱的充種區(qū)，充種區(qū)的目標種子在重力與種間相互作用力的共同作用下流入到種勺的型孔內，完成充種的種勺跟隨取種輪繼續(xù)旋轉，在離開種群后，種勺與取種輪間的多余種子隨著種勺進入到清種區(qū)，型孔外的其他種子在離心力和重力的共同作用下脫離種勺落在取種輪兩邊的回流板上，并滾落到種箱內，而型孔內的目標種子會繼續(xù)隨取種輪的轉動進入到護種區(qū)；在護種區(qū)，目標種子在離心力和重力的共同作用下，落到前一個種勺的背部，相鄰的兩種勺與護種板間形成獨立的空間，獨立空間內的種子隨取種輪的轉動到達投種區(qū)，種子在重力的作用下完成投種。種勺隨取種輪繼續(xù)轉動，完成下一次排種，以此循環(huán)，輪勺式排種器實現(xiàn)半夏播種作業(yè)，排種器工作原理如圖3所示。

圖3 排種器工作原理圖Fig.3 Work diagram of seed-metering device1.種箱 2.種箱隔板 3.種勺 4.回流板 5.種勺安裝板 6.護種板

輪勺式排種器同鏈勺式排種器取種原理基本一致，從充種區(qū)開始取種，經(jīng)過清種區(qū)、護種區(qū)，在排種區(qū)進行排種，整個充種過程種子不受剪切力或擠壓力的作用，不會造成傷種現(xiàn)象，同時克服了鏈勺式排種器因鏈條抖動造成的漏播問題。

2.3 充種過程分析

排種器充種過程是一種復雜過程，該過程決定了排種器的播種精度；在充種區(qū)內，種子會受到種群及種勺施加的多種作用力，充種過程中，根據(jù)目標種子的相對位置將充種過程分為種勺內有半夏種子和種勺內無半夏種子兩種情況，如圖4所示。

圖4 取種過程不同狀態(tài)下目標種子受力分析Fig.4 Stress analysis of target seed under different conditions during seed collection

在充種過程中對目標種子進行受力分析，其受力公式為

(1)

式中Fi——周邊半夏對待取半夏的作用力，N

m——半夏種子質量，kg

FN——種勺對目標種子的支持力，N

a——目標種子加速度，m/s2

g——重力加速度，取9.8 m/s2

ω——目標種子角加速度，rad/s2

Mo——種子所受力對支撐點的力矩，N·m

I——轉動慣量，kg·m2

種勺內無半夏種子如圖4a：充種過程中，種勺經(jīng)過擋種毛刷開始進入種群，目標種子在周圍的半夏種子的作用力以及種勺支持力等多種作用力的作用下使得合力方向趨于種勺型孔位置，從而使得還未進入到型孔的目標種子可以順利地落入到種勺內。

種勺內有半夏種子如圖4b：種勺進入種群后，目標種子填入種勺型孔，型孔內的目標種子在周圍半夏種子的作用力以及種勺支持力等多種作用力下趨于穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)下可以避免在種勺脫離種群前保證種勺內的目標種子不會從型孔中滑出。

綜上分析，本文設計的輪勺式排種器在工作過程中經(jīng)過充種區(qū)時，目標種子充入型孔后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，并且離開種群后目標種子不易脫離種勺。

3 關鍵部件設計

半夏種子的物理特性是設計排種器的重要參考依據(jù)，因此，本文以半夏種子三軸尺寸為參考，充種條件為依據(jù)，通過理論計算及運動學分析確定輪勺式半夏精密排種器關鍵部件結構參數(shù)。

3.1 種勺結構參數(shù)設計

種勺是輪勺式半夏精密排種器的核心部件，其結構參數(shù)直接影響排種器的充種效果。

3.1.1種勺外形設計

為避免種勺在取種過程中存在托種的現(xiàn)象，并能保證種勺在進入護種區(qū)時種勺能與護種板之間形成一定的相對獨立的空間，因此種勺結構設計為“下寬上窄”，并且其背部設計一定弧度以保證在種勺安裝時可以與取種輪緊密貼合，如圖5所示。

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

3.1.2種勺型孔尺寸

半夏種子球度Sp計算公式為

(2)

根據(jù)1.2.1節(jié)中測量的半夏三軸平均尺寸計算可得半夏球度Sp為84%，為保證目標種子可以順利進入種勺內，故將型孔形狀設計為圓形，型孔尺寸應滿足

(3)

式中Lmax——半夏種子長度最大值，mm

Lave——半夏種子長度平均值，mm

Hmin——半夏種子厚度最小值，mm

Have——半夏種子厚度平均值，mm

dr——種勺型孔直徑，mm

d——種勺型孔深度，mm

結合半夏種子的三軸尺寸及球度，為使在充種過程中更加順利，將種勺型孔設計為“圓柱孔”的結構，如圖6所示。

圖6 種勺型孔結構示意圖Fig.6 Schematic of seed spoon hole structure

根據(jù)公式(3)和1.2.1節(jié)的三軸尺寸計算得到種勺型孔深度d的范圍為4～8 mm，型孔直徑dr的范圍為10.5～18 mm，為滿足要求，將種勺型孔半徑r范圍確定為5.5～9 mm，由于半夏種子呈橢球狀，種子進入型孔的不同姿態(tài)會對充種有一定的影響，而種勺型孔半徑對半夏種子進入型孔起到重要作用，在半夏種子進入型孔后，型孔的深度在上述范圍內均不易滑落，因此，為便于簡化分析，結合實際的試驗，將種勺型孔深度d確定為5.5 mm，而型孔半徑r則作為試驗因素進行進一步分析。

3.1.3種勺型孔傾角

種勺型孔傾角為種勺型孔底部的切線與種勺底部的夾角。種勺型孔傾角有利于種勺經(jīng)過充種區(qū)時取種并攜帶種子離開種群時防止攜帶多余種子，為滿足種勺單粒取種，在種勺通過種群時，對型孔外的種子進行靜力學分析，如圖7所示。

圖7 型孔外種子靜力學分析Fig.7 Static analysis of seeds outside hole

種勺隨取種輪做圓周運動，當種勺位于某一位置時，種勺及型孔內的目標種子有隨取種輪沿切向方向的運動趨勢，通過運動學分析，種勺攜帶除目標種子外的其他種子會產生沿運動方向加速度at以及運動方向切線方向加速度an，而這兩種加速度均和種勺傾角相關。保證種勺型孔傾角可以起到清種的作用，需要種勺型孔外的種子的合加速度位于oxy坐標系的第一象限內。因此，型孔外的種子受力應滿足

(4)

式中φs——半夏種間最大摩擦角，(°)

Fn——型孔外種子所受支持力，N

Ff——型孔外種子所受摩擦力，N

μs——半夏種間動摩擦因數(shù)

β——種勺型孔傾角，(°)

通過對半夏種子的物理特性測量得到，半夏種子間的最大摩擦角φs為22.8°，半夏種子間的動摩擦因數(shù)μs為0.086，因此，計算得到種勺型孔傾角β在4.92°～22.8°之間。后續(xù)通過仿真分析和實際試驗確定種勺型孔傾角β為20°。

3.2 取種輪參數(shù)設計

為使得種勺所攜帶型孔外的其他種子更易掉落到取種輪兩側的回流板上，在取種輪的外緣設計棱角，此棱角可以避免種勺和取種輪之間的“托種”現(xiàn)象，如圖8所示。

圖8 取種輪結構示意圖Fig.8 Schematic of seed wheel structure

離開充種區(qū)的種勺隨取種輪做圓周運動，在經(jīng)過取種輪的最高點時，如果種勺型孔內的種子所受慣性力過大，將會脫離型孔，無法進入護種區(qū)從而造成漏播，因此對處于取種輪運動過程中的半夏種子進行力學分析，如圖9所示。

圖9 最高點型孔內半夏種子受力分析Fig.9 Stress analysis of Pinellia ternata seeds in the highest point hole

以半夏種子的質心作為坐標軸原點，x軸的正方向垂直于半夏種子與種勺接觸面向外，y軸正方向垂直于x軸并指向種勺運動趨勢方向，由此建立直角坐標系，對種子進行受力分析，得

(5)

其中

(6)

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

Fm——種子與種勺間的摩擦力，N

ε——轉動慣性力與x軸正向夾角，(°)

μ——種子與種勺間的摩擦因數(shù)

vw——取種輪線速度，m/s

D——取種輪直徑，mm

種勺隨著取種輪作圓周運動，運動過程中，y方向的合力沿著y軸的負方向可以保證型孔內的半夏種子不被甩出，聯(lián)立公式(5)、(6)得到

(7)

當取種輪轉動的線速度在0.3 m/s時,在FI與x軸正向夾角ε為0°時，根據(jù)3.1.3節(jié)，種勺傾角β為20°，種勺與半夏種子間的摩擦因數(shù)μ為0.457，計算得到D≥97.7 mm，取種輪直徑越大，種勺數(shù)量越多，充種性能越好，但是取種輪直徑也不宜過大，參考《農業(yè)機械設計手冊》結合實際試驗，確定取種輪直徑D為220 mm。

3.3 種勺分布

輪勺式排種器的充種頻率取決于取種輪上的種勺數(shù)量與取種輪的線速度。當取種輪轉速一定時，種勺數(shù)量越多，排種器的充種頻率越高；當種勺數(shù)量一定時，取種輪轉速越快，排種器的充種頻率越高，而充種頻率越高排種器的充種性能越好。而種勺的數(shù)量z需要滿足

(8)

式中vm——播種機作業(yè)速度，m/s

S——半夏播種株距，mm

半夏株距為5 cm左右，播種機作業(yè)速度為1.00 km/h，結合3.2節(jié)，取種輪直徑為220 mm，而取種輪線速度過快會出現(xiàn)充種、清種不及時等現(xiàn)象從而導致重播以及漏播嚴重，取種輪線速度過低會出現(xiàn)清種時間過長的現(xiàn)象從而導致漏播。參考《農業(yè)機械設計手冊》，當取種輪的線速度不超過0.3 m/s時，經(jīng)計算種勺的數(shù)量z≥13，后續(xù)通過試驗確定種勺的個數(shù)，其安裝如圖10所示。

圖10 種勺裝配圖Fig.10 Assembly drawing of planting spoon1.種勺 2.種勺安裝板 3.取種輪

3.4 回流板參數(shù)設計

離開充種區(qū)后，種勺隨取種輪做圓周運動，除目標種子外的其他種子依托在種勺與取種輪之間并跟隨一起運動，當種勺經(jīng)過清種區(qū)時，除型孔內的其他種子在重力和離心力的作用下掉落到取種輪兩側的回流板上，并回流到種箱內，如圖11所示，為保證種子可以在自身重力的作用下回流到種箱內，對回流板上的種子受力分析得

圖11 種子在回流板上受力示意圖Fig.11 Schematic of stress analysis of seeds on reflux plate

(9)

式中θ——回流板傾角，(°)

φ——半夏與回流板材料最大摩擦角，(°)

FZ——回流板對半夏種子的支持力，N

Fc——回流板對半夏種子的摩擦力，N

經(jīng)過測量得到種子與回流板材料靜摩擦角φ為24.8°，根據(jù)種箱以及外殼的結構，并結合試驗，確定回流板傾角θ為25°。

4 EDEM離散元模擬仿真

4.1 仿真模型建立及仿真參數(shù)確定

4.1.1仿真模型建立

本文以河北省旱半夏種子為對象進行建模，選取與平均三軸尺寸相近的半夏種子，通過三維掃描儀對選取的半夏種子掃描得到其三維點云數(shù)據(jù)，在Geomagic-Studio軟件中利用逆向工程技術將獲得的三維點云數(shù)據(jù)擬合成半夏種子的三維網(wǎng)格幾何模型，并導入到EDEM軟件中，通過非球形顆粒的快速填充功能，得到多球面聚合顆粒模型，如圖12所示。

圖12 半夏種子實物圖與仿真模型Fig.12 Graph and simulation model of Pinellia ternata seeds

通過NX三維繪圖軟件建立排種器三維模型，為提高仿真效率，簡化或省略三維模型中不參與仿真的部件，導出STL格式文件并導入到EDEM軟件中，如圖13所示。

圖13 排種器EDEM仿真模型Fig.13 Import seed-metering device model in EDEM

4.1.2仿真參數(shù)確定

在排種器工作過程中，種子將會接觸種勺、回流板、取種輪，其中取種輪及種勺的材料為ABS塑料，回流板材料為不銹鋼材料。選擇Hertz-Mindlin(no slip)模型作為顆粒間及顆粒與排種器間的接觸模型。試驗前進行參數(shù)標定，確定顆粒-顆粒、顆粒-材料的接觸參數(shù)以及ABS塑料、半夏種子和不銹鋼材料的各基礎參數(shù)及相互間的接觸參數(shù)，如表2所示。

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

4.2 單因素仿真試驗

為進一步確定輪勺式排種器的主要結構參數(shù)和工作參數(shù)，通過EDEM軟件對排種器的充種性能進行單因素仿真試驗，以合格指數(shù)(1粒/勺)、漏充指數(shù)(0粒/勺)和重充指數(shù)(≥2粒/勺)為試驗指標，如圖14所示。通過試驗對各影響因素進行分析。每組試驗重復進行3次，從排種器穩(wěn)定工作時開始記錄10 s內的數(shù)據(jù)，每次統(tǒng)計100個種勺的取種情況。

圖14 EDEM仿真試驗指標Fig.14 EDEM simulation test index

4.2.1種勺數(shù)量

按照3.3節(jié)計算的種勺數(shù)量，通過預試驗，在仿真試驗時設定取種輪轉速為20.0 r/min、種層高度為140.0 mm、種勺型孔半徑為7.5 mm，分析種勺數(shù)量為14、16、18、20個時對充種過程的影響，其試驗結果如表3所示。

表3 不同種勺數(shù)量時仿真結果Tab.3 Simulation results of different numbers of seed spoon %

通過試驗分析可知，隨著種勺數(shù)量的增加，排種器充種過程中的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)先降低后升高，其中在種勺數(shù)量為14個時，兩相鄰種勺間距過大，種群流動不穩(wěn)定，不利于充種，從而導致合格指數(shù)降低，而在種勺數(shù)量為18個時，種勺間距較合適，兩種勺間的種群流動相對穩(wěn)定，合格指數(shù)最高，隨著種勺數(shù)量的增加，種勺間距過小導致充種不及時，此時合格指數(shù)下降，由此，將種勺數(shù)量選定為18個。

4.2.2種層高度

排種器工作過程中種箱內的種層高度對其充種效果起一定的影響作用，由于實際加工的種箱總高度為160.0 mm，試驗中種層高度需稍低于種箱的總高度以防止取種過程中種箱內上層的種子流出種箱，同時為保證一定的充種區(qū)域，將種層高度范圍定為80.0～150.0 mm。為探究種層高度對輪勺式排種器充種性能的影響，通過預試驗，仿真試驗時設定種勺數(shù)量為18個、取種輪轉速為20.0 r/min、種勺型孔半徑為7.5 mm，分析種箱內種層高度為80.0、100.0、120.0、140.0、150.0 mm時對排種器充種過程中合格指數(shù)、漏充指數(shù)以及重充指數(shù)的影響，為保證種箱內充種區(qū)的種層高度不變，通過調節(jié)種箱隔板的高度，使隔板外側的種群填充到充種區(qū)，其試驗結果如表4所示。

表4 不同種層高度時仿真結果Tab.4 Simulation results of different seed heights %

通過試驗分析可知，隨著種層高度的增加，排種器充種過程中的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)降低，重充指數(shù)升高，其中在種層高度為120.0 mm時合格指數(shù)達到最高，而在種層高度為80.0 mm時，合格指數(shù)最低，說明當種層高度較低時種間力過小使得種子無法落入到種勺型孔內，致使漏充指數(shù)升高，當種層高度過高時，充種區(qū)內種間力較大，導致種勺更易攜帶型孔外其他種子進入清種區(qū)使得重充指數(shù)升高，合格指數(shù)降低。考慮到后續(xù)試驗中各因素間的交互作用，將種層高度確定為100.0～150.0 mm。

4.2.3取種輪轉速

取種輪轉速對排種器的充種效果有很重要的影響，為研究取種輪轉速對排種器作業(yè)過程中充種過程的影響程度，通過預試驗，在仿真試驗中設定種勺數(shù)量為18個、種層高度為140.0 mm、種勺型孔半徑為7.5 mm，分析取種輪轉速為10.0、15.0、20.0、25.0、30.0 r/min時對排種器充種性能的影響，其試驗結果如表5所示。

表5 不同取種輪轉速時仿真結果Tab.5 Simulation results under different rotational seed wheel speeds %

通過試驗結果可知，隨著取種輪轉速的提高，試驗的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)逐漸升高，其中在取種輪轉速為20.0 r/min時，合格指數(shù)最高，而在取種輪轉速為10.0 r/min時，合格指數(shù)最低，說明當取種輪轉速過慢，種勺與取種輪間更易形成種子堆積，當取種輪轉速越快，處于充種區(qū)的兩相鄰種勺之間的種群回填不及時使得漏充指數(shù)升高從而導致合格指數(shù)降低。考慮到后續(xù)試驗中各因素間的交互作用，將取種輪轉速確定為15.0～30.0 r/min。

4.2.4種勺型孔半徑

種勺型孔大小決定著排種器在充種過程中單粒取種的成功率，為研究種勺型孔對排種器充種性能的影響程度，根據(jù)3.1.2節(jié)對種勺型孔的理論設計，通過預試驗，在仿真分析中設定種勺數(shù)量為18個、取種輪轉速為20.0 r/min、種層高度為140.0 mm，分析型孔半徑為5.5、6.0、7.0、8.0、9.0 mm時對排種器充種性能的影響，試驗結果如表6所示。

表6 不同種勺型孔半徑時仿真結果Tab.6 Simulation results under different seed spoon hole radius %

由表6可知，隨著種勺型孔半徑的增大，試驗中的合格指數(shù)先升高后降低，漏充指數(shù)逐漸降低。當種勺型孔半徑為5.5 mm時，合格指數(shù)最低，當種勺型孔半徑為8.0 mm時，合格指數(shù)最高，說明在取種過程中，種勺經(jīng)過充種區(qū)種群時，種勺型孔半徑過小，目標種子無法穩(wěn)定地“躺”在種勺的型孔內，隨著取種輪的轉動，型孔內的目標種子更易脫離種勺型孔，導致漏充指數(shù)升高，合格指數(shù)降低；當種勺型孔過大時，種勺更易攜帶型孔外的其他種子隨取種輪一起運動，此時重充指數(shù)會逐漸升高，合格指數(shù)下降，考慮到后續(xù)試驗中各因素間的交互作用，將種勺型孔半徑確定為6.0～9.0 mm。

5 排種器臺架試驗

5.1 臺架試驗材料

臺架試驗所需的材料包括排種器外殼、護種板、種勺、取種輪、種勺安裝板、種箱、軸套，其中取種輪、種勺、護種板和軸套均使用ABS材料，排種器外殼、種箱通過激光下料不銹鋼材料，經(jīng)折彎和焊接等工藝加工而成。本次臺架試驗所使用的種子為人工篩選后的相對飽滿的河北旱半夏種子，臺架試驗于2021年6月20日在昆明理工大學農業(yè)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15所示，利用合肥富煌君達高科信息技術有限公司生產的千眼狼5F01高速攝像機拍攝輪勺式排種器在充種過程中的情況，參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，記錄排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)下200個種勺的充種情況，每組試驗進行3次并取結果的平均值。

圖15 輪勺式中草藥半夏精密排種器試驗臺Fig.15 Test bench of wheel-spoon type precision seed-metering device for Chinese herbal medicine Pinellia ternata1.輪勺式半夏精密排種器 2.電機 3.高速攝像機 4.補光燈 5.臺架 6.排種帶

5.2 試驗方法與結果

基于對單因素試驗結果的分析，確定取種輪轉速、種層高度、種勺型孔半徑的水平范圍，為進一步研究這3種試驗因素是否存在交互影響及3個因素交互作用對輪勺式排種器工作性能的影響，采用二次旋轉正交組合試驗確定排種器的最佳作業(yè)性能參數(shù)，其中試驗因素編碼如表7所示，試驗設計方案與試驗結果如表8所示，X1、X2、X3分別為種層高度、取種輪轉速、種勺型孔半徑的編碼值，Y1、Y2、Y3分別為合格指數(shù)(1粒/勺)、漏充指數(shù)(0粒/勺)、重充指數(shù)(≥2粒/勺)。

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

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

5.3 試驗結果分析

利用Design-Expert軟件對本次臺架試驗中排種器工作時的合格指數(shù)、漏充指數(shù)和重充指數(shù)進行方差分析，其顯著性檢驗結果如表9所示。

5.3.1合格指數(shù)Y1

表9 各指數(shù)方差分析Tab.9 Variance analysis of each index

(10)

5.3.2漏充指數(shù)Y2

(11)

5.3.3重充指數(shù)Y3

(12)

5.4 交互項對合格指數(shù)的影響

通過對試驗結果的數(shù)據(jù)處理可以得到取種輪轉速、種層高度、種勺型孔半徑之間的交互作用對合格指數(shù)Y1的影響，其響應曲面如圖16所示。

圖16 因素交互作用對合格指數(shù)的影響響應曲面Fig.16 Effects of interaction factors on eligible rate

在排種器種勺型孔半徑為7.5 mm時，取種輪轉速和種層高度交互作用對合格指數(shù)Y1的影響響應曲面如圖16a所示。輪勺式排種器取種輪轉速為15.0～22.0 r/min，種層高度為120.0～140.0 mm，排種器的合格指數(shù)較大，當取種輪轉速一定時，隨著種層高度的增加，充種區(qū)內種間力逐漸增大，有利于充種，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，種層高度過大時，種間力過大，重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降；當種層高度一定時，隨著取種輪轉速的逐漸加快，排種器自身的振動也隨之增大，有利于提升排種器的清種效果，重充指數(shù)下降，合格指數(shù)逐漸上升，當取種輪轉速過快，充種區(qū)的種群回填不及時導致漏充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降。

圖16b為取種輪轉速為22.5 r/min時，種層高度和種勺型孔半徑交互作用對合格指數(shù)Y1影響的響應曲面。輪勺式排種器的種勺型孔半徑為7.4～7.8 mm，種層高度為123.0～146.0 mm，排種器的合格指數(shù)較高，在作業(yè)速度一定時，隨著種層高度的增大，充種區(qū)內種間力逐漸增加，有利于充種，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸增大，種層高度較高時，充種區(qū)內種間力過高導致重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降；當種層高度一定時，隨著種勺型孔半徑的增大，充種區(qū)內的目標種子在種間力的作用下更易進入到型孔，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，當種勺型孔半徑過大時，重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降。

圖16c為種層高度125.0 mm時，種勺型孔半徑和取種輪轉速交互作用對合格指數(shù)Y1影響的響應曲面。輪勺式排種器的種勺型孔半徑為7.4～7.7 mm，取種輪轉速為15.0～18.0 r/min，排種器的合格指數(shù)較高，在種勺型孔半徑一定時，隨著取種輪轉速逐漸加快，排種器自身的振動也隨之增大，有利于提升排種器的清種效果，重充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，當取種輪轉速過大，充種區(qū)的種群回填不及時導致漏充指數(shù)增大，合格指數(shù)逐漸下降；在取種輪轉速一定時，隨著種勺型孔半徑的增加，種群內的目標種子更易充入到型孔中，漏充指數(shù)逐漸下降，合格指數(shù)逐漸上升，當種勺型孔半徑過大時，重充指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)逐漸下降。

5.5 最佳參數(shù)優(yōu)化

為確定最佳參數(shù)取值范圍，設定合格指數(shù)大于95.5%、重充指數(shù)小于3.5%以及漏充指數(shù)小于1.0%，結合5.3.1節(jié)中得到影響合格指數(shù)的重要性依次為取種輪轉速、種層高度、種勺型孔半徑，所以將影響程度相對最小的種勺型孔半徑作為參數(shù)優(yōu)化固定值，設置種勺型孔半徑為7.5 mm，通過優(yōu)化后所得最佳參數(shù)區(qū)域如圖17所示，其中取種輪轉速取值范圍為17.0～19.0 r/min、種層高度取值范圍為123.0～133.0 mm。

圖17 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.17 Parameter optimization analysis chart

為驗證優(yōu)化結果的可靠性，通過臺架試驗進行驗證。在保證試驗條件不變的情況下選定種勺型孔半徑為7.5 mm，取種輪轉速為18.0 r/min，種層高度為130.0 mm進行試驗并對試驗結果進行分析，得到在這一條件下輪勺式排種器的合格指數(shù)平均值為96.0%，漏充指數(shù)的平均值為1.0%，重充指數(shù)的平均值為3.0%，試驗結果與優(yōu)化結果相符。

6 結論

(1)設計了一種新型結構的輪勺式半夏精密排種器，以充種條件為依據(jù)，通過理論計算和運動學分析，確定關鍵部件結構參數(shù)；種勺型孔深度為5.5 mm、種勺型孔傾角為20°、取種輪直徑為220 mm、回流板傾角為25°。

(2)通過EDEM軟件進行離散元單因素仿真試驗，分析了不同種勺數(shù)量、取種輪轉速、種層高度以及種勺型孔半徑各因素對輪勺式排種器充種性能的影響，并確定種勺數(shù)量為18個、取種輪轉速范圍15.0～30.0 r/min、種層高度范圍100.0～150.0 mm以及種勺型孔半徑范圍6.0～9.0 mm。

(3)以取種輪轉速、種層高度和種勺型孔半徑作為試驗因素，搭建臺架進行二次回歸正交旋轉組合試驗，利用Design-Expert軟件對試驗結果進行分析，得到影響合格指數(shù)的主次順序為取種輪轉速、種層高度、種勺型孔半徑，其中取種輪轉速和種層高度的交互作用為極顯著因素。通過參數(shù)優(yōu)化，得到當種勺型孔半徑為7.5 mm，取種輪轉速為17.0～19.0 r/min、種層高度為123.0～133.0 mm，合格指數(shù)大于95.5%、漏充指數(shù)小于1.0%、重充指數(shù)小于3.5%，優(yōu)化結果經(jīng)臺架試驗驗證可靠。