勺輪式大豆播種機排種機構優化設計與試驗

李曉紅， 陳再勝

(商丘工學院機械工程學院，河南商丘 476000)

大豆作為一種重要的經濟作物和油料作物在國內被廣泛種植，國內大豆的主要種植區域分布在東北的黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古(面積和總產均占全國的50%以上)以及黃淮地區的安徽、河南、山東、江蘇、河北(面積和總產均占全國的20%以上)等省，總體種植面積為1 058萬hm2[1]。在東北地區，大豆的機械化生產技術已達到一定的水平，而在黃淮海及南方地區，由于其耕地連片面積相對較小，坡度較大，丘陵地區難以讓大機械進地，因此，大豆生產機械化程度非常低，主要是畜力和人力作業，勞動強度大，生產效率低。為了改變這種現狀，必須加快實現大豆機械精密播種的進程。

大豆機械精量播種是大豆機械化生產環節中的重要組成部分，大豆的機械化精量播種要求在播種農時內，能夠準確地按照農藝要求、粒數、間距和播深，在最短時間內將大豆播入孔穴中，播下的種子要求每穴粒數相等且逐漸均勻，從而為保證作物的生長提供較好的生長條件。采用機械精密播種可以保證種子在田間分布合理、株距均勻、播量精確、播深一致，從而為種子的生長發育創造最佳條件，并且可以大量節省種子，減少田間間苗，保證大豆的穩產高產[2]。

精密排種器、機架、開溝器、鎮壓裝置是大豆精密播種機的四大機構。其中精密排種器作為大豆精密播種機械的關鍵部件，它的主要作用是將種子按照一定的農藝要求均勻地分配到導種管中，其分配的均勻度直接影響到作物株距。因此要實現大豆機械精密播種符合農藝要求，排種器必須具備的性能為：(1)有較好的充種效果。良好的充種性能是保證播種均勻的前提，反之，充種性能不好則會造成重播、漏播。(2)合適的排種頻率。根據農藝要求，大豆精密播種的要求株距為5 cm，為了保證作業效率、降低油耗和機組配套的合理性，大面積播種要求播種機的作業速度不低于8 km/h，即要求精密排種器的排種頻率不小于44粒/s[3]。目前，我國粒距較小的排種器排種頻率大部分都比較低。(3)合適的投種高度和速度。較高投種高度會增加種子在種溝內的彈跳，從而造成落點不確定，最終會影響到其分布情況，因此，排種器高度應在可能的范圍內盡量降低；投種時，應盡量使種子的絕對水平分速度為0，即為零速投種，此時，種子的落點精度較高。

為了滿足這些性能，我國科研工作者對精密排種器進行了大量的研究，之所以如此重視，正是因為排種器在作業過程中遇到了眾多問題。對大豆精密播種機來說，目前沒有對種子破碎率低且播種均勻度好的精密排種器，播種質量無法保證[4]。因此，大豆精密排種器工作過程中需要解決的問題繁多而又復雜，有些大豆精密排種器方面的理論、經驗和部件設計還須要進一步完善和改進。

因此，筆者結合生產中遇到的實際問題，借助排種器性能試驗臺，對現有的排種器進行選型，進行深入的理論分析和研究，然后對其進行優化設計和試驗論證，從而使其滿足實際生產的需求。

1 勺輪式大豆排種器工作參數優化

種子粒距的均勻性是衡量勺輪式大豆精密排種器播種質量的1個重要指標，與排種器的投種高度H、投種角α0和投種輪半徑rm密切相關，因此優化以上工作參數可以有效改善勺輪式排種器的工作性能[4]。

假設機器的前進速度v為0.3～2.0 m/s，是勻速前進的，種子進入投種輪的運動中，空氣對它的阻力很小，可以忽略不計。建立以投種輪的轉心O1在地面上投影O為原點的固定坐標系xOy(圖1)，種子脫離投種輪種子室的水平速度vx和垂直速度vy[2]分別為：

vx=v-vzcosα0；

vy=-vsinα0；

h=rm(1-cosα0)。

式中：h表示種子離開投種輪時距離投種輪底部的垂直距離；vz表示種子離開投種輪時的圓周速度；v表示機器前進速度；α0表示投種角；rm表示投種輪種子室處半徑。

設種子的自由落體時間為t，則

或

式中：H表示投種輪底部與地面的垂直距離。

種子落于地面上時的位移x：

x=vxt-rmsinα0。

將t和vx和vy的值代入上式可得：

當v、vz、α0、H和rm不變時，x為一常數。而在實際播種工作中，排種器的振動、投種輪轉速的不均勻性、投種輪的加工誤差等因素，會引起投種位置(角度α0)和投種速度vz的波動，因此位移x也是時刻變化的，從而使種子的粒距也發生不斷變化。假設投種速度vz的變化量為Δvz，投種角度α0的變化量為Δα0，則Δvz和Δα0為隨機變量。

設Δt為投種輪種子室從某一固定位置開始，到投種時的時間間隔的變化量，Δt、Δα0間存在以下關系[3]：

所以Δt也是隨機變量，并且Δα0可以用Δt來度量。

根據在試驗臺上用大豆所做的試驗(v=0.41 m/s，α0=0°、18°、30°)隨機變量Δt、Δvz服從正態分布，其均方差為：

σvz=0.035 m/s；σt=0.007 6 s。

考慮到Δt(相應于Δα0)和Δvz2個隨機變量的實際影響，種子落到地面上的位移x的關系式應改為：

x變化越小，播種質量越好，所以選x的方差σx為優化的目標函數：

f(x)=σx。

影響σx的設計參數有vz、rm、H、α0，現將它們作為優化參數，即

x=(x1,x2,x3,x4)T=(v,rm,H,α0)T。

投種輪的速度vz視為常量，每次計算時v取不同的值，即可求得v和vz的最佳比值。為計算目標函數f(x)，下面導出σx的計算公式，因為Δt、Δvz都服從正態分布，所以分布的概率密度[4]為：

根據二維隨機變量的理論[5]，2個獨立隨機變量的聯合分布概率密度為：

f(Δvz,Δt)=f(Δvz)f(Δt)；

連續性隨機變量的數學期望[6]為：

x的方差為

D(x)=E(x2)-[E(x)]2。

所以均方差則為

σvz和σt是已知量，可通過計算得E(x)和E(x2)，每計算一次目標函數σx，要計算2次重積分。計算時，積分的上下限可取±3σ。

根據一般工作條件和結構尺寸設計要求，設計變量的取值范圍為：

0.31 m/s≤v≤1.5 m/s；-1.57≤α0≤0.698；

0.02 m/s≤H≤0.31 m；0.086 m≤rm≤0.15 m。

所以約束條件為：

g1(x)=0.3-v≤0；g2(x)=v-3≤0；

g3(x)=-1.57-α0≤0；g4(x)=α0-0.698≤0；

g5(x)=0.02-H≤0；g6(x)=H-0.3≤0；

g7(x)=0.086-rm≤0；g8(x)=rm-0.15≤0。

利用趙學篤在農機優化設計中編制的函數內點法和2次插值法計算程序[7]對上述問題進行優化計算，計算原始數據和初值，計算結果見表1。不同工況下，由于H都收斂在約束邊界上，因此要求排種器的安裝高度越低越好，隨vz的增加，v和rm增大，但α0的絕對值減小。當σvz和σt改變時，計算結果有較明顯的改變。

表1 排種器參數的優化結果

2 勺輪式大豆精密排種器試驗研究與結果分析

2018年6月在河南農業大學農機實驗室利用STB-700型排種器多功能智能檢測試驗臺進行試驗，通過研究勺輪式大豆精密排種器的機理發現：排種器排種軸的轉動角速度影響排種器的充種角、清種角以及投種角，從而進一步影響排種器的重播率、漏播率以及株距合格率，因此尋找排種軸的最佳轉動角速度是提高排種器工作質量的重要方法之一[8-9]。

2.1 材料和方法

本試驗將吉農30、周豆18和華夏9號作為試驗材料，主要原因是這3種大豆種子是我國大豆主產區的主要代表種子，地理區域特征較明顯。分別取3類種子各200粒，對其長度l、寬度k、厚度t進行統計，統計結果見表2。

表2 大豆種子尺寸幾何特征值

2.2 試驗結果和分析

將以上3類種子分別裝入勺輪式大豆精密排種器中，在STB-700型試驗臺上進行試驗，分別進行3次單因子重復試驗，利用我國《單粒(精密)播種機試驗方法 GB/T 6973—2005》對重播率D、漏播率M和株距變異系數V進行統計，其統計結果見表3。

表3 排種器在不同轉速下的排種性能

由表3試驗結果可知，勺輪式大豆精密排種器轉速對大豆播種的質量影響明顯。轉速增加導致漏播率增大，當轉速大于70.2 r/min時，種子漏播現象非常嚴重；而重播率隨著轉速的增大其變化不是特別明顯，當轉速超過81.6 r/min時，其重播率才會明顯增加。轉速的提高能使變異系數逐漸增大，但會引起排種均勻度降低。由試驗可知：排種軸轉速在34.8～70.2 r/min范圍內，對株距的影響較小。

將表3的試驗數據導入Excel中，利用xy散點圖繪制其影響曲線，且相對應的影響規律可用下列方程[8]表示(方程中的角碼1、2、3分別表示吉農30、周豆18和華夏9號)

2.2.1 重播率D決定系數r12=0.955；

D1=1×10-6x6-5×10-5x5+0.006 8x4-0.520 1x3+22.058x2-489.66x+4 444.4。

決定系數r22=0.999 5；

D2=9×10-8x6-3×10-5x5+0.004 5x4-0.350 8x3+14.999x2-336x+3 080.7。

決定系數r32=0.929 7；

D3=2×10-7x6-5×10-5x5+0.007 9x4-0.605 8x3+25.666x2-568.9x+5 153.4。

由圖2可知，當排種軸轉速<40 r/min或>60 r/min時，其重播率較高，這是由于當排種軸速度低于40 r/min時，清種區間較小，分種勺內存有沒有被及時清除的種子，因此造成重播率較高；而當排種軸轉速大于60 r/min時，由于種子面傾角較大，造成充種時間增加，分種勺內種子不能完全被清除，從而造成重播率增加。

2.2.2 漏播率M決定系數r12=0.984 9；

M1=-2×10-8x6+5×10-6x5-0.000 4x4+0.015 2x3+0.013 7x2-12.756x+210.24。

決定系數r2=0.990 8；

M2=-4×10-8x6+1×10-5x5-0.001 6x4+0.101x3-3.539 9x2+64.275x-427.07。

決定系數r32=0.982 1；

M3=-4×10-8x6+1×10-5x5-0.001 4x4+0.086 5x3-2.902 2x2+49.789x-339.6。

由圖3可知，試驗材料吉農30、周豆18和華夏9號在試驗時，排種器漏播率都隨排種軸轉速的增加而增加，當排種軸轉速大于60 r/min時，漏播率明顯增加。根據3條曲線的走勢可以得出種子的物理性狀對漏播率的影響較小。

2.2.3 株距變異系數V決定系數r12=0.957；

V1=9×10-8x6+3×10-5x5+0.004 2x4-0.314 4x3+12.881x2-276.29x+2 433.8。

V2=1×10-7x6+3×10-5x5-0.004 9x4+0.368 1x3-15.165x2+327.41x-2 902.8。

決定系數r32=0.984 4；

V3=7×10-8x6+2×10-5x5-0.003 5x4+0.254 8x3-10.336x2+218.27x-1 885.2。

由圖4可知，株距變異系數隨排種軸轉速的增加而增加。這是由于排種軸轉速的增加導致種子脫離投種輪時速度增加，引起種子在種溝內的彈跳，從而導致株距變異系數增加。

當重播率D、漏播率M和株距變異系數V最小時的x值，即為排種軸最佳轉速。因此可以在Matlab中運用fminbnd函數對各方程進行求解，求得符合設計要求的重播率極小值點為44.05 r/min，漏播率極小值點為40.71 r/min，株距變異系數極小值點39.65 r/min。

3 結論

以株距均勻性為優化目標，建立數學模型，對排種器的安裝高度H、播種機行駛速度v、和投種輪半徑rm等工作參數進行優化，其優化結果為投種高度H為0.1 m、投種角α0為 -0.104 rad、投種輪種子室處半徑rm為0.389 m，在 STB-700 試驗臺進行排種軸轉速對排種器性能的影響試驗，利用顯著性方程求解確定了符合生產實際需求的重播率極小值點為44.05 r/min，漏播率極小值點為40.71 r/min，株距變異系數極小值點39.65 r/min。優化結果已在企業樣機上進行試驗，其田間試驗效果有待進一步驗證。