滾筒板齒式三七種苗分離裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗

賴慶輝　袁海闊　胡子武　蘇　微

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院， 昆明 650500)

0　引言

三七是中國名貴中藥材，在中國市場需求量大，云南省有廣泛種植[1]。截止2016年底三七的種植面積已達到5萬hm2。三七種子播種后經(jīng)一年生長，地下塊莖部分為種苗，種苗移栽是將種苗按照農(nóng)藝要求移植至種床。三七移栽目前全部為人工作業(yè)，栽植質(zhì)量差，勞動強度大，栽植效率低，用工成本高，無法實現(xiàn)標準化作業(yè)[2]。三七種苗機械化移栽可大大提高農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)率，減輕勞動強度，降低生產(chǎn)成本。因此，實現(xiàn)三七種苗移栽機械化是必然趨勢。

由于三七種苗須根纏繞導(dǎo)致不易實現(xiàn)機械移栽，采收后種苗堆積狀態(tài)如圖1a所示，單個三七種苗如圖1b所示，需在移栽前將種苗分離，因此分離裝置是移栽機的關(guān)鍵裝備。國內(nèi)外對氣力式、機械式分離裝置均進行了大量研究[3-17]，分離機構(gòu)主要用于缽苗和秧苗的分離，由于三七種苗采收后，須根纏繞在一起，因此不適合用于三七種苗分離。

圖1　三七種苗Fig.1　Panax notoginseng seedlings

為實現(xiàn)三七種苗的機械化自動移栽，本文設(shè)計一種滾筒板齒式種苗分離裝置。該裝置主要通過內(nèi)外滾筒上的板齒的相對運動，將種苗分離，最后輸出有序且離散的種苗，在對板齒、滾筒等關(guān)鍵零部件進行理論設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過EDEM離散元軟件對關(guān)鍵部件進行仿真優(yōu)化分析，并進行試驗驗證，確定最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化組合。

1　分離裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1　整機結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)三七有效分離，設(shè)計了滾筒板齒式三七種苗分離試驗臺，如圖2所示，主要由機架、喂苗機構(gòu)、分離機構(gòu)和傳動機構(gòu)組成；喂苗機構(gòu)與分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3所示，主要由喂苗轉(zhuǎn)齒、固定齒、滾筒板齒、種苗箱、種苗入口、分離轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子板齒、導(dǎo)向槽、滾筒、滾筒端蓋和種苗出口組成，轉(zhuǎn)子板齒固定于分離轉(zhuǎn)子外壁，滾筒板齒固定在滾筒內(nèi)壁。

圖2　三七種苗分離試驗臺結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic drawing of separating device for Panax notoginseng seedlings1.機架　2、5.電動機　3.分離轉(zhuǎn)子　4.滾筒　6.喂苗轉(zhuǎn)齒　7.種苗箱　8.種苗出口

圖3　三七種苗分離裝置喂苗機構(gòu)與分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic drawings of separating device and feeding mechanism for Panax notoginseng seedlings1.喂苗轉(zhuǎn)齒　2.固定齒　3.滾筒板齒　4.種苗箱　5.種苗入口6.分離轉(zhuǎn)子　7.轉(zhuǎn)子板齒　8.導(dǎo)向槽　9.滾筒　10.滾筒端蓋　11.種苗出口

1.2　工作原理

分離裝置工作時，電動機帶動喂苗機構(gòu)中的喂苗轉(zhuǎn)齒轉(zhuǎn)動，順時針轉(zhuǎn)動的喂苗轉(zhuǎn)齒將種苗箱內(nèi)的三七種苗均勻地通過種苗入口輸送至由滾筒、分離轉(zhuǎn)子及滾筒端蓋構(gòu)成的分離室內(nèi)，機架底部電動機帶動分離轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，此時，安裝在分離轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)子板齒與滾筒上的滾筒板齒形成軸向速度差，順時針轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子板齒及固定的滾筒板齒與分離室內(nèi)的三七種苗相互碰撞，使相互纏繞黏連的種苗彼此分離，并在轉(zhuǎn)子板齒的帶動下做螺旋線運動，最終通過導(dǎo)向槽的引導(dǎo)作用，有序且離散地從種苗出口排出[18-19]。

2　關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1　板齒

板齒是分離結(jié)構(gòu)實現(xiàn)離散有序分離種苗的核心部件，由于板齒與種苗碰撞接觸使纏繞的種苗離散化，板齒的材料、形狀、尺寸直接影響到分離裝置的效率及種苗的完整性，設(shè)計板齒時要依據(jù)種苗的尺寸、種苗的抗剪切強度、抗拉伸強度及板齒對種苗的攜持力。

2.1.1板齒外形

由于剛性材料的板齒在作業(yè)過程中可能損傷種苗，而柔性材料的板齒在作業(yè)過程中發(fā)生形變使板齒對種苗攜持效果變差，因此本文采用剛性材料作為板齒的框架，可以保證板齒的形狀穩(wěn)定，在框架外層澆注橡膠，不僅降低板齒對種苗的損傷，而且由于橡膠與板齒的摩擦因數(shù)較大，增加了板齒對種苗攜持力[20]。通過前期試驗測得三七種苗抗剪切強度為2.292 MPa，抗拉伸強度為6.423 MPa，轉(zhuǎn)子板齒轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子板齒與滾筒板齒以相對速度轉(zhuǎn)動，外層材料為柔性材料的板齒可在不損傷種苗主根情況下離散種苗。

轉(zhuǎn)子板齒齒形設(shè)計為等腰梯形，滾筒板齒齒形設(shè)計為矩形，使板齒間空隙自動適應(yīng)種苗的形狀及尺寸，防止轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子板齒與滾筒板齒之間的間隙改變，種苗產(chǎn)生縱向位移降低板齒對種苗的攜持力。滾筒板齒如圖4a所示，轉(zhuǎn)子板齒如圖4b所示。

圖4　板齒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Schematic drawings of tooth1.螺栓　2.鐵質(zhì)框架　3.橡膠

2.1.2板齒結(jié)構(gòu)參數(shù)

轉(zhuǎn)子板齒平均寬度為

b=(b1sinα+b2)/2

(1)

式中b1——轉(zhuǎn)子板齒末端寬度

b2——滾筒板齒厚度

α——轉(zhuǎn)子板齒與豎直方向的夾角

板齒長度L根據(jù)板齒間距離、板齒數(shù)和螺旋線數(shù)(板齒安裝軌跡線呈螺旋線狀)確定，即[21]

(2)

式中a1——兩個相鄰板齒之間距離，mm

Z1——轉(zhuǎn)子板齒數(shù)量

k——螺旋線數(shù)量

c——末端轉(zhuǎn)子板齒外側(cè)面與轉(zhuǎn)子端面之間的距離，mm

兩相鄰板齒間距離a1為

a1=2(b+δ1)

(3)

式中δ1——轉(zhuǎn)子板齒和滾筒板齒之間最小間距(最小間距大于主根直徑)，mm

轉(zhuǎn)子板齒數(shù)量Z1根據(jù)三七農(nóng)藝要求確定，為

(4)

(5)

式中μ1——安全系數(shù)，取1.2

q——單位時間內(nèi)每個板齒的進給量，取0.07株/s

Q——單位時間內(nèi)分離機構(gòu)的分離量

μ2——安全系數(shù)，取1.2

i——移栽行數(shù)，取1行

v0——作業(yè)速度，m/s

d——栽植株距，cm

各行轉(zhuǎn)子板齒間的間距為

(6)

式中M——轉(zhuǎn)子板齒行數(shù)

轉(zhuǎn)子板齒安裝如圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)子板齒分布圖Fig.5　Distribution diagrams of rotor tooth

2.2　滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)

機器運轉(zhuǎn)時，滾筒內(nèi)壁與轉(zhuǎn)子板齒之間需留有一定間隙，間隙應(yīng)小于主根直徑，防止種苗被擠入轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)齒與內(nèi)壁間隙中，滾筒直徑計算式為[22-23]

D2=D1+2(L+δ+δ2+δ3)

(7)

式中D1——轉(zhuǎn)子外徑，mm

δ——滾筒材料厚度，mm

δ2——轉(zhuǎn)子板齒末端與內(nèi)壁的間隙，mm

δ3——導(dǎo)向槽厚度，mm

滾筒板齒安裝如圖6所示。滾筒各行中的板齒呈左右對稱分布，沿滾筒內(nèi)徑呈不均勻分布，各列有4個釘齒，相鄰列間交錯布置，間隔弧長分別取es=60 mm，fs=90 mm。

圖6　滾筒板齒分布圖Fig.6　Distribution diagrams of tube tooth

2.3　導(dǎo)向槽

種苗在滾筒底部時，通過轉(zhuǎn)子板齒的攜持及導(dǎo)向槽導(dǎo)向作用有效地向種苗出口處運動，導(dǎo)向槽數(shù)量決定相鄰導(dǎo)向槽間的間距，直接影響種苗通過數(shù)量；根據(jù)三七種苗三軸尺寸(主根長度、主根直徑、剪口長度、剪口直徑分別為23.52、12.95、15.50、6.68 mm)及滾筒尺寸(直徑324 mm)，本研究初步選取導(dǎo)向槽數(shù)量nD為3。

3　分離裝置離散元仿真模型建立

分離裝置工作過程中伴隨著大量的顆粒運動，在顆粒運動過程中始終存在著重力、摩擦力等多種作用力的綜合作用。離散元法(Discrete element method，DEM)[24]在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用離散元軟件EDEM對分離過程進行仿真優(yōu)化分析，通過數(shù)字化方法確定各結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分離工作性能的主次，并確定結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合，避免裝置試制的盲目性，降低了試制成本。在仿真運行前，首先需要對前處理參數(shù)進行設(shè)置，前處理器參數(shù)主要包括整體參數(shù)、仿真顆粒、幾何模型以及顆粒工廠的設(shè)置[25]。

3.1　接觸模型

接觸模型是離散元分析的核心，顆粒的接觸模型按接觸方式的不同分為硬球接觸模型和軟球接觸模型。軟球接觸模型允許顆粒之間接觸點間出現(xiàn)重疊部分，并根據(jù)接觸顆粒的物理屬性和法向重疊量、切向位移準確計算出接觸作用力[26]。考慮到三七種苗表面無粘附力，本文選用Hertz-Mindlin(no slip)無滑移接觸作為三七種苗與種苗間以及種苗與分離裝置之間的接觸模型。

3.2　顆粒模型

本文以三七種苗為原型，隨機選取100株三七種苗，利用游標卡尺多次測量三七種苗的尺寸參數(shù)(主根長度、主根直徑、剪口長度和剪口直徑)，如圖7所示，測得種苗的平均主根長度l1、主根直徑d1、剪口長度l2、剪口直徑d2分別為23.52、12.95、15.50、6.68 mm。

圖7　三七種苗尺寸Fig.7　Sizes of Panax notoginseng seedling

從種苗中選取最接近所測參數(shù)的一株種苗(圖8a)，在Solidworks中按照此株種苗繪制三維模型(圖8b)，將三維模型轉(zhuǎn)化為stl模型并導(dǎo)入離散元分析軟件EDEM(圖8c)，在離散元軟件EDEM中通過多球疊加法并依據(jù)種苗stl模型建立種苗離散元顆粒模型[27](圖8d)。

圖8　三七種苗模型Fig.8　Models of Panax notoginseng seedling

3.3　分離裝置模型

離散元軟件EDEM支持多種格式的幾何文件，本文利用Solidworks建模軟件創(chuàng)建分離裝置裝配體模型，然后將分離裝置裝配體模型導(dǎo)入EDEM中，如圖9所示。

圖9　分離裝置模型Fig.9　EDEM model of separation device

4　仿真試驗與結(jié)果分析

4.1　試驗方法

本文利用EDEM數(shù)據(jù)分析工具及三維可視化工具對分離過程進行仿真分析及數(shù)據(jù)后處理[28]。將EDEM仿真技術(shù)與設(shè)計分離裝置相集合，通過虛擬仿真，確定三七種苗分離裝置關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為樣機試制提供參考。

4.2　仿真設(shè)置

仿真選用Hertz-Mindlin接觸模型，Rayleigh時間步長百分比設(shè)置為20%，輸出時間步長為0.01 s，種苗在分離裝置內(nèi)堆積一定數(shù)量后，分離過程趨于穩(wěn)定，因此仿真時間總長設(shè)置為20 s(前5 s種苗堆積，后15 s為平穩(wěn)分離時段)，設(shè)定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為120 r/min，種苗入口種苗生成速率為5個/s。

4.3　單因素仿真試驗

4.3.1試驗安排

為確認分離效果最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，本仿真試驗重點研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對分苗變異系數(shù)V及分離率RD的影響規(guī)律。選用三七種苗分離結(jié)構(gòu)為模型，選取螺旋線數(shù)量、轉(zhuǎn)子板齒長度、滾筒板齒長度和導(dǎo)向槽數(shù)量為試驗因素，每個因素選取5個試驗水平進行單因素仿真試驗。以變異系數(shù)V及分離率RD作為試驗指標，變異系數(shù)計算式為

(8)

其中

(9)

(10)

式中X——各時間段分離的三七種苗數(shù)量

S——標準差

n1——時間段數(shù)

分離率RD計算式為

(11)

式中ND——分離過程中排出的單株種苗數(shù)量

N0——分離過程中排出的種苗數(shù)量

4.3.2仿真試驗結(jié)果與分析

圖10　離散元仿真環(huán)境Fig.10　Environment of discrete element simulation1.接苗盒　2.質(zhì)流傳感器　3.分離機構(gòu)

選取仿真試驗5～20 s進行數(shù)據(jù)采集，使用EDEM后處理模塊中質(zhì)流傳感器統(tǒng)計每間隔0.5 s分離過程排出種苗及單株種苗的數(shù)量，如圖10所示，以計算分離機構(gòu)分離率及變異系數(shù)。

4.3.2.1螺旋線數(shù)量

螺旋線數(shù)量單因素仿真試驗結(jié)果如圖11所示，變異系數(shù)隨螺旋線數(shù)量的增大先降低后升高，螺旋線數(shù)量的增加即轉(zhuǎn)子板齒數(shù)量增多，被攜持種苗數(shù)量上升，分離效率提高，變異系數(shù)降低，轉(zhuǎn)子板齒數(shù)量不斷增加使轉(zhuǎn)子板齒間的間隙變小，種苗在分離機構(gòu)內(nèi)堵塞幾率增大，排苗均勻性變差，變異系數(shù)升高；分離率隨螺旋線數(shù)量的增大而逐漸升高并逐漸趨穩(wěn)，螺旋線數(shù)量增至3個以后，分離率變化不明顯，螺旋線數(shù)量的增加使單位時間內(nèi)對種苗的攜持及分離次數(shù)增多，種苗分離更加充分，分離率逐漸升高。螺旋線數(shù)量為3時，變異系數(shù)最低，為28.03%，分離率為76.47%。

圖11　螺旋線數(shù)量對分離性能的影響Fig.11　Influence of number of spiral on separation performance

圖12　轉(zhuǎn)子板齒長度對分離性能的影響Fig.12　Influence of length of rotor tooth on separation performance

4.3.2.2轉(zhuǎn)子板齒長度

轉(zhuǎn)子板齒長度單因素仿真試驗結(jié)果如圖12所示，變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)子板齒長度的增大逐漸降低然后升高，分離率隨轉(zhuǎn)子板齒長度的增大而逐漸升高然后降低。轉(zhuǎn)子板齒長度較小時，轉(zhuǎn)子板齒末端與滾筒內(nèi)壁空隙較大，種苗主要集中在滾筒底部，分離機構(gòu)對種苗的輸送和分離效果較差，此時變異系數(shù)最高，分離率最低，隨著轉(zhuǎn)子板齒長度的增大，分離機構(gòu)對種苗的推送和分離效果增強，種苗在轉(zhuǎn)子板齒的帶動下開始沿滾筒內(nèi)壁做螺旋運動，變異系數(shù)降低，分離率升高，當(dāng)轉(zhuǎn)子板齒長度自45 mm后再增長，轉(zhuǎn)子板齒與滾筒間隙逐漸變小，變異系數(shù)增高，分離率降低。轉(zhuǎn)子板齒長度為45 mm時，變異系數(shù)最低，為30.72%，分離率最高，為69.0%。

4.3.2.3滾筒板齒長度

滾筒板齒長度單因素仿真試驗結(jié)果如圖13所示，變異系數(shù)隨滾筒板齒長度的增大而逐漸降低，分離率隨滾筒板齒長度的增大而逐漸升高。滾筒板齒長度的增加使得分離滾筒內(nèi)種苗與板齒碰撞概率增大，對種苗群的離散更充分，且排出種苗也更加均勻，滾筒板齒長度增至80 cm時，變異系數(shù)最低，為26.14%，分離率最高，為78.5%。

圖13　滾筒板齒長度對分離性能的影響Fig.13　Influence of length of tube tooth on separation performance

4.3.2.4導(dǎo)向槽數(shù)量

導(dǎo)向槽數(shù)量單因素仿真試驗結(jié)果如圖14所示，變異系數(shù)隨導(dǎo)向槽數(shù)量的增加而降低，分離率隨導(dǎo)向槽數(shù)量的增加而升高。導(dǎo)向槽數(shù)量增多使相鄰導(dǎo)向槽間的距離縮小，種苗運動至滾筒底部時被分離的種苗能有序沿著相鄰導(dǎo)向槽構(gòu)成的空間運動，防止過度分離，及時排出，導(dǎo)向槽數(shù)量為5時，變異系數(shù)最低，為27.11%，分離率最高，為77.50%。

圖14　導(dǎo)向槽數(shù)量對分離性能的影響Fig.14　Influence of number of guiding groove on separation performance

4.4　正交試驗

4.4.1正交試驗設(shè)計

采用L25(56)正交試驗表安排仿真試驗[29]，考察結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離性能影響及確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，綜合考慮單因素試驗結(jié)果與板齒距滾筒間隙，選取轉(zhuǎn)子板齒長度范圍為65～75 mm，螺旋線數(shù)量范圍為1～5，導(dǎo)向槽數(shù)量范圍為1～5，滾筒板齒長度范圍為60～80 mm。因素水平如表1所示。選取變異系數(shù)V及分離率RD作為試驗指標，試驗結(jié)果及方差分析如表2和表3所示。A、B、C、D為因素水平值。

表1　試驗因素水平Tab.1　Factors and levels of orthogonal test

4.4.2試驗結(jié)果分析

分離率越大，變異系數(shù)越小，種苗分離機構(gòu)分離性能越好。仿真試驗極差分析結(jié)果如表2所示，結(jié)果表明：影響變異系數(shù)的主次因素順序為B、D、A、C，而交互項A×B的極差較小，對變異系數(shù)影響較小，不是主要因素；影響分離率的主次因素順序為D、A、C、B，而交互項A×B的極差較小，對分離率影響較小，不是主要因素。

極差分析中尋找出結(jié)構(gòu)參數(shù)對變異系數(shù)、分離率的主次順序。應(yīng)用Design-Expert軟件對試驗因素進行方差分析，以分析試驗因素對各評價指標的顯著性，如表3所示。從表3可知，轉(zhuǎn)子板齒長度A對變異系數(shù)影響顯著(P<0.05)，螺旋線數(shù)量B對變異系數(shù)影響極顯著(P<0.01)，導(dǎo)向槽數(shù)量C對變異系數(shù)影響不顯著(P>0.05)，滾筒板齒長度D對變異系數(shù)影響顯著(P<0.05)；轉(zhuǎn)子板齒長度A對分離率影響顯著(P<0.05)，螺旋線數(shù)量B對分離率影響顯著(P<0.05)，導(dǎo)向槽數(shù)量C對分離率影響不顯著(P>0.05)，滾筒板齒長度D對分離率影響不顯著(P>0.05)。通過仿真單因素試驗及正交試驗確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)子板齒長度為70 mm，螺旋線數(shù)量為4，導(dǎo)向槽數(shù)量為3，滾筒板齒長度為65 mm，此時仿真試驗分離變異系數(shù)為12.96%，分離率為88.57%。

5　試驗驗證

根據(jù)分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真優(yōu)化結(jié)果，試制了種苗分離裝置，并進行驗證試驗。因仿真試驗中直接在種苗入口處設(shè)定種苗生成速度，為保證實際試驗種苗入口處喂苗量為5個/s，對喂苗機構(gòu)喂苗量進行仿真分析，確定當(dāng)喂苗轉(zhuǎn)齒轉(zhuǎn)速為12.1 r/min時喂苗量為5個/s。驗證試驗所用三七種苗選取自云南省文山州硯山縣云南七丹藥業(yè)股份有限公司三七種植基地，種苗平均質(zhì)量、主根長度、主根直徑分別為1.773 9 g、17.71 mm、13.93 mm。按照仿真試驗相同的條件對分離裝置進行驗證試驗，設(shè)定分離裝置轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為120 r/min，喂苗轉(zhuǎn)齒轉(zhuǎn)速為12.1 r/min，種苗箱位置不間斷放置種苗。通過攝像設(shè)備高幀率模型錄制試驗，試驗結(jié)束后通過攝像對試驗結(jié)果進行統(tǒng)計，重復(fù)試驗3次，取平均值，試驗情況如圖15所示。得到變異系數(shù)為17.37%，分離率為84.69%，符合三七移栽作業(yè)農(nóng)藝要求。

表2　試驗方案與結(jié)果Tab.2　Experimental scheme and test results

表3　方差分析結(jié)果Tab.3　Results of variance analysis

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

圖15　三七種苗分離試驗圖Fig.15　Diagram of separating device for Panax notoginseng seedlings

分離裝置作業(yè)過程時，分離板齒與種苗之間產(chǎn)生碰撞，易造成種苗須根掉落、剪口脫落及表皮損傷等損傷種苗的情況，影響三七種苗的發(fā)芽率及皂苷含量。因此，需驗證三七種苗分離裝置對種苗造成的破損情況。選取200個無破損三七種苗，分離機構(gòu)各參數(shù)采用驗證試驗所選取參數(shù)，記錄破損種苗并計算破損率，試驗重復(fù)5次，種苗不重復(fù)使用，破損率取平均值，破損率RB計算式為

(12)

式中NB——分離裝置排出種苗中破損種苗數(shù)量

經(jīng)試驗測得破損率為7.5%，符合三七農(nóng)藝種植標準要求。對比仿真試驗結(jié)果和驗證試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，二者之間僅存在較小差異，主要因為仿真試驗中，分離機構(gòu)種苗入口處生成的種苗均勻性和離散程度較好，實際試驗中，喂料機構(gòu)排出種苗的均勻性和連續(xù)性相對較差，且種苗之間粘連較為嚴重。因此，實際試驗得到的變異系數(shù)高于仿真試驗的變異系數(shù)，實際試驗得到的分離率低于仿真試驗的分離率，兩者之間試驗結(jié)果變異系數(shù)、分離率偏差分別為4.41%、3.88%。分離裝置實際試驗驗證可以得出，利用離散元軟件EDEM對分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)進行仿真單因素及正交試驗，以確定分離機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方法可行。

6　結(jié)論

(1)設(shè)計了一種三七種苗分離裝置，分離機構(gòu)采用滾筒板齒式結(jié)構(gòu)，主要由滾筒、轉(zhuǎn)子、板齒、導(dǎo)向槽和喂苗機構(gòu)組成，通過理論計算得出了分離機構(gòu)主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)通過離散元軟件EDEM仿真進行種苗分離單因素及正交試驗，探尋結(jié)構(gòu)參數(shù)對分離性能的影響，尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，為樣機制作提供參考；仿真試驗結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子板齒長度、螺旋線數(shù)量對分離性能影響顯著，滾筒板齒長度、導(dǎo)向槽數(shù)量對分離性能影響不顯著，仿真結(jié)果選出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合為：轉(zhuǎn)子板齒長度為70 mm、螺旋線數(shù)量為4、導(dǎo)向槽數(shù)量為3、滾筒板齒長度為65 mm。此時，分離裝置仿真分離效果最好。

(3)根據(jù)仿真優(yōu)化試驗得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，試制分離裝置并進行實際試驗驗證仿真結(jié)果，試驗結(jié)果為：種苗分離變異系數(shù)為17.37%，分離率為84.69%。并通過破損驗證試驗測得破損率為7.5%。對比試驗結(jié)果證明借助離散元軟件優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)是可行的。

1賴慶輝，高筱鈞，張智泓.三七氣吸滾筒式排種器充種性能模擬與試驗[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(5)：27-37．http：∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．a(chǎn)spx?flag=1&file_no=20160505&journal_id=jcsam.DOI：10．6041/j．issn．1000-1298．2016．05．005.

LAI Qinghui，GAO Xiaojun，ZHANG Zhihong．Simulation and experiment of seed-filling performance of pneumatic cylinder seed-metering device forPanaxnotoginseng[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2016，47(5)：27-37．(in Chinese)

2楊文彩，朱有勇，張汝坤，等．基于可持續(xù)發(fā)展的三七產(chǎn)業(yè)農(nóng)機農(nóng)藝融合工程技術(shù)體系研究[J]．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，53(1)：122-129．

YANG Wencai，ZHU Youyong，ZHANG Rukun，et al．Studies on the engineering and technical system of integrating agricultural machinery and agronomic based on sustainable development ofPanaxnotoginsengindustry[J]．Hubei Agricultural Sciences，2013，53(1)：122-129．(in Chinese)

3KUMAR P G V， RAHEMAN H．Automatic feeding mechanism of a vegetable transplanter[J]．International Journal of Agricultural & Biological Engineering，2012，5(2)：20-27．

4KUMAR V J F，DIVAKER D C．Influence of head geometry on the distributive performance of air-assisted seed drills[J]．Journal of Agricultural Engineering Research，2000，75(1)：81-95．

5RYU K H， KIMJS G， HAN J S．AE-automation and emerging technologies：development of a robotic transplanter for bedding plants[J]．Journal of Agricultural Engineering Research， 2001，78(2)：141-146．

6ARMSTRONG E C，HANACEK W A，SPINETTI T A，et al．Automatic soil plug loader and feeder:US,4443151[P].1984-04-17．

7KUTZ L J．Robotic transplanting of bedding plants[J]．Transactions of the ASAE， 1987， 30(3)：586-590．

8馮磊．大蔥裸根苗自動分苗裝置的研制[D]．泰安：山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014．

FENG Lei．Development of automatic metering device of welsh onion bare-root seedlings[D]．Taian：Shandong Agricultural University，2014．(in Chinese)

9汲文峰，吳啟明，黃海東，等．基于振動機理的藜蒿扦插機分苗機構(gòu)設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(增刊1)：21-27．

JI Wenfeng，WU Qiming，HUANG Haidong，et al．Design and experiment of seedling seperation device of Artemisia arborescens transplanter based on vibration mechanism[J]． Transactions of the CSAE，2015，31(Supp.1)：21-27．(in Chinese)

10俞高紅，陳志威，趙勻，等．橢圓-不完全非圓齒輪行星系蔬菜缽苗取苗機構(gòu)的研究[J]．機械工程學(xué)報，2012，48(13)：32-39．

YU Gaohong，CHEN Zhiwei，ZHAO Yun，et al．Study on vegetable plug seedling pick-up mechanism of planetary gear train with ellipse gears and incomplete non-circular gear[J]．Journal of Mechanical Engineering，2012，48(13)：32-39．(in Chinese)

11耿端陽，張鐵中．直動雙擋銷式分缽落苗系統(tǒng)設(shè)計[J]．吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2005，35(5)：495-499．

GENG Duanyang，ZHANG Tiezhong．Design of detaching and dropping plug seedlings mechanism with straight movement and double stopping pin[J]．Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition，2005，35(5)：495-499．(in Chinese)

12包春江，李寶筏，包文育，等．水稻缽苗空氣整根氣吸式有序移栽機的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(6)：130-134．

BAO Chunjiang，LI Baofa，BAO Wenyu，et al．Air-sucking sequential rice transplanter for air-pruning tray grown seedlings[J]． Transactions of the CSAE，2003，19(6)：130-134．(in Chinese)

13孫廷琮，馬成林，紀春千．空氣整根營養(yǎng)缽育苗及移栽系統(tǒng)技術(shù)的研究開發(fā)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，1991，7(2)：86-91．

14馬瑞峻，區(qū)穎剛，邵耀堅．機械手式水稻有序拋秧機機構(gòu)設(shè)計[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2002，33(1)：36-38，42．

MA Ruijun，OU Yinggang，SHAO Yaojian．Study on manipulator of a seedling throwing device[J]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2002，33(1)：36-38，42．(in Chinese)

15向衛(wèi)兵，羅錫文，王玉興，等．氣力有序拋秧氣流場的有限元仿真分析與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2004，20(1)：44-47．

XIANG Weibing，LUO Xiwen，WANG Yuxing，et al．Finite element simulation analyses and experiments on rice seedling ordered pneumatic throwing plantation[J]． Transactions of the CSAE，2004，20(1)：44-47．(in Chinese)

16韓豹．水稻營養(yǎng)缽育苗全自動栽植機的設(shè)計[J]．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，34(3)：275-278．

HAN Bao．The design of full-automatic transplanting machine for rice seedling with nutritive bowls[J]．Journal of Northeast Agricultural University，2003，34(3)：275-278．(in Chinese)

17韋利波，王維新，閆琴．甘草移栽機的設(shè)計與運動分析[J]．石河子大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，29(3)：267-269．

WEI Libo，WANG Weixin，YAN Qin．Design and motion analysis of the licorice transplanter[J]．Journal of Shihezi University：Natural Science，2011，29(3)：267-269．(in Chinese)

18徐立章，李耀明，王成紅，等．切縱流雙滾筒聯(lián)合收獲機脫粒分離裝置[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014，45(2)：105-108，135．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．a(chǎn)spx?flag=1&file_no=20140218&journal_id=jcsam． DOI：10．6041/j．issn．1000-1298．2014．02．018.

XU Lizhang，LI Yaoming，WANG Chenghong，et al．A combinational threshing and separating unit of combine harvester with a transverse tangential cylinder and an axial rotor[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(2):105-108，135．(in Chinese)

19李耀明，許太白，徐立章，等．多滾筒脫粒分離裝置試驗臺[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(4)：95-98．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．a(chǎn)spx?flag=1&file_no=20130417&journal_id=jcsam． DOI：10．6041/j．issn．1000-1298．2013．04．017.

LI Yaoming，XU Taibai，XU Lizhang，et al．Test-bed of threshing and separating unit with multi cylinder[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(4):95-98． (in Chinese)

20李寶笩.農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社， 1999．

21CHERNOFF H．Optimal design of experiments[J]．WILEY，1993， 67(36)：214-216．

22SANCHEZ S M， SANCHEZ P J,RAMBERG J S, et al．Effective engineering design through simulation[J]．International Transactions in Operational Research，1996，3(2)：169-185．

23CHEN Haitao， IWASAKI M， TAKEDA H，et al. Development of an automatic planting system for baker’s garlic in a sandy field—optimization of parameters of the seed bulb cluster separator using response surface methodology[J]．Sand Dune Research (Nihon Sakyu Gakaishi)，2004，51(1)：33-45．

24李恒，李騰飛，高揚，等．基于離散元法的多層刮板式清糞機仿真優(yōu)化[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(增刊1)：131-137．http:∥www．j-csam．org/jcsam/ch/reader/view_abstract．a(chǎn)spx?flag=1&file_no=2013s124&journal_id=jcsam． DOI：10．6041/j．issn．1000-1298．2013．S1．024.

LI Heng，LI Tengfei，GAO Yang，et al．Simulation optimization of multilayer manure cleaning system based on discrete element method[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2013，44(Supp.1):131-137．(in Chinese)

25馮俊小，林佳，李十中，等．秸稈固態(tài)發(fā)酵回轉(zhuǎn)筒內(nèi)顆粒混合狀態(tài)離散元參數(shù)標定[J/OL]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(3)：208-213．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150330&journal_id=jcsam. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2015.03.030.

FENG Junxiao，LIN Jia，LI Shizhong，et al．Calibration of discrete element parameters of particle in rotary solid state fermenters[J/OL]．Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2015，46(3)：208-213．(in Chinese)

26高筱鈞，周金華，賴慶輝．中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器的設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(2)：20-28．

GAO Xiaojun，ZHOU Jinhua，LAI Qinghui．Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed-metering device forPanaxnotoginseng[J]． Transactions of the CSAE，2016，32(2)：20-28．(in Chinese)

27劉彩玲，王亞麗，宋建農(nóng)，等．基于三維激光掃描的水稻種子離散元建模及試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(15)：294-300.

LIU Cailing，WANG Yali，SONG Jiannong，et al．Experiment and discrete element model of rice seed based on 3D laser scanning[J]． Transactions of the CSAE，2016，32(15)：294-300．(in Chinese)

28王國強，郝萬年，王繼．離散單元法及其在EDEM上的實踐[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.

29趙選民．試驗設(shè)計方法[M]．北京：科學(xué)出版社，2010．