擾種齒輔助氣吸式大蒜排種器設計與試驗

謝東波 張春嶺 吳曉慶 王韋韋 劉立超 陳黎卿

(1.安徽農業大學工學院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農機裝備工程實驗室， 合肥 230036)

0 引言

目前，我國大蒜主產區的播種方式仍舊以人工種植為主[1-2]，機械化率低嚴重制約了大蒜產業發展。大蒜屬于中大籽粒種子，其形狀尺寸變異系數大,機械化取種時漏取及多取現象普遍存在[3]。針對大粒徑種子機械化播種的難題，學者展開了諸多研究，賴慶輝等[4]采用氣吸圓盤式排種器對云南麗薯6號微型薯進行試驗；侯加林等[5]針對氣吸式排種器播種馬鈴薯所需功耗較大等問題，設計了一款氣力托勺式馬鈴薯精量排種器。BAKHITIARI等[6]對大蒜進行了物理和氣動性分析；CHOI等[7]研發的大蒜播種機采用轉勺式取種，運用鴨嘴機構進行插播；YANG等[8]采用勺帶式取種方式；侯加林團隊[9-11]針對大蒜單粒取種問題，設計了鏈勺式取種裝置和輪勺式、龍爪式循環單粒取種裝置。此外在大蒜排種器結構優化等方面也開展了研究[12-13]。綜上所述，在大蒜單粒播種方面已經取得了較多成果，但通過分析發現，現有的成果往往建立在對蒜種大小一致性要求較高基礎上，通過選種后再進行播種，對蒜種品種要求較高。對于傳統雜交蒜的排種器設計研究還不深入，特別是如何能夠適應一定尺寸變化的蒜種單粒排種設計尚需深入探討。

本文針對雜交蒜尺寸差異大而導致播種作業時出現單粒合格指數低及漏播指數高的問題，設計擾種齒輔助式充種大蒜排種器，以增加種子的活躍度，提高充種率。

1 排種器結構與工作原理

1.1 排種器結構

擾種齒輔助氣吸式大蒜排種器主要由種箱、排種盤、氣室、護種板、毛刷、刮種板和傳動軸等部件組成，其結構如圖1所示。其中擾種齒排種盤作為排種器的核心部件，其結構如圖2所示，在排種盤周向分布15個圓弧形擾種齒，聚氨酯材料擾種齒通過沉頭螺絲安裝于排種盤，其能對護種板上的雜交蒜種群造成擾動并破壞其穩定堆積狀態，從而達到促進充種的作用。

圖1 氣吸式大蒜排種器結構圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic garlic seed-discharging device1.氣室 2.密封圈 3.排種盤 4.擾種齒 5.清種毛刷 6.種箱 7.鏈輪 8.軸承1 9.護種板 10.毛刷 11.軸承2 12.排種軸

圖2 擾種齒排種盤結構示意圖Fig.2 Schematic of structure of seeding disc1.擾種齒 2.型孔

圖3 排種盤分區示意圖Fig.3 Diagram of division of row seed plate

1.2 排種器工作原理

排種器在工作時，位于種箱中的雜交蒜種由于重力作用進入充種區后置于護種板上，在擾種齒圓周運動的帶動下將整個排種器分為4個區域:充種區、清種區、攜種區和投種區，如圖3所示。擾種齒排種盤隨排種軸轉動而發生轉動，位于排種盤上的擾種齒對護種板上的雜交蒜種群造成擾動，破壞種群中雜交蒜種的穩定堆積狀態，此時大蒜種子會快速填充在擾種齒之間的凹槽內，凹槽內均勻分布的氣孔會在氣室的負壓作用下快速將位于擾種齒間凹槽內的蒜種吸附完成充種。在清種區，未吸附在吸孔上的蒜種由于自身重力和清種刷的協同作用，會從擾種齒間凹槽的內側或外側再次返回充種區落在護種板，完成清種過程。進入攜種區，穩定吸附于排種盤的大蒜種子能夠隨排種盤轉動進入投種區，在投種區域時受氣室內部隔斷負壓的作用，此時蒜種受到自身重力和離心力的作用立即與排種盤發生分離，完成一個播種過程。

2 關鍵部件設計與參數分析

2.1 排種盤直徑與型孔數確定

排種盤是排種器的核心部件，排種盤的直徑直接影響排種器的整體結構及氣室壓強等參數的確定[14]。根據排種盤轉速與充種時間的關系可知

(1)

其中

式中t——充種時間，s

lc——充種區弧長，m

v——型孔線速度，m/s

α——充種角，rad

d——排種盤直徑，m

n——排種盤轉速，r/min

r1——吸孔中心與排種盤邊沿的徑向距離，m

由式(1)可得

(2)

式(2)表明，充種角α和排種盤轉速n將直接影響到充種時間t，而排種盤直徑并不能影響到吸孔在充種區的滯留時間[15-17]。由于雜交蒜種粒徑較大且呈現不規則的狀態，同時考慮到排種器與配套播種機作業速度的配合關系及種箱容積，本文所設計排種盤直徑為0.30 m，厚度5 mm，材料為45號鋼。

型孔數是確定排種盤轉速的重要因素。根據大蒜的大田種植密度為60株/m2，株距8～12 cm的農藝要求,在已知排種盤直徑為0.30 m的情況下,其型孔數量k的計算公式為

(3)

式中va——播種機速度，m/s

lz——株距，m

圖5 雜交蒜尺寸頻率分布直方圖Fig.5 Histograms of garlic size frequency distribution

由式(3)化簡可得

(4)

由式(4)可知:型孔數量與排種盤轉速成反比，與播種機行走速度成正比。考慮到雜交蒜的外形尺寸較大，吸種孔直徑亦隨之增大，通過對雜交蒜個體的外形尺寸統計分析得知其型孔直徑為6～9 mm，因此本文所設計的排種盤型孔直徑為6.5 mm，由式(4)可得擾種齒排種盤型孔數k為15，相鄰兩吸孔的中心角為24°。

2.2 排種盤擾種齒設計

大蒜的單粒取種是實現大蒜機械化播種的關鍵因素，但大蒜種子屬于中大粒徑種子，其形狀不規則、表面粗糙、尺寸變異系數大，極易產生顆粒堆積現象，因此結合大蒜的外形尺寸輪廓設計排種盤擾種齒，其結構參數包括擾種齒的漸開線輪廓及擾種齒間的凹槽深度。現以來安雜交蒜為例，每個蒜頭有蒜瓣12～13瓣，分兩層排列，外層蒜瓣大，內層蒜瓣小，而且夾瓣多，平均單瓣約為4.0 g，如圖4所示。隨機挑選100粒飽滿的來安雜交蒜種進行外形尺寸及質量測量，測量結果如表1所示。

圖4 大蒜切面圖Fig.4 Cut view of garlic

表1 蒜種三維尺寸Tab.1 Three dimensional dimensions of garlic species

分析表1數據進行概率統計，得出頻率分布如圖5所示，雜交蒜的長、寬和厚基本符合正態分布，以此作為擾種齒尺寸設計的依據。

為實現雜交蒜的單粒取種，在設計排種盤擾種齒間的凹槽時，應滿足單粒取種且不堵塞的充種性能，參考雜交蒜弓形面尺寸，隨機挑選雜交蒜種，利用二值化提取雜交蒜外形輪廓如圖6所示。

圖6 大蒜輪廓二值化提取Fig.6 Binary extraction of garlic contour

在提取得出多條雜交蒜弓形面輪廓后，擬合如圖7所示的拋物線，圖中lAB為某一點的切線，即可得到擬合方程的拋物線方程。

圖7 大蒜弓形面輪廓曲線Fig.7 Arch surface contour curve of garlic

拋物線曲線頂點過原點坐標，即

(5)

式中x——漸開線橫坐標，mm

y——漸開線縱坐標，mm

p——拋物線的焦點到準線的距離，mm

b——截距，mmk——斜率

由k=tan54°求解得出拋物線曲線方程為

x2=2.97y

(6)

雜交蒜在充種區主要依靠自身重力的作用進入凹槽，雜交蒜種流動性較差，為避免蒜種在凹槽間出現卡種的現象，在設計擾種齒時結合雜交蒜種在充種區以站立或側臥的姿態進入凹槽，因此在設計擾種齒時為避免連續充入凹槽的雜交蒜種脫落且兼顧凹槽容納蒜種的最大空腔，因此在得到擾種齒與雜交蒜弓形面相似的漸開線輪廓之后[18](圖8)，為避免重播應及時清種，并參考大蒜實際尺寸設計擾種齒結構參數

圖8 擾種齒結構示意圖Fig.8 Schematic of seed disturbing teeth structure

(7)

式中ls——雜交蒜長度平均值，mm

l——擾種齒長度，mm

lab——兩擾種齒ab間的距離，mm

lcd——兩擾種齒cd間的距離，mm

hs——雜交蒜寬度平均值，mm

h——擾種齒寬度，mm

r3——擾種齒外圓半徑，mm

r2——擾種齒內圓半徑，mm

s——基圓半徑，mm

φ——半徑s繞圓心的旋轉角,(°)

位于排種盤上的擾種齒對雜交蒜種群具有一定的擾動作用，有助于吸孔快速捕獲蒜種并準確吸附。根據一般雜交蒜種平均粒徑，結合大蒜弓形面輪廓線方程，在設計擾種齒左右輪廓線時，拋物線在x∈(-1.6 cm,1.6 cm)范圍內，其輪廓線近似于圓，兼顧加工工藝與拋物線的開口大小，因此確定擾種齒左右漸開線輪廓為同心圓弧，其半徑分別為45 mm與50 mm，其相對拋物線擁有較大的容納空間，此外擾種齒的上下輪廓線由過排種盤中心點直徑分別為190 mm和250 mm的圓弧組成，4條漸開線的交點組成了擾種齒的外形輪廓。在確定擾種齒在排種盤的位置之后，參考雜交蒜種的平均寬度和農藝要求，選取吸孔基圓直徑為235 mm，此時外側已容不下半粒種子，多余的蒜種會自動脫離重新回到充種區。但考慮到雜交蒜表面粗糙不易于滑動，相鄰兩擾種齒間的距離lab應適當加大，所以設計的兩擾種齒ab間的距離為35 mm，兩擾種齒cd間的距離為46 mm，排種盤擾種齒高度為15 mm，即凹槽的深度為15 mm，材料為聚氨酯PU彈性板。

2.3 蒜種吸附與運動原理分析

2.3.1充種區受力分析

在充種過程中，由于排種盤的轉動，附著于排種盤背面的擾種齒會對穩定堆積在護種板上的種群進行定向擾動，大蒜種子隨即從種群中分離，快速填充于兩擾種齒之間的凹槽內，凹槽內均勻分布的吸孔會在氣室的負壓作用下快速將位于擾種齒間凹槽內的蒜種吸附于排種盤上。因此氣室內的吸附壓強和吸孔直徑將直接影響蒜種在排種盤上的吸附效果。以被吸孔吸附的單粒蒜種為研究對象，對其進行受力分析[19]，如圖9所示。

圖9 吸附狀態種子受力分析圖Fig.9 Stress analysis diagram of seeds in adsorption state

若一個吸孔需要吸附住一粒雜交蒜種，則需要滿足條件

(8)

式中Hc——氣室真空度，Pa

P0——單個吸孔的吸力，N

S——吸孔斷面積，m2

dk——排種盤上吸孔直徑，mm

C——蒜種重心與排種盤間距離，mm

Q——G、J、Ff的合力，N

T——G與J的合力

Ff——種子間的內摩擦力，N

G——單粒種子的重力，N

J——種子受到的離心力，N

N——吸孔對種的約束反力，N

N1、N2——吸孔對種子的約束反力，N

m——單粒蒜種質量，kg

ω——排種盤旋轉角速度，rad/s

R——排種盤吸孔分布圓半徑，m

γ——力G與J之間的夾角，(°)

β——力T與Ff之間的夾角，(°)

g——重力加速度，取9.8 m/s2

排種器在實際作業時，排種器受到蒜種自然條件(吸種區蒜種分布情況，蒜種之間的碰撞等)和外界環境(振動、沖擊等)的影響，因此還需要考慮到吸種可靠性系數k1和工作可靠性系數k2，于是得

(9)

在最大極限條件下，cosγ=cosβ=1，于是式(9)簡化后得

(10)

式中Hcmax——吸室臨界真空度最大值，Pa

λ——蒜種的摩擦阻力綜合系數

k1——吸種可靠性系數，為1.8～2.0，考慮到蒜種千粒質量較大，取2.0

k2——工作可靠性系數，為1.6～2.0，考慮到蒜種千粒質量較大，取2.0

可以看出,Hcmax與吸孔直徑、種子的物理機械特性、排種盤轉速、吸孔旋轉半徑等因素密切相關。雜交蒜種為不規則形且蒜種流動性差而使蒜種內摩擦系數大，若吸孔孔徑較小，則需要較高的真空度。為了使蒜種能牢固地吸附在吸孔上，氣室內的實際真空度必須大于Hcmax，否則不能滿足吸種所需的吸力要求，導致漏播指數劇增。基于以上理論分析,考慮到種子相互撞擊和振動的影響，結合現有的研究，確定排種盤吸孔的直徑為6.5 mm，播種時氣室的真空度高于5 kPa。由于真空度是影響氣吸式排種器排種性能的重要因素，真空度越大則吸附種子的能力也就越強，越不容易產生空穴現象，但是過大的真空度會使單個吸孔吸附兩粒甚至兩粒以上種子的可能性增大，使種子的重播率增大，從而失去精量播種的目的，此外，真空度不但受到吸附過程中各種阻力因素的影響，還應考慮在實際工作中，排種器受到種子自然條件和外界環境的影響。因此，在確定真空度時應該比理論計算值略大。基于此，本文設計真空度為5～7 kPa。

經過種箱的雜交蒜種會由于重力的作用在護種板上產生相互堆積，在蒜種底部形成準直線形的力鏈，力鏈相互作用使得蒜種出現結拱的現象[20]。通過擾種齒對蒜種穩定堆積狀態的破壞，使得位于充種區擾種齒附近雜交蒜蒜種群的力鏈斷開，型孔附近的種群產生跳動，增加雜交蒜種群的活躍度，更加有益于提高充種性能。在取種過程中，當排種盤轉動到充種區時，待取蒜種不僅會受到自身重力還會受到周邊蒜種及擾種齒的作用力[3]，如圖10所示，對此過程進行受力分析得

(11)

式中Fi——周圍蒜種對待取蒜種的作用力，N

r——蒜種質心點與回轉中心的距離，mm

FN——擾種齒對蒜種的支持力，N

Mo——蒜種所受力對支撐點的力矩，N·m

當擾種齒隨排種盤轉動進入雜交蒜群時，待取蒜種將會受到周圍蒜種的擠壓受迫產生相對滑動進入兩擾種齒間的凹槽內，隨著擾種齒的轉動，凹槽間的蒜種由于周圍蒜種的擠壓作用及擾種齒支撐的作用，會快速被吸孔捕捉并牢牢吸附，在凹槽內呈現穩定狀態，以此完成取種過程。

圖10 待取蒜種受力分析Fig.10 Force analysis for to be taken garlic

2.3.2蒜種的動力學分析

雜交蒜種的運動包括在充種區蒜種隨排種盤一起運動；攜種區至投種的過程中，蒜種脫離吸孔后所做的具有初速度的自由落體運動。由于蒜種的物理特征不完全一致等因素，雖然有少數蒜種的排種位置不一，但大部分蒜種還在排種器的同一點，沿排種器吸孔分布圓的切向排出。當蒜種脫離吸孔后受到的作用力為重力及空氣阻力，如圖11所示。

圖11 種子脫離吸孔后的運動及受力圖Fig.11 Movement and stress diagram of seeds after separation from suction hole

若將蒜種視為質量為m的質點，則蒜種脫離吸孔后的運動微分方程為

(12)

式中Fx——水平阻力，N

Fy——垂直阻力，N

將蒜種未脫離吸孔時的速度確定為初速度，則根據速度的合成定理得

(13)

式中vr——蒜種的相對速度，m/s

ve——牽連速度，m/s

vx——蒜種水平絕對速度，m/s

vy——蒜種垂直絕對速度，m/s

θ——蒜種脫離吸孔時吸孔和中心線的連線與水平軸的夾角，rad

當排種器在實際作業時，其牽連速度ve=va,相對速度vr=Rω，在蒜種脫離吸孔后的下落過程中不考慮空氣阻力的影響，則得出種子脫離吸孔后的運動方程為

(14)

根據式(14)的分析結果，對于排種器在實際工作中的零速投種，則有vx=0，即va=Rωsinθ，說明機器前進作業速度與排種盤直徑、轉速有關，根據設計要求機器的前進速度為1～2 km/h，排種盤的直徑為0.3 m，因此確定排種盤的轉速為9～15 r/min。

3 排種性能仿真

為了探究不同弧長擾種齒結構對充種過程中漏充與多充的影響，應用EDEM軟件對排種盤擾種齒工作部件與蒜種運動過程進行模擬分析，擾種齒材料選用聚氨酯PU彈性板材料。

3.1 擾種齒結構與仿真分析

擾種齒作為排種盤的核心部件，其弓形面輪廓與拋物線相似，因此參照圖7，以蒜種平均厚度與平均長度的交點為圓心，分別選取90°、120°、150°、180°來分析不同結構參數的擾種齒在取種過程中的漏充指數。

將繪制好的三維模型簡化并導入EDEM軟件中，將幾何體在不影響運動的前提下進行綁定和分解，并定義材料的屬性，將排種軸與排種盤的旋轉運動進行綁定，并將運動情況分解成排種盤與擾種齒的兩個獨立且互不影響的旋轉運動。為了模擬排種盤擾種齒的取種運動，對模型中的幾何體設置運動參數，排種盤與擾種齒的工作過程設置為勻速圓周運動。仿真時，在種箱上端處創建虛擬種子工廠，以飽滿的雜交蒜種為仿真分析對象，大蒜顆粒的尺寸根據體積按正態分布進行設置，蒜種生成模塊定義為Virtual，蒜種在重力的作用下落下。幾何模型與蒜種材料參數[1]和接觸參數[21]分別如表2與表3，仿真過程模擬實際作業過程。蒜種是個特殊的離散元體，蒜種顆粒中存在力，蒜種與蒜種粒子間選用Hertz-Mindlin with bonding模型，蒜種與排種器的接觸模型采用Hertz-Mindlin(no slip) 接觸模型。

表2 仿真參數Tab.2 Simulation parameters

表3 接觸模型參數Tab.3 Contact model parameters

在離散元軟件仿真過程中，分別對4組仿真參數設置了相同的運動特性，通過顆粒工廠設置600粒大蒜種子，下落時間為1 s，1～10 s內設置12 r/min的排種盤轉速[3]，總運動時間為10 s，采用Euler時間積分模型，Rayleigh時間步為9×10-6s，設置網格尺寸為3倍的最小顆粒半徑。仿真過程如圖12所示。

圖12 不同弧長擾種齒取種仿真過程Fig.12 Simulation process of different arc lengths seed disturbing tooth seed selection

3.2 仿真結果分析

通過EDEM軟件對擾種齒取種過程進行仿真分析，以擾種齒凹槽間蒜種的填充率為指標，統計不同弧長擾種齒在通過種群后的充種情況，待仿真穩定后記錄100個擾種齒的填充情況，取3組統計記錄的平均值，結果如表4所示。

表4 取種效果對比Tab.4 Comparison of seed selection effects

結果表明擾種齒弧長直接影響排種盤充種性能，擾種齒弧長較小將直接導致對雜交蒜種群的擾動較小，種群間的大蒜更易于出現顆粒堆積、結拱擁塞的現象。因此，分析種群的平均速度亦能反映種群的擾動強度[22]。通過EDEM軟件后處理功能，提取4組參數仿真下大蒜種群的平均速度，如圖13所示。

圖13 大蒜種群平均速度隨時間變化曲線Fig.13 Variation curves of average velocity of garlic population with time

提取時間步長2～5 s下對種群平均速度仿真曲線可以看出，大蒜種群在180°擾種齒排種盤作用下平均速度最大，由平均速度波動曲線可以看出，整個種群將始終處于運動的狀態，從而增加了種群的離散程度，并減小種群之間的摩檫力，有利于提高充種性能。從仿真結果可以看出，在該條件下180°擾種齒排種盤輔助充種性能較優，驗證了180°擾種齒排種盤具有輔助充種的優勢，且更容易在重力和相互碰撞作用下進入型孔完成充種過程。

4 排種性能試驗

4.1 試驗設備與方法

為了驗證所設計的擾種齒輔助氣吸式大蒜排種器的工作性能，于2021年1月13日進行臺架試驗，試驗裝置選擇安徽省智能農機裝備工程實驗室的JPS-12型排種試驗臺，試驗材料選擇來安大蒜，如圖14所示。

圖14 排種試驗臺Fig.14 Seeding test bench1.負壓氣管 2.排種器 3.安裝支架 4.種床帶 5.驅動電機

為滿足大蒜單粒取種的農藝種植要求,試驗方法參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》進行17組試驗，每組試驗重復3次，試驗結果取3次平均值，每組試驗采集200粒大蒜種子進行數據統計，統計每穴中0、1、2粒蒜種情況，選擇單粒取種數與總穴數的百分比，記錄合格指數與漏播指數；根據前期參數設計分析結果,選取作業速度、排種盤轉速、真空度為試驗因素，為了獲得3個因素的最佳參數，采用Box-Behnken[23]試驗設計原理，試驗因素編碼如表5所示。

表5 試驗因素編碼Tab.5 Coding of test factors

4.2 試驗結果分析

試驗結果如表6所示(x1、x2、x3為因素編碼值)，利用Design-Expert 8.0.6軟件分別對作業速度、排種盤轉速、真空度進行回歸擬合分析，因為合格指數、漏播指數與重播指數之和為100%，于是選擇合格指數與漏播指數為性能指標，建立合格指數y1、漏播指數y2的回歸方程,對影響試驗指標的3個因素進行顯著性檢驗與分析,最終獲得顯著試驗因素與評價指標的二次多項式響應面回歸模型,模型顯著性檢驗結果如表7所示。

對試驗結果進行多元回歸擬合分析，剔除不顯著因素后得到合格指數y1和漏播指數y2的回歸模型為

(15)

表6 試驗設計方案與結果Tab.6 Experimental design and results

為分析交互項對試驗指標的影響規律，應用軟件對數據進行分析，固定其中某一個因素水平為零,分析另外2個因素的交互作用得出響應曲面。

(1)各因素對合格指數的影響

圖15a為真空度處于中心水平時，作業速度與排種盤轉速的交互作用對合格指數的影響。排種盤轉速一定時，合格指數隨作業速度增加而減小。當作業速度一定時，合格指數隨著排種盤轉速的增加先增大后減小。圖15b為排種盤轉速處于中心水平時，作業速度及真空度交互作用對合格指數的影響。真空度一定時，隨作業速度升高，合格指數會逐漸降低。當真空度增大時，會減弱因作業速度升高引起的合格指數降低的趨勢。圖15c為作業速度處于中心水平時，排種盤轉速及真空度交互作用對合格指數的影響。當真空度增大時，會增強隨排種盤轉速增加而引起合格指數先升后降的趨勢。當排種盤轉速一定時，合格指數隨真空度的增加而增加。

表7 回歸模型方差分析Tab.7 Analysis of variance of regression model

圖15 各因素對合格指數影響的響應曲面Fig.15 Response surfaces of influence of various factors on qualification index

圖16 各因素對漏播指數影響的響應曲面Fig.16 Response surfaces of influence of various factors on missed seeding index

(2)各因素對漏播指數的影響

圖16a為真空度處于中心水平時，作業速度與排種盤轉速的交互作用對漏播指數的影響。當作業速度一定時，漏播指數隨著排種盤轉速的增加先減小后增大。當作業速度增加時，會減緩隨排種盤轉速增加而引起的漏播指數降低的趨勢。圖16b為排種盤轉速處于中心水平時，作業速度及真空度交互作用對漏播指數的影響。真空度一定時，漏播指數隨作業速度的增加先減小后增加。當真空度增大時，會增大因作業速度升高引起漏播指數升高的趨勢。圖16c為作業速度處于中心水平時，排種盤轉速及真空度交互作用對漏播指數的影響。當真空度一定時，漏播指數隨排種盤轉速增加而降低，當排種盤轉速增大時，會增強隨真空度增加而引起漏播指數降低的趨勢。

為尋求約束條件范圍內各因素最優組合，以排種器合格指數最大和漏播指數最小為評價指標。采用極值理論進行求解[24]，優化目標函數和約束條件為

(16)

利用軟件后處理功能進行最佳工作參數優化,得出最佳參數組合：作業速度為1.0 km/h、排種盤轉速為11.66 r/min、真空度為5 kPa時,模型預測的合格指數為87.1%,漏播指數為8.8%。

4.3 驗證試驗結果

為了驗證優化結果與試驗結果的一致性，在圖14所示的排種試驗臺對優化結果進行驗證，設定作業速度為1.0 km/h，排種盤轉速為11.6 r/min，真空度為5 kPa，待排種器穩定工作后，統計200粒蒜種的合格指數與漏播指數，重復3次試驗取平均值，試驗結果為合格指數86.8%，漏播指數9.1%。結果表明優化結果與試驗結果基本一致，回歸模型可靠，試驗效果如圖17所示。

圖17 排種效果圖Fig.17 Seeding effect diagram

如圖17所示，試驗中采用的雜交蒜種沒有進行嚴格的篩選與分級。分析蒜種的漏播指數略高的原因，可能是由于某些蒜種較小，擾種齒在工作中未成功取種或取種成功后未能及時被吸孔吸附從而導致蒜種脫落引起漏播指數略高；圖中造成重播的兩粒蒜種比其余蒜種體型稍小，分析其原因，可能是由于兩粒較小的種子同時被吸孔吸附，在經過清種刷時未被及時清除從而導致重播；圖17中，分析種床帶中的大蒜直線度略差的原因，可能是沒有選取適宜的投種高度從而導致蒜種從投種口出來位置發生偏移，后期加上導種管可使直線度有所提高。

5 結論

(1)針對雜交蒜尺寸差異較大的問題，設計了一款擾種齒輔助氣吸式大蒜排種器, 闡述了其結構組成和工作原理，確定了氣吸式大蒜排種器關鍵結構參數。

(2)對落種區、充種區和攜種區的雜交蒜種進行了動力學分析,建立仿真分析模型。通過離散元仿真分析軟件EDEM探究不同弧長結構的擾種齒在充種過程中對漏充與多充的影響，仿真結果表明：180°擾種齒排種盤具有輔助充種的優勢且更容易在重力及相互碰撞作用下進入型孔完成充種過程。

(3)采用Box-Behnken試驗設計方法，進行了三因素三水平回歸正交試驗,分別建立合格指數和漏播指數的多元回歸模型，以合格指數高、漏播指數低為目標,對各影響因素參數進行了優化，確定最優參數組合：作業速度為1.0 km/h、排種盤轉速為11.66 r/min、真空度為5 kPa時，合格指數為87.1%、漏播指數為8.8%。在最優參數組合下進行了臺架試驗, 試驗結果為合格指數為86.8%，漏播指數為9.1%，試驗結果與優化結果基本一致，其滿足試驗要求。