預切種式木薯排種機構設計與試驗

陳林濤，劉兆祥，牟向偉※，于新業，李開文，馬 旭，劉建軍

（1.廣西師范大學機械工程系，桂林 541004；2.華南農業大學工程學院，廣州 510642；3.多利士木工機械有限公司，桂林 541004）

0 引言

木薯種植成本低、產量高，其塊根、莖、葉均可利用，廣泛用于食品醫藥和輕工業[1]。目前木薯種植主要以人工作業為主，迫切需要研發適合木薯種植農藝要求的精密種植機。播種器是精密種植機的核心部件，分為實時切種式和預切種式[2]。對于實時切種方式，由于木薯種桿較長，形狀復雜，無法實現自動播種，且人工喂種持續性差、漏播嚴重。預切種方式是利用切種機將木薯的種桿切成長度約150 mm 的種莖，清選后通過排種機構實現木薯種莖自動連續、可控排種[1-2]。

國內外預切種式播種器研究主要用于甘蔗播種，如美國GESSNER 公司設計了一種凹板提升式排種器，并開發相應的甘蔗種植機，通過在升運鏈上設置凹板實現排種，但存在排種不均、漏充嚴重、耗種量大等問題[3-4]。國外學者對提升式排種器進行改進，通過增加重力清種機構、改進夾板結構等方式改善排種效果，但漏充問題依然存在[5-6]。國內學者針對槽輪式、單輥式等播種器進行研究[7-9]，何馮光等[7]設計了外槽輪式單段種莖排種器，分析了種莖充種機理；李尚平等[9]針對目前預切種式寬窄行種植機排種系統存在排種不均、合格率低、漏種率高等問題，設計了預切種式寬窄行甘蔗種植機單輥排種系統；陳林濤等[10]針對預切種播種器對成堆木薯種莖進行播種時待充木薯種莖亂序、充種可靠性低等難題，在供種環節設計階梯式振動散種機構；韓杰等[11]研制了一種預切種式種植一體機；蘇微等[12]針對目前預切種式排種器普遍存在充種效果差、合格指數低等問題，設計了勺鏈式排種器。由于木薯種莖為一定長度圓柱狀木質莖稈，且表面有凸起，物理特性復雜，采用現有預切種式播種器進行排種存在充種性能差和充種合格指數低等難題，木薯精密播種涉及多因素變化復雜過程，要從研究種莖群運動規律和改進充種方式入手[13]，提高充種性能。

為此，針對現有預切種式木薯播種器存在充種效果差、合格指數低等難題，本文提出一種預切種木薯型孔摩擦帶式精密排種機構，采用數學建模、離散元仿真和試驗相結合的方法對排種機構進行優化?；贓DEM 建立種莖群-型孔摩擦帶仿真模型，探明主要因素對充種性能的影響，并試制排種機構試驗臺架進行試驗驗證。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

預切種式木薯型孔摩擦帶式精密排種機構主要由落種滑板、電機、傳動部件、主動輥筒、型孔摩擦帶、支撐輥組、從動輥筒、儲種箱以及限位板等組成，排種機構結構圖如圖1a 所示。排種機構的主要工作部件是與水平面呈一定安裝傾角的型孔摩擦帶，型孔摩擦帶由主動輥筒和從動輥筒拉緊，主動輥筒通過傳動部件與電機相連，儲種箱的下方喂種口與型孔摩擦帶工作面形成種莖充種區，在主動輥筒后下方設有落種滑板。

1.2 工作原理

如圖1b 所示，將預切好的木薯種莖投放至型孔摩擦帶式精密排種機構儲種箱，并調整到一定的種莖層厚度。電機帶動主動輥筒轉動，木薯種莖進入充種區形成種莖群，型孔摩擦帶循環運動，充種區木薯種莖被型孔摩擦帶向上輸送，種莖群下層種莖在重力、種莖間和種莖與儲種箱內壁間相互作用力共同作用下充入型孔摩擦帶的型孔。型孔摩擦帶繼續向上運動，當充入型孔的種莖送至主動輥筒處逐漸沿著圓弧向下運動，型孔在主動輥筒圓弧面上自動張開，木薯種莖脫離至落種滑板，完成排種。

2 關鍵部件設計

木薯種莖的物理特性是設計預切種式木薯排種機構的重要依據。以木薯種莖三軸尺寸為參考，充種條件為依據，通過理論計算確定各部件關鍵參數。

2.1 型孔

型孔尺寸取決于木薯種莖尺寸，以廣西地區種植面積最大的華南205（廣西亞熱帶作物研究所提供）為對象，結合種莖預切（固定種莖長度lm為150 mm）、優選、浸種等農藝要求，選擇100 根木薯種莖進行測量。經統計，種莖直徑d為24～36 mm。參考文獻[12]，型孔尺寸（長度L、寬度W以及深度D）應滿足如下關系：

結合木薯種莖尺寸，經計算，取預切種式木薯精密排種機構的型孔長度為160 mm，寬度為40 mm，深度為25 mm。為保證型孔的充種穩定性，對型孔結構參數進行優化。型孔形狀越細深，越易產生卡種和投種不暢；越粗淺，受充種能力限制，越易發生漏充。由于木薯種莖表面有凸起，需避免種莖在型孔內槽發生卡種，減少種莖投出時與型孔投種位置口發生碰撞。因此，型孔形狀還需通過內槽與投種位置口的結構參數優化進行確定，以保證可靠充種，本文通過EDEM 仿真對型孔結構進行確定。

2.2 木薯種莖充投種過程分析

充種性能是衡量排種機構工作性能的重要指標。充種過程中木薯種莖間、種莖與型孔間及種莖與儲種箱間組成復雜的動態動力學系統[14-16]。為確定排種機構的關鍵部件參數，對充種和投種過程進行分析。

2.2.1 充種過程

排種機構的型孔在型孔摩擦帶輥筒帶動作用下進入充種區后填充種莖。為便于分析，以充入型孔的單根木薯種莖為研究對象，假設種莖為圓柱體，以種莖質心為原點，建立坐標系，y方向與慣性離心力同向，x方向垂直于慣性離心力，如圖2 所示。

圖2 木薯種莖充種過程受力分析Fig.2 Force analysis of cassava stem filling process

木薯種莖受力關系如下：

慣性離心力、種莖與型孔摩擦力以及種莖群縱向合壓力以及種莖群橫向合壓力滿足如下關系：

式中 μ為木薯種莖與型孔摩擦系數；γ為木薯種莖重度，kN/m3；RH為液力半徑，m；S1為充種木薯種莖的截面積，m2；K1為 側壓系數；Hl為充種木薯種莖與充種區種莖層上表面的距離，m。m為木薯種莖質量，kg。

慣性離心力與支持力夾角的余角θ 滿足如下關系：

整理式（2）～（4），求解得到：

由式（5）可知，型孔摩擦帶與水平面安裝傾角 α是影響型孔能否穩定充種的重要因素。α 主要與種莖與型孔摩擦系數μ、種莖群縱向合壓力F1以及型孔對種莖支持力FN等有關。代入相關參數計算得到型孔摩擦帶與水平面安裝傾角α ≥35°。由于種莖充入型孔過程復雜，為保證可靠充種，后續通過EDEM 仿真對α進行確定。

2.2.2 投種過程

木薯種莖充種完成后，型孔充取種莖后翻越型孔摩擦帶輥筒后進入投種區，木薯種莖投種過程受力如圖3所示。

木薯種莖與型孔間保持相對平衡且不被甩離的臨界條件[16]為

整理式（3）～（6）得：

由式（7）可知，型孔摩擦帶速度與種莖群橫向合壓力、縱向合壓力有關，種莖群橫向合壓力和縱向合壓力與種莖層流動性及其厚度有關[15]。當型孔摩擦帶與水平面安裝傾角α 一定，種莖群橫向合壓力和縱向合壓力增加，型孔摩擦帶速度隨之增大，參考帶傳動設計標準[17]，取型孔摩擦帶輥輪半徑為50 mm，確定型孔摩擦帶最大臨界速度為0.9 m/s，型孔摩擦帶速度應在一定范圍，具體數值通過后續EDEM 仿真確定。

2.3 種莖層厚度

通過理論分析可知，種莖層厚度是影響充種性能的關鍵因素。根據農業物料學理論，以儲種箱底部和側壁相交處為起始點，木薯種莖休止角斜邊延長線與儲種箱側壁的接觸點到儲種箱底部的距離遠小于木薯種莖層厚度，排種機構的儲種箱定義為深倉型，儲種箱為不規則形狀，木薯種莖在儲種箱內某一深度的受力由垂直方向應力σ1和水平方向應力σ2組成[18]，受力分析如圖4。

圖4 木薯種莖受力分析Fig.4 Force analysis of cassava seed stems

木薯種莖厚度參考層到儲種箱底部的距離hr與種莖層厚度H有如下關系：

式中Dj為木薯種莖簡化為圓柱體直徑，mm。

木薯種莖在排種機構周長為C的儲種箱深度Hl處微小物料層dy處的受力方程為

當y=0時，σ1=0，積分得木薯種莖在深度Hl處微小物料層dy處的垂直壓應力與水平壓力為

基于前期試驗測定結果，種莖重度為 23.47 kN/m3，液力半徑為150 mm，木薯種莖與型孔摩擦系數為0.69，側壓系數為0.392，代入式（11）得：

根據式（12），應用MATLAB 繪制 σ1和 σ2與種莖層厚度關系圖，如圖5。隨著種莖層厚度逐漸增加，σ1和σ2均增大，當種莖層厚度≥150 mm，壓應力逐漸減緩趨于水平，結合儲種箱尺寸，種莖層厚度在150～350 mm為宜，具體數值后續通過EDEM 仿真確定。

圖5 垂直壓應力和水平壓應力與種莖層厚度關系Fig.5 Relationship between vertical compressive stress and horizontal compressive stress and seed stem layer

2.4 型孔數量

在型孔摩擦帶上合理布置型孔是提高充種性能的關鍵。在理想狀態下，實現木薯種莖單根播種需滿足相同時間（t為落種時間間隔）內落入種溝的種莖數量等于排種機構排出的種莖數量[19]，即：

式中v0為排種機構作業速度，m/s；S為木薯理論株距，m；L1為型孔間距，m。

木薯理論株距介于150～500mm[13]，參考《播種機械設計原理》[20]，結合式（7）確定型孔摩擦帶最大臨界速度不超0.9 m/s，經式（13）計算型孔間距L1為90～300 mm。排種機構作業速度按照傳統單行種植模式計算[13]，v0與電機轉速關系為

式中nd為電機轉速，r/min ；Q為型孔數量；λ為電機與主動輥筒間傳動比，參考《播種機械設計原理》[20]，取傳動比為0.7；LP為型孔摩擦帶總長度，取2 500 mm。

根據排種機構整體結構及尺寸，型孔摩擦帶不宜過長，同時要保證播種效率與型孔間距相匹配。型孔數量過少不利于提高作業效率，型孔數量過多漏充指數升高不利于充種[21]。根據式（14）取型孔數量為9、12、15和18，對應型孔間距為277.8、208.3、166.7和138.9 mm。初步確定型孔間距為90～300 mm，后續通過EDEM 仿真確定具體值。

綜上分析可知，影響充種性能的主要因素是型孔摩擦帶型孔形狀、型孔摩擦帶安裝傾角、型孔摩擦帶速度、種莖層厚度和型孔數量。

3 仿真試驗

為優化預切種式木薯排種機構參數，采用EDEM 進行仿真試驗。以型孔形狀、型孔數量、種莖層厚度、型孔摩擦帶安裝傾角以及型孔摩擦帶速度為因素，通過單因素仿真確定各因素范圍。在單因素仿真基礎上，進行二次回歸正交旋轉組合試驗，確定最優參數。

3.1 仿真模型建立及仿真參數

木薯種莖顆粒表面沒有粘附力，選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為顆粒間及顆粒與排種機構間的接觸模型[22-23]。選用華南205 木薯種莖，為真實體現種莖間的運動特性，采用多球聚合模型建立種莖顆粒離散元模型，如圖6a。利用Solid Works 對排種機構進行建模，仿真模型簡化為向上運動足夠長且帶型孔的平面長帶[13]，按照實際間距布置型孔，應用Add Kinematic 模塊中Add Linear Translation 指令實現型孔摩擦帶充種動作，仿真時長為75 s。為便于觀察仿真過程中木薯種莖運動形式，設置排種機構以實體模型形式顯示，仿真過程中采用Euler 時間積分模型，模型網格尺寸設置為2 倍最小顆粒半徑，如圖6b 所示。充種區種莖群的離散程度和第1 層種莖與型孔的相對運動狀態是影響預切種式木薯排種機構充種性能的重要因素。結合EDEM 后處理功能，采用局部種群質量比率[24-26]和第1 層單根種莖平均法向力[27]，分別衡量不同時間步長下種莖群離散程度和第1 層種莖運動狀態。局部種莖群質量比率越小，種莖群離散度越大，充種效果越差[26，28]。

圖6 EDEM 仿真模型Fig.6 EDEM simulation model

監測局部種莖群質量比率需要在種莖群中建立監測器，輸出每個時間步長下監測器中種莖質量進而計算得到局部種莖群質量比率。在EDEM 軟件中，利用SETUP SELECTIONS 模塊下MANUAL SELECTION 功能輸出不同時長下種莖平均速度；監測局部種莖群質量比率以及種莖每個時間步長下的平均法向接觸力、接觸總數、種莖總數需在仿真模型中建立監測器，在不同區域添加監測器（SETUP SELECTIONS 模塊下的GEOMETRY BIN功能進行實現），如圖6b 所示。型孔摩擦帶為PVC 工程材料，仿真參數如表1 所示[22-23]。

表1 離散元模型基本參數Table 1 Basic parameters of discrete element model

3.2 評價指標

根據GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗法》、JB/T 10293—2001《單粒 (精密)播種機技術條件》[24-25]，仿真試驗以充種合格指數Y1、漏充指數Y2和重充指數Y3為指標，計算如下：

式中N1為型孔內只有1 根木薯種莖的型孔數量；N2為沒有木薯種莖的型孔數量；N0為投放木薯種莖的總次數。

局部種莖群質量比率計算式為[26]

式中ηi為i時刻局部種莖群質量比率；Mi為i時刻監測器內種莖質量，g；ρ為種莖密度，g/cm3；Vk為 監測器體積，cm3。

利用EDEM 后處理功能輸出與型孔接觸的每根種莖每個時間步長下平均法向接觸力、接觸總數、種莖總數，得到接觸層多根種莖接觸法向力均值[27]，在i時刻單根種莖所受平均法向力fni為

式中Fni為i時刻接觸法向力平均值，N；Ni為i時刻種莖總數；Nci為i時刻接觸種莖總數。

3.3 單因素仿真試驗

3.3.1 型孔優化

根據設計經驗與《農業機械設計手冊》[29]，采用EDEM 對3 種不同結構的型孔進行仿真，具體形狀和截面尺寸如圖7 所示。

圖7 型孔結構與尺寸參數Fig.7 Shaped hole structure and size parameters

在前期研究基礎上，固定型孔數量為12、型孔摩擦帶安裝傾角為45°、型孔摩擦帶速度為0.5 m/s、種莖層厚度過高重充指數增加，過低漏充指數增加，仿真設置種莖層厚度為200 mm，動態顆粒工廠種莖生產率設置為0.72 k g/s，維持充種時種莖層厚度穩定。在充種性能穩定狀態下對充種情況統計，每組試驗重復3 次，結果取平均值，試驗結果如表2 所示。

表2 不同型孔充種性能仿真結果Table 2 Simulation results of seed filling performance for different shaped holes

由表2 可知，C 型孔充種性能優于A 和B，A 型孔漏充指數較高，為13.6%，因A 型孔右側沒有限位作用，種莖易回落至充種區；B 型孔雖漏充指數較低但重充指數較高，為7.3%；C 型孔具有相對較低重充指數和漏充指數，該型孔右側一端邊緣為直線，型孔內部四周均為圓角過渡，型孔上方開口尺寸適宜種莖充填，種莖在型孔內部受力均勻，C 型孔結構克服了A、B 兩種型孔結構的缺點，性能較優，充種合格指數為84.3%，漏充指數為9.1%，重充指數為6.6%。

為進一步揭示不同型孔對充種性能的影響，利用EDEM 后處理導出不同試驗情況下的局部種莖群質量比率和第1 層種莖與型孔接觸的單根平均法向力變化曲線，如圖8。C 型孔的法向力波動小，種莖群相對穩定，充種效果較優。從不同試驗的局部種群質量比率隨時間變化曲線看出，C 型孔的局部種莖群質量比率大，種莖群離散度小，充種效果較佳。

圖8 型孔對第1 層單根種莖平均法向力與局部種莖群質量比率的影響Fig.8 Effect of shaped hole on the ratio of mean normal force to local population mass of single seed stems in layer 1

3.3.2 型孔數量對充種性能的影響

根據式（14）取型孔數量為9、12、15 和18 進行單因素試驗，C 型孔、型孔摩擦帶安裝傾角為45°、型孔摩擦帶速度為0.5 m/s、仿真設置種莖層厚度為200 mm，動態顆粒工廠種莖生產率設置為0.72 k g/s，維持充種時種莖層厚度穩定。在充種性能穩定狀態下對充種情況進行統計，每組試驗重復3 次，結果取平均值，結果如表3。型孔數量為18 時的充種合格指數為82.5%，漏充指數9.3%，隨型孔數量增加，充種合格指數先增加后減小。

表3 不同型孔數量的充種性能仿真結果Table 3 Simulation results of seeding performance with different number of shaped holes

利用EDEM 后處理導出不同型孔數量的試驗情況下局部種莖群質量比率和第1 層種莖與型孔接觸的單根平均法向力變化曲線，如圖9 所示。型孔數量為9 時法向力波動較大，種莖群不穩定，型孔數量為12 時局部種莖群質量比率大，種莖群離散程度小，充種效果較佳，充種合格指數為84.5%，漏充指數8.6%。因此確定型孔數量為12。

圖9 型孔數量對第1 層單根種莖平均法向力與局部種群質量比率的影響Fig.9 Effect of the number of shaped hole on the ratio of mean normal force to local population mass of single seed stems in layer 1

3.3.3 種莖層厚度對充種性能的影響

為探討種莖層厚度對充種性能的影響，將種莖層厚度設置為150、200、250、300 以及350 mm 共5 個水平，C 型孔，型孔摩擦帶安裝傾角為45°、型孔數量為12，型孔摩擦帶速度為0.5 m/s；在充種性能穩定狀態下對充種情況統計，每組試驗重復3 次，仿真結果取平均值，如表4 所示。

表4 不同種莖層厚度的充種性能仿真結果Table 4 Simulation results of seed filling performance with different seed stem layer thickness

利用EDEM 后處理導出不同試驗情況下局部種莖群質量比率和第1 層種莖與型孔接觸的單根平均法向力變化曲線，如圖10 所示。

圖10 種莖層厚度對第1 層單根種莖平均法向力與局部種群質量比率的影響Fig.10 Effect of seed stem layer thickness on ratio of mean normal force to local population mass of single seed stems in layer 1

隨種莖層厚度增加，種莖所受平均法向應力跳動量增大，提高了種莖群更新頻率適應型孔能力，同時平均法向應力增大，種莖間內摩擦力變大，漏充指數降低。過高種莖層厚度會使種莖群與型孔摩擦帶間相對速度過小，不利于充種。種莖層厚度在200～300 mm 時種莖群穩定，此時局部種莖群質量比率較大，種莖群離散程度小，充種效果較佳。為分析不同種莖層厚度對充種性能的影響，輸出不同種莖層厚度種莖速度變化曲線，如圖11，種莖層厚度在200～300 mm 時種莖速度變化小，充種性能較佳。種莖層厚度為350 mm 時的充種合格指數為84.3%，漏充指數8.6%，種莖速度變化大，充種性能不穩定，與前述分析一致。綜合比較，種莖層厚度為200～300 mm 時充種性能較好。

圖11 不同種莖層厚度的種莖運動速度Fig.11 Seed stem movement speed with different seed stem layer thickness

3.3.4 型孔摩擦帶安裝傾角對充種性能的影響

由式（5）可知，型孔摩擦帶安裝傾角對型孔摩擦帶速度有一定影響，從而影響充種性能。經預試驗得到在不影響充種性能情況下，最大型孔摩擦帶安裝傾角為55°。為研究型孔摩擦帶安裝傾角對充種性能的影響，取型孔摩擦帶安裝傾角為35°、40°、45°、50°以及55°進行試驗，C 型孔，型孔數量為12，型孔摩擦帶速度為0.5 m/s，種莖層厚度為200 mm。在充種性能穩定狀態下對充種情況統計，每組試驗重復3 次，結果取平均值，如表5。

表5 不同型孔摩擦帶安裝傾角的充種性能仿真結果Table 5 Simulation results of seeding performance with different installation angle of friction belt of shaped hole

結果表明，隨型孔摩擦帶安裝傾角增加，充種合格指數先升后降，原因是隨著型孔摩擦帶安裝傾角增加，種莖運動側向力增加[26]，充種能力增強，但隨傾角增加，種莖運動速度變大，漏充指數增加。

為進一步揭示不同型孔摩擦帶安裝傾角對排種機構的充種性能的影響，利用EDEM 后處理導出不同試驗情況下的局部種莖群質量比率和第1 層種莖與型孔接觸的單根平均法向力變化曲線，如圖12 所示。

圖12 型孔摩擦帶安裝傾角對第1 層單根種莖平均法向力與局部種群質量比率以及種莖速度的影響Fig.12 Influence of the installation angle of friction belt of shaped hole on ratio of mean normal force to local population mass of single seed stems in layer 1 and velocity of seed stems

傾角增大時，第1 層種莖與型孔接觸的單根平均法向力產生較大波動；傾角在40°～50°時，第1 層種莖與型孔接觸的單根平均法向力相對穩定；型孔摩擦帶安裝傾角在40°～50°時局部種莖群質量比率較大種莖速度變化小。綜合比較，型孔摩擦帶安裝傾角在40°～50°時充種性能較好。

3.3.5 型孔摩擦帶速度對充種性能的影響

為明確型孔摩擦帶速度對充種性能影響，保證在合適速度下排種，取型孔摩擦帶速度為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 m/s 進行試驗，C 型孔，型孔數量為12、型孔摩擦帶安裝傾角為45°，種莖層厚度為200 mm。在充種性能穩定狀態下對充種情況統計，每組試驗重復3 次，結果取平均值，如表6 所示。

表6 不同型孔摩擦帶速度的充種性能仿真結果Table 6 Simulation results of seed filling performance with different shaped hole friction belt of velocity

利用EDEM 后處理導出不同試驗情況下的局部種莖群質量比率和第1 層種莖與型孔接觸的單根平均法向力變化曲線，如圖13。

型孔摩擦帶速度為0.9 m/s 時接觸法向力波動較大，種莖受型孔不穩定力作用不利于充種。型孔摩擦帶速度運動速度為0.3～0.7 m/s 時局部種莖群質量比率大，種莖群離散程度小，充種效果較佳。為保證充種穩定性，取型孔摩擦帶速度為0.3～0.7 m/s 。

3.4 二次回歸正交旋轉組合仿真試驗

3.4.1 試驗因素與水平

由單因素仿真試驗確定型孔形狀為C 形、型孔數量為12，種莖層厚度為200～300 mm、型孔摩擦帶速度為0.3～0.7 m/s 以及型孔摩擦帶安裝傾角為40°～50°，通過二次回歸正交旋轉組合試驗研究種莖層厚度、型孔摩擦帶速度以及型孔摩擦帶安裝傾角對充種性能影響，確定最優參數，因素編碼和水平如表7 所示。

表7 試驗因素編碼與水平Table 7 Test factor code and level

3.4.2 試驗結果與分析

已知充種合格指數與漏充指數，可求得重充指數。排種機構設計的核心目是提高木薯種莖的充種合格指數減少漏充指數，因此以充種合格指數和漏充指數作為試驗指標，每組試驗重復3 次，結果取平均值。試驗設計方案與結果如表8。

表8 試驗方案設計及試驗結果Table 8 Test scheme design and test results

試驗結果方差分析如表9 所示。

表9 試驗結果方差分析Table 9 Analysis of variance of test results

根據表8 試驗結果，建立Y1、Y2與x1、x2、x3的回歸方程：

根據回歸結果可知，影響充種合格指數與漏充指數因素順序均為型孔摩擦帶速度、型孔摩擦帶安裝傾角和種莖層厚度。應用Design-Expert 8.0.6 軟件對數據進行處理，試驗指標的響應面如圖14。

圖14 試驗因素對充種合格指數與漏充指數的影響Fig.14 Influence of test factors on seed filling qualification index and missing filling index

如圖14a，充種合格指數隨種莖層厚度增加呈現先增加后減少趨勢，隨著型孔摩擦帶速度增加，充種合格指數呈現先增加后減少趨勢。如圖14b，隨著種莖層厚度增加，充種合格指數呈現先遞增后緩慢減小趨勢，隨著型孔摩擦帶安裝傾角增加，充種合格指數呈現先增加后平緩趨勢。如圖14c，隨著型孔摩擦帶速度增加，充種合格指數呈現先增加達到峰值后平穩趨勢；隨著型孔摩擦帶安裝傾角增加，合格指數呈現先增加后緩慢下降趨勢。

如圖14d，漏充指數隨著種莖層厚度增加呈現先減少趨勢，漏充指數呈現先下降后遞增趨勢。如圖14e，隨著種莖層厚度增加，漏充指數呈現先減小后平緩趨勢；隨著型孔摩擦帶安裝傾角增加，漏充指數呈現先遞減。如圖14f，隨著型孔摩擦帶速度的增加，漏充指數呈現先減小達到極小值后逐漸平穩的趨勢；隨著型孔摩擦帶安裝傾角增加，漏充指數呈現先減小后緩慢上升趨勢。

3.4.3 參數優化

以充種合格指數Y1、漏充指數Y2以及重充指數Y3為評價指標，結合各因素取值范圍，目標函數和約束條件如下：

利用Design-Expert 軟件對參數進行最優化求解，得到最佳參數組合是：種莖層厚度為251.41 mm、型孔摩擦帶速度為0.58 m/s 以及型孔摩擦帶安裝傾角為45.05°，模型預測充種合格指數為94.58%，漏充指數為3.43%，重充指數為1.99%。圓整后，取型孔摩擦帶速度為0.6 m/s、型孔摩擦帶安裝傾角為45°，種莖層厚度為250 mm，此時模型預測的充種合格指數為94.63%，漏充指數為3.42%，重充指數為1.95%。

4 臺架試驗

為驗證仿真結果準確性以及樣機設計合理性，研制型孔摩擦帶精密排種機構試驗臺，采用與仿真一致的華南205 種莖為試驗材料，于2022 年11 月22 日至24 日在桂林廣西師范大學機械工程實驗室進行，如圖15 所示。試驗利用湖南科天健光電技術有限公司ACUTEYE-2M-1000 高速攝像儀（采用高性能CMOS 傳感器，像素分辨率為1 920×1 080，最高幀率1087 幀/s）拍攝充種情況，統計200 個型孔充種過程。精密排種機構固定在機架，交流齒輪調速電機，通過交流調速器控制運動速度，以便調整型孔摩擦帶速度。

根據排種機構的工作原理，充種時種莖層的厚度實時變化，以種莖層厚度最佳值250 mm 為中心，30 mm為1 個水平，種莖層厚度范圍介于190～310 mm 開展試驗；儲種箱外壁設有刻度線，操作人員實時觀察排種機構工作狀態，當木薯種莖層厚度低于刻度線時及時向儲種箱補填，始終保持一定種莖層厚度[15]。充種合格指數、漏充指數和重充指數之和為100%，因此以充種合格指數Y1和漏充指數Y2為試驗指標，試驗重復3 次，結果取平均值，見表10 所示。結果表明，當種莖層厚度范圍為220～280 mm 時效果最佳，充種合格指數平均值為94.13%，漏充指數平均值為3.77%，試驗結果與仿真模型預測結果相對誤差小于5%，驗證了仿真結果準確性。與現有典型木薯播種器（外槽輪式）相比，充種合格指數提高3.23 個百分點[7]。

表10 臺架試驗結果Table 10 Bench test results

為驗證所設計的排種機構對不同品種木薯種莖的適應性能，依次將桂墾09-26，桂墾09-11 和桂熱4 號的種莖放入儲種箱，統計200 個型孔充種情況，每組試驗重復3 次，結果取平均值，如表11。對于桂墾09-26，充種合格指數平均值為92.18%，漏充指數平均值為4.98%，桂墾09-11 的充種合格指數平均值為91.59%，漏充指數平均值為5.88%，桂熱4 號充種合格指數平均值為92.98%，漏充指數平均值為5.24%。試驗中充種穩定、滿足木薯播種的農藝要求。

表11 木薯品種適應性試驗結果Table 11 Experimental results on adaptability of cassava varieties

5 結論

1）針對預切種式木薯播種器存在充種效果差、合格指數低等問題，設計了一種型孔摩擦帶式精密排種機構。對關鍵部件參數進行設計，通過理論分析確定影響排種機構充種性能的主要因素為型孔摩擦帶型孔形狀、型孔數量、型孔摩擦帶安裝傾角、型孔摩擦帶速度以及種莖層厚度。

2）基于EDEM 建立種莖群-型孔摩擦帶仿真模型，研究主要因素對充種性能及種莖群規律的影響規律，通過二次回歸正交旋轉組合仿真試驗確定最優參數。圓整后最優參數組合：型孔摩擦帶速度為0.6 m/s、型孔摩擦帶安裝傾角為45°，種莖層厚度為250 mm，模型預測充種合格指數為94.63%，漏充指數為3.42%，重充指數為1.95%。

3）在最優參數下進行臺架驗證試驗，當種莖層厚度為220～280 mm，型孔摩擦帶速度為0.6 m/s，型孔摩擦帶安裝傾角為45°，C 型孔，型孔數量為12，充種合格指數為94.13%，漏充指數為3.77%，試驗結果與模型預測值相對誤差小于5%，且本研究的排種機構作業效果優于現有的槽輪式排種機構。品種適應性試驗結果表明排種機構對 3 類供試木薯品種適應性較優，滿足木薯精密播種的農藝要求。