弧爪式馬鈴薯精量排種器的仿真分析

關鍵詞：馬鈴薯播種機；仿真試驗；排種器；參數優化

馬鈴薯是草本植物，其塊莖中富含多種維生素和膳食纖維[1-2]，且生長周期較短、產量較高，在我國被廣泛種植。由于馬鈴薯種莖較大，機械化排種技術與其他作物差異較大。國內外學者對馬鈴薯播種機排種器進行了諸多研究，目前應用最廣泛的排種裝置包括勺帶式、勺鏈式及氣吸式。勺鏈式排種器因具備價格低廉、結構簡單等優點，被廣泛用于馬鈴薯播種機[3-5]。勺鏈式排種器將種勺固定在滾子鏈條上，通過鏈條的傳輸運動完成排種器的取種、清種、排種作業過程，其中取種勺在種箱中的取種過程是整個排種器的關鍵步驟之一，而關鍵部件取種勺的結構和尺寸也是排種器精量播種作業的關鍵因素之一，其作業性能直接影響了馬鈴薯播種機的作業質量[6-7]

隨著馬鈴薯排種器研究的深入，馬鈴薯機械化播種作業水平逐漸提升。呂金慶等[8]研究了一種舀勺式馬鈴薯播種機排種器，排種器采用雙排交錯排列布置方式，縮小了雙排相鄰2勺的垂直間距，使用振動式清種裝置提高了清種性能，有效降低了重種率、漏種率。高原等[9]設計了一種三爪勺式馬鈴薯精量排種器，通過對種勺的結構的改進有效降低了馬鈴薯排種器的重播率和漏播率。楊然兵等[10]設計了一款圓臺格盤式馬鈴薯播種機，通過使薯種在同一地方排種以提高株距均勻性，解決了因株距差異導致而導致無法滿足育種要求問題，提高了株距合格率和作業效率。潘思奇等[11]設計了一款勺帶式馬鈴薯排種器，并在其基礎上研制了雙層取種勺，減少了薯種與護種罩的接觸，增加了排種均勻性。

綜上所述，國內外學者對馬鈴薯排種器的結構研究較多，但仍無法保證馬鈴薯精量播種作業的性能，因此，本文對新型弧爪式馬鈴薯精量排種器進行研究，該排種器排種鏈由1個主動鏈輪和2 個從動鏈輪帶動，形成“三角形”結構，其取種勺在種箱中的取種過程是整個排種器的關鍵步驟之一，而取種勺的結構和尺寸也是排種器精量播種作業的關鍵因素，其性能直接影響了馬鈴薯播種機的作業質量，分析了弧爪式排種器的各種因素對充種性能的影響，為勺鏈式馬鈴薯排種器提供了研究基礎，對解決馬鈴薯精量播種作業中的關鍵問題，具有重要的研究意義。

1 材料與方法

1.1 排種器結構組成及工作原理

結合丘陵地區馬鈴薯種植農藝要求，設計了弧爪勺式馬鈴薯精量排種器，如圖1所示。其主要由弧爪式取種勺、種箱、回種板、滾子鏈條、主動鏈輪及從動鏈輪組成。為了提高排種器的充種性能，降低重播率、漏播率，薯種取種勺采用四爪式弧度設計，在機架的清種段兩端分別設有用于連接至種箱的回種板。在進行清種后，脫落的薯種通過回種板滑槽回落種箱之中，重復進行充種工作。

作業時，在種箱中填充薯種，弧爪式取種勺隨著鏈條進行同步運動，當種勺通過排種器種箱時，薯種與弧爪式取種勺發生無規律碰撞、擠壓和接觸。當取種勺在取薯種時，會在種箱中隨機取出1～2粒薯種，薯種在弧爪上可能處于水平排列或垂直排列的位置情況，見圖2。弧形爪隨著取種勺的上升，取種勺的有效取種長度Δt 減小，多余的水平薯種會從種勺中脫落，完成水平清種，在翻轉清種時，垂直排列的薯種在剛經過翻轉后，下端單粒薯種進入圓形弧槽內，其余薯種在轉動慣性和鏈條的振動下從取種勺中掉出，掉落于兩側回種板中回落至種箱內，至此弧爪式取種勺完成垂直式清種工作。前后共進行2次清種工作，以保證種勺中存留單粒薯種，達到精量播種的作業要求。

1.2 關鍵部件設計

1.2.1 種勺結構設計方案 種勺結構的好壞直接影響排種器取種的性能，本文對弧爪式排種器的種勺進行設計。以弧爪式種勺長度和寬度為試驗因素，以排種器的單粒率、多粒率、空粒率為試驗指標，采用Central Composite Design 試驗法進行二次回歸正交旋轉組合試驗，分析得到排種器的新型結構和新型種勺對充種性能的影響[16]。

1.2.2 試驗材料參數測定 選用優質、高產的恩施富硒馬鈴薯種薯為試驗材料，隨機選取40個馬鈴薯薯種，測量薯種三軸尺寸的平均值（3個軸方向的平均直徑），再測量每粒薯種的質量，對所測參數進行統計分析。種薯平均質量為97.60 g，質量標準差為11.17 g，平均長度為68.10 mm，平均寬度為52.62 mm，平均厚度為46.75 mm。

由于馬鈴薯形狀呈卵形至長圓形，本研究以橢圓體積公式求得薯種的平均體積[11]。

式中，Va為薯種平均體積，m3；a 為平均長度直徑，m；b 為平均寬度直徑，m；c 為平均厚度直徑，m。

通過計算得到薯種的平均體積為8.79×10?5 m3，測量薯種的平均密度為1 110.35 kg·m?3。

1.2.3 種勺設計 種勺作為馬鈴薯排種器的關鍵零部件，對精量取種作業至關重要[13]，新型弧爪式取種勺見圖3所示，本文對新型弧爪式種勺結構進行了設計和優化，根據馬鈴薯薯種的尺寸對種勺尺寸范圍進行了規定。

種勺的結構直接影響排種器的充種性能[14]，弧爪過長容易取薯種過多，弧爪過短容易造成漏播，所以取值范圍為2clt;Δtlt;2a，在所取范圍內，弧爪式取種勺可在取種段取1～2粒薯種。在種勺上升過程中，弧爪與清種板之間的有效取種長度Δt逐步減小，多余的薯種被清除，保留水平方向單粒薯種，參數范圍分別為alt;Δtlt;2c，clt;寬度（fp）為了保證在翻種區清種后，種勺中留存單粒薯種，圓形勺槽直徑（Pp）與單粒薯種平均長軸直徑一致，取值68 mm。

1.3 種薯受力分析

在種勺進行取種后，通過清種板的邊緣輪廓將多余的薯種清除掉，清種板參數見圖4，薯種受力分析見圖5。其中，b 為清種水平位移距離，h 為種勺上升距離，α 為清種板傾斜角度，b 的長度應滿足在初始時稱取多粒薯種和在結束時清除多余薯種的功能，因此，得到相關關系式（2）。

α 角可有效對多余的薯種進行清種，但隨著α角度的增大，種勺上升過程中薯種所受到的阻力會變大，角度過大時可能會薯種造成損傷，影響播種質量[15]。根據薯種最大承受載荷力Fmax，計算清種板最大傾斜角度αmax，薯種受力分析結構圖見圖5所示，薯種被清種板水平推動可看作勻速直線運動，對此過程在水平方向進行受力分析。

式中，F 為清種板對薯種的推力，N；F1為水平方向摩擦力分力，N；F2為種勺對薯種的支持力，N；G 為薯種的重力，N；λ 為薯種與種勺間的摩擦系數，種勺的材料為金屬材料，薯種與鋼板材料之間的最大摩擦角為27°。

1.4 弧爪式排種器的仿真試驗

本文通過Recurdyn-EDEM 進行耦合仿真試驗，通過Solidworks 軟件將排種器模型導出為STEP格式，將文件導入recurdyn軟件中，對相關機構添加約束和驅動，使用ChainAssembly 系統生成適用于排種器的傳動鏈條，將各個關鍵零部件進行生成wall 處理，將wall 文檔導入EDEM中，通過EDEM軟件，在種箱中設置顆粒工廠，總共生成100 粒薯種，設置步長為200，時間20 s，使Recurdyn-EDEM 同步開始運行，記錄仿真試驗過程并分析仿真結果，并將試驗數據導入Design-expert8.0軟件中，對試驗驗數據進行分析處理[19-21]，仿真試驗模型如圖6所示，相關參數如表1所示。

利用Desin-expert軟件通過2因素5水平3試驗指標進行二次回歸正交旋轉組合試驗，每組試驗重復3次取平均值，試驗因素編碼見表2。

1.5 試驗參數優化及驗證試驗

利用Design-expert 軟件的Numerical 模塊對試驗結果進行數值參數優化[22]，將4個試驗因素中的2個因素設置為0水平，分析其他因素對合格率、漏播率和重播率的影響，并繪制響應曲面。

為了驗證播種機播種性能，在優化條件下進行驗證試驗測量優化后單粒率值（82.02%）與試驗單粒率的誤差值，試驗重復進行5次取平均值。

2 結果與分析

2.1 正交旋轉組合試驗結果分析

二次回歸正交旋轉組合試驗方案和結果如表3所示，方差分析如表4所示。

由方差分析可知，3組試驗指標的失擬項皆不顯著，證明擬合較好，具備可靠性，3組試驗指標中，模型P 值皆小于0.01，且失擬項大于0.01，說明3組指標模型影響均極顯著。

對于單粒率（Y1），X2的P 值（0.000 3）和X22的P 值（0.002 9）小于0.01，其余因素P 值大于0.01，表明X2和X22對單粒率影響極顯著，其余因素影響不顯著。

對于多利率（Y2），X2（P=0.003 7）和X22（P=0.005 3）影響極顯著，X1（P=0.025 3）和X1 X2（P=0.044 5）影響顯著，X22影響不顯著。

對于空粒率（Y3），X2 （Plt;0.000 1）影響極顯著，X2、X1X2、X22（0.05P≤0.01）影響顯著。根據方差分析得到因素對各試驗指標的實際線性回歸方程如下。

2.2 響應曲面分析

由方差分析結果可得到試驗因素相對試驗指標的響應曲面。從圖7可以看出，隨著種勺寬度的增加，單粒率呈先增加后減少規律，原因是隨著種勺寬度的增加，種勺的取種面積增大，空粒率變小，單粒率增加，但增長到一定值時，多粒率增大而單粒率相對減小。由圖8可知，當種勺寬度變大時，多粒率將變大，但隨著有效取種長度的變大多粒率先減小后變大，有效取種長度的增大，增加了橫向取種長度范圍，多粒率顯著增加。由圖9可知，隨著有效取種長度和取種寬度的減小，排種器的空粒率顯著增加。播種機農藝要求單粒率最大，多粒率和空粒率最小，經過優化可得有效取種長度為99.74 mm、種勺寬度為60.02 mm。

2.3 驗證結果分析

根據表5 可知，仿真結果中單粒率大于80%，多粒率和空粒率均小于10%，且單粒率誤差值小于2%，說明該模型具備可靠性，且有較好的精量播種性能[24-25]。

3 討論

本文設計了一種新型弧爪式馬鈴薯排種器，利用弧爪式新型種勺進行薯種的取種，通過水平和垂直二次清種減小對種勺內發生多粒率的現象。

對薯種的三軸尺寸和體積、密度進行了測定，根據薯種的體積設計了弧爪式種勺，并確定了弧爪式種勺的有效取種長度范圍和種勺寬度范圍。種勺寬度的增加增加了取種面積，進而增加了產生多粒率的現象[20]；而橫向取種長度和取種面積的減小降低了種勺被薯種充填的概率，增加了空種率[21]。以Recurdyn-EDEM 耦合仿真為研究基礎，以design-expert軟件進行試驗設計，以有效取種長度范圍和種勺寬度范圍為試驗因素，以單粒率、多粒率、空粒率為試驗指標進行了響應曲面分析，通過優化得到了最佳的取種長度和種勺寬度分別為99.74和60.02 mm。單粒率最能反映精量播種器的播種性能[25] ，以優化后的參數為試驗因素進行精量播種模擬仿真試驗，經試驗驗證排種器單粒率達80% 以上，排種器精量播種性能較好，且誤差值不超過2%，該優化數據具備可靠性。