1、三 爪 勺 式 马 铃 薯 精 量 排 种 器 设 计 与 试 验高原1,黄玉祥1,2,李鹏1,张仕林1,郑智旗1,2(1.西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西 杨凌712100;2.陕西省农业装备工程研究中心,陕西 杨凌712100)摘 要:针对目前马铃薯排种器普遍存在的重漏播率较高、作业速度低等问题,设计了一种三爪勺式马铃薯精量排种器。阐述了排种器的主要结构和工作原理,对关键部件进行理论分析和结构设计,并结合单因素仿真试验确定了影响排种性能的主要因素的参数范围。以三爪长度、三爪底面中心距离、三爪倾斜角度和主动轮转速为试验因素,开展二次正交回归旋转组合试验,并对试验数据进行分析,得到回
2、归模型和因素对试验指标的影响关系。对试验结果进行多目标优化,结果表明:三爪长度 38.04mm、三爪底面中心距离 16mm、三爪倾斜角度 29.07、主动轮转速 53.05r/min 时,合格率为 94.49%,漏播率为 2.19%,重播率为 3.32%。对此优化参数下的排种器进行台架试验,排种器合格率、漏播率和重播率分别为 93.33%、4.17%、2.5%,验证了仿真优化结果的可靠性,表明三爪勺式马铃薯精量排种器在高速条件下能保持良好的排种性能。关键词:马铃薯;排种器;三爪勺式;仿真中图分类号:S223.2+6;S220.3 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0
3、191-070 引言排种器作为播种机的关键部件,其性能直接影响播种机的工作质量。勺式马铃薯排种器是世界上应用最为广泛的马铃薯排种装置,具有结构简单、可靠性高、种薯损伤小等优点 1-4。为提高出苗率和产量、减少病菌感染 5,以整薯作为研究对象,进行马铃薯精量排种器的研究。由于整薯形状多样、尺寸大小不一、流动性差等原因,造成勺式排种器仍然存在重播、漏播率较高的关键问题,仍需人工补种 6-9。为此,设计了一种三爪勺式马铃薯精量排种器,对关键部件进行理论分析和结构设计,且通过离散元仿真软件 EDEM 进行排种器仿真试验,优化关键参数,并利用台架试验验证仿真试验结果,为马铃薯精量排种器的设计提供参考。1
4、 排种器结构与工作原理排种器主要由三爪种勺、机架、主从动轮、种箱、振动清种装置、排种链、防夹带顶杆和护种板等部件构成,如图 1 所示。收稿日期:2021-12-20基金项目:陕西省重点产业链项目(2018ZDCXL-NY-03-06);宁夏回族自治区重点研发项目(2019BFF02003)作者简介:高原(1996-),男,山东烟台人,硕士研究生,(E-mail)gaoyuan1996922 。通讯作者:黄玉祥(1980-),男,宁夏中宁人,教授,博士生导师,(E-mail)hyx 。排种器播种作业过程主要包括取种、运移、清种、导种和投种 5 个阶段,如图 2 所示。排种器工作时,动力通过链传动
5、传至主动轮,带动排种链与三爪种勺整体自下而上转动,依次舀取 12 个种薯;三爪种勺运移至清种区时,通过振动清种装置清除勺内多余种薯,通过防夹带顶杆清除勺间夹带种薯,被清除的种薯掉落回种箱;当有种薯的三爪种勺越过主动轮最高点时,种薯掉落到前一个三爪种勺的背面,与相邻三爪种勺和护种板形成封闭空间,进行平稳导种;当三爪种勺运动至投种口时,种薯失去支持力,在重力作用下完成投种 10-11。1.主动轮张紧装置 2.主动轮 3.防夹带顶杆 4.振动清种装置5.三爪种勺 6.隔板 7.机架 8.种箱 9.排种链10.从动轮 11.护种板图 1 排种器结构示意图Fig.1 Schematic diagram
6、of seed metering device structure1912023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期图 2 排种器工作过程简图Fig.2 Diagram of the working process of seed-metering device2 关键部件设计与分析2.1 三爪种勺关键参数分析三爪种勺结构如图 3 所示。图 3 中,三爪种勺的取种空间近似为圆台,则取种空间 V 为V=13a13(d+5)(d+5+2wsin)+13(d+5+2wsin)2+13(d+5)2(1)化简得V=19wcos(3d2+30d+30wsin+6dwsin+4w2sin2+75)
7、(2)式中 w三爪长度(mm);三爪倾斜角度();d三爪底面中心距离(mm);a高度(mm)。由式(2)可知:三爪长度 w、三爪底面中心距离 d和三爪倾斜角度 为三爪种勺关键参数,决定取种空间的大小,从而影响排种器的作业性能。后续理论分析及试验将重点研究上述因素对作业质量的影响。图 3 三爪种勺结构Fig.3 Three-claw spoon structure选用西北旱农区广泛种植的“新大坪”马铃薯作为设计依据12,通过人工清选分级处理,随机抽取 100个种薯,测量其外形尺寸,统计数据平均值,长、宽、厚分别为 50.67、43.75、37.44mm,尺寸近似正态分布,球形率为 0.89,整薯
8、形状近似为椭圆形。为保证在三爪种勺深度方向仅能容纳 1 个种薯,且空间尽量大以降低漏播率,三爪种勺深度 k 需满足的条件为12Imax k Imin12Jmax k Jmin12Umax k 1(10)Zxj=xj+12i=1xixj+2xj(j=1,2,3 i j)(11)式中 F模型中的各 F 值;F 值的考核值;Zxj各因素贡献率。由式(10)和式(11)计算得:三爪长度、三爪底面中心距离、三爪倾斜角度、主动轮转速对合格率的贡献率分别为 2.24、3.41、3.22、2.73,对漏播率的贡献率分别为 2.18、3.28、3.24、2.66,对重播率的贡献率分别为 2.18、2.30、2.
9、77、2.44,即各因素对合格率的影响大小依次为三爪底面中心距离、三爪倾斜角度、主动轮转速、三爪长度;对漏播率的影响大小依次为三爪底面中心距离、三爪倾斜角度、主动轮转速、三爪长度;对重播率的影响大小依次为三爪倾斜角度、主动轮转速、三爪底面中心距离、三爪长度。4912023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期表 3 试验方案与结果Table 3 Experiment project and results试验号X1/mmX2/mmX3/()X4/rmin-1合格率 Y1/%漏播率 Y2/%重播率 Y3/%1100-190.561.398.0520-11092.504.722.783-1
10、10093.061.945.004-100-190.283.895.835-101091.393.894.72610-1087.228.334.457-1-10083.0515.281.67801-1090.564.724.729-10-1080.5617.222.2210110088.331.6710.00111-10090.836.672.5012011087.781.3910.831300-1-181.3914.723.89140-10181.6616.671.67150-10-187.59.173.3316100191.662.785.5617-100188.069.442.20180
11、-1-1072.7825.002.2219001190.284.165.562000-1182.5013.334.1721010191.113.615.2822001-191.950.557.5023101091.1108.8924010-190.000.839.1725000091.124.444.4426000090.844.444.7227000090.834.175.0028000091.673.894.4429000090.285.564.165912023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期3.3.3 试验结果目标优化为确定各因素在范围内的最优参数组合,以合格率最高、漏播
12、率和重播率最低为目标,结合各因素边界条件进行优化求解,建立数学模型为maxY1(X1、X2、X3、X4)maxY2(X1、X2、X3、X4)maxY3(X1、X2、X3、X4)30mm X1 40mm17mm X2 25mm20 X3 3039r/min X4 75r/min (12)优化求解得三爪长度 38.04mm、三爪底面中心距离 16mm、三爪倾斜角度 29.07、主动轮转速 53.05r/min,此时合格率、漏播率和重播率分别为 94.49%、2.19%和 3.32%。在此条件下重复 5 次仿真试验,得排种器合格率、漏播率和重播率分别为 95%、1.94%和 3.06%,误差分别为
13、0.54%、11.41%和 7.83%,误差较小,表明该回归方程可靠性较高。4 台架验证试验为了验证仿真试验的可靠性,分析马铃薯排种器性能的可行性,进行排种器台架试验,试验装置如图 9所示。图 9 试验装置Fig.9 Test device在三爪长度 38.04mm、三爪底面中心距离 16mm、三爪倾斜角度 29.07、排种器主动轮转速 53.05r/min的条件下进行 5 次重复试验,取平均值,得排种合格率为 93.33%、漏播率为 4.17%、重播率为 2.5%,与仿真优化结果相近,表明仿真优化结果的可靠性较高。由于试验时产生振动,导致重播率低于仿真试验结果、漏播率高于仿真试验结果,表明三
14、爪勺式马铃薯精量排种器各项排种性能指标优于马铃薯种植机质量评价技术规范的相关要求。5 结论1)为降低马铃薯排种器的重播率和漏播率,设计了三爪勺式马铃薯精量排种器,完成了结构设计和理论分析,并结合单因素仿真试验确定了影响排种性能的主要因素和参数范围。2)以三爪长度、三爪底面中心距离、三爪倾斜角度和主动轮转速为试验因素,进行四因素三水平二次正交回归旋转组合仿真试验,建立回归方程并分析各因素对试验指标的影响关系,确定最优参数组合为三爪长度 38.04mm、三爪底面中心距离 16mm、三爪倾斜角度 29.07、主动轮转速 53.05r/min,此时合格率、漏播率和重播率分别为 94.49%、2.19%
15、和 3.32%。3)对最优参数组合进行排种性能试验验证,结果表明:排种合格率为 93.33%,漏播率为 4.17%,重播率为 2.5%,试验结果与仿真优化结果相近,在高速条件下优于马铃薯种植机质量评价技术规范的相关要求。参考文献:1 吕金庆,田忠恩,杨颖,等.马铃薯机械发展现状、存在问题及发展趋势J.农机化研究,2015,37(12):258-263.2 韩宏宇,徐俊,杨华,等.马铃薯播种机机械式取种技术研究J.农机化研究,2017,39(10):104-107.3 杜宏伟,尚书旗,杨然兵,等.我国马铃薯机械化播种排种技术研究与分析J.农机化研究,2011,33(2):214-217.4 KA
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24、ering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;2.Shaanxi Engineering Research Center for Agricultural Equipment,Yangling 712100,China)Abstract:Aiming at the problem of high multiple rate,missing rate and low operating speed common to the current pota-to metering device,a three-claw spoon type
25、potato precision metering device was designed.The main structure and working principle of the seed metering device were described.The key components of the seed metering device were theo-retically analyzed and structured.Combined with single factor simulation experiments,the parameter range of main
26、factors affecting the seed metering performance were determined.Carried out the quadratic orthogonal regression rotation com-bined test with length of three claws,center distance of three claws bottom surface,inclined angle of three claws and ro-tation speed of driving wheel as experimental factors,
27、and analyzed the experimental data to obtain the regression model and factors on the test index of influence relationship.Multi-objective optimization of the test results showed that length of three claws was 38.04mm,center distance of three claws bottom surface was 16mm,inclined angle of three claw
28、s was 29.07,and rotation speed of driving wheel was 53.05r/min,the qualified rate was 94.49%,the missing rate was 2.19%,and the multiple rate was 3.32%.The bench test of the seed metering device under the optimized parameters showed that the qualified rate,missing rate and multiple rate of the seed
29、metering device were 93.33%,4.17%,and 2.5%respectively,which verified the reliability of the simulation optimization results.The test results showed that the three-claw spoon type potato precision metering device could maintain good seeding performance under high-speed con-ditions.Key words:potato;seed metering device;three-claw spoon type;simulation7912023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期