摘要: 針對氣吸式玉米高速播種機導種過程中種子碰撞損傷和投種精度差的問題，該研究設計了一種向控輪旋撥導向-毛刷帶轉運投種的毛刷帶式導種裝置。通過對關鍵結構的設計和理論分析，確定影響導種性能的主要因素和各因素取值范圍。利用Adams-EDEM耦合仿真方法進行向控輪導向過程單因素試驗，結果表明:向控輪相對排種盤安裝角度為15°時，種子滿足導向要求且導向軌跡穩定;搭建試驗臺架，以刷毛長度、帶輪直徑為試驗因素，粒距合格率、重播率、漏播率為試驗指標，開展二次旋轉正交組合試驗，試驗結果表明:在作業速度13km/h條件下、刷毛長度為25mm，帶輪直徑為53mm時，粒距合格率為96.03%，漏播率為1.76%，重播率為3.48%;根據最優參數組合驗證不同作業速度下導種裝置的性能，結果表明，當作業速度在12~16km/h時，粒距合格率不低于94.3%，重播率不高于3.92%，漏播率不高于3.19%，破損率不高于0.19%。該研究可為玉米高速播種作業條件下導種裝置的設計優化提供參考。

　　關鍵詞: 農業機械;玉米;高速播種;導種裝置;Adams-EDEM

　　論文《毛刷帶式玉米高速導種裝置的設計與試驗》發表在《農業工程學報》，版權歸《農業工程學報》所有。本文來自網絡平臺，僅供參考。

　　0 引言

　　玉米作為中國種植面積最廣的糧食作物，在土地集約化形勢下，搶抓農時、適熵播種、提升單產等都對玉米高速精量播種提出了更高要求[1]。氣吸式精密排種技術配合約束導種及零速投種技術是目前高性能播種的主要發展與研究方向[2]。具備擾動充種、多級清種等技術的精密排種技術已然較為成熟可靠，但與之配合的約束導種，尤其是高速時種子與約束導種裝置碰撞導致種子運移軌跡不可控，最終導致投種時粒距變異系數急劇增大的導種技術仍然是研究的重難點。

　　為了解決高速導種過程中種子碰撞損傷和投種精度差的問題，國內外公司和學者主要研究設計了氣流輸送式、隔板帶式和毛刷帶式三種形式的高速導種裝置[3]。氣流輸送導種裝置，利用氣力輸送技術使種子在氣流裹挾下通過導種管。德國Amazone公司EDX系列播種機和英國Ferguson公司MF543型播種機采用在導種管內引入正向氣流的方式，使種子在正壓氣流作用下沿導種管壁快速滑落，可實現低位投種和同步仿形[4]。劉瑞等[5]基于文丘里原理，分析氣流輸送導種和零速投種機理，進一步設計確定了氣流導種裝置關鍵結構參數和導種裝置曲線。王云霞等[6]設計了一種適用于氣流高速投種的播種機壓地裝置，通過在導種管后方布置壓種輪的方式減少種子在氣流加速下產生的落地彈跳現象。隔板帶式導種裝置利用隔板形成種腔，強制種子保持單粒有序運移。美國Precision Planting公司設計了具有納種裝置的Speed Tube型輸送帶式導種裝置[7]。陳學庚等[8]在綜合取種盤轉速、播種機行走速度情況下，設計了一種傳動與投種機構一體的帶式導種裝置。劉全威[9]提出了一種準確納種、平穩輸種和精準投種的種子投送方法，設計了一種撥指同步帶式種子精確投送機構。馬成成等[10]在撥指同步帶導種裝置基礎上，提出了一種在撥指表面添加人字形紋路的改進方法，優化了納種合格指數和種腔間隔變異系數。毛刷帶式導種裝置利用柔性刷毛與導種管壁對種子的運移進行全自由度約束。美國John Deere公司設計的Exact-Emerge毛刷帶式導種裝置，通過調節毛刷帶的轉速控制種子落地水平初速度可實現零速投種[11]。

　　綜上所述，氣流輸送導種降低了種子碰撞無序的風險和機具振動的影響，但氣流加速下種子投出速度過大，難以平衡。隔板帶導種可保證播種粒距均勻分布并且可以通過調整帶的轉速保證種子投種狀態,但隔板間距的限制導致排種器與導種帶的轉速調節難以適應不同的作業速度變化。毛刷帶導種具有導種軌跡穩定、投種速度可控和導種性能受外部因素影響小等特點,但目前該裝置導種機理尚不明確,主要結構參數不清晰,種子由排種器至毛刷帶的轉運過程也有待研究。

　　本文在現有導種裝置研究基礎上，設計一種帶有向控輪輔助納種機構的毛刷帶式導種裝置，確定關鍵部件的結構及工作參數，通過EDEM-Adams耦合仿真和臺架試驗分析得到裝置最優參數組合，并進行不同作業速度下導種性能驗證試驗。

　　1 整體結構與工作原理

　　1.1 整體結構

　　毛刷帶式導種裝置主要由向控輪、向控輪驅動電機、導移板、毛刷帶、主動帶輪、被動帶輪、鏈傳動系統以及裝置外殼體等部件組成，如圖1所示，主要技術參數如表1所示。裝置外殼體安裝于排種器卸種口處，向控輪、帶輪和毛刷帶內置于殼體中，向控輪和帶輪的傳動軸通過前后殼體軸承座分別與殼體外部向控輪驅動電機和鏈傳動系統連接。通過調節向控輪驅動電機轉速可在更換不同吸孔數量排種盤或排種器轉速改變條件下保證向控輪與排種盤的配合關系。利用鏈傳動系統設置主動帶輪與機組前進速度的固定傳動比，結合弧形投種板投種角度調節，可以保證種子投出速度與作業速度大小相同，方向相反，從而實現零速投種。

　　表1 導種裝置主要技術參數

　　參數 Parameters 數值 Values

　　外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm) 140×55×670

　　排種器類型 Type of metering device 氣吸式排種器

　　毛刷帶長度(周長)/mm 1000

　　刷毛尺寸(截面直徑×長度)/(mm×mm) 0.5×25

　　帶輪直徑 Belt wheel diameter/mm 53

　　播種速度 Sowing speed/(km·h?¹) ≤16

　　1.2 工作原理

　　播種開始時，輔助納種向控輪與排種盤在各自驅動電機驅動下以固定速比相對轉動，主動帶輪由播種機地輪經鏈傳動系統驅動。向控輪撥指在旋轉至籽粒脫離排種盤位置時在自身重力作用下閉合形成撥指種腔，種子隨排種盤轉過排種器負壓腔室后，掉落進撥指種腔內，隨后在向控輪和導移板共同作用下排放至毛刷帶上，種子跟隨毛刷帶旋轉運移至弧形投種板并投入到種溝內，可滿足12~16km/h的作業速度。

　　2 導種裝置結構設計與導種性能分析

　　2.1 輔助納種機構設計

　　為了提高毛刷帶納種穩定性，設計了旋撥導向方式的納種輔助裝置。以向控輪旋轉過程中撥指開合形成種腔單粒裝載種子的方式對種子運移方向進行引導，并在撥出時配合導移板使種子精準投入到導種管運移軌跡中，提高種子從排種盤轉運到導種毛刷帶的穩定性和精準度。

　　輔助納種向控輪主要由向控輪主體、撥指、撥指軸組成，如圖2所示。綜合考慮氣吸式排種器排種盤卸種區位置尺寸和不干涉排種器內部結構正常工作前提下，設計向控輪主體最大圓周直徑為90mm。為滿足向控輪和排種盤轉速匹配，同時提高向控輪利用效率，設計撥指數量為8個，且沿向控輪圓周均勻分布，撥指和向控輪主體通過撥指軸連接。撥指軸與向控輪其上開孔過盈配合，以保證撥指軸隨向控輪固定轉動。撥指軸孔與撥指軸間隙配合，以保證撥指隨向控輪轉動在重力作用下依靠自身重力實現開合。向控輪與排種盤轉速配合，使得撥指開合形成撥指種腔實現單粒種子的納入與撥出。以常用鄭單958玉米種子為對象進行三軸尺寸測量，得到玉米種子最大粒徑為12.6mm，為保證種子精確掉落在撥指上，設計撥指厚度為25mm，向控輪主體厚度為55mm。為防止向控輪導向過程中種子從撥指種腔內提前撥出，在向控輪側邊設計導移板，導移板同時可作為排種盤清種結構保證在排種盤轉過納種裝置時吸孔無殘留吸附種子，提高輔助納種向控輪工作穩定性。

　　2.2 輔助納種機構安裝位置與關鍵參數分析

　　2.2.1 向控輪充種過程

　　以向控輪中心為原點建立坐標系，如圖3所示，對籽粒開始離開排種盤至籽粒落入種腔過程進行運動學分析。籽粒A為種子在種盤上失去吸附力的瞬時位置，籽粒B為種子落到撥指種腔的瞬時位置，籽粒C為下一粒種子在撥指上的落點位置。

　　籽粒A在失去氣流吸附力后，僅受自身重力和隨排種盤圓周運動的離心力，以A籽粒中心為原點，建立直角坐標系。將籽粒受力和速度分別向x軸、y軸分解:

　　left{egin{array}{l} F_x=F'coseta\ F_y=F'sineta+Gend{array} ight.

　　left{egin{array}{l} v_x=R_1omega_1sineta\ v_y=R_1omega_1cosetaend{array} ight.

　　假設籽粒從將要離開排種盤到落至撥指種腔所需時間為t:

　　t=frac{2pi}{n_1omega_1}=frac{2pi}{n_2omega_2}qquad(3)

　　式中: n_1 為排種盤吸種孔數量; n_2 為向控輪撥指數量。

　　在t時間內籽粒A在x軸、y軸方向的位移量 Delta x_1、 Delta y_1 可以表示為

　　left{egin{array}{l}Delta x_1=v_{1x} t+frac{a_x t^2}{2}\ Delta y_1=v_{1y} t+frac{a_y t^2}{2}end{array} ight.

　　其中 left{egin{array}{l} a_x=R_1omega_1^2coseta\ a_y=R_1omega_1^2sineta+gend{array} ight.

　　式中g為重力加速度， m/s^2。

　　籽粒C需要在同時間t內轉到B位置，轉過角度差 Deltaalpha 可表示為

　　Deltaalpha=alpha_1-alpha_2=omega_2 tqquad(6)

　　根據余弦定理有:

　　left{egin{array}{l} L_1=sqrt{R_1^2+L^2-2 R_1 Lcos(eta+ heta)}\ alpha_3=arccosleft(frac{L_1^2+L^2-R_1^2}{2 L_1 L} ight)end{array} ight.qquad(7)

　　化簡得:

　　alpha_3=arccosleft(frac{L-2 R_1cos(eta+ heta)}{sqrt{{R_1}^2+L^2-2 R_1cos(eta+ heta)}} ight)qquad(8)

　　在圖3坐標系下將籽粒A運動到籽粒B的位移向x軸和y軸分解:

　　left{egin{array}{l} L_1cosalpha_4-R_2cosalpha_2-Delta x_1=0\ L_1sinalpha_4-R_2sinalpha_2-Delta y_1=0end{array} ight.qquad(9)

　　其中 left{egin{array}{l}alpha_4=alpha_3+ heta\alpha_2=alpha_1-Deltaalphaend{array} ight.

　　將式(4)～(8)代入式(9)可得:

　　left{egin{array}{l}sqrt{{R_1}^2+ L^2- 2 R_1 Lcos(eta+ heta)}cosleft[arccosleft(frac{L- 2 R_1cos(eta+ heta)}{sqrt{{R_1}^2+ L^2- 2 R_1 Lcos(eta+ heta)}} ight)+ heta ight]\ -left( R_1omega_1sineta t+frac{1}{2} R_1omega_1{}^2coseta t^2 ight)= R_2cosleft(alpha_1-omega_2 t ight)\ sqrt{{R_1}^2+ L^2- 2 R_1 Lcos(eta+ heta)}sinleft[arccosleft(frac{L- 2 R_1cos(eta+ heta)}{sqrt{{R_1}^2+ L^2- 2 R_1 Lcos(eta+ heta)}} ight)+ heta ight]\ -left( R_1omega_1coseta t+frac{1}{2}left( R_1omega_1{}^2sineta+g ight) t^2 ight)= R_2sinleft(alpha_1-omega_2 t ight)end{array} ight.

　　為確保種子單粒順序由排種盤掉落進向控輪撥指種腔，由式(3)可知，當機器前進速度確定時，排種盤和向控輪的轉動速比僅與排種盤吸種孔數量和向控輪撥指種腔數量有關。當向控輪滿足導向要求時，圖3中各參數應滿足式(11)所示關系，向控輪結構參數確定后，L_1、 R_2 為已知量，若排種盤半徑確定，則 R_1、eta 也可確定，此時向控輪導向效果受 alpha_1、alpha_2、alpha_3、alpha_4、 L、 heta 影響，又因為 alpha_1、alpha_2、alpha_3、alpha_4、 L 均隨 heta 改變而改變，所以向控輪相對排種盤的安裝角度 heta 是影響導向效果的主要因素。由于導向過程種子與向控輪的互作關系較為復雜，后文將利用仿真分析的方法對 heta 進行確定，同時確定向控輪的安裝位置。

　　2.2.2 向控輪導向排放過程

　　向控輪導向過程種子受力分析如圖4所示，種子相對向控輪中心作圓周運動且逐漸遠離向控輪中心，種子相對撥指軸作圓周運動且逐漸靠近撥指軸。種子在導向過程中僅受自身重力、向控輪轉動所施加的向心力、撥指給予的支持力和摩擦力。

　　種子從到達撥指理想落點至撥指撥出過程由能量守恒有:

　　lint_0^delta F_f~ddelta+Delta Rint_{R_2}^{R_3} m R^2omega_2 dR+m g h=frac{m v_2{}^2}{2}qquad(12)

　　其中

　　left{egin{array}{l} F_f=F_nmu_1\ Delta R=R_3-R_2end{array} ight.

　　式中 mu_1 為種子與撥指表面的摩擦系數。

　　由式(12)可知，種子在撥出時的速度 v_2 與向控輪轉速 omega_2、種子在撥指上運動過的弧長l、種子與撥指表面的摩擦系數 mu_1 有關，而弧長l由撥指的彎曲弧度決定，考慮到向控輪的結構尺寸限制，以及撥指應能夠在撥指種腔自由開合，撥指結構尺寸可變動范圍很小，因此種子撥出時，速度 v_2 主要由向控輪轉速 omega_2 決定。

　　2.3 導種毛刷帶設計和導投種機理分析

　　2.3.1 納種過程分析

　　刷管內種子受力分析如圖5所示，刷毛與種子碰撞瞬間，假設碰撞過程中系統沒有機械能損失，在碰撞間隔時間內，能量傳遞滿足以下關系:

　　frac{1}{2} J_1omega_3{}^2-frac{1}{2} J_2omega_3^2=frac{1}{2} mleft(v_3^2-v_2{}^2 ight)qquad(14)

　　式中 J_1、 J_2 分別為落種前后刷毛的轉動慣量， kg/m^2; m為種子顆粒質量， kg。

　　由式(14)可知，玉米種子能否精準落在刷毛上并在毛刷帶和管壁共同作用下穩定運移，主要與種子下落時刷毛密度和刷毛長度(影響轉動慣量)以及毛刷帶的速度有關，而刷毛密度除了與制作毛刷帶的工藝這一不可控因素有關之外，和帶繞帶輪的彎曲程度也有關，因此帶輪的直徑可作為替代刷毛密度的可控試驗因素。

　　2.3.2 運種過程分析

　　刷管內種子穩定運移狀態下，種子在毛刷帶作用下沿導種管內壁勻速向下運動，種子相對刷毛無滑移。由于毛刷對種子作用力受種子掉進刷管內的形態、種子尺寸等影響較大，且毛刷彎曲程度較為復雜，在受力分析中，僅將與種子直接接觸的刷毛分為給予種子頂端壓力和給予種子底端支持力兩部分進行分析，如圖5所示。

　　受力平衡狀態下:

　　left{egin{array}{l} F_{N1}singamma_1-F_{N2}singamma_2+F_msinsigma-mu_2 F_mcossigma=0\ -F_{N1}cosgamma_1+F_{N2}cosgamma_2+F_mcossigma-mu_2 F_msinsigma=Gend{array} ight.

　　式中 mu_2 為種子與導種管內壁的摩擦系數。

　　毛刷帶導種過程中種子與刷毛運動狀態如圖6所示，此時刷毛幾何形狀、約束條件和受力特性與懸臂梁高度相似，同時刷毛的尼龍彈性材料符合線彈性假設，適用胡克定律[12]。由于刷毛數量較多，實際使用中涉及摩擦、刷毛間的相互作用、動態載荷等問題，難以通過理論計算或有限元分析的方法進行參數設計。因此將刷毛簡化成懸臂梁進行分析，通過梁的計算式計算撓度、彎曲應力等主要力學特性，從而優化毛刷帶結構參數，保證導種穩定性。

　　對于自由端受橫向集中力 F_N 的懸臂梁，其最大撓度 au_{max} 為

　　 au_{max}=frac{F_N s^3}{3 E I}quad(16)

　　式中E為刷毛彈性模量， Pa; I為截面慣性矩， mm^4。

　　在刷毛狀態為小變形( aull s)假設下，刷毛末端的彎曲可近似為直線傾斜，刷毛末端切線與原軸線的夾角可表示為

　　gammaapprox angamma=frac{ au}{s}qquad(17)

　　將式(16)代入式(17):

　　gammaapproxfrac{F_N s^3/3 E I}{s}=frac{F_N s^2}{3 E I}qquad(18)

　　當刷毛受種子作用力方向與變形后刷毛垂直時， gamma、 F_N 分別對應于圖5中頂端刷毛的 gamma_1、 F_{N1} 和底端刷毛的 gamma_2、 F_{N2}:

　　left{egin{array}{l}gamma_1=frac{F_{N1} s^2}{3 E I}\ gamma_2=frac{F_{N2} s^2}{3 E I}end{array} ight.

　　將式(19)代入式(15):

　　left{egin{array}{l} F_m=frac{G+F_{N1}-F_{N2}}{cossigma-mu_2sinsigma}\ frac{left(F_{N1}^2-F_{N2}^2 ight) s^2}{3 E I}=-frac{left(G+F_{N1}-F_{N2} ight)left(sinsigma-mu_2cossigma ight)}{cossigma-mu_2sinsigma}end{array} ight.

　　撓度約束條件為

　　left{egin{array}{l} F_{N1}leqslantfrac{3 E I au_{max}}{s^3}\ F_{N2}leqslantfrac{3 E I au_{max}}{s^3}end{array} ight.

　　種子受刷毛作用力最大時:

　　F_{N1}=F_{N2}=frac{3 E I au_{max}}{s^3}quad(22)

　　將式(22)代入式(20)，得出刷長度s下限，根據式(21)得出長度s上限，則刷毛長度取值范圍為

　　sqrt[3]{frac{3 E I au_{max}}{maxleft(F_{N1}, F_{N2} ight)}}leqslant sleqslantsqrt[3]{frac{3 E I au_{max}}{minleft(F_{N1}, F_{N2} ight)}}quad(23)

　　當種子質量為0.005 kg，彈性模量E為3 GPa，摩擦系數 mu_2 為0.4，刷毛直徑選取為0.5mm，直接作用于種子的刷毛數量約20時，在允許最大撓度為0.5mm條件下，將以上參數代入式(23)，計算得出刷毛長度極限:

　　left{egin{array}{l} s_{max}approx 39~mm\ s_{min}approx 24~mmend{array} ight.

　　選取刷毛長度因素的水平取值范圍為20~40 mm，為后文試驗優化提供理論依據。

　　2.3.3 投種過程分析

　　零速投種技術是指種子落入種床的瞬間相對地面速度接近于零[14]。本文設計的刷管式導種裝置，通過調節投種板位置使投種點始終位于刷管最低點，通過調節毛刷帶的轉速使種子投下瞬間的水平速度與播種機前進速度相近且反向，相互抵消實現零速投種，垂直方向上種子無速度。投種過程如圖7所示。投種瞬間種子水平方向速度有:

　　v_3=left(R_4+s ight)omega_3=Vquad(25)

　　式中 R_4 為毛刷帶輪半徑， mm。

　　假設種子在毛刷管里的間距大小為k，導種裝置投下兩粒種子間隔時間為T:

　　T=frac{W}{V}=frac{k}{v_3}

　　k=v_3frac{2pi}{8omega_2}

　　將式(27)代入(26)式可得:

　　T=frac{W}{V}=frac{pi}{4omega_2}quad(28)

　　由式(28)可知，在理想工作狀態下，種子能否在給定機組工作速度下達到設定粒距僅與向控輪的轉速 omega_2 有關，而與毛刷帶輪的轉速 omega_3 無關。在實際工作情況中，投種過程類似納種過程的反作用過程，因此投種效果仍與刷毛長度、帶輪直徑以及毛刷帶速度有關。為防止出現投種時種子卡在刷毛之間不能及時投種現象，應以上述因素作為變量進行試驗，但是為了同時滿足零速投種技術要求和設定的機組工作速度條件，實際工作中機組工作速度需要通過帶輪轉速調節，因此以上三因素不可同時作為后續檢驗導種性能的臺架試驗的試驗因素。

　　3 向控輪導向過程仿真試驗分析

　　為考慮種子與輔助納種部件的相互作用，以期獲得導向過程種子運動方式和軌跡，同時根據導種軌跡確定向控輪最佳安裝位置，利用多體動力學仿真軟件Adams與離散元仿真軟件EDEM耦合仿真方式對種子運移路徑全面模擬[15]。

　　3.1 仿真模型與參數

　　利用Solidworks以鄭單958玉米種子為對象建模，同時將本文設計的輔助機構簡化為向控輪主體、撥指、撥指軸、導移板4部分，分別導出種子和輔助納種機構模型的step文件。

　　將種子模型step文件通過EDEM中Render Options模塊導入并作為種子顆粒模板進行填充，填充平滑度設置為5時，為滿足填充率，設置填充顆粒為半徑1.18mm的球體，填充數量為116個[16]。

　　將輔助納種機構模型step文件分別導入EDEM和Adams中，在EDEM中根據導入后的向控輪位置結合實際工作時向控輪納入種子時的相對位置添加顆粒工廠。在Adams中設定向控輪運動參數:導移板和地面之間施加固定副;向控輪主體和地面之間施加旋轉副并添加旋轉驅動;各撥指軸和向控輪主體之間分別施加固定副;各撥指和向控輪主體之間分別添加接觸力，接觸類型設定為實體對實體，法向力設定為碰撞，剛度為1x10^8 N/m，摩擦力設定為庫侖摩擦;各撥指和各撥指軸之間分別施加旋轉副;對所有耦合部件添加G-Force以實現EDEM中顆粒力的傳遞。

　　Adams中導出(.adm)文件，修改(.acf)命令控制文件，配置(.cosim)耦合仿真文件及環境變量，在Adams Co-simulation中加載耦合仿真文件實現 EDEM-Adams的雙向實時數據傳遞[17]。仿真模型如圖8所示。根據前期測量及查閱[18-22]，種子和輔助納種機構的耦合仿真參數如表2所示。

　　表2 耦合仿真模型參數

　　項目Items 參數 Parameters 參數 Parameters泊松比剪切模量/GPa 數值 Values

　　種子顆粒 Seed particle(SP) 密度/(kg·m?³) 1.20

　　泊松比 0.40

　　剪切模量/GPa 0.14

　　撥指 Picker finger(PF) 密度/(kg·m?³) 2750

　　泊松比 0.37

　　剪切模量/GPa 27.37

　　導移板 Transfer guide plate(TGP) 密度/(kg·m?³) 1330

　　泊松比 0.35

　　剪切模量/GPa 1.09

　　種子顆粒-種子顆粒 SP and SP 碰撞恢復系數 0.18

　　靜摩擦系數 0.03

　　動摩擦系數 0.01

　　種子顆粒-撥指 SP and PF 碰撞恢復系數 0.62

　　靜摩擦系數 0.34

　　動摩擦系數 0.52

　　種子顆粒-導移板 SP and TGP 碰撞恢復系數 0.71

　　靜摩擦系數 0.46

　　動摩擦系數 0.09

　　3.2 仿真方法

　　由2.2.1分析可知，向控輪相對排種盤的安裝位置由L、θ決定，且L、θ與第一個配合的撥指種腔相對向控輪中心的初始角度有關，在排種器尺寸確定后，排種盤與向控輪中心連線距離L也即確定，所以旋撥導向效果主要由θ決定。在仿真試驗中，通過改變顆粒工廠相對水平面的角度來模擬向控輪安裝傾角θ的變化，通過設置顆粒下落初始速度來模擬種子由排種盤落入向控輪種腔的初速度。考慮到向控輪與上方排種盤和下方毛刷管安裝配合，試驗時分別設置θ為10°、15°、20°這3個水平，通過EDEM后處理導出仿真過程種子位置坐標并繪制軌跡圖分析最佳安裝角度。

　　3.3 仿真結果分析

　　圖9為向控輪導向過程仿真結果，圖中坐標系以向控輪回轉中心為原點建立，導向結束位置設置EDEM軟件中內置的速度分布傳感器(velocity profile sensor)，以監測種子被撥出時的速度大小。為更直觀體現向控輪導向效果，導出在3種不同安裝角度下仿真過程中種子在X-Y平面內的坐標信息并導入到Origin軟件中繪制軌跡圖，如圖10所示。

　　結合2.1.1節分析，種子在撥指上的理想落點X軸位置為45~50mm。由圖10a可知，當安裝角度為10°時，種子在X軸為53mm的位置下接觸到向控輪并開始導向，未達撥指上理想落點;由圖10c可知，當安裝角度為20°時種子在X軸為48mm位置下接觸到撥指并開始導向，滿足向控輪上理想落點位置要求，但由于接觸向控輪時X方向速度有所增大，會在后一撥指碰撞下彈跳導致導向軌跡不穩定;因此，最終選擇向控輪相對排種盤安裝角度θ為15°，此時種子滿足理想落點，并在導向過程中運移軌跡穩定。

　　導出在安裝角度為15°時仿真10s內所有生成的種子在撥出時的速度數據并導入Origin軟件中制作散點圖，如圖11所示。種子撥出時豎直方向平均速度為0.2585m/s，水平方向的平均速度為0.3663m/s，滿足毛刷帶穩定納種的要求。

　　4 臺架試驗

　　4.1 試驗材料與設備

　　選取鄭單958為玉米種子試驗對象，種子形態為硬粒馬齒型[25]，測定千粒質量為307g，含水率11.9%，三軸平均尺寸7.02mm(100粒種子)。試驗地點為青島農業大學排種裝置綜合實驗室，試驗裝置主要由22孔氣吸式排種器、JPS-12型排種性能試驗臺、帶有旋撥輔助納種機構的毛刷管式導種裝置、計算機以及配套的電機及控制系統組成。其中本文設計的導種裝置中的輔助納種向控輪、撥指以及刷管外殼均由3D打印獲得，向控輪、撥指材質為鋁合金，外殼材料為白色樹脂。刷管中的毛刷帶特殊定制，制作方法為確定平帶尺寸參數后在外圈表面壓膠栽毛制作。氣吸式排種器、向控輪、毛刷帶輪驅動部分分別由扭矩為110×16、57×3、110×8 N·m的步進電機組成，排種器電機驅動器為DM3522，向控輪電機和主動帶輪電機的驅動器為DM542，控制器為CM40L三軸一體式步進電機控制器，可同時控制三臺電機轉速調節及啟停[26-28]。試驗時，將前期預試驗選取的22孔排種盤氣吸式排種器和導種裝置固定在試驗臺上，通過調節種床帶相對于排種器運動速度來模擬播種機前進運動狀態，噴油泵將油噴于種床帶上，玉米籽粒從導種裝置投種口落至涂有油層的種床帶上。臺架試驗如圖12所示。

　　4.2 試驗方法

　　根據2.3.2節理論分析和實際安裝制作要求，配合各因素可控有效范圍，選取帶輪直徑范圍為35~65mm，刷毛長度范圍為15~45mm，采用二因素五水平試驗探究毛刷帶式導種裝置最佳作業性能，試驗因素編碼如表3所示。

　　表3 試驗因素編碼表

　　水平 Level 帶輪直徑 Pulley diameter D/mm 刷毛長度 Bristle length s/mm

　　-1.414 36 16

　　-1 40 20

　　0 50 30

　　1 60 40

　　1.414 64 44

　　作業速度設定為13km/h，標準粒距設定為20cm，根據式(3)可推算出輔助納種向控輪和排種盤轉速分別為135、49.5 r/min，根據式(28)和每組試驗號中帶輪直徑、刷毛長度的因素值大小可計算出相應的每個試驗號中帶輪轉速的大小，其他參數保持恒定。根據《玉米免耕播種機作業質量NY/T1628-2008》中對玉米播種機播種效果的要求，以粒距合格率Y?、重播率Y?、漏播率Y?為試驗指標[29]。試驗時保證每組試驗號試驗測定籽粒的數量不低于1000粒。

　　left{egin{array}{l} Y_1=frac{Q_1}{Q_0} imes 100\%\ Y_2=frac{Q_2}{Q_0} imes 100\%\ Y_3=frac{Q_3}{Q_0} imes 100\%end{array} ight.qquad(29)

　　式中 Y_1 為粒距合格率，%; Q_1 為合格粒距數，個; Q_0 為測定粒距總數，個; Y_2 為漏播率，%; Q_2 為漏播粒距數，個; Y_3 為重播率，%; Q_3 為重播粒距數，個。

　　4.3 試驗結果分析

　　試驗方案與結果如表4所示。利用Design-Expert 13.0軟件對試驗數據回歸分析，得出性能指標與因素編碼值回歸方程，并檢驗其顯著性。

　　表4 試驗方案與結果

　　序號 No. 帶輪直徑 Pulley diameter D/mm 刷毛長度 Bristle length s/mm 粒距合格率 Qualified spacing rate Y?/% 重播率 Multiple seeding rate Y?/% 漏播率 Missed seeding rate Y?/%

　　1 50 30 95.5 2.4 3.1

　　2 50 44 92.5 2.4 7.9

　　3 60 20 95.3 5.4 0.8

　　4 36 30 90.7 2.3 7.1

　　5 40 20 88.6 2.6 9.5

　　6 40 20 94.0 2.7 4.1

　　7 50 16 95.8 3.5 1.1

　　8 64 30 95.8 4.4 0.2

　　9 50 30 96.5 3.3 3.6

　　10 50 30 95.6 2.6 2.8

　　11 60 40 96.2 2.9 1.6

　　12 50 30 94.4 2.7 3.2

　　13 50 30 94.7 2.7 3.6

　　方差分析結果如表5所示，回歸方程如式(30)所示。由表5可知，粒距合格率( Y_1 )、漏播率( Y_2 )和重播率( Y_3 )的回歸模型P值均<0.01，且失擬項P值均>0.05，表明三者的回歸模型均極顯著，且不存在顯著失擬問題，模型擬合度較高，能夠有效解釋響應變量的變異規律。進一步分析交互作用發現，帶輪直徑(D)與刷毛長度(s)的交互項(D s)對 Y_1、 Y_2 和 Y_3 的影響同樣極顯著，P均<0.01，說明兩參數并非獨立作用，其交互作用對播種性能的調控具有關鍵意義。由于交互作用顯著影響了所有響應變量，因此需結合響應面分析法，確定D與s的最優組合。將試驗數據導入origin軟件繪制響應曲面圖，如圖13所示。

　　left{egin{array}{l} Y_1=95.340+2.010 D-1.150 s+1.580 D s-\ 1.090 D^2-0.638 s^2\ Y_2=1.300-0.083 D+0.166 s-0.006 D s+\ 0.003 D^2+0.001 s^2\ Y_3=2.995-0.090 D+0.412 s-0.012 D s+\ 0.002 D^2+0.006 s^2end{array} ight.

　　4.4 響應面分析

　　綜合分析各響應曲面可以得出:當毛刷帶輪直徑增大時，粒距合格指數增大，漏播率和重播率降低，分析其原因為納種過程中，帶輪直徑越大，相同刷毛密度下毛刷帶在經過帶輪時刷毛頂端間隙張開更大，更利于種子落入刷毛中，增加納種合格率從而提高了粒距合格指數。同時三個性能指標隨刷毛長度增大呈先增大后減小的趨勢，分析其原因為，刷毛過短或過長都會使種子在運種過程中相對刷毛有滑移，刷管內種子間距合格率降低。

　　4.5 參數優化與驗證

　　使用Design-Expert 13軟件優化模塊優化求解，優化目標函數和約束條件為

　　left{egin{array}{l}max Y_1(D, s)\ min Y_2(D, s)\ min Y_3(D, s)\ ext{s.t}left{egin{array}{l}35~mmleqslant Dleqslant 65~mm\ 15~mmleqslant sleqslant 45~mmend{array} ight.end{array} ight.

　　通過優化求解，得出當帶輪直徑約為53mm、刷毛長度約為25mm時，導種性能最優，此時對應的粒距合格率為96.03%，漏播率為1.76%，重播率為3.48%。

　　4.6 導種性能驗證試驗

　　為驗證設計的導種裝置滿足高速工作條件，在參數優化試驗得出的刷管最優參數條件下，分別進行工作速度為12、13、14、15、16km/h的臺架試驗。此時排種盤、向控輪、毛刷帶輪的速度均可由式(3)、(25)和(28)分別計算得出，如表6所示。

　　表6 試驗裝置各部分速度匹配表

　　工作速度 Working speed/(km·h?¹) 排種盤 Seed plate/(r·min?¹) 向控輪 Direction control wheel/(r·min?¹) 主動帶輪 Drive pulley/(r·min?¹)

　　12 45.5 124.9 530.5

　　13 49.2 135.4 574.7

　　14 53.0 145.8 618.9

　　15 56.8 156.3 663.1

　　16 60.6 166.7 707.4

　　每組速度各進行3次試驗，取平均值，每次試驗保證排種粒數超過1000粒，試驗方法同上，試驗結果如圖14所示。

　　由圖14可知，當作業速度在12~16 km/h內時，粒距合格率不低于94.3%，重播率不高于3.92%，漏播率不高于3.19%，破損率不高于0.19%，符合氣吸式高速播種機作業質量要求。

　　5 結論

　　1)針對氣吸式玉米高速播種機導種過程中種子碰撞損傷和投種精度差的問題，設計了向控輪旋撥導向-毛刷帶轉運投種的毛刷帶式導種裝置，通過對關鍵結構的設計和理論分析，確定了影響導種性能的主要因素和各因素取值范圍。

　　2)通過EDEM-Adams軟件耦合仿真對向控輪導向過程中種子的運移軌跡進行模擬，以最佳導向曲線為指標，對向控輪安裝位置參數進行優化，結果表明:向控輪相對排種盤的安裝角度為 15^{circ} 時導向軌跡最優。

　　3)通過臺架試驗以粒距合格率、重播率、漏播率為試驗指標，以刷毛長度、帶輪直徑為試驗因素開展二次旋轉正交組合試驗，并基于Design-Expert軟件優化試驗參數。優化得到毛刷帶輪直徑為53mm，刷毛長度為25mm時粒距合格率為96.03%，漏播率為1.76%，重播率為3.48%。以優化后的結構參數進行作業速度驗證試驗，試驗結果表明:當作業速度在12~16km/h內時，粒距合格率不低于94.3%，重播率不高于3.92%，漏播率不高于3.19%，破損率不高于0.19%。

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