预切种式甘蔗横向排种器设计与试验

麻芳兰 刘天翔 李尚平 罗晓虎 吴 飞 玉运发

(1.广西大学机械工程学院， 南宁 530004； 2.广西民族大学信息科学与工程学院， 南宁 530006)

0 引言

广西壮族自治区甘蔗机械化种植约占56%，主要采用实时切种种植技术，该种植方式沿垄沟纵向播种[1]，其劳动强度较大、用种多、单位面积出苗量不高，且易被大风吹倒。此外，实时切种式甘蔗排种器不能识别蔗芽，易对其损伤，影响了甘蔗的出芽率[2]。

根据甘蔗良种良育的要求，预切种式甘蔗横向播种方式消耗蔗种少(耗种4 500～5 250 kg/hm2)、种植密度分布均匀、单位面积出苗率较高、抗倒伏能力强，且能避免伤芽情况，有利于促进甘蔗的高产，是一种新的甘蔗种植良种良法。

目前，我国预切种式甘蔗种植机尚处于研究阶段，技术尚未成熟，如国内的覃豪中等[3]研究的Z908型预切种式甘蔗种植机的链式排种器和国外MOSLEM[4]研究的链式排种器，由于排种器结构和蔗槽设计不合理，出现因排种不连续而造成漏种和耗种量大的情况，无法实现甘蔗的精准种植要求[5]。并且，预切种式种植机主流播种方式为纵向播种，容易漏种，尚未实现精准种植。目前，市场上尚无适用于甘蔗横向播种的种植机械，甘蔗横向播种的种植工作主要由人工完成，其生产成本高、劳动强度大、工作效率低。

针对预切种式甘蔗横向播种技术难题，本文设计一种预切种式甘蔗横向排种器。通过对排种器的机理分析、运动仿真分析，利用自制试验平台研究排种器传送链速度、排种器传送链倾角等因素对排种性能的影响，并研发试验样机进行性能验证试验[6-8]。

1 结构与工作原理

1.1 整体结构

预切种式甘蔗横向种植机整机结构示意图如图1所示。预切种式甘蔗横向排种器(如图2所示)主要由一级提升传送链、二级换向传送链、机架、挡板、集蔗箱、清种装置和传动系统部件等组成[9-10]。预切种式甘蔗横向种植的农艺要求为双芽蔗、双行横向种植，具体种植要求为：重植率小于等于5%、漏植率小于等于5%、合格率大于等于90%、行距1.4 m、株距330 mm、排种方向为横向。

图1 预切种式甘蔗横向种植机结构示意图Fig.1 Sketch of pre-cutting sugarcane transverse planting machine1.机架 2.变速传动机构 3.开沟器 4.施肥机构 5.排种器 6.地轮 7.覆土机构 8.调深辅助轮组 9.活动平台板 10.补种装置 11.蔗种箱

图2 预切种式甘蔗横向排种器结构示意图Fig.2 Structure sketch of pre-cut sugarcane transverse seed metering device1.一级提升传送链 2.二级换向传送链 3.机架 4.轴承座 5.地轮轴 6.挡板 7.二级换向传送链输入轴 8.齿轮箱 9.一级提升传送链输入轴 10.集蔗箱 11.清种装置

1.2 工作原理

预切种式甘蔗横向排种器采用上排种的工作方式。排种器的一级提升传送链由3组链轮呈三角形分布，有倾角段的提升链与集蔗箱构成倒三角形的截面，如图3所示，蔗种在种间挤压力及自身重力的作用下自动充种进入蔗槽[11]。

图3 集蔗箱内种子流运动情况Fig.3 Movement of seed flow in container of collecting cane

首先，蔗种随着一级提升传送链的转动向上运动，蔗槽上多余的蔗种由于链条振动和自身的重力作用回落至集蔗箱底部，结合清种装置有效地降低重植率。设置一级提升传送链的水平段，当出现蔗槽缺蔗的现象，结合实时补种装置能及时补蔗[12]。

蔗种传送至一级提升传送链末端，为了降低投种高度，减少蔗种掉落势能，在一级提升传送链底部设置二级换向传送链，保证两链传送落种的精确性。

最后，蔗种随着二级换向传送链的转动向下运动，落入开沟器开好的沟槽中。

2 双芽段蔗种在排种器中的运动分析

2.1 集蔗箱中蔗种的运动分析

蔗种在集蔗箱中根据运动特性划分为强制层、带动层和自流层[13-15]，如图3所示。已进入蔗槽的蔗种为强制层，排种器工作时，蔗种被蔗槽强制排出；未能进入蔗槽并靠近强制层的蔗种为带动层，在排种器工作时因蔗种间摩擦力作用也被带动，靠近强制层周围界面上的蔗种速度最大，距蔗槽越远速度越小；在蔗种带动层外则是自流层，由自身重力作用做自流运动。

2.2 集蔗箱倾角对充种性能的影响

如图4所示，在集蔗箱的蔗种数量相同的情况下，集蔗箱倾角越大，箱内蔗种相对高度越高，蔗种间挤压力越大，充种效率越高。

图4 集蔗箱不同倾角集蔗箱容蔗情况Fig.4 Sugarcane container with different dip angles in collecting box

2.3 传送链的链速度对充种性能的影响

传送链的链速度v对蔗槽的充种性能影响很大，当速度过高，蔗种来不及进入蔗槽，造成漏播。假定双芽段蔗种为均质规则的圆柱形，沿倾角为θ的蔗槽上边缘向下滚动，靠自重落入蔗槽。选取蔗种质心为原点，蔗种在蔗槽边缘处受力分析如图5所示，蔗槽对蔗种的支撑力为FN；蔗槽与蔗种间的滚动摩擦力为FS；蔗种的惯性力为Fg。

图5 蔗槽种子充填受力分析Fig.5 Analysis of filling force of sugarcane groove seeds

设蔗种与蔗槽接触处足够粗糙，此时蔗种作纯滚动，平面运动方程为

FS=mgsinθ-ma

(1)

FN=mgcosθ

(2)

(3)

式中m——蔗种质量，g

g——重力加速度，m/s2

θ——传送链倾角，(°)

a——蔗种质心加速度，m/s2

α——蔗种滚动质心角速度，rad/s

r——蔗种平均半径，mm

纯滚动条件

a=rα

(4)

速度与位移的关系为

(5)

式中s——路程

滚动摩擦力为

(6)

由公式(1)～(6)计算得

(7)

(8)

(9)

式中vt——蔗种质心的末速度，m/s

v0——蔗种质心的初速度，m/s

图5b为倾角传送链上蔗种的充种情况，在时间t内蔗种必须通过的路程s为

(10)

其中vmax=v+vt+gtsinθ

(11)

式中vmax——蔗种脱离蔗槽最大速度，m/s

v——传送链速度，m/s

A——蔗槽上宽，取55 mm

d——蔗种平均直径，取35 mm

必须下落到型孔的距离为

(12)

为使种子稳定地填充到型孔，则由式(7)～(12)计算得

(13)

式中θmax——传送链最大倾角，取69.3°(此时蔗槽斜面与水平面平行)

由公式(13)得传送链速度v≤16.48 m/s时，蔗种能稳定落入蔗槽内。

2.4 提升传送链倾角对清种性能的影响

提升传送链倾角对重力清种的效果具有重要影响，叠加种子如未能及时回落至集蔗箱底部，则会增加重植现象。若假定双芽段蔗种为均质规则的圆柱形，选取蔗种质心为原点，蔗种在蔗槽边缘处受力分析如图6所示。

图6 蔗槽种子叠加受力分析Fig.6 Stress analysis of sugarcane trough seed

回转运动动能为

(14)

式中J——转动惯量

需要克服的重力势能为

EP=mgh

(15)

式中h——高度

转动惯量[16]为

(16)

由能量守恒定律得

∑E=EK+EP=0

(17)

由公式(4)、(14)～(17)化简得

(18)

由式(18)可知，传送链的倾角越大，回转运动动能越大，需要克服的重力势能越小，所以传送链的倾角越大越有利于蔗种自身重力清种，能减少排种器的重植现象。

2.5 二级换向传送链运动分析

当蔗种由蔗槽传送至一级和二级传送链的末端，蔗槽绕着链轮作旋转运动，此时蔗种受自身重力、蔗槽作用力和离心力共同作用。选择蔗种为研究对象，受力分析如图7所示。

图7 投种受力分析Fig.7 Stress analysis of seed feeding

蔗种作斜抛运动，蔗种质心运动微分方程两次积分运算得

(19)

式中vx——蔗种速度水平方向分量，m/s

vy——蔗种速度竖直方向分量，m/s

推得

(20)

式中c1、c2、c3、c4——常数

运动方程为

(21)

轨迹方程为

(22)

式中x——水平方向位移，mm

y——竖直方向位移，mm

v1——蔗种投出的初速度，m/s

γ——蔗种投出速度方向夹角，(°)

t——蔗种掉落时间，s

2.6 蔗槽设计

蔗槽的主要功能是能够较好地容纳并取出一个双蔗芽蔗种，随着一级提升传送链向上运动，在运动的过程中保持平稳不掉落。实际上甘蔗形状不是规则统一的圆柱体，甘蔗段母线也非直线(图8)。设计蔗槽除了考虑双蔗芽蔗种的蔗段直径、蔗节直径和平均直径外，还需要考虑双蔗芽蔗种的弯曲程度。

图8 双蔗芽蔗种形状Fig.8 Shape of sugarcane seed with double sugarcane bud

蔗槽长度：双蔗芽蔗种长度一般为300 mm左右，在实际生产中对超过350 mm的蔗种进行剔除，蔗槽长度设计为350 mm。

蔗槽宽度：考虑本试验双蔗芽蔗种平均直径约为35 mm，考虑甘蔗的弯曲程度，蔗槽截面为上宽下窄梯形，相比矩形的蔗槽截面不会出现两个蔗种同时与蔗槽底部接触的情况，造成卡蔗的现象。

蔗槽高度：要保证蔗种在蔗槽提升过程中保持稳定，不从蔗槽掉落，槽口高度应高于蔗种质心高度。为了使清种工作有效，叠加在蔗槽上的蔗种的质心高度应远高于槽口高度。不同尺寸蔗种在蔗槽容蔗情况如图9所示。

图9 不同尺寸蔗种在蔗槽的容蔗情况Fig.9 Sugarcane tolerance of different sizes of sugarcane varieties in sugarcane trough

3 基于Recurdyn的排种器运动仿真

3.1 仿真试验模型与试验方案

3.1.1仿真试验模型

采用Recurdyn仿真软件建立复杂的传送链系统的动力学模型，Recurdyn专业模块中的链条分析模块具有建模快捷的优点，提高了设计效率[17-20]。在Recurdyn中建立预切种式甘蔗横向排种器简化模型，如图10所示。

图10 预切种式甘蔗横向排种器简化模型Fig.10 Simplified model of transverse seed metering device for sugarcane with pre-cutting seed

3.1.2虚拟仿真试验方案

通过排种器的链轴转速分别为6.11、9.16、13.74 r/min的虚拟仿真试验，对比仿真过程集蔗箱蔗种排序状况，研究提升链链速度对排种性能的影响。

通过排种器的一级提升传送链的倾角分别为40°、55°、69.3°的虚拟仿真试验，对比仿真过程集蔗箱蔗种排序状况，研究提升链倾角对排种性能的影响。

3.2 仿真试验结果分析

3.2.1链轴转速对排种性能的影响

不同链轴转速仿真试验结果如图11所示，结果表明：链轴转速越小，漏种越少，排种效果越好；链轴转速越大，漏种越多，排种效果越差。

图11 不同链轴转速仿真试验结果Fig.11 Simulation test of axis speed

为方便观察集蔗箱和蔗槽内的蔗种运动情况，将部分零件隐藏，图12a为链轴转速9.16 r/min在3.09 s的排种情况，图12b为链轴转速13.74 r/min在2.60 s的排种情况。通过对比可知，链轴速度越大，集蔗箱内蔗种排序越混乱，影响蔗种充入蔗槽效果，造成排种器漏植情况或使排种器不能正常工作。

图12 排种器不同链轴转速的仿真过程Fig.12 Simulation process of different chain axis speeds of programmer

3.2.2传送链倾角对排种性能的影响

不同传送链倾角仿真试验结果如图13所示，结果表明：倾角越小，漏种越少，排种效果越好；倾角越大，漏种越多，排种效果越差。

图13 不同传送链倾角仿真试验结果Fig.13 Simulation test results of transport chain inclination angle

图14a为倾角40°在3.35 s的排种情况，图14b为倾角69.3°在3.35 s的排种情况。通过对比可知，倾角越大，蔗槽对蔗种支撑作用力小，蔗种易掉出蔗槽致使集蔗箱内蔗种排序混乱，造成排种器漏植情况。

图14 排种器不同倾角仿真过程Fig.14 Simulation process of seed metering device at different angles

4 台架试验与结果分析

4.1 台架试验及方法

4.1.1试验平台

试验平台是自制的简易链式排种器，如图15所示，由可调节角度的集蔗箱和可调节角度的提升传送链组成，提升传送链设置9个蔗槽，动力由可调速的步进电机提供，在进行试验前首先用激光测速仪对链轴的转速进行标定。

图15 简化的链式排种器试验台Fig.15 Simplified chain seed metering device1.提升链 2.步进电机 3.调速器 4.机架 5.集蔗箱

4.1.2试验参数与评价指标

本节试验参数为：排种器的一级链轴转速A、传送链倾角B和集蔗箱倾角C，试验指标为：排种器的重植率、漏植率和合格率，分别安排单因素试验和正交试验。

4.1.3试验材料

试验采用的蔗种为中蔗9号，生长期为半年，每段蔗种上有两个及以上的蔗芽，且蔗种的曲度小。随机选取切好的100根长度均为300 mm的双芽段蔗种，用游标卡尺进行测量，测量结果如表1所示。

表1 双芽段蔗种蔗段和蔗节直径统计参数Tab.1 Statistical parameters of sugarcane sectors and sugarcane sects in double-bud sectors

4.1.4试验方法

按照试验安排，将蔗种有序摆放于集蔗箱内，集蔗箱的蔗种数量为80根。开启电机，蔗槽将集蔗箱内蔗种向上提升；待集蔗箱的蔗种全部排出后，关闭电机。将排出的蔗种再次倒入集蔗箱，各因素重复试验3次。采用高速摄像机对蔗种传送数据进行采集[21]，通过数据和试验现象分析各因素对排种性能的影响。

4.2 链轴转速单因素试验

试验条件：选取中间值，传送链倾角B为55°，集蔗箱倾角C为55°，试验水平如表2所示。

表2 链轴转速水平Tab.2 Chain shaft speed level

试验结果如图16所示，当链轴转速为13.74 r/min时，排种器的合格率最高，为95.85%。随着链轴转速的增加，排种器的重植率降低，而排种器的漏植率增加。

图16 传送链链轴转速试验结果Fig.16 Test results of speed of chain shaft

当链轴转速小时，传送链的抖动小，叠加蔗槽上蔗种受到外界合力小于蔗种与蔗槽间的最大摩擦力，容易随着蔗槽提升运动被带出从而造成重植率高；当链轴转速增大时，传送链的振动和抖动增大，已充入蔗槽的蔗种因抖动而掉落，从而造成漏植率高。

排种器漏植现象主要集中在排种后段。在排种后段集蔗箱内只有少量蔗种，上层蔗种群对下层蔗种群挤压力变小，当蔗槽向上提升时，接近蔗槽边缘的蔗种的排序容易乱，蔗种间出现交叉现象。图17为排种过程45、49、54 s时的集蔗箱内蔗种的排序情况，下层蔗种交叉，上层的蔗种不能有效地充入蔗槽中，造成漏种情况。在实际的种植机中，由于种箱很大，出现这种情况的几率较小。

图17 蔗种间交叉现象Fig.17 Interspecific crossing of sugarcane

4.3 传送链倾角单因素试验

试验条件：传送链轴转速为9.16 r/min，集蔗箱倾角为55°，试验水平如表3所示。

表3 传送链倾角水平Tab.3 Chain inclination angle level

试验结果如图18所示，在传送链倾角为60°时，排种器的合格率最高，为89.84%。

图18 传送链倾角试验结果Fig.18 Test results of transport chain inclination angle

随着传送链倾角的增加，排种器的漏植率增加，排种器的重植率降低。

当传送链倾角变小时，重力清种效率低，蔗槽上存有多余的蔗种，随着蔗槽提升运动被带出，从而造成重植率高；当传送链倾角变大时，蔗槽斜面对已充入蔗槽蔗种的支撑力变小，蔗槽的蔗种极易因传送链运转时抖动而从蔗槽掉落。

排种器重植现象集中在排种前段。当传送链倾角小时，蔗种重力清种的作用小和清种空间小，此时位于集蔗箱上层靠近提升链蔗槽被动层的蔗种群易被带出。排种器重植现象如图19所示。

4.4 集蔗箱倾角单因素试验

试验条件：传送链轴转速为9.16 r/min，传送链倾角为55°，试验水平如表4所示。

表4 集蔗箱倾角水平Tab.4 Concentrate inclination angle level

试验结果如图20所示，当集蔗箱倾角为45°时，排种器的合格率最高，为92.98%。

图20 传送链倾角试验结果Fig.20 Test results of transport chain inclination angle

4.5 正交试验

综合考虑链轴转速A、传送链倾角B和集蔗箱倾角C对排种器排种性能的综合影响。试验为三因素五水平正交试验，采用L25(56)正交试验表。因素水平如表5所示。为了提高统计分析精确性和可靠性，每组试验重复3次，取得重植率、漏植率、合格率的和，对试验数据进行单向干扰控制后，进行方差分析。方差分析结果如表6所示。排种器各因素效应图如图21所示。

表5 正交试验因素水平Tab.5 Orthogonal test factors and levels

表6 重植率、漏植率、合格率方差分析Tab.6 ANOVA of replantation rate, leakage rate and pass rate

图21 排种器各因素效应图Fig.21 Effect diagrams of each factor of seed metering device

通过极差分析可知，影响排种器排种性能的因素主次顺序为：传送链倾角B、链轴转速A、集蔗箱倾角C。

如表6所示，当置信区间为0.01时，传送链倾角B、链轴转速A对合格率的影响极显著；集蔗箱倾角C对合格率的影响不显著。

排种器排种合格率的最优组合参数为：传送链倾角为55°、链轴转速为9.16 r/min、集蔗箱倾角为45°。

5 排种性能验证试验

5.1 预切种式甘蔗横向排种器样机

根据试验结果优化排种器后，进行预切种式甘蔗横向种植机整机的研制工作，其中预切种式甘蔗横向排种器样机及布置如图22所示。

图22 预切种式甘蔗横向排种器样机及布置Fig.22 Prototype and arrangement of pre-cut sugarcane transverse seed metering device1.步进电机 2.排种器传动链条 3.施肥机构 4.施肥传动链条 5.种植机机架 6.肥料箱 7.集蔗箱 8.排种器齿轮箱 9.排种器一级提升传送链 10.排种器二级换向传送链

5.2 验证试验

5.2.1室内验证试验

在种植机样机下方放置一条长度为6 m的传送带，以模拟种植机在田间工作行走的状态；将地轮拆除，使用可调速的步进电机模拟样机排种的相对行进速度。试验指标有排种器的合格率、重植率、漏植率和排种器功率。试验条件为：链轴转速9.16 r/min、传送链倾角55°、集蔗箱倾角45°、地轮轴转速21 r/min、蔗箱蔗种100根。

试验结果如表7，结果表明：排种器的漏植率为5%，重植率为3.2%，合格率为92.6%。蔗种间距均匀(图23a)，种肥间隔合理。肥料掉落区域正好位于两根蔗种之间(图23b)，避免肥料落在蔗芽上造成烧苗现象。满足预切种式甘蔗横向排种器的设计要求。

表7 室内试验结果Tab.7 Laboratory test results

图23 室内试验及排种效果Fig.23 Field experiment and seeding effect

5.2.2田间验证试验

预切种式甘蔗横向种植机安装调试后，根据《农业机械推广鉴定大纲》对预切种式甘蔗横向种植机进行验证试验分析，对播种均匀性进行测定。

田间试验结果如表8所示，试验结果表明：排种方向合格率93.37%，排种株距合格率90.33%，变异系数0.39，株距在33～49.5 cm合理的株距范围内，基本符合甘蔗种植的排种间距要求。田间试验及排种效果如图24所示。

表8 播种均匀性试验结果Tab.8 Test results of seeding uniformity

图24 田间试验及排种效果Fig.24 Field experiment and seeding effect

6 结论

(1) 根据甘蔗横向播种要求和对现有预切种甘蔗种植机的分析，研制了一种预切种式甘蔗横向排种器。通过对排种器进行运动机理分析和运动仿真分析，确定影响排种性能的因素有传送链轴转速、传送链倾角和集蔗箱倾角。

(2) 单因素试验结果表明：在链轴转速为13.74 r/min时，排种器的合格率最高，为95.85%；在传送链倾角为60°时，排种器的合格率最高，为89.84%，有较好的排种效果；在集蔗箱倾角为45°时，排种器的合格率最高，为92.98%。

(3) 正交试验结果表明：传送链倾角、链轴转速对排种性能有极显著的影响；集蔗箱倾角对排种性能的影响不显著。影响排种性能的主次因素为：传送链倾角、链轴转速、集蔗箱倾角。

(4) 保证排种器排种合格的最优参数组合为：传送链倾角为55°、链轴转速为9.16 r/min、集蔗箱倾角为45°。

(5) 室内验证试验结果表明：采用最佳组合参数的排种器能满足预切种式甘蔗横向播种的要求，排种器的合格率92.6%、漏植率5%和重植率3.2%。

(6) 田间验证试验结果表明：排种方向合格率93.37%，排种株距合格率90.33%，变异系数0.39%，株距在33～49.5 cm的合理株距范围内，实现了双芽段蔗种的精准横向播种。