清种补种上提式甘蔗排种器设计与试验

钟家勤，陶利民，李尚平，车日富，李凯华，何永玲

（1.广西大学机械工程学院，南宁 530004；2.广西民族大学电子信息学院，南宁 530006；3.广西海洋工程装备与技术重点实验室，钦州 535011；4.广西高校北部湾近海海洋工程装备与技术重点实验室，钦州 535011；5.广西钦州力顺机械有限公司，钦州 535000）

0 引言

甘蔗种植作为甘蔗生产过程中劳动强度最大的环节之一，目前其自动化、机械化程度仍处于较低水平。预切种式甘蔗精准种植是现阶段的主流研究方向[1-2]，目前，广西“双高”基地正在进行大面积推广预切种双芽段甘蔗横向种植，深受蔗农的欢迎。与纵向种植相比，该种植技术具有分蘖强、出芽率高、耗种量少和抗倒伏能力强等优点[3-8]。但其机械化种植存在排种精度低、均匀性难以满足农艺要求等问题。

为解决预切种甘蔗排种不均、漏播等问题，国内外学者进行了大量研究。TAGHINEZHAD 等[9-10]分析了预切种种植机排种辊耙齿和播种速度对排种精度的影响规律；NAMJOO 等[11-12]研究了提升链角度和播种速度对排种性能的影响；SAENGPRACHATANARUG 等[13]通过改进提升式排种器的夹板结构来改进排种效果；TITINAI等[14]分别改进了种箱倾斜角度、链槽间距来提高排种精度；CLEMENT[15]设计了种箱底部链传动输送蔗段的供种装置以解决堆叠问题；HE 等[16]利用振动式排种装置避免伤芽；WANG 等[17]试验研究了耙杆链夹角、蔗段数量对排种合格指数、重播指数和漏播指数的影响。苏微等[18]设计了一种预切种甘蔗勺链式排种器，阐明了最速降线提高充种性能的原理；黄小文等[19-21]对带取种针式排种器、振动式排种器、指甲式排种器进行了研究。上述研究可一定程度上实现自动排种，虽提高了排种效率及排种精度，但普遍仍存在对蔗段适应性差、排种不均匀的问题[22-23]。且研究主要集中在甘蔗预切种的纵向种植领域，其在蔗段的方向性、均匀性要求方面与双芽段甘蔗横向种植存在很大差异。而目前，对于双芽段甘蔗横向排种的相关研究技术还不够成熟，大多机械采用人工播种的方式，劳动强度极大、排种精度低。

为解决双芽段甘蔗横向种植机精准性不高的问题，本文在课题组前期开发的倒三角形集蔗-上提式排种器基础上，根据双芽段甘蔗横向稳态传送原理的分析，提出一种既具有分蔗、排序、弹性清种、及动态补种功能，又不伤芽的上提式排种器。通过对排种过程进行运动学、动力学分析，明确对排种性能影响的主要因素，并通过平台试验分析各因素对排种效果的影响，确定最优参数。为甘蔗横向精准种植提供有益的参考。

1 结构和工作原理

1.1 整机结构

本课题组开发的预切种式甘蔗横向种植机结构如图1 所示，主要由开沟器（前犁、旋耕和后犁）、倒三角形集蔗-上提式排种器（集蔗箱、提升排种机构）、落种机构、施肥机构、覆土覆膜机构、地轮等组成。排种器工作时，集蔗箱中的蔗段经过提升排种机构输送至落种机构，再有序落至种床，完成甘蔗的横向精准播种。本文针对其中的上提式排种器进行分析。

图1 预切种式甘蔗横向种植机主要结构Fig.1 Main structure of pre-cut sugarcane transversal planter

1.2 上提式排种器的组成与工作原理

排种器是预切种式甘蔗横向种植机精准播种的关键部件。根据课题组前期研究，采用倒三角形集蔗-上提式的排种方法[24]，可实现甘蔗横向种植、均匀间隔布种和避免漏播、重播。但试验中发现蔗段在提升输送的过程中，易于向后翻转、回流，从而造成排种乱序和漏播现象。针对该排种器的问题，本文设计了一种清种补种上提式排种器，其在提升输送过程中可完成分蔗、排序、弹性清种、分级动态补种等功能。

排种器的结构如图2 所示，主要包括输送辊、排种带、集蔗箱、分蔗清种板、弹性板等。

图2 上提式排种器Fig.2 Elevating type seed metering device

提升排种过程中，蔗段从集蔗箱的出料口落入排种带的蔗槽中，并随排种带的运动向上输送。分蔗清种板起限流的作用，一部分蔗段被限制在集蔗箱出料口进行入槽排序，分蔗清种板对出料口堆积的蔗段产生阻力进行拨蔗，限制进入一级清种补种区的蔗段量，以减小蔗段扰动空间及蔗段回流对集蔗区蔗段有序性的影响。另部分蔗段则随排种带运动输送至一级清种补种区以供排序以及初步补种。

经初步排序以及补种后的蔗段随排种带运动，弹性板对蔗槽上层冗余的蔗段产生阻力，剔除多余蔗段，使其回流。未被阻挡的蔗段继续随排种带有序运动至二级清种补种区，部分蔗段提升中继续前进，多余的蔗段则会再回流至二级清种补种区，进行二次排种调整、补种。

清种补种过程可根据蔗段横向稳态传送的约束原理，利用提升过程中排种带、弹性板、一级清种补种区及二级清种补种区对蔗段的动态约束作用，使得冗余、乱序的蔗段进行动态地调整。同时，因增加弹性板，减小蔗段回流的运动空间和运动行程，可有效降低蔗段回流转向的概率，利于蔗段横向有序排种，实现排种过程的实时补种，达到精准种植。

2 分蔗清种补种过程分析

双芽横向蔗段在上提式排种器中经历排序充种、分蔗、清种、补种等过程。为了能有效清种、横向有序排种，合理设计排种器的结构，对分蔗清种过程、出料口结拱、清种补种过程进行动力学及仿真分析。

2.1 蔗段直径

蔗段直径是排种器设计的重要依据。本文以中蔗9号为对象，随机选取预切好的甘蔗蔗段70 根，长度l均为30 cm，每个蔗段上有2 个及以上蔗节。测量得到蔗段平均直径dave=28.11 mm，最大直径dmax=32.86 mm，最小直径dmin=25.14 mm，变异系数为0.01。

2.2 分蔗清种过程受力分析

导种板以及分蔗清种板形成逐渐减小的出料口，提升过程中，横向蔗段在集蔗箱中利用蔗段相互挤压的作用力、流动性及自身重力向集蔗箱出料口运动并进行排种，在排种带上形成堆叠。为了分析蔗段在分蔗清种过程的受力情况，取与分蔗清种板接触的任一段蔗段（如蔗段Q）为对象，如图3 所示。

图3 出料口蔗段受力分析Fig.3 Force analysis of outlet sugarcane

令其他蔗段对蔗段Q的合力为F，则

式中n为与蔗段Q接触的蔗段数量。

在理想状态下，蔗段Q作加速度不断变化的加速运动，记为a，方向为排种带的运动方向，运动时间为t，则：

联立式（1）～（2）可得：

蔗段Q的运动受其他蔗段作用力的影响，该作用力与集蔗箱中的蔗段数量、蔗段接触力相关。

蔗段Q在x方向受到的合力为

式中Fix,fix,Fsx,fbx,fsx为分别为Fi、fi、Fs、fb、fs的x方向分力，N；FQx为蔗段Q合压力的x方向分力，N；d为蔗段Q直径，mm。

根据式（5）得到分蔗清种板对蔗段Q的力：

由式（5）～（6）可知，分蔗清种板对蔗段Q的作用力受 间隙H2、角度θ2、压力Fix、Fsx、摩擦力fix、fbx、fsx影响。根据文献[24]，排种带倾角θ2取55°。根据文献[25]，为使蔗段可以通过分蔗清种板，同时阻挡多余蔗段，H2应满足：

式中H为挡板高度，30 mm。结合蔗段直径计算，本文取H2=30 mm。

2.3 导种板与分蔗清种板底端间隙

导种板与分蔗清种板底端间隙影响排种质量，间隙小蔗段受到挤压易出现结拱堵塞，间隙大则蔗段充种过快，重播指数较高。为使蔗段在出料口均匀排序、稳定排种，对出料口的临界结拱状态进行理论分析以获得出料口的宽度范围。排种器出料口的结拱受力分析如图4 所示。

图4 出料口结拱分析Fig.4 Analysis of outlet arch

结拱稳定临界状态下，其受力平衡满足下式[26-29]：

式中Sc为集蔗箱出料口长缝隙孔的面积，m3；ρ为甘蔗的密度，取 1.35×103kg/m3；Cc为集蔗箱出料口长缝隙孔的周长，m。

蔗段在切向载荷作用下出现中部上拱，造成堵塞。与稳定平衡拱的拱线相垂直的表面上具有较大的压应力，该压应力沿拱线的切线方向，从中央向拱基移动逐渐增大，在拱基A、B处的值最大，对其做莫尔应力圆（σa，0），中央拱点E的应力为（σe，0），如图4b 所示，可得：

式中φn取 24.46°[30]；τ0取0.45 MPa[31]。

Sc和Cc计算式如下：

根据式（7）～（11）得dc为

代入各已知数值得到dc≥0.129 m。本文通过试验分析确定dc值。

2.4 清种补种过程分析

蔗段提升过程中，由于弹性板与排种带蔗槽形成了限流空间，蔗段较少时，弹性板将蔗段阻挡在板下部的一级清种补种区。该区起到限流、回种作用，使冗余蔗段排序、清种、补种。蔗段较多时，蔗段进入二级清种补种区，以备二次回种、补种。

2.4.1 弹性板结构

弹性板是一块具有弹性的弧形清种板。为了避免清种不当损坏蔗段，弹性板采用PVC 透明软胶板，保证蔗段的清种排序，弹性板设计为弯曲形，如图5 所示。

图5 弹性板Fig.5 Elastic board

弹性板与挡板的间隙H1以及弹性板的刚度决定了清种强度。H1越小清种强度越大，但同时增大了已入槽蔗段被拨走清落的概率；为保证有效清种且不卡种，取0＜H1≤0.75dave[26]，本文取初始H1=0.5dave=14 mm。弹性板的刚度越大，清种效果越好，但蔗段容易堵塞在一级清种补种区。弹性板被蔗段挤压受力Ft为

式中k为弹性板的刚度，N/mm。

对弹性板变形量进行分析，如图5b 所示，挤压变形量可由下式表示：

本文取R2=2dmax≈65 mm[25]。

要使变形后的弹性板起到限流、清种作用，变形后弹性板与挡板的间隙应满足：

代入各已知值得到Δy≤7 mm，将Δy代入式（14），可得Δx≤30 mm，即弹性板的最大变形量为30 mm，该变形量的承受力与弹性板的刚度k有关，而弹性板的刚度与其底端半径R1呈 负相关关系、与厚度δ 呈正相关关系。为保证弹性板的清种、补种效果，本文通过力学试验确定R1、δ 值。

2.4.2 蔗段补种过程分析

排种带上蔗段的充种过程如图6 所示，在时间t内蔗段必须通过的路程S[24]为

图6 蔗段充种过程受力分析Fig.6 Force analysis of sugarcane during filling proces

式中l1为 蔗槽宽度，取50 mm；v0为蔗段质心初速度，m/s；s′为挡板的厚度，5 mm；vt为蔗段质心脱离挡板的速度，m/s。

假设蔗段作纯滚动，其受到的滚动摩擦力[24]为

蔗段下落到蔗槽的距离[24]为

要使蔗段稳定补种[24]，结合式（16）～（18）得：

计算得到排种带速度v1≤0 .138 m/s，即v1≤138 mm/s，因此，排种过程中的稳定补种与排种带速度有关，本文通过单因素试验分析排种带速度对排种效果的影响。

2.4.3 清种补种空间的分析

在弹性板作用下，输送过程中蔗段因不平衡碰撞力而倾斜，若一、二级清种补种区空间过大，则倾斜蔗段回流时易转向，甚至竖直。本文通过对蔗段在清种、补种过程的运动分析确定清种补种空间的主要参数。

1）蔗段碰撞回流受力分析

提升过程中，蔗段与弹性板发生碰撞而反弹回流，碰撞过程符合动量守恒[32-33]，计算式为

式中v2为碰撞末速度，m/s；t1为 碰撞初始时刻，s；t2为碰撞结束时刻，s；Fp为碰撞力，N。

将弹性板视为线弹性介质，对其碰撞力作用后产生的弹塑性变形进行简化，碰撞时的最大冲击力[34]为

式中m2为弹性板的质量，kg；E1、E2分别为蔗段、弹性板的弹性模量，N/m2；µ1、 µ2分别为蔗段、弹性板的泊松比。

根据式（19）～（21），蔗段碰撞后的反弹力与初始速度（排种带速度）、弹性板的弹性模量正相关。为使蔗段能进行有效限流、补种，本文进行蔗段与弹性板碰撞力的仿真分析，基于碰撞结果，对不同厚度弹性板进行刚性推拉试验，以确定其厚度。

2）蔗段在清种补种过程的空间及受力分析

在一、二级清种补种区输送过程中蔗段倾斜受力如图7 所示。为使倾斜蔗段有序回流充种、补种，一级清种补种区蔗段应满足条件：

图7 蔗段倾斜受力Fig.7 Force of sugarcane tilt

3）清种补种过程仿真分析

蔗段在排种过程中受到其他蔗段的摩擦力、压力，弹性板的压力等作用，其作用点的变化导致蔗段转向，因此，清种补种空间既要有一定的蔗段容量，又不能过大。

本文采用RecurDyn 以及EDEM 仿真软件建立排种器的仿真模型（图8）。颗粒采用Hertz-Mindlin 接触力学模型，相关离散元仿真参数参考文献[30]及测量确定，如表1 所示。将排种器模型简化保存为X-T 格式导入EDEM，将分蔗清种板及弹性板导入RecurDyn，在RecurDyn 柔性化弹性板，建立wall，导入到EDEM，模型如图8 所示。仿真时间步长为25%，网格尺寸取2.5倍最小球形单元尺寸，仿真时间为30 s。

图8 仿真模型Fig.8 Simulation model

对蔗段进行标记，随机选取排种前、后段编号分别为12、14、16、33、35 和37 的6 个蔗段，利用EDEM后处理对蔗段进行受力分析，结果如图9 所示。

图9 蔗段受力分析Fig.9 Force analysis of sugarcane

由图9 可知，12、14、37 号蔗段所受合力变化幅度较大，与弹性板的碰撞力较大（碰撞力大于100 N），蔗段通过弹性板进入二级清种补种区；较大的碰撞力集中在排种前段的蔗段，因为一级清种补种区在排种前半段堆积较多蔗段，蔗段的相互挤压、碰撞使碰撞力较大。16、33、35 号蔗段所受合力变化幅度较小，与弹性板的碰撞力较小（碰撞力小于20 N），蔗段经历多次碰撞、回流直至入槽完成排种；较小的碰撞力集中在排种后段的蔗段，因为一级清种补种区在后段堆积较少蔗段，蔗段的相互作用较小。

为研究清种补种空间对排种性能的影响，对蔗段运动状态进行分析。图10 为排种带速度80 mm/s 下提升输送过程中蔗段种群在自身重力、种群碰撞摩擦力及弹性板综合力共同作用下的蔗段回流状态。若清种补种空间较小（如图10a 所示，L1=15 cm），则蔗段回流后仍为横向，不影响充种；若清种补种空间较大（如图10b 所示，L1=22.5 cm），则蔗段回流后极易转向而无法对空槽进行补种。图11 为L1、L2对漏播指数的影响，漏播指数随L1、L2的增大呈增大的趋势。L1、L2越小，漏种越少，排种效果越好;L1、L2越大，漏种越多，排种效果越差。由于蔗段是不规则的类圆柱体，传送过程中蔗段各处的摩擦力不一致，使蔗段姿态容易发生变化。若运动空间足够大，蔗段极易转成竖向，直接影响清种补种的性能，因此，需探究适合的L1、L2等参数对排种效果的影响。

图10 蔗段在提升过程的状态变化Fig.10 State changes of sugarcane during lifting process

图11 L1、L2 对漏播指数的影响Fig.11 Impact of L1 and L2 on miss-seeding index

3 台架性能试验

3.1 弹性板推压试验

为了确定弹性板的厚度和底端半径，进行推压试验。

3.1.1 材料与方法

试验选择市面上常用的PVC 透明软胶板，厚度为1～5 mm。5 mm 厚度水晶板可自由弯曲的最小半径为25 mm，因此，试验选择R1为25～40 mm。

试验装置如图12 所示，由弹性板、压板、指针推拉力计（型号：NK-200，精度: ±1%）、游标卡尺，卧式手摇拉力计测试座组成。

图12 推压测试装置Fig.12 Push test device

将指针推拉计的推头对准压板中部进行压力测试，通过手柄调整推进距离，游标卡尺测量推进距离，每推进5 mm 记录一次测量值。各因素重复试验3 次，取平均值。

3.1.2 结果分析

在R1=25 mm 时进行厚度推压试验，试验结果如图13a 所示，压力随变形量的增加而增加。1 和2 mm 厚度的板承受的压力小于20 N，根据2.4.3 节仿真分析，蔗段反弹、回流的碰撞力大多在 0～20 N 之间，因此1、2 mm 厚度的弹性板无法起到清种作用。当弹性板的厚度≥3 mm 时可承受大于20 N 的压力。当厚度为5 mm 时，能承受100～120 N 的压力，此时弹性板既能起到清种作用，又能在蔗段较多时分离部分蔗段至二级清种补种区进行二次补种。因此本文选用弹性板厚度为5 mm。

图13 推压试验结果Fig.13 Pushing test result

选择5 mm 厚度弹性板进行半径R1影响的推压试验，试验结果如图13b 所示，压力随变形量的增加而增加。当R1＞25 mm，压力小于100 N，无法起到清种的作用，而R1＝25 mm 时，能承受100～120 N 的压力。因此，本文选择R1=25 mm。

3.2 清种补种区关键参数对排种性能影响试验

3.2.1 试验平台

以中蔗9 号为试验材料，含水率70%，集蔗箱内蔗段数量为40 根。试验采用自制的PVC 传送带排种器，如图14 所示，试验平台由集蔗箱（根据集蔗箱的大小，容量＜60 根甘蔗）、排种带（蔗槽采用5 cm 宽度间隔均匀布置）、输送辊、伺服电机、调速器、台架组成。

图14 试验平台Fig.14 Test platform

3.2.2 试验方法及试验指标

将预切蔗段有序摆放在集蔗箱内，开启电机，排种带将蔗段提升输送，待集蔗箱内的蔗段完全排出后，关闭电机[24]。采用摄像机对排种过程进行数据采集。将排出的蔗段再次倒入集蔗箱，各因素水平重复试验3 次，取平均值。按照《GBT 6 973-2005 单粒(精密)播种机试验方法》评价漏播指数y1、重播指数y2、排种合格指数y3等指标。堵塞试验以堵塞次数为指标。

3.2.3 单因素试验

为分析dc对排种堵塞的影响，分析L1、L2、v1对漏播指数、重播指数、合格指数的影响，选取dc、L1、L2、v1进行单因素试验，各因素水平如表2 所示。

表2 试验因素水平Table 2 Levels of test factors

根据2.4.3 节仿真试验，L1=15 cm、L2=15 cm 时，漏播指数较低，且预试验表明v1=100 mm/s 时漏播指数较低，因此，单因素试验在L1=15 cm、L2=15 cm、v1=100 mm/s条件下进行，试验结果如表3 所示。导种板与分蔗清种板底端的间隙对堵塞效果的影响如表4 所示。

表3 单因素试验方差分析Table 3 Analysis of variance in single factor test

表4 堵塞次数统计Table 4 Statistics of blockage number

由表4 可知，随dc减小，堵塞次数增多，在dc≥13 cm 时，无堵塞和断层下落，蔗段运动流畅，因此本文选择dc=13 cm。

一、二级清种补种区长度对排种性能的影响如图15所示。

图15 L1、L2 对排种性能影响的单因素试验结果Fig.15 Single factor experimental results of influence of L1 and L2 on seeding performance

由表3 和图15a 可知，L1对漏播指数、重播指数、合格指数有显著影响。随着L1的增加，漏播指数先减小后增加，重播指数减小，合格指数先增加后减小。当L1＞22.5 cm 时，虽重播指数为0，但合格指数较低，且漏播指数极高，甚至超过10%，不满足预切种甘蔗横向种植的农艺要求，因此，正交试验L1的取值范围为7.5 cm≤L1≤22.5 cm。

当L1较小时，清种空间较小，蔗段极易快速充满一级清种补种区并堆积在二级清种补种区，图16a 为二级清种补种区上存储较多蔗段，随着蔗槽传送被带出，从而导致重播指数增加；当L1较大时，一级清种补种区行程较长，过大的空间使蔗段极易转向，造成漏播指数极大。

图16 排种状态Fig.16 Seeding state

由表3 和图15b 可知，L2对漏播指数、重播指数、合格指数有显著的影响。随着L2的增加，漏播指数呈增加的趋势，重播指数呈减小的趋势，合格指数先增加后减小。当L2＞22.5 cm，漏播指数极大、合格指数较低；当7.5 cm≤L2≤ 22.5 时，漏播指数较低，合格指数较高，重播指数≤ 5%，满足预切种甘蔗横向种植的农艺要求。因此，正交试验L2的取值范围为7.5 cm≤L2≤ 22.5 cm。

当L2较小时，二级清种补种区行程较短，存储的蔗段容易随传送带运动被带出而增大重播指数；随着L2的增加，提升过程蔗段回流后易转向概率增大，补种入槽难，从而增大漏播指数，并降低重播指数；图16b 为L2=30 cm 时第9、10 s 时的排种状态，回流蔗段在二级清种补种区倾斜，蔗段无法及时有效补种，造成漏播，但蔗段掉落后会重新调整为有序，可继续补种。

排种带速度对排种性能的影响如图17 所示。

图17 排种带速度对排种性能的影响Fig.17 Influence of seed belt speed on seed performance

由表3 和图17 可知，排种带速度对漏播指数有显著的影响，对重播指数、合格指数无显著性影响。随着排种带转速的增大，漏播指数先减小后增大，而重播指数、合格指数先增大后减小。v1＜60 mm/s 时，漏播指数极大，且合格指数较低，因此，正交试验v1的 取值范围为60 mm/s≤v1≤120 mm/s。

当排种带速度较小时，蔗段两端在一级清种补种区受力不均匀，易转向；且速度较小时，蔗段提升过程主要受到滑动摩擦力的作用，而蔗段弯曲使摩擦力不均匀加剧转向，因此，蔗段在一级清种补种区难以入槽，漏播指数极高，重播指数和合格指数较低。随着排种带速度的增加，蔗段从滑动摩擦转换成滚动摩擦，减小两端的力不平衡，漏播指数降低，重播指数和合格指数增高。当排种带速度较高时，蔗段在集蔗箱出料口处入槽充种加快，蔗段只有少部分在一级清种补种区进行一次补种，较少蔗段进入到二级清种补种区进行二次补种，漏播指数增大、重播指数降低。如图18 为不同排种带速度的充种效果。

图18 不同排种带速度下的充种效果Fig.18 Seed filling effect of different seeding belt speeds

单因素试验表明，L1、L2对漏播指数、重播指数、合格指数具有显著影响，v1对漏播指数影响显著。为研究显著性因素L1、L2、v1对漏播指数、重播指数、合格指数的综合影响，进行进一步的正交试验。

3.2.4 二次回归正交旋转组合试验

根据单因素试验结果，为确定清种补种空间参数，综合考虑L1、L2、v1对排种性能的影响，进行二次回归正交旋转组合试验，以漏播指数y1、重播指数y2及合格指数y3为评价指标。试验因素编码如表5 所示。

表5 二次回归正交旋转组合试验因素编码表Table 5 Factor coding table for quadratic regression orthogonal rotation combination test

二次回归正交旋转组合试验结果如表6 所示。

表6 二次回归正交旋转组合试验结果Table 6 Result of quadratic regression orthogonal rotation combination test

使用Design-expert 数据分析软件对漏播指数以及重播指数指标进行方差分析，结果如表7 所示。由表7 可知，漏播指数、重播指数以及合格指数的回归模型拟合度极显著，其回归方程失拟不显著。

表7 二次回归正交旋转组合试验方差分析Table 7 Analysis of variance in quadratic regression orthogonal rotation combination test

对试验数据进行多元回归拟合，分别建立漏播指数、重播指数、合格指数的二次多项式回归模型：

根据所建立的回归方程，得到各因素与试验指标的响应曲面如图19 所示。由图19 可知，漏播指数随L1、L2的增加呈先减小后增加的趋势，重播指数随L1、L2的增加呈先增后减的趋势。

图19 各因素对排种性能指标的影响Fig.19 Effects of various factors on seed metering performance index

为了保证有序排种,寻求约束条件范围内的各因素最优组合。因为甘蔗为多年生作物，漏种多直接造成出芽率低、缺株断垄，影响甘蔗产量，因此，本文选择最小漏播指数作为优化目标，重播指数≤5%，合格指数≥90%。利用Design-expert 优化模块求解因素水平内的较优参数组合，目标函数和约束条件如式（27）所示。

求解得到L1=13 cm、L2=16 cm、v1=97 mm/s，此时漏播指数为2.8%，重播指数为4%，合格指数为93%。

3.2.5 验证试验

根据上述试验结果，以较优组合参数开展验证性试验。试验方法、指标测量与前述试验一致。将清种补种上提式排种器与常规无清种补漏功能的上提式排种器[24]进行对比试验，试验效果如图20 所示，试验结果如表8所示，漏播指数为1.7%，重播指数为3.5%，合格指数为94.8%，与常规提升排种的漏播指数6.9%相比，漏播指数降低75%，清种补种上提式排种器可有效降低漏播指数，提高排种精度。

表8 验证试验结果Table 8 Validation test results

图20 验证试验排种效果Fig.20 Seeding effect of verification test

4 讨论

1）蔗段的提升行程极大影响排种的有序性，当行程超过蔗段长度，漏播指数甚至超过10%，无法满足农艺要求。因此，应该采取缩短排种行程的措施降低漏播指数，提高合格指数。本文采用具有清种补种功能的排种器，利用弹性板进行弹性清种，并减小蔗段回流的运动空间和运动行程，以达到提高排种有序性的目的。

2）前期研究中，采用提升排种器对排种性能进行研究[24]。探讨了传送链角度、集蔗箱倾角以及链轴转速对漏播指数、重播指数及合格指数的影响，未对种箱进行探讨。而实际工作过程中，种箱很大，提升后回流的蔗段交错乱序概率增加。本文增加的分蔗板，可有效对蔗段进行分区，减少蔗段之间的相互扰动，进一步降低蔗段转向概率。

3）蔗段弯曲不规则、直径变化大，对精准排种造成困难，后续实际应用中需对排种器的适应性开展试验研究。

4）考虑到田间作业的环境恶劣致使排种器的抖动、前进速度不稳定，后续还应继续开展振动、前进速度、路面坡度等因素对排种性能的影响规律研究。

5 结论

1）为解决现有双芽段甘蔗横向种植机排种器排种过程漏播、精准性差的问题，研制了一种具有清种补种功能的上提式排种器。对其工作过程进行理论、仿真分析及参数确定。

2）采用EDEM-RecurDyn 耦合仿真分析，分析蔗段的力学、运动学规律，并通过推压试验确定弹性板的参数。利用单因素试验得到：一、二级清种补种区长度对漏播指数、重播指数、合格指数有显著性影响，排种带速度对漏播指数具有显著性影响，而对重播指数、合格指数影响不显著。

3）进行二次回归正交旋转组合试验及Design-Expert 软件分析，建立了各试验因素与漏播指数、重播指数、合格指数关系的数学模型，利用多目标优化方法获得最佳参数组合。

4）验证试验结果表明：当一级清种补种区长度为13 cm、二级清种补种区长度为16 cm、排种带速度为97 mm/s 时，清种补种上提式排种器漏播指数仅为1.7%、重播指数为3.5%、合格指数为94.8%；与常规上提式排种器的漏播指数6.9%相比，漏播指数降低了75%，所设计的排种器可增加排种有序性，有利于促进甘蔗生产的增产增收。