带式玉米高速导种装置旋夹纳种机理分析与参数优化.pdf

doi:10.6041298.2023.07.0132023年7 月第5 4 卷第7 期农报业学机械带式玉米高速导种装置旋夹纳种机理分析与参数优化马成成1衣淑娟陶桂香1李衣菲陈涛刘汉武？（1.黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆1 6 3 3 1 9；2.德邦大为（佳木斯）农机有限公司，佳木斯1 0 0 1 7 6）摘要：针对玉米在高速（1 2 1 6 km/h）播种时籽粒脱离种盘初速度大，与带式导种装置种腔内壁碰撞弹跳，发生碰撞异位，导致籽粒进入种腔精准度低等问题，以具有纳种机构的带式玉米高速导种装置为研究对象，建立籽粒夹取、转运和排放动力学模型，提出在拔指表面添加人字形纹路的改进方法，明确影响纳种稳定性与籽粒进人种腔精准度的主要因素。利用高速摄像与图像目标追踪技术进行单因素对比试验及多因素优化试验。单因素试验结果表明，播种速度较快时，有人字形纹路拨指轮纳种合格指数和种腔间隔变异系数均明显优于无人字形纹路拨指轮。为获得拔指轮改进后的纳种机构最佳性能参数，以轮心距、拔指轮转速及拔指长度为试验因素，以纳种合格指数与种腔间隔变异系数为评价指标，进行三因素五水平二次正交旋转组合试验，采用多目标优化方法，确定当轮心距为36.8mm，拔指轮转速为5 8 4.9 7 r/min，拔指长度为1 0.8 mm时，纳种合格指数为9 8.2 3%，种腔间隔变异系数为0.24%。对优化结果进行验证试验，验证结果与优化结果基本一致。在相同条件下进行台架对比试验，结果表明，有带式玉米高速导种装置的作业性能远优于不安装带式玉米高速导种装置的作业性能。关键词：玉米；高速播种机；导种装置纳种机构中图分类号：S224.1文献标识码：A文章编号：1 0 0 0-1 2 9 8（2 0 2 3）0 7-0 1 3 4-1 0OSID：告Mechanism Analysis and Parameter Optimization of Corn Seeds Receivingby Rotating Clamp of Belt-type High-speed Seed Guiding DeviceMA ChengchengYI ShujuanTAO GuixiangLI YifeilCHEN TaoLIU Hanwu(1.College of Engineering,Heilongjiang Bayi Agricultural University,Daqing 163319,China2.Debon Dawei(Jiamusi)Agricultural Machinery Co.,Ltd.,Jiamusi 100176,China)Abstract:When corn is sown at high speed(12 16 km/h),the initial speed of the seeds leaving thedish is high,and the seeds collide with the seed cavity wall of the belt-type seed guide device,resultingin collision and dislocation,which leads to the low precision of the seeds entering the seed cavity.Thebelt-type high-speed corn seed guide device with seed receiving mechanism was taken as the researchobject,and the dynamic model of clamping,transportation,and discharge of the seeds was established.The main factors that affect the seed receiving stability and the precision of the seeds entering the seedcavity were identified,and the improvement method of adding herringbone lines on the surface of thefinger was put forward.Single-factor comparison tests and multi-factor optimization tests were carried outby using high-speed camera and image target tracking technology.The single factor test showed that theseed acceptance index and variation coefficient of seed cavity spacing of the finger wheel with improvedherringbone lines were obviously better than those of the finger wheel without herringbone lines when thesowing speed was fast.In order to obtain the best performance parameters of the improved seedingmechanism,taking the wheel center distance,the rotation speed of the finger wheel,and the fingerlength as test factors and the qualified index of seed acceptance and the variation of seed cavity spacing asevaluation indexes,a quadratic orthogonal rotation combination test with three factors and five levels wascarried out.By using the multi-objective optimization method,it was determined that when the wheel收稿日期：2 0 2 2-1 2-1 2 修回日期：2 0 2 3-0 3-0 6基金项目：国家自然科学基金项目（5 2 2 7 5 2 4 6）、黑龙江省“百千万”工程科技重大专项支撑行动计划项目（2 0 2 0 ZX17B013）和黑龙江八一农垦大学研究生创新科研项目（YJSCX2022-Z02）作者简介：马成成（1 9 9 5 一），男，博士生，主要从事玉米播种机械研究，E-mail：1 6 0 1 1 4 7 3 4 1 q q.c o m通信作者：衣淑娟（1 9 6 5 一），女，教授，博士生导师，主要从事玉米播种机械研究，E-mail：y i s h u j u a n _2 0 0 5 1 2 6.c o m135第7 期马成成等：带式玉米高速导种装置旋夹纳种机理分析与参数优化center distance was 36.8 mm,the rotating speed of the finger wheel was 584.97 r/min,and the fingerlength was 10.8 mm,the qualified index of seed acceptance was 98.23%,and the coefficient of variationof seed cavity spacing was 0.24%.The optimization results were verified,and the verification resultswere basically consistent with the optimization results.Under the same conditions,the bench comparisontest showed that the sowing performance with a high-speed seed guide device was better than that withouthigh-speed seed guide device.Key words:corn;high speed seeder;receiving mechanism of seed guiding device0引言玉米种植面积大，播种时间短，且播种质量直接影响其产量，这就要求玉米播种在保证高质量的同时还要满足高速1-2 。采用无约束及欠约束导种方式在高速导种时，籽粒与导种部件内壁碰撞加剧，造成籽粒的落点精度降低，播种均匀性差3-6 。带式导种装置采用输种带同步运移籽粒的方式实现了全约束导种，降低籽粒运移过程中的碰撞剧烈程度，保证从排种器排出籽粒的均匀有序状态，能够满足精密播种机的高速作业7 带式导种装置作为高速播种技术的核心部件，是国内外学者研究的重点与热点8-1 2 。目前国内学者对带式导种装置的研究主要集中于导种执行部件的理论研究与改进设计。陈学庚等1 3 设计了一种与排种盘转速、播种机行走速度相关，且传动与投种机构一体的带式导种装置，但籽粒是在重力的作用下从排种盘掉落到种子输种带种腔，仅适合排种盘工作转速为3 0 r/min播种作业。在此基础上，刘全威1 4 设计一种拨指同步带式导种装置，在排种盘与输种带之间加入推种板，在推种板推力和种子自重的作用下脱离排种盘型孔并掉落至种子导种装置的种腔内，但当作业速度超过9.7 km/h时，粒距合格指数的降幅和粒距变异系数的增幅均迅速增大。国外关于玉米带式高速导种装置研究起步较早1 5-1 8 ,具有代表性的有美国John Deere公司研发了毛刷带式导种装置1 9 ，采用毛刷带作为运种部件，实现毛刷带携种运动，提高在高速条件下的导种稳定性，但毛刷材质带体在持续高速作业下易产生磨损2 0 。Precision Planting公司研发的一种具有主动纳种功能的带式高速导种装置2 1 ，对从排种盘进人种腔内的籽粒进行约束，提高籽粒从排种盘过渡到种腔的稳定性，实现了1 6 km/h高速精量播种作业，因其有破损率低、适应性好等优点，该导种技术逐渐引入国内应用于玉米高速精密播种作业中2 但对其拨指轮旋夹纳种机理尚未有研究报道，影响其纳种性能因素尚不明确，因此，探究该导种装置旋夹纳种机理，对其关键部件改进与优化具有实际意义。本研究以具有拔指轮纳种机构的带式高速导种装置为研究对象，研究拨指轮旋夹纳种作用机理，建立拔指轮纳种动力学模型，探究影响纳种性能因素，对拨指轮结构及工作参数进行改进优化。在拨指表面添加人字形纹路，增大拔指轮对籽粒的摩擦力，提高纳种稳定性。采用多因素试验对添加人字形纹路拔指轮的纳种机构进行参数优化，以获取最佳纳种效果。1带式玉米高速导种装置结构与工作原理整体结构如图1 所示，该装置主要由输种带、拨拔指轮、投种板、预紧弹簧、清种爪、主动带轮、被动带轮、电机、护种罩壳、齿轮箱以及输种带壳体等部件组成，其工作过程分为纳种、运种和投种3个串联阶段。纳种10运种投种图1#带式玉米高速导种装置结构示意图Fig.1Structure diagram of belt type corn high-speedseedguidedevice1.拔指轮2.清种爪3.电机4.主动带轮5.输种带6.预紧弹簧7.被动带轮8.齿轮箱9.护种罩壳10.输种带壳体11.投种板该导种装置安装于排种器卸种口处，播种时，主副拔指轮在籽粒脱离种盘之前利用旋转夹取的方式将籽粒取下，随后将籽粒转运并排放至输种带种腔，籽粒在输种带转动下运移到投种口并将籽粒投放到种沟中，平均作业速度可达1 6 km/h。2旋夹纳种机理分析2.1纳种机构组成与工作原理为降低籽粒与种腔壁间的弹跳碰撞作用，在输种带上方配置纳种机构，以拨指轮旋夹方式对籽粒农2023年136机业报学械进行运动约束，提高在高速播种过程中籽粒从排种盘进人输种带种腔的稳定性与精准度该导种装置纳种机构主要由主拔指轮、副拔指轮、清种爪、齿轮轴、齿轮箱、电机以及后盖壳等部件组成（图2）。其中主副拔指轮种带作为纳种机构的核心工作部件，直接影响籽粒从排种盘过渡到输种带种腔的稳定性与精准度。拔指轮采用橡胶材料制作，主拔指轮下侧设有清种爪，避免因籽粒卡在主拨指轮的拨指之间影响纳种工作。主副拔指轮半径比为1.7，拨指轮圆周均匀分布倾斜弧形结构的拨指，其中主拨指轮分布有1 7 个拨指，副拨指轮上分布有15个拨指。6102118-12(a)正视图(b)轴测图(c）后视图图2 丝纳种机构结构示意图Fig.2Schematics of seed-receiving institution1.主拨指轮2.清种爪3.电机4.齿轮轴5.副拔指轮6.纳种口7.齿轮箱8.后盖壳9.驱动副拔指轮齿轮10.驱动主拔指轮齿轮（双联齿轮）11.过桥齿轮12.电机齿轮根据纳种机构作业过程，将其分为夹取籽粒、转运籽粒与排放籽粒3 个工作阶段，如图3 所示。图3 中v为播种前进速度，m/s;w,为主拨指轮旋转角速度，rad/s；z为副拔指轮旋转角速度，rad/s;W2=1.71。在纳种过程中，电机驱动主拨指轮与副拨指轮相向转动。当排种盘携带单粒籽粒运动至纳种口时，柔性主副拨指轮通过旋转夹取的方式将籽粒“摘”下，该工作过程为夹取籽粒；被夹取的籽粒在主副拨指轮的旋转夹持下运动，该工作过程为转运籽粒；随后拔指轮将籽粒排放到下方输种带种腔中，该工作过程为排放籽粒。利用这种先“摘”后“放”的纳种方式，能够在不伤种的前提下使得籽粒从排种盘稳定均匀地过渡到输种带的种腔中玉米籽粒型孔0排种盘OI种腔图3旋夹纳种原理图Fig.3Schematic of working principleI.夹取籽粒.转运籽粒.排放籽粒2.2纳种过程力学分析为研究该机构纳种稳定性与籽粒进入种腔精准度，建立了拔指轮夹取、转运和排放籽粒过程中籽粒力学模型，对这3 个阶段籽粒的受力情况进行分析。2.2.1拔指轮夹取籽粒力学分析拨指轮夹取籽粒时，主副拨拔指轮瞬时对籽粒施加摩擦力fi2,f与f的合力构成拔指轮对籽粒的旋夹力F。，此外，籽粒还受重力G、离心力J、负压对籽粒的吸附力P以及型孔对籽粒的支持力N,受力如图4 所示。NT图4拨指轮夹取籽粒受力示意图Fig.4Schematic of seed incorporation process若保证籽粒被平稳取下，则需拨指轮对籽粒的夹取力F。大于T（籽粒重力G与离心力J的合力）【2 3 与N（型孔对籽粒沿平行排种盘方向的支持力的合力，即FT?+N,+2TN,cosS(1)式中S一T与N的夹角,()籽粒重力与离心力的合力T、型孔对籽粒沿平行排种盘方向的支持力N，可表示为T=JGsinT（2)LN,=PN式中T一G与J的夹角，（）N。一支持力系数将式（1）、（2）合并整理得FFCsinT+NP+2JGsinTN,P(3)其中J=4mmDn;(4)P=(d/4)(pa-Po)式中代中m籽粒质量，kgD籽粒重心到型孔圆心的距离，mmn排种盘转速，r/minPa大气压力，PaPo真空室压力，Pad-吸孔直径，mJ-排种盘对籽粒的离心力，NG-籽粒重力，N式（3）、（4）表明，拔指轮夹取籽粒需要克服排种盘对籽粒的离心力以及风机对籽粒的吸附力。而在高速播种过程中，要求排种盘转速高，籽粒的离心力随之增大，同时，为保证型孔在高速条件下稳定充种，风机提供的负压应比常规播种速度所需的负压大2 4 ,这就要求拨指轮提供足够的旋夹力，即提高角，（2角，（面夹137马成成等：带式玉米高速导种装置旋夹纳种机理分析与参数优化第7 期拔指与籽粒间的摩擦力，才能实现在排种盘高转速、风机高负压条件下将籽粒从型孔上取下2.2.2拔指轮转运籽粒力学分析主副拨指轮将籽粒取下后，进人转运阶段，籽粒受到拨指轮对籽粒的夹取力F。（f 与f,的合力）、主副拔指轮对籽粒的支持力FM1、FN2，以及籽粒自身重力G。以籽粒中心为坐标原点o，建立直角坐标系xoy，此时籽粒受力如图5 所示。FN1N20F图5转运籽粒受力示意图Fig.5Schematic of force during movement主副拨指轮对籽粒的支持力F1、F2 可表示为FGsin,N1(5)GFN2sing,式中一一主拨指轮对籽粒支持力与水平副拨指轮对籽粒支持力与水平面夹主副拨指轮对某一时间点籽粒的摩擦力f与f2的合力形成夹取力F。，即F。=/f+f+2 f if,c o s(0,+0,)(6)其中Jfi=uFM（7)Lf,=uF N2其中式中拔指与籽粒间的摩擦因数联立式（7）可得联立式（5）（7）可得112cos(0,+0,)F。=u G(8)sin,sin022sing,sino,式（8)表明，转运籽粒时，籽粒所受旋夹力F。受1、0,及的影响。增大拔指与籽粒间的摩擦因数会提高拨指与籽粒的摩擦力，避免拔指与籽粒出现滑移。由图6 可知，在同一时间点，拨指轮对籽粒支持力与水平面的夹角与轮心距L有关，随轮心距L减小,1、0,增大（0,;0,）,拔指轮对籽粒的支持力随之增大（FFM1;F2Fm2），提高了拨指与籽粒间的摩擦力，避免拔指与籽粒发生滑移现象。但轮心距过小会增加纳种载荷，加剧拨指磨损，严重时会出现籽粒堆积堵塞；轮心距过大，拔指与籽粒间则会相对滑移,失去主动纳种作用。因此,为进一步明确轮心距对纳种效果的影响，本文对其进行试验其中式中优化。籽粒FN2副拔指轮FFN2N1GL主拨指轮图6 支持力随轮心距变化示意图Fig.6Schematic of change of supporting force withdistance between main and auxiliary wheels2.2.3拨指轮排放籽粒力学分析籽粒经拔指轮转运后被排放到输种带种腔中，籽粒在脱离拨指轮瞬时会在拨指对籽粒的弹力F,1、F,，和籽粒重力G的作用下做斜下抛运动进入种腔（图7），F为拨指对籽粒的弹力F,与籽粒重力的合力。图7排放籽粒受力与运动示意图Fig.7Schematic of force and movement of seed discharged拨拔指在恢复原状时对籽粒产生的弹力及籽粒自身重力为F,=kAxF2=kAx2(9).G=mg式中F主拨指轮拨指对籽粒的弹力，NF2副拨指轮拨指对籽粒的弹力，Nx 一主拨指轮拔指形变量，mmAx2副拨指轮拔指形变量，mm拨指弹性系数,N/mmg重力加速度，m/s籽粒脱离拨指轮做斜下抛运动的加速度为F。a=(10)m籽粒做斜下抛运动进人种腔沿x、轴的速度为Ux=Vocos(11)u,=vosin+atVo=2元Rn2(12)式中籽粒在轴方向的速度，m/s籽粒在y轴方向的速度，m/sR拨指轮半径,mmn2拔指轮转速，r/min农1382023年机业报学械籽粒斜下抛初速度，m/s籽粒斜下抛角度，（）t籽粒进人种腔所用的时间，s联立式（1 0）（1 2）可得U,=2Rn,cos(13)u,=2Rnzsin+Ft/m式（1 3）表明，籽粒进人种腔的速度与拔指形变量、拨指轮转速及拔指轮半径相关。拨指形变量与拔指长度及其材料特性相关，在加工材料不变的情况下，拔指越长，与籽粒接触时产生的形变量就越大，弹力就越大，加速种子进入种腔，但拨指过长会增加拔指间的卡种风险。拔指轮转速越大，斜下抛初速度越大，进人种腔的速度就越大，但过大会导致籽粒进入种腔时与种腔内壁碰撞加剧，降低籽粒进入种腔的精准度。鉴于拔指轮圆周由柔性拔指组成，与籽粒接触时，拔指产生形变，使得拔指轮圆周半径会不断变化且无法控制，为提高台架试验可操作性及准确性，本文对拨指形变量、拨指轮转速进行试验优化。3关键部件改进方案对拨指轮夹取、转运和排放籽粒3 个阶段籽粒的受力情况分析可知，增大拨指与籽粒间的摩擦因数能有效提高拨指轮对籽粒的旋夹力，故本研究利用人字形纹路摩擦因数大，防滑性好，且具有导向性的特点2 5 ,在拨指表面添加人字形纹路（图8）。通过建立的力学数学模型明确出影响纳种稳定性与籽粒进人输种带种腔精准度的主要因素为轮心距、拔指轮转速以及拨指长度。因此，在后续试验阶段,将结合高速摄像与图像目标追踪技术对带有人字形纹路和无人字形纹路的拨指轮进行试验对比，探究带有人字形纹路的拨指轮对纳种性能的影响，并通过多因素试验对轮心距、拨指轮转速以及拨指长度进行参数优化主拔指轮拨指人字形纹路副拨指轮拔指图8添加人字形纹路的主副拔指轮Fig.8Main and auxiliary finger wheels withherringbone lines4试验材料与方法4.1试验材料试验材料为黑龙江省广泛种植的“德美亚1号”玉米品种，经人工分级清选处理，保证供试籽粒饱满、无损伤及虫害，测定其形态为硬粒型，千粒质量为2 8 9.6 1 g，含水率为1 2.3%，密度平均值为1.223g/cm，平均几何尺寸为：长度9.3 1 mm、宽度7.35mm、厚度4.0 6 mm（对1 0 0 粒籽粒进行测量取平均值）。4.2试验条件试验地点为黑龙江八一农垦大学播种实验室，试验装置主要由JPS-16型计算机视觉排种器试验台、PCO.dimaxCS3型高速摄像仪（德国pco.dimaxcs高速摄像机，Nikon镜头，图像拍摄程序为Camware，图像处理程序为TEMA）、改装的气吸式玉米精量排种器、带式玉米高速导种装置以及PC机（美国惠普HP公司）等搭建组成，如图9 所示。876354图9纳种机构性能检测试验台Fig.9SSeed receiving performance test bed1.气吸式玉米排种器2.排种驱动电机3.带式玉米高速导种装置4.种床带5.计算机6.排种器试验台综合操作柜7.LED照明灯8.高速摄像机为便于对纳种时的玉米籽粒位移轨迹进行捕捉，将排种器进行可视化处理，将原有排种器局部外壳、排种盘及橡胶密封圈采用透明3 D打印技术实现透明化，并将排种器与导种装置相对固定在安装台架上。试验时，种床带相对于排种器反向运动，模拟播种机前进运动状态，喷油泵将油喷于种床带上，玉米籽粒从投种口落至涂有油层的种床带上2 6-2 8 。为防止拍摄角度对籽粒轨迹位移数据采集产生影响，将高速摄像机固定于水平位置。为得到籽粒纳种过程中实际位移变化，应保证各组试验中高速摄像机与籽粒运动平面的垂直距离一致，在籽粒运动平面内放置刻度尺作为标定，提高试验测量精确度。4.3试验方法由上述拨指轮对籽粒夹取转运机理分析可知，籽粒纳种稳定性与拔指轮转速、轮心距及拔指长度有关，故本研究选取拨指轮转速、轮心距及拨拔指长度为试验因素进行纳种性能试验。采用3 D打印技术获取不同拨指长度的橡胶拔指轮，其中主拔指轮与副拨指轮的拨指长度按等比扩大或缩小（主副拨指轮拨指长度比为3：1）。采用调节拨指轮传动齿轮139马成成等：带式玉米高速导种装置旋夹纳种机理分析与参数优化第7 期半径的方式改变轮心距。利用PWM电机调速器控制拨指轮转速，利用红外线转速仪检测拨指轮转速。通过前期预试验选取1 8 孔排种盘作为试验排种盘。4.4籽粒轨迹追踪后处理轨迹测定过程中，为获得适合本研究高速纳种时籽粒运动轨迹图形分辨率，设置高速摄像机顿率为5 0 0 f/s，采集域为2 0 0 mm200mm，曝光时长为2ms，图像为1 9 2 0 像素1 4 4 0 像素。调整轮心距、拨指轮转速及拨指长度至指定值进行试验，通过摄像机将所采集籽粒运动轨迹图像实时存储于计算机内，待试验结束后保存为.avi格式视频文件。利用TEMA控制软件对视频文件进行图像目标追踪，并提取不同顿图像中玉米籽粒质心点坐标，绘制出各条件下籽粒位移轨迹为准确记录籽粒位移变化，以刻度尺底部。为坐标原点，建立直角坐标系xoy。高速摄像机拍摄下的拨指轮对籽粒的夹取、转运和排放捕捉实际效果如图1 0 所示(a)夹取籽粒(b)转运籽粒(c)排放籽粒图1 0高速摄像下纳种过程Fig.10Process of seed receiving under high-speed camera通过高速摄像与图像目标追踪技术将各帧图像内籽粒质心点坐标值记录到Excel软件中，即可得出籽粒运动位移轨迹。图1 1 为5 组籽粒在被夹取转运过程中和与拔指轮发生碰撞弹跳时的位移时间曲线。0.50.50.40.40.30.30.20.20.10.100.51.01.52.02.500.51.01.52.02.5时间/s时间/s（a）籽粒被夹取转运（b）籽粒与拔指轮碰撞弹跳图1 1籽粒位移变化曲线Fig.11Displacement changes of seeds图1 1 a籽粒位移轨迹平滑，且各组试验中籽粒位移轨迹未出现波动，证明籽粒被拔指轮稳定纳入，其中在0 1.5 s时间段内籽粒随种盘运动，在1.5 s时刻位移曲线出现转折，该转折点为籽粒被夹取，1.52.0s为籽粒转运阶段。图1 1 b为籽粒与拨指轮出现碰撞弹跳时的位移轨迹曲线，在1.5 2.5 s时间段内籽粒运动轨迹呈波浪状，证明此时籽粒出现弹跳现象。故本研究以籽粒位移轨迹曲线平滑与波动统计纳种合格指数。籽粒经纳种机构进人输种带种腔的分布状态如图1 2 所示。图1 2 a中籽粒A与籽粒B间隔7 个种腔，籽粒B与籽粒C间隔4 个种腔，籽粒在输种带分布不均匀，种腔间隔变异系数大；图1 2 b中籽粒A、籽粒B与籽粒C间隔均为6 个种腔，籽粒在输种带分布较均匀，种腔间隔变异系数小。故本研究通过计算每组试验籽粒种腔间隔变异系数衡量籽粒进入输种带种腔的精准度。BB(a)精准度低(b)精准度高图1 2籽粒在输种带种腔的分布状态Fig.12Distribution of seeds in cavities of seed belt5试验结果与分析5.1单因素试验为验证拔指表面添加人字形纹路对纳种性能的影响，分别在有人字形纹路和无人字形纹路条件下进行台架对比试验。其中主拨指轮每个拨指有5 条纹路，副拨指轮为3 条，纹路弯折角度为1 2 0，间隔1mm，宽、高均为0.5 mm。将排种盘转速依次设置为4 1、4 5、4 8、5 1、5 5 r/min进行试验，对应的播种前进速度依次为1 2、1 3、1 4、1 5、1 6 km/h，各进行3 次重复试验，取平均值，试验方法同上，试验结果如图1 3所示。有纹路种腔间隔变异系数无纹路种腔间隔变异系数99.90一有纹路纳种合格指数0.33一无纹路纳种合格指数99.750.30%99.600.2799.450.2499.300.2199.150.1899.001213141516前进速度/(kmh-)图1 3有无人字形纹路时对比试验曲线Fig.13Contrast test curves with and withoutherringbone lines图1 3 表明，低速播种时，无人字形纹路和有人字形纹路的拨指轮纳种合格指数与种腔间隔变异系数无明显差异，当播种速度为1 3 1 6 km/h时，有人字形纹路拔指轮纳种合格指数和种腔间隔变异系数均明显优于无人字形纹路拨指轮，证明拨指表面添140农2023年机业报学械加人字形纹路可以提高拔指轮的纳种性能5.2多因素试验为研究拔指轮改进后的纳种机构纳种稳定性与籽粒进入输种带种腔精准度，采用三因素五水平正交旋转组合试验探究纳种机构最佳作业性能，根据前期理论分析及田间实际播种作业需求，配合各因素可控有效范围，选取轮心距为3 5 3 9 mm，拔指轮转速为5 0 0 6 2 0 r/min，拨指长度为1 0 1 4 mm，试验因素编码如表1 所示。表中均以主拨指轮的拨指长度及转速进行表述，其中主、副拨指轮拨指长度比为3:1,转速比为1:1.7。表1试验因素编码Tab.1Test factors and codes因素编码轮心距拨指轮转速拨指长度X/mmx2/(rmin-1)x3/mm1.68239.0620.014.0138.2595.713.2037.0560.012.0-135.8524.310.8-1.68235.0500.010.0选取试验指标为纳种合格指数y和籽粒在种腔间隔变异系数y2，以评价机构的纳种稳定性与籽粒进入种腔精准度。试验时，保证各组试验测定籽粒数量超过1 0 0 0 粒，其他各项参数保持恒定。试验方案与结果如表2 所示。通过Design-Expert8.0.6软件对试验数据回归分析，进行因素方差分析，筛选出影响较为显著因素，进而得到性能指标与因素编码值回归方程y=98.91-0.25X,-0.45 X,X,-1.87X,2.15Xz+0.06X3(14)y2=0.26+0.009 6X,-0.005 2X,-0.007 5X,X,+0.0051X,0.0051X20.0051X3(15)式中X,X2X3-因素编码值为直观地分析试验指标与因素间关系，运用Design-Expert8.0.6软件得到响应曲面。因交互作用项轮心距和拨指轮转速对纳种合格指数与种腔间隔变异系数影响均显著，故分析轮心距和拨指轮转速的交互作用对试验性能指标的影响，如图1 4 所示。图1 4 a为拨指长度位于中心水平时（1 2 mm），轮心距和拔指轮转速的交互作用对纳种合格指数影响的响应曲面，由图可知，当拔指长度一定时，纳种合格指数随轮心距的增加呈先增大后减小的趋势；当轮心距一定时，纳种合格指数随着拔指轮转速的增加呈先增大后减小的趋势；图1 4 b为拨指长度位表2试验方案与结果Tab.2Test schemeand results因素纳种合格种腔间隔序号轮心距拨指轮转速拨指长度指数变异系数X/mm2/(rmin=l)x3/mmyi/%y2/%135.8524.310.893.020.23238.2524.310.894.470.26335.8595.710.896.180.23438.2595.710.894.620.23535.8524.313.296.020.23638.2524.313.296.650.27735.8595.713.294.010.25838.2595.713.294.050.26935.0560.012.092.930.231039.0560.012.094.470.261137.0500.012.093.550.261237.0620.012.092.270.231337.0560.010.099.210.231437.0560.014.099.100.261537.0560.012.098.900.241637.0560.012.099.150.261737.0560.012.099.320.271837.0560.012.098.170.281937.0560.012.099.010.262037.0560.012.098.370.262137.0560.012.099.210.242237.0560.012.099.310.272337.0560.012.098.740.26于中心水平时（1 2 mm），轮心距和拨指轮转速的交100%595.738.2571.937.6拔指轮转速/(rmin-l)37.0548.136.4524.335.8轮心距/mm(a)纳种合格指数%0.290.280.270.260.250.240.23595.738.237.6拔指轮转速/(r.min-)571.937.0548.136.4524.335.8轮心距/mm（b）种腔间隔变异系数图1 4因素交互作用对试验性能影响的响应曲面Fig.14Effectof factorinteractionontestperformance by response surface141马成成等：带式玉米高速导种装置旋夹纳种机理分析与参数优化第7 期互作用对种腔间隔变异系数影响的响应曲面，由图可知，当拨指轮转速一定时，种腔间隔变异系数随着轮心距的增加而增大；当轮心距一定时，种腔间隔变异系数随着拨指轮转速的增加呈先增大后减小的趋势。分析其变化原因为：轮心距较小时，会增大拨指轮纳种阻力，降低籽粒的通过性；轮心距较大时，拨指轮失去主动纳种作用，增大拨指与籽粒间的滑移。拨指轮转速较慢时，拨指轮纳种效率降低，造成籽粒阻塞；拔指轮转速较快时，会增大拨指对籽粒的碰撞，导致籽粒弹跳加剧。在此基础上，为得到试验因素最佳水平组合，即纳种机构最佳工作参数组合，对试验进行优化设计。建立参数优化数学模型，结合试验因素的边界条件，对纳种合格指数和种腔间隔变异系数回归方程进行分析，得到其非线性规划的优化模型为maxyi(xi,x2,x,)miny2(x1,x2,x,)35 mmxj39 mm(16)s.t.500 r/minx620 r/min10 mmx,14 mm通过优化求解，得出当轮心距为3 6.8 mm、拨指轮转速为5 8 4.9 7 r/min、拔指长度为1 0.8 mm时，纳种稳定性与排种精准度最佳，在此最优参数组合下对应的纳种合格指数为9 8.2 3%，种腔间隔变异系数为0.2 4%。根据优化结果进行试验验证，纳种合格指数为9 8.5 2%，种腔间隔变异系数为0.2 5%，与优化结果基本一致，误差在可接受范围内，5.3对比试验为了进一步验证优化后的带式玉米高速导种装置作业性能,将其与不安装高速导种装置的性能进行台架试验对比。设置播种前进速度依次为1 2、13、1 4、1 5、1 6 k m/h，试验指标为合格率与变异系数，各进行3 次重复试验，取平均值，试验方法同上，试验结果如表3 所示。由表3 可知，有高速导种装置的排种器在1 2、表3有无高速导种装置时试验结果Tab.3Test results with and without high-speedseedguidedevice%播种速度/有高速导种装置无高速导种装置(kmh-)合格率变异系数合格率变异系数1299.027.1285.2312.451398.857.8683.8912.871498.249.2080.2613.641598.0510.2778.3214.541697.8413.1176.8216.2313、1 4、1 5、1 6 k m/h 的播种速度下比无高速导种装置合格率提高1 3.7 9、1 4.9 6、1 7.9 8、1 9.7 3、2 1.0 2 个百分点；变异系数提高5.3 3、5.0 1、4.4 4、4.2 7、3.1 2个百分点，可见装有高速导种装置的播种效果远优于无高速导种装置。6结论（1)以具有纳种机构的带式玉米高速导种装置为研究对象，对其旋夹纳种机理进行分析，建立了拨指轮夹取、转运和排放籽粒过程中籽粒动力学模型，提出在拨指表面添加人字形纹路的改进方法，并明确得出影响纳种稳定性与籽粒进人输种带种腔精准度的主要因素为轮心距、拔指轮转速及拔指长度。(2)单因素试验结果表明，播种作业速度较高时，添加人字形纹路拔指轮纳种合格指数和种腔间隔变异系数均明显优于无人字形纹路拨指轮，证明拔指表面添加人字形纹路可以提高纳种性能。（3）对拨拔指轮改进后的纳种机构进行多因素试验，结果表明，当轮心距为3 6.8 mm、拨指轮转速为584.97r/min、拨指长度为1 0.8 mm时，纳种稳定性及籽粒进人输种带种腔精准度最优，在此条件下，纳种合格指数为9 8.2 3%，种腔间隔变异系数为0.24%。实际结果与优化值差异较小，优化值准确可靠。（4）在优化参数组合条件下，进行台架对比试验，结果表明，有带式玉米高速导种装置的作业性能远优于不安装带式玉米高速导种装置的作业性能。参考文献1王庆杰，曹鑫鹏，王超，等东北黑土地玉米免少耕播种技术与机具研究进展J农业机械学报，2 0 2 1,5 2（1