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| FASE 亮文解读：精量对称指夹式大蒜排种器的优化 |
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论文标题：Optimization of a precision symmetric finger-clamping garlic seed-metering device
期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering
作者：Qian ZHANG, Yongjian WANG , Hua LI, Jifeng GAO, Yuangeng DING
发表时间：15 Dec 2024
DOI：10.15302/J-FASE-2024555
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Dec 2024, Volume 11 Issue 4
▎论文ID
Optimization of a precision symmetric finger-clamping garlic seed-metering device
精量对称指夹式大蒜排种器的优化
文章类型：Research Article
发表年份：2024年
第一作者：张骞
通讯作者：李骅
Email: lihua@njau.edu.cn
作者单位：南京农业大学工学院
Cite this article :
Qian ZHANG, Yongjian WANG, Hua LI, Jifeng GAO, Yuangeng DING. Optimization of a precision symmetric finger-clamping garlic seed-metering device. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(4): 626–641https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024555
· 摘 要 ·
本研究针对大蒜机械化播种过程中存在的质量问题，特别是单粒播种率低的问题，进行了精量对称指夹式大蒜排种器的优化设计。首先，我们依据离散元-多体动力学 (DEM-MBD) 耦合的单因素仿真测试，确定了扰种板的最佳安装角度和取种勺的最优数量，同时分析了取种勺锥度、夹板渐闭角以及种盘转速对装置性能的影响。接着，我们采用二次回归正交旋转组合仿真测试，选取取种勺锥度、夹板渐闭角和种盘转速作为变量，以单粒率、空粒率和多粒率作为评价指标，通过回归模型对参数进行优化。最终，台架测试验证了仿真结果的可靠性。测试结果表明，在取种勺锥度为1.6、夹板渐闭角为21.4°、种盘转速为31.5 r·min−1的最佳参数组合下，装置的单粒率达到94.2%，空粒率为2.1%，多粒率为3.7%。
· 文 章 亮 点 ·
1. 设计了一种精量对称指夹式大蒜排种器。
2. 分析了影响排种器效果的因素。
3. 经过参数优化后，排种器满足了大蒜播种的要求。
· Graphical abstract ·
· 研 究 内 容 ·
▎引言
大蒜是一种具有调味和药用价值的高经济作物，中国在全球大蒜种植面积和出口量上位居首位，但播种工作主要依靠人工，效率较低。在欧美，由于农业操作简单，大多数农场使用勺链式排种器，而中国的大蒜种植需要单粒播种，机械化播种并不普及。此前的研究虽提出了多种大蒜排种器，但存在种子损伤、漏种和机械结构复杂等问题。
许多学者对大蒜排种器进行了研究，提出了多种设计，但这些装置在实际操作中存在种子损伤、漏种和复杂的机械结构等问题。相比之下，指夹式排种器依靠柔性指夹来排放种子，能够提高播种精度，减少种子损伤，已在玉米、土豆等作物播种中得到应用。尽管已有进展，但目前市场上的指夹板大蒜排种器仍存在夹持能力不稳定和种子盒内种子流动性低的问题，这些因素影响了操作质量。
为了解决大蒜播种中的问题，并满足单粒播种的需求，本研究设计并评估了一种精量对称指夹式大蒜排种器。我们对关键部件进行了结构和参数上的优化，分析了种子的装载、夹持及转移过程。通过EDEM-RecurDyn耦合模拟，确定了装置的最佳操作和结构参数，并通过台架测试验证了装置的工作性能。
▎单因素仿真分析
1. 扰种板的安装角度
随着安装角度增加，扰种板的效果减弱，降低了种子群体速度，并增加了种子堆积的可能性 (图1)。这减少了种子填充取种勺的概率，从而降低了排种器的运行性能。基于模拟结果，推荐扰种板的安装角度为30°。
图1 不同扰种板安装角度下种群速率曲线图。
2. 取种勺的数量
取种勺数量增加时，排种器的单粒率先上升后下降，空粒率则先下降后上升。五个取种勺时，取种勺间大间距导致流动稳定性低，单粒率低。八个取种勺时，间距过小，难以及时填充取种勺，增加了空粒率。因此，最佳取种勺数量为六个。
3. 取种勺的锥度
图2显示了排种器在取种勺锥度为1.2、1.4、1.6、1.8和2.0时的单粒率、空粒率和多粒率。取种勺锥度增加时，种子间的相互作用力增加，提高了种子进入取种勺的概率，降低了空粒率，单粒率最初增加。但锥度继续增加时，多粒率上升，导致单粒率下降。因此，后续实验中取种勺锥度的范围限定在1.4至1.8之间。
图2 不同取种勺锥度下各评价指标关系。
4. 夹板渐闭角
图3展示了排种器在夹板渐闭角为10°、15°、20°、25°和30°时的单粒率、空粒率和多粒率。夹板渐闭角增加时，多粒率先降低，单粒率最初增加。但随着角度继续增加，空粒率上升，导致单粒率下降。较小的夹板渐闭角导致过多种子无法及时排出，增加了多粒率。夹板渐闭角增加时，种子离开取种勺的可能性增加，导致空粒率增加。因此，后续测试中夹板渐闭角的范围限定在15°至25°之间。
图3 不同夹板渐闭角下各评价指标关系。
5. 种盘转速
图4显示了排种器在种盘转速为20、25、30、35和40 r·min−1时的单粒率、空粒率和多粒率。种盘转速增加时，多粒率降低，单粒率最初增加。但随着速度继续增加，空粒率上升，最终导致单粒率下降。这表明，种盘转速增加时，种子在装载区域的活动增加，难以在取种勺之间形成种子堆。因此，后续测试中种盘转速的范围限定在25至35 r·min−1之间。
图4 不同种盘转速下各评价指标关系。
▎二次回归正交旋转组合仿真测试
1. 统计分析
使用Design-Expert软件对实验数据进行方差分析 (ANOVA)，结果显示，单粒率 (Y1)、空粒率 (Y2) 和多粒率 (Y3) 的二次回归模型均具有高度统计显著性 (p < 0.01)。拟合不足项不显著 (p > 0.05)。通过剔除模型中的非显著项，我们得到了Y1、Y2和Y3的回归方程：
根据回归方程的系数检验，影响单粒率的主要因素依次为种盘转速、取种勺锥度和夹板渐闭角。取种勺锥度与夹板渐闭角之间，以及取种勺锥度与种盘转速之间存在交互作用，这些交互作用需要被考虑。
影响空粒率的主要因素依次为夹板渐闭角、取种勺锥度和种盘转速。取种勺锥度与种盘转速之间存在交互作用，需考虑这一交互影响。
影响多粒率的主要因素依次为种盘转速、取种勺锥度和夹板渐闭角。取种勺锥度与种盘转速之间存在交互作用，需考虑这一交互影响。
2. 对单粒率的影响
利用Design-Expert 11软件，我们分析了取种勺锥度、夹板渐闭角或种盘转速之间交互作用对单粒率的影响，响应面图详见图5。图5(a) 表明，在种盘转速为30 r·min−1、夹板渐闭角恒定时，取种勺锥度增加，单粒率先增加后降低。取种勺锥度在1.4至1.6、夹板渐闭角在17.5°至22.5°时，单粒率较高。图5(b) 表明，在夹板渐闭角为20°时，取种勺锥度增加，单粒率先增加后降低。取种勺锥度恒定时，种盘转速增加，单粒率先增加后降低。取种勺锥度在1.4至1.6、种盘转速在27.5至32.5 r·min−1时，单粒率较高。图5(c) 表明，在取种勺锥度为1.6时，夹板渐闭角增加，单粒率先增加后降低。夹板渐闭角恒定时，种盘转速增加，单粒率先增加后降低。夹板渐闭角在20°至25°、种盘转速在30至35 r·min−1时，单粒率较高。
图5 交互作用因素对单粒率的影响：(a) 夹板渐闭角与取种勺锥度的关系；(b) 种盘转速与取种勺锥度的关系；(c) 种盘转速与夹板渐闭角的关系。
3. 参数优化
我们建立了优化模型，以确定排种器的最佳参数组合。模型基于边界条件，目标是实现最高的单粒率和最低的空粒率及多粒率：
通过优化排种器的参数，我们得到了性能优化最佳参数组合。取种勺锥度设为1.6，夹板渐闭角设为21.4°，种盘转速设为31.5 r·min−1。在这些设置下，单粒率为94.2%，空粒率为2.1%，多粒率为3.7%。这些评价指标结果优于我们研究小组之前的研究结果。这种方法的优点是能够快速进行分析，不需要考虑所有可能的组合就能得到结果。缺点是只能获得现有数据的最佳组合，而不是其他中间值的最佳组合。
▎台架验证测试
我们对优化后的大蒜排种器进行了台架测试，参数设定为：取种勺锥度1.6，夹板渐闭角21.4°，种盘转速31.5 r·min−1。测试结果显示单粒率93.3%，空粒率2.7%，多粒率4%，符合大蒜播种标准，验证了装置的精确性和仿真结果的准确性。
· 结 论 ·
本研究对一种精量对称指夹式大蒜排种器的结构和工作原理进行了评估，并对其关键部件进行了改进。我们设计了对称的取种勺和扰种板，分析了种子装载过程中的受力情况和夹持动力学，并优化了装置的参数。主要结论如下：
(1) 利用基于DEM-MBD耦合的单因素模拟测试，确定了扰种板的最佳安装角度和取种勺的最优数量，同时分析了取种勺锥度、夹板渐闭角以及种盘转速对装置性能的影响。
(2) 通过优化种子计量参数，我们找到了最佳参数组合：取种勺锥度为1.6，夹板渐闭角为21.4°，种盘转速为31.5 r·min−1。
(3) 台架验证测试证实了这些最佳参数组合的有效性。在这些参数下，装置的操作性能结果显示单粒率为94.2%，空粒率为2.1%，多粒率为3.7%，满足了大蒜播种的精确要求，为设计理想的精量对称指夹式大蒜排种器提供了依据。
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