雙充種室大蒜單粒取種裝置設計與試驗

侯加林，劉全程，李天華，李玉華，婁 偉，耿愛軍※

（1.山東農業大學機械與電子工程學院，泰安 271018；2.山東省農業裝備智能化工程實驗室，泰安 271018；3.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，泰安 271018）

0 引 言

大蒜是中國的重要經濟作物，其種植面積、產量及外貿出口量均居世界首位[1-2]。大蒜機械化播種具有省工、高效、保農時的優點[3-6]，但是現有的播種機械工作時易出現漏播現象。機械化播種作為大蒜全程機械化生產的重要環節，開展基于大蒜“一穴一?！狈N植農藝要求[7]的單粒取種技術研究，是當前大蒜播種機械化發展的重要方向。

栗曉宇等[8-9]提出利用蒜種盒來播種大蒜，需人工將蒜種置于種盒，自動化程度低；李瑞川等[10]研制的WZ-4型大蒜種植機與孫雪[11]設計的大蒜播種機采用扇形轉筒實現單粒取種；梁開星[12]設計了一種氣吸式單粒取種裝置，并發現取種吸盤無法較好適應蒜種復雜外形特征是造成蒜種漏取的主要原因。侯加林等[13]采用“取多留一”的設計原則，研制了爪式循環單粒取種裝置，取種爪容種空間的縮小能將多余蒜種清離只保留一粒蒜種，易造成傷種。李玉華等[14]提出了輪勺式單粒排種裝置，取種勺與異形面結構的取種輪構成容種空腔，漏充率較高。目前，勺鏈式取種的方式在大蒜播種機應用最廣泛[15]，在其他大籽粒種子播種機中也有廣泛應用[16-18]。但是通過取種勺從大蒜種群中主動提取一粒蒜種，具有一定盲目性，且易產生漏充、重種，需要從研究種群運動規律和改進取種方式方面入手，使取種勺取種具有目標性，從而提高充種性能。近年離散單元法作為仿真顆粒物料運動和機械特征可靠的數值技術[19-20]，已經在農業工程領域等獲得廣泛應用[21-27]。

本研究設計了雙充種室大蒜單粒取種裝置，并進行理論分析，確定關鍵部件參數，闡明雙充種室結構提高取種單粒合格率，降低蒜種漏充的機理。利用EDEM軟件進行仿真試驗，分析種群運動規律及不同參數對充種性能的影響，得到第二充種室內充入蒜種與被清掉蒜種的速度變化關系，采用 Box-Behnken中心組合試驗[28]得出最優參數組合，并進行驗證試驗。

1 整機結構與工作原理

雙充種室大蒜單粒取種裝置主要由第一充種室、傳動軸、傳動鏈、鏈輪、取種勺、護種板、第二充種室、導種口等部件組成，如圖1a所示。傳動鏈兩端分別設有鏈輪，由傳動軸輸出動力。工作過程主要分為一次充種，運移，投種，二次充種，重力清種和排種 6個串聯作業階段，如圖1b所示。

作業時，傳動鏈帶動一級取種勺從第一充種室內舀取蒜種，蒜種在自身重力、周圍蒜種群作用力及取種勺作用力的共同作用下充入一級取種勺，一級取種勺舀取蒜種運移至頂端翻越鏈輪，離心力作用下蒜種被拋送進入第二充種室，二級取種勺舀取蒜種，通過協調一、二級取種勺速度，保證第二充種室內蒜種的數量不少于 1粒，若蒜種數量超過1粒，則1粒蒜種在第二充種室的取種勺內，其余蒜種疊放于二級取種勺內蒜種的上側，呈現上下層疊有序擺放姿態，二級取種勺帶動蒜種運移出第二充種室，上層多余蒜種平衡狀態被打破，在重力作用下回落到蒜種箱，完成清種，二級取種勺經導種口處完成蒜種單粒投放。

2 關鍵部件設計

2.1 取種勺

取種勺的結構參數主要取決于蒜種尺寸及充種后蒜種的附著姿態，蒜種在取種勺內的附著姿態可以為平躺、側臥、站立3種姿態，如圖2所示。

研究表明[29]，蒜種穩定充入取種勺的姿態分布概率與其附著姿態的水平截面積成正相關，且概率總和為 1。平躺、站立姿態下的投影截面近似為橢圓形和扇形，滿足如下關系：

式中S1為蒜種平躺姿態下水平截面積，mm2；S2為蒜種側臥姿態下水平截面積，mm2；S3為蒜種站立姿態下水平截面積，mm2；下標0表示各尺寸的平均值。

選取山東省內種植范圍較廣且尺寸等級不同的 3類供試大蒜品種（金鄉、蒼山、白橋大蒜），人工清選后，對每個品種隨機抽取 500粒大蒜測量。利用三豐573-181-20型數顯游標卡尺（量程100 mm，精度0.02 mm）測量供試蒜種的長度l，寬度w，厚度t并計算平均值，得到 3種供試大蒜平均長度l0分別為 32.48、34.26和33.83 mm，平均寬度w0分別為18.94、18.68和20.26 mm，平均厚度t0分別為21.08、20.34和21.45 mm，選擇厚度尺寸作為分級依據[30]，將供試大蒜分為 3個等級，其中Ⅱ級大蒜的占比最高，分別達到60.2%、75.2%和68.4%，具體結果如表1所示。

表1 蒜種尺寸區間Table 1 Overall dimension of garlic seeds

以金鄉大蒜為例，結合式（1）計算得平躺姿態下水平截面積最大，并根據最小勢能原理[4,6]，將平躺姿態作為主要尺寸的設計依據，為保證取種勺能容納 1粒平躺姿態的蒜種，取種勺開口長徑D1應大于蒜種平均長度l0，為避免 2粒站立姿態的蒜種同時充入取種勺，取種勺開口長徑D1應小于2粒蒜種的平均寬度w0之和；為保證蒜種重心在取種勺內，取種勺深度H應大于蒜種平均厚度t0的一半，小于平均長度l0的一半，參照經驗公式[29]取種勺結構尺寸參數應滿足：

式中k1為取種勺開口長徑調節系數，取 1～1.3；k2為取種勺開口短徑調節系數，取1.1～1.3；k3為深度調節系數，取 0.5～0.6；根據式（2）確定取種勺開口長徑、開口短徑和深度分別為35、22和12 mm。

取種勺分布采用傳動鏈與一、二級取種勺前后串聯排列的布置方式，如圖1b所示。參考國內外相關機型傳動鏈傾角一般設置60°～90°，本文為減小取種裝置空間結構和便于蒜種投放，預試驗后確定第一充種區內傳動鏈傾角為 70°，第二充種室內傳動鏈傾角為 65°。理想狀態下，單位時間內第二充種室內傳動鏈取種勺轉過的數量等于所投蒜種的數量，即：

式中v0為播種機前進速度，m/s；v2為第二充種室內傳動鏈線速度，m/s；l為第二充種室傳動鏈取種勺間距，mm；L為蒜種種植間距，mm；山東地區大蒜種植間距L為80～110 mm，播種機前進速度v0為0.06～0.14 m/s[13,15]，根據《農業機械設計手冊》[31]選用滾子鏈（鏈號 12A，節距19.05 mm），取種勺安裝于傳動鏈上，取種勺間距為 8個鏈節（152.4 mm），將上述參數帶入式（3），計算二級傳動鏈線速度，得到二級取種勺速度為0.08～0.25 m/s。

2.2 第一充種室

第一充種室具體結構包括種箱（45#鋼）、取種勺（樹脂）、T型連接鏈板、分流板、鏈輪等部件，如圖3a所示。T型連接鏈板用于固定連接一級傳動鏈和取種勺，結合取種勺尺寸確定凸出板節的長度為7 mm，寬度為5 mm。分流板位于兩行傳動鏈之間固定安裝在隔板上，長度為120 mm。

一級取種勺經鏈輪Ⅰ進入種箱后舀取蒜種，以充入一級取種勺單粒蒜種為研究對象，以蒜種質心為原點，建立坐標系，x方向與慣性離心力同向，y方向垂直于慣性離心力，如圖3b所示，蒜種的受力滿足如下關系：

慣性離心力和蒜種與取種勺摩擦力滿足如下關系：

式中μ為蒜種與取種勺摩擦系數，通過試驗測定μ=0.46。

慣性離心力與支持力夾角的余角滿足如下關系：

結合式（4）～式（6）計算得如下關系：

由式（7）可知，一級傳動鏈線速度與種群橫向合壓力、縱向合壓力有關。種群橫向合壓力和縱向合壓力與種層厚度及流動特性有關；當蒜種的充種位置α一定時，種群橫向合壓力和縱向合壓力增加，線速度隨之增大。

取種勺攜帶蒜種翻越鏈輪進入投種區，如圖3c所示，蒜種與一級取種勺間保持相對平衡且不被甩離的臨界條件應滿足如下關系：

由于第一充種室結構一定，參考鏈輪標準選擇鏈輪半徑為40 mm，種勺旋轉角為30°～100°，結合式（5）求解一級取種勺翻越鏈輪Ⅱ最大臨界速度為0.76 m/s，取種勺速度過快不宜充種[13-17]，參照取種勺布置方式和二級取種勺的速度范圍，保證第二充種室內蒜種的數量不少于1粒，確定一級取種勺間距為二級取種勺間距的一半，其間距為4個鏈節（76.2 mm），一級傳動鏈線速度即一級取種勺速度為0.08～0.25 m/s。

根據農業物料學理論，以種箱底部和側壁相交處為起始點，蒜種休止角斜邊延長線與種箱側壁的接觸點到種箱底部的距離遠小于種層厚度，因此模型定義為深倉型[32]，種箱為不規則形狀，為便于分析與計算，將其簡化成半徑為150 mm的圓柱體，取種箱內微小物料層dj，橫截面積為A，周長為C，物料層受力由垂直壓應力σ1和水平壓應力σ2組成，蒜種的受力平衡方程為

對式（9）兩端積分，代入初始條件y=0，σ1=0得

式中fs為蒜種與種箱（45#鋼）的摩擦系數，試驗測定為0.47；γ為蒜種的重度，kN/m3；K為壓力比；j為種層厚度，cm；Φr為蒜種的休止角，(°)；計算A/C=0.075 m，基于前期研究[30,33]，蒜種容重8.16 kN/m3，將蒜種休止角為26.51°代入式（10），確定壓力比K為 0.383。應用 MATLAB求解式（11）獲得蒜種層厚度與應力關系圖，如圖4所示。隨種層厚度增加，垂直壓應力和水平壓應力逐漸增大，當種層厚度≥150 mm，壓應力逐漸減緩趨于水平，結合種箱空間尺寸，確定種層厚度范圍為150～550 mm（滿倉）。

2.3 第二充種室

第二充種室是保證降低漏充率關鍵結構，主要由鏈條傳輸通道和容種通道及毛刷組成，如圖5所示。容種通道安裝于護種板下側保證順利承接蒜種，依據二級取種勺的間距確定容種通道的長度為130 mm，為保證容種通道內同一平面只有 1粒蒜種，依據取種勺開口長徑尺寸確定直徑為36 mm。依據選取的12A型鏈條尺寸，鏈條傳輸通道的寬度和長度分別設計為20和30 mm。毛刷設置在鏈條傳輸通道和容種通道交界處，二級取種勺運轉時會與毛刷產生摩擦，為增加使用壽命，選用厚度規格為5 mm的毛刷。

作業時，在一級取種勺無重種和無連續漏取蒜種的理想狀態下，二級取種勺從初始位置向上運行。一級取種勺在第一充種室內連續取種 2次，第一次漏取蒜種，第二次單粒取種；第一次投放后，二級取種勺在第二充種室內為無蒜種，第二次投放后，二級取種勺承接單粒蒜種，如圖6a所示。一級取種勺在第一充種室內連續取種 2次，第一次單粒取種，第二次漏取蒜種；第一次投放后，二級取種勺在第二充種室內承接到單粒蒜種，第二次投放后，二級取種勺內沒有蒜種充入，實現單粒播種，如圖6b所示。一級取種勺在第一充種室內連續2次單粒取種，2次投放后，二級取種勺在第二充種室內承接到目標蒜種和多余蒜種，如圖6c所示。

針對工況3，需清掉多余蒜種，保留目標蒜種，在毛刷作用下，多余蒜種處于不穩定的“波動”狀態，在容種通道內產生相對滑移，多余蒜種向遠離毛刷的方向移動，蒜種在容種通道內的受力方程為

式中Ni（i=1，2）為毛刷和目標蒜種對多余蒜種的支持力，N；fi（i=1，2）為毛刷和目標蒜種對多余蒜種的摩擦力，N；ai為多余蒜種的加速度，m/s2；MO3為多余大蒜所受力對蒜種間接觸點O3產生的力矩，N·m；Δω/Δt為多余蒜種的角加速度，rad/s2。

多余蒜種在容種通道內經過“波動”后達到短暫平衡狀態，當一級取種勺攜帶蒜種離開容種通道后，多余蒜種的平衡狀態被打破，在自身重力作用下落入種箱實現清種。結合預試驗發現，一、二級取種勺速度設置不同，第二充種室內二級取種勺在容種通道承接蒜種位置則不同，清種效果也不同，本文定義一級取種勺速度與二級取種勺速度的比值為取種速比，根據一、二級取種勺速度的范圍，確定取種速比為0.5～1。

3 EDEM離散元仿真

綜上分析，確定一級取種勺速度（0.08～0.25 m/s）、種層厚度（150～550 mm）和取種速比（0.5～1）為主要影響因素；為了進一步優化參數，采用EDEM軟件進行離散元單因素試驗仿真分析。

3.1 仿真模型

為便于分析，減少計算量，將雙充種室大蒜單粒取種裝置三維模型精簡后以.igs格式導入 EDEM軟件中。以金鄉大蒜為研究對象，根據測量尺寸，采用多球面填充方式建立蒜種顆粒模型，選擇Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為顆粒間及顆粒與取種裝置間的接觸模型，蒜種顆粒與種箱（45#鋼）碰撞恢復系數、靜摩擦系數和滑動摩擦系數分別為0.427，0.473和0.203；蒜種顆粒與取種勺（樹脂）碰撞恢復系數、靜摩擦系數和滑動摩擦系數分別為0.432，0.466和0.214，基本仿真參數如表2所示[6,13,34]。采用Random分布隨機生成蒜種，分布系數為蒜種模型大小的0.9～1.1倍。傳動鏈帶動取種勺運動并實現蒜種充種的動作主要應用Add Kinematic模塊中的Add Linear Translation和Add Linear Rotation指令。

表2 離散元模型基本仿真參數Table 2 Basic parameters of discrete element model

3.2 試驗因素與評價指標

試驗參考《GB/T6973—2005單粒（精密）播種機試驗方法》[35]和《DB37/T3705—2019大蒜播種機通用技術規范》[36]，為便于觀察仿真過程中蒜種運動形式，設置取種裝置以實體模型形式顯示。

單粒合格率、漏充率、重播率計算方法如下：

式中N1為取種勺內只有1粒蒜種；N0為取種勺投放蒜種的總次數。

式中N2為取種勺內沒有蒜種。

式中N3為取種勺內有2?；?粒以上蒜種。

3.3 單因素仿真試驗

3.3.1 一級取種勺速度對充種性能的影響

研究一級取種勺速度為0.07、0.10、0.13、0.16、0.19、0.22、0.25 m/s情況下對各指標的影響，需固定種層厚度值。由于種層過厚重播率增加，過低漏充率增加，因此仿真設置生成種層厚度為350 mm。動態顆粒工廠蒜種的生產率分別設置為 0.02、0.028、0.036、0.044、0.052、0.06、0.068 kg/s，維持不同取種勺速度取種后種層厚度的穩定。記錄穩定工作狀態下100次一級取種勺取種過程，重復3次，結果取均值，應用后處理 Setup Selections模塊下的Geometry Bin，輸出7個水平沿傳動鏈運動方向下與接觸傳動鏈蒜種群的平均速度，結果如圖7所示。隨著一級取種勺速度增大，種群的平均速度變大，漏充率先降后升，重播率降低；當一級取種勺速度為0.13 m/s時，漏充率較低。一級取種勺速度較小時，接觸傳動鏈蒜種群與一級取種勺的速度差值小，種群活躍度低，重播率高；一級取種勺速度較高時，充種時間縮短導致漏充率變高。

一級取種勺速度為0.13 m/s時，蒜種運動狀態如圖8所示。由圖可知，一級取種勺攜帶蒜種向上運動時，沿傳動鏈運動方向的蒜種群被攪動，向種箱邊緣區域流動（狀態 1），該區域種群速度小于一級取種勺速度，產生一定速度差，保持種群流動性；當一級取種勺離開種群后，種群活躍度增加，位于種箱邊緣區域的蒜種呈現迅速回填趨勢（狀態2），蒜種孔隙率降低，充種性能提高。

3.3.2 種層厚度對充種性能的影響

根據一級取種勺速度對充種性能的影響分析，取一級取種勺速度為0.13 m/s，種層厚度設置為150、250、350、450、550 mm共5個水平分析種層厚度對充種性能的影響。設置動態顆粒工廠以生產率0.036 kg/s生成下落蒜種，維持取種時種層厚度的穩定。結果如表3所示。由表3可知，隨著種層厚度的增加，單粒合格率先增大后減小，漏充率逐漸減小，重播率逐漸增加；當種層厚度過低時，漏充率增大且出現了連續漏充的現象，不利于第二充種室的充種。綜合比較，較優種層厚度為350 mm。

表3 不同種層厚度的評價指標仿真結果Table 3 Simulation results of evaluation indicator for different seed layer thicknesses

3.3.3 取種速比對充種性能的影響

根據一級取種勺速度、種層厚度對充種性能的影響分析，取一級取種勺速度為0.13 m/s，種層厚度為350 mm；二級取種勺速度選0.13、0.15、0.17、0.20和0.25 m/s，對應取種速比分別為 1.00、0.88、0.76、0.64和 0.52，以下落至第二充種室目標蒜種和多余蒜種為研究對象進行仿真試驗，應用EDEM后處理Setup Selections模塊下Manual Selection功能，輸出不同取種速比下蒜種的平均速度。

一級取種勺將蒜種投放進入第二充種室的容種通道內，下落蒜種的速度逐漸增大并到達峰值，傳動鏈帶動二級取種勺上升并承接到下落的蒜種，此時蒜種速度驟降，穩定后同二級取種勺勻速向上運動，其運動過程如圖9所示。取種速比較小時，蒜種與二級取種勺的接觸時間短，二級取種勺攜帶蒜種在容種通道時間增長。

圖10為不同速比下被清掉多余蒜種的速度變化曲線，由圖10可知，當取種速比為0.52時，1.85～2.4 s為多余蒜種與目標蒜種一同疊放在二級取種勺向上運動的時間段，此過程時間長，多余蒜種的速度處于較為穩定的階段，清種能力較弱；當取種速比為0.76時，1.96～2.08 s為多余蒜種與目標蒜種一同疊放在二級取種勺內向上運動的時間段，此過程多余蒜種的速度呈現波動，表明多余蒜種處于不穩定的狀態，易被清掉，2.08～2.36 s為多余蒜種被清掉回落到種箱的時間段，曲線呈現“雙峰”狀態，清種效果較優；當取種速比為1時，沒有多余蒜種和目標蒜種疊放在二級取種勺內向上運動的過程，表明此取種速比下，多余蒜種未充入第二充種室，若此時一級取種勺內沒有蒜種投放，第二充種室內出現漏充現象。

4 臺架試驗

4.1 試驗材料與設備

為了測試取種裝置性能，采用自制的試驗臺架在山東農業大學農機107實驗室進行臺架試驗，如圖11所示。試驗材料選擇山東地區廣泛種植的金鄉大蒜，蒜種含水率為48.7%，單粒蒜種質量為4.5～9 g。取種裝置固定在安裝架上，交流齒輪調速電機（轉速0～54 r/min連續可調）通過交流調速器控制一二級取種勺速度，單粒合格率、漏充率、重播率之和為 100%[14]，已知單粒合格率、漏充率，可求得重播率，取種裝置設計的核心目是提高蒜種單粒合格率減少漏充率，因此以單粒合格率和漏充率作為衡量取種裝置工作性能的評價指標，待取種裝置工作穩定后，統計取種裝置上二級取種勺500次投種情況，每組試驗重復3次，結果取均值。

4.2 試驗方法

依據前期試驗，選擇一級取種勺速度X1、取種速比X2、種層厚度X3為試驗因素，依據Box-Behnken試驗設計方法[28]，進行三因素三水平正交試驗，試驗因素和水平如表4所示。

表4 試驗因素和水平Table 4 Factors and levels of test

4.3 試驗結果與分析

4.3.1 試驗結果

試驗方案及結果如表5所示，運用Design Expert 8.0.6數據分析軟件對試驗數據進行多元回歸擬合分析，得到蒜種單粒合格率y1、漏充率y2的回歸方程為

表5 試驗方案與結果Table 5 Experiment design and results

試驗結果及回歸方程的方差分析結果見表6。由表6得，單粒合格率、漏充率的回歸模型擬合度極顯著（P＜0.01），且各回歸模型失擬項不顯著，表明回歸模型擬合度高；決定系數分別為0.970 8和0.983 4，表明回歸模型對樣本數據解釋程度高達 97%以上，模型信噪比分別為 14.491和18.475，均大于4，表明模型較優可以用于參數優化。由方差分析知，試驗因素對單粒合格率影響順序依次為X3＞X1＞X2，試驗因素對漏充率的影響順序依次為X1＞X3＞X2。

表6 回歸模型方差分析Table 6 Variance analysis of regression model

4.3.2 響應面分析

依據單粒合格率和漏充率回歸模型，將其中2個試驗因素置于0水平，分析其他因素對試驗指標的影響，繪制響應面圖，如圖12所示。由圖12a知，種層厚度處于 0水平（350 mm），當取種速比一定，單粒合格率隨著一級取種勺速度的增加先增大后減??；當一級取種勺速度一定，單粒合格率先隨著取種速比的增加先增大后減小。由圖12b知，取種速比處于0水平（0.76），當一級取種勺速度一定，單粒合格率隨著種層厚度的增加先增大后減??；當種層厚度一定，單粒合格率隨著一級取種勺速度的增加先增大后減小。

由圖12d知，種層厚度處于0水平（350 mm），當取種速比一定，漏充率隨著一級取種勺速度的增加先減小后增大；當一級取種勺速度一定，漏充率隨著取種速比的增加先減小后增大。由圖12e知，取種速比處于 0水平（0.76），當一級取種勺速度一定，漏充率隨著種層厚度的增加而減??；當種層厚度一定，漏充率隨著一級取種勺速度的增加先減小后增大。由圖12f知，一級取種勺速度處于0水平（0.13 m/s），當取種速比一定，漏充率隨著種層厚度的增加而減??；當種層厚度一定時，漏充率隨著取種速比的增加先減小后增大。

4.3.3 參數優化與試驗驗證

為了使試驗臺達到最佳工作性能，對試驗中的影響因素進行優化，目標函數與約束條件為

利用Design-Expert軟件對參數進行最優化求解，得到最佳參數組合：一級取種勺速度為0.12 m/s、取種速比為0.75、種層厚度為372.68 mm，模型預測單粒合格率為95.23%，漏充率為1.17%，重播率為3.6%。播種時種層厚度實時變化，圓整后，一級取種勺速度取0.12 m/s、取種速比取0.75，以種層厚度最佳值370 mm為中心，10 mm為1個水平，種層厚度范圍為290～450 mm開展試驗，重復 3次結果取平均值，其中各個評價指標的變化規律與圖11反映規律一致且當種層厚度范圍為360～390 mm時作業效果最優，單粒合格率、漏充率及重播率均值分別為95.38%、1.18%、和3.44%，單粒合格率、漏充率及重播率變異系數分別為 0.32%、6.11%、4.15%；表明種層厚度在360～390 mm內取種裝置的性能差異不大，結果與模型預測結果相對誤差小于5%。

4.3.4 蒜種機械破損率與品種適應性試驗

選取最優工作參數組合，進行蒜種機械破損率試驗，蒜種凈度100%，蒜種外觀無損傷，根據《DB37/T3705 —2019大蒜播種機通用技術規范》[36]和《GB/T 5262—2008農業機械試驗條件》[37]，按式（19）計算蒜種機械破損率。

式中Pj為蒜種機械破損率，%；Py為蒜種原始破損率，%；Wp為導種口排出蒜種樣本中破損蒜種質量，g；Wz導種口排出蒜種樣本總質量，g。接取從導種口排出的蒜種，每次試驗取樣1 000粒大蒜，重復3次試驗，結果取平均值；人工測量記錄排出蒜種質量均值為5 727.94 g，破損蒜種質量均值為 29.79 g，計算蒜種機械破損率均值為0.52%，符合標準要求。

在人工分選蒜種等級后，更換不同種類大蒜對應尺寸的取種勺，取種勺采用3D打印，相同試驗條件下對3個品種大蒜Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等級的蒜種分別進行品種適應性試驗，重復3次取平均值，試驗結果如表7所示。

表7 品種適應性試驗結果Table 7 Results of variety adaptability test

由表7可知，最佳參數組合條件下，取種裝置對 3個品種的大蒜具有較好的適應性，各項作業指標差別較小，且3個大蒜品種中對Ⅱ級蒜種適應性最好。

4.4 田間試驗

將排種器組裝在手扶式大蒜播種機上，配套動力為154F汽油發動機。2020年10月，在山東省濟寧市金鄉縣卜集鎮進行田間試驗，如圖13所示。試驗材料為金鄉大蒜分級后的Ⅱ類大蒜，試驗地土壤類型為壤土，取一級取種勺速度為0.12 m/s、取種速比為0.75、種層厚度范圍為360～390 mm，種箱內壁設有刻度線，人跟隨機器一同前進，當種層厚度低于360 mm的刻度線時，由人工向種箱內添加蒜種，始終保持種層厚度在360～390 mm刻度線以內。機器穩定工作后，隨機選取3組，每組行進5 m距離統計1次插播穴內種植情況，取平均值計算評價指標。最佳參數組合的作業工況下，單粒合格率為95.85%，漏充率為1.2%，重播率為2.95%，播種效率為0.035～0.055 hm2/h。試驗結果相對于臺架驗證試驗，單粒合格率和漏充率相對誤差小于 5%，重播率相對誤差較高，主要是由于田間作業時，土地不平整且機器作業相對于試驗臺架產生的振動較大。本研究取種裝置與現有大蒜單粒取種裝置[13-15]的作業性能對比如表8所示。由表8可知，雙充種室取種裝置相較于爪式循環、勺鏈式取種裝置[13,15]田間試驗的（蒼山大蒜）單粒合格率分別提高2.75%、1.05%，漏充率分別降低2.6%、0.8%，重播率分別降低0.15%、0.25%；相較于輪勺式取種裝置[16]室內臺架試驗（金鄉大蒜）的單粒合格率提高4.75%，漏充率和重播率分別降低4.3%和0.45%。

表8 取種裝置作業性能對比Table 8 Operation performance comparison of seed metering device

5 結 論

1）設計了雙充種室大蒜單粒取種裝置，采用一、二級取種勺前后串聯排列的方式，通過離散元仿真軟件EDEM 進行了單因素仿真試驗，研究一級取種勺速度、種層厚度參數對取種效果的影響，明晰了雙充種室取種、清種的內在機理，確定了合理的取種速比，保證了一、二級取種勺協調取種，使第二充種室內蒜種數量不少于1粒，可有效實現單粒取種、降低蒜種漏充率。

2）采用Box-Behnken中心組合設計方案建立了以單粒合格率和漏充率為評價指標的響應面回歸模型，通過方差分析，得出了一級取種勺速度、種層厚度、取種速比對評價指標的影響規律；圓整后優化參數組合：一級取種勺速度為0.12 m/s、取種速比為0.75、種層厚度范圍為 360～390 mm，作業性能最優，此時取種裝置的單粒合格率為95.38%，漏充率為1.18%，重播率為3.44%。

3）蒜種機械破損率試驗表明，蒜種機械破碎率為0.52%，符合標準要求；品種適應性試驗結果表明取種裝置對 3類供試大蒜中Ⅱ級蒜種具有較優適應性；開展了田間試驗，田間試驗結果滿足作業要求，作業效果優于現有爪式循環、勺鏈式、輪勺式大蒜單粒取種裝置。