氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器設計與試驗

倪向東 徐國杰 王 琦 彭曉睿 王 劍 胡 斌

(石河子大學機械電氣工程學院， 石河子 832003)

引言

在棉花生產(chǎn)過程中，播種是最重要的環(huán)節(jié)之一。精密播種不僅可以節(jié)省大量種子，減輕人員勞動強度，而且可以增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益[1-4]。

精密排種器作為播種機的核心部件，其性能的好壞直接影響著播種機的播種質(zhì)量。氣吸式排種器具有對種子形狀尺寸要求不高、適應性好、傷種率低、作業(yè)速度較高等優(yōu)點，在播種領域得到了廣泛的研究與應用[5-6]。在國外，SINGH等[7-9]對氣吸式排種器播種棉花、芥菜和花生等種子時的結構參數(shù)和工作參數(shù)進行了優(yōu)化。KARAYEL等[10]研究建立了氣吸式排種器氣室真空度與千粒質(zhì)量、投影面積、球形度和密度等種子物理特性參數(shù)之間的回歸方程。YAZGI等[11]運用響應曲面法對影響氣吸式排種器排種均勻性的吸孔直徑、吸盤轉(zhuǎn)速和氣室壓力等參數(shù)進行了優(yōu)化。在國內(nèi)，王朝輝[12]研制了一種氣吸滾筒式超級稻育秧播種器，并開展了滾筒轉(zhuǎn)速、真空度、吸孔直徑和種盤振動頻率等因素對排種性能影響的試驗研究。李耀明等[13]利用振動技術改善了氣吸滾筒式精密排種器的充種性能。張順等[14]研制了一種氣吸滾筒式水稻直播精量排種器，開展了窩眼形狀、滾筒轉(zhuǎn)速、氣室真空度和清種氣流強度對排種性能影響的試驗研究。高筱鈞等[15]研制了一種中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器，并開展了負壓、前進速度和吸種角度等因素對排種性能的試驗研究。

針對氣吸式棉花精密排種器配套輸氣管路結構復雜、能耗大以及排種單體只能實現(xiàn)單行播種等問題[16]，采用陣列吸孔吸種、側向氣吹清種等方式，設計一種氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器，開展?jié)L筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑、氣室負壓對排種器排種性能影響的試驗研究，尋求試驗因素間的最佳參數(shù)組合，并進行排種適應性試驗，為氣吸滾筒式棉花精密排種器的設計提供參考。

1 排種器結構與工作原理

1.1 總體結構

氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器結構如圖1所示，主要由滾筒、氣吹裝置、陣列吸孔、空心軸、鏈輪、種箱、隔壓板及投種器等組成。

圖1 氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic cylinder array seed-metering device1.滾筒 2.氣吹風嘴 3.陣列吸孔 4.空心軸 5.鏈輪 6.角度調(diào)節(jié)板 7.風嘴傾角調(diào)節(jié)裝置 8.負壓室 9.種箱 10.第一隔壓板 11.隔壓室 12.第二隔壓板 13.投種器 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

1.2 工作原理

當排種器工作時，風機通過空心軸上的通孔，不斷地吸走滾筒內(nèi)的空氣，形成負壓氣室，使負壓氣室對應的滾筒吸孔兩端產(chǎn)生負壓差。滾筒在鏈輪帶動下繞空心軸轉(zhuǎn)動，當滾筒轉(zhuǎn)入充種區(qū)時，種子在吸孔負壓的作用下被吸附在滾筒吸孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動，當滾筒轉(zhuǎn)動到隔壓室時，隔壓板隔絕了滾筒內(nèi)的負壓，種子失去了負壓對其的吸附作用力，在重力、離心力和投種器的作用下，落入投種孔，最后下落到種床，完成精密排種過程。

2 關鍵部件結構設計

2.1 滾筒結構設計

滾筒大小是排種器的重要參數(shù)之一，直接決定著排種器的尺寸、轉(zhuǎn)速、吸孔數(shù)量、壓力、動力消耗等參數(shù)。

排種器正常工作時，排種滾筒的排量Qm與播種機速度vm之間的關系為

(1)

式中Qm——滾筒排量，穴/s

vm——播種機前進速度，m/s

vg——滾筒線速度，m/s

l——株距，md——吸孔直徑，m

Δl——吸孔間隔墻寬，m

由式(1)可得

(2)

式中Dg——滾筒直徑，m

Z——周向吸孔數(shù)量

n——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

由式(2)可知，株距和播種機前進速度一定時，滾筒線速度vg與滾筒直徑Dg成正比，與吸孔數(shù)量Z成反比。在充種范圍一定時，增大滾筒直徑，可以增加吸孔數(shù)量，降低滾筒轉(zhuǎn)速，提高充種概率，但滾筒直徑增大，相應的負壓氣室空間將增大，所需風量增加，導致風機功率和能耗增加。在允許范圍內(nèi)盡可能選取適宜的直徑，并盡可能增加吸孔數(shù)量?，F(xiàn)有氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑一般在140～260 mm之間，對于大粒徑種子，滾筒直徑相對較大。本文播種對象為棉花種子，綜合考慮其播種性能要求及動力消耗，選擇滾筒直徑為Dg=250 mm。

2.1.1棉花種子的幾何特性

種子的形狀和幾何尺寸直接決定了排種器關鍵部件的結構參數(shù)。棉花種子經(jīng)過脫絨、包衣處理后，表面光滑，形狀不規(guī)則，近似為卵形，一頭大，一頭小，重心靠近大頭。隨機選取新陸早48號、新陸早52號、新陸早60號3種棉花種子各200粒，測量每粒種子的長、寬、厚三軸尺寸，對種子的三軸尺寸進行統(tǒng)計分析，確定種子幾何尺寸分布，其幾何尺寸如表1所示。

表1 棉花種子幾何尺寸Tab.1 Size of cotton seed mm

2.1.2吸孔結構和位置設計

選擇合理的孔徑是保證排種器正常工作的必要條件。吸孔直徑取決于種子幾何尺寸等物料特性，一般來說，幾何尺寸越大的種子，對應的吸孔直徑越大。吸孔直徑d選取參照經(jīng)驗公式[17]

0.64b≤d≤0.66b

(3)

式中b——種子平均寬度，mm

根據(jù)表1，確定吸孔直徑范圍為3.0～4.0 mm。

在滾筒直徑一定的條件下，其周向吸孔數(shù)越多，滾筒線速度越低，充種性能越好，因此滾筒上的吸孔數(shù)量盡可能多，但滾筒周向相鄰吸孔之間的弧長Δl1不能小于兩粒種子的最大尺寸，即

Δl1≥2lmax

(4)

式中 Δl1——滾筒周向兩吸孔中心之間的弧長，mm

lmax——種子最大尺寸，mm

試驗種子最大長度均小于12 mm，確定滾筒吸孔周向數(shù)目Z=30個，則Δl1=26 mm，滿足式(4)。

為提高播種效率和降低能耗，設計滾筒軸向吸孔數(shù)量為6排的陣列式結構，即實現(xiàn)“一器六行”的播種作業(yè)。

如圖2所示，為滿足“單粒精播、雙粒精播、單雙粒交替(即單粒-雙粒-單粒)”的不同農(nóng)藝要求，設計陣列式吸孔結構，即在滾筒圓周方向上設計為單孔、雙孔和單雙孔交替3種排列方式，以滿足不同的播種要求。其中同排兩吸孔之間的距離Δl2不能小于兩粒種子的最大尺寸，即

Δl2≥2lmax

(5)

式中 Δl2——同排吸孔中心之間的距離，mm

綜合考慮，確定滾筒長度為700 mm。

圖2 3種陣列吸孔結構示意圖Fig.2 Structure diagrams of three kinds of array pneumatic suction

2.2 負壓腔設計

負壓區(qū)域的大小直接影響著風機功率和能耗。在保證排種性能的前提下，盡可能設計較小的負壓區(qū)域。負壓區(qū)域設計與種子面的高度直接相關，研究表明：滾筒式排種器的種子面最佳高度為高于排種器軸線2～3層種子[18]。如圖3所示，種子面高度與排種器軸線距離為H，則

(2～3)c≤H≤(2～3)a

(6)

式中a——種子平均長度，mm

c——種子平均厚度，mm

以新陸早48號種子為播種對象，根據(jù)表1計算可得，9.64 mm≤H≤26.82 mm。滾筒半徑為Rg=125 mm，根據(jù)幾何關系，則吸種起始角θ0為

(7)

計算得6°≤θ0≤12°。第一隔壓板與水平軸線的夾角φ應小于最小吸種起始角，取夾角φ=5°。

圖3 負壓腔結構示意圖Fig.3 Structure diagram of vacuum cavity

在重力和離心力的作用下，種子在投種區(qū)弧段與水平面成σ角位置下落，如圖4所示。為保證種子準確投種，當種子下落到投種孔豎直位置時，若此時種子落到投種接受區(qū)域則能正常投種，若種子落到接受區(qū)域左側則不能正常投種。以種子質(zhì)心為原點，建立直角坐標系Oxy，研究質(zhì)量為m的種子運動軌跡。

圖4 投種過程示意圖Fig.4 Diagram of seed in dropping phase

投種過程種子運動軌跡為

(8)

(9)

初始條件，當t=0時

(10)

(11)

對式(8)、(9)進行積分，結合初始條件可知

xs=v0tsinσ

(12)

(13)

式中v0——種子運動沿滾筒切向的初速度，m/s

xs——種子運動水平方向上的位移，mm

ys——種子運動豎直方向上的位移，mm

投種接受區(qū)域是以A為中心的矩形孔，根據(jù)安裝要求，A點與滾筒水平中心線和豎直中心線的距離分別為Hx=100 mm，Hy=100 mm。為保證投種順利，當種子落入投種架接受區(qū)域時，ys=Ly，xs-(Lx-Δx/2)>0。由幾何關系得：Lx=Rgcosσ-Hx，Ly=Hy-Rgsinσ，投種矩形孔寬度Δx=40 mm。滾筒線速度v0為0.2～0.3 m/s，取σ=30°，能夠保證種子落入投種孔。

2.3 側向氣吹清種裝置設計

通過前期試驗研究發(fā)現(xiàn)，種子被吸附時主要存在“平躺”、“側臥”和“豎立”3種姿態(tài)，其中“豎立”狀態(tài)的種子，是因為棉花種子受到吸力吸附時，運動阻力最小的尖部被吸孔吸附，種子尖部占據(jù)了吸孔絕大部分面積，阻礙其他種子被吸孔吸附，基本能保持單粒吸附狀態(tài)。而絕大多數(shù)的“一孔多種”現(xiàn)象，以多粒種子“平躺”或“側臥”簇聚狀態(tài)出現(xiàn)，是因為吸孔吸附多粒種子時，存在“同時吸附”和“先后吸附”兩種形式，進而多呈現(xiàn)出左右和前后簇聚吸附狀態(tài)。在氣流直吹的作用下，前粒種子對后粒種子產(chǎn)生耦合作用，容易導致多粒種子被同時清除，造成漏播。因此本文結合氣力式清種的優(yōu)點，設計了一種側向氣吹式清種裝置，以較小的穩(wěn)定氣流側向精確吹除吸附狀態(tài)不穩(wěn)定的種子，以獲得良好的清種效果。

當滾筒轉(zhuǎn)入清種區(qū)內(nèi)，被吸附的多粒種子處于吸孔負壓和清種氣流共同作用的復雜氣流場中，在側向氣吹氣流的作用下，靠近吸孔中心的種子占據(jù)了吸孔的大部分面積，比周圍種子受到更大的吸附力而牢固地吸附在吸孔上，其余吸附狀態(tài)不穩(wěn)定的種子被吹回種箱，吸孔處只保留1粒種子，清種過程如圖5所示。

圖5 清種過程示意圖Fig.5 Diagram of seed in clearing phase

清種在充種穩(wěn)定后進行，為了保證被清除的種子順利落回種箱，最大清種角度必須小于(90-φg)，φg為種子與滾筒的摩擦角，一般18°≤φg≤25°，取θ≤65°。種子隨滾筒做勻速圓周運動，根據(jù)達朗貝爾原理，將動力學問題轉(zhuǎn)化為靜力學問題求解。在清種區(qū)域，單粒種子被吸附的受力分析如圖6所示，臨界狀態(tài)下平衡方程為

(14)

式中FQ——種子所受的吸附力，N

fg——滾筒對種子的摩擦力，N

G——種子的重力，N

Ng——滾筒對種子的支持力，N

ω——滾筒轉(zhuǎn)動角速度，rad/s

k——綜合比例系數(shù)，棉花種子k取0.35～1.55[18]

Δp——吸孔內(nèi)外側壓差，Pa

θ——種子的吸種夾角，(°)

則吸孔吸附單粒種子不被吹落的條件為

Fc≤fg=Gcosθ

(15)

式中Fc——種子所受的氣吹力，N

多粒種子被吸附時，每粒種子只占據(jù)了吸孔面積的一部分，占據(jù)面積越小的種子，吸附力越小，越容易被吹除。吸附狀態(tài)不穩(wěn)定種子被吹落的條件為

(16)

式中μ——被吸附種子所占據(jù)的吸孔面積與整個吸孔截面積的比值，一般種子被吹除的條件為μ<1/2

圖6 清種過程受力分析圖Fig.6 Force analysis diagrams of seed in clearing phase

由式(16)可知，負壓越大，滾筒轉(zhuǎn)速越低，吸孔直徑越大，所需氣吹力越大。側向氣吹清種裝置采用漏斗形風嘴，據(jù)研究表明，漏斗形風嘴的孔徑dw應小于種子平均長度[18]，本文取dw=5 mm。結合相關研究，通過預試驗，在氣室負壓為3.0～4.5 kPa，滾筒轉(zhuǎn)速為12～18 r/min，吸孔直徑為3.2～3.8 mm時，清種氣流強度為11 m/s，傾斜角度為45°，噴嘴與吸孔的間隙為24 mm，清種效果較佳。

3 排種器充種過程分析

3.1 種子在充種過程中的運動分析

充種過程是排種器工作的基礎保證，排種器工作性能直接受種子充種性能的影響。在充種過程中，種子的運動過程主要分為2個階段：種子受到繞流阻力的作用，從種子群中分離出來，從靜止加速到與滾筒相對靜止的過程；種子被吸附在滾筒吸孔上相對靜止，隨滾筒一起轉(zhuǎn)動的過程[19-20]。

3.2 種子在第一階段的力學分析

種子被吸附的過程時間較短，且受力情況復雜，時變性強，為便于分析，忽略影響吸附過程中的次要因素，在建立力學模型前作如下假設：①吸附過程時間極短，作用在種子上的吸附力方向和大小不變。②在吸附過程中，空氣阻力相對自身重力、吸附力較小，忽略空氣阻力對吸附過程的影響。假設種子處于從靜止到加速運動的臨界狀態(tài)，可根據(jù)靜力學平衡條件聯(lián)立方程進行求解。選擇表層單粒種子為研究對象，進行受力分析，種子的受力分析如圖7所示，平衡方程為

(17)

式中 ∑FX——種子在X方向上所受的合力，N

∑FY——種子在Y方向上所受的合力，N

Nq——種群對種子的支持力，N

fq——種群對種子的摩擦力，N

FQ1——種子在第一階段所受的吸附力，N

α——種群對種子支持力與水平方向的夾角，(°)

φq——種子的自然休止角，(°)

圖7 種子在第一階段的受力分析圖Fig.7 Force analysis diagram of seed in the first phase

種子能被吸附的條件為

FQ1≥Ng-Nqcos(α+θ)-fqsin(α+θ)-Gsinθ

(18)

種子之間的相互作用力相對于吸附力、支持力和重力很小，可以近似忽略，式(18)簡化為

(19)

根據(jù)球體繞流阻力理論，吸附力為

(20)

式中Cd——阻尼力因數(shù)

A——種子在垂直于氣流速度方向上的投影面積，m2

ρ——空氣密度，kg/m3

v——氣流速度，m/s

為提高計算精度，將棉花種子簡化為橢球體，種子在種箱內(nèi)的姿態(tài)是隨機的，所以種子在氣流方向上的投影面積在一定范圍內(nèi)，其最大值與最小值分別為

(21)

(22)

式中Amax、Amin——種子在氣流方向上的最大和最小投影面積，mm2

L1、L2——種子投影面橢圓長軸和短軸長度，mm

為了保證可靠吸種，取其最小值Amin作為投影面積，則式(20)可以寫為

(23)

研究表明，吸孔氣流場的分布是放射狀的圓錐體。以錐頂為中心的球面上，氣流速度大小相同。設錐角為2γ，距錐頂中心為x處的錐面面積為：A=2πx2(1-cosγ)[21]，則x處的氣流平均速度為

(24)

式中Q——距錐頂x處錐面的氣流量，m3/s

x——與錐頂?shù)木嚯x，mm

則吸附力可以表示為

(25)

吸附條件為

(26)

由式(26)可知，影響種子吸附過程的主要因素有：種子物料特性(Cd、L2、G)、與錐頂?shù)木嚯x(x)、種子與滾筒的摩擦角(φg)、氣流參數(shù)(ρ、Q)、吸孔結構(γ)等。種子吸附力FQ1的大小與Q平方成正比，與錐頂?shù)木嚯xx四次方成反比。即氣流量越大，種子與錐頂?shù)木嚯x越小，則吸附力越大。吸附力過大，利于吸種，但易造成重播。

3.3 種子在第二階段的力學分析

在種子被吸住后，種子與滾筒相對靜止，隨滾筒一起轉(zhuǎn)動，受力情況發(fā)生了兩方面的變化：種子所受的吸附力由繞流阻力變?yōu)槲棕搲翰町a(chǎn)生的吸附力；種子隨滾筒一起轉(zhuǎn)動產(chǎn)生了離心慣性力。由于種子隨滾筒做勻速圓周運動，可根據(jù)力學平衡條件建立方程進行求解。種子的受力分析如圖8所示，平衡方程為

(27)

式中FQ2——吸孔負壓差產(chǎn)生的吸附力，N

β——吸附力與水平方向的夾角，(°)

圖8 種子在第二階段的受力分析圖Fig.8 Force analysis diagram of seed in the second phase

種子能被吸孔吸附隨滾筒一起轉(zhuǎn)動的條件為

(28)

在第二階段，種子所受的吸附力為吸孔負壓差產(chǎn)生的吸附力，計算公式為

(29)

種子能被吸孔吸附帶出的條件為

(30)

由式(30)可知，種子能否隨滾筒一起轉(zhuǎn)動，與負壓差Δp、吸孔直徑d、種子物料特性(k、m)、滾筒角速度ω、滾筒半徑Rg等因素有關。種子所受吸附力FQ2與負壓差Δp、吸孔直徑d平方成正比。負壓差和吸孔直徑越大，產(chǎn)生的吸附力越大。轉(zhuǎn)速越大,質(zhì)量越大,所需吸附力越大。

4 排種器性能試驗

4.1 試驗準備

試驗材料為新陸早48號、新陸早52號、新陸早60號，均經(jīng)過脫絨、包衣處理，經(jīng)過人工精選，無破碎，含雜率小于0.1%，均干燥，含水率均小于5.6%。隨機選取3種棉花種子進行物料特性測定，每組試驗測定10次，取平均值。棉花種子的物料特性如表2所示。

試驗地點為石河子大學排種器性能檢測實驗室，在JPS-12型排種器性能檢測試驗臺上進行試驗，微型壓力表測量負壓，試驗臺如圖9所示。

表2 棉花種子的物料特性Tab.2 Physical characteristics of cotton seed

圖9 氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器試驗臺Fig.9 Experiment table of pneumatic cylinder array seed-metering device1.氣吸滾筒陣列式精密排種器 2.微型壓力表 3.風機 4.JPS-12型排種器性能檢測試驗臺

4.2 試驗方法

4.2.1試驗因素的選取

根據(jù)理論分析和預試驗，確定影響氣吸滾筒陣列式精密排種器工作性能的主要影響因素及水平范圍為：滾筒轉(zhuǎn)速,12～20 r/min；吸孔直徑，3.0～4.0 mm；負壓，3.0～5.0 kPa。

4.2.2試驗指標的選取

試驗依據(jù)文獻[22]，連續(xù)記錄油帶上由排種器穩(wěn)定工作時排出的250穴種子中每穴的粒數(shù)和穴距，重復3次。選用合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)作為試驗指標。各試驗指標的計算公式分別為：

合格指數(shù)

(31)

漏播指數(shù)

(32)

重播指數(shù)

(33)

對于單粒精播：n1為1穴0粒種子的穴數(shù)；n2為1穴1粒種子的穴數(shù)；n3為1穴2粒及以上的穴數(shù)。對于雙粒精播：n1為1穴小于2粒種子的穴數(shù)；n2為1穴2粒種子的穴數(shù)；n3為1穴3粒及以上的穴數(shù)。對于單雙粒交替：n1為1穴小于相應粒數(shù)種子的穴數(shù)；n2為1穴相應粒數(shù)種子的穴數(shù)；n3為1穴大于相應粒數(shù)的穴數(shù)。目前新疆地區(qū)棉花 “單粒精播”種植農(nóng)藝最為廣泛，故本文根據(jù)“單粒精播”技術要求進行試驗研究。

4.2.3試驗設計

采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合設計試驗方案，完成多目標參數(shù)優(yōu)化，以滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑、負壓3個影響因素作為試驗因子，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為響應指標，按三因素五水平安排試驗，因子編碼表見表3。根據(jù)因素編碼表，制定二次旋轉(zhuǎn)正交組合設計試驗方案，實施試驗，每組試驗重復3次，取平均值。試驗方案及結果見表4，X1、X2、X3為因素編碼值。

表3 因子編碼Tab.3 Coding of factor level

表4 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗方案與結果Tab.4 Test scheme and result of experiment ofquadratic rotation-orthogonal combination

4.3 試驗結果分析

4.3.1回歸模型方程與顯著性檢驗

運用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 8.0.6對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，建立合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)與滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑、負壓之間的二次多項式回歸模型，回歸方程為

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

通過對式(37)～(39)回歸系數(shù)的檢驗得出，影響合格指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素為：負壓、滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑。影響重播指數(shù)的主次因素為：滾筒轉(zhuǎn)速、負壓、吸孔直徑。

表5 試驗結果及回歸方程方差分析Tab.5 Variance analysis of test results and regression equations

注：*表示顯著(P<0.05)，** 表示極顯著(P<0.01)。

4.3.2試驗因素影響效應分析

評價排種性能的性能指標中，合格指數(shù)與漏播指數(shù)是影響精密播種技術應用的2個關鍵指標。根據(jù)建立的排種器合格指數(shù)和漏播指數(shù)回歸模型，將其中一個試驗因素置于零水平，繪制響應曲面和等值線圖，如圖10、11所示。

如圖10a、11a所示，當氣室負壓X3位于中心水平(4.0 kPa)時，隨著滾筒轉(zhuǎn)速和吸孔直徑的增大，排種器合格指數(shù)先增大后減小。隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大，漏播指數(shù)增大，隨著吸孔直徑的增大，排種器漏播指數(shù)減小。滾筒轉(zhuǎn)速較小時(小于16 r/min)，滾筒轉(zhuǎn)速對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較小。滾筒轉(zhuǎn)速較大時(大于16 r/min)，滾筒轉(zhuǎn)速對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較大。

如圖10b、11b所示，當吸孔直徑X2位于中心水平(3.5 mm)時，隨著滾筒轉(zhuǎn)速和負壓的增大，排種器合格指數(shù)先增大后減小，漏播指數(shù)持續(xù)減小。負壓較小時(小于4.0 kPa)，負壓對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較大。負壓較大時(大于4.0 kPa)，負壓對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較小。

如圖10c、11c所示，當滾筒轉(zhuǎn)速X1位于中心水平(16 r/min)時，隨著負壓和吸孔直徑的增大，排種器合格指數(shù)先增大后減小，漏播指數(shù)持續(xù)減小。負壓較小時(小于4.0 kPa)，負壓對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較大。負壓較大時(大于4.0 kPa)，負壓對合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較小。

圖10 各因素對排種器合格指數(shù)的影響Fig.10 Effects of all factors on qualified rate of seed-metering device

圖11 各因素對排種器漏播指數(shù)的影響Fig.11 Effects of all factors on miss-seeding rate of seed-metering device

4.4 參數(shù)優(yōu)化

當滾筒轉(zhuǎn)速為14～18 r/min，氣室負壓為3.50～4.50 kPa，吸孔直徑為3.20～3.80 mm時，采用多重響應方法中的主目標函數(shù)法對影響因素滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑和負壓進行優(yōu)化，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為性能指標函數(shù)，進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)和約束條件為

(40)

運用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)處理軟件進行優(yōu)化求解，得出影響因素的最佳參數(shù)組合：滾筒轉(zhuǎn)速為15.5 r/min，氣室負壓為4.2 kPa，吸孔直徑為3.5 mm，目標函數(shù)的預測值為：合格指數(shù)為93.48%，漏播指數(shù)為1.47%，重播指數(shù)為5.85%。

4.5 試驗驗證

根據(jù)優(yōu)化結果，進行試驗驗證，在上述最優(yōu)參數(shù)組合試驗條件下，進行5次重復試驗驗證，試驗結果為合格指數(shù)平均值為93.5%，且均大于92.0%，漏播指數(shù)平均值為2.0%，且均小于3%，重播指數(shù)平均值為4.5%，且均小于5%?？梢?，試驗結果與優(yōu)化結果基本一致，滿足棉花播種農(nóng)藝要求。

4.6 排種適應性試驗

在二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗的基礎上，為研究排種器對不同品種棉花種子的適應情況，進行排種適應性試驗。選取新陸早48號、新陸早52號、新陸早60號為播種對象，其幾何特性和物料特性見表1、2。在滾筒轉(zhuǎn)速為15.5 r/min、負壓為4.2 kPa、吸孔直徑為3.5 mm的工作條件下進行5次重復試驗，進行數(shù)據(jù)處理取平均值，試驗結果如表6所示。

表6 排種適應性試驗結果Tab.6 Result of suitability tests %

由表6可知，在相同條件下，氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器對幾何特性和物料特性存在差異的3種棉花種子具有一定適應性，結果表明：合格指數(shù)均大于92%，漏播指數(shù)均小于3%，重播指數(shù)均小于5%，滿足棉花種子的精密播種要求。其中新陸早52號幾何尺寸差異較大，流動性最差，因此排種性能指標最差；新陸早48號和新陸早60號種子，幾何尺寸差異較小，球形度較大，流動性較好，排種性能較好。

5 結論

(1)根據(jù)棉花種植農(nóng)藝要求和棉花種子的物料特性，采用陣列吸孔吸種、側向氣吹清種等方式，設計了一種氣吸滾筒陣列式精密排種器，確定了排種器關鍵零部件的參數(shù)，對充種過程進行了力學分析，確定了影響排種器排種性能的關鍵因素為：滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑和負壓。

(2)采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合設計試驗方法進行試驗，建立排種器性能指標與各影響因素之間的回歸模型，通過響應面分析試驗因素對響應指標的影響。采用多目標優(yōu)化方法，確定排種器最佳工作參數(shù)組合：滾筒轉(zhuǎn)速15.5 r/min，氣室負壓4.2 kPa，吸孔直徑為3.5 mm，此時，排種器性能指標為：合格指數(shù)93.5%，漏播指數(shù)2.0%，重播指數(shù)4.5%。

(3)排種適應性試驗結果表明：排種器對不同品種的棉花種子具有良好的適應性，滿足棉花種子的播種農(nóng)藝要求。

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