豆類作物一器雙行氣吸式高速精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李玉環(huán) 楊 麗,2 張東興,2 崔 濤,2 丁 力 魏亞男

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

大豆、豌豆、綠豆、小豆等豆類作物具有形狀規(guī)則、粒徑較小、球形度較大的特點(diǎn)，對(duì)精量排種器的適應(yīng)性較好，但其種植密度要求較高，多采用窄行密植栽培技術(shù)，每平方米保苗量在22.5株以上[1-6]，因此株距和行距要求均較小，在高速作業(yè)下對(duì)排種器要求較高，實(shí)現(xiàn)高速精量播種作業(yè)存在一定的難度[7-8]。

高速精量排種器是實(shí)現(xiàn)高速精量播種作業(yè)的核心部件，其排種性能是影響播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的重要因素之一。其中，氣力式排種器因具有種子適應(yīng)性、排種精度、作業(yè)效率等方面的優(yōu)勢(shì)而逐漸被認(rèn)可[9-11]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣力式排種器的研究逐漸深入，發(fā)現(xiàn)在排種器作業(yè)速度升高時(shí)，排種器性能呈下降趨勢(shì)。豆類作物種植密度較大，在高速作業(yè)情況下，排種器的轉(zhuǎn)速更高，因此采用氣吸式精量播種機(jī)進(jìn)行高速精量播種作業(yè)時(shí)，對(duì)排種器結(jié)構(gòu)、吸附性能以及排種器轉(zhuǎn)速等方面要求較高[12-21]?，F(xiàn)有大豆氣力式精量排種器多集中在功能實(shí)現(xiàn)上，在高速作業(yè)條件下播種效果較差，且對(duì)不同豆類種子的適應(yīng)性不足。

為滿足豆類作物窄行、窄距、密植的高速作業(yè)，設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)、播種效果好、可實(shí)現(xiàn)高速播種作業(yè)的一器雙行高速精量排種器。

1 排種器結(jié)構(gòu)和工作原理

一器雙行氣吸式高速精量排種器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括后殼體、前殼體、上清種機(jī)構(gòu)、下清種調(diào)節(jié)裝置、雙排孔種盤、吸道、下清種分流清種機(jī)構(gòu)、雙叉分流機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)軸等。雙排孔種盤作為保證排種質(zhì)量的核心部件，沿周向開有雙排充種孔，固定在傳動(dòng)軸上，與后殼體緊密貼合，吸道固定安裝在后殼體上，與后殼體、雙排孔種盤形成氣室，貫穿充種區(qū)、清種區(qū)以及攜種區(qū)，在氣流作用下與外界形成負(fù)壓氣流，隨著種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)完成種子的吸附運(yùn)移過(guò)程。上清種機(jī)構(gòu)一端固定在前殼體定位孔上，另一端安裝在前殼體滑槽中，通過(guò)上清種調(diào)節(jié)裝置固定在前殼體上，可調(diào)節(jié)上清種調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)外側(cè)吸孔清種作業(yè)；分流清種裝置安裝在前殼體上，前端為雙弧形清種機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)側(cè)種子的清種作業(yè)，后端為導(dǎo)流裝置，將雙排種子流導(dǎo)入雙叉分流機(jī)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)窄距雙行順暢投種，其中雙叉分流機(jī)構(gòu)可根據(jù)不同行距要求進(jìn)行調(diào)整。

圖1 一器雙行氣吸式高速精量排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic precision seed-metering device with single seed-metering plate for double-row1.卸種口 2.卡扣 3.后殼體 4.前殼體 5.雙排孔種盤 6.上清種機(jī)構(gòu) 7.上清種調(diào)節(jié)裝置 8.下清種分流卸種機(jī)構(gòu) 9.雙叉分流機(jī)構(gòu) 10.傳動(dòng)軸 11.吸道

工作時(shí)，風(fēng)機(jī)在拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，抽取密閉氣室空氣，使得吸孔處形成負(fù)壓狀態(tài)，傳動(dòng)軸在地輪或者其他動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)雙排孔種盤轉(zhuǎn)動(dòng)；經(jīng)過(guò)充種區(qū)在負(fù)壓的作用下將種子吸附在吸孔上，經(jīng)過(guò)清種區(qū)，在上下清種機(jī)構(gòu)的作用下將內(nèi)外兩側(cè)多余的種子清除，攜帶單粒種子進(jìn)入攜種區(qū)，繼而在分流機(jī)構(gòu)的作用下將雙排種子流導(dǎo)入雙叉分流機(jī)構(gòu)進(jìn)行雙行窄距播種作業(yè)。

2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 工作區(qū)域劃分

考慮種子是在種盤和前殼體之間完成充種、清種、攜種和分流投種過(guò)程，該過(guò)程主要通過(guò)吸道、殼體、種盤以及清種裝置之間配合作用完成，為了保證各關(guān)鍵部件的作用效果，準(zhǔn)確適時(shí)實(shí)現(xiàn)充種、清種、攜種和分流投種過(guò)程，達(dá)到最佳的作業(yè)效果，須對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行劃分[22-23]。如圖2所示，其中δ表示充種區(qū)范圍，α表示清種區(qū)范圍(包括自清種區(qū)①和強(qiáng)制清種區(qū)②)，β表示攜種區(qū)范圍，γ表示投種區(qū)范圍。

圖2 種盤劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of disc division

充種區(qū)設(shè)計(jì)：雙排播種為相鄰兩排吸孔同時(shí)作業(yè)完成種子的吸附，因此對(duì)充種區(qū)的種子量要求更高，為保證內(nèi)側(cè)吸孔的充種性能，使得內(nèi)側(cè)具有充足的種子量，在區(qū)域劃分時(shí)要盡量擴(kuò)大充種區(qū)域范圍，同時(shí)兼顧分流投種的順暢性，最終確定充種作用范圍為[325°,360°]∪[0°,95°]。

清種區(qū)設(shè)計(jì)：為保證兩行種子的單粒精度，要確定合適的清種區(qū)域，將吸種口多余的種子清掉，保證內(nèi)外側(cè)吸孔均勻吸附單粒種子。清種區(qū)主要分為自清種區(qū)和強(qiáng)制清種區(qū)。充入吸孔內(nèi)的種子隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)離開充種區(qū)，首先進(jìn)入自清種區(qū)域。位于吸孔邊緣未能穩(wěn)定吸附的種子在重力和離心力的作用下落回充種區(qū)。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸孔上的種子離開充種區(qū)距離大于3個(gè)種子長(zhǎng)度時(shí)，未占據(jù)壓力優(yōu)勢(shì)的種子滑落至充種區(qū)，即h4≥3l，如圖3所示，選取自清種區(qū)域α1=15°。

圖3 清種區(qū)劃分Fig.3 Partition of seed-metering device clearing area

上下側(cè)清種機(jī)構(gòu)通過(guò)擠壓吸孔處的種子，將不占據(jù)壓力優(yōu)勢(shì)的多余種子清除，保證單粒播種，為保證內(nèi)外圈徹底清種，在不影響投種的情況下盡量擴(kuò)大清種區(qū)范圍，但清種范圍不能過(guò)大，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致清落的種子進(jìn)入投種區(qū)，導(dǎo)致重播增加。為確定合適的清種區(qū)范圍，采用運(yùn)動(dòng)學(xué)方法對(duì)清種區(qū)末端位置進(jìn)行分析，如圖3所示，種子B在下清種機(jī)構(gòu)的作用下脫離種盤，沿吸孔切線做初速度為v的拋物線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)種子由B運(yùn)動(dòng)到C點(diǎn)時(shí)，種子在分流機(jī)構(gòu)的阻擋下落入充種區(qū)，當(dāng)清種位置滯后時(shí)，清落的種子會(huì)進(jìn)入分流卸種裝置，造成排種質(zhì)量下降，由幾何關(guān)系知∠AOB=∠EBD=α0，該位置由動(dòng)力學(xué)和幾何關(guān)系有

(1)

式中r——內(nèi)側(cè)孔半徑，mm

α0——OB連線與豎直中心線之間夾角，(°)

v0——清落種子的初速度，m/s

vx——清落種子在x方向的分速度，m/s

vy——清落種子在y方向的分速度，m/s

ω——排種盤角速度，rad/s

H——A點(diǎn)到O點(diǎn)的距離，mm

h——中心豎直線與分流擋板之間的距離，mm

h1——A點(diǎn)到B點(diǎn)的距離，mm

h2——種子下落點(diǎn)與擋板豎直位置的距離，mm

h3——內(nèi)側(cè)吸孔到分流擋板豎直距離，mm

g——重力加速度，m/s2

t——時(shí)間，s

由式(1)可得

(2)

其中H、h3、h、r的值在設(shè)計(jì)時(shí)確定，當(dāng)作業(yè)速度在16 km/h以下時(shí)，通過(guò)式(1)、(2)解得h1≈8.29 mm，α0≈7.07°。

為了避免清落的種子進(jìn)入分流卸種區(qū)，在清種區(qū)劃分時(shí)要保證α0小于7.07°，選取α0為6°，因此清種區(qū)主要分為自清種區(qū)[95°,110°]和強(qiáng)制清種區(qū)[110°,186°]，最終確定清種區(qū)為[95°,186°]。

攜種區(qū)設(shè)計(jì)：吸附在吸孔上的單粒種子在越過(guò)清種區(qū)之后進(jìn)入攜種區(qū)。吸孔處開有凹槽，對(duì)吸附的種子具有托附作用，有效地避免了氣壓不穩(wěn)或振動(dòng)造成吸附在吸孔上的種子掉落問(wèn)題。攜種區(qū)從清種區(qū)結(jié)束位置開始到卸種開始位置結(jié)束，β設(shè)置為[186°,270°]。

分流投種區(qū)設(shè)計(jì)：種盤運(yùn)動(dòng)到分流投種區(qū)，在分流清種裝置的作用下將兩排種子流均勻分開，氣流隔斷，在重力和離心力的作用下脫離種盤，均勻地進(jìn)入雙叉投種管，完成播種作業(yè)。分流投種區(qū)為[270°，325°]。

種盤進(jìn)入投種區(qū)氣流阻斷，種子落入投種管，該區(qū)域?yàn)槊芊鈪^(qū)，要求密閉性好，避免氣流干擾種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，在氣道設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮種子吸附的穩(wěn)定性、投種的順暢性，氣道需貫穿整個(gè)充種區(qū)、清種區(qū)和攜種區(qū)[24]，其范圍角度λ=305°。

2.2 排種盤設(shè)計(jì)

2.2.1排種盤結(jié)構(gòu)形式

排種盤是將種子從種群分離并運(yùn)移至投種區(qū)的關(guān)鍵部件，排種盤形式對(duì)充分充種、有效清種和順利投種有重要意義。雙排種盤沿周向均勻布置充種吸孔，相比于單排孔吸孔數(shù)增加了一倍，給種子的充分充種帶來(lái)困難，合理利用有限的空間完成兩排吸孔的穩(wěn)定充種，是實(shí)現(xiàn)雙排播種的關(guān)鍵，外側(cè)吸孔種層較高，種子間的阻力較大，需增加擾動(dòng)性以增加種子流動(dòng)性，提高充種性能；內(nèi)側(cè)吸孔處種子種層較低，種子間阻力較小，在不斷流動(dòng)的種子流下即可穩(wěn)定吸附。為了滿足內(nèi)外側(cè)充種條件，采用外側(cè)撥指吸孔增加種子的擾動(dòng)，形成不間斷的種子流，內(nèi)側(cè)采用凹型圓孔，提高種子吸附的穩(wěn)定性，如圖4所示。充種區(qū)的種子在外側(cè)撥指的帶動(dòng)下形成循環(huán)種子流，底層的種子順著撥指上升，脫離充種區(qū)后流向種層內(nèi)側(cè)，種子群不斷從充種區(qū)由下向上翻動(dòng)，減少了充種區(qū)種群內(nèi)部阻力，降低種子架空難以充種的幾率，同時(shí)也保證了內(nèi)側(cè)吸孔處的種子量，提高了內(nèi)外側(cè)充種性能。

圖4 種盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of seed-metering plate1.種子環(huán)流 2.內(nèi)側(cè)種子 3.內(nèi)側(cè)吸孔處種子 4.外側(cè)吸孔處種子 5.種盤

圖5 充種過(guò)程受力分析Fig.5 Force analysis of suction seed course

2.2.2充種過(guò)程受力分析

種子經(jīng)過(guò)充種區(qū)，在負(fù)壓作用下，吸附在型孔處，完成充種，吸附力大小對(duì)穩(wěn)定充種具有重要作用，為保證內(nèi)外側(cè)吸孔的穩(wěn)定吸附作用，需探明種子在充種區(qū)的受力特性。在不考慮播種過(guò)程中機(jī)器振動(dòng)的條件下，將大豆種子近似看作球體，以外圈種子為原點(diǎn)建立x1y1z三維坐標(biāo)系，其中在坐標(biāo)系x1y1中進(jìn)行受力分析，如圖5a所示，x1軸正向?yàn)榉N子受到阻力方向，y1軸正向?yàn)榉N子受到離心力的反向，指向排種盤中心。對(duì)z平面進(jìn)行受力分析，如圖5b所示，在充種區(qū)內(nèi)，種子吸附在型孔處，隨著種盤以角速度ω順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，種子與吸孔切點(diǎn)A處受到吸孔的支持力N，受到吸孔吸附力F，以及受到F1、G、Ff的合力F2。由大豆種子在充種區(qū)受力平衡有

(3)

在x1y1平面內(nèi)Nx1y1為Nx1和Nx2的合力，結(jié)合式(3)可知

(4)

種子在z平面內(nèi)受力平衡，則有

F2=Nx1y1

(5)

由式(3)～(5)可得

(6)

式中F1——種子受到的離心力，N

Ff——種子間阻力，N

G——種子重力，N

Nx1——種子支持力在x1方向上的分力，N

Ny1——種子支持力在y1方向上的分力，N

Nx1y1——種子支持力在x1y1平面內(nèi)的合力，N

Nz——種子支持力在z方向上的分力，N

d1——吸孔中線到A點(diǎn)的距離，mm

L——合力F2到A點(diǎn)的距離，mm

α1——種子重心與排種盤中心的連線與豎直方向的夾角，(°)

α2——型孔錐角，(°)

由式(6)可知，充種過(guò)程中，吸孔處所需吸附力F與吸種孔錐角、種子間阻力、種子離心力等有關(guān)，內(nèi)側(cè)型孔相對(duì)外側(cè)型孔種層高度較低，種子受到的種間阻力較小，且內(nèi)側(cè)型孔相對(duì)于外側(cè)型孔的線速度較小，排種器同一轉(zhuǎn)速條件下離心力較小，因此同等負(fù)壓條件下外側(cè)型孔充種難度要大于內(nèi)側(cè)型孔，為保證內(nèi)外側(cè)型孔吸附的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)時(shí)外側(cè)型孔采用撥指型孔增加擾動(dòng)性，減小種間阻力，同時(shí)還需使得外側(cè)吸孔吸附力大于內(nèi)側(cè)吸附力。

2.2.3吸孔直徑

為了保證內(nèi)外側(cè)吸孔對(duì)種子吸附的穩(wěn)定性，克服種間阻力，外側(cè)吸孔的吸附力應(yīng)大于內(nèi)側(cè)，有

F3>F4

(7)

其中

F3=(p0-p1)S1

(8)

F4=(p0-p1)S2

(9)

式中F3——外側(cè)吸孔吸附力，N

F4——內(nèi)側(cè)吸孔吸附力，N

p0——種盤內(nèi)側(cè)壓力，kPa

p1——種盤外側(cè)大氣壓力，kPa

S1——外側(cè)吸孔面積，m2

S2——內(nèi)側(cè)吸孔面積，m2

通過(guò)式(7)～(9)可知

S1>S2

(10)

如圖6所示，圓周外側(cè)均勻布置撥指，撥指導(dǎo)槽與后殼體之間形成組合吸孔，內(nèi)側(cè)均勻布置具有凹槽的圓孔。內(nèi)側(cè)圓孔直徑d=(0.64～0.66)b[25]，內(nèi)側(cè)吸孔面積為S2=πd2/4，其中b為豆類種子的平均粒徑。外側(cè)吸孔由兩部分組成，直徑為d的半圓和不規(guī)則四邊形CFED，其中SCFED>S2/2，因此S1=S2/2+SCFED>S2，滿足外側(cè)吸孔吸附能力大于內(nèi)側(cè)吸孔的要求，外側(cè)型孔不規(guī)則四邊形CFED可通過(guò)確定撥指弧線來(lái)確定。

圖6 吸孔參數(shù)確定示意圖Fig.6 Schematic diagram of hole type parameters

2.2.4撥指吸孔弧線

(11)

式中r1——經(jīng)過(guò)外側(cè)吸孔O點(diǎn)的圓弧半徑，mm

r4——經(jīng)過(guò)B點(diǎn)的圓弧半徑，mm

由式(11)可得

(12)

為了保證足夠的種子回流至內(nèi)側(cè)吸孔，形成穩(wěn)定的種子流，結(jié)合整個(gè)排種器的結(jié)構(gòu)尺寸，合理布置吸孔位置，選取r1=82.5 mm，r4=92 mm，既而結(jié)合種盤與豆類(以大豆種子為例)品種之間的摩擦角，最終確定B點(diǎn)坐標(biāo)為(-9.4 mm，-4.8 mm)。

(13)

(x-1.37)2+(y+29.55)2=27.332

(14)

(15)

(x-82.5)2+y2=852

(16)

2.2.5兩排孔間距

內(nèi)外側(cè)吸孔間距直接影響兩排種子運(yùn)移過(guò)程的穩(wěn)定性，間距過(guò)大種子流難以覆蓋內(nèi)側(cè)吸孔，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)充種效果變差，影響播種質(zhì)量，過(guò)小時(shí)兩側(cè)種子容易產(chǎn)生碰撞，導(dǎo)致吸附的種子脫落，造成漏播增加。排種器工作時(shí)，兩排吸孔吸附的種子在運(yùn)移過(guò)程中互不干涉，即保證內(nèi)外側(cè)吸孔吸附的多粒種子經(jīng)過(guò)清種區(qū)時(shí)在清種裝置的作用下將多余的種子清除，并不會(huì)產(chǎn)生相互碰撞。如圖7所示，A1點(diǎn)為外側(cè)吸孔的中心，A2、A3為內(nèi)側(cè)相鄰兩吸孔中心，A4點(diǎn)為A2A3的中點(diǎn)，O1為排種盤的中心，根據(jù)各點(diǎn)的位置關(guān)系有

lA1A3=lA1A2

(17)

lO1A3=lO1A2=r2

(18)

lO1A1=r1

(19)

由上述幾何關(guān)系可知△A1A2A3和△A2A3O1為等腰三角形，A4點(diǎn)為A2A3的中點(diǎn)，則有

(20)

式中δ——兩吸孔之間夾角，(°)

雙排孔的間距要滿足互不干涉條件，有

(21)

由式(17)～(21)可得lA1A4的限定條件為

(22)

另外lA1A4與r1、r2的關(guān)系為

r2=r1-lA1A4

(23)

將式(23)代入(22)可得

(24)

其中d=(0.64～0.66)b，r1=82.5 mm，δ=7.2°，代入式(24)可得

(25)

對(duì)上述一元二次方程求解可得

(26)

由式(26)可知兩孔間距與豆類種子平均粒徑b有關(guān)，平均粒徑越大，兩孔間距就越大，以中黃37大豆為例，經(jīng)測(cè)量種子平均粒徑為(7±0.26) mm，可知兩孔間距l(xiāng)A1A4>13.8 mm，結(jié)合前期試驗(yàn)確定兩排孔間距為15 mm，則內(nèi)圈半徑r2=67.5 mm。

2.3 清種裝置

清種裝置主要分為上側(cè)清種機(jī)構(gòu)和下側(cè)清種機(jī)構(gòu)兩部分，如圖8所示，上側(cè)清種機(jī)構(gòu)位于排種盤外側(cè)，對(duì)外側(cè)吸孔進(jìn)行清種作業(yè)，采用鋸齒狀刮種工作面，對(duì)種子形成連續(xù)4次由外到內(nèi)碰撞，逐步清除未占據(jù)壓力優(yōu)勢(shì)的多余種子，上側(cè)清種機(jī)構(gòu)可調(diào)，可繞B1點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，以適應(yīng)不同品種作物的清種作業(yè)，調(diào)整范圍為θ=10°。下側(cè)清種刀采用2次弧線刮種面，對(duì)內(nèi)側(cè)種子形成連續(xù)的2次碰撞，結(jié)合試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)孔吸附多粒種子情況較少，多為單粒種子，采用弧線刮種面覆蓋吸孔直徑的1/3，對(duì)種子進(jìn)行2次碰撞即可實(shí)現(xiàn)清種作業(yè)。

圖8 清種裝置示意圖Fig.8 Structure diagram of scraping device1.后殼體 2.排種盤 3.上清種機(jī)構(gòu) 4.下清種機(jī)構(gòu) 5.上清種調(diào)節(jié)裝置

3 排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本試驗(yàn)選用大豆品種中黃37為樣本，千粒質(zhì)量為270.3 g。排種檢測(cè)裝置選用中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)自主研發(fā)的排種器性能檢測(cè)儀[26]，如圖9所示。

圖9 排種器性能試驗(yàn)裝置Fig.9 Test of seeding performance experiments1.排種器性能檢測(cè)儀 2.一器雙行高速精量排種器

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

為保證作物產(chǎn)量，豆類要求高密度種植，一般要保證每平方米播量22.4株以上[1]，一器雙行高速精量排種器可實(shí)現(xiàn)8～10 cm的窄行播種，配合精量播種機(jī)可實(shí)現(xiàn)寬窄行播種作業(yè)，即窄行距8～10 cm，寬行距30～40 cm種植模式的播種作業(yè)，排種器單行株距設(shè)置為16 cm，窄雙行株距為8 cm，滿足密植要求，試驗(yàn)時(shí)均采用單行株距16 cm，即小雙行株距8 cm進(jìn)行。

根據(jù)前期試驗(yàn)研究影響排種性能的主要參數(shù)為內(nèi)外圈吸孔直徑、真空度以及前進(jìn)速度，因此選取吸孔直徑、真空度、前進(jìn)速度作為試驗(yàn)主要因素。通過(guò)前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在單行理論株距為16 cm，即窄雙行株距為8 cm，前進(jìn)速度小于14 km/h時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，為了考察排種器對(duì)高速作業(yè)工況的適應(yīng)性，選取作業(yè)速度取值范圍為8～12 km/h；合適的真空度能保證種子被穩(wěn)定吸附并減少一孔多粒的情況，采用單盤雙排孔，對(duì)真空度要求增高[21]，通過(guò)試驗(yàn)選取真空度為4～5 kPa；內(nèi)外圈吸孔直徑d是影響吸附作用的主要因素，為確定最佳吸孔直徑，選取吸孔直徑d范圍為4～5 mm。為探究上述3個(gè)影響因素對(duì)排種性能的影響規(guī)律及確定最佳參數(shù)組合，采用Box-Behnken試驗(yàn)方法開展三因素三水平旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)。各因素編碼如表1所示。

表1 因素編碼Tab.1 Factors and coding of experiment

每組試驗(yàn)重復(fù) 3 次取平均值。主要考察該排種器內(nèi)外圈的合格率和漏播率，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》確定合格率和漏播率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)Design-Expert軟件中的Box-Behnken響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析，以合格率、漏播率為考核指標(biāo)[27]，X1、X2、X3為因素吸孔直徑、真空度和前進(jìn)速度的編碼值。試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2所示。

3.3.2回歸數(shù)學(xué)模型建立和顯著性檢驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表3所示，采用Design-Expert 8.0.6.1軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，可以得到內(nèi)圈合格率Y1、內(nèi)圈漏播率Y2和外圈合格率Y3、外圈漏播率Y4的回歸方程。

(1)內(nèi)圈合格率回歸模型建立和顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)P=0.073 3，表現(xiàn)為不顯著，說(shuō)明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。其中前進(jìn)速度X3的P值、吸孔直徑和真空度的交互項(xiàng)(X1X2)的P值均大于0.05，對(duì)排種合格率的影響不顯著，剔除不顯著因素后的回歸模型為

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test design scheme and results

Y1=-803.28+310.21x1+94.38x2+1.92x1x3+

(27)

通過(guò)對(duì)式(27)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響內(nèi)圈合格率的主次因素順序?yàn)檎婵斩?、吸孔直徑和前進(jìn)速度。

(2)內(nèi)圈漏播率回歸模型建立和顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)P=0.173 5，表現(xiàn)為不顯著，說(shuō)明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(28)

通過(guò)對(duì)式(28)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響內(nèi)圈漏播率的主次因素順序?yàn)檎婵斩?、前進(jìn)速度和吸孔直徑。

(3)外圈合格率回歸模型建立和顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)P=0.075 5，表現(xiàn)為不顯著，說(shuō)明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。其中吸孔直徑、前進(jìn)速度以及吸孔直徑和真空度的交互項(xiàng)的P值均大于0.05，對(duì)外圈合格率的影響不顯著，剔除不顯著因素后的回歸模型為

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis result

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

(29)

通過(guò)對(duì)式(29)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響外圈合格率的主次因素順序?yàn)檎婵斩?、前進(jìn)速度和吸孔直徑。

(4)外圈漏播率回歸模型建立和顯著性檢驗(yàn)

根據(jù)表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)P=0.105 4，表現(xiàn)為不顯著，說(shuō)明不存在其他影響指標(biāo)的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(30)

通過(guò)對(duì)式(30)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響外圈漏播率的主次因素順序?yàn)槲字睆?、真空度和前進(jìn)速度。

3.3.3各因素對(duì)性能指標(biāo)影響效應(yīng)分析

采用降維法將吸孔直徑、前進(jìn)速度和真空度中任意一項(xiàng)調(diào)至零水平[20]，繪制出每組顯著的交互作用分別對(duì)內(nèi)圈合格率、內(nèi)圈漏播率、外圈合格率和外圈漏播率影響的響應(yīng)曲面圖，如圖10～13所示。

圖10 交互作用對(duì)內(nèi)圈合格率的影響Fig.10 Effects of interactive factors on inner eligible rate

圖11 交互作用對(duì)內(nèi)圈漏播率的影響Fig.11 Effects of interactive factors on inner missing rate

圖12 交互作用對(duì)外圈合格率的影響Fig.12 Effects of interactive factors on outer eligible rate

圖13 交互作用對(duì)外圈漏播率的影響Fig.13 Effects of interactive factors on outer missing rate

由圖10a可知，當(dāng)真空度為4.5 kPa時(shí)，在同一前進(jìn)速度下，隨著吸孔直徑的增加，內(nèi)圈合格率呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)，且變化幅度較大，同樣真空度下，吸孔直徑較小時(shí)，對(duì)種子的吸附力較小，易產(chǎn)生種子未吸附或吸附穩(wěn)定性差的情況，導(dǎo)致漏播率較高，合格率較低；吸孔直徑過(guò)大時(shí)，吸附力較大，易出現(xiàn)吸附多粒種子的情況，導(dǎo)致重播率升高，合格率降低。在吸孔直徑一定的情況下內(nèi)圈合格率隨前進(jìn)速度的增加先高后低，且變化幅度較小，在同一真空度和吸孔直徑下，前進(jìn)速度較低時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)速較小，充種時(shí)間較大，重播情況較多，速度過(guò)快，排種盤轉(zhuǎn)速過(guò)高，充種時(shí)間較少，漏播率較高，速度過(guò)低或過(guò)高時(shí)合格率都有所降低。由圖10b可知，當(dāng)吸孔直徑為4.5 mm時(shí)，在同一真空度下，隨著前進(jìn)速度的增加，內(nèi)圈合格率呈現(xiàn)小幅度先升后降趨勢(shì)，在同一真空度和吸孔直徑下，前進(jìn)速度增加時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)速提高，充種時(shí)間降低，重播情況減小，漏播情況增加，導(dǎo)致內(nèi)圈合格率呈現(xiàn)小幅度先升后降趨勢(shì)。在同一作業(yè)速度下，內(nèi)圈合格率隨真空度的增加先高后低，且變化幅度較小，真空度較低時(shí)，對(duì)種子的吸附力較小，易產(chǎn)生種子未吸附或吸附穩(wěn)定性差的情況，導(dǎo)致漏播升高，合格率降低；真空度過(guò)大時(shí)，吸附力較大，易出現(xiàn)吸附多粒種子的情況，導(dǎo)致重播率升高，合格率降低。

由圖11a可知，當(dāng)前進(jìn)速度為10 km/h時(shí)，在同一吸孔直徑下，隨著真空度的增加，內(nèi)圈漏播率逐漸降低，隨著真空度的增加導(dǎo)致吸孔吸附能力增加，漏吸的情況降低，因此漏播率降低；在真空度一定的情況下內(nèi)圈漏播率隨吸孔直徑的增加小幅降低，在真空度一定的情況下，吸孔直徑增加，吸孔吸附力增加，吸附能力提高，漏吸情況減少，漏播率降低。由圖11b可知，當(dāng)真空度為4.5 kPa時(shí)，在同一吸孔直徑下，隨著前進(jìn)速度的增加，內(nèi)圈漏播率逐漸增加，在前進(jìn)速度增加的情況下，排種盤轉(zhuǎn)速增高，充種時(shí)間降低，吸附的穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致漏吸的情況增加，漏播率升高；在同一前進(jìn)速度下，內(nèi)圈漏播率隨吸孔直徑的增加逐漸降低，隨著吸孔直徑增加，吸附力提高，吸附穩(wěn)定性增強(qiáng)，漏播減少，漏播率降低。由圖11c可知，當(dāng)吸孔直徑為4.5 mm時(shí)，在同一前進(jìn)速度下，隨著真空度的增加，內(nèi)圈漏播率小幅度下降，隨著真空度增加，吸附能力提高，漏吸減少，導(dǎo)致漏播率降低；在同一真空度下，隨著速度的增加，內(nèi)圈漏播率增加，且上升幅度較大，隨著前進(jìn)速度的增加，排種盤轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)致充種時(shí)間降低，充種穩(wěn)定性下降，導(dǎo)致漏吸情況增加，漏播率升高。當(dāng)真空度較低和吸孔直徑較小時(shí)，吸附能力降低，吸附穩(wěn)定性下降，容易導(dǎo)致漏播增加；前進(jìn)速度增加，導(dǎo)致排種盤轉(zhuǎn)速升高，種子充種時(shí)間縮短，易產(chǎn)生未能吸附的情況，同樣導(dǎo)致漏播升高。

由圖12和圖13的交互作用影響規(guī)律可知，各因素對(duì)外圈排種性能的影響規(guī)律與內(nèi)圈相似，排種性能指標(biāo)隨因素的變化趨勢(shì)大致相同。在同一真空度和前進(jìn)速度下，當(dāng)孔徑過(guò)小時(shí)，吸孔的吸附力過(guò)小，對(duì)種子的吸附作用較低，種子的吸附穩(wěn)定性較差，漏吸的情況較高，漏播率較大，導(dǎo)致合格率較低；吸孔直徑過(guò)大時(shí)，吸附力較大，易出現(xiàn)吸附多粒種子的情況，導(dǎo)致重播升高，合格率也較低。在同一前進(jìn)速度和吸孔直徑下，真空度增大時(shí)，吸孔處產(chǎn)生的吸附力增大，吸附能力增強(qiáng)，漏吸情況減少，漏播率有所降低，但吸附多粒的情況增加，重播升高，在一定情況下增加真空度有助于提高合格率，但當(dāng)真空度過(guò)大時(shí)重播大幅增加，導(dǎo)致合格率也下降。在同一吸孔直徑和真空度下，當(dāng)前進(jìn)速度較低時(shí)，充種時(shí)間較長(zhǎng)，充種效果增強(qiáng)，一孔吸附多粒的情況增加，導(dǎo)致重播較高，合格率較低；當(dāng)前進(jìn)速度升高時(shí)，隨著前進(jìn)速度的增加，排種盤轉(zhuǎn)速增加，雖然減少了充種時(shí)間，但對(duì)種子的擾動(dòng)性能增強(qiáng)，增加了種子的流動(dòng)性，使得吸附效果更佳，因此在一定程度上提高了排種器性能；當(dāng)前進(jìn)速度上升到一定程度時(shí)，使得充種時(shí)間較短，增加了吸附的難度，導(dǎo)致漏播情況大幅增加，漏播率上升，使得合格率降低，使得排種器工作性能下降。

3.3.4參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》，遵循高合格率、低漏播率優(yōu)化原則，在吸孔直徑為4～5 mm，真空度為4～5 kPa，前進(jìn)速度8～12 km/h的約束條件下進(jìn)行優(yōu)化求解。得到吸孔直徑為4.5 mm，真空度為4.5 kPa，前進(jìn)速度為10 km/h的參數(shù)組合條件下最優(yōu)解，在該條件下內(nèi)圈合格率為97.60%，內(nèi)圈漏播率為0.85%；外圈合格率為97.96%，外圈漏播率為0.59%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的正確性，在最優(yōu)解的條件下，以中黃37大豆種子為試驗(yàn)材料進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)10次，取平均值，結(jié)果表明內(nèi)圈合格率為97.83%，內(nèi)圈漏播率為0.62%；外圈合格率為98.24%，外圈漏播率為0.47%。優(yōu)化結(jié)果可信。

4 適應(yīng)性試驗(yàn)

4.1 高速適應(yīng)性試驗(yàn)

為了考察排種器對(duì)高速的適應(yīng)性，在吸孔直徑為4.5 mm，真空度為4.5 kPa，單行株距16 cm，即窄雙行株距為8 cm的條件下，采用中黃37大豆品種進(jìn)行了速度驗(yàn)證試驗(yàn)，速度選取8、10、12、14 km/h 4個(gè)梯度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，結(jié)果表明，速度在14 km/h內(nèi)時(shí)內(nèi)、外圈合格率大于93%，內(nèi)、外圈漏播率小于5%，內(nèi)、外圈重播率小于2%，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

表4 速度適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of speed adaptability test

4.2 品種適應(yīng)性試驗(yàn)

豌豆、小豆、綠豆與大豆品種在物理特性參數(shù)和種植模式上具有相似性，可采用同一排種器通過(guò)更換不同吸孔的排種盤實(shí)現(xiàn)高速精量播種作業(yè)。為了考察排種器對(duì)不同豆類品種的適應(yīng)性，選取豌豆、小豆和綠豆進(jìn)行了排種性能試驗(yàn)，每種豆類選取2個(gè)品種，對(duì)其外形尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合前述吸孔直徑確定方法，根據(jù)不同作物的外形尺寸參數(shù)確定不同吸孔尺寸的排種盤進(jìn)行播種適應(yīng)性試驗(yàn)，具體參數(shù)如表5所示。對(duì)3個(gè)豆類品種，在前進(jìn)速度為10 km/h下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其中單行株距設(shè)置為16 cm，即窄雙行株距為8 cm，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值，結(jié)果如表6所示。

表5 豆類品種外形尺寸和對(duì)應(yīng)種盤吸孔直徑Tab.5 Geometric sizes of beans and seed disk suction pore diameter mm

表6 品種適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of variety adaptability test %

試驗(yàn)結(jié)果表明該排種器對(duì)豌豆、小豆和綠豆均具有良好的適應(yīng)性，內(nèi)、外圈合格率大于97%，內(nèi)、外圈漏播率小于1%，內(nèi)、外圈重播率小于3%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)豆類作物窄距高密種植模式，結(jié)合氣吸式排種器特點(diǎn)，研制了一種單風(fēng)道單排種盤實(shí)現(xiàn)雙行高速精量播種的排種器，實(shí)現(xiàn)了高速精量窄行密植作業(yè)。闡述了一器雙行氣吸式高速精量排種器主要結(jié)構(gòu)和工作原理，建立了關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

(2)選取吸孔直徑、真空度以及前進(jìn)速度為主要因素，利用Box-Behnken試驗(yàn)方法開展了三因素三水平旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)，確定了最優(yōu)組合為吸孔直徑4.5 mm、真空度4.5 kPa、前進(jìn)速度10 km/h，并對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)圈合格率為97.83%，內(nèi)圈漏播率為0.62%；外圈合格率為98.24%，外圈漏播率為0.47%。與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

(3)為了考察排種器對(duì)高速的適應(yīng)性，在吸孔直徑為4.5 mm、真空度為4.5 kPa條件下進(jìn)行了速度適應(yīng)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在14 km/h之內(nèi)時(shí)，內(nèi)、外圈合格率大于93%，內(nèi)、外圈漏播率小于5%，內(nèi)、外圈重播率小于2%，均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

(4)為考察排種器對(duì)豆類品種的適應(yīng)性，選取豌豆、小豆和綠豆進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)、外圈合格率大于97%，內(nèi)、外圈漏播率小于1%，內(nèi)、外圈重播率小于3%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的品種適應(yīng)性。