差速充種溝式小麥單粒排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙 金 鄭 超 張晉國(guó) 韓東亮 粘永康 孫 楠

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 保定 071001； 2.河北農(nóng)哈哈機(jī)械集團(tuán)有限公司， 石家莊 052560)

0 引言

隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣和精量播種技術(shù)的發(fā)展，精量播種已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)播種技術(shù)體系的主要組成部分[1-2]。小麥精播技術(shù)具有明顯的省種、增效特征，具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[3-4]。均勻播種既可以保證作物生長(zhǎng)過程中營(yíng)養(yǎng)的均衡、實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，又可以為后續(xù)機(jī)械化收割提供有利的條件[5-6]。精量播種是將預(yù)定數(shù)量的種子播種到田間預(yù)定的位置，是由株距、行距和播深所決定的播種技術(shù)[7]。因此，小麥精量播種是指減少播量、提高播種質(zhì)量，使小麥單粒種子的三維空間坐標(biāo)符合要求，也就是使種子在田間具有精確的播深、行距和株距[8]。

影響小麥播種機(jī)播種精度的主要部件是排種器[9-13]。我國(guó)使用的小麥播種機(jī)多采用外槽輪式排種器，播種形式有條播、撒播以及寬苗帶播種，均不能確定株距。外槽輪式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、調(diào)整方便，能夠滿足目前播種要求[14-16]。但是，該排種器在低速或小播量播種時(shí)排種存在脈動(dòng)性，使播種均勻性和穩(wěn)定性受到影響。外槽輪式排種器直徑小，高速作業(yè)時(shí)轉(zhuǎn)速提高，則充種率會(huì)降低，種子的破損率也隨之增高，很難實(shí)現(xiàn)小麥的均勻播種[17-18]。國(guó)外精量排種器發(fā)展較快，主要用于玉米等大粒種子的播種，小麥播種機(jī)多為氣力輸送式條播機(jī)，未實(shí)現(xiàn)定株距播種。而法國(guó)、奧地利等國(guó)家相繼研制的單粒氣吸式播種機(jī)僅適用于小區(qū)作業(yè)[19]。

針對(duì)上述問題，本文研究一種能夠提高小麥播種機(jī)播種質(zhì)量、減小脈動(dòng)性影響、并可提高小麥播種作業(yè)效率和種行內(nèi)種子分布均勻性的差速充種溝式小麥單粒排種器，以進(jìn)一步推動(dòng)小麥精量播種農(nóng)藝技術(shù)的發(fā)展。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

排種器主要由排種器殼體、弧形擋板、雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤、排種器側(cè)端蓋、清種刷、投種片、投種片限位銷軸、排種漏斗等組成。圖1為排種器爆炸圖。

雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤沿圓周方向加工種溝，種溝底部設(shè)計(jì)有種溝隔板，用于存放、排布種子，并帶動(dòng)種子產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤分別插入靜止的3個(gè)弧形擋板中間，作業(yè)時(shí)雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤與弧形擋板間產(chǎn)生差速運(yùn)動(dòng)，對(duì)種子進(jìn)行擾動(dòng)。排種器側(cè)端蓋軸向限制雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤的位置。清種刷安裝在排種器殼體上，用于清掉種溝上方多余的種子。在排種器投種位置處固定有投種片，用于投種，同時(shí)將種溝內(nèi)殘留的藥末和雜質(zhì)清出，預(yù)防長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)后種溝產(chǎn)生堵塞。投種片限位銷軸用于限制投種片的軸向位置。清落的小麥種子通過排種漏斗排出，完成投種作業(yè)。雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤直徑設(shè)計(jì)為150 mm，適宜高速作業(yè)，相同播量條件下，其角速度較低，可減少離心力對(duì)充種的影響，延長(zhǎng)充種時(shí)間，提高充種效率。

1.2 工作原理

如圖1所示，通過六方軸插入雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤內(nèi)孔傳輸旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，種子覆蓋在排種器殼體上部。未達(dá)到清種刷位置前為充種區(qū)，雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，迫使種帶運(yùn)動(dòng)，與弧形擋板產(chǎn)生差速運(yùn)動(dòng)，利用差速原理，使種子順利落入種溝內(nèi)。種溝內(nèi)的種子排列有序并隨雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)清種刷將種溝上方多余的種子清除。種子通過清種刷后進(jìn)入導(dǎo)種區(qū)，種溝運(yùn)送種子至投種區(qū)，在投種區(qū)種子靠自身重力、離心力以及受投種片擠壓脫離種溝，進(jìn)入排種漏斗進(jìn)行投種。

圖1 差速充種溝式小麥單粒排種器爆炸圖Fig.1 Exploded diagram of different-speed single grain seed-metering device with seed-filling groove for wheat1.清種刷 2.排種器殼體 3.弧形擋板 4.雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤 5.種溝隔板 6.排種器側(cè)端蓋 7.投種片 8.投種片限位銷軸 9.排種漏斗

2 種子在排種器內(nèi)受力分析

種子通過種箱從雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤正上方落入到充種溝內(nèi)充種區(qū)，圖2a、2b所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ即為種子落入雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤充種溝內(nèi)的4種情況，Ⅰ為種子豎立落入種溝內(nèi)，Ⅱ?yàn)榉N子落在種溝隔板頂上，Ⅲ為種子平躺入種溝，Ⅳ為種子一端在弧形擋板上，一端在雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤上。Ⅱ、Ⅳ處種子在充種溝外，下面分析Ⅱ、Ⅳ處的種子受力情況。

圖2 種子落入種溝情況和種子受力分析Fig.2 Condition of seeds fell into the filling groove and stress analysis of seeds

2.1 種子在Ⅱ處的受力分析

當(dāng)雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，種子位于種溝壁上，雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤以ω開始轉(zhuǎn)動(dòng)，則由于其他種子因重力產(chǎn)生的壓力以及其本身的慣性作用，種子將失去平衡落入種溝內(nèi)；如果雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤以ω轉(zhuǎn)動(dòng)，種子由于拖帶層牽連運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生速度[20]，當(dāng)種子速度為vw，雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤旋轉(zhuǎn)速度為vs時(shí)，種子受力情況如圖2c所示，并建立最初時(shí)刻的方程組

(1)

式中Ff——種子與種溝隔板頂端表面之間產(chǎn)生的摩擦力，N

G——種子重力與其他種子施加的壓力之和，N

N——種溝隔板頂端對(duì)種子的支持力，N

?——種子所在位置與雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤圓心的連線與水平位置的夾角，(°)

由式(1)和牛頓第二定律可推出

(2)

式中aτ——種子在τ方向的加速度，m/s2

m——種子質(zhì)量，g

由式(2)可知，當(dāng)Ff≠Gcos?時(shí)，種子在τ方向做變加速運(yùn)動(dòng)，且加速度隨?的改變而改變。

vw=v0+aτt

(3)

Ff=μFn

(4)

式中v0——種子的初始速度，m/s

t——種子從初速度到末速度時(shí)所經(jīng)過的時(shí)間，s

μ——摩擦因數(shù)

Fn——種子在種溝隔板頂端產(chǎn)生摩擦力時(shí)的正壓力，N

當(dāng)初始時(shí)vw=vs，種子在瞬時(shí)位于種溝隔板頂端上方，相對(duì)于種溝隔板頂端是靜止的，但經(jīng)過t時(shí)間后，根據(jù)式(3)vw變成v′w，種子與種溝隔板頂端產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨后落入種溝；當(dāng)初始時(shí)vw≠vs，則種子與種溝隔板頂端產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，種子隨即落入種溝。

當(dāng)?很小時(shí)，合力G在τ負(fù)方向上的分力很大，而在n正方向上的分力很小，即產(chǎn)生摩擦力Ff時(shí)的正壓力很小，所以充種時(shí)主要靠合力G進(jìn)行充種；隨著?增大，合力G在τ負(fù)方向上的分力逐漸減小，而在n正方向上的分力逐漸加大，種子對(duì)種溝隔板頂端產(chǎn)生的正壓力也逐漸增大，摩擦力Ff增大，種子進(jìn)行變加速運(yùn)動(dòng)，通過與種溝隔板頂端產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，種子可充入到種溝內(nèi)。

2.2 種子在Ⅳ處的受力分析

種子一端在排種器殼體內(nèi)的弧形擋板上，一端在雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤上，此時(shí)種子除了具有圖2c的受力情況外，種子上端還受到靜止的弧形擋板的摩擦力Ff1，種子下端受到雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤產(chǎn)生的摩擦力Ff2，摩擦力Ff1與摩擦力Ff2方向相反，如圖2d所示，由式(4)可知實(shí)際作業(yè)時(shí)種子上方還會(huì)有其他種子產(chǎn)生壓力，因此產(chǎn)生摩擦力Ff1與摩擦力Ff2的正壓力較大，所以摩擦力Ff1與摩擦力Ff2較大。設(shè)種子的長(zhǎng)軸直徑為L(zhǎng)，F(xiàn)f1產(chǎn)生力矩M1，F(xiàn)f2產(chǎn)生力矩M2，則

(5)

在力矩M1、M2的作用下，Ⅳ處種子轉(zhuǎn)動(dòng)后落入種溝內(nèi)。圖2d中種子為豎直狀態(tài)同時(shí)接觸雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤和弧形擋板，如果Ⅳ處種子為橫臥狀態(tài)時(shí)，也會(huì)同時(shí)產(chǎn)生摩擦力Ff1與摩擦力Ff2，不同的是種子短軸小于長(zhǎng)軸，因此，力矩減小，種子轉(zhuǎn)動(dòng)能力減小，通過合外力產(chǎn)生的加速度，使其與雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)后落入種溝內(nèi)。

3 優(yōu)化及仿真試驗(yàn)

根據(jù)種子在排種器內(nèi)的受力情況分析結(jié)果，運(yùn)用受力分析、仿真試驗(yàn)對(duì)排種器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化目標(biāo)

基于種子在排種器上受力分析結(jié)果對(duì)排種器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合排種器結(jié)構(gòu)特性以及小麥單粒排種要求，建立優(yōu)化目標(biāo)：①確定差速充種溝結(jié)構(gòu)中弧形擋板固定位置。②確定充種溝尺寸參數(shù)。③確定弧形擋板凸起斜度。

3.2 差速充種溝充種差速優(yōu)化

差速充種溝由弧形擋板與雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤組合而成。為了提高充種效率，充種溝的位置應(yīng)使種子的運(yùn)動(dòng)軌跡與充種溝的運(yùn)動(dòng)軌跡重合，充種溝中心離排種器側(cè)壁越近，充種性能越好[21]，原因是側(cè)壁相對(duì)靜止，輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，二者之間存在差速運(yùn)動(dòng)，可提高充種效率。因此，設(shè)計(jì)雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤邊緣為充種溝，且充種溝外側(cè)設(shè)置弧形擋板，即側(cè)壁。當(dāng)側(cè)壁固定，雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤作業(yè)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，為差速充種；當(dāng)側(cè)壁固定在雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤上時(shí)，則無(wú)差速充種。雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤與弧形擋板間是否存在差速運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)種子層運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。因此采用單因素試驗(yàn)法，對(duì)弧形擋板固定位置進(jìn)行研究。

通過仿真模擬試驗(yàn)測(cè)定差速充種效果。圖3為仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，圖3a弧形擋板固定在側(cè)板上，可形成差速充種溝(處理1)；圖3b弧形擋板固定在雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤上，二者同速旋轉(zhuǎn)(處理2)。采用單因素法分別對(duì)粒距合格率、重播率、漏播率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

圖3 仿真模型Fig.3 Simulation model

表1 弧形擋板固定位置仿真試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Simulation test results of fixed position of stationary curved baffle %

由表1可知，處理1粒距合格率均值為77.58%，高于處理2，且粒距合格率變異系數(shù)小，為1.88%，即各次試驗(yàn)結(jié)果的離散程度小，粒距合格率較處理2穩(wěn)定；處理1重播率均值為11.57%，略大于處理2的10.24%，但漏播率均值為10.58%，遠(yuǎn)小于處理2的18.03%，這是由于處理2小麥缺少轉(zhuǎn)動(dòng)的外力，種子層內(nèi)部運(yùn)動(dòng)較少，容易存在架空現(xiàn)象，因此影響充種，產(chǎn)生了較多的漏播。通過表1進(jìn)行方差分析可知，兩個(gè)處理的粒距合格率、重播率以及漏播率間都存在極顯著差異。

綜上，當(dāng)弧形擋板固定在側(cè)板上，排種器存在差速運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以增加小麥種子所受外力，有助于打破種子原有狀態(tài)，使其產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，提高充種效率，進(jìn)而提高播種質(zhì)量及效率。

3.3 充種溝尺寸優(yōu)化

充種溝尺寸太大會(huì)產(chǎn)生重播，充種溝過小又會(huì)影響充種，產(chǎn)生漏播，為了更合理地設(shè)計(jì)差速充種溝式小麥單粒排種器，采用正交試驗(yàn)法，對(duì)充種溝尺寸進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)研究。

統(tǒng)計(jì)黃淮海地區(qū)常用的不同小麥種子尺寸得出，小麥長(zhǎng)、寬、厚平均尺寸為6.33、3.42、3.12 mm，最大尺寸分別為7.29、4.22、3.81 mm，且充種溝尺寸應(yīng)滿足[22]

(6)

式中Lmax——小麥長(zhǎng)度最大值，mm

La——小麥長(zhǎng)度平均值，mm

Da——小麥厚度平均值，mm

l——充種溝隔板間長(zhǎng)度，mm

充種溝寬度以及高度應(yīng)滿足

Wmax

(7)

Dmax

(8)

式中Wmax——小麥寬度最大值，mm

w——充種溝寬度，mm

Dmax——小麥厚度最大值，mm

Dmin——小麥厚度最小值，mm

d——充種溝高度，mm

將統(tǒng)計(jì)值代入式(6)～(8)計(jì)算可得7.29 mm

為分析影響充種溝尺寸的主次因素及合理水平，選用L9(34)正交表進(jìn)行試驗(yàn)仿真。試驗(yàn)因素及水平如表2所示，上述計(jì)算所得區(qū)間值取中間值±0.50 mm。

表2 充種溝尺寸試驗(yàn)因素水平Tab.2 Orthogonal factors and levels of filling groove size

粒距合格率、重播率以及漏播率正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，x1、x2、x3為因素水平值。在設(shè)計(jì)排種器以及排種器作業(yè)的過程中排種器粒距合格率應(yīng)越高越好，其次重播率和漏播率應(yīng)越小越好，由表3可知，充種溝各參數(shù)最優(yōu)組合應(yīng)為試驗(yàn)6，即當(dāng)充種溝的寬度為5.00 mm、高度為5.00 mm、充種溝隔板間長(zhǎng)度為8.00 mm時(shí)，排種器基于EDEM軟件進(jìn)行仿真的作業(yè)效果最好[23]。仿真試驗(yàn)結(jié)果中充種溝的寬度、高度與計(jì)算區(qū)間的中值相近，充種溝隔板間長(zhǎng)度與最大值接近，仿真結(jié)果符合計(jì)算設(shè)計(jì)要求。對(duì)充種溝尺寸正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果可知，最終影響排種器粒距合格率的主次因素依次為充種溝寬度、充種溝高度、充種溝隔板間長(zhǎng)度。

表3 充種溝尺寸正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of orthogonal test of seed hole size

3.4 弧形擋板凸起斜度優(yōu)化

種子在落入充種溝的過程中，種子的流動(dòng)性以及運(yùn)動(dòng)方向同樣重要?；⌒螕醢逋蛊鹦倍?，可對(duì)種子起到引流的作用，幫助種子流向充種溝?；⌒螕醢逋蛊鹦倍圈热鐖D4所示?；⌒螕醢逋蛊鹦倍冗^大則充種接觸面變窄，斜度過小不能提高種子有向流動(dòng)性，因此弧形擋板合理的凸起斜度有利于提高種子流動(dòng)性，進(jìn)而提高充種質(zhì)量。

圖4 弧形擋板凸起斜度示意圖Fig.4 Rake angle of stationary curved baffle

休止角對(duì)研究顆粒體系的流動(dòng)性有著重要的參考意義[24],是確定弧形擋板凸起斜度的有效參考依據(jù)?？刹捎弥背邷y(cè)量法，確定小麥種子的自然休止角β(圖5)[25]。通過測(cè)量麥堆的底面半徑和麥堆高度，可計(jì)算出自然休止角，公式為

圖5 小麥種子自然休止角的測(cè)定Fig.5 Measurement of natural angle of repose of wheat seeds

(9)

式中H——麥堆高度，mm

R——麥堆底面半徑，mm

經(jīng)過3次重復(fù)試驗(yàn)，小麥種子自然休止角的測(cè)定試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，將試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)代入式(9)，可得小麥種子的平均自然休止角β=29.10°。

表4 小麥種子自然休止角的測(cè)定結(jié)果Tab.4 Determination results of natural angle of repose of wheat seeds

為提高種子的流動(dòng)性，設(shè)定弧形擋板凸起斜度應(yīng)為29.10°<θ<90°。由上文已知影響粒距合格率的主要因素是充種溝寬度，為了在不影響充種率的前提下提高排種器作業(yè)效率，通過二次正交旋轉(zhuǎn)中心仿真試驗(yàn)確定充種溝寬度、弧形擋板凸起斜度、排種器轉(zhuǎn)速三者最佳參數(shù)組合。

3.5 仿真正交試驗(yàn)

設(shè)置排種器的轉(zhuǎn)速、充種溝寬度、弧形擋板凸起斜度為影響因素，以粒距合格率P1、重播率P2、漏播率P3、排種均勻性變異系數(shù)P4共4個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為響應(yīng)值，各因素編碼如表5所示，采用Design-Expert 8.0.6軟件，以Box-Behnken響應(yīng)面優(yōu)化方法進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表6所示，A、B、C為因素編碼值。

表5 因素編碼Tab.5 Factors and codes of tests

表6 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.6 Test design and corresponding result

粒距合格率和排種均勻性變異系數(shù)方差分析如表7所示，二次回歸模型均極顯著(P<0.01)，失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬。依據(jù)系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，經(jīng)逐步回歸法剔除不顯著因素得各因素與粒距合格率P1、排種均勻性變異系數(shù)P4回歸響應(yīng)面方程分別為

P1=73.97-2.91A-1.16B-2.36AB-0.81AC-
1.55BC-1.71B2

(10)

P4=32.24+0.65A-5.07B-0.63C+1.04A2+2.2C2

(11)

由表7可知，粒距合格率P1和排種均勻性變異系數(shù)P42個(gè)指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型的P值均小于0.01，表明2個(gè)模型的顯著性極好；其失擬項(xiàng)的P值均大于0.05，說明2個(gè)模型在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，擬合程度較高，說明該模型可以預(yù)測(cè)排種器的最佳工作參數(shù)。從表7還可以看出，充種溝寬度對(duì)粒距合格率和排種均勻性變異系數(shù)都具有極顯著影響，而弧形擋板凸起斜度只對(duì)排種均勻性變異系數(shù)產(chǎn)生了顯著影響。

表7 回歸模型的方差分析Tab.7 Variance analysis of regression model

建立響應(yīng)曲面模型如圖6所示，當(dāng)弧形擋板凸起斜度保持45°不變時(shí)，隨轉(zhuǎn)速的增大粒距合格率P1逐漸減小，隨充種溝寬度的增大，粒距合格率P1先升高后降低。響應(yīng)面沿轉(zhuǎn)速方向的變化速率快，沿充種溝寬度方向的變化速率慢，說明在試驗(yàn)水平下，轉(zhuǎn)速對(duì)粒距合格率P1的影響比充種溝寬度影響顯著。

圖6 轉(zhuǎn)速與充種溝寬度交互作用對(duì)粒距合格率的影響Fig.6 Effect of interaction between speed and width of filling groove on qualified rate

如圖7所示，當(dāng)弧形擋板凸起斜度保持45°不變時(shí)，隨轉(zhuǎn)速增大排種均勻性變異系數(shù)P4先減小后增大，隨充種溝寬度的增大P4逐漸降低。響應(yīng)面沿充種溝寬度方向的變化速率快，沿轉(zhuǎn)速方向的變化速率慢，說明在試驗(yàn)水平下，充種溝寬度對(duì)排種均勻性變異系數(shù)P4的影響比轉(zhuǎn)速顯著。

為了獲得排種器的最佳工藝參數(shù)組合，以評(píng)價(jià)播種的2個(gè)指標(biāo)P1、P4為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)播種的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。運(yùn)用Design-Expert 8.0.6 軟件的優(yōu)化分析功能對(duì)2個(gè)指標(biāo)的回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化分析，目標(biāo)函數(shù)為

(12)

可得最佳編碼值組合：A=-1，B=1，C=-0.155，即轉(zhuǎn)速為1 r/s，充種溝寬度為6 mm，弧形擋板凸起斜度為42.68°，最佳參數(shù)組合下2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的預(yù)測(cè)值分別為：P1=76.73%，P4=28.23%。

4 臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)所用小麥品種為冀麥585，千粒質(zhì)量為42.1 g，長(zhǎng)度平均值為6.21 mm、寬度平均值為3.48 mm、厚度平均值為3.22 mm。試驗(yàn)設(shè)備為差速充種溝式小麥單粒排種器以及JPS-12型排種器試驗(yàn)臺(tái)(圖8)，設(shè)定排種器轉(zhuǎn)速為1.17 r/s，種床帶速為2.0 km/h，在試驗(yàn)臺(tái)上分別測(cè)定粒距合格率、重播率、漏播率以及排種均勻性變異系數(shù)，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果用于驗(yàn)證仿真試驗(yàn)。

圖8 JPS-12型排種器試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 JPS-12 seed-metering device test bench1.排種器固定架 2.鏈輪 3.排種器 4.傳送帶 5.排種器軸

4.2 臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.2.1弧形擋板固定位置對(duì)排種均勻性的影響

與仿真試驗(yàn)相同，在臺(tái)架試驗(yàn)中，處理1為雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤與靜止的弧形擋板間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，處理2為弧形擋板周向固定在雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤上，二者之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。處理1的粒距合格率為77.00%，高于處理2，處理1的重播率、漏播率以及排種均勻性變異系數(shù)均低于處理2，分別為14.00%、9.00%、36.45%，試驗(yàn)結(jié)果表明處理1的排種效果優(yōu)于處理2。

表8 弧形擋板固定位置臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Bench test results of fixed position of stationary curved baffle %

弧形擋板的固定位置影響排種器的排種均勻性效果比較明顯，處理1的粒距合格率比處理2高9個(gè)百分點(diǎn)，處理1的漏播率和重播率均低于處理2，且處理1的粒距合格率、重播率以及漏播率的變異系數(shù)均較低，結(jié)果與仿真試驗(yàn)一致。同時(shí)，處理1的排種均勻性變異系數(shù)比處理2低5.38個(gè)百分點(diǎn)，說明處理1的排種效果以及穩(wěn)定性均優(yōu)于處理2。處理1漏播率(9.00%)與重播率(14.00%)都較低，處理2的漏播率(15.00%)高，原因?yàn)槌浞N不充分，多余的種子會(huì)隨種層運(yùn)動(dòng)到毛刷處，當(dāng)堆積到一定程度毛刷上的種子在重力和排種輪的作用力下被排出，堆積嚴(yán)重就會(huì)產(chǎn)生重播現(xiàn)象，因此處理2的重播率高于處理1。

4.2.2充種溝尺寸對(duì)排種均勻性的影響

從3.3節(jié)仿真試驗(yàn)結(jié)果中選最優(yōu)的3組進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，分別為試驗(yàn)6(充種溝隔板間長(zhǎng)度8.00 mm、充種溝寬度5.00 mm、充種溝高度5.00 mm)、試驗(yàn)9(充種溝隔板間長(zhǎng)度8.00 mm、充種溝寬度5.50 mm、充種溝高度4.50 mm)和試驗(yàn)5(充種溝隔板間長(zhǎng)度7.50 mm、充種溝寬度6.00 mm、充種溝高度4.50 mm)。試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 充種溝尺寸臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Bench test results of seed hole size %

充種溝尺寸對(duì)排種均勻性的影響也較明顯，試驗(yàn)6的粒距合格率、重播率以及漏播率分別為81.00%、13.00%、6.00%，均優(yōu)于試驗(yàn)9和試驗(yàn)5，與仿真試驗(yàn)結(jié)果一致。試驗(yàn)6排種均勻性變異系數(shù)為32.68%，優(yōu)于試驗(yàn)9的34.66%和試驗(yàn)5的35.74%。由充種溝尺寸正交試驗(yàn)結(jié)果(表3)進(jìn)行正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果可知，充種溝寬度對(duì)重播率有顯著影響，隨著寬度的增加，重播率呈遞增趨勢(shì)，與理論分析結(jié)果一致。

4.2.3弧形擋板凸起斜度對(duì)排種均勻性的影響

依據(jù)上文理論分析結(jié)果：轉(zhuǎn)速為1 r/s，充種溝隔板間長(zhǎng)度、充種溝寬度、充種溝高度分別為8.00、6.00、5.00 mm，弧形擋板凸起斜度為42.68°時(shí)，粒距合格率P1以及排種均勻性變異系數(shù)P4達(dá)到最優(yōu)值，依照上述參數(shù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果為：粒距合格率為81.67%，重播率為12.50%，漏播率為5.83%，排種均勻性變異系數(shù)為32.32%，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)結(jié)果相近。

4.3 田間試驗(yàn)

綜合理論分析與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，確定排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：弧形擋板固定在排種器端蓋上，充種溝隔板間長(zhǎng)度、充種溝寬度、充種溝高度分別為8.00、6.00、5.00 mm，弧形擋板凸起斜度為42.68°。在此基礎(chǔ)上試制了樣機(jī)，機(jī)具參數(shù)如表10所示。

表10 機(jī)具參數(shù)Tab.10 Machine parameters

在河北省寧晉縣(北緯37°37′、東經(jīng)114°53′)進(jìn)行試驗(yàn)，位于暖溫帶大陸性氣候區(qū)，土壤為中壤土，土壤堅(jiān)實(shí)度為429 kPa，試驗(yàn)地地表平整，坡角小于等于5°。種植模式為一年兩熟，小麥播種前進(jìn)行旋耕整地處理, 前茬作物為玉米，殘茬含水率15%～35%，植被覆蓋量為1.68 kg/m2，圖9為機(jī)具田間作業(yè)，作業(yè)速度為4.8 km/h。

圖9 田間試驗(yàn)Fig.9 Field experiment

圖10 出苗效果Fig.10 Wheat at seeding stage

將播后的地塊分為3個(gè)小區(qū)，待出苗后測(cè)量每個(gè)小區(qū)內(nèi)小麥粒距合格率和播種均勻性變異系數(shù)，圖10為出苗效果，播種性能如表11所示，粒距合格率為82.50%，其中最小值為80.00%；重播率為9.17%，其中最大值為10.00%；漏播率為8.33%，其中最大值為10.00%；合格粒距變異系數(shù)為32.87%，其中最大值為34.70%；播種均勻性變異系數(shù)為30.12%，其中最大值為31.54%。試驗(yàn)結(jié)果滿足JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》中對(duì)精播作業(yè)性能的要求。

表11 播種性能指標(biāo)對(duì)比Tab.11 Comparison of sowing performance index %

田間試驗(yàn)表明，本文設(shè)計(jì)的差速充種溝式小麥單粒排種器，在進(jìn)行田間作業(yè)時(shí)，雙邊交替充種旋轉(zhuǎn)輪盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，與弧形擋板之間利用差速原理，增加小麥種子在排種器內(nèi)所受外力，進(jìn)而擾動(dòng)小麥種層，提高充種效率，提高了播種粒距合格率，實(shí)現(xiàn)小麥單粒播種。

試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真試驗(yàn)、臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)結(jié)果一致。后期可進(jìn)行排種器差速比研究，以明確差速與充種的關(guān)系。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種差速充種溝式小麥單粒排種器，可以實(shí)現(xiàn)小麥定株距的精量播種。該排種器利用差速原理，增大排種器內(nèi)小麥所受外力，通過外力提高小麥的自身轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而提高充種效果，使小麥單粒播種的播種質(zhì)量得到提高。

(2)進(jìn)行了離散元仿真試驗(yàn)及排種器臺(tái)架試驗(yàn)，對(duì)差速充種溝式小麥單粒排種器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，通過單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)法以及正交回歸旋轉(zhuǎn)中心仿真試驗(yàn)分析得出優(yōu)化后結(jié)構(gòu)參數(shù)：弧形擋板固定在排種器端蓋上，充種溝隔板間長(zhǎng)度、充種溝寬度、充種溝高度分別為8.00、6.00、 5.00 mm，弧形擋板凸起斜度為42.68°時(shí)，粒距合格率最優(yōu)。

(3)根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)采用差速充種溝式小麥單粒排種器的7.5 cm行距小麥播種機(jī)進(jìn)行了田間試驗(yàn)，在作業(yè)速度為4.8 km/h時(shí)，粒距合格率為82.50%、重播率為9.17%、漏播率為8.33%，播種均勻性變異系數(shù)30.12%。試驗(yàn)結(jié)果與仿真試驗(yàn)及臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果基本一致。