三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器設(shè)計與試驗

陳海濤 王洪飛 王業(yè)成 史乃煜 魏志鵬 竇玉寬

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

大豆育種試驗是獲得優(yōu)質(zhì)新品種的先決條件，對大豆品種改良、良種繁育具有重要意義，通過小區(qū)試驗選育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的大豆品種，是保證糧食安全的重要途徑[1-2]。播種過程是小區(qū)育種試驗的重要環(huán)節(jié)之一，排種器是播種機的核心部件，其排種性能直接影響品種繁育試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性與科學(xué)性[3]。氣力式排種器以其在種子適應(yīng)性、排種精度、作業(yè)效率等方面的優(yōu)勢被大多數(shù)高速精密播種機所采用[4-6]。隨著育種公司和科研單位對育種機械需求的日益增加，研制高性能大豆育種排種器具有重要意義。

19世紀(jì)80年代，我國研究機構(gòu)在引進國外小區(qū)播種機的基礎(chǔ)上，開展了小區(qū)播種機的研究工作[7-8]。國內(nèi)小區(qū)播種機代表機型有佟超[9]提出的ZXJB-4型小區(qū)精密播種機，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院與北京農(nóng)業(yè)大學(xué)共同設(shè)計的NKXB-1.4型小區(qū)條播機，何彥等[10]研發(fā)的2XBX-2.0型懸掛式小區(qū)條播機，黃珊珊[11]研制的2BXJ系列大豆小區(qū)育種精量播種機，許鵬曉等[12]研制的錐體帆布帶式小區(qū)播種機等。我國小區(qū)育種播種機受研究領(lǐng)域及應(yīng)用區(qū)域的影響，沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，未形成推向市場的系列產(chǎn)品，現(xiàn)有作業(yè)機型多為由大田播種機改裝而成的純機械形式，清換種采用人工方式，作業(yè)速度較低，這在很大程度上制約了小區(qū)育種機械的快速發(fā)展。

奧地利Wintersteiger公司研制的氣吸式小區(qū)單粒播種機，其核心部件為隔離閥門的種室，清換種時閥門快速旋轉(zhuǎn)，在負壓作用下殘余種子被吸附清理，且排種器安裝單獨的電力驅(qū)動裝置，可實現(xiàn)單行獨立播種的作業(yè)效果；丹麥HALDRUP公司研制的哈德普SR-30小區(qū)單粒播種機，其排種器動力來源于電機動力裝置，集成了播種定位控制器(GSC)電子監(jiān)控技術(shù)和GPS定位系統(tǒng)，確保了試驗育種的準(zhǔn)確性；美國的Almaco公司和SRES公司、法國的Baural公司以及巴西的Maquinarium公司等[13]研制的小區(qū)精密播種機，通過智能控制系統(tǒng)控制排種器完成小區(qū)試驗播種工作，實現(xiàn)了小區(qū)播種的自動化。但國外小區(qū)播種機的排種器價格較為昂貴，且與我國的農(nóng)藝要求不符，難以適應(yīng)我國小區(qū)育種技術(shù)模式。

根據(jù)我國大豆育種農(nóng)藝的要求，為解決現(xiàn)有排種器無法高速作業(yè)與清換種技術(shù)等問題，設(shè)計一種三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器，以期實現(xiàn)基于單片機控制系統(tǒng)的指令、電機驅(qū)動齒輪式排種盤和三葉式輔助充種清換種機構(gòu)協(xié)同動作，完成在每個小區(qū)之間不停機快速清理剩余種子和更換種子的工序。通過探究作業(yè)速度、真空度、清換種時間對排種器性能的影響規(guī)律，確定滿足大豆育種要求的最佳工作參數(shù)范圍，為大豆育種氣吸排種器設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由排種器前殼體總成、排種器后殼體總成、齒輪式排種盤、電機動力源組成。排種器前殼體總成主要由三葉式輔助充種清換種機構(gòu)、三葉式輔助充種清換種機構(gòu)驅(qū)動電機、限位端蓋、雙自由度組合式刮種機構(gòu)、種室殼體、種子喂入器和毛刷擋板構(gòu)成。排種器后殼體總成主要由氣室密封環(huán)、氣室殼體、齒輪式排種盤安裝架、氣流導(dǎo)管構(gòu)成。

圖1 氣吸排種器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 Structure diagram of air-suction seed meter1.三葉式輔助充種清換種機構(gòu)驅(qū)動電機 2.限位端蓋 3.三葉式輔助充種清換種機構(gòu) 4.雙自由度組合式刮種機構(gòu) 5.齒輪式排種盤 6.氣室密封環(huán) 7.氣室殼體 8.氣流導(dǎo)管 9.電機動力源 10.齒輪式排種盤安裝架 11.毛刷擋板 12.種室殼體 13.種子喂入器

種室殼體設(shè)計時，既希望其能夠?qū)崿F(xiàn)充種功能又能實現(xiàn)清換種功能，需要一個殼體同時完成多個動作，產(chǎn)生了物理矛盾，TRIZ理論解決物理矛盾的方法主要有時間分離、空間分離和條件分離，本研究運用空間分離原理，在輔助充種清換種機構(gòu)作用下，將種室殼體分成有交集的清換種室與充種室[14-15]。形成相互串聯(lián)的3個工作區(qū)域，分別為換種區(qū)域、送種區(qū)域和殘余種子區(qū)域，其中送種區(qū)域與充種室相通。

1.2 工作原理

三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器的工作過程如圖2所示。排種器準(zhǔn)備工作時，控制系統(tǒng)命令排種器進行復(fù)位動作，確保各機構(gòu)處在準(zhǔn)備工作位置。工作時，首先將第n個小區(qū)種子通過種子喂入器注入清換種室內(nèi)的換種區(qū)域內(nèi)，如圖2a所示，三葉式輔助充種清換種機構(gòu)在驅(qū)動電機帶動下，帶動種子逆時針旋轉(zhuǎn)120°，到達清換種室中的送種區(qū)域，種子進入充種室與齒輪式排種盤接觸，齒輪式排種盤與鑲嵌在氣室殼體上的氣室密封環(huán)接觸形成氣室，由風(fēng)機提供的負壓將種子吸附在排種盤上，排種盤帶動種子旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過清種區(qū)域時，在雙自由度組合式刮種機構(gòu)作用下，清理排種盤型孔處吸附多余的種子，完成單粒送種，降低排種器重播率，排種盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)將種子運至攜種區(qū)和排種區(qū)，完成精量播種，如圖2b所示；在播種第n個小區(qū)的種子時，將第n+1個小區(qū)的種子通過種子喂入器注入換種區(qū)域內(nèi)，停留等待，如圖2c所示，作業(yè)時，控制系統(tǒng)檢測計算機具已作業(yè)長度，當(dāng)?shù)趎個小區(qū)未播種長度所需要的種子數(shù)量為排種盤上吸附的種子時，三葉式輔助充種清換種機構(gòu)同時帶動第n個小區(qū)剩余的種子和第n+1個小區(qū)等待播種的種子繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)120°，將剩余的第n個小區(qū)種子運送至殘余種子區(qū)域，通過清理機構(gòu)將剩余種子進行清理，同時排種盤繼續(xù)工作，將排種盤吸附上的種子播種完畢，確保達到第n個小區(qū)的作業(yè)長度；此時第n+1個小區(qū)等待播種的種子到達清換種室的送種區(qū)域與排種盤接觸，排種器持續(xù)播種第n個小區(qū)種子時的動作，完成第n+1個小區(qū)種子的精量播種，如圖2d所示。后續(xù)每個小區(qū)播種以此過程為一個周期循環(huán)工作，實現(xiàn)了在相鄰小區(qū)之間不停機快速清、換種工作，提高了育種試驗的工作效率。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working schematics of seed metera.充種區(qū) b.清種區(qū) c.攜種區(qū) d.排種區(qū) Ⅰ.換種區(qū) Ⅱ.殘余種子區(qū) Ⅲ.送種區(qū)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與分析

2.1 大豆種子物理力學(xué)特性

在育種試驗過程中，不同地區(qū)及每個小區(qū)之間試驗品種有所差異，種子的物理特性對排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計與分析至關(guān)重要。選取常見大豆品種“吉育302”、“黑河43”和“黑農(nóng)45”種子為研究對象，含雜率小于0.1%，含水率均小于13%，將大豆種子視為橢球形進行研究，分析種子等效直徑。每個品種隨機抽取200粒，利用精度為0.01 mm游標(biāo)卡尺對每粒種子長、寬、厚進行測量，計算出種子的平均等效直徑，結(jié)果如表1所示。運用斜面儀測量種子與樹脂材料間的最大靜摩擦角為12.9°(含水率13%)。

表1 大豆種子物理特性參數(shù)Tab.1 Physical characteristics of soybean seeds mm

2.2 雙自由度組合式刮種機構(gòu)設(shè)計

小區(qū)育種與大田播種有所差異，需保證育種試驗的準(zhǔn)確性，通過刮種機構(gòu)精準(zhǔn)清理排種盤型孔處吸附的多余種子，保證在攜種區(qū)域內(nèi)每個型孔吸附單粒種子，達到育種試驗防止混雜和精量播種的要求[16-18]。目前常見的刮種裝置主要有橡皮刮板式、彈性杠桿式、鋸齒形刮板式、光滑曲線滑塊管板式及雙柱杠桿式等[19-20]。針對小區(qū)育種的特點，本文設(shè)計了雙自由度組合式刮種機構(gòu)。

2.2.1刮種機構(gòu)安裝位置

清種環(huán)節(jié)作為排種器工作過程中重要環(huán)節(jié)之一，其位置的確定直接影響清種效果，決定排種器的播種質(zhì)量。刮種刀工作位置應(yīng)在排種盤穩(wěn)定充種之后，且保證清理掉的種子不干擾正常狀態(tài)的種子順利返回充種區(qū)，具體位置分析如圖3所示。

圖3 刮種機構(gòu)安裝位置分析圖Fig.3 Analysis of installation position of seed cleaning mechanism

假設(shè)刮種刀安裝位置在點a，以排種盤中心為原點建立直角坐標(biāo)系，由圖3分析可得d1和d2為

d1=rcosδ

(1)

(2)

式中δ——初始安裝位置角度，(°)

r——型孔中心點a到排種盤中心距離，mm

n1——排種盤型孔數(shù)

d1——型孔中心點a到x軸垂直距離，mm

d2——型孔中心點b到x軸垂直距離，mm

刮種機構(gòu)工作時，應(yīng)該使相鄰型孔處留有足夠的間距，需要滿足間距da大于2倍最大種子等效直徑。本文中最大種子為黑河43，等效直徑7.29 mm，將種子近似圓形處理分析，除型孔處吸附的多余種子外，其他種子形心與其對應(yīng)的型孔重合，因此刮種刀安裝位置應(yīng)滿足

(3)

代入相應(yīng)數(shù)據(jù)，求得δ>67°。如圖3所示，第一象限與第二象限種子分布情況關(guān)于y軸對稱，因此刮種刀安裝位置角度應(yīng)為67°～113°，為了留有足夠的充種時間，使種子穩(wěn)定吸附在型孔上，本文選取刮種機構(gòu)安裝角度為第一象限85°，通過毛刷擋板將清理掉的多余種子送回充種室。

2.2.2刮種機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

刮種機構(gòu)是排種器關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響排種器的重播指數(shù)，刮種機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4a所示，由雙圓柱刮種刀、銷軸、Z軸調(diào)節(jié)滑塊、法蘭螺母、刻度盤、調(diào)節(jié)連桿、驅(qū)動連桿和開口銷構(gòu)成。

圖4 雙自由度組合式刮種機構(gòu)Fig.4 Schematics of two-degree-of-freedom combined seed cleaning mechanism1.雙圓柱刮種刀 2.銷軸 3.Z軸調(diào)節(jié)滑塊 4.法蘭螺母 5.刻度盤 6.驅(qū)動連桿 7.調(diào)節(jié)連桿 8.開口銷

工作時，調(diào)節(jié)法蘭螺母預(yù)緊力，從而改變刻度盤與滑塊間對種室殼體的夾持力，使刮種器在Z軸上滑動，進行刮種機構(gòu)整體位置調(diào)節(jié)，確保雙圓柱刮種刀對稱分布在排種盤型孔中心所在的基圓上。以鉸鏈點O為中心，旋轉(zhuǎn)刻度盤，通過連桿帶動刮種刀繞X軸旋轉(zhuǎn)，完成對雙圓柱刮種刀到排種盤型孔中心所在的基圓距離的調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)刮種機構(gòu)在Z軸方向與繞X軸的兩個自由度，確保雙圓柱刮種刀的每個圓柱都處于工作位置，避免因為誤差導(dǎo)致的單側(cè)工作，從而保證了清種效果，完成單粒精量播種。

2.3 排種盤設(shè)計

2.3.1排種盤直徑

排種盤直徑是排種器的基本特征參數(shù)之一，其大小決定排種器安裝布置、結(jié)構(gòu)尺寸和性能，在充種過程中，型孔停留在充種區(qū)域時間越長，越有利于種子被吸附在型孔上，即充種性能越好，為了研究排種盤直徑對充種時間的影響，建立影響充種時間t的方程組

(4)

式中α——充種區(qū)角度，(°)

ω——排種盤角速度，rad/s

N——排種盤轉(zhuǎn)速，r/min

l——粒距，mm

v——播種機作業(yè)速度，m/s

整理公式(4)得

(5)

由式(5)可知，充種時間t與作業(yè)速度v、粒距l(xiāng)、型孔數(shù)n1、充種區(qū)角度α有關(guān)，在速度v、粒距l(xiāng)、充種區(qū)角度α為定值時，充種時間t只與型孔數(shù)n1有關(guān)，而與排種盤直徑無直接關(guān)系。

隨著排種盤直徑的增大，型孔數(shù)增多，可以增大種子在充種區(qū)停留的時間，但型孔數(shù)越多，需要風(fēng)機提供的負壓增大，從而導(dǎo)致能耗過高，并且排種盤直徑?jīng)Q定排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸，綜合考慮選取排種盤直徑D=170 mm。

2.3.2型孔尺寸及其數(shù)量

排種器型孔的大小直接決定排種器的充種性能，與大田播種相比較，在小區(qū)育種試驗過程中，每個小區(qū)內(nèi)播種的種子差異性顯著。結(jié)合表1得出，東北地區(qū)具有代表性大豆種子平均等效直徑集中分布在6.2～7.6 mm之間。

型孔孔徑K計算式為[21]

K=(0.6～0.7)d

(6)

式中d——球形大豆種子直徑，mm

參照大豆氣吸排種器排種盤吸孔直徑參照表[22]，型孔孔徑范圍為3.6～5.3 mm，型孔孔徑選取4.5 mm。

型孔數(shù)量與播種機作業(yè)速度、株距、排種盤直徑有關(guān)，在不影響排種器性能與整機結(jié)構(gòu)的前提下，型孔數(shù)量盡量多，但是當(dāng)型孔數(shù)量增加時，需要風(fēng)機提供的負壓越大。因小區(qū)播種的特殊性，需在每個小區(qū)之間快速頻繁通斷氣壓，完成清換種子工作，負壓過大，導(dǎo)致氣室恢復(fù)到大氣壓與從大氣壓達到所需負壓的時間增長，從而影響了在每個小區(qū)不停機清換種子的時間。結(jié)合每個小區(qū)的播種量較少與作業(yè)速度較低等特點，綜合選擇型孔數(shù)量為27個。

2.4 基于EDEM的三葉式輔助充種清換種機構(gòu)設(shè)計

針對小區(qū)作業(yè)技術(shù)模式農(nóng)藝要求，解決大豆小區(qū)育種過程中頻繁清換種和少量種子能順利被排種盤吸附難題，設(shè)計了三葉式輔助充種清換種機構(gòu)，如圖5所示。在相鄰小區(qū)之間隔離帶處，三葉式輔助充種清換種機構(gòu)驅(qū)動電機帶動此機構(gòu)逆時針旋轉(zhuǎn)120°，完成小區(qū)之間快速充種和清換種工作。小區(qū)播種時，每個小區(qū)的播種量非常少，需要排種器具有極好的充種性能，確保種室內(nèi)僅剩一粒種子時也能精準(zhǔn)充種，此三葉式機構(gòu)由于傾角的存在，將種室內(nèi)的種子聚集在排種盤型孔附近，避免因種子散落在距離排種盤較遠的種室內(nèi)而無法被吸附，同時通過葉片對種子施加利于被型孔吸附的支持力，輔助完成排種器充種，提高排種器充種性能。

圖5 三葉式輔助充種清換種機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of three-leaf auxiliary seed filling and replacing mechanism

采用EDEM虛擬仿真軟件對其傾角結(jié)構(gòu)加以分析。結(jié)合大豆種子物理特性測定結(jié)果與機構(gòu)的力學(xué)特性，創(chuàng)建大豆籽粒離散模型和不同葉片傾角φ的三葉式輔助充種清換種機構(gòu)幾何模型，運用EDEM軟件進行輔助充種性能模擬實驗，根據(jù)實際工作情況設(shè)置軟件相應(yīng)參數(shù)[23-24]，全局變量參數(shù)如表2所示，大豆種子表面光滑，無黏附力，選擇Hertz-mindlin (no-slip)模型為仿真接觸模型。

分析不同葉片傾角φ對充種性能的影響，結(jié)果如圖6所示。葉片傾角φ為0°時，種子隨機散落在機構(gòu)里，此時葉片對大豆種子的支持力方向與種子所受重力方向相反，且部分種子距離排種盤型孔較遠，不利于被型孔吸附，如圖6a所示；葉片傾角φ為13.5°時，種子聚集在排種盤型孔處，大豆種子受到垂直于排種盤和與重力方向相反的分力，垂直于排種盤的分力有助于型孔處的負壓對大豆種子的吸附，從而提高排種器的充種性能，如圖6b所示；葉片傾角φ大于等于14.5°時，種子受到垂直于排種盤和與重力方向相反的分力，但是由于機構(gòu)自身尺寸限制出現(xiàn)死角，導(dǎo)致出現(xiàn)卡種現(xiàn)象，如圖6c所示。結(jié)合小區(qū)育種時種子數(shù)量較少特點和種子物料特性分析結(jié)果，選取葉片傾角φ為13.5°。

表2 全局變量參數(shù)Tab.2 Pre-treatment parameters setting

圖6 EDEM虛擬仿真試驗結(jié)果Fig.6 EDEM virtual simulation test results

工作時，控制系統(tǒng)發(fā)出清、換種指令，通過電機帶動三葉式輔助充種清換種機構(gòu)工作，將剩余的種子送至殘余種子區(qū)，待播種子運送至清換種室內(nèi)送種區(qū)，實現(xiàn)對剩余種子的清理及待播種子的更換，同時在葉片傾角作用下，大豆種子向排種盤型孔靠攏，便于被排種盤順利吸附，輔助待播種子完成快速充種過程，確保排種器具有極好的充種性能。

2.5 充種區(qū)力學(xué)分析

在三葉式輔助充種清換種機構(gòu)作用下，將種子近似視為橢球體，種子即將被吸附在排種盤上時，以種子的質(zhì)心為原點建立三維直角坐標(biāo)系，如圖7所示。其中坐標(biāo)平面xOy中受力分析如圖7a所示，x軸正向為種子受到的阻力方向，y軸正向為種子受到離心力的反向，經(jīng)過排種盤中心。對yOz平面進行受力分析，如圖7b所示，所受負壓吸附力方向為z軸正向。充種時，隨著排種盤順時針轉(zhuǎn)動，種子受到吸孔吸附力FP、三葉式輔助充種清換種機構(gòu)的支持力N以及重力G和種子間摩擦阻力F。

圖7 輔助充種受力分析圖Fig.7 Stress analysis of auxiliary seed filling

沿z軸正向建立動力學(xué)方程

ma=Fp+Qsinθ-Fcosα

(7)

(8)

(9)

式中m——單粒種子質(zhì)量，g

a——種子向型孔方向移動的加速度，m/s2

Q——種子受支持力合力，N

θ——支持力合力與重力反方向夾角，(°)

α——種子受摩擦力與z軸負方向夾角，(°)

Δp——型孔處氣壓差，kPa

κ——種子受吸附力影響的正系數(shù)

Qx——種子受支持力在x方向上的分力，N

Qy——種子受支持力在y方向上的分力，N

Qz——種子受支持力在z方向上的分力，N

Qxy——種子受支持力在xOy平面上的合力，N

為了保證種子有效地被型孔吸附，其受合力應(yīng)沿型孔軸線方向，即種子向型孔方向移動的加速度a>0，由式(7)～(9)可知

(10)

由式(10)可知，種子在負壓的作用下，移向型孔處的有效加速度a主要與型孔處的氣壓差Δp、型孔直徑K、種子被型孔吸附時受到的阻力F、種子受到三葉式輔助充種清換種機構(gòu)的支持力Q和種子物料特性(κ、m)等有關(guān)。充種時，受到三葉式輔助充種清換種機構(gòu)的作用，產(chǎn)生輔助支持力Q，有利于種子被吸附在型孔上。增大型孔處的氣壓差Δp可以提高種子向型孔處移動的加速度，從而提高充種效果，但是過大的氣壓差將增加機器的能耗與排種器的重播指數(shù)。通過排種性能預(yù)試驗，確定壓強取值范圍為3～6 kPa。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗

3.1 試驗材料與儀器設(shè)備

運用JPS-12型排種器性能檢測試驗臺實施臺架試驗，試驗材料為黑農(nóng)45大豆種子。利用風(fēng)壓測量儀(加野麥克斯KANOMAXKA31型，精度為0.01 kPa)測量氣室內(nèi)真空度，試驗裝置如圖8所示。

圖8 排種裝置試驗臺Fig.8 Test bed of seed meter

試驗時，將排種器固定在安裝架上，通過安裝在種床帶電機上的編碼器測量其速度，模擬播種機具作業(yè)狀態(tài)，編碼器將信號傳遞給控制系統(tǒng)，依據(jù)作業(yè)速度、株距、隔離帶間距的要求，模擬整個小區(qū)作業(yè)過程。

3.2 試驗設(shè)計與方法

小區(qū)育種作業(yè)時分為兩個階段：正常排種階段和清換種階段。為了檢測排種器性能及在小區(qū)隔離帶處清換種距離，結(jié)合實際小區(qū)播種作業(yè)要求，設(shè)定理論株距為35 mm，刮種機構(gòu)位于上述分析第一象限85°位置，采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗方法，按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》實施試驗，選取真空度、作業(yè)速度、清換種時間為試驗因素，以合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、清換種距離(清換種時間與作業(yè)速度和各因素對清換種距離影響修正系數(shù)的乘積)為目標(biāo)函數(shù)，試驗因素編碼如表3所示，試驗方案如表4所示，X1、X2、X3為因素編碼值，每組試驗均重復(fù)3次，取其平均值作為試驗結(jié)果。采用Design-Expert軟件進行數(shù)據(jù)處理分析。

表3 試驗因素編碼Tab.3 Coding of test factors

表4 試驗方案與結(jié)果Tab.4 Test scheme and results

3.3 試驗結(jié)果與分析

3.3.1試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表4所示。

3.3.2模型建立與顯著性檢驗

對試驗結(jié)果進行方差分析，結(jié)果如表5所示。

表5 方差分析Tab.5 Results of variance analysis

表6 實際值與優(yōu)化值對比結(jié)果Tab.6 Comparison results of actual value and optimal value

根據(jù)方差分析可得，排種器的合格指數(shù)Y1二次回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.902 3，為不顯著，表明合格指數(shù)的回歸模型與實際的播種情況擬合良好；排種器重播指數(shù)Y2回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.218 0，為不顯著，表明重播指數(shù)的回歸模型與實際的播種情況擬合良好；排種器漏播指數(shù)Y3回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.526 1，為不顯著，表明漏播指數(shù)的回歸模型與實際的播種情況擬合良好；排種器清換種距離Y4回歸模型極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.777 8，為不顯著，表明清換種距離的回歸模型與實際的播種情況擬合良好，在上述模型中，剔除模型中不顯著項，得到排種器合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、清換種距離影響的回歸模型為

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3.3.3各因素對性能指標(biāo)的影響

(1)對性能指標(biāo)影響貢獻率分析

參考試驗回歸設(shè)計中各因素對指標(biāo)影響貢獻率計算方法[25]分析可知，各因素對合格指數(shù)影響順序由強到弱為：作業(yè)速度、真空度、清換種時間；對重播指數(shù)影響順序由強到弱為：真空度、作業(yè)速度、清換種時間；對漏播指數(shù)影響順序由強到弱為：作業(yè)速度、真空度、清換種時間；對清換種距離影響順序由強到弱為：作業(yè)速度、真空度、清換種時間。

(2)對性能指標(biāo)影響響應(yīng)曲面分析

運用軟件分析各因素對性能指標(biāo)影響效應(yīng)，采用降維法繪制每組顯著的交互作用分別對合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、清換種距離影響的響應(yīng)曲面圖，如圖9～11所示。

圖9 因素交互作用對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.9 Effect of interactive factors on qualified index

圖10 因素交互作用對漏播指數(shù)影響的響應(yīng)曲面Fig.10 Effect of interactive factors on missing index

圖11 因素交互作用對重播指數(shù)和清換種距離影響的響應(yīng)曲面Fig.11 Effect of interactive factors on multiple and changing distance index

清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業(yè)速度對合格指數(shù)影響的響應(yīng)曲面如圖9a所示，當(dāng)真空度一定時，排種器合格指數(shù)隨著作業(yè)速度的增加呈下降趨勢，在作業(yè)速度大于6.5 km/h時，隨著作業(yè)速度的增加，合格指數(shù)下降的趨勢較大；在作業(yè)速度一定時，隨著真空度的增加，排種器合格指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。作業(yè)速度X1處于零水平(5.4 km/h)時，真空度與清換種時間對合格指數(shù)的影響如圖9b所示，清換種時間一定時，隨著真空度的增加合格指數(shù)呈先上升后下降趨勢；在真空度一定時，隨著換種時間的增加合格指數(shù)先上升后下降，但波動范圍較小，合格指數(shù)基本恒定。

清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業(yè)速度對漏播指數(shù)的影響如圖10a所示，當(dāng)真空度不變時，排種器漏播指數(shù)隨著作業(yè)速度的增加呈上升趨勢，當(dāng)作業(yè)速度大于6.5 km/h時，隨著作業(yè)速度的增加，漏播情況較為嚴重；在作業(yè)速度相同的條件下，隨著真空度的增加，排種器漏播指數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢；作業(yè)速度X1處于零水平(5.4 km/h)時，真空度與清換種時間對漏播指數(shù)的影響如圖10b所示，清換種時間相同時，隨著真空度的增加漏播指數(shù)呈下降趨勢；在真空度相同的條件下，隨著清換種時間的增加漏播指數(shù)微小波動，漏播指數(shù)基本恒定。表明適當(dāng)增加機器的負壓可降低排種器的漏播指數(shù)。

清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業(yè)速度對重播指數(shù)的影響如圖11a所示，當(dāng)真空度一定時，排種器重播指數(shù)隨著作業(yè)速度的增加基本穩(wěn)定；在作業(yè)速度相同的條件下，隨著真空度的增加，排種器重播指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。清換種時間X3處于零水平(0.5 s)時，真空度與作業(yè)速度對清換種距離的影響如圖11b所示，作業(yè)速度一定時，隨著真空度的增加清換種距離呈上升趨勢；在真空度相同的條件下，隨著作業(yè)速度增加清換種距離呈上升趨勢，隨著作業(yè)速度與真空度的增加，清換種距離出現(xiàn)大幅度變化，但都滿足大豆育種隔離帶的距離要求。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗證

通過上述分析，為了得到排種最佳工作參數(shù)組合，遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 10293—2013《單粒(精密)播種機技術(shù)條件》要求，根據(jù)實際工作條件、作業(yè)性能要求，選擇優(yōu)化目標(biāo)和約束條件為

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運用Design-Expert軟件中的優(yōu)化模塊對回歸模型進行求解，在作業(yè)速度為4.3～6.5 km/h、真空度3.6～5.4 kPa、清換種時間0.3～0.7 s的條件下，要求合格指數(shù)達到最大，重播指數(shù)最小，漏播指數(shù)最小，清換種距離大于等于500 mm、小于等于600 mm，得到排種器最佳工作參數(shù)組合：真空度4.6 kPa、作業(yè)速度5.3 km/h、清換種時間0.3 s，此時合格指數(shù)為95.29%、重播指數(shù)3.29%、漏播指數(shù)1.42%、清換種距離554.6 mm。

為了驗證優(yōu)化分析結(jié)果的正確性，在上述求解條件下，以黑農(nóng)45大豆種子為試驗材料進行驗證試驗，進行10次重復(fù)試驗，取其平均值作為試驗結(jié)果，得到實際值與優(yōu)化值對比結(jié)果如表6所示。驗證試驗結(jié)果表明，優(yōu)化結(jié)果可信。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)大豆小區(qū)育種的農(nóng)藝要求，設(shè)計一種基于控制系統(tǒng)指令、以電機為動力源的三葉式自動清換種大豆育種氣吸排種器，實現(xiàn)了在相鄰小區(qū)之間的不停機清種、換種和快速充種，該機符合我國小區(qū)育種作業(yè)模式，在一定程度上解決了我國小區(qū)播種機械的瓶頸問題。

(2)提出了充種室和清換種室相互獨立并協(xié)同動作的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計了三葉式輔助充種清換種機構(gòu)，通過理論研究與仿真分析，確定最佳葉片傾角φ為13.5°，同時該機構(gòu)通過對種子施加支持力提高了排種器的充種性能，從而在種子數(shù)量較少的情況下，確保試驗種子被排種盤順利可靠地吸附。

(3)各因素對排種器合格指數(shù)的影響由大到小依次為：作業(yè)速度、真空度、清換種時間；對重播指數(shù)影響由大到小依次為：真空度、作業(yè)速度、清換種時間；對漏播指數(shù)影響由大到小依次為：作業(yè)速度、真空度、清換種時間；對清換種距離影響由大到小依次為：作業(yè)速度、真空度、清換種時間。最佳工作參數(shù)組合為真空度4.6 kPa、作業(yè)速度5.3 km/h、清換種時間0.3 s，此時排種器性能最佳，合格指數(shù)為95.29%、重播指數(shù)3.29%、漏播指數(shù)1.42%、清換種距離554.6 mm。