丘陵坡地自吸式綠豆精密排種器設(shè)計與試驗

賈洪雷 張勝偉 陳天佑 趙佳樂 郭明卓 袁洪方

(1.吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，長春 130025；2.吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實驗室，長春 130025)

0 引言

精密排種器是播種機(jī)實現(xiàn)精量播種的核心部件。目前，常用的精密排種器分機(jī)械式與氣力式兩類[1-4]。根據(jù)相關(guān)研究分析可知，充種過程中，機(jī)械式排種器容易使種子擠壓堵塞，造成缺苗斷壟，清種過程一般采用硬毛刷式清種器，護(hù)種過程一般采用固定式護(hù)種板，種刷的摩擦和種子與護(hù)種板之間的相對運(yùn)動和摩擦，不可避免地會對種子造成損傷，且作業(yè)速度較低，對種子的尺寸形狀要求嚴(yán)格[5-11]。除指夾式排種器外，機(jī)械式排種器在丘陵坡地作業(yè)時，會隨地勢傾斜而傾斜，嚴(yán)重影響充種與排種質(zhì)量。而指夾式排種器由于強(qiáng)制夾持種子，雖在丘陵等斜坡作業(yè)時具有較好的適應(yīng)性，但在工作時擺動夾夾持種子在種盤上運(yùn)動，種子易產(chǎn)生破損，指夾易發(fā)生磨損，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，指夾彈簧使用壽命較短，限制了其推廣和應(yīng)用[12]。氣力式排種器對密封性要求較高，播種效果較好，不易受丘陵坡地的傾斜角度影響，在丘陵坡地作業(yè)時，種子不易脫落，抗干擾能力強(qiáng)，適用于大型播種機(jī)具大面積高速播種作業(yè)[13-16]。

在丘陵等地形復(fù)雜的小地塊播種雜糧時，利用小型拖拉機(jī)與機(jī)械式排種器配套仍然是主流形式，但機(jī)械式排種器在傾斜條件下作業(yè)會導(dǎo)致種子在型孔中充填性能下降，從而使重播與漏播現(xiàn)象加劇。為解決上述問題，本文設(shè)計自吸式綠豆精密排種器，該機(jī)具有氣力式排種器坡地作業(yè)抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而又無需風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓，可節(jié)省功耗，以期滿足丘陵坡地等小地塊精密播種作業(yè)的需求。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，自吸式綠豆精密排種器主要由水箱、過濾塞、中間殼體、種盤、種層高度調(diào)節(jié)板、清種刷、泄種蓋、種腔、氣室、氣缸總成(氣缸壁、活塞等)、傳動軸、驅(qū)動鏈輪、壓盤、后殼體等組成。氣室內(nèi)設(shè)有雙氣道，吸種時，氣體經(jīng)型孔進(jìn)入內(nèi)圈氣道，經(jīng)左側(cè)水箱中的過濾塞過濾掉種子雜質(zhì)。由于種腔前后腔體經(jīng)螺栓連接合成，種層高度調(diào)節(jié)板、清種刷均安裝在種腔內(nèi)部，可分別調(diào)節(jié)種層高度、清種力度，播種完后殘余種子可打開泄種蓋取出。

圖1 自吸式排種器結(jié)構(gòu)示意圖

排種器工作時，外部動力帶動驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動動力在排種器內(nèi)分成兩部分，一部分通過齒輪與中間軸將動力傳遞給被動軸，從而帶動種盤轉(zhuǎn)動；另一部分動力通過排種軸上的偏心支套與壓盤帶動活塞做往復(fù)運(yùn)動，從而使氣室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，完成充種、清種、投種過程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 排種盤

排種盤作為與種子直接接觸的部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)對充種質(zhì)量具有一定影響[17]。

2.1.1種子受力分析

傳統(tǒng)的氣吸式排種器所采用的吸孔一般為平面吸孔，該吸孔對種子的適應(yīng)性較強(qiáng)，但對真空度要求較高，若真空度較小，使漏播指數(shù)增加，若過大會導(dǎo)致重播，工作過程中往往采用增大真空度，同時采用清種器清除多余種子，這勢必會增加風(fēng)機(jī)功耗；為彌補(bǔ)傳統(tǒng)排種盤采用平面吸孔的不足，國內(nèi)學(xué)者越來越傾向于研究設(shè)計機(jī)械與氣吸結(jié)合式排種盤，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)輔助充種，以達(dá)到降低風(fēng)機(jī)功耗的目的[18-20]。在此基礎(chǔ)上，本排種器將型孔設(shè)計成勺式型孔，不僅可以降低功耗，還可以在傾斜狀態(tài)下輔助充種。

如圖2所示，該排種器的種盤將工作區(qū)域劃分為充種區(qū)Ⅰ、清種區(qū)Ⅱ、投種區(qū)Ⅲ，各區(qū)域?qū)ε欧N質(zhì)量影響最大的為充種區(qū)Ⅰ[21]，種子只有在充種區(qū)被吸附在型孔上，才能進(jìn)行投種，如圖3所示，在充種區(qū)型孔中的單粒種子受到自身重力G、氣流吸附力F、種子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時離心力J、型孔槽下壁面的支持力N1、型孔槽上壁面的支持力N2、種子與下壁面的摩擦力Fr、種子運(yùn)動過程中所受的內(nèi)摩擦力Ff，因種子充種多發(fā)生在即將離開種面時，因此不考慮種子所受的空氣阻力與種群側(cè)壓力。

圖2 種盤工作區(qū)域劃分示意圖

圖3 種子受力分析示意圖

如圖3所示，正常充種時，種子被吸附在勺式型孔中達(dá)到受力平衡，不會掉落，需滿足關(guān)系

(1)

式中d——中間孔徑

h——種子重心至種盤側(cè)壁間距

Q——G、J、Ff的合力

設(shè)吸起單粒種子的真空度為H0，則

(2)

(3)

式中S——吸孔截面面積

由式(1)～(3)可計算氣室所需要的臨界真空度

(4)

負(fù)壓為0時對種子進(jìn)行受力分析，如圖4所示，以I點(diǎn)為支撐點(diǎn)，設(shè)種子恰好處于掉落臨界狀態(tài)達(dá)到受力平衡，則有

Frc=Qh

(5)

N1sinσ=Frcosσ

(6)

其中

式中c——種子平均等效半徑

σ——點(diǎn)I至種子重心的連線與該種子重心豎直向下方向之間夾角

圖4 輔助托種受力分析示意圖

又由圖3知

(7)

式中l(wèi)——綠豆種子的某一尺寸

s——勺型孔槽深度

結(jié)合式(5)～(7)，可得

(8)

根據(jù)式(4)～(8)，設(shè)Q、d、l、c不變，增加勺型孔槽深度s將減小種子重心至種盤側(cè)壁間距h，使勺型孔槽下壁面的支持力N1變大，從而起到輔助托持種子的作用，同時可達(dá)到減小真空度的目的。但勺型孔槽深度s過大易吸附多粒種子導(dǎo)致重播指數(shù)增加，所以勺型孔槽深度s需根據(jù)所測種子三維尺寸中的最小值3.4 mm，將勺型孔槽深度s設(shè)為小于其最小值的一半，為1.6 mm。

2.1.2種盤參數(shù)的初步確定

排種盤的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括種盤直徑、種盤厚度、型孔個數(shù)及型孔的各結(jié)構(gòu)參數(shù)等。通過查閱文獻(xiàn)可知，傳統(tǒng)的氣吸式排種盤直徑一般選擇140～260 mm，考慮到該排種器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的布局，將排種盤直徑設(shè)計為180 mm，厚度為4 mm，吸孔與種盤的中心距為65 mm，沿圓周方向均勻分布24個型孔。

由圖5可知，勺式型孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有勺型孔槽下壁面半徑R、孔槽上壁面傾角ε、勺型孔槽深度s、中間孔深t、中間孔徑d、底孔直徑H等。確定這些參數(shù)需考慮綠豆種子的三維尺寸，因此本文選用150粒白綠9號綠豆測量其三維尺寸，測量結(jié)果如表1所示。

圖5 勺式型孔主要參數(shù)

表1 白綠9號綠豆種子物理性質(zhì)測量結(jié)果

根據(jù)式(4)可知，中間孔徑d越大，吸起單個種子的真空度H0越低，d越小，真空度H0越高，根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊，種子形狀接近于球形的種子，其中間孔徑d為

d=(0.64～0.66)W

(9)

式中W為種子平均寬度，根據(jù)表1可知綠豆種子平均寬度為3.89 mm，通過式(9)計算中間孔徑d的范圍并取2.4 mm，同時將中間孔深t設(shè)為2 mm，為了更好地貼合吸室橡膠墊，將底孔直徑H設(shè)為5 mm。

勺型孔槽下壁面半徑R需要根據(jù)種子等效直徑來確定，理論上應(yīng)大于等于等效直徑的一半才能在充種時增加下壁面與綠豆表面的接觸面積，從而起到托持輔助充種的作用，因此本文將勺型孔槽下壁面半徑R設(shè)為2.2 mm。

孔槽上壁面傾角ε的大小對排種質(zhì)量尤為重要，為降低重播，勺型孔槽深度應(yīng)滿足

(10)

其中l(wèi)在此設(shè)為種子三維尺寸中的最小值，所以ε取任何值種子重心都會在種盤側(cè)壁外側(cè)，但如圖6a所示，當(dāng)ε過大充種時種子向外傾斜，重心向外偏移，不易充種，易造成漏播，為求得ε值，如圖6b所示，設(shè)種子在重心與種盤側(cè)壁面重合，在Rt△OAC中，lOA=s=1.6 mm,lAC=d/2=1.2 mm，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系求得α≈37°，lOC=2 mm；在Rt△OMC中，lOM取種子平均寬度的一半約為1.9 mm，根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系計算得β≈18°；通過計算得到ε=55°，ε應(yīng)該略大于55°，故本文定為57°。

圖6 充種狀態(tài)分析示意圖

2.2 往復(fù)式吸氣裝置

本文所設(shè)計的排種器利用機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)壓進(jìn)行吸種，從而替代風(fēng)機(jī)，改變了傳統(tǒng)的氣吸式排種器真空度產(chǎn)生方式，有利于節(jié)能降耗。

2.2.1工作原理

如圖7所示，工作時活塞Ⅰ在回程過程中，氣缸無桿腔體積增大，形成負(fù)壓，將閥3打開，外部大氣壓將種子壓附于位于充種區(qū)的種盤型孔內(nèi)，空氣通過型孔、氣室通道進(jìn)入氣管2，經(jīng)活塞Ⅰ內(nèi)部進(jìn)氣腔進(jìn)入無桿腔；同時，氣缸有桿腔體積減小，將閥5頂開，氣體經(jīng)活塞Ⅰ內(nèi)部的排氣腔排除?；钊蛟谕瞥踢^程中，與此原理相同。

圖7 往復(fù)式吸氣裝置工作原理圖

2.2.2真空度的確定

往復(fù)式吸氣裝置工作時所產(chǎn)生的真空度應(yīng)大于氣室吸起單粒種子所需要的真空度。首先計算氣室吸起單粒種子所需要的真空度

(11)

其中

λ=(6～10)tanτ

(12)

式中m——單粒種子質(zhì)量，g

v——種盤吸孔中心處的線速度，m/s

r——種盤吸孔處轉(zhuǎn)動半徑，m

g——重力加速度，取9.8 m/s2

λ——種子綜合摩擦因數(shù)，取6

τ——種子自然休止角,(°)

K1——吸種可靠系數(shù)，取1.8～2.0

K2——工作可靠性系數(shù)，取1.6～2.0

為保證充種效果，需增大充種壓力，所以取綠豆種子三維尺寸中的最大值5.8 mm時, 根據(jù)式(7)，h取0.13 cm；單粒綠豆種子質(zhì)量取0.06 g；種子的自然休止角取23.8°；K1取1.9，K2取1.8；假設(shè)機(jī)器前進(jìn)速度為4～10 km/h，通過式(11)計算得H0為1.77～1.81 kPa。

2.2.3參數(shù)確定

本文所設(shè)計的往復(fù)式吸氣裝置類似斜盤式柱塞吸氣泵，由于往復(fù)式機(jī)械的結(jié)構(gòu)與工作特點(diǎn)，產(chǎn)生流量與壓力脈動較大，為減小脈動，采用軸向多缸往復(fù)式形式，氣缸個數(shù)選擇5個，其主要參數(shù)為壓盤最大傾角θ、氣缸分布圓半徑Rt、缸徑Dt、活塞桿直徑dt等。

根據(jù)氣室內(nèi)部弧形氣道的半徑，氣缸分布圓半徑Rt設(shè)為80 mm，參照斜盤式柱塞泵斜盤的最大傾角范圍15°～20°，將壓盤最大傾角θ設(shè)為20°，傳統(tǒng)氣缸設(shè)計通常給定氣缸所受的軸向負(fù)載力等參數(shù)來確定缸徑等參數(shù)，而往復(fù)式吸氣裝置承受多變流體載力，難以確定，后續(xù)通過運(yùn)動學(xué)仿真加工實物進(jìn)行多次試驗，初步確定活塞桿直徑dt為25 mm，缸徑Dt為85 mm，當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速達(dá)到90 r/min以上時，利用真空壓力計測得氣室內(nèi)壓強(qiáng)并轉(zhuǎn)換成真空度，大于1.81 kPa，證明所設(shè)計的參數(shù)合理。

3 往復(fù)式吸氣裝置運(yùn)動學(xué)仿真

由于該排種器的往復(fù)式吸氣裝置相對復(fù)雜，為確保所設(shè)計的往復(fù)式吸氣裝置各零部件安裝后運(yùn)動無干涉，減少返工加工次數(shù)，本文運(yùn)用多體動力學(xué)軟件ADAMS對排種器往復(fù)式吸氣裝置進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。

3.1 仿真建模

首先，運(yùn)用三維建模軟件CATIA建立排種器三維模型，將建立好的模型保存為STP格式導(dǎo)入ADAMS軟件，導(dǎo)入后的模型經(jīng)簡化如圖8所示。

圖8 往復(fù)式吸氣裝置仿真模型

對模型中的所有零部件根據(jù)各零部件間運(yùn)動關(guān)系添加接觸約束，設(shè)定排種軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，仿真時長為1 s，步長為0.001。

3.2 仿真結(jié)果分析與驗證

仿真結(jié)束后，通過后處理模塊得到5個活塞沿其軸向運(yùn)動的位移與速度曲線，如圖9、10所示。

圖9 活塞位移曲線

圖10 活塞速度曲線

由圖9與圖10可知，活塞沿著其軸向有規(guī)律的往復(fù)移動，最大位移為29 mm，最大速度為0.182 m/s，5個活塞運(yùn)動軌跡一致，且相互之間無干擾，活塞在推程與回程交界處運(yùn)動平緩，無明顯沖擊振動，說明該裝置設(shè)計合理。

4 性能試驗

4.1 試驗材料與方法

4.1.1試驗材料

圖11 排種器試驗臺

試驗選取吉林省白城市所產(chǎn)的白綠9號綠豆種子為材料，當(dāng)?shù)胤N植株距一般為12～18 cm，本文試驗中理論粒距選取當(dāng)?shù)爻Ｓ玫?5 cm，其物理性質(zhì)測定如表1所示，試驗裝置選擇吉林大學(xué)農(nóng)機(jī)實驗室的JPS-12型排種器試驗臺(圖11)。

4.1.2試驗設(shè)計

(1)為證明本文所設(shè)計的種盤有助于在左右不同傾斜狀態(tài)下輔助充種，利用CATIA軟件設(shè)計另外兩種常用且具有不同型孔形狀的排種盤，并利用3D打印技術(shù)加工制作成型，3種排種盤分別命名為A盤、B盤、C盤，如圖12所示，將其分別安裝在排種器上，以充填率為評價指標(biāo)，進(jìn)行5種不同傾斜角的臺架對比試驗，通過試驗結(jié)果分析選取充填率最優(yōu)的種盤。

圖12 試驗用排種盤類型

(2)將上述充填率最優(yōu)排種盤安裝在所設(shè)計的排種器上，以排種軸轉(zhuǎn)速、充種層高度為因素進(jìn)行兩因素五水平旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，以漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)為評價指標(biāo)，并利用Design-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，利用響應(yīng)面法尋找該排種器工作時的最佳參數(shù)組合。

(3)以漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)為評價指標(biāo)，對得出的上述最佳參數(shù)組合進(jìn)行5次重復(fù)驗證試驗，證明試驗2回歸模型的合理性。

4.1.3試驗因素與水平

試驗1進(jìn)行試驗時通過控制種層高度調(diào)節(jié)板將充種層高度固定為70 mm，轉(zhuǎn)速分別固定為115、125 r/min,排種器左右傾斜角(傾向種腔方向為負(fù))分別選取-12°、-6°、0°、6°、12°。

本文所設(shè)計的排種器是利用機(jī)械傳動產(chǎn)生負(fù)壓的，有別于傳統(tǒng)的氣力式排種器利用風(fēng)機(jī)控制負(fù)壓大小，由于該排種器排種軸轉(zhuǎn)速將直接影響負(fù)壓，故試驗2只選取排種軸轉(zhuǎn)速、充種層高度為因素，其編碼如表2所示。

表2 試驗因素與編碼

所選取的排種軸轉(zhuǎn)速在104～146 r/min之間，由于排種器內(nèi)部設(shè)有齒輪減速裝置，減速裝置總傳動比為3.24，故被動軸排種盤轉(zhuǎn)速在32～46 r/min之間，又已知種盤型孔數(shù)與理論粒距，通過計算，滿足JPS-12型排種器試驗臺傳動帶速度及電機(jī)傳動軸轉(zhuǎn)速要求；實際作業(yè)時，只需合理配置增速裝置，也可使排種軸達(dá)到146 r/min。故選取的排種軸轉(zhuǎn)速區(qū)間合理。

4.1.4試驗指標(biāo)

試驗1以種子在型孔中的充填率為指標(biāo)，即設(shè)定種子離開種層時至種子離開充種區(qū)為觀測區(qū)，利用高速攝像機(jī)記錄并觀測250個型孔上的種子是否充填，在觀測區(qū)中種子充填在型孔上說明充填成功，其計算公式為

(13)

式中n1——充填成功型孔的個數(shù)

Nm——所觀測型孔總個數(shù)

試驗2根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》進(jìn)行13組試驗，每組試驗采集250粒種子進(jìn)行統(tǒng)計，試驗重復(fù)5次，以漏播指數(shù)M、重播指數(shù)D、合格指數(shù)A為排種性能評價指標(biāo)，其計算公式為

(14)

(15)

A=(1-M-D)×100%

(16)

式中n2——相鄰種子粒距大于1.5倍理論粒距的種子數(shù)

n3——相鄰種子粒距小于等于0.5倍理論粒距的種子數(shù)

N——統(tǒng)計時的種子總數(shù)

試驗3也以漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)為排種性能評價指標(biāo)，對試驗2得出的最佳工作參數(shù)進(jìn)行5次重復(fù)試驗，驗證其回歸模型合理性。

4.2 試驗結(jié)果及分析

4.2.1種盤對比試驗

按照試驗1設(shè)計選取因素編碼值進(jìn)行單因素試驗，試驗重復(fù)5次，試驗結(jié)果取平均值，其結(jié)果如圖13所示。

圖13 不同種盤的充填率隨傾斜角度的變化曲線

由圖13可知，當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速為115 r/min時，隨著傾斜角的增加，3個種盤的充填率均出現(xiàn)不同程度的提高，在-12°～-6°之間，充填率相差不明顯；-6°～0°之間C盤的充填率提高速率明顯高于A盤、B盤，在0°時C盤的充填率高于80%，A盤、B盤均低于75%；12°時C盤的充填率高于90%，A盤、B盤的充填率均低于85%。當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速為125 r/min時，在-12°～0°之間隨角度增加，C盤的充填率較A盤、B盤提高較快，A盤、B盤的充填率相差不大，在12°時C盤的充填率達(dá)到95%，而A盤、B盤均在90%以下。總體可以看出，隨轉(zhuǎn)速提升，3種種盤的充填率均有所提高，同一傾斜角下，圖13中C盤的充填率都高于A盤、B盤，在傾斜狀態(tài)下，C盤更有利于充種，因此選用C盤進(jìn)行后續(xù)試驗。

4.2.2旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗

根據(jù)表2，試驗采用兩因素五水平旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗，其試驗方案及其結(jié)果如表3所示(X1為排種軸轉(zhuǎn)速編碼值，X2為充種層高度編碼值)，根據(jù)上述試驗結(jié)果，利用Design-Expert軟件對其進(jìn)行回歸分析，兩個因素及其交互作用對三指標(biāo)的影響結(jié)果如表4所示。

表3 試驗方案與試驗結(jié)果

表4 各參數(shù)對排種指標(biāo)的顯著性分析

注：*表示在0.05水平下顯著，** 表示在0.01水平下顯著，*** 表示在0.001水平下顯著。

去除對指標(biāo)影響不顯著項后，通過Design-Expert軟件得漏播指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2、合格指數(shù)Y3擬合回歸方程

(17)

Y2=3.24+2.83X1+3.66X2+2.48X1X2+

(18)

(19)

由表4可知，3個指標(biāo)的回歸模型極顯著，且模型的失擬項均不顯著，說明擬合的回歸方程具有高度可靠性，能夠準(zhǔn)確反映排種軸轉(zhuǎn)速X1、充種層高度X2與漏播指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2、合格指數(shù)Y3之間的關(guān)系。

通過Design-Expert軟件得到兩因素交互作用對漏播指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2、合格指數(shù)Y3影響的響應(yīng)曲面，如圖14所示。

圖14 兩因素交互作用對各指標(biāo)的影響

由圖14知，當(dāng)充種層高度一定時，隨著排種軸轉(zhuǎn)速提高，漏播指數(shù)快速降低，重播指數(shù)緩慢上升，合格指數(shù)急速上升至平緩，其原因分析如下：排種軸轉(zhuǎn)速較低時，往復(fù)式吸氣裝置往復(fù)頻率較慢，產(chǎn)生的真空度較低，吸種壓力不足，造成漏播指數(shù)較大，隨著轉(zhuǎn)速提高，氣室真空度提升，型孔可吸起多粒種子，造成重播指數(shù)上升。當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速一定時，隨著充種層高度增加，漏播指數(shù)緩慢下降，重播指數(shù)與合格指數(shù)均緩慢上升，其原因分析如下：種層高度越高，型孔成功充填多粒種子的幾率越大，由于該排種器無攜種區(qū)，充種區(qū)距離投種區(qū)較近，充種至投種過程中不易清種，造成重播指數(shù)上升，漏播指數(shù)下降。對于漏播指數(shù)與合格指數(shù)，排種軸轉(zhuǎn)速比充種層高度影響顯著；對于重播指數(shù)，充種層高度比排種軸轉(zhuǎn)速影響顯著。

根據(jù)上述試驗結(jié)果及回歸方程，以漏播指數(shù)最小、重播指數(shù)最小、合格指數(shù)最大尋找兩個因素最佳參數(shù)組合，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)及約束條件為

(20)

通過查閱文獻(xiàn)可知，大田生產(chǎn)對于漏播指數(shù)要求較為嚴(yán)格，因此尋優(yōu)時漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)權(quán)重分別設(shè)為5、1、4，參數(shù)設(shè)置完畢進(jìn)行尋優(yōu)，當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速為138 r/min、充種層高度為65 mm時，漏播指數(shù)為2.97%，重播指數(shù)為3.43%，合格指數(shù)為93.58%，各指標(biāo)均符合國標(biāo)要求。

4.2.3驗證試驗

根據(jù)試驗3，在圖11所示的排種器試驗臺上進(jìn)行驗證試驗，設(shè)定排種軸轉(zhuǎn)速為138 r/min，充種層高度為65 mm，待試驗臺及排種器運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定后，對250粒種子進(jìn)行檢測統(tǒng)計，試驗效果如圖15所示，試驗結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5可知，驗證試驗實測值與回歸模型預(yù)測值的漏播指數(shù)相對誤差為4.4%，重播指數(shù)相對誤差為2.6%，合格指數(shù)相對誤差為0.2%，與理論尋優(yōu)結(jié)果基本一致，說明試驗2得出的回歸模型合理。

圖15 驗證試驗排種效果

表5 驗證試驗結(jié)果

5 結(jié)論

(1)針對機(jī)械式排種器在傾斜顛簸條件下作業(yè)會導(dǎo)致種子在型孔中充填性能下降，造成重播與漏播的問題，設(shè)計了一種自吸式精密排種器，闡述了其結(jié)構(gòu)與工作原理，確定了其關(guān)鍵部件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(2)對關(guān)鍵部件往復(fù)式吸氣裝置進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)仿真，設(shè)定排種軸轉(zhuǎn)速120 r/min，得到活塞位移與速度曲線，分析得出，最大位移為29 mm，最大速度為0.182 m/s，且相互之間無干擾，在推程與回程交界處運(yùn)動平緩，無明顯沖擊振動，證明了該部件設(shè)計的合理性。

(3)進(jìn)行了種盤對比試驗，結(jié)果表明，所設(shè)計的勺式型孔種盤有助于在傾斜狀態(tài)下輔助充種。通過旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗可知：對于漏播指數(shù)與合格指數(shù)，排種軸轉(zhuǎn)速比充種層高度影響顯著；對于重播指數(shù)，充種層高度比排種軸轉(zhuǎn)速影響顯著。利用響應(yīng)面法對兩個因素進(jìn)行尋優(yōu)，得出：當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速為138 r/min、充種層高度為65 mm時，漏播指數(shù)為2.97%，重播指數(shù)為3.43%，合格指數(shù)為93.58%，各指標(biāo)均符合國標(biāo)要求。

(4)通過驗證試驗得到實測值與回歸模型預(yù)測值的漏播指數(shù)相對誤差為4.4%，重播指數(shù)相對誤差為2.6%，合格指數(shù)相對誤差為0.2%，與尋優(yōu)結(jié)果基本一致，證明了回歸模型合理性。