棉花氣吸式排種機(jī)構(gòu)的優(yōu)化

馮洋洋 紀(jì) 超 陳金成 史 嵩 陳學(xué)庚，4*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109； 2.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所，新疆 石河子 832000； 3.山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100； 4.石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

目前，我國(guó)棉花排種機(jī)構(gòu)以指夾式為主，驅(qū)動(dòng)方式多為地輪驅(qū)動(dòng)，其作業(yè)速度低，精度差，已不再適應(yīng)高速精密播種技術(shù)[1-3]的發(fā)展。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的氣吸式排種機(jī)構(gòu)可避免因地輪打滑導(dǎo)致的排種精度不高的問(wèn)題，已廣泛應(yīng)用于玉米、大豆等播種機(jī)具上，而適用于棉花播種的電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣吸式排種機(jī)構(gòu)鮮有報(bào)道。

國(guó)內(nèi)外對(duì)棉花排種機(jī)構(gòu)的研究主要集中在關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流場(chǎng)模擬仿真分析[4-8]、作業(yè)性能試驗(yàn)探究等方面，已有研究對(duì)電驅(qū)氣吸式排種機(jī)構(gòu)的電控系統(tǒng)進(jìn)行分析編程和虛擬樣機(jī)仿真，初步實(shí)現(xiàn)了棉花精量播種的目的。國(guó)外Singh R C等[9]對(duì)氣吸式排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到較優(yōu)參數(shù)組合；美國(guó)Precision Planting公司研制的排種機(jī)構(gòu)在作業(yè)速度為16 km/h時(shí)仍有良好的排種性能[10-13]，但購(gòu)買(mǎi)成本較高，維修困難，在我國(guó)難以普及。國(guó)內(nèi)對(duì)電驅(qū)氣吸棉花播種的研究相對(duì)較少，康施為[14]采用FLUENT分析了滾筒式排種器流場(chǎng)分布及特性，得出滾筒負(fù)壓大小只影響型孔處的速度，型孔直徑大小對(duì)型孔處流體速度有一定影響；倪向東等[15]采用陣列吸孔吸種、側(cè)向氣吹清種等方式，對(duì)排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)側(cè)向吸種與充種。綜上，國(guó)內(nèi)對(duì)棉花電驅(qū)氣吸式排種機(jī)構(gòu)的研發(fā)均在樣機(jī)開(kāi)發(fā)階段，流場(chǎng)仿真及關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)仍需深入研究[16]。

本研究擬采用理論與流體仿真相結(jié)合的方法，對(duì)排種盤(pán)型孔類(lèi)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以期為棉花電驅(qū)氣吸式排種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1 排種機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

電驅(qū)氣吸式排種器結(jié)構(gòu)主要由種室側(cè)外殼、擋種毛刷、清種刀、風(fēng)壓室軟帶、風(fēng)壓室側(cè)外殼、吸氣管、驅(qū)動(dòng)軸、排種盤(pán)、落種調(diào)節(jié)板組成(圖1)。其中，吸種管通過(guò)螺栓固定在風(fēng)壓室側(cè)外殼上，風(fēng)壓室軟帶內(nèi)嵌在與之結(jié)構(gòu)相似的凹槽內(nèi)，自身材料特性可保證封閉性，清種刀緊貼排種盤(pán)，并與種室側(cè)外殼通過(guò)螺釘固定，擋種毛刷安放在清種刀右下方，保證脫落種子不會(huì)被排出，排種盤(pán)與驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)3個(gè)圓孔定位，作業(yè)時(shí)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.種室側(cè)外殼；2.擋種毛刷；3.清種刀；4.風(fēng)壓室軟帶；5.風(fēng)壓室側(cè)外殼；6.吸氣管；7.驅(qū)動(dòng)軸；8.排種盤(pán)；9.落種調(diào)節(jié)板；10.進(jìn)種口1.Seed shell; 2.Blocking brush; 3.Clear seed knife; 4.Wind pressure chamber; 5.Wind pressure shell; 6.Imported tube; 7.Drive shaft; 8.Seed disk; 9.Planting adjustment board; 10.Entrance into the seed圖1 棉花排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of cotton seed metering device

1.2 工作原理

排種機(jī)構(gòu)工作原理見(jiàn)圖2。按工作過(guò)程可分為充種、清種、排種和清孔過(guò)程[17-18]，對(duì)應(yīng)的區(qū)域分別為充種區(qū)、清種區(qū)、排種區(qū)和清孔區(qū)，排種盤(pán)邊緣齒輪與電機(jī)輸出齒輪相互嚙合，并隨電機(jī)驅(qū)動(dòng)而順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

Ⅰ.充種區(qū)；Ⅱ.清種區(qū)；Ⅲ.排種區(qū)；Ⅳ.清孔區(qū)Ⅰ. Seed filling area; Ⅱ. Seed clearing area; Ⅲ. Seeding area; Ⅳ. Clearing hole area圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of seed metering device

充種過(guò)程：種子在進(jìn)入排種器種室后，受到排種盤(pán)的擾動(dòng)以及風(fēng)壓吸力作用產(chǎn)生速度，當(dāng)種子進(jìn)入氣流控制范圍內(nèi)，種子逐漸被吸附在排種盤(pán)型孔上。

清種過(guò)程：為實(shí)現(xiàn)單粒精量排種，吸附多粒種子的型孔在轉(zhuǎn)至清種區(qū)后，受到清種刀的阻礙，可使受力不穩(wěn)定的種子脫落，而單粒種子因受力均勻可以穩(wěn)定通過(guò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)完成清種作業(yè)后每個(gè)型孔只保留1粒棉花種子，同時(shí)在清種區(qū)末端，由清種刀尾部曲線矯正種子方向，使種子按照統(tǒng)一方向排出，以提高排種精度。

排種過(guò)程：種子進(jìn)入到排種區(qū)后，不在受到風(fēng)壓吸力作用，靠自身重力作用由排種口排出，完成1次有效排種。

清孔過(guò)程：完成1次排種后，部分型孔會(huì)被較小顆粒堵塞，若不及時(shí)清孔會(huì)造成下次難以充種，在清孔區(qū)，微小顆粒在排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)及整體振動(dòng)下自動(dòng)脫落，以此完成清孔。

2 關(guān)鍵部件優(yōu)化與仿真分析

排種盤(pán)外圍由齒輪構(gòu)成，與驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸齒輪相互嚙合，檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)傳感器檢測(cè)機(jī)具前進(jìn)速度，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)排種盤(pán)，達(dá)到精確穩(wěn)定排種的目的。排種盤(pán)是排種機(jī)構(gòu)核心部件[19]，其型孔大小、型孔數(shù)、種盤(pán)大小以及風(fēng)壓等參數(shù)直接影響充種質(zhì)量，因此本研究對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)型孔流場(chǎng)進(jìn)行仿真。

2.1 型孔大小、總數(shù)及種盤(pán)直徑

型孔直徑大小影響型孔風(fēng)壓大小及吸種能力，直徑過(guò)小，風(fēng)壓不足，吸種困難，則漏播嚴(yán)重；直徑過(guò)大，壓力較大，會(huì)吸附多粒種子且清種困難，則重播率較高。一般情況下，型孔直徑為種子最小直徑0.6倍左右[20]。播種速度、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、型孔數(shù)和株距之間的關(guān)系為：

vs=npSZ

(1)

式中：vs為播種速度，m/s；np為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/s；S為株距，m；Z為型孔數(shù)。

由式(1)可以看出，當(dāng)播種速度恒定時(shí)，型孔數(shù)與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速成反比，若轉(zhuǎn)速較高，則會(huì)使已吸附的種子受到較大離心力，導(dǎo)致吸附不穩(wěn)定的種子脫落，因此為避免種子在種盤(pán)上被甩出，應(yīng)盡量減小排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，即增加型孔數(shù)。

相鄰型孔之間的轉(zhuǎn)角見(jiàn)圖3，可見(jiàn)排種盤(pán)直徑由型孔數(shù)目和型孔間距直接確定。相鄰型孔之間的轉(zhuǎn)角θ=360/Z，其中相臨兩個(gè)型孔中心距l(xiāng)應(yīng)大于種子最大尺寸。根據(jù)棉花種子特性[21]，測(cè)量得到棉花種子的三軸尺寸為4 mm×5 mm×9 mm，所以l>9 mm，本研究取l=15 mm。由余弦定理可知：

式中：R為型孔與排種盤(pán)中心距，mm；l為相鄰型孔中心距，mm；θ為相鄰型孔轉(zhuǎn)角，(°)。

為保證少量種子有效充種，型孔中心與齒輪分度圓間距約為種子最短軸徑的2～3倍，本研究采用12 mm。最后確定，型孔吸種口直徑2.4 mm，型孔數(shù)45個(gè)，型孔中心到排種盤(pán)中心距離為71 mm，分度圓半徑為83 mm。

O為排種盤(pán)中心；M和N為兩相鄰型孔中心；R為型孔與排種盤(pán)中心距；l為相鄰型孔中心距；θ為相鄰型孔轉(zhuǎn)角。O is the center of the seeding disc; M and N are the centers of two adjacent holes; R is the center distance between the hole and the seeding disc; l is the center distance of adjacent holes; θ is the corner of adjacent holes.圖3 排種盤(pán)相鄰型孔位置和轉(zhuǎn)角示意圖Fig.3 Schematic diagram of the relationship between adjacent hole positions and angles one the plate

2.2 型孔類(lèi)型及仿真分析

2.2.1型孔類(lèi)型

當(dāng)風(fēng)壓相同，型孔吸種側(cè)軸徑相同情況下，不同類(lèi)型的型孔導(dǎo)致不同壓力差，嚴(yán)重影響種子吸附狀態(tài)。本研究選用4種類(lèi)型的型孔：A型孔為簡(jiǎn)單圓柱型孔；B和C型孔為目前廣泛的圓錐型孔和圓柱與圓錐相結(jié)合型孔；D型孔為弧線狀型孔。為便于分析，分別以x軸作為型孔長(zhǎng)度，y軸作為型孔軸徑建立xoy平面坐標(biāo)系，并通過(guò)坐標(biāo)以表達(dá)式的形式體現(xiàn)出來(lái)(圖4)。為保證出口氣壓相同，將4個(gè)型孔流體出口均勻連接到同一個(gè)風(fēng)壓室。

圖4 4種型孔曲線及表達(dá)式Fig.4 Four types of hole curves and expressions

以C型孔排種盤(pán)為例，在充種過(guò)程，種子受到多種力的共同作用，主要由自身重力、風(fēng)壓吸力、種盤(pán)對(duì)種子合力和種群干擾力(圖5)。隨著種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，種群相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在型孔附近的種子會(huì)受到風(fēng)壓吸力作用，當(dāng)朝向型孔的合力大于其他作用合力時(shí)，種子逐漸加速向型孔靠攏，進(jìn)而被完全吸附。此時(shí)種子受力平衡，隨排種盤(pán)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，其力學(xué)方程為：

化簡(jiǎn)得：

F吸=G+F合(cosβ-sinβ)+F種(cosα-sinα)

(2)

式中：G為種子自身重力，N；F合為排種盤(pán)對(duì)種子合力，N；F種為種子干擾力，N；α：種群擾動(dòng)力與豎直方向的夾角，(°)；β：排種盤(pán)對(duì)種子的合力與水平方向的夾角，(°)。

從式(2)可以看出，風(fēng)壓吸力與種子自身重力、種群干擾力和排種盤(pán)對(duì)種子合力相關(guān)，若吸力過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致種子失去平衡甚至脫落，因此風(fēng)壓吸力對(duì)充種至關(guān)重要。

1.種子；2.排種盤(pán)；3.型孔F吸，風(fēng)壓吸力；F種，種群擾動(dòng)力；F合，排種盤(pán)對(duì)種子合力；G，種子重力；α，種群擾動(dòng)力與豎直方向的夾角；β，排種盤(pán)對(duì)種子的合力與水平方向的夾角1. Seed; 2. Seeding tray; 3. HoleF吸, wind pressure suction; F種, population disturbance force; F合, the resultant force of the seeding plate on the seed; G, seed gravity; α, The angle between the population disturbance force and the vertical direction; β, The angle between the resultant force of the seeding plate on the seed and the horizontal direction圖5 吸附種子受力分析Fig.5 Force analysis diagram of adsorbed seeds

2.2.2仿真分析

根據(jù)已確定的型孔函數(shù)曲線，使用Solid Works建立型孔模型，并導(dǎo)入GAMBIT進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，確定邊界條件為壓力進(jìn)口和壓力出口，并導(dǎo)出網(wǎng)格文件，如圖6所示。完成網(wǎng)格劃分后，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入FULENT中進(jìn)行流體仿真分析。

圖6 4種型孔網(wǎng)格劃分圖Fig.6 Schematic diagram of meshing of four types of holes

仿真的主要目的是觀察不同型孔的壓力變化情況，并分析產(chǎn)生不同變化的原因，最終得出風(fēng)壓較優(yōu)的型孔。本仿真流體為不可壓縮非定常牛頓流體[22]。選擇層流或湍流的關(guān)鍵指標(biāo)是雷諾數(shù)Re[23]，計(jì)算公式為：

式中：ν0為流體速度，本研究約為10 m/s(已通過(guò)流速檢測(cè)器檢測(cè))；d為型孔入口當(dāng)量直徑，0.024 m；μ為流體的動(dòng)力粘度，本研究為1.8×10-5Pa·s；ρ為流體密度，本研究為1.24 kg/m3。

當(dāng)Re<2 000時(shí)為層流，Re>4 000時(shí)為湍流，2 000≤Re≤4 000時(shí)為過(guò)渡狀態(tài)。由計(jì)算可知Re約為13 423，遠(yuǎn)大于4 000，因此本研究流體為湍流模型。

在FULENT中選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型[24]，忽略重力影響，流體為氣體，進(jìn)口邊界壓力為0，出口邊界風(fēng)壓力為-5 kPa，收斂精度設(shè)為1×10-4，進(jìn)行初始化，時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-3s，總的時(shí)間步為3 000，總時(shí)間t=3 s，最大收斂步數(shù)為100，進(jìn)行計(jì)算。

2.2.3仿真結(jié)果分析

取t=1.5 s時(shí)的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，在后處理程序中截取并顯示型孔縱向平面和風(fēng)壓入口平面壓力云圖(圖7)?？梢?jiàn)，當(dāng)出口壓力一定時(shí)，A型孔壓力逐漸減小，B型孔、C型孔和D型孔壓力逐漸增大。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，A型孔入口和出口口徑一樣，孔壁阻尼造成壓力呈遞減趨勢(shì)；B型孔、C型孔和D型孔由于氣體出口口徑大于入口口徑，在出口壓力不變時(shí)，氣壓由出口到入口逐漸增大； B型孔壓力增加幅度最大，但入口壓力不均勻，易造成種子擺動(dòng)幅度較大，甚至脫落；C型孔入口壓力相對(duì)均勻，但其轉(zhuǎn)折處壓力損失巨大，導(dǎo)致入口壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于B型孔入口壓力；而D型孔結(jié)合B型孔和C型孔優(yōu)點(diǎn)，既保證了較大的入口壓力，也保證了入口壓力的均勻性，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖7 4種型孔截面壓力云圖Fig.7 Pressure cloud diagram of four types of hole section

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)材料及裝置

為驗(yàn)證不同型孔排種盤(pán)的充種性能，針對(duì)A型孔、B型孔、C型孔和D型孔排種盤(pán)展開(kāi)臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)材料為晉棉38號(hào)品種，千粒重105.43 g，含水率11.5%，橢球型，平均軸徑4 mm×5 mm×9 mm。

本研究使用山東農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院室內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)(圖8)，該試驗(yàn)臺(tái)采用調(diào)頻異步電機(jī)，轉(zhuǎn)速100～1 400 r/min，風(fēng)機(jī)為渦流，風(fēng)壓范圍0～25 kPa。

1.已被吸附的種子；2.正在被吸附的種子；3.未被吸附的種子；4.排種盤(pán)1.Seeds that have been adsorbed; 2.Seeds that are being adsorbed; 3.Seeds that are not adsorbed; 4.Seed plate圖8 排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)Fig.8 Seed metering device performance test bench

3.2 試驗(yàn)方法及指標(biāo)

由于播種速度與風(fēng)壓大小是影響播種質(zhì)量的關(guān)鍵因素，以兩者為試驗(yàn)因素對(duì)A型孔、B型孔、C型孔和D型孔排種盤(pán)充種性能分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，播種速度使用目前較高速度10～14 km/h，風(fēng)壓采用常用負(fù)壓值3.5～5.5 kPa，共5個(gè)水平(表1)。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，找出充種性能較優(yōu)的排種盤(pán)，并對(duì)其進(jìn)行二因素全水平試驗(yàn)。

表1 4種型孔排種盤(pán)作業(yè)性能單因素試驗(yàn)因素和水平Table 1 Single factor test factors and level of operationperformance of four types of hole metering discs

根據(jù)GB/T 6973—2013《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，對(duì)每組試驗(yàn)進(jìn)行3次，取平均值進(jìn)行分析。使用高速攝影機(jī)拍攝清種刀前端，檢測(cè)轉(zhuǎn)過(guò)的吸附多粒棉籽的型孔數(shù)、未吸附棉籽的型孔數(shù)和總的型孔數(shù)。以多充率和漏充率為試驗(yàn)指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中：Dc為棉籽多充率，%；Mc為棉籽漏充率，%；n1為吸附多粒棉籽的型孔數(shù)；n2為未吸附棉籽型孔數(shù)；Nc為檢測(cè)型孔總數(shù)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.3.1單因素試驗(yàn)

針對(duì)A型孔、B型孔、C型孔和D型孔排種盤(pán)，對(duì)排種機(jī)構(gòu)充種性能進(jìn)行單因素試驗(yàn)，以得到較優(yōu)播種速度與風(fēng)壓。當(dāng)播種速度為12 km/h時(shí)，調(diào)節(jié)風(fēng)壓為-3.5、-4.0、-4.5、-5.0和-5.5 kPa進(jìn)行試驗(yàn)探究,試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示：在試驗(yàn)水平內(nèi)，4種型孔多充率和漏充率總體變化基本一致，多充率隨風(fēng)壓增大而增加，漏充率隨風(fēng)壓增大而減小。其中，A型孔多充率最低，漏充率最高，B和D型孔多充率均較高，漏充率較低，C型孔多充率和漏充率均位于中等。

A、B、C和D即為A型孔、B型孔、C型孔和D型孔，圖10同。A, B, C and D represent type A hole, type B hole, type C hole and type D hole respectively, the same as the Fig.10.圖9 4種型孔排種盤(pán)不同風(fēng)壓下的多充率(a)和漏充率(b)Fig.9 Multi-charge rate (a) and leakage rate (b) of four types of holes under different wind pressures

由于已漏充的型孔無(wú)法再次吸附種子，而吸附多粒種子的型孔可以由清種刀進(jìn)一步處理，因此漏充率更為重要，但多充率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致清種刀負(fù)擔(dān)過(guò)大，易導(dǎo)致卡種現(xiàn)象。綜合考慮，本研究選用風(fēng)壓為-5 kPa，對(duì)4種型孔在播種速度為10、11、12、13和14 km/h時(shí)的充種性能進(jìn)行試驗(yàn)探究。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖10：作業(yè)速度對(duì)多充率影響不明顯，對(duì)漏充率影響較為明顯，且隨作業(yè)速度的增加，漏充率逐漸降低。4種型孔排種盤(pán)的漏充率具有明顯差距，同一速度下，型孔A漏充率最高，C型孔位于中等；B和D型孔相對(duì)較低，但D型孔坡度較緩，適應(yīng)性較好，相對(duì)于B型孔具有一定優(yōu)勢(shì)，當(dāng)作業(yè)速度為10 km/h時(shí)，D型孔漏充率最低為2.9%。

圖10 4種型孔不同速度下的多充率(a)和漏充率(b)Fig.10 Multi-charge rate (a) and leakage rate (b) of four types of holes under different wind speed

綜合對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)作業(yè)速度為10 km/h，風(fēng)壓為-5 kPa時(shí)，各型孔充種效果相對(duì)較優(yōu)。為進(jìn)一步檢測(cè)各型孔在較優(yōu)水平下的充種效果，本研究針對(duì)4種型孔對(duì)應(yīng)的排種盤(pán)，以較優(yōu)水平進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可見(jiàn)，各型孔多充率由大到小依次為：D型孔、B型孔、C型孔、A型孔；漏充率由大到小依次為：A型孔、C型孔、D型孔、B型孔，與前期試驗(yàn)結(jié)論基本相符。

表2 4種型孔充種性能單因素驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Single factor verification test results of four types ofhole filling performance %

3.3.2二因素全水平試驗(yàn)

針對(duì)D型孔排種盤(pán)的顯著優(yōu)勢(shì)，對(duì)D型孔排種盤(pán)充種性能進(jìn)一步探究，以播種速度(9、10、11和12 km/h)和風(fēng)壓(-4.0、-4.5、-5.0和-5.5 kPa)為試驗(yàn)水平，以多充率和漏充率為指標(biāo)進(jìn)行二因素全水平試驗(yàn)，每組試驗(yàn)3次，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖11。當(dāng)播種速度一定時(shí)，隨著風(fēng)壓的增加，多充率呈上升趨勢(shì)，漏充率呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明風(fēng)壓大小對(duì)多充率和漏充率具有顯著影響。當(dāng)風(fēng)壓值達(dá)到最大值-5.5 kPa時(shí)，D型孔不同作業(yè)速度下的多充率均取得最大值，漏充率均取得最小值；當(dāng)風(fēng)壓值為試驗(yàn)最小值-4 kPa時(shí)，D型孔不同作業(yè)速度下的多充率均取得最小值，漏充率均取得最大值。隨著播種速度的增加，D型孔相同風(fēng)壓下的多充率和漏充率變化趨勢(shì)不明顯，說(shuō)明作業(yè)速度對(duì)多充率和漏充率影響能力較弱。

圖11 D型孔不同速度與風(fēng)壓下的多充率(a)和漏充率(b)Fig.11 Multi-charge rate and leakage rate of type D hole at different speeds and wind pressures

表3示出二因素試驗(yàn)方差分析結(jié)果，可見(jiàn)：速度和風(fēng)壓對(duì)多充率和漏充率的顯著性各不相同，其中速度對(duì)多充率一般顯著，對(duì)漏充率影響及其顯著，風(fēng)壓對(duì)多充率和漏充率影響均及其顯著，兩者交互作用對(duì)多種率和漏充率均一般顯著。

表3 二因素試驗(yàn)方差分析Table 3 Two-factor test analysis of variance table

充種過(guò)程中由于清種刀的作用，多吸附的種子可以被清除，但未吸附種子的型孔無(wú)法再次吸附，因此漏充率相對(duì)于多充率更為重要，為提高充種性能，應(yīng)保證漏充率足夠小，多充率盡量小。為探究D型孔對(duì)應(yīng)的最優(yōu)解，借助Design-expert優(yōu)化模塊對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，邊界條件為：

式中，Ps為播種所需風(fēng)壓，kPa。計(jì)算得出的較優(yōu)參數(shù)為：播種速度10.01 km/h，風(fēng)壓-5.23 kPa，該條件下多充率為10.12%，漏充率3.75%。

為探究?jī)?yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)重復(fù)3次，每次計(jì)算150粒種子，最后取3次試驗(yàn)結(jié)果平均值：多充率為9.95%，漏充率3.62%，結(jié)果與理論值相近，滿足要求。

4 結(jié) 論

本研究針對(duì)現(xiàn)有棉花排種機(jī)構(gòu)作業(yè)速度低，精度不夠高等問(wèn)題，對(duì)電驅(qū)氣吸式排種機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，重點(diǎn)對(duì)排種盤(pán)上不同型孔類(lèi)型流場(chǎng)壓力的變化情況進(jìn)行仿真分析，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的可行性，主要結(jié)論如下：

1)簡(jiǎn)單圓柱型孔阻尼較大，入口風(fēng)壓最??；圓錐型孔入口風(fēng)壓最大，吸種口的中心及邊緣風(fēng)壓差較大；弧線狀型孔入口風(fēng)壓僅次于圓錐型孔，吸種口風(fēng)壓相對(duì)均勻；圓柱與圓錐相結(jié)合型孔風(fēng)壓相對(duì)較小，吸種口風(fēng)壓也相對(duì)均勻。

2)單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)速度對(duì)多充率影響不明顯，對(duì)漏充率影響較為明顯，隨作業(yè)速度的增大，漏充率逐漸降低；風(fēng)壓對(duì)多充率和漏充率影響均明顯，多充率隨風(fēng)壓增大而增加，漏充率隨風(fēng)壓增大而減小。各型孔根據(jù)多充率由大到小排序?yàn)椋夯【€狀型孔、圓錐型孔、圓柱與圓錐相結(jié)合型孔、圓柱型孔；根據(jù)漏充率由大到小排序?yàn)椋簣A柱型孔、圓柱與圓錐相結(jié)合型孔、弧線狀型孔型孔、圓錐型孔，與前期試驗(yàn)結(jié)論基本相符。對(duì)弧線狀型孔充種性能的二因素全水平試驗(yàn)表明，當(dāng)播種速度為10.01 km/h，風(fēng)壓為-5.23 kPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的多充率為9.95%，漏充率3.62%。