油菜擾動(dòng)氣力盤式穴播排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

李兆東，何 順，鐘繼宇，韓建鋒，陳永新，宋 宇※

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036； 2. 安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036）

滿足油菜農(nóng)藝種植要求。該研究可為皖江地區(qū)油菜機(jī)械化穴播技術(shù)及裝備研究提供參考。

0 引 言

油菜是重要的油料作物，兼具蔬菜、飼料等多種功用，其廣泛種植于中國長江中下游和新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)[1]。油菜精量直播技術(shù)具有省種省時(shí)、節(jié)本增效和適宜機(jī)械化收獲等優(yōu)點(diǎn)，是提高油菜生產(chǎn)效益的有效手段之一[2]。

油菜排種器是直播機(jī)的核心部件，排種器排種質(zhì)量直接影響播種質(zhì)量。排種器按工作原理可分為機(jī)械式和氣力式2種型式[3-4]。其中氣力式排種器依靠氣流作用將種子吸附且對種子形狀適應(yīng)性好，可顯著降低種子破損率，排種質(zhì)量可靠，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛研究[5-7]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，Gaikward等[8]設(shè)計(jì)了一種柱塞托盤氣力式蔬菜排種器，使成本降低到原來的15.27%；Arzu等[9]以棉花和玉米種子等為研究對象，進(jìn)行了播種機(jī)作業(yè)的速度和圓盤吸孔的數(shù)目對圓盤氣吸式排種器排種性能的影響規(guī)律的試驗(yàn)，得出2種作物最合適的種盤型孔數(shù)目；叢錦玲等[10-11]針對氣力式排種器播不同作物時(shí)需更換種盤的缺陷，研制了一種兼用型內(nèi)嵌入導(dǎo)種條式種盤及其型孔，以實(shí)現(xiàn)油菜和小麥兼用；尹文慶等[12]設(shè)計(jì)了一種氣力槽輪組合式蔬菜精量排種器，采用兩級(jí)排種并進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果滿足播種指標(biāo)要求；李兆東等[13]設(shè)計(jì)了一種槽齒組合式吸種盤，通過在傳統(tǒng)平面吸種盤上增加凹槽與擾種齒來增強(qiáng)種群擾動(dòng)強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明該種盤可明顯改善高速排種過程中種子的漏充率。在研究方法上，?nal等[14]對排種器的工作性能進(jìn)行了試驗(yàn)，并以粒距變異系數(shù)為指標(biāo)，得出了影響排種器排種均勻性的主要因素；Yatskul等[15-16]對氣力式排種器的氣力輸送系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了一種測量加載氣流速度的方法，提出了一種能耗評估方法，得出了最佳管道直徑，并對氣力式播種機(jī)的分配器進(jìn)行研究，分析了空氣速度和物料流速對種子分布精度的影響研究，研究了出口管長度、分配頭密封性和分配頭位置角度對排種均勻性的影響，并利用高速攝像得出了較優(yōu)參數(shù)；雷小龍等[17]運(yùn)用EDEM軟件與高速攝像技術(shù)，對不同種層調(diào)節(jié)板傾角和種層厚度的種群運(yùn)動(dòng)與供種性能進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，明確了種層厚度影響充種性能的原因。上述通過對氣力式排種器結(jié)構(gòu)改進(jìn)或采用可行的試驗(yàn)方法，可有效提高其充種性能，但對于油菜氣力式排種器作業(yè)速度提高易產(chǎn)生漏充影響穴播性能研究尚且不多。

作者團(tuán)隊(duì)前期采用擾動(dòng)吸附組合技術(shù)設(shè)計(jì)的氣力槽齒盤式精量排種器可有效解決高速排種過程中油菜種子漏充率高的難題[13]，但該排種器的穴播性能有待研究。本文對擾動(dòng)充種過程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，借助EDEM數(shù)值模擬、高速攝像和正交試驗(yàn)相結(jié)合，建立擾動(dòng)充種力學(xué)模型，構(gòu)建種盤與種子運(yùn)動(dòng)接觸仿真模型，獲得影響漏充率的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行油菜穴播排種性能優(yōu)化試驗(yàn)，以期為皖江地區(qū)油菜機(jī)械化穴播技術(shù)及裝備研究提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

油菜氣力槽齒盤式穴播排種器主要由種箱、種盤、吸室殼體、導(dǎo)種管、卸種篩等部件組成，如圖1所示。其中，種盤是排種器的核心工作部件。

排種器工作過程如圖2所示。首先將油菜種子加入種箱，種子在重力的作用下進(jìn)入充種區(qū)Ⅰ，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，種盤上的擾種齒能夠打破充種室中種子的堆積狀態(tài)，使得種子在負(fù)壓的作用下能夠精準(zhǔn)吸附在種盤型孔上，隨著種盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)入攜種區(qū)Ⅱ，當(dāng)種盤上的型孔到達(dá)卸種區(qū)Ⅲ的時(shí)候，種子在重力和正壓吹送共同作用下從型孔上脫離出來，落入導(dǎo)種管完成排種過程，剛卸完種子的型孔隨即進(jìn)入過渡區(qū)Ⅳ，為下一次排種過程做準(zhǔn)備。

1.2 槽齒輔助擾動(dòng)充種機(jī)理

假設(shè)油菜種子為材質(zhì)均勻的剛體，根據(jù)剛體動(dòng)力學(xué)理論[18]，建立種子充種過程的動(dòng)力學(xué)模型，如圖3所示。充種區(qū)的種子初始速度為v0，與擾種齒進(jìn)行碰撞后速度發(fā)生了變化，并向型孔處移動(dòng)，到達(dá)型孔捕獲區(qū)域時(shí)速度為v1，種子在吸附力Fs的作用下被吸附在型孔上隨種盤運(yùn)動(dòng)。種子初始階段在種盤表面運(yùn)動(dòng)，其表面與種盤表面相切，種子被型孔處吸附力捕獲，并隨種盤運(yùn)動(dòng)，其表面與型孔輪廓線相切，其縱向位移為s。根據(jù)動(dòng)能定理，在種子被型孔吸附力捕獲并最終吸附在種盤上隨種盤運(yùn)動(dòng)的過程中，吸附力對種子做功使得種子速度增大到與種盤型孔處速度相同。

根據(jù)動(dòng)能定理可得：

由式（1）可得：

式中m為種子質(zhì)量，kg；ω為種盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；R為型孔中心到種盤中心的距離，m；p為型孔處壓強(qiáng)，Pa。

由式（2）可知，其他條件不變時(shí)，p隨v1的增大而減小，擾種齒對種群有擾動(dòng)推送作用，可增大種子運(yùn)移的初速度，有助于貼近種盤表面區(qū)域的種群獲取與型孔一致的初速度，提高種子與型孔接觸時(shí)間，使得貼近種盤的種子易被吸孔捕獲。為滿足油菜高速精量排種需要，種盤高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，與傳統(tǒng)無擾動(dòng)式種盤相比，擾動(dòng)式種盤可減小種子被型孔吸附所需負(fù)壓，從而降低漏充率。

2 種盤輔助擾種數(shù)值模擬

種盤是氣力式精量排種器實(shí)施精量排種的核心部件，當(dāng)增大種盤轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，型孔捕獲并吸附種子所需時(shí)間急劇下降，容易造成大量漏充，而利用種盤輔助擾動(dòng)可有效打破充種室內(nèi)無序種群的堆積狀態(tài)，有利于增加種子與型孔接觸時(shí)間，進(jìn)而易被吸孔吸附[19-20]，因此為探究種盤結(jié)構(gòu)對種群的擾動(dòng)性能，找出具有較強(qiáng)擾種作用的種盤結(jié)構(gòu)，開展種盤輔助擾種數(shù)值模擬。

2.1 種盤結(jié)構(gòu)

為研究不同種盤結(jié)構(gòu)對種群擾動(dòng)強(qiáng)度的影響，仿真中采用不同的種盤型式來進(jìn)行仿真，種盤結(jié)構(gòu)包括槽齒數(shù)目與槽齒厚度，所設(shè)計(jì)種盤直徑為0.14 m，其上均勻分布36個(gè)型孔，凹槽與擾種齒交錯(cuò)分布構(gòu)成槽齒結(jié)構(gòu)，遵循槽齒均勻分布的原則，同時(shí)便于加工，設(shè)計(jì)槽齒數(shù)目分別為6、12、18共3種，如圖4a所示，3個(gè)圖中種盤槽齒數(shù)目依次為6、12、18。槽齒盤靠槽齒對種群薄層進(jìn)行擾動(dòng)，根據(jù)前期研究擾種齒的厚度為種子厚度的一半為宜[21-22]，為保證不同的擾動(dòng)強(qiáng)度，設(shè)計(jì)0.5、1.0、1.5 mm共3種不同槽齒厚度，如圖4b所示，3個(gè)圖中擾種齒的厚度依次為0.5、1.0、1.5 mm。3種槽齒數(shù)目與3種槽齒厚度兩兩組合，得到9種不同型式的種盤。

2.2 仿真模型與參數(shù)

為提高運(yùn)算速度，EDEM仿真時(shí)將整個(gè)排種器模型簡化為種箱、種盤、吸室殼體、油菜種子和導(dǎo)種管5個(gè)部分，如圖5a所示。油菜種子球型度高，統(tǒng)計(jì)確定種子粒徑范圍呈正態(tài)分布且差異小，發(fā)生碰撞不考慮顆粒變形，仿真中設(shè)置油菜種子直徑為2 mm，種子顆粒簡化為硬球模型[21]，如圖5b所示。

根據(jù)排種器材料，參考文獻(xiàn)[22]將種盤的材料設(shè)定為鋁合金，其泊松比為0.3，剪切模量為2.7×1010Pa，密度為2.7×103kg/m3。油菜種子泊松比為0.25，剪切模量為1.1×107，密度為6.8×102kg/m3。油菜種子之間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.6，0.5，0.01；油菜種子與種盤之間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦系數(shù)、動(dòng)摩擦系數(shù)分別為0.6，0.3，0.01。由于油菜種子近似球形，種子表面光滑且無粘附力，仿真中選用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型作為種子與排種器、種子與種子之間的接觸模型。

2.3 試驗(yàn)方法

選取上述9種種盤進(jìn)行仿真。排種器應(yīng)滿足油菜直播種植要求，理論穴距為0.05～0.08 m，一般機(jī)組前進(jìn)速度為3～8 km/h，種盤轉(zhuǎn)速選取40、60、80 r/min可滿足實(shí)際需要，分別進(jìn)行這3個(gè)速度梯度下的仿真試驗(yàn)[13]。為保證種子將充種室填滿并有多余的種子在充種口，種子總數(shù)設(shè)定為30 000顆，種子在第1 s內(nèi)生成完畢，種盤從第2 s開始旋轉(zhuǎn)，此時(shí)種子已經(jīng)生成完畢，處于靜止?fàn)顟B(tài)，仿真到10 s結(jié)束，固定時(shí)間步長為瑞利時(shí)間步長的25%[23-24]。

仿真完成后，進(jìn)入EDEM的Analyst模塊，根據(jù)充種室的種子速度分布發(fā)現(xiàn)，種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)靠近種盤的種群速度加劇，遠(yuǎn)離種盤的種群速度則沒有太大變化。為了便于觀察，使用EDEM中的Clipping工具將仿真模型沿種盤表面進(jìn)行剖開。按照種群速度將充種室中的種群分成2個(gè)區(qū)域：強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)與摩擦擾動(dòng)區(qū)，強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)為靠近種盤的種群區(qū)域，厚約3層種子的平均直徑，主要依靠種盤上的槽齒進(jìn)行強(qiáng)制擾動(dòng)；摩擦擾動(dòng)區(qū)為充種室中強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)以外的種群區(qū)域，主要靠種子之間的摩擦進(jìn)行擾動(dòng)，如圖6所示。結(jié)合前期試驗(yàn)與仿真發(fā)現(xiàn)，種子被吸附主要集中在強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)，強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)中的種子被槽齒定向擾動(dòng)后速度增大，同時(shí)打破了種群的堆積狀態(tài)，降低了種群間的內(nèi)摩擦阻力，更易于被種盤上型孔吸附，因此本文重點(diǎn)針對強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)的種子進(jìn)行研究。根據(jù)前述輔助擾種原理，適當(dāng)增大種子的在被型孔吸附前的初速度能夠減小負(fù)壓可降低功耗，并結(jié)合文獻(xiàn)[25]，提取強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)種子種群平均速度（下文皆用vq代指）作為擾動(dòng)強(qiáng)度的評價(jià)指標(biāo)。

2.4 仿真結(jié)果與分析

圖7為不同種盤在80 r/min轉(zhuǎn)速下vq的變化趨勢。在同一槽齒數(shù)目、不同槽齒厚度條件下，種群平均速度vq隨槽齒厚度增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，分析其原因在于：槽齒厚度從0.5增大到1.0 mm時(shí)，槽齒厚度的增加使得種盤對種群擾動(dòng)加劇，槽齒對種群有拖帶但種子未被帶出充種室（圖8a和8b），強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)種群受到較大擾動(dòng)，即存在vq呈現(xiàn)增大趨勢；1.0增大到1.5 mm時(shí)，槽齒厚度的增加使部分種子被槽齒帶出充種室，摩擦擾動(dòng)區(qū)補(bǔ)充進(jìn)來的種子尚未受到槽齒結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)（圖8c），因此出現(xiàn)vq的下降。隨著仿真時(shí)間的推移，盡管vq出現(xiàn)了波動(dòng)，但總體趨勢不變，這表明適當(dāng)增大槽齒厚度可提高對強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)種群的擾動(dòng)強(qiáng)度，但槽齒厚度過大時(shí)會(huì)有相反的效果。

在相同槽齒厚度、不同槽齒數(shù)目條件下，隨著槽齒數(shù)目的增加，種群平均速度vq隨之上升，槽齒數(shù)目由6增加到12時(shí)，vq增長明顯，槽齒數(shù)目由12增加到18時(shí)，vq增長趨勢放緩。槽齒數(shù)目的增加使得種群與種盤上槽齒的接觸更加頻繁，種群受到槽齒定向擾動(dòng)的頻率增加，從而導(dǎo)致vq的增大。

上述分析表明，槽齒數(shù)目為18的種盤對強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)種群的擾動(dòng)強(qiáng)度最大，圖9為槽齒數(shù)目為18、不同槽齒厚度的種盤在3種轉(zhuǎn)速下vq的變化。從圖中可看出，隨著種盤轉(zhuǎn)速的提高，各種盤的vq均增大，表明所設(shè)計(jì)的種盤皆有輔助擾種作用。在3種轉(zhuǎn)速下，槽齒厚度為1.0 mm時(shí)vq均是最大，表明槽齒厚度為1.0 mm的種盤對強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)種群具有最強(qiáng)的擾種作用。綜上所述，槽齒數(shù)目18、槽齒厚度1.0 mm的種盤具有較強(qiáng)的擾種作用。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

為探尋種盤輔助擾動(dòng)對漏充率的影響，使用仿真分析的9種種盤進(jìn)行充種性能試驗(yàn)，優(yōu)選出充種性能最佳的種盤，并將最佳槽齒結(jié)構(gòu)參數(shù)的種盤安裝在油菜氣力槽齒盤式排種器上進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，驗(yàn)證具有輔助擾種結(jié)構(gòu)的種盤對提高氣力式排種器精量穴播排種性能的效果。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

臺(tái)架試驗(yàn)包括2部分：充種性能試驗(yàn)與排種性能試驗(yàn)。充種性能試驗(yàn)臺(tái)主要包括HG-250型旋渦風(fēng)泵（浙江森森集團(tuán)）、U型壓力計(jì)（量程0～12 000 Pa)、TB86BL120-430型步進(jìn)電機(jī)（常州遠(yuǎn)控有限公司）、油菜氣力槽齒盤式穴播排種器、i-SPEED 3高速攝像系統(tǒng)（日本Olympus公司）等，如圖10a所示。排種性能試驗(yàn)臺(tái)以JPS-12型排種性能檢測試驗(yàn)臺(tái)（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程科學(xué)院）為平臺(tái)，包括HG-250型旋渦風(fēng)泵（浙江森森集團(tuán)）、油菜氣力槽齒盤式穴播排種器等，如圖10b所示。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 充種性能試驗(yàn)

充種性能試驗(yàn)以湖北國科高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)的袋裝華油雜62油菜種子為試驗(yàn)材料，其千粒質(zhì)量為4.45 g，種子平均粒徑為1.8 mm，含水率為7.8%，球形度為91.5%。根據(jù)仿真模型參數(shù)加工試制種盤，將其裝在油菜氣力槽齒盤式穴播排種器上，排種器的殼體采用透明外殼，方便通過高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行拍攝。為獲得較優(yōu)的種盤型式，并驗(yàn)證EDEM仿真的合理性，開展不同轉(zhuǎn)速下種盤型式對排種性能影響的試驗(yàn)。參照GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》，采用高速攝像對排種器的正面進(jìn)行拍攝，拍攝種盤轉(zhuǎn)動(dòng)12圈的視頻，共432個(gè)型孔的圖像，從中隨機(jī)選出360個(gè)連續(xù)型孔的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄，按式（3）～（4）計(jì)算種盤的漏充率與充種合格率。

式中L為漏充率，%；Q為充種合格率，%；n1為沒有充上種子的型孔數(shù)；n2為充入1?；?粒種子的型孔數(shù)；N1為統(tǒng)計(jì)的總型孔數(shù)，本文N1=360。

選取槽齒數(shù)目A、槽齒厚度B、種盤轉(zhuǎn)速C和工作負(fù)壓D為試驗(yàn)因素，以漏充率和充種合格率為試驗(yàn)指標(biāo)，根據(jù)上述仿真分析，槽齒數(shù)目選擇6、12、18 共3個(gè)水平；由前期試驗(yàn)可知，槽齒厚度過小，無法對種群提供有效擾動(dòng)，槽齒厚度過大則會(huì)出現(xiàn)槽齒帶種現(xiàn)象，本文選擇0.5、1.0、1.5 mm 3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)；種盤轉(zhuǎn)速選取40、60、80 r/min 3個(gè)水平可滿足田間作業(yè)速度為3～8 km/h的油菜種植農(nóng)藝要求；負(fù)壓過大過小均不利于油菜精量充種性能，負(fù)壓較小時(shí)，型孔吸附力較小則漏充率增加，負(fù)壓較大時(shí)易造成型孔吸附多粒種子，前期試驗(yàn)得出負(fù)壓范圍1 500～2 500 Pa可滿足實(shí)際需要，故選擇負(fù)壓1 500、2 000、2 500 Pa進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)按照四因素三水平L9（34）正交表進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共9組試驗(yàn)，每組重復(fù)3次取平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。試驗(yàn)因素水平如表1所示。

表1 充種性能試驗(yàn)因素水平表Table 1 Factor level table of seed filling performance test

3.2.2 穴播排種性能試驗(yàn)

排種性能試驗(yàn)以中國深圳創(chuàng)世紀(jì)有限公司選育的袋裝創(chuàng)雜油17號(hào)油菜種子為試驗(yàn)材料，其材料特性如下：千粒質(zhì)量為4.5 g，種子平均粒徑為2.0 mm，球形度為97.7%。將排種器安裝在JPS-12型排種性能檢測試驗(yàn)臺(tái)上，設(shè)定油菜穴距為0.05 m，根據(jù)種盤轉(zhuǎn)速與種帶速度轉(zhuǎn)換公式（5）得到種盤轉(zhuǎn)速與種帶速度的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 種盤轉(zhuǎn)速與種帶速度的對應(yīng)關(guān)系Table 2 Matching table of seed plate rotational speed and seed belt speed

式中n為種盤轉(zhuǎn)速，r/min；l為油菜穴距，m；Vm為種帶速度，km/h。試驗(yàn)因素為種盤轉(zhuǎn)速C與工作負(fù)壓D，因素水平如表3所示，進(jìn)行三水平析因試驗(yàn)。參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6973-2005，試驗(yàn)時(shí)每個(gè)條件下重復(fù)3次取平均值，每次試驗(yàn)選取750穴，統(tǒng)計(jì)空穴數(shù)與合格的穴數(shù)。相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算公式如式（6）與式（7）所示。

表3 排種性能試驗(yàn)因素水平表Table 3 Factor level table of seeding performance test

式中Xk為空穴率，%；Xh為穴粒數(shù)合格率，%；x1為穴中無種子的穴數(shù)；x2為穴種子數(shù)目為1或2的穴數(shù)；xn為總穴數(shù)。

3.3 充種性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

充種性能試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。漏充率越低，充種合格率越高，排種器的排種性能越好[26-27]，為分析不同試驗(yàn)因素對排種器排種性能的影響大小，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如表4所示。

表4 充種性能試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Seed filling performance results

試驗(yàn)表明，影響漏充率的主次因素分別為種盤轉(zhuǎn)速C、槽齒數(shù)目A、槽齒厚度B、工作負(fù)壓D。影響充種合格率的主次因素分別為種盤轉(zhuǎn)速C、槽齒數(shù)目A、槽齒厚度B、工作負(fù)壓D。根據(jù)表4極差分析結(jié)果，按照A3B2C1D2進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)3次，得到與仿真結(jié)果一致的A3B2種盤組合，即槽齒數(shù)目為18、槽齒厚度為1.0 mm的種盤組合具有較強(qiáng)的擾種作用，能夠顯著降低種子漏充率，提高種子充種合格率。

根據(jù)EDEM數(shù)值模擬與充種性能試驗(yàn)可知：隨著槽齒數(shù)目的增加，vq不斷增大，漏充率隨之降低；隨著槽齒厚度的增加，vq先增大后減小，漏充率先降低后升高，vq與漏充率呈負(fù)相關(guān)。結(jié)合前述理論分析知臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果增大vq可降低漏充率。丁力等[25]在種盤上設(shè)計(jì)了一種型孔凸臺(tái)進(jìn)行輔助充種，可在不增大工作負(fù)壓的情況下實(shí)現(xiàn)玉米高速播種；張國忠等[28]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)向型攪種裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果表明安裝導(dǎo)向型攪種裝置后工作氣流真空度要求降低，水稻充種性能得到改善；賈洪雷等[29]通過在種盤上增設(shè)導(dǎo)種槽等改善了大豆排種器在高速情況下負(fù)壓驟降情況下的排種性能。以上學(xué)者在玉米、水稻、大豆等多種作物氣力盤式排種器方面的研究可看出，在種盤上增設(shè)擾種裝置可有效改善充種性能，其本質(zhì)均是利用擾種裝置給充種室中貼近種盤區(qū)域種群提供與種盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的初速度，降低種子被型孔吸附所需負(fù)壓，進(jìn)而降低漏充率。因此，對于氣力盤式排種器，利用輔助擾種增大強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)種群的平均速度是降低漏充率的有效措施。

為檢驗(yàn)擾動(dòng)式種盤與無擾動(dòng)式種盤在低負(fù)壓條件下的充種性能，選用槽齒數(shù)為18、槽齒厚度為1.0mm的種盤與傳統(tǒng)平面盤進(jìn)行對比，給定負(fù)壓為1 500 Pa時(shí)，種盤轉(zhuǎn)速以20 r/min為間隔，分別選取40、60、80 r/min進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，以漏充率為評價(jià)指標(biāo)，結(jié)果如圖11所示。

2種種盤的漏充率變化趨勢相似，擾動(dòng)式種盤的漏充率明顯比無擾動(dòng)式種盤低，隨著種盤轉(zhuǎn)速的增加，2種種盤的漏充率差距加大：種盤轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，槽齒盤比平面盤漏充率低2.85個(gè)百分點(diǎn)；種盤轉(zhuǎn)速增大到80 r/min時(shí)，槽齒盤比平面盤漏充率低10.95個(gè)百分點(diǎn)。

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知：無擾動(dòng)式平面盤在種盤轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)漏充率為3.5%，當(dāng)種盤轉(zhuǎn)速達(dá)到60 r/min時(shí)漏充率達(dá)到6.85%；擾動(dòng)式槽齒盤在種盤轉(zhuǎn)速80 r/min時(shí)漏充率低于4.0%，參照NY/T 1143-2006《播種機(jī)質(zhì)量評價(jià)技術(shù)規(guī)范》，無擾動(dòng)式平面盤在種盤轉(zhuǎn)速達(dá)到60 r/min時(shí)不易滿足油菜精量穴播的要求，而擾動(dòng)式槽齒盤在種盤轉(zhuǎn)速80 r/min時(shí)仍然可滿足油菜穴播的要求。結(jié)合上述理論和仿真分析其原因在于：種盤轉(zhuǎn)速增大時(shí)，種子與型孔接觸時(shí)間變短，對種群具有定向擾動(dòng)的槽齒盤可有效打破充種室內(nèi)種群堆積狀態(tài)，利于貼近種盤表面的種子獲得與種盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向一致的初速度，與無擾動(dòng)式平面盤相比，延長了種子與型孔的接觸時(shí)間，在相同負(fù)壓下更易被型孔吸附，從而緩解了因排種器作業(yè)速度提高時(shí)漏充率高導(dǎo)致穴播排種性能下降的難題。

3.4 穴播排種性能試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，將表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Design-Expert軟件進(jìn)行擬合，得到空穴率與穴粒數(shù)合格率的響應(yīng)面圖，如圖12與圖13所示。

表5 排種性能試驗(yàn)結(jié)果Table 5 The test results of seeding performance

由圖12可知，工作負(fù)壓固定時(shí)，隨著種盤轉(zhuǎn)速的提高，空穴率不斷增大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速提高時(shí)，種盤上的型孔不能及時(shí)吸附種子，造成空穴率增加；種盤轉(zhuǎn)速固定時(shí)，隨著工作負(fù)壓的增大，空穴率不斷減小，這是因?yàn)榉N盤型孔吸附種子需要風(fēng)機(jī)提供工作負(fù)壓，當(dāng)風(fēng)機(jī)提供的工作負(fù)壓增大時(shí)，由于接觸面積不變，吸力增大，克服了種子重力與種子間相互作用力的作用，使種子更易被型孔吸附住，空穴率降低。

圖13 為穴粒數(shù)合格率響應(yīng)面圖。從圖13中可以看出，工作負(fù)壓固定時(shí)，隨著種盤轉(zhuǎn)速的增加，穴粒數(shù)合格率整體呈現(xiàn)下降趨勢，工作負(fù)壓較小時(shí)，穴粒數(shù)合格率隨種盤的增加而下降的趨勢更明顯，這是因?yàn)殡S著種盤轉(zhuǎn)速的增加，種盤型孔漏充率也在增加，因此造成穴粒數(shù)合格率下降，工作負(fù)壓較小的時(shí)候，低轉(zhuǎn)速的情況下種盤型孔漏充率低，轉(zhuǎn)速升高后，提供的工作負(fù)壓不足以將種子及時(shí)從種群中分離出來并吸附，因此型孔出現(xiàn)漏充率急劇升高，穴粒數(shù)合格率則出現(xiàn)急劇下降。工作轉(zhuǎn)速固定時(shí)，隨著工作負(fù)壓的增加，穴粒數(shù)合格率整體呈上升趨勢，高轉(zhuǎn)速的情況下上升趨勢更加明顯，這是由于隨著工作負(fù)壓的增加，型孔對種子的吸附力在增大，種子漏充率降低，因此穴粒數(shù)合格率逐漸增大，高轉(zhuǎn)速的情況下，低工作負(fù)壓時(shí)，由于型孔對種子吸附力不足，型孔漏充率升高，導(dǎo)致穴粒數(shù)合格率低。經(jīng)方差分析，去掉不顯著的因素，獲得空穴率Xk、穴粒數(shù)合格率Xh與種盤轉(zhuǎn)速n和工作負(fù)壓p之間的擬合方程如下：空穴率越低，穴粒數(shù)合格率越高，排種器排種性能越好。使用Design-Expert軟件對以上2個(gè)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)公式如下：

使用Design-Expert軟件對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求解，并對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)3次，結(jié)果如表6所示。

由表6可知，在種盤轉(zhuǎn)速為40～80 r/min條件下，空穴率均低于3%，穴粒數(shù)合格率均大于96%，與理論優(yōu)化結(jié)果之間誤差較小，表明擬合模型可靠性較高。

表6 優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)驗(yàn)證Table 6 Optimization results and test verification

4 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證油菜氣力槽齒盤式穴播排種器的大田作業(yè)性能，2020年10月30日至11月3日在安徽省樅陽縣進(jìn)行油菜播種試驗(yàn)，如圖14所示。試驗(yàn)材料為排種性能試驗(yàn)所用的創(chuàng)雜油17號(hào)，播種前茬作物為太湖糯稻，留茬高度為0.35～0.45 m，油菜直播機(jī)由湖北樺磊農(nóng)機(jī)制造有限公司生產(chǎn)，機(jī)具幅寬為2.3 m，可播種8行，行距0.25 m，牽引動(dòng)力為東方紅LY1104輪式拖拉機(jī)，機(jī)組前進(jìn)速度為3.24 km/h。由于在田間作業(yè)時(shí)機(jī)組受地表不平和發(fā)動(dòng)機(jī)工作而引起一定程度上的振動(dòng)影響，故田間試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)研究存在一定的誤差。利用SG-312風(fēng)壓風(fēng)速風(fēng)量儀實(shí)際測得平均工作負(fù)壓為2 400 Pa（球頭調(diào)節(jié)閥控制風(fēng)壓），利用VC6236P轉(zhuǎn)速儀實(shí)際測得種盤平均轉(zhuǎn)速為32 r/min，播種面積約3.4 hm2。播種90 d后，對油菜長勢進(jìn)行測量，在同一塊田中隨機(jī)選取5廂，每廂中隨機(jī)選取一塊長為1 m，寬為2 m的區(qū)域，測量區(qū)域內(nèi)穴數(shù)及穴株數(shù)，統(tǒng)計(jì)得平均空穴率為4.6%（0株為空穴），平均穴株數(shù)合格率為90.54%（1～2株為合格穴），油菜平均株距為0.053 m，平均種植密度為（70±4）株/m2。

5 結(jié) 論

1）針對氣力式油菜穴播排種器作業(yè)速度提高易產(chǎn)生漏充影響穴播排種性能的問題，設(shè)計(jì)了一種具有槽齒定向擾種式種盤的氣吸式油菜穴播排種器，運(yùn)用EDEM軟件進(jìn)行了種盤擾種數(shù)值模擬，建立了可劃分強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)與摩擦擾動(dòng)區(qū)的種子與種盤運(yùn)動(dòng)接觸仿真模型，提出了充種室強(qiáng)制擾動(dòng)區(qū)種群平均速度作為擾種性能的評價(jià)指標(biāo)，得出槽齒數(shù)目為18、槽齒厚度為1.0 mm的擾動(dòng)式種盤為較優(yōu)種盤。

2）利用仿真所用的9種種盤進(jìn)行充種性能試驗(yàn)，以槽齒厚度、槽齒數(shù)目、種盤轉(zhuǎn)速和工作負(fù)壓為試驗(yàn)因素，以漏充率與充種合格率為評價(jià)指標(biāo)開展四因素三水平正交試驗(yàn)，通過極差分析得到了充種性能最佳并與仿真結(jié)果一致的擾動(dòng)式槽齒盤，通過臺(tái)架對比試驗(yàn)明確了對種群具有定向擾動(dòng)的種盤可有效改善充種性能。

3）進(jìn)行了油菜擾動(dòng)氣吸式穴播排種器排種性能試驗(yàn)，以種盤轉(zhuǎn)速與工作負(fù)壓為試驗(yàn)因素，以空穴率與穴粒數(shù)合格率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三水平析因設(shè)計(jì)試驗(yàn)，并對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明在種盤轉(zhuǎn)速為40～80 r/min，工作負(fù)壓在2 392～2 500 Pa的條件下，空穴率均低于3%，穴粒數(shù)合格率均高于96%，田間試驗(yàn)油菜平均種植密度（70±4）株/m2，平均空穴率為4.6%，平均穴粒數(shù)合格率為90.54%，滿足油菜農(nóng)藝種植要求。