彈性吸種墊式滾輪排種器試驗(yàn)與參數(shù)優(yōu)化

郭軍海，石林榕，趙武云，柏永祥，饒 罡，曲 浩

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 730070）

玉米在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要地位。隨著種植面積增加，農(nóng)村勞動(dòng)力缺失，機(jī)械化精密播種技術(shù)成為滿足玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要途徑之一[1-2]。精密排種器作為播種機(jī)核心部件，排種性能為玉米播種技術(shù)關(guān)鍵[3]。精密排種器按其工作原理分為機(jī)械式和氣力式[4]。常用機(jī)械式排種器有水平圓盤式、勺輪式和指夾式，但存在對種子形狀和尺寸要求嚴(yán)格、播種單粒率低、易損傷籽粒等問題；氣力式排種器主要分為氣吸式、氣吹式、氣壓式和中央集排式等，氣吸式排種器因其具有對種子形狀和大小適應(yīng)性較強(qiáng)、籽粒損傷少、可適應(yīng)較高速播種作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)而應(yīng)用廣泛[5-6]。國內(nèi)學(xué)者對氣吸式排種器開展大量研究。楊麗等設(shè)計(jì)一種采用機(jī)械托種盤輔助附種的氣吸式精量排種器，利用托種盤擾動(dòng)種群并托持種子，起到輔助充種的作用[7]。陳進(jìn)等基于電磁振動(dòng)方式設(shè)計(jì)一種氣吸振動(dòng)式精量排種器，將種子振動(dòng)至沸騰狀態(tài)，降低種子瞬態(tài)法向應(yīng)力提高充種性能[8]。顏丙新等設(shè)計(jì)一種氣吸式精密排種器，排種盤與負(fù)壓腔室同步旋轉(zhuǎn)，避免排種盤和密封墊磨損，減少氣壓損失[9]。針對西北旱區(qū)先鋪膜保墑、后膜上播種的種植方式，排種器需在地膜上滾動(dòng)破膜播種，以上排種器均無法滿足實(shí)際需求。

近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和離散單元法（DEM）快速發(fā)展，數(shù)值模擬方法成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化重要工具[10-14]。史嵩等利用EDEM軟件模擬排種盤擾動(dòng)種群，降低種子瞬態(tài)法向應(yīng)力提高充種性能[15]；丁力等利用FLUENT軟件仿真分析不同進(jìn)氣口位置下各型孔壓強(qiáng)，確定最佳進(jìn)氣口位置參數(shù)[16]；韓丹丹等利用DEM-CFD耦合方法以型孔內(nèi)種子在排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)過程中所受曳力值為指標(biāo)，分析不同型孔下種子所受曳力變化情況及清種和壓種性能，進(jìn)一步優(yōu)化型孔結(jié)構(gòu)[17]。

根據(jù)西北旱區(qū)玉米種植特點(diǎn)，滾輪式排種器需在地膜上滾動(dòng)破膜播種，地面不平度對取種量有影響。為提高彈性吸種墊式滾輪排種器排種性能，以該機(jī)吸種墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速為自變量，采用仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)方法對排種器作單因素試驗(yàn)，確定各試驗(yàn)因素取值范圍；根據(jù)二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，采用三因素五水平響應(yīng)曲面分析法，確定各試驗(yàn)因素及其交互作用對合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的影響，獲得各試驗(yàn)因素最佳參數(shù)組合，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，以期達(dá)到該樣機(jī)最佳排種性能。

1 工作過程解析與關(guān)鍵參數(shù)分析

1.1 結(jié)構(gòu)及工作過程

彈性吸種墊式滾輪排種器主要由進(jìn)種口1、前殼體2、種室隔板3、清種器4、種盤組件5、種盤限位架6、鴨嘴固定架7、后殼體8、鴨嘴9、彈簧10、氣室擋板11、氣管12和隔種器13等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1a所示。種盤組件為氣吸式排種器核心工作部件，由種盤14和彈性吸種墊15組成，種盤直徑198 mm，壁厚4 mm，其種盤周向85 mm處均勻分布8個(gè)吸種孔；吸種孔由兩個(gè)階梯狀圓柱形孔組成，小孔直徑6 mm，深度2 mm，大孔直徑12 mm，深度2 mm，用于安裝彈性吸種墊；彈性吸種墊材料為彈性橡膠，外孔直徑12 mm，內(nèi)孔直徑4 mm（可變），深度2 mm，通過得力6271膠黏附于吸種孔內(nèi)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1b所示。

圖1 彈性吸種墊式滾輪排種器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of flexible seed-absorbing pad type roller seeder

彈性吸種墊式滾輪排種器在作業(yè)過程中，根據(jù)玉米在排種器中流通過程，將種盤分為充種區(qū)Ⅰ、清種區(qū)Ⅱ、攜種區(qū)Ⅲ和卸種區(qū)Ⅳ，其功能區(qū)域劃分見圖2。負(fù)壓風(fēng)機(jī)通過管道與氣管相連，種盤與后殼體形成的室腔產(chǎn)生負(fù)壓，從而使種盤兩側(cè)形成壓力差，玉米種子由進(jìn)種口掉落至排種器種室隔板底部，即充種區(qū)Ⅰ；工作時(shí)，排種器外殼體在膜面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)種盤同步旋轉(zhuǎn)，彈性吸種墊利用風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓氣流將種子吸附，種子被強(qiáng)力吸附于彈性吸種墊上，使彈性吸種墊發(fā)生法向變形，吸孔與種子外形緊密貼合，多粒吸種幾率較低；當(dāng)種子運(yùn)動(dòng)經(jīng)過清種區(qū)Ⅱ出現(xiàn)多吸情況時(shí)，由于吸種墊大小與一粒種子橫截面面積相當(dāng)，多吸的種子與種盤接觸面較大，又因玉米與彈性吸種墊靜摩擦系數(shù)（0.627）大于玉米與種盤靜摩擦系數(shù)（0.392），多余種子被清種器阻擋下掉落至充種區(qū)Ⅰ；種子離開清種區(qū)Ⅱ進(jìn)入攜種區(qū)Ⅲ時(shí)，種子在負(fù)壓氣流作用下穩(wěn)定攜種；種子到達(dá)卸種區(qū)Ⅳ后，氣室擋板堵住吸種口，使吸種口負(fù)壓氣流消失，種子在重力、離心力和隔種板作用下掉落至鴨嘴內(nèi)；鴨嘴隨排種器轉(zhuǎn)動(dòng)扎入土壤一定深度，鴨嘴受到地面反作用力強(qiáng)迫打開，種子落入穴孔內(nèi)，排種器繼續(xù)滾動(dòng)帶動(dòng)鴨嘴離開地面，鴨嘴閉合，如此循環(huán)完成播種作業(yè)。

圖2 工作區(qū)域劃分示意圖Fig.2 Diagram of division of the working area

1.2 工作參數(shù)分析

彈性吸種墊式滾輪排種器工作時(shí)，種子在氣吸室負(fù)壓作用下受吸附力P、自身重力G、種盤對種子的離心力J、種盤對種子的支持力N、以及空氣和種群對吸附種子的摩擦阻力Ff，被吸附種子受力情況如圖3所示。

圖3 種子充種過程受力分析Fig.3 Force analysis of the seed filling process

在垂直面內(nèi)回轉(zhuǎn)的種盤上，一個(gè)吸孔要吸附一粒種子，至少應(yīng)滿足以下條件[18]：

式（1）中，d-吸種墊吸孔直徑（m）；Q-種子重力G、離心力J和種子之間內(nèi)摩擦阻力Ff的合力（N）；C-種子重心距離吸盤距離（m）。

式（2）中，Hc-氣室真空度（Pa）。由式（2）可知，隨著吸種墊吸孔直徑增加，吸附種子所需真空度降低，充種能力增強(qiáng)。當(dāng)負(fù)壓一定時(shí)，吸孔直徑過大，種子與孔徑相差太大，造成漏氣或一孔多吸的情況，導(dǎo)致重播指數(shù)增加；吸孔直徑過小，種子與孔徑相差過小，造成氣壓不足產(chǎn)生漏吸的情況，漏播指數(shù)增加。針對不同直徑和質(zhì)量的種子設(shè)計(jì)相應(yīng)吸孔直徑有助于提高充種率[19]。吸孔直徑d根據(jù)種子寬度而定，計(jì)算式為：

式（3）中，b-玉米種子平均寬度。試驗(yàn)選取應(yīng)用廣泛且?guī)в邪碌泥崋?58玉米種子，寬度平均值為8.72 mm，由式（3）計(jì)算得吸孔直徑d為5.58 mm，初步確定吸孔直徑d為5.60 mm。

為使種子牢固吸附在彈性吸種墊吸孔上，并突破種群阻力，其負(fù)壓氣室實(shí)際真空度必須大于臨界真空度，臨界真空度計(jì)算公式如下[20]：

其中，λ=（6～10）tanβ。

式（4）中，Hcmax-氣室最大真空度（Pa）；K1-吸種可靠性系數(shù)，K1=1.8～2.0；K2-工作可靠性系數(shù)，K2=1.6～2.0；m-一粒種子的質(zhì)量（kg）；v-排種盤吸孔處線速度（m·s-2）；r-型孔所在圓周半徑（m）；g-重力加速度（m·s-2）；λ-種子摩擦阻力綜合系數(shù)；β-種子自然休止角（°）。

試驗(yàn)測定包衣玉米種子自然休止角22.01°，千粒重347.30 g，β角較小，常數(shù)取較大值8，則λ=8tanβ；由于玉米種子千粒重較大，形狀不規(guī)則，K1取大值為2；排種器在工作時(shí)，地面不平整受到的振動(dòng)幅度較大，K2取較大值為1.8；種盤吸孔所在圓周半徑為85 mm且角速度為2.27 rad·s-1，故可得種盤吸孔線速度v為0.19 m·s-1；由式（4）計(jì)算得到Hcmax=2 182 Pa。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

為提高彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器排種性能，于2021年10月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院進(jìn)行玉米排種臺(tái)架試驗(yàn)。玉米品種為帶有包衣的鄭單958種子，千粒重為347.30 g。彈性吸種墊式滾輪排種器試驗(yàn)臺(tái)主要由臺(tái)架、滾輪式排種器、電機(jī)、電機(jī)調(diào)速器、測速儀、氣吸式風(fēng)機(jī)、風(fēng)機(jī)調(diào)速器、12 V直流開關(guān)電源可調(diào)監(jiān)控變壓器和數(shù)顯式壓力計(jì)等組成，試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖4 彈性吸種墊式滾輪排種器試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Test bed for flexible seed-absorbing pad typeroller seed discharger

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)上述工作參數(shù)分析以及文獻(xiàn)[21-23]得知，影響氣吸式排種器排種性能主要因素有吸種墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速，故選取以上3個(gè)因素作為此次試驗(yàn)主要變量。試驗(yàn)前將所要求的彈性吸種墊黏附于種盤吸孔中，控制電機(jī)調(diào)速器使?jié)L輪式排種器實(shí)現(xiàn)不同的角速度，用測速儀測量滾輪式排種器轉(zhuǎn)速，達(dá)到目標(biāo)值，控制風(fēng)機(jī)調(diào)速器使氣吸式風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)不同負(fù)壓，用數(shù)顯式壓力機(jī)測量負(fù)壓值，達(dá)到目標(biāo)值。

參照《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T6973-2005）規(guī)定的試驗(yàn)方法與指標(biāo)，選取合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)作為衡量排種器工作質(zhì)量性能指標(biāo)，并將其作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)[24]。每組試驗(yàn)連續(xù)統(tǒng)計(jì)250粒玉米種子，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，以平均值作為測試結(jié)果，對上述試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析。各試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算公式如式（5）所示：

式（5）中，Y1-合格指數(shù)；Y2-重播指數(shù)；Y3-漏播指數(shù)；n1-單粒種子穴數(shù)；n2-多粒種子穴數(shù)；n3-空穴數(shù)；N′-理論排種穴數(shù)。

3 單因素試驗(yàn)分析

為合理確定彈性吸種墊式滾輪排種器排種性能試驗(yàn)中各單因素參數(shù)取值范圍，應(yīng)用仿真分析與實(shí)際試驗(yàn)相結(jié)合方法，對氣吸式排種器吸種墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究各試驗(yàn)因素對合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的影響規(guī)律，選取相應(yīng)參數(shù)模型以達(dá)到最優(yōu)。

3.1 吸種墊吸孔直徑

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）為通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析流體流動(dòng)和傳熱等物理現(xiàn)象技術(shù)，通過CFD技術(shù)，可利用計(jì)算機(jī)分析并顯示流場中的現(xiàn)象，在較短時(shí)間內(nèi)預(yù)測流場[25]。本文利用FLUENT軟件數(shù)值模擬不同吸種墊吸孔直徑時(shí)流場變化，分析并確定吸種墊吸孔直徑范圍。

為探究不同吸種墊吸孔直徑流場變化，對6種（3.5、4、4.4、5、5.6和6 mm）吸種墊吸孔直徑排種器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬。借助SOLIDWORKS軟件建立排種器內(nèi)部流場三維模型，如圖5a所示；將其模型導(dǎo)入至ICEM-CFD中進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，定義相關(guān)Part，生成網(wǎng)格文件，如圖5b所示。選擇非隱式求解器進(jìn)行數(shù)值模擬，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；設(shè)置吸孔區(qū)域?yàn)镸esh Motion，轉(zhuǎn)速為20 r·min-1；定義入口為壓力入口0 Pa，出口為壓力出口3 500 Pa，吸孔壁面為Moving wall邊界條件，其余壁面為無滑移邊界條件；采用一階迎風(fēng)差分格式，利用Simple算法求解，收斂條件為1×10-4，設(shè)置仿真時(shí)間步長為1 000步，每步時(shí)間長1×10-4s，總時(shí)間0.1 s。

圖5 仿真模型及網(wǎng)格劃分Fig.5 Simulation model and meshing

由文獻(xiàn)[23]可知，吸孔處氣流速度越大，表明真空度越大，越有利種子吸附，本文通過仿真提取出不同吸種墊吸孔直徑下速度云圖。不同吸種墊吸種直徑速度云圖如圖6所示。

由仿真結(jié)果可知，吸種墊吸孔直徑不同，吸孔內(nèi)部所產(chǎn)生速度也不同。由圖6可知，當(dāng)吸種墊吸孔直徑從3.5 mm增至6 mm過程中，吸孔速度先增后減。吸種墊吸孔直徑為4.4 mm時(shí)，吸孔內(nèi)部速度最高，此時(shí)吸孔吸附效果最佳。

圖6 吸種墊吸孔直徑速度云圖Fig.6 Seed-absorbing mat suction hole diameter velocity cloud

根據(jù)上述仿真分析結(jié)果進(jìn)行單因素試驗(yàn)，設(shè)定氣吸式排種器工作參數(shù)為氣吸室負(fù)壓3 500 Pa，種盤轉(zhuǎn)速20 r·min-1，劃定吸種墊吸孔直徑為5個(gè)水平，分別為4、4.4、5、5.6、6 mm。各性能評價(jià)指標(biāo)與種氣吸室負(fù)壓關(guān)系曲線如圖7所示。

如圖7所示，由于吸種墊吸孔直徑增加，合格指數(shù)先升后降，重播指數(shù)持續(xù)上升，漏播指數(shù)持續(xù)下降，峰值在4.4 mm處出現(xiàn)，此時(shí)合格指數(shù)為91.88%，重播指數(shù)為4.79%，漏播指數(shù)為3.33%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸種墊吸孔直徑較小時(shí)，吸孔產(chǎn)生的吸附力較小，種子未被吸孔有效吸附，導(dǎo)致漏播指數(shù)上升，合格指數(shù)下降；隨著吸種墊吸孔直徑增加，吸孔產(chǎn)生的吸附力增加，排種器達(dá)到較好的吸附狀態(tài)，合格指數(shù)上升，漏播指數(shù)下降；當(dāng)吸種墊吸孔直徑過大時(shí)，吸孔產(chǎn)生的吸附力較大，易出現(xiàn)一孔多吸情況，導(dǎo)致重播指數(shù)上升，合格指數(shù)下降。因此在這種條件下，吸種墊吸孔直徑為4.4 mm時(shí)，排種性能最佳。

圖7 吸種墊吸孔直徑對排種器排種性能的影響Fig.7 Effects of suction hole diameter of seed suction pad on working performance of seed metering devicecloud

3.2 氣吸室負(fù)壓

EDEM-FLUENT氣固雙向耦合仿真，基本思想為EDEM可準(zhǔn)確分析顆粒形狀、級(jí)配等因素對顆粒運(yùn)動(dòng)的影響，結(jié)合FLUENT可準(zhǔn)確分析顆粒相與流體相的相互作用，該方法適用于模擬復(fù)雜力學(xué)特性工況，如氣力輸送、氣流清選、流化床等[1]。由于種子既受流場區(qū)域的影響，同時(shí)種子運(yùn)動(dòng)對流場也產(chǎn)生影響，因此本文采用EDEM-FLUENT氣固雙向耦合方法分析氣吸室負(fù)壓。

由于氣固耦合過程中要求仿真顆粒體積小于網(wǎng)格體積[1]，故本文采用Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型填充玉米種子，即將多個(gè)體積小于網(wǎng)格體積的小球形顆粒以“黏結(jié)鍵”形式堆積為玉米種子，將黏結(jié)好的模型用于玉米種子仿真模型。利用Bonding黏結(jié)的種子模型如圖8所示。

圖8 種子模型Fig.8 Seed model

排種器在SOLIDWORKS軟件中建立三維模型并簡化，導(dǎo)入ICEM-CFD軟件劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將劃分好的網(wǎng)格導(dǎo)入EDEM，排種器模型如圖9a所示。在排種器模型基礎(chǔ)上利用SOLIDWORKS軟件建立流場三維模型，導(dǎo)入ICEM-CFD劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流場網(wǎng)格劃分如圖9b所示。

圖9 三維仿真模型Fig.9 3D simulation model

設(shè)定排種器的仿真參數(shù)為吸種墊吸孔直徑5 mm，種盤轉(zhuǎn)速0，根據(jù)工作參數(shù)分析得知吸附種子最小壓強(qiáng)為2 182 Pa，將氣吸室負(fù)壓劃定3個(gè)壓強(qiáng)，分別為1 500、2 000和2 500 Pa。由于玉米種子表面無黏附力，EDEM采用Hertz-Mindlin無滑移接觸模型。根據(jù)排種器所用材料設(shè)置EDEM相關(guān)參數(shù)，EDEM相關(guān)參數(shù)如表1所示。在EDEM設(shè)置時(shí)間步長為1×10-5s，F(xiàn)LUENT時(shí)間步長應(yīng)為EDEM時(shí)間步長的整數(shù)倍，設(shè)置為5×10-4s，為節(jié)省時(shí)間，在吸孔處生成1粒玉米種子進(jìn)行仿真，每0.01 s保存一次數(shù)據(jù)，仿真時(shí)間共0.2 s，EDEM-FLUENT氣固耦合仿真模型如圖10所示。

圖10 EDEM-FLUENT氣固耦合仿真模型Fig.10 EDEM-FLUENT gas-solid coupling simulation model

表1 EDEM中物料屬性及接觸參數(shù)Table 1 Material properties and exposure parameters in EDEM

通過EDEM-FLUENT氣固耦合仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)壓強(qiáng)為2 000和2 500 Pa時(shí)，種子被吸孔穩(wěn)定吸附，當(dāng)壓強(qiáng)為1 500 Pa時(shí)，種子未被吸孔吸附，而遠(yuǎn)離吸孔在自身重力下掉落至前殼體底部。為進(jìn)一步分析其受力情況，提取種子所受曳力，種子所受曳力如圖11所示。由圖11可看出，當(dāng)氣吸室負(fù)壓為2 000和2 500 Pa時(shí)，種子所受曳力先急劇增加，達(dá)到最大值后緩慢減小，最后趨于穩(wěn)定，因種子受到吸孔附近氣流作用，離吸孔越近，種子所受曳力越大，當(dāng)曳力達(dá)到最大值時(shí)，種子被完全吸附至吸孔，由于種子重心的原因，位置發(fā)生輕微改變，導(dǎo)致曳力輕微減小，最后趨于穩(wěn)定，種子被穩(wěn)定吸附在吸孔；當(dāng)氣吸室負(fù)壓為1 500 Pa時(shí)，種子所受曳力先急劇增大后急劇減小接近于0，因?yàn)榉N子受到的曳力不足以克服種子自身重力，種子在接近吸孔同時(shí)又逐漸下落，最后遠(yuǎn)離吸孔掉落至前殼體底部。

圖11 種子所受曳力Fig.11 Travelling forces on seeds

為進(jìn)一步確定吸孔吸附種子臨界壓強(qiáng)，將壓強(qiáng) 劃 分 為1 600、1 700、1 800、1 900 Pa進(jìn) 行EDEM-FLUENT耦合仿真，分析仿真結(jié)果提取種子所受曳力，1 600～1 900 Pa種子所受曳力見圖12。由圖12可知，當(dāng)氣吸室負(fù)壓在1 700～1 900 Pa時(shí)，種子所受曳力曲線變化趨勢一致，且種子所受曳力值大小與氣吸室負(fù)壓呈正相關(guān)；當(dāng)氣吸室負(fù)壓在1 600 Pa時(shí)，種子所受曳力先增后減，然后再增加至一定曳力值趨于穩(wěn)定，與另外3種曳力曲線變化趨勢不符，分析仿真過程得知，起初種子受到曳力和重力，種子靠近吸孔時(shí)又同時(shí)下落，種子姿態(tài)發(fā)生變化，種子吸附姿態(tài)不同，種子被有效吸附所受到的曳力也不同[1]，此時(shí)種子姿態(tài)改變足以被吸孔吸附。

圖12 1 600～1 900 Pa種子所受曳力Fig.12 1 600-1 900 Pa trailing force on seeds

為確保仿真精度和可行性，控制吸種墊吸孔直徑5mm，種盤轉(zhuǎn)速0，改變氣吸式負(fù)壓進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)。通過試驗(yàn)得知，氣吸室負(fù)壓在1 800 Pa時(shí)，種子能夠被吸附在吸孔，而在1 700 Pa時(shí)種子未能被吸附，分析其原因是：仿真處于理想狀態(tài)，而實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)中，排種器與風(fēng)機(jī)之間存在管路壓力損失問題，造成吸附壓強(qiáng)進(jìn)一步提升。試驗(yàn)與仿真結(jié)果一致，仿真結(jié)果可靠。

根據(jù)上述試驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行單因素試驗(yàn)，設(shè)定氣吸式排種器工作參數(shù)為吸種墊吸孔直徑5 mm，種盤轉(zhuǎn)速20 r·min-1，考慮到種子實(shí)際吸附過程中，需克服種群阻力，故將氣吸式負(fù)壓最小壓強(qiáng)提升至2 000Pa，設(shè)定5個(gè)水平，分別為2 000、2 610、3 500、4 390、5 000 Pa。各性能評價(jià)指標(biāo)與氣吸室負(fù)壓關(guān)系曲線如圖13所示。

如圖13所示，由于氣吸室負(fù)壓增加，合格指數(shù)先升后降，重播指數(shù)持續(xù)上升，漏播指數(shù)持續(xù)下降為0，峰值在2 610 Pa處，此時(shí)合格指數(shù)為91.78%，重播指數(shù)為5.39%，漏播指數(shù)為2.83%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣吸室負(fù)壓較低時(shí)，吸孔產(chǎn)生的曳力較小，漏吸概率增大，導(dǎo)致漏播指數(shù)較高，合格指數(shù)較低；隨著氣吸室負(fù)壓增大，吸孔產(chǎn)生的曳力提高，達(dá)到相對適宜的充種狀態(tài)，漏吸概率降低，漏播指數(shù)下降，合格指數(shù)上升；當(dāng)氣吸室負(fù)壓過大時(shí)，吸孔產(chǎn)生的曳力過大，一孔多吸的概率增加，導(dǎo)致重播指數(shù)上升，合格指數(shù)下降。因此在這種條件下，氣吸室負(fù)壓為2 610 Pa時(shí)，排種性能最佳。

圖13 氣吸室負(fù)壓對排種器排種性能的影響Fig.13 Effects of negative pressure in the air suction chamber on the operational performance of the seed dispenser

3.3 種盤轉(zhuǎn)速

設(shè)定氣吸式排種器工作參數(shù)為吸種墊吸孔直徑5 mm、氣吸室負(fù)壓3 500 Pa，以播種機(jī)一般作業(yè)速度將排種器種盤轉(zhuǎn)速劃定為5個(gè)轉(zhuǎn)速，分別為10、14.05、20、25.95、30 r·min-1。各性能評價(jià)指標(biāo)與種盤轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線如圖14所示。

圖14 種盤轉(zhuǎn)速對排種器排種性能的影響Fig.14 Effects of rotating speed of seed plate on working performance of seed Metering device

如圖14所示，由于種盤轉(zhuǎn)速增加，合格指數(shù)先升后降，重播指數(shù)持續(xù)下降，漏播指數(shù)先保持不變?yōu)?后持續(xù)上升，峰值在20 r·min-1處出現(xiàn)，此時(shí)合格指數(shù)為91.41%，重播指數(shù)為7.45%，漏播指數(shù)為1.14%。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)種盤轉(zhuǎn)速較低時(shí)，種子充種時(shí)間變長，一孔多吸概率增大，導(dǎo)致重播指數(shù)較高，合格指數(shù)較低；隨著種盤轉(zhuǎn)速增加，吸孔充種弧段時(shí)間較為適宜，排種器達(dá)到較優(yōu)的充種狀態(tài)，重播指數(shù)下降，合格指數(shù)上升。當(dāng)種盤轉(zhuǎn)速過大時(shí)，排種器充種弧段時(shí)間變短，種子不可有效吸附，導(dǎo)致漏播指數(shù)上升，合格指數(shù)下降。因此在這種條件下，種盤轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí)，排種性能最佳。

4 響應(yīng)曲面法試驗(yàn)方案

4.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)前期單因素仿真結(jié)果與分析，本研究選擇試驗(yàn)次數(shù)少，計(jì)算方便，可避免回歸系數(shù)間相關(guān)性的二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法[28]。以吸種墊吸孔直徑X1、氣吸室負(fù)壓X2、種盤轉(zhuǎn)速X3為自變量，合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3為響應(yīng)值，開展三因素五水平的二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)多因素優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)因素與水平如表2所示，分別進(jìn)行23組響應(yīng)面分析試驗(yàn)，響應(yīng)面分析結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Table 2 Test factor and level

4.2 結(jié)果與分析

根據(jù)表3結(jié)果，對合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2和漏播指數(shù)Y3采用回歸方程方差分析法進(jìn)一步分析，結(jié)果如表4所示。分別得到Y(jié)1、Y2和Y3回歸方程為：

表3 響應(yīng)面分析結(jié)果Table 3 Response surface analysis results

表4 回歸方程方差分析Table 4 Analysis of variance of regression equation

由回歸方程方差分析可知，合格指數(shù)回歸模型P＜0.01，表明極顯著，種盤轉(zhuǎn)速X3、吸種墊吸孔直徑和種盤轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)X1X3、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)X2X3以及種盤轉(zhuǎn)速二次方項(xiàng)X32的P值均大于0.1，影響不顯著，其余各項(xiàng)均顯著或極顯著，失擬項(xiàng)P=0.2862，不顯著，說明不存在其他因素對合格指數(shù)產(chǎn)生影響，剔除不顯著因素，對合格指數(shù)回歸方程重新擬合得：

通過對式（9）回歸系數(shù)檢驗(yàn)得出，各因素對合格指數(shù)影響主次順序?yàn)閄1、X2、X3，即氣吸室負(fù)壓、吸種墊吸孔直徑、種盤轉(zhuǎn)速。

由回歸方程方差分析可知，重播指數(shù)回歸模型P＜0.01，表明影響極顯著，吸種墊吸孔直徑和氣吸室負(fù)壓的交互項(xiàng)X1X2、吸種墊吸孔直徑和種盤轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)X1X3、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)X2X3以及種盤轉(zhuǎn)速二次方項(xiàng)X32的P值均大于0.1，影響不顯著，其余各項(xiàng)均顯著或極顯著，失擬項(xiàng)P=0.3288，不顯著，說明不存在其他因素對合格指數(shù)產(chǎn)生影響，剔除不顯著因素，對重播指數(shù)回歸方程重新擬合得：

通過對式（10）回歸系數(shù)檢驗(yàn)得出，各因素對重播指數(shù)影響主次順序?yàn)閄1、X2、X3，即吸種墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓、種盤轉(zhuǎn)速。

由漏播指數(shù)回歸方程方差分析可知，漏播指數(shù)回歸模型P＜0.05，表明顯著，吸種墊吸孔直徑和氣吸室負(fù)壓交互項(xiàng)X1X2、吸種墊吸孔直徑和種盤轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)X1X3、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速交互項(xiàng)X2X3、吸種墊吸孔直徑二次方項(xiàng)X12、氣吸室負(fù)壓二次方項(xiàng)X22以及種盤轉(zhuǎn)速二次方項(xiàng)X32的P值均大于0.1，影響不顯著，其余各項(xiàng)均顯著或極顯著，失擬項(xiàng)P＜0.0001，顯著，說明存在其他因素對漏播指數(shù)產(chǎn)生影響，需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。剔除不顯著因素，對漏播指數(shù)回歸方程重新擬合得：

通過對式（11）回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，各因素對漏播指數(shù)的影響主次順序?yàn)閄1、X2、X3，即吸種墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速。

4.3 各因素對合格指數(shù)的影響

根據(jù)試驗(yàn)所得各響應(yīng)值二次回歸模型，借助Design-Expert 8.0.6軟件，分別作出吸種墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速對合格指數(shù)的響應(yīng)曲面圖，響應(yīng)曲面如圖15所示。分別固定吸種墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速因素為零水平，根據(jù)相應(yīng)曲面圖，分析其余2個(gè)因素間相互作用對合格指數(shù)的影響。

由圖15a可知，當(dāng)種盤轉(zhuǎn)速為20 r·min-1時(shí)，隨著吸種墊吸孔直徑增加，合格指數(shù)先升后降，隨著氣吸室負(fù)壓增加，合格指數(shù)先升后降。在氣吸室負(fù)壓2～5 kpa，吸種墊吸孔直徑4～6 mm時(shí)，合格指數(shù)有最大值。

由圖15b可知，當(dāng)氣吸室負(fù)壓為3.5 kPa時(shí)，隨著吸種墊吸孔直徑增加，合格指數(shù)先升后降，隨著種盤轉(zhuǎn)速增加，合格指數(shù)先升后降。在種盤轉(zhuǎn)速10～30 r·min-1，吸種墊吸孔直徑4～6 mm時(shí)，合格指數(shù)有最大值。

由圖15c可知，為吸種墊吸孔直徑為5 mm時(shí)，隨著氣吸室負(fù)壓增加，合格指數(shù)先升后降，隨著種盤轉(zhuǎn)速增加，合格指數(shù)先升后降。在種盤轉(zhuǎn)速10～30 r·min-1，氣吸室負(fù)壓2～5 kPa時(shí)，合格指數(shù)有最大值。

圖15 因素交互作用對合格指數(shù)的影響Fig.15 Effect of factor interactions on qualifying indices

4.4 工作參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述結(jié)果可知，各因素以及交互作用對氣吸式排種器排種性能影響較大，為獲得最佳排種性能參數(shù)，優(yōu)化吸種墊吸孔直徑、氣吸式負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)因素間參數(shù)合理匹配為提高合格指數(shù)關(guān)鍵[1]。

為獲得最佳工作參數(shù)，以合格指數(shù)為最終優(yōu)化目標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)因素邊界條件，結(jié)合GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》要求，建立回歸數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為：

Fmax為最終優(yōu)化目標(biāo)，即合格指數(shù)，應(yīng)用Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化模塊，對約束條件優(yōu)化求解，得到吸種墊吸孔直徑為4.80 mm，氣吸室負(fù)壓為3.14 kPa，種盤轉(zhuǎn)速為16.29 r·min-1時(shí)，排種合格指數(shù)為92.32%，重播指數(shù)為6.35%，漏播指數(shù)為1.33%。

為驗(yàn)證回歸模型和優(yōu)化結(jié)果可靠性，采用上述最優(yōu)參數(shù)組合重復(fù)臺(tái)架試驗(yàn)5次，取平均值為試驗(yàn)驗(yàn)證值，合格指數(shù)為92.93%，重播指數(shù)為6.03%，漏播指數(shù)為1.04%。可見在最佳參數(shù)下，實(shí)際結(jié)果與理論優(yōu)化結(jié)果近似，優(yōu)化結(jié)果可靠，試驗(yàn)結(jié)果滿足玉米精密播種要求。

5 結(jié)論

a.響應(yīng)曲面法試驗(yàn)結(jié)果表明，3個(gè)因素對合格指數(shù)影響主次順序?yàn)闅馕邑?fù)壓、吸種墊吸孔直徑和種盤轉(zhuǎn)速，對重播指數(shù)和漏播指數(shù)影響主次順序?yàn)槲N墊吸孔直徑、氣吸室負(fù)壓和種盤轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)最優(yōu)工作參數(shù)：吸種墊吸孔直徑4.80 mm，氣吸室負(fù)壓3.14 kPa，種盤轉(zhuǎn)速16.29 r·min-1。

b.試驗(yàn)表明，當(dāng)吸種墊吸孔直徑為4.80 mm，氣吸室負(fù)壓為3.14 kPa，種盤轉(zhuǎn)速16.29 r·min-1時(shí)，合格指數(shù)為92.93%，重播指數(shù)為6.03%，漏播指數(shù)為1.04%，試驗(yàn)結(jié)果滿足玉米精密播種要求。