氣吸式密植精量排種器的設計與試驗

韓丹丹，何彬，周毅，楊文鈺，徐友，張黎驊

1.四川農業(yè)大學機電學院，雅安 625014； 2.四川省作物帶狀復合種植工程技術研究中心，成都 611130

大豆玉米帶狀復合種植技術是穩(wěn)玉米、擴大豆的有效途徑。為滿足大豆-玉米帶狀復合種植模式下均勻密植的播種要求，如玉米株距為9～14 cm，大豆株距為8～10 cm，需研發(fā)與之相適應的精量排種器［1］。氣力式排種器對種子適應性強、損傷小、適用于高速作業(yè)且作業(yè)精度較高，應用廣泛［2-3］。

張開興等［4］設計一種變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器，無需更換排種盤便可實現不同粒徑種子的精量播種，當型孔為60°錐角的倒角型、轉速為34.5 r/min、負壓大小為4.1 kPa時，合格率為90.46%。丁力等［5］設計一種具有輔助充種作用種盤的氣吸式玉米高速精量排種器，該排種器在充種區(qū)利用型孔凸臺擾動種群和托持種子，起到輔助充種作用，當作業(yè)速度為8～14 km/h時，風壓負壓大小為3.21～3.71 kPa時，合格指數能達到91.3%以上。史嵩等［6］采用主動驅導種群、減少局部種間接觸的方法，提高排種器高速作業(yè)條件下的充種率，并設計一種驅導輔助充種氣吸式精量排種器，當作業(yè)速度為9～11 km/h時，粒距合格指數為95.48%。顏丙新等［7］基于機械擾種和重力輔助充種原理，設計一種排種盤和負壓腔室同步旋轉的氣吸式排種器，排種盤和密封墊之間不產生相對運動，達到無摩擦、低氣壓損失、高排種精度的效果，當作業(yè)速度為10 km/h以下、工作負壓大小為3.5～5.5 kPa時，粒距合格指數均能達到91.6%。李寶權［8］基于流動吸附與碰撞清種原理設計一種流動吸附式大豆集排精量排種器，當型孔直徑為3.9 mm、作業(yè)速度為12.6 km/h、氣壓為3.9 kPa時，合格指數為95.3%。初金星等［9］設計一種雙腔、雙盤、雙種帶氣吸式排種器，當排種盤轉速為15～21 r/min、真空度為4.0～5.0 kPa時，合格指數能達到90%以上。

目前，大豆、玉米精量排種器應用較多的是氣吸式排種器，上述排種器多用于玉米、大豆凈作情況下的大株距排種。針對大豆玉米帶狀復合種植技術的農藝要求，本研究設計一種結構簡單，適應性強、排種效果好、能同時播種大豆和玉米且適宜密植的氣吸式精量排種器，通過臺架試驗進行驗證，從而探尋排種器關鍵結構參數和工作參數對排種性能的影響，為提高排種器在小株距密植條件下的播種單粒性和均勻性提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 排種器的整體結構與工作原理

本研究所設計的氣吸式排種器主要由前殼、擋種板、內外清種刀、排種盤、負壓腔、后殼等部件構成，排種器結構示意圖如圖1所示。排種器工作過程分為充種、清種、攜種、排種4個過程，如圖2所示。排種器工作時，排種盤逆時針轉動，排種盤上的凸臺可以擾動種群提高充種效果，位于充種區(qū)Ⅰ的種群在相互間擠壓力、擾種凸臺和負壓腔壓力的綜合作用下被吸附在型孔上。通過調節(jié)外清種刀的伸出長度和內清種刀的上下位置，可調節(jié)其與型孔的相對位置，在內外清種刀的雙重作用下清除多余種子，并調整型孔處單粒種子的位置使其更好地被吸附在型孔上。種子到達落種區(qū)Ⅳ時，擋種板隔絕負壓氣流，種子在自身重力作用下經導種管落入種溝。

圖1 氣吸式排種器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of air-suction seed metering device

圖2 氣吸式排種器工作過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of working process of air-suction seed metering device

1.2 排種器的關鍵部件結構設計

本研究所設計的氣吸式排種器通過更換排種盤可實現玉米大豆兼用，重點對影響排種質量的排種盤直徑、型孔結構、擾種凸臺等進行設計。其中，排種盤結構參數主要針對適宜大豆玉米帶狀復合種植技術的耐蔭抗倒高產大豆品種中黃39和株型緊湊、株高適中、適宜密植的玉米品種鄭單958進行參數設計［10］。

1）排種盤直徑。直徑是排種盤基本結構參數，直接關系到排種器整體尺寸［11-12］。目前，氣吸式排種器排種盤直徑多設計為140～260 mm，型孔圓心所在基圓需距離排種盤邊緣15～20 mm［13-14］。直徑越大，可設計的型孔數越多，型孔處線速度越低、排種性能越高，但直徑過大會增加排種器體積和研發(fā)成本。直徑過小，則無法設計更多的型孔，不能滿足均勻密植的播種需求［15］。本研究設計的排種盤直徑D1=220 mm，型孔圓心所在基圓直徑D2=190 mm，排種盤結構如圖3所示。

圖3 排種盤結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the seeding tray

2）型孔數量和直徑。型孔數量決定排種器在相應播種機作業(yè)速度下的轉速［16］。播種機作業(yè)速度與型孔所在圓周線速度的關系為：

式（1）中：vf為播種機作業(yè)速度，m/s；np為排種盤轉速，r/min；z為型孔數；k為理論株距，m；vh為排種盤型孔處線速度，m/s；rh為型孔圓心所在基圓半徑，mm。

由式（1）整理可得：

由式（2）可知，當播種機作業(yè)速度vf、型孔處線速度vh和理論株距k一定時，型孔圓心所在基圓半徑rh越大，型孔數z越多。

根據大豆玉米帶狀復合種植技術農藝要求，設置玉米理論株距為k1=10 cm，大豆理論株距為k2=9 cm［17］；型孔圓心所在基圓半徑rh=95 mm。為保證小株距條件下的播種質量，播種機作業(yè)速度不宜過高，設播種機最大作業(yè)速度為8 km/h，即vf≤2.22 m/s，此外，型孔處線速度vh≤0.35 m/s［18］。通過計算可知，玉米排種盤型孔數Z1≥37.87，大豆排種盤型孔數Z2≥39.87。

對于氣吸式排種器，玉米型孔直徑一般為4.0～5.5 mm，大豆型孔直徑一般為3.5～4.5 mm［19］。本研究設計玉米型孔直徑為4.5 mm，大豆型孔直徑為3.5 mm。

3）排種盤擾種結構設計。為提高種群在排種器內的流動性和充種性能，在排種盤上設置擾種機構，如圖4所示。

圖4 擾種凸臺結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of disturbing boss structure

該擾種機構由底板和擾種凸臺構成，底板高度h1=1 mm，寬度l1=8 mm，用于排種盤與擾種凸臺的連接；擾種凸臺高度h2=4 mm，寬度l2=5.5 mm，用于擾動種群，提高種子在充種區(qū)內的流動性。擾種凸臺共13個，均勻分布在D3=160 mm的基圓上，用于提高充種區(qū)種群的流動性能。

4）清種刀設計。清種刀是提高排種器單粒精量播種的重要部件，結合氣吸式排種器結構特點，確定內清種刀為L型，外清種刀為光滑曲線刮板型。外清種刀對型孔處的多余種子進行初步清除，并將種子向型孔下方推動。內清種刀對多余種子進一步清除，以保證排種器的單粒性，如圖5所示。

圖5 內外清種刀整體安裝示意圖Fig.5 Schematic diagram of the overall installation of internal and external seed cleaning knives

外清種刀工作面為光滑曲線，當清種刀靠近種子時，對型孔上的多余種子逐漸增大推力從而刮掉多余種子。光滑曲線由一段直線和一段弧線相切組合而成，弧線段可逐步加大對多余種子的推力，預先清理型孔處吸附不穩(wěn)定的多余種子且不傷種，圓弧半徑r=220 mm，圓心角n為14°；連接線l4長度為5 mm，直線段l3長度為12.5 mm，用于清除吸附較穩(wěn)定的多余種子；直線段l4用于連接弧線與直線段l3。內清種刀設計為直線型，直線段l5長度為32 mm，目的是進一步清除型孔處多余種子，且調整型孔上種子的吸附姿態(tài)，如圖6所示。

圖6 內外清種刀結構示意圖Fig.6 Schematic diagram of the structure of internal and external seed cleaning knives

通過調節(jié)內清種刀在槽孔內的安裝位置改變其與型孔中心的上下距離；通過調節(jié)外清種刀的伸出長度改變其與型孔中心的左右距離。前期已完成鄭單958玉米品種和中黃39大豆品種的三軸尺寸測量，結果如表1所示。由于玉米種子最大平均長度為11.15 mm，種子被吸附于型孔上時未必剛好處于型孔中心，因此外清種距離應大于種子最大長度的一半；而內清種距離是清除殘余種子，清種距離無需過大。因此，針對種子形狀尺寸，本研究所設計的外清種刀調節(jié)范圍為0～8 mm、內清種刀調節(jié)范圍為0～2.4 mm（與型孔中心線重合為零，向外為正），通過調節(jié)內外清種刀在定位槽內的安裝位置，改變清種刀與型孔的相對距離，達到微小尺寸的調節(jié)，實現清種效果的變化。

表1 大豆和玉米種子的三軸尺寸Table 1 Triaxial dimensions of soybean and maize

1.3 排種器工作過程種子受力分析

1）充種過程。為保證排種器能夠正常充種，在充種區(qū)內，種群應位于擾種凸臺上方，提高種群在充種區(qū)內的流動性和充種效果。以玉米種子為例，當種子被吸附在型孔上時，種子在充種狀態(tài)下的受力情況如圖7所示。

圖7 種子在充種區(qū)的受力分析Fig.7 Force analysis of seeds in filling area

此時，種子的受力情況如下：

其中，Fp=PS。

式（3）中：FJ為種子離心力，FJ=mRhω2，N；fx為種子與排種盤之間在X方向的摩擦力，N；fy為種子與排種盤之間在Y方向的摩擦力，N；G為種子重力，N；Fp為種子受到的吸附力，N；Tz為排種盤在Z軸方向對種子的支持力，N；M為FJ、fx、fy、G的合力，N；θ為離心力FJ與排種盤之間的夾角，（°）；β為種子重力與X軸方向夾角，（°）；m為種子質量，kg；ω為排種盤角速度，rad/s；P為型孔處壓力，Pa；S為型孔面積，mm2。

2）清種過程。在清種區(qū)內，型孔處被吸附的多余種子在內外清種刀作用下回落到充種區(qū)，此時應保證多余種子所受到的吸附力小于重力。為此，對種子在型孔上的滑落情況進行受力分析，如圖8所示。

圖8 種子在清種區(qū)的受力分析Fig.8 Force analysis of seeds in clearing area

多余種子脫離型孔后不再受吸附力的作用，在回落過程中，種子的受力情況如下。

種子順利掉回充種區(qū)的條件為：

式（4）中，Fp=0；Fk為種子受到的空氣阻力，N；α為空氣阻力與Z平面的夾角，（°）。

1.4 臺架試驗

1）試驗材料及設備。試驗材料為鄭單958玉米品種和中黃39大豆品種。臺架試驗所用儀器為PZQCSY-2排種器性能檢測儀（圖9）。

圖9 排種器性能檢測儀Fig.9 Seed meter performance tester

2）評價指標。根據大豆玉米帶狀復合種植技術農藝要求，設置玉米理論株距為10 cm、大豆理論株距為9 cm。以合格指數、重播指數、漏播指數為評價指標，根據GB/T 6973—2005《單粒（精播）播種機試驗方法》進行數據統(tǒng)計，每組試驗采集251粒種子，重復3次取平均值作為試驗結果。各項性能指標計算方式如下。

式（6）中，Q為 合 格 指 數，%；M為 重 播 指數，%；L為漏播指數，%；n1為重播數；n2為漏播數；N'為1次試驗連續(xù)記錄的總株距數，N'=250。

2 結果與分析

2.1 正交試驗

前文分析得出玉米排種盤型孔數Z1≥37.87，大豆排種盤型孔數Z2≥39.87，由于氣吸式排種器播種玉米時常用型孔數有26［20］、27個［21-22］等。因此，為分析不同型孔數和內外清種刀與型孔中心間距等關鍵結構參數對排種性能的影響，在前期預試驗基礎上，以型孔數、外清種間距、內清種間距為試驗因素，以合格指數、重播指數、漏播指數為評價指標，設計3因素5水平正交試驗，選擇正交表L25（56），因素水平見表2，試驗方案與結果見表3。為保證排種質量及多型孔排種盤對風壓的需求，經前期預試驗確定正交試驗在工作壓力為6.5 kPa、作業(yè)速度為5 km/h條件下進行。

表2 正交試驗因素水平表Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

表3 正交試驗結果Table 3 Results of orthogonal experiment

由正交試驗結果極差分析（表4）可知，影響玉米合格指數的主次因素為A>B>C，最優(yōu)組合為A3B4C4；影響玉米重播指數的主次因素為B>A>C，最優(yōu)組合為B2A3C1；影響玉米漏播指數的主次因素為A>B>C，最優(yōu)組合為A3B4C3。由正交試驗結果方差分析（表5）可知，因素A對玉米合格指數和漏播指數影響極其顯著，對重播指數影響顯著；因素B對玉米合格指數和漏播指數的影響均極其顯著，對重播指數影響顯著；因素C僅對玉米漏播指數影響顯著。在實際播種過程中，排種器應在保證合格指數的情況下盡量降低漏播指數，因此，對玉米排種而言，因素A的最佳水平為A3，即型孔數為36個；因素B的最佳水平為B4，即外清種間距為6 mm；因素C的最佳水平為C3，即內清種間距為1.2 mm，此時合格指數最大、漏播指數最小。

表4 正交試驗結果極差分析表Table 4 Range analysis of orthogonal experiment results

影響大豆合格指數的主次因素為A>B>C，最優(yōu)組合為A3B4C4；影響大豆重播指數的主次因素為A>B>C，最優(yōu)組合為A4B1C5；影響大豆漏播指數的主次因素為B>A>C，最優(yōu)組合為B4A3C4。由方差分析（表5）可知，因素A對大豆合格指數和重播指數的影響均極其顯著，對漏播指數的影響顯著；因素B對大豆合格指數和漏播指數的影響均極其顯著，對重播指數的影響不顯著；因素C對僅大豆漏播指數影響顯著。因此，對大豆排種而言，因素A的最佳水平為A3，即型孔數為64個；因素B的最佳水平為B4，即外清種間距為4.5 mm；因素C的最佳水平為C4，即內清種間距為1.5 mm，此時合格指數最大、漏播指數最小。

表5 正交試驗結果統(tǒng)計分析P值Table 5 Statistical analysis of orthogonal test results P value

2.2 中心組合試驗

在正交試驗結果基礎上，為進一步確定排種器播種玉米、大豆時的最佳型孔數和內外清種間距，采用中心組合試驗設計（central composite design，CCD），以合格指數、重播指數和漏播指數為響應指標，根據正交試驗結果確定中心組合試驗各因素的中心點，試驗因素水平編碼如表6所示。由于型孔數只能為整數，故將玉米、大豆型孔數在?1水平時，經四舍五入分別取為32、59，在+1水平時，分別取為40、69。試驗方案及結果如表7所示。利用軟件De?sign Expert 11進行數據處理和統(tǒng)計分析。

表6 中心組合試驗因素水平編碼表Table 6 Test factors and levels of CCD

表7 中心組合試驗設計方案及結果Table 7 Scheme and results of central composite design

運用Design-Expert 11軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，建立合格指數Q、重播指數M和漏播指數L與型孔數X1、外清種距離X2和內清種距離X3之間的回歸方程，并對試驗結果和回歸方程進行方差分析，如表8所示。

表8 中心組合試驗結果統(tǒng)計分析P值Table 8 Statistical analysis of CCD test results P value

對表7所示的試驗結果進行回歸擬合分析，分別得到玉米大豆合格指數、重播指數、漏播指數與試驗因素之間的三元二次回歸方程：

式（7）～（8）中，Q1為玉米合格指數，M1為玉米重播指數，L1為玉米漏播指數；Q2為大豆合格指數，M2為大豆重播指數，L2為大豆漏播指數。由表8中心組合試驗統(tǒng)計結果P值分析可知，回歸方程（7）和（8）模型的檢驗P值均為顯著或極其顯著，說明試驗方案設計合理；失擬項的P值均大于0.05，即不顯著，說明回歸方程與實際情況擬合較好，因此，可用于試驗預測和分析。

對于玉米合格指數Q1，型孔數X1及X22的影響極其顯著，外清種間距X2、X2X3及X32的影響顯著，其他因素影響不顯著。對于玉米重播指數M1，內清種間距X3的影響極其顯著，型孔數X1與外清種間距X2的影響顯著，其他因素影響不顯著。對于玉米漏播指數L1，型孔數X1、外清種間距X2及X22的影響極其顯著，內清種間距X3、X2X3及X32的影響顯著，其他因素影響不顯著。

對于大豆合格指數Q2，型孔數X1的影響極其顯著，外清種間距X2、內清種間距X3及X22、X32的影響顯著，其他因素的影響不顯著。對于大豆重播指數M2，外清種間距X2、內清種間距X3及X22、X32的影響極其顯著，其他因素的影響不顯著。對于大豆漏播指數L2，型孔數X1、內清種間距X3的影響極其顯著，外清種間距X2及X22、X32的影響顯著，其他因素的影響不顯著。

由于存在某些因素的二次項對評價指標的影響不顯著，去除不顯著的二次項后，得到新的回歸方程如式（9）～（10）。優(yōu)化后擬合模型擬失項的P值均比優(yōu)化前高，說明擬合模型的可靠性增強、擬合度提高，優(yōu)化后的回歸方程在各項指標上均優(yōu)于之前，具有更好的擬合度和可靠性。

2.3 參數優(yōu)化與驗證試驗

為獲得排種器對玉米、大豆排種的最優(yōu)參數組合，分別以合格指數Q、重播指數M、漏播指數L為綜合評價指標，建立玉米、大豆的參數優(yōu)化數學模型，其目標函數和約束條件分別為：

采用線性規(guī)劃數學模型對目標函數進行優(yōu)化求解，應用Design-Expert 11軟件 的Optimization優(yōu)化模塊，分別得到播種玉米和大豆時的最優(yōu)參數組合（表9）?；谧顑?yōu)參數組合開展驗證試驗，結果如表10所示。

表9 最優(yōu)參數組合及預測結果Table 9 Optimal working parameters and prediction results

表10 排種驗證性試驗結果Table 10 Validation experiment results %

3 討論

本研究設計了一種具有雙重清種作用的氣吸式玉米、大豆兼用的精量排種器，針對小株距密植的精量排種需求，對排種盤型孔數、外清種距離和內清種距離進行設計和試驗。

通過正交試驗分析了排種盤型孔數、外清種距離和內清種距離對排種性能的影響及主次順序，初步確定了較優(yōu)工作參數組合，對玉米排種而言：型孔為36個，外清種距離為6 mm，內清種距離為1.2 mm；對大豆排種而言：型孔為64個、外清種距離為4.5 mm、內清種距離為1.5 mm。

為進一步優(yōu)化排種性能，在正交試驗結果基礎上，采用中心組合試驗設計對試驗因素進行設計和優(yōu)化，并預測出最優(yōu)參數組合，預測結果表明：對玉米排種而言，當最佳型孔數為35個、外清種距離為6.2 mm、內清種距離為1.6 mm時，合格指數為95.45%，重播指數為1.30%，漏播指數為3.25%；對大豆排種而言，當最佳型孔數為62個、外清種距離為4.1 mm，內清種距離為1.6 mm時，合格指數為97.16%，重播指數為0.05%，漏播指數為2.79%。

最終對預測的結果進行試驗驗證，得到玉米排種合格指數為95.40%，重播指數為1.50%，漏播指數為3.10%；大豆播種合格指數為97.78%，重播指數為0.32%，漏播指數為1.90%。表明預測的最優(yōu)工作參數組合與試驗結果基本吻合，排種性能指標滿足播種要求。

本研究可滿足大豆玉米密植精量播種的農藝要求，但因玉米種子形狀不規(guī)則，其排種質量相對于大豆有待于進一步改善。因此，將進一步開展排種器擾種結構的研究，以進一步增強玉米在排種器內的充種性能。