一器三行小青菜精量排種器設(shè)計與優(yōu)化

摘要：為改善我國傳統(tǒng)的單行和雙行播種模式所面臨的播種效率低下的問題，以“上海矮箕”小青菜種子為研究對象，設(shè)計一種新型的一器三行精量排種器，并對排種器的工作原理進(jìn)行分析。通過相關(guān)數(shù)學(xué)理論計算出所設(shè)計排種器關(guān)鍵部件的相關(guān)參數(shù)。利用FLUENT軟件對排種器內(nèi)部氣流場進(jìn)行分析，確定最佳的吸孔數(shù)目。將負(fù)壓、排種盤角速度以及吸孔錐角作為試驗因素，以排種器進(jìn)行排種時的合格率以及漏播率作為性能指標(biāo)，開展CCD二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗。當(dāng)負(fù)壓為-2.16 kPa，排種盤角速度為29.43 r/min，吸孔錐角為61.51°時，內(nèi)圈合格率為95.12%，漏播率為3.67%，中圈合格率為94.68%，漏播率為3.12%，外圈合格率為94.24%，漏播率為2.58%。進(jìn)行臺架試驗和田間試驗驗證所得最佳組合參數(shù)的合理性。

關(guān)鍵詞：小青菜；一器三行精量排種器；氣流場；臺架試驗；田間試驗

中圖分類號：S223.2+3" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0039?09

Design and optimization of a three?row precision seed?metering device for Bok Choy

Feng Dinghao1， 2， Sun Xinping1， 2， Qi Xindan1， Li Hua2， 3， Zhang Xiaoyu4， Wang Yongjian2， 3

（1. College of Mechanical and Power Engineering， Nanjing Tech University， Nanjing， 211816， China;

2. Key Laboratory of Intelligent Agricultural Equipment in Jiangsu Province， Nanjing Agricultural University，

Nanjing， 210031， China; 3. College of Engineering， Nanjing Agricultural University， Nanjing， 210031， China;

4. Xuzhou Institute of Transportation Planning and Design， Xuzhou， 221000， China）

Abstract： In order to improve the low sowing efficiency of the traditional single?row and double?row sowing patterns in China， this paper designed a novel three?row precision seed?metering device with the “Shanghai Aiji” Bok Choy seeds as the research object， and analyzed the working principle of the seed?metering device. The relevant parameters of the key components of the designed seed?metering device were calculated using relevant mathematical theory. The internal airflow field of the seed?metering device was analyzed using FLUENT software and the optimum number of suction holes was determined. The negative pressure， the angular speed of the seeding plate and the cone angle of the suction hole were used as experiment factors， and the performance indicators of the seed?metering device were the qualified rate and missed seeding rate when seeding. When the negative pressure was -2.16 kPa， the angular speed of the seeding plate was 29.43 r/min and the cone angle of the suction hole was 61.51°， the qualified rate of the inner ring was 95.12% and the missed seeding rate was 3.67%， the qualified rate of the middle ring was 94.68% and the missed seeding rate was 3.12%， and the qualified rate of the outer ring was 94.24% and the missed seeding rate was 2.58%. Finally， bench and field experiments were conducted to verify the reasonableness of the best combination of parameters obtained.

Keywords： Bok Choy; three?row precision seed?metering device; airflow field; bench experiments; field experiments

0 引言

小青菜（Bok Choy），也被稱為中國白菜，具有易于種植、高營養(yǎng)、味道優(yōu)美、抗病性較強(qiáng)以及高產(chǎn)量等優(yōu)點，已成為亞洲流行的低廉蔬菜。小青菜種子屬于小粒徑種子，其平均直徑一般為1.67 mm，平均生長周期在80天左右，生長周期較短，種植方式主要采取傳統(tǒng)人工撒播，無法形成機(jī)械化作業(yè)。我國蔬菜種植面積廣、產(chǎn)量高，但整體機(jī)械化水平僅為種植糧食作物的20%[1]。

機(jī)械化精量播種根據(jù)小青菜種子的農(nóng)藝要求能夠保證其在土壤里的深度和合理的株距及行距，提高小青菜的單產(chǎn)量，降低了勞動力使用度和生產(chǎn)成本。目前的排種設(shè)備根據(jù)工作原理大致分為機(jī)械式和氣動式兩種。前者包括指夾式、槽輪式、窩眼輪式等，后者有氣吸式、氣吹式、氣壓式三種，它們各自具有不同的特點，可以滿足不同的應(yīng)用播種需求[2]。歐美地區(qū)的發(fā)達(dá)國家從20世紀(jì)中期以來，一直致力于播種機(jī)的研究[3]。Mohammed[4]建立氣力排種器模型，分析了轉(zhuǎn)速與負(fù)壓對播種機(jī)播種效果的交互作用，運(yùn)用田間試驗驗證此排種器性能完全滿足播種需求。Anantachar等[5]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對盤式排種器關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行觀測，結(jié)果顯示，此模型相對統(tǒng)計模型能夠更好地對排種器性能進(jìn)行參數(shù)預(yù)設(shè)。Singh等[6]設(shè)計了一種棉花排種器，通過優(yōu)化排種盤的運(yùn)行速度、真空壓力和吸孔的入口形狀來實現(xiàn)間距的精確。

我國于20世紀(jì)70年代末陸續(xù)開始研究氣力式的播種機(jī)，大量學(xué)者對研發(fā)氣力式播種機(jī)提供了較大貢獻(xiàn)。李明等[7]以合格率、漏播率和重播率等作為評價指標(biāo)，對關(guān)鍵影響因素開展了單因素以及正交試驗，最后確定了播種機(jī)的最佳參數(shù)組合。陳學(xué)庚等[8]通過研究并設(shè)計帶式導(dǎo)種裝置，得出了帶式導(dǎo)種裝置相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定相關(guān)性能指標(biāo)，并對影響排種器性能參數(shù)的因素進(jìn)行探究，同時確定了最優(yōu)的工作組合參數(shù)。雷小龍等[9]以油菜和小麥為研究對象，研制了一款油麥氣送式集排器，同時對給機(jī)構(gòu)自身進(jìn)行理論研究，并基于CFD-DEM雙向耦合探究工作參數(shù)及關(guān)鍵因素對排種質(zhì)量的影響。張明華等[10]以蔬菜為研究對象，提出一種基于擾種條輔助充種的蔬菜氣吸輪式精量排種器，設(shè)計了一種帶有坡度的擾種條結(jié)構(gòu)。選取菜心、蘿卜和辣椒種子為試驗對象，利用臺架試驗獲得擾種條傾角和厚度的較優(yōu)值。李玉道等[11]以棉花種子為研究對象以離散元法為基礎(chǔ)，運(yùn)用EDEM軟件對氣吸式排種器的排種過程進(jìn)行仿真，并對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出最優(yōu)的播種方案來指導(dǎo)生產(chǎn)。李博竑[12]以小青菜種子為研究對象，設(shè)計出一款一器雙行氣吸排種器，并對其運(yùn)動過程進(jìn)行了仿真，分析了種子在運(yùn)動過程中的運(yùn)動情況。白明超[13]以胡蘿卜種子為研究對象，設(shè)計了一種氣嘴式氣吸排種器，并利用CFD-DEM耦合仿真研究了種子的運(yùn)動規(guī)律。

當(dāng)前播種“小粒徑種子”的排種器單體主要是一器一行，利用率和播種效率較低，為進(jìn)一步提高小青菜精量排種器的排種性能，本文基于小青菜種子的物理特性設(shè)計一種一器三行小青菜精量排種器，研究吸孔數(shù)目和結(jié)構(gòu)對流場的影響，探索最適合小青菜種子的吸孔參數(shù)。通過自行搭建的排種器試驗臺進(jìn)行試驗驗證參數(shù)范圍的合理性。

1 排種器總體結(jié)構(gòu)和工作原理

一器三行小青菜精量排種器主要由前殼、后殼、排種盤、導(dǎo)種管、種箱、上清種機(jī)構(gòu)、下清種機(jī)構(gòu)、種盤等組成，如圖1所示。排種器的運(yùn)行過程分為六個區(qū)：充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、投種區(qū)、正壓清堵區(qū)、空閑區(qū)。

排種盤是排種器的關(guān)鍵部件。外力傳遞給傳動軸，帶動排種盤逆時針方向旋轉(zhuǎn)，上清種器一端固定在前殼定位孔內(nèi)，另一端限位活動，清種力度通過調(diào)節(jié)滑塊和轉(zhuǎn)動件的角度來控制，相對較低的清種裝置固定在前殼的直槽內(nèi)。種子通過重力、離心力、氣流和種子攪拌輪的擾動從種群中分離出來。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的真空壓力將種子吸附在吸孔上，種子隨排種盤同步運(yùn)動至清種區(qū)，最后進(jìn)入導(dǎo)種管進(jìn)行三行窄距播種作業(yè)。

2 排種器關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

2.1 吸孔錐角的分析

小青菜種子的三軸尺寸很小，用游標(biāo)卡尺多次測量了三軸尺寸的范圍，參數(shù)如表1所示。根據(jù)式（1）計算出種子的平均等效直徑約為1.67 mm[14]，適用于窄行、窄距、密植模式。

[Ds=LWT3] （1）

式中： [Ds]——種子的平均等效直徑，mm；

L——種子的長度，mm；

W——種子的寬度，mm；

T——種子的厚度，mm。

[d=（0.64～0.66）W] （2）

式中： d——吸孔直徑，mm。

[d+2tanθ12≥Wmax] （3）

式中： [θ1]——吸孔錐角，（°）；

[Wmax]——最大種子寬度，mm。

根據(jù)預(yù)試驗可知，吸孔的最佳形狀為錐形孔，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)式（2）可得吸孔的直徑范圍為1.07～1.1 mm。較大的錐角需要較大的真空壓力，而這又容易造成漏種的問題。因此，根據(jù)式（3）可得吸孔錐角要大于34°。

2.2 吸孔數(shù)目范圍與排種盤直徑的確定

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊可知排種盤的直徑應(yīng)在80～240 mm之間，吸孔中心線速度[Vc]不大于0.35 m/s[15]。吸孔中心線速度與直徑之間的關(guān)系如式（4）所示。

[Vc=nπ30（D2-dc）] （4）

式中： [Vc]——吸孔中心繞排種盤的線速度，m/s;

D——排種盤直徑，mm；

[dc]——吸孔中心至排種盤邊緣的直線距離，m；

n——排種盤轉(zhuǎn)速，r/min。

[dc]大小參考文獻(xiàn)[12]可知為13～25 mm，因此排種盤轉(zhuǎn)速[n≤39.34] r/min。排種器的整體結(jié)構(gòu)尺寸受排種盤直徑大小以及吸孔結(jié)構(gòu)的影響，直徑的大小決定了內(nèi)、中和外圈吸孔所在圓的直徑、三圈吸孔的中心線速度以及吸孔數(shù)目。

[Z=60Vmnl] （5）

式中： Z——吸孔數(shù)目；

[Vm]——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s;

l——小青菜種子株距，mm。

本文研制的一器三行小青菜精密排種器為高速播種，因此配備的播種機(jī)前進(jìn)速度應(yīng)大于6 km/h且小于18 km/h。小青菜的株距要求為4～5 cm，由式（5）計算出排種盤上的吸孔數(shù)目范圍為50～150?？紤]到排種盤上相鄰吸孔之間的距離S不能過近，因此進(jìn)一步確定吸孔范圍為50～100，即兩個吸孔之間的角度為3.6°～7.2°，具體設(shè)定的吸孔數(shù)由2.5節(jié)流體仿真分析可確定。排種盤直徑與吸孔數(shù)與吸孔相鄰的距離相關(guān)，如式（6）所示。

[D=ZSπ+2dcSgt;d+2.5Lmax] （6）

式中： S——相鄰吸孔之間的距離，mm；

Lmax——小青菜種子的最大長度，mm。

根據(jù)式（6）計算出排種盤上相鄰吸孔之間的距離S應(yīng)大于6.3 mm，并且排種盤的直徑范圍應(yīng)為200～226 mm，故本研究將設(shè)計的一器三行排種盤直徑選定為220 mm。

2.3 三圈吸孔分布圓直徑的確定

內(nèi)、中和外圈吸孔間距直接影響排種器吸種、攜種過程的穩(wěn)定性，間距過大種群基本難以覆蓋內(nèi)圈和中圈吸孔，吸孔不易吸附種子，排種器播種性能較差；間距過小時相鄰種子容易發(fā)生碰撞，吸孔中吸附的種子容易脫落，排種器漏播率大[16]。內(nèi)、中和外圈吸孔間距如圖3所示。

通過對圖3各點位置分析，可得式（7）、式（8）。

[LB2C=R2sinθ2] （7）

[LA1C2+LB2C2=LA1B22LA1B2gt;2Ds+12dLA2B2gt;2.5Lmax+dLA1Cgt;R1-R2] （8）

式中： [θ]——相鄰吸孔之間的角度，即∠[A2OB2]，（°）;

R1——外圈吸孔分布圓半徑，mm；

R2——中圈吸孔分布圓半徑，mm；

R3——內(nèi)圈吸孔分布圓半徑，mm。

由上可知，相鄰吸孔之間的距離應(yīng)大于6.3 mm，相鄰吸孔角度為3.6°～7.2°，結(jié)合式（7）得出R2數(shù)值范圍為50～100 mm，考慮到要充分利用三排吸孔間的距離，最終確定中圈吸孔所在的分布圓直徑R2為92 mm。

為保證各圈型孔工作時互不干涉，中外圈型孔間距的理論值較實際值應(yīng)略大，上文中[LA1C]略大于中外圈型孔間距，且為了便于計算，本文以[LA1C]表示中外圈型孔間距。通過對式（8）進(jìn)行歸納總結(jié)得出中外圈相鄰吸孔間距[LA1C]。

[LA1C=（2Ds+12d）2-（R2sinθ2）2] （9）

將上述已知參數(shù)代入可以得到，中外圈型孔間距應(yīng)大于2.32 mm。結(jié)合預(yù)試驗確定三圈吸孔間距為5～7 mm，則外圈吸孔分布圓半徑R1為97 mm，內(nèi)圈分布圓半徑R3為85 mm。內(nèi)中圈吸孔間距較中外圈大一些，主要是因為內(nèi)圈吸孔不易吸附種子，間距大些可以增大內(nèi)中圈之間的種子流便于吸孔吸附種子。

2.4 導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)種管需要保證內(nèi)中外圈的種子從外圈掉落的種子進(jìn)入外部分種管，從中圈掉落的種子進(jìn)入中部分種管，從內(nèi)圈掉落的種子進(jìn)入內(nèi)部分種管，從而形成三行分流落種。導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.后部分種管 2.中部分種管 3.前部分種管

小青菜種子的農(nóng)藝要求行距為100～130 mm，本文設(shè)計的導(dǎo)種管每相鄰兩側(cè)之間的距離分別為100 mm來進(jìn)行窄行、窄距播種。由于種子極小，容易在導(dǎo)種管里發(fā)生阻塞。對種子的投種階段進(jìn)行分析，并以此為依據(jù)確定導(dǎo)種管的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。小青菜種子的靜摩擦角為28°～40°，為了保證種子不在導(dǎo)種管里發(fā)生堵塞并且能以較為均勻的速度通過導(dǎo)種管完成投種，且結(jié)合預(yù)試驗可知前中部分種管與后中部分種管之間的夾角應(yīng)滿足式（10）。

[100°≤λ+ε≤150°λ=ε] （10）

式中： λ——前部分種管與中部分種管的夾角，（°）；

ε——后部分種管與中部分種管的夾角，（°）。

由式（10）以及結(jié)合種子在導(dǎo)種管里的流動預(yù)試驗可知，[λ]角取60°時流動性最好。

2.5 吸孔數(shù)目的確定

氣吸式排種器進(jìn)行工作時，排種器內(nèi)部的氣流場會受排種盤上的吸孔數(shù)目增加的影響，同時會導(dǎo)致吸孔吸種面的氣流負(fù)壓與速度降低，需采用較大功率的風(fēng)機(jī)；吸孔的數(shù)量減少時，對風(fēng)機(jī)功率要求低，但播種效率降低。因此有必要對所排種盤上的吸孔數(shù)目進(jìn)行仿真研究。本節(jié)對吸孔數(shù)目為60、75和90的種盤進(jìn)行仿真分析，所對應(yīng)的相鄰吸孔之間的加工角度分別為6?、4.8°和4°，排種器上的吸孔編號如圖5所示。

設(shè)定負(fù)壓為-4 kPa、轉(zhuǎn)速為20 r/min進(jìn)行仿真，通過ANSYS軟件中的CFD-Post后處理導(dǎo)出分別是60、75和90個吸孔時負(fù)壓氣室整體壓力云圖進(jìn)行分析，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖6可以看出，3種不同吸孔數(shù)的負(fù)壓氣室整體壓力云圖在整體上有著相同的的分布規(guī)律，即從中間往兩邊遞減。吸孔編號35～38范圍處為負(fù)壓出口，靠近負(fù)壓軟管，因此負(fù)壓最大。當(dāng)吸孔數(shù)為90時，四個時間下壓力場分布不均勻，上下壓差大；當(dāng)吸孔數(shù)為75時，上下壓差相對吸孔數(shù)為90時較小，壓力場分布也相比均勻一些；當(dāng)吸孔數(shù)為60時，壓力場分布相比前兩個吸孔數(shù)的較為均勻，上下壓差也較小。因此可以推斷出減少一定的吸孔數(shù)目可以有效的減少流場擾動，增加流場穩(wěn)定性。

設(shè)置出口壓力-4 kPa、轉(zhuǎn)速20 r/min對不同吸孔數(shù)進(jìn)行流場仿真，得到不同吸孔數(shù)的外圈壓力和速度分布云圖如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，不同吸孔數(shù)的壓力和速度云圖在整體上分布相似，壓力沿著吸孔軸線方向呈環(huán)狀型，且離負(fù)壓氣室越遠(yuǎn)，壓力分布越小，與氣室相連的位置壓力最大；速度分布在吸孔吸嘴部分分布較為均勻，越靠近負(fù)壓氣室，速度越大，吸孔數(shù)目增加只是改變了速度大小，對速度分布云圖并未有明顯的改變。從三種不同吸孔數(shù)的壓力和速度分布云圖可以得知，吸孔數(shù)越多，吸孔壓力損耗越大，速度越小，其中吸孔內(nèi)壁壓力最大、速度最小。

綜合分析不同吸孔數(shù)對流場的負(fù)壓與速度的影響可知，相同條件下，排種盤上的吸孔數(shù)越少吸孔壓力和速度就越大，對風(fēng)機(jī)要求低；吸孔數(shù)越多，可以提高排種效率，但吸孔壓力和速度就越大，對風(fēng)機(jī)要求很高。因此，本文結(jié)合吸孔壓力和氣流速度分析，將單圈吸孔數(shù)設(shè)定為60，總吸孔數(shù)為180。

3 臺架試驗

3.1 試驗方案

選用的試驗材料為“上海矮箕”的種子。1 000粒種子重量為2.52 g，休止角為24.1°，平均含水量為5.67%，密度為0.918 g/cm3?？紤]到成本和現(xiàn)場因素，本研究采用臺架試驗代替現(xiàn)場試驗。利用自行搭建的試驗臺，研究了一器三行氣動精量排種器對小青菜的播種性能。測試設(shè)備主要由排種器、輸送帶、變頻電機(jī)、真空管、正壓管、U型壓力計、輸送帶調(diào)頻器、風(fēng)壓檢測系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)調(diào)頻器等組成。排種器和傳送帶之間的相對運(yùn)動被用來模擬播種機(jī)在田間的運(yùn)動。通過調(diào)節(jié)變頻器來改變傳送帶的速度，以模擬播種機(jī)的不同田間驅(qū)動狀態(tài)[17]，如圖9所示。

研制的一器三行氣動精量排種器可實現(xiàn)高速、窄排、窄距離播種。根據(jù)種植小白菜的農(nóng)藝要求，行距約為100 mm，種子間距約為40～50 mm?？紤]到先前試驗的分析，選擇負(fù)壓、排種盤的角速度和吸孔的錐角作為試驗因素[18]。適當(dāng)?shù)呢?fù)壓確保了種子被穩(wěn)定地吸附在吸孔中，并減少了一個孔中出現(xiàn)多個種子的概率。排種器使用具有三行孔的單個排種盤，這需要比單行和雙行孔相對高的負(fù)壓。根據(jù)理論分析，吸附一個種子所需的臨界最小負(fù)壓計算為-342.41 Pa。考慮到壓力損失，負(fù)壓范圍確定為-3.5～-0.5 kPa。根據(jù)預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)角速度超過40 r/min時，漏播現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)角速度小于10 r/min時，由于種子的流動性差，種子很難被吸附在吸孔中。為了確定最佳角速度，從預(yù)試驗中選擇了10～40 r/min的角速度。

通過理論計算，吸孔錐角大于34°。吸孔錐角是影響吸附效果的主要因素。結(jié)合預(yù)試驗，錐角的可調(diào)范圍選擇為45°～75°。對三個不同錐角的排種盤進(jìn)行了加工，研究了上述三個因素對排種能力的影響，并確定了最佳參數(shù)。使用Box-Behnken設(shè)計進(jìn)行了試驗，試驗水平如表2所示。

在每組數(shù)據(jù)下重復(fù)測量裝置的性能三次，并將平均值用作試驗結(jié)果。根據(jù)GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗方法》，選擇漏播率和合格率作為評價指標(biāo)[19]，計算如式（11）、式（12）所示。

[M=N1N×100%] （11）

[Q=N2N×100%] （12）

式中： M——漏播率；

Q——合格率；

N1——無種子的吸孔數(shù)量；

N2——只吸附一粒種子，并正常掉落的吸孔數(shù)量；

N——經(jīng)過投種區(qū)的吸孔數(shù)總數(shù)。

3.2 試驗結(jié)果

使用Design-Expert 13軟件的Box-Behnken設(shè)計方法進(jìn)行了三因素三級試驗。試驗結(jié)果如表3所示。內(nèi)圈合格率和漏播率的方差分析如表4所示。

根據(jù)表4可知，回歸模型非常顯著，因為內(nèi)圈合格率模型的p值小于0.01。此外，回歸項X1、X2、X3、X1X3、X2X3、X12、X22和X32的p值都小于0.05，具有顯著影響。由于不匹配項中的p大于0.05，回歸方程具有很好的擬合效果，表明不存在其他因素會影響合格率模型。模型中X1X2項的p值為0.114 8，表明該項對內(nèi)圈合格率沒有顯著影響。R2值為0.990 7，表明該模型與數(shù)據(jù)擬合良好。去除不重要因素后獲得的內(nèi)圈合格率的回歸模型如式（13）所示?？梢钥闯?，影響內(nèi)圈合格率的因素順序為X2gt;X1gt;X3。從表4可以看出，回歸模型對內(nèi)圈漏播率極顯著。此外，回歸項X1、X2、X3、X1X3、X1X2、X2X3、X12、X22和X32的p值都小于0.05，表明這些對模型具有顯著的影響。所獲得的內(nèi)圈漏播率的回歸模型如式（14）所示。影響內(nèi)圈漏播率的因素順序為X1gt;X2gt;X3。R2值為0.984 9，表明該模型與數(shù)據(jù)擬合良好。

中圈合格率和漏播率的方差分析如表5所示。中圈的合格率模型的p值小于0.01，該模型具有極其重要的意義。失擬項中的p值為0.149 9，表明式（15）得到很好的擬合。模型中[X1X2]項的p值為0.353 3，表明該項沒有顯著影響。R2值為0.994 1。去除不重要因素后獲得的中圈合格率的響應(yīng)回歸模型如式（15）所示。影響中圈合格率的因素順序為[X2gt;X1gt;X3]。該模型對中圈漏播率極顯著。所獲得的中圈漏播率的響應(yīng)回歸模型如式（16）所示。影響中圈漏播率的因素順序為[X2gt;X1gt;X3]。R2值為0.996 6，表明該模型與數(shù)據(jù)擬合良好。

[Y3=99.18+0.93X1+1.2X2+0.91X3+2.16X1X3+2.20X2X3-10.12X12-3.98X22-2.21X32] （15）

[Y4=0.59-2.25X1-2.87X2+2.22X3+1.48X1X2-2.01X1X3-1.61X2X3+2.99X12+2.68X22+2.65X32] （16）

外圈合格率和漏播率的方差分析如表6所示。該模型非常顯著，因為外圈合格率模型的p值小于0.01。失擬項中的p值為0.790 5，表明式（17）是擬合的。R2值為0.995 9，表明該模型與數(shù)據(jù)擬合良好。所獲得的外圈合格率的響應(yīng)回歸模型如式（17）所示。影響外圈合格率的因素順序為[X2gt;X1gt;X3]。外圈漏播率模型的p值小于0.01，該模型具有極其重要的意義。所獲得的外圈漏播率的響應(yīng)回歸模型如式（18）所示。影響外圈漏播率的因素順序為[X2gt;X1gt;X3]。R2值為0.995 8，表明該模型與數(shù)據(jù)擬合良好。

[Y5=97.92+0.65X1+1.28X2+0.55X3+2.8X1X3+2.12X2X3-10.16X12-3.47X22-1.87X32] （17）

[Y6=0.59-2.33X1-2.84X2+2.17X3+1.41X1X2-2.05X1X3-1.49X2X3+2.92X12+2.59X22+2.80X32] （18）

3.3 參數(shù)優(yōu)化和試驗驗證

對上述三個試驗因素進(jìn)行了優(yōu)化，以獲得最佳的排種器工作參數(shù)組合，提高排種合格率。根據(jù)上述回歸方程和每個因素的邊界條件，構(gòu)建參數(shù)模型，如式（19）所示。使用Design-Expert 13軟件求解約束條件。最佳參數(shù)為負(fù)壓2.16 kPa，排種盤角速度29.43 r/min，錐角61.51°。在這些條件下，內(nèi)圈合格率為95.12%，漏播率為3.67%，中圈合格率為94.68%，漏播率為3.12%，外圈合格率為94.24%，漏播率為2.58%。參數(shù)優(yōu)化區(qū)如圖10所示。

[min（Y1，Y3，Y5）max（Y2，Y4，Y6）s.t.0.5 kPa≤X1≤3.5 kPa10 r/min≤X2≤40 r/minX3=60°] （19）

為了評估優(yōu)化排種器的排種性能，使用自制的臺架在優(yōu)化區(qū)內(nèi)進(jìn)行了排種性能測試，參數(shù)為負(fù)壓-2 kPa，角速度23 r/min，錐角61°。記錄5次重復(fù)測試的平均值，并將其與優(yōu)化值進(jìn)行比較，如表7所示。結(jié)果表明，在參數(shù)優(yōu)化組合下，實際結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果相似。

3.4 田間試驗

設(shè)計的一器三行排種器為高速精量式，故在播種機(jī)較高速度下進(jìn)行田間播種試驗。每次試驗測定50個小青菜種子間距，各組重復(fù)進(jìn)行3次，取3次的平均值作為田間試驗的最終結(jié)果，如表8所示。外中內(nèi)圈合格率低于臺架試驗結(jié)果，可能是播種機(jī)在前進(jìn)時出現(xiàn)了機(jī)具本身振動，但性能指標(biāo)均優(yōu)于國家最低標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1） 為改善我國傳統(tǒng)的單行和雙行播種模式所面臨的播種效率低下的問題，以“上海矮箕”小青菜種子為研究對象，設(shè)計一種新型的一器三行精量排種器，并對排種器的工作原理進(jìn)行分析，通過相關(guān)數(shù)學(xué)理論計算出所設(shè)計排種器關(guān)鍵部件的相關(guān)參數(shù)。

2） 利用FLUENT軟件探究排種器內(nèi)部的氣流場，對不同吸孔數(shù)目的氣室整體壓力云圖、外圈壓力和速度分布云圖進(jìn)行分析，確定單圈最佳的吸孔數(shù)目為60，三圈總的吸孔數(shù)目為180。

3） 將負(fù)壓、排種盤的轉(zhuǎn)速以及吸孔錐角作為試驗因素，以排種器進(jìn)行排種時的合格率以及漏播率作為性能指標(biāo)開展CCD二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗。當(dāng)負(fù)壓為-2.16 kPa，排種盤角速度為29.43 r/min，吸孔錐角為61.51°時，內(nèi)圈合格率為95.12%，漏播率為3.67%，中圈合格率為94.68%，漏播率為3.12%，外圈合格率為94.24%，漏播率為2.58%。最后進(jìn)行臺架試驗和田間試驗驗證所得最佳組合參數(shù)的合理性。

參 考 文 獻(xiàn)

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