倪向東 徐國杰 王 琦 彭曉睿 王 劍 胡 斌

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003)

引言

在棉花生產(chǎn)過程中，播種是最重要的環(huán)節(jié)之一。精密播種不僅可以節(jié)省大量種子，減輕人員勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-4]。

精密排種器作為播種機(jī)的核心部件，其性能的好壞直接影響著播種機(jī)的播種質(zhì)量。氣吸式排種器具有對(duì)種子形狀尺寸要求不高、適應(yīng)性好、傷種率低、作業(yè)速度較高等優(yōu)點(diǎn)，在播種領(lǐng)域得到了廣泛的研究與應(yīng)用[5-6]。在國外，SINGH等[7-9]對(duì)氣吸式排種器播種棉花、芥菜和花生等種子時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。KARAYEL等[10]研究建立了氣吸式排種器氣室真空度與千粒質(zhì)量、投影面積、球形度和密度等種子物理特性參數(shù)之間的回歸方程。YAZGI等[11]運(yùn)用響應(yīng)曲面法對(duì)影響氣吸式排種器排種均勻性的吸孔直徑、吸盤轉(zhuǎn)速和氣室壓力等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。在國內(nèi)，王朝輝[12]研制了一種氣吸滾筒式超級(jí)稻育秧播種器，并開展了滾筒轉(zhuǎn)速、真空度、吸孔直徑和種盤振動(dòng)頻率等因素對(duì)排種性能影響的試驗(yàn)研究。李耀明等[13]利用振動(dòng)技術(shù)改善了氣吸滾筒式精密排種器的充種性能。張順等[14]研制了一種氣吸滾筒式水稻直播精量排種器，開展了窩眼形狀、滾筒轉(zhuǎn)速、氣室真空度和清種氣流強(qiáng)度對(duì)排種性能影響的試驗(yàn)研究。高筱鈞等[15]研制了一種中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器，并開展了負(fù)壓、前進(jìn)速度和吸種角度等因素對(duì)排種性能的試驗(yàn)研究。

針對(duì)氣吸式棉花精密排種器配套輸氣管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗大以及排種單體只能實(shí)現(xiàn)單行播種等問題[16]，采用陣列吸孔吸種、側(cè)向氣吹清種等方式，設(shè)計(jì)一種氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器，開展?jié)L筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑、氣室負(fù)壓對(duì)排種器排種性能影響的試驗(yàn)研究，尋求試驗(yàn)因素間的最佳參數(shù)組合，并進(jìn)行排種適應(yīng)性試驗(yàn)，為氣吸滾筒式棉花精密排種器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由滾筒、氣吹裝置、陣列吸孔、空心軸、鏈輪、種箱、隔壓板及投種器等組成。

圖1 氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic cylinder array seed-metering device1.滾筒 2.氣吹風(fēng)嘴 3.陣列吸孔 4.空心軸 5.鏈輪 6.角度調(diào)節(jié)板 7.風(fēng)嘴傾角調(diào)節(jié)裝置 8.負(fù)壓室 9.種箱 10.第一隔壓板 11.隔壓室 12.第二隔壓板 13.投種器 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

1.2 工作原理

當(dāng)排種器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)通過空心軸上的通孔，不斷地吸走滾筒內(nèi)的空氣，形成負(fù)壓氣室，使負(fù)壓氣室對(duì)應(yīng)的滾筒吸孔兩端產(chǎn)生負(fù)壓差。滾筒在鏈輪帶動(dòng)下繞空心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)入充種區(qū)時(shí)，種子在吸孔負(fù)壓的作用下被吸附在滾筒吸孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)到隔壓室時(shí)，隔壓板隔絕了滾筒內(nèi)的負(fù)壓，種子失去了負(fù)壓對(duì)其的吸附作用力，在重力、離心力和投種器的作用下，落入投種孔，最后下落到種床，完成精密排種過程。

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾筒大小是排種器的重要參數(shù)之一，直接決定著排種器的尺寸、轉(zhuǎn)速、吸孔數(shù)量、壓力、動(dòng)力消耗等參數(shù)。

排種器正常工作時(shí)，排種滾筒的排量Qm與播種機(jī)速度vm之間的關(guān)系為

(1)

式中Qm——滾筒排量，穴/s

vm——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

vg——滾筒線速度，m/s

l——株距，md——吸孔直徑，m

Δl——吸孔間隔墻寬，m

由式(1)可得

(2)

式中Dg——滾筒直徑，m

Z——周向吸孔數(shù)量

n——滾筒轉(zhuǎn)速，r/min

由式(2)可知，株距和播種機(jī)前進(jìn)速度一定時(shí)，滾筒線速度vg與滾筒直徑Dg成正比，與吸孔數(shù)量Z成反比。在充種范圍一定時(shí)，增大滾筒直徑，可以增加吸孔數(shù)量，降低滾筒轉(zhuǎn)速，提高充種概率，但滾筒直徑增大，相應(yīng)的負(fù)壓氣室空間將增大，所需風(fēng)量增加，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)功率和能耗增加。在允許范圍內(nèi)盡可能選取適宜的直徑，并盡可能增加吸孔數(shù)量。現(xiàn)有氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑一般在140～260 mm之間，對(duì)于大粒徑種子，滾筒直徑相對(duì)較大。本文播種對(duì)象為棉花種子，綜合考慮其播種性能要求及動(dòng)力消耗，選擇滾筒直徑為Dg=250 mm。

2.1.1棉花種子的幾何特性

種子的形狀和幾何尺寸直接決定了排種器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。棉花種子經(jīng)過脫絨、包衣處理后，表面光滑，形狀不規(guī)則，近似為卵形，一頭大，一頭小，重心靠近大頭。隨機(jī)選取新陸早48號(hào)、新陸早52號(hào)、新陸早60號(hào)3種棉花種子各200粒，測(cè)量每粒種子的長(zhǎng)、寬、厚三軸尺寸，對(duì)種子的三軸尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定種子幾何尺寸分布，其幾何尺寸如表1所示。

表1 棉花種子幾何尺寸Tab.1 Size of cotton seed mm

2.1.2吸孔結(jié)構(gòu)和位置設(shè)計(jì)

選擇合理的孔徑是保證排種器正常工作的必要條件。吸孔直徑取決于種子幾何尺寸等物料特性，一般來說，幾何尺寸越大的種子，對(duì)應(yīng)的吸孔直徑越大。吸孔直徑d選取參照經(jīng)驗(yàn)公式[17]

0.64b≤d≤0.66b

(3)

式中b——種子平均寬度，mm

根據(jù)表1，確定吸孔直徑范圍為3.0～4.0 mm。

在滾筒直徑一定的條件下，其周向吸孔數(shù)越多，滾筒線速度越低，充種性能越好，因此滾筒上的吸孔數(shù)量盡可能多，但滾筒周向相鄰吸孔之間的弧長(zhǎng)Δl1不能小于兩粒種子的最大尺寸，即

Δl1≥2lmax

(4)

式中 Δl1——滾筒周向兩吸孔中心之間的弧長(zhǎng)，mm

lmax——種子最大尺寸，mm

試驗(yàn)種子最大長(zhǎng)度均小于12 mm，確定滾筒吸孔周向數(shù)目Z=30個(gè)，則Δl1=26 mm，滿足式(4)。

為提高播種效率和降低能耗，設(shè)計(jì)滾筒軸向吸孔數(shù)量為6排的陣列式結(jié)構(gòu)，即實(shí)現(xiàn)“一器六行”的播種作業(yè)。

如圖2所示，為滿足“單粒精播、雙粒精播、單雙粒交替(即單粒-雙粒-單粒)”的不同農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)陣列式吸孔結(jié)構(gòu)，即在滾筒圓周方向上設(shè)計(jì)為單孔、雙孔和單雙孔交替3種排列方式，以滿足不同的播種要求。其中同排兩吸孔之間的距離Δl2不能小于兩粒種子的最大尺寸，即

Δl2≥2lmax

(5)

式中 Δl2——同排吸孔中心之間的距離，mm

綜合考慮，確定滾筒長(zhǎng)度為700 mm。

圖2 3種陣列吸孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagrams of three kinds of array pneumatic suction

2.2 負(fù)壓腔設(shè)計(jì)

負(fù)壓區(qū)域的大小直接影響著風(fēng)機(jī)功率和能耗。在保證排種性能的前提下，盡可能設(shè)計(jì)較小的負(fù)壓區(qū)域。負(fù)壓區(qū)域設(shè)計(jì)與種子面的高度直接相關(guān)，研究表明：滾筒式排種器的種子面最佳高度為高于排種器軸線2～3層種子[18]。如圖3所示，種子面高度與排種器軸線距離為H，則

(2～3)c≤H≤(2～3)a

(6)

式中a——種子平均長(zhǎng)度，mm

c——種子平均厚度，mm

以新陸早48號(hào)種子為播種對(duì)象，根據(jù)表1計(jì)算可得，9.64 mm≤H≤26.82 mm。滾筒半徑為Rg=125 mm，根據(jù)幾何關(guān)系，則吸種起始角θ0為

(7)

計(jì)算得6°≤θ0≤12°。第一隔壓板與水平軸線的夾角φ應(yīng)小于最小吸種起始角，取夾角φ=5°。

圖3 負(fù)壓腔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of vacuum cavity

在重力和離心力的作用下，種子在投種區(qū)弧段與水平面成σ角位置下落，如圖4所示。為保證種子準(zhǔn)確投種，當(dāng)種子下落到投種孔豎直位置時(shí)，若此時(shí)種子落到投種接受區(qū)域則能正常投種，若種子落到接受區(qū)域左側(cè)則不能正常投種。以種子質(zhì)心為原點(diǎn)，建立直角坐標(biāo)系Oxy，研究質(zhì)量為m的種子運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖4 投種過程示意圖Fig.4 Diagram of seed in dropping phase

投種過程種子運(yùn)動(dòng)軌跡為

(8)

(9)

初始條件，當(dāng)t=0時(shí)

(10)

(11)

對(duì)式(8)、(9)進(jìn)行積分，結(jié)合初始條件可知

xs=v0tsinσ

(12)

(13)

式中v0——種子運(yùn)動(dòng)沿滾筒切向的初速度，m/s

xs——種子運(yùn)動(dòng)水平方向上的位移，mm

ys——種子運(yùn)動(dòng)豎直方向上的位移，mm

投種接受區(qū)域是以A為中心的矩形孔，根據(jù)安裝要求，A點(diǎn)與滾筒水平中心線和豎直中心線的距離分別為Hx=100 mm，Hy=100 mm。為保證投種順利，當(dāng)種子落入投種架接受區(qū)域時(shí)，ys=Ly，xs-(Lx-Δx/2)>0。由幾何關(guān)系得：Lx=Rgcosσ-Hx，Ly=Hy-Rgsinσ，投種矩形孔寬度Δx=40 mm。滾筒線速度v0為0.2～0.3 m/s，取σ=30°，能夠保證種子落入投種孔。

2.3 側(cè)向氣吹清種裝置設(shè)計(jì)

通過前期試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，種子被吸附時(shí)主要存在“平躺”、“側(cè)臥”和“豎立”3種姿態(tài)，其中“豎立”狀態(tài)的種子，是因?yàn)槊藁ǚN子受到吸力吸附時(shí)，運(yùn)動(dòng)阻力最小的尖部被吸孔吸附，種子尖部占據(jù)了吸孔絕大部分面積，阻礙其他種子被吸孔吸附，基本能保持單粒吸附狀態(tài)。而絕大多數(shù)的“一孔多種”現(xiàn)象，以多粒種子“平躺”或“側(cè)臥”簇聚狀態(tài)出現(xiàn)，是因?yàn)槲孜蕉嗔７N子時(shí)，存在“同時(shí)吸附”和“先后吸附”兩種形式，進(jìn)而多呈現(xiàn)出左右和前后簇聚吸附狀態(tài)。在氣流直吹的作用下，前粒種子對(duì)后粒種子產(chǎn)生耦合作用，容易導(dǎo)致多粒種子被同時(shí)清除，造成漏播。因此本文結(jié)合氣力式清種的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種側(cè)向氣吹式清種裝置，以較小的穩(wěn)定氣流側(cè)向精確吹除吸附狀態(tài)不穩(wěn)定的種子，以獲得良好的清種效果。

當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)入清種區(qū)內(nèi)，被吸附的多粒種子處于吸孔負(fù)壓和清種氣流共同作用的復(fù)雜氣流場(chǎng)中，在側(cè)向氣吹氣流的作用下，靠近吸孔中心的種子占據(jù)了吸孔的大部分面積，比周圍種子受到更大的吸附力而牢固地吸附在吸孔上，其余吸附狀態(tài)不穩(wěn)定的種子被吹回種箱，吸孔處只保留1粒種子，清種過程如圖5所示。

圖5 清種過程示意圖Fig.5 Diagram of seed in clearing phase

清種在充種穩(wěn)定后進(jìn)行，為了保證被清除的種子順利落回種箱，最大清種角度必須小于(90-φg)，φg為種子與滾筒的摩擦角，一般18°≤φg≤25°，取θ≤65°。種子隨滾筒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)達(dá)朗貝爾原理，將動(dòng)力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問題求解。在清種區(qū)域，單粒種子被吸附的受力分析如圖6所示，臨界狀態(tài)下平衡方程為

(14)

式中FQ——種子所受的吸附力，N

fg——滾筒對(duì)種子的摩擦力，N

G——種子的重力，N

Ng——滾筒對(duì)種子的支持力，N

ω——滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

k——綜合比例系數(shù)，棉花種子k取0.35～1.55[18]

Δp——吸孔內(nèi)外側(cè)壓差，Pa

θ——種子的吸種夾角，(°)

則吸孔吸附單粒種子不被吹落的條件為

Fc≤fg=Gcosθ

(15)

式中Fc——種子所受的氣吹力，N

多粒種子被吸附時(shí)，每粒種子只占據(jù)了吸孔面積的一部分，占據(jù)面積越小的種子，吸附力越小，越容易被吹除。吸附狀態(tài)不穩(wěn)定種子被吹落的條件為

(16)

式中μ——被吸附種子所占據(jù)的吸孔面積與整個(gè)吸孔截面積的比值，一般種子被吹除的條件為μ<1/2

圖6 清種過程受力分析圖Fig.6 Force analysis diagrams of seed in clearing phase

由式(16)可知，負(fù)壓越大，滾筒轉(zhuǎn)速越低，吸孔直徑越大，所需氣吹力越大。側(cè)向氣吹清種裝置采用漏斗形風(fēng)嘴，據(jù)研究表明，漏斗形風(fēng)嘴的孔徑dw應(yīng)小于種子平均長(zhǎng)度[18]，本文取dw=5 mm。結(jié)合相關(guān)研究，通過預(yù)試驗(yàn)，在氣室負(fù)壓為3.0～4.5 kPa，滾筒轉(zhuǎn)速為12～18 r/min，吸孔直徑為3.2～3.8 mm時(shí)，清種氣流強(qiáng)度為11 m/s，傾斜角度為45°，噴嘴與吸孔的間隙為24 mm，清種效果較佳。

3 排種器充種過程分析

3.1 種子在充種過程中的運(yùn)動(dòng)分析

充種過程是排種器工作的基礎(chǔ)保證，排種器工作性能直接受種子充種性能的影響。在充種過程中，種子的運(yùn)動(dòng)過程主要分為2個(gè)階段：種子受到繞流阻力的作用，從種子群中分離出來，從靜止加速到與滾筒相對(duì)靜止的過程；種子被吸附在滾筒吸孔上相對(duì)靜止，隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)的過程[19-20]。

3.2 種子在第一階段的力學(xué)分析

種子被吸附的過程時(shí)間較短，且受力情況復(fù)雜，時(shí)變性強(qiáng)，為便于分析，忽略影響吸附過程中的次要因素，在建立力學(xué)模型前作如下假設(shè)：①吸附過程時(shí)間極短，作用在種子上的吸附力方向和大小不變。②在吸附過程中，空氣阻力相對(duì)自身重力、吸附力較小，忽略空氣阻力對(duì)吸附過程的影響。假設(shè)種子處于從靜止到加速運(yùn)動(dòng)的臨界狀態(tài)，可根據(jù)靜力學(xué)平衡條件聯(lián)立方程進(jìn)行求解。選擇表層單粒種子為研究對(duì)象，進(jìn)行受力分析，種子的受力分析如圖7所示，平衡方程為

(17)

式中 ∑FX——種子在X方向上所受的合力，N

∑FY——種子在Y方向上所受的合力，N

Nq——種群對(duì)種子的支持力，N

fq——種群對(duì)種子的摩擦力，N

FQ1——種子在第一階段所受的吸附力，N

α——種群對(duì)種子支持力與水平方向的夾角，(°)

φq——種子的自然休止角，(°)

圖7 種子在第一階段的受力分析圖Fig.7 Force analysis diagram of seed in the first phase

種子能被吸附的條件為

FQ1≥Ng-Nqcos(α+θ)-fqsin(α+θ)-Gsinθ

(18)

種子之間的相互作用力相對(duì)于吸附力、支持力和重力很小，可以近似忽略，式(18)簡(jiǎn)化為

(19)

根據(jù)球體繞流阻力理論，吸附力為

(20)

式中Cd——阻尼力因數(shù)

A——種子在垂直于氣流速度方向上的投影面積，m2

ρ——空氣密度，kg/m3

v——?dú)饬魉俣?，m/s

為提高計(jì)算精度，將棉花種子簡(jiǎn)化為橢球體，種子在種箱內(nèi)的姿態(tài)是隨機(jī)的，所以種子在氣流方向上的投影面積在一定范圍內(nèi)，其最大值與最小值分別為

(21)

(22)

式中Amax、Amin——種子在氣流方向上的最大和最小投影面積，mm2

L1、L2——種子投影面橢圓長(zhǎng)軸和短軸長(zhǎng)度，mm

為了保證可靠吸種，取其最小值A(chǔ)min作為投影面積，則式(20)可以寫為

(23)

研究表明，吸孔氣流場(chǎng)的分布是放射狀的圓錐體。以錐頂為中心的球面上，氣流速度大小相同。設(shè)錐角為2γ，距錐頂中心為x處的錐面面積為：A=2πx2(1-cosγ)[21]，則x處的氣流平均速度為

(24)

式中Q——距錐頂x處錐面的氣流量，m3/s

x——與錐頂?shù)木嚯x，mm

則吸附力可以表示為

(25)

吸附條件為

(26)

由式(26)可知，影響種子吸附過程的主要因素有：種子物料特性(Cd、L2、G)、與錐頂?shù)木嚯x(x)、種子與滾筒的摩擦角(φg)、氣流參數(shù)(ρ、Q)、吸孔結(jié)構(gòu)(γ)等。種子吸附力FQ1的大小與Q平方成正比，與錐頂?shù)木嚯xx四次方成反比。即氣流量越大，種子與錐頂?shù)木嚯x越小，則吸附力越大。吸附力過大，利于吸種，但易造成重播。

3.3 種子在第二階段的力學(xué)分析

在種子被吸住后，種子與滾筒相對(duì)靜止，隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，受力情況發(fā)生了兩方面的變化：種子所受的吸附力由繞流阻力變?yōu)槲棕?fù)壓差產(chǎn)生的吸附力；種子隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生了離心慣性力。由于種子隨滾筒做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，可根據(jù)力學(xué)平衡條件建立方程進(jìn)行求解。種子的受力分析如圖8所示，平衡方程為

(27)

式中FQ2——吸孔負(fù)壓差產(chǎn)生的吸附力，N

β——吸附力與水平方向的夾角，(°)

圖8 種子在第二階段的受力分析圖Fig.8 Force analysis diagram of seed in the second phase

種子能被吸孔吸附隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)的條件為

(28)

在第二階段，種子所受的吸附力為吸孔負(fù)壓差產(chǎn)生的吸附力，計(jì)算公式為

(29)

種子能被吸孔吸附帶出的條件為

(30)

由式(30)可知，種子能否隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，與負(fù)壓差Δp、吸孔直徑d、種子物料特性(k、m)、滾筒角速度ω、滾筒半徑Rg等因素有關(guān)。種子所受吸附力FQ2與負(fù)壓差Δp、吸孔直徑d平方成正比。負(fù)壓差和吸孔直徑越大，產(chǎn)生的吸附力越大。轉(zhuǎn)速越大,質(zhì)量越大,所需吸附力越大。

4 排種器性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)材料為新陸早48號(hào)、新陸早52號(hào)、新陸早60號(hào)，均經(jīng)過脫絨、包衣處理，經(jīng)過人工精選，無破碎，含雜率小于0.1%，均干燥，含水率均小于5.6%。隨機(jī)選取3種棉花種子進(jìn)行物料特性測(cè)定，每組試驗(yàn)測(cè)定10次，取平均值。棉花種子的物料特性如表2所示。

試驗(yàn)地點(diǎn)為石河子大學(xué)排種器性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室，在JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，微型壓力表測(cè)量負(fù)壓，試驗(yàn)臺(tái)如圖9所示。

表2 棉花種子的物料特性Tab.2 Physical characteristics of cotton seed

圖9 氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器試驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Experiment table of pneumatic cylinder array seed-metering device1.氣吸滾筒陣列式精密排種器 2.微型壓力表 3.風(fēng)機(jī) 4.JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

4.2 試驗(yàn)方法

4.2.1試驗(yàn)因素的選取

根據(jù)理論分析和預(yù)試驗(yàn)，確定影響氣吸滾筒陣列式精密排種器工作性能的主要影響因素及水平范圍為：滾筒轉(zhuǎn)速,12～20 r/min；吸孔直徑，3.0～4.0 mm；負(fù)壓，3.0～5.0 kPa。

4.2.2試驗(yàn)指標(biāo)的選取

試驗(yàn)依據(jù)文獻(xiàn)[22]，連續(xù)記錄油帶上由排種器穩(wěn)定工作時(shí)排出的250穴種子中每穴的粒數(shù)和穴距，重復(fù)3次。選用合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)作為試驗(yàn)指標(biāo)。各試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式分別為：

合格指數(shù)

(31)

漏播指數(shù)

(32)

重播指數(shù)

(33)

對(duì)于單粒精播：n1為1穴0粒種子的穴數(shù)；n2為1穴1粒種子的穴數(shù)；n3為1穴2粒及以上的穴數(shù)。對(duì)于雙粒精播：n1為1穴小于2粒種子的穴數(shù)；n2為1穴2粒種子的穴數(shù)；n3為1穴3粒及以上的穴數(shù)。對(duì)于單雙粒交替：n1為1穴小于相應(yīng)粒數(shù)種子的穴數(shù)；n2為1穴相應(yīng)粒數(shù)種子的穴數(shù)；n3為1穴大于相應(yīng)粒數(shù)的穴數(shù)。目前新疆地區(qū)棉花 “單粒精播”種植農(nóng)藝最為廣泛，故本文根據(jù)“單粒精播”技術(shù)要求進(jìn)行試驗(yàn)研究。

4.2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，完成多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，以滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑、負(fù)壓3個(gè)影響因素作為試驗(yàn)因子，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為響應(yīng)指標(biāo)，按三因素五水平安排試驗(yàn)，因子編碼表見表3。根據(jù)因素編碼表，制定二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，實(shí)施試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。試驗(yàn)方案及結(jié)果見表4，X1、X2、X3為因素編碼值。

表3 因子編碼Tab.3 Coding of factor level

表4 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.4 Test scheme and result of experiment ofquadratic rotation-orthogonal combination

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1回歸模型方程與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)與滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑、負(fù)壓之間的二次多項(xiàng)式回歸模型，回歸方程為

(34)

(35)

(36)

(37)

(38)

(39)

通過對(duì)式(37)～(39)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響合格指數(shù)和漏播指數(shù)的主次因素為：負(fù)壓、滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑。影響重播指數(shù)的主次因素為：滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓、吸孔直徑。

表5 試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程方差分析Tab.5 Variance analysis of test results and regression equations

注：*表示顯著(P<0.05)，** 表示極顯著(P<0.01)。

4.3.2試驗(yàn)因素影響效應(yīng)分析

評(píng)價(jià)排種性能的性能指標(biāo)中，合格指數(shù)與漏播指數(shù)是影響精密播種技術(shù)應(yīng)用的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。根據(jù)建立的排種器合格指數(shù)和漏播指數(shù)回歸模型，將其中一個(gè)試驗(yàn)因素置于零水平，繪制響應(yīng)曲面和等值線圖，如圖10、11所示。

如圖10a、11a所示，當(dāng)氣室負(fù)壓X3位于中心水平(4.0 kPa)時(shí)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速和吸孔直徑的增大，排種器合格指數(shù)先增大后減小。隨著滾筒轉(zhuǎn)速增大，漏播指數(shù)增大，隨著吸孔直徑的增大，排種器漏播指數(shù)減小。滾筒轉(zhuǎn)速較小時(shí)(小于16 r/min)，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較小。滾筒轉(zhuǎn)速較大時(shí)(大于16 r/min)，滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較大。

如圖10b、11b所示，當(dāng)吸孔直徑X2位于中心水平(3.5 mm)時(shí)，隨著滾筒轉(zhuǎn)速和負(fù)壓的增大，排種器合格指數(shù)先增大后減小，漏播指數(shù)持續(xù)減小。負(fù)壓較小時(shí)(小于4.0 kPa)，負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較大。負(fù)壓較大時(shí)(大于4.0 kPa)，負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較小。

如圖10c、11c所示，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速X1位于中心水平(16 r/min)時(shí)，隨著負(fù)壓和吸孔直徑的增大，排種器合格指數(shù)先增大后減小，漏播指數(shù)持續(xù)減小。負(fù)壓較小時(shí)(小于4.0 kPa)，負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較大。負(fù)壓較大時(shí)(大于4.0 kPa)，負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響較小。

圖10 各因素對(duì)排種器合格指數(shù)的影響Fig.10 Effects of all factors on qualified rate of seed-metering device

圖11 各因素對(duì)排種器漏播指數(shù)的影響Fig.11 Effects of all factors on miss-seeding rate of seed-metering device

4.4 參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速為14～18 r/min，氣室負(fù)壓為3.50～4.50 kPa，吸孔直徑為3.20～3.80 mm時(shí)，采用多重響應(yīng)方法中的主目標(biāo)函數(shù)法對(duì)影響因素滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑和負(fù)壓進(jìn)行優(yōu)化，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為性能指標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(40)

運(yùn)用Design-Expert 8.0.6數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，得出影響因素的最佳參數(shù)組合：滾筒轉(zhuǎn)速為15.5 r/min，氣室負(fù)壓為4.2 kPa，吸孔直徑為3.5 mm，目標(biāo)函數(shù)的預(yù)測(cè)值為：合格指數(shù)為93.48%，漏播指數(shù)為1.47%，重播指數(shù)為5.85%。

4.5 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，在上述最優(yōu)參數(shù)組合試驗(yàn)條件下，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果為合格指數(shù)平均值為93.5%，且均大于92.0%，漏播指數(shù)平均值為2.0%，且均小于3%，重播指數(shù)平均值為4.5%，且均小于5%?？梢?，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，滿足棉花播種農(nóng)藝要求。

4.6 排種適應(yīng)性試驗(yàn)

在二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為研究排種器對(duì)不同品種棉花種子的適應(yīng)情況，進(jìn)行排種適應(yīng)性試驗(yàn)。選取新陸早48號(hào)、新陸早52號(hào)、新陸早60號(hào)為播種對(duì)象，其幾何特性和物料特性見表1、2。在滾筒轉(zhuǎn)速為15.5 r/min、負(fù)壓為4.2 kPa、吸孔直徑為3.5 mm的工作條件下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 排種適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Result of suitability tests %

由表6可知，在相同條件下，氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器對(duì)幾何特性和物料特性存在差異的3種棉花種子具有一定適應(yīng)性，結(jié)果表明：合格指數(shù)均大于92%，漏播指數(shù)均小于3%，重播指數(shù)均小于5%，滿足棉花種子的精密播種要求。其中新陸早52號(hào)幾何尺寸差異較大，流動(dòng)性最差，因此排種性能指標(biāo)最差；新陸早48號(hào)和新陸早60號(hào)種子，幾何尺寸差異較小，球形度較大，流動(dòng)性較好，排種性能較好。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)棉花種植農(nóng)藝要求和棉花種子的物料特性，采用陣列吸孔吸種、側(cè)向氣吹清種等方式，設(shè)計(jì)了一種氣吸滾筒陣列式精密排種器，確定了排種器關(guān)鍵零部件的參數(shù)，對(duì)充種過程進(jìn)行了力學(xué)分析，確定了影響排種器排種性能的關(guān)鍵因素為：滾筒轉(zhuǎn)速、吸孔直徑和負(fù)壓。

(2)采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，建立排種器性能指標(biāo)與各影響因素之間的回歸模型，通過響應(yīng)面分析試驗(yàn)因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響。采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，確定排種器最佳工作參數(shù)組合：滾筒轉(zhuǎn)速15.5 r/min，氣室負(fù)壓4.2 kPa，吸孔直徑為3.5 mm，此時(shí)，排種器性能指標(biāo)為：合格指數(shù)93.5%，漏播指數(shù)2.0%，重播指數(shù)4.5%。

(3)排種適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果表明：排種器對(duì)不同品種的棉花種子具有良好的適應(yīng)性，滿足棉花種子的播種農(nóng)藝要求。

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