周 勇，胡夢(mèng)杰，夏俊芳，張國(guó)忠，徐照耀，馮闖闖，唐楠銳，劉德柱

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內(nèi)充種組合型孔式播量可調(diào)棉花精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周 勇※，胡夢(mèng)杰，夏俊芳，張國(guó)忠，徐照耀，馮闖闖，唐楠銳，劉德柱

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070）

為改善內(nèi)充種式排種器用于棉花排種時(shí)易出現(xiàn)剪切傷種、內(nèi)窩孔口堵塞以及播量無(wú)法調(diào)節(jié)的問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一種組合式階梯狀充填孔的播量可調(diào)式棉花精量排種器。以含水率為11.01%（濕基）的“鄂抗棉-10”棉種為試驗(yàn)對(duì)象，采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分析了內(nèi)窩孔深度、入種口高度與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響規(guī)律，并獲得了上述3因素的最佳工作參數(shù)組合。試驗(yàn)結(jié)果表明：排種器工作時(shí)種子破損率較低，凹型充填孔更適宜于棉花直播作業(yè)，影響排種器排種合格率的主次因素依次為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速≥內(nèi)窩孔深度≥入種口高度，在內(nèi)窩孔深度7.7 mm、入種口高度62.9 mm、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速23.52 r/min時(shí)，排種合格率（（2±1）粒/穴）為96.23%，漏播率（0粒/穴）為1.85%，重播率（大于3粒/穴）為1.92%，破損率為0.17%，滿足棉花精量直播農(nóng)藝要求。試驗(yàn)結(jié)果表明，階梯狀充填孔有延長(zhǎng)清種時(shí)間與約束充種形態(tài)的作用，可減少排種器種子破損率3.73%，提高精量排種質(zhì)量，可為內(nèi)充種式排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；種子；設(shè)計(jì)；內(nèi)充種式；排種器；精量直播；階梯狀充填孔；棉花

0 引 言

棉花機(jī)械化直播可省本節(jié)工、效率高，是實(shí)現(xiàn)棉花生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[1]。排種器作為棉花機(jī)械化直播的核心工作部件，其排種性能直接決定播種質(zhì)量[2]。內(nèi)充種式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、使用維護(hù)方便，適于中耕作物精播作業(yè)[3-5]，但存在漏播率、種子破損率較高及播量無(wú)法調(diào)節(jié)等問(wèn)題[6-7]。張翔等[8]設(shè)計(jì)了一種入口漸收式柔性防傷種護(hù)種板，且在充種區(qū)域加設(shè)充種突起，提高了內(nèi)充種式排種器播種性能。王吉奎等[6]增設(shè)了輔助充種與清種裝置，有效提高了內(nèi)充種式棉花穴播器的播種質(zhì)量。尚家杰設(shè)計(jì)了一種具有容納式防傷種護(hù)種板的淺盆形立式圓盤(pán)排種器，有利于降低種子破碎率，且提高了排種器充填性能[9]。Ryu 等[10]設(shè)計(jì)了一種借助毛刷清種的窩眼輪式排種器，以減少種子破碎率。羅錫文等[11-13]為降低精量穴直播水稻的破碎率，設(shè)計(jì)了一種可拆式彈性隨動(dòng)護(hù)種裝置。祁兵等[14]在滾筒式排種器中設(shè)置了周向清種裝置，可提高排種器排種質(zhì)量。王沖等[15-16]針對(duì)機(jī)械式排種器中固定板式護(hù)種器傷種率高的問(wèn)題，研制出一種同步柔性皮帶護(hù)種器，該裝置可減少種子破碎率0.5%以上。張宇文等[17]針對(duì)于窩眼輪式排種器中窩眼孔易堵塞的問(wèn)題，增設(shè)推種輪，采用推種輪與排種輪嚙合的形式強(qiáng)制排種。上述研究表明，通過(guò)改進(jìn)護(hù)種板結(jié)構(gòu)、增設(shè)充種與清種裝置等，可提高排種器工作性能，但采用優(yōu)化型孔結(jié)構(gòu)，降低機(jī)械式排種器種子破損率，提高排種質(zhì)量的精量排種鮮有報(bào)道。

本文結(jié)合棉花直播農(nóng)藝要求，基于內(nèi)充種式排種器工作原理，設(shè)計(jì)了一種棉花精量排種器，其采用容納式階梯狀充填孔，以降低種子破損率且減少型孔堵塞的問(wèn)題，并結(jié)合臺(tái)架與田間試驗(yàn)，對(duì)其排種性能進(jìn)行測(cè)試，以期為內(nèi)充種式排種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 內(nèi)充種式棉花精量排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

內(nèi)充種式棉花精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由毛刷1、后殼體2、凸耳3、排種內(nèi)盤(pán)4、護(hù)種板5、前殼體6、進(jìn)種管7、入種口高度調(diào)節(jié)板8、排種軸9及排種外盤(pán)10等部分組成。其中，排種盤(pán)由凸耳、排種外盤(pán)和排種內(nèi)盤(pán)組成，凸耳通過(guò)內(nèi)六角圓柱頭螺釘緊固于排種外盤(pán)上，排種內(nèi)盤(pán)與排種外盤(pán)采用螺栓連接，故可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)播量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

排種器工作過(guò)程可分為充種、清種、護(hù)種與投種4個(gè)階段，如圖2所示。排種器作業(yè)前，將入種口高度調(diào)節(jié)板調(diào)至合適位置，棉種由進(jìn)種管經(jīng)入種口進(jìn)入充種腔后形成種子群；排種軸在動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，種子群中下層棉種在重力、離心力及種子間相互作用力下充入排種盤(pán)與前殼體形成的組合型孔內(nèi)；當(dāng)型孔旋轉(zhuǎn)至清種區(qū)時(shí)，其充填孔內(nèi)多余的棉種在重力作用下落回充種腔，內(nèi)窩孔中的棉種隨排種盤(pán)進(jìn)入護(hù)種區(qū)，在護(hù)種板作用下充填孔口封住，棉種保留在型孔內(nèi)，轉(zhuǎn)過(guò)一定角度后到達(dá)投種區(qū)，在重力與離心力作用下通過(guò)投種口排出棉種，完成投種過(guò)程。

注：Φ為排種盤(pán)外徑，mm；Dd為內(nèi)窩孔中心對(duì)應(yīng)的圓周直徑，mm。

圖2 排種器工作原理

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 排種盤(pán)直徑Φ與型孔數(shù)k

型孔輪式排種器排種盤(pán)直徑選取范圍一般為80～260 mm[18]，因排種盤(pán)直徑取較大值時(shí)，有利于提高排種器充、清種性能，故本文選取排種盤(pán)外徑為220 mm，內(nèi)徑為186 mm。

在播種穴距與前進(jìn)速度一定的條件下，型孔數(shù)目越多，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速越低，有利于提高機(jī)械式排種器充種性能，同時(shí)，減小種子機(jī)械損傷。故在滿足排種盤(pán)2個(gè)相鄰型孔互不影響的條件下，應(yīng)盡可能布置較多的型孔數(shù)，且排種盤(pán)型孔數(shù)目需滿足下式[19]：

式中為排種盤(pán)型孔數(shù)，個(gè)；D為排種盤(pán)內(nèi)窩孔中心對(duì)應(yīng)的圓周直徑，m；為地輪滑移系數(shù)；v為內(nèi)窩孔中心處線速度，m/s；I為播種穴距，m；V為機(jī)組前進(jìn)速度，m/s；為排種軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可得

排種器安裝于配套拖拉機(jī)上，其前進(jìn)速度為0.5～1.5 m/s，本文選取V=1.0 m/s；根據(jù)農(nóng)藝要求棉花直播機(jī)田間播種穴距范圍為0.125～0.324 m，取I=0.200 m；排種器采用拖拉機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，取地輪滑移系數(shù)=0；排種軸轉(zhuǎn)速設(shè)為25 r/min，經(jīng)計(jì)算確定排種盤(pán)型孔數(shù)=12。

2.2 組合型孔結(jié)構(gòu)與參數(shù)

為改善內(nèi)充種式排種器存在的剪切傷種、高漏播率的問(wèn)題，將排種盤(pán)充填孔設(shè)計(jì)為階梯狀，由矩形型孔1與梯形型孔2組成，如圖3所示。矩形型孔一方面延長(zhǎng)了清種時(shí)間，另一方面當(dāng)棉種下落至左右兩側(cè)分別與毛刷和充填孔凸起3接觸時(shí)，由于受到力矩作用將側(cè)翻進(jìn)入矩形型孔中，避免剪切傷種。同時(shí)，將充填孔的梯形型孔設(shè)計(jì)為開(kāi)口沿圓周向外方向逐漸縮小，限制內(nèi)窩孔口處棉種形態(tài)，使其只能以一粒橫躺或兩粒斜立的方式進(jìn)入內(nèi)窩孔，避免內(nèi)窩孔口處因種子結(jié)拱或卡滯而造成漏播，且型孔布置于排種盤(pán)外側(cè)邊緣處構(gòu)成“敞口”形式，增強(qiáng)型孔內(nèi)種群擾動(dòng)，提高排種器充種性能。

注：O為排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)中心；a為矩形型孔長(zhǎng)度，mm；b為矩形型孔高度，mm；q為梯形型孔下底面長(zhǎng)度，mm；e為梯形型孔上底面長(zhǎng)度，mm；k為充填孔上底面長(zhǎng)度，mm；h為內(nèi)窩孔高度，mm；s為內(nèi)窩孔深度，mm。

本文選取鄂抗棉-10號(hào)棉種作為試驗(yàn)對(duì)象，其三軸平均尺寸長(zhǎng)×寬×厚分別為9.14 mm×5.28 mm×4.78 mm，棉種長(zhǎng)度最大值max=10.20 mm，最小值min=8.61 mm，寬度最大值max=5.83 mm，最小值min=4.44 mm，厚度最小值min=3.59 mm，以此作為型孔設(shè)計(jì)依據(jù)。

2.2.1 矩形型孔結(jié)構(gòu)與參數(shù)確定

1）矩形型孔高度

因矩形區(qū)域可容納側(cè)翻進(jìn)入的棉種，則矩形型孔高度應(yīng)滿足

式中max為棉種寬度最大值，mm。

依據(jù)前期物料試驗(yàn)，棉種最大寬度值max=5.83 mm，為增大組合型孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，矩形區(qū)域?qū)挾葢?yīng)在滿足要求的條件下盡可能小，故本文矩形區(qū)域高度確定為=6 mm。

2）矩形型孔長(zhǎng)度

擬剪切棉種下落至排種器清種與護(hù)種交界處時(shí)，主要受重力、充填孔凸起對(duì)棉種的推力、毛刷對(duì)棉種的支持力與摩擦力作用。為進(jìn)一步確定矩形型孔長(zhǎng)度，對(duì)棉種進(jìn)行受力分析，建立如圖4所示擬剪切棉種清種力學(xué)模型：將棉種視為剛性橢球體[20-21]，其質(zhì)心為幾何中心，以棉種質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)1，長(zhǎng)軸為軸，與毛刷側(cè)邊平行，短軸為軸，建立如圖4所示輔助坐標(biāo)系。

注：l為棉種極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下落出型孔時(shí)間段內(nèi)排種盤(pán)內(nèi)圓所轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)，mm；G為棉種顆粒所受重力，N；N為毛刷對(duì)棉種的支持力，N；θ1為毛刷對(duì)棉種支持力與Y軸夾角，（°）；θ2為起始護(hù)種角，（°）；f1為毛刷對(duì)棉種的摩擦力，N；F1為充填孔凸起對(duì)棉種的推力，N；O1為棉種質(zhì)心；O2為棉種與毛刷接觸點(diǎn)。

各分力對(duì)棉種與毛刷接觸點(diǎn)處2的合力矩為

Σ=11-2（4）

式中為棉種與毛刷接觸點(diǎn)處2所受合力矩，N·mm；1為充填孔凸起對(duì)棉種的推力，N；為棉種顆粒所受重力，N；1為點(diǎn)2到1的力臂，mm；2為點(diǎn)2到重力的力臂，mm。

由式（4）可知，當(dāng)合力矩Σ>0時(shí)，擬剪切棉種側(cè)翻進(jìn)入矩形型孔；當(dāng)合力矩Σ<0時(shí)，擬剪切棉種因清種時(shí)間的延長(zhǎng)落出型孔，均避免了剪切傷種。

一方面，排種器防傷種設(shè)計(jì)延長(zhǎng)了清種時(shí)間使得無(wú)矩形區(qū)域時(shí)擬剪切的棉種有足夠時(shí)間順利落出充填孔，其極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為棉種剛好未與充填孔凸起接觸，此時(shí)充填孔凸起對(duì)棉種的推力1=0。因棉種下落至清種與護(hù)種交界處時(shí)，其速度具有豎直向下分量，為使棉種在矩形區(qū)域內(nèi)完全落出充填孔，設(shè)棉種從靜止開(kāi)始沿毛刷側(cè)邊下滑，主要受重力、毛刷對(duì)棉種的支持力與摩擦力作用。由動(dòng)力學(xué)分析可知，棉種下滑過(guò)程中，沿軸方向加速度先增大后不變，為避免剪切傷種，確保棉種完全落出充填孔，以棉種初始時(shí)刻的加速度為基準(zhǔn)確定矩形型孔長(zhǎng)度，則矩形型孔長(zhǎng)度需大于棉種落出型孔時(shí)間段內(nèi)排種盤(pán)內(nèi)圓所轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)，即

由式（5）可得

式中為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min；1為矩形區(qū)域徑向圓周方向內(nèi)底面處對(duì)應(yīng)的圓周半徑，mm；1為棉種落出型孔所需時(shí)間，s；1為棉種沿軸方向的加速度，1=6.75～8.69 m/s2；為毛刷對(duì)棉種的支持力，N；1為毛刷對(duì)棉種支持力與軸夾角，（°）；2為護(hù)種板起始護(hù)種角，（°）；為棉種與毛刷間滑動(dòng)摩擦角，（°）；為棉種與毛刷間摩擦系數(shù)；為棉種沿軸方向所受合力，N；1為毛刷對(duì)棉種的摩擦力，N。

因棉種近似于橢球體且處于極限運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則棉種所受支持力與軸正向之間的夾角1滿足如下幾何關(guān)系：

式中1為毛刷與棉種接觸點(diǎn)處橫坐標(biāo)，mm；1為毛刷與棉種接觸點(diǎn)處縱坐標(biāo)，mm。

由式（7）可得

將=9.14 mm，=5.28 mm，=6 mm，排種盤(pán)內(nèi)圓半徑=93 mm，排種盤(pán)角速度取=2.62 rad/s，矩形區(qū)域徑向圓周方向內(nèi)底面處對(duì)應(yīng)的圓周半徑1=+=99 mm，棉種與毛刷滑動(dòng)摩擦角取=15°，起始護(hù)種角取2=16°，代入式（6）與式（8）中計(jì)算可得1=29.70°，≥10.93 mm。

另一方面，當(dāng)棉種側(cè)翻進(jìn)入矩形區(qū)域時(shí)，矩形型孔長(zhǎng)度需滿足

式中max為棉種最大長(zhǎng)度值，mm。

因max=10.20 mm，綜合上述分析可知，矩形型孔長(zhǎng)度需滿足≥10.93 mm，本文矩形型孔長(zhǎng)度確定為=11 mm。

2.2.2 梯形型孔結(jié)構(gòu)與參數(shù)確定

1）梯形型孔上底面長(zhǎng)度

棉種充入組合型孔雖然具有相向速度差、同向速度差與填補(bǔ)空間3種形式，但在充種過(guò)程中始終受到離心力、重力與種子間相互作用力[22]。根據(jù)動(dòng)態(tài)落粒拱原理，忽略種子間相互作用力[23]，且充種過(guò)程中，棉種所受離心力變化較小，可忽略不計(jì)。以棉種為研究對(duì)象，以其質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，長(zhǎng)軸為軸，短軸為軸，建立如圖5所示輔助坐標(biāo)系。

注：P為棉種所受離心力，N；G為棉種顆粒所受重力，N；θ3為棉種所受離心力方向與排種盤(pán)豎直軸線的夾角，（°）；R為排種盤(pán)內(nèi)圓半徑，mm；vx為棉種充種時(shí)刻初速度，m·s-1。

為確保棉種順利充入充填孔，需使梯形型孔上底面長(zhǎng)度大于棉種沿軸方向合力作用下充入充填孔的時(shí)間內(nèi)排種盤(pán)內(nèi)圓所轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)、棉種沿軸方向下落的位移x與棉種長(zhǎng)半軸所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)之和，即

由式（10）可得

式中為排種盤(pán)內(nèi)圓半徑，mm；1為矩形區(qū)域徑向圓周方向內(nèi)底面處對(duì)應(yīng)的圓周半徑，mm；2為棉種處于排種盤(pán)內(nèi)側(cè)時(shí)棉種質(zhì)心所對(duì)應(yīng)的圓周半徑，mm；2為棉種下落時(shí)間，s；y為棉種沿軸下落的距離，mm；x為棉種沿軸下落的距離，mm；y為棉種沿軸下落的加速度，m/s2；x為棉種沿軸下落的加速度，m/s2；F為棉種沿軸方向所受合力，N；F為棉種沿軸方向所受合力，N；3為棉種所受離心力方向與排種盤(pán)豎直軸線的夾角，（°）；x為棉種充種時(shí)刻初速度，m/s；2為棉種隨排種盤(pán)內(nèi)壁轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，rad/s。

將=93 mm，max=10.20 mm，y=+/2=8.39 mm，1=+=99 mm，2=-/2=90.61 mm，排種盤(pán)角速度取=2.62 rad/s，棉種所受離心力方向與排種盤(pán)豎直軸線的夾角取3=20°，排種器工作過(guò)程中，充種腔內(nèi)棉種作環(huán)流運(yùn)動(dòng)，內(nèi)層棉種隨壁轉(zhuǎn)動(dòng)，其角速度2取值范圍為0<2<[20],將上述參數(shù)值代入式（11）可得≥17.43 mm。因上底面長(zhǎng)度越大，充填孔內(nèi)可容納棉種數(shù)越多，不利于種子充入內(nèi)窩孔，且對(duì)型孔數(shù)目的確定具有一定的限制作用，綜合考慮，梯形型孔上底面長(zhǎng)度確定為=18 mm。

2）梯形型孔下底面長(zhǎng)度

因內(nèi)窩孔口堵塞主要是由于充填孔內(nèi)種子量過(guò)多，造成內(nèi)窩孔口種子結(jié)拱或卡滯[6]，故將充填孔的梯形型孔區(qū)域設(shè)計(jì)為開(kāi)口沿圓周向外方向逐漸縮小，限制充填孔內(nèi)種子量，當(dāng)棉種下落至充填孔底部與后殼體接觸時(shí)，內(nèi)窩孔口處只存在有1?；?粒棉種，且以1粒橫躺或2粒并列斜立的方式有序充入內(nèi)窩孔，避免內(nèi)窩孔口堵塞，且通過(guò)合理調(diào)節(jié)內(nèi)窩孔深度更易實(shí)現(xiàn)排種器精量排種。故梯形型孔下底面長(zhǎng)度應(yīng)滿足

式中max為棉種寬度最大值，mm；min為棉種厚度最小值，mm。

將max=5.83 mm，min=3.59 mm代入式（12）得5.83 mm≤≤7.18 mm，因梯形型孔下底面長(zhǎng)度設(shè)置越大，內(nèi)窩孔口處所聚集的棉種越多，不利于順利充種，故梯形型孔下底面長(zhǎng)度確定為=6 mm。

3）充填孔孔型

充填孔孔型決定了梯形型孔內(nèi)可容納棉種的種子量，為探究不同型孔情況對(duì)種子充填的影響，本文設(shè)計(jì)了3 種不同形狀的凸耳以改變充填孔孔型，分別為直線型、凸型（圓弧半徑為25 mm）和凹型（圓弧半徑為25 mm），并進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定較為適合棉花直播的充填孔孔型。3種孔型如圖6所示。

圖6 充填孔孔型

2.2.3 內(nèi)窩孔結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

1）內(nèi)窩孔寬度

因棉種以1粒橫躺或2粒斜立的方式充入內(nèi)窩孔，且內(nèi)窩孔內(nèi)只能容納1層棉種，故內(nèi)窩孔寬度需滿足

式中max為棉種長(zhǎng)度最大值，mm；min為長(zhǎng)度最小值，mm；max為寬度最大值，mm；min為寬度最小值，mm；min為棉種厚度最小值，mm。

將max=10.20 mm，min=8.61 mm，max=5.83 mm，min=4.44 mm，min=3.59 mm代入式（13）得11.66 mm<<12.20 mm，故內(nèi)窩孔寬度確定為=12 mm。

2）內(nèi)窩孔高度

為使排種器更易實(shí)現(xiàn)精量播種，限制內(nèi)窩孔高度使其只可容納1層棉種，則以?xún)?nèi)窩孔內(nèi)恰好能充入2層棉種時(shí)的高度值作為內(nèi)窩孔高度設(shè)計(jì)的最大臨界值。

假設(shè)棉種均以斜立的方式充入內(nèi)窩孔，則3粒棉種均以平行于內(nèi)窩孔深度方向充入內(nèi)窩孔時(shí)，其最小高度值即為最大臨界值，充種模型如圖7所示。

注：O1、O2、O3分別為3粒棉種截面中心；F為橢圓O1與橢圓O3的切點(diǎn)；G為橢圓O2與橢圓O3的切點(diǎn)；M為直線GM與x軸的垂足；m為內(nèi)窩孔寬度，mm；h為內(nèi)窩孔高度，mm。

將棉種簡(jiǎn)化為橢球體，沿內(nèi)窩孔深度方向截取棉種寬度與厚度平面橫截面最大尺寸，則棉種截面為橢圓，以棉種最小寬度作為橢圓長(zhǎng)軸，最小厚度作為橢圓短軸，其長(zhǎng)、短半軸分別記為、。忽略棉種間相互擠壓作用，3粒棉種充入內(nèi)窩孔內(nèi)，當(dāng)棉種均以平躺形式且橫截面如圖7所示堆疊時(shí)，內(nèi)窩孔高度達(dá)到最小值，分別記3粒棉種的截面中心為1、2、3，橢圓1、3相切于點(diǎn)，橢圓2、3相切于點(diǎn)，以1、2連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以水平方向且通過(guò)點(diǎn)1、2的坐標(biāo)軸為軸，以豎直方向且通過(guò)點(diǎn)3的坐標(biāo)軸為軸，建立如圖7所示坐標(biāo)系，記切點(diǎn)處坐標(biāo)值為（0，0），橢圓3的坐標(biāo)值為（0，0），則內(nèi)窩孔高度最大值為max=2+0，按照式（14）計(jì)算出內(nèi)窩孔高度最大臨界值。

由式（14）可得

由式（15）可知，內(nèi)窩孔高度最大臨界值與棉種寬度、厚度和內(nèi)窩孔寬度有關(guān)，將=min/2=2.22 mm，=min/2=1.80 mm，=12 mm代入式（15）得max=7.15 mm。因內(nèi)窩孔內(nèi)可容納1層棉種，則max<，故有5.83 mm<<7.15 mm，考慮到種子間相互擠壓作用的影響，內(nèi)窩孔高度不宜選取較大值，故內(nèi)窩孔高度確定為=6 mm。

3）內(nèi)窩孔深度

內(nèi)窩孔深度為內(nèi)窩孔上表面所對(duì)應(yīng)的弧長(zhǎng)。根據(jù)棉花直播農(nóng)藝要求，直播機(jī)田間作業(yè)每穴（2±1）粒為合格，由棉種三軸尺寸分析可知，當(dāng)3粒棉種均以平行于內(nèi)窩孔寬度方向平躺于內(nèi)窩孔內(nèi)時(shí)，內(nèi)窩孔深度達(dá)到最大值，即內(nèi)窩孔深度可調(diào)范圍應(yīng)滿足

式中max為棉種寬度最大值，mm。

將max=5.83 mm代入式（16）得≥17.49 mm，考慮到內(nèi)窩孔深度可調(diào)范圍越大，組合型孔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)削弱，故內(nèi)窩孔深度最大值確定為=18 mm，可調(diào)范圍為0≤≤18 mm。

3 排種性能試驗(yàn)

3.1 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)材料及裝置

試驗(yàn)材料選用鄂抗棉-10號(hào)脫絨包衣棉種，如圖8a所示，人工精選后無(wú)破損，其濕基含水率為11.02%，千粒質(zhì)量為101.62 g[21]。試驗(yàn)裝置采用JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，如圖8b所示。

圖8 臺(tái)架試驗(yàn)材料及裝置

3.1.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

按照黃河流域棉花機(jī)械化直播農(nóng)藝要求每穴（2±1）粒[24]。參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 987-2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973-2005單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法[25-26]，以合格率、漏播率、重播率以及破損率為評(píng)價(jià)指標(biāo)開(kāi)展臺(tái)架性能試驗(yàn)。

1）合格率、漏播率與重播率

在排種器與種床帶穩(wěn)定工作狀態(tài)下，連續(xù)記錄排種器所排出的每穴棉種粒數(shù)，每250穴為1組，試驗(yàn)重復(fù)3次。則排種合格率、漏播率、重播率計(jì)算公式如下：

式中0為一穴0粒的總穴數(shù)；1為一穴（2±1）粒的總穴數(shù)；2為一穴4粒及以上的總穴數(shù)；為3組試驗(yàn)所記錄的總穴數(shù)。

2）破損率

在排種器穩(wěn)定工作狀態(tài)下，記錄1 min內(nèi)排種器排出的棉種數(shù)為0，其中所包含的破損棉種數(shù)為n，則破損率為[27]

3.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以充填孔孔型為影響因子，分別對(duì)凸型、直線型與凹型充填孔開(kāi)展單因素試驗(yàn)，探究充填孔孔型對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響。

根據(jù)前期理論分析與預(yù)試驗(yàn)，確定影響排種性能的主要因素及其工作范圍為：內(nèi)窩孔深度6.0~10.0 mm；入種口高度40.0~80.0 mm；排種盤(pán)轉(zhuǎn)速10.00~40.00 r/min，開(kāi)展具有凹型充填孔的內(nèi)充種式排種器三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)多因素尋優(yōu)試驗(yàn)。因素水平編碼表見(jiàn)表1。

表1 因素水平編碼表

3.1.4 結(jié)果與分析

1）充填孔孔型對(duì)排種性能的影響

設(shè)定內(nèi)窩孔深度為8 mm，入種口高度為60 mm，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為25 r/min，種床帶工作速度為3.96 km/h，對(duì)圖6所示的3種充填孔孔型進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 充填孔孔型對(duì)排種性能的影響

由表2可知，無(wú)論排種器采用何種充填孔，棉種破損率均低于0.5%，滿足農(nóng)藝要求。排種器采用凸型充填孔時(shí)排種效果最差，漏播率為32.46%，合格率為65.91%，這主要是由于充填孔容積較小，當(dāng)型孔進(jìn)入充種區(qū)時(shí)，棉種在重力與種子間相互作用力下涌入充填孔，導(dǎo)致充填孔孔口堵塞，漏播較多。采用直線型充填孔時(shí)，充填孔容積相應(yīng)增大，此時(shí)排種器漏播減小，合格率增大，但在充填孔內(nèi)仍存在有棉種以2粒棉種并列與1粒棉種橫跨堵塞充填孔的現(xiàn)象（圖9）。排種器采用凹型充填孔時(shí)，充填孔容積進(jìn)一步增大，充種較為順利，此時(shí)排種性能最好，穴粒數(shù)合格率達(dá)到95.32%，漏播率為1.93%。

圖9 充填孔堵塞形式

2）正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)

根據(jù)三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)共進(jìn)行23組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為最終試驗(yàn)指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

由表3可知，正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)中棉種破損率均低于0.5%，防傷種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，可有效減少種子損傷。對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，建立合格率、漏播率與內(nèi)窩孔深度、入種口高度、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的二次回歸模型[28]，并進(jìn)行方差分析，方差分析表見(jiàn)表4。進(jìn)而篩選出顯著項(xiàng)[29]，根據(jù)因素編碼公式進(jìn)行回代，得出回歸方程為：

=-10.805+18.1831+0.882+0.9883-1.18712

-0.00722-0.02132（21）

=55.859-7.5361-0.5512-0.2813-0.05413

+0.50512+0.00422+0.01632（22）

表4 正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程方差分析

注：0.05（9,13）=2.71；0.01（9,13）=4.19；0.05（1,13）=4.67；0.01（1,13）=9.07；0.05（5,8）=3.69；0.01（5,8）=6.63；**表示方差分析在0.01水平上顯著；*表示方差分析在0.05水平上顯著。

Note:0.05(9,13)=2.71;0.01（9,13）=4.19;0.05(1,13)=4.67;0.01(1,13)=9.07;0.05(5,8)=3.69;0.01(5,8)=6.63; ** denotes significance of variance analysis at the 0.01 probability levels; * denotes significance of variance analysis at the 0.05 probability levels.

由上述回歸方程與方差分析表可知，排種合格率與漏播率回歸模型檢驗(yàn)均極顯著（<0.01），回歸方程失擬不顯著，與排種器實(shí)際情況擬合良好。對(duì)于合格率回歸方程，除交互項(xiàng)12、13、XX3外，其余各回歸項(xiàng)影響均顯著，且影響排種合格率的主次因素為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、內(nèi)窩孔深度、入種口高度；對(duì)于漏播率回歸方程，除交互項(xiàng)12、XX3外，其余各回歸項(xiàng)影響均顯著，影響排種漏播率的主次因素為內(nèi)窩孔深度、入種口高度、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速。

為得到排種器各因素最佳工作參數(shù)組合，以合格率、漏播率回歸方程為性能指標(biāo)函數(shù)，采用極值理論進(jìn)行優(yōu)化求解[30]，其目標(biāo)函數(shù)與約束條件為

當(dāng)內(nèi)窩孔深度為7.7 mm、入種口高度為62.9 mm、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為23.52 r/min時(shí)，排種器性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，其合格率為95.89%，漏播率為1.45%，重播率為2.66%。為驗(yàn)證其可靠性，開(kāi)展臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值為排種合格率96.23%，漏播率1.85%，重播率1.92%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，且棉種破損率為0.17%，均滿足棉花精量直播農(nóng)藝要求。

改進(jìn)前內(nèi)充種式排種器用于棉花排種時(shí)，其排種質(zhì)量為合格率51.6%，漏播率3.0%，種子破損率3.9%[6]，經(jīng)與內(nèi)充種組合型孔式棉花精量排種器臺(tái)架試驗(yàn)最優(yōu)排種效果對(duì)比可知，排種器合格率提高44.63%，漏播率降低1.15%，種子破損率降低3.73%，可顯著提高播種質(zhì)量。

3.2 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)內(nèi)充種式棉花精量排種器田間播種效果，于2018年1月11日至14日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地開(kāi)展田間性能試驗(yàn)，如圖10所示。試驗(yàn)田塊選取長(zhǎng)28 m、寬9 m的棉田，試驗(yàn)前使用旋耕機(jī)進(jìn)行耕整，使其達(dá)到棉花機(jī)械直播土壤農(nóng)藝要求。耕整后棉田高度差在5 cm以?xún)?nèi)，耕深為26.3 cm，土壤緊實(shí)度為563.8 kPa。試驗(yàn)以棉麥套作棉花播種機(jī)為平臺(tái)，將排種器各參數(shù)均調(diào)節(jié)至臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)的最佳工作狀態(tài)，機(jī)具前進(jìn)速度約為3.73 km/h，連續(xù)統(tǒng)計(jì)機(jī)組勻速行駛的20 m取樣長(zhǎng)度內(nèi)每穴粒數(shù)與穴距，重復(fù)5次，取其平均值作為試驗(yàn)值。試驗(yàn)測(cè)得排種器田間播種作業(yè)質(zhì)量為穴粒數(shù)合格率95.44%、漏播率2.28%、重播率2.28%、傷種率0.06%、穴距合格率97.63%、穴距變異系數(shù)23.11%，滿足棉花精量直播田間作業(yè)要求。

圖10 田間試驗(yàn)

4 結(jié) 論

1）利用約束充種形態(tài)與容納擬剪切棉種的思想，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充種組合型孔式棉花精量排種器，采用容納式階梯狀充填孔，以解決排種器易出現(xiàn)內(nèi)窩孔口堵塞與傷種率高的問(wèn)題。

2）內(nèi)充種組合型孔式排種器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，棉種破損率均低于0.5%；凹型充填孔較直線型、凸型充填孔更適宜于棉花精量直播作業(yè)；影響排種器排種性能的主要因素最佳工作參數(shù)組合為：內(nèi)窩孔深度7.7 mm、入種口高度62.9 mm、排種盤(pán)轉(zhuǎn)速23.52 r/min，此時(shí)，其相應(yīng)性能指標(biāo)為合格率96.23%、漏播率1.85%、重播率1.92%、破損率0.17%；內(nèi)充種組合型孔式排種器可減小種子破損率3.73%，漏播率1.15%，顯著提高播種質(zhì)量。

3）內(nèi)充種組合型孔式排種器田間試驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)充種式棉花精量排種器田間播種質(zhì)量為合格率95.44%、漏播率2.28%、傷種率0.06%、穴距合格率97.63%、穴距變異系數(shù)23.11%，滿足棉花精量直播農(nóng)藝要求。

本文研究了內(nèi)充種組合型孔式棉花精量排種器對(duì)鄂抗棉-10號(hào)棉種的排種性能影響規(guī)律，而棉花品種繁多，不同品種可能需要不同的組合型孔參數(shù)，因此，針對(duì)組合型孔形狀、參數(shù)的研究還有待深入開(kāi)展。

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Design and experiment of inside-filling adjustable precision seed-metering device with combined hole for cotton

Zhou Yong※, Hu Mengjie, Xia Junfang, Zhang Guozhong, Xu Zhaoyao, Feng Chuangchuang, Tang Nanrui, Liu Dezhu

(,,430070,)

In order to improve the status quo that mechanical direct seeding level for cotton is insufficient in the Yellow River basin, a kind of inside-filling precision seed-metering device with stepped filling holes which can reduce the shearing damage on seeds and blocking of nest inside hole was designed. To realize stepless adjustment of the seeding rate, a composite seeding plate which consists of inner seeding plate, lug and outer seeding plate assembled by bolts and nuts was adopted. This paper set forth the working principle of inside-filling seed-metering device and determined the general structure along with necessary parameters of key components. The cotton seed variety E`kangmian-10 with moisture content 11.01% (wet basis) was selected as experimental object. Before testing, all of the cotton seeds had been delinted and coated, and there were no damaged cotton seeds after manual selection. In bench test, the single factor experiment was performed on the seed-metering device. The factor was the shape of filling hole which was changed by replacing lugs, so as to study the effect of shape of filling hole on seeding performance and the optimal one was used for cotton direct seeding. Based on pre-experiments, the nest inside hole depth, seed entrance height and seeding plate rotational speed were taken as main impact factors and the qualified rate, reseeding rate, miss seeding rate and damage rate of seeding were taken as the test indexes. Then quadratic regression rotation-orthogonal combination experiment with concave filling hole was executed. The regression model was established and the influence law of various factors on test indexes was analyzed. Through the tests above, the optimal combination of each factor was obtained. The results indicated that the structural design of anti-injury was reasonable due to the low damage rate, and the concave filling holes are more suitable for cotton direct seeding than straight and convex filling holes. Due to its small volume and the incapability of cotton seeds filling into the hole smoothly under the application of gravity, centrifugal force and interaction force of cotton seeds, the convex filling hole adopted in the inside-filling seed-metering device was seriously blocked which resulted in a high miss seeding rate, the miss seeding rate decreased and qualified rate increased with the increasing of filling hole volume for straight filling hole and the phenomenon of blockage still existed, and seeding performance reached the optimal state without blockage for concave filling hole. The order influencing qualified rate of seed-metering device was seeding plate rotational speed>nest inside hole depth>seed entrance height, and the order influencing miss-seeding rate of seed-metering device was nest inside hole depth>seed entrance height>seeding plate rotational speed. The optimal combination was nest inside hole depth with 7.7 mm, seed entrance height with 62.9 mm, seeding plate rotational speed with 23.52 r/min. On the condition above, the qualified rate (1-3 seeds per hole), reseeding rate (more than 3 seeds per hole), miss seeding rate (0 seed per hole) and damage rate of seeding were 96.23%, 1.92%, 1.85% and 0.17%, respectively. In order to test the seeding performance of seed-metering device in the field, the field experiment was carried out and the results showed that the qualified rate was 95.44%, reseeding rate was 2.28%, miss eeding rate was 2.28%, damage rate was 0.06%, the qualified rate of hole distance was 97.63% and the variation coefficient of hole distance was 23.11%, which meet agronomy requirement for cotton direct seeding. The study provide a reference for the structural design and optimization of inside-filling precision seed-metering device for cotton.

agricultural machinery; seed; design; inside-filling; seed-metering device; direct seeding; stair-stepped filling hole; cotton

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.008

S223.2+3

A

1002-6819(2018)-18-0059-09

2018-05-23

2018-07-27

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAD08B02）;中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（2662015PY070和2012ZYTS022）

周 勇，男，副教授，博士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控技術(shù)。Email：zhyong@mail.hzau.edu.cn

周 勇，胡夢(mèng)杰，夏俊芳，張國(guó)忠，徐照耀，馮闖闖，唐楠銳，劉德柱. 內(nèi)充種組合型孔式播量可調(diào)棉花精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(18)：59－67. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.008 http://www.tcsae.org

Zhou Yong, Hu Mengjie, Xia Junfang, Zhang Guozhong, Xu Zhaoyao, Feng Chuangchuang, Tang Nanrui, Liu Dezhu. Design and experiment of inside-filling adjustable precision seed-metering device with combined hole for cotton[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 59－67. (in Chinese with English abstract) doi: 10.11975/j.issn.1002-6819.2018.18.008 http://www.tcsae.org