廖宜濤 鄭 娟 廖慶喜 丁幼春 高麗萍

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

國(guó)內(nèi)西洋參有播種-采收或播種-移栽-采收兩種種植方式，為提高商品化率，兩種模式播種密度都較大，農(nóng)藝要求行距50～60 mm、株距50～100 mm，采用精細(xì)耕整，做畦后播種，畦寬1.2～1.5 m，播深約25 mm，每畦播種20行以上，要求行株距均勻、播深一致，屬窄行距密植精密播種[1]。西洋參種子呈扁平狀，形狀不規(guī)則，播種前經(jīng)過(guò)催芽后有裂口，機(jī)械化播種難度大。目前主要采用人工壓穴點(diǎn)播，存在勞動(dòng)力消耗大、效率低、生產(chǎn)成本高、播種質(zhì)量差等問(wèn)題[2]，生產(chǎn)實(shí)際中迫切需要西洋參播種機(jī)，其中排種技術(shù)是播種機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

氣吸式排種技術(shù)利用負(fù)壓吸附種子，具有種子形狀適用性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)單粒吸種等優(yōu)點(diǎn)，且吸種過(guò)程種子無(wú)剪切載荷、損傷率低，已成為國(guó)內(nèi)外先進(jìn)播種機(jī)采用的主要排種技術(shù)[3-8]，廣泛應(yīng)用于玉米、大豆、胡蘿卜、三七等種子形狀不規(guī)則的作物精量排種[9-13]。采用滾筒式排種元件的氣吸式排種器，集中裝種、多行排種，可用于三七[14]、滇重樓[15]等窄行距作物精密直播；在滾筒上設(shè)置穴距匹配的型孔，可用于蔬菜穴盤苗播種[16-17]。因滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)種子群擾動(dòng)小，對(duì)西洋參、水稻等流動(dòng)性差的種子，需采用輔助供種裝置或針式吸嘴來(lái)保證排種效果[18-19]。氣吸式排種器采用隔斷負(fù)壓或刮種裝置強(qiáng)制卸種，存在卸種延遲、強(qiáng)制卸種損傷種子等問(wèn)題，在氣吸式排種器的卸種區(qū)設(shè)計(jì)與負(fù)壓氣室隔離的正壓氣室，利用正壓氣吹適時(shí)卸種，可解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)6～8行并聯(lián)集排[20-23]。但氣室分隔板與滾筒壁為軸向線性接觸，氣室分隔密封要求高，難以實(shí)現(xiàn)20行以上并聯(lián)排種。

針對(duì)我國(guó)西洋參種植采用窄行距單粒精密播種的農(nóng)藝要求，本文設(shè)計(jì)一種負(fù)壓吸種、正壓卸種、一器24行并聯(lián)管針式集排器，分析確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立吸種、卸種力學(xué)模型，確定影響排種性能的因素和影響規(guī)律，開展并聯(lián)各行氣流場(chǎng)分配均勻性仿真試驗(yàn)，并通過(guò)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)建立回歸模型，結(jié)合響應(yīng)曲面對(duì)各因素交互作用進(jìn)行分析，尋求最佳的工作參數(shù)組合。

1 集排器結(jié)構(gòu)與工作原理

正負(fù)氣壓組合管針式西洋參集排器主要由種箱、機(jī)架、氣室、管針旋轉(zhuǎn)件、充種室、落種組件等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。集排器呈左右對(duì)稱分布，如圖1a，氣室由外側(cè)氣室和中間氣室組成，外側(cè)氣室和中間氣室通氣端設(shè)有旋轉(zhuǎn)盤；旋轉(zhuǎn)盤與氣室接觸面設(shè)計(jì)成階梯狀，如圖1b，以保證氣室氣密性；旋轉(zhuǎn)盤上固定連有排種軸，且同側(cè)旋轉(zhuǎn)盤上均布多組氣流分配管，每根氣流分配管上按播種行距軸向均布排種針，組成管針旋轉(zhuǎn)件；氣室隔板將氣室內(nèi)腔分為正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，如圖1d，其中正壓區(qū)設(shè)計(jì)在右側(cè)水平線下的45°夾角區(qū)域內(nèi)，對(duì)應(yīng)圖1e的卸種區(qū)，保證種子順利投入落種口，避免落種過(guò)程發(fā)生干涉；氣室其余區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)，為排種器提供吸種、攜種負(fù)壓，對(duì)應(yīng)圖1e的吸種與攜種區(qū)；負(fù)壓區(qū)和正壓區(qū)的氣室外壁上分別設(shè)計(jì)正壓進(jìn)氣口和負(fù)壓進(jìn)氣口，通過(guò)管道與旋渦泵風(fēng)機(jī)的正負(fù)壓供氣端口相連。集排器工作時(shí)，種箱的種子在自重作用下經(jīng)充種管流入充種室，左右排種軸上的鏈輪在動(dòng)力作用下帶動(dòng)排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)氣室旋轉(zhuǎn)盤和與之相連的管針旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)氣室旋轉(zhuǎn)盤上的通孔旋轉(zhuǎn)至負(fù)壓吸種區(qū)時(shí)，管針旋轉(zhuǎn)件在負(fù)壓吸附力下單粒吸種后進(jìn)入攜種區(qū)再旋轉(zhuǎn)至正壓卸種區(qū)，種子在自重、正壓的吹力等作用下卸種，進(jìn)入落種口。集排器連續(xù)工作，將種子群轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘈胁⒙?lián)有序單粒種子流，實(shí)現(xiàn)單粒精密排種。

圖1 正負(fù)氣壓組合管針式西洋參集排器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematics of positive and negative pressure combined tube-needle centralized seeding device and key components1.種箱 2.輸氣管 3.左外側(cè)氣室 4.左外側(cè)氣室旋轉(zhuǎn)盤 5.左側(cè)排種軸 6.左側(cè)氣流分配管 7.左旋轉(zhuǎn)盤軸 8.左內(nèi)側(cè)氣室旋轉(zhuǎn)盤 9.中間氣室 10.右內(nèi)側(cè)氣室旋轉(zhuǎn)盤 11.右旋轉(zhuǎn)盤軸 12.右側(cè)氣流分配管 13.右外側(cè)氣室旋轉(zhuǎn)盤 14.右外側(cè)氣室 15.右側(cè)排種軸 16.排種針 17.機(jī)架 18.氣室 19.氣室旋轉(zhuǎn)盤 20.氣流分配管 21.充種管 22.充種室 23.落種組件 24.氣室組合 25.管針旋轉(zhuǎn)件

2 管針旋轉(zhuǎn)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

采用山東省文登市西洋參種子，通過(guò)對(duì)其物料特性研究，得到其平均三軸尺寸為6.24 mm×5.04 mm×3.35 mm，計(jì)算可得西洋參種子幾何平均寬度為4.72 mm。排種針直接參與排種器工作過(guò)程，其結(jié)構(gòu)對(duì)吸種和卸種等有重要影響，為保證排種針結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和加工安裝，以及排種針與充種室的合理距離，并避免出現(xiàn)急劇收縮壁面影響氣流穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)排種針結(jié)構(gòu)如圖1f。其中排種針下端為外螺紋，便于與氣流分配管相連，下端直管內(nèi)徑d1為10 mm，長(zhǎng)度l1為40 mm，上端設(shè)計(jì)為錐形管狀，以減小排種針吸種時(shí)與種群的接觸面積、降低阻力，錐角為173°，長(zhǎng)度l2為40 mm，直管與錐形管壁厚均為2 mm；排種器工作時(shí)排種針末端種子吸附面與種子直接接觸，其直徑dx可表示為[24]

dx=ab

(1)

式中a——系數(shù)，取0.64～0.66

b——幾何平均寬度，mm

計(jì)算可得排種針末端種子吸附面直徑為3.02～3.11 mm，取3.00 mm；為延長(zhǎng)排種針與種群面的有效接觸時(shí)間以提高吸種率，排種針末端運(yùn)動(dòng)半徑取175 mm，為避開排種針的旋轉(zhuǎn)軌跡并保證吸種后種子的順利回流和填充，充種室底板圓弧半徑取180 mm。

根據(jù)農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)集排器工作幅寬1.5 m，集排器旋轉(zhuǎn)一周播種4次，一次播種24行，集排器左右兩側(cè)對(duì)稱均布4組管針旋轉(zhuǎn)件，每個(gè)氣流分配管上等間距布置12個(gè)排種針，間距為56 mm，共計(jì)96個(gè)排種針。考慮到管道流量損失和機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等，氣流分配管內(nèi)徑和氣室進(jìn)氣口內(nèi)徑一致，設(shè)計(jì)為30 mm，外徑為35 mm，氣流分配管內(nèi)徑、排種針下端直管內(nèi)徑、排種針末端種子吸附面內(nèi)徑比為30∶10∶3，滿足氣流分配管內(nèi)徑大于全部排種針末端種子吸附面過(guò)流面積的要求。

由圖1d氣室結(jié)構(gòu)可知，負(fù)壓區(qū)容積為

(2)

式中σ——?dú)馐邑?fù)壓區(qū)圓心角，取315°

D——?dú)馐彝馔矁?nèi)徑，取0.228 m

D1——?dú)馐覂?nèi)筒外徑，取0.075 m

h——?dú)馐液穸?，?.045 m

計(jì)算可得負(fù)壓區(qū)容積為V=1.434×10-3m3，能保證足夠大的負(fù)壓區(qū)，使96個(gè)排種針正常工作。

忽略氣室組合各部件安裝處的漏氣量，根據(jù)質(zhì)量守恒原理可知

(3)

式中 ∑Qin——入口總流量

∑Qout——出口總流量

Q0——?dú)馐疫M(jìn)氣口處總流量

Q1——?dú)馐医孛婵偭髁?/p>

Q2——?dú)饬鞣峙涔軆啥丝偭髁?/p>

Q3——排種針末端種子吸附處總流量

設(shè)在負(fù)壓區(qū)的管針旋轉(zhuǎn)件為n個(gè)，將空氣視為不可壓縮流體，由不可壓縮流體的連續(xù)性方程可知

(4)

式中Q——流量S——管道截面面積

v——流速

d0——?dú)馐疫M(jìn)氣口內(nèi)徑，為0.03 m

d——?dú)饬鞣峙涔軆?nèi)徑，為0.03 m

v0——?dú)馐疫M(jìn)氣口流速，m/s

v1——?dú)馐医孛媪魉?，m/s

v2——?dú)饬鞣峙涔芄艿蓝嗣媪魉?，m/s

v3——排種針末端種子吸附面流速，m/s

n——在負(fù)壓區(qū)的管針旋轉(zhuǎn)件個(gè)數(shù)，取3個(gè)

由理想氣體的伯努利方程可知

(5)

式中 Δp——負(fù)壓差，為保證順利吸種，取4 500 Pa

p0——?dú)馐疫M(jìn)氣口處壓強(qiáng)

p3——排種針末端種子吸附處壓強(qiáng)

ρ——空氣密度，取1.169 kg/m3

聯(lián)合式(3)～(5)計(jì)算可得

(6)

計(jì)算可知：氣流分配管管道端面流速v2=5.352 m/s，結(jié)合式(4)得v0=16.056 m/s，v1=0.278 m/s，v3=89.200 m/s。

2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)驗(yàn)證

管針旋轉(zhuǎn)件是集排器的關(guān)鍵組成部分，為驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性，運(yùn)用ANSYS中的ICEM-CFD和Fluent軟件進(jìn)行管針旋轉(zhuǎn)件氣流場(chǎng)仿真試驗(yàn)。將進(jìn)氣口設(shè)為速度入口邊界條件，針對(duì)將模型12個(gè)排種針末端種子吸附面設(shè)置為氣流場(chǎng)入口面時(shí)，需要設(shè)定排種針末端種子吸附面處流速v3，從而無(wú)法進(jìn)行并聯(lián)各行排種針氣流場(chǎng)分布均勻性分析的問(wèn)題，將入口面設(shè)置為氣流分配管兩端端面，同時(shí)將流速矢量設(shè)定為反向負(fù)值，即-5.352 m/s，保證仿真模型中氣流由排種針向氣流分配管方向流動(dòng)，使管針旋轉(zhuǎn)件模型內(nèi)形成負(fù)壓，匹配實(shí)際工作情況。將出口面設(shè)置為12個(gè)排種針末端種子吸附面，采用壓力出口邊界條件，模擬排種針末端種子吸附面外部條件為大氣壓[25-26]。在后處理中提取各行排種針末端種子吸附面氣流流速平均值，用于驗(yàn)證并聯(lián)各行排種針氣流場(chǎng)分配均勻性。

管針旋轉(zhuǎn)件內(nèi)氣流流動(dòng)狀態(tài)用雷諾數(shù)Re進(jìn)行判斷，雷諾數(shù)計(jì)算公式為

(7)

式中μ——空氣動(dòng)力粘度，取1.79×10-5Pa·s

γ——空氣運(yùn)動(dòng)粘度，取1.48×10-5m2/s

計(jì)算得Re=1.085×104，遠(yuǎn)大于湍流流動(dòng)的臨界值2 300，則集排器工作時(shí)空氣運(yùn)動(dòng)形態(tài)為不可壓縮湍流運(yùn)動(dòng)，采用湍流標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

仿真計(jì)算獲得管針旋轉(zhuǎn)件的氣流場(chǎng)速度云圖如圖2所示。圖中A、C兩區(qū)域氣體流動(dòng)矢量分布對(duì)稱一致，B區(qū)域矢量分布中間對(duì)稱，結(jié)合總體氣流場(chǎng)分布可知管針旋轉(zhuǎn)件內(nèi)氣流場(chǎng)呈中間對(duì)稱分布。在靠近管道兩端的A、C區(qū)域，氣體流動(dòng)矢量方向一致性較好、能量損失較小；中間部位B區(qū)域的氣流存在向兩端流出的情況，矢量分布較雜，出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，能量損失較大。

由于氣流分配管內(nèi)徑與排種針下端直管內(nèi)徑、排種針末端種子吸附面直徑比為30∶10∶3，因此在流量恒定條件下，隨著過(guò)流截面的減小，由分配管至排種針末端，流速呈上升趨勢(shì)。并聯(lián)各行排種針內(nèi)部流速變化相似，均為排種針末端處流速最大，排種針錐形管內(nèi)氣體流速隨著內(nèi)徑擴(kuò)大流速降低，下端直管內(nèi)流速保持穩(wěn)定。后處理提取的1～12行排種針末端種子吸附面氣流流速為84.948、90.772、92.244、90.339、91.654、92.285、88.454、91.122、90.042、93.610、86.984、93.926 m/s，平均值為90.532 m/s，與理論計(jì)算v3值接近，表明模型參數(shù)設(shè)計(jì)合理；統(tǒng)計(jì)分析可知，其變異系數(shù)為2.923%，表明設(shè)計(jì)的集排器并聯(lián)各行排種針流場(chǎng)分配均勻性較好。

3 集排器工作過(guò)程分析

3.1 吸種過(guò)程分析

吸種過(guò)程中，種子先受到吸力作用，再與排種針接觸并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，有以下情況：種子未被吸附在排種針上或吸附后在種群摩擦擠壓阻力作用下掉落，造成漏吸；多粒種子被吸附在排種針上離開種群，形成多粒重吸；單粒種子被吸附在排種針上順利運(yùn)移離開種群，為理想吸種狀態(tài)。種子受力分析見圖3。

圖3 理想吸種過(guò)程種子受力分析Fig.3 Force analysis of ideal sucking seed progressⅠ.吸種區(qū) Ⅱ.攜種區(qū) Ⅲ.卸種區(qū)

吸種區(qū)種子受到負(fù)壓差產(chǎn)生的吸附力作用將吸附到排種針上，此瞬時(shí)種子未與排種針接觸并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，無(wú)慣性力FL和FN1，此時(shí)種子的受力應(yīng)滿足條件

(8)

由式(8)可得

(9)

式中FQ1——吸種第一階段種子所需吸附力

G——種子重力

FN1——種子受到排種針的支持力

FN2——種子受到種群的支持力

ax——種子受吸附力作用產(chǎn)生的加速度

FS1——種子受到排種針的摩擦力

FS2——種子受到種群的摩擦力

FL——慣性離心力

θ——吸種角

φ1——西洋參種子與排種針之間的滑動(dòng)摩擦角

φ2——西洋參種子自然休止角

種子被成功吸附并隨排種針轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)種子受力應(yīng)滿足條件

(10)

式中FQ2——吸種第二階段種子所需吸附力

ω——排種軸角速度

r——排種針末端種子運(yùn)動(dòng)半徑

由式(10)可得

(11)

排種針末端種子吸附處內(nèi)外壓差產(chǎn)生的吸附力FQ為

(12)

式中k——各因素比例系數(shù)

為了種子能順利被吸附，吸附力至少大于第二階段種子所需吸附力，即：FQ≥FQ2，當(dāng)α=90°時(shí)，F(xiàn)N2=G，此時(shí)

(13)

由式(13)可知，單粒種子被吸附在排種針上并順利隨之旋轉(zhuǎn)離開充種室所需吸附力FQ,與負(fù)壓差Δp、排種針末端種子吸附面直徑dx、種子物料特性(k、m、φ1、φ2)、排種軸角速度ω、排種針末端種子運(yùn)動(dòng)半徑r和吸種角θ等有關(guān)。

3.2 攜種過(guò)程分析

攜種過(guò)程中，被吸附的種子隨排種針轉(zhuǎn)動(dòng)直至落種區(qū)，種子的受力分析見圖4。

圖4 攜種過(guò)程受力分析Fig.4 Force analysis of carrying seed progress

單粒種子被吸附在排種針上，保證不會(huì)中途掉落所需吸附力需滿足

(14)

計(jì)算可得

(15)

式中FQ0——種子順利通過(guò)攜種區(qū)不掉落所需吸附力

FQ3——卸種過(guò)程種子所受吸附力

FN——種子受到排種針的支持力

FS——種子受到排種針的摩擦力

由式(15)可知，種子始終單粒吸附在排種針上并順利到達(dá)卸種區(qū)所需的吸附力FQ0，與種子物料特性參數(shù)(k、m、φ1)、排種針末端種子吸附面直徑dx、排種軸角速度ω、排種針末端種子運(yùn)動(dòng)半徑r和吸種角θ有關(guān)。

3.3 卸種過(guò)程分析

當(dāng)種子隨排種針旋轉(zhuǎn)至卸種區(qū)，負(fù)壓吸附力轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎簹獯盗?，種子受自重和正壓吹力作用脫離排種針掉入落種管，此過(guò)程種子受力分析見圖5。

圖5 卸種過(guò)程受力分析Fig.5 Force analysis of unloading progress

卸種需要的壓差作用力需滿足

(16)

式中FP——種子臨近落種時(shí)所受壓差作用力

F——種子通過(guò)攜種區(qū)不掉落所需壓差作用力

由式(16)可得，卸種所需壓差作用力

當(dāng)α=90°，排種針對(duì)種子支持力與種子自重相等，即FN=G，此時(shí)壓差作用力需滿足：F≥m(ω2r-gtanφ1)。

4 排種性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)用經(jīng)催芽處理后的山東省文登市西洋參種子，含水率為29.94%～37.90%；試驗(yàn)依據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為排種性能指標(biāo)。排種性能試驗(yàn)包括單因素試驗(yàn)、二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并在較優(yōu)參數(shù)組合下以各行合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)和行間合格指數(shù)一致性變異系數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行各行穩(wěn)定性及行間一致性驗(yàn)證試驗(yàn)，每次試驗(yàn)重復(fù)5次。

試驗(yàn)裝置如圖6所示。其中排種性能采用自制檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)定，檢測(cè)裝置包括壓電薄膜式種子流傳感器[27]和監(jiān)測(cè)顯示終端[28]，檢測(cè)時(shí)壓電薄膜式種子流傳感器利用種子下落過(guò)程中撞擊壓電薄膜產(chǎn)生的微弱電壓信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后形成與排種種子流序列相對(duì)應(yīng)的排種脈沖序列信號(hào)，由單片機(jī)系統(tǒng)捕獲中斷程序及定時(shí)計(jì)數(shù)程序獲得種子流的排種頻率、排種總數(shù)和排種時(shí)間間隔序列，發(fā)送給監(jiān)測(cè)顯示終端裝置，終端裝置對(duì)排種時(shí)間間隔序列進(jìn)行分析得到排種的合格指數(shù)和漏播指數(shù)。具體分析算法為：檢測(cè)裝置連續(xù)記錄排種器連續(xù)排出的251粒種子，獲得連續(xù)250個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)間間隔序列；對(duì)比檢測(cè)裝置獲得的時(shí)間間隔序列與單粒排種的理論時(shí)間間隔，若排種器排出的相鄰兩粒種子的時(shí)間間隔大于1.5倍理論時(shí)間間隔，則判斷為漏播；時(shí)間間隔為0.5～1.5倍理論時(shí)間間隔，判斷為單粒合格；時(shí)間間隔為0.5倍理論時(shí)間間隔，判斷為重播；統(tǒng)計(jì)250個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)間間隔序列中單粒合格、漏播與重播，即獲得排種器排種的合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)。

圖7 排種軸轉(zhuǎn)速、負(fù)壓和正壓與排種性能指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curves of row axis speed, negative pressure and positive pressure with seeding performance indicators

圖6 排種性能試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.6 Physical map of seeding performance test device1.風(fēng)機(jī) 2.氣室組合 3.電機(jī) 4.U型壓差計(jì) 5.變頻器 6.監(jiān)測(cè)顯示終端裝置 7.壓電薄膜式種子流傳感器 8.機(jī)架 9.種子袋 10.落種組件 11.排種針 12.輸氣管 13.風(fēng)管

檢測(cè)前先在監(jiān)測(cè)顯示終端設(shè)定排種器的工作轉(zhuǎn)速和每轉(zhuǎn)排種次數(shù)(試驗(yàn)的集排器單行排種次數(shù)為4次/r)，由監(jiān)測(cè)顯示終端裝置計(jì)算其理論間隔時(shí)間作為單粒合格、漏播和重播的判斷標(biāo)準(zhǔn)。排種器由A07134三相異步電機(jī)帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速由三菱FR-A700變頻器控制，并通過(guò)VICTOR DM6235P智能型數(shù)字轉(zhuǎn)速表進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.2 單因素試驗(yàn)

由集排器工作過(guò)程分析可知，影響集排器排種性能的主要工作參數(shù)有排種軸轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓，為探明這3個(gè)因素對(duì)集排器排種性能的影響，分別對(duì)其開展單因素試驗(yàn)。根據(jù)預(yù)試驗(yàn)效果，設(shè)定正負(fù)氣壓組合管針式西洋參集排器負(fù)壓為4.5 kPa，正壓為3.0 kPa，選取排種軸轉(zhuǎn)速為10、12、15、18、21、24、27 r/min共7個(gè)水平開展排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)集排器排種性能影響試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7a；設(shè)定集排器排種軸轉(zhuǎn)速為15 r/min，正壓為3.0 kPa，選取負(fù)壓為3.6、3.9、4.2、4.5、4.8、5.1、5.4 kPa共7個(gè)水平開展吸種負(fù)壓對(duì)集排器排種性能影響試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7b；設(shè)定集排器排種軸轉(zhuǎn)速為15 r/min，負(fù)壓為4.5 kPa，選取正壓為2.4、2.7、3.0、3.3、3.6、3.9、4.2 kPa共7個(gè)水平開展卸種正壓對(duì)集排器排種性能影響試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7c。

由圖7a可知，負(fù)壓4.5 kPa，正壓3.0 kPa時(shí)，隨著排種軸轉(zhuǎn)速增大，合格指數(shù)呈先增后減趨勢(shì)，漏播指數(shù)呈上升趨勢(shì)，重播指數(shù)呈下降趨勢(shì)，合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)先升后降，分析原因是西洋參種子粒徑大，在負(fù)壓4.5 kPa條件下，當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，排種針未能與種子充分接觸，造成漏播現(xiàn)象增加，合格指數(shù)降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速在15 r/min時(shí)，集排器合格指數(shù)達(dá)到90.4%，漏播指數(shù)和重播指數(shù)均控制在5.0%以內(nèi)，合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.11%，排種性能較好，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò)24 r/min后合格指數(shù)低于80.0%，漏播指數(shù)大于15.0%，合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)大于5.00%，排種性能大幅度降低。

由圖7b可知，排種軸轉(zhuǎn)速15 r/min，正壓3.0 kPa時(shí)，隨著負(fù)壓增加，合格指數(shù)呈先升后降趨勢(shì)，漏播指數(shù)呈下降趨勢(shì)，重播指數(shù)呈先降后升趨勢(shì)，合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)呈先增后降趨勢(shì)，主要原因是負(fù)壓偏小時(shí)，種子受到負(fù)壓提供的吸附力較小，易發(fā)生漏播或吸種不穩(wěn)定、種子中途掉落情況，隨著負(fù)壓的增加，種子所受吸附力增大，使漏播指數(shù)降低，重播指數(shù)增大。負(fù)壓為4.5～4.8 kPa時(shí)合格指數(shù)大于90.0%，漏播指數(shù)低于5.0%，合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)低于2.53%，排種性能較優(yōu)且穩(wěn)定性較好。

由圖7c可知，排種軸轉(zhuǎn)速15 r/min，負(fù)壓4.5 kPa時(shí)，隨著正壓增加，合格指數(shù)呈小范圍上升后下降趨勢(shì)，漏播指數(shù)呈上升趨勢(shì)，重播指數(shù)先降后升，合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)小范圍內(nèi)波動(dòng)。

4.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)

4.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為響應(yīng)指標(biāo)，根據(jù)單因素試驗(yàn)確定排種軸轉(zhuǎn)速范圍為12.00～24.00 r/min，負(fù)壓范圍為3.90～5.10 kPa，正壓范圍為2.70～3.90 kPa，因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2所示，Z1、Z2、Z3為因素編碼值。

表1 因素編碼Tab.1 Cording of factors

4.3.2回歸模型方程的建立與顯著性檢驗(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)Y1、漏播指數(shù)Y2、重播指數(shù)Y3與排種軸轉(zhuǎn)速Z1、負(fù)壓Z2、正壓Z3之間的回歸方程，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果和回歸方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

響應(yīng)指標(biāo)Y1、Y2、Y3回歸模型方程為

(17)

(18)

(19)

表2 二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Test scheme and result of experiment of quadratic rotation-orthogonal combination

對(duì)式(17)～(19)剔除不顯著因素后的回歸模型方程為

(20)

(21)

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：*表示影響顯著(P<0.05)；** 表示影響極顯著(P<0.01)。

Y3=5.88-1.51Z1+1.36Z2-0.84Z3

(22)

分析式(20)～(22)的回歸系數(shù)可知，影響排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)的因素主次順序均為排種軸轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓、卸種正壓。

4.3.3試驗(yàn)因素影響效應(yīng)分析

合格指數(shù)和漏播指數(shù)是評(píng)價(jià)精密排種器排種性能的2個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，借助Design-Expert 8.0.6軟件，根據(jù)以上建立的排種器合格指數(shù)和漏播指數(shù)回歸模型，繪制響應(yīng)曲面和等值線圖，如圖8、9所示。

由圖8a、9a可知，正壓處于零水平(3.30 kPa)，負(fù)壓一定時(shí)，隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增加，合格指數(shù)呈先升后降趨勢(shì)，漏播指數(shù)呈上升趨勢(shì)；排種軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著負(fù)壓的增加，合格指數(shù)呈先升后降趨勢(shì)，漏播指數(shù)呈下降趨勢(shì)；排種軸轉(zhuǎn)速為12.00～18.00 r/min，負(fù)壓為4.50～4.80 kPa時(shí)，排種器合格指數(shù)較高，漏播指數(shù)較小；由圖8b、9b可知，負(fù)壓處于零水平(4.50 kPa)，正壓一定時(shí)，隨著排種軸轉(zhuǎn)速的增加，合格指數(shù)先升后降，漏播指數(shù)先降后升；排種軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著正壓的增加，合格指數(shù)小幅度上升后呈下降趨勢(shì)，漏播指數(shù)小幅度下降后呈上升趨勢(shì)。在正壓為2.90 kPa時(shí)合格指數(shù)最高，漏播指數(shù)最低；排種軸轉(zhuǎn)速為14.43～18.00 r/min，正壓為2.70～3.30 kPa時(shí)，排種器合格指數(shù)較高，漏播指數(shù)較??；由圖8c、9c可知，排種軸轉(zhuǎn)速處于零水平(18.00 r/min)，正壓一定時(shí)，隨著負(fù)壓的增加，合格指數(shù)先上升后基本穩(wěn)定，漏播指數(shù)先降低后基本穩(wěn)定；負(fù)壓一定時(shí)，隨著正壓的增加，合格指數(shù)降低，漏播指數(shù)增加，負(fù)壓為4.50～4.86 kPa時(shí)，合格指數(shù)較高，漏播指數(shù)較小。

圖8 交互因素對(duì)合格指數(shù)的影響Fig.8 Effects of interactive factors on qualified index

圖9 交互因素對(duì)漏播指數(shù)的影響Fig.9 Effects of interactive factors on missing index

4.4 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

合格指數(shù)和漏播指數(shù)是反映單粒(精密)播種機(jī)排種效果的重要指標(biāo)，在試驗(yàn)范圍內(nèi)要求合格指數(shù)盡量偏高，漏播指數(shù)盡量降低，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為性能指標(biāo)函數(shù)，結(jié)合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T 503—2015《單粒(精密)播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量》及西洋參實(shí)際生產(chǎn)要求，設(shè)定合格指數(shù)大于88.50%，漏播指數(shù)小于5.00%，重播指數(shù)小于7.50%，通過(guò)圖8b、9b可知，在正壓為2.90 kPa時(shí)，合格指數(shù)最高，漏播指數(shù)最小，利用Optimization-Graphical模塊優(yōu)化得最佳參數(shù)范圍如圖10黃色區(qū)域所示(X3=2.90 kPa)，即排種軸轉(zhuǎn)速為13.10～17.70 r/min，負(fù)壓為4.25～4.50 kPa。

對(duì)優(yōu)化所得理論結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，選取排種軸轉(zhuǎn)速15 r/min時(shí)，負(fù)壓4.40 kPa，正壓2.90 kPa，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)得排種器合格指數(shù)為90.10%，漏播指數(shù)3.40%，重播指數(shù)為6.50%，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本一致。

4.5 各行穩(wěn)定性和行間一致性驗(yàn)證

為驗(yàn)證集排器各行穩(wěn)定性和行間一致性，在優(yōu)化得最佳參數(shù)范圍內(nèi)選取3組工況組合，如表4所示，在這3種工況組合下測(cè)量同側(cè)12行的合格指數(shù)，計(jì)算各行5次重復(fù)試驗(yàn)所得合格指數(shù)穩(wěn)定性變異系數(shù)，驗(yàn)證集排器各行穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果如表5。

圖10 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.10 Diagram of parameters optimization and analysis

表4 工況組合Tab.4 Combination of operating conditions

由表5可知，在選取的3種工況組合下，集排器各行合格指數(shù)均大于86.30%，各行穩(wěn)定性變異系數(shù)均小于6.20%，計(jì)算12行的行間合格指數(shù)一致性變異系數(shù)，驗(yàn)證集排器行間一致性。集排器行間合格指數(shù)一致性變異系數(shù)分別為1.53%、1.78%、1.41%，各行穩(wěn)定性和行間一致性較好，驗(yàn)證可得集排器整體排種性能良好，滿足西洋參精密播種要求。

表5 集排器穩(wěn)定性和各行合格指數(shù)一致性驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 Validation results of stability and consistency of each row of centralized seeding device %

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓吸種與攜種、正壓卸種的管針式西洋參集排器，實(shí)現(xiàn)了一器24行并聯(lián)單粒排種。對(duì)關(guān)鍵部件管針旋轉(zhuǎn)件開展了并聯(lián)各行氣流分配均勻性仿真，仿真結(jié)果表明：各排種針末端種子吸附面平均流速變化較小，并聯(lián)各行氣流分配均勻性較好，集排器工作時(shí)能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)各行均勻吸種；構(gòu)建了各工作環(huán)節(jié)力學(xué)模型，確定了影響集排器排種性能的關(guān)鍵工作參數(shù)依次為：排種軸轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓。

(2)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)集排器排種性能進(jìn)行了測(cè)試，確定了排種軸轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓和卸種正壓對(duì)集排器排種性能的影響規(guī)律，并通過(guò)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)建立了排種性能指標(biāo)與各因素之間的回歸模型，通過(guò)響應(yīng)面分析得出各因素交互作用對(duì)排種性能的影響。采用多目標(biāo)優(yōu)化方法得到最佳工作參數(shù)范圍，在優(yōu)化的參數(shù)范圍內(nèi)取3種工況進(jìn)行各行穩(wěn)定性和行間一致性驗(yàn)證，集排器各行合格指數(shù)大于86.30%，各行穩(wěn)定性變異系數(shù)均小于6.20%，行間合格指數(shù)一致性變異系數(shù)小于1.80%，各行穩(wěn)定性和行間一致性較好，集排器整體排種性能良好，滿足西洋參精密播種要求。