張開興 李金鳳 宋正河 劉賢喜,3 劉 磊

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083；3.山東省園藝機械與裝備重點實驗室， 泰安 271018)

0 引言

排種器作為播種機的關(guān)鍵核心部件，其性能直接影響播種質(zhì)量[1-2]。氣吸式排種器具有不傷種子、對種子外形尺寸要求不嚴(yán)、作業(yè)速度高等優(yōu)點，已成為精量播種機的主要研究方向[3]。丁力等[4]設(shè)計了一種具有輔助充種作用的玉米氣吸式高速精量排種器，在充種區(qū)利用型孔凸臺對種子進(jìn)行擾動和托持，在卸種區(qū)能夠?qū)崿F(xiàn)均勻排種，大大提高了合格指數(shù)。耿端陽等[5]設(shè)計了一種傾斜圓盤式排種器，并通過試驗對圓盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定圓盤錐角為39°、型孔數(shù)為30個，充種效果好、可適應(yīng)高速作業(yè)要求。顏丙新等[6]設(shè)計了一種排種盤和負(fù)壓腔室同步旋轉(zhuǎn)的氣吸式排種器，通過固定連接排種盤與負(fù)壓腔室在作業(yè)時同步旋轉(zhuǎn)，達(dá)到低氣壓損失、高排種精度的效果。DIZAJI等[7]設(shè)計了一種氣力式精密排種器的噴氣投種裝置，研究了排種盤轉(zhuǎn)速、投種裝置的氣流速度對種子破損率、充種率和出苗率的影響。SINGH等[8]運用電子控制計量系統(tǒng)對精量排種器排種過程進(jìn)行實時監(jiān)測與反饋，降低漏播，提高了播種質(zhì)量精度。雷小龍等[9]設(shè)計了一種充種攪拌裝置，解決了油菜小麥種子排種器充種能力不足的問題。

上述研究雖在排種器結(jié)構(gòu)和排種方式上有所創(chuàng)新，但針對圓盤型排種器播種不同粒徑種子仍需更換排種圓盤，尚未實現(xiàn)多粒徑種子的播種[10-12]?；诖耍疚脑O(shè)計一種型孔可調(diào)的變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器，通過雙圓盤旋轉(zhuǎn)組合變換出不同的型孔直徑，以實現(xiàn)對不同粒徑種子的播種；對圓盤上型孔排布及型孔形狀進(jìn)行合理設(shè)計，通過仿真試驗獲取最優(yōu)型孔組合參數(shù)；通過臺架試驗和正交試驗獲得排種器作業(yè)參數(shù)，并借助田間試驗驗證排種器可靠性。

1 結(jié)構(gòu)與原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器主要由氣室殼、氣吸墊、旋轉(zhuǎn)圓盤、固定圓盤、清種器、種箱、傳動軸等部件組成，如圖1所示。雙圓盤的一側(cè)是氣室，它通過氣室殼出口與風(fēng)機管道相連，另一側(cè)是種室，作業(yè)時圓盤旋轉(zhuǎn)，足夠的負(fù)壓使圓盤上的型孔在充種區(qū)吸附種子，然后經(jīng)過清種器刮掉多余的種子，進(jìn)而保證播種量精確。種子隨著圓盤轉(zhuǎn)動離開負(fù)壓區(qū)，型孔對種子失去吸附力，種子靠自重掉入導(dǎo)種管，最終落入種床，完成排種過程[13-16]。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of seeder structure1.蓋盤螺母 2.氣室殼蓋盤 3.固定螺栓 4.氣室殼 5.氣吸墊 6.氣吸墊壓盤 7.插盤螺栓 8.固定插盤 9.旋轉(zhuǎn)圓盤 10.固定圓盤 11.清種器 12.后殼 13.傳動軸

1.2 變粒徑雙圓盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

雙圓盤結(jié)構(gòu)如圖2a所示，排種器設(shè)置有旋轉(zhuǎn)圓盤和固定圓盤，二者通過同軸相向旋轉(zhuǎn)，使兩圓盤上相同直徑的型孔重合，通過插盤螺栓進(jìn)行固定，可以對不同粒徑的種子進(jìn)行播種工作。當(dāng)種子受到自身重力均勻流至充種區(qū)時，在充種區(qū)形成種堆，固定圓盤朝向種室的一面設(shè)置有擾種輥，對貼近排種圓盤的種子起攪動、梳理作用，使種子不斷產(chǎn)生運動并向上涌動，以降低種子間的摩擦力與粘附力，提高充種能力[17]。

圖2 圓盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of disk structure1.插盤螺栓 2.固定插盤 3.旋轉(zhuǎn)圓盤 4.固定圓盤 5.擾種輥 6.固定螺母 7.傳動軸

現(xiàn)有排種圓盤直徑范圍為140～260 mm，通過理論計算和經(jīng)驗參考，選取雙圓盤直徑為240 mm，制作材料采用1 mm厚的不銹鋼鋼板。圓盤型孔分布情況如圖2b所示，兩圓盤上設(shè)置有A、B、C、D4種不同大小的型孔，根據(jù)型孔直徑公式d=(0.64～0.66)Bl，Bl為種子平均寬度，以油菜種、菠菜種、高粱種、大豆種4種具代表性種子為例，測得平均粒徑為1.2、1.9、2.8、5.4 mm，計算后選擇4種型孔直徑為0.8、1.2、1.8、3.5 mm。當(dāng)同類籽粒的不同品種在尺寸差別不大的情況下，依然可以采用相應(yīng)的型孔，若差距大，可更換圓盤上其他型孔或?qū)ΨN子進(jìn)行丸化處理，然后進(jìn)行播種。型孔一般設(shè)置在排種盤邊緣15～20 mm，且型孔所在圓周直徑范圍為100～230 mm，考慮到圓盤設(shè)置有4種型孔，故將最外側(cè)孔徑設(shè)置在距離排種盤邊緣15 mm處，各排型孔所在圓周相距5 mm，所以型孔A、B、C、D所在圓周半徑分別為105、100、95、90 mm。由于排種器能夠?qū)Σ煌降姆N子進(jìn)行播種，排種圓盤的型孔數(shù)極其重要，在型孔直徑確定的情況下，型孔越多，排種器轉(zhuǎn)速越低，利于提高充種率、降低破損率；反之，型孔越少，在保證播種株距前提下，排種器轉(zhuǎn)速將越高。排種圓盤的型孔數(shù)量計算公式為

(1)

式中Dw——圓盤直徑，m

vc——播種機作業(yè)速度，m/s

δ——地輪滑移率，一般為0.05～0.12

vl——種子脫落時的線速度，m/s

k——株距，m

考慮到最外側(cè)大粒徑種子株距和排種器性能因素，排種器的線速度一般不應(yīng)大于0.35 m/s，取0.32 m/s，地輪滑移率取0.08。型孔A以大豆種子為例，作業(yè)速度為2.5～3.0 m/s，株距為0.20～0.40 m，由式(1)得15.90≤MA≤35.63；型孔B以高粱種子為例，選擇作業(yè)速度為2.8～3.6 m/s，株距為0.30～0.40 m，則17.81≤MB≤30.53；型孔C以菠菜種子為例，作業(yè)速度為1.6～2.2 m/s，株距為0.08～0.15 m，則27.14≤MC≤69.98；型孔D以油菜種子為例，作業(yè)速度為1.5～2.0 m/s，株距為0.06～0.10 m，則38.17≤MD≤84.82。綜合上述4種型孔數(shù)量范圍可知，種子粒徑越小，則內(nèi)側(cè)型孔數(shù)越多，外側(cè)型孔越容易發(fā)生重疊，不利于圓盤增添多排孔徑，為保證4種型孔不發(fā)生重疊，型孔分布更緊湊，故每種型孔的周向數(shù)量設(shè)為30個，每個孔徑組合中兩相鄰孔徑間夾角均為3.5°。型孔A～D依次由圓盤外側(cè)向內(nèi)側(cè)排布，為確保每次有且僅有一種型孔相通，在固定圓盤上設(shè)有4對沿對角線分布的固定圓孔，其夾角依次為14°、17°、14°，每對固定圓孔對應(yīng)一種型孔。

型孔組合圖示如圖3所示，外側(cè)4排型孔中，型孔呈黑色表明兩圓盤孔徑相通，灰色表明不相通。旋轉(zhuǎn)圓盤順時針轉(zhuǎn)動依次從圖3a變換到圖3d，對應(yīng)型孔相通順序為A、C、B、D。在4排型孔中，型孔A可以播種大豆、豌豆等較大粒徑種子；型孔B可以播種高粱、香菜等中等粒徑種子；型孔C可以播種菠菜、空心菜等中小粒徑種子；型孔D可以播種油菜、娃娃菜等較小粒徑種子。在固定插盤中，固定圓孔呈黑色表示插盤螺栓所固定位置。

2 吸排種過程運動學(xué)分析

2.1 吸種過程分析

在忽略播種過程中播種機振動的情況下，將種子近似視為球體，以種子的質(zhì)心為原點建立三軸笛卡爾坐標(biāo)系，以種子所受摩擦力的方向為x軸正向，所受離心力的方向為y軸正向，所受負(fù)壓吸附力的方向為z軸正向，對雙圓盤氣吸式排種器的吸種過程和排種過程進(jìn)行運動學(xué)分析，如圖4a所示。

圖4 排種過程種子運動學(xué)分析Fig.4 Stress analysis of seeds during filling process

如圖4a所示，在吸種圓盤吸附種子后，建立種子平衡方程

(2)

由式(2)所得種子在xy平面所受的支持力為

(3)

式中G——種子重力，N

θ——種子所受離心力與種子重力之間的夾角，(°)

J——種子所受離心力，N

Ff——種子所受摩擦力，N

Fp——種子所受負(fù)壓吸附力，N

Nx——x軸的支持力分力，N

Ny——y軸的支持力分力，N

Nxy——Nx和Ny的合力，N

Nz——z軸支持力分力，N

a——吸種作用點到合力Fh的距離，m

b——吸種作用點到型孔軸線的距離，m

Fh——G、J和Ff的合力，N

φ——公式變換得到的輔助角，(°)

在吸種過程中，型孔處的種子受力平衡，則

(4)

在型孔處的負(fù)壓為

(5)

式中P——型孔處壓力，kPa

α——1/2型孔錐角，(°)

S——型孔截面面積，m2

在實際工況下，考慮影響種子吸種過程中的整機振動、摩擦阻力等因素，查機械設(shè)計手冊得外界條件系數(shù)K1為1.8～2.0，吸種可靠性系數(shù)K2為1.8～2.0。則式(5)轉(zhuǎn)換為

(6)

由式(6)可知，在吸種過程中，種子在型孔處壓強與圓盤的旋轉(zhuǎn)角速度ω、種子的質(zhì)量m、型孔所在圓周半徑r、離心力與重力夾角θ、種子與型孔間摩擦因數(shù)μ、1/2型孔錐角α、種子的直徑D有關(guān)。以大豆種子為例，K1取2.0，K2取2.0，播種機作業(yè)速度為2.5～3.0 m/s，大豆種子的千粒質(zhì)量為0.1～0.25 kg，型孔A所在圓周半徑為105 mm，平均粒徑為5.4 mm，型孔半錐角α=30°，夾角θ=60°，摩擦因數(shù)取0.2，可求得排種器工作時型孔處壓強P為4.89～16.21 kPa。

2.2 排種過程分析

在排種過程中，圓盤攜帶種子轉(zhuǎn)出負(fù)壓區(qū)，種子所受的負(fù)壓吸附力消失，種子受到自身重力和離心力的作用，以一定的初速度沿投種點的切線方向做拋物線運動[18]。因種子顆粒較小，忽略空氣阻力對種子的作用，對圖4a中的Ⅳ區(qū)(投種區(qū))進(jìn)行排種過程運動學(xué)分析。

在投種區(qū)，種子離開排種器時的速度為

(7)

種子離開排種器到接觸種床過程的運動軌跡為

(8)

種子著床時的分速度為

(9)

式中va——種子脫落時水平分速度，m/s

γ——vl與va的夾角，(°)

vb——種子脫落時豎直分速度，m/s

h——種子散落高度，m

L——種子水平位移，m

t——種子從離開排種器到接觸種床過程的運動時間，s

g——重力加速度，m/s2

將va和vb代入方程(8)，整理可得種子著床時的總速度為

(10)

可查《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊》得播種機的前進(jìn)速度和型孔所在圓周上的線速度

(11)

式中n——排種圓盤轉(zhuǎn)速，r/min

將方程(11)代入方程(10)，整理為

(12)

式中ψ——公式變換得到的輔助角，(°)

當(dāng)種子落到種床時，種子與種床接觸碰撞產(chǎn)生回彈，無法保證株距。由公式可知，種子著床時速度與排種器轉(zhuǎn)速、落種高度成正比，與型孔所在圓周半徑成反比；種子著床時速度越大，種子回彈現(xiàn)象越嚴(yán)重，株距變異系數(shù)越大。為降低種子著床時的彈跳和散射，選擇具有合適曲線的導(dǎo)種管，使種子到達(dá)出口時具有較大的水平分速度，以抵消播種機前進(jìn)速度。為減小排種器的株距變異系數(shù)，在滿足種子播種要求的情況下，可適當(dāng)降低排種器轉(zhuǎn)速，型孔A以大豆種子為例，作業(yè)速度為2.5～3.0 m/s，株距為0.20～0.40 m，排種器轉(zhuǎn)速為12.5～30 r/min；型孔B以高粱種子為例，作業(yè)速度為2.8～3.6 m/s，株距為0.30～0.40 m，排種器轉(zhuǎn)速為14～24 r/min；型孔C以菠菜種子為例，作業(yè)速度為1.6～2.2 m/s，株距為0.08～0.15 m，排種器轉(zhuǎn)速為21.3～55 r/min；型孔D以油菜種子為例，作業(yè)速度為1.5～2.0 m/s，株距為0.06～0.10 m，排種器轉(zhuǎn)速為30～66.7 r/min。

3 仿真分析

結(jié)合吸排種過程運動學(xué)分析，針對壓強、型孔錐角等影響因素進(jìn)行基于Fluent的單因素氣流場仿真分析，以探明適合播種的型孔形狀和最佳負(fù)壓、轉(zhuǎn)速。

3.1 型孔形狀及網(wǎng)格劃分

在播種作業(yè)中，小粒徑種子具有粒徑小、質(zhì)量輕、易破損的物理特征，故小粒徑種子的精量播種較為困難，為驗證本排種器可靠性，本文針對圓盤上播種小粒徑種子的最小孔徑進(jìn)行仿真分析[19]。

型孔尺寸對氣室流場的真空度、流速穩(wěn)定性及風(fēng)機功率消耗影響較大，通過理論計算和經(jīng)驗參考，初步確定型孔最小截面直徑為0.8 mm，單個圓盤厚度為1 mm，故組合型孔導(dǎo)程為2 mm。不同型孔形狀對流場穩(wěn)定性有較大影響，本文對比研究了基于雙圓盤結(jié)構(gòu)的直筒型型孔、空竹型型孔、倒角型型孔、錐角型型孔、沉頭型型孔對氣流場壓力、速度分布的影響，型孔形狀及網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。

圖5 型孔形狀及網(wǎng)格劃分Fig.5 Hole shape and mesh division

在Fluent中進(jìn)行單因素仿真試驗，分析不同型孔條件下氣室內(nèi)壓強及速度分布情況，在Fluent參數(shù)設(shè)置中選擇k-ε湍流模型和standard模型，在Cell Zone Condition選項里設(shè)置進(jìn)口壓力為0 kPa，設(shè)置出口壓力為-5 kPa。為反映各型孔下的氣室流場特征，需要在氣室中接近型孔底面處選擇一個合適的輸出面，試驗發(fā)現(xiàn)距離型孔底面0～10 mm區(qū)間內(nèi)各輸出面都能明顯表達(dá)氣流壓強特征，故本次輸出面選擇為排種器型孔底面z=5 mm處[20-22]。

3.2 不同型孔形狀對氣室流場壓力分布的影響

圖6 各型孔下氣室壓力分布云圖Fig.6 Nebulograms of pressure distribution in air chambers under various types of holes

由圖6各型孔下氣室壓力分布云圖(由左向右依次為靜壓云圖、動壓云圖、總壓云圖)可以看出，氣流從進(jìn)氣口進(jìn)入負(fù)壓氣室后，在環(huán)形區(qū)域中間位置出現(xiàn)高壓帶，然后迅速向四周遞減，將負(fù)壓蔓延到其他位置處。為了減少排種器所占空間，提高緊湊性，在負(fù)壓吸管的設(shè)置中，吸管入口斜對右半邊氣室，故右側(cè)壓力比左側(cè)稍大，從靜壓圖可以看出，因負(fù)壓吸管的位置分布及朝向問題，導(dǎo)致右半邊氣室中間高壓帶寬度較大，而左半邊氣室中間高壓帶寬度較小。在靜壓部分中，直筒型型孔、倒角型型孔的壓力擴散程度優(yōu)于其他3種，因氣流到達(dá)氣壓環(huán)形氣室兩端時壓力較弱，且氣流在此處碰壁減緩后折返，導(dǎo)致氣流輸出氣室時此處氣流速度也最慢，氣壓環(huán)形氣室兩端則會出現(xiàn)黃色甚至是紅色區(qū)域。在動壓云圖中，幾種型孔處壓強的差別并不明顯，而氣室動壓中，空竹型和沉頭型較其他3種而言氣壓分布不均勻，在倒角型型孔動壓云圖中氣壓分布較集中均勻，深藍(lán)色區(qū)域主要集中在型孔位置區(qū)域，且其動壓值達(dá)到了最大負(fù)壓0.717 Pa，該值為0.5ρv2(ρ為密度，v為速度)，因此得知：在倒角型型孔中，氣室流速、動壓皆超過其余4個。總壓云圖中，負(fù)壓最大值均在-5.02×103～-5.01×103Pa之間，差別不明顯，但空竹型和沉頭型在幾處型孔處多次出現(xiàn)黃色甚至是紅色區(qū)域，因為型孔形狀設(shè)置不合理，在型孔處出現(xiàn)較低壓強，而較低壓強會使型孔處吸力不集中，造成漏播現(xiàn)象。

3.3 不同型孔形狀對氣室流場速度分布的影響

由圖7可知，在整體氣室速度云圖中(由左向右依次為直筒型、空竹型、錐角型、沉頭型、倒角型型孔云圖)，流速最大部位均處于型孔處，沉頭型與空竹型型孔的最大速度分別是1.59、1.60 m/s，而錐角型、直筒型和倒錐角型均處于1.80 m/s 以上。在型孔局部云圖中，因氣流流道未發(fā)生改變，整個直筒型型孔中流速都較大；空竹型和錐角型的最大流速發(fā)生在型孔最小直徑處，型孔最外側(cè)流速較小，僅為1.91 m/s左右。倒角型型孔外側(cè)流速高于沉頭型型孔。在型孔部位的矢量圖中，空竹型型孔因入口端錐角的存在，氣流順著錐面流入，在最小直徑處發(fā)生氣流交叉，氣流在最小端面處產(chǎn)生力的相互作用，不利于吸種。綜合考慮壓強、流速及種子受力分析情況，選擇倒角型型孔、直筒型孔作為較優(yōu)型孔。

圖7 各型孔下氣室速度分布云圖Fig.7 Cloud diagrams of velocity distribution of air cavity under each type of hole

綜上所述，倒角型型孔作為較優(yōu)型孔之一，為獲得最佳錐角，針對其不同錐角進(jìn)行分析，選擇60°、90°、120° 3類常用錐角作為變量，在Fluent中進(jìn)行單因素試驗仿真分析，仿真結(jié)果如圖8所示(由左向右依次為壓力云圖、速度云圖、速度矢量圖)。在3類錐角的仿真結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)：在壓力云圖中60°錐角型型孔在型孔處高壓區(qū)域的占比明顯高于其他兩種；速度云圖分布中，60°錐角型型孔倒角區(qū)域的速度整體最高；速度矢量圖中，60°錐角型型孔在錐角區(qū)域的速度分布較為集中，速度矢量分布明顯優(yōu)于其他兩種。故選擇60°錐角為倒角型型孔最佳錐角。

4 臺架試驗與田間試驗

4.1 臺架試驗

在理論分析及仿真分析后，為驗證變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器可靠性與可行性，在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實驗室進(jìn)行了排種性能試驗，將變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器安裝在JSP-12型排種器性能試驗臺上，如圖9a所示。臺架試驗采用的小粒徑種子為上海青油菜種，直徑約為1.3 mm，千粒質(zhì)量為2.317 g，含水率為4.21%。

圖8 各倒角型孔的氣室壓強及速度分布Fig.8 Pressure and velocity distribution of air cavity under chamfered holes

圖9 臺架試驗Fig.9 Bench test1.吸氣管道 2.排種器 3.支架 4.排種器試驗臺綜合操作柜 5.試驗臺傳送帶

考慮到排種盤轉(zhuǎn)速、負(fù)壓對播種過程有較大影響，在進(jìn)行臺架試驗前進(jìn)行預(yù)試驗。負(fù)壓要求越大所需能耗越大，合適的負(fù)壓在滿足正常的吸排種要求下，應(yīng)盡可能降低負(fù)壓能耗。因小粒徑種子體積小、質(zhì)量輕，其排種試驗負(fù)壓要求較低，預(yù)試驗從1 kPa開始進(jìn)行，并以0.5 kPa進(jìn)行逐次遞增，本次預(yù)試驗在5 r/min的較低轉(zhuǎn)速下，研究排種器在負(fù)壓為1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5 kPa情況下的吸排種性能。經(jīng)預(yù)試驗發(fā)現(xiàn)，在負(fù)壓低于2.5 kPa時，排種盤在轉(zhuǎn)速較低的情況下吸種不穩(wěn)定，漏播嚴(yán)重，隨著負(fù)壓增強，吸種逐漸穩(wěn)定，壓力預(yù)試驗分析結(jié)果如表1所示。綜合考慮，本次排種器性能試驗負(fù)壓選擇為2.5、3、3.5、4、4.5 kPa。在轉(zhuǎn)速預(yù)試驗中，選取壓強預(yù)試驗的負(fù)壓中間值3.5 kPa，因排種盤固定型孔夾角較大，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速低于15 r/min時，因攪種不充分出現(xiàn)種子架空現(xiàn)象，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于45 r/min時，漏播現(xiàn)象較嚴(yán)重，轉(zhuǎn)速預(yù)試驗分析結(jié)果如表2所示。綜合考慮，本次排種器性能試驗選擇轉(zhuǎn)速為15、25、35、45 r/min。試驗開始時因風(fēng)機啟動產(chǎn)生的負(fù)壓不穩(wěn)定，出現(xiàn)了短暫的高漏播率，氣室內(nèi)負(fù)壓未達(dá)到吸種要求，隨著負(fù)壓趨于平衡，排種器性能逐漸穩(wěn)定，此時開始記錄數(shù)據(jù)。

表1 壓力預(yù)試驗分析結(jié)果Tab.1 Pre-test analysis results of pressure %

在完成小粒徑種子臺架試驗后，進(jìn)行了大粒徑種子的臺架試驗，選擇大豆為播種對象，大豆種子表面圓潤光滑，且吸種型孔較大，型孔堵塞現(xiàn)象較少發(fā)生，其播種效果如圖9b所示。為測試排種器對于球形種子和異形種子的吸排種性能，針對丸化后的甜菜種子與未丸化的甜菜種子進(jìn)行了對比試驗，試驗表明未丸化甜菜種子的漏播率和重播率皆高于丸化甜菜種子。試驗表明，該排種器對于球形及類球形種子播種效果明顯優(yōu)于異形種子，且對大、小粒徑種子都具有較好的播種效果。

表2 轉(zhuǎn)速預(yù)試驗分析結(jié)果Tab.2 Pre-test analysis results of rotational speed %

4.2 直筒型型孔圓盤與60°錐角型型孔圓盤對比分析

在JSP-12型排種器性能試驗臺上進(jìn)行排種器性能試驗，旨在考察排種器的排種性能，根據(jù)GB/T 6793—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》的要求，選擇合格率A、漏播率D、重播率M作為排種器的排種性能指標(biāo)。

表3為直筒型型孔圓盤排種器的試驗結(jié)果，表4為60°錐角型型孔圓盤排種器的試驗結(jié)果。整體來看，60°錐角型型孔圓盤排種器排種性能優(yōu)于直筒型型孔圓盤排種器。

表3 直筒型型孔圓盤排種器試驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of straight cylindrical hole disc seeder %

表4 60°錐角型型孔圓盤排種器試驗結(jié)果Tab.4 Experimental results of chamfered hole disc seeder %

4.3 正交試驗及結(jié)果分析

通過上述研究分析，以轉(zhuǎn)速和負(fù)壓作為排種器性能影響因素，探究基于60°錐角型型孔圓盤排種器的最佳壓強、轉(zhuǎn)速值，在相同的試驗環(huán)境下，設(shè)計一組正交試驗，選擇試驗壓強范圍為3～5 kPa，轉(zhuǎn)速范圍為20～40 r/min，試驗因素編碼如表5所示。根據(jù)中心組合試驗設(shè)計原理，進(jìn)行回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計[23]，X1、X2為因素編碼值。每組試驗重復(fù)3次取平均值作為試驗結(jié)果，試驗方案及結(jié)果如表6所示。

表5 試驗因素編碼Tab.5 Experimental factors and codes

表6 試驗方案與結(jié)果Tab.6 Experimental scheme and results

將試驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入Design-Expert軟件進(jìn)行回歸擬合，排種器合格率、漏播率和重播率的響應(yīng)函數(shù)分別為Y1、Y2、Y3，以各影響因素編碼為自變量建立回歸數(shù)學(xué)模型。通過對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到各因素水平對排種合格率、漏播率和重播率影響的回歸模型

(13)

表7 回歸方程方差分析Tab.7 Analysis of variance of regression equation

(14)

4.4 試驗因素影響效應(yīng)分析與最佳參數(shù)優(yōu)化驗證

為更加直觀地分析各影響因素與排種器排種性能之間的關(guān)系，對正交試驗數(shù)據(jù)處理獲得排種器轉(zhuǎn)速和負(fù)壓對合格率、漏播率、重播率影響的響應(yīng)曲面圖，如圖10所示。從圖中可以看出，排種器轉(zhuǎn)速和排種器負(fù)壓之間存在交互作用：當(dāng)排種器負(fù)壓一定時，隨著轉(zhuǎn)速的上升，合格率表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，而漏播率和重播率均表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢；當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速一定時，隨排種器負(fù)壓增加，合格率表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，而漏播率和重播率都表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速處于30～40 r/min范圍內(nèi)，負(fù)壓處于3.8～4.5 kPa范圍內(nèi)時，排種器的排種合格率較高，漏播率和重播率較低。

圖10 各因素對評價指標(biāo)的影響曲面Fig.10 Influence of each factor on evaluation index

合格率取最大值，漏播率與重播率取最小值，在排種器轉(zhuǎn)速為20～40 r/min、負(fù)壓為3～5 kPa之間進(jìn)行優(yōu)化求解[24]，得到排種器最佳優(yōu)化參數(shù)為：轉(zhuǎn)速為34.37 r/min，負(fù)壓為4.10 kPa，此時排種器的合格率為90.63%，漏播率為2.45%，重播率為6.90%。

在排種器性能試驗臺上對優(yōu)化后的理論結(jié)果進(jìn)行試驗驗證，在其他條件相同的情況下，將排種器轉(zhuǎn)速設(shè)置為34.5 r/min，排種器負(fù)壓設(shè)置為4.10 kPa，進(jìn)行3次重復(fù)試驗，得到排種合格率平均值為90.46%，漏播率平均值為2.59%，重播率平均值為6.94%，試驗結(jié)果與理論結(jié)果基本相符。

4.5 田間試驗

選擇山東農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗田南區(qū)(117°09′5.01″～117°09′22.55″E，36°09′30.88″～36°09′41.48″N)為試驗地點，海拔126～128 m，溫帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥，雨熱同季，對作物生長發(fā)育十分有利。2018年9月在試驗田進(jìn)行播種試驗，選取的種子為10倍丸化后的蘿卜種，風(fēng)機葉輪轉(zhuǎn)速為4 500～5 200 r/min，作業(yè)時風(fēng)機負(fù)壓表顯示4.5 kPa，田間試驗情況及種苗生長效果如圖11所示。

圖11 田間試驗及種苗生長情況Fig.11 Field test and seedling growth

對排種器播種性能進(jìn)行綜合性能測試，選定株距為65 mm，作業(yè)行數(shù)為3行。采用五點取樣法對種苗進(jìn)行采樣，每個采樣點測定1 m內(nèi)苗間距，重復(fù)測量3次并求取平均值，計算播種總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)、漏播率、平均合格率，結(jié)果如表8。

表8 樣機試驗結(jié)果Tab.8 Prototype test results %

由田間和臺架試驗對比表明，在田間試驗中，因受到機器顛簸振動，導(dǎo)致田間試驗的合格率低于臺架試驗。單組仿形減振部件精密播種機對田間隨機振動有明顯的降低效果，進(jìn)行播種作業(yè)時，可以根據(jù)土地狀態(tài)和作業(yè)要求提高仿形部件仿形減振，從而

提高合格指數(shù)。

5 結(jié)論

(1)針對圓盤型排種器僅能實現(xiàn)同粒徑種子播種的問題，研制了變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器，采用一種可旋轉(zhuǎn)組合變換出不同型孔直徑的雙圓盤結(jié)構(gòu)，運用負(fù)壓吸種的方式，實現(xiàn)了不同粒徑種子的精量播種，提高了排種器的通用性，節(jié)約了生產(chǎn)成本。設(shè)計的圓盤僅設(shè)置有4種不同尺寸型孔，可根據(jù)需要，按照相同的組合方式增減型孔的圈數(shù)及數(shù)量。

(2)基于雙圓盤結(jié)構(gòu)提出了5種雙圓盤組合型孔形狀，進(jìn)行了Fluent仿真選型和JSP-12臺架試驗，通過正交試驗確定排種器排種性能最佳時轉(zhuǎn)速為34.5 r/min、負(fù)壓為4.1 kPa、型孔為60°錐角的倒角型型孔，其合格率為90.46%、漏播率為2.59%、重播率為6.94%，排種性能滿足國標(biāo)要求。

(3)田間試驗表明，在播種常規(guī)球形、類球形種子時，相較于傳統(tǒng)排種器，變粒徑雙圓盤氣吸式精量排種器的作業(yè)性能顯著提升，漏播率為2.77%，播種質(zhì)量較優(yōu)，為種子的生長提供了良好的條件，滿足播種要求。