衣淑娟 陳 濤 李衣菲 陶桂香 毛 欣

(黑龍江八一農墾大學工程學院， 大慶 163319)

0 引言

我國傳統(tǒng)的谷子播種方式主要為撒播和條播，存在播量高、水肥施用量大等問題，這大大增加了投入成本。穴播技術是一種先進的農作物種植方法，改變了傳統(tǒng)條播堆積的作業(yè)方式，精確控制種子播量、穴距和田間分布均勻性，不但降低了投入成本，還省去了齊苗后的間苗環(huán)節(jié)[1]。但是，谷子種子體積小、質量輕，且含有糠皮，現(xiàn)有的谷子穴播排種器仍無法完全適應谷子穴播種植模式[2]。

國外谷子種植面積相對較小，因此對谷子穴播排種器的研究內容較少[3]。國內學者根據谷子穴播農藝要求，研制了不同形式的谷子穴播排種器，排種器按工作原理可分為氣力式和機械式兩大類[3-6]。機械式排種器結構簡單，但存在傷種、對不同種子適應性差的問題；氣力式排種器對種子適應性較好，對種子損傷程度較低，但存在結構復雜和易堵孔的問題。相關研究雖在一定程度上改善了谷子穴播的效果，但仍存在堵孔、排種均勻性差、排種盤高轉速時充種率低等問題。

本文設計一種正負氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器，利用負壓輔助充種，以解決排種盤高轉速時充種率低的問題，利用正壓強制投種和清除吸孔內雜質，以解決堵孔、排種均勻性差的問題。

1 結構與工作原理

1.1 排種器結構

正負壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器主要包括左殼體、右殼體、機械充排機構以及氣力輔助充排機構。機械充排機構包括種箱、型孔輪、排種軸、清種毛刷、護種板、導種管；氣力輔助充排種結構包括負壓風管、負壓室和投種氣嘴。型孔輪和排種軸同心連接，型孔輪縱向安裝在左右殼體之間，型孔輪周向均勻排布有多個型孔，負壓風管、投種氣嘴安裝在左殼體上，護種板、負壓室安裝在右殼體上，護種板位于型孔輪的側部，為與型孔輪同心的弧形，負壓室位于型孔輪內部充種區(qū)正下方，并與負壓風管相通，投種氣嘴的出氣口正對型孔剛好完全脫離護種板時型孔所在的位置。清種毛刷、種箱、導種管安裝在左右殼體之間，清種毛刷處于護種板起始處，導種管處于護種板終止處，種箱處于充種區(qū)型孔輪正上方。排種器結構如圖1所示。

1.2 排種器工作原理

工作時，種子在充種區(qū)依靠自身重力以及負壓室在型孔處產生的吸力進入型孔內，完成充種；種子在型孔內隨型孔輪在排種軸驅動下逆時針轉動到達清種區(qū)，清種毛刷在型孔輪轉動所產生的摩擦力的帶動下轉動，將型孔外種子清除，完成清種；在護種區(qū)，型孔內種子在護種板保護下，隨型孔輪繼續(xù)逆時針轉動，直至型孔脫離護種板到達投種區(qū)，完成護種；在投種區(qū)，種子依靠自身重力和投種氣嘴產生的正壓吹力脫離型孔，經導種管落入種溝內，完成投種。型孔輪經過過渡區(qū)后再次到達充種區(qū)，進行下一個播種循環(huán)。排種器工作示意圖如圖2所示。

2 關鍵部件設計與參數分析

谷子穴播要求將谷子種子以一定的穴粒數、穴距、行距、播深播在土壤里，使每一粒種子在田間擁有足夠的空間吸收土壤中的養(yǎng)分，提高對水分、養(yǎng)分和陽光的利用率[7]。本文以谷子三軸尺寸為基礎，進行正負氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器的設計。

2.1 谷子三軸尺寸

谷子種子的三軸尺寸是型孔和吸孔等結構參數設計的重要參考依據[8]，本文以黑龍江地區(qū)種植面積較大的大穗金谷種子為研究對象，隨機選取100粒對其長、寬、厚外形尺寸進行測量，測量結果如表1所示。

表1 谷子三軸尺寸

經過測量，谷子種子的長度范圍2.2～2.6 mm，寬度范圍1.7～2.1 mm，厚度范圍1.2～1.6 mm，通過外形尺寸特征可以簡化為半橢球體[9]，以便于體積的計算，為型孔尺寸的設計提供參考。橢球體的結構如圖3所示。

簡化后的谷子體積模型如圖3的左半部分所示，結合橢球體的體積計算公式，單粒谷子種子的體積計算公式為

(1)

式中a——橢球體長軸長度的一半，即谷子種子長度的一半，mm

b——橢球體中軸長度的一半，即谷子種子寬度的一半，mm

c——橢球體短軸長度的一半，即谷子種子厚度的一半，mm

經計算，單粒谷子種子體積約為3.3 mm3。

2.2 穴距計算

谷子進行穴播時，在行距、播深、穴粒數確定的情況下，谷子穴播穴距取決于谷子的播量[10]。谷子的穴距是指相鄰兩穴種子間的距離，計算公式為

(2)

式中L——播種穴距，cm

l——每公頃播種長度，m/hm2

N——每公頃播種穴數，穴/hm2

da——行距，mm

m——每公頃播種量，kg/hm2

m1——千粒質量，kg

根據谷子穴播農藝要求，m取5.5～7.5 kg/hm2，行距0.2 m，每穴4～9粒，千粒質量3.1 g，計算可得谷子播種穴距為10～13 cm。谷子穴播穴距的計算結果，為后續(xù)型孔數以及分布的設計提供了參考。谷子穴播的穴徑D≤4 cm最為適宜，谷子穴播示意圖如圖4所示。D1、D2、D3、D4為各穴的穴徑。

2.3 型孔輪設計

型孔輪是排種器的核心部件，其結構與參數設計的合理性直接影響整個排種器的播種效果[11-13]。型孔輪的主要參數包括型孔輪直徑與寬度、型孔的形狀與分布、型孔輪的轉速等，這些參數是保證排種器順利充種、清種、護種、投種的關鍵。

2.3.1型孔輪尺寸

型孔輪直徑作為排種器重要的結構參數之一，直接決定排種器結構布置和其它零部件的結構參數。型孔經過充種區(qū)的時間越長，與種子接觸越充分，充種效果就越好[14-15]。為了確定型孔輪各參數與充種時間的關系，建立關于充種時間T的方程

(3)

其中

式中β——充種角，(°)

ω——型孔輪角速度，rad/s

np——型孔輪轉速，r/min

va——播種機前進速度，m/s

Z——型孔數量

由式(3)整理得

(4)

由式(4)可知，在播種機前進速度va、穴距L和充種角β固定的條件下，型孔在充種區(qū)停留時間T只與型孔數量Z有關，因此，型孔輪直徑對充種效果沒有影響，但隨著型孔輪直徑增大，型孔分布的數量增多，即可增加型孔在充種區(qū)停留時間，從而提高充種質量，但是為了保證充足的吸附力，型孔數量增多的同時負壓室體積也需增大，風機提供的動力就要提高，這樣就增加了能量消耗。

型孔輪直徑一般選取80～200 mm[16]，根據谷子穴播農藝要求，本著在保證播種質量的前提下盡可能減少動力消耗的原則，將型孔輪直徑設計為120 mm，寬度35 mm。并將內部設計為直徑為100 mm的中空區(qū)，用于安裝負壓室和投種氣嘴，如圖5所示。

2.3.2型孔輪轉速

型孔輪轉速對排種器的播種質量有重要影響[17-19],在機組前進速度一定時，隨著型孔輪轉速增大，投種頻率會增加，但轉速過高時，會由于型孔經過充種區(qū)時間過短而使充種率降低。根據農業(yè)機械設計手冊，型孔輪線速度不能超過0.35 m/s[20]。若沒有輔助裝置，線速度高于這個值，工作性能將會大大下降。在實際田間播種作業(yè)過程中，由于外界環(huán)境因素的干擾，有必要對排種器進行適當的改進，改進后的線速度達到0.5～0.8 m/s。型孔輪轉速與充種時間的對應關系為

(5)

(6)

式中Cr——充種區(qū)弧長，mm

vp——型孔輪線速度，m/s

dp——型孔輪直徑，mm

rk——型孔中心與型孔輪邊緣的距離，mm

為了保證排種器較好的充種效果，經式(6)計算得型孔輪轉速的最佳范圍是8～40 r/min。

2.4 型孔設計

合適的型孔形狀可以提高充種和護種效果[21]，充種區(qū)的充種過程因谷子種子質量較輕且含有包衣糠皮而復雜多變，因此型孔的形狀直接影響排種器的播種質量。

通過參考農業(yè)機械設計手冊[20]，本文設計圓柱錐形組合孔、圓柱球形組合孔、錐形孔3種型孔，通過試驗確定最優(yōu)型孔作為排種器的最終型孔。型孔由充種型孔、吸孔和反向錐孔組成。充種型孔的作用是充填與攜帶種子，吸孔的作用是在充種區(qū)通過負壓室產生的吸附力進行輔助充種，反向錐孔的作用是提高充種區(qū)和投種區(qū)的氣流利用率，防止氣流散失。3種型孔結構如圖6所示。

圖中：d1為型孔直徑，mm；H1為型孔深度，mm；γ1為型孔圓錐部分錐度，(°)；d2為型孔直徑，mm；H2為型孔深度，mm；γ2為型孔錐度，(°)；d3為型孔直徑，mm；H3為型孔深度，mm；R為型孔球形部分半徑，mm；d4為反向錐孔錐底直徑，mm；H為反向錐孔深度，mm；γ為反向錐孔錐度，(°)；d0為吸孔直徑。

由于谷子種子的孔隙率較小，可忽略不計，在設計型孔的尺寸時假設種子間無縫隙[22]。因為谷子穴播時每穴4～9粒，所以充種型孔的體積等于或略大于9粒谷子種子的體積即可。因此3種型孔的尺寸設計如下：d1為5 mm，H1為4.5 mm，γ1為95°～100°；d2為6 mm，H2為4.5 mm，γ2為60°；d3為4.5 mm，H3為4.5 mm，R為5 mm；d4為6 mm，H為5 mm，γ為60°。3種型孔的吸孔和反向錐孔結構尺寸均相同。吸孔直徑過大，會導致種子穿過型孔進入負壓室內，型孔直徑過小，會因吸力不足而影響充種效果，本文將設計4個不同直徑的吸孔，分別為0.8、1.0、1.2、1.4 mm，通過試驗確定最優(yōu)吸孔直徑，吸孔厚度設計為1 mm。

在播種量相同的條件下，型孔輪上分布的型孔數量越多，型孔輪轉速越低，充種效果就越好，但型孔數量受到型孔輪直徑和穴距的限制[23]。型孔數量計算公式為

(7)

式中d——型孔輪直徑，mm

由式(7)可知，型孔數量與播種機前進速度成正比，與型孔輪線速度以及轉速成反比，適當增加型孔數量既可以降低型孔輪轉速，又可以提高作業(yè)速度，有利于使播種質量得到改善和提高播種作業(yè)效率。根據式(2)計算可知谷子穴播穴距為10～13 cm,va取0.8 m/s,np取15～25 r/min。經計算，型孔數量取9.3～12.1個，綜合考慮，取12個。

2.5 護種板設計

護種板采用與型孔輪同心的圓弧形，起始于清種毛刷下方，在投種區(qū)結束，所經區(qū)域圓心角為125°，護種板與型孔輪的配合間隙直接影響排種器的護種質量，無論間隙過大或過小均會對排種效果與排種器的使用壽命產生不利影響。如果間隙過大，會使型孔內的種子脫離型孔，被型孔輪外表面刮帶至投種區(qū)，加大對種子的機械損傷，導致穴粒數不準確，同時會使種子成穴效果變差；如果間隙過小，會增大型孔輪與護種板間的摩擦力，加劇零部件的磨損，減短排種器使用壽命。綜上所述，設計護種板半徑為60.5 mm，寬度和型孔輪相等，與型孔輪間隙為0.5 mm，小于谷子種子三軸尺寸中的最小尺寸，種子不會脫離型孔進入護種板與型孔輪之間。護種板與型孔輪配合示意圖如圖7所示。

2.6 負壓室設計

負壓室在位于充種區(qū)型孔的吸孔處產生吸力，其結構直接影響著充種效果[24-25]，本文將負壓室設計為圓心角為120°，寬度為20 mm，深度為30 mm，壁厚3 mm，半徑為49.5 mm的圓弧形。負壓室側面設有安裝在左殼體上的安裝孔和與負壓風管相連接的排氣口，風機通過排氣口將負壓室內空氣全部排出，在負壓室內部產生負壓區(qū)，以此在吸孔處對種子產生吸附力。負壓室的結構如圖8所示。

2.7 投種氣嘴設計

投種氣嘴作為強制投種和清除吸孔內雜質的關鍵部件，必須保證通過氣嘴內部的氣流均勻穩(wěn)定，才能夠有效清除吸孔內雜質的同時使種子在投種區(qū)順利脫離型孔，均勻播在壟溝中。如果通過的氣流過小，就會使種子在投種區(qū)不能順利脫離型孔，而且吸孔內的雜質不能及時清除，從而使漏播率升高；如果通過的氣流過大，由于谷子種子較輕，就會使種子脫離型孔后被吹散，成穴性變差，降低播種質量[26]。

投種氣嘴氣流通道采用圓形管道，且管道直徑與型孔直徑相適應，所以，為提高氣流利用率，圓形管道直徑設計為與反向錐孔直徑相等的6 mm。投種氣嘴分別設有凹槽和臺肩，凹槽上安裝軸用彈性擋圈,防止投種氣嘴在左殼體上竄動，投種氣嘴中間部位用長方體取代圓柱體，防止在左殼體上發(fā)生軸向轉動。投種氣嘴結構如圖9所示。

3 充種過程力學分析

充種過程可分為2個階段，第1階段是種子在重力和吸力的作用下運動到型孔輪外壁，第2階段是種子充入到型孔內隨型孔輪一起轉動。

3.1 種子在流場中受力分析

在充種時為使充種區(qū)型孔輪內部的負壓室能將型孔內的空氣全部吸出，在型孔附近產生一定的壓力差，使氣流產生擾動，所以在型孔處存在流場。以單粒谷子種子為研究對象，分析種子在流場中受到的氣流作用力，確定影響種子所受氣流作用力的因素。種子在流場中的受力情況如圖10所示。

負壓室產生的負壓為P，外部為標準大氣壓P0，根據伯努利原理可得

(8)

式中v0——空氣流動速度，m/s

r0——種子中心與吸孔距離，m

S——有效吸附面積，m2

l0——種子與吸孔中心偏移橫向距離，m

q——空氣流量，m3/s

Ra——吸孔半徑，m

c1——常數，隨q增大而減小

c2——常數，取0.2～0.3

氣流場作用力為

(9)

式中r——谷子種子半徑，mm

R——種子受到氣流作用力截面半徑

ρ——空氣密度，kg/m3

通過單個吸孔的空氣流量計算公式為

(10)

式中d0——吸孔直徑，mm

ΔP——型孔內真空度，Pa

ξ——型孔阻力系數

將谷子種子在平面上的投影簡化為球形，對其受力在平面上進行積分，結合式(10)計算可得種子在流場中受到的氣流場作用力FP為

(11)

種子在流場中受到的氣流作用力影響充種效果，由式(11)可知，種子在流場中所受的氣流作用力FP受吸孔直徑d0、型孔內真空度ΔP和種子中心型孔距離r0的影響。由于此排種器種箱中的種子緊貼型孔輪外壁，使吸種距離保持較小值，因此種子所受到的氣流作用力的主要影響因素為吸孔直徑和型孔內真空度。

3.2 種子吸附過程力學分析

作用在種子上的合力作用點位于種子質心，負壓室內氣流為定常流，在充種過程中種子在重力、負壓室內氣流作用力和種群內部作用力下隨型孔輪一起轉動，以型孔輪徑向為y軸，切向為x軸，建立平面直角坐標系，分析種子吸附過程中的受力情況，此過程種子的受力與運動情況如圖11所示。

根據圖11可得到受力平衡方程

(12)

式中Fd——吸孔處氣流對谷子種子繞流阻力，N

Fl——吸孔處氣流對谷子種子繞流升力，N

Ffa——型孔輪對谷子種子的摩擦力，N

Ffb——種間摩擦力，N

FNa——型孔輪對谷子種子支持力，N

Fg——種子群壓力，N

φ1——谷子種子與型孔輪間摩擦角，(°)

φ2——谷子種子內摩擦角，(°)

θ1——重力與y軸方向夾角，(°)

θ2——Ffb與x軸夾角，(°)

m0——谷子種子質量，kg

Pa——離心力，N

(13)

式中Cl——繞流升力系數

d5——谷子種子算術平均直徑，mm

Cd——繞流阻力系數

SD——谷子繞流阻力特征面積，m2

聯(lián)立式(12)、(13)可得型孔內真空度ΔP為

(14)

由式(14)可知，在種子吸附過程中的真空度受型孔輪轉速、充種角、種子質量和種子內摩擦角等因素的影響。在種子成功被吸附的條件下，型孔輪轉速越高，所需要的真空度就越大。取播種機前進速度2～6 km/h，即型孔輪角速度2.1～6.3 rad/s,通過試驗測得谷子種子千粒質量2.5 g，φ1為25.3°，φ2為21.1°，取θ1為30°，θ2為40°，經計算排種器在充種時所需真空度ΔP為1.13～3.21 kPa。因為排種器在進行實際播種作業(yè)時條件較為復雜，本文在進行排種器性能試驗時，真空度取1.5～3.5 kPa。

4 排種器性能試驗

4.1 試驗材料與儀器設備

制作出排種器樣機進行臺架性能試驗，試驗材料選用大穗金谷種子，試驗在黑龍江八一農墾大學播種實驗室JPS-12型播種性能檢測試驗臺上進行，風機使用2BQS-2型播種機上配置的液壓馬達風機，該風機的優(yōu)點是可以同時進行吸氣和吹氣兩項工作。利用麥賽福格森1204型拖拉機的液壓系統(tǒng)驅動風機，通過負壓力表測量負壓室內的真空度。試驗設備如圖12所示。試驗過程中采用Seeder Test軟件進行數據的采集，觀察穴粒數。

試驗時輸送帶的運行速度由所模擬的播種機前進速度來確定，在田間播種作業(yè)過程中，播種機的前進速度由型孔輪轉速和谷子穴播穴距農藝要求來確定，即

(15)

式中vb——輸送帶運行速度，km/h

4.2 評價指標

參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》和《蔬菜穴播播種機技術條件》，將合格率、重播率、漏播率作為試驗的評價指標。每穴0～3粒為漏播，大于9粒為重播，介于4～9粒之間為合格。

4.3 單因素試驗

4.3.1對比試驗

為驗證排種器充種區(qū)負壓室的輔助充種作用，分別在有負壓和無負壓條件下進行臺架對比試驗，有負壓時將真空度設置為2 kPa，將型孔輪轉速依次設置為10、15、20、25、30 r/min進行試驗，根據式(15)，對應的輸送帶速度依次為2、3、4、5、6 km/h，計算其平均值作為最終結果。試驗結果如圖13所示。

由圖13可知，型孔輪在低轉速時，有負壓和無負壓條件下播種合格率無明顯差異，當轉速超過15 r/min時，有負壓的播種合格率明顯高于無負壓時，證明充種區(qū)安裝負壓室可以起到輔助充種作用，改善型孔輪高轉速時的播種效果。

4.3.2型孔輪轉速和型孔形狀對播種質量的影響

分別加工帶有錐形孔、圓柱錐形組合孔、圓柱球形組合孔的型孔輪，研究3種型孔隨型孔輪轉速變化的播種質量，將真空度設置為2 kPa，型孔輪轉速依次設置為10、15、20、25、30 r/min，對應的輸送帶速度依次為2、3、4、5、6 km/h，將播種質量最優(yōu)的型孔作為排種器的最終型孔，進行3次重復試驗計算平均值。試驗結果如圖14所示。

由圖14可知，3種型孔的合格率都隨著型孔輪轉速的升高呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢，重播率逐漸下降且趨勢較緩慢，漏播率逐漸上升且在20 r/min后急劇上升。合格率在轉速為15～25 r/min時較大，尤其在20 r/min時，合格率均達到最大。當型孔輪轉速較低時，型孔在充種區(qū)經過時間較長，與種子接觸過于充分而引起充種過多；當轉速逐漸升高后，型孔與種子達到較為適宜的接觸時間，此時各項指標較優(yōu)；當轉速升高到一定范圍后，型孔在充種區(qū)經過時間過短，型孔與種子的接觸不充分，使得漏播率急劇上升，導致合格率降低。

在相同轉速條件下，合格率由大到小的型孔類型分別為圓柱錐形組合孔、圓柱球形組合孔、錐形孔，重播率由大到小的型孔類型分別為圓柱錐形組合孔、圓柱球形組合孔、錐形孔，漏播率由大到小的型孔類型為錐形孔、圓柱球形組合孔、圓柱錐形組合孔。這是因為圓柱錐形組合孔與圓柱球形組合孔的圓柱部分為直立的壁面，有較好的護種效果，種子在清種區(qū)不會從型孔中被清出，而錐形孔為傾斜壁面，種子在清種區(qū)容易從型孔中被清出，導致漏播率升高，所以圓柱錐形組合孔和圓柱球形組合孔的合格率高于錐形孔，圓柱錐形組合孔的錐形部分更有利于氣流的聚集，產生更好的吸附效果，所以圓柱錐形組合孔的合格率優(yōu)于圓柱球形組合孔，因此，將圓柱錐形組合孔確定為排種器最終的型孔型式。

4.4 多因素試驗

以吸孔直徑、型孔輪轉速、真空度為試驗因素，進行三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗[27]。選取吸孔直徑為0.6～1.4 mm，真空度為1.5～3.5 kPa，型孔輪轉速為10～30 r/min，試驗因素編碼如表2所示，每組試驗重復3次，將其平均值作為最終試驗結果。采用Design-Expert 8.0.6軟件進行數據處理和統(tǒng)計分析。試驗結果如表3所示。

表2 試驗因素編碼

表3 試驗設計與結果

4.5 回歸模型建立與顯著性檢驗

對試驗結果進行方差分析，分析結果如表4所示。

表4 方差分析

(1)合格率回歸模型

根據表4可知，在顯著水平α=0.05的條件下，播種合格率的二次回歸模型P<0.01，表現(xiàn)為極顯著，回歸方程的決定系數R2為0.942 6，說明回歸方程的預測值與通過對試驗結果分析所得到的實際值擬合度較高。其中X1X2、X1X3與X2X3的P值都大于0.05，其交互作用對合格率影響不顯著，將這3項剔除后得到的回歸方程為

(16)

通過對式(16)回歸系數的檢驗得出，影響合格率的因素主次順序為吸孔直徑、真空度、型孔輪轉速。

(2)重播率回歸模型

根據表4可知，在顯著水平α=0.05的條件下，重播率的二次回歸模型P<0.01，表現(xiàn)為極顯著，回歸方程的決定系數R2為0.944 6，說明回歸方程的預測值與通過對試驗結果分析所得到的實際值擬合度較高。其中X1X2與X2X3的P值大于0.05，其交互作用對重播率影響不顯著，將這2項剔除后得到的回歸方程為

(17)

通過對式(17)回歸系數的檢驗得出，影響重播率的因素主次順序為吸孔直徑、真空度、型孔輪轉速。

(3)漏播率回歸模型

根據表4可知，在顯著水平α=0.05的條件下，漏播率的二次回歸模型P<0.01，表現(xiàn)為極顯著，回歸方程的決定系數R2為0.960 5，說明回歸方程的預測值與通過對試驗結果分析所得到的實際值擬合度較高。其中X2X3的P值大于0.05，其交互作用對漏播率影響不顯著，將這項剔除后得到的回歸方程為

(18)

通過對式(18)回歸系數的檢驗得出，影響漏播率的因素主次順序為吸孔直徑、真空度、型孔輪轉速。

4.6 各因素對合格率的影響分析

因為合格率是排種器播種性能的重要評價指標，所以本文重點分析各因素的交互作用對合格率的影響，響應曲面如圖15所示。

(1)吸孔直徑和真空度的交互作用

圖15a為當型孔輪轉速為20 r/min時，吸孔直徑和真空度的交互作用對合格率的影響。由圖可知，固定吸孔直徑不變，隨著真空度的增大，合格率先逐漸升高，然后逐漸降低。固定真空度不變，隨著吸孔直徑的增大，合格率逐漸升高，到達最高點后，逐漸降低。在吸孔直徑為0.9～1.1 mm，真空度為2.2～2.5 kPa時，合格率最高。

(2)吸孔直徑和型孔輪轉速的交互作用

圖15b為真空度為2.5 kPa時，吸孔直徑和型孔輪轉速的交互作用對合格率的影響。由圖可知，固定吸孔直徑不變，隨著型孔輪轉速的增大，合格率先逐漸升高，然后逐漸降低。固定型孔輪轉速不變，隨著吸孔直徑的增大，合格率逐漸升高，到達最高點后，逐漸降低。在吸孔直徑為0.9～1.1 km/h，型孔輪轉速為20～23 r/min時，合格率最高。

(3)真空度和型孔輪轉速的交互作用

圖15c為吸孔直徑為1 mm時，真空度和型孔輪轉速的交互作用對合格率的影響。由圖可知，固定真空度不變，隨著型孔輪轉速的增大，合格率先逐漸升高，然后逐漸降低。固定型孔輪轉速不變，隨著真空度的增大，合格率逐漸升高，到達最高點后，逐漸降低。在真空度為2.2～2.5 kPa，型孔輪轉速為20～23 r/min時，合格率最高。

4.7 參數優(yōu)化

為了獲得最佳參數組合，采用Design-Expert 8.0.6軟件數據優(yōu)化模塊，需要設置邊界條件并建立數學模型，通過分析得到數學模型

(19)

利用Design-Expert 8.0.6軟件中的優(yōu)化模塊完成各參數優(yōu)化，當吸孔直徑1.04 mm、真空度2.10 kPa、型孔輪轉速22.46 r/min時，作業(yè)性能最好。此時合格率93.14%、重播率3.48%、漏播率為3.38%。

4.8 驗證試驗

為了驗證優(yōu)化結果的可信度，在其它條件不變情況下，選取吸孔直徑1 mm、真空度2.10 kPa、型孔輪轉速22.5 r/min進行5次重復試驗，計算其試驗結果平均值作為最終試驗結果，所得到的實際結果為合格率92.66%、重播率3.02%、漏播率4.32%，實際結果與優(yōu)化結果差異較小，優(yōu)化結果準確可信。

5 田間試驗

為檢驗正負氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器的田間實際播種性能，將排種器安裝在2BQS-2型小籽粒精量播種機上，采用邁賽弗格森1204型拖拉機為牽引動力，在黑龍江八一農墾大學試驗田進行試驗。

為了使土壤能夠滿足谷子種植需求，試驗前使用旋耕機對田地進行旋耕，使土壤細碎平整。平均耕深80 mm，耕深穩(wěn)定性系數90.36%，土壤平均堅實度為408.4 kPa。試驗時，參照臺架試驗的最優(yōu)參數組合，選取吸孔直徑為1 mm，真空度設置為2.1 kPa，播種機前進速度設置為4.5 km/h，對應的型孔輪轉速為22.5 r/min。將機組勻速前進的50 m作為取樣長度，統(tǒng)計每穴內的種子粒數，每組試驗重復3次，計算平均值作為最終結果。田間試驗結果為：合格率88.2%，重播率4.9%，漏播率6.9%。

田間試驗結果與室內臺架試驗結果有所差異，原因可能為：由于谷子種子較輕，田間播種作業(yè)時機組前進會產生振動，對充種的粒數和投種的軌跡會有一定的影響；風機轉速不穩(wěn)定，致使負壓室內真空度和投種氣嘴內正壓產生波動，影響充種、投種和清出吸孔內雜質的效果，降低了播種合格率。

6 結論

(1)設計了正負氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器，采用負壓輔助充種、正壓強制投種方式，有效解決了谷子穴播存在的堵孔、排種均勻性差、排種盤高轉速時充種率低的問題。

(2)單因素試驗表明，當型孔輪轉速較高時，有負壓條件下的充種效果明顯高于無負壓條件下的充種效果，最優(yōu)型孔形狀為圓柱錐形組合孔。

(3)多因素試驗及分析表明，影響合格率、重播率、漏播率的因素主次順序均為吸孔直徑、真空度、型孔輪轉速。最佳工作參數組合為：吸孔直徑1.04 mm、型孔輪轉速22.46 r/min、真空度2.10 kPa，在此條件下，合格率93.14%，重播率3.48%，漏播率3.38%。實際結果與優(yōu)化值差異較小，優(yōu)化值準確可靠。

(4)田間試驗表明，正負氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器的播種性能滿足谷子穴播農藝要求，合格率為88.2%，重播率為4.9%，漏播率為6.9%。