楊然兵，張　翔，李建東，尚書旗※，柴恒輝（.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 6609；.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 500）

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錐體帆布帶式排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

楊然兵1，張翔1，李建東1，尚書旗1※，柴恒輝2
（1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266109；2.濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250022）

摘要：為使錐體帆布帶式排種器性能達(dá)到育種試驗(yàn)播種要求，該文對設(shè)計(jì)的錐體帆布帶式排種器相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。通過對該排種器的泄種、分種、攜種環(huán)節(jié)中種子的力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及空間排布情況分析，選取出對錐體帆布帶式排種器作業(yè)性能有顯著影響的參數(shù)，通過單因素試驗(yàn)和圖表分析將參數(shù)影響程度進(jìn)行量化，確定了影響排種性能的主要參數(shù)有：錐體轉(zhuǎn)速、錐體傾角和楔形環(huán)域單位排布量。通過三因素二次正交旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立了因素與試驗(yàn)指標(biāo)（排種均勻性變異系數(shù)）的回歸方程；經(jīng)優(yōu)化計(jì)算得出：當(dāng)錐體轉(zhuǎn)速為3.46 rad/s，錐體傾角為45.8°，楔形環(huán)域單位排布量為7粒/cm時(shí)，排種器的性能綜合評價(jià)指標(biāo)達(dá)到育種試驗(yàn)最佳水平。該排種技術(shù)在2BZH-6型株行育種條播機(jī)上進(jìn)行了推廣應(yīng)用，經(jīng)田間試驗(yàn)驗(yàn)證，最佳參數(shù)組合下錐體帆布帶式排種器不存在傷種和存種現(xiàn)象，作業(yè)性能與錐體格盤式排種器相比提升明顯。該研究為現(xiàn)有育種條播機(jī)排種部件的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；種子；排種器；結(jié)構(gòu)參數(shù)；試驗(yàn)

楊然兵，張翔，李建東，尚書旗，柴恒輝. 錐體帆布帶式排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32（3）：6－13.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.002http://www.tcsae.org

Yang Ranbing, Zhang Xiang, Li Jiandong, Shang Shuqi, Chai Henghui. Parameter optimization and experiment on cone canvas belt type seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 6－13. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.002http://www.tcsae.org

0　引　言

株行育種試驗(yàn)是新品種進(jìn)入?yún)^(qū)試和品種檢測前的重要環(huán)節(jié)；要求播種后行間品種無混雜，種子無損傷且在種溝排布均勻。目前，國內(nèi)株行育種試驗(yàn)播種過程主要采用人工播種，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且試驗(yàn)精確性難以保證，急需實(shí)現(xiàn)機(jī)械化作業(yè)[1-2]。

國外對小區(qū)育種條播機(jī)的專用排種器研究較早，Egil Oyjord[3]最早研發(fā)出用于育種機(jī)械的錐體格盤式排種器并被國外農(nóng)機(jī)企業(yè)廣泛應(yīng)用，奧地利WINTERSTEIGER在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了錐體離心格盤式排種器。該類型排種器中種子通過錐體分種后，在格盤上形成數(shù)段種子流，通過離心式分種器（錐體離心式格盤式）或直接經(jīng)輸種管（錐體格盤式）進(jìn)入開溝器[4-6]。但格盤式排種器均布的隔板會使種子流斷裂，造成排種不均勻；格盤攜種時(shí)與底板接觸面之間相對滑動(dòng)，極易磨損種子[7-8]。中國當(dāng)前嘗試研發(fā)的小區(qū)播種機(jī)多是在國外錐體格盤排種器的基礎(chǔ)上，采用斜置格盤方式，使種子緩慢進(jìn)入投種區(qū)以提高播種均勻性；或者提高加工精度，縮小接觸面間隙降低對種子的磨損；由于工作原理未做改變，種子流周期性斷裂現(xiàn)象等問題未得到根本性解決[9-11]。

針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種錐體帆布帶式排種器，使種子流在攜種過程中排出均勻，并減少種子的機(jī)械損傷；為獲得滿足株行育種排種器播種要求的參數(shù)組合，本文對排種器內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析、參數(shù)優(yōu)化與性能試驗(yàn)，

以期為現(xiàn)有育種條播機(jī)排種部件的研究提供參考。

1　錐體帆布帶式排種器結(jié)構(gòu)及排種原理

1.1總體結(jié)構(gòu)

錐體帆布帶式排種器主要由存種漏斗、存種筒、泄種手柄、滾動(dòng)銷軸、張緊銷軸、帆布帶、排種底板、接種漏斗、傳動(dòng)錐齒輪、錐體等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　錐體帆布帶式排種器結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1　Cone canvas belt type seed-metering device structure diagram

錐體12下部的錐體底座成圓柱體，3個(gè)銷軸安裝在排種底座9上，帆布帶7圍繞在錐體底座與兩個(gè)滾動(dòng)銷軸5，保證帆布帶緊貼在錐體底座圓柱體表面，使帆布帶7與錐體12之間形成楔角。通過調(diào)整張緊銷軸6實(shí)現(xiàn)帆布帶7張緊度的調(diào)節(jié)，保證錐體12與帆布帶7同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2工作特性與機(jī)理分析

表1為錐體帆布帶式排種器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，該排種器作業(yè)前，需將種子倒入存種漏斗1中，種子經(jīng)存種漏斗1滑落到存種套筒2內(nèi)，并均勻落在存種套筒2與錐體12形成的存種空間內(nèi)。播種時(shí)，下壓泄種手柄3，種子沿光滑錐面滑落，并均勻連續(xù)的散布在錐體12與帆布帶7形成的環(huán)狀楔形空間內(nèi)。錐體底座、錐體、帆布帶及其楔形空間內(nèi)的種子同步轉(zhuǎn)動(dòng)，種子經(jīng)接種漏斗10，實(shí)現(xiàn)均勻排種。

金屬結(jié)構(gòu)對種子的損傷是育種播種機(jī)械亟待解決的難題，保護(hù)種子生理特性不被破壞最直接的方法是降低接觸材料剛度至種子抗變形能力（谷物種子平均剛度：1.2×103N/mm）適應(yīng)范圍內(nèi)。在錐體帆布帶式排種器設(shè)計(jì)中采用了柔性帆布材料（剛度接近于0）與剛性錐體（鐵質(zhì)材料剛度：1×105N/mm）相互貼合的結(jié)構(gòu)方式，為待播種子構(gòu)造出一個(gè)相對穩(wěn)定的楔形環(huán)域攜種空間，種子受帆布材料包裹與錐體同步運(yùn)動(dòng)，克服了錐體格盤式排種器磨損種子，攜種不穩(wěn)定的缺陷，從而實(shí)現(xiàn)了種子流形態(tài)下的均勻排種。

表1　錐體帆布帶式排種器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1　Main structural parameters of cone canvas belt type seed-metering device

2　排種器關(guān)鍵性能參數(shù)的分析與確定

排種過程中，種子在短時(shí)間內(nèi)通過多個(gè)部件，分離出對排種器性能影響較大的核心參數(shù)需將泄種、分種、攜種3個(gè)環(huán)節(jié)[12]種子的運(yùn)動(dòng)和受力情況進(jìn)行逐個(gè)分析。

2.1泄種環(huán)節(jié)影響因素分析

2.1.1泄種環(huán)節(jié)種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)要求

在泄種環(huán)節(jié)中種子會發(fā)生塌落現(xiàn)象，即失去存種筒外壁束縛的種子流在重力作用下向周圍擴(kuò)散塌落。泄種環(huán)節(jié)如圖2所示。提升存種筒時(shí)，首先應(yīng)保證存種筒直線運(yùn)動(dòng)，以防存種筒側(cè)傾影響錐體的分種均勻性；其次還應(yīng)盡可能減少泄種時(shí)間?t[13-14]。在排種器結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，相同播量的種子泄種時(shí)間主要由泄種口的大小（存種筒提升高度h）決定。

圖2　泄種環(huán)節(jié)Fig.2　Process of seeds’ release

2.1.2高度因素對泄種時(shí)間的影響試驗(yàn)

本文借助高速攝影機(jī)進(jìn)行等分量麥種子泄種測速試驗(yàn)，如圖2剖面所示，在倒錐形存種空間內(nèi)，種子量與存種高度H為平方根相關(guān)；存種高度只影響種子下落總高度（頂層種子到錐體底部高度）且在總高度中占的比例小于10%，故種子量對泄種時(shí)間偏差影響很小，為便于分析統(tǒng)計(jì)，本文取200粒，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)提升高度h<32 mm時(shí)，泄種環(huán)節(jié)易出現(xiàn)種子卡滯結(jié)拱現(xiàn)象。圖4為結(jié)拱區(qū)單粒種子受力圖，上部靜止區(qū)種子流通受阻，在機(jī)械振動(dòng)影響下形成分層斷續(xù)泄種，導(dǎo)致泄種時(shí)間?t增長，也使種子在后續(xù)沿錐面下滑環(huán)節(jié)中出現(xiàn)二次分種的情況，即“前少后多”，最終導(dǎo)致排種不均勻。

圖3　泄種時(shí)間與提升高度的關(guān)系曲線Fig.3　Release time and cylinder’s move-up height

圖4　結(jié)拱區(qū)單粒種子受力分析圖Fig.4　Stress analysis of stagrant-zone single seed

式中G為種子自身重力，N；FN1為上方種子擠壓力，N；FN2為筒壁擠壓力，N；FN為錐體反向支持力，N；q為目標(biāo)種水平面上方種堆總粒數(shù)，粒；s為與目標(biāo)種處在同水平面的種子粒數(shù)，粒；μ為錐體摩擦系數(shù)，取0.1；θ為泄種傾角，(°)；F合為外力合力，N。

而當(dāng)提升高度h較大時(shí)（h>36 mm），預(yù)備泄種區(qū)和已泄區(qū)種子只受到重力和上方種堆壓力，流通順暢，但種子受力方向與錐體滾動(dòng)方向不一致，出現(xiàn)滾落沖擊與涌動(dòng)現(xiàn)象，種子極易跳出排種裝置，甚至導(dǎo)致混種現(xiàn)象。綜上分析，提升高度在32 mm時(shí)，泄種效果較好。

2.2分種環(huán)節(jié)種子力學(xué)模型的建立

分種環(huán)節(jié)是指提升存種套筒后，種子沿著錐體斜面呈放射狀下滑至帆布帶與錐體形成的環(huán)域楔形空間的環(huán)節(jié)[15]。種子下滑的同時(shí)，錐體一直處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，以錐體斜面上任意下滑的種子做為觀測對象，對其進(jìn)行空間受力分析，如圖5所示。

圖5　分種環(huán)節(jié)種子受力分析Fig.5　Seed force analysis on cone

種子下滑過程受到重力G，錐體表面對種子的支撐力FN，錐面對種子的摩擦阻力Ff，種子離心慣性力FB。因泄種環(huán)節(jié)會將種子顆粒充分離散，沿錐體滑落的種子之間幾乎無相互作用力P；圖5a中看出種子在水平方向位移極小，在分析時(shí)空氣阻力Fw對分種運(yùn)動(dòng)的干擾應(yīng)忽略不計(jì)。要使種子均勻排布在楔形環(huán)域內(nèi)，即確保種子始終沿錐體表面均勻分種的條件是保證種子在重力作用下，沿錐體表面加速下滑，應(yīng)滿足以下條件式中∑X為x方向合力，N；∑Y為y方向合力，N；Ff為錐面摩擦阻力，N；FB為種子離心慣性力，N；ω為錐體轉(zhuǎn)速，r/min；r為種子距錐體中心軸的水平半徑，mm；FN為錐體反向支持力，N；α為錐體傾角，(°)；m為質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

由式（2）推出

由式（3）可知：在排種裝置結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，錐體轉(zhuǎn)速對分種的效果有很大影響；種子在錐體上順利完成分種的最低轉(zhuǎn)速主要與錐體底面半徑R、錐體傾角α、錐體動(dòng)摩擦系數(shù)有關(guān)，不脫離錐面的最高轉(zhuǎn)速與存漏斗內(nèi)圓半徑和傾角有關(guān)。

2.3攜種環(huán)節(jié)影響因素分析

2.3.1攜種環(huán)節(jié)種子動(dòng)力學(xué)分析

攜種環(huán)節(jié)是指均勻連續(xù)排布在帆布帶與錐體形成的楔形空間內(nèi)的種子在摩擦力作用下，隨著錐體、帆布帶轉(zhuǎn)動(dòng)；錐體與帆布帶同步轉(zhuǎn)動(dòng)是排種裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清種的前提，圖6為攜種動(dòng)作分析圖。

圖6　攜種動(dòng)作分析Fig.6　Analysis of carrying seeds movement

帆布帶打滑時(shí)，帆布帶轉(zhuǎn)速為ω1<ω，錐體與帆布帶相對運(yùn)動(dòng)。假設(shè)錐體不動(dòng)，分析帆布帶摩擦力對種子運(yùn)動(dòng)的影響，即帆布帶以相對速度ω-ω1反向轉(zhuǎn)動(dòng)，種子在帆布帶摩擦力作用下不能保持與錐體的同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使種子不能在規(guī)定長度內(nèi)播完，影響排種裝置的自凈能力和排種均勻性。非打滑狀態(tài)下受力情況如圖6b所示，種子在垂直向和周向上受力平衡，穩(wěn)定的攜種環(huán)節(jié)保證了排種器的自凈能力和排種均勻性。由非打滑狀態(tài)下種子的受力分析可知

式中F1為帆布帶對種子擠壓力，N；f1為帆布帶對種子的摩擦阻力，N；f2為錐體對種子的摩擦推力，N；F向?yàn)榉N子在排種器徑向受到的合力，N；μ1為錐體靜摩擦系數(shù)。

為此，需選用拉伸強(qiáng)度好、表面摩擦系數(shù)大的帆布帶（夾線帶），可有效減小所需張緊力，避免打滑現(xiàn)象[16]。此外，在錐體和帆布帶材質(zhì)確定的情況下，錐體的結(jié)構(gòu)尺寸（錐體傾角α）對帆布帶的攜種動(dòng)作有重要影響，過大會大幅增加徑向與周向的應(yīng)力，過小無法在徑向束縛種子，綜合分析，將45.8°上下各跨5°作為錐體傾角范圍。

2.3.2種子環(huán)域排布情況的參數(shù)化分析

攜種環(huán)節(jié)中，錐體底面半徑與排種器單次攜種總量勻?yàn)榕欧N均勻性影響因素，兩者共同反映種子在楔形環(huán)域內(nèi)排布的密集程度，不能忽略任意一項(xiàng)進(jìn)行獨(dú)立分析。為此，本文對兩因素進(jìn)行組合，引入楔形環(huán)域單位排布量W（楔形環(huán)域內(nèi)單位長度種子排布的密集程度，粒/cm）組合公式見（5），并對新參數(shù)的特性進(jìn)行了試驗(yàn)分析。圖7為1、4、9粒/cm 3種密度狀態(tài)下將攜種空間內(nèi)種子由環(huán)形排布展開成直線排布所得。種子在排布中出現(xiàn)的分布不均情況均通過偏差波動(dòng)的形式記錄在對應(yīng)坐標(biāo)區(qū)域中，振幅為偏差上下限之差。

式中W為楔形環(huán)域單位排布量，粒/cm；K為試驗(yàn)單體一次落種籽?？偭?，粒/cm；R為試驗(yàn)單體錐體底面半徑，cm。

分析圖7a偏差波動(dòng)可知，當(dāng)楔形環(huán)域單位排布量為1粒/cm時(shí)，種子之間不存在堆疊現(xiàn)象，運(yùn)送的穩(wěn)定性變差，其次，種子排布稀疏，在分段計(jì)數(shù)狀態(tài)下對偏差和干擾較為敏感，進(jìn)一步增加了不均勻性，所以在3種排布情況中變異系數(shù)最高。圖7b可知，當(dāng)楔形環(huán)域單位排布量為4粒/cm時(shí)，種子之間有堆疊，抗干擾能力適中，全排布段不存在趨勢性偏差改變情況。

圖7　不同環(huán)域排布量分段偏差波動(dòng)Fig.7　Ring domain configuration fluctuations

圖7c可知，當(dāng)楔形環(huán)域單位排布量為9粒/cm時(shí)，種子堆疊緊密，抗干擾能力最強(qiáng)，但起始端與末端出現(xiàn)了趨勢性的偏差波動(dòng)，主要原因與錐體帆布帶排種器落種口形態(tài)有關(guān)，帆布帶在繞接錐體時(shí)需要在起始端和末端嚙入嚙出，不可避免的形成2條漸開的縫隙，密疊的籽粒在縫隙處沒有支撐會出現(xiàn)斜坡型塌落現(xiàn)象，導(dǎo)致整體變異系數(shù)升高。

為了進(jìn)一步降低環(huán)域種子初始端和末端的偏差波動(dòng)，本文首先采用排種末端加裝擋種板的方法，可防止該端的種子塌落，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方法對降低整體變異系數(shù)效果不明顯，并且易出現(xiàn)碎種、傷種現(xiàn)象。為此，下文進(jìn)行了環(huán)域種子排布量試驗(yàn)優(yōu)化，以求不引入負(fù)面影響的情況下解決偏差波動(dòng)問題。

綜合上述排種關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析可知：錐體轉(zhuǎn)速ω、錐體傾角α及楔形環(huán)域單位排布量W，在不同程度上影響排種裝置性能，需通過試驗(yàn)研究確定該裝置最佳的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)。

3　試驗(yàn)材料及方法

3.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在JPS-12型排種器試驗(yàn)臺上進(jìn)行，每組試驗(yàn)篩選1 000粒無破損、大小均勻的“濟(jì)麥20”小麥種子為試驗(yàn)材料，物理特性如表2所示。

表2　小麥種子物理機(jī)械特性Table 2　Mechanical character of physics of wheat

3.2試驗(yàn)參數(shù)及評價(jià)指標(biāo)

錐體轉(zhuǎn)速與兩楔形環(huán)域單位排布量是錐體帆布帶式排種器重要的作業(yè)參數(shù)，影響排種器分種、投種效果；錐體傾角是重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，對種子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有重要影響[17-18]。根據(jù)錐體帆布帶式排種器作業(yè)特點(diǎn)，錐體轉(zhuǎn)速變化范圍為2.45～5.23 r/min，錐體傾角變化范圍為40.8°～50.8°，楔形環(huán)域單位排布量變化范圍為1～9粒/cm。根據(jù)株行育種試驗(yàn)對播種機(jī)具有自凈能力、不傷種和排種均勻的作業(yè)要求，以存種率、傷種率和排種均勻性變異系數(shù)作為排種器性能指標(biāo)[19-21]。試驗(yàn)采用稀條播播種方式，以減小非試驗(yàn)因素對小麥種子成長影響，指標(biāo)測量段長度為大田播種的1/2，嚴(yán)格程度接近單粒穴播排種器，所得變異性系數(shù)用于育種排種器（錐體格盤式排種器稀條播情況下變異性系數(shù)41%～49%）間的對比。

式中Yc為存種率，%；Ys為傷種率，%；Yz為排種均勻性變異系數(shù)；Nc為規(guī)定播種行長內(nèi)的排種數(shù)量，粒；Ns為損傷的種子數(shù)量，粒；N為總播量，粒；Xi為每100 mm測量段種子數(shù)量，粒；x為每測量段平均分配種子數(shù)量，粒；n為試驗(yàn)總?cè)訑?shù)。

3.3試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

自制5種不同傾角的錐體，通過更換錐體實(shí)現(xiàn)錐體傾角的調(diào)整；錐體主軸由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)整；通過改變種量的多少可實(shí)現(xiàn)楔形環(huán)域單位排布量的變化。

為全面分析試驗(yàn)因素對排種器性能指標(biāo)的影響，試驗(yàn)采用三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，試驗(yàn)共進(jìn)行23組，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值[22-24]。試驗(yàn)因素的變化范圍及其編碼表如表3所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示試驗(yàn)中無存種、傷種現(xiàn)象，表4中只列出排種均勻性變異系數(shù)。

表3　因素水平編碼表Table 3　Factors and level codes

表4　試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4　Experimental project and results

4　試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1回歸分析

為確定各試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)（排種均勻性變異系數(shù)）影響的顯著性，進(jìn)行方差分析[25-26]，結(jié)果表5所示。

F檢驗(yàn)表明：回歸方程較為顯著，擬合效果較好；其中一次項(xiàng)x1、x3，交互項(xiàng)x1x3，平方項(xiàng)x12、x22、x32對排種均勻性影響較為顯著。剔除影響不顯著及回歸系數(shù)較小的變量x2、x2x3、x1x2、x2x3，得到排種裝置排種均勻性與錐體轉(zhuǎn)速x1、錐體傾角x2、楔形環(huán)域單位排布量x3的無量綱回歸方程

表5　試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 5　Analysis of variance of test results

4.2因素效應(yīng)分析

采用降維法將其他兩因素置于0水平，研究單一因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，分別得出錐體轉(zhuǎn)速x1、錐體傾角x2、楔形環(huán)域單位排布量x3與排種均勻性變異系數(shù)yz的關(guān)系方程

通過式（11）～式（13）可看出，排種均勻性變異系數(shù)與各因素保持較好的二次關(guān)系。由式（12）可知：當(dāng)x2=0，即X2=45.8°時(shí)，排種均勻性較好。為獲得排種裝置最佳排種均勻性能，尋求排種裝置主要影響因素最佳參數(shù)組合，將x2置于0水平，編碼公式帶入方程（10）可得

式中X1為錐體轉(zhuǎn)速，r/min；X2為錐體傾角，（°）；X3楔形環(huán)域單位排布量，粒/cm。

借助Matlab繪制式（14）的響應(yīng)曲線[27-28]，從圖8可知：當(dāng)錐體轉(zhuǎn)速為3.46 rad/s，楔形環(huán)域單位排布量為7 粒/cm時(shí)，yz最小，即錐體帆布帶式排種器最佳性能參數(shù)為：錐體轉(zhuǎn)速為3.46 rad/s，錐體傾角為45.8°，楔形環(huán)域單位排布量為7粒/cm。

圖8　試驗(yàn)因素對排種均勻性的影響Fig.8　Influence of experimental factors on seed-metering uniformity

將排種器置于最佳結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行3次重復(fù)排種試驗(yàn)以驗(yàn)證參數(shù)優(yōu)化準(zhǔn)確性，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果為：破碎率和存種率為0與正交試驗(yàn)吻合，排種均勻性變異系數(shù)30.18%與理論排種均勻性變異系數(shù)29.5%相差0.68%，比錐體格盤式排種器排種均勻性變異系數(shù)41%低10.82%。結(jié)果表明，在最佳試驗(yàn)參數(shù)作用下，驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與理論優(yōu)化結(jié)果相近，且排種均勻性在同類排種器中處于較優(yōu)水平。圖9為試驗(yàn)用錐體帆布帶式排種器實(shí)物圖。

圖9　錐體帆布帶式排種器組外觀Fig.9　Classis appearance of cone canvas belt type seed-metering device group

4.3田間播種試驗(yàn)

根據(jù)株行育種播種的農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了2BZH-6 型株行育種播種機(jī)，主要由機(jī)架、泄種自動(dòng)控制裝置、行長控制裝置、開溝裝置、覆土鎮(zhèn)壓以及6個(gè)錐體帆布帶式排種器組成，可用于不同小區(qū)面積的播種作業(yè)。該機(jī)于2014 年11月12日在中機(jī)美諾科技股份有限公司試驗(yàn)田進(jìn)行小麥株行育種播種試驗(yàn)，播種小區(qū)面積有1.25、2.5、3.75 m23種不同規(guī)格，每小區(qū)播種3次，總計(jì)播種9個(gè)小區(qū)。待小麥出苗后進(jìn)行田間苗情株距測定，田間試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果：該排種器播種小麥田間平均播種均勻性變異系數(shù)為27.43%，小麥出苗平均株距為51 mm。圖10為田間播種試驗(yàn)現(xiàn)場圖。

圖10　田間播種試驗(yàn)Fig.10　Field test of seeder

5　結(jié)　論

1）通過對錐體帆布帶式排種器的泄種、分種、攜種作業(yè)環(huán)節(jié)分析研究，確定出3項(xiàng)對錐排種器影響最大且在試驗(yàn)中易檢測、可控制的因素為錐體轉(zhuǎn)速、錐體傾角和環(huán)域排布量。

2）以錐體轉(zhuǎn)速、錐體傾角、環(huán)域排布量作為自變量，存種率、破碎率和排種均勻性變異系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，確定了該裝置的最佳結(jié)構(gòu)性能參數(shù)：錐體轉(zhuǎn)速為3.46 rad/s，錐體傾角為45.8°，楔形環(huán)域單位排布量為7粒/cm。

3）該排種器進(jìn)行的田間試驗(yàn)播種均勻性變異系數(shù)為27.43%，小麥出苗平均株距為51 mm，參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)與田間試驗(yàn)中均未出現(xiàn)存種、碎種現(xiàn)象，性能上滿足了育種試驗(yàn)中稀條播這一精密播種方式的要求。

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Parameter optimization and experiment on cone canvas belt type seed-metering device

Yang Ranbing1, Zhang Xiang1, Li Jiandong1, Shang Shuqi1※, Chai Henghui2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2. Jier Machine-tool Group Co., Ltd., Ji′nan 250022, China)

Abstract:The seed-metering link plays an important role in the process of plot sowing, and mechanized seed metering can reduce the labor intensity, improve the production efficiency and ensure the work quality. The seed-breeding seed-metering technology has been vigorously developed in China. However, at present, there are many disadvantages in the existing seed-breeding seed-metering device. In order to make plot sowing seed-metering device meet the requirements of high level test in plot sowing, this paper designed a cone canvas belt type metering device which applied a new type of structural material, analyzed the characteristics of the structure, and furthermore, optimized the parameters by means of composite test. This seed-metering device could avoid the serious defects that the cone grid plate type seed-metering device has, i.e. uneven seeding and seed injury. The mechanism consisted of a seed hopper, a seed-dispersing hand shank, a canvas belt type metering mechanism, a lever mechanism of adjusting tension, a base plate of seeding device, a receiving funnel and a spiral bevel gear. The structure parameters of the cone grid plate type metering device were not easy to distinguish and appraise. Some of them directly affected the performance of seed-metering device. Before further studying the parameter, the working process was divided into 3 links, which were discharging seeds, dispersing seeds and carrying seeds. By analyzing the seed mechanics, the seed kinematics and the conditions of space configuration about discharging seeds, dispersing seeds and carrying seeds, this paper found that a number of parameters had significant impact on the operation performance of the machine, and at the same time there was internal relationship between these parameters. Aiming at comparatively evaluating these parameters, this paper conducted the single factor experiment on discharging seeds. Through the above methods, the main parameters which influenced the performances of seed metering were identified: cone rotational speed, cone angle, and unit configuration amount in wedge-shaped ring domain. Through three-factor quadratic orthogonal rotation design, the regression equation of factors and test index (coefficient of variation of seed-metering uniformity) was established; the optimization of calculation showed that when the cone speed was 3.46 rad/s, the body bottom angle was 45.8°, and the unit configuration amount in wedge-shaped ring domain was 7 grains per centimeter, the comprehensive performance evaluation index reached the best level in the breeding test. Implementing the reproducibility test showed that the result of parameter optimization was accurate. The seed-metering technology was applied by 2BZH-6 type wheat nursery seeder for planting operation in different plot area. Under the condition of wheat seedling emergence, the statistical results were obtained by measuring the distance of the wheat plants: the average plant spacing was 51 cm for the cone grid plate type seed-metering device; and the coefficient of variation of uniformity distribution was 27.43%, which was relatively low. In addition, there was no phenomenon of residual seeds or broken seeds. The research results provide the reference for improving the design of the existing wheat nursery seeder’s seed-metering component.

Keywords:agricultural machinery; optimization; seed; seed-metering device; structure parameter; experiment

通信作者：※尚書旗，男（漢），山東青州，教授，博士，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研制與開發(fā)研究。青島山東省青島市青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，266109。Email：sqshang@qau.edu.cn

作者簡介：楊然兵，男（漢），山東微山縣，副教授，博士，農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研制與開發(fā)研究。青島山東省青島市青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，266109。Email：yangranbing@163.com

基金項(xiàng)目：國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目（201203 028.4）；農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化資金資助項(xiàng)目（2012GB2C600257）；山東省農(nóng)業(yè)良種工程項(xiàng)目（2014053）

收稿日期：2015-08-20

修訂日期：2015-12-23

中圖分類號：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-6819(2016)-03-0006-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.002