高筱鈞，周金華，賴慶輝（昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明 650500）

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中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器的設(shè)計與試驗

高筱鈞，周金華，賴慶輝※
（昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，昆明 650500）

摘要：因中草藥三七種植屬于密集型精密種植模式，尚無滿足種植要求的播種機，為解決三七機械化精密播種問題，研究設(shè)計了一種氣吸滾筒式精密排種器。該文闡述了三七氣吸滾筒式精密排種器的工作原理，確定了其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，構(gòu)建了充種和投種過程種力學模型。以云南文山三七種子為播種對象，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗方法，對排種器進行了排種性能試驗研究，并通過投種對比試驗驗證了零速投種的必要性。建立了負壓、前進速度、吸種角度3個主要因素與合格率、漏播率、重播率的數(shù)學模型，分析了各個因素及交互作用對合格率的影響規(guī)律，并進行了參數(shù)優(yōu)化與驗證試驗。影響排種合格率的因素主次順序為負壓、前進速度和吸種角度；確定最佳參數(shù)組合為吸種角度為20°，負壓值660～720 Pa，前進速度在0.72～0.76 m/s，可獲得合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%。經(jīng)試驗驗證，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，滿足三七精密播種的種植要求。試驗結(jié)果表明此種氣吸滾筒式精密排種器對于三七種子具有很好的播種適應(yīng)性。該研究為應(yīng)用于田間陰棚內(nèi)播種的氣吸滾筒式精密排種器的設(shè)計提供了參考。

關(guān)鍵詞：機械化；優(yōu)化；設(shè)計；三七；零速投種；排種器

高筱鈞，周金華，賴慶輝. 中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2016，32（2）：20－28. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.004http://www.tcsae.org

Gao Xiaojun， Zhou Jinhua， Lai Qinghui. Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed-metering device for panax notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 20－28. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.004http://www.tcsae.org

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0　引　言

三七是中國名貴中藥材，在中國市場需求量大，在云南省被廣泛種植。截止2014年12月份三七的種植面積已達到4萬hm2。三七播種的行距和株距均需控制在50 mm左右，屬于密集型精密播種，且三七種子形狀和大小不規(guī)則，當前還沒有滿足這種精度要求的播種機[1]?，F(xiàn)行的播種方式主要以手工點播為主，三七每公頃播種量270～300萬粒，勞動強度大，因此實現(xiàn)三七的機械化播種成為必然之舉。為實現(xiàn)精密播種，需依據(jù)三七種子的特性以及種植要求對排種器進行設(shè)計與試驗。

國內(nèi)外先進的播種機普遍采用氣吸式工作原理[2-6]，主要是因為氣吸式排種器具有對種子尺寸要求不高、不傷種子、適應(yīng)性強、易于實現(xiàn)精密播種等優(yōu)點。在國外，Singh R C 等[7-8]對氣力式排種器播種棉花、大豆和花生等不同種子時的結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)進行了優(yōu)化，Karayel D等[9]研究并獲得了氣室真空度與種子千粒質(zhì)量、吸孔截面積、種子球度、種子密度等參數(shù)間的回歸方程。

在國內(nèi)，目前對播種玉米、油菜、水稻以及大豆等作物的氣力式排種器的研究也已趨成熟，并得到了廣泛的推廣[10-14]。在氣力式精密種植領(lǐng)域，李兆東等[15]研制了一種油菜精量氣壓式集排器，并對其排種性能進行了試驗研究；張順等[16]研制了一種氣力滾筒式水稻直播精量排種器，并對其排種性能進行了試驗研究；張國忠等[17]研制了一種可同時吸附多粒稻種的具有群布吸孔的吸種盤并應(yīng)用于垂直圓盤式直播排種器上；王朝輝等[18]研制了一種雙吸孔氣力滾筒式排種器，并對其進行了播種性能試驗研究；左彥軍等[19]研制了一種氣吸窩眼滾筒式排種器的結(jié)構(gòu)，并對其運行參數(shù)進行了優(yōu)化。上述氣力式排種器大都用于穴盤播種，且排種性能有待提高，不適用于密集播種，而中草藥三七屬于田間陰棚內(nèi)密集型種植模式，故現(xiàn)有氣力式排種器不能滿足三七的種植要求。

由于三七種子破損將嚴重影響其出苗率，且種子形狀和大小不規(guī)則，種植要求又屬于精密播種，為此本文采用氣吸式工作原理，設(shè)計了一種適合田間陰棚內(nèi)播種的氣吸滾筒式精密排種器，對排種器進行了投種對比試驗，并展開負壓、前進速度、吸種角度對排種器排種性能影響的試驗研究，尋求上述試驗因素間的最佳參數(shù)組合，以期獲得較高的合格率，為氣吸滾筒式三七精密排種器的設(shè)計提供參考。

1　排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

三七氣吸滾筒式精密排種器主要由種箱、滾筒、空心軸、絕壓隔板、直線軸承彈簧組合及傳動鏈輪組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　氣吸滾筒排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Structure diagram of pneumatic cylinder seed-metering device

滾筒2內(nèi)部有空心軸3與絕壓隔板8，空心軸3通過與風機連接為滾筒2內(nèi)部提供負壓，絕壓隔板8通過與直線軸承彈簧組件9的配合，緊緊壓在滾筒2內(nèi)壁，堵住吸種孔4，隔斷負壓。種箱角度調(diào)節(jié)板14用來調(diào)節(jié)吸種角度。排種器工作時，接口7與風機相連接。滾筒2內(nèi)部的空氣通過軸孔10進入空心軸3，再由接口7被風機吸走，這樣滾筒2內(nèi)部形成了負壓腔11。當滾筒2轉(zhuǎn)動時，吸種孔4附近的種子在吸種孔4內(nèi)外壓差的作用下被吸附在吸種孔4處，并隨著滾筒2一起轉(zhuǎn)動。當種子轉(zhuǎn)動到絕壓隔板8處時，由于絕壓隔板8堵住了吸種孔4，瞬間隔絕了滾筒2內(nèi)部的負壓，種子失去了因內(nèi)外壓差產(chǎn)生的吸附力，因此種子在隨滾筒2轉(zhuǎn)動的慣性和種子自身重力作用下脫落，實現(xiàn)了整個排種的過程。

2　排種器關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)分析

2.1空心軸軸孔大小位置的設(shè)計

空心軸是氣吸式滾筒排種器實現(xiàn)精量排種的關(guān)鍵部件，而空心軸軸孔大小和位置直接影響滾筒腔體內(nèi)負壓以及流場的均勻性，從而影響排種器的排種性能?？諝鈴妮S孔進入空心軸，并由空心軸一端的接口排出。軸孔的分布為周向3個軸孔，軸向等距分布5個軸孔，空心軸下端不開孔有利于投種，具體位置如圖2。

圖2　空心軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Structure diagram of hollow shaft

為了確定腔體內(nèi)空氣流動狀態(tài)，需對其雷諾數(shù)Re進行計算，計算式為式（1）。

式中Re為雷諾數(shù)；ρ為空氣密度，kg/m3；μ為空氣動力黏度，kg/ms；v為空氣平均流速，m/s；z為空心軸軸徑直徑，m。

空心軸軸徑為30 mm，空氣平均流速均在10 m/s以上，得出Re值遠大于紊流流動的臨界值，故整個過程空氣的運動形態(tài)為紊流，紊流流動產(chǎn)生壓力降為式（2）。

式中Hloos為壓力降，Pa；f為摩阻系數(shù)；C為孔長，m；j為軸孔直徑，m；g為重力加速度，m/s2。

由式（2）可知，壓降主要與空心軸軸孔孔徑和孔長，即軸孔的位置有關(guān)系。為了減小壓降以及保證流場的均勻性，本文采用CFD模擬不同孔徑、孔距條件下空心軸腔體內(nèi)和滾筒腔體內(nèi)流場情況，可觀察出軸孔孔徑與位置對于壓降和流場的影響，圖3為不同空心軸下腔體內(nèi)部流場速度云圖。

圖3　不同空心軸下腔體內(nèi)部流場速度云圖Fig.3　Velocity contour of inside the cavity in different hollow shafts

模擬過程采用κ-ε模型，選取軸孔為壓力進口邊界條件，接口為壓力出口邊界條件，壁面采用無滑移邊界條件。從圖3a、圖3b 2個云圖可以看出在孔距為50 mm情況下，當孔徑為12 mm時，靠近接口處的軸孔流速和流量較大而遠端的軸孔流速流量較小，導(dǎo)致腔體內(nèi)靠近右端的吸種孔流量過大，流速過快，出現(xiàn)較大的渦流和回流?？讖綖? mm的軸孔處出現(xiàn)了較大的壓降，能量損耗較大。從圖3c、圖3d 2個云圖可以看出在孔徑為8 mm情況下，當孔距為70 mm時，從近接口端到遠端，由于距離差異較大，造成各軸孔的壓降變化較大，所以各個軸孔的流速、流量差距較大，導(dǎo)致腔體內(nèi)流場不均勻。孔距為20 mm的流場，由于軸孔較為集中，腔體內(nèi)離軸孔較近一端的吸種孔處空氣流速較快，流量較大，孔與孔之間產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)較大渦流和回流，影響吸種孔處的流量與流速，整個流場分布不均勻。

圖4為軸孔孔徑為8 mm，孔距為50 mm的速度云圖。由圖4可知，軸孔均有流量流入，且未出現(xiàn)局部流量流速過大的情況，腔體內(nèi)未出現(xiàn)較大渦流和回流現(xiàn)象，吸種孔處的流速流量及空氣運動軌跡基本一致。

圖4　軸孔孔徑8 mm、孔距50 mm的速度云圖Fig.4　Velocity contour of axle hole aperture of 8 mm and pitch-row of 50 mm

為了進一步說明在軸孔孔徑為8 mm，孔距為50 mm情況下滾筒腔體內(nèi)流場均勻穩(wěn)定，分別對上述不同孔徑與孔距的排種器進行流體仿真，接口處壓力設(shè)置為?8 kPa，模擬完成后分別測量圖3、圖4中的12個吸種孔的負壓值，從測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)中在軸孔孔徑為8 mm，孔距為50 mm情況下吸種孔處負壓值最大，為?1.623 kPa，即能量損耗最小，且變異系數(shù)最小，為1.07%，即各個吸種孔差異不大，流場均勻，利于提高排種性能。

2.2滾筒結(jié)構(gòu)與吸種孔直徑的設(shè)計

排種器滾筒直徑大小決定了排種器整體尺寸、滾筒線速度以及種子所需向心力等參數(shù)[20-21]。建立滾筒直徑對于充種影響的方程組

式中t為滾筒轉(zhuǎn)過充種區(qū)的時間，s；lc為充種區(qū)弧長，m；s為滾筒線速度，m/s；d為滾筒直徑， m；n為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；δ為充種區(qū)弧度，rad。

由式（3）整理得出

由式（4）表明，滾筒轉(zhuǎn)過充種區(qū)的時間t僅與滾筒轉(zhuǎn)速和充種區(qū)弧度有關(guān)，與滾筒直徑無關(guān)[15]。目前國內(nèi)外氣吸滾筒式排種器的滾筒直徑多為140～260 mm，大直徑滾筒，可以增加吸種孔的數(shù)量從而降低滾筒轉(zhuǎn)速，增加合格率，但是相應(yīng)的也增大了負壓腔的空間，需要風機提供的空氣流量也相應(yīng)增加，能耗必然增加，也易出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象；綜合考慮滾筒直徑選取200 mm，材料選取厚度為1 mm的不銹鋼鐵皮。

2.2.1三七種子幾何特性

選取200粒試驗所用的三七種子，用游標卡尺對每粒種子的長、寬、高進行測量。每粒種子測5次，取平均值作為種子的長、寬、高三軸尺寸。同時對種子的三軸尺寸進行統(tǒng)計分析，以確定種子平均直徑的分布情況[22-23]。圖5為三七種子圖。

圖5　三七種子Fig.5　Seed of Panax notoginseng

通過測量得到種子的平均直徑為5.62 mm，標準差為0.33，直徑基本呈正態(tài)曲線分布，種子直徑主要集中分布在5.0～6.3 mm之間。

種子長度分布在5.2～7.2 mm范圍內(nèi)；種子寬度分布在4.8～6.8 mm范圍內(nèi)；種子高度分布在4.0～6.0 mm范圍內(nèi)。據(jù)式（5）可知，三七種子的球度為90.86%，三七種子可將其近似作為球體。

式中Sp為球度，%；L為種子長度，m；D為種子寬度，m；H為種子高度，m。

2.2.2滾筒長度與吸種孔位置尺寸的設(shè)計

設(shè)計滾筒上吸種孔周向孔數(shù)時，既要考慮到增加吸種孔數(shù)量有利于充種，又要考慮到2孔之間的弧長Δl不小于2粒種子的最大尺寸[16]。

式中Δl為兩吸種孔之間的弧長，m；lmax為種子最大尺寸，m。

由于三七種子最大尺寸為7.2 mm，綜上兩點考慮，滾筒周向吸種孔的數(shù)量為12個，即兩孔之間的弧長為49.72 mm，滿足上式。為實現(xiàn)“一器多行”，滾筒軸向吸種孔的個數(shù)為6個，因為三七播種的行距和株距均需控制在50 mm×50 mm左右，所以滾筒軸向吸種孔間隔為50 mm，滾筒長度為326 mm。吸種孔的徑k參考經(jīng)驗公式（7）[20]。

式中k為吸種孔直徑，m。由上述可知于三七種子平均直徑為5.62 mm，形狀近似球體，從式（7）中可以得到吸種孔直徑的數(shù)值范圍，即3.37～3.93 mm。為了便于實際加工，選擇吸種孔直徑為3.5 mm。

2.3充種區(qū)吸種壓差及吸種角度

在充種過程中，分為2個階段。第一個階段為種子未與滾筒接觸，而受到吸附作用。第二個階段為種子被吸附在滾筒上，并與其一起轉(zhuǎn)動。吸附階段種子的運動與受力如圖6[24]。

通過分析可知，種子受到的吸附力要克服種子自身的重力和種群之間的摩擦力，因此吸附力至少要大于第二階段的吸附力，種子才可以被成功吸附，因此對第二階段進行力學分析。

式中FX為種子所受X方向的合力，N；FY為種子所受Y方向的合力，N；?t為種子受到滾筒的摩擦力，N；Nq為種子受到種群的支持力，N；?q為種子受到種群的摩擦力，N；Nt為種子受到滾筒的支持力，N；G為種子自身重力，N；ɑ為Nq與水平方向的夾角，（°）；θ為吸種角，（°）；m為種子質(zhì)量，kg； FQ2為第二階段的種子所受吸附力，N；ω為滾筒轉(zhuǎn)速，rad/s；φq為三七種子的自然休止角32，（°）；φt為三七種子與滾筒間的滑動摩擦角24，（°）；R為滾筒半徑，m。

圖6　吸附階段受力分析Fig.6　Force analysis of absorbing stage

種子所受到的吸附力實質(zhì)上是由于吸種孔內(nèi)外壓差形成的，其方程式為

式中FQ為種子所受吸附力，N；Φ為流場比例系數(shù)0.65；ΔPN為負壓值，Pa。

為了讓種子能夠被成功吸附，種子所受到吸種孔內(nèi)外壓差形成的吸附力FQ不應(yīng)小于第二階段的吸附力FQ2。聯(lián)立式（8）～式（10）得出種子所需吸附力FQ最小值，即FQ與FQ2相等時為最小值。

式中FQmin為所需最小吸附力，N。

當ɑ＝90°時，種群的支持力與種子自身重力相等，此時方程可以簡化為

從式（12）中得出：種子能否被吸附與種子物料特性、滾筒轉(zhuǎn)速、吸種角度、負壓相關(guān)。為分析吸種負壓、吸種角對排種性能的影響，結(jié)合前期大量試驗，本文選取吸種負壓在500～850 Pa、吸種角度在0～40°范圍。

2.4投種區(qū)投種角度

被吸附的種子隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)動到投種區(qū)時，由于絕壓隔板堵住了吸種孔，瞬間使得吸種孔內(nèi)外壓力一致，失去了吸附力的種子脫離滾筒，由于滾筒一方面自身轉(zhuǎn)動，另一方面向前移動，下落的種子在慣性的作用下一方面保持所在吸種孔處的線速度，另一方面在自身重力的作用下做自由落體運動。圖7為投種過程運動分析圖。

圖7　投種過程運動分析圖Fig.7　Movement analysis diagram of dropping process

為了保證投種的均勻性，需確定絕壓隔板的安裝角度β，即投種角度，使其投種狀態(tài)為零速投種，即下落過程中種子x方向合速度為0。

式中T為吸種孔處的線速度，m/s；T1為排種器的前進速度，m/s；β為T與x軸之間的夾角，（°）；Tx為T在x軸方向的分速度，m/s。

整理式（13）得

由式（14）表明，投種角度需根據(jù)排種器前進速度、滾筒轉(zhuǎn)速以及滾筒直徑來確定。排種器前進速度在0.35～1 m/s，由于排種過程需滿足三七種植株距要求且要達到零速投種，因此經(jīng)計算得出調(diào)整絕壓隔板安裝角度β為17°，即投種角度為17°。

3　排種性能試驗

3.1試驗準備

試驗所用的種子均為云南文山三七種子，試驗時所用種子含水率為57%，千粒質(zhì)量為69.77 g[22]。試驗在自行設(shè)計的試驗臺上進行，試驗臺配置德國高瑞生產(chǎn)的型號為GHBH002341R5的高壓風機；青島卓成生產(chǎn)的型號為MS-130ST-M10015電機，功率為1.5 kW；額定流量為120 m3/h。U型測壓管測量滾筒上吸種孔處的風壓，氣吸滾筒式排種器試驗平臺如圖8所示。

圖8　氣吸滾筒式排種器試驗平臺Fig.8　Platform of pneumatic cylinder precision seed-metering device

3.2試驗方法

試驗依據(jù)《單粒（精密）播種機試驗方法》（GB/T6973－2005），選用漏播率、合格率和重播率作為衡量排種器工作質(zhì)量的性能指標，并且將其作為試驗?zāi)繕薣25]，根據(jù)前期試驗研究，結(jié)合相關(guān)學者的研究成果[24，26-28]，影響排種性能的主要參數(shù)吸種負壓值、排種器前進速度以及吸種角度，故選取負壓X1、前進速度X2、吸種角度X3作為此次試驗的3個主要試驗因素。試驗在15 m長的土槽軌道上進行，試驗前通過控制風機流量并用U型測壓管進行測量負壓值，直到達到試驗要求。根據(jù)三七種植農(nóng)藝要求，在確定前進速度的情況下，通過更換傳動鏈輪進行傳動比的調(diào)整。根據(jù)前進速度來調(diào)節(jié)絕壓隔板的安裝角度。通過變頻器調(diào)節(jié)軌道小車的前進速度，在速度穩(wěn)定的情況下進行試驗。試驗結(jié)束后測量種子之間的株距與行距，每組試驗重復(fù)3次取平均值。

3.3投種對比試驗

為了表明調(diào)節(jié)絕壓隔板安裝角度以達到零速投種的效果，設(shè)計了一組投種對比試驗。在相同的試驗環(huán)境下，一組排種器調(diào)節(jié)絕壓隔板安裝角度，另一組不進行調(diào)節(jié)，以排種合格率、漏播率、重播率為評價指標，進行試驗，同樣每組試驗重復(fù)3次取平均值，試驗參數(shù)如表1。

表1　投種對比試驗Table 1　Contrast test of dropping seeds

投種對比試驗結(jié)果表明，通過調(diào)整絕壓隔板安裝角度從原本的合格率79.7%，重播率11.2%，漏播率9.1%優(yōu)化到了合格率89.3%，重播率7.9%，漏播率2.8%，大幅度提高合格率，降低重播率和漏播率。試驗時發(fā)現(xiàn)，調(diào)整安裝角一組進行試驗時，投種過程中，種子大都以自由落體形式掉落土槽中，有較小的跳動后，停穩(wěn)在土壤上，而未調(diào)整安裝角一組，投種過程中，種子以平拋的形式落入土槽中，種子不但有較大的跳動而且有很大的滾動，嚴重影響種子之間的行距與株距。因此通過調(diào)整安裝角以求達到零速投種可以提高排種器的排種性能。

3.4二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗

通過前期大量的單因素試驗確定了前進速度的取值范圍在0.35～1.00 m/s，負壓值取值范圍在500～850 Pa，吸種角度范圍在0～40°。為了找到這3個因素的最佳參數(shù)，使得此排種器排種性能最佳，本文選擇了試驗次數(shù)少，計算方便，可以避免回歸系數(shù)間相關(guān)性的二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗方法，試驗因素和水平如表2所示。在根據(jù)三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗表進行試驗，每組試驗重復(fù)3次取平均值。試驗方案與試驗結(jié)果見表3。

表2　試驗因素和水平Table 2　Factors and levels of test

表3　試驗設(shè)計方案及響應(yīng)值結(jié)果Table 3　Experiment design and response values

3.5回歸數(shù)學模型的建立與顯著性檢驗

采用Design-Expert8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，對試驗結(jié)果進行回歸分析，可以得到合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3的回歸方程。

1）合格率Y1回歸模型的建立與顯著性檢驗

通過試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到各因素對排種合格率Y1影響的回歸模型如式（15）?；貧w方程的顯著性檢驗如表4所示。

式中Y1為排種合格率，%；X1為負壓值；X2為排種器前進速度；X3為吸種角。

根據(jù)表4可知，這個模型的擬合度是極顯著的（P＜0.01）。但負壓和前進速度的交互項（X1X2）的P值、負壓和吸種角度的交互項（X1X3）的P值以及前進速度和吸種角度的交互項（X2X3）的P值均＞0.1，說明負壓和前進速度的交互項、負壓和吸種角度的交互項以及前進速度和吸種角度的交互項對排種合格率的影響不顯著，其他各項的 F 檢驗均極顯著或顯著，說明相關(guān)試驗因素對響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對于失擬項P＝0.413，不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素存在。剔除不顯著因素后的回歸模型如式（16）。

通過對式（16）回歸系數(shù)的檢驗得出，影響排種合格率的因素主次順序為負壓、前進速度和吸種角度。

2）漏播率Y2回歸模型的建立與顯著性檢驗

通過試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到各因素對漏播率Y2影響的回歸模型如式（17）?；貧w方程的顯著性檢驗如表4所示。

式中Y2為排種漏播率，%。

根據(jù)表4可知，這個模型的擬合度是極顯著的（P＜0.01）。但負壓和吸種角度的交互項（X1X3）的P值＞0.1，說明負壓和吸種角度的交互項對漏播率的影響不顯著，其他各項的F檢驗均極顯著或顯著，說明相關(guān)試驗因素對響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對于失擬項P＝0.1101，不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素存在。剔除不顯著因素后的回歸模型如式（18）。

通過對式（18）回歸系數(shù)的檢驗得出，影響漏播率的因素主次順序為負壓、前進速度和吸種角度。

3）重播率Y3回歸模型的建立與顯著性檢驗

通過試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，得到各因素對重播率Y3影響的回歸模型如式（19）?；貧w方程的顯著性檢驗如表4所示。

式中Y3為排種重播率，%。

表4　回歸方程方差分析Table 4　Variance analysis of regression equation

根據(jù)表4可知，這個模型的擬合度是極顯著的（P＜0.01）。但負壓和吸種角度的交互項（X1X3）的P值、負壓的二次項（X12）的P值、前進速度的二次方項（）的P值以及吸種角度的二次方項（）的P值均＞0.1，說明負壓和吸種角度的交互項、負壓的二次項、前進速度的二次方項以及吸種角度的二次方項對重播率的影響不顯著，其他各項的F檢驗均極顯著或顯著，說明相關(guān)試驗因素對響應(yīng)值的影響存在二次關(guān)系。對于失擬項P＝0.078，不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素存在。剔除不顯著因素后的回歸模型如式（20）。

通過對式（20）回歸系數(shù)的檢驗得出，影響重播率的因素主次順序為前進速度、負壓和吸種角度。

3.6各因素對排種合格率的影響

通過Design-Expert8.0.6對數(shù)據(jù)進行處理，可得到負壓X1、前進速度X2、吸種角度X3對合格率的影響，影響響應(yīng)曲面如圖9。任意固定某個因素的水平，根據(jù)響應(yīng)曲面圖，分析其余2個因素間的交互作用對排種合格率的影響。

3.6.1前進速度和吸種角度的交互作用對排種合格率的影響

交互因素對排種合格率響應(yīng)面曲線如圖9所示。圖9a為負壓值在675 Pa時，前進速度與吸種角度對排種合格率交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖9a可知，排種器在前進速度為0.6～0.8 m/s時，吸種角度在14°～26°時，排種合格率較高。前進速度一定時，隨著吸種角度的增大，排種合格率先上升后下降。吸種角度一定時，隨著前進速度的增大，排種合格率同樣先上升后降低。前進速度為0.64 m/s，吸種角度為20°時，排種合格率最高。

3.6.2負壓和前進速度的交互作用對排種合格率的影響

交互因素對排種合格率響應(yīng)面曲線如圖9所示。圖9b為吸種角度為20°時，負壓和前進速度對排種合格率交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖9b可知，排種器在負壓為650～730 Pa時，前進速度在0.58～0.78 m/s時，排種合格率為90%以上。前進速度一定時，隨著排種器腔內(nèi)負壓的增大，排種合格率先上升后下降。負壓一定時，隨著前進速度的增大，排種合格率同樣先上升后降低。負壓為650 Pa，前進速度為0.66 m/s時，排種合格率最高。

3.6.3負壓和吸種角度的交互作用對排種合格率的影響

交互因素對排種合格率響應(yīng)面曲線如圖9所示。圖9c為前進速度為0.68 m/s時，負壓和吸種角度對排種合格率交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖9c可知，排種器在負壓為650～740 Pa，吸種角度在13o～27 °時，排種合格率較高。吸種角度一定時，隨著排種器腔內(nèi)負壓的增大，排種合格率先上升后下降。負壓一定時，隨著吸種角度的增大，排種合格率同樣先上升后下降。負壓為680 Pa，吸種角度為20°時，排種合格率最高。

圖9　交互因素對合格率的影響Fig.9　 Effects of interactive factors on eligible rate

3.7最佳參數(shù)優(yōu)化

設(shè)定合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%，吸種角度為20°，優(yōu)化得最佳參數(shù)范圍如圖10所示。由圖10可知，在吸種角度為20°時，吸種負壓與前進速度都處于最佳值的區(qū)域圖，其中灰色區(qū)域為參數(shù)優(yōu)化區(qū)域，即負壓在660～720 Pa，前進速度在0.72～0.76 m/s時，可獲得合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%。

對優(yōu)化后的理論結(jié)果進行試驗驗證。在相同的試驗條件下選取吸種角度為20°，負壓值為695 Pa，前進速度為0.75 m/s進行3次重復(fù)驗證試驗，得到排種器合格率平均值為93.28%，且均大于90.2%；漏播率平均值為3.17%，且均小于4.9%；重播率平均值為3.55%，且均小于5.3%，試驗結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本相符。

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

4　結(jié)　論

本文采用負壓與可調(diào)式絕壓隔板組合作用技術(shù)，設(shè)計了一種一器6行的氣吸滾筒式三七精密排種器。

1）通過調(diào)節(jié)絕壓隔板安裝角度，達到零速投種，可以大幅度提高合格率，降低重播率和漏播率。從原本的合格率79.7%，重播率11.2%，漏播率9.1%優(yōu)化到了合格率89.3%，重播率7.9%，漏播率2.8%。

2）采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗方法進行試驗，并對試驗結(jié)果進行方差分析，得出影響排種合格率的因素主次順序為負壓、前進速度和吸種角度。

3）利用Design-Expert 8.0.6進行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，以排種合格率、漏播率、重播率為評價指標，得出最佳參數(shù)范圍在吸種角度為20°，負壓值在660～720 Pa，前進速度在0.72～0.76 m/s時，可獲得合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%，經(jīng)試驗驗證，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

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Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed-metering device for panax notoginseng

Gao Xiaojun, Zhou Jinhua, Lai Qinghui※
（College of Modern Agriculturɑl Engineering， Kunming University of Science ɑnd Technology， Kunming 650500， Chinɑ）

Abstract:Notoginseng is one of rare medicinal herbs in China， and it is mainly grown in Yunnan Province. Market demand of notoginseng is very large， and hence， until December 2014， the planting area of notoginseng has reached 40000 hm2. At present， the main planting pattern is through manual operation， and the labor intensity is very high and the sowing quality is discrepant. However， there is no precision seeding device suitable for notoginseng. Therefore， the mechanization planting of notoginseng has important practical significance. Notoginseng is planted on small plots of land， the planting density and the requirement of seeding precision are high， so we designed a small sized precision metering device. The liquidity of the seeds is not good and the shape of seeds is irregular for notoginseng， so we chose the pneumatic seed-metering device to adapt to the characteristics of the seeds accordingly. In order to meet the precision seeding requirements of notoginseng planting， a unique pneumatic cylinder-type precision metering device was designed. This device integrated the features of vacuum suction，insulated pressure for seed-clearing and zero speed of seed dropping. In this paper， the main structure and the working principle of the metering device were expounded. The pitch-row of the hollow shaft was determined and the stability of the flow field was ensured by the flow field analysis through the computational fluid dynamics （CFD） software. The key structure parameters were determined through theoretical calculation according to planting requirements. The contrast test of dropping seed indicated that zero speed of seed dropping was necessity. According to the extensive testing combined with the experimental results of relevant scholars， the main factors which affected seeding performance of pneumatic cylinder precision seed-metering device were determined， which were forward velocity， negative pressure and adsorption angle. During the test process， in order to reach zero speed of seed dropping， the installation angle of adjustable insulated pressure plate was changed with forward velocity. The notoginseng seeds in Wenshan were chosen for sowing object. Based on the three-factor five-level quadratic orthogonal rotating combination test method， the influences of forward velocity， negative pressure and adsorption angle on sowing performance were explored. The experimental results showed that the influence of negative pressure on the qualified rate was very significant （P＜0.01）， and the influences of forward velocity and adsorption angle were significant （P＜0.05）. The regression equations of the 3 factors were fitted through the processing by Design Expert 8.0.6 （experimental design expert） software. Based on the results of examination， we found that the fitting of the equations was good， the best parameter combination was adsorption angle of 20°， negative pressure value of 660-720 Pa and forward velocity of 0.72-0.76 m/s， and under the optimal condition， the qualified index was greater than 90.2， the missing index was less than 4.9， and the multiple index was less than 5.3. The pneumatic cylinder precision seed-metering device met the standard and requirements by comparing the results with the national standard and notoginseng planting requirements. This approach of research is suitable for the exploitation of notoginseng seed-metering， and provides a theoretical reference for the design of pneumatic cylinder precision seed-metering device for Panax notoginseng.

Keywords:mechanization; optimization; design; panax notoginseng; zero speed of seed dropping; seed-metering device

通信作者：※賴慶輝，男，黑龍江五大連池人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備與計算機測控研究。昆明昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，650500。Email：laiqinghui007@163.com

作者簡介：高筱鈞，男，黑龍江齊齊哈爾人，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備與計算機測控研究。昆明昆明理工大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學院，650500。

基金項目：國家自然科學基金（51305187）；云南省重點新產(chǎn)品開發(fā)計劃項目（2014BC007）；昆明理工大學自然科學研究基金資助項目（KKSY201323067，KKSY201323025）

收稿日期：2015-07-13

修訂日期：2015-12-10

中圖分類號：S223.2

文獻標志碼：A

文章編號：1002-6819（2016）-02-0020-09

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.004