頓國(guó)強(qiáng)，于春玲，楊永振，葉 金，杜佳興，張敬濤

（1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院佳木斯分院，佳木斯154007）

0 引 言

育種技術(shù)的發(fā)展，對(duì)品種的改良，糧食的增產(chǎn)具有重要意義[1-3]。然而，我國(guó)的大部分育種試驗(yàn)都由人工播種完成[4-5]，這種方式存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、成本高等缺點(diǎn)，更因勞動(dòng)工人的個(gè)人差異及人為因素，嚴(yán)重影響小區(qū)育種試驗(yàn)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，阻礙了小區(qū)育種工作的順利進(jìn)行[6-7]。而育種機(jī)械的使用，在減少試驗(yàn)時(shí)間，提高作業(yè)效率的同時(shí)，大幅度提高了試驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量和準(zhǔn)確性[8]。小區(qū)育種試驗(yàn)中所用到的大豆品種多且數(shù)量較少，大豆的尺寸也存在較大差異[9-11]，因此設(shè)計(jì)一種可適應(yīng)不同品種大豆的排種器具有非常重要的意義。頓國(guó)強(qiáng)等[12-13]通過(guò)對(duì)大豆種子均徑的模型預(yù)測(cè)，分析了排種盤(pán)型孔直徑與種子均徑的關(guān)系。劉艷芬等[14]通過(guò)分析排種器型孔參數(shù)，設(shè)計(jì)出一種帶倒角的周邊式傾斜長(zhǎng)方形型孔的水平圓盤(pán)排種器，可適應(yīng)不同品種的玉米種子；叢錦玲等[15]利用高速攝像觀察分析了充種區(qū)的種子形態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)構(gòu)建充種區(qū)種子的力學(xué)模型，設(shè)計(jì)了一種油菜小麥可兼用的排種器；宋井玲等[16-17]采用固定凸輪活銷(xiāo)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種型孔深度可變式的排種器；孫裕晶等[18-19]采用均勻設(shè)計(jì)和高速攝像方法，研究了排種器設(shè)計(jì)參數(shù)與大豆充種性能的關(guān)系；史嵩等[20-21]對(duì)不同型孔結(jié)構(gòu)的排種器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，同時(shí)分析了排種盤(pán)在充種過(guò)程中可能存在的所有阻力來(lái)源，提高了種子的充種性能。綜合國(guó)內(nèi)外的研究，均未構(gòu)建排種器型孔直徑、型孔深度及型孔倒角長(zhǎng)度與不同品種大豆幾何參數(shù)間的函數(shù)模型。因此分析優(yōu)化得出型孔參數(shù)與大豆參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)一種可適應(yīng)不同尺寸大豆的排種盤(pán)具有重要的意義。

本文從黑龍江地區(qū)大豆種子的物理參數(shù)展開(kāi)分析，并對(duì)大豆種子充種過(guò)程進(jìn)行理論分析，以大豆高填充窩眼輪精量排種器[22]為研究對(duì)象，建立排種器三維模型并進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)，結(jié)合響應(yīng)面法優(yōu)化型孔的最佳參數(shù)，基于優(yōu)化后的型孔參數(shù)設(shè)計(jì)制作行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化的參數(shù)，并解決排種器的品種適應(yīng)性的問(wèn)題。

1 大豆種子物理參數(shù)

選取黑龍江地區(qū)常見(jiàn)的6 種大豆（墾豆40、墾豐17、青仁黑豆、黑豆、黑河44、北疆91）為試驗(yàn)材料，均隨機(jī)選取100粒進(jìn)行測(cè)量。

利用三豐500-152-30型數(shù)顯游標(biāo)卡尺（量程200 mm，精度0.01 mm）測(cè)量大豆的三軸尺寸（粒長(zhǎng)a、粒寬b、粒厚

c）。由式（1）計(jì)算大豆種子的均徑d，按照不等邊橢球體式（2）計(jì)算大豆的體積V。

利用FZ-1001 型電子分析天平（量程100 g，精度0.001 g）測(cè)量大豆種子質(zhì)量m，以及百粒重。由公式（3）計(jì)算大豆的平均密度ρ。

式中d 為種子均徑，mm；a 為種子粒長(zhǎng)，mm；b 為種子粒寬，mm；c 為種子粒厚，mm；v 為種子單粒體積，mm3。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 大豆種子尺寸測(cè)量結(jié)果Table 1 Measured size of soybean seed

2 排種盤(pán)型孔參數(shù)的確定

2.1 型孔直徑比

充種過(guò)程中，排種盤(pán)和種子一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而種子能否充入型孔取決于種子與型孔表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況，只有種子與排種盤(pán)有相對(duì)移動(dòng)，才有種子充入型孔[23-24]。為便于理論分析，忽略種子間相互作用及空氣阻力的影響，以單粒種子為研究對(duì)象，排種盤(pán)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，種子與排種盤(pán)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況如圖1所示。

圖1 種子與排種盤(pán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況Fig.1 Relative movement of seed and seed plate

種子的重心經(jīng)過(guò)下述距離：

在水平方向上：

在垂直方向上：

消除時(shí)間t，得種子充入型孔的極限相對(duì)速度：

式中l(wèi) 為型孔直徑，mm；r 為種子半徑，mm；v 為種子與型孔的相對(duì)速度，m/s；g為重力加速度，m/s；t為種子充入型孔的時(shí)間，s。

由于大豆種子為不等邊橢球體，因此種子以充入型孔的水平和翻轉(zhuǎn)90°兩種方式，分析型孔直徑與種子均徑的關(guān)系。

2.1.1 種子水平充入型孔

由表1 可知大豆種子三軸尺寸各不相同，因此種子在充入型孔前，即處于型孔邊緣時(shí)，在排種盤(pán)截面方向會(huì)有6（3×2）種不同的姿態(tài)。種子以水平方式充入型孔的運(yùn)動(dòng)情況如圖2所示。

大豆種子水平運(yùn)動(dòng)時(shí)，種子重心經(jīng)過(guò)以下距離：

式中b1為大豆種子截面寬度，mm；b2為大豆種子截面高度，mm。

圖2 種子水平充入型孔Fig. 2 Seed horizontally feeding type hole

結(jié)合公式（7）、公式（8）可推導(dǎo)出排種盤(pán)型孔直徑l與種子均徑d的比值：

式中k1為種子水平充入型孔時(shí)型孔直徑與種子均徑的比值，后文簡(jiǎn)化為型孔直徑比。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[25]可知，種子以不同姿態(tài)充入型孔的概率與種子在排種盤(pán)邊緣的截面面積以及質(zhì)心高度成反比，令q 為姿態(tài)值，qi為簡(jiǎn)化后的姿態(tài)系數(shù)，pi為姿態(tài)概率，計(jì)算公式如下:

式中s為大豆種子截面面積，mm2；q 為姿態(tài)值；qi為第i種狀態(tài)時(shí)種子的姿態(tài)系數(shù)，pi為第i種狀態(tài)時(shí)種子的姿態(tài)概率；qt為6種姿態(tài)值的總和。

大豆種子以6種不同的姿態(tài)水平充入型孔的具體狀態(tài)圖如圖3所示，依據(jù)截面對(duì)應(yīng)關(guān)系依次將大豆種子的三軸尺寸帶入公式（12）得到各狀態(tài)的姿態(tài)值，并計(jì)算姿態(tài)值總和qt：

按照公式（13）可計(jì)算出相應(yīng)的6種姿態(tài)的概率為：

由表1 可知大豆的具體尺寸參數(shù)，并根據(jù)圖3 中6 種狀態(tài)，按照截面對(duì)應(yīng)關(guān)系依次將大豆種子的三軸尺寸及均徑d，帶入公式（9）可計(jì)算出6 種狀態(tài)下的型孔直徑比k1，帶入公式（16）計(jì)算出6 種姿態(tài)的概率，因水平充入型孔過(guò)程中，大豆種子的一種姿態(tài)對(duì)應(yīng)一種充種狀態(tài)，所以此時(shí)姿態(tài)概率等于狀態(tài)概率。具體型孔直徑比與相應(yīng)的概率如表2所示，種子水平充入型孔時(shí)，型孔直徑比的取值范圍為1.68～2.00。

2.1.2 種子翻轉(zhuǎn)90°充入型孔

大豆種子翻轉(zhuǎn)90°充入型孔的運(yùn)動(dòng)情況如圖4所示。

圖3 種子水平充種形態(tài)分析Fig.3 State analysis of seed horizontally feeding type hole

種子重心經(jīng)過(guò)以下距離：

消去時(shí)間t，得到型孔直徑與均徑的比值：

式中k1

''種子翻轉(zhuǎn)90°充入型孔時(shí)型孔直徑與均徑的比值。

由公式（19）可知，當(dāng)大豆種子翻轉(zhuǎn)90°充入型孔時(shí)，型孔直徑比只與種子截面高度有關(guān)，與截面寬度無(wú)關(guān)。因此在研究種子翻轉(zhuǎn)90°充入型孔時(shí)只需考慮以粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚作為種子截面高度的3種情況，如圖5所示。

由圖3可知，當(dāng)種子的以任意三軸尺寸作為截面高度時(shí)都對(duì)應(yīng)2種姿態(tài)，因此對(duì)應(yīng)圖3 和圖5 并依據(jù)種子水平充入型孔時(shí)的狀態(tài)概率推導(dǎo)出翻轉(zhuǎn)90°后各狀態(tài)的概率。

表2 種子水平運(yùn)動(dòng)型孔直徑比及相應(yīng)概率Table 2 Probability and type hole diameter ratio of seed horizontal movement

圖4 種子翻轉(zhuǎn)90°充入型孔Fig.4 Seed turn 90°feeding type hole

按照公式（19）與（20）并結(jié)合表1 可計(jì)算出3 種狀態(tài)的型孔直徑比及其對(duì)應(yīng)的概率如表3 所示，當(dāng)種子翻轉(zhuǎn)90°充入型孔時(shí)，型孔直徑比范圍為1.60～2.10。綜合種子水平充入時(shí)的范圍1.68～2.00，最終確定型孔直徑與大豆種子均徑的取值范圍為1.60～2.10。

2.2 型孔深度比

在播種過(guò)程中大豆種子會(huì)經(jīng)過(guò)3 個(gè)區(qū)域，充種區(qū)、清種區(qū)和排種區(qū)，如圖6 所示。對(duì)于型孔深度，在充種區(qū)，應(yīng)保證種子順利充入型孔，且穩(wěn)定在型孔中；在清種區(qū)，應(yīng)保證型孔中保留單粒種子而多余種子與型孔分離；在排種區(qū)，應(yīng)保證型孔順利排出種子，甚至可利用其他部件強(qiáng)制其排出。

圖5 種子翻轉(zhuǎn)90°充種形態(tài)分析Fig.5 State analysis of seed turn 90°feeding type hole

表3 種子翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)型孔直徑比及相應(yīng)概率Table 3 Probability and type hole diameter ratio of seed turn movement

綜合理論要求和實(shí)踐基礎(chǔ)，查閱相關(guān)研究[16～17]得出排種盤(pán)型孔深度與大豆種子均徑的關(guān)系如下：

式中k2為排種盤(pán)型孔深度與大豆種子均徑的比值，后文簡(jiǎn)化為型孔深度比。

2.3 型孔倒角比

如圖7 所示種子在排種盤(pán)邊緣，重心在o 點(diǎn)，與排種盤(pán)距離為h，分別研究了有倒角和無(wú)倒角的情況。

圖6 高填充窩眼式精量排種盤(pán)剖面圖Fig.6 Profile map of high-filling socket roller precision seed plate

圖7 型孔的倒角情況分析Fig.7 Analysis of type hole chamfer

在單粒大豆種子充入型孔的過(guò)程中，起主要作用的是種子相對(duì)排種盤(pán)的相對(duì)速度v，如果v 過(guò)小，則排種頻率過(guò)低，導(dǎo)致播種效率低下；v過(guò)大，則種子來(lái)不及充填型孔，會(huì)造成漏播。所以，為使排種器有良好的排種性能，需研究種子能夠通過(guò)型孔的最大極限速度vmax。

無(wú)倒角情況種子運(yùn)動(dòng)方程式為：

式中h為種子質(zhì)心高于排種盤(pán)的高度，mm；

變換后求得種子落入型孔的時(shí)間：

型孔長(zhǎng)度最小值：

式中t'為種子質(zhì)心與種端距離，mm。

根據(jù)相關(guān)研究[22]可知，種子充入型孔的基本條件是種子相對(duì)于排種盤(pán)的極限速度滿足：

當(dāng)排種盤(pán)型孔存在倒角θ時(shí)，大豆種子的運(yùn)動(dòng)情況如下：

式中l(wèi)'為倒角長(zhǎng)度，mm。

變換后求得大豆種子相對(duì)于排種盤(pán)的極限速度為：

型孔倒角長(zhǎng)度與均徑的比為：

式中k3為排種盤(pán)型孔倒角長(zhǎng)度與大豆種子均徑的比值，后文簡(jiǎn)化為型孔倒角比。

式（25）與式（27）對(duì)比可知，倒角能將相對(duì)速度值擴(kuò)大型孔能夠更準(zhǔn)確的充取單粒種子，并減少種子破碎。大豆種子相對(duì)于排種盤(pán)型孔的極限速度與倒角長(zhǎng)度以及大豆的質(zhì)心位置有關(guān)。倒角長(zhǎng)度過(guò)大，種子下落過(guò)程中可能與倒角發(fā)生碰撞，影響種子落入型孔；倒角長(zhǎng)度過(guò)小，則發(fā)揮不了該有的作用。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[16]確定型孔倒角比為0～0.3。

3 排種盤(pán)型孔參數(shù)優(yōu)化仿真試驗(yàn)

排種盤(pán)型孔參數(shù)是排種器排種的關(guān)鍵因素，型孔尺寸直接影響排種的精確性。型孔尺寸過(guò)大造成重播，尺寸過(guò)小則造成漏播。為進(jìn)一步確定型孔尺寸，采用EDEM 軟件建立仿真模型，分析型孔各參數(shù)變化對(duì)充種性能的影響，優(yōu)化排種器型孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

3.1.1 設(shè)置全局變量參數(shù)

大豆種子表面光滑，無(wú)黏附力，選擇Hertz-mindlin(no-slip)模型為仿真接觸模型，該接觸模型將顆粒間接觸作用按照靜彈性接觸進(jìn)行處理，能有效解決顆粒曲面接觸問(wèn)題[26-27]。其余參數(shù)如大豆顆粒屬性、壁面屬性、種刷輪屬性及它們之間相互作用屬性設(shè)置如表4所示。

表4 全局變量參數(shù)設(shè)置Table 4 Global variable parameter setting

3.1.2 大豆顆粒模型的建立

大豆顆粒采用橢球體模型，其能夠真實(shí)準(zhǔn)確地模擬出大豆種子在排種器中的運(yùn)動(dòng)情況[28]，選用墾豐17 為試驗(yàn)品種，粒長(zhǎng)6.87 mm，粒寬6.73 mm，粒厚6.38 mm，均徑為6.66 mm。

3.1.3 排種器模型的建立

簡(jiǎn)化高填充窩眼輪精量排種器為排種盤(pán)、外殼、毛刷3 部分，按表4 設(shè)置3 個(gè)部分的變量參數(shù)。在排種器種箱的上部建立顆粒工廠，設(shè)定顆粒生成總數(shù)量為300 個(gè)，生成速率為每秒50 000 個(gè)。由表1 可知顆粒算術(shù)平均徑服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為0.138。設(shè)置機(jī)具作業(yè)速度為0.6 m/s，理論株距5 cm，高填充窩眼輪精量排種盤(pán)直徑130 mm，周向均布20個(gè)型孔，計(jì)算排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為36 r/min，種刷輪轉(zhuǎn)速為50 r/min，仿真過(guò)程中，設(shè)定仿真步長(zhǎng)為9.25×10-6s，數(shù)據(jù)記錄間隔為0.01 s，仿真情況如圖8所示。

圖8 排種器仿真情況Fig.8 Simulation of seed metering device

3.2 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)因素與試驗(yàn)指標(biāo)

型孔直徑比x1、型孔深度比x2、倒角長(zhǎng)度比x3是影響窩眼輪式排種器充種過(guò)程的重要參數(shù)，因此選用其作為參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)的3個(gè)因素，根據(jù)大豆種子的播種要求[25]，選用單粒率y1（%）、多粒率y2（%）、空粒率y3（%）作為試驗(yàn)指標(biāo)。

式中N 為試驗(yàn)測(cè)定的種子個(gè)數(shù)；n1為試驗(yàn)時(shí)單獨(dú)填充的種子個(gè)數(shù)；n2為試驗(yàn)時(shí)重復(fù)填充的種子個(gè)數(shù)；n3為試驗(yàn)時(shí)無(wú)種子填充的窩眼個(gè)數(shù)。

3.2.2 試驗(yàn)方法

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[29]采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)[30]試驗(yàn)方法，創(chuàng)建因素對(duì)指標(biāo)影響的回歸模型，并對(duì)影響試驗(yàn)指標(biāo)的試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化，試驗(yàn)因素及水平編碼見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)因素水平Table 5 Experimental factors and level

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

EDEM 仿真結(jié)果以及試驗(yàn)方案如表6 所示，利用design-expert8.0.6 軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析，分析試驗(yàn)指標(biāo)在各個(gè)試驗(yàn)因素影響下的變化規(guī)律。

表6 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Experimental design and result

模型的方差分析如表7 所示。單粒率、多粒率、空粒率的回歸模型顯著性檢驗(yàn)結(jié)果均為極顯著，失擬項(xiàng)檢驗(yàn)結(jié)果均為不顯著，表明回歸模型在試驗(yàn)范圍擬合程度較好，且模型的結(jié)構(gòu)系數(shù)R2均大于0.94，可以解釋響應(yīng)值超過(guò)94.00%的變化。對(duì)于單粒率模型，對(duì)方程影響為極顯著（P＜0.01），對(duì)方程影響為顯著（P＜0.05），其余項(xiàng)對(duì)方程無(wú)影響（P＞0.05）。

表7 回歸方程方差分析Table 7 Variance analysis of regressions equation

剔除回歸方程中系數(shù)影響不顯著因素。各因素與單粒率、多粒率、空粒率的回歸方程為：

3.2.4 試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

因素對(duì)指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面圖，能夠清晰直觀的表示因素與指標(biāo)的關(guān)系，如圖9—11 所示。單粒率y1隨型孔直徑比x1的增大先增大后減小，隨型孔深度比x2的增大先增大后減小，隨型孔倒角比x3的增大先增大后減小；多粒率y2隨型孔直徑比x1的增大而增大，隨型孔深度比x2的增大而增大；空粒率y3隨型孔直徑比x1的增大而減小，隨型孔深度比x2的增大而減小?？芍?，隨型孔直徑、型孔深度、型孔倒角的增大，型孔體積增大利于充填，當(dāng)型孔尺寸過(guò)大時(shí)，會(huì)造成種子重復(fù)充填，多粒率變大，空粒率變小。

圖9 試驗(yàn)因素對(duì)單粒率的影響Fig.9 Influence of experimental factors on single-seed rate

圖10 試驗(yàn)因素對(duì)多粒率的影響Fig.10 Influence of experimental factors on multi-seed rate

圖11 試驗(yàn)因素對(duì)空粒率的影響Fig.11 Influence of experimental factors on empty-seed rate

3.2.5 參數(shù)優(yōu)化

為確定排種盤(pán)型孔參數(shù)與大豆幾何參數(shù)間的比例關(guān)系，對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，設(shè)定試驗(yàn)指標(biāo)單粒率大于90%，多粒率小于5%，空粒率小于5%，因素型孔倒角比對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響較小設(shè)定為0.14，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最佳參數(shù)范圍如圖12所示。

圖12 參數(shù)優(yōu)化分析圖Fig.12 Figure of parameters optimize and analysis

當(dāng)型孔倒角比為0.14 時(shí)，型孔直徑比與型孔深度比都處于最佳組合區(qū)域如圖12 中陰影區(qū)域，即型孔直徑比在1.73～1.91，型孔深度比在0.76～1.25 時(shí)，可獲得單粒率大于90%，多粒率小于5%，空粒率小于5%。

4 行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)的設(shè)計(jì)

為適應(yīng)小區(qū)育種中品種的多樣性，依據(jù)排種盤(pán)型孔的參數(shù)分析，設(shè)計(jì)育種專(zhuān)用的與高填充窩眼輪精量排種器配合的行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)[31]。

4.1 基本結(jié)構(gòu)

行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖13 所示，主要由安裝盤(pán)、行星排種輪及太陽(yáng)輪組成。安裝盤(pán)周向均布的8 個(gè)沉孔內(nèi)通過(guò)螺栓裝配行星排種輪，行星排種輪周向均布尺寸（直徑、深度、倒角長(zhǎng)度）依次增大的6 個(gè)型孔，沉孔與安裝盤(pán)外圓柱面相切處開(kāi)設(shè)透孔，型孔與透孔位于同一平面，安裝盤(pán)中部裝配的太陽(yáng)輪與行星排種輪相嚙合，并由螺釘與定位孔的連接固定。

4.2 設(shè)計(jì)原理

行星排種輪周向均布尺寸（直徑、深度、倒角長(zhǎng)度）依次增大的6個(gè)型孔，設(shè)計(jì)時(shí)要求其尺寸范圍可滿足所有尺寸的大豆對(duì)排種盤(pán)型孔尺寸的要求，當(dāng)已知某一播種大豆品種時(shí)，可依據(jù)圖12參數(shù)優(yōu)化分析圖進(jìn)行型孔參數(shù)相應(yīng)的運(yùn)算，從6個(gè)型孔中選出適合其排種的型孔尺寸，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)輪進(jìn)而帶動(dòng)行星排種輪，使之發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使相應(yīng)尺寸的型孔通過(guò)透孔裸露在排種盤(pán)表面，進(jìn)行排種作業(yè)。

圖13 行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)Fig.13 Planetary gear type transposition type hole seed plate

4.3 結(jié)構(gòu)參數(shù)

選用高填充窩眼輪精量排種器，排種盤(pán)直徑為130 mm，根據(jù)優(yōu)化參數(shù)計(jì)算行星排種輪周向6 個(gè)型孔尺寸。由表1 可知大豆均徑范圍為5.98～7.52 mm，在圖12 陰影區(qū)域任取一優(yōu)化點(diǎn)（1.74,1.00），型孔倒角比選為0.14，并根據(jù)大豆均徑范圍計(jì)算優(yōu)化后的參數(shù)范圍，將范圍等距為6 個(gè)依次增大的型孔尺寸，行星排種輪型孔尺寸如表8所示。

表8 行星排種輪型孔尺寸Table 8 Type hole size of planetary seed wheel

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)材料

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)的可行性及優(yōu)化型孔的正確性，進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)，同時(shí)為驗(yàn)證行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)的品種適應(yīng)性，選取墾豐17和墾豆40大豆種子作為試驗(yàn)材料。

5.2 試驗(yàn)裝置儀器設(shè)備

以高填充窩眼輪精量排種器為試驗(yàn)所用排種器，以傳統(tǒng)盤(pán)為對(duì)照組，與行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)試驗(yàn)，以JPS-12 計(jì)算機(jī)視覺(jué)精密排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)（黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院研制）為試驗(yàn)儀器。

5.3 試驗(yàn)方案

依據(jù)表8 中型孔尺寸參數(shù)，并通過(guò)3D 打印，加工制作行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)。由表1 可知墾豐17 和墾豆40 的均徑分別為6.66、6.13 mm，按照所選優(yōu)化點(diǎn)計(jì)算型孔參數(shù)，計(jì)算結(jié)果分別與行星輪型孔3、型孔1 尺寸接近，因此選擇其進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。同時(shí)，制作2個(gè)直徑130 mm，周向均布8 個(gè)型孔的對(duì)照組排種盤(pán)。在圖12中空白區(qū)域任選兩點(diǎn)做為型孔比例參數(shù)，計(jì)算型孔尺寸如表9 所示。

表9 對(duì)照組排種輪型孔尺寸Table 9 Type hole size of contrast group seed wheel

圖14 排種盤(pán)對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)Fig.14 Comparative validation test of seed metering device

設(shè)置作業(yè)速度為0.4 m/s，株距為5 cm，以合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)。依次進(jìn)行4 組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次取平均值，每次試驗(yàn)測(cè)定300 粒種子，按照國(guó)標(biāo)GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[32]實(shí)施試驗(yàn)，試驗(yàn)于2019 年2 月10 日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行,如圖14所示。

5.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表10 所示，行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)合格指數(shù)大于90%，且重播指數(shù)與漏播指數(shù)較低。對(duì)比優(yōu)化組與仿真結(jié)果可知，優(yōu)化結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)比優(yōu)化組與對(duì)照組可知，行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)合格指數(shù)高、排種性能好，滿足小區(qū)育種技術(shù)對(duì)品種適應(yīng)性的要求。

表10 試驗(yàn)結(jié)果Table 10 Results of experiment

6 結(jié) 論

1）本文通過(guò)對(duì)黑龍江地區(qū)常見(jiàn)的大豆品種充種過(guò)程的理論分析，得出型孔直徑與大豆種子均徑的比值范圍為1.6～2.1，型孔深度與均徑的比值范圍為0.75～1.25，型孔倒角長(zhǎng)度與均徑的比值范圍為0～0.3。

2）利用EDEM 軟件建立了大豆小區(qū)育排種器的離散元仿真模型，并通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，建立排種性能指標(biāo)（單粒率、多粒率、空粒率）與排種盤(pán)與大豆種子間的型孔直徑比、型孔深度比、型孔倒角比間的回歸模型，并利用響應(yīng)曲面法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：型孔倒角比0.14 時(shí)，型孔直徑比在1.73～1.91，型孔深度比在0.76～1.25 時(shí)，此時(shí)，單粒率大于90%，多粒率小于5%，空粒率小于5%。

3）按照最優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)的型孔尺寸，并制作兩個(gè)型孔參數(shù)不在優(yōu)化范圍內(nèi)的排種盤(pán)作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，行星齒輪式轉(zhuǎn)位型孔排種盤(pán)較對(duì)照組排種盤(pán)排種性能好，同時(shí)滿足小區(qū)育種技術(shù)對(duì)排種盤(pán)適應(yīng)性的要求。