曹秀龍，馬 旭，李宏偉，溫志成，李澤華，王曦成

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)數(shù)學(xué)與信息學(xué)院，廣州 510642；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

0 引言

油菜是中國播種面積最大的油料作物，主要分為冬油菜和春油菜。冬油菜種植區(qū)域主要分布于長(zhǎng)江流域[1]，以直播和育苗移栽種植方式為主。雖然機(jī)械直播可以省工節(jié)本，但由于該區(qū)域多熟制輪作，前后兩季作物茬口矛盾，在晚稻收獲后采用直播方式種植油菜，將錯(cuò)過油菜最佳播種期，導(dǎo)致油菜生長(zhǎng)緩慢、植株瘦小而減產(chǎn)[2]。育苗移栽能有效緩解由于茬口矛盾導(dǎo)致油菜生長(zhǎng)周期不足和抗逆能力差等問題，但長(zhǎng)期以來，由于油菜機(jī)械化育苗和移栽技術(shù)尚不成熟，主要采用人工育苗移栽方式進(jìn)行生產(chǎn)[3]，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，既造成種子浪費(fèi)，也為后期移栽機(jī)械化作業(yè)增加了難度[4]。為此，亟需突破油菜機(jī)械化育苗移栽技術(shù)瓶頸，而機(jī)械化精密播種是其難點(diǎn)之一。

由于氣吸式排種器對(duì)種子大小適應(yīng)性強(qiáng)、不易傷種和播種精度高等優(yōu)點(diǎn)[5-7]，近年來，在國內(nèi)外播種機(jī)上得到了大力發(fā)展和廣泛應(yīng)用[8-12]。氣吸式精密排種器通過負(fù)壓吸種，隔壓板隔絕負(fù)壓，然后依靠種子自身重力進(jìn)行投種，主要應(yīng)用于大粒徑和中粒徑種子，如三七[13]、水稻[14]、玉米[15]、馬鈴薯[16]和棉花[17]等。對(duì)于質(zhì)量比較輕的小粒徑種子，若僅依靠其自身重力進(jìn)行投種，投種速度和位置波動(dòng)較大，無法滿足同步投種而影響單粒精密播種的質(zhì)量。油菜種子是一種典型的小粒徑種子，實(shí)現(xiàn)油菜單粒精密播種，對(duì)解決油菜育苗移栽技術(shù)難題和豐富氣力式排種器應(yīng)用領(lǐng)域具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圍繞油菜氣力式精密播種技術(shù)，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)廖慶喜團(tuán)隊(duì)先后設(shè)計(jì)了氣吸圓盤式[18]、氣吸滾筒式[19]和氣壓集排式[20]等油菜精密排種器。其中氣吸圓盤式精密排種器通過設(shè)置獨(dú)立吸種區(qū)和正壓投種區(qū)，解決了吸種孔堵塞和籽粒破碎等問題；氣吸滾筒式排種器通過在氣吸滾筒上增設(shè)多排吸種孔，實(shí)現(xiàn)一器多行精密排種；氣壓集排式排種器采用氣流清種與氣壓護(hù)種組合技術(shù)，能有效解決清種和護(hù)種環(huán)節(jié)種子易剪切破壞問題。但這些精密排種器主要用于油菜直播，單體結(jié)構(gòu)較大，不適于油菜穴盤育苗對(duì)行對(duì)穴精密單粒播種。

油菜育苗使用的穴盤和蔬菜育苗穴盤相似或通用，并且油菜種子和部分蔬菜種子形態(tài)相似，所以蔬菜穴盤育苗排種器對(duì)油菜育苗排種器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。蔬菜育苗排種器研發(fā)方面，美國Blackmore公司、意大利Mosa公司和荷蘭Visser公司等設(shè)計(jì)的精密排種器都采用真空吸附原理[21-22]，以氣針、蓋板和氣吸滾筒式為主；中國的臺(tái)州賽得林公司、寶雞鼎鐸機(jī)械公司和江蘇云馬農(nóng)機(jī)制造有限公司等引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)，通過對(duì)穴盤育苗播種技術(shù)研究，改制了一批穴盤育苗精密排種器[23-24]，其原理與國外類似。總體上，國外蔬菜育苗技術(shù)和設(shè)備相對(duì)完善，智能化程度和生產(chǎn)率相對(duì)較高，但產(chǎn)品價(jià)格昂貴。國內(nèi)蔬菜育苗排種器對(duì)不同規(guī)格穴盤和不同類型種子的適應(yīng)性較差，播種精度較低，限制了相關(guān)設(shè)備的推廣使用。

本文采用負(fù)壓吸種與正壓投種組合作用原理，設(shè)計(jì)一種氣吸滾筒式油菜穴盤育苗精密排種器。由于正負(fù)壓組合式排種器的內(nèi)部流場(chǎng)極易出現(xiàn)氣流紊亂，無法保證吸種和投種的穩(wěn)定性，影響排種性能。為此，本文設(shè)計(jì)一種卸壓及正壓氣吹投種裝置，應(yīng)用Fluent軟件模擬分析滾筒內(nèi)壁和吸種孔與正壓氣室的流場(chǎng)特征，進(jìn)而優(yōu)選正壓進(jìn)氣孔間距等參數(shù)；為提高單粒播種率，設(shè)計(jì)了一種帶凸起的吸種帽和倒U型清種結(jié)構(gòu)，并搭建穴孔與吸種孔同步精準(zhǔn)對(duì)位及投種控制系統(tǒng)。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

本文研制的穴盤育苗精密排種器主要由種箱、清種機(jī)構(gòu)、側(cè)板、空心軸、空心軸固定夾、同步帶輪、滾筒端蓋、接種盒、滾筒、吸種帽、卸壓及正壓氣吹投種裝置和穴盤位置傳感器等組成，如圖1所示。

排種器滾筒內(nèi)部設(shè)置有空心軸和卸壓及正壓氣吹投種裝置，空心軸通過固定夾固定在排種器側(cè)板，其一端通負(fù)壓，另一端通正壓；正壓氣室通過壓縮彈簧緊密貼合滾筒內(nèi)壁，堵住吸種孔，隔絕負(fù)壓，并提供投種正壓。圖2為穴盤穴孔與吸種孔對(duì)位投種過程示意圖。排種器工作時(shí)，穴盤通過輸送帶運(yùn)送到穴盤位置傳感器處，穴盤位置傳感器發(fā)出脈沖信號(hào)，PLC接收到脈沖信號(hào)控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，伺服電機(jī)通過同步帶帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)吸種孔處的種子在滾筒內(nèi)外壓力差作用下被吸附到吸種帽上，并隨著滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)種子轉(zhuǎn)動(dòng)至清種機(jī)構(gòu)時(shí)，吸種帽上多吸的種子被清種機(jī)構(gòu)清除并回流至種箱，吸種帽上只吸附一粒種子。如果因氣吸滾筒黏連導(dǎo)致種子沒有回流至種箱，多余的種子會(huì)依靠自身重力落入另一側(cè)的接種盒內(nèi)。當(dāng)吸附的種子轉(zhuǎn)動(dòng)到投種位置時(shí)，吸種孔處的壓力差被卸除，種子在正壓氣吹作用下與吸種帽分離，落入下方的穴孔中，完成精準(zhǔn)同步投種。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 氣吸滾筒

氣吸滾筒是排種器的核心部件之一，其他各部件的尺寸設(shè)計(jì)都依賴于氣吸滾筒的外形尺寸。圖3為氣吸滾筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

氣吸滾筒直徑與充種時(shí)間的關(guān)系式如下：

式中t為充種時(shí)間，s；l為充種區(qū)弧長(zhǎng)，mm；v為氣吸滾筒線速度，mm/s；n為氣吸滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可得：

由式（2）可知，t與n成反比，與α成正比，與直徑D無關(guān)。現(xiàn)有滾筒式精密排種器直徑通常為140～260 mm[25]。在滿足充種弧長(zhǎng)的條件下，直徑D越大，圓周方向可設(shè)置的型孔數(shù)量越多，氣吸滾筒轉(zhuǎn)速越低，有利于提高充種性能，但整機(jī)結(jié)構(gòu)增大，并且負(fù)壓風(fēng)機(jī)功率增加，能耗增加，同時(shí)也會(huì)使負(fù)壓氣室密封要求過高；若氣吸滾筒直徑太小，圓周方向可設(shè)置的型孔數(shù)量較少，滾筒轉(zhuǎn)速較高，不利于充種，播種合格指數(shù)降低。綜合考慮，本文選取氣吸滾筒直徑D為200 mm，材料為5 mm厚鋁合金無縫管。

現(xiàn)有油菜育苗穴盤的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為128孔（8穴/行×16行）軟盤，長(zhǎng)×寬×高為590×300×45（mm），穴距為36 mm。根據(jù)穴盤規(guī)格，確定氣吸滾筒軸向型孔數(shù)為8個(gè)，孔距Lk為36 mm，兩端對(duì)稱預(yù)留44 mm的端蓋固定位置，氣吸滾筒長(zhǎng)度L為340 mm。

設(shè)計(jì)氣吸滾筒周向型孔數(shù)量時(shí)，理論上最少可設(shè)計(jì)成1個(gè)，最多可根據(jù)種子的尺寸大小布滿整個(gè)滾筒。但是，實(shí)際相鄰型孔間的弧長(zhǎng)至少需要大于種子最大尺寸的2倍，并且氣吸滾筒線速度v≤350 mm/s[26]?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中，連續(xù)2個(gè)育苗穴盤難以實(shí)現(xiàn)無縫連接，前一個(gè)穴盤的最后一穴和后一個(gè)穴盤第一穴之間的距離與同一穴盤中兩穴之間的距離不同，因此每播種一盤都需要通過穴盤位置傳感器檢測(cè)穴孔位置實(shí)現(xiàn)對(duì)穴精準(zhǔn)投種。本文所用穴盤每列穴孔數(shù)為16個(gè)，為方便伺服電機(jī)調(diào)控滾筒轉(zhuǎn)速，滿足氣吸滾筒線速度與不同生產(chǎn)率下穴盤運(yùn)動(dòng)速度的協(xié)調(diào)性，設(shè)計(jì)氣吸滾筒周向型孔數(shù)Z為育苗穴盤每列穴數(shù)的2倍，即Z=32。此時(shí)相鄰型孔間的弧長(zhǎng)T=19.625 mm，大于油菜種子最大尺寸的2倍（油菜種子粒徑為1.45～2.68 mm，見2.2節(jié)），且當(dāng)生產(chǎn)率為500盤/h，氣吸滾筒線速度v=44.67 mm/s＜350 mm/s。

2.2 吸種孔直徑與吸種帽

吸種孔直徑大小取決于種子的幾何特性。為提高排種器對(duì)品種的適應(yīng)性，選取長(zhǎng)江流域常用的中雙11號(hào)、湘雜油787和華油雜9號(hào)3個(gè)品種油菜種子為對(duì)象，每個(gè)品種隨機(jī)選取100粒，用精度為0.01 mm數(shù)顯游標(biāo)卡尺測(cè)量每粒油菜種子3次，取平均值作為油菜種子的粒徑。測(cè)得3個(gè)品種油菜種子的平均粒徑分別為2.05、1.96和1.87 mm，粒徑范圍為1.45～2.68 mm，圖4為油菜種子粒徑分布。

一般地，吸種孔直徑d（mm）與種子粒徑的關(guān)系[27]為

式中dk為種子粒徑，mm。由式（3）可知，吸種孔直徑d取值為0.87～1.88 mm。

由于油菜種子近似球形，種子間存在一定的空隙，傳統(tǒng)的氣吸滾筒采用光滑表面，滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)種子的擾動(dòng)不足，影響種子吸附性能。為此，本文設(shè)計(jì)一種帶凸起的吸種帽，如圖5所示。根據(jù)油菜種子粒徑大小，為便于加工，取凸臺(tái)直徑為1.95 mm。為保證滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)順利通過種箱底板，并且種箱中的種子不會(huì)從種箱底部掉落，設(shè)定凸臺(tái)高度為1 mm，凸臺(tái)頂端倒圓角，圓角與吸種孔的頂端相切。

2.3 清種裝置

為保證投種時(shí)吸種孔上只保留1粒種子，本文設(shè)計(jì)一種倒U形刮板式清種裝置。采用2 mm厚的尼龍板，清種口為光滑倒U形結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

根據(jù)3個(gè)品種油菜種子粒徑數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)學(xué)中“3σ原則”，得到3個(gè)品種油菜種子的粒徑上限分別為2.67、2.51和2.23 mm。為保證最大粒徑的油菜種子能通過清種口，且不能有2粒及以上的種子同時(shí)通過清種口，倒U形開口寬度s的取值范圍為2.70～2.90 mm。為確定最優(yōu)倒U形開口寬度s的值，分別取開口寬度為2.70、2.80和2.90 mm進(jìn)行清種試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)清種前后各1000個(gè)吸種帽上的種子數(shù)，計(jì)算清種前后的單粒合格指數(shù)、多粒重吸指數(shù)和0粒指數(shù)：

試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，結(jié)果見表1。

表1 清種試驗(yàn)結(jié)果 Table 1 Results of seed cleaning test

由表1可知，當(dāng)?shù)筓形開口寬度s為2.70 mm時(shí)，清種后單粒合格指數(shù)為97.63%。由于倒U形開口的高度只要求大于種子的最大粒徑，本文設(shè)計(jì)倒U形開口的寬度s為2.70 mm，高度h為3.00 mm。

2.4 卸壓投種裝置

卸壓投種裝置是氣吸式排種器的關(guān)鍵部件。為確保同步整排投種，并減少吸種孔堵塞的情況，本文設(shè)計(jì)一種可隔絕負(fù)壓和增加正壓輔助氣吹投種裝置，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

正壓氣室采用具有一定壓縮變形和強(qiáng)度好的優(yōu)力膠板，下弧面直徑與滾筒內(nèi)徑相同，在壓縮彈簧作用下與滾筒內(nèi)壁緊密貼合，保證正壓氣室的密封性。為增加空心軸正壓側(cè)的密封性，采用可拆卸的熱熔膠進(jìn)行密封處理，保證負(fù)壓氣室的密封性。正壓氣室上增設(shè)一條正壓卸氣管連接大氣，當(dāng)正壓氣室處在非吸種孔位置時(shí)，連續(xù)供給的正壓氣流通過正壓卸氣管排放到外界，保證滾筒內(nèi)部流場(chǎng)穩(wěn)定。

為確定正壓氣室內(nèi)部氣體的流動(dòng)特征，需對(duì)其雷諾數(shù)Re進(jìn)行求解，計(jì)算公式為

式中Re為雷諾數(shù)；ρ為空氣密度，g/mm3；μ為空氣動(dòng)力黏度，g/mms；vk為空氣平均流速，mm/s；Lz為正壓氣室寬度，mm。

為使正壓氣室完全覆蓋吸種帽的下端，本文正壓氣室寬度取8 mm。利用風(fēng)速儀測(cè)得正壓氣室空氣平均流速大于5000 mm/s，由式（5）得出Re=2873.33，大于空氣的湍流臨界值2300，故正壓氣室中空氣的運(yùn)動(dòng)為湍流。

湍流時(shí)正壓氣室內(nèi)必然出現(xiàn)壓降，壓降公式為

式中Hloos為壓降，Pa；f為摩阻系數(shù)；C為正壓進(jìn)氣孔間距，mm；j為正壓進(jìn)氣孔直徑，mm；g為重力加速度，m/s2。

由式（6）可知，壓降的產(chǎn)生主要與正壓進(jìn)氣孔間距和正壓進(jìn)氣孔直徑有關(guān)。為減小壓降和保證正壓氣室流場(chǎng)的均勻性，本文采用Fluent軟件模擬3種不同正壓進(jìn)氣孔間距條件下，滾筒內(nèi)壁和吸種孔與正壓氣室接觸的流場(chǎng)特征。設(shè)定正壓進(jìn)氣孔直徑為8 mm（與正壓氣室寬度匹配），基于等距設(shè)計(jì)原則，以正壓卸氣孔為中心，對(duì)稱設(shè)置2個(gè)正壓進(jìn)氣孔。3種不同正壓進(jìn)氣孔間距分別為72、144和216 mm，圖8為正壓氣室結(jié)構(gòu)示意圖。

模擬過程采用k-ε模型，選取正壓進(jìn)氣孔為速度進(jìn)口邊界條件，根據(jù)獲取的正壓氣室平均流速，設(shè)定進(jìn)氣速度為5000 mm/s，正壓卸氣孔和吸種孔為壓力出口邊界，壁面采用無滑移邊界條件。將模擬結(jié)果導(dǎo)入EnSight軟件進(jìn)行正壓氣室流場(chǎng)分析，結(jié)果如圖9所示，其中圖9a為正壓氣室與滾筒接觸處的速度云圖，圖9b為正壓氣室與吸種孔接觸處的速度云圖。

由圖9a可知，隨著正壓進(jìn)氣孔間距的增加，正壓氣室內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定性變差。當(dāng)正壓進(jìn)氣孔間距為72 mm時(shí)，進(jìn)氣孔氣流很快從卸氣孔排出，正壓氣室內(nèi)流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定。由圖9b可知，當(dāng)進(jìn)正壓氣孔間距為72 mm時(shí)，兩端吸種孔處的氣流速度明顯低于滾筒中間吸種孔處的氣流速度，并且正壓卸氣孔處出現(xiàn)了較大的壓降，氣流損失較大；當(dāng)正壓進(jìn)氣孔間距為216 mm時(shí)，兩端倒數(shù)第二孔處的氣流速度明顯高于其他吸種孔處的氣流速度，并且滾筒兩端出現(xiàn)漩渦和回流現(xiàn)象?？傮w上，當(dāng)正壓進(jìn)氣孔間距為144 mm時(shí)，各吸種孔處的氣流速度差異較小，并且正壓氣室內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，無回流和漩渦現(xiàn)象。因此，本文選取正壓進(jìn)氣孔間距為144 mm。

3 排種性能試驗(yàn)

為優(yōu)化排種器核心部件結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)，以中雙11號(hào)油菜種子為材料進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，采用二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)方法，分析排種器性能的主要影響因素（吸種負(fù)壓、投種正壓和吸種孔直徑）與播種指標(biāo)（單粒合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)）的關(guān)系，應(yīng)用回歸分析、響應(yīng)曲面和多目標(biāo)變量?jī)?yōu)化方法，優(yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。為評(píng)價(jià)其排種性能，在優(yōu)化參數(shù)條件下，選用3個(gè)品種油菜種子和1個(gè)蔬菜類種子（茄子），設(shè)定生產(chǎn)率分別為600、700和800盤/h進(jìn)行排種試驗(yàn)，驗(yàn)證排種器的品種適應(yīng)性。

3.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)材料為中雙11號(hào)油菜種子，含雜率≤0.1%，含水率≤5%。試驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的油菜育秧生產(chǎn)線上進(jìn)行，試驗(yàn)臺(tái)配置格標(biāo)生產(chǎn)的型號(hào)為GB-370S型高壓漩渦氣泵，中國紅旗牌YZ-100壓力真空表和Y-60壓力表，試驗(yàn)裝置如圖10所示。

3.2 試驗(yàn)方案與方法

試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T6973—2005）實(shí)施[28]，選取單粒合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2和重播指數(shù)Y3為評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

式中n0為漏播穴數(shù)；n1為單粒合格穴數(shù)；n2為重播穴數(shù)；N′為理論排種穴數(shù)。統(tǒng)計(jì)每個(gè)穴孔中種子數(shù)，只有1粒種子為合格，大于等于2粒為重播，沒有種子為漏播。每次連續(xù)播種10盤，重復(fù)3 次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)前期試驗(yàn)研究，選擇吸種負(fù)壓X1、投種正壓X2和吸種孔直徑X3為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素考察5個(gè)水平，因素編碼水平如表2所示。采用Design-Expert11.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素和水平 Table 2 Factors and levels of test

3.3 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

運(yùn)用Design-Expert11.0軟件，分別建立單粒合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2和重播指數(shù)Y3關(guān)于吸種負(fù)壓X1、投種正壓X2和吸種孔直徑X3的多元非線性回歸模型，并進(jìn)行模型和系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，分析與結(jié)果如下：

1）單粒合格指數(shù)Y1回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

單粒合格指數(shù)Y1的回歸方程為

其方差分析結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果 Table 3 Experiment scheme and results

表4 單粒合格指數(shù)回歸模型的方差分析表 Table 4 Variance analysis of single seed qualified index regression model

由表4可知，單粒合格指數(shù)回歸模型通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01），模型有效。其中交互項(xiàng)X1X3和X2X3的影響不顯著，其他各項(xiàng)均通過顯著性檢驗(yàn)。

由式（8）可知，單粒合格指數(shù)Y1與吸種負(fù)壓X1、投種正壓X2和吸種孔直徑X3都分別呈開口向下的二次函數(shù)關(guān)系，表明存在吸種負(fù)壓、投種正壓和吸種孔直徑的最優(yōu)參數(shù)組合。

2）漏播指數(shù)Y2回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

漏播指數(shù)Y2的回歸方程為

其方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 漏播指數(shù)回歸模型的方差分析表 Table 5 Variance analysis of missing seeding index regression model

由表5可知，漏播指數(shù)回歸模型通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01），模型有效。其中交互項(xiàng)X1X2、X1X3、X2X3和二次項(xiàng)X12和X22都不顯著，其他各項(xiàng)均通過顯著性檢驗(yàn)。

由式（9）可知，吸種負(fù)壓X1對(duì)漏播指數(shù)Y2的影響呈負(fù)線性相關(guān)關(guān)系，表明吸種負(fù)壓越大，漏播指數(shù)將降低；投種正壓X2對(duì)漏播指數(shù)Y2的影響呈正線性相關(guān)關(guān)系，表明投種正壓越大，漏播指數(shù)將增加；漏播指數(shù)Y2與吸種孔直徑X3呈開口向上的二次函數(shù)關(guān)系，表明當(dāng)固定吸種負(fù)壓和投種正壓時(shí)，存在吸種孔直徑的最優(yōu)值，使得漏播指數(shù)最小。

3）重播指數(shù)Y3回歸模型與顯著性檢驗(yàn)

重播指數(shù)Y3的回歸方程為

其方差分析結(jié)果如表6所示。

表6 重播指數(shù)回歸模型的方差分析表 Table 6 Variance analysis of multiple seeding index regression model

由表6可知，重播指數(shù)回歸模型通過顯著性檢驗(yàn)（P＜0.01），模型有效。其中交互項(xiàng)X2X3的影響不顯著，其他各項(xiàng)均通過顯著性檢驗(yàn)。

由式（10）可知，重播指數(shù)Y3與吸種負(fù)壓X1、投種正壓X2和吸種孔直徑X3都分別呈開口向上的二次函數(shù)關(guān)系，表明存在吸種負(fù)壓、投種正壓和吸種孔直徑的最優(yōu)參數(shù)組合使得重播指數(shù)最小。

3.4 各因素間交互作用對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響

由3.3節(jié)的結(jié)果可知，吸種負(fù)壓X1和投種正壓X2的交互項(xiàng)X1X2對(duì)單粒合格指數(shù)Y1有顯著影響，交互項(xiàng)X1X2和X1X3對(duì)重播指數(shù)Y3有顯著影響，表明各因素間存在交互效應(yīng)。應(yīng)用響應(yīng)曲面分析方法，利用Design-Expert11.0軟件生成各因素交互作用對(duì)單粒合格指數(shù)Y1和重播指數(shù)Y3的響應(yīng)曲面圖，如圖11所示。

由圖11a可知，固定吸種孔直徑為1.20 mm，當(dāng)吸種負(fù)壓為3.32～3.68 kPa和投種正壓為0.22～0.23 MPa時(shí)，單粒合格指數(shù)存在最優(yōu)值。固定投種正壓，隨著吸種負(fù)壓的增大，單粒合格指數(shù)先增大后降低；固定吸種負(fù)壓，隨著投種正壓的增大，單粒合格指數(shù)也呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。

由圖11b可知，固定吸種孔直徑為1.20 mm，當(dāng)吸種負(fù)壓為3.32～3.68 kPa和投種正壓為0.23～0.25 MPa時(shí)，重播指數(shù)存在最小值。固定投種正壓，隨著吸種負(fù)壓的增大，重播指數(shù)先降低后增加；固定吸種負(fù)壓，隨著投種正壓的增大，重播指數(shù)也呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

由圖11c可知，固定投種正壓為0.255 MPa，當(dāng)吸種負(fù)壓為2.96～3.22 kPa和吸種孔直徑為1.15～1.25 mm時(shí)，重播指數(shù)存在最小值。固定吸種負(fù)壓，隨著吸種孔直徑的增大，重播指數(shù)先降低后增加；固定吸種孔直徑，隨著吸種負(fù)壓的增大，重播指數(shù)也呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

綜上可得，當(dāng)固定其中任何一個(gè)參數(shù)，其他2個(gè)因素對(duì)單粒合格指數(shù)Y1的影響都呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，對(duì)重播指數(shù)Y3的影響都呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為了得到排種器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，同時(shí)優(yōu)化單粒合格指數(shù)Y1、漏播指數(shù)Y2和重播指數(shù)Y3的影響因素。依據(jù)提高單粒合格指數(shù)，降低漏播和重播指數(shù)的目標(biāo)，結(jié)合各試驗(yàn)因素的邊界條件，得到優(yōu)化模型為

利用Design-Expert軟件中的Optimization模塊進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并分析求解，結(jié)果表明，當(dāng)吸種負(fù)壓為3.73 kPa、投種正壓為0.23 MPa和吸種孔直徑為1.28 mm時(shí)，排種器單粒合格指數(shù)達(dá)到95.13%、漏播指數(shù)為2.80%，重播指數(shù)為2.07%。

為便于實(shí)際加工和參數(shù)調(diào)節(jié)，圓整吸種負(fù)壓為3.70 kPa，投種正壓為0.23 MPa和吸種孔直徑為1.20 mm進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，在相同的試驗(yàn)條件下重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果 Table 7 Test results of optimized parameters

結(jié)果表明，單粒合格指數(shù)平均值為95.08%，漏播指數(shù)平均值為2.72%，重播指數(shù)平均值為2.20%，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

3.6 排種器的品種適應(yīng)性與精準(zhǔn)高效性試驗(yàn)

選取吸種負(fù)壓為3.70 kPa，投種正壓為0.23 MPa和吸種孔直徑為1.20 mm，設(shè)定排種器生產(chǎn)率分別為600、700和800盤/h，選用3個(gè)品種的油菜種子分別為中雙11號(hào)、湘雜油787、中油雜9號(hào)，一個(gè)蔬菜類種子茄子天龍8號(hào)進(jìn)行排種性能試驗(yàn)。每個(gè)試驗(yàn)連續(xù)播種10盤，試驗(yàn)結(jié)果如表8。

由表8可知，當(dāng)生產(chǎn)率為600盤/h，所有油菜品種的單粒合格指數(shù)都高于94%，漏播指數(shù)和重播指數(shù)都小于3%；茄子的單粒合格指數(shù)高于91%，漏播指數(shù)和重播指數(shù)都小于5%。當(dāng)生產(chǎn)率為700和800盤/h時(shí)，所有油菜品種單粒合格指數(shù)都高于93%，漏播指數(shù)和重播指數(shù)都小于5%；茄子的單粒合格指數(shù)高于90%，漏播指數(shù)和重播指數(shù)都小于5%。說明該穴盤育苗精密排種器在不同生產(chǎn)率下對(duì)不同品種油菜種子和茄子種子具有較好的適應(yīng)性。隨著生產(chǎn)率增加，單粒合格指數(shù)雖略有下降，但下降幅度不超過2個(gè)百分點(diǎn)，滿足高效和精準(zhǔn)播種作業(yè)要求。由于茄子播種試驗(yàn)時(shí)未更換匹配的清種裝置，播種質(zhì)量稍有不足，通過更換匹配的清種裝置，可提高播種質(zhì)量。

表8 品種適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果 Table 8 Results of variety adaptability test

4 結(jié)論

1）采用負(fù)壓吸種與正壓投種組合作用技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種氣吸滾筒式穴盤育苗精密排種器。通過模擬分析正壓氣室分別與滾筒內(nèi)壁和吸種孔的流場(chǎng)特征，確定最優(yōu)正壓進(jìn)氣孔間距為144 mm；滾筒型孔中設(shè)置帶凸起吸種帽，用倒U型結(jié)構(gòu)清種裝置進(jìn)行清種，通過在卸壓投種裝置中增加輔助正壓，配合穴孔與吸種孔同步精準(zhǔn)對(duì)位及投種控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同步整排精準(zhǔn)投種。

2）基于Design-Expert11.0軟件中的Optimizaition模塊，應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)排種性能影響因素進(jìn)行優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為：吸種負(fù)壓3.73 kPa、投種正壓0.23 MPa、吸種孔直徑1.28 mm，此時(shí)排種器單粒合格指數(shù)為95.13%，漏播指數(shù)為2.80%，重播指數(shù)為2.07%。驗(yàn)證試驗(yàn)的單粒合格指數(shù)平均值為95.08%，漏播指數(shù)平均值為2.72%，重播指數(shù)平均值為2.20%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致。

3）當(dāng)生產(chǎn)率分別為600、700和800盤/h時(shí)，分別對(duì)3個(gè)品種油菜種子和1個(gè)蔬菜種子（茄子）進(jìn)行排種性能的品種適應(yīng)性和播種精準(zhǔn)高效性試驗(yàn)，結(jié)果表明：油菜種子的單粒合格指數(shù)高于93%，漏播指數(shù)和重播指數(shù)都小于5%；茄子的單粒合格指數(shù)高于90%，漏播指數(shù)和重播指數(shù)都小于5%，說明該排種器能較好地滿足油菜和部分蔬菜穴盤育苗精密播種農(nóng)藝要求，具有較好的適應(yīng)性。