衣淑娟 陳 濤 李衣菲 陶桂香 毛 欣

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院， 大慶 163319)

0 引言

我國(guó)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(wèn)題，這大大增加了投入成本。穴播技術(shù)是一種先進(jìn)的農(nóng)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(zhì)量輕，且含有糠皮，現(xiàn)有的谷子穴播排種器仍無(wú)法完全適應(yīng)谷子穴播種植模式[2]。

國(guó)外谷子種植面積相對(duì)較小，因此對(duì)谷子穴播排種器的研究?jī)?nèi)容較少[3]。國(guó)內(nèi)學(xué)者根據(jù)谷子穴播農(nóng)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(jī)械式兩大類(lèi)[3-6]。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在傷種、對(duì)不同種子適應(yīng)性差的問(wèn)題；氣力式排種器對(duì)種子適應(yīng)性較好，對(duì)種子損傷程度較低，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和易堵孔的問(wèn)題。相關(guān)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(pán)高轉(zhuǎn)速時(shí)充種率低等問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)一種正負(fù)氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器，利用負(fù)壓輔助充種，以解決排種盤(pán)高轉(zhuǎn)速時(shí)充種率低的問(wèn)題，利用正壓強(qiáng)制投種和清除吸孔內(nèi)雜質(zhì)，以解決堵孔、排種均勻性差的問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

正負(fù)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(jī)械充排機(jī)構(gòu)以及氣力輔助充排機(jī)構(gòu)。機(jī)械充排機(jī)構(gòu)包括種箱、型孔輪、排種軸、清種毛刷、護(hù)種板、導(dǎo)種管；氣力輔助充排種結(jié)構(gòu)包括負(fù)壓風(fēng)管、負(fù)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(gè)型孔，負(fù)壓風(fēng)管、投種氣嘴安裝在左殼體上，護(hù)種板、負(fù)壓室安裝在右殼體上，護(hù)種板位于型孔輪的側(cè)部，為與型孔輪同心的弧形，負(fù)壓室位于型孔輪內(nèi)部充種區(qū)正下方，并與負(fù)壓風(fēng)管相通，投種氣嘴的出氣口正對(duì)型孔剛好完全脫離護(hù)種板時(shí)型孔所在的位置。清種毛刷、種箱、導(dǎo)種管安裝在左右殼體之間，清種毛刷處于護(hù)種板起始處，導(dǎo)種管處于護(hù)種板終止處，種箱處于充種區(qū)型孔輪正上方。排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 排種器工作原理

工作時(shí)，種子在充種區(qū)依靠自身重力以及負(fù)壓室在型孔處產(chǎn)生的吸力進(jìn)入型孔內(nèi)，完成充種；種子在型孔內(nèi)隨型孔輪在排種軸驅(qū)動(dòng)下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)清種區(qū)，清種毛刷在型孔輪轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦力的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，將型孔外種子清除，完成清種；在護(hù)種區(qū)，型孔內(nèi)種子在護(hù)種板保護(hù)下，隨型孔輪繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至型孔脫離護(hù)種板到達(dá)投種區(qū)，完成護(hù)種；在投種區(qū)，種子依靠自身重力和投種氣嘴產(chǎn)生的正壓吹力脫離型孔，經(jīng)導(dǎo)種管落入種溝內(nèi)，完成投種。型孔輪經(jīng)過(guò)過(guò)渡區(qū)后再次到達(dá)充種區(qū)，進(jìn)行下一個(gè)播種循環(huán)。排種器工作示意圖如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

谷子穴播要求將谷子種子以一定的穴粒數(shù)、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(duì)水分、養(yǎng)分和陽(yáng)光的利用率[7]。本文以谷子三軸尺寸為基礎(chǔ)，進(jìn)行正負(fù)氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器的設(shè)計(jì)。

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(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的重要參考依據(jù)[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(duì)象，隨機(jī)選取100粒對(duì)其長(zhǎng)、寬、厚外形尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 谷子三軸尺寸

經(jīng)過(guò)測(cè)量，谷子種子的長(zhǎng)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(guò)外形尺寸特征可以簡(jiǎn)化為半橢球體[9]，以便于體積的計(jì)算，為型孔尺寸的設(shè)計(jì)提供參考。橢球體的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

簡(jiǎn)化后的谷子體積模型如圖3的左半部分所示，結(jié)合橢球體的體積計(jì)算公式，單粒谷子種子的體積計(jì)算公式為

(1)

式中a——橢球體長(zhǎng)軸長(zhǎng)度的一半，即谷子種子長(zhǎng)度的一半，mm

b——橢球體中軸長(zhǎng)度的一半，即谷子種子寬度的一半，mm

c——橢球體短軸長(zhǎng)度的一半，即谷子種子厚度的一半，mm

經(jīng)計(jì)算，單粒谷子種子體積約為3.3 mm3。

2.2 穴距計(jì)算

谷子進(jìn)行穴播時(shí)，在行距、播深、穴粒數(shù)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(jì)算公式為

(2)

式中L——播種穴距，cm

l——每公頃播種長(zhǎng)度，m/hm2

N——每公頃播種穴數(shù)，穴/hm2

da——行距，mm

m——每公頃播種量，kg/hm2

m1——千粒質(zhì)量，kg

根據(jù)谷子穴播農(nóng)藝要求，m取5.5～7.5 kg/hm2，行距0.2 m，每穴4～9粒，千粒質(zhì)量3.1 g，計(jì)算可得谷子播種穴距為10～13 cm。谷子穴播穴距的計(jì)算結(jié)果，為后續(xù)型孔數(shù)以及分布的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

型孔輪是排種器的核心部件，其結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性直接影響整個(gè)排種器的播種效果[11-13]。型孔輪的主要參數(shù)包括型孔輪直徑與寬度、型孔的形狀與分布、型孔輪的轉(zhuǎn)速等，這些參數(shù)是保證排種器順利充種、清種、護(hù)種、投種的關(guān)鍵。

2.3.1型孔輪尺寸

型孔輪直徑作為排種器重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，直接決定排種器結(jié)構(gòu)布置和其它零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。型孔經(jīng)過(guò)充種區(qū)的時(shí)間越長(zhǎng)，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(shù)與充種時(shí)間的關(guān)系，建立關(guān)于充種時(shí)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(zhuǎn)速，r/min

va——播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s

Z——型孔數(shù)量

由式(3)整理得

(4)

由式(4)可知，在播種機(jī)前進(jìn)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(shí)間T只與型孔數(shù)量Z有關(guān)，因此，型孔輪直徑對(duì)充種效果沒(méi)有影響，但隨著型孔輪直徑增大，型孔分布的數(shù)量增多，即可增加型孔在充種區(qū)停留時(shí)間，從而提高充種質(zhì)量，但是為了保證充足的吸附力，型孔數(shù)量增多的同時(shí)負(fù)壓室體積也需增大，風(fēng)機(jī)提供的動(dòng)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(jù)谷子穴播農(nóng)藝要求，本著在保證播種質(zhì)量的前提下盡可能減少動(dòng)力消耗的原則，將型孔輪直徑設(shè)計(jì)為120 mm，寬度35 mm。并將內(nèi)部設(shè)計(jì)為直徑為100 mm的中空區(qū)，用于安裝負(fù)壓室和投種氣嘴，如圖5所示。

2.3.2型孔輪轉(zhuǎn)速

型孔輪轉(zhuǎn)速對(duì)排種器的播種質(zhì)量有重要影響[17-19],在機(jī)組前進(jìn)速度一定時(shí)，隨著型孔輪轉(zhuǎn)速增大，投種頻率會(huì)增加，但轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，會(huì)由于型孔經(jīng)過(guò)充種區(qū)時(shí)間過(guò)短而使充種率降低。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，型孔輪線速度不能超過(guò)0.35 m/s[20]。若沒(méi)有輔助裝置，線速度高于這個(gè)值，工作性能將會(huì)大大下降。在實(shí)際田間播種作業(yè)過(guò)程中，由于外界環(huán)境因素的干擾，有必要對(duì)排種器進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，改進(jìn)后的線速度達(dá)到0.5～0.8 m/s。型孔輪轉(zhuǎn)速與充種時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

(5)

(6)

式中Cr——充種區(qū)弧長(zhǎng)，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(jīng)式(6)計(jì)算得型孔輪轉(zhuǎn)速的最佳范圍是8～40 r/min。

2.4 型孔設(shè)計(jì)

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

通過(guò)參考農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[20]，本文設(shè)計(jì)圓柱錐形組合孔、圓柱球形組合孔、錐形孔3種型孔，通過(guò)試驗(yàn)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(guò)負(fù)壓室產(chǎn)生的吸附力進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jì)，在設(shè)計(jì)型孔的尺寸時(shí)假設(shè)種子間無(wú)縫隙[22]。因?yàn)楣茸友úr(shí)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(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)尺寸均相同。吸孔直徑過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致種子穿過(guò)型孔進(jìn)入負(fù)壓室內(nèi)，型孔直徑過(guò)小，會(huì)因吸力不足而影響充種效果，本文將設(shè)計(jì)4個(gè)不同直徑的吸孔，分別為0.8、1.0、1.2、1.4 mm，通過(guò)試驗(yàn)確定最優(yōu)吸孔直徑，吸孔厚度設(shè)計(jì)為1 mm。

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

(7)

式中d——型孔輪直徑，mm

由式(7)可知，型孔數(shù)量與播種機(jī)前進(jìn)速度成正比，與型孔輪線速度以及轉(zhuǎn)速成反比，適當(dāng)增加型孔數(shù)量既可以降低型孔輪轉(zhuǎn)速，又可以提高作業(yè)速度，有利于使播種質(zhì)量得到改善和提高播種作業(yè)效率。根據(jù)式(2)計(jì)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(jīng)計(jì)算，型孔數(shù)量取9.3～12.1個(gè)，綜合考慮，取12個(gè)。

2.5 護(hù)種板設(shè)計(jì)

護(hù)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(jié)束，所經(jīng)區(qū)域圓心角為125°，護(hù)種板與型孔輪的配合間隙直接影響排種器的護(hù)種質(zhì)量，無(wú)論間隙過(guò)大或過(guò)小均會(huì)對(duì)排種效果與排種器的使用壽命產(chǎn)生不利影響。如果間隙過(guò)大，會(huì)使型孔內(nèi)的種子脫離型孔，被型孔輪外表面刮帶至投種區(qū)，加大對(duì)種子的機(jī)械損傷，導(dǎo)致穴粒數(shù)不準(zhǔn)確，同時(shí)會(huì)使種子成穴效果變差；如果間隙過(guò)小，會(huì)增大型孔輪與護(hù)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(shè)計(jì)護(hù)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(huì)脫離型孔進(jìn)入護(hù)種板與型孔輪之間。護(hù)種板與型孔輪配合示意圖如圖7所示。

2.6 負(fù)壓室設(shè)計(jì)

負(fù)壓室在位于充種區(qū)型孔的吸孔處產(chǎn)生吸力，其結(jié)構(gòu)直接影響著充種效果[24-25]，本文將負(fù)壓室設(shè)計(jì)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(fù)壓室側(cè)面設(shè)有安裝在左殼體上的安裝孔和與負(fù)壓風(fēng)管相連接的排氣口，風(fēng)機(jī)通過(guò)排氣口將負(fù)壓室內(nèi)空氣全部排出，在負(fù)壓室內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，以此在吸孔處對(duì)種子產(chǎn)生吸附力。負(fù)壓室的結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.7 投種氣嘴設(shè)計(jì)

投種氣嘴作為強(qiáng)制投種和清除吸孔內(nèi)雜質(zhì)的關(guān)鍵部件，必須保證通過(guò)氣嘴內(nèi)部的氣流均勻穩(wěn)定，才能夠有效清除吸孔內(nèi)雜質(zhì)的同時(shí)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(guò)的氣流過(guò)小，就會(huì)使種子在投種區(qū)不能順利脫離型孔，而且吸孔內(nèi)的雜質(zhì)不能及時(shí)清除，從而使漏播率升高；如果通過(guò)的氣流過(guò)大，由于谷子種子較輕，就會(huì)使種子脫離型孔后被吹散，成穴性變差，降低播種質(zhì)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(yīng)，所以，為提高氣流利用率，圓形管道直徑設(shè)計(jì)為與反向錐孔直徑相等的6 mm。投種氣嘴分別設(shè)有凹槽和臺(tái)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(dòng)，投種氣嘴中間部位用長(zhǎng)方體取代圓柱體，防止在左殼體上發(fā)生軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。投種氣嘴結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3 充種過(guò)程力學(xué)分析

充種過(guò)程可分為2個(gè)階段，第1階段是種子在重力和吸力的作用下運(yùn)動(dòng)到型孔輪外壁，第2階段是種子充入到型孔內(nèi)隨型孔輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.1 種子在流場(chǎng)中受力分析

在充種時(shí)為使充種區(qū)型孔輪內(nèi)部的負(fù)壓室能將型孔內(nèi)的空氣全部吸出，在型孔附近產(chǎn)生一定的壓力差，使氣流產(chǎn)生擾動(dòng)，所以在型孔處存在流場(chǎng)。以單粒谷子種子為研究對(duì)象，分析種子在流場(chǎng)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(chǎng)中的受力情況如圖10所示。

負(fù)壓室產(chǎn)生的負(fù)壓為P，外部為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓P0，根據(jù)伯努利原理可得

(8)

式中v0——空氣流動(dòng)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(shù)，隨q增大而減小

c2——常數(shù)，取0.2～0.3

氣流場(chǎng)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(guò)單個(gè)吸孔的空氣流量計(jì)算公式為

(10)

式中d0——吸孔直徑，mm

ΔP——型孔內(nèi)真空度，Pa

ξ——型孔阻力系數(shù)

將谷子種子在平面上的投影簡(jiǎn)化為球形，對(duì)其受力在平面上進(jìn)行積分，結(jié)合式(10)計(jì)算可得種子在流場(chǎng)中受到的氣流場(chǎng)作用力FP為

(11)

種子在流場(chǎng)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(chǎng)中所受的氣流作用力FP受吸孔直徑d0、型孔內(nèi)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(nèi)真空度。

3.2 種子吸附過(guò)程力學(xué)分析

作用在種子上的合力作用點(diǎn)位于種子質(zhì)心，負(fù)壓室內(nèi)氣流為定常流，在充種過(guò)程中種子在重力、負(fù)壓室內(nèi)氣流作用力和種群內(nèi)部作用力下隨型孔輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，以型孔輪徑向?yàn)閥軸，切向?yàn)閤軸，建立平面直角坐標(biāo)系，分析種子吸附過(guò)程中的受力情況，此過(guò)程種子的受力與運(yùn)動(dòng)情況如圖11所示。

根據(jù)圖11可得到受力平衡方程

(12)

式中Fd——吸孔處氣流對(duì)谷子種子繞流阻力，N

Fl——吸孔處氣流對(duì)谷子種子繞流升力，N

Ffa——型孔輪對(duì)谷子種子的摩擦力，N

Ffb——種間摩擦力，N

FNa——型孔輪對(duì)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(nèi)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(zhì)量，kg

Pa——離心力，N

(13)

式中Cl——繞流升力系數(shù)

d5——谷子種子算術(shù)平均直徑，mm

Cd——繞流阻力系數(shù)

SD——谷子繞流阻力特征面積，m2

聯(lián)立式(12)、(13)可得型孔內(nèi)真空度ΔP為

(14)

由式(14)可知，在種子吸附過(guò)程中的真空度受型孔輪轉(zhuǎn)速、充種角、種子質(zhì)量和種子內(nèi)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(zhuǎn)速越高，所需要的真空度就越大。取播種機(jī)前進(jìn)速度2～6 km/h，即型孔輪角速度2.1～6.3 rad/s,通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得谷子種子千粒質(zhì)量2.5 g，φ1為25.3°，φ2為21.1°，取θ1為30°，θ2為40°，經(jīng)計(jì)算排種器在充種時(shí)所需真空度ΔP為1.13～3.21 kPa。因?yàn)榕欧N器在進(jìn)行實(shí)際播種作業(yè)時(shí)條件較為復(fù)雜，本文在進(jìn)行排種器性能試驗(yàn)時(shí)，真空度取1.5～3.5 kPa。

4 排種器性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

制作出排種器樣機(jī)進(jìn)行臺(tái)架性能試驗(yàn)，試驗(yàn)材料選用大穗金谷種子，試驗(yàn)在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)播種實(shí)驗(yàn)室JPS-12型播種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，風(fēng)機(jī)使用2BQS-2型播種機(jī)上配置的液壓馬達(dá)風(fēng)機(jī)，該風(fēng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)進(jìn)行吸氣和吹氣兩項(xiàng)工作。利用麥賽福格森1204型拖拉機(jī)的液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)，通過(guò)負(fù)壓力表測(cè)量負(fù)壓室內(nèi)的真空度。試驗(yàn)設(shè)備如圖12所示。試驗(yàn)過(guò)程中采用Seeder Test軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，觀察穴粒數(shù)。

試驗(yàn)時(shí)輸送帶的運(yùn)行速度由所模擬的播種機(jī)前進(jìn)速度來(lái)確定，在田間播種作業(yè)過(guò)程中，播種機(jī)的前進(jìn)速度由型孔輪轉(zhuǎn)速和谷子穴播穴距農(nóng)藝要求來(lái)確定，即

(15)

式中vb——輸送帶運(yùn)行速度，km/h

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》和《蔬菜穴播播種機(jī)技術(shù)條件》，將合格率、重播率、漏播率作為試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。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(yàn)

4.3.1對(duì)比試驗(yàn)

為驗(yàn)證排種器充種區(qū)負(fù)壓室的輔助充種作用，分別在有負(fù)壓和無(wú)負(fù)壓條件下進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)，有負(fù)壓時(shí)將真空度設(shè)置為2 kPa，將型孔輪轉(zhuǎn)速依次設(shè)置為10、15、20、25、30 r/min進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)式(15)，對(duì)應(yīng)的輸送帶速度依次為2、3、4、5、6 km/h，計(jì)算其平均值作為最終結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

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

4.3.2型孔輪轉(zhuǎn)速和型孔形狀對(duì)播種質(zhì)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(zhuǎn)速變化的播種質(zhì)量，將真空度設(shè)置為2 kPa，型孔輪轉(zhuǎn)速依次設(shè)置為10、15、20、25、30 r/min，對(duì)應(yīng)的輸送帶速度依次為2、3、4、5、6 km/h，將播種質(zhì)量最優(yōu)的型孔作為排種器的最終型孔，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)計(jì)算平均值。試驗(yàn)結(jié)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(zhuǎn)速的升高呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)，重播率逐漸下降且趨勢(shì)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(zhuǎn)速為15～25 r/min時(shí)較大，尤其在20 r/min時(shí)，合格率均達(dá)到最大。當(dāng)型孔輪轉(zhuǎn)速較低時(shí)，型孔在充種區(qū)經(jīng)過(guò)時(shí)間較長(zhǎng)，與種子接觸過(guò)于充分而引起充種過(guò)多；當(dāng)轉(zhuǎn)速逐漸升高后，型孔與種子達(dá)到較為適宜的接觸時(shí)間，此時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定范圍后，型孔在充種區(qū)經(jīng)過(guò)時(shí)間過(guò)短，型孔與種子的接觸不充分，使得漏播率急劇上升，導(dǎo)致合格率降低。

在相同轉(zhuǎn)速條件下，合格率由大到小的型孔類(lèi)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(lèi)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(lèi)型為錐形孔、圓柱球形組合孔、圓柱錐形組合孔。這是因?yàn)閳A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(hù)種效果，種子在清種區(qū)不會(huì)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(dǎo)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(chǎn)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(yàn)

以吸孔直徑、型孔輪轉(zhuǎn)速、真空度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)[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(zhuǎn)速為10～30 r/min，試驗(yàn)因素編碼如表2所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，將其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。采用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

4.5 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果如表4所示。

表4 方差分析

(1)合格率回歸模型

根據(jù)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(shù)R2為0.942 6，說(shuō)明回歸方程的預(yù)測(cè)值與通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析所得到的實(shí)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(duì)合格率影響不顯著，將這3項(xiàng)剔除后得到的回歸方程為

(16)

通過(guò)對(duì)式(16)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響合格率的因素主次順序?yàn)槲字睆?、真空度、型孔輪轉(zhuǎn)速。

(2)重播率回歸模型

根據(jù)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(shù)R2為0.944 6，說(shuō)明回歸方程的預(yù)測(cè)值與通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析所得到的實(shí)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(duì)重播率影響不顯著，將這2項(xiàng)剔除后得到的回歸方程為

(17)

通過(guò)對(duì)式(17)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響重播率的因素主次順序?yàn)槲字睆?、真空度、型孔輪轉(zhuǎn)速。

(3)漏播率回歸模型

根據(jù)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(shù)R2為0.960 5，說(shuō)明回歸方程的預(yù)測(cè)值與通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析所得到的實(shí)際值擬合度較高。其中X2X3的P值大于0.05，其交互作用對(duì)漏播率影響不顯著，將這項(xiàng)剔除后得到的回歸方程為

(18)

通過(guò)對(duì)式(18)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得出，影響漏播率的因素主次順序?yàn)槲字睆?、真空度、型孔輪轉(zhuǎn)速。

4.6 各因素對(duì)合格率的影響分析

因?yàn)楹细衤适桥欧N器播種性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，所以本文重點(diǎn)分析各因素的交互作用對(duì)合格率的影響，響應(yīng)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(dāng)型孔輪轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，吸孔直徑和真空度的交互作用對(duì)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(dá)最高點(diǎn)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(shí)，合格率最高。

(2)吸孔直徑和型孔輪轉(zhuǎn)速的交互作用

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

(3)真空度和型孔輪轉(zhuǎn)速的交互作用

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

4.7 參數(shù)優(yōu)化

為了獲得最佳參數(shù)組合，采用Design-Expert 8.0.6軟件數(shù)據(jù)優(yōu)化模塊，需要設(shè)置邊界條件并建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)分析得到數(shù)學(xué)模型

(19)

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

4.8 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)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(zhuǎn)速22.5 r/min進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，計(jì)算其試驗(yàn)結(jié)果平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，所得到的實(shí)際結(jié)果為合格率92.66%、重播率3.02%、漏播率4.32%，實(shí)際結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果差異較小，優(yōu)化結(jié)果準(zhǔn)確可信。

5 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)正負(fù)氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器的田間實(shí)際播種性能，將排種器安裝在2BQS-2型小籽粒精量播種機(jī)上，采用邁賽弗格森1204型拖拉機(jī)為牽引動(dòng)力，在黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)。

為了使土壤能夠滿(mǎn)足谷子種植需求，試驗(yàn)前使用旋耕機(jī)對(duì)田地進(jìn)行旋耕，使土壤細(xì)碎平整。平均耕深80 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)90.36%，土壤平均堅(jiān)實(shí)度為408.4 kPa。試驗(yàn)時(shí)，參照臺(tái)架試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)組合，選取吸孔直徑為1 mm，真空度設(shè)置為2.1 kPa，播種機(jī)前進(jìn)速度設(shè)置為4.5 km/h，對(duì)應(yīng)的型孔輪轉(zhuǎn)速為22.5 r/min。將機(jī)組勻速前進(jìn)的50 m作為取樣長(zhǎng)度，統(tǒng)計(jì)每穴內(nèi)的種子粒數(shù)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算平均值作為最終結(jié)果。田間試驗(yàn)結(jié)果為：合格率88.2%，重播率4.9%，漏播率6.9%。

田間試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)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(shí)機(jī)組前進(jìn)會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，對(duì)充種的粒數(shù)和投種的軌跡會(huì)有一定的影響；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，致使負(fù)壓室內(nèi)真空度和投種氣嘴內(nèi)正壓產(chǎn)生波動(dòng)，影響充種、投種和清出吸孔內(nèi)雜質(zhì)的效果，降低了播種合格率。

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了正負(fù)氣壓-型孔輪組合式谷子穴播排種器，采用負(fù)壓輔助充種、正壓強(qiáng)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(pán)高轉(zhuǎn)速時(shí)充種率低的問(wèn)題。

(2)單因素試驗(yàn)表明，當(dāng)型孔輪轉(zhuǎn)速較高時(shí)，有負(fù)壓條件下的充種效果明顯高于無(wú)負(fù)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(yàn)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(zhuǎn)速。最佳工作參數(shù)組合為：吸孔直徑1.04 mm、型孔輪轉(zhuǎn)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(shí)際結(jié)果與優(yōu)化值差異較小，優(yōu)化值準(zhǔn)確可靠。

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