莫定紅，舒彩霞,2，廖宜濤,2，廖慶喜,2，高麗萍

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070

我國油菜種植區(qū)域可分為冬油菜和春油菜兩大產(chǎn)區(qū)，春油菜產(chǎn)區(qū)分布在青海、甘肅、新疆、西藏等氣溫較低且無霜期較短的地區(qū)。干旱和低溫凍害是油菜生長發(fā)育和產(chǎn)量的重要限制因素[1]，鋪膜穴播技術(shù)能有效地增溫保墑，顯著提高降水利用率，降低旱害和凍害的發(fā)生，是提高春油菜產(chǎn)區(qū)油菜產(chǎn)量的一項(xiàng)有效措施[2]。

穴播器是鋪膜穴播作業(yè)的關(guān)鍵部件，目前國內(nèi)外常用穴播成穴機(jī)構(gòu)為鴨嘴成穴器，多用于棉花、花生及馬鈴薯鋪膜穴播，如用于棉花播種的2BMJ系列機(jī)械式精量鋪膜播種機(jī)采用型孔式排種器精密播種與滾筒式鴨嘴成穴器相結(jié)合原理[3]，意大利FORIGO公司研制生產(chǎn)的Seminatrice Modula系列覆膜打孔穴播機(jī)采用鴨嘴成穴器從種子分配器接收種子后打孔穴播[4]。穴播器根據(jù)取種工作原理可分為機(jī)械式和氣力式兩大類[5]。王吉奎等[6]利用重力夾持原理設(shè)計(jì)了一種夾持式玉米精密穴播輪，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、對種子大小適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。陳學(xué)庚等[7]設(shè)計(jì)了氣吸式棉花精量穴播器，提高了膜上成穴和播種作業(yè)質(zhì)量。朱彤等[8]以氣力與機(jī)械協(xié)同取種、斷氣卸種、機(jī)械攜種方式設(shè)計(jì)的機(jī)械氣力組合式花生精量排種器，有效提高了充種性能且不易傷種。Ratnyake等[9]研究了一種可調(diào)錐形滾筒式穴播排種器，優(yōu)化了穴播排種器尺寸和工作轉(zhuǎn)速。Singh等[10]對花生穴播排種器型孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了較優(yōu)的型孔錐角。Lawrence等[11]設(shè)計(jì)了一種用于洋蔥和馬鈴薯播種的氣動(dòng)點(diǎn)播鋪膜機(jī)，具有能夠調(diào)整播種距離的優(yōu)點(diǎn)。以上研究表明，穴播器廣泛應(yīng)用于中、大粒徑種子作物的精密播種，油菜籽具有粒徑小、質(zhì)量輕、易破損、含油率高等特性，使用穴播器播種油菜籽時(shí)，在其排種作業(yè)中存在易堵塞型孔造成漏播、強(qiáng)制卸種損傷種子等問題，因而應(yīng)用較少[12]。

為解決油菜膜上穴播的實(shí)際生產(chǎn)需求，提高播種精度，保持播種穩(wěn)定性，本研究結(jié)合油菜種子物料特性和膜上精量穴播技術(shù)要求，設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓吸種、正壓卸種氣力式精密排種器與鴨嘴成穴組合式油菜穴播器，每穴種子數(shù)控制在1～3粒，有效提高成穴與排種同步性及成穴質(zhì)量，旨在為油菜穴播排種器結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供更多參考。

1 材料與方法

1.1 穴播器結(jié)構(gòu)及工作原理

1)主要結(jié)構(gòu)。油菜正負(fù)氣壓組合式穴播器主要由排種輪、鴨嘴腰帶裝置、氣室腔體、充種室腔體、進(jìn)種管和導(dǎo)種槽等組成，如圖1和圖2所示。

1.左端蓋 Left cover; 2.排種輪 Seed metering wheel; 3.鴨嘴腰帶裝置 Duckbill device; 4.軸承 Bearing; 5.正負(fù)氣壓氣室腔體 Positive and negative pressure chamber; 6.充種室腔體 Filling seed chamber; 7.進(jìn)種管 Seed tube; 8.右端蓋 Right cover; 9.導(dǎo)種槽 Seed guide groove.

1.JPS-12排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái) JPS-12 experimental platform of metering device; 2.風(fēng)機(jī)Fan; 3.負(fù)壓管道 Negative pressure pipe; 4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)Driving motor; 5.正壓管道 Positive pressure pipe; 6.穴播器 Dibbler; 7.種床帶 Seed belt; 8.U型測壓計(jì)U type pressure gauge.

為保證每穴種子粒數(shù)為1～3粒，排種輪上設(shè)計(jì)雙排型孔(圖3)，鴨嘴均勻分布在腰帶外部圓周與排種輪上的型孔相對應(yīng)；氣室腔體與排種輪組合成封閉氣室，氣室腔體沿圓周方向設(shè)有一圈槽縫，以保證氣室密封性。封閉氣室被氣室腔體隔板分割成正壓區(qū)、負(fù)壓區(qū)和無壓區(qū)(圖4)，其中正壓區(qū)角度為40°，對應(yīng)為投種區(qū)，提供種子脫離型孔所需的正壓強(qiáng)，保證種子順利卸種，負(fù)壓區(qū)角度為260°，對應(yīng)為吸種區(qū)、攜種區(qū)，為種子被型孔吸附提供負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)吸種、攜種，氣室剩余部分為無壓區(qū)。

圖3 排種輪結(jié)構(gòu)圖

2)工作原理。與鴨嘴腰帶裝置同步轉(zhuǎn)動(dòng)的排種輪相對氣室腔體做逆時(shí)針圓周運(yùn)動(dòng)，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓氣流和正壓氣流通過氣室腔體上的負(fù)壓腔氣管和正壓腔氣管分別進(jìn)入負(fù)壓區(qū)、正壓區(qū)，種子通過進(jìn)種管進(jìn)入充種室，排種輪依靠負(fù)壓吸種區(qū)提供的負(fù)壓氣流將充種室的種子吸在排種輪型孔上，并攜帶至正壓投種區(qū)，種子在正壓氣流吹力和自身重力的作用下，脫離排種輪型孔以一定初速度作拋物運(yùn)動(dòng)，并落入導(dǎo)種槽并運(yùn)動(dòng)至鴨嘴成穴器內(nèi)，鴨嘴成穴器刺破地膜入土打孔，種子依靠自身重力落入孔穴中，完成排種。

圖4 油菜正負(fù)氣壓組合式穴播器工作區(qū)域劃分圖

1.2 穴播器排種過程種子力學(xué)分析

為有效分析排種過程中種子的受力，簡化穴播器的受力模型為：(1)將油菜視為尺寸均勻的剛性球體，受力均作用在質(zhì)心上；(2)忽略種子從被吸附到隨排種輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)間差；(3)排種輪運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為勻速圓周運(yùn)動(dòng)且每個(gè)型孔只吸附1粒種子，型孔附近氣流穩(wěn)定[13]。

1)吸種過程。種子在吸種過程受力如圖5所示，主要受排種輪對種子的摩擦力fg、排種輪對種子的支持力Fg、種群對種子的摩擦力fq、種群對種子的支持力Nq、吸種過程負(fù)壓氣流對種子的吸附力FQ、重力G和離心力Fl的共同作用。以靠近排種輪的種子為研究對象，建立X-Y坐標(biāo)系，則種子的受力方程為公式(1)：

圖5 吸種過程種子受力分析

(1)

式(1)中，F(xiàn)Q為負(fù)壓氣流對種子的吸附力，N；fq為種群對種子的摩擦力，N；α為負(fù)壓氣流對種子的吸附力與水平方向的夾角，(°)；θ為種群對種子的支持力與水平方向的夾角，(°)；Nq為種群對種子的支持力，N；G為種子自身重力，N；Fg為排種輪對種子的支持力，N；Fl為種子所受離心力，N；m為種子質(zhì)量，g；fg為排種輪對種子的摩擦力，N；w為排種輪的角速度，rad/s；r為排種輪半徑，mm；f1為排種輪和種子接觸的動(dòng)摩擦系數(shù)，f2為種群和種子接觸的動(dòng)摩擦系數(shù)。

在吸種過程中，負(fù)壓氣室氣流場對種子的氣流吸附力為FQ1，對種子的吸附力可由公式(2)得到：

(2)

式(2)中，c為無因次系數(shù)；ρα為空氣密度，kg/cm3；sk為型孔面積，m2；vk為負(fù)壓氣室負(fù)壓流速，m/s。

由公式(1)和(2)可得，吸種過程中種子能夠被吸附需要滿足公式(3)：

(3)

計(jì)算得到吸種過程中能夠穩(wěn)定吸附種子的理論負(fù)壓值P為：

(4)

由公式(3)可知，種子順利被排種輪型孔吸附與型孔面積sk、排種輪半徑r、種子質(zhì)量m、排種輪主軸轉(zhuǎn)速w、吸附力與水平方向的夾角α、種群對種子的支持力與水平方向的夾角θ、排種輪和種子接觸的動(dòng)摩擦系數(shù)f1、種群和種子接觸的動(dòng)摩擦系數(shù)f2、種群對種子的支持力Nq等因素有關(guān)。當(dāng)排種輪結(jié)構(gòu)確定時(shí)，穴播器作業(yè)時(shí)所需最小負(fù)壓與排種輪主軸轉(zhuǎn)速、種子和排種輪接觸系數(shù)、充種室內(nèi)種層高度有關(guān)。在實(shí)際作業(yè)中,吸種過程受種子自然條件及外界復(fù)雜環(huán)境的影響，故所需負(fù)壓值要乘以吸種可靠系數(shù)K1(K1=1.8～2.0)、工作穩(wěn)定系數(shù)K2(K2=1.6～2.0)，若忽略種子間的相互作用，通過公式(4)計(jì)算可得，種子在吸種過程中能夠被吸附的最小理論負(fù)壓值為-428.69 Pa，試驗(yàn)時(shí)氣室負(fù)壓值必須大于-428.69 Pa。

2)攜種過程。處于攜種階段的種子不受種群作用力的影響，主要受排種輪對種子的摩擦力fg、排種輪對種子的支持力Fg、攜種過程中負(fù)壓氣流對種子的吸附力FQ、重力G和離心力Fl的共同作用，假設(shè)每個(gè)型孔只吸附了1粒種子，以被吸附在型孔上的種子為研究對象，建立X-Y坐標(biāo)系，在此過程中種子受力如圖6所示，建立種子的受力方程為公式(5)：

圖6 攜種過程種子受力分析

(5)

式(5)中，β為負(fù)壓氣流對種子的吸附力與水平方向的夾角，(°)。

整理公式(5)可得，攜種過程中所需負(fù)壓氣流對種子的吸附力為公式(6)：

(6)

(7)

由公式(7)可知，攜種階段所需負(fù)壓氣流對種子的吸附力最大時(shí)小于吸種階段型孔吸附種子的吸附力，因此，穴播器正常工作的最大負(fù)壓值在吸種區(qū)，只要保證吸種時(shí)負(fù)壓氣流對種子的吸附力便可實(shí)現(xiàn)順利攜種，排種輪能夠成功吸附種子到達(dá)卸種區(qū)。

3)卸種過程。卸種過程中即將吹出的種子主要受排種輪對種子的摩擦力fg、排種輪對種子的支持力Fg、卸種過程中正壓氣流對種子的吹力FC、重力G和離心力Fl的共同作用(圖7)。以排種輪上即將吹出的種子為研究對象，建立X-Y坐標(biāo)系，建立種子的受力方程為公式(8)：

圖7 卸種過程種子受力分析

(8)

式(8)中，F(xiàn)C為正壓氣流對種子的吹力，N；γ為卸種角度，即型孔對應(yīng)的正壓氣流作用力與水平方向的夾角，(°)；ay為即將脫離排種輪種子在y方向的加速度，m/s2。

整理公式(8)可得：

(9)

由公式(9)可知，卸種階段種子脫離排種輪的瞬間，在正壓氣流方向的加速度與正壓氣流的吹力FC和排種輪主軸轉(zhuǎn)速w等因素有關(guān)。當(dāng)種子脫離排種輪后，正壓氣流對油菜籽的作用力消失，油菜籽在重力的作用下以一定初速度做曲線運(yùn)動(dòng)。種子脫離排種輪的瞬間，其速度方向沿著排種輪法向，運(yùn)動(dòng)方程如公式(10)：

(10)

式(10)中，v為種子脫離排種輪的瞬間沿法向的速度，m/s；v′為機(jī)組前進(jìn)速度，m/s；t為種子脫離排種輪后的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；S為種子在水平方向的位移，m；g為重力加速度，m/s2；H為種子在豎直方向的位移，m。

由公式(9)和公式(10)可知，正壓氣流吹力越大，種子沿著排種輪法向的加速度越大，則種子在水平方向位移越大，導(dǎo)種槽與排種輪的相對位置關(guān)系也應(yīng)滿足此運(yùn)動(dòng)方程。

1.3 關(guān)鍵部件參數(shù)分析

影響排種性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是排種輪型孔直徑、型孔結(jié)構(gòu)以及型孔數(shù)量。研究不同型孔直徑、型孔形狀和型孔徑向型孔數(shù)對流場壓力的影響，確定較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行排種輪型孔的設(shè)計(jì)，建立型孔流場模型。通過ANSYS Workbench劃分流場網(wǎng)格，定義接觸充種室的型孔端為Pressure-Inlet(壓力入口)，接觸氣室的型孔端為Pressure-Outlet(壓力出口)。設(shè)置壓力入口壓強(qiáng)為0 Pa，壓力出口壓強(qiáng)為-2 000 Pa，氣體流動(dòng)性質(zhì)選用湍流模型中的k-epsilon模型，收斂條件為10-4，進(jìn)行計(jì)算。在Results中通過Location建立型孔截面和型孔吸種端截面，在Calculators界面的Function Calculator選擇吸種端截面平均壓強(qiáng)。提取型孔吸種端截面平均壓強(qiáng)，最后以型孔截面壓力分布均勻性和型孔吸種端的壓力值作為分析型孔的優(yōu)劣依據(jù)[14]。

1)型孔直徑參數(shù)分析。型孔直徑依據(jù)油菜種子的三軸尺寸確定[15]，由式(11)計(jì)算可得：

d=ab

(11)

式(11)中，d為型孔直徑，mm；a為系數(shù)，一般取0.64～0.66；b為油菜種子的平均寬度，mm。以中雙11號油菜品種的三軸尺寸為依據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可得型孔直徑范圍為1.02～1.26 mm。選擇直徑分別為1.0、1.1、1.2 mm的錐孔作為研究對象，進(jìn)行仿真分析。型孔截面和型孔吸種端截面壓力云圖仿真結(jié)果如圖8所示，3種直徑錐孔截面壓力變化分布均勻，沒有突變，型孔直徑為1.2 mm時(shí)錐孔的型孔截面壓力差最??；各錐孔吸種端平均氣壓值分別為-1 782.39、-1 799.61、-1 825.09 Pa，吸種端截面壓力分布由吸種端邊界向圓心呈圓形變化遞減，在型孔直徑為1.2 mm時(shí)錐孔吸種端處平均氣壓值最大，截面變化分布最均勻，因此，型孔直徑為1.2 mm的錐孔為3種尺寸中的最佳。

A,B,C:型孔截面壓力云圖 Pressure nephogram of hole section; D,E,F:型孔吸種端截面壓力云圖 Pressure nephogram of seed sucking hole section; A,D:d=1.0 mm; B,E:d=1.1 mm; C,F:d=1.2 mm.

2)型孔形狀結(jié)構(gòu)分析。選擇型孔直徑為1.2 mm的直孔、錐孔和沉孔作為研究對象，不同型孔形狀的型孔截面和型孔吸種端截面壓力云圖仿真結(jié)果如圖9所示。直孔截面的壓力呈直線梯度變化減少，兩端壓力差最小，錐孔截面和沉孔截面壓力均呈現(xiàn)倒C形分布。各型孔吸種端截面平均氣壓值分別為-1 876.11、-1 825.09、-1 762.03 Pa，直孔吸種端截面壓力由吸種端兩邊界向圓心遞增，錐孔吸種端截面壓力由吸種端邊界向圓心呈圓形變化遞減，沉孔截面壓力由吸種端邊界向圓心呈遞減。由于錐孔與直孔吸種端截面平均壓力相差不大，且錐孔截面壓力變化分布最均勻，錐孔和油菜種子形狀相容性好，兩者接觸面積更大，所以選擇錐孔為最佳型孔形狀結(jié)構(gòu)。

3)型孔數(shù)量及位置參數(shù)分析。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[16]和油菜農(nóng)藝種植要求，由公式(12)計(jì)算可得:

(12)

式(12)中，Z為徑向型孔數(shù)，個(gè)；D為地輪直徑，mm；δ為地輪滑移率，一般為0.05～0.12；ip為傳動(dòng)比，取1；l為株距，mm。由公式(12)和實(shí)際作業(yè)參數(shù)計(jì)算可得，徑向型孔數(shù)范圍為9.64～13.36，徑向型孔數(shù)和鴨嘴數(shù)相同，考慮到加工工藝及尺寸要求等問題，鴨嘴數(shù)一般為偶數(shù)[17]，徑向型孔數(shù)可取10或者12。選擇徑向型孔數(shù)為10、12的錐孔作為研究對象，進(jìn)行不同徑向型孔數(shù)的內(nèi)部氣室氣流場仿真。導(dǎo)入模型完成網(wǎng)格劃分后，將型孔端面定義為Pressure-Inlet(壓力入口)，負(fù)壓出氣口端面定義Pressure-Outlet-N(壓力出口)，正壓進(jìn)氣口端面定義為Pressure-Inlet-P(壓力入口)。設(shè)置型孔端面壓力入口壓強(qiáng)為0 Pa，壓力出口壓強(qiáng)為-2 000 Pa，正壓進(jìn)氣口端面壓力入口壓強(qiáng)為800 Pa。在Results中通過Location建立通過型孔的氣室內(nèi)部截面和型孔吸種端截面，提取型孔吸種端截面平均速度。氣流場速度仿真結(jié)果如圖10所示，徑向型孔數(shù)為10、12的錐孔氣流速度分布基本均勻，相鄰型孔沒有氣流干涉現(xiàn)象，12孔的過型孔截面氣流速度最大為56 m/s，10孔的氣流速度最大為55.89 m/s，12孔比10孔的型孔截面氣流速度變化劇烈；型孔數(shù)為10時(shí)吸種端截面平均氣流速度為7.68 m/s，型孔數(shù)為12時(shí)吸種端截面氣流速度為7.76 m/s，比10孔吸種端截面平均氣流速度大，氣流速度分布更均勻，因此徑向型孔數(shù)Z取12。

A,B,C:型孔截面壓力圖 Pressure nephogram of hole section; D,E,F:型孔吸種端截面壓力圖 Pressure nephogram of seed sucking hole section; A,D:直孔 Straight hole; B,E:錐孔Taper hole; C,F:沉孔 Sink hole.

A,B:氣室內(nèi)部截面速度矢量圖 Velocity vector diagram of inner section of air chamber; C,D:型孔吸種端截面速度圖 Pressure nephogram of seed sucking hole section; A,C:型孔孔數(shù)為10 The number of type-hole is 10; B,D:型孔孔數(shù)為12 The number of type-hole is 12.

為保證單穴留種1～3粒，設(shè)計(jì)雙排型孔排布方式，為避免吸種過程中多粒種子相互干涉，型孔軸向間距Δd不能小于2粒種子的最大尺寸[12]，Δd應(yīng)滿足公式(13)：

Δd≥2dmax

(13)

式(13)中，Δd為型孔軸向間距，mm；dmax為種子最大直徑，mm。綜合考慮種子幾何尺寸、吸種互不干涉要求，取軸向型孔間距Δd為6 mm。

1.4 排種性能試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為油菜中雙11號，千粒重為4.57 g，含水率為6.46%；以JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái)為平臺(tái)開展試驗(yàn)研究。對穴播器排種過程的種子受力分析，選取影響排種性能的主要參數(shù)負(fù)壓、種層高度、排種輪主軸轉(zhuǎn)速和正壓為試驗(yàn)因素，依據(jù)NY/T 987―2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》，選用種子的穴粒數(shù)合格率、空穴率作為衡量穴播器工作質(zhì)量的性能指標(biāo)，開展單因素試驗(yàn)和二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一由試驗(yàn)臺(tái)識(shí)別系統(tǒng)采集并處理，同時(shí)人工對比以減少人為誤差的影響，每種條件下試驗(yàn)重復(fù)3次[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 影響穴播器性能的單因素試驗(yàn)

1)負(fù)壓對穴播器排種性能的影響。設(shè)油菜正負(fù)氣壓組合式穴播器排種輪主軸轉(zhuǎn)速為10 r/min、正壓為500 Pa、種層高度為50 mm，負(fù)壓分別為-500、-800、-1 100、-1 400、-1 700、-2 000 Pa共6個(gè)水平開展負(fù)壓對穴播器排種性能影響試驗(yàn)(圖11A)。隨著負(fù)壓的增大，穴粒數(shù)合格率呈先增大后減小的趨勢，空穴率呈單調(diào)遞減趨勢，在負(fù)壓為-1 100～-1 700 Pa時(shí)，穴粒數(shù)合格率在80%以上。原因主要是當(dāng)負(fù)壓較小時(shí)，型孔吸附種子的吸附力太小，不利于吸種；隨著負(fù)壓增大，對種子的吸附力增強(qiáng)，吸附能力增強(qiáng)，空穴率迅速降低，穴粒數(shù)合格率增加。

2)種層高度對穴播器排種性能的影響。設(shè)定油菜正負(fù)氣壓組合式穴播器負(fù)壓為-1 500 Pa、正壓為500 Pa、排種輪主軸轉(zhuǎn)速為10 r/min，選取種層高度分別為30、40、50、60、70 mm共5個(gè)水平開展種層高度對穴播器排種性能影響試驗(yàn)(圖11B)。隨著種層高度的增加，穴粒數(shù)合格率呈小幅度上升后基本穩(wěn)定趨勢，空穴率呈先下降后小范圍上升趨勢。原因是隨著種層高度增加，排種輪主軸轉(zhuǎn)速不變，排種輪型孔與種子接觸時(shí)間越長，種子被吸附的概率越大，提高吸種性能；當(dāng)種層高度較高時(shí)，種群壓力增大，容易造成漏吸，使空穴率小范圍上升，結(jié)合穴播器充種室結(jié)構(gòu)尺寸確定選取種層高度為50 mm開展試驗(yàn)。

3)排種輪主軸轉(zhuǎn)速對穴播器排種性能的影響。設(shè)定油菜正負(fù)氣壓組合式穴播器負(fù)壓為-1 500 Pa、正壓為500 Pa、種層高度為50 mm，排種輪主軸轉(zhuǎn)速分別為5、10、15、20、25、30 r/min共6個(gè)水平開展排種輪主軸轉(zhuǎn)速對穴播器排種性能影響試驗(yàn)(圖11C)。隨著排種輪主軸轉(zhuǎn)速增大，穴粒數(shù)合格率呈先增加后下降趨勢，空穴率隨排種輪主軸轉(zhuǎn)速增大而單調(diào)遞增，在排種輪主軸轉(zhuǎn)速為5～20 r/min時(shí)，穴粒數(shù)合格率在80%以上。原因主要是在給定條件下，排種輪主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，型孔與充種室腔體內(nèi)種子充分接觸，穴粒數(shù)合格率下降；當(dāng)排種輪主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，排種輪線速度較大，型孔與種子接觸時(shí)間變短，氣流場穩(wěn)定性降低，容易漏吸，造成排種效果不理想。

4)正壓對穴播器排種性能的影響。設(shè)定油菜正負(fù)氣壓組合式穴播器排種輪主軸轉(zhuǎn)速為10 r/min、負(fù)壓為-1 500 Pa、種層高度為50 mm，正壓分別為300、600、900、1 200、1 500、1 800 Pa共6個(gè)水平開展正壓對穴播器排種性能影響試驗(yàn)(圖11D)。隨著正壓的增大，穴粒數(shù)合格率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，空穴率呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢，在正壓為600～1 500 Pa時(shí)，穴粒數(shù)合格率在80%以上。分析其原因主要是在正壓較大時(shí)，氣流吹力過大導(dǎo)致種子無序卸種，使空穴率增加，穴粒數(shù)合格率降低。

圖11 負(fù)壓、種層高度、排種輪主軸轉(zhuǎn)速和正壓對排種性能的影響

2.2 二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)

由單因素試驗(yàn)得到了穴播器在排種輪主軸轉(zhuǎn)速范圍為5～20 r/min，負(fù)壓范圍為-800～-2 000 Pa，正壓范圍為600～1 500 Pa，穴播器性能指標(biāo)較優(yōu)。為確定試驗(yàn)因素對穴播器性能的影響主次順序，以確定試驗(yàn)最佳組合因素參數(shù)，采用三因素五水平正交旋轉(zhuǎn)組合優(yōu)化設(shè)計(jì)，以穴粒數(shù)合格率、空穴率為響應(yīng)指標(biāo)，根據(jù)單因素試驗(yàn)確定試驗(yàn)因素及其許用范圍為：排種輪主軸轉(zhuǎn)速5～20 r/min，負(fù)壓-800～-2 000 Pa，正壓600～1 500 Pa，因素編碼如表1所示，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。

表1 因素水平編碼表 Table 1 Coding factors level

表2 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案及結(jié)果 Table 2 Scheme and result of quadratic rotation-orthogonal combination test

表3 回歸方程方差分析 Table 3 Variance analysis of regression equation

利用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，建立穴粒數(shù)合格率Y1、空穴率Y2與排種輪主軸轉(zhuǎn)速Z1、負(fù)壓Z2、正壓Z3之間的回歸方程，并對試驗(yàn)結(jié)果和回歸方程進(jìn)行方差分析(表3)，響應(yīng)指標(biāo)Y1、Y2回歸模型方程為公式(14)。

(14)

2.3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

在實(shí)際作業(yè)中，穴播器應(yīng)在保證穴粒數(shù)合格率的情況下，盡量降低空穴率，為求解穴播器作業(yè)時(shí)的最佳參數(shù)組合，借助Design-Expert 8.0.6軟件，根據(jù)以上建立的穴播器穴粒數(shù)合格率和空穴率回歸模型，將其中一個(gè)因素固定在零水平，得到其余兩因素交互作用對穴播器穴粒數(shù)合格率、空穴率影響的響應(yīng)曲面和等值線圖(圖12)。

由圖12A、D可知，正壓處于零水平，負(fù)壓一定時(shí)，隨著排種輪主軸轉(zhuǎn)速的增加，穴粒數(shù)合格率呈先升后降趨勢，空穴率呈下降趨勢；排種輪主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著負(fù)壓的增加，穴粒數(shù)合格率呈上升趨勢，空穴率呈下降趨勢。由圖12B、E可知，負(fù)壓處于零水平，正壓一定時(shí)，隨著排種輪主軸轉(zhuǎn)速的增加，穴粒數(shù)合格率先升后降，空穴率小幅度下降；排種輪主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著正壓的增加，穴粒數(shù)合格率處于基本穩(wěn)定，空穴率上升。由圖12C、F可知，排種輪主軸轉(zhuǎn)速處于零水平，正壓一定時(shí)，隨著負(fù)壓的增加，穴粒數(shù)合格率呈上升趨勢，空穴率不斷下降；負(fù)壓一定時(shí)，隨著正壓的增加，穴粒數(shù)合格率小幅度上升，空穴率不斷上升。

為尋求各因素的最優(yōu)組合，以穴播器穴粒數(shù)合格率最大、空穴率最小為評價(jià)指標(biāo)。對排種性能指標(biāo)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，約束條件如下：

圖12 交互因素對穴粒數(shù)合格率(A,B,C)和空穴率(D,E,F)的影響

(15)

將數(shù)據(jù)帶入Design-Expert軟件求解并圓整，得到最優(yōu)工作參數(shù)為：排種輪主軸轉(zhuǎn)速7.5 r/min、負(fù)壓-2 000 Pa、正壓850 Pa，預(yù)測的穴粒數(shù)合格率為88.32%，空穴率為3.81%。

選取經(jīng)過試驗(yàn)優(yōu)化定型后的參數(shù)：排種輪主軸轉(zhuǎn)速7.5 r/min、負(fù)壓-2 000 Pa、正壓850 Pa，開展驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。試驗(yàn)結(jié)果為：穴粒數(shù)合格率為88.15%，空穴率為4.43%，結(jié)果顯示預(yù)測的最優(yōu)工作參數(shù)組合與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。排種性能指標(biāo)滿足穴播要求。

3 討 論

針對實(shí)際生產(chǎn)中油菜機(jī)械鋪膜穴播缺乏穴粒數(shù)精確可控排種器的問題，本研究設(shè)計(jì)了一種采用雙排型孔形式負(fù)壓吸種、正壓卸種，鴨嘴成穴器二次投種原理的油菜正負(fù)氣壓組合式穴播器。構(gòu)建了吸種、攜種和卸種過程中種子的力學(xué)模型，分析確定了影響穴播器工作性能的因素，種子能夠被吸附的最小理論負(fù)壓值為-428.69 Pa；仿真分析確定了1.2 mm錐孔的型孔截面和吸種端截面壓力變化分布最均勻。正交試驗(yàn)分析得出了影響穴播器穴粒數(shù)合格率的因素主次順序?yàn)樨?fù)壓、排種輪主軸轉(zhuǎn)速、正壓，得到優(yōu)化后穴播器最優(yōu)參數(shù)組合為：種層高度50 mm，排種輪主軸轉(zhuǎn)速7.5 r/min、負(fù)壓-2 000 Pa、正壓850 Pa，結(jié)果顯示預(yù)測的最優(yōu)工作參數(shù)組合與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。本研究設(shè)計(jì)的穴播器其穴粒數(shù)合格率能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，空穴率仍有較大降低空間，有待后期進(jìn)一步改善。同時(shí)，可通過高速攝影開展穴播器的投種過程研究，以改進(jìn)導(dǎo)種槽結(jié)構(gòu)。