伍皖閩 陳學(xué)庚,2 王士國 顏利民 蔣德莉 紀(jì) 超

(1.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 石河子 832003；3.新疆農(nóng)墾科學(xué)院機(jī)械裝備研究所， 石河子 832000)

0 引言

玉米機(jī)械化精量播種是指在農(nóng)藝要求下將種子均勻播到土壤中指定地點(行距、粒距和深度一定)，達(dá)到節(jié)省種子，省去間苗作業(yè)，提高產(chǎn)量的目的，受到高度重視和廣泛應(yīng)用。穴播器作為鋪膜播種機(jī)的核心部件，其排種性能是影響播種質(zhì)量的重要因素[1-3]。

玉米穴播器按其工作原理可分為機(jī)械式和氣力式，氣力式穴播器對種子的形狀適應(yīng)性較強(qiáng)，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗大、價格昂貴等缺點。機(jī)械式穴播器因具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維修方便等優(yōu)點在實際中得到廣泛應(yīng)用[4-7]。目前，新疆機(jī)械式穴播器主要分為夾持式和型孔輪式[8]。夾持式穴播器利用夾持原理完成充種，按其取種模塊的不同可分為動定夾取種和夾板夾盤取種。付威等[9]設(shè)計了強(qiáng)制夾持式穴播器，滾輪通過導(dǎo)軌使動夾打開和閉合，完成與定夾對種子的夾取，播種機(jī)工作速度為3.54 km/h時，穴播器排種性能較好；蔣蓓等[10]對夾持式穴播器夾板夾盤進(jìn)行設(shè)計，當(dāng)播種機(jī)速度為2.1 km/h時，排種合格率為90%，分析可知，夾持式穴播器存在夾取多粒，籽粒形狀要求嚴(yán)苛，清種不徹底等問題[11]。

型孔輪式穴播器通過振動齒板與拐臂接觸使取種塊轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)取種塊上型孔朝向的變化，從而完成充種與排種；同時振動齒板與拐臂相對運(yùn)動產(chǎn)生小幅高頻振動，增強(qiáng)了穴播器的清種和種群擾動能力，有效提高穴播器充種性能[12-13]。李娟娟等[14]對棉花穴播器的充種性能分析發(fā)現(xiàn)，排種合格率隨振動頻率的增大，呈先增大后減小趨勢，振動頻率為6.08 Hz時，排種合格率達(dá)到最大，為94.65%；房碩等[15]對24穴棉花穴播器試驗發(fā)現(xiàn)，穴播器轉(zhuǎn)速過快易產(chǎn)生甩籽現(xiàn)象；型孔輪式穴播器目前在新疆棉花播種領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在玉米領(lǐng)域的研究未見報道。

國內(nèi)外學(xué)者對型孔進(jìn)行了大量的研究。于建群等[16-17]提出一種階梯形型孔，研究發(fā)現(xiàn)只要選擇合適的內(nèi)窩定量孔與充填孔的尺寸與形狀，對不同品種和不分級的玉米種子均能達(dá)到精播要求。SINGH等[18]和MALEKI等[19]發(fā)現(xiàn)種子尺寸決定排種器型孔形狀、尺寸等參數(shù)，直接影響排種精度。劉艷芬等[20]對水平圓盤式排種器的型孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，結(jié)果表明，型孔倒角與傾角對排種器播種性能影響顯著。夏連明等[21]對丸?；衩着欧N器研究發(fā)現(xiàn)，增大型孔直徑會使型孔體積增大，易造成重播。通過已有研究可知[22]，階梯形型孔通過改變型孔形狀和尺寸來約束種子姿態(tài)，實現(xiàn)定量充種，增強(qiáng)了型孔對種子的適應(yīng)性，有效提高播種質(zhì)量。

本文結(jié)合拐臂窩眼式穴播器特點和階梯形型孔設(shè)計思想，設(shè)計一種組合型孔輪式玉米精量穴播器。以新玉23玉米種子為研究對象，對穴播器組合型孔和齒板進(jìn)行設(shè)計，優(yōu)化求解關(guān)鍵部件的最優(yōu)參數(shù)組合，進(jìn)行臺架和土槽試驗，測試其在種子不分級條件下的排種性能，以期為玉米機(jī)械式穴播器的設(shè)計與應(yīng)用提供參考。

1 穴播器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

組合型孔輪式玉米精量穴播器主要由定盤、壓盤、取種腰帶、齒板、鴨嘴等組成，如圖1a所示，其中取種腰帶由多個取種模塊連接而成，每個取種模塊包括拐臂、連接塊、取種塊、種盒、扭轉(zhuǎn)彈簧、清種刷，如圖1b所示。穴播器按其功能和工作順序分為充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)和投種區(qū)，如圖1c所示。

圖1 穴播器結(jié)構(gòu)及工作區(qū)域示意圖Fig.1 Structure and working area of seed-metering device1.進(jìn)種口 2.穴播器軸 3.動盤 4.壓盤 5.芯盤 6.齒板 7.取種腰帶 8.鴨嘴 9.定盤 10.軸端蓋 11.拐臂 12.連接塊 13.取種塊 14.種盒 15.扭轉(zhuǎn)彈簧 16.清種刷 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.落種區(qū)

穴播器工作原理為：種箱內(nèi)的玉米種子通過進(jìn)種口進(jìn)入穴播器形成種群，取種塊隨著穴播器在拖拉機(jī)動力牽引下轉(zhuǎn)動，穴播器上取種塊進(jìn)入充種區(qū)時，取種模塊上拐臂與齒板接觸帶動取種塊轉(zhuǎn)動，取種塊上型孔開口朝向充種室，種子在自身重力、離心力和種間相互作用力下充入型孔；拐臂離開齒板時，拐臂經(jīng)過齒板產(chǎn)生的振動和清種條共同作用下將型孔中多余種子清出，取種塊在彈簧恢復(fù)力作用下回到相對初始位置，完成充種與清種；型孔內(nèi)的種子隨穴播器繼續(xù)轉(zhuǎn)動，在投種區(qū)時由重力作用落入鴨嘴腔；隨著穴播器轉(zhuǎn)動，定鴨嘴完成破膜與成穴，動鴨嘴在土壤支持力作用下回轉(zhuǎn)，鴨嘴打開，種子通過鴨嘴口落入土壤，完成播種。

2 穴播器關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 取種塊組合型孔設(shè)計

取種塊是組合型孔的載體，是穴播器充種的核心，取種塊上組合型孔尺寸直接影響穴播器的充種性能。為保證穴播器單粒充種，確定組合型孔尺寸與形狀，依據(jù)玉米種子尺寸對組合型孔進(jìn)行參數(shù)設(shè)計。組合型孔結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 組合型孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of combined-hole1.內(nèi)窩定量孔 2.充填孔

2.1.1組合型孔數(shù)目確定

取種腰帶直徑范圍[23]一般為300～400 mm，腰帶直徑選取較大值時，有利于提高充種和清種效率。因此本文腰帶外直徑設(shè)計為312 mm，內(nèi)直徑為272 mm，穴播器最大直徑(鴨嘴外圈直徑)da為450 mm。

組合型孔的數(shù)量是影響播種質(zhì)量的重要因素。在株距和機(jī)具牽引速度一定時，型孔越多，排種轉(zhuǎn)速越低，有利于提高穴播器充種性能。穴播器型孔個數(shù)[24]應(yīng)滿足

(1)

式中K——型孔個數(shù)

Ld——播種株距，mm

根據(jù)新疆玉米種植農(nóng)藝要求與經(jīng)驗，玉米的播種株距一般為100～300 mm，取Ld=200 mm；穴播器由播種機(jī)具直接牽引前進(jìn)，不存在速比，計算得K=7.069，取型孔個數(shù)為7。

2.1.2內(nèi)窩定量孔設(shè)計

種子尺寸、種子趨近型孔的姿態(tài)、種子進(jìn)入型孔的姿態(tài)和型孔相對取種塊位置都直接影響型孔參數(shù)的確定。本文隨機(jī)選擇1 000粒新玉23玉米種子，對其長L、寬W、厚T進(jìn)行測量并統(tǒng)計，測得其長度、寬度和厚度的正態(tài)分布均值分別為10.97、8.83、6.78 mm，最大值分別為14.33、10.53、9.62 mm，根據(jù)種子尺寸，確定內(nèi)窩定量孔和充填孔結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1.2.1定量孔長度

內(nèi)窩定量孔是依靠容積來控制充種量[25]，因此，確定合適的容積尺寸，有利于提高充種性能。為保證單粒充種，定量孔長度應(yīng)小于兩粒種子囊入型孔的長度最小值，即此時一顆種子呈平躺姿態(tài)，另一顆呈側(cè)立姿態(tài)，如圖3a所示，型孔有效長度為

圖3 型孔直徑與種子姿態(tài)關(guān)系圖Fig.3 Relation diagrams between hole diameter and seed posture

(2)

式中Lmax——種子最大長度，mm

Wa——種子寬度正態(tài)分布均值，mm

Ls——定量孔長度，mm

Ta——種子厚度正態(tài)分布均值，mm

D1——定量孔最大長度，mm

ΔL——長度間隙，mm

為提高充種性能，避免種子在型孔口卡住，故本文長度間隙應(yīng)取較大值，ΔL取3 mm，式(2)計算得定量孔長度為17.33 mm，取Ls=17.5 mm。

2.1.2.2定量孔寬度

充種過程中，定量孔寬度應(yīng)小于兩粒種子側(cè)立囊入型孔的厚度最小值和側(cè)立囊入型孔的寬度最小值，如圖3b所示，定量孔寬度為

(3)

式中Wmax——種子最大寬度，mm

Ws——定量孔寬度，mm

D2——定量孔最大寬度，mm

ΔW——寬度間隙，mm

為使單粒種子能以直立姿態(tài)進(jìn)入型孔，定量孔寬度應(yīng)大于種子的最大寬度，寬度間隙ΔW一般為1.5 mm[26]，由式(3)計算可得，定量孔寬度為Ws=12 mm。

2.1.3充填孔設(shè)計

2.1.3.1充填孔直徑

為了進(jìn)一步保證精量播種，對充填孔直徑進(jìn)行控制，使其容納一粒種子，并用種子寬度和厚度的臨界值來確定直徑。同時保證種子以直立和側(cè)立的姿態(tài)進(jìn)入型孔，避免進(jìn)入充填孔是平躺姿態(tài)，導(dǎo)致型孔堵塞，故充填孔直徑要小于種子長度的最大值。

(4)

式中Dr——充填孔直徑，mm

Tmax——種子厚度最大值，mm

由式(4)計算可得充填孔直徑范圍為10.53～14.33 mm，此時種子除平躺姿態(tài)外，任何姿態(tài)都能進(jìn)入充填孔，為減少重播，充填孔直徑應(yīng)取小值，本文Dr取11 mm。

2.1.3.2充填孔形狀

充填孔一般分為平底長形、錐形和球形[27-28]，通過大量試驗發(fā)現(xiàn)，平底長形充填孔在進(jìn)種時易囊入多粒種子，造成重播；當(dāng)種子以頭朝下充入錐型充填孔時，型孔易堵塞，造成漏播；球形充填孔與前兩者相比，對種子的適應(yīng)性較強(qiáng)，囊種效果較好，因此本設(shè)計采用球形充填孔。

圖4 充填孔孔型Fig.4 Structure shapes of filling hole

2.1.4組合型孔深度

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊》可知，組合型孔深度由種子的長度最大值確定。型孔深度過大會導(dǎo)致型孔容積變大，提高了多粒種子進(jìn)入型孔的可能性，這是導(dǎo)致穴播器播種性能下降的因素之一。故本設(shè)計型孔深度應(yīng)不大于種子長度最大值，且為減少種子的磨損，深度應(yīng)大于種子長度均值，即

La

(5)

式中H——組合型孔總深度，mm

為避免型孔中種子的露出部分與種盒內(nèi)壁刮蹭，出現(xiàn)種子損傷現(xiàn)象，型孔深度應(yīng)取較大值，本文深度初步定為12.3 mm。組合型孔深度為定量孔深度與充填孔深度之和。玉米種子的重心確定方法為[29]：重心至其大頭處的距離占玉米總長度的40%，故充填孔深度為

Hd=0.4La

(6)

式中Hd——充填孔深度，mm

由式(6)可得，充填孔深度取4.4 mm。

2.2 型孔位置確定

組合型孔在取種塊上相對位置的不同直接影響穴播器的充種性能。通過分析穴播器工作原理發(fā)現(xiàn)，穴播器在工作時存在極限位置，如圖5a、5b所示，即：充種時，型孔開口應(yīng)完全指向穴播器充種室，有利于種子囊入型孔，提高充種性能；落種時，型孔開口指向鴨嘴腔，有利于種子落入鴨嘴腔，完成排種。以充種時取種塊為對象，分析型孔在取種塊上的位置，研究型孔在取種塊上相對位置的最佳組合，且為保證型孔制造中不被打穿，型孔與取種塊軸孔間應(yīng)保持距離0.9 mm。建立如圖5c所示的極坐標(biāo)系。假設(shè)型孔在取種塊上可動，因型孔深度為定值，故可把曲線ABCD當(dāng)成剛體，型孔在取種塊上的運(yùn)動可描述為剛體ABCD沿曲線AE運(yùn)動，則點A、O1、B、D和C坐標(biāo)為：A(lAOcosθ,lAOsinθ)；O1(lAOcosθ+lABcosθ1+lBO1cosθ5,lAOsinθ+lABsinθ1+lBO1sinθ5)；B(lAOcosθ+lABcosθ1,lAOsinθ+lABsinθ1)；D(lAOcosθ+lABcosθ1+2lBO1cosθ5,lAOsinθ+lABsinθ1+2lBO1sinθ5)；C(lAOcosθ+lABcosθ1+lBO1cosθ5+lCO1cosθ1,lAOsinθ+lABsinθ1+lBO1sinθ5+lCO1cosθ1)。其中

圖5 型孔位置分析圖Fig.5 Analysis diagrams of hole location

(7)

在三角形OO1C中，由余弦定理可得

(8)

式中θ——點A極角,(°)

θ1——AB方向角,(°)

θ2——AB相對AO的夾角,(°)

θ4——點C極角,(°)

θ5——BD方向角,(°)

α——型孔方向角,(°)

β——型孔位置角,(°)

由式(8)可知，當(dāng)θ4已知時，型孔位置角β與型孔方向角α及點A處的極角θ有關(guān)。點A又為型孔左側(cè)壁極限，當(dāng)剛體ABCD沿著曲線AE移動時，無論型孔方向角α增大或減小，極角θ都呈遞減趨勢。當(dāng)極角θ一定，剛體ABCD繞點A逆時針旋轉(zhuǎn)，為保持充填孔的完整性，此時點D存在上極限，α存在極小值，即點D應(yīng)位于AEF曲線內(nèi)，以EF為圓弧圓的方程為

(x-3.7)2+(y-5.35)2=10.62

(9)

點D軌跡應(yīng)滿足

(lAOcosθ+lABcosθ1+2lBO1cosθ5-3.7)2+
(lAOsinθ+lABsinθ1+2lBO1sinθ5-5.35)2≤10.62

(10)

當(dāng)剛體ABCD繞點A順時針旋轉(zhuǎn)時，為保證型孔與取種塊回轉(zhuǎn)孔之間保持0.9 mm的距離，此時點D有下極限，α存在極大值，極限為圓弧BCD與臨界圓相切，有

(lAOcosθ+lABcosθ1+lBO1cosθ5-1.2sinθ5)2+
(lAOsinθ+lABsinθ1+lBO1sinθ5+1.2cosθ5)2≥11.52

(11)

由式(11)可知極角θ與α有關(guān)，由圖5a、5b可知，極角θ在充種和落種極限位置處分別為100°和90°，將其代入式(10)、(11)，可得型孔方向角范圍為6°～26°，由式(8)可得型孔位置角范圍為38°～50°。式(8)求出的α和β的范圍為并集，即其所有的組合并不能都滿足上述邊界要求，對范圍進(jìn)行分析可知，當(dāng)α為6°，β為27°～38°時，此時型孔極角θ不在極限范圍內(nèi)，故β在38°～50°間選取。又因為α和β是型孔與取種塊間的相對結(jié)構(gòu)參數(shù)，不隨穴播器轉(zhuǎn)動而變化，故由α和β確定型孔在取種塊上相對位置，并由后續(xù)試驗確定最佳參數(shù)組合。

2.3 充種過程運(yùn)動分析

種子能否進(jìn)入型孔與種子和型孔間的相對速度有關(guān)，為分析種子和型孔間相對運(yùn)動對充種過程的影響，建立充種過程種子的運(yùn)動分析圖。以種子長軸方向為X軸方向，垂直X軸方向為Y軸，建立圖6所示的坐標(biāo)系。

圖6 種子充入型孔運(yùn)動學(xué)分析Fig.6 Kinematic analysis of seed filling hole

型孔囊種過程包括種子質(zhì)心沿X軸方向做勻速運(yùn)動和沿Y軸方向做自由落體運(yùn)動，忽略種間相互作用力，種子質(zhì)心運(yùn)動方程為

(12)

式中h——種子質(zhì)心與取種塊間的高度，mm

d——種子質(zhì)心至型孔后端的距離，mm

vτ——種子相對速度，m/s

t——種子充入型孔所需時間，min

由式(12)可得種子充入型孔的最大速度為

(13)

種子充入型孔的速度可分為：種子與穴播器間的相對速度和取種塊線速度在X軸方向上的矢量和，即

vτ=v1+v2

(14)

其中

(15)

由式(14)、(15)可得種子的最大相對極限轉(zhuǎn)速為

(16)

式中v1——種子與穴播器間相對速度，m/s

v2——取種塊與穴播器間相對速度,m/s

ω1——穴播器角速度，rad/s

ω2——取種塊角速度，rad/s

R1——腰帶內(nèi)徑，取136 mm

R2——取種塊半徑，取16 mm

R3——拐臂頂部半徑，取9 mm

R4——拐臂中心長度，取30 mm

目前新疆玉米鋪膜播種作業(yè)速度為3～4 km/h，由式(16)得出排種盤的最大轉(zhuǎn)速為45 r/min，滿足新疆玉米鋪膜播種作業(yè)速度要求。

2.4 齒板設(shè)計

齒板是影響穴播器充種性能的重要因素。拐臂與齒板做相對運(yùn)動時，齒的齒形輪廓不同，導(dǎo)致拐臂旋轉(zhuǎn)角度不同，窩眼打開的方向隨之發(fā)生變化，影響充種性能；同時，拐臂通過齒板產(chǎn)生振動，將型孔內(nèi)多余種子抖動下來，提高清種效率，增強(qiáng)了一定的種群擾動能力。因此，為研究齒板最佳齒形輪廓，對穴播器齒板進(jìn)行設(shè)計。將齒板上的齒設(shè)計為直齒狀，并把拐臂和齒板中的齒分別簡化成擺桿和凸輪，拐臂經(jīng)過齒板的運(yùn)動過程即可轉(zhuǎn)化為凸輪帶動擺桿轉(zhuǎn)至凸輪最高點B2的過程，不考慮拐臂經(jīng)過齒最高點以后扭轉(zhuǎn)彈簧施加給拐臂的回轉(zhuǎn)力所做的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)用解析法求解凸輪輪廓線，如圖7所示。

圖7 凸輪輪廓線設(shè)計Fig.7 Cam profile synthesis

點B2處x和y坐標(biāo)公式[30]為

(17)

其中

(18)

齒板(圖8)安裝在穴播器芯盤上，故齒頂圓半徑應(yīng)不大于芯盤的半徑，即

圖8 齒板Fig.8 Truss plate

(19)

式中l(wèi)a——擺桿與凸輪回轉(zhuǎn)中心間距離，148 mm

lb——擺桿長度，取39 mm

δ——凸輪轉(zhuǎn)角，(°)

φ——擺桿角位移，(°)

φ0——擺桿初始位置角，(°)

r0——齒板基圓半徑，116 mm

rs——芯盤半徑，126.5 mm

由式(18)計算可得φ0為30°。由式(17)可知，點B的坐標(biāo)與凸輪轉(zhuǎn)角δ及擺桿角位移φ有關(guān)，凸輪轉(zhuǎn)角一般為55°～75°，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)角δ為75°，角位移φ為0.07 rad，點B坐標(biāo)為(111 mm，60 mm)，齒板最大半徑設(shè)計為126 mm，齒板厚度為3 mm，齒數(shù)為7。

3 排種性能試驗

3.1 臺架試驗

3.1.1試驗材料及裝置

試驗選用新玉23號包衣玉米種子，千粒質(zhì)量為491 g，含水率為13.4%，人工精選剔除破損種子。使用Lite-600型三維打印機(jī)對取種塊和齒板進(jìn)行3D打印，打印材料為光敏樹脂R4600，打印精度0.2 mm。在新疆農(nóng)墾科學(xué)院進(jìn)行臺架試驗，試驗裝置為JPS-12型計算機(jī)視覺排種器試驗臺，如圖9所示，排種軸轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍10～150 r/min，種床帶速度可調(diào)范圍1.5～12 km/h。

圖9 計算機(jī)視覺排種器試驗臺及種子分布圖Fig.9 Computer vision seed metering device test bench and seed distribution graph

3.1.2評價指標(biāo)

根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》，以排種合格指數(shù)y1、漏播指數(shù)y2和重播指數(shù)y3作為試驗指標(biāo)，開展穴播器臺架性能試驗。

3.1.3試驗設(shè)計

組合型孔深度影響型孔位置角β，為降低試驗復(fù)雜性，采用單因素試驗確定型孔深度，縮小型孔方向角和型孔位置角的范圍。然后根據(jù)理論分析和前期試驗，采用Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計進(jìn)行試驗，確定影響排種性能的各因素最佳參數(shù)組合。

3.1.4試驗結(jié)果與分析

3.1.4.1型孔深度對排種性能的影響

設(shè)定型孔方向角為21°，型孔位置角為44°，穴播器轉(zhuǎn)速為40 r/min，分析型孔深度分別為12.0、12.3、12.6 mm時對排種性能的影響，每組試驗測種子數(shù)為251粒，每組試驗重復(fù)3次，取平均值，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同型孔深度時的排種性能試驗結(jié)果Tab.1 Result of seeding performance at different hole depths

由表1可知，當(dāng)型孔深度為12.3 mm時，排種合格指數(shù)為85.92%、重播指數(shù)為7.17%、漏播指數(shù)為6.91%，此時排種性能最好；當(dāng)型孔深度為12 mm時排種性能較差，主要原因是，深度減小，型孔容積變小，型孔中的種子易被清種，漏播指數(shù)增大；當(dāng)型孔深度為12.6 mm時，型孔容積變大，易囊入多粒種子，且部分多余種子會卡在取種塊與清種條之間，在落種區(qū)和型孔中的種子一起掉落進(jìn)鴨嘴腔，從而導(dǎo)致重播指數(shù)增大。

3.1.4.2型孔方向角對排種性能的影響

由2.2節(jié)分析可得，型孔方向角的范圍為6°～26°，設(shè)定型孔位置角44°、型孔深度12.3 mm、穴播器轉(zhuǎn)速40 r/min進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同型孔方向角時的排種性能試驗結(jié)果Tab.2 Result of seeding performance at different hole direction angles

由表2可知，隨著型孔方向角增大，排種合格指數(shù)呈先增大后減小的趨勢。分析其原因為，型孔方向角越小，型孔越趨近于取種塊左極限位置，型孔容積越小，清種時間越少；型孔方向角越大，型孔容積越大，充種性能提高，并在21°時，合格指數(shù)達(dá)到最大值，此時型孔方向角再增大，充種時種子也不再斜躺于型孔內(nèi)，取種塊回程時易被清種。

3.1.4.3型孔位置角對排種性能的影響

型孔方向角只能確定型孔在取種塊上的朝向，并不能確定型孔相對位置，型孔位置角和型孔方向角緊密相關(guān)，二者之間相互約束。在穴播器轉(zhuǎn)速為40 r/min，型孔方向角為16°，型孔深度為12.3 mm時，分別分析型孔位置角為32°、38°、44°、50°時穴播器的充種情況，結(jié)果如表3所示。

表3 不同型孔位置角時的排種性能試驗結(jié)果Tab.3 Result of seeding performance at different hole position angles

結(jié)果表明型孔位置角影響穴播器充種性能，排種合格指數(shù)隨型孔位置角的增大先增大后減小，說明型孔位置角增大，型孔左極限與點A間實體部分對充種性能影響顯著，對下層種群有一定的阻擋作用，減少了型孔堵塞；當(dāng)型孔位置角繼續(xù)增大為50°時，回程時間增大，回程時部分種子會被卡在取種塊和取種條之間，隨著型孔中種子一起落入鴨嘴腔，重播指數(shù)增大。

3.1.4.4Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計

根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計共進(jìn)行17次試驗，各因素取值范圍為：型孔方向角17°～25°，型孔位置角42°～46°，穴播器轉(zhuǎn)速35～45 r/min，試驗因素編碼如表4所示，根據(jù)試驗安排進(jìn)行參數(shù)組合試驗，每組試驗重復(fù)3次取平均值，試驗方案與結(jié)果如表5所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表4 試驗因素編碼Tab.4 Codes of test factors

表5 試驗方案與結(jié)果Tab.5 Experimental project and results

利用Design-Expert 8.0.6軟件對正交試驗結(jié)果進(jìn)行回歸擬合并方差分析，方差分析如表6所示，得到合格指數(shù)y1、重播指數(shù)y2、漏播指數(shù)y3與試驗因素編碼值的回歸方程為

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表6 試驗結(jié)果方差分析Tab.6 Variance analysis of experimental result

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同理可得，剔除回歸模型中不顯著項后重播指數(shù)和漏播指數(shù)的回歸方程為

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此時回歸模型擬合決定系數(shù)R2分別為0.966 5、0.966 0、0.963 5，表明回歸模型預(yù)測值與實際值有較高相關(guān)性。失擬項P值分別為0.822 3、0.793 1、0.483 1，均大于0.05，表明回歸方程擬合度高，可用此方程來優(yōu)化穴播器的參數(shù)。

方差分析表明，試驗因素對合格指數(shù)影響的主次順序為型孔位置角、型孔方向角、穴播器轉(zhuǎn)速；對重播指數(shù)影響的主次順序為型孔方向角、型孔位置角、穴播器轉(zhuǎn)速；影響漏播指數(shù)的主次順序為型孔方向角、穴播器轉(zhuǎn)速、型孔位置角。型孔方向角和型孔位置角的交互項X1X2對合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)影響均極顯著。

利用Design-Expert 8.0.6軟件得到穴播器轉(zhuǎn)速為40 r/min時，型孔方向角和型孔位置角交互作用對合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)影響的響應(yīng)曲面，如圖10所示。

由圖10a可知，當(dāng)型孔方向角一定時，隨著型孔位置角的增大，排種合格指數(shù)呈先增大后減小的趨勢，型孔位置角在44°～46°時排種合格指數(shù)較高；當(dāng)型孔位置角一定時，隨著型孔方向角的增大，排種合格指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，型孔方向角在19°～23°時排種合格指數(shù)較高。型孔方向角20.3°、型孔位置角44.7°時，排種合格指數(shù)達(dá)到最大值。

圖10 因素交互項對試驗指標(biāo)影響的響應(yīng)面(n=40 r/min)Fig.10 Response surfaces of influence of interactive factors on each index

由圖10b可知，當(dāng)型孔方向角一定時，隨著型孔位置角的增大，重播指數(shù)呈遞減趨勢；當(dāng)型孔位置角一定時，隨著型孔方向角的增大，重播指數(shù)呈先減小后增大的趨勢，型孔方向角在21°～25°時重播指數(shù)較低。

由圖10c可知，當(dāng)型孔方向角一定時，隨著型孔位置角的增大，漏播指數(shù)呈先減小后增大的趨勢，型孔位置角在43°～45°時漏播指數(shù)較低；當(dāng)型孔位置角一定時，隨著型孔方向角的增大，漏播指數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，型孔方向角在19°～21°時漏播指數(shù)較低。

分析原因可知：隨著型孔位置角增大，型孔左極限與點A之間的實體部分增多，首先對下層種群進(jìn)種具有一定的阻擋作用，減少了種子在型孔處的堵塞，降低了重播；其次影響了中間種群的進(jìn)種，漏播指數(shù)增大。隨著型孔方向角的增大，型孔容積變大，種子易進(jìn)入型孔，重播指數(shù)和漏播指數(shù)都減??；容積越大，重播越多，且型孔左極限與點A處實體部分越多，漏播指數(shù)越大。

為得到約束條件下各因素的最佳組合，以穴播器合格指數(shù)最大，重播指數(shù)和漏播指數(shù)最小為評價指標(biāo)，對充種性能回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，回歸方程和約束條件為

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將數(shù)據(jù)代入Design-Expert軟件可得試驗因素的最優(yōu)組合：型孔方向角為20.3°，型孔位置角為44.7°，穴播器轉(zhuǎn)速為40 r/min，此時穴播器的合格指數(shù)為89.12%，重播指數(shù)為7.30%，漏播指數(shù)為3.87%。為驗證其可靠性，開展臺架驗證試驗，試驗重復(fù)3次取平均值，結(jié)果為：排種合格指數(shù)91.14%，重播指數(shù)4.23%，漏播指數(shù)4.63%，臺架驗證試驗合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)與優(yōu)化結(jié)果絕對誤差分別為2.02%、3.07%、0.76%，分析原因為：每次試驗時夾緊裝置松緊不一致，穴播器會有輕微的傾斜，且穴播器轉(zhuǎn)動時傳動鏈張緊程度不同，穴播器振動幅度會不同，從而導(dǎo)致絕對誤差較大，但都在允許范圍內(nèi)。

3.2 土槽試驗

為驗證臺架試驗的可靠性，檢驗窩眼式玉米穴播器的工作性能，于2021年10月31日在新疆鑫昌盛農(nóng)機(jī)有限公司進(jìn)行土槽試驗，試驗土槽長150 m，寬10 m，如圖11所示。試驗前使用旋耕犁耕整，將優(yōu)化后的穴播器掛在牽引機(jī)具上，通過對穴播器轉(zhuǎn)速計算得牽引前進(jìn)速度為3.38 km/h，試驗重復(fù)5次，取其平均值作為最終試驗值。試驗測得穴播器土槽作業(yè)的排種合格指數(shù)為92.53%，重播指數(shù)為3.54%，漏播指數(shù)為3.93%，與優(yōu)化結(jié)果相比合格指數(shù)提高了1.39個百分點，重播指數(shù)降低了0.69個百分點，漏播指數(shù)降低了0.7個百分點，與臺架驗證結(jié)果基本一致。因為在實際工作中，存在很多振動來源，比如牽引機(jī)具的振動、土壤中的小土塊等都會使穴播器產(chǎn)生振動，這些振動一方面增強(qiáng)了種群的擾動能力，另一方面提高了穴播器清種性能，降低了重播。與夾持式穴播器相比，排種合格率提高了2.53個百分點。滿足新疆玉米精量播種作業(yè)要求。

圖11 土槽試驗Fig.11 Soil bin test

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一種組合型孔輪式玉米機(jī)械穴播器。對其工作原理進(jìn)行分析，對穴播器關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，構(gòu)建了型孔與取種塊間相對位置數(shù)學(xué)模型，確定影響穴播器排種性能的參數(shù)及范圍。對型孔深度、型孔方向角和型孔位置角分別進(jìn)行單因素試驗，確定型孔深度和縮小型孔方向角、型孔位置角的參數(shù)范圍；采用Box-Behnken中心組合試驗設(shè)計，建立了排種性能指標(biāo)與試驗因素間的回歸數(shù)學(xué)模型，得到了各因素對試驗指標(biāo)的影響規(guī)律和交互作用關(guān)系。

(2)運(yùn)用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行分析，對回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)組合為型孔深度12.3 mm，型孔方向角20.3°，型孔位置角44.7°，穴播器轉(zhuǎn)速40 r/min，此時合格指數(shù)為89.12%，重播指數(shù)為7.30%，漏播指數(shù)為3.87%。通過臺架驗證試驗得到合格指數(shù)為91.14%，重播指數(shù)為4.23%，漏播指數(shù)為4.63%。

(3)將最優(yōu)參數(shù)組合下的組合型孔輪式穴播器安裝于牽引機(jī)具進(jìn)行土槽試驗，合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)試驗結(jié)果分別為92.53%、3.54%、3.93%，與夾持式穴播器相比，排種合格指數(shù)提高了2.53個百分點，結(jié)果表明該穴播器作業(yè)性能較好，滿足新疆玉米精量播種農(nóng)藝要求。