楊文彩，田梓園，潘吳建，趙 靜，張海東，李貴榮

(1 云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,云南 昆明 650201；2 寧波財(cái)經(jīng)學(xué)院,浙江 寧波 315175)

近年來，云南省蔬菜產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，云南已成“南菜北運(yùn)”和粵港澳大灣區(qū)的重要“菜籃子”基地[1]。2021 年云南省蔬菜產(chǎn)量超過2 753.51 萬t，同比增長9.8%[2]。然而蔬菜育苗是一項(xiàng)勞動(dòng)力密集、勞動(dòng)強(qiáng)度大的工作[3]。究其原因，與缺乏專業(yè)化小型機(jī)械作業(yè)，基礎(chǔ)設(shè)施不足等因素相關(guān)[4]。工廠化育苗播種能夠提升蔬菜育苗效率和經(jīng)濟(jì)效益[5]。同時(shí)采取新型的管理技術(shù)與新型穴盤育苗技術(shù)結(jié)合，可以大大縮減人力物力[6]。但對于精量播種的蔬菜播種機(jī)研發(fā)，必須緊密結(jié)合農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的特點(diǎn)[7]。我們在用蔬菜穴盤育苗播種機(jī)實(shí)施播種時(shí)發(fā)現(xiàn)，該機(jī)因充種過程中會(huì)產(chǎn)生漏充及多充現(xiàn)象導(dǎo)致充種合格率低，尤其多充現(xiàn)象明顯，但多充可采用適宜的清種裝置避免這一情況的發(fā)生。因此設(shè)計(jì)一款合適的清種裝置對于提高蔬菜穴盤育苗播種機(jī)播種精度和效率顯得尤為重要。

精密播種的清種裝置主要有機(jī)械式、氣吸式和電控式3 種。王計(jì)新[8]進(jìn)行了斜面重力的清種型排種器研究，運(yùn)用正交試驗(yàn)得出了最優(yōu)參數(shù)組合；許建等[9]通過對圓盤式排種器建立清種過程數(shù)學(xué)模型，得出排種盤半徑、垂直傾角和排種盤轉(zhuǎn)速是影響排種器清種能力的主要因素，為機(jī)械式排種器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)；Braunack 等[10]研究得出內(nèi)充種式排種器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、使用維護(hù)方便等優(yōu)勢，同時(shí)配合所需清種裝置可適用于中耕作物的精播作業(yè)；劉云強(qiáng)等[11]為解決蔬菜穴盤育苗精密播種機(jī)播種非球形種子時(shí)重播率較高的問題，設(shè)計(jì)了一種清種裝置，并通過對清種裝置內(nèi)流場仿真模擬優(yōu)化了清種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)，在吸種氣壓為15.7 kPa，清種氣壓為3.3 kPa，振動(dòng)頻率為50 Hz 時(shí)效果最好；康施為等[12]考慮棉花排種器易堵塞等問題，設(shè)計(jì)了排種器及清種結(jié)構(gòu)，并借助氣流進(jìn)行清種，保證單穴單粒的播種合格率；Yazgi 等[13]利用響應(yīng)曲面法對氣吹式排種器清種性能進(jìn)行研究，提供了一種優(yōu)化精密播種機(jī)性能的方法，所建立的方程可用于估計(jì)播種機(jī)工作性能相關(guān)變量，通過試驗(yàn)驗(yàn)證并優(yōu)化了參數(shù)；賈洪雷等[14]設(shè)計(jì)了氣吸機(jī)械復(fù)合式大豆精密排種器，并得出當(dāng)導(dǎo)種槽傾角為 45°、深度為 2 mm 時(shí)，可最大程度提高種群上升區(qū)的種子運(yùn)動(dòng)速度，增加種群離散程度，進(jìn)而減小種群內(nèi)摩擦力，提高充種效率；楊銘[15]通過圖像處理及電控裝置對排種器充種過程實(shí)現(xiàn)振動(dòng)式清種，同時(shí)也可有效清理孔眼堵塞現(xiàn)象。

通過對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析可知，以上設(shè)計(jì)的排種裝置對清種過程的理論分析較少，而且大多是針對單級清種裝置，存在清種不徹底、清種效果還不夠好等問題。為了優(yōu)選出提高播種合格率、降低種植成本的相應(yīng)參數(shù)，本文針對蔬菜穴盤育苗播種機(jī)，設(shè)計(jì)機(jī)械式、氣吹式、電控式三級調(diào)節(jié)清種裝置，并開展四因素三水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合臺架試驗(yàn)，以得出播種的最佳工作參數(shù)，從而為實(shí)際生產(chǎn)提供理論指導(dǎo)。

1 三級清種裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

因機(jī)械式清種裝置便于根據(jù)種子三軸尺寸調(diào)節(jié)，且考慮到團(tuán)簇形種子在清落過程中極易出現(xiàn)前后及左右2 粒種子同時(shí)存在的情況，設(shè)計(jì)了機(jī)械式清種裝置用于第一級清種；因左右2 粒種子在吸附過程中，易因氣流場變化而清落其中受吸附力較小的1 粒種子，故設(shè)計(jì)了氣吹式清種裝置；因前后2 粒種子在運(yùn)動(dòng)過程中有圓周切向的種子位置偏差，無法由機(jī)械式及氣吹式清種裝置實(shí)現(xiàn)清落，但可通過步進(jìn)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)裝置控制滑軸，清落前后2 粒種子中的后排種子，故設(shè)計(jì)了電控式清種裝置；且電控式清種會(huì)對左右2 粒種子因水平交錯(cuò)偏差產(chǎn)生錯(cuò)誤清種的現(xiàn)象，故第二級為氣吹式清種裝置，第三級為電控式清種裝置，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 清種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of seed cleaning device

三級清種裝置的工作原理：采用負(fù)壓力充種后，進(jìn)入清種階段，清種階段又分為3 個(gè)過程。首先是機(jī)械式清種階段，濾軸通過螺栓安裝在機(jī)架上并可旋轉(zhuǎn)，通過濾軸中的濾孔對簇形種子在清落過程中極易形成的前后或左右2 粒種子進(jìn)行過濾清種；然后是氣吸式清種階段，由兩端圓形凸臺固接在機(jī)架，通過氣流和排種器吸附左右2 粒種子的溢出氣流形成對沖，以清除左右2 粒種子；最后是電控式清種階段，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒輪發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，使得偏心凸輪帶動(dòng)滑軸在滑軌上根據(jù)排種器周向的2 排種子的時(shí)間差實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而清落前后2 粒種子的其中1 粒。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)參數(shù)確定

2.1 蔬菜種子的機(jī)械物理特性測定

種子物料特性是研究的重要依據(jù)[16]，根據(jù)蔬菜穴盤育苗播種樣機(jī)對蔬菜種子的適應(yīng)性，選取似圓度較高的甘藍(lán)、花椰菜、娃娃菜等包衣蔬菜種子為研究對象，因不同包衣種子大小不同，測量各種子的三軸尺寸及千粒質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)取均值，測算包衣種子平均長度為2.12 mm、平均寬度1.93 mm、平均高度1.84 mm、平均千粒質(zhì)量165.86 g，經(jīng)式(1)得出包衣種子球度為92.45%。可近似將上述包衣種子看作球體來計(jì)算[17]。

式中，Sp為種子平均球度，L為種子平均長度，D為種子平均寬度，H為種子平均高度。

2.2 機(jī)械式清種裝置

濾軸是清除團(tuán)簇形種子的關(guān)鍵部件，其與排種器間隙配合，故濾軸的長度可由排種器結(jié)構(gòu)尺寸確定；為了保證單粒種子通過并阻隔多粒種群，因此濾孔的大小需滿足農(nóng)藝要求；濾軸直徑與濾軸承力有關(guān)，為保證濾軸在與排種器接觸過程中有足夠的疲勞強(qiáng)度，濾孔的邊界不能超過濾軸中心線位置，則濾軸尺寸參數(shù)應(yīng)滿足：

式中，Lp為排種器軸向長度，Lh為配氣盤外壁厚度，Lc為固接齒輪厚度，LJ為固定補(bǔ)償，LL為濾軸總長，Lmin為不同種子三軸尺寸最小值，Lmax為不同種子三軸尺寸最大值，Lk為濾孔直徑大小，D為濾軸直徑，Lkmax為濾孔直徑最大值。

根據(jù)式(2)，測量排種器參數(shù)可得濾軸長度為290 mm；由種子三軸尺寸可得濾孔直徑范圍為2.13～3.38 mm，考慮排種器孔徑大小及為提高清種裝置的適應(yīng)性，確定濾孔直徑范圍為1.50～5.00 mm；因?yàn)V軸直徑過大將會(huì)造成安裝位移偏差過大，故由上式可取濾軸直徑為10 mm。最終濾軸結(jié)構(gòu)模型如圖2 所示。

圖2 濾軸結(jié)構(gòu)模型圖Fig.2 Structural model of filter shaft

2.3 氣吹式清種裝置

2.3.1 起點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 因氣吹式清種裝置出氣口氣流受排種器的溢出氣流影響，故對排種器吸孔處的氣流進(jìn)行分析，因排種器吸孔接觸種箱準(zhǔn)備吸附時(shí)的一瞬間，阻抗力是最大的，故對此時(shí)的受力狀態(tài)進(jìn)行平衡分析(圖3)。

圖3 種子剛吸附時(shí)受力平衡圖Fig.3 Force balance map of the seed just adsorbed

式中，F(xiàn)b2為排種器對種子的支持力，F(xiàn)X為負(fù)壓吸附力，F(xiàn)n為種群力，α為休止角，F(xiàn)b1為種箱對種子的支持力，G為單粒種子的重力。

由上式可知，若種子附著于排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，則：

種子吸附時(shí)，會(huì)存在機(jī)器振動(dòng)及大氣壓強(qiáng)，為增加吸附可靠性，故考慮0.2 倍氣壓壓力損耗，又因排種器負(fù)壓過大會(huì)造成種子大量破損，故：

因?qū)嶋H種子受力接觸流通截面為半球面，考慮不同種子的接觸流通截面相差不大，簡算為孔徑流通截面(A)[18-19]，則：

式中，A為實(shí)際流通截面積；r為吸孔半徑；β為氣流場中心線夾角；VR為相對于吸孔外氣流場的氣體流速，m/s；Qv為吸孔內(nèi)部體積流量，m3/s。

因吸種孔孔徑很小，根據(jù)伯努利定理及氣體流動(dòng)狀態(tài)可推斷出孔徑內(nèi)部氣體流速VC：

式中，VC為孔徑內(nèi)部氣體流速，m/s；K為絕熱指數(shù)；RT為氣流常數(shù)，J/(kg·K)；Te為空氣隔熱溫度，K；Pi為排種器氣流壓力，Pa；Pe為大氣壓強(qiáng)，Pa。

流經(jīng)單個(gè)吸孔的體積流量為單個(gè)吸孔的截面面積與吸孔氣體流速的乘積。流經(jīng)單個(gè)吸孔的體積流量則為：

由上述理論條件下計(jì)算可得，單個(gè)內(nèi)孔壓強(qiáng)≥5.92 Pa，故排種器整體氣壓需在959.04 Pa 以上。

因蔬菜種子根據(jù)形狀可分為圓形種子和非圓形種子，本文主要針對包衣后的似圓形種子進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，定義沿排種器軸向靠左種子為C1，靠右種子為C2。

因左右2 粒種子同時(shí)被吸附，其間存在孔眼間隙，必定會(huì)減小充種時(shí)的理論氣壓，故增加 ξ1，由圖4a 受力平衡可得：

圖4 氣吹式清種區(qū)左(C1)右(C2)種子受力圖Fig.4 Stress map of left (C1) and right (C2) seeds in air blowing seed cleaning area

式中，fa2為C1種子抵抗C2種子作用力后與排種器間的摩擦力，F(xiàn)n3為C1種子對C2種子的作用力，γ2為氣吹式清種區(qū)起點(diǎn)與水平面的夾角，δ2為C1種子中心與排種器軸線的垂直連線和排種器氣孔徑間的夾角，因轉(zhuǎn)換成平面夾角計(jì)算，故添加關(guān)系系數(shù) ξ2，F(xiàn)b4為C1種子的理論支持力。

由圖4b 受力平衡可得：

式中，fa1為C2種子抵抗C1種子作用力后與排種器間的摩擦力，F(xiàn)n2為C2種子對C1種子的作用力，δ1為C2種子中心與排種器軸線的垂直連線和排種器氣孔徑間的夾角，因轉(zhuǎn)換成平面夾角計(jì)算，故添加關(guān)系系數(shù) ξ3，F(xiàn)b5為C2種子的理論支持力。

通過考慮了排種器負(fù)壓系數(shù) ξ1，結(jié)合分析Fn2和Fn3，排除了同時(shí)將雙粒種子清落的情況發(fā)生。

2.3.2 氣吹式清種裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 氣流在噴嘴出口處會(huì)產(chǎn)生射流現(xiàn)象，在大氣阻力下，氣體流速會(huì)隨著距離的增大而變小[8]。因此種子越靠近噴嘴氣流出口處，種子受到的氣流越集中，故種子與噴嘴氣流出口之間的距離(L1)應(yīng)盡可能小，取L1=10 mm,為了達(dá)到穩(wěn)壓的目的，需要在氣壓口處設(shè)置圓弧式噴嘴，但卻增加了氣流路徑及氣流管道內(nèi)的損耗，導(dǎo)致氣流場減弱，而氣流場的強(qiáng)弱可由流入氣壓腔的氣流體積流量大小決定，由此推斷需補(bǔ)償圓弧式噴嘴出氣口氣壓，使氣流場增強(qiáng)，因此需要進(jìn)氣口氣流體積流量的增大，故取進(jìn)氣口直徑D1=8 mm。

根據(jù)氣流場流量分布，可得：

式中，H為氣流體積流量比例系數(shù)，Qv1為清種裝置進(jìn)氣口流入的氣流體積流量，β1為進(jìn)氣口處氣流場錐角。

因流經(jīng)單個(gè)吸孔的體積流量為單個(gè)吸孔的截面面積與吸孔氣體流速的乘積，故可得：

因此氣流方程可表示為：

式中，R為氣流場任意點(diǎn)到氣流場中心的距離。

由式(14)可知，氣流場中任意質(zhì)點(diǎn)的速度與氣流場中心距離的平方成反比，因此可通過縮短氣管的長度來保證氣壓的穩(wěn)定。為使氣壓腔內(nèi)從每一個(gè)圓弧式噴嘴流出的氣壓盡可能保持一致，由伯努利定理得：

式中：P為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v為流體該點(diǎn)的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點(diǎn)所在高度，C是一個(gè)常量。由式(15)可知，在同一等高線上，氣體流速越大，氣壓越小。

因測量的種子平均千粒質(zhì)量為165.86 g，排種器單個(gè)內(nèi)孔最低壓強(qiáng)為5.92 Pa，氣吹式清種裝置中種子與噴嘴氣流出口之間的距離為10 mm，進(jìn)氣口直徑為8 mm，同時(shí)假定出氣口直徑為2 mm，取ξ1為0.8，ξ2、ξ3為0.95，得進(jìn)氣口壓強(qiáng)Pj為0.3 kPa。吸附的種子在排種器運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)減小與氣吹式清種裝置出氣口的距離，使得種子隨排種器轉(zhuǎn)動(dòng)角度更容易被清落，為避免清落雙粒種子的可能性，在式(10)、(11)中已考慮了排種器負(fù)壓系數(shù) ξ1，故排除了同時(shí)將雙粒種子清落的情況發(fā)生。

2.4 電控式清種裝置

2.4.1 電控式清種裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定 電控式清種裝置的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，因選用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸為8 mm，故加工時(shí)其中主動(dòng)錐齒輪的孔徑需少于50 絲與轉(zhuǎn)軸進(jìn)行過盈配合，從動(dòng)錐齒輪的轉(zhuǎn)軸一端則需要連接偏心凸輪。凸輪的偏心距需配合滑軸的運(yùn)動(dòng)軌跡位移來實(shí)現(xiàn)，而滑軸的運(yùn)動(dòng)軌跡位移則需根據(jù)排種器軸向相鄰兩孔徑中心軸間距及種子最大三軸尺寸直徑來確定，為防止出現(xiàn)滑軸彎軸偏差及似圓形種子半徑偏差，增加種子三軸尺寸最大半徑補(bǔ)償。因此可知滿足要求的偏心凸輪行程為3.2 mm，故滑軸的移動(dòng)距離為3.2 mm。滑軸上裝有撥片，根據(jù)實(shí)際考察及結(jié)合農(nóng)機(jī)農(nóng)藝相融合的要求，確定排種器轉(zhuǎn)速為0.11～0.17 r/s，那么排種器轉(zhuǎn)1 圈最長需9.09 s，因此滑軸的速度須達(dá)到0.29 mm/s以上。為能夠安裝滑軸，抵住彈簧壓縮，且便捷撥片運(yùn)動(dòng)，因此滑軌孔徑設(shè)置為7 mm，面向排種器的平面需開2 mm 的撥片溝槽。

圖5 電控式清種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the structure of the electronically controlled seed cleaning device

2.4.2 電控式清種裝置的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì) 偏心凸輪旋轉(zhuǎn)180°的清種過程需在0.091 s 內(nèi)完成，考慮偏心凸輪的恢復(fù)過程會(huì)受到下一排種子存在吸附前后雙粒種子狀態(tài)的影響，根據(jù)排種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及為簡算程序設(shè)計(jì)，則固定回程為0.091 s，且在4 個(gè)回程后可對后排種子再次進(jìn)行清種。本次設(shè)計(jì)選擇三菱57 步進(jìn)電機(jī)，采用GX Works2 軟件進(jìn)行程序讀寫，在機(jī)器與電控裝置同時(shí)啟動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)經(jīng)傳動(dòng)部分對滑軸無間隔清種。

3 氣腔結(jié)構(gòu)Ansys 仿真分析

3.1 Ansys 仿真分析

氣吹式清種裝置氣腔進(jìn)氣口與出氣口結(jié)構(gòu)對氣流場穩(wěn)定性有極大影響，故通過軟件Ansys 對氣腔內(nèi)氣流場的氣流分布、氣體流速及氣壓大小進(jìn)行仿真分析，以確定氣吹式清種裝置氣腔整體結(jié)構(gòu)。

借助Solidworks 軟件將4 組不同形式的氣吹式清種裝置三維模型保存為x_t 文件，進(jìn)而導(dǎo)入Ansys 軟件的ICEM CFD 模塊中，對氣流入口處及出口處設(shè)置四面體網(wǎng)格為0.6 mm，其余位置設(shè)置最大網(wǎng)格尺寸為2 mm 的網(wǎng)格劃分，同時(shí)使用修復(fù)手段將網(wǎng)格質(zhì)量低于0.4 的網(wǎng)格刪除，以提高劃分網(wǎng)格的質(zhì)量。進(jìn)而求解網(wǎng)格模型，導(dǎo)出Mesh 網(wǎng)格文件。把已生成的網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent軟件中，設(shè)置氣流進(jìn)口處采用Pressure-inlet 邊界，氣流大小由進(jìn)口流量和結(jié)構(gòu)尺寸確定為0.3 kPa，氣流出口處采用Pressure-outlet 邊界，氣腔表面采用Wall 邊界。計(jì)算分析時(shí)，為保證氣腔管道內(nèi)部流動(dòng)是紊流狀態(tài)，因此設(shè)置計(jì)算模型為標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型[20]，湍流的強(qiáng)度設(shè)置為0.05。初始化后，為計(jì)算便捷有效，默認(rèn)實(shí)際大氣壓強(qiáng)，設(shè)置仿真步長0.01 s，求解步數(shù)定為100 步。本研究截取不同鴨嘴氣體流經(jīng)氣腔管道的中心截面進(jìn)行仿真，比較不同進(jìn)氣口與出氣口的壓力分布圖。

根據(jù)流體力學(xué)流體運(yùn)動(dòng)學(xué)知識，出口氣流分析(圖6)可知，只有中間端進(jìn)氣圓弧式噴嘴產(chǎn)生細(xì)微的氣壓差，同時(shí)右邊的兩側(cè)氣流場與左邊基本相同，外側(cè)氣流場對種子的作用就會(huì)更明顯，內(nèi)側(cè)氣壓并不會(huì)影響氣吹式清種裝置對種子的清落效果。

圖6 不同結(jié)構(gòu)噴嘴氣流分布圖Fig.6 Airflow distribution of nozzles with different structures

3.2 Ansys 氣流仿真數(shù)據(jù)分析

對4 組不同的氣吹式清種裝置結(jié)構(gòu)在Ansys 軟件中氣流仿真進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，定義兩端進(jìn)氣圓弧式噴嘴結(jié)構(gòu)為Z1，兩端進(jìn)氣直孔式噴嘴結(jié)構(gòu)為Z2，中間端進(jìn)氣直孔式噴嘴結(jié)構(gòu)為Z3，中間端進(jìn)氣圓弧式噴嘴結(jié)構(gòu)為Z4，進(jìn)而分析氣吹式清種裝置氣流出口絕對氣壓、入口處氣體流速及出口處氣體流速的變化情況。借助Ansys 軟件從Fluent 模塊中導(dǎo)出上述指標(biāo)在各步數(shù)下的數(shù)值，運(yùn)用軟件Origin 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖7 所示。

圖7 仿真100 步數(shù)下的散點(diǎn)圖Fig.7 Simulation of scatter plot under 100 steps

由圖7a 可知，Z1絕對氣壓范圍為101 517～101 556 Pa，Z2數(shù)值范圍為101 525～101 601 Pa，Z3數(shù)值范圍為101 501～101 632 Pa，Z4數(shù)值范圍為101 515～101 534 Pa。因Z4比Z3的數(shù)值波動(dòng)范圍小，Z1比Z2的數(shù)值波動(dòng)范圍小，說明圓弧式噴嘴出口處絕對氣壓較直孔式噴嘴穩(wěn)定；由圖7b 可知，4 組不同結(jié)構(gòu)的氣體流速幅度無明顯差異，但入口處氣體流速有較大差別，除開氣體流速為0 m/s 的情況下，Z1數(shù)值范圍為4.323 90～4.681 77 m/s，Z2數(shù)值范圍為4.638 45～5.150 55 m/s，Z3數(shù)值范圍為9.625 35～9.902 55 m/s，Z4數(shù)值范圍為8.779 15～9.065 80 m/s。因Z3比Z2的入口處氣體流速要快約一倍，Z4比Z1的要快約一倍，說明中間端進(jìn)氣相對于兩端進(jìn)氣有著減弱損耗的優(yōu)勢；由圖7c 可知，氣流經(jīng)氣壓腔在到達(dá)出口處前，經(jīng)過階梯氣腔，會(huì)造成氣流堵塞，因?qū)α髯饔么藭r(shí)入口處氣體流速為0 m/s，出口處只存在大氣壓，故氣體流速在進(jìn)氣壓作用下會(huì)加快，此時(shí)流速將是最大值，進(jìn)而慢慢下降，恢復(fù)穩(wěn)定，但在氣壓腔內(nèi)經(jīng)對流作用氣壓釋放完的一瞬間，出口處氣體流速將為0 m/s，因無氣體可釋放，這會(huì)大大影響清落種子的可靠性，故出口處氣體流速為0 m/s 的次數(shù)出現(xiàn)越少越好。若出口處氣體流速與入口處相比越小，則說明該結(jié)構(gòu)的氣流損耗越??；氣體流速變化幅度越小，說明流阻系數(shù)越小。除開氣體流速為0 m/s 的情況，Z1數(shù)值范圍為12.758 5～16.796 7 m/s，Z2數(shù)值范圍為10.779 3～17.759 8 m/s，Z3數(shù)值范圍為11.687 7～17.216 1 m/s，Z4數(shù)值范圍為8.336 2～15.848 3 m/s，且0 m/s 數(shù)值在Z1、Z2、Z3和Z4中分別有22、55、50 和23 個(gè)，因此Z4數(shù)值較為穩(wěn)定。

經(jīng)上述仿真分析可得：Z4在階梯氣腔內(nèi)氣流相對穩(wěn)定，氣壓損耗最少，對于氣吹式清種裝置的穩(wěn)壓作用是最可靠的。

4 臺架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)臺架搭建與測試

所設(shè)計(jì)的三級清種裝置的清種效果需通過試驗(yàn)檢驗(yàn)，本研究按原樣機(jī)尺寸搭建播種試驗(yàn)臺進(jìn)行測試。對于甘藍(lán)、花椰菜、娃娃菜等種子，為保證有利于種苗生長且適應(yīng)現(xiàn)有市面上移栽機(jī)械工作需求，蔬菜育苗一般使用50～288 孔穴盤[21]，根據(jù)原樣機(jī)參數(shù)選取162 穴。試驗(yàn)臺的機(jī)架部分通過機(jī)械加工完成，濾軸、氣吹式清種裝置、滑軸及滑軌、排種器、配氣盤穩(wěn)壓盤、除塵風(fēng)機(jī)接口等復(fù)雜零件通過3D 打印機(jī)打印，再購買其余標(biāo)準(zhǔn)零部件，組裝成試驗(yàn)臺架，進(jìn)行單粒充種臺架試驗(yàn)。

所搭建的試驗(yàn)臺的可靠性需要進(jìn)行測試，本研究先開展無清種裝置下的測試試驗(yàn)，對應(yīng)原樣機(jī)的工作參數(shù)，設(shè)置排種器轉(zhuǎn)速為0.17 r/s，排種器負(fù)壓為0.6 kPa，種子直徑為2.5 mm 的單粒充種試驗(yàn)，重復(fù)試驗(yàn)10 次。單圈充種穴數(shù)均值及單圈單粒充種穴數(shù)均值為每組試驗(yàn)下以軸向的1 圈為研究對象，轉(zhuǎn)1 圈計(jì)算1 次，轉(zhuǎn)10 圈求得平均值。經(jīng)過高速視頻目標(biāo)跟蹤測量軟件V1.0 進(jìn)行測算，計(jì)算得無清種裝置下的平均單粒充種合格率為(81.78±2.2)%，與實(shí)地試播測算的原樣機(jī)的充種合格率(80%)相比基本一致。因此，該試驗(yàn)臺架可用于后續(xù)的四因素三水平二次回歸正交臺架試驗(yàn)。

4.2 試驗(yàn)實(shí)施與結(jié)果分析

在實(shí)際工作中，排種器負(fù)壓對種子吸附狀態(tài)有重大影響，排種器轉(zhuǎn)速變化會(huì)影響種子在排種器運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況，種子大小所帶來的質(zhì)量變化會(huì)對種子在氣孔處的受力平穩(wěn)性產(chǎn)生影響，氣吹式清種裝置正壓會(huì)使得種子在不同吸附狀態(tài)下與排種器吸力產(chǎn)生氣流對沖現(xiàn)象，故該試驗(yàn)的參數(shù)選取為排種器轉(zhuǎn)速(A)、種子直徑(B)、排種器負(fù)壓(C)及清種裝置正壓(D)。結(jié)合原樣機(jī)工作參數(shù)及種子測量數(shù)據(jù)、前期吸附試驗(yàn)確定，排種器轉(zhuǎn)速為0.11～0.17 r/s，種子直徑為1.5～2.5 mm，排種器負(fù)壓為0.2～1.0 kPa，清種裝置正壓為0.1～0.5 kPa。

為探尋本研究的清種裝置的清種效果，以清種裝置正壓、排種器負(fù)壓、排種器轉(zhuǎn)速、種子大小作為試驗(yàn)因素，以單粒充種合格率、重播率作為試驗(yàn)指標(biāo)，開展四因素三水平二次回歸正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表1 所示。采用Box-Behnken design(RSM-BBD)設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，試驗(yàn)共進(jìn)行29 組，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次，試驗(yàn)方案如表2 所示。

表1 清種試驗(yàn)因素水平Table 1 Factor and level of seed cleaning test

表2 清種試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Seed cleaning test design and result

根據(jù)二次正交臺架試驗(yàn)，得到單圈充種穴數(shù)及單圈單粒充種穴數(shù)，對29 組試驗(yàn)中的每組單圈單粒充種合格率，重播率取平均值，如表2 所示。

運(yùn)用Design-Expert 10.0.3 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得到單粒充種合格率(Y1)和重播率(Y2)的方差表(表3)。Y1的回歸模型達(dá)到極顯著(P＜0.01)，說明該回歸模型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān)系；因素A、C均對Y1影響顯著(P＜0.05)，D對Y1影響極顯著，BC交互作用極顯著，AC、CD交互作用顯著，A2和D2影響極顯著，其他因素影響不顯著。將表3 中不顯著因素剔除后，得到回歸方程如下：

表3 清種試驗(yàn)的方差分析1)Table 3 Analysis of variance of seed filling test

Y2的回歸模型達(dá)到極顯著，說明該回歸模型與自變量具有顯著的函數(shù)關(guān)系；因素C對Y2影響顯著，D對Y2影響極顯著，BC交互作用極顯著，AC、BD交互作用顯著，A2、B2和D2影響極顯著，其他因素影響不顯著。通過F檢驗(yàn)，得出影響重播率的主次順序?yàn)榍宸N裝置正壓、排種器負(fù)壓、排種器轉(zhuǎn)速、種子直徑。將表中不顯著因素剔除后，得到回歸方程如下：

應(yīng)用Design-Expert10.0.3 軟件分析排種器轉(zhuǎn)速、種子直徑、排種器負(fù)壓、清種裝置正壓4 個(gè)因素分別對單粒充種合格率和重播率的交互影響，得到單粒充種合格率響應(yīng)曲面如圖8 所示。

圖8 各因素交互作用于單粒充種合格率的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surface of the interactive effects of different factors on qualified rate of single seed filling

由圖8a 可知，單粒充種合格率隨著播種器轉(zhuǎn)速和排種器負(fù)壓增加而先增加后減小，排種器轉(zhuǎn)速在0.14～0.17 r/s、排種器負(fù)壓在0.6～1.0 kPa 時(shí)單粒充種合格率較高；由圖8b 可知，單粒充種合格率隨排種器負(fù)壓和種子直徑增加而先增加后減少，種子直徑在1.5～2.0 mm、排種器負(fù)壓在0.6～1.0 kPa 時(shí)單粒充種合格率較高；由圖8c 可知，單粒充種合格率隨著清種裝置正壓和排種器負(fù)壓的增加而先增加后減少，清種裝置正壓在0.1～0.3 kPa、排種器負(fù)壓在0.6～1.0 kPa 時(shí)單粒充種合格率較高。

重播率的響應(yīng)曲面如圖9 所示。由圖9a 可知，重播率隨著播種器轉(zhuǎn)速和排種器負(fù)壓增加而先增加后減小，排種器轉(zhuǎn)速在0.11～0.14 r/s、排種器負(fù)壓在0.2～0.6 kPa 時(shí)重播率較低；由圖9b 可知，重播率隨排種器負(fù)壓和種子直徑增加而先增加后減少，種子直徑在1.5～2.0 mm、排種器負(fù)壓在0.2～0.6 kPa 時(shí)重播率較低；由圖9c 可知，重播率隨著清種裝置正壓和種子直徑的增加而先增加后減少，清種裝置正壓在0.1～0.3 kPa、排種器負(fù)壓在1.5～2.0 kPa 時(shí)重播率較低。

圖9 各因素交互作用于重播率的響應(yīng)曲面Fig.9 Response surface of the interactive effects of different factors on reseeding rate

為獲得播種合格率最高和重播率最小的工作參數(shù)，以排種器轉(zhuǎn)速等為自變量，以播種合格率最高和重播率最小為目標(biāo)，通過Design-Expert 10 軟件對二次正交組合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到播種機(jī)的最佳工作參數(shù)組合：當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速在0.17 r/s、種子直徑在1.5 mm、排種器負(fù)壓在0.6 kPa、清種裝置正壓在0.3 kPa 時(shí)，平均單粒充種合格率為95.31%，且平均重播率為0.2% (表2)。

4.3 對照試驗(yàn)

為探尋三級清種裝置清種效果，開展單級清種裝置試驗(yàn)，在最優(yōu)工作參數(shù)：排種器轉(zhuǎn)速在0.17 r/s、種子直徑在1.5 mm、排種器負(fù)壓在0.6 kPa、清種裝置正壓在0.3 kPa 下，分別使用各單級清種裝置進(jìn)行3 組重復(fù)試驗(yàn)，求得各裝置單粒充種合格率、重播率 (表4)，形成對照數(shù)據(jù)，進(jìn)一步驗(yàn)證試驗(yàn)效果。

表4 單級清種裝置試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Table 4 Data sheet for single stage cleaning device test

對比表4 與表2 的最優(yōu)參數(shù)結(jié)果可知，集機(jī)械式清種、氣吹式清種、電控式清種為一體的三級清種裝置相比于機(jī)械式清種裝置，單粒充種合格率提高了5.81 個(gè)百分點(diǎn)，重播率降低了4.99 個(gè)百分點(diǎn)；相比于氣吹式清種裝置，單粒充種合格率提高了2.35 個(gè)百分點(diǎn)，重播率降低了1.90 個(gè)百分點(diǎn)；相比于電控式清種裝置，單粒充種合格率提高了4.08 個(gè)百分點(diǎn)，重播率降低了2.33 個(gè)百分點(diǎn)。因此，本研究設(shè)計(jì)的三級清種裝置具有提高單粒充種合格率、降低重播率的作用。

4.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證最佳參數(shù)下清種裝置的清種性能，選取排種器轉(zhuǎn)速在0.17 r/s、種子直徑在1.5 mm、排種器負(fù)壓在0.6 kPa、清種裝置正壓在0.3 kPa 時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行5 組試驗(yàn)，取平均值，得到對比試驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 三級清種裝置清種性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Validation test result of seed cleaning performance of the three level seed cleaning device

通過進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明最佳參數(shù)組合下蔬菜穴盤育苗播種機(jī)安裝三級清種裝置后平均單粒合格率為94.86%，平均重播率為0.5%，驗(yàn)證了臺架試驗(yàn)的可靠性，且最佳工作參數(shù)組合下的試驗(yàn)指標(biāo)能滿足蔬菜播種的農(nóng)藝要求。

5 結(jié)論

1)通過理論分析得到三級清種裝置的濾孔直徑范圍為1.50～5.00 mm，濾軸直徑為10 mm；滑軸最低速度為0.29 mm/s，根據(jù)種子尺寸大小，偏心凸輪偏心距為3.2 mm，同時(shí)根據(jù)安裝位置及機(jī)械疲勞強(qiáng)度，設(shè)置滑軸直徑為6 mm，彈簧線徑為8 mm，滑軌孔徑為7 mm。運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)分析得出種子與噴嘴氣流出口之間的距離為10 mm，進(jìn)氣口直徑為8 mm，進(jìn)氣口壓強(qiáng)為0.3 kPa。

2)針對氣吹式清種裝置，借助Ansys 軟件中的ICEM CFD 模塊及Fluent 模塊開展以氣吹式清種裝置進(jìn)氣口、出氣口結(jié)構(gòu)為試驗(yàn)因素，氣腔內(nèi)氣流穩(wěn)定性為試驗(yàn)指標(biāo)的二因素二水平仿真試驗(yàn)，通過仿真效果對比得出，中間端進(jìn)氣圓弧式噴嘴氣吹式清種裝置最能滿足理想清種效果。

3)通過開展正交臺架試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速在0.17 r/s、種子直徑在1.5 mm、排種器負(fù)壓在0.6 kPa、清種裝置正壓在0.3 kPa 時(shí)，采用三級清種裝置的平均單粒充種合格率為95.31%，平均重播率為0.2%，此時(shí)清種效果比較好。再通過單級清種對照試驗(yàn)、驗(yàn)證試驗(yàn)表明，安裝集機(jī)械式清種、氣吹式清種、電控式清種為一體的三級清種裝置具有提高單粒充種合格率、降低重播率的作用。