限制充種姿態-正負壓式小麥精密排種器設計與試驗

何瑞銀 王建林 徐高明 賀鑫業 段慶飛 丁啟朔

(1.南京農業大學工學院， 南京 210031； 2.江蘇省智能化農業裝備實驗室， 南京 210031)

0 引言

小麥精密排種器是實現小麥精密播種的核心部件，其作業性能直接影響精密播種效果。我國小麥的播種方式目前仍以條播為主，所用排種器主要為外槽輪式排種器，存在排種脈動性高、均勻性差等問題，且只能通過種子流形式排種，無法實現單粒取種；型孔輪式排種器受限于小麥種子形狀的不規則，種子難以正確姿態充入到型孔中，導致其漏充率高、充種效果差；氣吸式排種器雖具有較好的取種效果，但存在吸附種子數難以控制、氣壓驟降、工作不穩定等問題[1-2]。

針對小麥精密排種器存在的問題，部分專家學者做了相關研究。國外小麥播種多采用氣力集排式排種器，BOURGES等[3]研究了氣力集排式排種器分配器中的種子流動軌跡，為分配器的設計提供了依據。KUMAR等[4]研究表明采用流線型分配器可產生最佳分配性能，并提出可采用有限元分析的方法改善分配器結構。我國對小麥排種器的研究方向較為廣泛，張小麗[5]設計了落種均勻器，通過安裝緩沖片以解決外槽輪排種器存在的排種脈動性。趙金等[6]設計了差速充種溝式排種器，通過提高種子運動，以提高充種效果。程修沛等[7]采用氣吸型孔組合的方式，通過吸孔吸附種子進入型孔，以提高排種器作業效果。此外，文獻[8-13]中也通過不同方式提高了小麥排種作業效果，促進了小麥精密播種設備的發展，但以上研究未考慮充種時因小麥雜亂無序的姿態而降低其充入型孔的能力，存在種子姿態與型孔不相配導致充種效果差、排種不穩定等問題。

本文設計一種限制充種姿態-正負壓式小麥精密排種器，通過弧形輔助充種板的引導，將種子姿態調整為其長軸與型孔長軸位于同一平面內，以利于種子充入類橢球形型孔中，通過攪種盤的擾動，改善種子姿態調整過程中因受力平衡產生的卡種現象，通過采用氣吸型孔組合方式充種、正壓投種，以提高充種和投種效果，以期提升小麥精密排種器的作業性能。

1 總體結構和工作原理

1.1 總體結構

限制充種姿態-正負壓式小麥精密排種器主要由攪種盤動力軸、排種器殼體、攪種盤、型孔輪、型孔輪動力軸、弧形輔助充種板、清種刷、氣吸軸等組成，如圖1所示。型孔輪上均勻分布型孔以及吸孔，且每個吸孔對應單獨的氣流通道。氣力軸分為負壓通道和正壓通道兩部分，隨著型孔輪旋轉，氣流通道可分別與氣力軸的負壓通道和正壓通道相連接。弧形輔助充種板由型孔輪處延伸至頂部，與排種器殼體形成一體。攪種盤一部分位于殼體中，一部分位于型孔輪內，由單獨電動機提供動力。弧形輔助充種板和攪種盤共同構成充種區，限制種子充種時的姿態，且給種子施加作用力以避免卡種。清種毛刷置于充種區終端，位于殼體內，清除型孔內多余種子，實現單粒取種。

圖1 排種器結構示意圖Fig.1 Schematics of seed metering device1.攪種盤動力軸 2.排種器殼體 3.攪種盤 4.型孔輪 5.型孔輪動力軸 6.弧形輔助充種板 7.清種刷 8.氣吸軸

1.2 工作原理

排種器作業過程如圖2所示。排種器作業時，種箱內的種子受重力作用下落，經過下落引導區到達由攪種盤和弧形輔助充種盤構成的姿態調整區，受到弧形輔助充種板的引導和攪種盤的擾動，種子姿態逐漸調整為其長軸沿型孔長軸分布，并等待進入充種區。風機的吹氣口和吸氣口分別與氣力軸中分離的正負壓通道相連。在充種區內，負壓通道與吸孔的氣流通道相接，從而在對應的吸孔處產生吸附效果，在吸孔的吸力和重力作用下，種子將更容易充至橢球形型孔內。型孔輪旋轉至清種毛刷處，由清種毛刷清除型孔中多余的種子，完成單粒取種。種子在型孔和殼體的作用下經過攜種區，進入投種區，此時吸孔對應的氣流通道與氣力軸的正壓通道相接，吸孔處將產生正壓，種子在重力、離心力和正壓推力作用下，從型孔中排出，完成投種作業。型孔輪旋轉至過渡區，準備進行下一輪充種。

圖2 排種器作業示意圖Fig.2 Working diagram of seed metering deviceⅠ.下落引導區 Ⅱ.姿態調整區 Ⅲ.充種區 Ⅳ.攜種區 Ⅴ.投種區 Ⅵ.過渡區

2 充種過程分析

2.1 種子運動分析

由于小麥種子形狀不規則，需對種子充種前姿態進行限制，以提高其充入型孔能力，分析小麥種子充種過程，可分為兩種情況，如圖3a所示。第1種是小麥種子由A1處下落時受到弧形輔助充種板的引導和種子群的作用，經過A2處時種子長軸與型孔輪軸向不平行，種子所受合力將不為零，同時攪種盤對種子施加Z軸方向的摩擦力，進一步提高種子的運動能力。種子在弧形輔助充種板和攪種盤的限制下到達A3處，姿態已調整為其長軸與型孔長軸近似在YOZ同一平面內，從而更利于充入型孔。

圖3 種子運動過程和受力分析示意圖Fig.3 Schematics of seed movement process and force analysis

第2種是小麥種子由B1處下落時同樣受到弧形輔助充種板的引導和種子群的作用，經過B2處時種子長軸與型孔輪軸向平行，此時種子所受合力達到平衡，若無其他外力施加，將產生卡種現象。因此通過設計攪種盤，利用攪種盤的旋轉給種子施加Z軸方向上的摩擦力，破壞種子的受力平衡狀態，使種子恢復運動狀態，從而種子順利通過B2處到達B3處，并且種子受到弧形輔助充種板和攪種盤的限制，姿態調整為其長軸與型孔長軸近似在YOZ同一平面內，然后充入型孔。

2.2 種子受力分析

為解決第2種充種情況中存在的卡種問題，對B2處的小麥種子進行受力分析，種子受力情況如圖3b所示。B2處小麥種子方程為

(1)

式中Fx——種子所受X軸方向合力，N

Fy——種子所受Y軸方向合力，N

Fz——種子所受Z軸方向合力，N

Mz——種子所受繞Z軸轉矩，N·m

G——種子重力和其他種子施加的壓力之和，N

FN1——弧形輔助充種板對種子的支持力，N

FN2——攪種盤對種子的支持力，N

Ff1——弧形輔助充種板對種子的摩擦力，N

Ff2——攪種盤對種子的Y向摩擦力，N

F′f2——攪種盤對種子的Z向摩擦力，N

M——攪種盤對種子的轉矩，N·m

θ——弧形輔助充種板與Y軸的夾角，(°)

此時種子X和Y方向所受合力為零，攪種盤不轉動時，攪種盤對種子施加的Z向摩擦力F′f2和轉矩M均為零，即Fz和Mz均為零，種子達到受力平衡狀態，將卡住無法下落，嚴重影響排種器的充種。通過攪種盤的旋轉，給種子施加Z軸方向上的摩擦力F′f2，使得種子在Z向合力不為零，并產生轉矩M，從而破壞種子的受力平衡，使其恢復運動狀態，下落充入型孔，以解決卡種問題。

3 關鍵結構設計

3.1 小麥種子三維尺寸

小麥種子的三維尺寸是設計型孔形狀和尺寸的基礎，本文以江蘇地區播種面積最多的寧麥13為研究對象，隨機選取300粒種子測量其長、寬、高，測量結果如表1所示。并測得小麥種子千粒質量為0.045 kg。經測量，小麥種子三維尺寸基本符合正態分布，平均長度為6.0 mm，平均寬度為3.4 mm，平均厚度為3.0 mm，小麥種子寬度與厚度接近，且近似為長度一半，后續分析中可將小麥種子簡化為橢球體以便于分析。

表1 小麥種子三維尺寸Tab.1 Three dimensional size of wheat seeds

3.2 小麥排種粒距

確定排種器作業參數關系前應先確定小麥播種粒距，計算小麥的播種粒距則應先確定小麥在田間的分布情況。小麥種子由排種器排出后應均勻分布在種溝內，因此研究小麥在田間的分布即是研究小麥在種溝內的分布，小麥在種溝內的分布計算公式為

(2)

式中n——種溝內單位面積小麥顆粒數，個/hm2

N——每公頃小麥總顆粒數，個

S——每公頃小麥種溝面積，hm2

m——每公頃播種量，kg

m1——千粒質量，kg

l1——播幅，ml2——行距，m

根據式(2)可得，當小麥千粒質量一定時，每平方米種溝內小麥顆粒數受播種量、播幅、行距的影響。為提高小麥在種溝內分布均勻性，設計小麥在種溝內呈多列排布，因此小麥播種粒距計算公式為

(3)

式中l——小麥粒距，m

k——小麥在種溝內分布列數，列

由式(2)、(3)可知，當千粒質量、播幅、行距、小麥在種溝內分布列數等參數一定時，小麥粒距與播種量成反比，根據小麥精量播種農藝要求，播種量在75～150 kg/hm2之間，小麥播種行距為0.2 m，播幅為0.08 m。測得千粒質量m1為0.045 kg，取小麥在種溝內分布列數k為3列，計算得小麥粒距范圍為：0.032～0.064 m。本研究取播種量為100 kg/hm2，即播種粒距為0.048 m對排種器排種效果進行研究。

3.3 型孔輪設計

型孔輪是排種器核心部件，型孔輪的結構和尺寸對排種器的排種效果具有重要影響，型孔輪主要結構如圖4所示。本文設計的型孔輪上分布3列型孔，每個型孔內設計有吸孔，且每個吸孔具有單獨的氣流通道，便于吸孔處正負壓的轉換。型孔輪上還設計有攪種盤的運行凹槽，可滿足攪種盤以較大面積擾動種子時的運轉需求。型孔輪設計的關鍵參數主要包括型孔輪直徑、型孔數量、型孔尺寸和分布以及吸孔形狀和尺寸等。

圖4 型孔輪結構示意圖Fig.4 Schematic of type hole wheel structure1.吸孔 2.氣流通道 3.型孔

3.3.1型孔輪尺寸

型孔輪直徑將直接影響型孔的個數和型孔輪的線速度，型孔輪直徑越大，可布置的型孔個數越多，播量一定時，需要的型孔輪轉速越低，充種效果越好。但型孔輪直徑的增大也會導致型孔輪線速度的增加，影響種子充入型孔，而且氣流通道的體積將隨型孔輪直徑的增大而增大，要求提供負壓的風機效率也會隨之提高。根據《農業機械設計手冊》[14]，型孔輪直徑一般為80～200 mm，綜合考慮小麥播種農藝要求、排種器充種性能等，確定型孔輪直徑為100 mm，長度為120 mm。

3.3.2型孔尺寸與個數

型孔的尺寸和形狀是影響型孔充種效果的關鍵因素，常用的半球形型孔適用于類球型種子，并不適應小麥等類橢球形種子。已有研究表明[13]，類橢球形型孔對小麥種子充種效果最好，因此本文選用類橢球形型孔，型孔形狀如圖5所示。

圖5 型孔和吸孔示意圖Fig.5 Schematics of shaped hole and suction hole1.型孔 2.吸孔

根據測算的小麥種子三維尺寸，且為使充種時只允許有一粒種子充入型孔內，型孔尺寸應滿足

(4)

式中L——型孔長度，mm

b——型孔寬度，mm

d——型孔深度，mm

Lmax、Lmin——種子最大、最小長度，mm

bmax、bmin——種子最大、最小寬度，mm

dmax、dmin——種子最大、最小厚度，mm

由式(4)可知，型孔長度應大于小麥種子最大長度，小于2倍的小麥種子最小長度，以保證單粒種子順利充入，避免第2粒種子相接充入；型孔寬度應大于小麥種子最大寬度，小于小麥種子最小寬度和最小厚度之和，防止第2粒種子側躺充入；型孔深度應大于小麥種子最大厚度的一半，小于1.5倍的小麥種子最小厚度，保證種子重心位于型孔內不會被清種刷帶出，并防止第2粒種子疊加充入時其重心在型孔內，從而利于被清種刷清除。因此，確定型孔長度為8 mm，寬度為5 mm，深度為3 mm。

同樣播量要求下，型孔個數越多，型孔輪轉速越低，越有利于種子充入型孔。型孔個數計算公式為

(5)

式中z——型孔個數，個

d0——型孔輪直徑，mm

va——播種機作業速度，m/s

vb——型孔輪線速度，m/s

nx——型孔輪轉速，r/min

由式(5)可知，型孔個數受播種機作業速度、型孔輪轉速、播種粒距等因素影響。為提高作業效率，保證在播種機的較高作業速度下，排種器仍具有良好的充種效果，應盡量提高型孔個數，綜合考慮，本文確定布置3排型孔，每排型孔個數為30個，型孔輪轉速通過試驗確定范圍以及最優值。

3.3.3吸孔形狀及尺寸

吸孔有助于充種時吸附種子進入型孔，提高充種效果，并在投種時對種子施加正壓，利于投種，避免種子在型孔中堵塞，且吸孔的形狀和尺寸對吸附效果具有重要影響。已有研究表明[15]，長槽形吸孔比圓形吸孔更易吸附小麥種子，因此本文選擇長槽形吸孔，如圖5b所示。吸孔處吸附力計算公式為

F=(p0-p1)S0

(6)

式中F——吸孔吸附力，N

p0——大氣壓力，Pa

p1——吸孔內壓力，Pa

S0——吸孔面積，m2

吸孔吸附力受吸孔面積和吸孔內壓力影響，當吸孔內壓力和吸孔面積越大時，吸附力越大，越容易將種子吸附進型孔內，但吸附力過大，將導致吸附多粒種子，影響清種刷的清種效果。研究表明[14]，當吸孔直邊長Ls為1 mm，吸孔半徑R為0.7～0.9 mm時，吸孔的吸附效果較好，因此確定Ls為1 mm，R為0.8 mm。吸孔內壓力范圍及最優值通過試驗確定。

3.4 弧形輔助充種板和攪種盤設計

弧形輔助充種板和攪種盤是實現種子姿態調整的關鍵部件，種子從種箱下落至型孔輪充種需經過由弧形輔助充種板、攪種盤和殼體構成的引導充種區域。此區域主要由兩部分構成：下落引導區和姿態調整區，如圖6所示。種子在下落引導區內受到自身重力和攪種盤擾動作用快速下落，進入姿態調整區。此時種子受到弧形輔助充種板的引導限制和攪種盤擾動作用，種子姿態逐步調整為其長軸與型孔長軸位于同一平面內，且種子不因姿態調整過程中受力平衡卡住，有利于種子充入類橢球形型孔中，減少種子漏充現象，進而提高充種效果。

圖6 引導充種區示意圖Fig.6 Schematic of guided seed filling area1.弧形輔助充種板 2.殼體 3.攪種盤 4.型孔輪Ⅰ.下落引導區 Ⅱ.姿態調整區

弧形輔助充種板的角度是調整種子姿態的關鍵，如圖7a所示。角度越小，種子姿態調整區域越大，越有利于種子姿態調整，但角度越小也將導致種子下落減緩，且存在斷流現象；角度越大，種子姿態調整區域越小，種子姿態調整不完全即要充種，將降低種子充種效果。因此，弧形輔助充種板角度θ需要通過仿真分析確定。

圖7 弧形輔助充種板、攪種盤、氣力軸結構示意圖Fig.7 Schematics of arc-shaped auxiliary seed filling plate, seed stirring plate and gas transmission shaft1.正壓通道 2.負壓通道

攪種盤結構如圖7b所示，攪種盤的大小和位置對擾動種子的面積具有重要影響，其尺寸與型孔輪的相對位置如圖8所示。為實現型孔輪充種區內的種子均可被擾動，攪種盤最外圓需經過P1和P2處，且為保證攪種盤和型孔輪的正常作業不產生干擾，應滿足

圖8 攪種盤尺寸及位置示意圖Fig.8 Schematic of size and position of seed stirring plate1.攪種盤 2.型孔輪

lc>rb+r1

(7)

式中lc——型孔輪和攪種盤中心距，mm

rb——攪種盤半徑，mm

r1——型孔輪凹槽的最內圓半徑，mm

由型孔輪圓心O1、攪種盤圓心O2和點P2構成△O1O2P2，根據余弦定理得到△O1O2P2的邊角關系符合

(8)

式中ra——型孔輪半徑，mm

β——型孔輪充種角的一半，(°)

聯立式(7)、(8)可得

(9)

其中，型孔輪半徑ra為50 mm，二分之一型孔輪充種角β為50°，型孔輪凹槽的最內圓半徑r1為15 mm，代入式(9)得到，攪種盤半徑rb>51.37 mm，即攪種盤直徑應大于102.74 mm。攪種盤直徑越大，擾動種子的面積越大，越有利于種子運動，從而利于種子姿態調整；但過大的攪種盤直徑將導致排種器尺寸增大，并降低運轉穩定性。因此，本文確定攪種盤直徑為110 mm，在保證較小的排種器體積的同時滿足擾動種子需求。

3.5 氣力軸形狀及尺寸設計

氣力軸是實現吸孔處正負壓切換的關鍵部件，為實現在排種器進行充種和投種作業時，吸孔處可轉換正負壓，將氣力軸分為負壓通道和正壓通道兩部分，分別與風機進氣口和出氣口相連，如圖7c所示。排種器作業時，氣力軸固定，型孔輪旋轉，每個吸孔對應的氣流通道周期性與氣力軸上負壓通道和正壓通道相接，從而實現充種時吸孔提供負壓，投種時吸孔提供正壓。負壓開口角度確定為140°，涵蓋充種區域，正壓開口角度確定為100°，涵蓋投種區域。

4 排種過程仿真分析

通過以上研究表明，弧形輔助充種板的角度對降低排種器漏充率、提高充種效果具有重要作用。在實際作業過程中，機器振動等原因將導致排種器氣密性下降，吸孔存在吸力不穩定、吸力驟降、甚至吸力為零的現象，導致排種器漏充率升高。因此本研究為探究弧形輔助充種板對減少種子漏充現象的效果，選擇在吸孔處負壓為零的條件下，采用EDEM軟件模擬分析排種過程。

4.1 模型建立

根據對小麥種子三維尺寸的測算和已有研究[16-18]確定仿真模型及相關參數，并將小麥種子顆粒模型構造為橢球體以便于仿真分析，如圖9a所示。

圖9 小麥顆粒及排種器仿真模型Fig.9 Simulation model of wheat grain and seed metering device1.排種器殼體 2.攪種盤 3.型孔輪 4.弧形輔助充種板 5.小麥種子 6.數據采集模塊

在Unigraphics NX中構造排種器三維模型，將結構進行簡化，僅保留與種子接觸的部件，將模型導入到EDEM中，如圖9b所示，幾何體材料選用尼龍，仿真模擬所需相關參數如表2所示。由于小麥安全貯藏含水率的最高限度大約為12%[18-19]，其含水率低，種子顆粒間的粘附力可忽略，因此小麥顆粒接觸模型選用Hertz-Mindlin(no slip)模型。顆粒工廠中期望每秒生成個數設置為800，仿真時間設置為10 s，仿真時間步長設置為Rayleigh時間步長的30%，網格尺寸設置為最小顆粒半徑的2倍。EDEM軟件對排種器充種過程進行仿真分析后，通過其自帶的數據采集功能，記錄型孔內小麥種子個數，以研究分析不同弧形輔助充種板角度下排種器漏充情況。

表2 仿真相關參數Tab.2 Simulation parameters

4.2 仿真試驗

為探究弧形輔助充種板的角度在排種器不同作業速度下對漏充率的影響，以及得到弧形輔助充種板的最優角度，試驗設計在吸孔負壓為零的極限情況中，以漏充率為評價指標，在不同型孔輪轉速下進行不同弧形輔助充種板角度對漏充率影響的試驗。

通過預試驗得知在型孔輪轉速小于60 r/min時，漏充率較低且變化不明顯，在型孔輪轉速大于100 r/min時，漏充率較高不滿足小麥排種要求；在弧形輔助充種板角度小于2°時，種子下落緩慢，斷流現象明顯，在弧形輔助充種板角度大于8°時，種子姿態調整效果差。因此設計型孔輪轉速在60、70、80、90、100 r/min下，弧形輔助充種板角度為2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°時，探究其對漏充率的影響。試驗時由數據采集模塊記錄150個型孔總數，以及型孔內種子數少于1的型孔數，每次試驗重復進行3次，取其平均值，試驗結果見圖10。

圖10 弧形輔助充種板排種性能曲線Fig.10 Seed layout performance curves of arc-shaped auxiliary seed filling plate

4.3 仿真結果分析

由圖10可知，型孔輪轉速一定時，漏充率隨弧形輔助充種板的角度增大呈先降低后升高的趨勢，角度為5°時，漏充率降到最低。當角度較小時，種子姿態調整完全，但弧形輔助充種板和攪種盤之間間距較小，種子下落緩慢，甚至斷流，導致漏充率高；隨著角度的增大，種子下落速度加快，漏充率逐漸降低；當角度過大時，種子姿態未調整完全即要充種，從而影響充種效果，導致漏充率升高。因此，通過仿真分析確定弧形輔助充種板的角度為5°，進行排種器加工及臺架試驗。

5 排種器性能試驗

5.1 試驗材料及裝置

試驗材料為寧麥13號小麥種子，試驗裝置為搭建的小麥排種器試驗臺，主要包括傳送帶、細沙鋪撒裝置、排種器、步進電機、直流電機、編碼器、風機等，如圖11所示。排種器中型孔輪、攪種盤、弧形輔助充種板等關鍵部件采用尼龍材料3D打印而成；型孔輪轉速由步進電機驅動，型號為普菲德86BYG250H-14，轉速0～120 r/min可調，步距精度5%；攪種盤轉速由直流電機驅動，通過編碼器實時采集轉速，采用PID算法控制電機轉速，編碼器型號為LPD3806-400BM-G5-24C，電機型號為XD5D60-12GN-32S，電機轉速0～150 r/min可調；排種器所需正負壓由變頻器控制風機轉速進行調節，由差壓計進行監測，變頻器型號為EV8100-3.0kW，風機型號為HG-2200，差壓計型號為HT-1891，吸氣通道壓力范圍-5～0 kPa，吹氣通道壓力范圍0～5 kPa，壓力精度可達0.01 kPa。

圖11 排種器試驗臺Fig.11 Seed metering test stand1.步進電機 2.編碼器 3.排種器 4.細沙鋪撒裝置 5.風機吹氣通道 6.風機吸氣通道 7.直流電機 8.傳送帶

5.2 試驗方法

參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，試驗以充種合格率、漏充率、重充率作為排種器排種性能的評價指標。每次試驗時先在試驗臺傳送帶上鋪設細沙，以減少種子落地后彈跳。在排種器穩定工作狀態下，連續檢測150穴，每次試驗重復3次，取平均值。

5.3 單因素試驗

通過理論分析和預試驗表明，型孔輪轉速、真空度、攪種盤轉速對排種器充種效果具有重要影響，為探究以上因素對排種器充種效果的影響規律以及確定正交試驗各因素水平，以充種合格率為評價指標，利用排種器試驗臺進行單因素試驗。

考慮排種器充種效果和作業效率，參考預試驗結果，選取型孔輪轉速60、70、80 r/min共3個水平，設定攪種盤轉速為50 r/min，投種正壓為3 kPa，分別在負壓為0 kPa和3.5 kPa下進行試驗，結果如圖12a所示。

真空度過大或過小均不利于吸孔的吸附效果，根據文獻[14-15]和預試驗結果，選取真空度3.0、3.5、4.0 kPa共3個水平，設定型孔輪轉速70 r/min，攪種盤轉速50 r/min，投種正壓3 kPa，進行試驗，結果如圖12b所示。

綜合考慮攪種盤擾動作用和運轉穩定性，在預試驗結果基礎上，選取攪種盤轉速40、50、60 r/min共3個水平，設定型孔輪轉速為70 r/min，設定負壓為3.5 kPa，設定投種正壓為3 kPa，進行試驗，結果如圖12c所示。

圖12 不同試驗因素充種合格率變化曲線Fig.12 Influence curves of speed of shaped hole wheel, vacuum degree and speed of stirring disk on qualified rate of filling seed

由圖12a可知，在型孔輪轉速為60～80 r/min時，負壓0 kPa條件下排種器的充種合格率均高于86%，表明結構改進后的排種器在負壓為零時仍具有良好的充種效果。負壓3.5 kPa條件下，隨型孔輪轉速增加，充種合格率逐漸降低，原因是型孔輪轉速增加，雖提高了排種器作業效率，但種子充入型孔的時間縮短，降低了充種合格率，綜合考慮充種效果和作業速度，確定型孔輪轉速的取值范圍為60～80 r/min。

由圖12b可知，在真空度為3.0～4.0 kPa時，充種合格率隨真空度增加呈先升高后降低的趨勢，在3.5 kPa左右充種合格率達到最高。原因是隨真空度的增加，吸孔對種子的吸附能力逐步提高，從而提高充種合格率，但當真空度過高時，吸孔將吸附多粒種子充入型孔，影響清種刷的清種作用，從而導致充種合格率降低，因此確定真空度取值范圍為3.0～4.0 kPa。

由圖12c可知，在攪種盤轉速為40～60 r/min時，充種合格率隨攪種盤轉速的增加呈逐步升高的趨勢，原因是隨攪種盤轉速增加，攪種盤對種子的擾動逐漸增強，種子運動能力逐漸提高，且卡種現象減少，從而提高充種合格率，但攪種盤轉速過高將降低其運轉穩定性，因此確定攪種盤轉速取值范圍為40～60 r/min。

5.4 正交試驗

5.4.1試驗設計

為探究試驗因素對評價指標的影響顯著性和各因素間交互作用對評價指標的影響，以及得到最優的參數組合，以型孔輪轉速、攪種盤轉速、真空度為試驗因素，以充種合格率、漏充率、重充率為評價指標，進行三因素三水平的正交試驗。通過單因素試驗確定正交試驗的因素水平，如表3所示。通過Design-Expert軟件對試驗方案進行設計，在排種器試驗臺上，每組試驗重復進行3次后取平均值，并對試驗結果進行統計分析，如表4所示。

表3 試驗因素水平Tab.3 Test factors and levels

表4 試驗設計與結果Tab.4 Experimental design and results

5.4.2方差分析

為確定各試驗因素對評價指標的影響，通過Design-Expert軟件對試驗結果進行方差分析[20-30]，如表5所示。

表5 方差分析Tab.5 Analysis of variance

通過方差分析可知，構建的合格率Y1、漏充率Y2、重充率Y3二次回歸模型均表現極顯著(P<0.01)，且失擬不顯著(P>0.05)。分別將模型中影響不顯著的因素剔除后，得到二次回歸方程為

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通過對回歸方程的系數檢驗得出：影響充種合格率的因素主次順序為型孔輪轉速、攪種盤轉速、真空度，其中型孔輪轉速和攪種盤轉速對合格率影響極顯著，真空度對合格率影響顯著；影響漏充率的因素主次順序為攪種盤轉速、型孔輪轉速、真空度，其中攪種盤轉速、型孔輪轉速、真空度對重充率影響均極顯著；影響重充率的因素主次順序為型孔輪轉速、真空度、攪種盤轉速，其中型孔輪轉速、真空度、攪種盤轉速對漏充率影響均極顯著。

5.4.3試驗因素交互作用對合格率的影響

合格率是評價排種器充種性能的最關鍵指標，為探究試驗因素交互作用對合格率的影響，采用響應面方法進行分析。通過Design-Expert軟件對試驗數據處理后，得到型孔輪轉速、真空度、攪種盤轉速的交互作用對合格率影響的響應曲面，如圖13所示。

由圖13a可知，固定攪種盤轉速為50 r/min，當真空度一定時，隨型孔輪轉速增加，合格率呈先升高后降低的趨勢；當型孔輪轉速一定時，隨真空度增加，合格率也呈先升高后降低的趨勢。在真空度3.2～3.6 kPa、型孔輪轉速65～75 r/min時，合格率相對較高。

圖13 因素交互作用對合格率影響的響應曲面Fig.13 Influences of interaction among factors on qualified rate

由圖13b可知，固定真空度為3.5 kPa，當攪種盤轉速一定時，隨型孔輪轉速增加，合格率先逐步升高后逐步降低；當型孔輪轉速一定時，隨攪種盤轉速增加，合格率也先逐步升高后逐步降低。在攪種盤轉速45～55 r/min、型孔輪轉速65～75 r/min時，合格率相對較高。

由圖13c可知，固定型孔輪轉速為70 r/min，當攪種盤轉速一定時，隨真空度增加，合格率先升高后降低；當真空度一定時，隨攪種盤轉速增加，合格率也呈先升高后降低的趨勢。在攪種盤轉速45～55 r/min、真空度3.2～3.6 kPa時，合格率相對較高。

5.4.4參數優化及驗證試驗

為了得到最佳試驗參數組合，通過Design-Expert軟件中參數優化模塊，設置邊界條件并建立數學模型

(13)

為驗證優化結果的可靠程度，在型孔輪轉速為66.3 r/min、真空度為3.5 kPa、攪種盤轉速為52.0 r/min的條件下，進行5次重復試驗，試驗結果如表6所示。取平均值后，充種合格率為92.70%，漏充率為3.47%，重充率為3.83%。試驗結果與預測結果差異較小，且5次試驗后充種合格率均高于90%，滿足小麥精密播種對排種器的要求。

表6 驗證試驗結果Tab.6 Verification of test results %

6 結論

(1)設計了一種限制充種姿態-正負壓式小麥精密排種器，增設弧形輔助充種板和攪種盤，以及具有單獨氣流通道的吸孔和正負壓分離式氣力軸，通過限制小麥種子充入型孔時的姿態，使種子長軸與型孔長軸近似位于同一平面，并采用負壓吸種和正壓投種的方式，有效改善傳統排種器存在的漏充率高、充種效果差等問題，提高了排種器的單粒充種性能。

(2)通過對充種過程及種子田間分布情況的分析，構建了種子受力模型，計算確定排種器關鍵結構參數為：型孔列數3列，每列型孔個數30個，型孔長度8 mm、寬度5 mm、深度3 mm；利用EDEM軟件，進行了5種型孔輪轉速下7種弧形輔助充種板角度的仿真試驗，分析了弧形輔助充種板角度對排種器漏充率影響的機理，確定最優的弧形輔助充種板角度為5°。

(3)進行了單因素試驗及三因素三水平二次正交回歸試驗，構建回歸方程和響應曲面，分析了型孔輪轉速、真空度、攪種盤轉速對充種合格率、漏充率、重充率的影響。并對試驗因素進行綜合優化，得到排種效果最佳的試驗因素組合為：型孔輪轉速66.27 r/min、真空度3.52 kPa、攪種盤轉速52.00 r/min，在此條件下，驗證試驗得到排種器的充種合格率為92.70%，漏充率為3.47%，重充率為3.83%。驗證結果與優化結果差異較小，優化參數準確可靠，滿足小麥精密排種要求。