柔性機(jī)械式大豆精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

侯守印 鄒 震 魏志鵬 祝祎璠 陳海濤

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

0 引言

免耕是保護(hù)性農(nóng)業(yè)的核心技術(shù)[1-5]。免耕作業(yè)時(shí)地表覆蓋大量作物殘茬，殘茬處理裝置工作時(shí)產(chǎn)生的碎秸、沙土等飄浮物被氣吸式排種器吸入種室內(nèi)，造成排種工作部件堵塞而無法正常工作。

排種器是播種機(jī)的核心部件，高速、精量排種是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。從原理上排種器可分為氣吸式和機(jī)械式。氣吸式排種器能夠?qū)崿F(xiàn)10 km/h以上的高速精量排種作業(yè)，由于排種原理的制約，導(dǎo)致其無法適應(yīng)免耕播種環(huán)境[6-8]；機(jī)械式排種器則可避免碎秸、沙土進(jìn)入排種室而導(dǎo)致的排種部件堵塞、排種質(zhì)量降低的問題。大豆種植粒距較小，現(xiàn)有機(jī)械式排種器難以滿足大豆高速精量排種作業(yè)的要求。相關(guān)學(xué)者對(duì)機(jī)械式大豆排種器的高速化和精量化進(jìn)行了研究。陳玉龍等[9]設(shè)計(jì)了一種大豆高速精密凸勺排種器，其靠種子自身重力實(shí)現(xiàn)充種和清種功能，由于無護(hù)種裝置，高速作業(yè)時(shí)漏播指數(shù)較高；劉宏新等[10]設(shè)計(jì)了一種對(duì)置斜盤式機(jī)械高速精密大豆排種器，由于采用硬接觸護(hù)種裝置，護(hù)種過程對(duì)種子尺寸要求較嚴(yán)格，種子尺寸不規(guī)則時(shí)破損指數(shù)較高；王業(yè)成等[11-12]設(shè)計(jì)了一種摩擦型立式圓盤大豆排種器，通過增大摩擦力提高大豆充種效率，但高速作業(yè)時(shí)摩擦力導(dǎo)致充種過程破損指數(shù)較高。

為解決大豆高速精量播種作業(yè)時(shí)機(jī)械式排種器排種性能差、種子破損指數(shù)高等問題[13-15]，本文設(shè)計(jì)一種柔性清護(hù)種機(jī)械式大豆精量排種器，通過增設(shè)充種傾角提高立式圓盤側(cè)向充種性能，通過柔性清護(hù)種毛刷與充種型孔在不同區(qū)域的配合控制種子的位置及運(yùn)動(dòng)，提高清護(hù)種質(zhì)量，保證排種性能，從而實(shí)現(xiàn)大豆高速精量排種。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

柔性機(jī)械式大豆精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由分體式殼體、排種盤、充種斜面、清種毛刷、護(hù)種毛刷等組成。充種斜面、清種毛刷和護(hù)種毛刷固裝在殼體上，排種盤通過法蘭與排種軸連接。分體式結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)大豆單、雙行排種。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagram of seed-metering device1.分體式殼體 2.排種盤 3.安裝座 4.清種毛刷 5.投種口 6.護(hù)種毛刷 7.進(jìn)種口 8.法蘭 9.排種軸 10.充種室 11.充種斜面

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of seed-metering device1.排種盤 2.護(hù)種毛刷 3.清種毛刷 4.充種斜面 5.投種口 6.型孔 7.導(dǎo)流槽

工作原理如圖2所示，排種器工作時(shí)，排種盤隨排種軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，排種盤上的充種型孔經(jīng)過由排種盤、充種斜面和分體式殼體組成的充種室時(shí)，在充種斜面和排種盤導(dǎo)流槽的作用下完成側(cè)向充種；充滿種子的型孔經(jīng)過清種毛刷時(shí)，為實(shí)現(xiàn)單粒精量排種，清種毛刷清除型孔中多余的種子，被清除的種子流回充種室繼續(xù)參與后續(xù)充種；清種后的型孔旋轉(zhuǎn)至護(hù)種區(qū)，種子被封閉在由排種盤、護(hù)種毛刷和分體式殼體組成的柔性空間內(nèi)，確保護(hù)種階段種子不會(huì)脫離型孔，同時(shí)柔性護(hù)種避免了種子與殼體摩擦、擠壓破損；排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)至投種區(qū)，型孔與護(hù)種毛刷、分體式殼體分離，種子在重力和離心力的作用下脫離型孔，經(jīng)投種口完成投種作業(yè)。由于清種、護(hù)種過程均采用柔性部件，最大限度避免了種子的破損，為大豆高速排種奠定了基礎(chǔ)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)確定

2.1 排種盤設(shè)計(jì)

2.1.1型孔結(jié)構(gòu)

增大充種室內(nèi)大豆種子群與型孔接觸面積，可以提高排種器充種性能，將型孔設(shè)計(jì)為開口沿排種盤圓周切線方向尺寸逐漸增大的倒梯形結(jié)構(gòu)，如圖3a所示。

圖3 型孔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Shape hole structure diagrams

為實(shí)現(xiàn)單粒精量播種，當(dāng)型孔內(nèi)充入多粒種子時(shí)，需確保多余種子被清除。由圖3可知，型孔頂邊長度l1和型孔軸向深度h1過大會(huì)造成多粒種子質(zhì)心均位于型孔內(nèi)部，影響清種效果，導(dǎo)致重播指數(shù)增加。為提高充種和清種性能，型孔結(jié)構(gòu)尺寸需滿足

(1)

其中

式中β——型孔傾角，(°)

l2——型孔底邊長度，mm

r——大豆種子半徑，mm

h2——型孔徑向深度，mm

通過分析，充種過程中排種盤最大線速度與型孔傾角關(guān)系為

(2)

式中vmax——排種盤最大線速度，m/s

F——種子側(cè)充力，N

m——種子質(zhì)量，kg

由式(2)可知，排種盤最大線速度與型孔傾角正相關(guān)，增大充種傾角可以提高排種盤最大線速度，但排種盤最大線速度過大會(huì)導(dǎo)致種子與型孔發(fā)生碰撞時(shí)沖量增加。查閱資料，型孔傾角為30°時(shí)可獲得最佳充種性能[16]。

選用“黑河43”大豆為研究對(duì)象，隨機(jī)抽取100粒大豆樣本進(jìn)行測(cè)定，平均直徑為6.2 mm，將型孔傾角和大豆種子直徑代入式(1)可得型孔軸向深度范圍為3.3～8.9 mm，型孔徑向深度范圍為6.5～10.3 mm，根據(jù)型孔軸向深度和徑向深度越大，種子在型孔內(nèi)穩(wěn)定性越好，型孔軸向深度和徑向深度設(shè)計(jì)為8.5 mm和10 mm；型孔頂邊長度范圍為6.5～13.4 mm，增大型孔頂邊長度可以增加充種時(shí)間，型孔頂邊長度設(shè)計(jì)為13 mm，型孔底邊長度為8 mm。

為提高充種性能，在排種盤上設(shè)計(jì)與型孔底面相連的導(dǎo)流槽對(duì)充種室種子群進(jìn)行擾動(dòng)，并引導(dǎo)種子進(jìn)入型孔，如圖2所示，試驗(yàn)測(cè)定大豆種子與排種盤滾動(dòng)摩擦角為18.6°，位置角δ設(shè)計(jì)為70°。

2.1.2型孔數(shù)與直徑的確定

型孔數(shù)和排種盤直徑是影響排種性能的關(guān)鍵參數(shù)，當(dāng)排種粒距與作業(yè)速度一定時(shí)，增加型孔數(shù)可以降低排種盤轉(zhuǎn)速，增加排種器充種時(shí)間，提高充種性能。但型孔數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致排種盤直徑增大，過大的排種盤直徑會(huì)造成排種器結(jié)構(gòu)尺寸增大和質(zhì)量增加。型孔數(shù)可表示為[17-18]

(3)

其中

式中D——排種盤直徑，mm

vm——作業(yè)速度，m/s

c——地輪滑移率，%

vd——排種盤線速度，m/s

n——排種盤轉(zhuǎn)速，r/min

L——排種粒距，mm

免耕播種作業(yè)時(shí)由于受殘茬處理裝置限制，作業(yè)速度一般為7.2～10.8 km/h[19-20]，作業(yè)速度設(shè)計(jì)為10.8 km/h。根據(jù)大豆雙行種植農(nóng)藝要求，單行粒距為8～10 cm，排種粒距設(shè)計(jì)為8 cm。地輪傳動(dòng)滑移率為10%[21]，排種盤最大轉(zhuǎn)速為50 r/min，由式(3)可得排種盤型孔數(shù)為48。排種盤直徑與型孔結(jié)構(gòu)尺寸及型孔數(shù)有關(guān)，可表示為

(4)

將型孔數(shù)、型孔頂邊長度和型孔徑向深度代入式(4)可得排種盤直徑為220 mm。

2.2 排種過程分析

通過對(duì)柔性機(jī)械式大豆精量排種器的充種、護(hù)種和投種過程分析，確定影響排種性能的關(guān)鍵參數(shù)，為參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)研究奠定理論基礎(chǔ)。

2.2.1充種過程

種子群在重力作用下進(jìn)入充種斜面與排種盤形成的管狀空間內(nèi)，在摩擦力的作用下隨排種盤運(yùn)動(dòng)，從管狀空間的另一側(cè)流出進(jìn)入排種盤型孔，實(shí)現(xiàn)充種。

取圓弧充種區(qū)域內(nèi)的種子群為研究對(duì)象，由于種子尺寸相對(duì)于種子管狀空間較小，為簡(jiǎn)化分析過程，將其視為截面為梯形的連續(xù)體，如圖4所示。

圖4 種子群微分段受力分析Fig.4 Force analysis of seed group in micro segment

取種子微分段ds為研究對(duì)象，設(shè)種子流向?yàn)檎颍瑢?duì)種子微分段進(jìn)行受力分析，充種區(qū)域內(nèi)的種子受排種盤支反力和摩擦力，殼體向上支反力和摩擦力，充種斜面支反力和摩擦力及頂部種子群重力共同作用。通過對(duì)種子群微分段受力分析，可得力學(xué)平衡方程為

Adp=μ1F1-μ2F2-μ2F3-μ2F4

(5)

其中

式中p——種子群截面壓力，MPa

A——種子群截面面積，mm2

d1——排種盤與充種斜面上端距離，mm

d2——排種盤與充種斜面下端距離，mm

H——充種高度，mm

F1——種子群微段左表面法向力，N

F2——種子群微段右表面法向力，N

F3——種子群微段下表面法向力，N

F4——種子群微段上表面法向力，N

μ1——種子與排種盤動(dòng)摩擦因數(shù)

μ2——種子與充種斜面和殼體動(dòng)摩擦因數(shù)

λ——端面壓力比

α——充種傾角，(°)

s——種子群微分段距充種起始處弧長，mm

整理式(5)可得

(6)

在種子群端面均勻分布初始截面壓力p0，其大小由排種器內(nèi)種子群的高度、密度和內(nèi)摩擦角等因素決定，根據(jù)散體理論深谷模型進(jìn)行估算[22]，由式(6)可得種子群各截面壓力為

(7)

式中l(wèi)0——充種區(qū)域種子群長度，mm

由式(7)可知，種子群截面壓力p與充種空間截面距充種室距離s呈指數(shù)關(guān)系增大，種子可獲得遠(yuǎn)大于其自重的填充力，提高了種子充種性能和充種效率。端面壓力比與摩擦角有關(guān)，通過試驗(yàn)測(cè)定端面壓力比為0.32，種子與排種盤、殼體動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.337、0.344[10]，排種盤與充種斜面下端距離d2設(shè)計(jì)為10 mm，充種高度H為40 mm，將數(shù)據(jù)代入式(7)可知，種子群截面壓力隨充種傾角的增大呈先增大后減小趨勢(shì)，當(dāng)充種傾角為70°時(shí)達(dá)到最大值。

2.2.2護(hù)種過程

根據(jù)排種器工作原理可知，完成充種的型孔旋轉(zhuǎn)至與護(hù)種毛刷接觸時(shí)，排種器進(jìn)入護(hù)種過程。為解決機(jī)械式排種器護(hù)種階段種子容易破損問題，采用柔性護(hù)種毛刷與排種盤配合完成護(hù)種，護(hù)種過程種子被封閉在由排種盤、護(hù)種毛刷和殼體組成的柔性封閉空間，并隨排種盤旋轉(zhuǎn)，避免常規(guī)護(hù)種過程中出現(xiàn)夾種、嗑種和摩種現(xiàn)象。為保證護(hù)種過程種子運(yùn)移的平穩(wěn)性，不出現(xiàn)漏種，對(duì)護(hù)種過程的種子進(jìn)行受力分析。護(hù)種毛刷對(duì)護(hù)種過程的種子起支撐作用，確保種子運(yùn)移過程中不脫離型孔，當(dāng)種子高出型孔頂平面時(shí)，護(hù)種毛刷對(duì)種子施加斜向型孔的支反力，克服種子與型孔間的摩擦力使種子完全進(jìn)入型孔，毛刷屬于柔性部件，避免了護(hù)種過程種子的破損。在對(duì)護(hù)種過程種子受力分析時(shí)，忽略振動(dòng)對(duì)種子受力狀態(tài)的影響，選取型孔內(nèi)單粒種子質(zhì)心O為原點(diǎn)，沿排種盤旋轉(zhuǎn)方向的切向和法向建立xOy坐標(biāo)系，型孔內(nèi)種子主要受自身重力、型孔側(cè)壁支反力N1、型孔內(nèi)壁支反力N2、底面支反力N、型孔側(cè)壁摩擦力f1、型孔內(nèi)壁摩擦力f2、徑向摩擦力f和離心力Fe的共同作用，如圖5所示。

圖5 護(hù)種過程種子受力分析Fig.5 Analysis of seed force in process of seed protection1.排種盤 2.護(hù)種毛刷

通過受力分析可得護(hù)種過程中種子受力平衡方程為

(8)

其中

式中Fm——毛刷支反力，N

θ——毛刷支反力與z軸夾角，(°)

η——種子相位角，(°)

μ——種子與排種盤靜摩擦因數(shù)

R——種子質(zhì)心旋轉(zhuǎn)半徑，mm

排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，型孔內(nèi)種子受到護(hù)種毛刷施加的力矩而產(chǎn)生自轉(zhuǎn)，導(dǎo)致種子與型孔之間摩擦而破損，為消除種子自轉(zhuǎn)，護(hù)種毛刷對(duì)種子施加的力矩需滿足

(9)

式中b——護(hù)種毛刷與種子之間力作用點(diǎn)距種子質(zhì)心水平距離，mm

整理式(8)和式(9)可得

(10)

通過對(duì)護(hù)種過程受力分析，由式(10)可知，當(dāng)排種盤型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，護(hù)種效果由種子與排種盤靜摩擦因數(shù)、護(hù)種毛刷與種子之間力作用點(diǎn)距種子質(zhì)心水平距離決定，而護(hù)種毛刷與種子之間力作用點(diǎn)距種子質(zhì)心水平距離由毛刷材料、護(hù)種距離決定，后文將通過多重比較和參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)確定護(hù)種毛刷材料和護(hù)種距離。

2.2.3投種過程

投種過程中，護(hù)種毛刷不再對(duì)型孔內(nèi)種子提供支撐力，種子在離心力和重力作用下平行于排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)平面速度可分解為水平速度vx和豎直向下速度vy[23-24]，如圖6所示。

圖6 投種過程運(yùn)動(dòng)分析Fig.6 Motion analysis of seed dropping process

以種子質(zhì)心O為原點(diǎn)在排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)平面建立xOy直角坐標(biāo)系，可得種子運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(11)

其中

式中X——水平方向位移，mm

Y——豎直方向位移，mm

vx——投種速度水平方向分量，m/s

vy——投種速度豎直方向分量，m/s

τ——投種角，(°)

t——投種時(shí)間，s

v——投種速度，m/s

整理式(11)可得種子在xOy面運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

(12)

為保證投種質(zhì)量，種子在型孔內(nèi)運(yùn)動(dòng)至完全脫離型孔后不能與相鄰型孔碰撞，需滿足條件

(13)

其中

式中σ——種子脫離型孔過程排種盤轉(zhuǎn)角，(°)

t0——種子脫離型孔時(shí)間，s

由投種過程運(yùn)動(dòng)分析可知，當(dāng)排種盤結(jié)構(gòu)參數(shù)一定時(shí)，種子運(yùn)動(dòng)軌跡與排種盤轉(zhuǎn)速相關(guān)。投種角τ設(shè)計(jì)值為45°，排種盤最大轉(zhuǎn)速為50 r/min，將數(shù)據(jù)代入式(13)得種子脫離型孔時(shí)間小于1×10-4s，滿足投種作業(yè)要求。

3 參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)備

選用“黑河43”大豆為試驗(yàn)樣本，百粒質(zhì)量為21.3 g，平均幾何尺寸為6.48 mm×5.66 mm×6.42 mm(對(duì)100粒種子進(jìn)行測(cè)量取平均值)，試驗(yàn)于2019年10月1—7日在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種實(shí)驗(yàn)室JPS-12型排種器性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究院)上實(shí)施，如圖7所示，試驗(yàn)裝置為柔性機(jī)械式大豆精量排種器。

圖7 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.7 Physical diagram of test device1.控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 2.試驗(yàn)臺(tái) 3.排種器安裝架 4.排種器 5.傳動(dòng)系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)方案

大豆表皮強(qiáng)度較低，排種過程與護(hù)種部件碰撞、摩擦容易導(dǎo)致表皮破損，影響種子出苗，因此護(hù)種毛刷材質(zhì)選取標(biāo)準(zhǔn)為材質(zhì)柔軟、耐磨、成本低。取PE絲、豬鬃和尼龍作為護(hù)種毛刷材料進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)，探究毛刷材料對(duì)排種性能指標(biāo)的影響，確定清護(hù)種毛刷材料。

根據(jù)前文對(duì)充種過程和護(hù)種過程的理論分析，確定作業(yè)速度和充種傾角是影響排種器充種性能的關(guān)鍵參數(shù)，護(hù)種距離是影響護(hù)種性能和種子破損的關(guān)鍵參數(shù)，因此，選取作業(yè)速度、充種傾角、護(hù)種距離為試驗(yàn)因素。采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法，以作業(yè)速度、充種傾角和護(hù)種距離為試驗(yàn)因素，粒距合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)和破損指數(shù)為性能評(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》實(shí)施。為實(shí)現(xiàn)排種器高速作業(yè)，選取作業(yè)速度范圍為7.2～14.4 km/h；通過前文理論分析，當(dāng)充種傾角為70°時(shí)，排種器可獲得最佳充種性能，選取充種傾角范圍為50°～90°；合理的護(hù)種距離能夠保證護(hù)種過程的穩(wěn)定性，同時(shí)避免種子破損，通過預(yù)試驗(yàn)確定護(hù)種距離取值范圍為-3～1 mm。試驗(yàn)因素編碼如表1所示。

表1 試驗(yàn)因素編碼Tab.1 Test factors codes

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.3.1護(hù)種毛刷材料對(duì)排種性能的影響

當(dāng)作業(yè)速度為10.8 km/h，充種傾角為70°，護(hù)種距離為-1 mm時(shí)，對(duì)3種材料的護(hù)種毛刷進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)(排種性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)只能測(cè)試單行排種性能，試驗(yàn)時(shí)雙行排種器各行分別測(cè)量，將兩行結(jié)果取平均值作為最終結(jié)果)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值[25]，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 毛刷材料對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Comparison test results of brush materials %

由表2可知， 3種材料的護(hù)種毛刷排種合格指數(shù)均高于90%，對(duì)于合格指數(shù)的影響，豬鬃和尼龍材料之間無顯著性差異，而豬鬃、尼龍材料與PE絲之間均存在顯著性差異；對(duì)于漏播指數(shù)和重播指數(shù)的影響，尼龍和豬鬃之間無顯著性差異，而尼龍、豬鬃與PE絲之間均存在顯著性差異；對(duì)于破損指數(shù)的影響，3種材料之間均存在顯著性差異。PE絲材料護(hù)種毛刷排種效果最差，合格指數(shù)90.2%，漏播指數(shù)6.3%，漏播指數(shù)高的主要原因是PE絲材質(zhì)剛度較小，無法提供護(hù)種階段種子需要的支撐力，導(dǎo)致種子脫離型孔，造成漏播。豬鬃材料的護(hù)種毛刷排種合格指數(shù)95.6%，漏播指數(shù)2.3%，破損指數(shù)0.78%，破損指數(shù)高的主要原因是豬鬃材質(zhì)剛度較大，在高速排種過程容易造成種子表皮破損，如圖8所示。尼龍材料的護(hù)種毛刷，綜合性能較好，合格指數(shù)95.4%，漏播指數(shù)2.3%，破損指數(shù)0.15%。后續(xù)參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)清護(hù)種毛刷選用尼龍材料。

圖8 種子表皮破損Fig.8 Seed epidermis damaged

3.3.2參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)

運(yùn)用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，共實(shí)施23組處理，每組處理重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)方案和結(jié)果如表3所示，X1、X2、X3為因素編碼值。應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test design and results

由表4可知，各試驗(yàn)因素對(duì)合格指數(shù)均具有極顯著影響，影響由大到小依次為作業(yè)速度、護(hù)種距離、充種傾角；各試驗(yàn)因素對(duì)漏播指數(shù)均具有極顯著影響，影響由大到小依次為護(hù)種距離、作業(yè)速度、充種傾角；作業(yè)速度和充種傾角對(duì)重播指數(shù)具有極顯著影響，護(hù)種距離影響不顯著，影響由大到小依次為作業(yè)速度、充種傾角、護(hù)種距離；各試驗(yàn)因素對(duì)破損指數(shù)均具有極顯著影響，影響由大到小依次為護(hù)種距離、作業(yè)速度、充種傾角。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

如圖9a所示，作業(yè)速度對(duì)合格指數(shù)的影響比充種傾角顯著；合格指數(shù)隨作業(yè)速度的增大呈先升高后降低趨勢(shì)，并且下降趨勢(shì)逐漸明顯，主要是由于作業(yè)速度較低時(shí)導(dǎo)流槽對(duì)充種區(qū)種子擾動(dòng)效果較差，導(dǎo)致充種質(zhì)量下降，但作業(yè)速度較低時(shí)因型孔經(jīng)過充種區(qū)時(shí)間較長，在較小側(cè)向填充力條件下，充種指數(shù)仍能達(dá)到92%以上，而隨作業(yè)速度增大，型孔經(jīng)過充種區(qū)時(shí)間縮短，種子沒有足夠時(shí)間完成充種作業(yè)，導(dǎo)致合格指數(shù)下降；合格指數(shù)隨充種傾角的增大呈先升高后降低趨勢(shì)，這是由于種子側(cè)向填充力隨充種傾角的增大先增大后減小。

如圖9b所示，作業(yè)速度對(duì)合格指數(shù)的影響比護(hù)種距離顯著；在作業(yè)速度較低時(shí)，合格指數(shù)隨護(hù)種距離增大而降低，這是由于隨護(hù)種距離增大，護(hù)種毛刷提供型孔內(nèi)種子的支反力減小，種子脫離型孔導(dǎo)致漏播指數(shù)升高、合格指數(shù)下降；在作業(yè)速度較高時(shí)，合格指數(shù)隨護(hù)種距離增大呈先升高后降低趨勢(shì)，主要是由于護(hù)種距離過小，高速作業(yè)時(shí)護(hù)種毛刷容易將型孔內(nèi)的種子清除，漏播指數(shù)升高，導(dǎo)致合格指數(shù)降低；護(hù)種距離和作業(yè)速度交互作用對(duì)合格指數(shù)影響極顯著。

圖9 各因素交互作用對(duì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響Fig.9 Influences of interaction of various factors on performance evaluation index

如圖9c所示，護(hù)種距離對(duì)合格指數(shù)的影響比充種傾角顯著；合格指數(shù)隨護(hù)種距離增大而降低，并且下降趨勢(shì)加大；合格指數(shù)隨充種傾角增大呈先升高后降低趨勢(shì)；護(hù)種距離和充種傾角交互作用對(duì)合格指數(shù)影響不顯著。

如圖9d所示，作業(yè)速度對(duì)破損指數(shù)的影響比充種傾角顯著；在充種傾角較小時(shí)，破損指數(shù)隨作業(yè)速度增大而升高，在充種傾角較大時(shí)，破損指數(shù)隨作業(yè)速度增大呈先降低后升高趨勢(shì)，主要是由于隨作業(yè)速度增大，種子在充種時(shí)與型孔面沖擊力增大，導(dǎo)致破損指數(shù)升高，當(dāng)充種傾角較大時(shí)，破損指數(shù)總體都在0.2%以上；在作業(yè)速度較小時(shí)，破損指數(shù)隨充種傾角增大呈先降低后升高趨勢(shì)，在作業(yè)速度較大時(shí)，破損指數(shù)隨充種傾角增大變化不明顯，主要是由于在作業(yè)速度較低時(shí)，破損指數(shù)主要由種子側(cè)向填充力決定，側(cè)向填充力隨充種傾角增大呈先增大后減小趨勢(shì)，未實(shí)現(xiàn)充種的種子容易被排種盤導(dǎo)流槽反復(fù)沖擊造成損傷，而在作業(yè)速度較高時(shí)，破損指數(shù)總體大于0.3%；作業(yè)速度和充種傾角交互作用對(duì)破損指數(shù)影響極顯著。

如圖9e所示，護(hù)種距離對(duì)破損指數(shù)的影響比作業(yè)速度顯著；破損指數(shù)隨護(hù)種距離增大呈先降低后升高趨勢(shì)，升高趨勢(shì)不明顯，主要是由于隨護(hù)種距離增大，種子受到護(hù)種毛刷側(cè)向支撐力減小，破損概率降低，當(dāng)護(hù)種距離超過0 mm，即護(hù)種毛刷與排種盤之間無擠壓時(shí)，種子容易脫離型孔后多次充種導(dǎo)致破損指數(shù)升高；作業(yè)速度和護(hù)種距離交互作用對(duì)破損指數(shù)影響極顯著。

如圖9f所示，護(hù)種距離對(duì)破損指數(shù)的影響比充種傾角顯著；破損指數(shù)隨充種傾角增大呈先降低后升高趨勢(shì)，當(dāng)護(hù)種距離較小時(shí)，破損指數(shù)總體高于0.3%；破損指數(shù)隨護(hù)種距離增大呈先降低后升高趨勢(shì)，當(dāng)充種傾角較大時(shí)，破損指數(shù)總體高于0.2%；充種傾角和護(hù)種距離交互作用對(duì)破損指數(shù)影響極顯著。

3.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

3.4.1參數(shù)優(yōu)化

試驗(yàn)優(yōu)化原則為在保證排種器工作性能前提下提高作業(yè)效率。在作業(yè)速度為7.2～14.4 km/h、充種傾角為50°～90°、護(hù)種距離為-3～1 mm的約束條件下應(yīng)用Design-Expert 8.0.6.1軟件進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)上述分析，當(dāng)作業(yè)速度為極限值14.4 km/h，充種傾角為70°時(shí)，合格指數(shù)大于90%、重播指數(shù)小于4%、漏播指數(shù)小于6%、破損指數(shù)小于0.4%，選取充種傾角為70°進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如圖10所示。圖中黃色區(qū)域?yàn)樽罴压ぷ鲄^(qū)域，當(dāng)作業(yè)速度為7.6～12.2 km/h、護(hù)種距離為-2.1～0.6 mm時(shí)，排種合格指數(shù)大于94%、漏播指數(shù)小于3%、重播指數(shù)小于3%、破損指數(shù)小于0.2%。

圖10 優(yōu)化結(jié)果Fig.10 Optimization result

護(hù)種距離對(duì)護(hù)種毛刷磨損影響較大，護(hù)種距離越小，護(hù)種毛刷受排種盤壓力越大，兩者之間均會(huì)造成較大磨損，為提高護(hù)種毛刷使用壽命，選取護(hù)種距離為-1.5 mm。由圖10可知，當(dāng)作業(yè)速度為8～12 km/h，充種傾角為70°，護(hù)種距離為-1.5 mm時(shí)，排種性能指標(biāo)在優(yōu)化范圍內(nèi)。

3.4.2驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證參數(shù)組合優(yōu)化的正確性，在充種傾角為70°、護(hù)種距離為-1.5 mm，試驗(yàn)材料為“黑河43”大豆種子條件下，測(cè)試排種器在作業(yè)速度8～12 km/h時(shí)排種性能。選取8、9、10、11、12 km/h 的5種作業(yè)速度進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值為最終結(jié)果，試驗(yàn)效果如圖11所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖11 驗(yàn)證試驗(yàn)排種效果Fig.11 Verification effect of seed metering

圖12 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Verification test results

驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)作業(yè)速度為8～12 km/h時(shí)，排種器合格指數(shù)大于94%、漏播指數(shù)小于3%、重播指數(shù)小于3%、破損指數(shù)小于0.2%，排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果均在優(yōu)化區(qū)間范圍內(nèi)，優(yōu)化組合結(jié)果可信。

3.5 對(duì)比試驗(yàn)

為證明柔性機(jī)械式大豆精量排種器相對(duì)于現(xiàn)有常規(guī)機(jī)械式排種器在排種性能方面的優(yōu)越性，進(jìn)行排種性能對(duì)比試驗(yàn)。選取大豆排種技術(shù)比較成熟的窩眼輪式排種器為對(duì)照組，如圖13a所示。以作業(yè)速度為試驗(yàn)因素，合格指數(shù)和破損指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)5次取平均值為最終結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如圖13c所示。

圖13 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Comparison test results

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)作業(yè)速度為8 km/h時(shí)，窩眼輪式排種器合格指數(shù)僅為86.1%，而破損指數(shù)達(dá)到1.3%，并且當(dāng)作業(yè)速度大于9 km/h時(shí)，排種器合格指數(shù)急劇下降，破損指數(shù)升高，說明窩眼輪式大豆排種器排種性能不符合高速排種作業(yè)要求。

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種柔性機(jī)械式大豆精量排種器，解決了現(xiàn)有排種器難以滿足大豆免耕高速精量播種的問題。闡述了排種器的整體結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)排種盤和型孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)充種過程、護(hù)種過程和投種過程進(jìn)行了理論分析，建立了相關(guān)參數(shù)數(shù)學(xué)模型，探明了影響排種性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)，并確定了參數(shù)取值范圍。

(2)通過三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，分析了各因素對(duì)排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化求解獲得的最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行了排種性能臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)。結(jié)果表明：當(dāng)作業(yè)速度為8～12 km/h、充種傾角為70°、護(hù)種距離為-1.5 mm時(shí)，合格指數(shù)大于94%、漏播指數(shù)小于3%、重播指數(shù)小于3%、破損指數(shù)小于0.2%，滿足免耕大豆高速精量播種作業(yè)要求。