氣吸機械復合式大豆精密排種器設計與試驗

賈洪雷　陳玉龍　趙佳樂　王佳旭　郭明卓　莊　健

(1.吉林大學生物與農業工程學院， 長春 130025； 2.吉林大學工程仿生教育部重點實驗室， 長春 130025)

0　引言

高速精密播種[1-2]是指精密播種機以較高的作業速度，依據農藝要求的播種密度，按照一致的行距、均勻的粒距和精確的深度將種子播入土壤中并準確定位的過程。高速精密播種既可節省種子、減少間苗作業，同時又能達到苗齊、苗全、苗壯的效果；既可節約成本，又可提高生產效率和產量[3-4]。由于其突出的節本增效，已成為現代農藝最主要的播種方式，而其作業質量主要取決于高速精密排種器的性能[5-6]。

目前，精密排種器主要分為機械式[7-9]和氣力式[10]，其中機械式主要有窩眼輪式[8]、圓盤式[11]、勺輪式[12]、指夾式[7,13]等，具有結構簡單、加工制造成本低等特點，但因其主要通過種子自身重力或機械夾持的方式完成充種，致使充種速率較低，難以適應高速播種作業；氣力式則主要有氣吸式[14-15]、氣吹式[16-18]和中央氣送式[19-20]3種，氣吸式排種器運用氣流吸力充種，具有較高的充種速度，因此適用于高速精密播種，但復雜的田間作業環境和播種機地頭轉向時，均易造成播種機風機驟降，致使排種器內氣流吸力下降，種子在種群內摩擦力作用下脫離取種孔，從而造成漏播現象。因此，提高風壓驟降條件下的氣吸式排種器種子拾取能力，是進一步提高高速精密排種器作業性能的技術關鍵和未來發展方向。

基于上述問題，本文設計一種兼具氣吸式和機械式排種器特點的復合式大豆高速排種器，并通過理論建模、離散元分析、試驗優化和回歸分析等方法對其關鍵參數進行優化設計。

1　氣吸機械復合式精密排種器設計

1.1　排種器結構與工作原理

本文設計的氣吸機械復合式精密排種器，結構如圖1所示，主要由排種器蓋、排種盤、法蘭、排種器殼和排種軸組成。排種盤通過法蘭固接在排種軸上，跟隨排種軸轉動，排種軸通過滾動軸承連接在排種器殼上，排種盤上均勻分布著取種槽和導種槽，取種槽底部開有吸孔。排種器蓋外側留有進種口，種箱內種子通過進種口進入排種盤與排種器蓋圍成的空間中(種室)。排種器殼上開有馬蹄形負壓室，負壓室背面有吸氣口，吸氣口與風機通過管路相連。種室與負壓室通過取種槽底部的吸孔相聯通。

圖1　排種器結構示意圖Fig.1　Structure diagrams of metering device1.進種口　2.排種器蓋　3.排種盤　4.法蘭　5.排種器殼　6.負壓室　7.吸氣口　8.排種軸　9.吸孔　10.取種槽　11.導種槽

工作時，排種軸在地輪或者其他動力源的驅動下順時針轉動，同時通過法蘭帶動排種盤轉動；風機在拖拉機動力輸出軸或電動機帶動下轉動，風機抽取負壓室內的空氣，使負壓室內形成負壓狀態。

本文所設計排種器因其吸孔、導種槽和取種槽相互配合作業的特點無需進行清種作業，因此排種作業時種子經歷取種、運種和投種3個工作階段。

1.1.1取種階段作業原理

所設計排種器相較于傳統排種器最大的區別在于增設了導種槽與取種槽，從而可縮短種群向吸孔移動的時間，且可保證取種槽內的吸孔每次只吸取一粒種子，無需設置清種裝置，使該排種器具有高速取種和無需清種的優點。

如圖1b所示，當排種盤轉過種群時，排種器進入取種、清種階段，一般情況下會有2或3顆種子進入導種槽中(極少數情況會出現1顆或4顆種子進入導種槽中)，導種槽對種子起導向推動作用，使種子順序地沿著導種槽以速度v1向取種槽方向運動，當第1顆種子進入取種槽后，種子與取種槽底部的吸孔接觸，吸孔受到負壓室的負壓作用而對種子產生吸力，種子吸附在吸孔上，后續的種子無法進入取種槽，由于吸孔被種子擋住不再產生吸力，取種槽只取1顆種子。

1.1.1.1高速取種原理分析

傳統氣吸式排種器取種時，種子沿著平滑的排種盤面向吸孔移動，如圖2a所示，忽略排種盤壁面對種子的摩擦力，則種子受到的合力FT為

FT=FZ+FX+G

(1)

式中FZ——種子受到種群內的摩擦力

FX——吸孔吸力G——種子重力

圖2　取種受力示意圖Fig.2　Force diagrams of seed filling

種子受到的合力FT的方向與吸孔方向(種子和吸孔之間的直線距離)不一致，種子在吸孔方向上的吸附加速度較小，種子運動到吸孔的時間較長。

本文設計的氣吸機械復合式排種器取種時，種子沿著導種槽向吸孔運動，如圖2b所示，種子除了受到種群內摩擦力、吸孔的吸力以及自身重力的作用外，還受到導種槽對其的推力FC，種子受到的合力F′T為

F′T=FZ+FX+G+FC

(2)

F′T的方向與吸孔方向(種子到吸孔之間的直線方向)一致，種子在吸孔方向上的吸附加速度較大，種子運動到吸孔的時間較小，從而使排種器具有高速充種的優點，更適用于高速播種作業。

1.1.1.2自清種原理分析

如圖3a所示，傳統的氣吸式排種器取種作業時，同時有i顆種子從多個方向接近吸孔，其中種子m和n同時接近吸孔，設種子m與吸孔距離為lm，種子n與吸孔距離為ln，種子m、n到達吸孔的時間分別為

(3)

式中am、an——第m、n顆種子的加速度

如tm=tn的情況發生時，種子m和n同時到達吸孔，從而造成吸孔同時吸取多粒種子，如不設置清種裝置，則造成重播現象，而增設清種機構又會增大種子的破損率。

圖3　種子運動示意圖Fig.3　Diagrams of seed movement

如圖3b所示，本文設計的氣吸機械復合式排種器取種作業時，有j個種子向吸孔運動，種子進入取種槽前需先進入導種槽，而導種槽可使進入其中的種子p和q在導種槽中呈先后排列，且沿著導種槽向吸孔前進，種子p距離吸孔的長度lp大于種子q距離吸孔的長度lq，同時，因為種子p位于種子q后方，因此種子p的加速度不可能大于種子q。由

(4)

可知，種子q一定先于種子p到達吸孔，當種子q堵住吸孔后，使得其余種子不再受到該吸孔的吸力作用，進而確保該吸孔只吸取一粒種子，因而該排種器可以依靠自身結構完成清種，無需增設額外的清種裝置。

1.1.2運種階段和投種階段作業原理

當排種盤轉出種群后，排種器進入運種階段，吸附在取種槽內的種子受到的負壓吸力FX克服重力G，種子隨著排種盤轉動，運種階段一直持續到負壓室的末端。當排種盤離開負壓室的作用范圍時，排種器進入投種階段，此時吸孔背面被擋住并且不再受到負壓作用，無法繼續產生吸力，種子在重力G作用下脫離取種槽，以速度v2離開排種器，完成投種。

本文所設計排種器因其增設了導種槽和取種槽結構，相較于傳統排種器在運種階段亦具有一定優勢。傳統氣吸式排種器的吸孔進入種群后，種子在負壓吸力作用下吸附在吸孔上，但同時在種群內摩擦阻力作用下從吸孔掉落，之后不斷重復吸種、掉種，只有在取種孔離開種群時，吸孔上吸附的種子不再因種群阻力而掉落，因此取種有效區域只存在于取種孔離開種群的區域。本文設計的氣吸機械復合式排種器取種時，種子從種群進入取種槽后，取種槽內壁對種子起到一定的扶持作用，能夠輔助充種；同時由于種子進入取種槽內，減少了暴露在種群中的接觸面積，減小了與種群之間的摩擦阻力，因此其有效取種區域約等于取種區長度，降低了種子掉落機率。

1.2　取種槽設計

取種槽和導種槽均勻分布在排種盤的邊緣，二者一一對應，數目相同，每個導種槽的末端正對著取種槽，取種槽由4個面組成；前槽面、后槽面、底面和背面，底面上開有吸孔，如圖4a所示。

取種槽的截面形狀如圖4b所示，為了在取種及運種過程中取種槽能夠對種子起到扶持作用，后槽面與底面垂直，底面與背面垂直。前槽面與底面成鈍角布置，取種槽呈喇叭口形狀，上大下小，可以提高充種機率，同時在投種時種子更容易從取種槽脫出。

圖4　取種槽和導種槽結構示意圖Fig.4　Structure diagrams of pickup hole and guide groove1.取種槽前槽面　2.取種槽底面　3.取種槽后槽面　4.取種槽側面　5.導種槽后邊　6.導種槽前邊

試驗所用大豆種子為吉林省常用的吉育302(審定編號：吉審豆2012009)，測量1 000粒種子的最大長度，結果如圖5所示。

圖5　大豆種子尺寸分布Fig.5　Seed size distribution

大豆種子可近似視為球狀體，因此可以認為種子的長度等效于種子直徑，則種子直徑的平均值為7.27 mm，種子的最小直徑dmin為6.2 mm，最大直徑dmax為8.4 mm。

為保證種子能夠順利進入取種槽，并且避免取多粒，取種槽上邊寬度D1應滿足

dmax≤D1<2dmin

(5)

本文D1分別取8.4、10.2、12.0 mm。

為了保證進入取種槽的種子不會因為種群的摩擦阻力作用而從取種孔脫落，同時取種槽不會帶起多余種子離開種群，取種槽的深度H1應滿足

0.5dmax≤H1<1.5dmin

(6)

對應D1取8.4、10.2、12.0 mm，H1分別取4.2、6.7、9.2 mm。

氣吸式大豆排種器的吸孔直徑一般取3.5～4.5 mm，本文中吸孔直徑D3取4 mm。為了保證取種槽的后槽面和背面能夠對吸孔吸附的種子起到扶持作用，吸孔中心到后槽面的距離D4和到背面的距離D5應同時為0.5dmax，即4.2 mm。

為了發揮負壓吸力的最大效用，進入取種槽的種子應與吸孔充分接觸，如圖4c所示。由圖4幾何關系可得

(7)

式中θ——邊OA與AB的夾角

ρ——邊OA與AD的夾角

σ——邊BA與AD的夾角

根據式(7)計算得到，當D1取8.4、10.2、12.0 mm，H1取4.2、6.7、9.2 mm時，對應種槽的下邊寬度D2分別取8.4、7.1、7.0 mm。

取種槽前槽面和后槽面的寬度L1應滿足

dmax

(8)

本文中L1取與D1相同的值，即當D1取8.4、10.2、12.0 mm時，對應的L1取8.4、10.2、12.0 mm。

1.3　導種槽設計及基于離散元法的參數優化

1.3.1導種槽設計

導種槽的作用是擾動取種槽附近的種子，在導種槽與負壓吸力共同作用下，種群不斷從取種區上部向底部移動，形成流動狀態，促進種群向取種槽運動，能夠減少取種區種群的內摩擦力，降低因種子架空導致充種失敗的機率，提高取種性能。

導種槽的結構如圖4所示，導種槽的深度影響攪種效果，導種槽過淺無法充分攪動種群，導種槽過深會使導種槽切向的推種作用大于沿導種槽方向的導種作用，使種群運動過于劇烈，不利于種子向取種槽運動，導種槽深度H2應小于0.5dmin，因此導種槽深度H2分別取1、2、3 mm。

為使導種槽能與種子充分接觸，導種槽的截面形狀為圓弧形，如圖4d所示，圓弧的半徑為0.5dmax，圓弧的弦長即導種槽寬度L2為

(9)

導種槽越長對種群的攪動作用越明顯，但是導種槽的長度和角度受到排種盤直徑和取種槽數目的制約。

常見排種盤直徑在140～260 mm之間，本文排種盤直徑D0設為200 mm。取種槽越多，排種頻率越快，播種速度越高，同時能夠提高種子進入取種槽的機率，在相鄰取種槽及導種槽不干涉的情況下，應該在排種盤上分布盡可能多的取種槽。當相鄰取種槽之間保持2 mm間隔時，取種槽和導種槽的數目N為

(10)

當D1分別取8.4、10.2、12.0 mm時，對應的導種槽數目N分別為60、51、44。當播種機前進速度一定時，導種槽數目與排種盤轉速成反比關系，為了在排種盤相同速度下分析取種槽與導種槽對種群運動特性的影響，本文導種槽數目N統一取44。

為了促進取種區上層種子向取種槽運動，導種槽應該向排種盤轉動方向傾斜，導種槽的傾角α應小于90°。

導種槽的末端與取種槽相連，且不超出取種槽的范圍。設計時保持導種槽后邊始終與取種槽后槽面重合，導種槽的前邊與取種槽的背面相交產生交點，如圖4所示，交點到后槽面的長度L3為

(11)

當L3=L1時，導種槽傾角達到最小，αmin為

(12)

因為導種槽向前傾斜，前邊長度小于后邊，當導種槽長度最大時，前邊與相鄰導種槽的后邊相交，如圖4所示，前邊頂點所在圓的半徑為R，周長為S，該圓與導種槽相交的圓弧的弦長為L4，則

(13)

(14)

導種槽前后邊的長度L5、L6最大分別為

(15)

1.3.2基于離散元法的導種槽優化設計

(1) 仿真參數與指標

通過上文分析可知，本文所設計氣吸機械復合式排種器，主要為改善風壓驟降情況下的排種合格率，因此取種槽和導種槽應在風壓驟降的條件下仍可完成取種作業。因此，利用離散元軟件EDEM[21]對排種器進行仿真，將風壓設置為極限風壓零，研究在零負壓條件下導種槽對種群運移的擾動，并優化其結構參數。

接觸模型采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，全局變量參數[5,22-23]設置如表1所示。

表1　仿真參數Tab.1　Parameters used in simulation

在Solidworks中對排種器進行建模，并對模型進行簡化處理，只保留排種盤和排種器蓋，并且去除排種器蓋上的進種口和投種口，排種盤與排種器蓋形成閉合空間，將文件另存為 .x_t格式，導入到EDEM中，其中排種盤設為有機玻璃材料，排種器蓋設為鑄鐵材料。

顆粒設為直徑7.27 mm的圓球，顆粒尺寸分布設置為正態分布，仿真時間步長設置為1.5×10-5s，仿真時間為10 s，網格尺寸設置為7.27 mm，共有112 035個網格單元。

通過EDEM軟件對排種器工作過程進行仿真，如圖6所示，從圖6可以看到，種群在排種盤帶動下產生運動，種群可以分為上升區、塌落區、回流區和中間的相對靜止區，其中只有上升區內的種子與取種槽直接接觸。

圖6　EDEM仿真矢量圖Fig.6　Arrow diagram of EDEM simulation1.上升區　2.相對靜止區　3.塌落區　4.回流區　5.數據采集區域

導種槽的作用是增加上升區種子運動速度，提高排種器在高速時的取種性能；同時，增加種群的離散程度，從而減小種群摩擦力，促進氣吸取種性能。因此以上升區種群的運動速度和離散程度作為評價導種槽性能的指標。

導種槽的最終目的是為了提高取種槽的取種性能，但是排種器的排種性能(合格率、重播率、漏播率)受到取種槽結構參數、轉速以及負壓等多種因素影響，因此無法直接通過合格率、重播率與漏播率來判斷導種槽的性能，因此以漏充率[24]作為評價導種槽性能的另一個指標，當取種槽離開種群時，若取種槽中沒有種子記為漏充，則

L=z3/Z′×100%

(16)

式中L——漏充率，%

z3——漏充的取種槽數

Z′——所記錄的取種槽總數

(2) 導種槽深度

通過離散元仿真研究導種槽深度對種群運動特性的影響。對導種槽深度進行單因素仿真試驗，固定取種槽尺寸，取種槽上邊寬度D1為10.2 mm，深度H1為6.7 mm。

在導種槽深度H2取1、2、3 mm時，由式(9)計算得導種槽寬度L2分別為5.4、7.1、8.0 mm，由式(12)計算得導種槽傾角最小值αmin分別為32.0°、44.1°、51.7°。所以在導種槽深度為1、2、3 mm時，導種槽傾角的取值范圍分別為

(17)

式中α1——導種槽深度為1 mm時導種槽的傾角

α2——導種槽深度為2 mm時導種槽的傾角

α3——導種槽深度為3 mm時導種槽的傾角

為了研究導種槽深度對種群運動的影響，在導種槽深度分別取1、2、3 mm時，導種槽的傾角α應取同一值，為了同時滿足3種導種槽深度時導種槽傾角的取值條件，由式(17)可得，導種槽傾角α應滿足

51.7°<α<90°

(18)

同時，為了方便導種槽的加工，對傾角進行整化處理，因此，導種槽傾角α初選為60°，α的最終值由下面關于傾角的仿真試驗結果確定。

由式(15)計算得在導種槽傾角為60°時，導種槽后邊最大長度L6max為31.0 mm。導種槽的目的是提高上升區的種群運動速度，因此導種槽的作用范圍應限制在上升區內或其附近，由EDEM軟件仿真結果得出上升區的厚度約為15.0 mm，為保證導種槽在上升區內，導種槽后邊長度L6取18.0 mm。

仿真時模擬的播種機作業速度為8.0 km/h，排種盤轉速np與作業速度vm的關系為

(19)

式中vm——播種機作業速度，m/s

s——株距，本文大豆株距選擇東北地區種植中常見的0.05 m

K——排種盤型孔數

在作業速度為8.0 km/h時，對應的排種盤轉速為60.6 r/min。

利用EDEM軟件自帶的數據采集功能，采集上升區內種子的速度及數目信息并統計漏充率，結果如圖7所示，圖中平均值后不同的小寫字母表示在0.05水平下顯著，導種槽深度為0 mm表示不設置導種槽。

圖7　導種槽深度對種群的影響Fig.7　Effects of seed guide groove depth on seed group

圖8　導種槽傾角對種群的影響Fig.8　Effects of seed guide groove angle on seed group

導種槽深度對種群的運動速度具有顯著影響，與不添加導種槽相比，添加導種槽之后種群速度明顯提高，導種槽對種群速度具有促進作用。無導種槽時種群速度最低，為0.16 m/s；導種槽深度為3 mm時種群速度最高，為0.24 m/s。但是，導種槽深度為2 mm與3 mm時種群速度差異不顯著。

導種槽深度對種子數具有顯著影響，與不添加導種槽相比，添加導種槽之后種子數明顯降低。無導種槽時，種子數最大，為47.95粒；導種槽深度1 mm時，種子數最低，為41.82粒。導種槽深度2 mm時，種子數較低，為44.79粒，顯著少于深度為3 mm時的種子數。深度3 mm的種子數顯著大于1 mm和2 mm，通過觀察仿真過程發現，在3 mm時種子進入導種槽中，沒有及時脫離導種槽，使得導種槽周圍的種子數加大。

導種槽深度對漏充率具有顯著影響，與不添加導種槽相比，添加導種槽之后漏充率顯著降低。隨著導種槽深度的增加，漏充率逐漸降低，無導種槽時漏充率最高，為4.24%；導種槽深度為3 mm時漏充率最低，為3.14%，但是深度為2 mm與3 mm時沒有顯著差異。

綜合考慮種群運動速度、種子數和漏充率，導種槽深度為2 mm時，種群的運動速度較大，種子數較小，且漏充率較低，因此本文取導種槽深度為2 mm，進行后續試驗。

(3) 導種槽傾角

研究導種槽傾角對種群運動特性的影響時，只改變傾角大小，固定其余尺寸，導種槽深度H2取2 mm，此時αmin為44.1°，所以α應滿足44.1°<α<90°，α分別取45°、60°、75°進行仿真試驗。結果如圖8所示，圖中導種槽傾角為0°時表示不設置導種槽。

導種槽傾角對種群的運動速度具有顯著影響，無導種槽時種群速度最低(0.16 m/s)；導種槽傾角為45°時種群速度最高(0.26 m/s)。隨著傾角的增大，種群速度出現顯著下降。傾角45°時，種群速度顯著高于傾角60°與75°時種群速度。

導種槽傾角對種子數具有顯著影響，傾角45°時，種子數顯著少于傾角60°時種子數，并且與傾角75°時種子數差異不顯著。

導種槽傾角對漏充率具有顯著影響，無導種槽時漏充率最高；導種槽傾角為45°時漏充率最低，且顯著低于60°與75°。

綜合考慮種群運動速度、種子數和漏充率，導種槽傾角為45°時，種群的運動速度最大，種子數最小，且漏充率最低，因此本文選取導種槽傾角為45°，進行后續試驗。

2　臺架與田間試驗

2.1　試驗材料與方法

2.1.1試驗步驟

本文試驗由3部分組成，分別為室內臺架參數優化試驗、最優參數田間驗證試驗和負壓驟降條件下的排種性能對比試驗。首先，對排種器進行室內臺架試驗：以取種槽尺寸、前進速度、負壓為因素，進行三因素全面試驗，利用Matlab軟件進行方差分析，研究各因素對排種性能指標的影響規律，并進行回歸分析，得出回歸方程，尋求取種槽的最佳結構參數組合，以及在該尺寸下合格率滿足95%時對應的極限速度和負壓。然后，對臺架試驗所得最優參數組合進行田間驗證試驗，檢驗排種器的實際工作性能。最后，選取黑龍江勃農機械有限公司生產的傳統氣吸式排種器和意大利MASCHIO GASPARDO公司生產的氣吸式排種器，進行負壓驟降條件下的排種性能對比試驗，比較各排種器對氣流吸力驟降條件的適應能力。

2.1.2因素與水平

以取種槽尺寸、前進速度、負壓為因素，其中以取種槽的上邊寬度D1代表取種槽尺寸，本文共設計3種不同尺寸的取種槽，如表2所示。

表2　取種槽尺寸Tab.2　Size of seed hole　mm

前進速度選取6、8、10 km/h，根據式(19)計算得，對應的排種盤轉速為45.4、60.6、75.8 r/min。傳統氣吸式大豆排種器的理想負壓為3 kPa[18]，為了考察在負壓降低時的排種性能，本文負壓選擇1、2、3 kPa。

2.1.3試驗臺架

由于田間環境復雜，為了排除田間諸多因素對排種性能的影響，首先對排種器進行室內臺架試驗，試驗在吉林大學農機實驗室的JPS-12型排種器試驗臺[2,13]上進行，該試驗臺在國內排種器研究中被廣泛使用，性能可靠，如圖9所示。利用3D打印技術加工排種盤，利用試驗臺對氣吸機械復合式排種器進行試驗，研究排種器在不同速度以及負壓下的排種性能。

圖9　室內試驗臺Fig.9　Experimental bench

2.1.4試驗指標

根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，每組試驗采集250粒種子進行統計，試驗重復5次，以重播率、漏播率、合格率為排種性能評價指標[11,16]。

重播率

D=z1/Z×100%

式中z1——相鄰種子粒距小于0.5倍理論粒距(本文中理論粒距采用中國東北地區大豆種植廣泛使用的5 cm)的種子粒數

Z——統計的種子總數

漏播率

M=z2/Z×100%

式中z2——相鄰種子粒距大于1.5倍理論粒距的種子粒數

合格率

A=(1-M-D)×100%

2.2　三因素參數優化與田間驗證試驗

2.2.1試驗結果

試驗結果如表3所示，表中數據形式為平均值±標準差。整理試驗結果，在3種不同速度下，分別針對取種槽尺寸和負壓進行顯著性分析，結果如圖10所示。

(1)各因素對合格率的影響

在6 km/h時，取種槽尺寸和負壓對合格率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，合格率顯著下降，在8.4 mm時合格率最大，在12 mm時合格率最小。隨著負壓的增大，合格率顯著下降，在1 kPa時合格率最大，在3 kPa時合格率最小。

表 3　三因素試驗結果Tab.3　Result of three factors experiment

圖10　不同速度下各因素對排種性能的影響Fig.10　Effects of each factor on metering performance at different speeds

在8 km/h時，取種槽尺寸和負壓對合格率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，合格率顯著下降，在8.4 mm時合格率最大，在12 mm時合格率最小。隨著負壓的增大，合格率顯著下降，在1 kPa時合格率最大，在3 kPa時，合格率最低。

在10 km/h時，取種槽尺寸和負壓對合格率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，合格率先升高然后下降，在10.2 mm時合格率最大，在12 mm時合格率最小。隨著負壓的增大，合格率先升高后下降，在2 kPa時合格率最大，在3 kPa時合格率最低。

(2)各因素對重播率的影響

在6 km/h時，取種槽尺寸和負壓對重播率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，重播率顯著上升，在8.4 mm時重播率最低，在12 mm時重播率最高。隨著負壓的增大，重播率顯著上升，在1 kPa時重播率最低，在3 kPa時重播率最高。

在8 km/h時，取種槽尺寸和負壓對重播率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，重播率顯著上升，在8.4 mm時重播率最低，在12 mm時重播率最高。隨著負壓的增大，重播率顯著上升，在1 kPa時，重播率最低，在3 kPa時，重播率最高。

在10 km/h時，取種槽尺寸和負壓對重播率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，重播率出現顯著上升，在8.4 mm時重播率最低，在12 mm時重播率最高，但是8.4 mm與10.2 mm對重播率的影響差異不顯著。隨著負壓的增大，重播率出現顯著上升，在1 kPa時，重播率最低，在3 kPa時，重播率最高，但是8.4 mm與10.2 mm對重播率的影響差異不顯著。

(3)各因素對漏播率的影響

在6 km/h時，取種槽尺寸和負壓對漏播率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，漏播率逐漸降低，在8.4 mm時漏播率最高，在12 mm時漏播率最低，但是10.2 mm與12 mm對漏播率的影響差異不顯著。隨著負壓的增大，漏播率顯著下降，在1 kPa時漏播率最高，在3 kPa時漏播率最低。

在8 km/h時，取種槽尺寸和負壓對漏播率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，漏播率逐漸下降，在8.4 mm時漏播率最高，在12 mm時漏播率最低。隨著負壓的增大，漏播率顯著下降，在1 kPa時，漏播率最高，在3 kPa時，漏播率最低。

在10 km/h時，取種槽尺寸和負壓對漏播率影響顯著。隨著取種槽尺寸的增大，漏播率出現顯著下降，在8.4 mm時漏播率最高，在12 mm時漏播率最低，但是10.2 mm與12 mm對漏播率的影響差異不顯著。隨著負壓的增大，漏播率出現顯著上升，在1 kPa時，漏播率最高，在3 kPa時，漏播率最低。

2.2.2回歸分析

利用Matlab軟件，對試驗結果進行回歸分析，各因素及其交互作用對合格率Y1、重播率Y2、漏播率Y3的影響如表4所示。取種槽尺寸X1、前進速度X2、負壓X3對合格率影響顯著，并且兩兩之間存在交互作用。取種槽尺寸X1、前進速度X2、負壓X3對重播率影響極顯著，并且兩兩之間存在交互作用。取種槽尺寸X1、前進速度X2、負壓X3對漏播率影響極顯著，并且取種槽尺寸X1與前進速度X2之間、取種槽尺寸X1與負壓X3之間存在交互作用。

表4　各參數對排種性能的顯著性分析Tab.4　Significance analysis of each factor on metering performance

注：*表示在0.05水平下顯著，** 表示在0.01水平下顯著，*** 表示在0.001水平下顯著。

根據表4的方差分析結果，分別對3個性能指標擬合回歸方程，排除對指標影響不顯著的因素，回歸方程為

(20)

模型的決定系數R2=0.983 6，F=59.88，對應的P<0.001，表明回歸方程具有高可靠性，能夠準確預測合格率的變化規律。

(21)

模型的決定系數R2=0.991 4，F=115.52，對應的P<0.001，表明回歸方程具有高可靠性，能夠準確預測重播率的變化規律。

(22)

模型的決定系數R2=0.980 2，F=63.61，對應的P<0.001，表明回歸方程具有高可靠性，能夠準確預測漏播率的變化規律。

根據試驗結果和擬合的回歸方程，利用Matlab軟件，以合格率為尋優條件進行處理，得出當取種槽上邊寬為9.5 mm、在前進速度不大于8.6 km/h、負壓不小于1.6 kPa時，排種器的合格率不小于95%。并根據幾何結構各參數之間數值關系得出排種器參數組合為：取種槽上邊寬度9.5 mm、取種槽下邊寬度7.3 mm、取種槽深度5.7 mm、取種槽前后槽面寬度9.5 mm。

2.2.3最佳參數田間驗證試驗

根據上述試驗得到的排種盤結構參數加工排種盤，并于2017年5月在吉林省農業機械研究院試驗田對氣吸機械復合式排種器進行田間試驗，試驗所用播種機為吉林大學設計并與黑龍江勃農機械制造有限公司聯合研制的2BGD-6型氣吸式精密播種機，該播種機在東北具有較高的市場占有率，如圖11所示。

圖11　田間試驗Fig.11　Field experiment

在速度為8.6 km/h、負壓為1.6 kPa時分別進行臺架和田間試驗，對應結果分別為：合格率95.24%、93.67%，重播率2.96%、3.32%，漏播率1.80%、3.01%。從結果可以看出，臺架試驗的合格率大于95%，田間試驗的合格率小于95%，這與復雜的田間環境有關。

2.3　負壓驟降條件下的排種性能對比試驗

為了檢驗排種器在負壓驟降條件下的排種性能，在速度為8.6 km/h時，負壓以0.5 kPa為間隔，分別取0.6、1.1、1.6、2.1 kPa進行對比臺架試驗。分別與黑龍江勃農機械有限公司生產的傳統平面垂直圓盤氣吸式排種器，以及意大利MASCHIO氣吸式排種器進行臺架對比試驗，以合格率為評價指標，試驗結果如圖12所示。

圖12　負壓適應性試驗結果Fig.12　Pressure adaptability experiment results

3種排種器的合格率具有相似的變化趨勢，氣吸機械復合式排種器的合格率最高，顯著高于傳統氣吸式排種器和MASCHIO氣吸式排種器，MASCHIO氣吸式排種器的合格率顯著高于傳統氣吸式排種器。氣吸機械復合式排種器的合格率隨負壓的變化較小，在1.6 kPa時合格率最高，為97.68%，且1.6 kPa與2.1 kPa之間變化不大，0.6 kPa時合格率最低，為94.48%，從1.6 kPa到0.6 kPa，合格率僅下降3.20個百分點。傳統氣吸式排種器的合格率隨負壓變化較大，2.1 kPa時合格率最高，為93.04%，0.6 kPa時合格率最低，為85.36%，隨著負壓降低，合格率下降7.68個百分點。MASCHIO氣吸式排種器的合格率隨負壓變化較大，2.1 kPa時合格率最高，為95.20%，0.6 kPa時合格率最低，為90.23%，隨著負壓降低，合格率下降。

在負壓降低到1.1 kPa時，氣吸機械復合式排種器與傳統氣吸式排種器、MASCHIO氣吸式排種器相比，合格率分別提高6.48、1.92個百分點，在負壓降低到0.6 kPa時，這種提高趨勢更加明顯，合格率分別提高9.12、4.25個百分點。

氣吸機械復合式排種器的排種性能優于傳統氣吸式排種器和MASCHIO氣吸式排種器，且穩定性高于傳統氣吸式排種器和MASCHIO氣吸式排種器。在負壓降低時，氣吸機械復合式排種器的排種性能仍然能達到較高的水平，滿足精密播種的要求。

3　結論

(1)設計了一種氣吸機械復合式精密排種器，通過EDEM軟件進行離散元分析，得出當導種槽傾角為45°、深度為2 mm時，可最大程度提高種群上升區種子運動速度，增加種群離散程度，進而減小種群內摩擦力，提高充種效率；通過理論分析、試驗優化和回歸分析可知，取種槽上邊寬度9.5 mm、取種槽下邊寬度7.3 mm、取種槽深度5.7 mm、取種槽前后槽面寬度9.5 mm時，可對種子起到較好的夾持效果，并降低種群對所拾取種子的摩擦力，進而減少掉種情況的發生。

(2)通過Matlab軟件對三因素全面試驗的試驗結果進行方差分析，得出作業速度、取種槽和導種槽幾何結構尺寸、負壓均對排種器播種效果有顯著影響，三者之間兩兩具有交互影響，并得出在作業速度不大于8.6 km/h、負壓不小于1.6 kPa時，排種器的合格率不小于95%。

(3)通過對比驗證試驗，氣吸機械復合式精密排種器在最佳參數組合條件下，田間試驗播種粒距合格率為93.67%、重播率為3.32%、漏播率為3.01%；當遇到負壓驟降所引起的氣流吸力突變情況時，不會產生大量漏播，具有更好的播種效果，當負壓降至1.1 kPa時，該排種器相較于勃農氣吸式排種器和MASCHIO氣吸式排種器，粒距合格率分別提高6.48、1.92個百分點，當負壓降至0.6 kPa時，粒距合格率分別提高9.12、4.25個百分點。

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