豆類作物一器雙行氣吸式高速精量排種器設計與試驗

李玉環 楊 麗,2 張東興,2 崔 濤,2 丁 力 魏亞男

(1.中國農業大學工學院， 北京 100083； 2.農業農村部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

大豆、豌豆、綠豆、小豆等豆類作物具有形狀規則、粒徑較小、球形度較大的特點，對精量排種器的適應性較好，但其種植密度要求較高，多采用窄行密植栽培技術，每平方米保苗量在22.5株以上[1-6]，因此株距和行距要求均較小，在高速作業下對排種器要求較高，實現高速精量播種作業存在一定的難度[7-8]。

高速精量排種器是實現高速精量播種作業的核心部件，其排種性能是影響播種機作業質量的重要因素之一。其中，氣力式排種器因具有種子適應性、排種精度、作業效率等方面的優勢而逐漸被認可[9-11]。國內外關于氣力式排種器的研究逐漸深入，發現在排種器作業速度升高時，排種器性能呈下降趨勢。豆類作物種植密度較大，在高速作業情況下，排種器的轉速更高，因此采用氣吸式精量播種機進行高速精量播種作業時，對排種器結構、吸附性能以及排種器轉速等方面要求較高[12-21]。現有大豆氣力式精量排種器多集中在功能實現上，在高速作業條件下播種效果較差，且對不同豆類種子的適應性不足。

為滿足豆類作物窄行、窄距、密植的高速作業，設計一種結構簡單、適應性強、播種效果好、可實現高速播種作業的一器雙行高速精量排種器。

1 排種器結構和工作原理

一器雙行氣吸式高速精量排種器整體結構如圖1所示。主要包括后殼體、前殼體、上清種機構、下清種調節裝置、雙排孔種盤、吸道、下清種分流清種機構、雙叉分流機構、傳動軸等。雙排孔種盤作為保證排種質量的核心部件，沿周向開有雙排充種孔，固定在傳動軸上，與后殼體緊密貼合，吸道固定安裝在后殼體上，與后殼體、雙排孔種盤形成氣室，貫穿充種區、清種區以及攜種區，在氣流作用下與外界形成負壓氣流，隨著種盤的轉動完成種子的吸附運移過程。上清種機構一端固定在前殼體定位孔上，另一端安裝在前殼體滑槽中，通過上清種調節裝置固定在前殼體上，可調節上清種調節裝置實現外側吸孔清種作業；分流清種裝置安裝在前殼體上，前端為雙弧形清種機構，實現內側種子的清種作業，后端為導流裝置，將雙排種子流導入雙叉分流機構中，實現窄距雙行順暢投種，其中雙叉分流機構可根據不同行距要求進行調整。

圖1 一器雙行氣吸式高速精量排種器結構圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic precision seed-metering device with single seed-metering plate for double-row1.卸種口 2.卡扣 3.后殼體 4.前殼體 5.雙排孔種盤 6.上清種機構 7.上清種調節裝置 8.下清種分流卸種機構 9.雙叉分流機構 10.傳動軸 11.吸道

工作時，風機在拖拉機動力輸出軸帶動下轉動，抽取密閉氣室空氣，使得吸孔處形成負壓狀態，傳動軸在地輪或者其他動力源的驅動下順時針轉動，帶動雙排孔種盤轉動；經過充種區在負壓的作用下將種子吸附在吸孔上，經過清種區，在上下清種機構的作用下將內外兩側多余的種子清除，攜帶單粒種子進入攜種區，繼而在分流機構的作用下將雙排種子流導入雙叉分流機構進行雙行窄距播種作業。

2 關鍵參數設計

2.1 工作區域劃分

考慮種子是在種盤和前殼體之間完成充種、清種、攜種和分流投種過程，該過程主要通過吸道、殼體、種盤以及清種裝置之間配合作用完成，為了保證各關鍵部件的作用效果，準確適時實現充種、清種、攜種和分流投種過程，達到最佳的作業效果，須對工作區域進行劃分[22-23]。如圖2所示，其中δ表示充種區范圍，α表示清種區范圍(包括自清種區①和強制清種區②)，β表示攜種區范圍，γ表示投種區范圍。

圖2 種盤劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of disc division

充種區設計：雙排播種為相鄰兩排吸孔同時作業完成種子的吸附，因此對充種區的種子量要求更高，為保證內側吸孔的充種性能，使得內側具有充足的種子量，在區域劃分時要盡量擴大充種區域范圍，同時兼顧分流投種的順暢性，最終確定充種作用范圍為[325°,360°]∪[0°,95°]。

清種區設計：為保證兩行種子的單粒精度，要確定合適的清種區域，將吸種口多余的種子清掉，保證內外側吸孔均勻吸附單粒種子。清種區主要分為自清種區和強制清種區。充入吸孔內的種子隨著排種盤的轉動離開充種區，首先進入自清種區域。位于吸孔邊緣未能穩定吸附的種子在重力和離心力的作用下落回充種區。通過試驗發現，當吸孔上的種子離開充種區距離大于3個種子長度時，未占據壓力優勢的種子滑落至充種區，即h4≥3l，如圖3所示，選取自清種區域α1=15°。

圖3 清種區劃分Fig.3 Partition of seed-metering device clearing area

上下側清種機構通過擠壓吸孔處的種子，將不占據壓力優勢的多余種子清除，保證單粒播種，為保證內外圈徹底清種，在不影響投種的情況下盡量擴大清種區范圍，但清種范圍不能過大，過大會導致清落的種子進入投種區，導致重播增加。為確定合適的清種區范圍，采用運動學方法對清種區末端位置進行分析，如圖3所示，種子B在下清種機構的作用下脫離種盤，沿吸孔切線做初速度為v的拋物線運動，當種子由B運動到C點時，種子在分流機構的阻擋下落入充種區，當清種位置滯后時，清落的種子會進入分流卸種裝置，造成排種質量下降，由幾何關系知∠AOB=∠EBD=α0，該位置由動力學和幾何關系有

(1)

式中r——內側孔半徑，mm

α0——OB連線與豎直中心線之間夾角，(°)

v0——清落種子的初速度，m/s

vx——清落種子在x方向的分速度，m/s

vy——清落種子在y方向的分速度，m/s

ω——排種盤角速度，rad/s

H——A點到O點的距離，mm

h——中心豎直線與分流擋板之間的距離，mm

h1——A點到B點的距離，mm

h2——種子下落點與擋板豎直位置的距離，mm

h3——內側吸孔到分流擋板豎直距離，mm

g——重力加速度，m/s2

t——時間，s

由式(1)可得

(2)

其中H、h3、h、r的值在設計時確定，當作業速度在16 km/h以下時，通過式(1)、(2)解得h1≈8.29 mm，α0≈7.07°。

為了避免清落的種子進入分流卸種區，在清種區劃分時要保證α0小于7.07°，選取α0為6°，因此清種區主要分為自清種區[95°,110°]和強制清種區[110°,186°]，最終確定清種區為[95°,186°]。

攜種區設計：吸附在吸孔上的單粒種子在越過清種區之后進入攜種區。吸孔處開有凹槽，對吸附的種子具有托附作用，有效地避免了氣壓不穩或振動造成吸附在吸孔上的種子掉落問題。攜種區從清種區結束位置開始到卸種開始位置結束，β設置為[186°,270°]。

分流投種區設計：種盤運動到分流投種區，在分流清種裝置的作用下將兩排種子流均勻分開，氣流隔斷，在重力和離心力的作用下脫離種盤，均勻地進入雙叉投種管，完成播種作業。分流投種區為[270°，325°]。

種盤進入投種區氣流阻斷，種子落入投種管，該區域為密封區，要求密閉性好，避免氣流干擾種子的運動軌跡，在氣道設計時綜合考慮種子吸附的穩定性、投種的順暢性，氣道需貫穿整個充種區、清種區和攜種區[24]，其范圍角度λ=305°。

2.2 排種盤設計

2.2.1排種盤結構形式

排種盤是將種子從種群分離并運移至投種區的關鍵部件，排種盤形式對充分充種、有效清種和順利投種有重要意義。雙排種盤沿周向均勻布置充種吸孔，相比于單排孔吸孔數增加了一倍，給種子的充分充種帶來困難，合理利用有限的空間完成兩排吸孔的穩定充種，是實現雙排播種的關鍵，外側吸孔種層較高，種子間的阻力較大，需增加擾動性以增加種子流動性，提高充種性能；內側吸孔處種子種層較低，種子間阻力較小，在不斷流動的種子流下即可穩定吸附。為了滿足內外側充種條件，采用外側撥指吸孔增加種子的擾動，形成不間斷的種子流，內側采用凹型圓孔，提高種子吸附的穩定性，如圖4所示。充種區的種子在外側撥指的帶動下形成循環種子流，底層的種子順著撥指上升，脫離充種區后流向種層內側，種子群不斷從充種區由下向上翻動，減少了充種區種群內部阻力，降低種子架空難以充種的幾率，同時也保證了內側吸孔處的種子量，提高了內外側充種性能。

圖4 種盤結構示意圖Fig.4 Structure diagram of seed-metering plate1.種子環流 2.內側種子 3.內側吸孔處種子 4.外側吸孔處種子 5.種盤

圖5 充種過程受力分析Fig.5 Force analysis of suction seed course

2.2.2充種過程受力分析

種子經過充種區，在負壓作用下，吸附在型孔處，完成充種，吸附力大小對穩定充種具有重要作用，為保證內外側吸孔的穩定吸附作用，需探明種子在充種區的受力特性。在不考慮播種過程中機器振動的條件下，將大豆種子近似看作球體，以外圈種子為原點建立x1y1z三維坐標系，其中在坐標系x1y1中進行受力分析，如圖5a所示，x1軸正向為種子受到阻力方向，y1軸正向為種子受到離心力的反向，指向排種盤中心。對z平面進行受力分析，如圖5b所示，在充種區內，種子吸附在型孔處，隨著種盤以角速度ω順時針轉動，種子與吸孔切點A處受到吸孔的支持力N，受到吸孔吸附力F，以及受到F1、G、Ff的合力F2。由大豆種子在充種區受力平衡有

(3)

在x1y1平面內Nx1y1為Nx1和Nx2的合力，結合式(3)可知

(4)

種子在z平面內受力平衡，則有

F2=Nx1y1

(5)

由式(3)～(5)可得

(6)

式中F1——種子受到的離心力，N

Ff——種子間阻力，N

G——種子重力，N

Nx1——種子支持力在x1方向上的分力，N

Ny1——種子支持力在y1方向上的分力，N

Nx1y1——種子支持力在x1y1平面內的合力，N

Nz——種子支持力在z方向上的分力，N

d1——吸孔中線到A點的距離，mm

L——合力F2到A點的距離，mm

α1——種子重心與排種盤中心的連線與豎直方向的夾角，(°)

α2——型孔錐角，(°)

由式(6)可知，充種過程中，吸孔處所需吸附力F與吸種孔錐角、種子間阻力、種子離心力等有關，內側型孔相對外側型孔種層高度較低，種子受到的種間阻力較小，且內側型孔相對于外側型孔的線速度較小，排種器同一轉速條件下離心力較小，因此同等負壓條件下外側型孔充種難度要大于內側型孔，為保證內外側型孔吸附的穩定性，在設計時外側型孔采用撥指型孔增加擾動性，減小種間阻力，同時還需使得外側吸孔吸附力大于內側吸附力。

2.2.3吸孔直徑

為了保證內外側吸孔對種子吸附的穩定性，克服種間阻力，外側吸孔的吸附力應大于內側，有

F3>F4

(7)

其中

F3=(p0-p1)S1

(8)

F4=(p0-p1)S2

(9)

式中F3——外側吸孔吸附力，N

F4——內側吸孔吸附力，N

p0——種盤內側壓力，kPa

p1——種盤外側大氣壓力，kPa

S1——外側吸孔面積，m2

S2——內側吸孔面積，m2

通過式(7)～(9)可知

S1>S2

(10)

如圖6所示，圓周外側均勻布置撥指，撥指導槽與后殼體之間形成組合吸孔，內側均勻布置具有凹槽的圓孔。內側圓孔直徑d=(0.64～0.66)b[25]，內側吸孔面積為S2=πd2/4，其中b為豆類種子的平均粒徑。外側吸孔由兩部分組成，直徑為d的半圓和不規則四邊形CFED，其中SCFED>S2/2，因此S1=S2/2+SCFED>S2，滿足外側吸孔吸附能力大于內側吸孔的要求，外側型孔不規則四邊形CFED可通過確定撥指弧線來確定。

圖6 吸孔參數確定示意圖Fig.6 Schematic diagram of hole type parameters

2.2.4撥指吸孔弧線

(11)

式中r1——經過外側吸孔O點的圓弧半徑，mm

r4——經過B點的圓弧半徑，mm

由式(11)可得

(12)

為了保證足夠的種子回流至內側吸孔，形成穩定的種子流，結合整個排種器的結構尺寸，合理布置吸孔位置，選取r1=82.5 mm，r4=92 mm，既而結合種盤與豆類(以大豆種子為例)品種之間的摩擦角，最終確定B點坐標為(-9.4 mm，-4.8 mm)。

(13)

(x-1.37)2+(y+29.55)2=27.332

(14)

(15)

(x-82.5)2+y2=852

(16)

2.2.5兩排孔間距

內外側吸孔間距直接影響兩排種子運移過程的穩定性，間距過大種子流難以覆蓋內側吸孔，導致內側充種效果變差，影響播種質量，過小時兩側種子容易產生碰撞，導致吸附的種子脫落，造成漏播增加。排種器工作時，兩排吸孔吸附的種子在運移過程中互不干涉，即保證內外側吸孔吸附的多粒種子經過清種區時在清種裝置的作用下將多余的種子清除，并不會產生相互碰撞。如圖7所示，A1點為外側吸孔的中心，A2、A3為內側相鄰兩吸孔中心，A4點為A2A3的中點，O1為排種盤的中心，根據各點的位置關系有

lA1A3=lA1A2

(17)

lO1A3=lO1A2=r2

(18)

lO1A1=r1

(19)

由上述幾何關系可知△A1A2A3和△A2A3O1為等腰三角形，A4點為A2A3的中點，則有

(20)

式中δ——兩吸孔之間夾角，(°)

雙排孔的間距要滿足互不干涉條件，有

(21)

由式(17)～(21)可得lA1A4的限定條件為

(22)

另外lA1A4與r1、r2的關系為

r2=r1-lA1A4

(23)

將式(23)代入(22)可得

(24)

其中d=(0.64～0.66)b，r1=82.5 mm，δ=7.2°，代入式(24)可得

(25)

對上述一元二次方程求解可得

(26)

由式(26)可知兩孔間距與豆類種子平均粒徑b有關，平均粒徑越大，兩孔間距就越大，以中黃37大豆為例，經測量種子平均粒徑為(7±0.26) mm，可知兩孔間距lA1A4>13.8 mm，結合前期試驗確定兩排孔間距為15 mm，則內圈半徑r2=67.5 mm。

2.3 清種裝置

清種裝置主要分為上側清種機構和下側清種機構兩部分，如圖8所示，上側清種機構位于排種盤外側，對外側吸孔進行清種作業，采用鋸齒狀刮種工作面，對種子形成連續4次由外到內碰撞，逐步清除未占據壓力優勢的多余種子，上側清種機構可調，可繞B1點旋轉，以適應不同品種作物的清種作業，調整范圍為θ=10°。下側清種刀采用2次弧線刮種面，對內側種子形成連續的2次碰撞，結合試驗發現，內側孔吸附多粒種子情況較少，多為單粒種子，采用弧線刮種面覆蓋吸孔直徑的1/3，對種子進行2次碰撞即可實現清種作業。

圖8 清種裝置示意圖Fig.8 Structure diagram of scraping device1.后殼體 2.排種盤 3.上清種機構 4.下清種機構 5.上清種調節裝置

3 排種性能試驗

3.1 試驗材料與設備

本試驗選用大豆品種中黃37為樣本，千粒質量為270.3 g。排種檢測裝置選用中國農業大學自主研發的排種器性能檢測儀[26]，如圖9所示。

圖9 排種器性能試驗裝置Fig.9 Test of seeding performance experiments1.排種器性能檢測儀 2.一器雙行高速精量排種器

3.2 試驗方法與指標

為保證作物產量，豆類要求高密度種植，一般要保證每平方米播量22.4株以上[1]，一器雙行高速精量排種器可實現8～10 cm的窄行播種，配合精量播種機可實現寬窄行播種作業，即窄行距8～10 cm，寬行距30～40 cm種植模式的播種作業，排種器單行株距設置為16 cm，窄雙行株距為8 cm，滿足密植要求，試驗時均采用單行株距16 cm，即小雙行株距8 cm進行。

根據前期試驗研究影響排種性能的主要參數為內外圈吸孔直徑、真空度以及前進速度，因此選取吸孔直徑、真空度、前進速度作為試驗主要因素。通過前期試驗發現，在單行理論株距為16 cm，即窄雙行株距為8 cm，前進速度小于14 km/h時，各項指標均滿足設計要求，為了考察排種器對高速作業工況的適應性，選取作業速度取值范圍為8～12 km/h；合適的真空度能保證種子被穩定吸附并減少一孔多粒的情況，采用單盤雙排孔，對真空度要求增高[21]，通過試驗選取真空度為4～5 kPa；內外圈吸孔直徑d是影響吸附作用的主要因素，為確定最佳吸孔直徑，選取吸孔直徑d范圍為4～5 mm。為探究上述3個影響因素對排種性能的影響規律及確定最佳參數組合，采用Box-Behnken試驗方法開展三因素三水平旋轉正交試驗。各因素編碼如表1所示。

表1 因素編碼Tab.1 Factors and coding of experiment

每組試驗重復 3 次取平均值。主要考察該排種器內外圈的合格率和漏播率，根據國家標準GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》確定合格率和漏播率。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1試驗結果

根據Design-Expert軟件中的Box-Behnken響應曲面法進行試驗方案設計與數據分析，以合格率、漏播率為考核指標[27]，X1、X2、X3為因素吸孔直徑、真空度和前進速度的編碼值。試驗方案和結果如表2所示。

3.3.2回歸數學模型建立和顯著性檢驗

對試驗結果進行方差分析，如表3所示，采用Design-Expert 8.0.6.1軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，可以得到內圈合格率Y1、內圈漏播率Y2和外圈合格率Y3、外圈漏播率Y4的回歸方程。

(1)內圈合格率回歸模型建立和顯著性檢驗

根據表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.073 3，表現為不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素。其中前進速度X3的P值、吸孔直徑和真空度的交互項(X1X2)的P值均大于0.05，對排種合格率的影響不顯著，剔除不顯著因素后的回歸模型為

表2 試驗方案與結果Tab.2 Test design scheme and results

Y1=-803.28+310.21x1+94.38x2+1.92x1x3+

(27)

通過對式(27)回歸系數的檢驗得出，影響內圈合格率的主次因素順序為真空度、吸孔直徑和前進速度。

(2)內圈漏播率回歸模型建立和顯著性檢驗

根據表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.173 5，表現為不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(28)

通過對式(28)回歸系數的檢驗得出，影響內圈漏播率的主次因素順序為真空度、前進速度和吸孔直徑。

(3)外圈合格率回歸模型建立和顯著性檢驗

根據表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.075 5，表現為不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素。其中吸孔直徑、前進速度以及吸孔直徑和真空度的交互項的P值均大于0.05，對外圈合格率的影響不顯著，剔除不顯著因素后的回歸模型為

表3 方差分析Tab.3 Variance analysis result

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

(29)

通過對式(29)回歸系數的檢驗得出，影響外圈合格率的主次因素順序為真空度、前進速度和吸孔直徑。

(4)外圈漏播率回歸模型建立和顯著性檢驗

根據表3可知，在信度α為0.05的條件下，模型的擬合度為極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項P=0.105 4，表現為不顯著，說明不存在其他影響指標的主要因素。剔除不顯著因素后的回歸模型為

(30)

通過對式(30)回歸系數的檢驗得出，影響外圈漏播率的主次因素順序為吸孔直徑、真空度和前進速度。

3.3.3各因素對性能指標影響效應分析

采用降維法將吸孔直徑、前進速度和真空度中任意一項調至零水平[20]，繪制出每組顯著的交互作用分別對內圈合格率、內圈漏播率、外圈合格率和外圈漏播率影響的響應曲面圖，如圖10～13所示。

圖10 交互作用對內圈合格率的影響Fig.10 Effects of interactive factors on inner eligible rate

圖11 交互作用對內圈漏播率的影響Fig.11 Effects of interactive factors on inner missing rate

圖12 交互作用對外圈合格率的影響Fig.12 Effects of interactive factors on outer eligible rate

圖13 交互作用對外圈漏播率的影響Fig.13 Effects of interactive factors on outer missing rate

由圖10a可知，當真空度為4.5 kPa時，在同一前進速度下，隨著吸孔直徑的增加，內圈合格率呈現先升后降趨勢，且變化幅度較大，同樣真空度下，吸孔直徑較小時，對種子的吸附力較小，易產生種子未吸附或吸附穩定性差的情況，導致漏播率較高，合格率較低；吸孔直徑過大時，吸附力較大，易出現吸附多粒種子的情況，導致重播率升高，合格率降低。在吸孔直徑一定的情況下內圈合格率隨前進速度的增加先高后低，且變化幅度較小，在同一真空度和吸孔直徑下，前進速度較低時，排種盤轉速較小，充種時間較大，重播情況較多，速度過快，排種盤轉速過高，充種時間較少，漏播率較高，速度過低或過高時合格率都有所降低。由圖10b可知，當吸孔直徑為4.5 mm時，在同一真空度下，隨著前進速度的增加，內圈合格率呈現小幅度先升后降趨勢，在同一真空度和吸孔直徑下，前進速度增加時，排種盤轉速提高，充種時間降低，重播情況減小，漏播情況增加，導致內圈合格率呈現小幅度先升后降趨勢。在同一作業速度下，內圈合格率隨真空度的增加先高后低，且變化幅度較小，真空度較低時，對種子的吸附力較小，易產生種子未吸附或吸附穩定性差的情況，導致漏播升高，合格率降低；真空度過大時，吸附力較大，易出現吸附多粒種子的情況，導致重播率升高，合格率降低。

由圖11a可知，當前進速度為10 km/h時，在同一吸孔直徑下，隨著真空度的增加，內圈漏播率逐漸降低，隨著真空度的增加導致吸孔吸附能力增加，漏吸的情況降低，因此漏播率降低；在真空度一定的情況下內圈漏播率隨吸孔直徑的增加小幅降低，在真空度一定的情況下，吸孔直徑增加，吸孔吸附力增加，吸附能力提高，漏吸情況減少，漏播率降低。由圖11b可知，當真空度為4.5 kPa時，在同一吸孔直徑下，隨著前進速度的增加，內圈漏播率逐漸增加，在前進速度增加的情況下，排種盤轉速增高，充種時間降低，吸附的穩定性下降，導致漏吸的情況增加，漏播率升高；在同一前進速度下，內圈漏播率隨吸孔直徑的增加逐漸降低，隨著吸孔直徑增加，吸附力提高，吸附穩定性增強，漏播減少，漏播率降低。由圖11c可知，當吸孔直徑為4.5 mm時，在同一前進速度下，隨著真空度的增加，內圈漏播率小幅度下降，隨著真空度增加，吸附能力提高，漏吸減少，導致漏播率降低；在同一真空度下，隨著速度的增加，內圈漏播率增加，且上升幅度較大，隨著前進速度的增加，排種盤轉速增加，導致充種時間降低，充種穩定性下降，導致漏吸情況增加，漏播率升高。當真空度較低和吸孔直徑較小時，吸附能力降低，吸附穩定性下降，容易導致漏播增加；前進速度增加，導致排種盤轉速升高，種子充種時間縮短，易產生未能吸附的情況，同樣導致漏播升高。

由圖12和圖13的交互作用影響規律可知，各因素對外圈排種性能的影響規律與內圈相似，排種性能指標隨因素的變化趨勢大致相同。在同一真空度和前進速度下，當孔徑過小時，吸孔的吸附力過小，對種子的吸附作用較低，種子的吸附穩定性較差，漏吸的情況較高，漏播率較大，導致合格率較低；吸孔直徑過大時，吸附力較大，易出現吸附多粒種子的情況，導致重播升高，合格率也較低。在同一前進速度和吸孔直徑下，真空度增大時，吸孔處產生的吸附力增大，吸附能力增強，漏吸情況減少，漏播率有所降低，但吸附多粒的情況增加，重播升高，在一定情況下增加真空度有助于提高合格率，但當真空度過大時重播大幅增加，導致合格率也下降。在同一吸孔直徑和真空度下，當前進速度較低時，充種時間較長，充種效果增強，一孔吸附多粒的情況增加，導致重播較高，合格率較低；當前進速度升高時，隨著前進速度的增加，排種盤轉速增加，雖然減少了充種時間，但對種子的擾動性能增強，增加了種子的流動性，使得吸附效果更佳，因此在一定程度上提高了排種器性能；當前進速度上升到一定程度時，使得充種時間較短，增加了吸附的難度，導致漏播情況大幅增加，漏播率上升，使得合格率降低，使得排種器工作性能下降。

3.3.4參數優化與驗證試驗

依據國家標準GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機技術條件》，遵循高合格率、低漏播率優化原則，在吸孔直徑為4～5 mm，真空度為4～5 kPa，前進速度8～12 km/h的約束條件下進行優化求解。得到吸孔直徑為4.5 mm，真空度為4.5 kPa，前進速度為10 km/h的參數組合條件下最優解，在該條件下內圈合格率為97.60%，內圈漏播率為0.85%；外圈合格率為97.96%，外圈漏播率為0.59%。

為了驗證優化分析結果的正確性，在最優解的條件下，以中黃37大豆種子為試驗材料進行了驗證試驗，試驗重復10次，取平均值，結果表明內圈合格率為97.83%，內圈漏播率為0.62%；外圈合格率為98.24%，外圈漏播率為0.47%。優化結果可信。

4 適應性試驗

4.1 高速適應性試驗

為了考察排種器對高速的適應性，在吸孔直徑為4.5 mm，真空度為4.5 kPa，單行株距16 cm，即窄雙行株距為8 cm的條件下，采用中黃37大豆品種進行了速度驗證試驗，速度選取8、10、12、14 km/h 4個梯度進行試驗，試驗結果如表4所示，結果表明，速度在14 km/h內時內、外圈合格率大于93%，內、外圈漏播率小于5%，內、外圈重播率小于2%，均能滿足設計要求。

表4 速度適應性試驗結果Tab.4 Results of speed adaptability test

4.2 品種適應性試驗

豌豆、小豆、綠豆與大豆品種在物理特性參數和種植模式上具有相似性，可采用同一排種器通過更換不同吸孔的排種盤實現高速精量播種作業。為了考察排種器對不同豆類品種的適應性，選取豌豆、小豆和綠豆進行了排種性能試驗，每種豆類選取2個品種，對其外形尺寸進行測量，結合前述吸孔直徑確定方法，根據不同作物的外形尺寸參數確定不同吸孔尺寸的排種盤進行播種適應性試驗，具體參數如表5所示。對3個豆類品種，在前進速度為10 km/h下進行驗證試驗，其中單行株距設置為16 cm，即窄雙行株距為8 cm，每組試驗重復5次取平均值，結果如表6所示。

表5 豆類品種外形尺寸和對應種盤吸孔直徑Tab.5 Geometric sizes of beans and seed disk suction pore diameter mm

表6 品種適應性試驗結果Tab.6 Results of variety adaptability test %

試驗結果表明該排種器對豌豆、小豆和綠豆均具有良好的適應性，內、外圈合格率大于97%，內、外圈漏播率小于1%，內、外圈重播率小于3%，滿足國家標準要求。

5 結論

(1)針對豆類作物窄距高密種植模式，結合氣吸式排種器特點，研制了一種單風道單排種盤實現雙行高速精量播種的排種器，實現了高速精量窄行密植作業。闡述了一器雙行氣吸式高速精量排種器主要結構和工作原理，建立了關鍵參數的數學模型。

(2)選取吸孔直徑、真空度以及前進速度為主要因素，利用Box-Behnken試驗方法開展了三因素三水平旋轉正交試驗，確定了最優組合為吸孔直徑4.5 mm、真空度4.5 kPa、前進速度10 km/h，并對最優參數組合進行了驗證試驗，試驗結果表明，內圈合格率為97.83%，內圈漏播率為0.62%；外圈合格率為98.24%，外圈漏播率為0.47%。與優化結果基本一致。

(3)為了考察排種器對高速的適應性，在吸孔直徑為4.5 mm、真空度為4.5 kPa條件下進行了速度適應性試驗，試驗結果表明，在14 km/h之內時，內、外圈合格率大于93%，內、外圈漏播率小于5%，內、外圈重播率小于2%，均滿足國家標準要求。

(4)為考察排種器對豆類品種的適應性，選取豌豆、小豆和綠豆進行了驗證試驗，試驗結果表明，內、外圈合格率大于97%，內、外圈漏播率小于1%，內、外圈重播率小于3%，滿足國家標準要求，具有良好的品種適應性。