導種環槽U型孔組合型輪式前胡排種器設計與試驗

方梁菲 曹成茂 秦 寬 葛 俊

(1.安徽農業大學工學院，合肥 230036；2.安徽省智能農機裝備工程實驗室，合肥 230036)

0 引言

近年來中藥材市場前胡需求量逐漸增大，國內安徽、江西、江蘇、貴州等地廣泛種植，安徽省寧國市地處皖南山區天目山北麓，以盛產白花前胡而聞名，是國內前胡的主產地之一。寧前胡播量為15～22.5 kg/hm2，采用條播方式種植[1]，目前主要依賴人工播種，勞動強度大，生產效率低，尚無滿足前胡種植農藝要求的播種裝置，機械化程度低嚴重制約了中草藥前胡產業的發展。

前胡種子外形扁平，粒徑小、質量輕，機械化精量排種難度較大。在小粒徑種子播種裝置方面，雷小龍等[2]設計了一種油麥兼用型氣送式集排供種裝置；曹成茂等[3]針對小麥和水稻設計了一種一器多行環槽式排種器；文獻[4-7]研究了小麥精量排種機理。針對外形不規整扁平狀種子機械化播種問題，相關專家學者開展了諸多研究，張靜[8]對蘿卜、茄子、番茄等扁平類種子進行了精量播種機理研究；文獻[9-11]對氣力式辣椒排種器進行了設計與試驗研究；趙濤等[12]針對苜蓿機械化播種問題進行了精量排種器設計與試驗；夏紅梅等[13]基于導向振動供種機理設計了扁平茄果類種子供種裝置。雖然在小粒徑及扁平狀種子排種研究方面已取得較多成果，但前胡種子的外形特征和物理力學特性與小麥、水稻、辣椒、茄果類種子相比差異較大，現有的扁平類種子排種器不能直接用于前胡機械化精量播種，因此需對前胡開展精量排種研究。

本文根據寧前胡種子幾何物理特性，參考現有型孔輪式排種器及排肥器結構[14-20]，設計一種導種環槽U型孔組合型輪式排種器，開展排種輪排種性能試驗研究，通過優化試驗確定排種器最優結構參數和工作參數并進行田間試驗，以期推動前胡機械化種植技術發展。

1 播種裝置結構與工作原理

1.1 播種裝置整體結構

前胡播種裝置主要由排種軸轉速控制變速器、種箱、排種器、開溝器、導種管、彈性覆土爪等部分組成，其結構如圖1所示。播種裝置工作時，行走輪由汽油發動機通過鏈輪箱驅動，行走輪軸通過鏈輪鏈條與排種軸轉速控制變速器輸入端連接，變速器輸出端經鏈輪帶動排種軸轉動，排種軸帶動排種輪轉動，完成播種。其中排種輪是關鍵工作部件。播種裝置主要工作參數如表1所示。

圖1 前胡播種裝置三維結構圖Fig.1 Three-dimensional structure diagram of Radix peucedani seed metering device1.排種軸轉速控制變速器 2.汽油發動機 3.開溝器 4.導種管 5.彈性覆土爪 6.限深輪 7.排種器 8.種箱

表1 前胡播種裝置主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of Radix peucedani seed metering device

1.2 排種器結構及工作過程

導種環槽U型孔組合型輪式排種器主要由排種器殼體、充種調節板、充種室、排種輪、清種刷等組成，如圖2所示。其中排種輪為核心工作部件。

圖2 導種環槽U型孔組合型排種裝置結構示意圖Fig.2 Schematic of wheel seed metering device with guide ring groove combining U-hole1.種箱 2.充種調節板 3.充種室 4.排種器殼體 5.彈性卸種板 6.投種口 7.排種輪 8.護種板 9.清種刷 10.U型孔 11.導種環槽

排種器工作區域包括充種區Ⅰ、攜種區Ⅱ、護種區Ⅲ和投種區Ⅳ，如圖2a所示。播種裝置工作時，種箱內的前胡種子在重力作用下進入充種區；充種區的種子在重力、排種輪擾動攜帶、種群間摩擦力、種子與排種輪間的摩擦力及種子間擠推力共同作用下進入導種環槽和U型孔，完成充種；攜有前胡種子的U型孔旋轉經過攜種區和護種區，到達投種區時，種子在重力和離心力共同作用下落入投種口，完成供種。充種區的種層初始充填高度由充種調節板控制，H為充種調節板縱向調節距離。排種輪結構如圖2b所示。

2 關鍵參數設計

2.1 排種輪直徑

排種輪是輪式排種器的關鍵部件，顯著影響排種效果，其直徑是確定型孔數、排種輪線速度和種子慣性離心力等參數的依據[7,17]。充種時間與排種輪直徑之間的關系為

(1)

式中t——充種時間，s

l——充種區弧長，mm

v——排種輪線速度，m/s

θ——充種區角度，rad

R——排種輪半徑，mm

h——型孔深度，mm

n——排種輪轉速，r/min

由式(1)可得

(2)

式(2)表明，充種時間僅與充種區角度和排種輪轉速有關，與排種輪直徑無關。排種輪直徑、排種輪環槽型孔形狀和尺寸、排種輪轉速是影響條播效果的主要因素，若排種輪直徑過小，型孔數量就少，為保證播種量，就需增加排種輪轉速，排種輪轉速過大，充種時間就會相應縮短，種子來不及充入環槽和型孔，就會導致播種量不夠。參考小麥輪式排種器排種輪直徑(50～80 mm)[7]并考慮前胡播種機整體結構尺寸不宜過大，本文設計排種輪直徑為70 mm。

2.2 導種環槽、U型孔設計

排種輪型孔的結構、尺寸、容積以及種子在型孔內的排列狀態、受力和穩定程度影響排種性能[7]。前胡種子外形不規則，呈扁平橢圓狀(圖3)，且質量輕、流動性差，自然休止角為40.19°[21-22]。前期臺架預試驗表明，傳統窩眼輪式排種器、異型孔輪式排種器[17]等用于前胡排種效果不好，排種均勻性變異系數、種子損傷率等指標均較高。為減小充種過程種子損傷，根據前胡種子幾何物理特性，在排種輪周向設計一圈截面為梯形的環槽作為導種槽，在充種過程中起到導種引流作用，可引導前胡種子流順利充入型孔，梯形截面的兩側邊與水平面夾角為導種環槽傾角，設為α(圖4a)。囊種型孔內嵌在導種環槽內部。

圖3 前胡種子Fig.3 Pictures of Radix peucedani seed

圖4 排種輪關鍵結構參數Fig.4 Key structural parameters of seed metering wheel

選取安徽省寧國市中溪鎮東坡村寧前胡種植機械化示范基地的前胡種子作為研究對象，篩選的種子如圖3a所示。隨機選取100顆前胡種子，測得三軸尺寸平均值分別為：長度L=4.85 mm、寬度W=3.64 mm、厚度T=0.64 mm；三軸尺寸最大值分別為：Lmax=5.46 mm、Wmax=3.82 mm、Tmax=0.78 mm。種子平均顆粒堆積密度ρb為0.141 g/cm3，自然休止角為40.19°，千粒質量為3.2 g，含水率為8.9%。

寧前胡的播種量為15～22.5 kg/hm2，播種機前進平均速度設定為1.2 km/h，為便于后期機械化除草和收獲，結合安徽省寧國市前胡種植農藝要求，前胡采用條播方式種植，條播以一壟(畦)三行為宜，種帶寬度不大于50 mm，行中心距為280 mm，一壟(畦)的寬度設為800 mm，因此前胡播種速率為0.13～0.20 g/s。

導種環槽橫截面、型孔相關尺寸參數直接影響排種器的充種、排種性能，型孔關鍵尺寸設計是以前胡種子條播農藝要求及充種時種子進入型孔的狀態為依據。研究表明，種子在重力場中的運動狀態與其本身的“平躺”、“側立”、“豎立”狀態的截面積成正比[7]。即

(3)

其中

PP+PC+PS=1

(4)

式中PP——種子平躺姿態概率，%

PC——種子側臥姿態概率，%

PS——種子豎立姿態概率，%

SP——種子平躺姿態截面積，mm2

SC——種子側臥姿態截面積，mm2

SS——種子豎立姿態截面積，mm2

由式(3)、(4)可得

(5)

前胡種子3種姿態的截面近似橢圓形，其面積分別為

(6)

型孔設計可參考充種時種子的姿勢狀態概率，依據式(3)～(6)計算得充種狀態概率如表2所示。根據最小勢能原則[6]并結合前期臺架預試驗觀察，前胡種子充入型孔時，絕大多數為平躺姿態，因此確定“平躺”狀態為前胡種子最大可能的穩定狀態。考慮前胡種子呈扁平橢圓狀且質量輕(圖3)，為順利充種和充分利用型孔充種空間，將型孔設計成U型且型孔底面設計為平面(其三維結構如圖2b所示)。

表2 前胡種子3軸平均尺寸及充種狀態概率Tab.2 Comparison of triaxial average size and seed filling state probability of Radix peucedani seeds

U型孔囊取種子數量取決于其容積[18]，由圖4可知，單個U型孔容積近似為

V1=h1w1l1/2

(7)

(8)

式中V1——U型孔容積，mm3

h1——U型孔設計深度，mm

w1——U型孔設計寬度，mm

l1——U型孔設計長度，mm

h2——導種環槽梯形橫截面高度，mm

為保證充種數量，在U型孔寬度方向應能并排充入兩顆長軸尺寸最大的前胡種子，即U型孔設計寬度w1≥2Lmax=10.92 mm。前胡充種過程中若種子呈豎立姿態，則深度方向空間應滿足h1+h2≥Lmax=5.46 mm，即導種環槽高度與型孔深度之和需大于Lmax(圖4)。參考排種輪直徑及前胡種子三軸最大尺寸，確定h2為3 mm，則U型孔設計深度h1≥2.46 mm。設計條播排種器型孔寬度和深度時需考慮調整系數[7]，調整系數取值一般為1.3～2.0，本文寬度調整系數取1.3，深度方向調整系數取2.0。因此，U型孔寬度和深度設計值范圍分別為：10.92 mm≤w1≤14.196 mm、2.46 mm≤h1≤4.92 mm，經圓整后取值范圍為：11 mm≤w1≤14 mm、3 mm≤h1≤5 mm。

導種環槽梯形截面的底邊與U型孔的設計寬度w1相等，由于前胡種子與尼龍材料之間的靜摩擦角為28.8°[22]，自然休止角為40.19°，為保證導種效果，提高種子的流動性，導種環槽傾角α設計值應大于40.19°為宜，因此導種環槽傾角α的設計范圍可取42°～50°。

2.3 排種輪轉速

排種輪轉速是輪式排種器的重要參數之一，本文根據單個排種器每秒排種量確定排種輪轉速范圍[18]。當w1和h1分別取值11、3 mm時，由式(8)得l1=13.50 mm，可計算出單個U型孔平均近似容積Vave=222.75 mm3。參照前胡播種速率，若保證排種器的排量介于0.13～0.20 g/s之間，即能滿足前胡播種農藝要求。寧前胡種子平均顆粒堆積密度ρb=0.141 g/cm3，當排量為0.13 g/s時，理論供種容積速率應為V0.13=921.99 mm3/s。同理可計算出排量為0.2 g/s時，理論供種容積速率V0.2=1 418.44 mm3/s。

為保證種子流連續性和供種穩定性，U型孔應盡可能沿周向布滿排種輪，依據排種輪直徑及U型孔設計尺寸，確定型孔數量為12。排種輪轉速范圍可按照滿足播量要求時，每秒轉過的型孔數量進行參考。由以上分析可知，當單個U型孔平均近似容積Vave=222.75 mm3時，為保證排量分別滿足0.13 g/s(理論供種容積速率V0.13=921.99 mm3/s)、0.2 g/s(理論供種容積速率V0.2=1 418.44 mm3/s)時，排種輪每秒需轉過的U型孔數量分別為4.14個/s(即0.345 r/s)、6.37個/s(即0.53 r/s)，則對應的排種輪轉速分別為20.70、31.85 r/min。經圓整后排種輪轉速范圍為20～31 r/min。

2.4 供種過程力學分析

種子順利充入U型孔是實現穩定供種的首要環節，種子在充種區受到排種輪的擾動，在重力、摩擦力、種群間壓力等作用下充入U型孔。由于前胡種子在充種室內以散粒體形式連續運動，以多粒種子充入型孔實現條播，可將充入型孔的種子群視為一個整體，對其質心進行力學分析[7,14]，根據質點系運動的法向和切向建立輔助坐標系，種子群在充種區的受力分析如圖5所示，建立的種子群質心受力方程為

圖5 種群充種過程力學分析Fig.5 Mechanical analysis diagram of population seed filling process

(9)

式中N——U型孔對種群質心的支撐力，N

FH——充種區種子對種群質心的側壓力，N

Fc——種群質心的慣性離心力，N

G——種群質心重力，N

β——起始充種角，(°)

f1——種群質心與型孔內壁間的摩擦力，N

f2——種群質心與充種區種子間的摩擦力，N

μ1——種子與型孔表面摩擦因數

μ2——種子之間摩擦因數

ω——排種輪角速度，rad/s

由式(9)可得

(10)

由式(10)可知，起始充種角β與排種輪轉速n、側壓力FH、種群質心與型孔內壁間摩擦力f1等參數相關。當型孔結構參數及材料確定時，轉速n增加會減小種子起始充種角β，適當降低轉速，增大起始充種角，可保證充種穩定和充分。

當U型孔內的種群進入投種區時，取投種臨界狀態的種群質心為研究對象，種群質心的受力分析如圖6所示。投種臨界狀態受力方程為

圖6 種群投種過程力學分析Fig.6 Mechanical analysis diagram of population seeding process

(11)

式中N1——U型孔對種群質心的支撐力，N

FIy——種群質心切向慣性力，N

FIx——種群質心法向慣性力，N

f′ ——種群質心與U型孔底面間摩擦力，N

γ——起始投種角，(°)

由式(9)、(11)可得

(12)

式(12)表明，起始投種角γ與轉速呈正相關，而前胡種子流動性差，與排種輪之間的摩擦因數大，為提高投種性能，起始投種角γ需盡量減小，因此排種輪轉速也相應降低。

相關研究表明[7]，型孔類機械輪式排種器會存在一個極限供種轉速，當排種輪轉速達到極限供種轉速時，充種區上部與清種區之間易發生“飛種”現象，極限供種轉速nm與最大充種角βm的關系式為

(13)

考慮到前胡種子間摩擦力大、流動性差，為保證充種充分，可盡量增大最大充種角，參照文獻[7]設計最大充種角βm為35°，可得極限供種轉速nm為121.86 r/min。上文設計的排種輪工作轉速最大值為31.85 r/min，小于極限供種轉速。

3 排種器排種性能仿真試驗

為探究排種器主要結構參數對排種性能的影響，優化排種器工作性能，采用離散元軟件EDEM[23]，通過正交試驗尋求U型孔深度、U型孔寬度、導種環槽傾角三者最佳參數組合。為簡化仿真模型，排種輪和排種器殼體均選用尼龍材料。

3.1 離散元仿真模型構建

以安徽省寧國市寧前胡種子作為建模對象，按照其三軸尺寸平均值及外形建立種子三維模型，將模型導入EDEM軟件，利用球形顆?？焖偬畛渚酆系玫降膶幥昂N子離散元模型如圖7a所示。將建立的排種器模型導入EDEM軟件，為減少計算量，去除與種子無接觸的部件，構建的排種器仿真幾何體模型如圖7b所示。由于前胡排種過程不涉及種子間及種子與排種器間的黏結作用，因此選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型作為種子顆粒與顆粒以及種子顆粒與條播排種器之間的接觸模型。寧前胡種子顆粒和排種器的相關材料參數及接觸力學參數如表3所示[22]。

圖7 前胡排種器離散元仿真模型Fig.7 Discrete element simulation model of seed metering device

表3 仿真參數Tab.3 Simulation parameters

3.2 評價方法與試驗設計

目前尚未見文獻報道前胡種子條播機構作業的評價標準，參考GB/T 9478—2005《谷物條播機 試驗方法》、JB/T 6274.1—2013《谷物播種機 第1部分：技術條件》等技術標準中小麥、谷子等作物種子條播評價方法，采用單位時間平均播種量(以下簡稱平均播種量)及排種均勻性變異系數作為前胡排種器性能的主要評價指標。為獲得較優的排種器工作參數組合，開展U型孔深度、U型孔寬度、導種環槽傾角的三因素試驗。根據上文得出的相關參數范圍，U型孔深度設為3、4、5 mm，U型孔寬度設為11、12.5、14 mm，導種環槽傾角設為42°、46°、50°，試驗指標為平均播種量Y1及排種均勻性變異系數Y2，用Box-Behnken響應面優化法進行三因素三水平正交仿真試驗，試驗共進行17組，各因素編碼如表4所示，試驗設計方案如表5所示，其中a、b、c分別為U型孔深度、U型孔寬度和導種環槽傾角編碼值。

表4 仿真試驗因素編碼Tab.4 Simulation test factors and codes

仿真試驗時，排種輪轉速設定為25 r/min，虛擬種帶前進速度設定為1.2 km/h，即0.33 m/s，顆粒工廠生成后，仿真時間設定為3 s，即種帶前進距離為0.99 m，種子與虛擬種帶床間碰撞恢復系數設為0.01，其余仿真參數見表3。每組仿真結束后，將種帶均分為10段，每段長度10 cm，統計各段種帶上的前胡種子數量。在EDEM后處理模塊添加Grid Bin Group，位于排種口底部中間位置，統計3 s內的排種量，以計算平均播種量。

3.3 試驗結果與分析

試驗結果如表5所示，用Design-Expert軟件分別對U型孔深度、U型孔寬度、導種環槽傾角進行回歸擬合分析，建立平均播種量Y1及排種均勻性變異系數Y2的回歸方程，對影響試驗指標的3個因素進行顯著性檢驗與分析，獲得顯著試驗因素與評價指標的二次多項式響應回歸模型，模型方差分析及顯著性檢驗結果如表6所示。

表5 試驗方案及試驗結果Tab.5 Test scheme and results

表6 回歸模型方差分析Tab.6 Regression model variance analysis

二次回歸模型均極顯著(P<0.01)，失擬項均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬。各因素與平均播種量Y1、排種均勻性變異系數Y2的回歸方程分別為

Y1=-0.56-6.42×10-4A+0.18B-0.03C+
1.83×10-3AB+1.44×10-3AC+7.44×10-17BC-9.30×10-3A2-6.91×10-3B2+4.03×10-4C2

(14)

Y2=676.68-9.50A-51.08B-11.76C-0.59AB+
0.12AC+0.21BC+1.17A2+1.61B2+0.08C2

(15)

方差分析結果表明，對于平均播種量Y1，A、B、C影響極顯著，B2影響顯著，AB、AC、BC、A2、C2影響不顯著；各試驗因素對平均播種量Y1的影響由大到小為導種環槽傾角、U型孔寬度、U型孔深度。對于排種均勻性變異系數Y2，B、C、B2影響極顯著，A影響顯著，AB、AC、BC、A2、C2影響不顯著；各試驗因素對排種均勻性變異系數Y2的影響由大到小為U型孔寬度、導種環槽傾角、U型孔深度。

為更直觀分析各因素交互對試驗指標的影響規律，設定其中一個影響因素為中間水平，另兩個因素交互作用如圖8、9所示。圖8a為導種環槽傾角處于中心水平時，U型孔深度和U型孔寬度交互作用時對平均播種量的影響，當U型孔寬度一定時，平均播種量隨U型孔深度先增加后減小，當U型孔寬度逐漸增大時，會增強平均播種量隨U型孔深度變化的趨勢。圖8b為U型孔寬度處于中心水平時，U型孔深度和導種環槽傾角交互作用時對平均播種量的影響，當U型孔深度一定時，平均播種量隨著導種環槽傾角的增大而增大。圖8c為U型孔深度處于中心水平時，U型孔寬度和導種環槽傾角交互作用時對平均播種量的影響，當U型孔寬度一定時，平均播種量隨著導種環槽傾角的增大而增大，當導種環槽傾角一定時，平均播種量隨寬度增大呈先增大后減小的趨勢。

圖8 各試驗因素對平均播種量的影響Fig.8 Influences of various experimental factors on average seeding amount

圖9a為導種環槽傾角處于中心水平時，U型孔深度和U型孔寬度交互作用時對排種均勻性變異系數的影響規律，當U型孔深度一定時，排種均勻性變異系數隨著U型孔寬度的增加而減小，當U型孔深度增加時，會增強排種均勻性變異系數隨U型孔寬度增大而減小的趨勢。圖9b為U型孔寬度處于中心水平時，U型孔深度和導種環槽傾角交互作用時對排種均勻性變異系數的影響，當U型孔深度一定時，排種均勻性變異系數隨著導種環槽傾角的增加而減小，當導種環槽傾角一定時，排種均勻性變異系數隨著U型孔深度的增加而減小。圖9c為U型孔深度處于中心水平時，U型孔寬度和導種環槽傾角交互作用時對排種均勻性變異系數的影響，當導種環槽傾角一定時，排種均勻性變異系數隨著U型孔寬度增加而減小，當導種環槽傾角逐漸增大時，會減弱排種均勻性變異系數隨著U型孔寬度增大而減小的趨勢。

圖9 各試驗因素對排種均勻性變異系數的影響Fig.9 Influences of various experimental factors on variation coefficient of seed metering uniformity

為尋求約束條件下各因素的最優組合，以平均播種量滿足0.13 g/s≤Y1≤0.20 g/s、排種均勻性變異系數最小為優化目標，采用Design-Expert求解，優化目標函數和約束條件為

(16)

得出最優參數組合為：U型孔深度為4.65 mm、U型孔寬度為13.63 mm、導種環槽傾角為47.01°，此參數組合下預測的平均播種量為0.199 g/s、排種均勻性變異系數為12.37%。

4 臺架試驗

4.1 排種器單行排種性能驗證試驗

為驗證仿真優化試驗結果，在安徽省智能農機裝備工程實驗室JPS-12型排種器試驗臺進行單排種器排種性能臺架試驗。試驗材料：寧前胡種子(試驗所用前胡種子采收于安徽省寧國市中溪鎮東坡村寧前胡種植機械化示范基地，種子已經過篩選)，其平均三軸尺寸見表2，千粒質量為3.2 g，含水率8.9%。主要試驗器材：3D打印的排種輪、自制前胡排種器試驗支架(圖10a)、卷尺、精度為0.001 g的電子天平、6236P型轉速儀、秒表。排種輪關鍵參數為：排種輪軸向長度100 mm、排種輪直徑70 mm、U型孔深度4.60 mm、U型孔寬度13.60 mm、導種環槽傾角為47°，單排種器排種性能試驗臺架如圖10b所示。

圖10 前胡排種器排種性能試驗臺架Fig.10 Bench test of seeding performance of seed metering device

試驗時設定種帶床前進速度為1.2 km/h，排種輪轉速為25 r/min，待排種器工作穩定后，試驗持續10 s后暫停種帶床，選取10段長度為10 cm的種帶，統計種子數量，計算平均播種量及排種均勻性變異系數，重復6次試驗取平均值作為試驗結果。測得臺架驗證試驗平均播種量為0.191 g/s，排種均勻性變異系數為15.39%，與仿真優化結果基本一致，仿真預測模型可靠。

4.2 排種器3行排種性能臺架試驗

4.2.1試驗設計

通過前文仿真試驗，得出了排種輪關鍵參數的最佳組合。相關研究表明，排種器轉速、種層充填高度對排種器的排種性能存在一定影響[7,24-25]，為進一步尋求前胡排種器最佳工作參數，以排種輪轉速、種層初始充填高度為影響因素，行內排種均勻性變異系數Y2、總排量穩定性變異系數Z1、各行排量一致性變異系數Z2為性能評價指標，開展兩因素五水平二次回歸正交旋轉組合臺架試驗。試驗共進行13組，試驗裝置如圖11所示，試驗因素編碼如表7所示，試驗設計及結果如表8所示，其中x1、x2分別為排種輪轉速和種層初始充填高度的編碼值。

圖11 排種器3行排種性能試驗裝置Fig.11 Test device for seed metering performance of three rows1.排種器試驗臺 2.軸承 3.種箱 4.鏈輪 5.排種器 6.排種軸 7.調速電機

表7 試驗因素編碼Tab.7 Test factors and codes

表8 試驗設計與結果Tab.8 Test design and results

考察行內排種均勻性變異系數時，將圖11所示試驗裝置兩側排種器內的種子清空，采用中間的排種器進行試驗，每組試驗重復3次，每次試驗種子數量統計方式與3.2節一致，計算行內排種均勻性變異系數Y2，取平均值作為每組試驗結果?？疾炜偱帕糠€定性變異系數和各行排量一致性變異系數時，用量杯收集各排種口排出的種子，測定種子的凈質量，每組試驗重復5次，每次收集時間持續1 min，計算總排量穩定性變異系數Z1、各行排量一致性變異系數Z2。

4.2.2試驗結果分析

(1)回歸方程及顯著性檢驗

運用Design-Expert軟件對表8的試驗結果數據進行回歸分析，得到行內排種均勻性變異系數Y2、總排量穩定性變異系數Z1、各行排量一致性變異系數Z2的回歸方程分別為

(17)

(18)

(19)

對試驗結果進行方差分析可知(表9)，Y2、Z1、Z2的回歸模型均極顯著(P<0.01)，回歸模型失擬項均不顯著，說明在給定參數范圍內，回歸模型與實際擬合度較高。行內排種均勻性變異系數Y2、總排量穩定性變異系數Z1、各行排量一致性變異系數Z2

表9 方差分析Tab.9 Analysis of variance

的決定系數R2分別為0.878 1、0.929 9、0.854 2，表明回歸模型預測值與實際值有較高的相關性。

(2)試驗因素影響效應分析

由表9可知，各因素對行內排種均勻性變異系數的影響由大到小為排種輪轉速、種層初始充填高度；各因素對總排量穩定性變異系數的影響由大到小為排種輪轉速、種層初始充填高度；各因素對各行排量一致性變異系數的影響由大到小為排種輪轉速、種層初始充填高度。排種輪轉速、種層初始充填高度對行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數交互影響的響應面如圖12所示。

圖12 排種輪轉速和種層初始充填高度對排種性能指標影響的響應曲面Fig.12 Response surface diagrams of influence of rotation speed of seed metering wheel and initial filling height of seed layer on seed metering performance indexes

由圖12可知，當排種輪轉速一定時，行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數和各行排量一致性變異系數均隨著種層初始充填高度的增加呈先減小后增加的趨勢。當種層初始充填高度一定時，行內排種均勻性變異系數和各行排量一致性變異系數隨著排種輪轉速的增加呈先緩慢減小又較快增加的趨勢，總排量穩定性變異系數隨著排種輪轉速的增加呈較快減小又緩慢增加的趨勢。種層初始充填高度越高，行內排種均勻性變異系數隨排種輪轉速變化的趨勢越明顯。從響應曲面及各影響因素的顯著性分析可知，當排種輪轉速變化時，3個試驗指標的變化區間均較大，因此，排種輪轉速對3個試驗指標的影響均顯著。當種層初始充填高度變化時，對行內排種均勻性變異系數和總排量穩定性變異系數影響顯著，對各行排量一致性變異系數影響不顯著。

4.2.3優化與驗證

為確定排種器最佳工作參數，根據優化目標及影響因素邊界條件，建立優化模型為

(20)

經過優化求解得到排種輪轉速為25.69 r/min、種層初始充填高度為46.70 mm時，行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數分別為18.62%、1.60%、2.96%，排種器工作性能最佳。設定排種輪轉速為25.70 r/min、種層初始充填高度為47 mm，進行臺架驗證試驗，考察行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數，試驗共進行6次，取平均值，臺架試驗結果分別為18.91%、1.66%、3.05%，與優化預測結果相吻合。

在排種輪轉速為25.70 r/min、種層初始充填高度為47 mm的條件下，行內排種均勻性變異系數小于45%，各行排量一致性變異系數小于3.9%，符合小麥條播機相應技術指標；總排量穩定性變異系數介于小麥與谷子播種機對總排量穩定性變異系數的指標要求之間[26-27]。

5 田間試驗

為進一步驗證該排種器的排種性能，在安徽省寧國市中溪鎮東坡村寧前胡種植機械化示范基地進行田間播種試驗(圖13a)。綜合理論分析及仿真、臺架試驗及優化結果，確定前胡導種環槽U型孔組合型輪式排種器結構參數為：U型孔深度h1=4.6 mm、U型孔寬度w1=13.6 mm、U型孔長度l1=16.5 mm、導種環槽傾角α=47°，排種器轉速設定為n=25.70 r/min，種層初始填充高度設置為50 mm。在此基礎上設計了前胡播種機樣機，機具前進速度為1.2 km/h，工作幅寬為800 mm，工作行數為3行，行中心距280 mm。播種后隨機選擇5組1 m播種區域，測定行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數分別為22.54%、1.95%、3.66%，與臺架試驗結果基本吻合。播種3個月后前胡苗情長勢如圖13b所示。田間試驗結果滿足寧前胡播種農藝要求。

圖13 前胡田間播種試驗及苗情長勢Fig.13 Field sowing experiment and seedling growth of Radix peucedani

6 結論

(1)設計了一種導種環槽U型孔組合型輪式排種器，對排種輪關鍵結構參數進行了設計。該排種器針對前胡種子外形不規則、扁平質輕且流動性差等特性，在傳統異型孔輪式排種器基礎上增加導種環槽，通過導種環槽引導，促進種群流動，進而提高充種效果和排種穩定性，可實現中草藥前胡的精量條播。

(2)應用離散元軟件EDEM，采用Box-Behnken響應面優化法進行三因素三水平正交仿真試驗，研究了排種輪U型孔深度、U型孔寬度和導種環槽傾角3個關鍵結構參數對平均播種量和排種均勻性變異系數的影響并對關鍵參數進行優化。得出各因素(關鍵參數)對平均播種量的影響由大到小為：導種環槽傾角、U型孔寬度、U型孔深度；對排種均勻性變異系數的影響由大到小為：U型孔寬度、導種環槽傾角、U型孔深度。3個關鍵參數的最優組合為：U型孔深度4.65 mm、U型孔寬度13.63 mm、導種直環槽傾角47.01°,最優參數組合下預測的平均播種量和排種均勻性變異系數分別為0.199 g/s和12.37%。

(3)根據優化結果，開展了供種性能兩因素五水平二次回歸正交旋轉組合臺架試驗，分析了排種輪轉速、種層初始充填高度對行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數的影響，臺架試驗結果表明，排種輪轉速為25.69 r/min、種層初始充填高度為46.70 mm時，行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數分別為18.62%、1.60%、2.96%，排種器工作性能最佳。選定排種輪最優結構參數組合和最佳工作參數進行田間試驗，田間試驗結果表明，當作業速度為1.2 km/h時，行內排種均勻性變異系數、總排量穩定性變異系數、各行排量一致性變異系數分別為22.54%、1.95%、3.66%，滿足寧前胡播種農藝要求。