基于振動排序的玉米種子胚面定向裝置設計與試驗

張東興 于天成 楊 麗 崔 濤 和賢桃 張耀輝

(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

玉米定向播種是將種子按照統一的姿態入土的一種播種方式，該播種方式能夠使葉片展開方向一致，改善作物的通風和光照情況，從而可通過提高種植密度來提高玉米單位面積產量[1-3]。實現玉米定向播種的前提是統一種子的姿態，使種子的尖端朝向一致和胚面朝向一致[4-6]。

對于使胚面朝向一致，即胚面定向，現有的研究主要是基于機器視覺技術和傳感器技術[7-13]。文獻[8]研制了一種基于機器視覺的玉米種粒定向擺放裝置，該裝置胚面及其對立面檢測準確率為98%，但是該裝置實現種子輸出還需經過凹槽定位、旋轉臂定位吸取及籽粒擺放等過程，該裝置最終呈現的胚面定向效果僅為89.35%。并且一旦出現定位吸取失敗，將導致種子粘連或擁堵在定向定位區域。文獻[9]利用激光測距傳感器對玉米種子進行胚面識別，準確率為96.4%，但要求進行識別的種子尖端朝前，且沒有使兩種胚面朝向的種子統一朝向。因此，有必要研制一種連續快速運行、對玉米種子尖端朝向沒有嚴格要求、能夠統一胚面朝向、胚面定向效果好的裝置。

本研究以馬齒形玉米種子為工作對象，在電磁振動的基礎上研制一種玉米種子胚面定向振動排序裝置，該裝置首先對成堆玉米種子進行分散、排序使之變為一列種子長軸沿軌道切線方向的種子，之后對種子進行胚面定向，使其胚面統一朝上，然后排序輸出。通過理論分析和試驗研究，獲取最優工作參數，為后續玉米定向播種種子帶制備提供技術支撐[14-16]。

1 振動排序裝置設計

由于馬齒形玉米種子籽粒扁平呈長方形，在定向過程中能夠較好地保持穩定狀態，故本研究選用馬齒形玉米種子為研究對象[9]。本研究提出的玉米種子胚面定向振動排序裝置所依據的是馬齒形玉米種子的表面特征[9]。種子外形如圖1所示，表面特征表現為：玉米種子胚面上的胚部向內凹陷一定深度形成胚溝，胚溝從尖端開始向頂端延伸，延伸方向基本與種子長軸方向一致；而胚面的對立面較為平整。以馬齒形種子京科青貯516品種為例，利用游標卡尺對選取的200粒該品種玉米種子長度、寬度、厚度、胚溝長度、胚溝寬度、胚溝深度進行測量，結果為種子的長度L、寬度W、厚度T范圍分別為11.15～13.72 mm、7.00～9.58 mm、3.51～5.19 mm，胚溝的長度l、寬度w、深度d范圍分別為7.54～10.57 mm、3.11～4.97 mm、0.52～1.08 mm。計算可知胚溝長度占種子長度的比例在0.76左右，胚溝寬度占種子寬度的比例在0.50左右。

圖1 馬齒形玉米種子外形示意圖Fig.1 Shape of dent corn seed1.頂端 2.胚溝末端 3.胚部 4.胚溝 5.尖端 6.種子長軸方向

1.1 裝置結構

振動排序裝置主要由料斗、料斗支架、板彈簧、電磁鐵、底座及減震墊組成[17-18]，其結構如圖2所示，實物如圖3所示。料斗是振動排序裝置重要結構[19-20]，其結構如圖4所示。料斗為順時針螺旋單軌道輸出，軌道在不同位置有著不同的功能[21]，為了保證各關鍵軌道的作用效果，準確適時實現胚面定向過程，需對工作區域進行劃分[22-23]。如圖5所示，其中β表示螺旋上升軌道范圍，γ表示單層整列軌道范圍，δ表示分散緩沖軌道范圍，ε表示胚面定向軌道范圍，ζ表示預留軌道范圍，η表示出料軌道范圍。

圖2 振動排序裝置結構圖Fig.2 Structure diagram of vibration sorting device1.料斗 2.料斗支架 3.板彈簧 4.電磁鐵 5.底座 6.減震墊

圖3 振動排序裝置實物圖Fig.3 Photo of vibration sorting device1.料斗 2.板彈簧 3.底座 4.控制器

圖4 料斗結構示意圖Fig.4 Structure diagram of hopper1.螺旋上升軌道 2.分散緩沖軌道 3.玉米種子 4.側壁 5.胚面定向軌道 6.尖端朝向調節機構 7.分流軌道 8.引流機構 9.翻面機構1 10.缺口 11.翻面機構2 12.回種盒 13.預留軌道 14.限高機構 15.單列整列軌道 16.出料軌道 17.M5螺栓 18.寬度調節護種板 19.高度調節護種板

圖5 軌道劃分示意圖Fig.5 Schematic of track division

螺旋上升軌道設計：螺旋上升軌道位于料斗壁內側，最大圓周半徑為125 mm，螺距為40 mm，寬15 mm，向料斗壁往上傾斜3°，β設置為660°。

單層整列軌道設計：單層整列軌道位于料斗壁內側，結構參數與螺旋軌道相同，起始端設有限高機構[18]。限高機構與軌道表面的空間高度比玉米厚度T稍大，剛好能夠使種子以平躺的姿態通過。限高機構不是與該處軌道的切線方向(即種子的運動方向)垂直的，而是傾斜的，越靠料斗中心的一側，限高機構越向種子運動方向前方傾斜，這樣就能夠使堆疊、豎立的以及側立的玉米種子，邊向前運動邊向料斗中心一側移動，直至最后從軌道落下掉入料斗底部，確保從螺旋上升軌道末端輸出的玉米種子為單層，且呈平躺姿態。γ設置為60°。

分散緩沖軌道設計：分散緩沖軌道橫跨料斗壁內外側，最大圓周半徑由125 mm過渡到150 mm，螺距為-20 mm(負號表示螺旋向下)。分散緩沖軌道將雜亂的玉米種子變成單列的玉米種子流。δ設置為150°，其中后60°范圍內的軌道位于料斗壁外側，向料斗壁往上傾斜3°，最大圓周半徑為150 mm。

胚面定向軌道設計：胚面定向軌道位于料斗壁外側，最大圓周半徑為150 mm，螺距為-20 mm。尖端朝向調節機構在料斗半徑方向上可調節，以適應尺寸存在較大差異的不同品種玉米種子。ε設置為75°。

預留軌道設計：預留軌道位于料斗壁外側，最大短軸長度為150 mm，最大長軸長度為160 mm，螺距為0 mm。預留一段軌道，目的是后期實現尖端定向的功能，使該振動排序裝置集成胚面定向與尖端定向的功能。ζ設置為90°。

出料軌道設計：出料軌道為直線軌道，承接著預留軌道，長度為160 mm。其寬度和高度可通過寬度護種板和高度護種板調節，以適應尺寸存在差異的不同品種的玉米種子。寬度護種板和高度護種板通過M5螺栓安裝固定在出料軌道上，其中寬度護種板寬度為4 mm，小于種子的最大厚度，高度護種板寬度為7 mm，小于玉米種子的最大寬度，避免了兩個護種板在軌道上的安裝干涉，同時還能發揮護種作用，使輸出的玉米種子的長軸方向與運動方向一致。η設置為45°。

1.2 功能原理

1.2.1振動排序裝置工作原理

振動排序裝置借助電磁力產生微小的振動，依靠高頻慣性作用力、摩擦力、重力的綜合作用使物料沿料斗內的螺旋軌道不斷向上爬行，當經過相關的選向機構時，符合要求姿態方向的物料繼續前行，不符合的物料則落入料斗底部重新向上爬行；當經過相關的定向機構時，不符合姿態要求的物料可以進行姿態糾正，最后物料在出料口按規定的姿態方向連續輸出[18,24]。

1.2.2胚面定向原理

胚面定向軌道是將胚面朝下的種子進行翻面的關鍵部件，軌道上的選向機構和定向機構的設計與布置，對種子的運動起決定作用，對胚面定向效果有重要意義。因此，需對工作區域進行劃分[22-23]。對種子運動軌跡進行繪制，如圖6所示，①和②表示理想狀態下胚面朝上的種子運動軌跡，③表示理想狀態下胚面朝下的種子運動軌跡，④表示部分寬度偏小的種子運動軌跡。

1.2.2.1尖端朝向調整區設計

從分散緩沖軌道輸出的玉米種子大多數呈尖端朝前或朝后的平躺姿態，少數呈尖端垂直側壁的平躺姿態。胚面朝下的、尖端垂直側壁的玉米種子如果直接進入引流分流區，由于引流機構為焊接在軌道表面、圓周分布的不銹鋼絲，胚溝將與引流機構呈十字交叉狀態，導致種子無法“架”著引流機構前行，將按照軌跡①前行，造成胚面定向失敗。因此，在進行胚面定向之前需對種子姿態進行調整，使所有的玉米種子呈尖端朝前或朝后的平躺姿態。該區域長度取兩個玉米種子長度，對應Ⅰ設置為10°。如圖7所示，該區域的關鍵部件是尖端朝向調節機構,由長度為20 mm、寬度為6 mm和厚度為2 mm的折彎不銹鋼塊與U型方片焊接而成，經M5螺栓固定在料斗上，其折彎角θ由玉米種子的尺寸參數決定，為

圖7 種子尖端朝向的調整過程示意圖Fig.7 Adjustment process of seed tip direction1.胚面定向軌道 2.側壁 3.處于初始狀態的種子 4.處于調整狀態的種子 5.完成調整的種子 6.M5螺栓 7.尖端朝向調節機構

(1)

式中Lmax——玉米種子最大長度，mm

Wmax——玉米種子最大寬度，mm

代入數據計算得θ為32.37°。

1.2.2.2引流分流區設計

在各種力的綜合作用下，胚面朝下的種子“架”在引流機構上，完成引流，按照軌跡③前行，胚面朝上的種子無法在引流機構上保持平衡，從而遠離振動盤中心滑落至引流機構外側，按照軌跡①或②前行，完成分流。為保證引流分流區的最佳工作效果，需探明種子在引流機構上的受力特性。因為只研究種子在半徑方向的運動變化，故只考慮在半徑方向上的受力情況。如圖8所示，當裝置未工作時，對于胚面朝上或朝下的玉米種子，除了自身重力G、G′外，還受到引流機構對其的支持力FN1、F′N1，側壁對其的支持力FN2、F′N2，側壁對其的支持力F′N3，其中G、FN1、FN2為種子在軌道上的初始受力，G′、F′N1、F′N2、F′N3為種子的最終受力。引流機構的位置在半徑方向上存在一個分界線(與側壁的距離為μ0)，使得左右兩側的種子重力相等，此時玉米種子保持平衡。而當引流機構位于分界線左側(與側壁的距離為μ1)，鋼絲右側的種子部分重力大于左側重力，產生一個順時針的傾覆力矩M1，種子將偏向鋼絲右側；當引流機構位于分界線右側(與側壁的距離為μ2)，鋼絲右側的種子部分重力小于左側重力，產生一個逆時針的傾覆力矩M2，種子將偏向鋼絲左側。

圖8 裝置未工作時鋼絲分布對種子受力影響示意圖Fig.8 Schematics of influence of wire distribution on stress of seeds when device was not working1.軌道 2.玉米種子 3.側壁 4.處于最終平衡狀態的種子 5.處于初始狀態的種子 6.軌道表面 7.引流機構

如圖9a所示，當裝置工作時，對于胚面朝上的玉米種子，當引流機構與分界線重合時，種子受到重力G、引流機構對其的支持力FN11、側壁對其的支持力FN12以及向心力Fn1，并將保持該受力狀態，此時種子將順著鋼絲繼續做圓周運動前行。如圖9b所示，當引流機構位于分界線左側時，種子將先往右傾偏向軌道外側，然后種子受到重力G、引流機構對其的支持力FN11與摩擦力f11、軌道表面對其的支持力FN13與摩擦力f13以及離心力Fc1，此時種子將逐漸遠離振動盤中心做離心運動，滑落至分流軌道，而后在分流軌道上做圓周運動。如圖9c所示，當引流機構位于分界線右側時，種子將先往左傾偏向內側，然后種子受到重力G、引流機構對其的支持力FN11、側壁對其的支持力FN12、軌道表面對其的支持力FN13以及向心力Fn1，并將保持該受力狀態，此時種子將順著鋼絲繼續做圓周運動前行。

圖9 裝置工作時鋼絲分布對胚面朝上的種子受力影響示意圖Fig.9 Schematics of influence of wire distribution on stress of seeds with embryo up during operation of device1.胚面定向軌道 2.胚面朝上的玉米種子 3.側壁 4.引流機構 5.軌道表面

對于胚面朝下的玉米種子，不同于胚面朝上的種子，由于胚面與鋼絲接觸，種子在徑向上不同截面表現出不同的受力狀態。圖10a～10c是胚溝中部某一徑向截面的受力情況，圖10d～10f是胚溝末端徑向截面的受力情況。當引流機構與分界線重合時，種子在胚溝中部某一徑向截面受到重力G′0、引流機構對其的支持力F′N01以及向心力F′n0，在胚溝末端徑向截面受到重力G″0、引流機構對其的支持力F″N01、側壁對其的支持力F″N02以及向心力F″n0，并將保持該受力狀態，如圖10a、10d所示；當引流機構位于分界線左側時，種子將先偏外側，然后種子在胚溝中部某一徑向截面受到重力G′0、引流機構對其的支持力F′N01、軌道表面對其的支持力F′N03以及向心力F′n0，在胚溝末端徑向截面受到重力G″0、引流機構對其的支持力F″N01，并將保持該受力狀態，如圖10b、10e所示；當引流機構位于分界線右側時，種子將先偏向內側，然后種子在胚溝中部某一徑向截面受到重力G′0、引流機構對其的支持力F′N01、軌道表面對其的支持力F′N03以及向心力F′n0，在胚溝末端徑向截面受到重力G″0、引流機構對其的支持力F″N01、側壁對其的支持力F″N02以及向心力F″n0，并將保持該受力狀態，如圖10c、10f所示。3種狀態下種子均順著引流機構繼續做圓周運動前行。

圖10 裝置工作時鋼絲分布對胚面朝下的種子受力影響示意圖Fig.10 Schematics of influence of wire distribution on stress of seeds with embryo down during operation of device1.胚面定向軌道 2.胚面朝下的玉米種子在胚溝中部的某一徑向截面 3.側壁 4.引流機構 5.軌道表面 6.胚面朝下的玉米種子在胚溝末端的徑向截面

因此，針對玉米種子寬度方向存在尺寸差異，引流機構與側壁的距離μ對種子的運動起著決定性作用，考慮到重心偏移，μ應小于種子寬度的一半，且胚溝應位于引流機構的上方，μ應大于胚溝邊緣至種子邊緣的距離，故μ應大于種子寬度的1/4并且小于種子寬度1/2。但由于胚溝在寬度截面的最大深度位于種子中間，沿寬度方向逐漸減小，所以為了引流機構能夠起到引流的作用，引流機構應盡量靠近胚溝寬度中央，故選取μ為3.75 mm。同時選取引流機構直徑為1 mm，其半徑小于胚溝的最小深度，能起到良好的引流作用。

圖11 引流分流區和選向定向區參數確定示意圖Fig.11 Schematic of parameter determination of guidance and diversion area and selection and orientation area

1.2.2.3選向定向區設計

考慮到結構的緊湊性，該區域軌道長度同樣取3個種子長度，即將區域Ⅲ設置為16°。胚面朝下的玉米種子順著引流機構進入該區域，此時鋼絲脫離軌道表面，與軌道表面呈某一夾角，由于重心偏移，少數尺寸偏小的種子脫離翻面機構1以軌跡④從缺口處落入回種盒，最終返回料斗內；大多數種子以軌跡③順著該翻面機構1并配合翻面機構2完成胚面翻轉。

翻面機構1和翻面機構2對種子翻轉具有重要作用，因此需探明種子在選向定向區的受力特性。如圖12所示，種子在不同時刻表現出不同的受力和運動狀態，除自身重力G外，還受到翻面機構1對其的支持力FNti1與摩擦力fti1，軌道表面對其的支持力FNti2與摩擦力fti2，翻面機構2對其的支持力FNti3與摩擦力fti3以及向心力Fnti。

圖12 種子在選向定向軌道的受力和運動狀態Fig.12 Force and motion state of seed in selection and orientation track1.選向定向軌道 2.玉米種子 3.側壁 4.軌道表面 5.翻面機構1 6.翻面機構2

在t1時刻，種子與翻面機構1初接觸，如圖12a所示，種子順著翻面機構1前行，同時受到翻面機構1和軌道表面的支持力，由于翻面機構1逐漸變高，種子逐漸繞軌道表面與種子的接觸點順時針旋轉。在t2時刻，種子重心作用線經過軌道表面與種子的接觸點，如圖12b所示，當種子繼續前行時，種子由于重心偏移實現側立；若翻面機構1位于現在位置的左下方區域，將不會發生種子側立姿態，在下一時刻翻面機構2與種子側面接觸，種子將在翻面機構1和翻面機構2的共同作用下，脫離軌道表面，在翻面機構1和翻面機構2上運動，無法實現胚面翻轉。在t3時刻，種子與翻面機構2初接觸，如圖12c所示，由于翻面機構2在徑向方向上尺寸不斷增大，導致種子繞翻面機構1做順時針旋轉運動。在t4時刻，種子重心作用線經過軌道表面與翻面機構2的交點，如圖12d所示，當種子繼續前行時，若翻面機構2在徑向上尺寸繼續增大，種子由于重心偏移發生傾覆實現翻面(t5時刻)，如圖12e所示；若翻面機構2在徑向上尺寸不再增大，種子無法發生傾覆，最終以側立姿態離開選向定向區。

綜上所述，翻面機構1的空間位置以及翻面機構2的尺寸對種子的受力情況以及運動起著重要作用。

相對于翻面機構2的尺寸變化，翻面機構1的尺寸變化更加方便調整，因此將翻面機構2的尺寸參數和空間位置確定下來，只通過改變翻面機構1的空間位置來探尋最佳的選向定向效果。

如圖11所示，翻面機構1的起點承接引流機構的終點，前3/4段為圓柱螺旋線IJ，初步設置其直徑D4與引流機構直徑相同，為285.5 mm，導程H4=140 mm，旋向為順時針；后1/4段為圓柱螺旋線JK，導程H5及旋向與圓柱螺旋線IJ一致，圓心坐標與圓柱螺旋線AB一致,故直徑D5為594 mm。

由于翻面機構1只有一端與軌道接觸，可以通過調整翻面機構1另一端的位置坐標來調整翻面機構1與翻面機構2的相對位置，從而實現種子的定向效果。故最終翻轉效果取決于翻面機構1終點的空間位置，即終點到側壁的垂直距離d1和終點到軌道表面的垂直距離d2。

1.2.2.4合流區設計

此區域的目的是將軌跡①的種子進入原半徑軌道與軌跡②或③的種子流聚集，便于后續處理。通過試驗發現，區域Ⅳ取34°，不會造成胚面定向完成的種子流入回種盒。

2 試驗

2.1 試驗地點及儀器設備

振動排序裝置工作參數優化試驗地點在中國農業大學工學院實驗室，儀器設備包括已加工完成的振動排序裝置樣機1臺、玉米種子若干、數字穩壓振動送料控制器1個(南京創優科技有限責任公司)、尖嘴鉗1把、六角扳手1個、游標卡尺1把、秒表1個。

2.2 工作性能評價指標

試驗對象為京科青貯516玉米種子，籽粒黃色，馬齒形，千粒質量389 g，含水率不高于14.0%。試驗時，將一定數量的種子倒入料斗內，設置好各個參數后啟動裝置進行試驗。針對胚面定向軌道，以胚面定向成功率為評價指標,其計算公式為

(2)

式中Reso——胚面定向成功率，%

Nup——從胚面定向軌道輸出的胚面朝上的玉米種子數量

Nall——從胚面定向軌道輸出的玉米種子數量

2.3 主要影響因素取值范圍

根據前期試驗結果，控制器輸出電壓U小于95 V時，振動排序裝置的排料速度小于45粒/min,不能滿足后續操作中供料要求；輸出電壓U大于107 V時，由于出料軌道限寬，導致尖端垂直側壁的種子在出料軌道進口處進行換向時速度減慢，從而引起后面種子擁擠落入回種盒，降低出料效率。因此，設立控制器輸出電壓U的試驗范圍為95～107 V。

d1小于2 mm時，距離側壁近，種子順著鋼絲翻轉90°保持側立姿態前行，導致胚面定向失敗；大于6 mm時，距離翻面機構2近，產生卡種或種子同時“架”著翻面機構1和翻面機構2前行現象，造成定向機構功能失效。因此，設立d1的試驗范圍為2～6 mm。

d2小于5.5 mm時，以軌跡②前行的胚面朝上的種子也容易順著翻面機構1翻面；大于9.5 mm時，胚面朝下的種子從翻面機構1上脫離，導致翻面失敗。因此，設立d2的試驗范圍為5.5～9.5 mm。

2.4 試驗方案

為探究上述3個影響因素對胚面定向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[25-26]。各因素編碼如表1所示。每組試驗進行約500粒玉米種子的送料作業，統計經胚面定向軌道輸出的種子中胚面朝上的玉米種子所占的百分數，即考察胚面定向成功率。每組試驗重復3次。

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

2.5 試驗結果

根據Design-Expert軟件中的Box-Behnken響應曲面進行試驗方案設計與數據分析，以胚面定向成功率為考核指標。試驗方案和結果如表2所示。

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

2.6 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 10.0.7軟件對試驗數據進行多元回歸擬合，得到胚面定向成功率Y的回歸方程。

根據表3可知，在可信度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=0.243 9，表現為不顯著，說明不存在其它影響指標的主要因素。其中因素X1、X1X2的P值大于0.05，對胚面定向成功率的影響不顯著，剔除不顯著交互項后的回歸模型為

表3 方差分析結果Tab.3 Variance analysis result

(3)

式中x1、x2、x3——因素編碼值

通過對式(3)回歸系數的檢驗得出，對胚面定向成功率影響的因素主次順序為X2、X3、X1。

2.7 各因素對性能指標影響效應分析

通過Design-Expert 10.0.7對數據進行處理，可得到X1、X2和X3對胚面定向成功率的影響，其響應曲面如圖13所示。分別固定X2、X1為零水平，根據響應曲面圖，分析其余2個因素間的交互作用對胚面定向成功率的影響。

圖13 因素交互作用對胚面定向成功率影響的響應曲面Fig.13 Impacts of interaction on success rate of embryo side orientation

圖13a是X2為4 mm時，X1和X3對胚面定向成功率交互作用的響應面。由圖可知，當X1一定時，隨著X3的增大，胚面定向成功率呈現先升后降趨勢，且變化幅度較小。當X3一定時，胚面定向成功率隨著X1的增大先高后低，且變化幅度較大。X1在99.5～103 V，X3在6.5～9 mm時，胚面定向成功率較高。

圖13b是控制器輸出電壓X1為101 V時，X2和X3對胚面定向成功率交互作用的響應面。由圖可知，當X3一定時，隨著X2的增大，胚面定向成功率呈現先升后降趨勢，且變化幅度較大。當X2一定時，胚面定向成功率隨X3的增大先高后低，且變化幅度較小。X2在3.5～5.5 mm，X3在6.5～9.25 mm時，胚面定向成功率較高。

2.8 參數優化與驗證試驗

以盡量使胚面定向成功率高的優化原則，在X1為95～107 V，X2為2～6 mm，X3為5.5～9.5 mm的約束條件下進行優化求解。得到在X1=101.20 V，X2=4.38 mm，X3=7.97 mm的參數組合條件下存在最優解，但是由于控制器電壓只能取整數，此時設置X1=101 V，對應X2=4.38 mm，X3=7.96 mm，在該條件下胚面定向成功率為94.85%。

為了驗證優化分析結果的正確性，在最優解的條件下進行了驗證試驗，試驗重復3次，胚面定向成功率為94.82%。優化結果可信，試驗效果如圖14所示。同時記錄該參數組合下輸送種子目標數量的時間，計算其排料速度，排料速度為85個/min。

圖14 試驗效果Fig.14 Test results

2.9 品種適應性試驗

為了考察該裝置對不同品種的適應性，另外選取了農華816、萬盛68兩個品種的玉米種子在裝置上進行適應性試驗。試驗開始前，兩個品種各選取200粒玉米種子進行尺寸的測量。特征參數如表4所示。每組試驗進行200粒玉米種子的送料作業，每組試驗重復3次。試驗結果為農華816品種的胚面定向成功率是91.67%，萬盛68的胚面定向成功率是91.17%。試驗結果表明所選的玉米品種的胚面定向成功率均大于91%，裝置對種子具有良好的適應性。

表4 兩個品種的特征參數Tab.4 Characteristic parameters of two varieties

3 結論

(1)針對玉米定向播種中的胚面定向問題，以馬齒形玉米種子為研究對象，研制了一種基于振動排序的玉米種子胚面定向裝置，設計了該裝置螺旋軌道上的選向機構和定向機構，探明了玉米種子胚面定向原理，確定了選向機構和定向機構的尺寸參數和空間位置。

(2)選取控制器輸出電壓、翻面機構1終點到側壁的垂直距離和翻面機構1終點到軌道表面的垂直距離為主要因素，利用Box-Behnken試驗方法開展了三因素三水平旋轉正交試驗，確定了最優參數組合為：控制器輸出電壓101 V、翻面機構1終點到側壁的垂直距離4.38 mm、翻面機構1終點到軌道表面的垂直距離7.96 mm，在最優參數組合條件下胚面定向成功率為94.85%。

(3)對最優參數組合進行了驗證試驗，試驗結果表明，胚面定向成功率為94.82%，與優化結果基本一致,該結果滿足設計要求。且該參數組合下，排料速度可達85個/min,此速度滿足后續定向包裝的供種要求。

(4)進行了品種適應性試驗，試驗結果表明：所選的玉米品種農華816、萬盛68的胚面定向成功率均大于91%，玉米種子胚面定向裝置對京科青貯516、農華816和萬盛68具有良好的適應性。