氣力針式行星輪系窄行密植精密排種器設計與試驗

廖宜濤 張百祥 鄭 娟 廖慶喜 劉嘉誠 李成良

(1.華中農業大學工學院，武漢 430070；2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070)

0 引言

菠菜等葉菜類作物采用窄行密植種植模式，通過增加單位面積內的植株數，使植株在合理密度下更好地發揮產量優勢，但種植密度大，行株距小，對播種均勻性要求高[1-3]，且籽粒小、質量小，因此機械化精密播種難度大，以人工播種或機械播種后間苗生產為主，生產成本高、勞動力消耗大，迫切需要開發適用播種裝備。

排種器是播種裝備的核心裝置，其性能直接決定播種質量[4-6]。常見排種器有機械式和氣力式兩種[7]。目前蔬菜窄行密植播種應用的排種器以窩眼輪機械式排種器為主[8-9]，具有結構簡單、成本低等優點，但受取充種方式影響，存在易卡種造成漏播率較高、種子破損率較高等問題。氣力式排種器對種子外形尺寸要求不嚴，通用性好，對種子損傷小，播種精度高，已廣泛應用于玉米、大豆、棉花等寬行低密度作物的精密播種[10-14]。在氣力式窄行密植排種技術方面，文獻[15-16]研制的窄行距排種器主要用于2～4行的密植排種，更多行數的播種需要配置多個排種器，播種機的傳動和配氣系統較為復雜。在穴盤苗播種中，多采用滾筒式和板針式等結構，實現一器6行以上的窄行密植精密播種[17-18]，但在大田生產上，由于相應播幅較寬、排種器連續工作等要求，滾筒式與氣室密封結構復雜，長時間作業氣壓穩定性差；板針式多采用往復式結構，作業效率較低。課題組前期針對窄行密植作物單粒精密播種問題，設計了一種采用兩端氣室、回轉氣力針式結構的排種裝置，解決了排種器工作時氣室與滾筒密封性差的問題，可實現24行并聯單粒排種，單粒精密排種合格指數達90%以上，但排種器是水平位置投種，投種高度偏高，存在下落種子與種床土壤彈跳滑移導致播種粒距不均的問題[19]；在該排種器基礎上設計點播式全約束導種裝置，實現了單粒排種和平穩導種于一體的功能，消除了種子與土壤的碰撞彈跳現象，播種機穴粒數合格率為86.2%，穴距合格率為93.9%，但排種裝置和導種裝置分布排列，整機結構較復雜，質量較大[20]。

本文基于前期氣力針式排種器和導種機構，設計一種采用行星輪系排種機構的氣力針式窄行密植精密排種器，通過行星輪系機構和氣流分配管吸種針的配合，改進原有吸種針運動軌跡，吸種時降低吸種針與種子的相對運動速度，投種時降低種子與種床的高度，以提高播種性能。

1 排種器結構與工作原理

1.1 排種器結構

氣力針式行星輪系窄行密植精密排種器結構如圖1所示，主要由行星輪系排種機構、機架、左氣室、種倉、右氣室等組成。其中，行星輪系排種機構為實現低速吸種、低位投種的關鍵，主要包括行星輪系機構、氣流分配管、吸種針和鏈輪等。

圖1 氣力針式行星輪系窄行密植精密排種器結構示意圖

排種器為對稱結構，行星輪系排種機構兩端各有一個氣室，氣室主體內設計有氣室隔板將氣室圓周區域分割為300°的負壓區和60°的正壓區，氣室正壓區一側隔板與豎直方向夾角為0°，另一側隔板與豎直方向夾角為60°；行星輪系機構包括固定在太陽輪軸上的太陽輪和4個繞太陽輪轉動且均勻對稱分布在行星輪架上的行星輪；吸種針根據播種行距安裝在氣流分配管上[17]，氣流分配管與行星輪固定連接并穿過行星輪架通到氣室內，驅動輪與行星輪架為剛性連接的一體結構，驅動軸在動力驅動下帶動行星輪架轉動，進而帶動行星輪和氣流分配管轉動。

1.2 工作原理

排種器工作過程可分為吸種區、攜種區、投種區和過渡區4個階段，其中充種區、攜種區和過渡區為負壓區，投種區為正壓區，如圖2所示。

圖2 氣室工作區域與排種器工作原理圖

排種器工作時，位于氣室外側驅動軸上的鏈輪在動力作用下帶動行星輪架以角速度ω1逆時針轉動，太陽輪固定不動，行星輪架帶動行星輪逆時針轉動，同時行星輪與太陽輪嚙合，行星輪繞太陽輪以角速度ω2逆時針自轉，與行星輪固接的氣流分配管同步轉動，進而帶動吸種針轉動。氣流分配管運動到種倉正上方時吸種針豎直向下，在負壓作用下單粒吸種，經過攜種區進入投種區，氣流分配管運動到種倉正下方時吸種針同樣豎直向下，在正壓、自重作用下卸種，完成投種作業后吸種針經過過渡區再次到達種倉正上方進行吸種動作，如圖2所示。排種器連續工作，氣流分配管和吸種針將種子群轉變為均勻單粒種子，行星輪系排種機構保證吸種針特定軌跡，實現在吸種區低速吸種和在投種區低位投種。

2 吸種與投種環節分析

吸種環節是排種過程初始環節，種子在行星輪系排種機構的作用下從種倉由種群定量分離形成連續種子流；投種環節是種子保持均勻有序狀態入土的末端環節，平穩運移來的單粒等間隔種子流被運送到投種區進行投種；通過行星輪系的運動帶動氣流分配管繞太陽輪公轉，同時又與行星輪同步自轉，氣流分配管上的吸種針完成高位低速吸種和低位零速投種。吸種與投種環節既影響種子的有序狀態，又決定種子入土后分布均勻性。因此，為保證排種器性能，需開展排種過程的吸種和投種環節種子運動規律和軌跡研究，為排種器關鍵部件結構與尺寸設計提供依據。

2.1 吸種環節分析

2.1.1吸種環節受力分析

吸種環節理想狀態為單粒種子吸附在吸種針上并隨其一起轉動，對種子的運動和受力進行分析，以菠菜密植單粒精密播種為例，菠菜種子可看作球體，種子的受力情況如圖3所示，吸種針完成吸種，下一瞬時離開種倉進入攜種區，此時被吸附單粒種子滿足吸種受力平衡方程為

圖3 吸種環節種子受力分析

(1)

其中

(2)

式中FQ——吸種瞬間種子所受吸附力，N

G——種子自身重力，N

FL——種子受到的離心力，N

FN1——種子受到吸種針的支持力，N

FN2——種子受到種群的支持力，N

FS1——種子受到吸種針的摩擦力，N

FS2——種子受到種群的摩擦力，N

ω——吸種針角速度，為驅動軸公轉角速度ω1與行星輪自轉角速度ω2矢量和，rad/s

RL——吸種針末端種子運動半徑，mm

β——吸種角，(°)m——種子質量，kg

φ1——種子與吸種針之間滑動摩擦角，(°)

φ2——種子的自然休止角，(°)

由式(1)、(2)可得

FQ=mω2RL+

(3)

當FN2=G時，有

FQ=mω2RL+

(4)

由式(4)可知，單粒吸種所需吸附力FQ與種子自重、吸種角β、吸種針角速度ω、吸種針末端種子運動半徑RL、種子物料特性(滑動摩擦角φ1、自然休止角φ2)等有關。

吸種階段主要是實現種子被單粒吸附、有序運移，保證排種均勻。氣力式排種器單粒吸種概率除受氣壓、型孔直徑影響外[21-23]，同時受型孔與種子吸附作用時間影響，因此合理設計吸種針運動軌跡，降低吸種針在種倉內的運動速度，增加吸種作用時間，可以提高排種器的吸種性能。

2.1.2吸種環節運動軌跡分析

吸種動作對實現單粒穩定吸種起關鍵的作用，吸種時，吸種針劃過種倉，可增加種群擾動、減少吸種區種子群的內摩擦力和被吸附種子運移阻力，吸種針與種子的相對運動是影響吸種效果的重要因素，因此吸種環節運動軌跡重點分析其相對運動軌跡。行星輪系排種機構是保證吸種針實現特定軌跡的關鍵結構，其機構簡圖如圖4所示。為保證吸種針端點特定運動軌跡和特定吸種點，行星輪M1、M2、M3、M4與氣流分配管上的吸種針初始安裝位置為-90°、0°、90°和180°，即圓心M1、N1、M3共線，圓心M2、N1、M4共線。

圖4 行星輪系排種機構結構簡圖

通過行星輪系機構與氣流分配管和吸種針相結合，使排種器實現低位投種，吸種針端點P和氣流分配管圓心(行星輪中心)Q的運動軌跡如圖5所示。排種機構運動1周，Q的運動軌跡為圓形，吸種針端點P依次經歷不同的工作段軌跡：氣流分配管圓心在點a和點c時吸種針豎直向下，在點b和點d時吸種針豎直向上，根據排種器工作過程，DF段為吸種段的運動軌跡，點E是上半周的最低點，吸種針運動到點E附近時進行吸種，點D為吸種針與種群接觸的初始點，點F為吸種針與種群接觸的最末點，下一瞬時吸種針離開種倉；FA段為攜種段的運動軌跡,點A為下半周的最低點，吸種針運動到點A附近時進行投種，AD段為回轉段的運動軌跡。

圖5 排種機構相對運動軌跡

吸種針呈并聯結構，其端點的運動軌跡相同，取單個分析，以太陽輪中心為坐標原點，建立如圖5所示的直角坐標系，行星輪中心的軌跡為一圓形，吸種針端點的運動是兩個運動的合成，當行星輪中心轉動角度為θ時，吸種針端點轉動角度為2θ，逆時針轉動方向為正。根據幾何關系，行星輪中心的坐標方程為

(5)

吸種針端點的運動軌跡方程為

(6)

式中X0、Y0——行星輪中心坐標

X、Y——吸種針端點坐標

R——行星輪半徑，mm

L——吸種針長度，mm

φ0——初始相位角，圖5為90°

θ——行星輪轉過角度，(°)

對吸種針端點的速度進行分析，將式(6)對時間進行求導，得到吸種針端點速度表達式為

(7)

對吸種針端點的加速度進行分析，將式(7)對時間求導，得到吸種針端點加速度表達式為

(8)

式中α——吸種針角加速度，rad/s2

由式(6)～(8)可知，影響行星輪系排種機構運動學特性的關鍵參數是行星輪半徑R和吸種針長度L。行星輪半徑R與排種機構的運動范圍有關，吸種針長度L影響吸種針與種群接觸程度。

2.2 投種環節分析

2.2.1受力分析

投種時，氣流分配管內的負壓變成正壓，種子在自重和正壓作用下離開吸種針，對卸種瞬間種子受力進行分析，如圖6所示，此時種子應滿足的力學方程為

圖6 投種環節受力分析

(9)

其中

(10)

由式(9)、(10)可得

(11)

式中an——法向加速度，m/s2

由式(11)可知，卸種瞬間種子所受的吸附力FQ與種子自重、投種角β、吸種針角速度ω、吸種針末端種子運動半徑RL、種子滑動摩擦角φ1等有關。

投種階段影響種子入土狀態，氣力式排種器投種時種子從脫離型孔到落入種床土壤過程受慣性力、重力和正壓力作用，種子做自由落體運動，投種角決定正壓區位置，即投種高度。投種高度越低，種子與種床土壤碰撞彈跳滑移現象概率越小，有利于提高種子分布均勻性，因此合理設計氣室正壓區位置，降低投種高度，減小投種時種子的水平初始速度使其達到零速投種，可以提高排種器投種精度。

2.2.2運動軌跡分析

吸種針投種軌跡決定投種點位置，直接影響排種器投種精度，吸種針與地面的絕對運動是確保排種器滿足合格粒距以及保證粒距均勻性的重要因素，因此投種環節運動軌跡重點分析其絕對運動軌跡。同樣以太陽輪中心為坐標原點，排種器作業時前進方向為X軸正向，過坐標原點垂直向上為Y軸正向建立坐標系。吸種針端點絕對運動軌跡如圖7所示，其中，C1、C2、C3為吸種點，A1、A2、A3為投種點，H為株距。

圖7 排種執行機構絕對運動軌跡

實際作業中，行星輪架一邊繞坐標原點O作勻速圓周運動，一邊由機架牽引作前進運動，行星輪中心的運動軌跡為余擺線，根據幾何關系，其坐標方程為

(12)

式中V0——排種器前進速度，m/s

吸種針端點的絕對運動軌跡方程和速度表達式分別為

(13)

(14)

則吸種針端點P絕對速度為

(15)

為保證實際工作過程中在確定株距下動軌跡(絕對運動軌跡)的實現[24]，引入速比特征系數λ

(16)

式中R1——回轉半徑，太陽輪中心o與行星輪中心的距離，mm

N——吸種針并聯數量

根據窄行密植種植模式，排種器理論株距設計為80 mm，為保證排種器排種質量，排種器排種轉速需保持在一定范圍內，排種轉速與前進速度之間的匹配關系是考慮的關鍵因素，確定排種器前進速度為

(17)

由式(13)～(17)可知，投種絕對運動軌跡與排種器前進速度、行星輪系排種機構回轉半徑和排種轉速等因素有關，λ主要取決于回轉半徑，影響排種器前進速度。

2.3 吸種針運動仿真分析

為探究排種器吸種針運動規律和排種器實現高位低速吸種、低位零速投種條件，在SolidWorks 2018中完成排種器三維實體模型設計裝配，導入ADAMS 2018中進行運動仿真分析，設置運動循環周期為 6 s，排種器吸種針端點仿真運動軌跡和位移與速度曲線(相對運動軌跡下)如圖8所示。

圖8 吸種針端點仿真軌跡和位移與速度曲線

根據排種器工作過程，在一個運動循環周期內，結合相對運動軌跡下的位移曲線與速度曲線，吸種針端點的運動過程可分為回轉段、吸種段、攜種段和投種段4個階段：

(1)回轉段指吸種針完成投種后運動至充種區的過程，如圖8a中P1P2段。由圖可知，吸種針投種后從最低點上升運動到過渡區，P1A段橫向位移增大，縱向位移減小，點A回轉段橫向位移最大，縱向位移為0；由圖8c、8d可知AC段橫向位移減小，縱向位移增大，點B縱向位移最大，吸種針端點速度從0增加到2(L-R)ω；CP2段橫向位移從0減小到最小值，縱向位移逐漸增大，運動到點C時橫向位移為0，點D為前半個周期位移最小點，BD段速度從0增加到2(L+R)ω,速度加快可減少過渡區時間。

(2)吸種段指吸種針處于種倉正上方時的運動軌跡，如圖8a中P2P3段。吸種針運動到吸種區，P2E段橫向位移從最小值增加到0，點E為吸種針與種床接觸最低點，吸種針豎直向下，保證與種群接觸充分；EP3段橫向位移增大，縱向位移增大，吸種針離開種倉。由圖8d可知，P2P3段吸種針與種群接觸時速度減小，吸種后速度增加離開種群，速度降低可以增加充種時間，即型孔與種子群接觸時間，保證充分吸種提高充種概率，吸種完成離開種群速度增大可減小重吸概率。

(3)攜種段指吸種針離開種倉運動至投種口前的運動過程，如圖8a中P3P4段。結合圖8c、8d可知，攜種段軌跡與回轉段一致，P3G段橫向位移減小，縱向位移增大，速度增大到最大值2(L+R)ω；GJ段橫向位移增大，縱向位移減小；JP4段橫向位移減小，縱向位移增大，點J攜種段橫向位移最大，縱向位移為0，吸種針端點速度減小到2(L-R)ω,此時絕對速度為V0-2(L+R)ω。

(4)投種段指吸種針運動至投種口時與投種完成下一瞬時離開正壓區的運動軌跡,理想狀態下，吸種針在點P4進行投種。由圖8c可知，點P4橫向位移為0，縱向位移最大；當播種機以V0速度勻速前進時，吸種針端點線速度方向與前進方向相反，吸種針到達投種區投種時絕對速度從V0-2(L+R)ω逐漸減小至0，速度降低實現零速投種，保證種子在種床分布均勻。根據式(16)，計算得速比特征系數λ=1.53，投種完成后吸種針經過回轉段進入下一運動循環周期。

仿真試驗結果表明，一個運動循環周期內存在一個上半周的最低點E和一個下半周的最低點P1(P4)，可以保證吸種針在上半周最低點吸種，實現低速吸種，在下半周最低點投種，實現低位零速投種。吸種針的運動軌跡是排種器設計的關鍵，通過對比仿真軌跡與理論軌跡可知[25-26]，兩者整體基本一致，初步驗證了該排種器的運動規律滿足設計要求。

行星輪系排種機構確定了吸種針的運動軌跡，氣流分配管和吸種針的運動是兩個相對運動和一個機器前進運動的合成：機器前進運動，地輪通過鏈傳動帶動行星輪架轉動，行星輪架帶動氣流分配管和吸種針轉動，行星輪系機構帶動氣流分配管和吸種針繞太陽輪轉動，即氣流分配管和吸種針隨行星輪架轉動的同時受行星輪約束作用轉動。

卸種后種子在慣性作用下有一線速度，由圖9可知，下落的種子在重力和正壓的作用下做自由落體運動。投種時種子水平初始速度越小，投種精度越高，投種點種子水平初始速度VC為

圖9 投種過程運動分析圖

VC=V0-Vcosθ

(18)

其中

V=ωRL

(19)

式中V——種子具有的線速度，m/s

由式(18)可知，當吸種針角速度和吸種針末端種子運動半徑一定時，θ=0°，投種點種子水平初始速度VC最小，即吸種針在正下方軌跡最低點投種，低位投種降低了投種點與種溝垂直高度，在一定程度上降低種子與種床土壤碰撞彈跳滑移。零速投種是種子水平分速度與排種器前進速度大小相等，方向相反，可有效提高排種合格指數[27-29]。實現零速投種即需要保證卸種后種子下落過程中X方向合速度為0，即

VC=0

(20)

即

V0=Vcosθ

(21)

由式(18)和式(21)及結合仿真分析可知，排種器滿足低位零速投種的條件是：投種角θ=0°(低位投種)；λ=1.53(零速投種，此時排種器前進速度V0等于種子在最低點的切線速度V)。

3 排種器關鍵部件設計

3.1 行星輪系機構

行星輪系機構為對稱結構，左右兩側均包括1個太陽輪和4個行星輪，結構如圖10所示，通過對排種過程的分析，結合設計要求，需滿足

圖10 行星輪系機構

(22)

式中Z1——太陽輪齒數

Z2——行星輪齒數

D1——太陽輪直徑，mm

D2——行星輪直徑，mm

R2——行星殼盤外壁沿半徑，mm

M——齒輪模數，mm

結合設計要求及裝配關系，選定齒厚為10 mm、模數為2 mm、壓力角為20°的直齒圓柱齒輪，計算得出行星輪與太陽輪齒數Z1=Z2=39，行星殼盤外壁沿半徑R2=130 mm。

3.2 吸種針和氣流分配管

以菠菜為播種對象，采用墨綠先鋒菠菜種子，其平均三軸尺寸為3.69 mm×3.25 mm×2.36 mm，幾何平均寬度為3.05 mm。吸種針直管內徑為10 mm，根據

DX=(0.64～0.66)B

(23)

式中B——種子幾何平均寬度，取3.05 mm

計算得出吸種針型孔直徑為2.00 mm，吸種針通過螺紋連接固定在氣流分配管上。

氣流分配管與行星輪數量相同，氣流分配管上布置吸種針，通過對排種過程的分析，結合前期研究和播種農藝要求，4根氣流分配管對稱分布，設定播種行距為70 mm，播種行數為12行，氣流分配管內徑為20 mm，滿足氣流分配管內徑大于全部吸種針末端種子吸附面過流面積的要求[19]。

3.3 種倉

種倉底部為弧形結構，與吸種針運動軌跡相符，并保證種倉底部彎曲弧形S2大于吸種針的回轉弧形軌跡S1，保證良好的吸種效果。吸種針長度L、行星輪與太陽輪中心距離R1等參數都會影響種倉結構尺寸，定義吸種針長度L與行星輪、太陽輪中心距離R1比值為系數K，K直接影響吸種針端點在吸種區的軌跡。

圖11a是系數K取0.5、1.0、1.2、1.5、2.0時吸種針端點在吸種區運動軌跡。由圖11a可知，吸種針在點b處于吸種最低點，當K=2.0時，吸種針在點c2.0開始吸種，至c′2.0時完成吸種，當K=0.5時，吸種針在點b0.5完成吸種。因此，速比系數影響吸種針吸種時間，且K越大吸種時間越長，有利于提高排種器吸種性能，當速比系數過小時吸種針只與種群最上層接觸，下層種子無法完成吸種。

排種機構設計為多行并聯結構，根據裝配關系，L需小于相鄰兩根氣流分配管的中心距Ld1，種倉寬度DC需小于對稱兩根氣流分配管的中心距Ld2，其中

(24)

式中R——行星輪分度圓半徑，取39 mm

經計算確定K=1.2，L=95 mm,DC=130 mm，如圖11b所示，根據排種器種倉安裝位置，設計種倉高度HC=60 mm。

圖11 不同K值時吸種針端點在吸種區的軌跡

4 排種性能試驗

4.1 試驗材料與裝置

試驗材料選用菠菜種子，試驗時種子含水率為37.3%，千粒質量為9.13 g。試驗裝置采用BENETECH GM520型手持式風壓表測定風機出風口和進風口氣壓，排種性能檢測裝置采用華中農業大學自主研制的小粒徑種子精量排種器種子流傳感裝置[30]，排種性能試驗如圖12所示。單因素試驗排種轉速、吸種負壓和卸種正壓與排種性能指標關系曲線如圖13所示。

圖12 排種性能試驗裝置實物圖

圖13 排種轉速、吸種負壓和卸種正壓與排種性能指標關系曲線

4.2 試驗設計與方法

由前期研究進展[19]可知，排種轉速、吸種負壓和卸種正壓對排種性能有較大影響，因此選擇三者為試驗因素，為尋求最佳參數范圍，進行三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗，根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》選擇排種合格指數Y1、重播指數Y2、漏播指數Y3為評價指標，試驗因素編碼如表1所示，每組試驗重復3次，取平均值作為試驗結果，每組試驗統計排種器穩定工作狀態連續排出的251粒種子。

表1 試驗因素編碼

根據前期預試驗和單因素試驗結果，確定排種轉速為12～28 r/min，以4 r/min為增量，吸種負壓為1.4～2.6 kPa，卸種正壓為0.4～1.6 kPa，以0.3 kPa為增量。

4.3 結果與分析

4.3.1試驗結果

根據三因素五水平正交旋轉組合試驗方案，共開展20組試驗，試驗結果如表2所示。X1、X2、X3為排種轉速、吸種負壓和卸種正壓編碼值。

表2 正交試驗結果

4.3.2回歸模型的建立與顯著性檢驗

運用數據處理軟件Design-Expert 10.0對試驗數據進行多元回歸擬合，對試驗結果進行回歸分析，建立合格指數、重播指數、漏播指數與排種轉速、吸種負壓、卸種正壓之間的回歸方程，并對試驗結果和回歸方程進行方差分析，結果如表3所示。

(1)合格指數Y1

通過對試驗數據分析，多元回歸擬合得到各因素影響合格指數的回歸模型為

Y1=90.29-2.32X1+1.04X2-0.34X3+0.55X1X2-

(25)

表3 回歸方程方差分析

Y1=90.29-2.32X1+1.04X2-

(26)

通過對式(26)回歸系數的檢驗，得到合格指數的因素影響由大到小為：排種轉速、吸種負壓和卸種正壓。

(2)重播指數Y2

通過對試驗數據分析，多元回歸擬合得到各因素影響重播指數的回歸模型為

Y2=3.61-1.19X1+1.02X2-0.8X3-0.5X1X2+

(27)

Y2=3.61-1.19X1+1.02X2-0.8X3-0.5X1X2+

(28)

通過對式(28)回歸系數的檢驗，得到重播指數的因素影響由大到小為：排種轉速、吸種負壓和卸種正壓。

(3)漏播指數Y3

通過對試驗數據分析，多元回歸擬合得到各因素影響漏播指數的回歸模型為

Y3=6.1+3.51X1-2.07X2+1.14X3-0.051X1X2-

(29)

Y3=6.1+3.51X1-2.07X2+1.14X3-

(30)

通過對式(30)回歸系數的檢驗，得到漏播指數的因素影響由大到小為：排種轉速、吸種負壓和卸種正壓。

4.4 各因素對合格指數的影響

通過Design-Expert 10.0對數據進行處理，可得到排種轉速X1、吸種負壓X2和卸種正壓X3對合格指數的影響規律，其響應曲面如圖14所示。

圖14 交互因素對合格指數影響的響應曲面

圖14a為卸種正壓為1.0 kPa時，排種轉速和吸種負壓交互作用的響應曲面。排種轉速為16～24 r/min、吸種負壓為1.7～2.3 kPa時，排種合格指數較高。吸種負壓一定時，隨著排種轉速的增大，排種合格指數先上升后下降。排種轉速一定時，隨著吸種負壓的增大，排種合格指數先上升后下降。排種轉速為20 r/min、吸種負壓為2 kPa時，合格指數最高。

圖14b為吸種負壓為2.0 kPa時，排種轉速和卸種正壓的交互作用的響應曲面。排種轉速為 16～24 r/min、卸種正壓為0.7～1.3 kPa時，排種合格指數較高。卸種正壓一定時，隨著排種轉速的增大，排種合格指數先上升后下降。排種轉速一定時，隨著卸種正壓的增大，排種合格指數先上升后下降。排種轉速為20 r/min、卸種正壓為1 kPa時，合格指數最高。

圖14c為排種轉速為20 r/min時，吸種負壓和卸種正壓的交互作用的響應曲面。吸種負壓為1.7～2.3 kPa時，卸種正壓為0.7～1.3 kPa時，排種合格指數較高。吸種負壓一定時，隨著卸種正壓的增大，排種合格指數先上升后下降。卸種正壓一定時，隨著吸種負壓的增大，排種合格指數先上升后下降。吸種負壓為2.0 kPa時，卸種正壓為1.0 kPa時，合格指數最高。

4.5 參數優化與驗證試驗

為尋求排種性能最優狀態下的參數組合，以合格指數最大、重播與漏播指數最小為優化目標，對所建立的二次回歸模型開展多因素優化求解，運用Design-Expert 10.0 的優化模塊求解得：當排種轉速為19.56 r/min、吸種負壓為2.05 kPa、卸種正壓為1.00 kPa時，排種性能達到最優，對應排種合格指數為90.92%，漏播指數為4.98%，重播指數為4.10%。模型求解出來的最優參數組合與零水平參數組合參數接近。為驗證優化數據可靠性，根據試驗參數控制條件，對求解的最優參數進行圓整，設定吸種負壓為2.0 kPa、卸種正壓為1.0 kPa、排種轉速為20 r/min，重復進行3次臺架試驗，其平均值為合格指數91.48%、漏播指數4.28%、重播指數4.24%，試驗結果與優化結果相近。

5 投種試驗

根據投種環節力學分析及排種器吸種針運動軌跡分析可知，投種后種子在種床分布的株距均勻性主要與排種轉速和卸種正壓有關[18]。種子脫離排種器到落入種床土壤過程僅受慣性力、重力和正壓力的作用，運動過程不受約束，屬于無約束導種[8]。

為測試排種轉速、卸種正壓以及投種高度對株距均勻性的影響，通過在排種器下方設計接種土槽，模擬排種器田間投種狀態開展投種試驗，試驗裝置如圖15所示，其中接種土槽由土槽臺架、土槽同步帶模組、土槽臺架控制模塊、土槽等組成；鋪設土層厚度為50 mm，土壤為田間采集的細碎沙壤土，試驗時土壤含水率為18.37%，投種試驗設計投種高度100、200、300 mm，通過改變排種器在土槽臺架上方的垂直高度來改變投種高度。

圖15 投種試驗裝置實物圖

為明確投種高度的影響，選取排種性能試驗合格指數大于90%，漏播指數小于5%，重播指數小于5%的工作條件下的參數組合進行投種試驗，根據前期正交試驗，對所建立的二次回歸模型開展多因素優化求解，其目標函數與約束條件為

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求解得：在吸種負壓為2.0 kPa、排種轉速為18～22 r/min、卸種正壓為0.8～1.2 kPa時，合格指數均大于90%，重播指數小于5%，漏播指數小于5%，投種試驗在該工作條件下展開，參數如表4所示。

表4 試驗參數

將不同排種轉速代入式(16)、(17)，得到試驗臺土槽前進速度分別為150、175、200 mm/s，可保證確定株距80 mm時軌跡的實現。試驗參數如表4所示；根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》要求，測定250個粒距，選取合格指數和粒距變異系數作為評價指標；每組試驗重復3次，統計其平均值，結果如表5所示。

表5 投種試驗結果

由表5可知，相同工作參數下，由種子流傳感器檢測的排種合格指數均高于90%，但投種后在種床土壤上測得的合格指數有所降低，投種高度越大，合格指數下降幅度越大，表明種子觸地的隨機碰撞改變了落種粒距間隔。在同一卸種正壓下，投種高度從100 mm增至200 mm時，粒距變異系數變化幅度相對較小；當投種高度增加到300 mm時，落種粒距間隔變化較大，粒距變異系數增大至17.0%以上；在同一投種高度下，排種轉速越大，粒距變異系數增加越大。在相同工作轉速和投種高度條件下，以卸種正壓1.0 kPa為中心，正壓增大或減小時，粒距變異系數均增大，從1.0 kPa增至1.2 kPa時粒距變異系數變化比降至0.8 kPa時更明顯。當投種正壓0.8～1.0 kPa、工作轉速18～20 r/min、投種高度小于200 mm時，粒距變異系數不大于13.2%，工作性能較優。

分析轉速和正壓因素造成粒距均勻性差的原因有：在正壓增大時種子在下落過程中速度變大，種子彈跳現象明顯，更易造成株距分布不均勻；轉速和正壓減小時吸種針卸種不及時，造成延遲投種現象，種子在下落過程中具有水平位移，粒距均勻性較差。分析投種高度因素造成粒距均勻性差的原因有：投種高度過高時，種子從投種口掉落到接觸種床土壤的時間增大，增加了種子與種床碰撞彈跳滑移的概率，造成粒距變異系數變化明顯。

結合投種環節力學分析和投種試驗結果及分析可知，投種高度對粒距均勻性影響明顯，隨著投種高度的增大，粒距變異系數逐漸增大，投種高度小于200 mm時，粒距變異系數變化不明顯；投種高度大于200 mm時，粒距變異系數顯著增大。采用行星輪系與氣流分配管結合的方式實現在排種器最低位投種，相比已有正負氣壓組合管針式集排器的水平位置投種[19]，降低了投種高度，以提高粒距均勻性。

6 結論

(1)針對菠菜等小粒徑蔬菜種子采用窄行密植、播種均勻性要求高，缺乏適用播種裝備的問題，設計了一種氣力針式行星輪系窄行密植多行并聯低位投種精密排種器，通過行星輪系機構與氣流分配管配合，改進吸種針運動軌跡，合理降低投種高度，以提高窄行密植單粒精密播種質量，適用于菠菜等小粒徑蔬菜種子窄行精密播種。

(2)構建了吸種和投種環節力學模型，通過理論與ADAMS虛擬樣機仿真分析了吸種針端點的相對運動軌跡和絕對運動軌跡，結合相對運動軌跡下的位移與速度曲線，明確了排種器在吸種區低速吸種和在投種區低位投種的過程，以及排種器實現低位零速投種條件，確定了排種器關鍵部件結構參數。

(3)采用二次回歸正交旋轉組合試驗方法進行試驗，并對試驗結果進行方差分析，得出影響排種合格指數的主次順序為排種轉速、吸種負壓和卸種正壓。利用Design-Expert 10.0軟件進行數據優化，得出最佳工作參數組合為：排種轉速19.56 r/min、吸種負壓2.05 kPa、卸種正壓1.00 kPa，此時合格指數最大，重播與漏播指數最小。經臺架試驗驗證，其性能指標為合格指數均值91.48%、重播指數均值4.24%、漏播指數均值4.28%，與優化結果基本一致。依據速比特征系數為1.53設置了投種試驗，投種試驗結果表明：當投種正壓為0.8～1.0 kPa、工作轉速18～20 r/min、投種高度小于200 mm時，粒距變異系數不大于13.2%，工作性能較優。