組合型孔輪式玉米精量穴播器設計與試驗

伍皖閩 陳學庚,2 王士國 顏利民 蔣德莉 紀 超

(1.石河子大學機械電氣工程學院， 石河子 832003； 2.農業農村部西北農業裝備重點實驗室， 石河子 832003；3.新疆農墾科學院機械裝備研究所， 石河子 832000)

0 引言

玉米機械化精量播種是指在農藝要求下將種子均勻播到土壤中指定地點(行距、粒距和深度一定)，達到節省種子，省去間苗作業，提高產量的目的，受到高度重視和廣泛應用。穴播器作為鋪膜播種機的核心部件，其排種性能是影響播種質量的重要因素[1-3]。

玉米穴播器按其工作原理可分為機械式和氣力式，氣力式穴播器對種子的形狀適應性較強，但存在結構復雜、能耗大、價格昂貴等缺點。機械式穴播器因具有結構簡單、成本低、維修方便等優點在實際中得到廣泛應用[4-7]。目前，新疆機械式穴播器主要分為夾持式和型孔輪式[8]。夾持式穴播器利用夾持原理完成充種，按其取種模塊的不同可分為動定夾取種和夾板夾盤取種。付威等[9]設計了強制夾持式穴播器，滾輪通過導軌使動夾打開和閉合，完成與定夾對種子的夾取，播種機工作速度為3.54 km/h時，穴播器排種性能較好；蔣蓓等[10]對夾持式穴播器夾板夾盤進行設計，當播種機速度為2.1 km/h時，排種合格率為90%，分析可知，夾持式穴播器存在夾取多粒，籽粒形狀要求嚴苛，清種不徹底等問題[11]。

型孔輪式穴播器通過振動齒板與拐臂接觸使取種塊轉動，實現取種塊上型孔朝向的變化，從而完成充種與排種；同時振動齒板與拐臂相對運動產生小幅高頻振動，增強了穴播器的清種和種群擾動能力，有效提高穴播器充種性能[12-13]。李娟娟等[14]對棉花穴播器的充種性能分析發現，排種合格率隨振動頻率的增大，呈先增大后減小趨勢，振動頻率為6.08 Hz時，排種合格率達到最大，為94.65%；房碩等[15]對24穴棉花穴播器試驗發現，穴播器轉速過快易產生甩籽現象；型孔輪式穴播器目前在新疆棉花播種領域應用廣泛，在玉米領域的研究未見報道。

國內外學者對型孔進行了大量的研究。于建群等[16-17]提出一種階梯形型孔，研究發現只要選擇合適的內窩定量孔與充填孔的尺寸與形狀，對不同品種和不分級的玉米種子均能達到精播要求。SINGH等[18]和MALEKI等[19]發現種子尺寸決定排種器型孔形狀、尺寸等參數，直接影響排種精度。劉艷芬等[20]對水平圓盤式排種器的型孔進行優化設計，結果表明，型孔倒角與傾角對排種器播種性能影響顯著。夏連明等[21]對丸?；衩着欧N器研究發現，增大型孔直徑會使型孔體積增大，易造成重播。通過已有研究可知[22]，階梯形型孔通過改變型孔形狀和尺寸來約束種子姿態，實現定量充種，增強了型孔對種子的適應性，有效提高播種質量。

本文結合拐臂窩眼式穴播器特點和階梯形型孔設計思想，設計一種組合型孔輪式玉米精量穴播器。以新玉23玉米種子為研究對象，對穴播器組合型孔和齒板進行設計，優化求解關鍵部件的最優參數組合，進行臺架和土槽試驗，測試其在種子不分級條件下的排種性能，以期為玉米機械式穴播器的設計與應用提供參考。

1 穴播器整體結構與工作原理

組合型孔輪式玉米精量穴播器主要由定盤、壓盤、取種腰帶、齒板、鴨嘴等組成，如圖1a所示，其中取種腰帶由多個取種模塊連接而成，每個取種模塊包括拐臂、連接塊、取種塊、種盒、扭轉彈簧、清種刷，如圖1b所示。穴播器按其功能和工作順序分為充種區、清種區、攜種區和投種區，如圖1c所示。

圖1 穴播器結構及工作區域示意圖Fig.1 Structure and working area of seed-metering device1.進種口 2.穴播器軸 3.動盤 4.壓盤 5.芯盤 6.齒板 7.取種腰帶 8.鴨嘴 9.定盤 10.軸端蓋 11.拐臂 12.連接塊 13.取種塊 14.種盒 15.扭轉彈簧 16.清種刷 Ⅰ.充種區 Ⅱ.清種區 Ⅲ.攜種區 Ⅳ.落種區

穴播器工作原理為：種箱內的玉米種子通過進種口進入穴播器形成種群，取種塊隨著穴播器在拖拉機動力牽引下轉動，穴播器上取種塊進入充種區時，取種模塊上拐臂與齒板接觸帶動取種塊轉動，取種塊上型孔開口朝向充種室，種子在自身重力、離心力和種間相互作用力下充入型孔；拐臂離開齒板時，拐臂經過齒板產生的振動和清種條共同作用下將型孔中多余種子清出，取種塊在彈簧恢復力作用下回到相對初始位置，完成充種與清種；型孔內的種子隨穴播器繼續轉動，在投種區時由重力作用落入鴨嘴腔；隨著穴播器轉動，定鴨嘴完成破膜與成穴，動鴨嘴在土壤支持力作用下回轉，鴨嘴打開，種子通過鴨嘴口落入土壤，完成播種。

2 穴播器關鍵部件設計

2.1 取種塊組合型孔設計

取種塊是組合型孔的載體，是穴播器充種的核心，取種塊上組合型孔尺寸直接影響穴播器的充種性能。為保證穴播器單粒充種，確定組合型孔尺寸與形狀，依據玉米種子尺寸對組合型孔進行參數設計。組合型孔結構如圖2所示。

圖2 組合型孔結構示意圖Fig.2 Structure diagram of combined-hole1.內窩定量孔 2.充填孔

2.1.1組合型孔數目確定

取種腰帶直徑范圍[23]一般為300～400 mm，腰帶直徑選取較大值時，有利于提高充種和清種效率。因此本文腰帶外直徑設計為312 mm，內直徑為272 mm，穴播器最大直徑(鴨嘴外圈直徑)da為450 mm。

組合型孔的數量是影響播種質量的重要因素。在株距和機具牽引速度一定時，型孔越多，排種轉速越低，有利于提高穴播器充種性能。穴播器型孔個數[24]應滿足

(1)

式中K——型孔個數

Ld——播種株距，mm

根據新疆玉米種植農藝要求與經驗，玉米的播種株距一般為100～300 mm，取Ld=200 mm；穴播器由播種機具直接牽引前進，不存在速比，計算得K=7.069，取型孔個數為7。

2.1.2內窩定量孔設計

種子尺寸、種子趨近型孔的姿態、種子進入型孔的姿態和型孔相對取種塊位置都直接影響型孔參數的確定。本文隨機選擇1 000粒新玉23玉米種子，對其長L、寬W、厚T進行測量并統計，測得其長度、寬度和厚度的正態分布均值分別為10.97、8.83、6.78 mm，最大值分別為14.33、10.53、9.62 mm，根據種子尺寸，確定內窩定量孔和充填孔結構參數。

2.1.2.1定量孔長度

內窩定量孔是依靠容積來控制充種量[25]，因此，確定合適的容積尺寸，有利于提高充種性能。為保證單粒充種，定量孔長度應小于兩粒種子囊入型孔的長度最小值，即此時一顆種子呈平躺姿態，另一顆呈側立姿態，如圖3a所示，型孔有效長度為

圖3 型孔直徑與種子姿態關系圖Fig.3 Relation diagrams between hole diameter and seed posture

(2)

式中Lmax——種子最大長度，mm

Wa——種子寬度正態分布均值，mm

Ls——定量孔長度，mm

Ta——種子厚度正態分布均值，mm

D1——定量孔最大長度，mm

ΔL——長度間隙，mm

為提高充種性能，避免種子在型孔口卡住，故本文長度間隙應取較大值，ΔL取3 mm，式(2)計算得定量孔長度為17.33 mm，取Ls=17.5 mm。

2.1.2.2定量孔寬度

充種過程中，定量孔寬度應小于兩粒種子側立囊入型孔的厚度最小值和側立囊入型孔的寬度最小值，如圖3b所示，定量孔寬度為

(3)

式中Wmax——種子最大寬度，mm

Ws——定量孔寬度，mm

D2——定量孔最大寬度，mm

ΔW——寬度間隙，mm

為使單粒種子能以直立姿態進入型孔，定量孔寬度應大于種子的最大寬度，寬度間隙ΔW一般為1.5 mm[26]，由式(3)計算可得，定量孔寬度為Ws=12 mm。

2.1.3充填孔設計

2.1.3.1充填孔直徑

為了進一步保證精量播種，對充填孔直徑進行控制，使其容納一粒種子，并用種子寬度和厚度的臨界值來確定直徑。同時保證種子以直立和側立的姿態進入型孔，避免進入充填孔是平躺姿態，導致型孔堵塞，故充填孔直徑要小于種子長度的最大值。

(4)

式中Dr——充填孔直徑，mm

Tmax——種子厚度最大值，mm

由式(4)計算可得充填孔直徑范圍為10.53～14.33 mm，此時種子除平躺姿態外，任何姿態都能進入充填孔，為減少重播，充填孔直徑應取小值，本文Dr取11 mm。

2.1.3.2充填孔形狀

充填孔一般分為平底長形、錐形和球形[27-28]，通過大量試驗發現，平底長形充填孔在進種時易囊入多粒種子，造成重播；當種子以頭朝下充入錐型充填孔時，型孔易堵塞，造成漏播；球形充填孔與前兩者相比，對種子的適應性較強，囊種效果較好，因此本設計采用球形充填孔。

圖4 充填孔孔型Fig.4 Structure shapes of filling hole

2.1.4組合型孔深度

根據《農業機械設計手冊》可知，組合型孔深度由種子的長度最大值確定。型孔深度過大會導致型孔容積變大，提高了多粒種子進入型孔的可能性，這是導致穴播器播種性能下降的因素之一。故本設計型孔深度應不大于種子長度最大值，且為減少種子的磨損，深度應大于種子長度均值，即

La

(5)

式中H——組合型孔總深度，mm

為避免型孔中種子的露出部分與種盒內壁刮蹭，出現種子損傷現象，型孔深度應取較大值，本文深度初步定為12.3 mm。組合型孔深度為定量孔深度與充填孔深度之和。玉米種子的重心確定方法為[29]：重心至其大頭處的距離占玉米總長度的40%，故充填孔深度為

Hd=0.4La

(6)

式中Hd——充填孔深度，mm

由式(6)可得，充填孔深度取4.4 mm。

2.2 型孔位置確定

組合型孔在取種塊上相對位置的不同直接影響穴播器的充種性能。通過分析穴播器工作原理發現，穴播器在工作時存在極限位置，如圖5a、5b所示，即：充種時，型孔開口應完全指向穴播器充種室，有利于種子囊入型孔，提高充種性能；落種時，型孔開口指向鴨嘴腔，有利于種子落入鴨嘴腔，完成排種。以充種時取種塊為對象，分析型孔在取種塊上的位置，研究型孔在取種塊上相對位置的最佳組合，且為保證型孔制造中不被打穿，型孔與取種塊軸孔間應保持距離0.9 mm。建立如圖5c所示的極坐標系。假設型孔在取種塊上可動，因型孔深度為定值，故可把曲線ABCD當成剛體，型孔在取種塊上的運動可描述為剛體ABCD沿曲線AE運動，則點A、O1、B、D和C坐標為：A(lAOcosθ,lAOsinθ)；O1(lAOcosθ+lABcosθ1+lBO1cosθ5,lAOsinθ+lABsinθ1+lBO1sinθ5)；B(lAOcosθ+lABcosθ1,lAOsinθ+lABsinθ1)；D(lAOcosθ+lABcosθ1+2lBO1cosθ5,lAOsinθ+lABsinθ1+2lBO1sinθ5)；C(lAOcosθ+lABcosθ1+lBO1cosθ5+lCO1cosθ1,lAOsinθ+lABsinθ1+lBO1sinθ5+lCO1cosθ1)。其中

圖5 型孔位置分析圖Fig.5 Analysis diagrams of hole location

(7)

在三角形OO1C中，由余弦定理可得

(8)

式中θ——點A極角,(°)

θ1——AB方向角,(°)

θ2——AB相對AO的夾角,(°)

θ4——點C極角,(°)

θ5——BD方向角,(°)

α——型孔方向角,(°)

β——型孔位置角,(°)

由式(8)可知，當θ4已知時，型孔位置角β與型孔方向角α及點A處的極角θ有關。點A又為型孔左側壁極限，當剛體ABCD沿著曲線AE移動時，無論型孔方向角α增大或減小，極角θ都呈遞減趨勢。當極角θ一定，剛體ABCD繞點A逆時針旋轉，為保持充填孔的完整性，此時點D存在上極限，α存在極小值，即點D應位于AEF曲線內，以EF為圓弧圓的方程為

(x-3.7)2+(y-5.35)2=10.62

(9)

點D軌跡應滿足

(lAOcosθ+lABcosθ1+2lBO1cosθ5-3.7)2+
(lAOsinθ+lABsinθ1+2lBO1sinθ5-5.35)2≤10.62

(10)

當剛體ABCD繞點A順時針旋轉時，為保證型孔與取種塊回轉孔之間保持0.9 mm的距離，此時點D有下極限，α存在極大值，極限為圓弧BCD與臨界圓相切，有

(lAOcosθ+lABcosθ1+lBO1cosθ5-1.2sinθ5)2+
(lAOsinθ+lABsinθ1+lBO1sinθ5+1.2cosθ5)2≥11.52

(11)

由式(11)可知極角θ與α有關，由圖5a、5b可知，極角θ在充種和落種極限位置處分別為100°和90°，將其代入式(10)、(11)，可得型孔方向角范圍為6°～26°，由式(8)可得型孔位置角范圍為38°～50°。式(8)求出的α和β的范圍為并集，即其所有的組合并不能都滿足上述邊界要求，對范圍進行分析可知，當α為6°，β為27°～38°時，此時型孔極角θ不在極限范圍內，故β在38°～50°間選取。又因為α和β是型孔與取種塊間的相對結構參數，不隨穴播器轉動而變化，故由α和β確定型孔在取種塊上相對位置，并由后續試驗確定最佳參數組合。

2.3 充種過程運動分析

種子能否進入型孔與種子和型孔間的相對速度有關，為分析種子和型孔間相對運動對充種過程的影響，建立充種過程種子的運動分析圖。以種子長軸方向為X軸方向，垂直X軸方向為Y軸，建立圖6所示的坐標系。

圖6 種子充入型孔運動學分析Fig.6 Kinematic analysis of seed filling hole

型孔囊種過程包括種子質心沿X軸方向做勻速運動和沿Y軸方向做自由落體運動，忽略種間相互作用力，種子質心運動方程為

(12)

式中h——種子質心與取種塊間的高度，mm

d——種子質心至型孔后端的距離，mm

vτ——種子相對速度，m/s

t——種子充入型孔所需時間，min

由式(12)可得種子充入型孔的最大速度為

(13)

種子充入型孔的速度可分為：種子與穴播器間的相對速度和取種塊線速度在X軸方向上的矢量和，即

vτ=v1+v2

(14)

其中

(15)

由式(14)、(15)可得種子的最大相對極限轉速為

(16)

式中v1——種子與穴播器間相對速度，m/s

v2——取種塊與穴播器間相對速度,m/s

ω1——穴播器角速度，rad/s

ω2——取種塊角速度，rad/s

R1——腰帶內徑，取136 mm

R2——取種塊半徑，取16 mm

R3——拐臂頂部半徑，取9 mm

R4——拐臂中心長度，取30 mm

目前新疆玉米鋪膜播種作業速度為3～4 km/h，由式(16)得出排種盤的最大轉速為45 r/min，滿足新疆玉米鋪膜播種作業速度要求。

2.4 齒板設計

齒板是影響穴播器充種性能的重要因素。拐臂與齒板做相對運動時，齒的齒形輪廓不同，導致拐臂旋轉角度不同，窩眼打開的方向隨之發生變化，影響充種性能；同時，拐臂通過齒板產生振動，將型孔內多余種子抖動下來，提高清種效率，增強了一定的種群擾動能力。因此，為研究齒板最佳齒形輪廓，對穴播器齒板進行設計。將齒板上的齒設計為直齒狀，并把拐臂和齒板中的齒分別簡化成擺桿和凸輪，拐臂經過齒板的運動過程即可轉化為凸輪帶動擺桿轉至凸輪最高點B2的過程，不考慮拐臂經過齒最高點以后扭轉彈簧施加給拐臂的回轉力所做的回轉運動，運用解析法求解凸輪輪廓線，如圖7所示。

圖7 凸輪輪廓線設計Fig.7 Cam profile synthesis

點B2處x和y坐標公式[30]為

(17)

其中

(18)

齒板(圖8)安裝在穴播器芯盤上，故齒頂圓半徑應不大于芯盤的半徑，即

圖8 齒板Fig.8 Truss plate

(19)

式中la——擺桿與凸輪回轉中心間距離，148 mm

lb——擺桿長度，取39 mm

δ——凸輪轉角，(°)

φ——擺桿角位移，(°)

φ0——擺桿初始位置角，(°)

r0——齒板基圓半徑，116 mm

rs——芯盤半徑，126.5 mm

由式(18)計算可得φ0為30°。由式(17)可知，點B的坐標與凸輪轉角δ及擺桿角位移φ有關，凸輪轉角一般為55°～75°，當凸輪轉角δ為75°，角位移φ為0.07 rad，點B坐標為(111 mm，60 mm)，齒板最大半徑設計為126 mm，齒板厚度為3 mm，齒數為7。

3 排種性能試驗

3.1 臺架試驗

3.1.1試驗材料及裝置

試驗選用新玉23號包衣玉米種子，千粒質量為491 g，含水率為13.4%，人工精選剔除破損種子。使用Lite-600型三維打印機對取種塊和齒板進行3D打印，打印材料為光敏樹脂R4600，打印精度0.2 mm。在新疆農墾科學院進行臺架試驗，試驗裝置為JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺，如圖9所示，排種軸轉速可調范圍10～150 r/min，種床帶速度可調范圍1.5～12 km/h。

圖9 計算機視覺排種器試驗臺及種子分布圖Fig.9 Computer vision seed metering device test bench and seed distribution graph

3.1.2評價指標

根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，以排種合格指數y1、漏播指數y2和重播指數y3作為試驗指標，開展穴播器臺架性能試驗。

3.1.3試驗設計

組合型孔深度影響型孔位置角β，為降低試驗復雜性，采用單因素試驗確定型孔深度，縮小型孔方向角和型孔位置角的范圍。然后根據理論分析和前期試驗，采用Box-Behnken中心組合試驗設計進行試驗，確定影響排種性能的各因素最佳參數組合。

3.1.4試驗結果與分析

3.1.4.1型孔深度對排種性能的影響

設定型孔方向角為21°，型孔位置角為44°，穴播器轉速為40 r/min，分析型孔深度分別為12.0、12.3、12.6 mm時對排種性能的影響，每組試驗測種子數為251粒，每組試驗重復3次，取平均值，試驗結果如表1所示。

表1 不同型孔深度時的排種性能試驗結果Tab.1 Result of seeding performance at different hole depths

由表1可知，當型孔深度為12.3 mm時，排種合格指數為85.92%、重播指數為7.17%、漏播指數為6.91%，此時排種性能最好；當型孔深度為12 mm時排種性能較差，主要原因是，深度減小，型孔容積變小，型孔中的種子易被清種，漏播指數增大；當型孔深度為12.6 mm時，型孔容積變大，易囊入多粒種子，且部分多余種子會卡在取種塊與清種條之間，在落種區和型孔中的種子一起掉落進鴨嘴腔，從而導致重播指數增大。

3.1.4.2型孔方向角對排種性能的影響

由2.2節分析可得，型孔方向角的范圍為6°～26°，設定型孔位置角44°、型孔深度12.3 mm、穴播器轉速40 r/min進行試驗，試驗結果如表2所示。

表2 不同型孔方向角時的排種性能試驗結果Tab.2 Result of seeding performance at different hole direction angles

由表2可知，隨著型孔方向角增大，排種合格指數呈先增大后減小的趨勢。分析其原因為，型孔方向角越小，型孔越趨近于取種塊左極限位置，型孔容積越小，清種時間越少；型孔方向角越大，型孔容積越大，充種性能提高，并在21°時，合格指數達到最大值，此時型孔方向角再增大，充種時種子也不再斜躺于型孔內，取種塊回程時易被清種。

3.1.4.3型孔位置角對排種性能的影響

型孔方向角只能確定型孔在取種塊上的朝向，并不能確定型孔相對位置，型孔位置角和型孔方向角緊密相關，二者之間相互約束。在穴播器轉速為40 r/min，型孔方向角為16°，型孔深度為12.3 mm時，分別分析型孔位置角為32°、38°、44°、50°時穴播器的充種情況，結果如表3所示。

表3 不同型孔位置角時的排種性能試驗結果Tab.3 Result of seeding performance at different hole position angles

結果表明型孔位置角影響穴播器充種性能，排種合格指數隨型孔位置角的增大先增大后減小，說明型孔位置角增大，型孔左極限與點A間實體部分對充種性能影響顯著，對下層種群有一定的阻擋作用，減少了型孔堵塞；當型孔位置角繼續增大為50°時，回程時間增大，回程時部分種子會被卡在取種塊和取種條之間，隨著型孔中種子一起落入鴨嘴腔，重播指數增大。

3.1.4.4Box-Behnken中心組合試驗設計

根據Box-Behnken中心組合試驗設計共進行17次試驗，各因素取值范圍為：型孔方向角17°～25°，型孔位置角42°～46°，穴播器轉速35～45 r/min，試驗因素編碼如表4所示，根據試驗安排進行參數組合試驗，每組試驗重復3次取平均值，試驗方案與結果如表5所示，X1、X2、X3為因素編碼值。

表4 試驗因素編碼Tab.4 Codes of test factors

表5 試驗方案與結果Tab.5 Experimental project and results

利用Design-Expert 8.0.6軟件對正交試驗結果進行回歸擬合并方差分析，方差分析如表6所示，得到合格指數y1、重播指數y2、漏播指數y3與試驗因素編碼值的回歸方程為

(20)

(21)

(22)

表6 試驗結果方差分析Tab.6 Variance analysis of experimental result

(23)

同理可得，剔除回歸模型中不顯著項后重播指數和漏播指數的回歸方程為

(24)

(25)

此時回歸模型擬合決定系數R2分別為0.966 5、0.966 0、0.963 5，表明回歸模型預測值與實際值有較高相關性。失擬項P值分別為0.822 3、0.793 1、0.483 1，均大于0.05，表明回歸方程擬合度高，可用此方程來優化穴播器的參數。

方差分析表明，試驗因素對合格指數影響的主次順序為型孔位置角、型孔方向角、穴播器轉速；對重播指數影響的主次順序為型孔方向角、型孔位置角、穴播器轉速；影響漏播指數的主次順序為型孔方向角、穴播器轉速、型孔位置角。型孔方向角和型孔位置角的交互項X1X2對合格指數、重播指數和漏播指數影響均極顯著。

利用Design-Expert 8.0.6軟件得到穴播器轉速為40 r/min時，型孔方向角和型孔位置角交互作用對合格指數、重播指數和漏播指數影響的響應曲面，如圖10所示。

由圖10a可知，當型孔方向角一定時，隨著型孔位置角的增大，排種合格指數呈先增大后減小的趨勢，型孔位置角在44°～46°時排種合格指數較高；當型孔位置角一定時，隨著型孔方向角的增大，排種合格指數呈現先增大后減小的趨勢，型孔方向角在19°～23°時排種合格指數較高。型孔方向角20.3°、型孔位置角44.7°時，排種合格指數達到最大值。

圖10 因素交互項對試驗指標影響的響應面(n=40 r/min)Fig.10 Response surfaces of influence of interactive factors on each index

由圖10b可知，當型孔方向角一定時，隨著型孔位置角的增大，重播指數呈遞減趨勢；當型孔位置角一定時，隨著型孔方向角的增大，重播指數呈先減小后增大的趨勢，型孔方向角在21°～25°時重播指數較低。

由圖10c可知，當型孔方向角一定時，隨著型孔位置角的增大，漏播指數呈先減小后增大的趨勢，型孔位置角在43°～45°時漏播指數較低；當型孔位置角一定時，隨著型孔方向角的增大，漏播指數呈現先減小后增大的趨勢，型孔方向角在19°～21°時漏播指數較低。

分析原因可知：隨著型孔位置角增大，型孔左極限與點A之間的實體部分增多，首先對下層種群進種具有一定的阻擋作用，減少了種子在型孔處的堵塞，降低了重播；其次影響了中間種群的進種，漏播指數增大。隨著型孔方向角的增大，型孔容積變大，種子易進入型孔，重播指數和漏播指數都減??；容積越大，重播越多，且型孔左極限與點A處實體部分越多，漏播指數越大。

為得到約束條件下各因素的最佳組合，以穴播器合格指數最大，重播指數和漏播指數最小為評價指標，對充種性能回歸模型進行多目標優化求解，回歸方程和約束條件為

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將數據代入Design-Expert軟件可得試驗因素的最優組合：型孔方向角為20.3°，型孔位置角為44.7°，穴播器轉速為40 r/min，此時穴播器的合格指數為89.12%，重播指數為7.30%，漏播指數為3.87%。為驗證其可靠性，開展臺架驗證試驗，試驗重復3次取平均值，結果為：排種合格指數91.14%，重播指數4.23%，漏播指數4.63%，臺架驗證試驗合格指數、重播指數和漏播指數與優化結果絕對誤差分別為2.02%、3.07%、0.76%，分析原因為：每次試驗時夾緊裝置松緊不一致，穴播器會有輕微的傾斜，且穴播器轉動時傳動鏈張緊程度不同，穴播器振動幅度會不同，從而導致絕對誤差較大，但都在允許范圍內。

3.2 土槽試驗

為驗證臺架試驗的可靠性，檢驗窩眼式玉米穴播器的工作性能，于2021年10月31日在新疆鑫昌盛農機有限公司進行土槽試驗，試驗土槽長150 m，寬10 m，如圖11所示。試驗前使用旋耕犁耕整，將優化后的穴播器掛在牽引機具上，通過對穴播器轉速計算得牽引前進速度為3.38 km/h，試驗重復5次，取其平均值作為最終試驗值。試驗測得穴播器土槽作業的排種合格指數為92.53%，重播指數為3.54%，漏播指數為3.93%，與優化結果相比合格指數提高了1.39個百分點，重播指數降低了0.69個百分點，漏播指數降低了0.7個百分點，與臺架驗證結果基本一致。因為在實際工作中，存在很多振動來源，比如牽引機具的振動、土壤中的小土塊等都會使穴播器產生振動，這些振動一方面增強了種群的擾動能力，另一方面提高了穴播器清種性能，降低了重播。與夾持式穴播器相比，排種合格率提高了2.53個百分點。滿足新疆玉米精量播種作業要求。

圖11 土槽試驗Fig.11 Soil bin test

4 結論

(1)設計了一種組合型孔輪式玉米機械穴播器。對其工作原理進行分析，對穴播器關鍵部件進行結構參數設計，構建了型孔與取種塊間相對位置數學模型，確定影響穴播器排種性能的參數及范圍。對型孔深度、型孔方向角和型孔位置角分別進行單因素試驗，確定型孔深度和縮小型孔方向角、型孔位置角的參數范圍；采用Box-Behnken中心組合試驗設計，建立了排種性能指標與試驗因素間的回歸數學模型，得到了各因素對試驗指標的影響規律和交互作用關系。

(2)運用Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行分析，對回歸模型進行多目標優化，得到最優參數組合為型孔深度12.3 mm，型孔方向角20.3°，型孔位置角44.7°，穴播器轉速40 r/min，此時合格指數為89.12%，重播指數為7.30%，漏播指數為3.87%。通過臺架驗證試驗得到合格指數為91.14%，重播指數為4.23%，漏播指數為4.63%。

(3)將最優參數組合下的組合型孔輪式穴播器安裝于牽引機具進行土槽試驗，合格指數、重播指數和漏播指數試驗結果分別為92.53%、3.54%、3.93%，與夾持式穴播器相比，排種合格指數提高了2.53個百分點，結果表明該穴播器作業性能較好，滿足新疆玉米精量播種農藝要求。