高速播種機玉米姿控驅導式排種器設計與試驗

董建鑫 高筱鈞 張仕林 劉 研 陳旭輝 黃玉祥,2

(1.西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西楊凌 712100；2.陜西省農業裝備工程研究中心，陜西楊凌 712100)

0 引言

實現玉米精密播種技術的關鍵是確保排種器排種均勻、穩定[1-2]。機械式排種器因結構簡單、配套性好、制造和使用成本低等優點，在我國擁有廣泛的應用前景[3-5]。隨著精密播種技術發展，田間高速作業能力已成為衡量播種機性能的重要指標[6-8]?，F階段，玉米精密播種機作業速度不斷提高，但由于受種子形狀、尺寸差異等因素制約，機械式排種器高速作業時難以保持高質量排種效果[9-10]。因此，提升機械式排種器的高速作業性能，對促進玉米精密播種技術與裝備發展具有重要意義。

機械式排種器的工作過程一般可分為充種、清種、護種、投種4個階段，為確保其工作性能可靠，學者對其結構與工作原理進行了大量研究[11-14]。在提高充種效果方面，常采用增大種群擾動、施加機械振動等方式，破壞種層間相互制約的力鏈并提升種群流動性，從而降低種子進入充種口時的充填阻力[15-17]；為了提高清種效果，常利用清種毛刷、鋼絲及刮種片等輔助部件，使多余種子在外力作用下脫落，或結合高速影像探明有效清種區域，優化護種板角度等方法[18-20]。此外，相關學者還設計了雙定種、導種槽等新型取種單元結構，對充種前種子的運動方式起到有效導向作用，引導種子進入型孔，從而提升大豆排種器的高速作業能力[21-23]。然而，由于玉米種子充種時姿態各異，隨著機械式排種器的轉速提升，短時間內種子充入姿態難以有效匹配充種口形狀，易造成漏充現象；且當多粒種子保持隨機姿態充入型孔時，也容易將其堵塞，導致無法完成清種；上述問題是造成機械式排種器高速作業時排種精度下降的主要原因。

為此，本文設計一種姿控驅導式玉米精量排種器，利用調姿齒對種子的充前姿態進行調整，配合單元型孔控制種子的充入姿態，并采用雙側種盤對置、單列排種的結構布局，以確保高速作業時充、清種效果穩定，進而提升排種性能。根據種子的物理機械特性，完成排種器的關鍵零部件參數設計，分析種子姿態調整原理，開展臺架性能試驗，獲取排種器最優參數組合，并驗證其高速作業性能及姿態調控技術的有效性，以期為機械式精量排種器研究提供參考。

1 排種器結構與工作原理

姿控驅導式精量排種器的結構爆炸圖如圖1a所示，主要包括前殼體、護種板、排種盤、褲型入種管、遞種隔板、導種輪、后殼體、傳動軸、投種口。

圖1 排種器結構示意圖

圖1b為排種器裝配圖。其中，取種單元作為調控種子姿態并實現充、清種的關鍵部件，由調姿齒與單元型孔構成，調姿齒用于調整位于調姿槽底部種子的姿態；護種板與殼體壁面之間為調姿槽，槽底采用弧形曲面，使槽底的種子在側向力作用下進入取種單元；導種輪上連續分布有導種倉格，由于承接兩側排種盤上取種單元投遞的種子，相鄰兩個倉格側面開口相反；毛刷位于護種板末端，防止取種單元與護種板夾碎清落的種子；排種盤內徑處設有擾種齒，用于破壞種群的靜止堆積狀態，促使種子進入調姿槽內。

排種器工作原理如圖2所示，共分為充種、清種、遞種、導種和投種5個階段，其中充種階段包含種子的姿態調控過程。

圖2 排種器工作原理圖

種子從入種管進入排種器前、后兩側種室后，隨擾種齒攪動進入調姿槽，由于調姿槽寬度的限制，槽底的馬齒形與球錐形種子將保持豎立1、側立2或斜躺3共3種姿態，豎立姿態的種子受護種板邊緣高度的限制，無法進入取種單元，因此需要利用調姿齒撥動其進行翻滾，以調整姿態，直至調整為斜躺或側立姿態后，在側向力作用下穿越護種板底部，進入取種單元內準備充種。此時，種子將保持平躺或側立兩種姿態，在遞種隔板壁面摩擦力驅動下，控制其保持現有姿態充入單元型孔；取種單元攜帶種子運動至清種區后，多余種子受到約束力不足而隨重力下落，型孔內僅保留單粒種子；隨后兩側取種單元內的種子投遞至導種倉格內匯聚成同一列后，隨重力與離心力運動至導種倉格底部，在投種區排出。

2 關鍵零部件結構設計

2.1 種子形狀特征及尺寸

種子的形狀特征及尺寸是排種器關鍵零部件結構設計的重要依據[24]。本文選用未經過分級處理的鄭單958玉米種子作為研究對象，根據其外形輪廓特征將種子分為馬齒形、球錐形與近球形3類，將每類種子各隨機選取100粒，通過三維掃描的方法得到其外形輪廓，依次測量每顆種子的三軸尺寸并統計。以種子質心為原點，長度、寬度、厚度所在坐標軸分別為z軸、y軸、x軸，如圖3所示。

圖3 玉米種子三軸尺寸

2.2 排種盤

排種盤直徑決定取種單元的數量及分布，對整機性能至關重要?！掇r業機械設計手冊》中，機械式排種器的種盤直徑通常取80～260 mm，不宜過大或過小[25]。排種盤直徑過小時，圓周可分布取種單元數量減少，排種器高速作業時轉速提升，不利于排種均勻、穩定；排種盤直徑過大時，取種單元數目可增多，有利于降低排種器的工作轉速，提高排種穩定性，但直徑過大也會相應提升制造成本、裝配難度及作業功耗[26-27]。故本文綜合考慮后選取排種盤外徑d為230 mm，內徑d0為150 mm，如圖4所示。

圖4 排種盤裝配示意圖

2.3 調姿槽

調姿槽用于配合調姿齒調整種子的充前姿態。由于種群中馬齒形與球錐形種子的形狀、尺寸差異較大，并且數量較多。為實現上述兩種形狀種子的姿態調整，需要確定調姿槽的尺寸參數。首先應確保近球形種子在最大均徑smax下可以進入取種單元內，其次針對馬齒形和球錐形種子的姿態進行分析，具體如下：

為準確調整種子的姿態，應初步限制長軸垂直于槽壁的種子(受限姿態1與受限姿態2)落入槽內，調姿槽的寬度r1應小于種子的最小長度lmin(圖5a、5b)；當落入槽內種子的長軸平行于槽壁時，種子可到達槽底呈豎立、斜躺或側立姿態，由于護種板邊緣高度r2小于種子的最小長度lmin，保持豎立姿態(受限姿態3與受限姿態4)的種子無法進入取種單元，所以需要對其進行姿態調整(圖5c、5d)；為使調整后的種子以斜躺或側立姿態進入取種單元，護種板邊緣高r2應大于種子的最大寬度wmax或種子的最大厚度tmax(圖5e、5f)。因此，調姿槽的結構參數滿足

圖5 調姿槽結構參數示意圖

(1)

式中l——馬齒形或球錐形種子長度，mm

w——馬齒形或球錐形種子寬度，mm

t——馬齒形或球錐形種子厚度，mm

由表1可知，lmin、wmax、tmax與smax的取值分別為10.77、9.98、8.41、9.99 mm。根據式(1)確定r1與r2均取10 mm。

表1 玉米種子三軸尺寸測量結果

為使種子調整姿態后能順利通過護種板底端進入取種單元，還需確定槽底截面圓弧半徑的取值。以調姿槽寬度r1為半徑的圓O1、以護種板邊緣高r2為半徑的圓O2，均不與以槽底截面圓弧r0為半徑的圓O0發生干涉，即圓O1與圓O2下側的公切線與圓O0間存在長度為Δr0的間隙，如圖6所示。其中，圓心O1、O2分別為護種板截面末端倒角的起點與終點，圓O1與槽壁相切于點a、圓O2與槽底相切于點b，圓O0同時經過a、b兩點，圓心O0位于線段ab的法向平分線上。

圖6 槽底圓弧截面參數示意圖

因此，圓O1、圓O2下側公切線與圓O0的間隙Δr0應滿足

Δr0≥0

(2)

由圖6中圓O1、圓O2與圓O0的幾何位置關系可得

(3)

式中lab——點a、b間距離，mm

將r1與r2取值代入式(3)后，聯立式(2)可得：r0≥12.85 mm。為使調姿槽內種子調整姿態后有足夠側向充填力進入取種單元，槽底截面圓弧半徑不宜過大，Δr0取值應接近于0，因此r0取12.85 mm。

種子完成姿態調整后的受力情況如圖7所示。

圖7 槽底種子受力分析

以種子質心為原點，水平方向為x軸，豎直方向為y軸建立坐標系，種子在x軸方向的合力滿足

∑Fx=[(FN+Fr+G)cos45°-f]cos45°

(4)

其中

(5)

Fn=(FN+Fr+G)cos45°

(6)

式中FN——種子受到的上方種層壓力，N

Fr——種子受到的離心力，N

G——種子受到的重力，N

f——種子與排種器結構間摩擦力，N

μ——種子與排種器間滑動摩擦因數

Fn——種子受到的支持力，N

m——種子質量，kg

g——重力加速度，取9.8 m/s2

r——種子所在位置半徑，m

ω——排種器角速度，rad/s

聯立式(4)～(6)，可得

∑Fx=0.5(1-μ)(FN+mrω2+mg)

(7)

由式(7)可知，種子受到x軸方向的合力，與排種器角速度ω、上方種子的壓力FN呈正相關。因此，排種器的角速度越高，種子進入取種單元時的側向作用力越大，可以確保其高速作業時充種可靠。

2.4 取種單元

2.4.1結構參數設計

取種單元的結構參數直接決定排種器的充、清種性能。取種單元主要結構參數包括調姿齒齒型，型孔寬度W、型孔壁面高度H1、型孔高度H2、型孔壁面長度L1、型孔長度L2、型孔圓角半徑R、型孔外壁面傾角γ。型孔外壁面配合遞種隔板驅動并引導種子進入單元型孔，當型孔外壁面長度過大時，取種單元的體積增大，圓周分布數量減少，不利于降低工作轉速，當型孔外壁面長度過小時，調姿齒齒面面積受到限制，齒面面積過小不利于調整種子的姿態。因此，型孔外壁面長度應控制在lmin與lmax之間，取 13 mm，如圖8a所示。

圖8 取種單元結構示意圖

調姿齒的齒型決定種子的姿態調整效果，進而也會影響排種器性能。為探究調姿齒不同齒型對排種性能的影響，分別設定線型、凸型、凹型調姿齒與無調姿齒4種情況進行試驗，以確定最優齒型，如圖8b所示。

取種單元的參數取值應依據充入種子的具體受控姿態而定，共分為以下5種；單粒種子保持平躺姿態充入型孔(圖9a)；單粒種子保持側立姿態充入型孔(圖9b)；兩粒平躺姿態的種子疊加充入型孔(圖9c)；兩粒側立姿態種子疊加充入型孔(圖9d)；單粒近球形種子任意姿態充入型孔(圖9e)。其中，前4種情況對應種子類型均為馬齒形或球錐形。因此，取種單元結構參數滿足

圖9 種子姿態控制情況

(8)

式中 ΔW——型孔寬度方向間距，mm

ΔH1——t1max與型孔壁面高度差，mm

ΔH2——型孔高度方向間距，mm

ΔL1——待清種子重心超出型孔長度，mm

ΔL2——長度方向間距，mm

Δh——種子與型孔頂部間距，mm

Δl——種子進入型孔部分的長度，mm

同時，為防止間隙處進入種子，ΔW與ΔH2均不超過tmin，為精準清除疊加充入型孔的待清種子，ΔH1應大于0，型孔壁面高度H1應小于2tmin，ΔL1和ΔL2均小于0.5lmin，為避免種子被卡住，Δh應大于0，且型孔內的待投種子還需要受到足夠的約束力，Δl應大于0.5lmax。

根據表1中種子尺寸范圍結合式(8)的限定條件，可以精準確定型孔寬度W、型孔壁面高度H1、型孔高度H2、型孔壁面長度L1、型孔長度L2分別取11、7、13、3、9 mm?；谏鲜鰠等≈悼蛇M一步確定型孔圓角半徑R與型孔外壁面傾角γ的最大值分別為11.7 mm與51.8°。由于試驗用種未經過分級處理，個體差異較大，為提高取種單元對種子的適應性，型孔圓角半徑R與型孔外壁面傾角γ的取值依據具體試驗優化結果。

2.4.2種子姿態調整原理分析

調姿槽內的種子姿態各異，部分保持豎立姿態的馬齒形和球錐形種子需要進行姿態調整。將種子的姿態調整過程分為4個階段，分別為調姿階段Ⅰ、滑躍階段Ⅱ、下落階段Ⅲ和側入階段Ⅳ，如圖10a所示。不同階段中種子受力情況如圖10b所示。

圖10 種子姿態調整過程分析

在調姿階段Ⅰ中，種子受力為調姿齒與種子間的接觸力N，種子與種子間摩擦力f1，種子與排種器間摩擦力f，向種子質心處取矩可得

∑M=NΔd+0.5l(f1-f)

(9)

其中

f1=ηFN

(10)

式中 Δd——種子與調姿齒接觸點的質心距，mm

η——種子與種子間滑動摩擦因數

種子在排種盤徑向(y軸向)與切線方向(x軸向)的合力滿足

(11)

式中α——種子所在位置處徑向與垂向夾角，(°)

當種子即將調整姿態時，調姿齒和種子的接觸點與種子的質心距接近其0.5倍的長度，將Δd取0.5l代入式(9)并與式(5)、(10)、(11)聯立，得種子質心處的合力矩大于0，因此種子將繞質心滾動，實現長軸翻轉后壓覆于調姿齒的上齒面。

在滑躍階段Ⅱ中，將種子與種子間摩擦力f1、種子與排種器間摩擦力f向種子質心處取矩，種子質心處的合力矩及種子與調姿齒接觸面法線方向(y軸向)的合力與切線方向(x軸向)的合力滿足

(12)

式中λ——調姿齒傾斜角，(°)

由式(12)可知，種子與種子間摩擦力f1和種子與排種器間摩擦力f為一對大小相等、作用點關于質心對稱的平行力，因此種子質心處合力矩為零。此時，種子將壓覆于調姿齒的上齒面，并沿x軸的反方向相對調姿齒齒面進行滑動，直到越過調姿齒后進入下一階段。

聯立式(5)、(12)可得

(13)

為確?；S階段Ⅱ順利進行，調姿齒的傾斜角度不宜過大，否則對種子產生攜帶作用過大，種子無法及時回落槽底而影響充種效果。預試驗中種子進入取種單元位置處徑向與垂向夾角α最大為65°，且排種器轉速低于30 r/min時，排種效果較優，代入式(13)計算可得，調姿齒傾斜角λ不超過30.5°；同時防止調姿槽內種子結拱而造成漏充，調姿齒應為調姿槽內種群施加擾動力，調姿齒傾斜角λ不宜過小，因此調姿齒傾斜角λ取30°。在調姿齒不與調姿槽底曲面發生干涉的前提下，可以確定其長度u與寬度v分別取12 mm和10.5 mm。

在下落階段Ⅲ中，種子在排種盤徑向(y軸向)與切向(x軸向)的合力，以及質心處合力矩滿足

(14)

由式(14)可知，種子在合外力的作用下，沿x軸反方向與y軸方向共同加速下落。

在側入階段Ⅳ中，種子的長軸貼覆槽底弧面，隨調姿齒共同沿排種盤圓周運動，種子的y軸與x軸合力同樣滿足式(11)，質心處合力矩滿足

∑M=NΔd+0.5w(f1-f)

(15)

此時，摩擦力f1和f為一對大小相等的平行力，并且調姿齒和種子的接觸點與種子的質心距Δd接近于0，將Δd取0代入式(15)中，可以判斷種子質心處合力矩為0。因此，該階段種子將保持長軸平行于槽底的姿態，隨排種盤轉動，同時在側向力的作用下進入取種單元內準備充種。

2.4.3取種單元分布

排種器在滿足充種、清種、遞種、導種和投種5個工作階段的需求下，應盡量增多取種單元的數量，以便降低工作轉速并提高投種頻率，適應高速作業工況[25]。為確保順利完成遞種，種子所受離心力恒小于重力，因此取種單元數量滿足

(16)

式中k——單個排種盤上取種單元的數量

v——播種機前進速度，km/h

z——玉米播種株距，取25 cm

n——排種器工作轉速，r/min

為確保排種器的高速作業質量可靠，其最高轉速相對臨界轉速越小越好。因此，設計排種器工作轉速n低于30 r/min，作業速度v最高14 km/h，根據農藝要求選取玉米播種株距z為25 cm，代入式(16)得，單個種盤上取種單元數量不少于16個。

相鄰兩個取種單元的間距為

(17)

式中i——取種單元長度，取20.6 mm

為確保種子能夠及時進入取種單元中，m應大于1.5倍的種子最大長度(21 mm)[25]。上文中取種單元安裝后外側長度為20.6 mm，當k取16，代入式(17)可得m為21.4 mm，滿足設計條件。

將k取16代入式(16)中計算可得，排種器在作業速度8、10、12、14 km/h的條件下，對應轉速分別為16.7、20.8、25、29.2 r/min。

2.5 遞種隔板

遞種隔板用于分隔導種輪與取種單元，并與取種單元共同構建出完整的單元型孔空間。為防止排種器轉速提升后，個別未完成遞種的種子停留于型孔與遞種倉格之間，運動至遞種口末端受剪破碎，因此將遞種口末端繼續延伸，并設有鋸齒結構用于清除該類種子。為合理確定遞種口起始端位置，需要對種子清種過程進行分析。當取種單元運動至清種起始角φ處，以種子滑落方向為x軸、法向為y軸建立坐標系，待清種子的受力情況如圖11a所示。

圖11 遞種隔板

為使待清種子能夠掉落，種子在x軸向的合力應大于0，滿足

(18)

當排種盤最大轉速取30 r/min時，即ω為0.05 rad/s，d為230 mm，前期試驗測得μ為0.3，代入式(18)并與式(5)聯立計算可得，清種起始角φ大于46.7°。因此，為留出足夠的清種區域，遞種口從水平方向80°夾角開始，經過90°結束并繼續向下延伸80°，如圖11b所示。

3 性能優化試驗

3.1 試驗材料及裝置

試驗所用排種器為姿控驅導式玉米精量排種器，其主要零部件均選用深圳市未來工廠科技有限公司生產的未來8200pro樹脂，采用光固化3D打印技術加工而成，加工精度為±0.2 mm。試驗測試平臺采用JPS-12型排種性能試驗臺，并配合數據采集系統進行試驗，數據采集系統由高速攝像機(i-SPEED3型，日本Olympus公司)、視頻處理軟件(i-SPEED Suite高速影像軟件)、網格坐標面板和高光燈組成，如圖12所示。

圖12 臺架試驗

試驗選用未經過分級的鄭單958玉米種子，千粒質量290.2 g，含水率10.36%，休止角22.33°。

3.2 試驗設計及評價指標

3.2.1試驗設計

(1)以調姿齒齒型為試驗因素，分別對線型、凸型、凹型調姿齒與無調姿齒4種情況開展單因素試驗，探究調姿齒齒型對排種性能試驗指標的影響，以確定調姿齒的最優齒型。

(2)根據前期排種器性能預試驗及理論分析，分別確定影響排種器工作性能的因素取值范圍：型孔圓角半徑R為3.3～11.7 mm、型孔外壁面傾角γ為18.2°～51.8°、排種器工作轉速n為11.6～28.4 r/min。在調姿齒選取最優齒型的基礎上，為得到排種器的最優結構參數組合，以型孔圓角半徑R、型孔外壁面傾角γ和工作轉速n為試驗因素，開展三因素五水平二次正交旋轉回歸組合試驗，試驗編碼如表2所示。

表2 試驗編碼

(3)在排種器最優參數組合的基礎上，開展高速作業條件下的排種性能對比試驗。在作業速度為8、10、12、14 km/h共4個梯度的條件下，分別測試姿控驅導式排種器、無種子姿態調控過程的排種器(姿控驅導式排種器雙側排種盤上均不安裝護種板，且取種單元不添加調姿齒結構)與勺輪式排種器的排種性能并對比。

3.2.2評價指標

根據玉米種植的農藝要求，試驗設定播種株距為25 cm，依據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，將排種穩定時連續排出的251粒種子記為一組試驗，每組試驗重復3次，運用數據采集系統分別對試驗指標合格率Y1、漏播率Y2及重播率Y3進行統計，并將每組試驗指標的平均值作為最終結果。

3.3 試驗結果及分析

3.3.1調姿齒齒型單因素試驗

設定排種器作業速度為12 km/h，型孔外壁面傾角γ為51.8°，型孔圓角半徑R為3.3 mm，進行不同調姿齒齒型的單因素試驗，結果如表3所示。

表3 不同調姿齒齒型試驗結果

由表3可知，有、無調姿齒結構對排種合格率具有顯著影響，無調姿齒時排種漏播率達到32.4%，說明未進行姿態調控的部分種子無法進入取種單元，隨著調姿槽內種子的堆積結拱，反而抑制充種；有調姿齒時排種合格率均高于86%，漏播率在4%以下，較無調姿齒結構時合格率最大可提升29.1個百分點，說明調姿齒對充種前的種子進行調姿，同時也能對調姿槽內種群施加擾動，可大幅提升充種效果。

調姿齒的不同齒型對充種效果的影響程度不同，線型調姿齒的排種合格率最高，為89.6%，其次是凹型和凸型。原因是種子進行姿態調整時首先與調姿齒齒面邊緣接觸，凹型邊緣對種子攜帶作用較強，不利于種子及時進入取種單元；凸型邊緣與調姿槽槽底弧面完全貼合，種子調姿時直接接觸齒面，滾動力矩較小，調姿效果減弱；線型邊緣在種子調姿時與種子底部線性接觸，產生滾動力矩較大，種子易于調整姿態。因此，線型調姿齒對種子姿態調整效果最好，排種合格率提升效果最優。

3.3.2二次正交旋轉回歸組合試驗

基于上述單因素試驗結果，在調姿齒齒型為線型的條件下，進行二次正交旋轉回歸組合試驗，試驗結果如表4所示。為進一步分析試驗因素對試驗指標的影響規律，應用Design-Expert 8.0.6對試驗數據進行回歸分析，顯著性檢驗結果見表5。

表4 正交試驗結果

表5 顯著性分析

(19)

為直觀分析因素間交互作用對試驗指標的影響規律，利用Design-Expert 8.0.6軟件繪制出試驗因素間有顯著交互作用的響應曲面，如圖13所示。

圖13 因素間交互作用對性能影響的響應曲面

由圖13a可知，型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑對排種合格率影響的交互作用顯著，隨著型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑的增大，排種合格率呈現出先增大后減小的變化趨勢，當型孔外壁面傾角為43.4°～51.8°，型孔圓角半徑為3.3～5.4 mm時，排種合格率較高；由圖13b可知，型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑對排種重播率影響的交互作用極顯著，隨著型孔外壁面傾角與型孔圓角半徑的增大，排種重播率呈現先減小后增大的趨勢，同樣當型孔外壁面傾角為43.4°～51.8°，型孔圓角半徑為3.3～5.4 mm 時，排種重播率較低。

根據上述變化趨勢分析可知，隨取種單元的型孔外壁面傾角增大與型孔圓角半徑的減小，種子進入取種單元時受到的阻礙作用減小，并且型孔開口面積增大，有利于種子充填，所以排種合格率上升。但是，當取種單元對種子的阻礙作用過小并且型孔開口過大時，容易導致兩粒種子同時進入型孔內，不利于清種，從而造成排種重播率增大。

為得到該排種器在高速作業條件下的最優參數組合，以排種合格率最大，漏播率與重播率最小為優化目標，并結合排種器高速8～14 km/h作業時的轉速范圍(16.7～29.2 r/min)，對試驗指標進行優化求解，目標函數與約束條件為

(20)

求解可得，排種器在工作轉速為16.7 r/min、型孔外壁面傾角為46.9°、型孔圓角半徑為4.5 mm的條件下，工作性能達到最優，此時排種合格率、漏播率和重播率分別為92.4%、2.4%和5.2%。

為進一步驗證試驗優化結果，排種器在最優參數條件下進行3次臺架試驗并對結果取平均值，此時排種合格率、漏播率和重播率分別達到91.6%、2.8%與5.6%，較試驗預測結果誤差較小，表明二次正交旋轉回歸組合試驗優化結果具有較高準確性。

3.4 排種性能對比試驗

基于上述正交試驗的結果，姿控驅導式排種器在型孔外壁面傾角取46.9°、型孔圓角半徑取4.5 mm的條件下，與無種子姿態調控過程的該排種器和勺輪式排種器分別開展作業速度為8、10、12、14 km/h的排種性能對比試驗。在上文試驗方法的基礎上，添加每組試驗用種的破損率Y4與株距均勻性變異系數C統計結果，綜合評價該排種器的高速作業性能。

由表6可知，姿控驅導式排種器在作業速度為8～14 km/h的范圍內，排種合格率均高于90%，漏播率均低于3%，重播率均低于8%，破損率均低于0.5%，株距均勻性變異系數均低于19%，滿足玉米精量播種的技術要求；無姿態調控排種器在相同作業速度范圍內，排種合格率均低于87%，漏播率均高于0.7%，重播率均高于12%，破損率均低于0.6%，株距均勻性變異系數均低于23%；分析原因得，未對種子進行姿態調控的排種器中，種子充入型孔時姿態雜亂、難以匹配開口形狀，導致充種效果不佳，同時出現雙粒種子堵塞型孔的現象而無法有效清種，當速度由8 km/h提升至14 km/h時，原排種器較無姿態調控排種器的合格率差異由4.8%上升至11.2%，重播率差異由6.8%上升至9.5%，上述問題隨速度提升而加劇，但采用種子姿態調控技術使其有效解決；相較勺輪式排種器，當作業速度為 8 km/h 時，姿控驅導式排種器的作業效果與勺輪式排種器差異較小，排種合格率提升1.3個百分點，株距均勻性變異系數提升3.8個百分點，但隨作業速度提升差異逐漸增大，在速度14 km/h下排種合格率提升9.8個百分點，株距均勻性變異系數提升6.6個百分點，姿控驅導式排種器對高速的適應性更強。

表6 臺架性能對比試驗結果

因此，姿控驅導式排種器高速作業時的排種精度及穩定性均優于無姿態調控的排種器與勺輪式排種器，證明采用種子姿態調控技術，可有效確保排種器高速作業時充、清種效果可靠，進而提升整體高速作業能力，同時也說明其對高速作業具備良好的適應性及穩定性。

4 結論

(1)為提升機械式排種器的高速作業性能，提出利用調姿齒與單元型孔調整并控制玉米種子充種姿態的技術思路，設計了一種姿控驅導式玉米精量排種器，并完成調姿槽、取種單元、遞種隔板的結構參數設計。

(2)單因素試驗結果表明，調姿齒齒型為線型時，對排種合格率的提升效果最優，較無調姿齒的情況下可提升29.1個百分點；正交試驗結果表明，排種器在工作轉速為16.7 r/min，型孔外壁面傾角為46.9°與型孔圓角半徑為4.5 mm的條件下，性能達到最優，排種合格率、漏播率和重播率分別為92.4%、2.4%和5.2%，驗證后得出排種合格率、漏播率和重播率分別為91.6%、2.8%與5.6%，表明正交試驗優化結果具有較高準確性。

(3)排種性能對比試驗結果表明，在作業速度 8～14 km/h的范圍內，姿控驅導式排種器的排種合格率均高于90%，漏播率均低于3%，重播率均低于8%，破損率均低于0.5%，株距均勻性變異系數均低于19%，滿足玉米精量播種的技術要求；姿控驅導式排種器的作業性能與精度均優于無姿態調控的排種器與勺輪式排種器，證明采用種子姿態調控技術能有效提升其高速作業能力，使其具備良好的高速適應性及穩定性。