梁玉玥，鄭 侃，杜 俊，羅承銘，夏俊芳

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢430070；3.恩施職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北恩施445000）

我國長江中下游農(nóng)業(yè)區(qū)大田主要種植作物有水稻和小麥，其種植面積分別占全國的50.8%和26.9%[1]，現(xiàn)有的播種機(jī)具以單一的專用機(jī)具為主[2-7]，存在播種適應(yīng)性差、機(jī)械閑置利用率低及資源分配不合理等問題，難以滿足大規(guī)模、高效率的輪作區(qū)多作物播種作業(yè)，因此開展稻麥兼用精量播種技術(shù)與裝備的研究，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展高效的現(xiàn)實(shí)需求[8]。

目前開展稻麥兼用排種器研究較少，梅志雄等[9]設(shè)計(jì)一種螺旋舀種式排種器，該裝置雖可實(shí)現(xiàn)小麥的精量高效播種性能，但因水稻流動(dòng)性差，合格率不高。杜俊等[10]設(shè)計(jì)了一種稻麥通用型氣力滾筒式精量排種器，因稻麥種子兩側(cè)曲率變化較大，對(duì)型孔和窩眼的適應(yīng)性存在一定差異，造成吸種性能不佳。由此可知稻麥種子物理機(jī)械特性不同，是導(dǎo)致供種質(zhì)量差的根本原因，也是排種器難以實(shí)現(xiàn)稻麥兼用的重要因素。近年來國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)提高單一物料供種性能開展了廣泛研究，MALEKI等[11]設(shè)計(jì)了一種螺旋攪種裝置，有效提高充種均勻性；張國忠等[12]設(shè)計(jì)了一種由2個(gè)形狀相同但安裝位置不同的攪種齒組成的導(dǎo)向型攪種裝置，降低重吸發(fā)生的機(jī)率，排種性能得到改善；羅錫文等[13]通過采用2個(gè)充種室結(jié)構(gòu)改善排種輪型孔的充種性能；叢錦玲等[14]在內(nèi)表面上設(shè)計(jì)了嵌入式導(dǎo)種條，增強(qiáng)種子流動(dòng)性；邢赫等[15]采用分層充種室提高了水稻氣力式精量排種器吸種質(zhì)量。上述研究表明通過安裝攪種裝置主要改善種群供種性能，沒有涉及到種子排序供種。袁昊等[16]設(shè)計(jì)了一種導(dǎo)流振動(dòng)板提高種子單列供種，有效提高供種效率；鄧偉健等[17]在種箱下部設(shè)計(jì)傾斜導(dǎo)流板降低種群流動(dòng)阻力，改善振動(dòng)供種性能；韓豹等[18]設(shè)計(jì)了一種離心式供種機(jī)構(gòu)，首先將種子分離出來，再連續(xù)供種到精量排種器上的各個(gè)進(jìn)種口，有效提高供種效果。上述研究表明采用振動(dòng)方式可提高種子流動(dòng)性，且可以控制種子運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使種子有序排列有助于提高種子精量填充，顯著提高作物單產(chǎn)[19]。

為實(shí)現(xiàn)稻麥兼用供種通暢的效果，本研究采用一種稻麥兼用振動(dòng)供種裝置，擬將種箱內(nèi)的種子通過振動(dòng)輸送形成均勻連續(xù)單列種子流，分析影響稻麥供種性能的關(guān)鍵因素，基于離散元法采用響應(yīng)面分析得到最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，通過調(diào)節(jié)工作電壓改變振幅的方式實(shí)現(xiàn)稻麥種子單列連續(xù)供種，提高供種性能，為稻麥兼用排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用無催芽雜交水稻黃華占、鄂麥11各1000粒作為研究對(duì)象，測量物料的長、寬、厚方向上的幾何尺寸取平均值（表1）。水稻種子呈現(xiàn)長橢圓形，相關(guān)研究得出平躺和側(cè)臥姿態(tài)概率85%[23]，大于豎立的姿態(tài)概率，根據(jù)最小勢能法，確定水稻種子“平躺”狀態(tài)為最有可能的平穩(wěn)狀態(tài)；小麥種子呈類橢球型，腹部有臍溝，種子排列多以腹溝面平躺[14]，稻麥種子均呈無序狀態(tài)分布于種箱中。

表1 水稻和小麥的幾何尺寸Table 1 Geometry sizes of rice seed and wheat seed

1.2 試驗(yàn)裝置

稻麥兼用排種器結(jié)構(gòu)如圖1，主要由振動(dòng)供種裝置、電磁閥、排序管、光電傳感器、吹種噴嘴閥、上排種盤、下排種盤等組成。

圖1 稻麥兼用排種器結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of metering device for rice and wheat seed

供種時(shí)，種箱里的種子在電磁激振作用下進(jìn)行分散運(yùn)動(dòng)，然后沿著螺旋導(dǎo)軌向上排序輸送進(jìn)入排序管，經(jīng)過排序管時(shí)形成單列連續(xù)種子流。種子下落時(shí)被光電傳感器檢測，將光電傳感器信號(hào)連接至單片機(jī)外部中斷I/O口，作為單片機(jī)外部中斷源，外部中斷觸發(fā)時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電磁閥打開吹種噴嘴閥，由風(fēng)泵提供的連續(xù)正壓氣流通過吹種噴嘴閥形成高速氣流將種子吹進(jìn)充種管并落入上排種盤的窩眼中，同時(shí)單片機(jī)對(duì)種子數(shù)量累加，計(jì)數(shù)到達(dá)設(shè)定值(水稻3粒、小麥1粒)時(shí)，單片機(jī)關(guān)閉外部中斷且將電磁閥復(fù)位。

排種器工作時(shí)，上排種盤由拖拉機(jī)地輪驅(qū)動(dòng)并帶動(dòng)種子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，種子經(jīng)過固定不動(dòng)的下排種盤空隙處時(shí)隨自重進(jìn)入排種管，經(jīng)排種管落入已開好溝的溝槽里，完成一次播種作業(yè)。單片機(jī)再次打開外部中斷請(qǐng)求的間隔時(shí)間t，取決于上排種盤的轉(zhuǎn)速n，即t=f(n)。

振動(dòng)供種裝置是排種器的關(guān)鍵部件，參照水稻和小麥農(nóng)藝種植要求[14，23]，精量播種合理株距分別為20cm和6cm，工作效率為0.36～0.72hm2·h-1，由此確定振動(dòng)供種參數(shù)。本研究的供種裝置基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為：直徑為260mm，高度為230mm，螺距為65mm，設(shè)置4列供種通道；螺旋導(dǎo)軌為V形槽，V形深邊槽深為6mm，低邊槽深為3mm，寬度為3.6mm。

1.3 種子運(yùn)動(dòng)特性分析

在圓周激振作用下，使種箱中的種子快速向周圍運(yùn)動(dòng)，然后按順序進(jìn)入螺旋導(dǎo)軌開始向上排序輸送，為確保種子在導(dǎo)種V形槽上穩(wěn)定向前滑動(dòng)，不產(chǎn)生躍起現(xiàn)象，在螺旋軌道上隨機(jī)取單粒種子G為研究對(duì)象，以螺旋導(dǎo)軌前進(jìn)方向?yàn)閤軸正方向，以垂直于螺旋導(dǎo)軌向上的方向?yàn)閥軸正方向建立平面坐標(biāo)系，對(duì)此進(jìn)行受力分析如圖2。為了實(shí)現(xiàn)螺旋導(dǎo)軌只允許出現(xiàn)一粒種子向上運(yùn)行，所以與種子G相連的只有前后2粒種子，于是種子在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的作用力有：激振力，可將其分解由沿x軸的正方向運(yùn)動(dòng)的分力FT和沿y方向運(yùn)動(dòng)分力FN；沿螺旋軌道方向的摩擦力Ff；來自前后種子碰撞產(chǎn)生的力F1′、F2′；以及種子重力mg。

圖2 軌道上種子G的受力分析Figure 2 Force analysis of seed G on orbit

由此可建立種子質(zhì)點(diǎn)G的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：F為種子質(zhì)點(diǎn)受到電磁振動(dòng)的激振力（N）；FN為種子質(zhì)點(diǎn)受到激振力沿y方向上的分力（N）；FT為種子質(zhì)點(diǎn)受到激振力沿x方向上的分力（N）；Ff為種子質(zhì)點(diǎn)G沿螺旋軌道的摩擦力（N）；α為料槽升角(°)；β為振動(dòng)方向角（°）；μ為種子與工作面間動(dòng)摩擦系數(shù)取0.5；m為種子質(zhì)點(diǎn)G的質(zhì)量（kg）；a1為種子沿x軸方向的輸送加速度（m·s-2）；F1′和F2′分別為前后兩粒種子對(duì)種子質(zhì)點(diǎn)G的碰撞力（N）。

種子質(zhì)點(diǎn)G在激振力F的作用下沿x軸正方向運(yùn)動(dòng)，由文獻(xiàn)[21]和[22]可知，β=tan-1μ，若增大激振力F，則兩個(gè)方向的激振力將同時(shí)增大，由式（2）可知，沿x方向上的分力FT大于沿y方向上的分力FN，造成種子質(zhì)點(diǎn)G沿x軸方向的輸送加速度a1增大，從而提高種子的排序輸送速度v。激振力F的大小與供種裝置的振幅成正比，且可將其振幅分解為垂直振幅A和角振幅θ。實(shí)際過程中供種裝置的振幅由工作電壓U提供[23]。

料槽升角α是料槽工作面與水平面之間的夾角，與圓柱形振動(dòng)盤的直徑D、螺旋軌道的螺距L有關(guān)，其關(guān)系式為：

若增加料槽升角α，種子質(zhì)點(diǎn)沿x軸方向的輸送加速度a1減小，種子滑移越困難，降低種子的排序輸送速度，甚至?xí)霈F(xiàn)輸送加速度a1小于0，導(dǎo)致種子不能向上輸送。同時(shí)料槽升角α太小，會(huì)使得料斗直徑增大，而且料槽升角α越小，料槽間距減小，物料越容易卡在料槽中，不利于種子向上輸送，所以料槽升角對(duì)種子在螺旋導(dǎo)軌上排序輸送速度v的影響比較復(fù)雜。

控制種子運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使種子單列連續(xù)輸出是提高排種合格率的有效途徑[24]，為使種子從螺旋導(dǎo)軌上能夠順利向上排序輸送，通過對(duì)種子在螺旋導(dǎo)軌上的受力分析，得到影響種子供種性能的主要因素是供種裝置的垂直振幅、角振幅和料槽升角。垂直振幅、角振幅增大，有利于提高種子的排序輸送速度；料槽升角對(duì)種子排序輸送的影響比較復(fù)雜。

2 離散元仿真試驗(yàn)與分析

2.1 仿真試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述理論分析，故選取垂直振幅A、角振幅θ和料槽升角α為試驗(yàn)因素，供種速率、供種速率變異系數(shù)、單列率[16]是該裝置供種性能的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。根據(jù)Box-Benhnken Design（BBD）設(shè)計(jì)原理，分別進(jìn)行水稻和小麥供種響應(yīng)面設(shè)計(jì)，分析各因素及交互作用對(duì)供種性能的影響，從而尋求最優(yōu)因素組合，為后續(xù)稻麥兼用排種器的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。在前期研究和預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，確定試驗(yàn)因素編碼如表2。

表2 試驗(yàn)因素水平編碼Table 2 Test factor level coding

依據(jù)前述稻麥種子的尺寸建立模型，運(yùn)用三維軟件Creo同比例創(chuàng)建振動(dòng)供種裝置模型導(dǎo)入EDEM軟件進(jìn)行仿真，仿真模型如圖3。

圖3 仿真試驗(yàn)示意圖Figure 3 Schematic diagram of simulation test process

為了合理有效模擬供種裝置的振動(dòng)激勵(lì)，在仿真過程中通過運(yùn)動(dòng)函數(shù)來代替，分別給供種裝置添加垂直方向和圓周方向的正弦運(yùn)動(dòng)函數(shù)。顆粒間及顆粒與裝置之間的接觸模型均采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸力學(xué)模型，參考李兆東等[25-28]研究確定相關(guān)仿真參數(shù)（表3），離散元仿真的顆粒工廠設(shè)置于種箱底部的一個(gè)圓柱虛擬幾何體，生成速度為5000?！-1，所有顆粒生成完成之后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為保證振動(dòng)供種時(shí)顆粒連續(xù)運(yùn)動(dòng)，設(shè)定固定時(shí)間步長1×10-5s，Rayleigh時(shí)間步長的20%，總仿真時(shí)間為22s，網(wǎng)格單元尺寸為最小顆粒半徑的3.5倍。

表3 種子和排序裝置之間物理和力學(xué)特性仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters of physical and mechanical characteristics between seed and sorting device

2.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)試驗(yàn)中振動(dòng)供種裝置重要參數(shù)對(duì)供種速率、供種速率變異系數(shù)、單列率的影響，各指標(biāo)的測量方法為：統(tǒng)計(jì)5s內(nèi)導(dǎo)種軌道排出的種子數(shù)量，各組試驗(yàn)重復(fù)5次，通過式（3），統(tǒng)計(jì)種子供種速率即單位時(shí)間內(nèi)排出的種子數(shù)量的平均值和供種速率變異系數(shù)。

單列率的測量方法是選取某時(shí)刻單列V形槽內(nèi)的種子，分別統(tǒng)計(jì)長軸方向重疊小于50%的種子和全部種子數(shù)量，計(jì)算公式為：

式中：vi為第i次供種速率（?！-1）；n為試驗(yàn)次數(shù)；nc為V形槽內(nèi)重疊長度小于50%種子數(shù)量（粒）；na為V形槽內(nèi)種子總數(shù)量（粒）。

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1 回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn) 通過EDEM軟件分別對(duì)稻麥供種性能指標(biāo)的影響進(jìn)行試驗(yàn)，分別進(jìn)行了15組試驗(yàn)，其中有12個(gè)析因點(diǎn)和3個(gè)零點(diǎn)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表4，表中X1、X2、X3為因素編碼值。利用Design-Expert分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸擬合分析和方差分析，并對(duì)回歸模型和試驗(yàn)因素進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其結(jié)果如表5。稻麥回歸模型檢驗(yàn)p值均為極顯著或顯著，且回歸方程失擬性p值不顯著，模型的決定性系數(shù)R2分別為0.9681，0.9175，0.9963，0.9868，0.9879，0.9650，說明模型擬合良好，試驗(yàn)方案合理可用于試驗(yàn)預(yù)測與分析。

表4 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 4 Test plan and results

表5 試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析p值Table 5 Statistical analysis of test results P value

（1）當(dāng)水稻供種時(shí)，方差分析結(jié)果表明，垂直振幅對(duì)供種速率y1、供種速率變異系數(shù)y2、單列率y3的影響極顯著；角振幅對(duì)供種速率變異系數(shù)y2的影響極顯著，對(duì)供種速率y1和單列率y3的影響顯著；料槽升角對(duì)單列率y3的影響極顯著，對(duì)供種速率y1和供種速率變異系數(shù)y2的影響顯著，剔除不顯著的二次項(xiàng)，可得到水稻供種時(shí)供種速率y1、供種速率變異系數(shù)y2、單列率y3的回歸方程為：

（2）當(dāng)小麥供種時(shí)，方差分析結(jié)果表明，垂直振幅對(duì)供種速率y3、供種速率變異系數(shù)y4、單列率y5的影響極顯著；角振幅對(duì)供種速率y3的影響極顯著；料槽升角對(duì)供種速率變異系數(shù)y4的影響顯著；剔除不顯著的二次項(xiàng)，可得到小麥供種時(shí)供種速率y4、供種速率變異系數(shù)y5、單列率y6的回歸方程為：

2.3.2 響應(yīng)面分析 為探討各試驗(yàn)因素與各性能指標(biāo)關(guān)系，分別建立稻麥各因素交互影響曲面見（圖4、圖5）。

對(duì)水稻進(jìn)行供種時(shí)，由圖4a可知，在垂直振幅固定在0.5mm的情況時(shí)，當(dāng)料槽升角一定時(shí)，供種速率變異系數(shù)隨著角振幅增加呈先減少后增大的趨勢，其原因?yàn)榻钦穹^小，種箱內(nèi)的種子流動(dòng)能力較弱，致使種子進(jìn)入V形槽流動(dòng)的數(shù)量不穩(wěn)定（圖6a），從而造成供種不均勻；角振幅過大，種子與V形槽深邊產(chǎn)生碰撞，造成種子從V形槽掉下來；當(dāng)角振幅一定時(shí)，供種速率變異系數(shù)隨著料槽升角增加呈增大的趨勢，且變化不明顯；由圖4b可知，在垂直振幅固定在0.5mm的情況時(shí)，當(dāng)角振幅低頻段且料槽升角高頻段時(shí)，該供種裝置的單列率較高。在角振幅一定時(shí)，單列率隨料槽升角增加呈逐漸減小的趨勢，原因?yàn)榉N子流產(chǎn)生了堆積（圖6b），阻礙種子形成單列的種子流；在料槽升角較大且一定時(shí)，單列率隨角振幅增加呈增加的趨勢，且變化關(guān)系不明顯，在料槽升角較小且一定時(shí)，單列率隨角振幅增加呈減少的趨勢，原因?yàn)榱喜凵亲兇?，使得螺旋?dǎo)軌的斜率增大，角振幅有助于種子形成單列的種子流，從而提高單列率。料槽升角較小，角振幅增大容易使種子形成堵塞降低單列率。對(duì)小麥進(jìn)行供種時(shí)，由圖5a可知，在垂直振幅固定在0.5mm的情況時(shí)，在料槽升角高頻段且角振幅高頻段時(shí)，供種速率變異系數(shù)較低。在料槽升角較小且一定時(shí)，供種速率變異系數(shù)隨角振幅增加呈增大的趨勢；在料槽升角較大且一定時(shí)，供種速率變異系數(shù)隨角振幅增加呈減小的趨勢；在角振幅較小且一定時(shí)，供種速率變異系數(shù)隨料槽升角增加呈增大的趨勢，原因在于種子向上運(yùn)動(dòng)的輸送加速度a1減小，阻礙種子流的形成，在角振幅較大且一定時(shí)，供種速率變異系數(shù)隨角振幅增加呈減小的趨勢，原因?yàn)榉N子向上運(yùn)動(dòng)的輸送加速度a1增大，有效形成種子流；由圖5b可知，在料槽升角α固定在10°的情況下，當(dāng)角振幅一定時(shí)，單列率隨著垂直振幅增加呈減小的趨勢，原因?yàn)橄蛏陷斔图铀俣萢1增大，造成種子流形成堵塞，單列率下降；當(dāng)垂直振幅較小且一定時(shí)，單列率隨著角振幅增加呈增加的趨勢，當(dāng)垂直振幅較大且一定時(shí)，單列率隨著角振幅增加呈減小的趨勢，其原因?yàn)榇怪闭穹徒钦穹脑龃?，都?huì)使種箱內(nèi)的種子流動(dòng)能力加大，明顯提高種子的輸送能力，導(dǎo)致V形槽內(nèi)的種子出現(xiàn)擁擠的現(xiàn)象。

圖4 水稻供種時(shí)交互作用對(duì)供種性能影響Figure 4 Effects of interaction on seed-supply performance during rice seed-supply

圖5 小麥供種時(shí)交互作用對(duì)供種性能影響Figure 5 Effects of interaction on seed-supply performance during wheat seed-supply

圖6 因素交互作用解析Figure 6 Analysis of factor interaction

2.4 最優(yōu)參數(shù)求解

為得到供種裝置最優(yōu)工作參數(shù)組合，對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)稻麥農(nóng)藝種植要求，水稻株距為200mm，每穴3粒換算成單列供種速率范圍為12～18?！-1，小麥株距為50～70mm，每穴1粒換算成單列供種速度范圍為12～20粒·s-1，遵循滿足稻麥供種速率條件下，提高單列率降低供種速率變異系數(shù)并兼用稻麥供種的原則，采用Design-Expert軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，分別建立稻麥供種時(shí)非線性規(guī)劃參數(shù)模型為：

求得水稻供種時(shí)垂直振幅為0.477mm，角振幅為0.007rad，料槽升角11°時(shí)，供種速率最優(yōu)為18.0粒·s-1，變異系數(shù)4.05%，單列率為84.0%，考慮到垂直振幅A為0.477mm時(shí)不易設(shè)置，因此垂直振幅取為0.5mm；為了滿足水稻小麥兼用供種功用，水稻和小麥可兼用料槽升角為11°的供種裝置，求得小麥供種時(shí)垂直振幅為0.7mm，角振幅為0.006rad，料槽升角11°時(shí)，供種速率最優(yōu)為16.4?！-1，變異系數(shù)3.01%，單列率為79.95%；因此確定料槽升角為11°，水稻供種時(shí)垂直振幅為0.5mm，角振幅為0.007rad；小麥供種時(shí)振幅為0.7mm，角振幅為0.006rad，根據(jù)回歸模型式（5）～式（10），預(yù)測稻麥供種性能，供種速率分別為18.7?！-1和15.4粒·s-1，供種速率變異系數(shù)分別3.87%和3.23%，單列率分別為82.97%和81.24%。

3 供種裝置性能試驗(yàn)

3.1 單列供種性能試驗(yàn)

本研究采用臺(tái)架試驗(yàn)的方式進(jìn)行試驗(yàn)研究，振動(dòng)供種裝置由不銹鋼材料焊接而成、電磁振動(dòng)器、數(shù)字穩(wěn)壓控制器用來調(diào)節(jié)電磁振動(dòng)器的工作電壓（圖7）。

圖7 供種裝置性能試驗(yàn)示意圖Figure 7 Schematic diagram of performance test of seeding device

利用位移傳感器與PC設(shè)備配合測出工作電壓所對(duì)應(yīng)的垂直振幅和角振幅，臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)可通過調(diào)節(jié)工作電壓實(shí)現(xiàn)垂直振幅和角振幅的調(diào)整[29]。稻麥單列供種時(shí)，進(jìn)行5次重復(fù)供種試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)5s內(nèi)單列導(dǎo)種軌道內(nèi)種子的供種速率、變異系數(shù)及某時(shí)刻的單列率。

通過前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)工作電壓大于95V才能使種子向上有效運(yùn)動(dòng)，于是設(shè)定工作電壓為范圍為100V～150V，對(duì)應(yīng)測出符合垂直振幅和角振幅的配合關(guān)系，得出垂直振幅為0.5mm，角振幅為0.007rad，對(duì)應(yīng)工作電壓為110V；垂直振幅為0.7mm，角振幅為0.006rad，對(duì)應(yīng)工作電壓為130V。

為進(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)供種裝置不同參數(shù)下的供種性能，采用響應(yīng)曲面分析所得到的組合，即料槽升角為11°，水稻供種時(shí)工作電壓為110V，小麥供種時(shí)工作電壓為130V。對(duì)該參數(shù)組合下分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，該條件下，水稻和小麥的供率速率分別為19.6粒·s-1和13.9?！-1，均滿足播種農(nóng)藝要求，供種速率變異系數(shù)分別為4.11%和2.98%，變異系數(shù)較小，則表明供種均勻性較小，單列率分別為78.59%和80.32%，對(duì)比回歸模型預(yù)測范圍表明，供種速率誤差分別為4.81%和9.74%，供種速率變異系數(shù)誤差分別為6.20%和7.74%，單列率誤差分別為5.23%和1.14%，表明建立的回歸模型較為準(zhǔn)確，水稻和小麥可兼用料槽升角為11°的供種裝置，調(diào)節(jié)工作電壓改變振幅的大小即可滿足水稻小麥兼用排種器供種功能，且供種性能適應(yīng)性好。

3.2 排種器振動(dòng)供種性能試驗(yàn)

為檢驗(yàn)稻麥兼用排用器振動(dòng)供種裝置的播種效果，構(gòu)建振動(dòng)供種排種器試驗(yàn)裝置如圖8，參考國家標(biāo)準(zhǔn)《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》（GB/T6973-2005）進(jìn)行排種試驗(yàn)，對(duì)于水稻種子以每穴3～5粒為合格，對(duì)于小麥種子以每穴為1～2粒為合格，本試驗(yàn)以合格率為排種效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。試驗(yàn)選用前述的黃華占和鄂麥11作為研究對(duì)象，利用數(shù)字調(diào)壓控制器調(diào)節(jié)供種裝置工作電壓，排種軸旋轉(zhuǎn)5圈，重復(fù)試驗(yàn)5次，統(tǒng)計(jì)合格率求平均值，得到當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速20r·min-1時(shí)，水稻和小麥的合格率分別90.7%和93.2%，滿足稻麥兼用播種要求。

圖8 振動(dòng)供種效果試驗(yàn)裝置Figure 8 Test device of vibrating seed feeder effect

4 討論與結(jié)論

臺(tái)架試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比可知，水稻的仿真供種速率略小于臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，小麥的仿真供種速率略大于臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，分析原因?yàn)椋悍抡嬖囼?yàn)過程比較理想，實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，由于兩種物料的流動(dòng)性不一樣，在振動(dòng)過程中水稻的流動(dòng)性要比小麥要好，造成供種速率的誤差，仿真基本能反映供種性能。從以上研究結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)氣力滾筒式精量排種器在精量排種時(shí)，由于種子對(duì)型孔和窩眼的適應(yīng)性存在一定差異，從性能上難以突破瓶頸，導(dǎo)致吸種性能不佳。與之相比，該裝置合格率顯著提高，說明該裝置對(duì)稻麥供種適應(yīng)能力好。

對(duì)供種裝置進(jìn)行理論分析，確定影響稻麥供種性能的關(guān)鍵因素為垂直振幅、角振幅和料槽升角。采用離散元仿真技術(shù)，結(jié)合響應(yīng)面試驗(yàn)分別建立稻麥種子供種時(shí)，垂直振幅、角振幅和料槽升角與供種速率、供種速率變異系數(shù)、單列率間的回歸模型，滿足稻麥供種速率條件下，提高單列率降低供種速率變異系數(shù)并兼用稻麥供種的原則，初步確定水稻供種時(shí)垂直振幅為0.5mm、角振幅為0.007rad、料槽升角為11°時(shí)，獲得預(yù)測供種速率為18.7?！-1、供種速率變異系數(shù)為3.87%、單列率分別為82.97%；小麥供種時(shí)垂直振幅為0.7mm、角振幅為0.006rad、料槽升角為11°時(shí)，獲得預(yù)測供種速率為15.4?！-1、供種速率變異系數(shù)為3.23%、單列率分別為81.24%。試驗(yàn)結(jié)果表明該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)稻麥種子形成連續(xù)單列種子流，供種性能滿足稻麥兼用排種器作業(yè)要求。

通過臺(tái)架試驗(yàn)表明，水稻供種時(shí)控制工作電壓為110V時(shí)，供種速率19.6?！-1、供種速率變異系數(shù)4.11%、單列率78.59%；供種速率、供種速率變異系數(shù)、單列率誤差分別4.81%、6.20%、5.23%，小麥供種時(shí)控制工作電壓為130V時(shí)，供種速率為13.9粒·s-1、供種速率變異系數(shù)為2.98%、單列率為80.32%，供種速率、供種速率變異系數(shù)、單列率誤差分別為9.74%、7.74%、1.14%，驗(yàn)證了預(yù)測模型，說明試驗(yàn)結(jié)果具有實(shí)用性，在此工作電壓下，當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速20r·min-1時(shí)，水稻和小麥的合格率分別90.7%和93.2%，滿足稻麥兼用播種要求。僅通過調(diào)節(jié)工作電壓改變振幅的大小即可達(dá)到供種性能要求，操作簡單，且稻麥供種適應(yīng)性好，可為稻麥兼用精量排種器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考和理論依據(jù)。