气吸双滚筒式棉花精量排种器的设计与试验

Design and testing of an air-absorbing double-drum precision cotton seed feeder

摘要

目的 为提高气吸滚筒式排种器充种性能，降低负压风机能耗，设计了一种气吸双滚筒式排种器。 方法 理论分析排种过程中棉花种子的受力状态，利用Solidworks对排种器进行三维建模，运用流体仿真软件对3.8 mm孔径的滚筒进行内流场模拟，掌握内流场速度及压力变化的规律，对比有无内置滚筒结构对型孔处气体流速的影响。利用Design-expert 13.0软件设计了两因素五水平二次旋转正交组合试验方案，以负压和前进速度为试验因素，建立了漏播率、合格率和重播率等评价指标的响应曲面，进而对工作性能进行评价。 结果 通过优化回归方程得到最佳参数组合，并经台架试验验证。在负压为2.39 kPa、前进速度为4.55 km/h的条件下，排种器播种棉花种子的合格率为91.8%，漏播率为3.3%，重播率为4.9%。 结论 自行设计的排种器可满足棉花种子精量播种的农艺要求，显著降低风机能耗，为机械化播种提供技术性参考。

Abstract

Objective In order to improve the seed filling performance of air-absorbing roller seed discharger and reduce the energy consumption of negative pressure fan，an air-absorbing double roller seed discharger was designed. Method Theoretical analysis of the force state of cotton seed during seed discharge，3D modeling of the seed discharger using Solidworks，simulation of the internal flow field of the drum with 3.8 mm aperture using fluid simulation software to capture the law of velocity and pressure changes in the internal flow field,and comparison of the effect of the gas flow rate at the type aperture with and without the built-in drum structure.A two-factor,five-level quadratic rotational orthogonal combination test scheme was designed using Design-expert 13.0 software，with negative pressure and forward speed as the test factors，to establish the response surfaces for the evaluation indices such as missseeding rate，pass rate and reseeding rate，and then to evaluate the working performance. Result The optimal combination of parameters was obtained by optimizing the regression equation and verified by bench tests.Under the conditions of negative pressure of 2.39 kPa and a forward speed of 4.55 km/h，the seed rower sowed cotton seeds with a pass rate of 91.8%，a miss rate of 3.3% and a reseeding rate of 4.9%. Conclusion The self-designed seed rower can be used to meet the agronomic requirements of cotton seed precision sowing，significantly reduce the energy consumption of the blower and provide a technical reference for mechanized sowing.

Graphical abstract

关键词

棉花种子 / 排种器 / 气吸滚筒 / 精准农业 / 流体仿真 / 试验设计

Key words

ccotton seed / seed rower / air-absorbing roller / precision agriculture / fluid simulation / experimental design

中国是世界第一纺织大国，棉花是现代工业必不可少的原材料，棉制品不仅具有使用意义同时还可产生良好的经济效益，在我国具有战略意义。新疆在我国是重要的棉花生产基地，棉花种植面积、棉花总产量和棉花单位面积产量在全国各省市均居首位^［1］。棉农种植积极性高，收入较高，这些都得益于种子加工技术及播种技术的成熟，机械化作业水平的提高和科学的田间管理^［2］。播种质量对棉花单位面积产量影响巨大，精量播种是当前研究热点。精量排种器作为播种机械的核心部件，其性能直接影响播种质量。

根据工作原理，排种器一般可分为两类：机械式排种器和气动式排种器^［3-4］。国内外许多学者为了提高排种器的作业性能，在这一领域做了大量的研究。Bagherpour^［5］设计了1种气吸滚筒式鹰嘴豆精密播种机，分别采用3种水平对种床带速度、真空压力、种子孔直径等试验因素进行试验研究，得出真空压力为6 kPa、种床带速度为2.5 km/h，孔径为4 mm时作业性能最佳，合格指数达到84.5%，漏播指数10%，重播指数5.5%。Wang^［6］设计了1种内充式玉米高速精密排种装置，对前进速度和工作压力展开两因素五水平二次旋转正交组合试验，为玉米作业机械相关研究提供了理论与实践参考。张春艳^［7］为提高棉花气吸滚筒式的排种性能，增加二次投种机构以改变投种路径，采用离散元法对排种过程进行仿真，进行三因素五水平二次旋转正交仿真试验，优化结果表明作业速度为3.29 km/h时，合格指数最高能达到98.06%。胡梦洁^［8］对气动式棉花排种器进行了研究，采用三因素三水平中心组合实验设计，分析了前进速度、负压和吸孔直径对排种性能的影响。王宝龙^［9］设计了一种杂交水稻气力滚筒式排种器，采用三因素五水平二次回归正交旋转组合试验设计，研究了滚筒式排种器的运行情况。在负压为1.6 kPa、滚筒速度为10 r/min、清种距离为1.94 mm的最佳组合下，排种率为86%，重吸率为8.5%，漏种率为5.5%。冯洋洋^［10］针对棉花排种器作业速度低、排种精度不高等问题进行结构上的优化，采用Fluent对不同型孔进行流体仿真，分析型孔结构对负压的影响。弧线状型孔充种性能的两因素五水平台架试验表明，在作业速度为10.01 km/h及负压为5.23 kPa的条件下，重吸率为9.95%，漏吸率为3.62%。

为了提高气吸滚筒式排种器的工作性能，实现高速精量作业，降低风机能耗，本研究基于气吸式排种器工作原理，改变滚筒的内部结构，增加内置滚筒和绝压块等重要零部件，并利用流体仿真软件模拟内部流场。使用Design-expert设计试验方案并对试验结果进行分析，最后通过台架试验进行验证，得到较好的结果。该排种器性能可靠，以期为棉花精量播种装备的研究提供参考。

1 排种器结构和工作原理

1.1 整体结构

气吸滚筒式精量排种器主要由滚筒、种箱、风机、减速电机和机架等组成。其结构如图1所示。排种器滚筒共六错列，可实现一器六行播种。每错列有40孔，每一错列的两单列间距为20 mm，每两错列间距为80 mm。小链轮齿数为21，大链轮齿数为50。

1.2 工作原理

气吸滚筒式排种器工作时，由减速电机驱动链轮使滚筒转动，高压漩涡风机与负压轴一端相连，抽取内部气室形成负压区。滚筒内部的负压和滚筒转动速度都通过变频器进行调节，种子箱内的种子在振动电机的激励下沸腾。型孔转动至种箱时，内外压差产生吸附力从而完成取种。型孔处吸附的种子随滚筒转动至投种区域的第一个绝压块时，气流吸力被阻断，种子在重力及惯性作用下进入投种装置。滚筒下方的型孔不参与排种过程，绝压块阻止内部气室负压泄漏。

1.3 滚筒内部结构

如图2所示，排种器滚筒直径250 mm，长度为550 mm。滚筒圆周单列有20个孔，沿轴向共6错列。滚筒为不锈钢材质，内置滚筒采用3D打印，绝压块为尼龙材质且使用机加工成型。弹簧丝径为0.5 mm，长度为25 mm，滚筒与内置滚筒之间有2 mm间隙。内置滚筒安装在负压轴上，普通平键承载来自圆周方向的力，紧定螺栓起定位作用。绝压块与内置滚筒通过弹簧连接，绝压块的外表面与滚筒的内表面弧度一致且转动过程中时刻保持接触。

滚筒的直径越大，吸孔的数量就越多，内部气室达到一定的真空度所需的能量消耗就越大。因为从种箱内将种子提取之前，必须在型孔处产生一定的吸附力。负压越高，型孔处的气体流速越高，越容易产生一孔多种的现象；负压越低，型孔处的气体流速越低，越容易产生漏吸的现象。所以合适的负压才能更好的满足工作要求，为此减小气室内部空间及对非工作区域的型孔进行封堵至关重要。

2 排种过程分析

为满足精量播种的要求，结合棉种尺寸，参照其他学者在播种棉种方面的研究，综合考虑选择加工的滚筒型孔直径为3.8 mm。如图3所示，对种子不同阶段运动状态进行受力分析，种子质心为坐标原点，滚筒切向方向为y轴方向，法向为x轴方向。充种第一阶段，种子与滚筒未接触，不会受到滚筒的支持力与摩擦力，吸附时间极短，为便于分析将其简化为静力学模型，沿切线方向合力为零，沿径向加速靠近，种子受力方程如下^［11］。

\left\{\begin{array}{l}\sum F_{\mathrm{x}}=ma\\ F_{\mathrm{Q}}+N_{\mathrm{q}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\beta +\alpha )+f_{\mathrm{q}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\beta +\alpha )+G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha =ma\\ \sum F_{\mathrm{y}}=\mathrm{0}\\ N_{\mathrm{q}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\beta +\alpha )-G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -f_{\mathrm{q}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\beta +\alpha )=\mathrm{0}\end{array}\right.（1）

式中：∑F_x为种子在x轴方向所受合力，N；∑F_y为种子在y轴方向所受合力，N；F_Q为种子所受流场的吸附力，N；N_q为种群对该种子的支持力，N；G为种子受到的重力，N；f_q为种群对该种子的摩擦力，N；α为N_q与水平面夹角，（°）；β为F_Q与水平面所夹锐角，（°）；a为种子的加速度，m/s²。

充种第二阶段，种子被吸附到型孔处将与滚筒同步转动，此阶段受力方程如下：

\left\{\begin{array}{l}\sum F_{\mathrm{x}}=\mathrm{0},\\ F_{\mathrm{Q}}+N_{\mathrm{q}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\theta +\alpha )+f_{\mathrm{q}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\theta +\alpha )\\ +G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha -N_{\mathrm{t}}-m{\omega }^{\mathrm{2}}{R}_{\mathrm{g}}=\mathrm{0}\\ \sum F_{\mathrm{y}}=\mathrm{0}\\ N_{\mathrm{q}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\theta +\alpha )+f_{\mathrm{t}}-G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -f_{\mathrm{q}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\theta +\alpha )=\mathrm{0}\end{array}\right.（2）

\left\{\begin{array}{l}{f}_{\mathrm{t}}=N_{\mathrm{t}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\phi }_{\mathrm{t}}\\ f_{\mathrm{q}}=N_{\mathrm{q}}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\phi }_{\mathrm{q}}\end{array}\right.（3）

式中：N_t为滚筒对该种子的支持力，N；f_t为种子受到滚筒的摩擦力，N；ω为角速度，rad/s；R_g为滚筒半径，mm；φ_q为种子的自然休止角，（°）；φ_t为种子与滚筒间的滑动摩擦角，（°）。

由公式（1）可得：

F_{\mathrm{Q}\mathrm{1}}=ma-\frac{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}(\alpha -{\phi }_{\mathrm{q}})}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\alpha +\theta -{\phi }_{\mathrm{q}})}mg（4）

联立公式（2）和（3）得：

\begin{array}{l}{F}_{\mathrm{Q}\mathrm{2}}=m{\omega }^{\mathrm{2}}{R}_{\mathrm{g}}-\frac{N_{\mathrm{q}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}({\phi }_{\mathrm{q}}+{\phi }_{\mathrm{t}}-\alpha -\theta )}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_{\mathrm{q}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_{\mathrm{t}}}\\ -\frac{mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_{\mathrm{q}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}(\theta -{\phi }_{\mathrm{t}})}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_{\mathrm{q}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\phi }_{\mathrm{t}}}\end{array}（5）

携种阶段，种子受力方程如下

\left\{\begin{array}{l}\sum F_{\mathrm{x}}=\mathrm{0},F_{\mathrm{g}}+N_{\mathrm{t}}-F_{\mathrm{Q}}-G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta =\mathrm{0}\\ \sum F_{\mathrm{y}}=\mathrm{0},G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha -f_{\mathrm{g}}=\mathrm{0}\end{array}\right.（6）

F_{\mathrm{g}}=m{\omega }^{\mathrm{2}}{R}_{\mathrm{g}}（7）

式中：F_g为种子受的惯性离心力，N。

投种阶段，绝压块堵住型孔，种子失去型孔的吸附力，且种子与滚筒相互作用力为零，此时种子在惯性及重力的作用下脱离滚筒进行投种^［12］。种子受力方程如下：

\left\{\begin{array}{l}\sum F_{\mathrm{x}}=m{a}_{\mathrm{x}},G\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\gamma =m{a}_{\mathrm{x}}\\ \sum F_{\mathrm{y}}=m{a}_{\mathrm{y}},G\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\gamma =m{a}_{\mathrm{y}}\end{array}\right.（8）

式中：γ为投种位置与水平面夹角，（°）。

当流体流过物体表面会产生一定的作用力，气吸滚筒式排种器就是利用绕流阻力将种子吸附到型孔上，种子受到流体作用力计算公式如下，

F_{\mathrm{Q}}=C_{d}A\frac{\rho v_{\mathrm{0}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}（9）

式中：C_d为阻尼力系数，与种子形状、雷诺数和表面状态有关；A为种子在垂直于运动方向的平面上的投影面积，m²；ρ为空气密度，kg/m³；v₀为流体速度，m/s。

脱绒棉种长度与宽度厚度尺寸差异较大，但宽度与厚度基本一致，可将其看做椭球体，为保证可靠吸种，将宽度和厚度方向上的截面作为种子垂直于气流速度方向上的最小投影面，可表示为：

A_{\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}}=\frac{\mathrm{\pi }{r}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}（10）

式中：A_min为种子在垂直于运动方向的平面上的最小投影面积，{\mathrm{m}}^{\mathrm{2}}；r为最小投影面积时的棉种半径，\mathrm{m}\mathrm{m}。

型孔附近气流场呈放射状圆锥体，设锥角为2θ，距锥顶中心x处锥面面积可表示为：

A_x=\mathrm{2}\mathrm{\pi }{x}^{\mathrm{2}}(\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta )（11）

距锥顶中心x处气流平均流速为：

v_{\mathrm{0}}=\frac{Q}{\mathrm{2}\mathrm{\pi }{x}^{\mathrm{2}}(\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta )}（12）

式中：x为种子距锥顶中心距离，\mathrm{m}\mathrm{m}；θ为锥顶角半角，（°）；Q为距离锥顶x处锥面的气流量，{\mathrm{m}}^{\mathrm{3}}/\mathrm{s}。

联立式9~12可得：

F_{\mathrm{Q}}=\frac{\rho C_d{r}^{\mathrm{2}}{Q}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{32}\mathrm{\pi }{x}^{\mathrm{4}}{(\mathrm{1}-\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta )}^{\mathrm{2}}}（13）

种子在不同阶段会受到不同的外力，但始终与种子的物理特性、气流参数和型孔参数有关。田间作业中为提高播种效率一般通过增加吸孔数量和增大滚筒转速。增加吸孔数量需要相应的提高滚筒负压，如果负压过小，种子受到的吸附力不足以取种，会产生空穴现象；如果负压过大，一方面会引起重播现象，另一方面也会增加风机能耗。滚筒转速也会影响播种质量，转速过低，型孔吸附时间延长会产生重播；转速过高，型孔来不及吸附造成空穴，甚至吸附力过小在高转速时种子被甩飞。

3 仿真试验及结果分析

气吸式排种器利用内外压差来提取种子，对种子几乎没有伤害。气流并不能被我们所观察到，尤其是滚筒内部，掌握气流的变化规律对于我们来说至关重要^［13］。因此，研究人员将使用流体模拟软件对排种器进行数值模拟。

3.1 仿真模型建立

通过Solidworks建立排种器的三维建模，并在各出口设置端盖将其封闭。使用其内置插件Flow simulation 抽取模型内部不具备流动条件的腔体形成流体域。如图4所示，将负压轴一端设置为静压出口，数值为989 25 Pa，即-2.4 kPa。滚筒表面被设定为环境压力入口，数值为101 325 Pa，即1个标准大气压^［14］。

3.2 仿真结果及分析

图5是距离静压出口最近的一列吸孔的截面。左图是具有内置滚筒的速度云图，周向型孔的速度分布较为均匀，型孔处气体平均流速为52 m/s，靠近滚筒内壁的型孔间易形成漩涡。右图是无内置滚筒的速度云图，流体域上部型孔处气体平均流速为40 m/s，且上部型孔处气体平均流速比下部高，负压轴处的气体流速较高。在加载同等负压条件下，有内置滚筒的型孔处平均流速高于无内置滚筒结构。

图6是滚筒工作时竖直方向的截面速度云图，静压出口至负压轴上第一个开口这部分区域气体流速较高，气体流速在型孔处较高，在其他区域较低。通过测量不同列同一方位型孔处气体流速，发现靠近或远离负压轴出口处的型孔流速差异不大。进一步分析负压轴上的流速和静压变化规律，将静压出口处设为坐标原点，沿负压轴建立一维坐标系。

由图7可知，负压轴上第1个出口处气体流速急剧增大后减小，在0.2 m附近气体流速达到最大值38.95 m/s，其余出口处气体流速均产生较小的波动。除前两个出口之外，其余出口气体流速都小于5 m/s，滚筒内部气体主要从负压轴上的前两个出口位置抽取。

由图8可知，负压轴上的负压在第1个出口前先略微增大，之后在第1个出口位置处急剧降低，静压值表现为先减小后增大，最小静压值为98 799 Pa。在第2个出口前压力微小波动，其余出口处静压值基本无变化，负压稳定在1.6 kPa左右。

通过对滚筒内部流场进行仿真模拟，掌握内部流场的变化规律，证明内置滚筒结构对减小风机能耗具有显著作用，流体主要由负压轴上的前2个开口进行抽取，为了验证该结构的工作可靠性，需要进一步做台架试验进行验证。

4 台架性能试验

4.1 试验材料及装置

试验对象为新陆早48号棉花种子，种子长度（8.94±0.63）mm，宽度（5.19±0.19）mm，厚度（4.82±0.31）mm。所播作物种子决定吸孔直径d的大小，b为种子平均宽度^［15］。依据公式d=（0.64~0.66）b，吸孔直径范围为3~4 mm，自制的排种器滚筒吸孔直径可设为3.8 mm。高压漩涡风机提供负压，减速电机驱动滚筒转动，油带用于统计每穴内棉种数量。试验地点是在石河子大学排种器性能检测实验室，使用JPS-12型性能检测试验台进行棉花精量播种的台架试验。试验台搭建如图9所示。

4.2 评价指标的选取

试验依据《单粒（精密）播种机试验方法GB/T 6973-2005》^［16］，确定漏播率Y₀、合格率Y₁与重播率Y₂作为对排种装置作业性能评价的指标。各指标的计算公式分别为：

Y_{\mathrm{0}}(\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{0}}}{\mathrm{250}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（14）

Y_{\mathrm{1}}(\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{1}}}{\mathrm{250}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（15）

Y_{\mathrm{2}}(\mathrm{\%})=\frac{n_{\mathrm{2}}}{\mathrm{250}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（16）

式中：n₀为1穴0粒种子的穴数；n₁为1穴1粒种子的穴数；n₂为1穴2粒及以上种子的穴数。

4.3 试验方案与结果

气吸滚筒式排种器试验因素主要有气室真空度、滚筒转速、型孔直径等，本文将负压和前进速度作为试验因素。根据单因素试验结果确定试验因素水平范围：负压1.83~2.97 kPa、前进速度3.66~5.44 km/h。将漏播率Y₀、合格率Y₁、重播率Y₂作为对排种器工作性能的评价指标。试验因素水平及编码如表1所示，试验设计方案及结果如表2所示^［17］。

4.4 试验结果分析

F值可以判别影响评价指标的主次因素，由表3可知，负压比前进速度对各评价指标的影响更大^［18］。P值可以判定回归参数是否显著，当P≥0.05时，回归相系数表现为不显著；当0.05>P>0.01时，回归相系数表现为显著；当P≤0.01时，回归相系数表现为高度显著。由方差分析表可知，每个评价指标模型的P值都小于0.01，表现为高度显著；失拟相的P值均大于0.05（0.095 5，0.549 9，0.582 5），表明模型拟合度高。剔除不显著相分别建立漏播率、合格率、重播率与试验因素编码之间的二次多项式回归方程如公式17~19：

Y_{\mathrm{0}}=\mathrm{2.72}-\mathrm{1.17}{X}_{\mathrm{1}}+\mathrm{1.05}{X}_{\mathrm{2}}+\mathrm{1.42}{X_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{2.19}{X_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}（17）

Y_{\mathrm{1}}=\mathrm{92.4}+\mathrm{0.61}{X}_{\mathrm{1}}-\mathrm{0.05}{X}_{\mathrm{2}}-\mathrm{2.08}{X_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}-\mathrm{2.53}{X_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}（18）

Y_{\mathrm{2}}=\mathrm{4.88}+\mathrm{0.82}{X}_{\mathrm{1}}-\mathrm{0.75}{X}_{\mathrm{2}}+\mathrm{0.78}{X_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}（19）

响应面是通过使用Design-expert 13和上述回归方程得到。响应面提供了一个更好的可视化的模型来分析交互因素对评价指标的影响^［19-20］。

从图10可知，当负压处于中心水平（2.4 kPa）时，随着前进速度的逐渐增加，漏播率先降后升，合格率先升后降，重播率逐渐降低，这是因为前进速度增大，滚筒转的越快，超过吸种极限速度，导致不能吸到种子，漏播现象严重。当前进速度处于中心水平（4.52 km/h）时，随着负压的增加，漏播率逐渐降低，重播率逐渐增加，合格率先增加后降低，这是因为当滚筒加载的负压超过吸取一粒种子的力时，型孔处气体流速增大，多粒棉种会被同时扰动进而吸附到型孔产生严重的重播现象。

为了达到最佳的播种效果，用多目标优化方案对回归模型进行优化求解，目标是最小化漏播率、最大化合格率和最小化重播率^［21］。约束条件可用公式20表示：

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{Y}_{\mathrm{0}}\\ \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{Y}_{\mathrm{1}}\\ \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{Y}_{\mathrm{2}}\\ \mathrm{s}.\mathrm{t}.\left\{\begin{array}{l}\mathrm{2.8}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\ge X_{\mathrm{1}}\ge \mathrm{2}\mathrm{k}\mathrm{P}\mathrm{a}\\ \mathrm{5.17}\mathrm{k}\mathrm{m}/\mathrm{h}\ge X_{\mathrm{2}}\ge \mathrm{3.87}\mathrm{k}\mathrm{m}/\mathrm{h}\end{array}\right.\end{array}\right.（20）

预测的最佳参数组合为：负压2.39 kPa、前进速度4.55 km/h。预测的排种器最佳作业结果为：漏播率2.78%，合格率92.39%，重播率4.84%。为了验证优化结果的准确性，在排种器稳定运行一段时间后，在此参数组合下进行五次重复性试验，验证结果表明合格率为91.8%，漏播率为3.3%，重播率为4.9%。符合精准农业的播种要求。

5 结论

1） 设计的一种具有内置滚筒的排种器满足精量播种农艺要求，该结构能减小风机负压能耗的作用。通过对排种全过程理论分析，依靠棉种自重及惯性进行投种，减少投种阶段对种子的伤害。

2） 通过流体仿真掌握内流场变化规律，负压轴上靠近出口处前两个开口位置对气体流速及气室压强的影响最显著，有内置结构的排种器型孔处气体流速较高，无内置结构的气流平均速度较低，且流场上部气体流速高于下部，有内置结构的排种器可降低取种时对负压的需求。

3） 利用Design-Expert设计两因素五水平试验方案，使用其优化模块找到最佳的参数组合，在该参数下进行台架验证性试验，最佳播种性能达到91.8%，漏播率达到3.3%，重播率达到4.9%。验证结果与理论上的最佳优化结果基本一致。

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[21] 倪向东，徐国杰，王琦，气吸滚筒阵列式棉花精密排种器设计与试验［J］.农业机械学报，2017，48（12）：58-67.

基金资助

国家自然科学基金项目(52065056)