張宇乾 李貴榮 張成堯 楊文彩 劉峰 張海東

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)氣吸式排種器負(fù)壓沿程損失大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，基于軸流風(fēng)機(jī)原理及流體力學(xué)相關(guān)理論設(shè)計(jì)了一種不需要配備真空泵及配套管道設(shè)施的軸流氣吸式排種器，簡(jiǎn)化了排種器結(jié)構(gòu)。建立排種器型孔處種子的力學(xué)模型；以大葉香菜種子為排種對(duì)象，基于三維建模軟件、CFD相關(guān)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬，確定了排種器關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)；搭建排種器試驗(yàn)臺(tái)架，以扇葉轉(zhuǎn)速、排種盤轉(zhuǎn)速、型孔數(shù)量為影響因子，以種子吸附率為性能指標(biāo)，進(jìn)行三因子三水平二次回歸正交試驗(yàn)，利用Design-Expert軟件建立各影響因子與性能指標(biāo)之間的回歸模型，分析了各個(gè)因子對(duì)排種性能的影響規(guī)律。采用主目標(biāo)函數(shù)法進(jìn)行了優(yōu)化，確定了最佳參數(shù)組合為扇葉轉(zhuǎn)速1 914 r/min、排種盤轉(zhuǎn)速 11 r/min、吸種型孔數(shù)量18個(gè)，此時(shí)理論種子吸附率為92.81%。以此參數(shù)組合在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示種子吸附率平均值為92.22%，與理論結(jié)果基本相符。該排種器可以滿足蔬菜精密播種對(duì)排種器的性能要求。

關(guān)鍵詞：軸流氣吸；排種器；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）；數(shù)值模擬；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S223.2⁺3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2023）16-0179-08

收稿日期：2022-11-28

基金項(xiàng)目：云南省重大科技專項(xiàng)（編號(hào)：202102AE090042-06、2018ZC001-4）。

作者簡(jiǎn)介：張宇乾（1995—），男，浙江紹興人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)制造。E-mail：598220645@qq.com。

通信作者：張海東，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)制造、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)無損檢測(cè)。E-mail：zhd_74@126.com。

精密排種器是決定播種機(jī)播種性能的核心部件^［1］，直接影響播種機(jī)的能耗、播種效率、播種均勻度、傷種率等性能指標(biāo)，最終影響作物的產(chǎn)量、質(zhì)量和成本^［2］。精密排種器主要有機(jī)械式和氣力式兩大類^［3］。機(jī)械式排種器利用重力等實(shí)現(xiàn)充種，并通過機(jī)械裝置完成吸種、排種、清種過程。常見的機(jī)械式排種器有型孔盤式、窩眼輪式、型孔帶式、指夾式等^［4］。氣力式排種器通常由動(dòng)力輸出軸或者液壓系統(tǒng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)工作，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空吸力（壓力）對(duì)種子進(jìn)行控制，使種子完成預(yù)期運(yùn)動(dòng)。氣力式排種器按照工作原理可分為氣吸式、氣壓式、氣吹式^［5］。其中，氣吸式排種器是精密播種機(jī)上常用的排種器之一，這種排種器具有適用范圍廣、作業(yè)效率高、播量精準(zhǔn)、不損傷種子等優(yōu)點(diǎn)^［6-8］，但也存在一些不足之處。風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓必須通過專門的管道送至排種器負(fù)壓室，由于管道較長，易形成壓力損失，帶來不必要的能耗。且排種器設(shè)置正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，這2個(gè)區(qū)域由吸種盤隔開，整體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，裝配、維修保養(yǎng)均較困難。

本研究擬探索設(shè)計(jì)一種無需負(fù)壓輸送管道，且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的氣吸式排種器，以期解決現(xiàn)有氣吸式排種器易負(fù)壓沿程損失大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等不足之處，也為氣吸式排種器的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

區(qū)別于傳統(tǒng)的氣吸式排種器，本研究設(shè)計(jì)的軸流氣吸式排種器不需要配備真空泵及配套管道設(shè)施，也無需在排種器內(nèi)加工出正壓區(qū)、負(fù)壓區(qū)及各種復(fù)雜的孔道等，大大簡(jiǎn)化了排種器結(jié)構(gòu)。該軸流氣吸式排種器主要由傳動(dòng)軸、軸承固定盤、扇葉、氣室、排種盤、種箱、擋壓板等組成。

排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。擋圈與氣室通過螺釘聯(lián)接，其中心轂孔用來安置軸承，傳動(dòng)軸由擋圈和聯(lián)軸器支承，其主要作用是將電機(jī)輸出軸的動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)傳遞給扇葉；排種盤由聯(lián)軸器連接減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)。排種盤一側(cè)轂孔安裝軸承，傳動(dòng)軸與該軸承內(nèi)圈緊聯(lián)接，從而實(shí)現(xiàn)扇葉與排種盤的差速旋轉(zhuǎn)；擋壓板固定在負(fù)壓腔氣室，與排種盤最底部相接觸。工作時(shí)扇葉高速旋轉(zhuǎn)，將氣體沿軸向從氣室一側(cè)排出，氣室另一側(cè)將產(chǎn)生負(fù)壓，即排種盤型孔處將擁有吸力，此時(shí)排種盤旋轉(zhuǎn)，完成吸種、攜種。當(dāng)排種盤上的吸種孔攜帶種子轉(zhuǎn)到最低處時(shí)，受擋壓板作用，吸種型孔失去負(fù)壓，種子在重力作用下完成排種過程。

2 型孔處種子力學(xué)模型

將種子視為近似球體，忽略播種過程中的振動(dòng)，排種器工作時(shí)，種子在型孔上受到吸力F_i、種子所受支持力N等。以種子所受摩擦力為x軸正向、所受離心力為y軸正向、所受吸附力為z軸正向，對(duì)排種型孔處種子進(jìn)行分析（圖2）。其中Q為吸種作用點(diǎn)。

如圖2所示，建立種子平衡方程如公式（1）所示。

式中：G為種子所受重力，N；N為種子所受支持力，N；J為種子所受離心力，N；F_f為種子在排種盤上所受的摩擦力，N；ω為排種盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；θ為種子所受離心力與重力之間的夾角，°；F_r為G、J、F_f的合力，N；N_X為支持力x軸分力，N；N_Y為支持力y軸分力，N；N_z為支持力z軸分力，N；F_i為種子所受負(fù)壓吸力，N；α為N與N_xy夾角，°。

由式（1）可得到種子在xy平面所受的支持力為：

）

所受G、J、F_f的合力F_r為：

在吸種過程中，吸種型孔處的種子受力平衡，則：

在吸種型孔處的負(fù)壓大小為：

式中：P為負(fù)壓大小，Pa；A為型孔截面面積，mm²。

從式（5）中可初步看出吸種型孔負(fù)壓與排種盤轉(zhuǎn)速n、排種盤直徑D、型孔直徑d、種子所受重力G（與質(zhì)量m有關(guān)）、種子與排種盤間的摩擦系數(shù)有關(guān)，因此排種盤設(shè)計(jì)過程中需考慮以上因素。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與仿真

本研究提出了一種有別于傳統(tǒng)氣吸式排種器的結(jié)構(gòu)，而排種盤、氣室、扇葉是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部位，其尺寸參數(shù)直接影響排種性能，因此基于流體力學(xué)相關(guān)理論、三維建模軟件、CFD相關(guān)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真試驗(yàn)。

3.1 排種盤

3.1.1 排種盤結(jié)構(gòu)尺寸 排種盤的整體結(jié)構(gòu)尺寸會(huì)直接影響氣室、扇葉的結(jié)構(gòu)尺寸，從而直接影響到整個(gè)排種器的尺寸，所以排種盤的尺寸參數(shù)是決定排種器整體結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)鍵因子之一^［9］。通過相關(guān)資料可知，現(xiàn)有垂直圓盤氣吸式排種器的種盤直徑一般為140～260 mm^［10］，吸種型孔一般設(shè)置在距離排種盤邊緣15～20 mm處，綜合考慮，取排種盤直徑為200 mm，型孔中心與種盤中心距離為85 mm。

3.1.2 型孔設(shè)計(jì)與仿真分析 （1）型孔大小確定。吸種型孔直徑大小取決于種子的幾何特性，以大葉香菜種子為研究對(duì)象，隨機(jī)選取500粒顆粒飽滿的種子，測(cè)得平均粒徑為3.14 mm。吸種型孔入口直徑d與種子粒徑的關(guān)系^［11］為：

d=（0.6～0.7）d_k。（6）

式中：d_k為種子粒徑，mm。

根據(jù)式（6）可得吸種型孔入口直徑d取值為1.88～2.20 mm，根據(jù)上述型孔處種子受力分析可知，入口直徑越大則吸附種子所需的負(fù)壓就越小，因此取d=2.20 mm。

（2）型孔形狀確定。吸種型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于排種盤的吸種、投種效能至關(guān)重要。根據(jù)流量連續(xù)性方程、伯努利方程設(shè)計(jì)3種變截面的吸種型孔，分別為直筒型、倒角型、錐角型；其中直筒型作為對(duì)照組，3種型孔的入口直徑和軸向長度相等。對(duì)幾種型孔進(jìn)行數(shù)值模擬。使用ANSYS MESHING對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格數(shù)據(jù)平移至FLUENT進(jìn)行仿真分析。在FLUENT中設(shè)置湍流模型為realizable k-模型。根據(jù)湍流模型的壁面函數(shù)要求，將y⁺控制在30～300之間^［12］。參考相關(guān)文獻(xiàn)并根據(jù)前期研究，設(shè)置型孔出口的氣流速度為10 m/s；設(shè)置算法為coupled；控制方程采用有限體積法進(jìn)行離散化；設(shè)置迭代步數(shù)為300步；隨著迭代步數(shù)的增加，殘差逐漸降低至0.000 1，且監(jiān)測(cè)的物理量波動(dòng)越來越小并趨于穩(wěn)定，表示此時(shí)計(jì)算已達(dá)到收斂^［13-14］。創(chuàng)建中間截面，并顯示結(jié)果，數(shù)值模擬結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在型孔入口直徑與軸向尺寸相同情況下，直筒型型孔中氣流速度最大值為11.46 m/s，且由于氣流在穿過型孔時(shí)，型孔各橫截面的面積相同，故氣流無加速過程，產(chǎn)生的負(fù)壓也較小，最大負(fù)壓為76.42 Pa；倒角型、錐角型入口速度明顯增加，且最大值分別達(dá)到了40.44、42.88 m/s；型孔入口氣流速度明顯大于型孔出口，導(dǎo)致型孔入口處負(fù)壓急劇升高，因此產(chǎn)生負(fù)壓效果好，其中倒角型入口負(fù)壓又遠(yuǎn)大于錐角型。綜上分析，根據(jù)流量連續(xù)性方程、伯努利方程設(shè)計(jì)的型孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)壓效果良好，且倒角型負(fù)壓效果要優(yōu)于錐角型，因此選用倒角型作為排種盤吸種型孔。

（3）型孔數(shù)量確定 根據(jù)農(nóng)藝要求香菜種子播種株距為3～5 cm，設(shè)計(jì)型孔數(shù)量時(shí)，排種器型孔數(shù)、排種盤轉(zhuǎn)速、播種機(jī)作業(yè)速度及株距之間的關(guān)系為：

式中：Z為排種器型孔數(shù)；v為播種機(jī)作業(yè)速度，km/h；n為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min；l為播種株距，m。

根據(jù)式（7）可知，型孔數(shù)量與排種盤轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致型孔數(shù)量過少；而研究表明，排種器轉(zhuǎn)速n=10～30 r/min時(shí)，排種效果較好^［15］，因此取排種盤轉(zhuǎn)速n=10 r/min。參考相似株距播種機(jī)作業(yè)速度v=0.45 km/h^［16］，則根據(jù)公式（7）可得排種型孔數(shù)量Z的取值為15～25，暫取Z=20。

3.2 氣室

3.2.1 氣室結(jié)構(gòu)尺寸 本研究所設(shè)計(jì)氣室從結(jié)構(gòu)上分為扇葉腔室、負(fù)壓腔室這2個(gè)腔室。其中扇葉腔室長90 mm、外徑210 mm、壁厚3 mm；負(fù)壓腔室長60 mm、外徑196 mm、壁厚3 mm。扇葉腔室內(nèi)安裝扇葉，通過扇葉的高速旋轉(zhuǎn)使氣流沿軸向流動(dòng)，并在負(fù)壓腔室內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，從而使排種盤型孔處擁有吸種負(fù)壓；負(fù)壓腔室與排種盤、擋壓板相連，完成吸種、攜種、排種過程。其結(jié)構(gòu)如圖3-a所示，該氣室為喇叭型結(jié)構(gòu)，由直筒型結(jié)構(gòu)（圖3-b）通過仿真分析后優(yōu)化得到。

由圖3可知，喇叭型氣室和直筒型氣室的主要區(qū)別在于負(fù)壓腔室的變化。相對(duì)于直筒型氣室而言，喇叭型氣室的負(fù)壓腔室與扇葉腔室之間的截面變化較大，此設(shè)計(jì)可大幅降低扇葉腔室對(duì)負(fù)壓腔室的氣流擾動(dòng)作用。

3.2.2 氣室流場(chǎng)仿真分析 為了驗(yàn)證氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性與可靠性，使用Space Claim建立2種氣室的仿真模型，并導(dǎo)入FLUENT中進(jìn)行數(shù)值模擬，設(shè)置扇葉轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，計(jì)算結(jié)束后在CFD-Post中觀察其中間截面壓力和速度，以型孔處的速度和負(fù)壓值作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整壓強(qiáng)范圍。

直筒型結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果如圖4所示。圖4壓強(qiáng)和速度云圖顯示負(fù)壓腔室邊緣顏色為橘黃色，中部顏色為藍(lán)色。表示此時(shí)負(fù)壓腔室壁面處壓強(qiáng)為正。這是由于左、右兩部分內(nèi)徑相近，沿軸向無明顯截面變化，左右兩室相接相通，因此型孔處受氣流擾動(dòng)導(dǎo)致負(fù)壓效果差，甚至無法獲得負(fù)壓。

喇叭型數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。圖5壓強(qiáng)云圖顯示負(fù)壓腔室整體顏色為淡藍(lán)色，速度云圖顯示負(fù)壓腔室整體顏色為藍(lán)色，而型孔處速度為淡藍(lán)色，表示此時(shí)負(fù)壓腔室壁面處壓強(qiáng)為負(fù)壓且型孔入口處氣流速度增加。這是由于喇叭型氣室左、右兩部分沿軸向截面產(chǎn)生變化，因此右側(cè)氣室基本不受氣流擾動(dòng)，而型孔由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致入口處流速增加，使得負(fù)壓在不損失的前提下進(jìn)一步提升。

2種結(jié)構(gòu)的型孔入口處速度和負(fù)壓均值如表2所示。由表2可知，喇叭型結(jié)構(gòu)的型孔入口負(fù)壓為120.57 Pa，直筒型結(jié)構(gòu)為16.07 Pa；喇叭型結(jié)構(gòu)的型孔入口速度為14.02 m/s，直筒型結(jié)構(gòu)為4.83 m/s。因此喇叭型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)壓的效果遠(yuǎn)優(yōu)于直筒型，所以將喇叭型結(jié)構(gòu)作為排種器氣室結(jié)構(gòu)。

3.3 扇葉

3.3.1 扇葉結(jié)構(gòu)尺寸 氣室扇葉腔室內(nèi)徑為 207 mm，因此扇葉直徑需小于此尺寸。對(duì)市場(chǎng)上常見的幾種軸流風(fēng)機(jī)進(jìn)行風(fēng)量和靜壓對(duì)比，最終以德喜機(jī)電HZ200型軸流風(fēng)機(jī)的扇葉葉型作為參考進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)扇葉直徑為187 mm，葉片和壁面厚度2.5 mm，扇葉結(jié)構(gòu)示意如圖6所示。扇葉輪轂形狀為半球形，此設(shè)計(jì)可以提高葉片根部的強(qiáng)度。

3.3.2 扇葉流固耦合仿真分析 為了確定扇葉轉(zhuǎn)速范圍，對(duì)扇葉進(jìn)行仿真試驗(yàn)。以型孔入口平均壓強(qiáng)和扇葉變形量作為指標(biāo)對(duì)扇葉進(jìn)行流固耦合仿真分析。首先建立控制方程組，采用N-S方程、realizable k-模型、coupled算法進(jìn)行計(jì)算。連續(xù)性方程：

N-S方程：

realizable k-ε模型湍動(dòng)能和耗散率方程分別如下：

單向流固耦合分析方法^［30］如下：（1）Fluent流場(chǎng)分析；（2）將流場(chǎng)分析結(jié)果傳遞給結(jié)構(gòu)場(chǎng)；（3）耦合分析并輸出結(jié)果。流固耦合分析流程如圖7所示。

使用MESHING對(duì)模型進(jìn)行命名設(shè)置和網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入FLUENT中，使用多重參考系（MRF）方法進(jìn)行流場(chǎng)模擬，模擬結(jié)束后，計(jì)算型孔入口平均負(fù)壓并將流場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸至Static Structure。在Engineering Data中添加Plastic（ABS）材料。在Static Structure中進(jìn)行材料設(shè)置，添加重力和設(shè)置固定支撐等操作并進(jìn)行扇葉網(wǎng)格劃分。

對(duì)扇葉轉(zhuǎn)速進(jìn)行流固耦合仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

由圖9可見，型孔入口平均負(fù)壓和扇葉變形量隨著扇葉轉(zhuǎn)速增加而增大，呈正相關(guān)性。其中當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，型孔入口負(fù)壓最小，為12.75 Pa；當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)速為2 700 r/min時(shí)，型孔入口負(fù)壓最大，為259.38 Pa。其中當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)速為2 700 r/min時(shí)，扇葉變形情況如圖10所示。

由圖10可知，扇葉中部顏色為藍(lán)色，表示此處變形最?。簧热~從根部到邊緣顏色逐漸從黃綠變?yōu)槌燃t色，表示變形量逐漸增加，到達(dá)邊緣時(shí)最大變形約為0.10 mm。由此可知扇葉邊緣為扇葉結(jié)構(gòu)的薄弱之處，若轉(zhuǎn)速太高，則扇葉邊緣將會(huì)發(fā)生變形，從而擾動(dòng)氣流導(dǎo)致排風(fēng)減少，則負(fù)壓腔室型孔處產(chǎn)生負(fù)壓效果將變差，因此扇葉轉(zhuǎn)速不宜過高。

根據(jù)上述型孔處種子受力分析并忽略摩擦力，初步估計(jì)吸種負(fù)壓應(yīng)＞26 Pa。當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)速過低時(shí)，產(chǎn)生的負(fù)壓難以吸附種子；而當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲、功耗以及葉片變形都會(huì)較大。綜合考慮選擇扇葉轉(zhuǎn)速范圍為1 200～2 100 r/min。

4 排種器排種性能臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料及儀器設(shè)備

本試驗(yàn)地點(diǎn)為云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，采用大葉香菜種子作為排種器排種對(duì)象。

本試驗(yàn)的排種器采用3D打印技術(shù)加工，使用材料為ABS白色樹脂；試驗(yàn)臺(tái)采用鋁合金型材進(jìn)行搭建，選用普斯調(diào)速電機(jī)和感應(yīng)調(diào)速電機(jī)（4IK25GN-C）分別驅(qū)動(dòng)扇葉和排種盤，所搭建的試驗(yàn)臺(tái)如圖11所示。

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

根據(jù)前期研究確立扇葉轉(zhuǎn)速范圍為1 200～2 100 r/min；排種盤轉(zhuǎn)速范圍為10～30 r/min；型孔數(shù)量為15～25個(gè)。以種子吸附率Y₁為響應(yīng)值，其中Y₁=吸附種子孔數(shù)/總孔數(shù)；以扇葉轉(zhuǎn)速X₁、排種盤轉(zhuǎn)速X₂、型孔數(shù)量X₃為試驗(yàn)因子。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取3次平均值。采用二次回歸正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)因子水平編碼如表3所示。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，模型顯著性檢驗(yàn)如表5所示。

種子之間的機(jī)械物理特性（如直徑、質(zhì)量）存在差異，且存在種箱高度改變、振動(dòng)情況不同等因素，因此同一因素水平下種子吸附率存在波動(dòng)。

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合分析，以種子吸附率Y為響應(yīng)函數(shù)，以各影響因子的水平編碼值為自變量，建立回歸數(shù)學(xué)模型。通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到各因子水平對(duì)排種器種子吸附率影響的數(shù)學(xué)回歸模型，如公式（12）所示。

Y₁=83.21+10.05X₁-5.48X₂-1.99X₃+0.73X₁X₂+0.73X₁X₃-0.011X₂X₃-4.32X²₁-1.61X²₂-1.04X²₃。（12）

根據(jù)表5可知，氣吸式排種器的種子吸附率回歸模型的P值<0.000 1，故影響極顯著；失擬項(xiàng)的P值為0.125 3（P>0.05），故影響不顯著。因此可以確定，在一定的參數(shù)范圍內(nèi)，本試驗(yàn)種子吸附率的回歸模型與實(shí)際的播種情況擬合度較高。由扇葉轉(zhuǎn)速、排種盤轉(zhuǎn)速、型孔數(shù)量的P值可判斷，扇葉轉(zhuǎn)速、排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)種子吸附率都有極顯著影響，型孔數(shù)量對(duì)種子吸附率無顯著影響。進(jìn)一步可知回歸項(xiàng)X₁、X₂、X²₁的P值均<0.01，影響極顯著；回歸項(xiàng)X₃、X₁X₂、X₁X₃、X₂X₃、X²₂、X²₃的P值均>0.05，影響不顯著。在剔除不顯著因子回歸項(xiàng)后，種子吸附率的回歸模型可以表示為：

Y=83.21+10.05X₁-5.48X₂-4.32X²₁。（13）

為更加直觀地分析各影響因子與排種性能之間的關(guān)系，根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，使用Design-Expert10對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到扇葉轉(zhuǎn)速X₁、排種盤轉(zhuǎn)速X₂、型孔數(shù)量X₃、對(duì)排種器排種過程種子吸附率的影響。任意選取其中1個(gè)因子固定其水平，根據(jù)響應(yīng)面圖及等值線圖，分別分析另外2個(gè)因子對(duì)種子吸附率的影響，響應(yīng)面和等值線如圖12所示。

圖12-a是型孔數(shù)量為20個(gè)時(shí)，扇葉轉(zhuǎn)速和排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)排種器種子吸附率的響應(yīng)面圖。可知，當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)速一定時(shí)，種子吸附率隨排種盤轉(zhuǎn)速增大而減小，是因?yàn)樾涂淄ㄟ^充種區(qū)域的時(shí)間減少，種子被吸附的機(jī)會(huì)也隨之減小。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，種子吸附率隨扇葉轉(zhuǎn)速增大而增大，是因?yàn)樾涂兹肟谔幍呢?fù)壓增加，吸種能力得到提高。

圖12-b是排種盤轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，扇葉轉(zhuǎn)速和型孔數(shù)量對(duì)排種器種子吸附率的響應(yīng)面圖?？芍?dāng)扇葉轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著型孔數(shù)量的增多，型孔入口處的負(fù)壓變化不大，因此種子吸附率變化很小，說明型孔數(shù)量對(duì)排種器種子吸附率影響不顯著。當(dāng)型孔數(shù)量一定時(shí)，隨著扇葉轉(zhuǎn)速增大，型孔入口處負(fù)壓增加，吸種能力得到提高，因此種子吸附率增大。

圖12-c是扇葉轉(zhuǎn)速為1 650 r/min時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)速和型孔數(shù)量對(duì)排種器種子吸附率的響應(yīng)面圖?？芍?，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，種子吸附率隨型孔數(shù)量增加而變化很小，是因?yàn)樾涂兹肟谔幍呢?fù)壓變化不大。當(dāng)型孔數(shù)量一定時(shí)，種子吸附率隨排種盤轉(zhuǎn)速的增大而減小。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

通過上述分析，為了得到吸種最佳參數(shù)組合，采用多重響應(yīng)方法中的主目標(biāo)函數(shù)對(duì)影響因子扇葉轉(zhuǎn)速、排種盤轉(zhuǎn)速、型孔數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，以種子吸附率最大值為性能指標(biāo)函數(shù)，根據(jù)上述響應(yīng)面分析和回歸方程，建立其數(shù)學(xué)模型：

運(yùn)用Design-Expert 10軟件中進(jìn)行優(yōu)化求解，得出影響因子的最佳參數(shù)組合：扇葉轉(zhuǎn)速為 1 914 r/min，排種盤轉(zhuǎn)速為11 r/min，型孔數(shù)量為18個(gè)，目標(biāo)函數(shù)預(yù)測(cè)值為：種子吸附率92.81%。為了驗(yàn)證最佳參數(shù)組合，在上述最優(yōu)參數(shù)組合試驗(yàn)條件下，進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示種子吸附率平均值為92.22%，可見優(yōu)化結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)傳統(tǒng)氣吸式排種器能耗大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，依據(jù)軸流風(fēng)機(jī)原理、流量連續(xù)性方程、伯努利方程設(shè)計(jì)了軸流氣吸式排種器，對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬和臺(tái)架試驗(yàn)，現(xiàn)得出主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)排種器吸種過程中種子進(jìn)行受力分析，結(jié)果表明，吸種型孔負(fù)壓與排種盤轉(zhuǎn)速、排種盤直徑、型孔直徑、種子質(zhì)量、種子與排種盤間的摩擦系數(shù)有關(guān)。

（2）研制了一種軸流氣吸式排種器：針對(duì)排種盤結(jié)構(gòu)尺寸、型孔參數(shù)、氣室與扇葉結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析，并結(jié)合三維建模軟件、數(shù)值模擬軟件以及排種器吸種過程受力分析，確定了各部件結(jié)構(gòu)的形狀和參數(shù)。

（3）對(duì)所設(shè)計(jì)的排種器進(jìn)行加工，搭建排種器試驗(yàn)臺(tái)。以扇葉轉(zhuǎn)速、排種盤轉(zhuǎn)速、吸種型孔數(shù)量作為影響因子，以種子吸附率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)排種器開展3因子5水平的排種性能試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到回歸模型。結(jié)果得到理論最優(yōu)組合為扇葉轉(zhuǎn)速 1 914 r/min、排種盤轉(zhuǎn)速11 r/min、吸種型孔數(shù)量18個(gè)，并以此參數(shù)組合在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果基本相符，期待可為后續(xù)排種器設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

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