轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器性能影響的試驗(yàn)研究

牛媛媛，徐銘辰，李 赫，毋高峰，余泳昌(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

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轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器性能影響的試驗(yàn)研究

牛媛媛，徐銘辰，李 赫，毋高峰，余泳昌
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

為提高傾斜勺式排種器使用效果，利用STB-700試驗(yàn)臺(tái)對(duì)3種不同的大豆種子進(jìn)行了排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)排種器性能影響的試驗(yàn)，得到了排種器的轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器排種性能影響的變化規(guī)律。并利用MATLAB中的fminbnd函數(shù)求解確定了符合要求的重播率極小值點(diǎn)為44.05 r·min-1，漏播率極小值點(diǎn)為40.71r·min-1，株距變異系數(shù)極小值點(diǎn)39.65 r·min-1。從而找到了傾斜勺式大豆精密排種器安裝在播種機(jī)上工作時(shí)的最佳機(jī)組工作速度范圍為4～5 km·h-1。

精密播種；轉(zhuǎn)速；排種均勻性；分析

大豆機(jī)械精量播種過(guò)程中，排種器作為免耕播種機(jī)的關(guān)鍵工作部件將種子按照要求定量、均勻地播于田間，以獲得合理的種植密度，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，滿(mǎn)足精量播種的要求。排種器作為精密播種機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件，其性能直接影響種子分布的均勻性，最終影響播種質(zhì)量[1]。因此，播種機(jī)選用的排種器對(duì)精量播種機(jī)的播種效果起著決定性的作用。目前廣泛應(yīng)用的精密排種器主要有機(jī)械式和氣力式2大類(lèi)。盡管氣力式精密排種器不傷種子，通用性好，排種性能優(yōu)良，但由于對(duì)風(fēng)機(jī)及其動(dòng)力傳遞結(jié)構(gòu)要求較高，所以氣力式精密排種器在中、小型免耕播種機(jī)上的應(yīng)用一定程度上受到了輸出動(dòng)力的限制[2]。機(jī)械式精密排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，排種精密度和穩(wěn)定性較好，近些年來(lái)在黃淮海區(qū)域耕作模式和地塊面積較小的南方區(qū)域應(yīng)用比較廣泛[3]。常見(jiàn)的機(jī)械式排種器主要有傾斜勺式、窩眼輪式、垂直圓盤(pán)式、水平圓盤(pán)式等多種類(lèi)型[4]。傾斜勺式排種器由于對(duì)球狀種子具有很好的適應(yīng)性，因此在大豆免耕播種機(jī)應(yīng)用較為廣泛。排種器的工作環(huán)境比較惡劣，因此排種器的投種性能受到了諸多因素的影響，如種子的形狀和尺寸、排種器的工作速度等[5,6]。目前，針對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器的排種性能的研究分析主要集中在結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)方面[7]，關(guān)于排種器的工作轉(zhuǎn)速對(duì)大豆排種器性能的影響還缺乏相關(guān)的研究和分析。因此，本研究利用粒距變異系數(shù)、重播率和漏播率來(lái)衡量排種器的工作性能，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析傾斜勺式大豆精密排種器的排種器轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響，旨在利用一定的計(jì)算方法獲得傾斜勺式大豆精密排種器轉(zhuǎn)速的最優(yōu)解，從而提高排種器的排種性能。

1 傾斜勺式排種器結(jié)構(gòu)與作業(yè)原理

1.1 傾斜勺式大豆精密排種器結(jié)構(gòu)

傾斜勺式大豆精密排種器主要由排種器殼體、排種盤(pán)、隔板、充種盤(pán)等組成(圖1)。該排種勺輪直徑約為 240 mm，均布18個(gè)種勺，種勺間距為45 mm，傾角為10°，導(dǎo)種輪的直徑 237 mm，導(dǎo)種輪凹槽數(shù)為18個(gè)，工作時(shí)排種勺輪與導(dǎo)種輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，種勺與凹槽位置一一對(duì)應(yīng)且均勻分布。

1.殼體； 2.投種盤(pán)； 3.隔板 ； 4.排種勺盤(pán)。

1.2 傾斜勺式大豆精密排種器工作原理

傾斜勺式大豆精密排種器在工作時(shí)，動(dòng)力由地輪提供，再經(jīng)過(guò)變速箱變速后帶動(dòng)分種勺輪轉(zhuǎn)動(dòng)。種箱內(nèi)的大豆種子在重力作用下經(jīng)排種器蓋下面的進(jìn)種口限量的落入排種器的充種區(qū)，充種后大豆種子在分種勺和隔板形成的持種空間的作用下同分種勺一起做圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)排種勺輪經(jīng)過(guò)充種區(qū)進(jìn)入清種區(qū)后，分種勺內(nèi)多余的大豆種子將在重力和清種毛刷的作用下自動(dòng)回落至充種區(qū)，使種勺內(nèi)只有1粒種子。而留在持種空間的大豆種子則隨分種勺繼續(xù)做圓周運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到排種器頂部的遞種孔處時(shí)，大豆種子將通過(guò)隔板上的開(kāi)口落入與分種勺對(duì)應(yīng)的導(dǎo)種凹槽中，并在排種輪的帶動(dòng)下經(jīng)護(hù)種區(qū)到達(dá)投種口，大豆種子在重力、離心力、摩擦力等力的共同作用下脫離排種器順利落入落入開(kāi)溝器形成穴孔之中完成投種，實(shí)現(xiàn)零速投種。所謂零速投種，即排種器投種時(shí)種子的絕對(duì)水平分速度為零。實(shí)現(xiàn)零速投種的排種器可以使種子的落點(diǎn)精度更高[8,9]。

不同于普通大豆排種器的一次性投種性能，傾斜勺式大豆精密排種器具備2次投種的功能。傾斜勺式大豆精密排種器每完成一次投種，其實(shí)都是經(jīng)過(guò)2個(gè)投種過(guò)程。通過(guò)分析傾斜勺式大豆精密排種器的工作過(guò)程可以看出，第1次投種是在大豆種子從進(jìn)入充種區(qū)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)至種子從清種區(qū)落入導(dǎo)種輪上凹槽時(shí)，由于該凹槽的數(shù)目同分種勺數(shù)目相同，因此落入凹槽之后大豆種子等同于進(jìn)入第2次投種過(guò)程。然后落入導(dǎo)種輪凹槽的大豆種子隨著導(dǎo)種輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)到底部排種口時(shí)，大豆種子落入種溝內(nèi)由此完成第2次投種。普通大豆播種機(jī)的排種器一次性投種，種子落地時(shí)的速度高，容易發(fā)生彈跳、滾動(dòng)，導(dǎo)致種子不能均勻分布。傾斜勺式大豆精密排種器在經(jīng)過(guò)了2次投種過(guò)程后，種子的排種高度顯著降低，這樣減少了種子在種溝內(nèi)彈跳的現(xiàn)象，有效地提高了種子粒距的均勻性和準(zhǔn)確性。該排種器安裝時(shí)與地面垂直，排種器在工作過(guò)程中靠重力清種，因此工作部件對(duì)種子造成的損傷較小。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

為保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，本試驗(yàn)選用吉育58、冀豆17和龍豆5號(hào)3種大豆來(lái)進(jìn)行排種器軸轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式精密排種器排種效果影響研究的試驗(yàn)。分別取3種種子各250粒，對(duì)其長(zhǎng)度、寬度、厚度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，吉育58平均為6.69 mm×6.54 mm×5.6 mm，長(zhǎng)寬比為1.02；冀豆17平均為6.56 mm×6.51 mm×5.42 mm，長(zhǎng)寬比為1.00；龍豆5號(hào)平均為6.34 mm×5.94 mm×5.34 mm，長(zhǎng)寬比為1.07。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

本試驗(yàn)采用STB-700型排種器多功能智能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。該試驗(yàn)臺(tái)用傳送帶做種床，模擬播種機(jī)的田間工作速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，排種器在試驗(yàn)時(shí)固定不動(dòng)，傳送帶相對(duì)于排種器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。這樣就把播種機(jī)相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閭魉蛶鄬?duì)于排種器的運(yùn)動(dòng)。排種器在固定位置把種子排在涂有油層的傳送帶上，從而達(dá)到測(cè)出排種均勻性等各項(xiàng)指標(biāo)的目的?；趫D像處理排種器性能試驗(yàn)和檢定裝置，該試驗(yàn)臺(tái)能自動(dòng)控制排種器轉(zhuǎn)軸的工作速度、傳送帶的運(yùn)行速度及風(fēng)機(jī)壓力；高速攝像裝置可實(shí)時(shí)記錄排種器的工作過(guò)程，利用圖像檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)精確地檢測(cè)排種器所排種子粒距和粒數(shù)，并且可以按國(guó)標(biāo)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》測(cè)試要求[8]，自動(dòng)精確計(jì)算、處理得出其重播指數(shù)、漏播指數(shù)等排種性能指標(biāo)。適用于各種機(jī)械式和氣力式排種器。排種器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和輸送帶運(yùn)行速度均采用自動(dòng)控制，對(duì)于精密排種器，自動(dòng)計(jì)算該試驗(yàn)臺(tái)具有檢測(cè)精確、直觀、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)[9]。

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 以?xún)A斜勺式大豆精密排種器為研究對(duì)象，以排種器軸轉(zhuǎn)速和機(jī)組作業(yè)速度為影響因素。通過(guò)分析不同品種的大豆種子在傾斜勺式機(jī)密排種器以不同排種速度投種條件下的各項(xiàng)性能指標(biāo)，判斷排種器轉(zhuǎn)速對(duì)排種器性能的影響以及影響規(guī)律。最后借助Matlab軟件，運(yùn)用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化fminbnd函數(shù)計(jì)算出能使傾斜勺式精密排種器達(dá)到更好作業(yè)效果的機(jī)器作業(yè)速度，優(yōu)化傾斜勺式精密排種器的使用效果。

2.3.2 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法 根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》和GB/T 9478—1988《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》，衡量精密排種器的基本性能指標(biāo)有合格率、重播率、漏播率；衡量播種精度的基本指標(biāo)有粒距平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)。本研究選取重播率、漏播率、株距變異系數(shù)作為衡量排種器轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式精密排種器排種性能影響的指標(biāo)。利用GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》對(duì)重播率、漏播率和株距變異系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3 結(jié)果與分析

根據(jù)制定的實(shí)驗(yàn)方法，利用STB-700型排種器多功能智能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。同時(shí)以冀豆17為例測(cè)得的傾斜勺式大豆精密排種器的性能指標(biāo)隨機(jī)器作業(yè)速度變化的情況如表2所示。

通過(guò)表1、表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，排種轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器的排種效果有直接影響。隨著排種器軸轉(zhuǎn)速的增加，重播率呈非線(xiàn)性變化；漏播率、株距變異系數(shù)在機(jī)器作業(yè)速度不超過(guò)10 km·h-1速度范圍時(shí)基本呈非線(xiàn)性增大趨勢(shì)。當(dāng)傾斜勺式精密排種器的排種轉(zhuǎn)速大于70.2 r·min-1時(shí)，漏播現(xiàn)象開(kāi)始變得嚴(yán)重；當(dāng)轉(zhuǎn)速超過(guò) 81.6 r·min-1時(shí)，傾斜勺式精密排種器的重播率明顯增加；而變異系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增加在逐漸增大，說(shuō)明隨著轉(zhuǎn)速的增高，傾斜勺式精密排種器的排種均勻度在逐步降低。

表1 排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器的性能指標(biāo)的影響Table 1 Influence of the rotational speed of the shaft on the performance of the tilting spoon type soybean precision metering device

表2 機(jī)器作業(yè)速度對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器的性能指標(biāo)的影響Table 2 Influence of machine operating speed on the performance of the tilting spoon type soybean precision metering device

同時(shí)通過(guò)對(duì)比3種大豆在同轉(zhuǎn)速時(shí)的變化規(guī)律可以看出，雖然試驗(yàn)選取的大豆種子的品種不同，但在針對(duì)同一種排種器的條件下其對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器的漏播率、重播率以及株距變異系數(shù)的影響規(guī)律基本一致。說(shuō)明排種軸速度變化引起的排種器性能指標(biāo)變化并非因?yàn)槭艿椒N子尺寸因素的影響。通過(guò)對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器機(jī)理的研究可以發(fā)現(xiàn)，排種器的排種軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度影響了排種器的充種角、清種角以及投種角，從而影響了排種器的重播率、漏播率以及株距合格率[10]。因此，找到傾斜勺式精密排種器排種軸的最佳轉(zhuǎn)動(dòng)角速度可以提高排種器工作質(zhì)量。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析可知，機(jī)組作業(yè)速度保持在4～5 km·h-1范圍時(shí)，該排種器的重播率、漏播率、變異系數(shù)均較低，理論上在此范圍內(nèi)該排種器的工作效果較好。

為驗(yàn)證以上結(jié)論的正確性，本研究以?xún)A斜勺式精密排種器的排種軸轉(zhuǎn)速為自變量x建立目標(biāo)函數(shù)，借助Matlab軟件，運(yùn)用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化fminbnd函數(shù)計(jì)算使傾斜勺式精密排種器達(dá)到更好作業(yè)效果的排種器轉(zhuǎn)速，優(yōu)化傾斜勺式精密排種器的排種效果。傾斜勺式精密排種器的排種軸轉(zhuǎn)速對(duì)重播率、漏播率、株距變異系數(shù)的影響規(guī)律可用下列方程表示。

(1)重播率D

D1= 1×10-7x6-5×10-5x5+0.006 8x4-0.520 1x3+22.058x2-489.66x+4 444.4

(1)

相關(guān)系數(shù)R12=0.955 0

D2= =9×10-8x6-3×10-5x5+0.004 5x4-0.350 8x3+14.999x2-336x+3 080.7

(2)

相關(guān)系數(shù)R22=0.999 5

D3=2×10-7x6-5×10-5x5+0.007 9x4-0.605 8x3+25.666x2-568.9x+5 153.4

(3)

相關(guān)系數(shù)R32=0.929 7

式中:X為極值點(diǎn)；D1為吉育58重播率；D2為冀豆17重播率；D3為龍豆5號(hào)重播率。

(2)漏播率M

M1=-2×10-8x6+5×10-6x5-0.000 4x4+0.015 2x3+0.013 7x2-12.756x+210.24

(4)

相關(guān)系數(shù)R12=0.984 9

M2=-4×10-8x6+1×10-5x5-0.001 6x4+0.101x3-3.539 9x2+64.275x-472.07

(5)

相關(guān)系數(shù)R22=0.990 8

M3=-4×10-8x6+1×10-5x5-0.001 4x4+0.086 5x3-2.902 2x2+49.789x-339.6

(6)

相關(guān)系數(shù)R32=0.982 1

式中:M1為吉育58漏播率；M2為冀豆17漏播率；M3為龍豆5號(hào)漏播率。

(3)株距變異系數(shù)C

C1=9×10-8x6-3×10-5x5+0.004 2x4-0.314 4x3+12.881x2-276.29x+2 433.8

(7)

相關(guān)系數(shù)R12=0.957 0

C2=1×10-7x6-3×10-5x5+0.004 9x4-0.368 1x3+15.165x2-327.41x+2 902.8

(8)

相關(guān)系數(shù)R22=0.993 9

C3=7×10-8x6-2×10-5x5+0.003 5x4-0.254 8x3+10.336x2-218.27x+1 885.2

(9)

相關(guān)系數(shù)R32=0.984 4

式中:C1為吉育58株距變異系數(shù)；C2為冀豆17株距變異系數(shù)；C3為龍豆5號(hào)株距變異系數(shù)。

當(dāng)重播率D、漏播率M和株距變異系數(shù)C最小時(shí)，此時(shí)x的值即為傾斜勺式大豆精密排種器轉(zhuǎn)速的最優(yōu)解。在Matlab中運(yùn)用非線(xiàn)性?xún)?yōu)化fminbnd函數(shù)進(jìn)行求解。

4 結(jié)論

1)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，排種器軸轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜勺式大豆精密排種器的排種性能有直接影響。播種機(jī)的作業(yè)速度控制在4～5 km·h-1范圍時(shí)該排種器的重播指數(shù)隨作業(yè)速度的增加非線(xiàn)性降低，而漏播指數(shù)與變異系數(shù)均隨作業(yè)速度的增加非線(xiàn)性增大。當(dāng)超過(guò)這個(gè)速度范圍時(shí)，該排種器的性能指標(biāo)均隨機(jī)組作業(yè)速度的增加呈非線(xiàn)性增加，此時(shí)傾斜勺式精密排種器的排種性能較差。

2)利用MATLAB中的fminbnd函數(shù)最終求得符合要求的重播率極小值點(diǎn)為44.05 r·min-1、漏播率極小值點(diǎn)為40.71 r·min-1、株距變異系數(shù)極小值點(diǎn)為39.65 r·min-1。此時(shí)對(duì)應(yīng)的機(jī)組作業(yè)速度范圍為4～5 km·h-1。

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(責(zé)任編輯：蔣國(guó)良)

Experimental study influence of shaft speed on the performance of tilting spoon type soybean precision seeding apparatus

NIU Yuanyuan, XU Mingchen, LI He , WU Gaofeng , YU Yongchang
(Mechanical and Electrical Engineering College ， Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In order to improve the using effect of the tilting spoon seeding apparatus, the STB-700 tester and the three kinds of soybean seed were used to test the influence of shaft speed on seedmeter performance. Through the study, we find the Influence and change rule of tilt scoop metering performance soybean precision metering influenced by rotation speed of the metering device. And the fminbnd function of MATLAB was used to meet the requirements. The replay rate minimum point is 44.05 r·min-1. The leakage sowing rate minimum point is 40.71 r·min-1. The planting distance variation coefficient minimum point is 39.65 r·min-1. When the precision soybean metering device is installed in no tillage planter on soybean, the best working speed range set for this metering device is obtained,which is 4 ～ 5 km·h-1.

precision seeding; speed; seeding uniformity; analysis

2015-03-29

國(guó)家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(CARS-04);國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(201303011-4)

牛媛媛(1987-)，女，河南南陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事大豆免耕播種機(jī)的適應(yīng)性研究。

余泳昌(1954-)，男，河南杞縣人，教授，博士生導(dǎo)師。

1000-2340(2015)06-0801-05

S223.2

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