氣吸式排種器排種性能影響因素的分析與試驗研究

高富強(qiáng)，齊　鵬，邱立春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽　110161)

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氣吸式排種器排種性能影響因素的分析與試驗研究

高富強(qiáng)，齊鵬，邱立春

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽110161)

摘要：為了研究氣吸式排種器主要部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)變化對播種機(jī)排種性能的影響，分析了排種盤吸種孔型式、吸種孔直徑、氣吸式真空度和排種盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)對排種器排種性能的影響，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和試驗分析。研究結(jié)果表明：排種盤吸種孔型式、吸種孔直徑、氣吸式真空度和排種盤轉(zhuǎn)速都對排種效果產(chǎn)生影響，排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度對排種效果的影響最顯著；對吸種孔直徑進(jìn)行單因素試驗顯示吸種孔直徑在5.5mm時，排種器的排種效果最佳。室內(nèi)試驗臺試驗得出，排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度對排種質(zhì)量都有影響：在排種盤轉(zhuǎn)速一定時，氣吸室真空度越大，對種子的吸附力越大，一次性吸附多粒種子的可能性就增加，就會產(chǎn)生重播現(xiàn)象；當(dāng)氣吸室真空度一定時，排種盤轉(zhuǎn)速越大，排種盤吸附種子的時間就越少，種子越不容易被吸附，就會產(chǎn)生漏播現(xiàn)象。通過方差分析得出：當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為35r/min、氣吸室真空度為4kPa時，排種器的排種效果最佳。

關(guān)鍵詞：氣吸式排種器；正交試驗；影響因素；排種質(zhì)量

0引言

排種器是播種機(jī)的核心部件，其性能優(yōu)劣直接影響播種機(jī)的播種質(zhì)量和播種效率。氣吸式排種器是排種器種類之一，具有省種、不傷種、對種子的尺寸要求不嚴(yán)、適應(yīng)力強(qiáng)、易于實現(xiàn)單粒精播和作業(yè)速度高等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。

研究表明：影響氣吸式排種器排種性能的因素有很多，如排種盤轉(zhuǎn)速、氣吸室真空度、吸種孔直徑、吸種孔型式、吸種孔數(shù)目、排種盤型孔分布及兩吸種孔間距等，只有選取了合適、正確的參數(shù)，才能使排種器達(dá)到最佳的排種效果，進(jìn)而提高播種機(jī)的工作效率。

為了提高播種機(jī)排種器的排種質(zhì)量，實現(xiàn)高效率的播種作業(yè)，研究了排種盤吸種孔型式、吸種孔直徑、氣吸式真空度和排種盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)對排種器排種性能的影響，應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計理論和農(nóng)機(jī)試驗設(shè)計方法對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和試驗分析。

1排種器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計

排種盤是排種器的關(guān)鍵零件之一，其結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)直接影響排種器的排種性能。排種盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括吸種孔的形狀設(shè)計、吸種孔的直徑設(shè)計及排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)計等。

1.1　吸種孔型式設(shè)計

吸種孔的型式有很多種，如直孔、錐孔、沉孔等，吸種孔結(jié)構(gòu)如圖1所示。選擇合適的吸孔要根據(jù)玉米種子的形狀合理選擇，適當(dāng)?shù)奈仔褪侥芴岣吲欧N器的吸種效果。在3種型式的吸孔中，錐形孔的吸種性能優(yōu)于直孔和沉孔[7]。因此，選擇錐形孔作為排種盤的最優(yōu)方案。

圖1吸種孔結(jié)構(gòu)示意圖

1.2　吸種孔直徑的設(shè)計

吸種孔直徑的大小主要取決于種子的尺寸，對于不同種子的直徑需要設(shè)計不同的吸種孔。由試驗方法確定出吸種孔直徑為

d=(0.64~0.66)b

(1)

式中b—種子的平均寬度；

d—吸種孔直徑。

通過整理和分析計算出各種種子的物理機(jī)械特性(尤其是種子質(zhì)量、形狀和自然休止角等)，如表1所示[1]。

吸種孔的直徑可以根據(jù)不同種子的尺寸來決定，吸種孔的直徑大可以提高吸孔處對種子的吸附力；但孔徑過大容易造成種子卡在吸孔處而堵塞吸種孔，從而造成漏播現(xiàn)象。有時也會因為吸種孔徑過大同時吸附多粒種子，從而造成重播現(xiàn)象。吸種孔徑過小容易造成排種盤吸不著種子，從而造成漏播現(xiàn)象。因此，應(yīng)該合理選擇吸種孔直徑的大小。

表1　各種種子的物理機(jī)械特性

1.3　排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)計

氣吸式排種器的排種盤線速度大小對種子充填性能及投種準(zhǔn)確性有直接影響。為了提高播種效率，在保證質(zhì)量的前提下排種盤的轉(zhuǎn)速應(yīng)盡可能的保證最大值。但是,排種盤的轉(zhuǎn)速過高，吸種孔通過充種區(qū)的時間過短，種子有可能來不及進(jìn)入吸種孔，從而造成漏播現(xiàn)象。所以應(yīng)該適當(dāng)選擇排種盤的轉(zhuǎn)速。

假設(shè)種子隨圓盤以vp的線速度運動，靠重力落入吸種孔，則當(dāng)種子在吸種孔上方運動的過程中，其重心O降至低于排種盤上平面時，必能保證種子進(jìn)入吸種孔。圖2為種子運動示意圖。

圖2　種子運動示意圖

按自由落體方程可求出直徑為d的球形種子和扁平種子充種的極限速度分別為

(2)

(3)

式中g(shù)—重力加速度。

一般排種盤的線速度vp不應(yīng)該超過0.35m/s。如果沒有增設(shè)其他的用來提高充種效果的輔助設(shè)備，排種盤的線速度若超過這個速度，那么排種效果會大大減弱。但是，在實際工作中，由于種種的外界原因，需要對排種器進(jìn)行改進(jìn)，經(jīng)過改進(jìn)的水平圓盤的線速度可提高到0.5~0.8m/s[14]。

1.4　氣吸室真空度確定

根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)》[14]可以得到，排種器受到種子自然條件(吸種區(qū)種子分布情況、種子之間碰撞等)和外界環(huán)境的影響，需要考慮到吸種可靠性系數(shù)k1和工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)k2，在最大極限條件下，可求出氣吸室所需真空度最大值HCmax，有

(4)

式中d—排種盤吸種孔直徑(cm)；

C—種子重心與排種盤之間的距離(cm)

m—一粒種子的質(zhì)量(kg)；

vp—吸種孔中心處的線速度(m/s)；

r—吸種孔處轉(zhuǎn)動半徑(m)；

g—重力加速度(m/s2)；

k—種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，λ=(6~10)tanα，α為種子自然休止角休止角；

k1—吸種可靠性系數(shù)，k1=1.8~2.0，一般種子千粒質(zhì)量小，形狀近似球形時形時，k1取小值；

k2—工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)，k2=1.6~2.0，種子千粒質(zhì)量大時，k2選大值。

顯然，真空度越大，吸種孔吸種的能力越強(qiáng)，不易產(chǎn)生漏吸；但真空度過大，一個吸種孔吸附幾粒種子的可能性越大，重播率會增大。但是，真空度小了，對種子的吸附力就弱，漏播率會增加。一般情況下，由于考慮到在實際應(yīng)用中機(jī)器震動和零件之間的磨損，設(shè)計時真空度都要取最大值[14]。

2試驗研究

2.1　試驗材料、儀器及設(shè)備

1)試驗時間和地點：2015年7月24日，遼寧省農(nóng)機(jī)化研究所。

2)試驗材料、儀器與設(shè)備：本試驗選用良玉99號玉米種子作為研究對象。試驗中，隨機(jī)測量100粒種子的各項尺寸特性，并且取其平均值，得到種子的各項數(shù)據(jù)如表2所示。

表2　玉米種子特性參數(shù)

排種器選擇垂直圓盤氣吸式排種器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。試驗測試設(shè)備選擇由哈爾濱博納科技有限公司生產(chǎn)的JPS-2型全自動排種器性能檢測試驗臺,如圖4所示。其主要性能指標(biāo)如表3所示。

圖3　垂直圓盤氣吸式排種器

圖4　排種器試驗臺

項目指標(biāo)備注種床帶速度/km·h-11.5~12種床帶速度測量誤差<0.5排種軸轉(zhuǎn)速/%10~150

續(xù)表3

2.2　試驗方法

試驗過程中，取排種器運轉(zhuǎn)平穩(wěn)時的中間段作為統(tǒng)計樣本，測出一段時間的粒距。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)一由試驗臺的識別系統(tǒng)采集并處理，同時人工對比以減少人為誤差的影響。試驗結(jié)果的評價根據(jù)《GB/T6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》。試驗是以玉米為試驗種子，選擇最佳株距X為200mm，并且設(shè)定株距合格指數(shù)：大于0.5X但是小于或等于1.5X的粒距數(shù)占全部測定粒距數(shù)的百分比。重播指數(shù)：小于或等于0.5X的粒距數(shù)占全部測定粒距數(shù)的百分比。漏播指數(shù)：大于1.5X的粒距數(shù)占全部測定粒距數(shù)的百分比。

采用單因素試驗和正交試驗相結(jié)合的試驗方法，對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，最后得出最適合的參數(shù)。

2.3　試驗測試

2.3.1吸種孔直徑對排種質(zhì)量的影響

由于種子的形狀尺寸參差不齊，根據(jù)式(1)選取3種吸種孔徑不同的排種盤，在保證其他條件相同的條件下進(jìn)行3次試驗，試驗結(jié)果如表4所示。

表4　排種盤不同吸種孔經(jīng)的試驗結(jié)果

試驗結(jié)果表明：在保證其他條件不變的條件下，吸種孔直徑在5.5mm時，排種器的排種效果最好，與式(2)相符合。當(dāng)孔徑小時，由于真空室內(nèi)的真空度不變，對種子的吸力不足造成了空穴率的增加；當(dāng)孔徑大時，由于玉米種子的形狀是一面尖一面圓，當(dāng)尖的一面朝向吸種孔時，這時就能吸種兩個或者更多，就造成了重播率的增加，因此吸種孔徑和真空度應(yīng)該相互協(xié)調(diào)。當(dāng)減小孔徑時應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣哒婵斩?，?dāng)增大孔徑時應(yīng)適當(dāng)?shù)臏p小真空度，這樣就能使排種的合格率維持在正常水平。

2.3.2氣吸室真空度和排種盤轉(zhuǎn)速對排種質(zhì)量的影響

除了吸種孔徑對排種質(zhì)量有一定的影響外，氣吸室真空度和排種盤轉(zhuǎn)速對排種質(zhì)量同樣有影響。為了確定真空度和排種盤轉(zhuǎn)速的主次順序和最優(yōu)的參數(shù)組合，通過正交試驗選取真空度和排種盤轉(zhuǎn)速，并考慮其交互作用，根據(jù)式(2)~式(4)計算出適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，設(shè)計2因素3水平的正交試驗，根據(jù)《實驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理》選取L9(34)正交表，因素水平取值如表5所示。

表5　因素與水平取值

2.4　數(shù)據(jù)處理與分析

試驗過程和對試驗結(jié)果的分析，如表6所示。

表6　試驗結(jié)果正交分析

續(xù)表6

由表6可知：排種盤轉(zhuǎn)速A和氣吸室真空度B對排種合格率X的影響主次順序為A>B>A×B，最優(yōu)組合為A1B2；對于重播率Y，因素影響的主次順序為A>B>A×B，最優(yōu)組合為A1B3；對于漏播率Z，影響因素的主次順序為A>B>A×B，最優(yōu)組合為A1B3。

為了確定排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度對排種質(zhì)量的影響程度，進(jìn)行方差分析，如表7所示。

表7　方差分析

從表7可以看出：在置信度為90%的情況下，排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度對于影響排種質(zhì)量(合格率，重播率，漏播率)都呈顯著狀態(tài)，說明這兩個因素對排種質(zhì)量都有顯著影響。

3結(jié)論

1)通過理論分析可得出影響氣吸式排種器排種質(zhì)量的因素有吸種孔型式、吸種孔直徑、排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度。其中，排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度對排種效果的影響最顯著。

2)排種盤是排種器的關(guān)鍵部件，對于不同種子，選擇合適的吸種孔形狀是關(guān)鍵，對于玉米種子，吸種孔徑一般選擇5.5mm時，排種效果最佳。

3)室內(nèi)試驗臺試驗得出，排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度對排種質(zhì)量都有影響。在排種盤轉(zhuǎn)速一定時，氣吸室真空度越大，對種子的吸附力越大，一次性吸附多粒種子的可能性就增加，就會產(chǎn)生重播現(xiàn)象；當(dāng)氣吸室真空度一定時，排種盤轉(zhuǎn)速越大，排種盤吸附種子的時間就越少，種子越不容易被吸附，就會產(chǎn)生漏播現(xiàn)象。

4)對試驗結(jié)果進(jìn)行正交分析，通過極差、方差分析可以得出：排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸式真空度對排種性能的影響最顯著。通過試驗可以得到，當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速為35r/min，氣吸室真空度為4.0kPa時，排種盤的排種質(zhì)量最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李琳.氣吸式排種器理論及試驗的初步研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1979(3):56-63.

[2]崔紅梅，陳福德，杜文亮.氣吸式玉米精密排種器排種性能試驗研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2014,36(3):154-158.

[3]何堤，陳立東，謝宇峰.氣吸式排種器排種質(zhì)量影響因素的試驗研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2006(6):175-179.

[4]劉文忠，趙滿全，王文明，等.氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010(9):133-138.

[5]鐘路明，陳學(xué)庚，溫浩軍，等.免耕播種機(jī)氣吸式排種器影響因素的試驗研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34(5):160-164.

[6]GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗方法》[S].2005.

[7]陳進(jìn)，李耀明，王希強(qiáng)，等.氣吸式排種器吸孔氣流場的有限元分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2007(9):59-62.

[8]陳立東.氣吸式排種器性能參數(shù)設(shè)計及其對排種質(zhì)量影響的試驗研究[D].大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),2006.

[9]王延耀，李建東，王東偉，等.氣吸式精密排種器正交試驗優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，(10):54-89.

[10]李玉清，劉佳，周桂霞，等.基于Solidworks的氣吸排種器運動仿真設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(6):28-30.

[11]杜輝，樊桂菊，劉波.氣力式精密播種機(jī)與排種器的研究現(xiàn)狀[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2002(3):13-14.

[12]張文彬.影響氣吸式精密播種機(jī)工作質(zhì)量的因素[J].現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2005(4):32-33.

[13]孫齊磊，張曉輝.排種器的機(jī)理及影響因素的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2002(3):31-33.

[14]李云雁，胡傳榮.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[15]李寶筏.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.

The Analysis and Experimental Study on the Parameters of Seeding Qualified Effects of Air-suction Seed Metering Device

Gao Fuqiang, Qi Peng, Qiu Lichun

(College of Agricultural Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161,China)

Abstract：To choose the right metering is the key to the seeder.This paper studies factors of the effect of seed-metering through theoretical analysis and experimental study. Theoretical analysis shows that the type of seed suction hole,the diameter of suction hole,the suction vacuum and the speed of seeding disk all have influence on seeding effect.And this paper study the single factor test about he diameter of suction hole.The result shows that when the diameter of suction hole is 5.5mm,the result of the metering is the best;I make an conclusion of different indicators for different optimization scheme,and by means of variance analysis,I make another conclusion of and the speed of seeding disk have a significant influence on seeding performance.When the speed of seeding disk is 35r/min, the suction vacuum is 4.0kPa,the result of the metering is the best.

Key words：air-suction metering device; orthogonal experiment; influencing factor; planting quality

中圖分類號：S223.2+5;S220.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)09-0191-06

作者簡介：高富強(qiáng)(1990-)，男，遼寧撫順人，碩士研究生，(E-mail)504985394@qq.com。通訊作者：邱立春(1957-)，男，遼寧鐵嶺人，教授，博士生導(dǎo)師。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51175354)

收稿日期：2015-08-28