氣力滾筒式水稻直播精量排種器排種性能分析與田間試驗(yàn)

張 順，夏俊芳，周 勇，伍德林，曹成茂，夏 萍

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氣力滾筒式水稻直播精量排種器排種性能分析與田間試驗(yàn)

張 順1，夏俊芳2※，周 勇2，伍德林1，曹成茂1，夏 萍1

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢430070）

為了提高氣力滾筒式水稻直播精量排種器的排種性能，該文運(yùn)用單因素和中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，借助JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺，研究了排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度及正壓氣室清堵正壓4個主要運(yùn)行參數(shù)對其排種性能的影響規(guī)律。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度對排種器合格率、漏播率等指標(biāo)的影響顯著；正壓氣室清堵正壓對排種器合格率、漏播率等指標(biāo)的影響不顯著；3個影響顯著因素的三因素五水平回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明：各試驗(yàn)因素及因素交互作用對主要評價(jià)指標(biāo)的影響主次順序不同，影響排種器合格率的主次因素依次為：排種滾筒轉(zhuǎn)速>負(fù)壓氣室真空度>清種氣流速度；影響漏播率的主次因素依次為：負(fù)壓氣室真空度>排種滾筒轉(zhuǎn)速>清種氣流速度；對所建回歸方程進(jìn)行綜合優(yōu)化，得出排種器最佳工作參數(shù)組合為：排種滾筒轉(zhuǎn)速10.00 r/min，負(fù)壓氣室真空度4.6 kPa，清種氣流速度21.88 m/s。此時，排種器的合格率為87.73%、漏播率為2.93%、空穴率為0.53%、重播率為9.34%、破損率為0.91%、穴距平均值為200.07 mm、穴距變異系數(shù)為4.75%、各行排量一致性變異系數(shù)為3.07%、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為2.08%。田間播種試驗(yàn)結(jié)果為合格率79.42%、漏播率15.11%、空穴率3.88、重播率5.47%、穴距平均值175.61 mm、穴距變異系數(shù)為20.03%。研究結(jié)果為氣力滾筒式水稻直播精量排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及排種性能提升提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；種子；試驗(yàn)；性能分析；直播排種器；氣力式；滾筒；清種氣流

0 引 言

水稻精量穴直播作為當(dāng)前一種先進(jìn)的水稻機(jī)械直播種植技術(shù)，其種植產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益得到試驗(yàn)驗(yàn)證和廣泛認(rèn)可[1-4]。在水稻機(jī)械直播種植面積逐年擴(kuò)大的同時，精量穴直播的種植面積比重日益增大[5-6]。

排種器是水稻精量穴直播技術(shù)的核心工作部件，其排種性能直接影響著作業(yè)機(jī)械的播種質(zhì)量。通過室內(nèi)臺架排種性能試驗(yàn)?zāi)鼙憬荨?zhǔn)確的檢測排種器的排種性能，并確定其適宜的工作參數(shù)范圍，如Molin等[7]以玉米種子為播種對象，對影響氣力式排種器排種性能的排種盤線速度及傾斜角度2個主要因素進(jìn)行了臺架試驗(yàn)，得出了最優(yōu)參數(shù)組合，并進(jìn)行了田間播種試驗(yàn)；Yazgi等[8]在室內(nèi)試驗(yàn)臺架上，采用全因素試驗(yàn)方法研究了吸種盤不同 吸孔數(shù)和播種前進(jìn)速度對垂直圓盤氣吸式排種器排種性能的影響；李明等[9]對集排器的正、負(fù)壓區(qū)相對壓力及滾筒轉(zhuǎn)速3個運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)，并將最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)組合進(jìn)行田間播種試驗(yàn)；王朝輝等[10]以超級稻育秧播種裝置為對象，試驗(yàn)研究了種層厚度、雙孔間距和振動頻率3個工作參數(shù)對其吸種性能的影響；李兆東等[11]以各行排量一致性和排種均勻性為評價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)研究了清種氣嘴口截面形狀、種箱充填高度和排種滾筒轉(zhuǎn)速對油菜精量氣壓式集排器排種性能的影響；田立權(quán)等[12]以螺旋槽式水稻穴直播排種器為對象，試驗(yàn)研究了排種輪轉(zhuǎn)速、螺旋槽長度、螺旋槽升角對其排種性能的影響。為了提高排種器的排種性能，上述研究均采用了相關(guān)試驗(yàn)方法，對排種器進(jìn)行了室內(nèi)臺架排種試驗(yàn)，確定了各自排種器適宜的工作參數(shù)組合，為氣力滾筒式水稻直播排種器排種性能的試驗(yàn)研究提供參考。

窩眼輔助氣力式排種器綜合了機(jī)械式窩眼充種、投種和氣力式吸種、清種、清堵的特點(diǎn)，具有充、吸種可靠，清種準(zhǔn)確，排種成穴性好等優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)穴播排種作業(yè)[13-18]。張順等[19]提出了一種集窩眼囊種、多吸孔吸種、柔性繩輔助氣吹清種、隨動護(hù)種帶護(hù)種及氣力清堵組合式水稻精量穴直播排種器，其利用大尺寸窩眼囊種，多個吸孔定量吸種，氣吹清種固種的排種方式，能夠滿足雜交水稻大田精量穴直播對穴粒數(shù)、穴距合格率的要求，但其排種性能還有待提高。

為提高氣力滾筒式水稻直播精量排種器的排種性能，實(shí)現(xiàn)雜交水稻均勻成穴地分布于田間的精量穴播技術(shù)，以黃華占破胸露白芽種為排種對象，采用單因素試驗(yàn)和中心組合多因素優(yōu)化試驗(yàn)方法，開展了排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度以及正壓氣室清堵正壓4個運(yùn)行參數(shù)對排種器排種性能影響的試驗(yàn)研究，并對排種器進(jìn)行了田間播種試驗(yàn)，旨在為氣力滾筒式直播精量排種器排種性能的提升及相關(guān)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

氣力滾筒式水稻直播精量排種器主要由清種風(fēng)嘴1、柔性清種繩3、種子箱4、排種滾筒6、導(dǎo)種口9、隨動護(hù)種裝置10等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中排種滾筒外徑為210 mm，壁厚為6 mm，滾筒周向均勻分布16個圓錐形窩眼，圓錐形窩眼與其內(nèi)部吸孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖1b所示[19]。滾筒的中空軸內(nèi)由PVC鋼絲軟管直接與排種器的正、負(fù)壓氣室相連通。

1. 清種風(fēng)嘴 2. 種箱開口調(diào)節(jié)板 3. 清種繩 4. 種子箱 5. 負(fù)壓氣室 6. 排種滾筒 7. 中空軸 8. 正壓氣室 9. 導(dǎo)種口 10. 隨動護(hù)種裝置

1. Seed clearing air nozzle 2. Regulating board of seed box outlet 3. Seed clearing rope 4. Seed box 5. Vacuum gas chamber 6. Seeding cylinder 7. Hollow shaft 8. Positive pressure gas chamber 9. Seed spout 10. Follow-up protection device

注：為排種滾筒的旋轉(zhuǎn)角速度，rad·s-1；為窩眼深度，mm；為滾筒壁厚，mm；為窩眼入口直徑，mm；1為吸孔分布的圓周，mm；為吸孔直徑，mm；3個吸孔均布于圓周1上；箭頭為窩眼前進(jìn)方向；I. 囊種和吸種弧段 II. 清種弧段 III. 攜種弧段 IV. 投種和清堵弧段。

Note:indicate the rotational angular velocity of seeding cylinder, rad·s-1;is the depth of socket, mm;is the wall thickness of seeding cylinder, mm;is the inlet diameter of socket, mm;1is the distribution circle of suction holes, mm;is the diameter of suction hole, mm; The three suction holes uniformly distribute on1circle; Arrow indicate the forward direction of socket; I. Filling and absorbing arc section II. Clearing arc section III. Carrying arc section IV. Dropping and suction hole clearing arc section.

圖1 氣力滾筒式水稻直播精量排種器結(jié)構(gòu)簡圖

Fig.1 Structure diagram of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice

排種器工作時，排種滾筒圍繞中空軸逆時針轉(zhuǎn)動，隨動護(hù)種帶緊貼滾筒表面并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動。風(fēng)機(jī)啟動后，滾筒內(nèi)部與中空軸進(jìn)、出氣端相連的正、負(fù)壓氣室產(chǎn)生一定的吹力和吸力，當(dāng)滾筒上的窩眼轉(zhuǎn)入囊種區(qū)后，種子箱內(nèi)鄰近窩眼的芽種依靠其自身重力、吸孔負(fù)壓吸力及滾筒轉(zhuǎn)動時窩眼的帶動作用囊入窩眼中并隨滾筒轉(zhuǎn)動，柔性清種繩和清種風(fēng)嘴中的氣流清除掉窩眼內(nèi)外多余的芽種，剩余的芽種依靠吸孔吸力貼附在窩眼內(nèi)隨之繼續(xù)旋轉(zhuǎn)進(jìn)入攜種弧段，隨動護(hù)種帶配合窩眼將芽種護(hù)送到投種弧段，隨動護(hù)種帶與滾筒表面在投種弧段分離后，芽種隨著護(hù)種帶作短暫的旋轉(zhuǎn)后排入導(dǎo)種口，完成水稻芽種的精量排種，窩眼內(nèi)吸孔經(jīng)正壓吹力清潔后重新轉(zhuǎn)入囊種區(qū)，進(jìn)行下一輪排種。

2 試驗(yàn)材料與裝置

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)稻種為優(yōu)質(zhì)雜交稻品種黃華占，清水泡種，濾除秕谷、碎殼等雜質(zhì)后，浸種催芽至破胸露白、濾水?dāng)偭乐疗錆窕蕿?1.65%～23.73%后裝入自封袋中，保持其水分含量，以備使用。水稻芽種的物料特性參數(shù)如表1所示。

表1 水稻芽種的物料特性參數(shù)

2.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由氣力滾筒式水稻直播精量排種器、JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺、驅(qū)動電機(jī)（型號YS7144，功率0.75 kW，常州馬航電機(jī)廠）、數(shù)字壓力風(fēng)速儀（型號EO-20 量程0～115 m/s，精度0.01 m/s，上海億歐儀表設(shè)備有限公司）、風(fēng)機(jī)1（型號HG-250，功率0.25 kW，最大風(fēng)壓10.78 kPa，浙江森森實(shí)業(yè)有限公司）、風(fēng)機(jī)2（型號HG-260，功率0.26 kW，最大風(fēng)壓13 kPa，上海富力電機(jī)廠）、風(fēng)機(jī)3（型號PG-550，功率0.55 kW，最大風(fēng)壓16 kPa，浙江森森實(shí)業(yè)有限公司）、U型管測壓計(jì)（量程0～9.0 kPa，鹽城萬陽儀器有限公司）、調(diào)壓閥（型號ZY-403C，臺州振宇閥門有限公司）及通氣管道系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)裝置如圖2所示。其中風(fēng)機(jī)2和風(fēng)機(jī)3為排種器提供所需正、負(fù)壓，風(fēng)機(jī)1為排種器提供所需清種氣流，數(shù)字壓力風(fēng)速儀用于測量清種風(fēng)嘴出氣口的氣流速度。

1. 風(fēng)機(jī)1 2. 風(fēng)機(jī)2 3. 風(fēng)機(jī)3 4. 驅(qū)動電機(jī)5. 氣力滾筒式直播精量排種器 6. U型管測壓計(jì)7. JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺

試驗(yàn)臺油帶的運(yùn)行速度由模擬播種機(jī)田間的前進(jìn)速度及雜交水稻種植株距的農(nóng)藝要求來確定，即

式中為油帶的運(yùn)行速度，km/h；為排種滾筒的轉(zhuǎn)速，r/min；為排種滾筒周向窩眼數(shù)，16；為水稻種植株距（穴距），一般為100～250 mm，本文取200 mm[20-23]。

2.3 試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)參照GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》，連續(xù)記錄油帶上由排種器穩(wěn)定工作時排出的250穴種子中，每穴的粒數(shù)和穴距，重復(fù)3次。按照雜交稻的種植農(nóng)藝要求，綜合考慮田間芽種直播種苗成活的不穩(wěn)定性和適宜的田間植株密度，以利于穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)，其穴直播作業(yè)時，每穴播種2～4粒芽種為宜[24-25]，故各試驗(yàn)指標(biāo)的計(jì)算公式如下

式中為空穴率，%；為漏播率，%；為合格率，%；為重播率，%；CV為穴距變異系數(shù)，%；為破損率，%；0為一穴0粒芽種的總穴數(shù)；1為一穴<2粒芽種的總穴數(shù)；2為一穴2～4粒芽種的總穴數(shù)；3為一穴>4粒芽種的總穴數(shù)；為連續(xù)記錄的總穴數(shù)（250穴）；為穴距，mm；為樣本穴距平均值，mm；為穴距樣本總數(shù)；為排種器穩(wěn)定運(yùn)行3 min由導(dǎo)種口排出的芽種質(zhì)量，g；m為中人工挑出破損芽種的質(zhì)量，g。

3 排種性能試驗(yàn)

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期的理論分析和試驗(yàn)研究及已有的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)[18-19,26-27]，在排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)確定的前提下，總結(jié)出排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度及正壓氣室清堵正壓為影響排種器排種性能的4個主要工作參數(shù)。為明確各工作參數(shù)對排種器性能評價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律，對其分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）排種滾筒轉(zhuǎn)速

設(shè)定排種器的試驗(yàn)工作參數(shù)為負(fù)壓氣室真空度4 kPa、清種氣流速度17.60 m/s、清堵正壓1 000 Pa。以直播機(jī)一般的作業(yè)速度將排種滾筒轉(zhuǎn)速劃定為6個轉(zhuǎn)速，分別為8、10、15、20、25、30 r/min（對應(yīng)的油帶運(yùn)行速度分別為1.54、1.92、2.88、3.84、4.80、5.76 km/h）。各性能評價(jià)指標(biāo)與排種滾筒轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖3a所示。

注：a,b,c,d圖中其他的固定因素取值為：排種滾筒轉(zhuǎn)速10 r·min-1、負(fù)壓氣室真空度4 kPa、清堵正壓1 000 Pa、清種氣流速度17.60 m/s。

由圖3a可知，隨著排種滾筒轉(zhuǎn)速的增大，排種器的合格率先急劇上升后緩慢下降；漏播率緩慢上升后急劇上升；重播率先急劇下降后緩慢下降。當(dāng)排種滾筒轉(zhuǎn)速較低時，窩眼及吸孔在排種器的囊種和吸種弧段能充分的囊種和吸種，一孔多吸的概率增大，導(dǎo)致重播率較高，合格率較低；當(dāng)排種滾筒轉(zhuǎn)速提高到10～20 r/min時，窩眼在囊種和吸種弧段與種群的接觸時間較為適宜，排種器達(dá)到一個相對較優(yōu)的囊種和吸種狀態(tài)，合格率均能達(dá)到80%以上，在轉(zhuǎn)速為10 r/min時達(dá)到最大值為85.87%，漏播率為4.67%；隨著排種滾筒轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，排種器囊種和吸種時間愈來愈短，待充芽種未能被窩眼和吸孔有效囊取和吸附，造成漏播率急劇上升，合格率下降。

2）負(fù)壓氣室真空度

設(shè)定排種器的試驗(yàn)工作參數(shù)為排種滾筒轉(zhuǎn)速10 r/min （油帶運(yùn)行速度對應(yīng)為1.92 km/h）、清種氣流速度17.60 m/s、清堵正壓1 000 Pa。負(fù)壓氣室真空度設(shè)定為2、3、4、5、6 kPa共5個水平。各性能評價(jià)指標(biāo)與負(fù)壓氣室真空度的關(guān)系曲線如圖3b所示。

由圖3b可知，隨著負(fù)壓氣室真空度的增大，排種器的合格率先緩慢上升后緩慢下降；漏播率急劇下降后緩慢下降；重播率緩慢上升后急劇上升。當(dāng)負(fù)壓氣室真空度較小時，窩眼內(nèi)吸孔吸附芽種的吸附力較為微弱，吸孔漏吸的概率增大，造成漏播率較高，合格率較低；當(dāng)負(fù)壓氣室真空度增大到3～5 kPa時，吸孔對芽種的吸附力有較大提高，吸孔漏吸的情況得到較大改善，排種器達(dá)到一個相對適宜的吸種狀態(tài)，排種合格率均能達(dá)到80%以上，在負(fù)壓氣室真空度為4 kPa時達(dá)到最大值為85.73%，漏播率為4.40%；隨著負(fù)壓氣室真空度的繼續(xù)增大，吸孔對芽種的吸附力過于強(qiáng)勁，一孔多吸的概率增大，一定強(qiáng)度的清種氣流并不足夠清除多吸的芽種，導(dǎo)致重播率急劇上升，合格率下降。

3）清種氣流速度

強(qiáng)度適宜的清種氣流能順利的將窩眼內(nèi)未被吸孔吸附的芽種及吸附不穩(wěn)定的多吸芽種清出窩眼，吹回種子箱。設(shè)定排種器的試驗(yàn)工作參數(shù)為排種滾筒轉(zhuǎn)速 10 r/min、負(fù)壓氣室真空度4 kPa、清堵正壓1 000 Pa。根據(jù)已有的研究結(jié)果[19]，設(shè)定清種氣流速度為9.26、12.22、17.60、22.98、25.94 m/s共5個水平。各性能評價(jià)指標(biāo)與清種氣流速度的關(guān)系曲線如圖3c所示。

由圖3c可知，隨著清種氣流速度的增大，排種器的合格率先緩慢上升后緩慢下降；漏播率緩慢上升后急劇上升；重播率先急劇下降后緩慢下降。當(dāng)清種氣流速度較小時，由風(fēng)嘴吹出的清種氣流作用在窩眼內(nèi)芽種上的繞流阻力較弱，不能有效地將窩眼內(nèi)未被吸孔吸附的芽種及一孔多吸芽種中吸附不穩(wěn)定的多余芽種吹出窩眼，導(dǎo)致重播率偏高，合格率較低；當(dāng)清種氣流速度增大到12.22～22.98 m/s時，作用在芽種上的繞流阻力增強(qiáng)，氣流的清種效果得到較大改善，排種合格率均能達(dá)到80%以上，在清種氣流速度為17.60 m/s時達(dá)到最大值為85.47%，漏播率為4.67%；隨著清種氣流速度的繼續(xù)增大，作用在芽種上的繞流阻力過大，將吸孔穩(wěn)定吸附的芽種同未被吸孔吸附的芽種一并清出窩眼，導(dǎo)致吸孔漏吸概率增大，造成漏播率急劇上升，合格率下降。

4）正壓氣室清堵正壓

強(qiáng)度適宜的清堵正壓能順利地清除吸孔中堵塞的雜質(zhì)，同時穿過吸孔的清堵氣流對投種弧段芽種的投種軌跡不造成影響，確保排種器均勻穩(wěn)定的播種穴距。設(shè)定排種器的試驗(yàn)工作參數(shù)為排種滾筒轉(zhuǎn)速10 r/min、負(fù)壓氣室真空度4 kPa、清種氣流速度17.60 m/s。根據(jù)前期的排種試驗(yàn)研究，設(shè)定清堵正壓為250、500、750、1 000、1 250 Pa共5個水平。各性能評價(jià)指標(biāo)與清堵正壓的關(guān)系曲線如圖3d所示。

由圖3d可知，隨著清堵正壓的增大，排種器的合格率先上升后保持平穩(wěn)；漏播率先急劇下降后趨于穩(wěn)定；重播率先急劇上升后趨于平穩(wěn)。當(dāng)清堵正壓較小時，排種器清堵弧段的氣力清堵作用力較弱，不能及時有效地清除吸孔中堵塞的雜質(zhì)，導(dǎo)致再次轉(zhuǎn)入囊種和吸種弧段的吸孔由于堵塞而不能有效的吸附芽種，在清種弧段清種氣流的作用下，窩眼內(nèi)未被吸孔吸附的芽種被清出窩眼，造成排種器的漏播率較大，重播率較小，合格率不高；當(dāng)清堵正壓增大到500 Pa時，氣力清堵作用力有所增強(qiáng)，吸孔堵塞情況得到較大改善，排種器漏播率急劇下降，重播率急劇上升，合格率有所提高；當(dāng)清堵正壓繼續(xù)增大到750 Pa及以上時，排種器清堵弧段達(dá)到一個良好的清堵效果，合格率、漏播率及重播率均趨于穩(wěn)定，合格率均能達(dá)到85%以上，漏播率低于6%，重播率不高于10%，各性能評價(jià)指標(biāo)趨于穩(wěn)定的實(shí)際效果表明清堵正壓已基本能全部清除堵塞的吸孔。

由圖3d還可知，隨著清堵正壓的增大，排種器的播種穴距平均值幾乎無變化，均在200 mm左右極小的范圍內(nèi)波動；播種穴距變異系數(shù)雖在4.5%上下波動，但其波動幅度很小，表明排種器具有較高的播種穴距均勻穩(wěn)定性，同時說明在清堵正壓的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，穿過吸孔的清堵氣流對排種器的播種穴距幾乎無影響。

3.2 多因素優(yōu)化試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由單因素試驗(yàn)結(jié)果的分析可知：排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度對排種器合格率、漏播率等性能指標(biāo)的影響規(guī)律顯著，而正壓氣室清堵正壓對排種器合格率、漏播率等性能指標(biāo)的影響不顯著，故排種器工作時，只需提供正壓氣室一定強(qiáng)度的清堵正壓以保證吸孔不被堵塞即可。為探究上述3個影響顯著因素對排種性能的影響程度及其最佳參數(shù)組合，以合格率、漏播率等為性能評價(jià)指標(biāo)，開展三因素五水平的二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)多因素優(yōu)化試驗(yàn)。根據(jù)單因素試驗(yàn)的分析結(jié)果確定多因素優(yōu)化試驗(yàn)的因素選取及水平設(shè)置，以1.682、1、0、-1、-1.682分別代表試驗(yàn)因素水平，如表2所示，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 試驗(yàn)因素水平編碼表

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

注：1、2、3分別為1、2、3的水平值。

Note:1,2and3represent level values of1,2and3respectively.

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1）回歸模型方程及顯著性檢驗(yàn)

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design Expert Version 8.0.5.0對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析[28]。因水稻田間直播作業(yè)時，在一定播種合格率的前提下，盡量降低漏播率對生產(chǎn)實(shí)際更為有利，故本文著重分析試驗(yàn)因素及其交互作用對播種合格率和漏播率的影響，因此，建立合格率、漏播率與排種滾筒轉(zhuǎn)速1、負(fù)壓氣室真空度2、清種氣流速度33個試驗(yàn)因素實(shí)際值的二次多項(xiàng)式回歸模型，其回歸方程為（8）式和（9）式。

=53.181-0.4581+0.0182-0.1723+1.32′10-412-0.01013+7.879′10-423-0.02012-4.025′10-622-0.07732（8）

=-19.963-0.5481+4.866′10-42+3.2653-1.223′10-412+0.05813-3.240′10-423+0.02512+3.713′10-722-0.06332（9）

式中1為排種滾筒轉(zhuǎn)速，r/min；2為負(fù)壓氣室真空度，kPa；3為清種氣流速度，m/s；為合格率，%；為漏播率，%。對試驗(yàn)結(jié)果及回歸模型方程進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表4。

由表4的方差分析結(jié)果可知，排種器合格率、漏播率2個回歸方程高度顯著，且回歸方程失擬不顯著，說明在所選試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，回歸模型與實(shí)際情況擬合度較高；合格率、漏播率回歸方程的決定系數(shù)2分別為0.935 7、0.975 4，表明回歸方程的預(yù)測值與實(shí)際值之間具有高度相關(guān)性，試驗(yàn)誤差較小，故可用合格率、漏播率的回歸模型對排種器的排種性能進(jìn)行分析和預(yù)測。

表4 試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程方差分析表

注：**<0.01（極顯著）；*<0.05（顯著）。

Note: **<0.01 (Highly significant); *<0.05 (Significant).

由方差分析表可知，對于合格率的回歸模型，其回歸項(xiàng)1、2、23、22、32影響極顯著，而3、12、13等其余回歸項(xiàng)影響不顯著；對于漏播率的回歸模型，其回歸項(xiàng)1、2、3、32影響極顯著，回歸項(xiàng)13、23影響顯著，而12、12等其余回歸項(xiàng)影響不顯著。剔除模型不顯著的回歸項(xiàng)，保留顯著的回歸項(xiàng)，在保證擬合回歸方程高度顯著、失擬項(xiàng)不顯著的前提下，對合格率、漏播率的回歸方程進(jìn)行重新擬合，回歸方程優(yōu)簡為

=52.385-0.7001+0.0202-0.3333+7.879′10-423-4.022′10-622-0.07732（10）

式中回歸模型的<0.000 1，極顯著；失擬項(xiàng)的=0.171 0（>0.05），不顯著；模型的決定系數(shù)2為0.929 0。

=-24.152-0.2741+1.622′10-32+3.2763+0.05813-3.240′10-423-0.06332（11）

式中回歸模型的<0.000 1，極顯著；失擬項(xiàng)的=0.229 5（>0.05），不顯著；模型的決定系數(shù)2為0.968 9。

2）試驗(yàn)因素影響效應(yīng)分析

由方差分析表中各試驗(yàn)因素的檢驗(yàn)值可知，影響合格率的主次因素依次為：1>22>23>2>32>3；影響漏播率的主次因素依次為：2>1>3>32>23>13?？梢姡谠囼?yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，影響排種器合格率、漏播率2大性能評價(jià)指標(biāo)的試驗(yàn)因素顯著性順序有所差異，為更清晰直觀地描述各試驗(yàn)因素及其交互作用對試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)的影響效應(yīng)，依據(jù)所建的回歸模型，采用降維法將各個試驗(yàn)因素分別置于零水平，繪制等值曲線曲面圖，繪制結(jié)果如圖4、圖5所示。

注：因素水平見表2，響應(yīng)值見表3。下同。

圖4和圖5分別為試驗(yàn)因素對排種器合格率、漏播率的影響效應(yīng)等值曲線曲面圖。等值曲線的形狀可直觀的反映因素交互作用對試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)影響的強(qiáng)弱，橢圓形曲線表示兩因素間交互作用影響顯著，而圓形則與之相反[29-30]。圖4a、4b及圖5a中，其等值曲線均相互平行，類似同心圓的部分弧段，說明因素交互作用12和13對排種器合格率的影響不顯著；12對漏播率的影響不顯著。而圖4c及圖5b、5c中，其等值曲線均不平行，且橢圓形曲線曲率較大，說明因素交互作用23對排種器合格率的影響較為顯著；13和23對漏播率的影響較為顯著，這與方差分析的結(jié)果一致。

綜合分析圖4a和圖5a可知，排種器合格率隨著排種滾筒轉(zhuǎn)速的增大而減??；而漏播率隨著排種滾筒轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是因?yàn)楫?dāng)排種滾筒轉(zhuǎn)速增大時，窩眼及吸孔在排種器囊種和吸種弧段的囊種、吸種時間減短，有效囊種、吸種的概率隨之降低，導(dǎo)致漏播率增大，合格率減小。排種器合格率隨著負(fù)壓氣室真空的增大先上升后略有下降；漏播率則隨著負(fù)壓氣室真空度的增大而持續(xù)下降，其原因可能為當(dāng)負(fù)壓氣室真空度增大時，吸孔吸附、穩(wěn)固芽種的吸附力逐漸增強(qiáng)，有效吸種的概率隨之增大，排種器漏播率逐漸降低，合格率逐漸升高，但當(dāng)負(fù)壓氣室真空度過大時，吸孔的吸附力過于強(qiáng)勁，一孔多吸的概率隨之增加，排種器重播率增大，漏播率繼續(xù)降低，合格率有所降低。綜上，低滾筒轉(zhuǎn)速與高負(fù)壓真空度組合時，排種器的排種性能較佳。

綜合分析圖4b和圖5b可知，當(dāng)排種滾筒轉(zhuǎn)速處于較低水平值時，排種器在清種氣流速度的試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)均具有較高的合格率和較低的漏播率，清種氣流速度較大時，漏播率略有提高，這是因?yàn)楫?dāng)排種滾筒轉(zhuǎn)速較低時，窩眼及吸孔在囊種和吸種弧段有充足的囊種、吸種時間，且負(fù)壓氣室真空度較為適宜，有效囊種、吸種的概率隨之提高，故排種器漏播率較低，合格較高；當(dāng)清種氣流速度增大時，風(fēng)嘴氣流對窩眼內(nèi)芽種的繞流阻力增強(qiáng)，存在小部分未被吸孔穩(wěn)定吸附的芽種被清出窩眼，導(dǎo)致漏播率略有提高。排種器合格率隨著清種氣流速度的增大先上升后下降，但其幅度均很??；漏播率隨著清種氣流速度的增大而上升，其原因可能為當(dāng)清種氣流速度增大時，風(fēng)嘴氣流的清種作用力逐漸增大，排種器重播率隨之降低，在漏播率沒有快速上升時，合格率稍有提高，當(dāng)清種氣流速度繼續(xù)增大時，漏播率上升明顯，重播率繼續(xù)降低，合格率稍有下降。

綜合分析圖4c和圖5c可知，排種器漏播率隨著負(fù)壓氣室真空度的增大而減??；而合格率在清種氣流速度處于低水平值時，隨著負(fù)壓氣室真空度的增大先小幅上升后大幅下降，其原因可能為當(dāng)負(fù)壓氣室真空度增大時，吸孔有效吸種的概率逐漸提高，在清種氣流速度不大時，氣流的清種作用力較小，而吸孔的吸附力有所增強(qiáng)，故漏播率下降，且在重播率未大幅提高時，合格率有小幅上升，當(dāng)負(fù)壓氣室真空度繼續(xù)增大，吸孔一孔多吸的概率隨之增加，較低的清種氣流速度無法有效的清除多吸的芽種，導(dǎo)致重播率大幅提高，合格率大幅下降；在清種氣流速度處于高水平值時，合格率隨著負(fù)壓氣室真空度的增大而上升，其原因可能為隨著負(fù)壓氣室真空度的增大，吸孔有效吸種的概率逐漸提高，漏播率下降，同時較大的清種氣流速度能有效的清除一孔多吸并處于弱勢吸附狀態(tài)的芽種，故重播率下降，合格率持續(xù)上升。可見，高負(fù)壓真空度與較高清種氣流速度組合時，排種器的排種性能較佳。

3.2.3 工作參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

由氣力滾筒式水稻直播精量排種器各試驗(yàn)因素的影響效應(yīng)分析可知：低排種滾筒轉(zhuǎn)速、高負(fù)壓氣室真空度及較高清種氣流速度組合時，排種器的排種性能較佳。為明確各工作參數(shù)的最佳組合，對所建立的合格率、漏播率2個評價(jià)指標(biāo)的全因子二次回歸模型方程進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)和工作參數(shù)的約束范圍為

運(yùn)用Design Expert數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行優(yōu)化求解，圓整后得到各工作參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果為排種滾筒轉(zhuǎn)速10.00 r/min，負(fù)壓氣室真空度4.6 kPa，清種氣流速度21.88 m/s；目標(biāo)函數(shù)預(yù)測值分別為：合格率87.39%、漏播率2.93%。

為驗(yàn)證回歸模型和優(yōu)化結(jié)果的可靠性，采用上述的最佳工作參數(shù)組合進(jìn)行3次重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，取平均值為其試驗(yàn)驗(yàn)證值，并量取和統(tǒng)計(jì)每兩穴之間的距離，試驗(yàn)結(jié)果分別為：合格率87.73%、漏播率2.93%、空穴率0.53%、重播率9.34%、穴距平均值200.07 mm、穴距變異系數(shù)4.75%?？梢?，排種器合格率、漏播率的試驗(yàn)驗(yàn)證值與回歸模型預(yù)測值相一致，且在最佳工作參數(shù)組合下，排種器的空穴率、穴距平均值、穴距變異系數(shù)等試驗(yàn)指標(biāo)均滿足水稻田間精量穴直播對其穴粒數(shù)、穴距等的種植要求。

為考察精量排種器在最佳工作參數(shù)組合時其他的排種性能，如破損率、總排量穩(wěn)定性、各行排量一致性等，進(jìn)行臺架排種試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)排種器穩(wěn)定運(yùn)行時由導(dǎo)種口排出的各行排種量，并從中挑出破損的水稻芽種，稱量各行排種量及破損芽種的重量。每次試驗(yàn)排種器穩(wěn)定運(yùn)行3 min，各重復(fù)5次。試驗(yàn)結(jié)果為各行排量一致性變異系數(shù)3.07%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)2.08%，破損率0.91%，滿足水稻直播機(jī)的一般技術(shù)要求[31]。

3.3 田間播種試驗(yàn)

為檢驗(yàn)氣力滾筒式水稻直播精量排種器田間實(shí)際的播種性能，將排種器安裝于精量旱直播機(jī)上，采用東方紅LX-854型拖拉機(jī)為牽引動力，于2016年1月2號在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地開展田間播種試驗(yàn)。試驗(yàn)前采用旋耕機(jī)對田塊土壤進(jìn)行耕整，使其細(xì)碎平整，平均耕深為69 mm，耕深穩(wěn)定性系數(shù)為92.35%，田間平均土壤堅(jiān)實(shí)度為404.6 kPa。試驗(yàn)參照NY/T 987-2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》和GB/T 25418- 2010《水稻覆土直播機(jī)》進(jìn)行，試驗(yàn)時機(jī)組的前進(jìn)速度約為1.79 km/h，排種器的轉(zhuǎn)動由直播機(jī)的地輪帶動，排種器的正、負(fù)壓及清種氣流由風(fēng)機(jī)提供，風(fēng)機(jī)由拖拉機(jī)動力輸出軸帶動。播種時，排種器的平均轉(zhuǎn)速約為9.32 r/min，負(fù)壓氣室真空度的平均值約為4.6 kPa，清種氣流速度平均值約為21.88 m/s。連續(xù)統(tǒng)計(jì)機(jī)組勻速行駛的30 m取樣長度內(nèi)各排每穴粒數(shù)和穴距，重復(fù)3次，取平均值作為試驗(yàn)值。田間播種試驗(yàn)結(jié)果為合格率79.42%、漏播率15.11%、空穴率3.88%、重播率5.47%、穴距平均值175.61 mm、穴距變異系數(shù)20.03%，表明氣力滾筒式水稻直播精量排種器的田間播種穴距滿足水稻種植株距100～250 mm的范圍，播種穴距變異系數(shù)均低于25%，且各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)能夠滿足水稻大田精量旱穴直播的一般種植要求。

田間播種試驗(yàn)結(jié)果與臺架排種試驗(yàn)結(jié)果有所差距的主要原因可能為：機(jī)組田間無規(guī)律的振動，對窩眼和吸孔的囊種和吸種具有一定的影響；風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定，導(dǎo)致排種器正、負(fù)壓及清種氣流速度的波動，影響排種器的吸種、清種及吸孔清堵效果；球形度較低、流動性較差的水稻芽種在導(dǎo)種管中的多次碰撞，造成芽種間落種軌跡差別較大，是影響播種穴距和穴粒數(shù)的一個重要因素。

4 結(jié) 論

1）單因素試驗(yàn)結(jié)果表明：排種滾筒轉(zhuǎn)速、負(fù)壓氣室真空度、清種氣流速度對排種器合格率、漏播率和重播率的影響顯著；而正壓氣室清堵正壓在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到一定清堵壓強(qiáng)后，對排種器合格率、漏播率、重播率均無顯著影響，且穿過吸孔的清堵氣流對排種器的播種穴距幾乎無影響。

2）多因素優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果表明：影響排種器合格率的主次因素依次為：排種滾筒轉(zhuǎn)速>負(fù)壓氣室真空度>清種氣流速度；影響漏播率的主次因素依次為：負(fù)壓氣室真空度>排種滾筒轉(zhuǎn)速>清種氣流速度。各試驗(yàn)因素的影響效應(yīng)分析表明：低排種滾筒轉(zhuǎn)速、高負(fù)壓真空度及較高清種氣流速度組合時，排種器的排種性能較佳，通過對評價(jià)指標(biāo)回歸方程的綜合優(yōu)化，得出排種器的最佳工作參數(shù)組合為：排種滾筒轉(zhuǎn)速10.00 r/min，負(fù)壓氣室真空度4.6 kPa，清種氣流速度21.88 m/s，此時，排種器臺架試驗(yàn)的合格率為87.73%、漏播率為2.93%、空穴率為0.53%、重播率為9.34%、破損率為0.91%、穴距平均值為200.07 mm、穴距變異系數(shù)為4.75%，各行排量一致性變異系數(shù)為3.07%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為2.08%。

3）田間播種試驗(yàn)結(jié)果表明：氣力滾筒式水稻直播精量排種器能滿足水稻大田精量旱穴直播的一般種植要求，其合格率為79.42%、漏播率為15.11%、空穴率為3.88%、重播率為5.47%、穴距平均值為175.61 mm、穴距變異系數(shù)為20.03%。

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Field experiment and seeding performance analysis of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice

Zhang Shun1, Xia Junfang2※, Zhou Yong2, Wu Delin1, Cao Chengmao1, Xia Ping1

(1.230036; 2.430070)

In order to improve the seeding performance of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice, the single factor and central composite experimental experiments were conducted in this paper. The effects of the main working parameters (rotational speed of seeding cylinder, vacuum degree in vacuum gas chamber, air-blowing velocity and clearing blockage positive pressure of chamber) on seeding performance of the direct seed-metering device were analyzed by means of the JPS-12 type performance test rig of metering device. The study object was “Huanghuazhan”, which was pre-germinated and its moisture was 21.65%-23.73% (wet basis). Qualified rate, miss-seeding rate, replay rate, average hole distance and variation coefficient of hole distance were regarded as the performance evaluation indexes. The result of single factor experiments showed that rotational speed of seeding cylinder, vacuum degree in vacuum gas chamber and air-blowing velocity had significant influence on the qualified rate, miss-seeding rate and replay rate of metering device, respectively. The clearing blockage positive pressure of chamber had no significant influence on qualified rate, miss-seeding rate, replay rate, the average hole distance and the variation coefficient of hole distance of metering device, respectively. So, it was only necessary to provide the positive pressure chamber with suitable strength of clearing blockage positive pressure to ensure the suction hole not be blocked during the metering device working. The three-factor and five-level quadratic regression rotation design optimization experiment of the 3 influence significant factors on metering device showed that the order affecting qualified rate was rotational speed of seeding cylinder > vacuum degreein vacuum gas chamber > air-blowing velocity, and the order affecting miss-seeding was vacuum degree in vacuum gas chamber > rotational speed of seeding cylinder > air-blowing velocity. The variance analysis of experimental results had a significant affecting of experimental factors on performance evaluation indexes.Through the analysis of effect of various factors on the metering device, the seeding performance of the metering device was better under the condition of low rotational speed of seeding cylinder, high vacuum degree in vacuum gas chamber and higher air-blowing velocity. The optimal combination working parameters of metering device were seeding cylinder rotational speed with 10 r/min, vacuum degree in vacuum gas chamber with 4.6 kPa and air-blowing velocity with 21.88 m/s. All of those were obtained by optimization solution of all factors by use of quadratic regression model equation of performance evaluation indexes in the range of experimental parameters constraints. The results of verification test were consistent with the results of optimization solution. Under the condition of the optimal combination working parameters, the qualified rate, miss-seeding rate, cavity rate and replay rate were 87.73%, 2.93%, 0.53% and 9.34%, respectively. Meanwhile, the seed breakage rate was 0.91%, the average hole distance was 200.07 mm (theoretical hole distance was 200.00 mm), the variation coefficient of hole distance was 4.75%, the apiece row consistency variation coefficient of seeding quantity was 3.07%, the stability variation coefficient of the full seeding quantity was 2.08%. This seeding quality met the direct seeding requirements of hybrid rice. The field sowing experiment of the direct seed-metering device was carried out in the modern agricultural science and technology experiment base of Huazhong Agricultural University. When the average forward speed was about 1.79 km/h of direct seeder, the average vacuum degree in vacuum gas chamber was about 4.6 kPa and the average air-blowing velocity was about 21.88 m/s, the qualified rate, miss-seeding rate, cavity rate and reseeding rate were 79.42%, 15.11%, 3.88% and 5.47%, respectively. Meanwhile, the average hole distance was 175.61 mm, the variation coefficient of hole distance was 20.03%.The study provided the scientific basis for the structure and working parameter optimization of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice and the improvement of its seeding performance.

agricultural machinery; seed; experiment; performance analysis; direct seed-metering device; pneumatic; cylinder; seed clearing air-blowing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.003

S223.2+

2016-05-24

2016-12-27

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAD06B01）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科技專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201203059）；安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（2016ZR009）

張 順，男，漢族，安徽績溪人，講師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)及測控研究。合肥安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，230036。 Email：shunzhang@ahau.edu.cn

夏俊芳，女，湖北武漢人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)及測控研究。武漢華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，430070。 Email：xjf@mail.hzau.edu.cn

張 順，夏俊芳，周 勇，伍德林，曹成茂，夏 萍.氣力滾筒式水稻直播精量排種器排種性能分析與田間試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(3)：14－23. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.003 http://www.tcsae.org

Zhang Shun, Xia Junfang, Zhou Yong, Wu Delin, Cao Chengmao, Xia Ping.Field experiment and seeding performance analysis of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 14－23. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.003 http://www.tcsae.org