氣吸式大豆精密排種器排種性能試驗(yàn)研究

陳書法，宋正坤， 楊 進(jìn)，蘆新春，孫啟新

(淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

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氣吸式大豆精密排種器排種性能試驗(yàn)研究

陳書法，宋正坤， 楊 進(jìn)，蘆新春，孫啟新

(淮海工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 連云港 222005)

在精密播種機(jī)中，精密排種器是其工作的核心部件，工作性能直接制約了播種機(jī)播種性能的優(yōu)劣。為了探究影響氣吸式排種器工作性能的主次因素，以大豆氣吸式排種器為研究對象進(jìn)行了臺架性能試驗(yàn)測試。試驗(yàn)確定排種盤轉(zhuǎn)速為影響排種器排種性能的主次因素，氣室負(fù)壓為次要因素；排種盤轉(zhuǎn)速為20 r/min，氣室負(fù)壓為5 kPa時該大豆氣吸式排種器排種性能最優(yōu)，合格指數(shù)高達(dá)91.13%。該研究結(jié)果對排種器結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及性能優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

氣吸式排種器；合格指數(shù)；重播指數(shù)；漏播指數(shù)

0 引言

精量播種技術(shù)不僅可以滿足農(nóng)藝種植一穴一粒的播種要求，還可以起到固定株距和行距，保證田間植株數(shù)量，合理分配水分、肥料和光資源的效果，從而使植株生長發(fā)育良好一致，有利于作物的機(jī)械化收割[1-3]。因此，精量播種技術(shù)受到越來越多的關(guān)注，精密播種機(jī)是保證精量播種的主要機(jī)器，而精密排種器作為精密播種機(jī)的核心工作部件，其工作性能好壞直接決定了播種機(jī)的作業(yè)性能[4]。

精密排種器主要分為機(jī)械式和氣力式兩大類[5]：機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡單、造價低，但對種子的幾何尺寸要求較高，在充種、清種過程中易傷害種子，不適合高速作業(yè)，多用于中小型播種機(jī)上[6]；氣力式排種器克服了上述缺點(diǎn)，對種子幾何外觀要求低，不易損傷種子，通用性強(qiáng)，適合高速作業(yè)[7-9]，氣力式排種器主要分為氣吸式、氣壓式和氣吹式3種[3]。

為探究影響氣吸式精密排種器排種性能的主次因素和各因素的最優(yōu)組合，對現(xiàn)有氣吸式大豆精密排種器進(jìn)行了排種性能臺架測試，對影響排種器排種性能的因素進(jìn)行了單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)分析，確定制約其排種性能優(yōu)劣主次因素，并找到最優(yōu)參數(shù)組合。

1 排種器工作原理

本次試驗(yàn)采用的排種器為氣吸式排種器，該排種器主要由氣室殼體、排種盤、充排種器蓋、進(jìn)氣口和清種裝置等組。氣吸式排種器是利用氣室的負(fù)壓產(chǎn)生吸附力將種子吸附到排種盤上的工作原理工作的。氣室殼體與排種圓盤配合形成真空氣室，氣室邊緣安裝有減小摩擦的密封圈，防止漏氣。排種盤是垂直的圓盤，排種盤上有開有氣流通道孔。為了防止種子出現(xiàn)架空現(xiàn)象，本次試驗(yàn)用排種器在排種盤上固定了攪種盤，來促進(jìn)充種室內(nèi)種子的擾動，以提高種子的囊種率，從而降低漏播率。剔種裝置是用來提高排種器分離精度的重要部件，通過清種裝置可以實(shí)現(xiàn)精密播種的單粒播種需求。排種器外殼的部分空間與排種盤之間配合形成充種室，用來暫時存放種子。

排種器工作時，氣吸室在風(fēng)機(jī)的作用下形成真空狀態(tài)，使排種盤兩側(cè)有了一定的氣壓差，這時吸種孔就會形成一股吸附力；攪種盤攪動充種室內(nèi)的種子在型孔附近擾動，被型孔形成的吸附力吸附在排種盤上，隨排種盤一起運(yùn)動；排種盤在排種軸的帶動下順時針轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到投種區(qū)時，排種盤兩側(cè)的氣壓差降低的零，型孔的吸附力消失，種子在自身重力作用下落地；排種盤隨排種軸持續(xù)轉(zhuǎn)動，當(dāng)型孔再次進(jìn)入氣室時，在壓力差的作用下再次吸附被攪種盤攪動的種子。如此循環(huán)，完成大豆的單粒精密排種過程。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)用排種器為2QXP型垂直圓盤式氣吸式單盤排種器，型孔數(shù)目30孔，型孔直徑4mm。在哈爾濱博納科技有限公司設(shè)計(jì)制造的JPS-12排種器性能檢測實(shí)驗(yàn)臺上進(jìn)行臺架試驗(yàn)。供試大豆種子尺寸特征長、寬、高分別為6.71、6.56、5.60mm。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)時，排種器固定于排種架上，種床帶自行運(yùn)動，如此將播種機(jī)相對地面的運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榈孛嫦鄬τ诓シN機(jī)的運(yùn)動。試驗(yàn)時，種子從排種器排出，在種子自身重力的作用下落在噴有油層的種床帶上，隨種床帶一起運(yùn)動，被視覺系統(tǒng)的攝像頭捕捉其運(yùn)送的視頻序列；試驗(yàn)臺視覺系統(tǒng)對種床帶上的種子運(yùn)動視頻實(shí)時監(jiān)測，輸送到計(jì)算機(jī)上，由計(jì)算機(jī)軟件對視頻序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而計(jì)算出種子粒距合格指數(shù)。在種床帶運(yùn)行平穩(wěn)階段提取試驗(yàn)數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)樣本，每組數(shù)據(jù)取200粒，重復(fù)提取數(shù)據(jù)3次，取平均值作為最終結(jié)果。

數(shù)據(jù)處理方法取自《GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》。當(dāng)測得兩粒種子的粒距大于1.5Xr(Xr為理論粒距)時，判定為漏播；當(dāng)粒距小于0.5Xr時，判定為重播；當(dāng)粒距在0.5Xr～1.5Xr之間時，判定為合格。

2.3 單因素試驗(yàn)

2.3.1 氣室真空度對排種性能的影響

氣室真空度決定了排種盤兩側(cè)的壓力差，由此影響型孔對種子吸附力的大小及型孔對種子的吸附性能，它與種子的形狀、大小及型孔形狀等因素有關(guān)。對于不同的種子都有一個最佳的真空度范圍：真空度過小，漏吸幾率增大；真空度過大，重吸率增加。

種床帶運(yùn)行速度5.4km/h，排種盤轉(zhuǎn)速20r/min，氣室工作負(fù)壓分別選取如下10個水平：1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0 kPa進(jìn)行單因素試驗(yàn)，且每組進(jìn)行3次試驗(yàn)并取均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析氣室負(fù)壓和排種器排種性能的關(guān)系。圖1表示工作風(fēng)壓與排種性能的擬合曲線，并得到排種性能指標(biāo)的回歸方程。

合格指數(shù)回歸方程為

A=-6.868x2+71.8562x-89.5518

R2=0.9658

重播指數(shù)回歸方程為

D=0.1002x2+0.1605x-0.3958

R2=0.9492

漏播指數(shù)回歸方程為

M=6.7274x2-71.6796x+189.4936

R2=0.9686

式中x—?dú)馐夜ぷ髫?fù)壓(kPa)；

A—合格指數(shù)(%)；

D—重播指數(shù)(%)；

M—漏播指數(shù)(%)；

R—可決系數(shù)。

圖1 氣室真空度對排種性能的影響曲線

由圖1可以看出：在只變動工作風(fēng)壓的情況下，排種合格指數(shù)隨著負(fù)壓的增大而呈現(xiàn)先升高后、降低的趨勢，工作風(fēng)壓在5.0kPa左右時達(dá)到峰值；針對漏播指數(shù)而言，在負(fù)壓增大的情況下，擬合曲線呈先下降、后上升的趨勢，在5.0kPa左右時達(dá)到最低；重播指數(shù)在工作負(fù)壓增大的情況下呈緩慢升高的趨勢。

工作負(fù)壓較低時，排種盤兩側(cè)的氣壓差較小，型孔產(chǎn)生的吸附力不能吸住種子，從而漏播現(xiàn)象嚴(yán)重，此時排種合格指數(shù)和重播指數(shù)都比較低。工作負(fù)壓增大時，排種盤型孔的吸附力增強(qiáng)，漏播指數(shù)降低，合格指數(shù)開始升高。當(dāng)工作負(fù)壓過高時，型孔處形成的吸附力較大，形成吸附兩個以上種子的情況，導(dǎo)致重播指數(shù)升高。排種子性能最好的階段在工作風(fēng)壓為4～6kPa時。

2.3.2 排種盤轉(zhuǎn)速對排種性能的影響

排種盤轉(zhuǎn)速的大小決定了種子落到種床帶上的快慢。當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速較大時，種子落地頻率快，易造成重播現(xiàn)象；當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速過慢時，種子落地頻率慢，易造成漏播現(xiàn)象。為找到合適的轉(zhuǎn)速，本次測試針對轉(zhuǎn)速做了單因素試驗(yàn)。

種床帶運(yùn)行速度定為5.4km/h，氣室工作負(fù)壓5.0kPa，排種盤轉(zhuǎn)速分別取以下8個因素水平：5.0、10.0、15.0、20.0、25.0、30.0、35.0、40.0 r/min進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取3次試驗(yàn)的均值，分別分析每種轉(zhuǎn)速對排種性能的影響。圖2表示排種盤轉(zhuǎn)速與排種性能的擬合曲線，并得到排種性能指標(biāo)的回歸方程。

臨床護(hù)理帶教是言傳身教，因人施教，在提高護(hù)生的專業(yè)理論和操作技術(shù)的同時，帶教老師也要不斷充實(shí)自己的內(nèi)在理論，這樣護(hù)生和帶教老師才能一起提升專業(yè)素質(zhì)。

合格指數(shù)回歸方程為

A=-0.2064x2+9.9561x-24.8664

R2=0.96178

重播指數(shù)回歸方程為

D=0.0127x2-0.3173x+1.7423

R2=0.9159

漏播指數(shù)回歸方程為

M=0.1887x2-9.6213x+123.0116

R2=0.9730

式中x—?dú)馐夜ぷ髫?fù)壓(kPa)；

A—合格指數(shù)(%)；

D—重播指數(shù)(%)；

M—漏播指數(shù)(%)；

R—可決系數(shù)。

圖2 排種盤轉(zhuǎn)速對排種性能的影響曲線

下降的趨勢，在25r/min左右是達(dá)到峰值值；重播指數(shù)呈上升趨勢；漏播指數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的加快呈先下降后上升趨勢，在26 r/min左右時達(dá)到最小值。排種盤轉(zhuǎn)速過低時，吸種孔能夠充分地吸附住種子，但種子下落頻率過低，導(dǎo)致漏播指數(shù)較高而合格指數(shù)很低。排種盤轉(zhuǎn)速過高時，種子不能夠即時吸附到排種盤上，導(dǎo)致排種器的漏播指數(shù)非常高。排種盤轉(zhuǎn)速在20～30r/mi時，播種合格指數(shù)較高。

2.4 正交試驗(yàn)

由前文單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析可知：排種盤轉(zhuǎn)速和氣室工作風(fēng)壓對排種性能均有影響，排種盤轉(zhuǎn)速在20～30r/min、氣室真空度在4～6 kPa時排種器排種性能合格指數(shù)較高。為了確定試驗(yàn)因素的主次順序和參數(shù)的最優(yōu)因素組合，正交試驗(yàn)選取轉(zhuǎn)速和氣室工作風(fēng)壓設(shè)計(jì)兩因素三水平的正交試驗(yàn)，表1為正交試驗(yàn)的因素水平表?？紤]兩者交互作用，使用正交表，試驗(yàn)結(jié)果和極差分析如表2所示。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

續(xù)表2

本次試驗(yàn)的目標(biāo)是找到對排種器排種性能的主次影響因素，并確定該排種器對大豆排種時的最優(yōu)參數(shù)。由表2可知：對于單粒合格指數(shù)，影響試驗(yàn)的主次因素為A、B、A×B，最優(yōu)組合為A2B3；對于單粒重播指數(shù)，影響試驗(yàn)的主次因素分別為A、A×B、B，最優(yōu)組合為A3B2；對于漏播指數(shù)，影響試驗(yàn)的主次因素為A、B、A×B，最優(yōu)組合為A1B1。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果綜合評析，本次試驗(yàn)的最優(yōu)因素組合為A2B3。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為20 r/min、工作負(fù)壓為5.0 kPa時，單粒播種合格指數(shù)為91.13%，漏播指數(shù)為5.42%。

表3為方差分析表。由表3分析可得出：排種盤轉(zhuǎn)速對單粒合格指數(shù)的影響高度顯著，氣室工作負(fù)壓對試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著，排種盤轉(zhuǎn)速是影響排種性能的主要因素，氣室負(fù)壓為次要因素；對于重播指數(shù)來講，排種盤轉(zhuǎn)速影響高度顯著,氣室負(fù)壓影響不顯著；排種盤轉(zhuǎn)速對漏播指數(shù)影響顯著，氣室負(fù)壓和交互作用影響不顯著。綜合以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，確定A2B3為最佳因素水平組合，即排種器轉(zhuǎn)速為20r/min、工作負(fù)壓為5.0 kPa時，試驗(yàn)合格指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。

表3 正交試驗(yàn)方差分析

續(xù)表3

3 結(jié)論

1)排種盤轉(zhuǎn)速是影響排種器排種性能的主要因素。隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增大，播種合格指數(shù)呈先上升、后下降的趨勢，在25 r/min左右時達(dá)到最高值；漏播指數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的加快呈先下降、后上升趨勢，在26 r/min左右時達(dá)到最小值。

2)氣室負(fù)壓是影響排種器排種性能的次要因素。隨著負(fù)壓的增大，排種器合格指數(shù)呈先升高、后下降的趨勢，在5.0kPa左右時達(dá)到最大值；漏播指數(shù)隨著負(fù)壓的增大，呈現(xiàn)先降低、后升高的趨勢，在5.0kPa左右時達(dá)到最低。

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Experimental Study on the Seeding Performance of the Air-Suction Soybean Precision Metering Device

Chen Shufa， Song Zhengkun, Yang Jin, Lu Xinchun, Sun Qixin

(Schools of Mechanical Engineering, Huaihai Institute of Technology, Lianyungang 222005, China)

The precision metering mechanism is one core component of a planter. Its seeding performance directly cause the planter’s seeding quality. In order to study the main factor that influence the working performance of the air-suction precision metering device, this paper taking soybean air-suction precision metering device as the research object conduct the performance tests on test bench. The main factors who influence the working performance of the air-suction precision metering device is the seed-wheel rotation, the secondary factor is negative pressure of the chamber; when the seed-wheel rotation is 20 r/min and the negative pressure of the chamber is 5.0kPa the working performance is best, its qualified index is 91.13%.The results provide a reference for improving the structure and performance of the seed metering device.

airsuction metering device； qualified index； replay Index； gall Index

2016-10-21

江蘇省科技型企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項(xiàng)目(BC2015167)；江蘇省蘇北科技專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(BN2016051)

陳書法(1970-)，男，江蘇連云港人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)csf7012@aliyun.com。

S223.2+5

A

1003-188X(2017)10-0189-05