振動供種型孔輪式非圓種子精密排種器設計與試驗

劉彩玲 王 超 宋建農 都 鑫 張福印

(中國農業(yè)大學農業(yè)部土壤- 機器- 植物系統(tǒng)技術重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

精密播種具有省種、省工、省時、高產、經濟等諸多優(yōu)點,是一項效果顯著的節(jié)本增效工程技術。因此，現(xiàn)代農業(yè)對精密播種要求越來越迫切[1]。特別是近年來育種、種子加工處理、農藝栽培等技術不斷發(fā)展與完善，大大提高了種子的發(fā)芽率和保苗率，使精密播種技術有了更可靠的保證，從而對精量播種提出了更高的要求[2]。

目前，玉米已基本實現(xiàn)了單粒精密播種[3-4]。水稻的精播強調少本稀植促進分蘗，可提高產量，節(jié)本增效，要求單苗栽插并適當降低密度，但考慮種子發(fā)芽率、機插秧漏插率、傷秧率、秧塊盤結力等影響，將低播量的技術要求定為1～2 粒/穴[5-6]。小麥的精密播種高產栽培相對于傳統(tǒng)的密集條播作業(yè)可減少基本苗，建立合理群體結構，培育壯苗，從而提高產量和經濟效益，因此近年來出現(xiàn)了小麥單粒播種、寬苗帶等種植新農藝，實現(xiàn)行內種子均勻分散分布，克服缺苗斷壟或疙瘩苗現(xiàn)象[7]。因此，從農藝上降低每穴種子粒數(shù)，實現(xiàn)準確株距、行距、播深是精密播種技術的發(fā)展趨勢[8-9]。

精密排種器是實現(xiàn)精密播種的關鍵部件，目前精密排種器主要分為機械式[10-12]和氣力式兩種[13-16]。氣力式排種器成本高，吸孔或吸針堵塞問題仍未得到很好解決；以機械容腔方式囊種的機械式排種器應用較普遍，目前很好的應用在玉米、大豆、甜菜等圓形或近圓形外形規(guī)則種子的精密播種作業(yè)。對于小麥、水稻等非圓形種子，其充種過程極其復雜，提高每穴播種精度、降低空穴率、實現(xiàn)低播量精密播種仍是目前研究的難點。

控制種子運動姿態(tài)、使種子定向有序排列是機械式排種器降低每穴種子充填粒數(shù)的有效途徑，特別適合小麥、水稻、花生等橢球體種子的精密播種作業(yè)[17-20]。為解決超級稻工廠化育秧低播量精密播種的難題，本文基于型孔輪式排種器提出一種振動定向供種機構，以天優(yōu)998超級稻為研究對象，對振動供種機構工作機理進行理論分析，通過臺架試驗優(yōu)化關鍵參數(shù)，以期為整機設計提供參考。

1 結構與工作原理

精密排種器主要由種箱、電磁振動上料器、定向供種機構、排種輪、刷種輪、同步護種裝置、壓實輪、刮種裝置等組成，整機結構如圖1所示。

圖1 精密排種器結構示意圖Fig.1 Sketch of precision seeder1.側板 2.同步護種裝置 3.排種輪 4.刷種輪 5.種箱 6.電磁振動上料器 7.定向供種機構 8.電磁激振器 9.刮種裝置

工作原理如下：種箱內的種子在重力及電磁振動上料器的振動作用下以均勻種子流進入定向供種機構的排序供種V型槽中,定向供種機構在電磁激振器作用下振動，排序供種V型槽內的種子在激振力作用下實現(xiàn)沿長軸方向首尾相連地均勻連續(xù)定向排序穩(wěn)態(tài)輸送。當種子運動至V型槽尾部時在尾部輸出口作用下實現(xiàn)橫向運動并橫向充入排種輪型孔中，經刷種輪和同步護種裝置到達投種位置后在重力與慣性力作用下下落，沒有及時掉落的種子由刮種裝置強制脫落。該播種裝置通過控制種子運動姿態(tài)實現(xiàn)稻種沿長軸方向均勻連續(xù)定向排序的穩(wěn)態(tài)輸送和沿型孔輪軸向橫向分布供種，為降低每穴種子粒數(shù)、提高單粒充填率提供了可能。

2 關鍵結構設計

2.1 定向供種機構設計與振動定向排序機理

定向供種機構是實現(xiàn)精密播種的關鍵。依據(jù)概率法以天優(yōu)998超級稻種子(種子平均尺寸：長度9.09 mm、寬度2.92 mm、厚度2.09 mm)為研究對象，計算得種子平躺、側臥概率88%，遠大于豎立的概率，同時依據(jù)最小勢能法，確定“平躺”狀態(tài)為水稻種子最大可能的穩(wěn)定狀態(tài)，由此可知設計V型槽對橢球狀水稻種子進行限位是適合的，結構如圖2所示。

圖2 定向供種機構Fig.2 Directional seed-feeding mechanism1.供種箱 2.高邊V型槽 3.梳種針 4.低邊V型槽 5.支架 6.輸出口

電磁激振器作用于定向供種機構，在振動及V型槽限位作用下，稻種呈“輕微沸騰”狀態(tài)，并微小跳動減小其內摩擦，V型槽結構設計使種子以長軸方向平行于V型槽向“平躺”、“側臥”狀態(tài)不斷調整、改變運動姿態(tài)，輔以倒梯形梳種針清除堆積的多余稻種，確保單層種子均勻連續(xù)定向穩(wěn)態(tài)供種，在V型槽尾部輸出口作用下稻種實現(xiàn)長軸平行于型孔輪軸向的充種作業(yè)，解決多層堆積問題，提高充種單粒率。

V型槽結構尺寸見圖3b、3c，高邊V型槽起過渡作用，其槽深5 mm,比稻種厚度略大，可存貯2～3層種子確保稻種流連續(xù)不間斷；低邊V型槽起梳種、清種作用，其槽深3 mm,存貯已均勻排序的單層種子，稻種排序供種效果如圖3a所示；輸出口開口寬度為種子長軸的1.2倍，底部向下傾斜，其寬度略小于短軸方向，限制種子姿態(tài)使長軸平行于型孔輪軸向方向。V型槽輸出口與排種輪接觸部分設計成圓弧形，以與排種輪圓周壁吻合利于種子姿態(tài)不改變，輸出口與排種輪間隙確保種子不漏出。

圖3 V型槽斷面尺寸示意圖Fig.3 Diagrams of V-groove cross section

2.2 種子在定向供種機構上的運動分析和機構參數(shù)設計

2.2.1V型槽運動分析

圖4 V型槽運動規(guī)律及種子受力分析圖Fig.4 Motion of V-groove and rice force diagram

V型槽運動分析[21]見圖4，以平行于工作面為x軸正方向，種子沿V型槽的相對運動以沿V型槽板上行為正，垂直于V型槽板向上為y軸正向，則V型槽板的運動加速度為

ax=-λω2sin(ωt)cosβ

(1)

ay=-λω2sin(ωt)sinβ

(2)

式中ax——x方向加速度,m/s2

ay——y方向加速度, m/s2

λ——V型槽振動方向單振幅，m

ω——振動圓頻率，rad/s

t——時間,s

β——振動方向角,(°)

2.2.2種子滑行運動條件及滑行指數(shù)分析

(3)

(4)

Ff=μeN=tanφeN

(5)

其中μe=μ/sinθφe=arctan(tanφ/sinθ)

式中m——種子質量，kg

g——重力加速度，m/s2

α——V型槽安裝傾角，(°)

N——槽體對種子的支持力，N

Ff——槽體對種子的摩擦力，N

μ——種子與V型槽材料間靜摩擦因數(shù)

μe——種子與V型槽材料間當量靜摩擦因數(shù)

φe——當量靜摩擦角

φ——靜摩擦角

θ——V型槽夾角的一半,θ=35°

式(3)中“-”號對應于正向滑動，“+”對應于反向滑動。

(6)

(7)

(8)

(9)

式中Dk——正向滑行指數(shù)

Dq——反向滑行指數(shù)

正向滑行指數(shù)Dk<1，φk0無解，故正向滑動條件為Dk≥1，反向滑行條件為Dq≥1。為提高種子輸送效率，減小摩擦，希望稻種沿V型槽上滑，確定Dk為2～3、Dq=1。

(10)

(11)

當拋擲指數(shù)D>1，式(10)有解，物料可出現(xiàn)拋擲運動。當D<1，物料不能出現(xiàn)拋擲運動，為確保稻種在V型槽上穩(wěn)定輸送不跳動，其參數(shù)設計應確保D≤1。

2.2.3定向供種機構參數(shù)選擇與計算

(1)槽體安裝傾角α及振動方向角β

振動輸送要求傾斜向上輸送時最大升角不超過15°。本文選擇傾斜向上安裝傾角4°。V型槽板材料為工程塑料，測定稻種與其摩擦因數(shù)為0.47，V型槽夾角2θ=70°，計算當量摩擦因數(shù)μe=0.82，當量摩擦角φe=arctanμe=39.33°。由式(8)、(9)計算可得

(12)

Dk為2～3，Dq=1，由式(12)計算振動方向角為26.5°～34.5°，設計振動方向角β=31°。

(2)振幅λ及振動頻率f

電磁振動機械常采用高頻率小振幅，本設計輸出口置于V型槽尾部且與型孔對行，過大的V型槽振幅會導致輸出口與型孔對行準確性偏差過大影響種子準確充填，根據(jù)型孔、輸出口和種子的長度尺寸，2λ應小于1 mm，本文取λ=0.35 mm，由式(8)計算得到振動頻率為

(13)

Dk為2～3，由式(13)計算振動頻率為32.8～37.8 Hz，設計振動頻率f=35 Hz。

(3)種子滑行平均速度分析

將設計參數(shù)V型槽夾角70°，安裝傾角α=4°，振動方向角β=31°，振幅λ=0.35 mm，振動頻率f=35 Hz代入式(8)～(10)，精確計算拋擲指數(shù)D=0.892,正向滑行指數(shù)Dk=2.49，反向滑行指數(shù)Dq=1，能夠滿足種子在V型槽上向上穩(wěn)定輸送不下滑且不出現(xiàn)拋起彈跳運動，為均勻連續(xù)定向排序穩(wěn)態(tài)輸送和稻種長軸沿型孔輪軸向方向的橫向分布供種、提高單粒充填率提供了可能。此時計算正向滑動相位角φk0=23.7°，反向滑動相位角φq0=264.3°,由文獻[21]查得速度系數(shù)Pkm=1.90，Pqe=0.01，計算正向滑行平均速度vk、反向滑行平均速度vq和平均速度vkp為

(14)

(15)

vkp=vk+vq=0.029 m/s

(16)

考慮單料層厚度確定影響系數(shù)ch=1，實際平均速度vs為

vs=chvkp=0.029 m/s

種子長度l=9.09 mm，則理論供種頻率fgz為

2.3 排種輪設計與充種分析

2.3.1排種輪設計

合理的型孔形狀是保證順利充種的關鍵。為了有利于種子充入型孔和刮種時減小損傷，型孔前端傾斜。定向供種對型孔尺寸要求降低，根據(jù)最大稻種尺寸確定，設計型孔長度11 mm，寬度6.75 mm，型孔輪截面、型孔形狀及尺寸見圖5。排種輪直徑影響種子充填性能，綜合考慮結構和生產率確定直徑為220 mm。

圖5 型孔輪截面與型孔結構Fig.5 Section of wheel with cell and cell structure

2.3.2充種條件分析

排種輪轉動，V型槽輸出口內種子在種間摩擦力、壓力、種子與型孔表面摩擦力、重力的共同作用下充入型孔[22](圖6)。

圖6 種子充入型孔時的運動學分析Fig.6 Kinematics analysis of filling in a cell

稻種進入型孔內的條件為

(17)

式中v——排種輪邊緣線速度，m/s

L——型孔寬度,m

d——稻種短軸當量直徑，d=0.024 2 m

β1——充種位置角，(°)

根據(jù)輸出口位置確定充種位置角為32.27°,計算vmax=0.151 m/s。

排種輪半徑R=110 mm，排種輪極限轉速為

(18)

3 性能試驗與多目標參數(shù)優(yōu)化

為探索排種器工作性能，優(yōu)化設計參數(shù)，基于上述設計參數(shù)研制了基于振動技術的型孔輪式精密排種器并進行排種試驗，試驗地點為中國農業(yè)大學工學院排種實驗室。

3.1 試驗條件

選用天優(yōu)998超級稻種子，三維尺寸如前所述，精選去芒，堆積角試驗測得休止角31.67°，DHG- 9140A型電熱恒溫鼓風干燥箱測得平均濕基含水率為10.10%。試驗裝置包括GZV電磁振動上料器及其控制器、定向供種機構、WD.28- JZQ型電磁激振器及信號發(fā)生器和功率放大器(激振系統(tǒng))、型孔輪式排種裝置、高速攝像系統(tǒng)等(圖7)。

圖7 精密排種器試驗臺Fig.7 Precision seeder test bed1.激振系統(tǒng) 2.上料器 3.型孔輪式排種裝置 4.高速攝像系統(tǒng) 5.定向供種機構

3.2 試驗指標與試驗因素水平

為滿足超級稻低播量精量種植要求，統(tǒng)計型孔內每穴(2±1)粒和0粒種子的型孔穴數(shù)與型孔總數(shù)的百分比，分別計為合格率Y1、漏充率Y2,作為試驗指標。

根據(jù)上述參數(shù)設計分析結果，選取V型槽安裝傾角α、振動方向角β、振動頻率f、電壓Vp(振幅)及排種輪轉速n五因素安排二次回歸旋轉正交組合試驗，星號臂為2，因子區(qū)域中心的試驗點個數(shù)為10，共需進行36組試驗，各因素編碼見表1。

3.3 試驗結果與分析

試驗充種效果較好，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)一穴多于3粒的情況，試驗統(tǒng)計結果如表2，應用Design-Expert 8.0.6進行多元回歸擬合方差檢驗及因素間交互作用響應曲面分析。

表1 因素編碼Tab.1 Coding of factors

表2 二次回歸正交旋轉組合試驗設計及結果Tab.2 Experiment design and response values

3.3.1回歸模型的建立與方程顯著性檢驗

對試驗數(shù)據(jù)進行四次多項式逐步回歸擬合，依據(jù)系數(shù)間不存在線性相關性，剔除不顯著因素并對編碼因素進行線性代換，得合格率Y1回歸響應面方程為

Y1=3 142.113-731.755α-180.192β-6.455f+
130.342Vp-328.376n+13.103αβ+10.081αf-
4.171αn+3.214βf+6.761βVp+13.747βn-
7.017fVp+10.466fn-12.534Vpn+77.838α2+
0.069β2-1.04f2-0.366βfn-0.435α2β-
1.462α2f-0.014α2β2

(19)

回歸方程方差分析見表3，合格率回歸模型F檢驗高度顯著(P<0.01)，失擬項P=0.139 4>0.05不顯著，回歸方程不失擬。試驗中沒有出現(xiàn)多于3粒的充種情況，故漏充率回歸模型檢驗、因素影響規(guī)律與合格率分析結論一致，因此試驗結果只分析各因素對合格率的影響。

依據(jù)表3中F值確定影響合格率的因素重要性次序為振動頻率、振幅、振動方向角、安裝傾角和排種輪轉速，其中振動頻率和振幅高度顯著，特別是振動頻率F值最大，表明其對稻種的輸送極其敏感，與式(8)正向滑行指數(shù)與振動頻率平方成正比、與振幅成正比的分析結論相吻合，試驗結果驗證了理論分析結果；安裝傾角、振動方向角、振動頻率及排種輪轉速間交互作用高度顯著，因素交互作用影響不可忽視。

表3 合格率與漏充率的方差分析Tab.3 Variance analysis of qualified rate and cavity rate

注：*表示顯著；** 表示極顯著。

3.3.2因素間交互作用的響應曲面分析

因素交互作用對合格率影響見圖8，由圖8a可知，振動頻率一定，低頻區(qū)合格率隨振動方向角增大而減小，高頻區(qū)影響規(guī)律相反；振動方向角一定，振動頻率越大合格率越高，二者交互作用中振動頻率對合格率影響更顯著。

圖8 因素間交互作用對合格率的影響Fig.8 Influence of interaction factors on qualified rate

由圖8b可知，安裝傾角一定，低安裝傾角區(qū)域合格率隨轉速增大而增大，高安裝傾角區(qū)影響規(guī)律相反，高安裝傾角區(qū)域降低供種頻率，轉速增大使供種頻率降低導致空穴率增大。

由圖8c可知，低安裝傾角區(qū)合格率隨振動方向角增大而增加，高安裝傾角區(qū)呈先增大后減小趨勢；低振動方向角區(qū)合格率隨安裝傾角增大而增加，高振動方向角區(qū)影響規(guī)律相反，二者共同制約供種頻率，過大過小均影響種子的均勻有序輸送；由圖8d可知，低頻區(qū)合格率隨振動方向角增大而增加，高頻區(qū)影響規(guī)律相反；低安裝傾角利于增大正向滑行指數(shù)，因此隨著振動頻率的增加提高供種能力，從而降低了漏充率，使合格率呈明顯上升趨勢。

綜合分析，因素及因素間交互作用對試驗結果的影響不可忽略，各參數(shù)影響種子在V型槽上的正向滑行指數(shù)從而影響供種頻率和輸送效果，在確保均勻連續(xù)穩(wěn)態(tài)供種的條件下，優(yōu)化供種頻率與型孔輪轉速實現(xiàn)二者的合理匹配是確保合格率的關鍵。

3.4 試驗結果目標優(yōu)化與試驗驗證

為尋求約束條件范圍內各影響因素最優(yōu)組合，將合格率Y1作為評價指標，結合因素邊界條件建立數(shù)學模型，對充種性能指標回歸模型優(yōu)化求解，目標函數(shù)和約束條件為

(20)

應用Design-Expert 8.0.6通過響應面法在試驗因素水平范圍內對其參數(shù)優(yōu)化求解，得最優(yōu)參數(shù)組合為安裝傾角4.02°,振動方向角31.29°,振動頻率35.9 Hz，振幅4.03 V，轉速5.55 r/min;預測合格率為96.86%，漏充率為3.14%。優(yōu)化結果與表2中第36號試驗基本吻合，確實是較優(yōu)方案。對優(yōu)化結果進行臺架試驗驗證，選用前述同批天優(yōu)998超級稻種，重復驗證試驗10次，(2±1)粒/穴合格率97.64%，沒有出現(xiàn)多于3粒/穴的情況，漏充率2.36%，與優(yōu)化結果基本符合。

4 結論

(1)基于超級稻工廠化育秧低播量精密播種的種植需求，設計了一種基于振動技術的型孔輪式精密排種器，完成關鍵結構參數(shù)設計，對振動排序實現(xiàn)定量連續(xù)定向供種機理進行了研究，確定影響稻種在V型槽運動規(guī)律的設計參數(shù)為V型槽安裝傾角、振動方向角、振幅和振動頻率。

(2)采用二次回歸旋轉正交組合設計建立因素與合格率間回歸模型，確定影響合格率的因素重要性次序依次為振動頻率、振幅、振動方向角、安裝傾角和排種輪轉速，因素間交互作用不可忽略。優(yōu)化影響供種頻率參數(shù)實現(xiàn)與充種頻率合理匹配是確保合格指數(shù)的關鍵，試驗分析結果與理論分析結論一致。

(3)試驗結果目標優(yōu)化和試驗驗證表明，在安裝傾角4.02°，振動方向角31.29°，振動頻率35.9 Hz，振幅4.03 V，轉速5.55 r/min時合格率為97.64%，漏充率2.36%，沒有出現(xiàn)多于3粒/穴的情況，滿足了低播量精密播種的農藝要求，表明振動供種組合型孔輪式排種器實現(xiàn)非圓種子精密播種的可行性。

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