氣吸式玉米精量排種器的性能試驗(yàn)研究

趙曉順，于鳳超，趙達(dá)衛(wèi)，于華麗

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定 071001）

玉米在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有非常重要的地位，種植技術(shù)及裝備的發(fā)展越來越得到行業(yè)內(nèi)的關(guān)注和重視［1-2］。目前玉米精量排種器主要有機(jī)械式和氣吸式2 種。其中應(yīng)用較為廣泛的機(jī)械勺輪式排種器對玉米種子形狀適應(yīng)性差；排種過程中勺輪對玉米種子具有一定的損傷；高速作業(yè)時排種器充種性能下降，不適宜高速作業(yè)［3-6］。而氣吸式玉米排種器具有對玉米種子的形狀要求低、適應(yīng)性強(qiáng)、播種均勻性好、傷種率低、適宜高速作業(yè)等特點(diǎn)，在國外被廣泛采用［7-11］。近些年國內(nèi)的相關(guān)學(xué)者和科研院所也都對氣吸式排種器進(jìn)行了大量的研究。內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)竇衛(wèi)國、王竹瑛等人研制的新型氣吸式精量鋪膜播種機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、具有良好的播種質(zhì)量，但其最佳作業(yè)速度較低，不能實(shí)現(xiàn)高速作業(yè)［12-13］；丁力、楊麗等人基于DEM-CFD 耦合的玉米氣吸式排種器進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)，但其對于負(fù)壓值有著較高的要求［14］；顏丙新、張東興等人為防止密封墊磨損，設(shè)計(jì)了排種盤和負(fù)壓腔室同步旋轉(zhuǎn)氣吸式玉米精量排種器，但其排種高度較高導(dǎo)致其合格粒距變異系數(shù)增大［15］。

以上文獻(xiàn)中，機(jī)械式玉米精量排種器存在作業(yè)速度低、易傷種等缺陷，部分氣吸式排種器的研究不完善。針對此現(xiàn)狀，筆者設(shè)計(jì)了1 套氣吸式玉米精量播種機(jī)，并進(jìn)行了排種器臺架試驗(yàn)和播種機(jī)整機(jī)田間試驗(yàn)研究。

1 播種單體的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 播種單體結(jié)構(gòu)

氣吸式玉米播種單體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由懸掛裝置、傳動裝置、氣吸式排種器和開溝器4 部分組成。

圖1 玉米播種單體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Maize planting monomer structure diagram

氣吸式排種器如圖2 所示，由刮種片、氣吸圓盤、密封墊片、真空氣室和氣吸排種器外殼等組成。

圖2 排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Seed-metering device structure

1.2 排種器工作原理

如圖3 所示，播種作業(yè)時，玉米種子在負(fù)壓力的作用下被吸附在吸種圓盤的每個吸孔上。吸種圓盤在鏈輪傳動裝置驅(qū)動下，沿順時針方向?qū)⒎N子由充種區(qū)送到排種區(qū)，排種區(qū)與負(fù)壓區(qū)被密封墊片隔開，與大氣相通，因此當(dāng)吸附種子的吸孔進(jìn)入排種區(qū)時，吸附力消失，玉米種子在重力的作用下落入種溝，完成1 個吸排種周期。刮種片可以將多余的種子刮掉，保證單粒精播。

圖3 排種器工作原理圖Fig.3 Working principle of seed-metering device

2 試驗(yàn)臺試驗(yàn)

利用試驗(yàn)臺測定氣吸式玉米精量排種器在不同作業(yè)參數(shù)下的排種效果，選定‘冀玉912’玉米種子為試驗(yàn)材料，JPS-12 排種器性能檢測試驗(yàn)臺為試驗(yàn)設(shè)備（見圖4）。試驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論株距為250 mm。通過公式（1）計(jì)算出每一種床帶速度下的排種器 轉(zhuǎn)速。

式中：np—排種器轉(zhuǎn)速，r/min；

vm—播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h；

S —株距，mm；

Z —排種盤型孔數(shù)。

圖4 排種器試驗(yàn)臺試驗(yàn)圖Fig.4 The picture of seed-metering device test bench

試驗(yàn)分別對作業(yè)前進(jìn)速度、投種高度和負(fù)壓值3個因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，每個試驗(yàn)重復(fù)3 次，每次試驗(yàn)不少于250 粒玉米種子。依據(jù)（JB/T 10293—2013）《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》，規(guī)定在種子、整地質(zhì)量符合播種農(nóng)藝要求時，排種器主要性能應(yīng)符合粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格粒距變異系數(shù)4 項(xiàng)作業(yè)性能指標(biāo)的要求。試驗(yàn)結(jié)果以4 項(xiàng)作業(yè)性能指標(biāo)作為評價指標(biāo)。

以0.1 Xref（Xref為理論粒距）的間隔分成區(qū)段，每區(qū)段的變量為：

式中：xi—區(qū)段中值。將粒距數(shù)據(jù)處理成Xi并按照規(guī)定統(tǒng)計(jì)n'i的值，n'i為在相應(yīng)范圍內(nèi)Xi的個數(shù)，如果：

則：

式中：N—試驗(yàn)測定的種子數(shù)；

n2—重播數(shù)；

n1—合格數(shù)；

n0—漏播數(shù)；

N—區(qū)間數(shù)；

Xi∈{＞0.5 ～≤1.5}。

評價指標(biāo)粒距合格指數(shù)A、重播指數(shù)D、漏播指數(shù)M、合格粒距變異系數(shù)C 分別為：

其中，σ—標(biāo)準(zhǔn)差。

2.1 作業(yè)速度對排種性能的影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)排種器投種高度為80 mm，負(fù)壓值為 -3.5 kPa。選擇7.2、9 和10.8 km/h 3 個作業(yè)速度對排種器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 作業(yè)速度試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of working speed

由圖5 所示，排種器重播指數(shù)、漏播指數(shù)和合格粒距變異系數(shù)隨著作業(yè)速度的變化有些波動，但總體較為平穩(wěn)。隨著速度的增加，排種器的重播指數(shù)呈下降趨勢，漏播指數(shù)有著上升的趨勢。當(dāng)速度達(dá)到 9 km/h 時，排種的粒距合格指數(shù)最高，排種效果最好。

2.2 投種高度對排種性能的影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)排種器作業(yè)速度選擇3.6 km/h，負(fù)壓值為-3.5 kPa。試驗(yàn)選擇了40、80、120 mm 3 個投種高度對排種器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 投種高度試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of seeding height

如圖6 所示，投種高度為40 和80 mm 時粒距合格指數(shù)很接近，投種高度為120 mm 時，由于種子下落時產(chǎn)生的位移使漏播指數(shù)增加，從而使粒距合格指數(shù)有些下降。總體上，投種高度對排種器的漏播指數(shù)和重播指數(shù)的影響很小。投種高度為80 mm時，合格粒距變異系數(shù)最小，粒距合格指數(shù)最高。

2.3 工作負(fù)壓壓強(qiáng)值對排種性能的影響試驗(yàn)

本試驗(yàn)排種器作業(yè)速度選擇3.6 km/h，投種高度為80 mm。氣吸負(fù)壓的壓強(qiáng)選擇了-1.5、-2.5、 -3.5 kPa 3 個負(fù)壓值對排種器進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示。

圖7 工作負(fù)壓壓強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results of working negative pressure

如圖7 所示，在負(fù)壓值為-1.5 kPa 時，排種器的排種效果最差。排種器的漏播指數(shù)隨著負(fù)壓的增加逐漸變小。而重播指數(shù)恰恰相反，隨著負(fù)壓的增加重播率逐漸增加。實(shí)際作業(yè)中應(yīng)該根據(jù)播種效果選擇合適的負(fù)壓值。由圖可知，在播種合格指數(shù)接近的基礎(chǔ)上，負(fù)壓值為-2.5 kPa 時的重播指數(shù)和漏播指數(shù)均較小。隨著壓強(qiáng)的增加，排種器的合格粒距變異系數(shù)變小，這說明負(fù)壓值為-3.5 kPa 時排種器的株距變動幅度更小，排種效果更加穩(wěn)定。

3 田間試驗(yàn)

3.1 播種機(jī)的田間試驗(yàn)

2019 年6 月27 日在國家糧食豐產(chǎn)工程試驗(yàn)區(qū)河北省辛集市溢博糧棉種植專業(yè)合作社進(jìn)行了播種試驗(yàn)（見圖8）。

圖8 播種機(jī)播種試驗(yàn)圖Fig.8 The picture of sowing test

前茬為麥茬地，免耕播種作業(yè)。播種機(jī)行數(shù)為4 行，行距布置為寬窄行（40、80、40 cm）。播種作業(yè)參數(shù)為：播深5 cm，理論株距為20 cm，播種作業(yè)速度為10 km/h。并于2019 年7 月12 日進(jìn)行了查苗試驗(yàn)。隨機(jī)選擇3 個小區(qū)，每個小區(qū)隨機(jī)選取3 行作為樣本進(jìn)行測量，每行選取10 m 的距離，測量10 m 內(nèi)玉米植株的株距。然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)計(jì)算平均合格粒距、合格指數(shù)A、重播指數(shù)D、漏播指數(shù)M、標(biāo)準(zhǔn)差σ 以及變異系數(shù)C（見表1）。

表1 田間試驗(yàn)結(jié)果表Table 1 Field test results

3.2 田間試驗(yàn)結(jié)果與分析

JB/T 10293—2013《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》中給出的單粒精密播種機(jī)的主要性能指標(biāo)為：粒距合格指數(shù)≥80%；重播指數(shù)≤15%；漏播指數(shù)≤8%；合格粒距變異系數(shù)≤30%。將田間試驗(yàn)所得各項(xiàng)結(jié)果與以上指標(biāo)對比，表明此玉米排種器在3 個小區(qū)共9 個樣本里的試驗(yàn)結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)中的性能指標(biāo)要求，達(dá)到了預(yù)期要求。

4 結(jié)論

（1）排種器臺架試驗(yàn)表明排種器的最佳排種作業(yè)速度、最佳投種高度、最佳工作負(fù)壓值分別為 9 km/h、80 mm、-3.5 kPa。負(fù)壓值對排種器重播指數(shù)和漏播指數(shù)的影響最大，投種高度影響最小。

（2）作業(yè)速度對排種性能的影響試驗(yàn)表明，在超過7.2 km/h 的作業(yè)速度下，即使在10.8 km/h 的速度下，粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、合格粒距變異系數(shù)均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，與目前的機(jī)械式玉米播種機(jī)播種作業(yè)速度（5 ～6 km/h）相比，得到了明顯提高。

（3）田間試驗(yàn)結(jié)果表明寬窄行氣吸式玉米播種機(jī)滿足（JB/T 10293—2013）《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》的性能指標(biāo)要求，在播種作業(yè)效率上得到了較大提高，完全符合較高播種作業(yè)速度的要求。