集排式排種器棉種氣流輸送排種性能試驗(yàn)

齊慶征，倪向東，康施為，盧博，胡斌

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

集排式排種器是一個排種部件進(jìn)行多行排種，實(shí)現(xiàn)“一器多行”的精量排種裝置[1-3]，它可簡化播種單體結(jié)構(gòu)，降低地面振動對排種器工作性能的影響，提高工作效率，完成高速、寬幅播種[4-7].

集排式排種器因其具有較為緊湊的結(jié)構(gòu)形式，故需要較長的輸種管以使種子準(zhǔn)確、穩(wěn)定地落入種床之中.倪向東等[8]研制了氣吸滾筒式棉花精量排種器，采用陣列吸孔吸種方式，增加滾筒單位轉(zhuǎn)速吸種頻率.藍(lán)薇等[9]研制了一種用于玉米精量播種的集中排種系統(tǒng)，試驗(yàn)研究正壓力、玉米種子投種初速度、輸種管長度和直徑等參數(shù)對排種器投種均勻性的影響規(guī)律.李珊珊等[10]運(yùn)用負(fù)壓吸種、攜種與正壓投種相結(jié)合的方法對油菜氣力滾筒式精量排種器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并進(jìn)行了滾筒轉(zhuǎn)速、投種角度、正壓壓力值對油菜種子株距變異系數(shù)影響規(guī)律的研究.呂金慶等[11]利用正壓氣流使馬鈴薯在投種過程中獲得與機(jī)具前進(jìn)方向相反的加速度，探討了吹種正壓和排種器轉(zhuǎn)速對排種器工作性能的影響規(guī)律.

綜上所述，目前大多數(shù)氣力式排種器常通過在排種過程中為種子提供正壓氣流以使其快速通過輸種管，增強(qiáng)種子通過輸種管時的平順性，使排種器工作性能較依靠種子自重投種方式更加穩(wěn)定，均勻性也更好[12-14].但該方法多用在氣壓式精量排種器或油菜、辣椒等小粒徑氣吸式排種器，且對于氣吸滾筒式排種器多通過在排種滾筒內(nèi)部添加隔板等方式使其分為負(fù)壓氣室和正壓氣室[15-19]，增加滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和加工難度.針對該現(xiàn)狀，本文提出一種在排種滾筒外部利用種子自重與正壓氣流強(qiáng)制投種相結(jié)合的排種方式，以適用于集排式棉花排種器，探討輸種管結(jié)構(gòu)參數(shù)和正壓力對排種性能的影響規(guī)律，為集排式播種機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考.

1 工作原理

1.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

集排式棉花排種器主要由種箱、空心軸、集排滾筒、隔壓裝置和輸種管等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示.

1:機(jī)架;2:鏈輪;3:投種器;4:集排滾筒;5:空心軸；6:種箱；7.負(fù)壓氣室；8:彈簧；9:隔壓塊.1:Frame；2:Chain wheel；3:Seed deliver；4:Roller；5:Hollow shaft；6:Seed hopper；7:Negative pressure air chamber；8:Spring；9:Pressure block.圖1 氣吸滾筒式棉花精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of pneumatic cylinder seed metering device for cotton

1:A段輸種管;2:B段輸種管;Ⅰ:充種區(qū);Ⅱ:攜種區(qū);Ⅲ：投種區(qū).1：Section A transplantation tube；2：Section B transplantation tube;Ⅰ：Seed spout;Ⅱ：Support;Ⅲ：Seed deliver.圖2 輸種管結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure diagram of seed delivery tube

1.2 工作原理

集排式棉花排種器工作時，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓將棉種從種箱中吸附到集排滾筒的型孔上，在驅(qū)動鏈輪和負(fù)壓氣室的作用下使種子隨集排滾筒轉(zhuǎn)動，在到達(dá)投種區(qū)時，吸附力被隔斷消失，棉種在自重和與離心力的作用下落入投種器中，并在到達(dá)B段輸種管時，受吹種正壓的作用下落至種溝，完成排種作業(yè).

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與裝置

選取新陸早48號為試驗(yàn)用種，單顆棉種平均3軸尺寸(長×寬×厚)為8.94 mm×5.19 mm×4.82 mm，千粒質(zhì)量為95.0 g，含水率為5.6%.

利用石河子大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室搭建的JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺進(jìn)行棉種氣流輸送排種性能試驗(yàn)，所用排種器為氣吸滾筒式棉花精密排種器，排種器負(fù)壓由渦旋氣泵提供，輸種管吹種正壓由JPS-12試驗(yàn)臺風(fēng)機(jī)部分提供.輸種管傾斜角通過A段與B段之間角度的不同組合進(jìn)行調(diào)節(jié)，吹種正壓通過排種性能JPS-12排種性能檢測試驗(yàn)臺上正壓控制旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖3 棉種氣流輸送排種性能試驗(yàn)臺Figure 3 Experiment table of air flow delivery performance for Cotton seed

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)選取集排滾筒吸種效果最好時的轉(zhuǎn)速15.38 r/min，棉種投種高度650 mm，輸種管長度1 000 mm，負(fù)壓5.04 kPa.并依據(jù)文獻(xiàn)[20]，選取合格指數(shù)Q和漏播指數(shù)M作為排種器工作性能優(yōu)劣的評價指標(biāo)，選取B段輸種管與臺架水平面間夾角(即傾斜角)、輸種管內(nèi)徑和吹種正壓為試驗(yàn)因素.采用Box-Bohnken響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次結(jié)果均值為試驗(yàn)結(jié)果.因素水平編碼表見表1.

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計方案與結(jié)果見表2.

表1 試驗(yàn)因素水平編碼表

表2 試驗(yàn)設(shè)計方案與結(jié)果

3.2 回歸模型方程與顯著性檢驗(yàn)

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 12.0.3.0對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析與多元回歸擬合，得到合格指數(shù)、漏播指數(shù)與輸種管傾斜角、輸種管內(nèi)徑、吹種正壓之間的二次多項(xiàng)式回歸方程.

(1)

(2)

3.3 合格指數(shù)回歸分析

由表3可知，回歸模型擬合度是極顯著的(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)表現(xiàn)為不顯著(P>0.05)，說明試驗(yàn)對響應(yīng)指標(biāo)有顯著影響的主要因素均已考慮到，且回歸方程擬合較好，能較準(zhǔn)確地反應(yīng)排種器在實(shí)際工作狀況下的排種合格指數(shù).

(3)

3.4 漏播指數(shù)回歸分析

根據(jù)表3可知，回歸模型擬合度是極顯著的(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)表現(xiàn)為不顯著(P>0.05)，說明試驗(yàn)對響應(yīng)指標(biāo)有顯著影響的主要因素均已考慮到，且回歸方程擬合較好，能較準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際情況下的排種漏播指數(shù).

表3 試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程方差分析

輸種管傾斜角X1和輸種管內(nèi)徑與吹種正壓的交互項(xiàng)X2X3對漏播指數(shù)的影響均為顯著，其他各項(xiàng)對漏播指數(shù)影響相對較小，可不作考慮.得到各因素影響排種漏播指數(shù)的因素順序?yàn)檩敺N管內(nèi)徑X2、輸種管傾斜角X1、吹種正壓X3.剔除不顯著項(xiàng)的回歸方程為：

(4)

3.5 試驗(yàn)因素對評價指標(biāo)的影響效應(yīng)分析

分別固定輸種管傾斜角、輸種管內(nèi)徑和吹種正壓水平為零，探討另外2因素對排種器工作性能的影響規(guī)律.

圖4-A、5-A為吹種正壓位于中心水平時，輸種管傾斜角和輸種管內(nèi)徑之間的交互作用對排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響.當(dāng)輸種管內(nèi)徑為16 mm，輸種管傾斜角為45°時，漏播指數(shù)取得最大值15.2%，合格指數(shù)取得最小值73.6%.同一吹種正壓下，輸種管內(nèi)徑較小時，由于種子尺寸與內(nèi)徑尺寸相近，使棉花種子在輸種管內(nèi)彈跳時與管壁接觸的次數(shù)增多；輸種管內(nèi)徑較大時，種子在流場中占據(jù)的截面較小，種子周圍的氣流速度相對變小，使得種子獲得的動能不足以使其快速的通過輸種管到達(dá)種床.輸種管過小或過大均會增加種子在輸種管中的運(yùn)動時間，增加排種的漏播指數(shù)和重播指數(shù)，降低合格指數(shù).

圖4-B、5-B為輸種管內(nèi)徑位于中心水平時，吹種正壓和輸種管傾斜角之間的交互作用對排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響.當(dāng)輸種管傾斜角為45°，吹種正壓為1.5 kPa時，漏播指數(shù)取得最大值9.8%，合格指數(shù)取得最小值83.2%.當(dāng)吹種正壓維持不變，漏播指數(shù)在輸種管傾斜角較小或較大時取值較高，合格指數(shù)在輸種管傾斜角較小或較大時取值較低.同一輸種管內(nèi)徑，傾斜角較小時，種子需要耗費(fèi)較多的動能克服其與管壁間的摩擦力；傾斜角較大時，A段輸種管與B段輸種管間的接觸面積增加，使氣流向豎直方向上的流動機(jī)會變大，種子受到來自吹種正壓的動能降低，從而增加排種的漏播指數(shù)和重播指數(shù)，降低合格指數(shù).

圖4-C、5-C為輸種管傾斜角位于中心水平時，吹種正壓和輸種管內(nèi)徑之間的交互作用對排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響.當(dāng)吹種正壓為2.5 kPa，輸種管內(nèi)徑為16 mm時，漏播指數(shù)取得最大值16.5%，合格指數(shù)取得最小值73.4%.當(dāng)輸種管內(nèi)徑維持不變，漏播指數(shù)在吹種正壓較小或較大時取值較大，合格指數(shù)在吹種正壓較小或較大時取值較小.同一輸種管傾斜角，吹種正壓較小時，輸種管中流場速度較小，種子在輸種管中運(yùn)動不確定性和運(yùn)動時間均增加；吹種正壓較大時，輸種管中氣流速度

圖4 各因素對合格指數(shù)的影響Figure 4 Effect of all factors on qualified index of seed-metering device

圖5 各因素對漏播指數(shù)的影響Figure 5 Effect of all factors on missing index of seed-metering device

較大，種子離開輸種管時速度過快，容易飛出油帶之外，增加排種的漏播指數(shù)，降低合格指數(shù).

3.6 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)輸種管傾斜角為15 ～ 45°，輸種管內(nèi)徑為16 ～ 25 mm，吹種正壓為1.5 ～ 2.5 kPa時，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》，運(yùn)用Design-Expert 12.0.3.0軟件對影響因素和排種性能指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(5)

得到當(dāng)輸種管傾斜角為28°，輸種管內(nèi)徑為22 mm，吹種正壓為2.1 kPa時組合獲得最優(yōu)解，在該條件下排種合格指數(shù)為94.1%，漏播指數(shù)為2.4%.

為了驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的可行性，在最優(yōu)參數(shù)組合狀況下進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)重復(fù)5次，取各指標(biāo)平均值.臺架試驗(yàn)結(jié)果表明：合格指數(shù)為94.2%，漏播指數(shù)為2.2%，與理論預(yù)測結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，說明最佳參數(shù)方案可行，可滿足棉花播種農(nóng)藝要求.

4 結(jié)論

1) 該氣吸滾筒式棉花精量排種器通過在集排滾筒外部設(shè)置一可為下落的棉種提供正壓氣流推動力的輸種管，簡化排種滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低棉種在輸送過程中運(yùn)動狀態(tài)的不確定性，使排種器在投種高度為650 mm情況下能夠滿足排種要求.

2) 由3因素3水平Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果可知：輸種管傾斜角、輸種管內(nèi)徑和輸種管內(nèi)徑與吹種正壓的交互作用對排種合格指數(shù)及漏播指數(shù)均有顯著或極顯著影響.

3) 確定各因素最優(yōu)參數(shù)組合為輸種管傾斜角28°，輸種管內(nèi)徑22 mm，吹種正壓2.1 kPa.對最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，排種器排種合格指數(shù)為94.2%，漏播指數(shù)為2.2%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致.