芝麻精量穴播排種器吸種性能分析與試驗(yàn)

林翩，廖慶喜，王磊，王寶山，劉海

華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070

芝麻是中國(guó)生產(chǎn)高品質(zhì)食用油的重要油料作物，也是種植廣泛的特色農(nóng)產(chǎn)品，近年來(lái)需求量持續(xù)擴(kuò)大，但受機(jī)械化種植水平低下影響，生產(chǎn)成本高，芝麻種植規(guī)模難以擴(kuò)大[1]。芝麻種子屬于小粒徑異形種子，質(zhì)量輕，易破損，機(jī)械化精量播種難度大，目前主要采用人工撒播、點(diǎn)播和機(jī)械條播，存在用種量大，排種不均勻等問(wèn)題。以傳統(tǒng)人工點(diǎn)播為例，通常每穴播種5～8粒[2]，后期人工間苗定苗，每穴留苗1～2株，工作量大，成苗率低。芝麻機(jī)械化精量穴播可實(shí)現(xiàn)每穴播種1～3粒[3-4]，播種精度高，田間分布均勻，有利于提高芝麻產(chǎn)量。

氣吸式排種器利用負(fù)壓吸附種子，具有種子形狀適應(yīng)性強(qiáng)、傷種率低、排種量精確可控等特點(diǎn)[5-6]。張靜等[7]構(gòu)建氣力式排種器型孔吸附邊界模型，確定種子形狀和幾何尺寸對(duì)排種器型孔吸附性能影響較大。廖宜濤等[8]開(kāi)展吸種運(yùn)移狀態(tài)圖像拍攝試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小粒徑種子對(duì)吸種負(fù)壓變化敏感，在工作負(fù)壓較高情況下型孔會(huì)吸附4～6粒種子。張國(guó)忠等[9]分析水稻被吸附姿態(tài)概率，得到型孔處吸附力由種子形態(tài)、工作負(fù)壓和型孔結(jié)構(gòu)決定。研究[10-11]表明，吸附力小，種子流動(dòng)性差，容易發(fā)生漏吸；吸附力過(guò)大容易導(dǎo)致重播指數(shù)增大。Nai等[12]開(kāi)展氣力式排種器吸室真空度、吸孔直徑等因素對(duì)排種性能影響試驗(yàn)，建立參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化得到適合異形種子的最佳參數(shù)組合。綜上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)氣吸式排種器在小粒徑種子適應(yīng)性方面展開(kāi)了大量研究，吸種數(shù)目易受氣室負(fù)壓影響[13-15]，對(duì)于芝麻等小粒徑異形種子，種子形狀也會(huì)對(duì)排種器吸種性能造成影響，排種器精量穴播有待進(jìn)一步研究。

針對(duì)芝麻種植人工效率低，出苗后間苗工作量大，缺乏適用的芝麻精量穴播要求等實(shí)際問(wèn)題，本研究基于負(fù)壓吸種、正壓投種的排種原理[16]，構(gòu)建排種器吸種過(guò)程臨界負(fù)壓模型，確定型孔吸附芝麻臨界負(fù)壓值及精量穴播的型孔直徑較優(yōu)范圍，開(kāi)展單因素試驗(yàn)分析排種過(guò)程因素影響規(guī)律，結(jié)合響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化分析各因素交互作用，確定最佳參數(shù)組合，以期為芝麻精量穴播排種器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 芝麻精量穴播排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

芝麻精量穴播排種器基于負(fù)壓氣流吸種、正壓氣流投種的工作原理，主要由氣室、排種盤(pán)、罩殼等零部件組成(圖1)。氣室通過(guò)隔板分為正壓區(qū)與負(fù)壓區(qū)，芝麻精量穴播排種器工作過(guò)程分為充種、吸種、攜種和投種4個(gè)環(huán)節(jié)。排種器工作時(shí)，種箱中的芝麻種子由進(jìn)種口進(jìn)入排種器充種腔形成堆積，利用負(fù)壓區(qū)氣流在排種盤(pán)型孔內(nèi)外側(cè)形成的壓差，種子在吸種區(qū)被吸附在型孔上隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，脫離種群，型孔吸附種子數(shù)目及姿態(tài)具有隨機(jī)性。種子運(yùn)移過(guò)程中位移、速度、受載等隨機(jī)變量的變化，少部分種子吸附不穩(wěn)定，在自身重力作用下滑落至充種區(qū)。當(dāng)型孔吸附的種子隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)至正壓區(qū)后，在氣流及自身重力作用下從型孔上脫落，進(jìn)入導(dǎo)種管，實(shí)現(xiàn)排種過(guò)程。其中，排種器的吸種環(huán)節(jié)是保證播種質(zhì)量的核心。

1.正壓氣室 Positive pressure chamber; 2.氣室隔板 Air chamber baffle; 3.型孔 Hole; 4.負(fù)壓氣室 Negative pressure chamber; 5.罩殼 Seed metering device shell; 6.排種軸 Sowing axle; 7.氣室殼體 Air chamber; 8.排種盤(pán) Planter plate; 9.種箱 Seed box.

1.2 吸種環(huán)節(jié)種子力學(xué)分析

吸種環(huán)節(jié)中種子受到氣流場(chǎng)、種群作用力和重力的交互作用[17]，氣流場(chǎng)中壓力梯度力是型孔吸附種子的主要作用力[18]。排種器負(fù)壓(相對(duì)大氣壓)大小影響種子吸附性能，根據(jù)芝麻種子與型孔接觸情況可將吸種姿態(tài)分為3種，即橫臥、側(cè)臥和直立姿態(tài)[19](圖2)。為保證種子能被順利吸附，應(yīng)滿足受力平衡條件[20]：

J為芝麻被排種盤(pán)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)所引起的離心力，N；G為種子重力，N；N為型孔對(duì)芝麻的反力，N；P0為型孔吸力，N；Ff為芝麻的內(nèi)摩擦力，N；Q為G、J、Ff的合力，N；C為芝麻種子重心與排種盤(pán)的垂直距離，mm；d為型孔直徑，mm；v為排種盤(pán)吸種孔中心處的線速度，m/s。J is the centrifugal force caused by the rotation of sesame driven by the seed metering plate,N; G is the seed gravity,N; N is the reaction force of the shaped hole on sesame,N; P0 is the suction force of the shaped hole,N; Ff is the internal friction force of sesame,N ; Q is the resultant force of G,J and Ff,N; C is the vertical distance between the center of gravity of sesame seed and the seed metering plate,mm; d is the diameter of the shaped hole,mm; v is the linear velocity at the center of the seed suction hole of the seed metering plate,m/s.

(1)

得到負(fù)壓真空度為：

(2)

式(1)～(2)中，H為氣吸室所需負(fù)壓，Pa；C為種子重心與排種盤(pán)間距，mm；m為單粒種子的質(zhì)量，kg；S為種子與吸種孔的接觸面積，mm2；d為型孔直徑，mm；r為排種盤(pán)吸種孔處的轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，m；g為重力加速度，m/s2；λ為種子的摩擦阻力綜合系數(shù)；K1為吸種可靠性系數(shù)；K2為工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)。由式(2)可知，種子被吸附的負(fù)壓H受種子重心與排種盤(pán)間距C以及種子與吸種孔接觸面積S、型孔直徑d等因素的影響，負(fù)壓H絕對(duì)值與間距C成正相關(guān)關(guān)系，與接觸面積S、型孔直徑d成負(fù)相關(guān)。對(duì)于類球形種子，種子重心與排種盤(pán)間距C以及種子與吸種孔接觸面積S值僅與種子尺寸有關(guān)，而對(duì)于異形種子，還與種子被吸附狀態(tài)有關(guān)，定義吸種狀態(tài)影響系數(shù)K=C/S，得到氣室負(fù)壓真空度為：

(3)

為建立芝麻吸附姿態(tài)模型，種子重心與排種盤(pán)間距C近似為c/2、b/2和a/2，簡(jiǎn)化種子與吸種孔接觸面積S近似為種子與吸種孔交界面處截面積，3種姿態(tài)下接觸面積示意圖如圖3所示。種子覆蓋型孔區(qū)域(沿型孔直徑方向)的長(zhǎng)度l與型孔直徑的比值[21]為k=l/d(0

A：橫臥 Horizontal; B:側(cè)臥 Lateral; C:直立 Vertical. 1.種子 Seed; 2.型孔 Hole.

不同姿態(tài)種子吸種狀態(tài)影響系數(shù)為：

(4)

式(4)中，Kh為種子橫臥姿態(tài)時(shí)吸種狀態(tài)影響參數(shù)值，mm-1；Kl為種子側(cè)臥姿態(tài)時(shí)吸種狀態(tài)影響參數(shù)值，mm-1；Kv為種子直立姿態(tài)時(shí)吸種狀態(tài)影響參數(shù)值，mm-1。c為種子高度，mm；b為種子寬度，mm；a為種子長(zhǎng)度，mm。由式(4)可知，當(dāng)單粒種子以橫臥姿態(tài)被吸附，種子重心離排種盤(pán)最近，與型孔接觸面積最大，參數(shù)k取最大值為1，吸種狀態(tài)影響參數(shù)K最小，理論吸附所需負(fù)壓絕對(duì)值最??；直立姿態(tài)種子重心較遠(yuǎn)，接觸面積較小，吸附所需負(fù)壓絕對(duì)值理論值較大。當(dāng)氣室負(fù)壓絕對(duì)值處于橫臥姿態(tài)與直立姿態(tài)臨界負(fù)壓絕對(duì)值之間時(shí)，型孔能吸附種群中橫臥姿態(tài)的種子，如果型孔吸附范圍內(nèi)均為直立姿態(tài)的種子，則會(huì)超出型孔吸種能力，出現(xiàn)漏吸現(xiàn)象。為降低芝麻排種器漏播率，氣室負(fù)壓絕對(duì)值必須高于3種姿態(tài)吸附所需負(fù)壓絕對(duì)值中的最大值。

芝麻被吸附姿態(tài)影響型孔的實(shí)際吸附邊界[22-23]，型孔吸附邊界中出現(xiàn)多粒種子時(shí)，氣室負(fù)壓絕對(duì)值需高于多粒種子各姿態(tài)組合所需負(fù)壓絕對(duì)值最大值，才能實(shí)現(xiàn)多粒種子穩(wěn)定吸附。

1.3 吸種負(fù)壓臨界值分析

選擇湖北地區(qū)常見(jiàn)的芝麻品種(航白芝)為研究對(duì)象，隨機(jī)選取種子50粒，利用游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)對(duì)芝麻三軸尺寸(長(zhǎng)度a、寬度b、高度c)進(jìn)行測(cè)量，由電子分析天平(精度0.001 g)測(cè)量芝麻千粒質(zhì)量，得到芝麻種子長(zhǎng)、寬、高分別為3.12±0.18、1.83±0.13、0.90±0.09 mm，千粒質(zhì)量為3.09 g。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，型孔直徑d與種子平均寬度b滿足下式關(guān)系：

d=(0.64～0.66)b

(5)

其中，種子寬度b為球形種子的平均直徑，芝麻種子形狀并非球形，種子寬度b分別取芝麻三軸尺寸，得到型孔直徑分別為1.88～2.18 mm、1.09～1.29 mm、0.52～0.65 m。若型孔直徑取1.88～2.18 mm，高于芝麻寬度和高度，立吸姿態(tài)種子會(huì)進(jìn)入氣室，因此取型孔直徑為0.60～1.30 mm，分析時(shí)取孔徑增量為0.1 mm(表1)。

吸附單粒種子時(shí)，假定3種姿態(tài)被吸附時(shí)與型孔接觸面積均為該種姿態(tài)下的最大接觸面積，K1=K2=1，m=3.09，g=9.8，d=0.6～1.3，c=0.9，b=1.83，a=3.12，k=1。由式(3)、(4)計(jì)算可得不同型孔直徑下各姿態(tài)所需最小負(fù)壓絕對(duì)值。

表1 不同型孔直徑下芝麻種子3種姿態(tài)吸附負(fù)壓 Table 1 Negative pressure of seed adsorption in three postures under different pore diameter Pa

吸附2粒種子時(shí)，存在6種姿態(tài)組合，分別是橫臥+橫臥、橫臥+側(cè)臥、橫臥+直立、側(cè)臥+側(cè)臥、側(cè)臥+直立、直立+直立。以種子覆蓋型孔的長(zhǎng)度l為設(shè)計(jì)變量，姿態(tài)組合中種子所需吸附負(fù)壓絕對(duì)值的較大值最小為優(yōu)化目標(biāo)，利用Matlab軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，其目標(biāo)函數(shù)如式(6)所示：

min{H1(l1),H2(l2)}

(6)

約束條件如式(7)所示：

(7)

式(6)～(7)中，H1和H2分別為第1、2粒種子被吸附所需負(fù)壓，Pa；l1、l2分別為第1、2粒種子與型孔接觸長(zhǎng)度，mm；S1和S2分別為第1、2粒種子與型孔接觸面積，mm2。通過(guò)迭代得到不同型孔直徑下6種吸附姿態(tài)組合所需負(fù)壓絕對(duì)值最小值。

表2 不同型孔直徑下2粒芝麻種子吸附負(fù)壓 Table 2 Negative pressure of adsorbing two seeds under different pore diameters Pa

隨著型孔直徑的增大，吸附不同姿態(tài)組合的2粒種子所需負(fù)壓絕對(duì)值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(表2)。比較相同直徑時(shí)不同姿態(tài)組合所需負(fù)壓可知，種子均以橫臥姿態(tài)被吸附所需負(fù)壓絕對(duì)值最小，均以直立姿態(tài)被吸附時(shí)所需負(fù)壓絕對(duì)值最大。當(dāng)氣室負(fù)壓絕對(duì)值達(dá)到2粒種子吸附所需負(fù)壓絕對(duì)值最小值時(shí)，型孔具備吸附2粒橫臥姿態(tài)種子的能力，2粒種子被吸附概率增大。當(dāng)氣室負(fù)壓絕對(duì)值持續(xù)增大，逐漸滿足其他組合姿態(tài)所需吸附條件時(shí)，型孔吸附2粒種子概率會(huì)持續(xù)上升，直至2粒種子被吸附概率達(dá)到最大值。同一型孔直徑下，均以橫臥姿態(tài)被吸附和均以直立姿態(tài)被吸附所需臨界負(fù)壓絕對(duì)值構(gòu)成該型孔直徑可吸附2粒種子負(fù)壓絕對(duì)值范圍的上下限。

吸附3粒種子，存在18種組合姿態(tài)，均以橫臥吸附姿態(tài)和均以直立姿態(tài)被吸附時(shí)所需臨界負(fù)壓絕對(duì)值組成該型孔直徑下3粒種子吸附所需負(fù)壓絕對(duì)值范圍上下限。多目標(biāo)優(yōu)化得到3粒種子在不同型孔直徑下均為橫臥吸附或直立吸附時(shí)所需負(fù)壓(表3)。

表3 不同型孔直徑下3粒種子吸附負(fù)壓 Table 3 Negative pressure of adsorbing 3 seeds under different pore diameters Pa

為實(shí)現(xiàn)每穴排種1～3粒，既要保證漏吸概率最低，也要盡量減小重吸(≥4粒/穴)情況的發(fā)生。計(jì)算吸附4粒種子所需的最小負(fù)壓絕對(duì)值，即4粒種子均以橫臥姿態(tài)被吸附時(shí)的臨界負(fù)壓絕對(duì)值。控制氣室負(fù)壓絕對(duì)值小于該臨界負(fù)壓絕對(duì)值能有效降低重吸概率，提升吸種質(zhì)量。4粒橫臥姿態(tài)種子在型孔直徑0.6～1.3 mm的臨界吸附負(fù)壓分別為-3 933、-2 477、-1 659、-1 165、-849、-638、-492和-387 Pa。

由圖4可知，隨型孔直徑的增大，滿足單粒吸附、2粒吸附及3粒吸附所需負(fù)壓絕對(duì)值范圍及最小值均呈下降趨勢(shì)；隨型孔吸種數(shù)目的減少，型孔吸附種子所需負(fù)壓絕對(duì)值范圍減??；不同吸種數(shù)目所需負(fù)壓絕對(duì)值范圍存在重疊情況，導(dǎo)致型孔直徑以及氣室負(fù)壓絕對(duì)值相同時(shí)吸種數(shù)目不同。

圖4 不同型孔直徑下吸種臨界負(fù)壓絕對(duì)值Fig.4 Critical negative pressure absolute value of seed suction under different hole diameter

種子被型孔實(shí)際吸附長(zhǎng)度l受型孔吸種數(shù)目影響，型孔吸種數(shù)目較少，則每粒種子的吸附長(zhǎng)度偏大。隨吸附長(zhǎng)度l增大，型孔直徑增大，種子以不同姿態(tài)被吸附時(shí)所需負(fù)壓絕對(duì)值降低，種子漏吸概率減小。當(dāng)試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值達(dá)到多粒種子被吸附條件，重吸概率增大，型孔吸種數(shù)目增加。吸種數(shù)目過(guò)多影響攜種過(guò)程中芝麻的吸附穩(wěn)定性，導(dǎo)致投種過(guò)程成穴性差。

為滿足精量穴播吸種粒數(shù)要求，氣室實(shí)際負(fù)壓選擇在單粒吸種所需負(fù)壓絕對(duì)值的最大值與4粒吸種所需負(fù)壓絕對(duì)值的最小值之間，保證漏吸發(fā)生概率最小的同時(shí)降低吸附3粒以上種子的概率。考慮負(fù)壓調(diào)節(jié)范圍不宜過(guò)大，芝麻精量穴播的型孔直徑范圍0.8～1.1 mm，氣室負(fù)壓大小為-1 600～-600 Pa較優(yōu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 吸種狀態(tài)試驗(yàn)

吸種狀態(tài)試驗(yàn)在JPS-16型排種試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，所用排種器為正負(fù)氣壓組合式小粒徑種子精量排種器，采用數(shù)碼相機(jī)拍攝排種器吸種運(yùn)移狀態(tài)圖像(圖5)。分別分析型孔直徑、氣室負(fù)壓對(duì)吸種數(shù)目概率的影響，設(shè)置氣室負(fù)壓大小為-1 400 Pa、排種盤(pán)型孔直徑0.6～1.3 mm、試驗(yàn)水平間隔0.1 mm；設(shè)置型孔直徑為0.9 mm、氣室負(fù)壓大小為-500～-1 700 Pa、試驗(yàn)水平間隔300 Pa。

圖5 排種性能試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Seed metering performance test device

試驗(yàn)用相機(jī)型號(hào)為Canon EOD 7D，拍攝參數(shù)為ISO-1600，0曝光補(bǔ)償，無(wú)閃光模式，圖像分辨率為1 800萬(wàn)像素(5 184×3 456 pixel)。每次試驗(yàn)后檢查型孔堵塞情況，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次連續(xù)拍攝256孔，獲得拍攝圖像，統(tǒng)計(jì)分析各型孔吸附芝麻情況，計(jì)算不同試驗(yàn)條件下型孔漏吸、1粒、2粒、3粒、4粒及以上種子概率。根據(jù)試驗(yàn)確定芝麻種子存在橫臥、側(cè)臥和直立3種吸附姿態(tài)(圖6)。試驗(yàn)條件為型孔直徑0.9 mm、氣室負(fù)壓大小為-1 400 Pa，試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得單粒芝麻以橫臥、側(cè)臥和直立被吸附姿態(tài)概率分別為0.64、0.18和0.17，3種姿態(tài)比例近似為3.5∶1∶1。

圖6 芝麻吸附姿態(tài)圖Fig.6 Sesame adsorption posture diagram

試驗(yàn)得到排種盤(pán)型孔漏吸概率隨型孔直徑(0.6～1.3 mm)的變化情況如圖7A所示，排種盤(pán)型孔吸種粒數(shù)概率隨型孔直徑的變化情況如圖7B所示，隨氣室負(fù)壓變化情況如圖8所示。由圖7可知，當(dāng)型孔直徑為0.6 mm時(shí)，試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值(1 400 Pa)高于臥吸姿態(tài)負(fù)壓絕對(duì)值，低于側(cè)臥或直立姿態(tài)負(fù)壓絕對(duì)值，試驗(yàn)結(jié)果表明，此時(shí)漏吸概率較高，為10.94%。隨型孔直徑的增大，型孔漏吸概率逐漸下降，當(dāng)型孔直徑高于0.8 mm后，試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值高于3種姿態(tài)所需負(fù)壓絕對(duì)值，此時(shí)型孔具備單粒種子吸附條件，無(wú)漏吸，與試驗(yàn)結(jié)果一致。由圖7B可知，當(dāng)型孔直徑為0.6 mm時(shí)，試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值(1 400 Pa)低于2粒種子吸附臨界負(fù)壓絕對(duì)值，型孔理論上無(wú)法吸附2粒種子，試驗(yàn)結(jié)果表明吸附2粒種子概率近似為0；當(dāng)型孔直徑為0.7 mm時(shí)，試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值達(dá)到型孔吸附2粒種子所需負(fù)壓絕對(duì)值的最小值，此時(shí)發(fā)現(xiàn)型孔吸附2粒種子概率明顯提升，為17.19%；隨型孔直徑增大，型孔吸種能力增強(qiáng)，型孔吸附2粒種子概率不斷增大。當(dāng)型孔直徑繼續(xù)增大至1.1 mm，試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值高于型孔吸附2粒種子6種姿態(tài)組合臨界負(fù)壓絕對(duì)值，型孔具備吸附2粒種子的能力，吸種概率逐漸穩(wěn)定，為38.5%。當(dāng)型孔直徑為0.8 mm，試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值達(dá)到3粒吸附所需臨界負(fù)壓絕對(duì)值，試驗(yàn)結(jié)果表明3粒種子被吸附概率開(kāi)始增長(zhǎng)，與理論分析結(jié)果一致。

由圖8可知，隨著氣室負(fù)壓絕對(duì)值增大，種子漏吸不斷下降，單粒種子吸附概率先穩(wěn)定后下降，2粒種子吸附概率先升后降，3粒及以上種子吸附概率逐漸上升。1～3粒種子吸種概率均存在先增后減的趨勢(shì)，負(fù)壓絕對(duì)值在500～800 Pa之間時(shí)，存在某個(gè)條件使得單粒種子被吸附概率最大，在1 400 Pa左右雙粒吸附概率最大，負(fù)壓絕對(duì)值高于1 700 Pa使得3粒種子吸附概率最大。在型孔直徑為0.9 mm、試驗(yàn)氣室負(fù)壓絕對(duì)值為1 100 Pa時(shí)，試驗(yàn)負(fù)壓絕對(duì)值處于單粒種子被吸附所需最大負(fù)壓絕對(duì)值與4粒種子被吸附所需最小負(fù)壓絕對(duì)值之間，此時(shí)漏吸概率與4粒種子被吸附概率均近似為0，與理論計(jì)算規(guī)律一致，調(diào)節(jié)氣室負(fù)壓能夠影響型孔吸種數(shù)目，改善型孔吸種質(zhì)量。

A:漏吸概率變化圖 Variation of zero-seed probability; B:吸種1～3粒概率變化圖 Variation of 1-3 seed probability. CP為臨界負(fù)壓絕對(duì)值。下同。CP is critical negative pressure absolute value. The same as below.

圖8 型孔吸種數(shù)目概率隨氣室負(fù)壓變化情況Fig.8 Variation of seed number probabilitywith negative pressure of air chamber

2.2 單因素試驗(yàn)

吸種過(guò)程理論分析及試驗(yàn)表明，型孔直徑為0.8～1.1 mm、氣室負(fù)壓為-600 ～-1 600 Pa、排種器吸種性能較優(yōu)。排種軸轉(zhuǎn)速為：

(8)

式(8)中，np為排種軸轉(zhuǎn)速，r/min；vm為播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h；n為排種盤(pán)型孔數(shù)目，個(gè)；M為播種穴距，m。根據(jù)播種機(jī)配套拖拉機(jī)東方紅LX854前進(jìn)速度為1.64～11.45 km/h，計(jì)算得排種軸轉(zhuǎn)速為4.50～31.81 r/min，排種軸轉(zhuǎn)速范圍取5～40 r/min。

以排種器穴粒數(shù)合格率(1～3粒/穴)、漏播率和重播率為性能指標(biāo)，以型孔直徑x1、排種軸轉(zhuǎn)速x2、氣室負(fù)壓x3、種層高度x4為影響因素，開(kāi)展單因素試驗(yàn)[22]。型孔直徑0.6～1.3 mm，試驗(yàn)水平間隔0.1 mm；排種軸轉(zhuǎn)速5～40 r/min，試驗(yàn)水平間隔5 r/min；氣室負(fù)壓-500～-1 700 Pa，試驗(yàn)水平間隔300 Pa；種層高度7～47 mm，試驗(yàn)水平間隔5 mm，試驗(yàn)卸種正壓設(shè)置為200 Pa。每次試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值，得到單因素多個(gè)水平之間的排種器排種效果(圖9)。由圖9A可知，當(dāng)種層高度過(guò)低，型孔與種子接觸不完全時(shí)，漏播率較高，穴粒數(shù)合格率偏低，當(dāng)型孔與種子能夠充分接觸，種層高度變化對(duì)穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率影響并無(wú)明顯規(guī)律。由圖9B-D可知，隨排種盤(pán)型孔直徑增大、排種軸轉(zhuǎn)速減小、氣室負(fù)壓絕對(duì)值增大，型孔穴粒數(shù)合格率先增后減。從整體趨勢(shì)看，漏播率隨轉(zhuǎn)速減小、型孔直徑增大、負(fù)壓絕對(duì)值增大呈下降趨勢(shì)，漏播率降為0后保持不變，重播率則不斷上升，但重播率與三因素并非單調(diào)函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明重播率存在隨機(jī)性波動(dòng)。排種軸轉(zhuǎn)速、排種盤(pán)型孔直徑與氣室負(fù)壓三因素對(duì)排種性能影響顯著。由排種性能指標(biāo)均值可知，當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速在5～15 r/min、型孔直徑在0.9～1.1 mm、氣室負(fù)壓在-800～-1 400 Pa范圍時(shí)，排種器吸種效果較優(yōu)。

圖9 排種盤(pán)型孔直徑、排種軸轉(zhuǎn)速、負(fù)壓和種層高度與試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.9 Curve of relationship between seed metering performance index and diameter,rotational speed,negative pressure and seed layer height of seed tray

2.3 基于BBD響應(yīng)面的性能試驗(yàn)

為建立排種性能指標(biāo)與影響因素之間函數(shù)關(guān)系及確定最佳參數(shù)組合，選取排種盤(pán)型孔直徑、氣室負(fù)壓和排種軸轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素，以穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3為試驗(yàn)指標(biāo)，開(kāi)展響應(yīng)面BBD[23](Box-Behnken design)試驗(yàn)(表4)，各試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率(表5)。試驗(yàn)結(jié)果方差分析見(jiàn)表6。

表4 Box-Behnken試驗(yàn)因素編碼表 Table 4 Experiment factor code table

表5 Box-Behnken試驗(yàn)方案和結(jié)果 Table 5 Test design scheme and results

續(xù)表5 Continued Table 5

表6 Box-Behnken試驗(yàn)方差分析 Table 6 Variance analysis result of Box-Behnken test

建立穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3與排種盤(pán)型孔直徑X1、氣室負(fù)壓真空度X2和排種軸轉(zhuǎn)速X3間的三元二次回歸方程分別為：

(9)

(10)

圖10 交互作用對(duì)穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率的影響Fig.10 Effects of interactive factors on eligible rate,missing rate and multiple rate

分析回歸系數(shù)可知，影響穴粒數(shù)合格率和重播率的因素主次順序?yàn)闅馐邑?fù)壓真空度、排種盤(pán)型孔直徑和排種軸轉(zhuǎn)速；影響漏播率的因素主次順序?yàn)榕欧N軸轉(zhuǎn)速、排種盤(pán)型孔直徑和氣室負(fù)壓真空度。由圖10A,D,G可知，排種軸轉(zhuǎn)速處于零水平 (10 r/min)，氣室負(fù)壓真空度一定時(shí)，隨著型孔直徑的增加，穴粒數(shù)合格率和漏播率逐漸下降，重播率不斷上升；排種盤(pán)型孔直徑一定時(shí)，隨著負(fù)壓絕對(duì)值的增加，穴粒數(shù)合格率和漏播率呈下降趨勢(shì)，重播率逐漸增長(zhǎng)；由圖10B,E,H可知，氣室負(fù)壓處于零水平(-1 100 Pa)，型孔直徑一定時(shí)，隨排種軸轉(zhuǎn)速的增加，穴粒數(shù)合格率先升后降，漏播率呈上升趨勢(shì)，重播率呈下降趨勢(shì)；排種軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨型孔直徑的增加，穴粒數(shù)合格率小幅度上升后逐漸下降，漏播率呈下降趨勢(shì)，重播率呈上升趨勢(shì)；由圖10C,F,I可知，排種盤(pán)型孔直徑處于零水平 (1.0 mm)，排種軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨負(fù)壓絕對(duì)值的增加，穴粒數(shù)合格率先升后降，漏播率先降低后基本穩(wěn)定，重播率逐漸上升；負(fù)壓一定時(shí)，隨排種軸轉(zhuǎn)速的增加，穴粒數(shù)合格率先升后降，漏播率增加，重播率逐漸下降。

為獲得排種器較優(yōu)工作參數(shù)組合，以穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2、重播率Y3綜合指標(biāo)建立優(yōu)化函數(shù)，排種器性能指標(biāo)要求穴粒數(shù)合格率大于85%、漏播率小于5%、重播率小于10%，建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為：

Fmax=Y1-Y2-Y3

(11)

采用線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，應(yīng)用Design-Expert軟件的Optimization優(yōu)化模塊，得到在型孔直徑為0.98 mm、氣室負(fù)壓真空度為-800 Pa、排種軸轉(zhuǎn)速在8.66 r/min時(shí)，穴粒數(shù)合格率為97.41%、漏播率為0.36%、重播率為2.23%?；谠摴ぷ鲄?shù)組合，開(kāi)展優(yōu)化結(jié)果的臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)(圖11)，考慮加工因素，試驗(yàn)選擇排種盤(pán)型孔直徑1.0 mm，重復(fù)3次(表7)，試驗(yàn)結(jié)果穴粒數(shù)合格率為96.04%、漏播率為0.21%、重播率為3.75%，表明最佳工作參數(shù)組合下的排種器作業(yè)性能滿足芝麻田間精量穴播對(duì)穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率的要求。

圖11 臺(tái)架試驗(yàn)種子分布圖Fig.11 Seed distribution on oil belt

表7 優(yōu)化參數(shù)的排種性能 Table 7 Seed metering performance of optimized parameters

3 討 論

本研究以正負(fù)氣壓組合式精量排種器為研究對(duì)象，構(gòu)建了排種器吸種過(guò)程臨界負(fù)壓模型。分析了種子吸附的不同姿態(tài)及其與型孔接觸面積的關(guān)系，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，分析得到了不同直徑型孔吸附1～4粒種子所需臨界負(fù)壓，確定了型孔直徑為0.8～1.1 mm、氣室負(fù)壓為-600～-1 600 Pa時(shí)，可有效降低排種器漏吸率和重吸率，滿足芝麻精量穴播(2±1粒/穴)。通過(guò)種子運(yùn)移狀態(tài)圖像拍攝試驗(yàn)，得到了芝麻被吸附姿態(tài)及概率為橫臥∶側(cè)臥∶直立≈3.5∶1∶1，結(jié)果表明，隨氣室負(fù)壓絕對(duì)值增大，吸種數(shù)目概率均存在先增后減的趨勢(shì)。臺(tái)架試驗(yàn)確定隨排種盤(pán)型孔直徑增大、排種軸轉(zhuǎn)速減小、氣室負(fù)壓絕對(duì)值增大，型孔穴粒數(shù)合格率先增大后減小，漏播率逐漸下降，重播率逐漸上升，排種軸轉(zhuǎn)速為5～15 r/min、型孔直徑為0.9～1.1 mm、氣室負(fù)壓為-800～-1 400 Pa時(shí)，排種器排種質(zhì)量較優(yōu)。基于響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn)建立了排種性能指標(biāo)與各因素之間的回歸模型，優(yōu)化得出在型孔直徑為1.0 mm、氣室負(fù)壓為-800 Pa、排種軸轉(zhuǎn)速在8.66 r/min時(shí)，穴粒數(shù)合格率為96.04%、漏播率為0.21%、重播率為3.75%，排種性能較優(yōu)，滿足芝麻精量穴播播種要求。后續(xù)將開(kāi)展排種器最優(yōu)參數(shù)組合下的芝麻田間播種試驗(yàn)，檢驗(yàn)播種效果，研究振動(dòng)、導(dǎo)種管碰撞等因素對(duì)穴粒數(shù)和成穴性能的影響規(guī)律，以進(jìn)一步提高播種質(zhì)量。