振動對勺輪式排種器排種性能的影響試驗

黃與霞， 韓丹丹， 韓哲， 黃金路， 陳攀， 何彬， 張黎驊

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機電學(xué)院,四川 雅安 625000)

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，精量播種逐漸成為現(xiàn)代化種植的主要發(fā)展方向[1-3]。精量播種機主要用于點播玉米、大豆、棉花等，可將種子按照農(nóng)藝要求的株距、行距、播量等精確播入土壤，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械化重點發(fā)展的對象[4-7]。但是，播種機在田間作業(yè)時，會因為土壤結(jié)構(gòu)、地表平整度等因素產(chǎn)生振動，播種機在地表作業(yè)時的振動屬于隨機振動，其中播種機前進時的垂直振動尤其顯著，導(dǎo)致播種性能降低，影響后續(xù)作物的生長和產(chǎn)量[8-10]。排種器是播種機的核心工作部件，播種機的播種質(zhì)量和工作效率直接受排種器工作性能的影響[11-15]，而播種機工作過程中產(chǎn)生的振動會直接影響排種器的工作性能[16-17]。隨著農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，振動測試相關(guān)的研究也逐漸被研究學(xué)者所關(guān)注。張濤等[18]采用離散元方法模擬振動幅值對玉米種群運動速度的影響，為室內(nèi)排種試驗振動幅值的選擇提供了依據(jù)；黃小姍[19]通過進行玉米免耕播種機排種器振動特性的研究，得出排種器振動頻率對播種合格指數(shù)的影響更顯著；王奇等[20]研究了指夾式玉米免耕精密播種機的振動特性及其對排種性能的影響，結(jié)果顯示機械振動對播種性能指標(biāo)合格率、粒距縱向變異系數(shù)和橫向變異系數(shù)有顯著性影響；王穎等[21]研究了鏟式玉米精密播種機振動對播種質(zhì)量的影響，結(jié)果表明種距變異系數(shù)和重播率隨著播種機振動強度的增加呈非線性增大；姜鑫銘[22]開展了指夾式排種器在振動條件下的臺架試驗，試驗結(jié)果表明，排種器振動頻率與振動幅值均對播種合格指數(shù)與漏播指數(shù)有顯著影響，且排種器振動頻率比振動幅值對播種合格指數(shù)和漏播指數(shù)的影響顯著。勺輪式玉米排種器排種適用于不同大小的玉米種子[23]，其重播率、漏播率等各項指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，本研究主要針對勺輪式排種器受垂直方向的振動影響，設(shè)計并搭建垂直振動試驗臺，進行臺架試驗，分析振動情況下勺輪式排種器的合格率、重播率、漏播率和變異系數(shù)等各項指標(biāo)所受到的影響。

1 振動排種試驗臺及工作原理

1.1 振動排種試驗臺

播種機在田間作業(yè)時，由于地塊不平以及地輪打滑，引發(fā)播種機的振動，從而影響播種機的播種效果以及粒距均勻性。播種機在田間工作時受到隨機振動，其中垂直振動對排種器工作性能的影響尤為顯著，因此，本研究主要針對排種器在垂直方向的振動特性，搭建垂直振動試驗臺，并將其安裝在JPS-12排種器性能檢測試驗臺上，該試驗臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.步進電機； 2.滑塊； 3.彈簧；4.定位軸；5.連桿； 6.曲柄； 7.排種器連接架； 8.勺輪式排種器；9.86步進電機； 10.帶輪； 11.控制部分。

該試驗臺主要由曲柄滑塊機構(gòu)、彈簧、定位軸、排種器連接架、帶輪和驅(qū)動電機及控制系統(tǒng)組成，其中，電機驅(qū)動帶輪轉(zhuǎn)動，帶輪帶動曲柄一起轉(zhuǎn)動，并將其旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為滑塊的上下線性往復(fù)運動；彈簧、定位軸等輔助構(gòu)件主要為滑塊和排種器起到支撐和定位作用；驅(qū)動電機和控制系統(tǒng)包括驅(qū)動器和觸摸屏等，通過觸摸屏上輸入電機轉(zhuǎn)動頻率等參數(shù)可以調(diào)整振動裝置的振動頻率；曲柄盤上鉆有離中心位置距離不同的連桿的安裝孔，可以根據(jù)需要選擇合適位置的安裝孔來調(diào)節(jié)振動的幅值。

排種器由鏈輪驅(qū)動，傳動鏈輪和驅(qū)動電機固定在試驗臺架上，勺輪式排種器通過排種器連接架與滑塊連接，工作時，排種器由鏈輪驅(qū)動并隨著曲柄的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生上下振動，排種器投種口排出的種子直接掉落在檢測試驗臺的皮帶上，最后人工通過JPS-12排種器性能檢測試驗臺統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

1.2 勺輪式排種器整體結(jié)構(gòu)及工作原理

勺輪式排種器主要由導(dǎo)種葉輪、排種勺輪和隔板等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.進種口；2.導(dǎo)種葉輪； 3.排種勺輪；4.掛接處；5.隔板；6.外殼。

該排種勺輪圓周均勻分布18個種勺，導(dǎo)種葉輪凹槽數(shù)為18個，排種勺輪與導(dǎo)種葉輪同步轉(zhuǎn)動，種勺與凹槽位置一一對應(yīng)且均勻分布。勺輪式排種器結(jié)構(gòu)緊湊，傳動比較簡單，是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的機械式排種器。

勺輪式排種器工作原理如圖3所示。勺輪式排種器工作時，種子經(jīng)排種器前殼上的進種口進入充種區(qū)，主軸帶動導(dǎo)種葉輪和排種勺輪同時轉(zhuǎn)動，種子由于自身重力以及種群之間的相互作用充入型孔，排種勺輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動，進入清種區(qū)，在重力和離心力的共同作用下，多余的種子將掉回到充種區(qū)，當(dāng)帶有種子的種勺轉(zhuǎn)動到排種器頂端時，種子因重力原因掉入隔板開口對應(yīng)的導(dǎo)種槽內(nèi)，隨著導(dǎo)種葉輪轉(zhuǎn)動經(jīng)過護種區(qū)進入投種區(qū)，在重力和離心力的共同作用下，種子落入種溝完成投種。整個工作過程可分為充種、清種、遞種、護種、投種5個工序[24-25]。

Ⅰ.充種區(qū)； Ⅱ.清種區(qū)；Ⅲ.遞種區(qū)；Ⅳ.護種區(qū)；Ⅴ.投種區(qū)。

2 振動排種性能試驗

2.1 工作速度對排種性能的影響試驗

測試振動對勺輪式排種器排種性能的影響時，播種機在田間工作時，其播種性能除受振動影響，還與工作速度有關(guān)。因此，本文優(yōu)先進行勺輪式排種器在無振動情況下的試驗研究，測試不同工作速度條件下的排種性能指標(biāo)，選取播種機(即種床帶)工作速度為2、3、4、5、6、7 km·h-1，理論粒距為21 cm。試驗樣本為250個，重復(fù)試驗3次，分別計算出試驗指標(biāo)變異系數(shù)、重播率、漏播率和合格率，并取3組重復(fù)試驗結(jié)果的平均值。

其中，變異系數(shù)為：

(1)

合格率為：

(2)

重播率為：

(3)

漏播率為：

(4)

式中：V、Q、M和L分別為變異系數(shù)、合格率、重播率和漏播率；SD為粒距標(biāo)準(zhǔn)偏差；MN為粒距平均值；n1、n2、n3、N分別為種子合格數(shù)、重播數(shù)、漏播數(shù)和總數(shù)。

試驗結(jié)果如表1所示。在沒有振動的情況下，勺輪式排種器在工作速度為2～7 km·h-1工作時，隨著工作速度的增加，其排種合格率逐漸降低，在7 km·h-1的時候，其合格率明顯降低到90 %下，其他工作速度時均保持90 %以上；變異系數(shù)隨著工作速度的增加逐漸增加，且在工作速度為6 km·h-1時超過了30 %；重播率及漏播率隨工作速度的增加也在逐漸增加。綜合多個排種性能評價指標(biāo)來看，工作速度為2～5 km·h-1時效果較優(yōu)，由于工作速度為2 km·h-1時，播種機在田間的作業(yè)速度較低，工作效率不高，因此本次振動試驗選取工作速度為3～5 km·h-1。

表1 不同工作速度下的排種性能指標(biāo)結(jié)果Table 1 Seeding performance index results under different working speeds

2.2 3因素3水平響應(yīng)面試驗分析

由于播種機在田間所受振動幅值較大，頻率也比較低。因此，本試驗分別選取振動頻率為0.5、0.8、1.1 Hz，振動幅值為5、10、15 mm，工作速度為3、4、5 km·h-1。試驗因素及水平設(shè)計如表2所示。

表2 試驗因素及水平Table 2 Test factors and levels

為體現(xiàn)不同工作速度條件下振動對勺輪式排種器排種性能的影響變化，分別選取變異系數(shù)、重播率、漏播率、合格率為評價指標(biāo) 。其中，變異系數(shù)和漏播率可以反映排種器所排出種子的離散性、均勻性，此2個指標(biāo)越大說明種子間距差距越大；重播率和合格率可反映排種器排種性能的好壞，重播率越低，合格率越高，說明排種器排種性能越好。

以振動頻率、振動幅值、工作速度3個為影響因子，變異系數(shù)、重播率、漏播率、合格率為響應(yīng)值，采用Design-Expert 12軟件中的Box-behnken試驗原理，設(shè)計3因素3水平的試驗方案，試驗設(shè)計及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results

根據(jù)不同條件下得到的重播率、漏播率、合格率、變異系數(shù)數(shù)值，對影響重播率、漏播率、合格率、變異系數(shù)的因素進行方差分析，結(jié)果分別如表4～表7所示。

表4 影響重播率因素的方差分析Table 4 Analysis of variance of factors affecting over-sowing rate

續(xù)表4 Contining table 4

Note: P<0.01(highlysignificant，**)，P<0.05(significant，*).Thesameasbelow.

從表4影響重播率因素的方差分析可得重播率模型P值小于0.05，表明建立的回歸模型顯著，失擬項P值大于0.05，失擬不顯著，表明模型誤差小，該模型可用于對重播率的預(yù)測[26-27]。該回歸模型中，B對重播率的影響極其顯著，C、AB、BC對重播率的影響顯著，其余因素對重播率的影響不顯著。各因素對重播率的影響程度為B(振動幅值)>C(工作速度)>A(振動頻率)。

利用Design-Expert軟件中的ANOVA功能，得出振動頻率、振動幅值和工作速度對重播率影響的回歸模型為：

Y1=6.66+0.568 7A+2.16B-1.97C+2.33AB-0.86AC-2.64BC+0.250 5A2+0.863B2+C2

(5)

式中：Y1為重播率，A、B、C分別為振動頻率、振動幅值、工作速度。

為直觀反映不同交互作用對重播率的影響，各因素間的交互作用響應(yīng)曲面如圖4所示。圖4(a)中，振動頻率一定時，重播率隨著振動幅值的增加呈現(xiàn)上升的趨勢，這是由于排種器在工作時，振動幅值越大導(dǎo)致相鄰種子脫離排種器的位置距離和時間差越大，重播率增加。圖4(b)中，當(dāng)工作速度達到5km·h-1時，振動頻率增加，重播率緩慢降低，這是由于高的工作速度縮短了種子脫離排種器的時間差。圖4(c)中，當(dāng)工作速度為3km·h-1時，重播率隨著振動幅值的增加而增加，排種器在低速高振幅條件下工作時，易出現(xiàn)相鄰種子距離很近的現(xiàn)象，而當(dāng)振動幅值為15mm時，重播率隨著工作速度的增加開始出現(xiàn)下降的趨勢。

圖4 振動頻率A、振動幅值B、工作速度C交互作用對重播率的影響Fig.4 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the over-sowing rate

表5影響漏播率因素的方差分析可得漏播率模型P值小于0.01，表明建立的回歸模型極顯著，失擬項P值大于0.05，失擬不顯著，表明模型誤差小，該模型可用于對漏播率的預(yù)測。該回歸模型中，A、B、C、AB、AC、B2對漏播率的影響極其顯著，其余因素對漏播率的影響不顯著。各因素對漏播率的影響程度為B(振動幅值)>A(振動頻率)>C(工作速度)。

表5 影響漏播率因素的方差分析Table 5 Variance analysis of factors affecting missed-sowing rate

利用Design-Expert軟件中的ANOVA功能，得出振動頻率、振動幅值和工作速度對漏播率影響的回歸模型為：

Y2=1.13+4.1A+5.34B-2.35C+4.67AB-3.03AC-1.89BC+1.64A2+4.22B2+1.64C2

(6)

式中：Y2為漏播率，A、B、C分別為振動頻率、振動幅值、工作速度。

本文在收集文本資料的基礎(chǔ)上梳理了一個世紀(jì)以來法國鄉(xiāng)村旅游在管理機構(gòu)變革、行業(yè)規(guī)范推進、產(chǎn)品創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)融合方面的發(fā)展經(jīng)驗，思考其可持續(xù)發(fā)展的動力，結(jié)合珠三角地區(qū)順德逢簡水鄉(xiāng)和增城萬家旅舍兩個案例地的發(fā)展現(xiàn)狀，指出以“鄉(xiāng)愁、鄉(xiāng)居、鄉(xiāng)思”為核心的鄉(xiāng)村文化體驗營造與管理是鄉(xiāng)村旅游可持續(xù)發(fā)展的靈魂。

為直觀反映不同交互作用對漏播率的影響，各因素間的交互作用響應(yīng)曲面如圖5所示，圖5(a)中，振動幅值為15 mm、振動頻率為1.1 Hz時，漏播率隨著振動頻率或振動幅值的增加顯著上升，這是由于排種器在工作時需要一定的清種時間，當(dāng)排種器受到較高頻率和較高振幅的振動時，種勺上的種子因為高頻率高振幅的振動而產(chǎn)生掉落，無法勻速排種，導(dǎo)致漏播。圖5(b)和圖5(c)中，工作速度為3 km·h-1時，漏播率隨著振動幅值和振動頻率的增加而增加，在振動幅值為15 mm時，振動頻率為1.1 Hz時，漏播率隨著工作速度增加逐漸下降，這是由于高的工作速度使排種器在工作時快速轉(zhuǎn)動，清種時間縮短，種子掉落幾率降低。

圖5 振動頻率A、振動幅值B、工作速度C交互作用對漏播率的影響Fig.5 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the miss-sowing rate

表6影響合格率因素的方差分析可得合格率模型P值小于0.01，表明建立的回歸模型極顯著，失擬項P值大于0.05，失擬不顯著，表明模型誤差小，該模型可用于對合格率的預(yù)測。該回歸模型中，除A2對合格率的影響顯著，其他項對合格率的影響均極顯著。3個因素對合格率均有相同的極顯著性影響。

利用Design-Expert軟件中的ANOVA功能，得出振動頻率、振動幅值和工作速度對合格率影響的回歸模型為：

Y3=92.2-4.67A-7.49B+4.32C-7AB+3.89AC+4.52BC-1.89A2-5.08B2-2.64C2

(7)

式中:Y3為合格率，A、B、C分別為振動頻率、振動幅值、工作速度。

表6 影響合格率因素的方差分析Table 6 Analysis of variance of factors affecting qualification rate

為直觀反映不同交互作用對合格率的影響，各因素間的交互作用響應(yīng)曲面如圖6所示。圖6(a)中，當(dāng)振動頻率為1.1 Hz時，合格率隨著振動幅值的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)振動幅值為15 mm時，合格率隨著振動頻率的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，當(dāng)2個因素均達到最大值時，合格率最小。圖6(b)中，工作速度在3 km·h-1的時候，合格率隨著振動頻率增加而下降；振動頻率在1.1 Hz的時候，合格率隨著工作速度增加而增加。圖6(c)中，當(dāng)工作速度為3 km·h-1時，合格率隨著振動幅值的增加而下降，在振動幅值為10～15 mm時下降趨勢明顯。綜上所述，工作速度較低時，當(dāng)排種器受到高頻率高振幅的振動時會導(dǎo)致漏播率和重播率上升，合格率下降。

圖6 振動頻率A、振動幅值B、工作速度C交互作用對合格率的影響Fig.6 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the qualified rate

從表7影響變異系數(shù)因素的方差分析可得，變異系數(shù)模型P值小于0.01，表明建立的回歸模型極顯著，失擬項P值大于0.05，失擬不顯著，表明模型誤差小，該模型可用于對變異系數(shù)的預(yù)測。該回歸模型中，B、C對變異系數(shù)的影響極其顯著，A、AB、AC、B2對變異系數(shù)的影響顯著，BC、A2、C2對變異系數(shù)的影響不顯著。各因素對變異系數(shù)的影響程度為B(振動幅值)>C(工作速度)>A(振動頻率)。

利用Design-Expert軟件中的ANOVA功能，得出振動頻率、振動幅值和工作速度對變異系數(shù)影響的回歸模型為：

Y4=35.08+3.38A+8.5B-5.23C+5.38AB-3.94AC-1.9BC+0.490 3A2+3.64B2+1.31C2

(8)

式中：Y4為變異系數(shù)，A、B、C分別為振動頻率、振動幅值、工作速度。

表7 影響變異系數(shù)因素的方差分析Table 7 Analysis of variance of factors affecting coefficient of variation

為直觀反映不同交互作用對變異系數(shù)率的影響，各因素間的交互作用3D響應(yīng)面如圖7所示。圖7(a)中，振動頻率固定不變時，變異系數(shù)隨著振動幅值的增加而增加，且在振動頻率和振動幅值為最大值時達到峰值。圖7(b)中，工作速度在3～4 km·h-1時，變異系數(shù)隨著振動頻率增加而增加，工作速度為5 km·h-1時，變異系數(shù)隨著振動頻率的增加呈緩慢下降趨勢。圖7(c)中，當(dāng)工作速度固定在某個水平時，變異系數(shù)隨著振動幅值的增加而增加，當(dāng)振動幅值固定在15 mm時，變異系數(shù)隨工作速度的增加出現(xiàn)下降，且在工作速度為最低值、振動幅值為最大值時，變異系數(shù)最大。勺輪式排種器在受垂直振動的情況進行工作時，變異系數(shù)與重播率和漏播率密切相關(guān)，由于重播率、漏播率因低速高頻高振幅的振動發(fā)生變化而變化。因此，變異系數(shù)也產(chǎn)生變化。

圖7 振動頻率A、振動幅值B、工作速度C交互作用對變異系數(shù)的影響 Fig.7 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the coefficient of variation

3 結(jié)論

1)通過進行工作速度單因素的試驗，確定勺輪式排種器在工作速度為2～5 km·h-1排種性能較好，合格率均超過90 %。

2)搭建振動排種試驗臺，通過3因素3水平響應(yīng)試驗，得出勺輪式排種器在受到垂直振動時，振動幅值和工作速度對4個評價指標(biāo)均有顯著影響，振動頻率對除重播率外其他3個因素均有顯著影響。對于重播率，各因素影響程度從大到小依次為：振動幅值、工作速度、振動頻率；對于漏播率，各因素影響程度從大到小依次為振動幅值、振動頻率、工作速度。對于合格率，各因素影響程度相同，均有極顯著影響；對于變異系數(shù)，各因素影響程度從大到小依次為振動幅值、工作速度、振動頻率。同一工作速度時，振動幅值越大、振動頻率越高，漏播率、重播率和變異系數(shù)越大，合格率越低。

3)本研究進行勺輪式排種器的振動試驗時，排種器是由鏈條傳動，在垂直振動條件下進行排種時，排種器作往復(fù)直線運動，鏈條也隨著排種器上下運動，導(dǎo)致在振動極限位置時，鏈條無法工作，排種勺輪無法轉(zhuǎn)動，所以在有振動情況下，通過改變排種器的驅(qū)動方式，使其由鏈條驅(qū)動改為電機驅(qū)動排種器轉(zhuǎn)動，將有效改善振動對排種器工作性能的影響。

4)排種器在清種過程中由于受到振動容易導(dǎo)致種子掉落，造成漏播。因此，可以將排種器種勺形狀進行改變，防止種子掉回充種區(qū)。