氣吸雙層滾筒式精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)*

紀(jì)要，張文毅，劉宏俊，顧義兵，范靜

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京市，210014； 2. 常州市遠(yuǎn)播機(jī)械有限公司，江蘇常州，213331；3. 溧陽市農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)推廣中心，江蘇常州，213300)

0 引言

我國(guó)水稻常年種植面積大約30 000 khm2，水稻生產(chǎn)不僅擔(dān)負(fù)確保我國(guó)口糧安全的重任，還肩負(fù)鄉(xiāng)村振興的偉大使命，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)，“確保國(guó)家糧食安全，把中國(guó)人的飯碗牢牢端在自己手中”。大力發(fā)展水稻機(jī)械化種植，對(duì)提升我國(guó)農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、保障糧食安全、推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義[1-3]。目前我國(guó)雜交水稻種植面積占我國(guó)水稻總面積的1/2左右，產(chǎn)量占水稻總產(chǎn)量的60%以上。雜交水稻種植區(qū)域多為一年多熟制，季節(jié)茬口較為緊張，為實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，雜交水稻種植主要以育秧移栽為主[4-6]。雜交水稻分蘗能力較強(qiáng)，要求每穴單少株種植，精量對(duì)位播種是育秧關(guān)鍵技術(shù)，播種質(zhì)量要求精確控制單位取秧面積上播種量和落種位置，其中播量要求每穴2±1粒種子，這對(duì)育秧播種設(shè)備提出了巨大精度要求。

現(xiàn)有育苗播種裝備大部分針對(duì)常規(guī)稻育苗播種，以機(jī)械式播種為主，播量大、精度低、易傷種，不能很好地適應(yīng)雜交稻育苗播種要求，限制了雜交稻機(jī)械化種植技術(shù)的推廣[7-9]。

氣吸式育苗播種精度高，可適應(yīng)精少量育苗播種要求。李耀明等[10-11]將吸盤式水稻育苗精量排種器種盤振動(dòng)試驗(yàn)與模糊分析法結(jié)合起來，確定了影響吸種效果的吸種部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)。陳進(jìn)等[12]對(duì)氣吸振動(dòng)式播種試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)種子的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析，得到種子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為振動(dòng)臺(tái)參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。夏紅梅等[13-14]采用單剛體系統(tǒng)對(duì)種子的吸排種過程進(jìn)行研究，得出滾筒材料、種子與滾筒間的摩擦系數(shù)、氣流量、種子與吸孔的距離等因素與吸附效果之間的關(guān)系。張石平等[15]分析了種群產(chǎn)生“沸騰”運(yùn)動(dòng)的充要條件，并驗(yàn)證了其正確性。王朝輝等[16]以氣吸振動(dòng)組合式超級(jí)稻精密育秧播種部件為試驗(yàn)對(duì)象，探究了種層厚度、振動(dòng)頻率和雙孔孔距等工作參數(shù)對(duì)播種裝置吸種性能的影響規(guī)律，并建立了吸種性能與種層厚度等試驗(yàn)因素間的回歸模型。李志偉等[17]設(shè)計(jì)了一款滾筒氣力式蔬菜播種機(jī)，不但結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，而且大大降低耗氣量，提高了工作效率。

隨著水稻新品種特別是雜交水稻的出現(xiàn)，對(duì)水稻氣吸式精量排種器播種精度提出了更高的要求。國(guó)外的研究主要是為蔬菜、花卉等設(shè)計(jì)，不適用水稻[18-19]。目前國(guó)內(nèi)的氣吸式排種器主要針對(duì)常規(guī)稻育秧，播種精度較低，不能滿足雜交稻單粒精播要求。為此，本文設(shè)計(jì)了一種氣吸雙層滾筒式精量排種器，對(duì)氣吸滾筒排種過程進(jìn)行分析，探究吸孔負(fù)壓、作業(yè)速度、振動(dòng)頻率對(duì)排種性能的影響規(guī)律，尋求最優(yōu)工作參數(shù)組合，為氣吸滾筒式排種器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸雙層滾筒式精量排種器由外層滾筒、內(nèi)層滾筒、配氣盤、種箱、振動(dòng)器等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，種子置放于種箱內(nèi)，通過縱橫向復(fù)合振動(dòng)的作用，種堆呈現(xiàn)出“沸騰”狀態(tài)，種子間相互摩擦力減?。粷L筒勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)整排吸孔轉(zhuǎn)動(dòng)到種堆位置時(shí)，種子在負(fù)壓作用力下吸附于吸孔位置，并隨滾筒一起勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)整排吸孔運(yùn)轉(zhuǎn)至最下方時(shí)，負(fù)壓切斷，進(jìn)入投種區(qū)，種子在自身重力和刮板的強(qiáng)制作用下完成投種；滾筒繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)至正壓區(qū)時(shí)，吸孔在正壓的作用下完成清堵工作，確保吸孔清潔無堵塞。

圖1 氣吸雙層滾筒式精量排種器結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of double layer air-suction device forprecision seedling1.配氣盤 2.氣吸滾筒 3.吸孔 4.滾筒端蓋 5.滾筒傳動(dòng)軸6.種箱 7.振動(dòng)器 8.滾筒外圈 9.滾筒內(nèi)圈

1.2 滾筒設(shè)計(jì)

該氣吸滾筒為雙層獨(dú)立氣道式滾筒，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。滾筒內(nèi)圈與滾筒外圈通過粘合密封成一體，其中外圈軸向每排吸孔和內(nèi)圈軸向每條獨(dú)立氣道一一對(duì)應(yīng)。滾筒一端固連驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。滾筒兩端分別固定有固定端蓋，各端蓋外側(cè)連接配氣裝置，如圖3所示。

本文設(shè)計(jì)的氣吸式雙層滾筒排種器，適應(yīng)30 cm行距雜交稻毯苗機(jī)插育秧播種。硬塑秧盤尺寸為580 mm×280 mm×30 mm。根據(jù)雜交稻種植農(nóng)藝要求，本設(shè)計(jì)的育秧播種裝置適于每盤橫向16回、縱向34回取秧的毯苗高速栽插，則插秧機(jī)取秧切塊面積為17 mm×17.5 mm=297.5 mm2，根據(jù)每取秧切塊面積2±1粒雜交稻種子，按斜對(duì)角線布置2個(gè)吸孔，吸孔在吸種滾筒表面的局部展開圖如圖4所示。

圖2 雙層獨(dú)立氣道式滾筒結(jié)構(gòu)Fig. 2 Structure of double layer independentairway seedling device1.負(fù)壓吸孔 2.滾筒外圈 3.獨(dú)立氣道 4.滾筒內(nèi)圈

圖3 配氣盤結(jié)構(gòu)Fig. 3 Structure of gas distribution device1.投種區(qū) 2.正壓區(qū) 3.正壓入口 4.負(fù)壓區(qū) 5.負(fù)壓入口

圖4 吸孔位置示意圖Fig. 4 Sketch map of suction holes site

根據(jù)秧盤長(zhǎng)度與滾筒周長(zhǎng)呈線性關(guān)系，即

L=πD×n

(1)

式中：D——滾筒外圈的外圓直徑；

L——育秧盤長(zhǎng)度，L=580 mm；

n——播完一盤滾筒所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)。

由于播種作業(yè)效率恒定條件下，滾筒直徑與滾筒轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，滾筒轉(zhuǎn)速過大時(shí)易引起排種器吸種攜種困難，造成播種質(zhì)量下降。因此，本設(shè)計(jì)中：每播完一盤滾筒所轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)n=1，滾筒外圓直徑D=184.5 mm。

2 氣吸滾筒排種過程分析

氣吸滾筒式精量排種器在播種作業(yè)過程中，主要分為三個(gè)階段：吸附種子階段、攜帶種子轉(zhuǎn)動(dòng)階段以及投種清種階段[20]，如圖5所示。氣吸滾筒以角速度ω沿逆時(shí)針方向作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)吸孔經(jīng)過種箱與滾筒接觸面時(shí)，吸孔進(jìn)入吸種區(qū)，此時(shí)在負(fù)壓的作用下，沸騰中的種子被吸附在吸孔處，并隨之運(yùn)轉(zhuǎn)至攜種區(qū)，當(dāng)吸附著種子的吸孔轉(zhuǎn)至正下方時(shí)，種子進(jìn)入投種區(qū)，由于負(fù)壓源斷開，此時(shí)種子在重力作用下，精準(zhǔn)落入下方鋪好底土的秧盤中。

圖5 排種器吸種過程Fig. 5 Sowing process of seedling device

在排種器排種的過程中，滾筒的轉(zhuǎn)速和吸孔負(fù)壓對(duì)育苗播種質(zhì)量起著關(guān)鍵作用。滾筒運(yùn)動(dòng)過程中，種子M受力分析如圖6所示，其中r為滾筒半徑，ω為角速度，G為種子重力，F(xiàn)為負(fù)壓對(duì)種子的力，f為種子M與滾筒壁之間的摩擦力，F(xiàn)r為運(yùn)動(dòng)過程中的向心力，F(xiàn)n為運(yùn)動(dòng)過程中的向心力，θ為種子M與豎直方向之間的夾角。

圖6 滾筒上種子受力分析Fig. 6 Force analysis diagram of seeds on seedling device

運(yùn)動(dòng)過程中種子的平衡方程為

(2)

根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理可知，負(fù)壓對(duì)種子的力的表達(dá)式為

(3)

式中：η——阻尼系數(shù)；

s——種子在運(yùn)動(dòng)方向上的投影面積，m；

ρ——空氣的密度，kg/m3；

v0——吸種孔的氣流作用在種子上的平均速度，m/s。

考慮到水稻種子呈橢圓狀，由種子的基本尺寸(長(zhǎng)l1和寬l2)可以求得投影面積。求解方程為

(4)

向心力

Fr=mrω2

(5)

(6)

摩擦力

f=Fntanφ

(7)

合并式(2)～式(7)可得

(8)

在滾筒的運(yùn)動(dòng)過程中，只有當(dāng)Fn=0時(shí)，種子才自動(dòng)落下。通過式(8)可以看出，滾筒半徑r和滾筒轉(zhuǎn)速n對(duì)吸孔的吸附力F起著決定作用。隨著滾筒半徑和滾筒轉(zhuǎn)速的增大，吸孔負(fù)壓需增大才能吸附種子。

(9)

(10)

增加吸孔數(shù)量或提高滾筒轉(zhuǎn)速可提高流水線的作業(yè)效率。但是增加吸孔數(shù)量需要相應(yīng)的增大滾筒的負(fù)壓，此時(shí)會(huì)增加機(jī)具作業(yè)功耗，所以提升流水線的作業(yè)效率的關(guān)鍵在于提高滾筒的轉(zhuǎn)速。由圖5所示，當(dāng)在最下方投種瞬間，此時(shí)種子與滾筒豎直方向上的夾角θ為0，滾筒壁對(duì)種子反作用力Fn也為0，種子重力與種子的離心力同向，此時(shí)滾筒所需要的負(fù)壓最大。而在整個(gè)排種的過程中負(fù)壓是一個(gè)恒定的值，此時(shí)可以根據(jù)式(10)計(jì)算得出滾筒的轉(zhuǎn)速

(11)

當(dāng)轉(zhuǎn)速大于此值時(shí)，種子的離心力會(huì)增大，導(dǎo)致在滾筒旋轉(zhuǎn)過程中，種子被甩離吸孔，造成空穴或者重播，這將影響著播種的均勻性和穩(wěn)定性。

3 多目標(biāo)優(yōu)化試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)所用的種子均為Y兩優(yōu)646超級(jí)雜交水稻種子，千粒重24.9 g，干種未催芽。試驗(yàn)在改裝后的氣力式播種機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。其中電機(jī)選用功率為1.5 kW 的MS-130ST-M10015伺服電機(jī)，負(fù)壓風(fēng)機(jī)選用GHBH002341R5工業(yè)高壓風(fēng)機(jī)，正壓配用FBV-0.17活塞式空壓機(jī)。通過數(shù)字型測(cè)壓計(jì)測(cè)量滾筒上吸種孔處的風(fēng)壓，氣吸滾筒式排種試驗(yàn)裝置如圖7所示。

圖7 氣吸滾筒式排種試驗(yàn)裝置Fig. 7 Air-suction test device for tray nursing seedling

3.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》(GB/T 6973—2005)，設(shè)定播種合格率和重播率作為試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，用于評(píng)判排種器作業(yè)質(zhì)量，選取振動(dòng)頻率x1、滾筒轉(zhuǎn)速x2以及負(fù)壓x3作為此次試驗(yàn)的3個(gè)主要試驗(yàn)因素。試驗(yàn)結(jié)束后人工采集每個(gè)取秧面積的種子數(shù)量，記錄150個(gè)取秧面積的種子數(shù)量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次取平均值。

3.3 中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為減少試驗(yàn)誤差、降低由于各因素水平的增加而引起的試驗(yàn)復(fù)雜程度、確保排種試驗(yàn)的序慣性，本試驗(yàn)采取中心復(fù)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)(Central composite face-centered design，CCF)方法，制定試驗(yàn)方案，如表1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)際值與編碼值之間的關(guān)系，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值，并在P=0.05水平時(shí)進(jìn)行F檢驗(yàn)。

表1 因素水平表編碼表Tab. 1 Experimental values and coded level

3.4 中心復(fù)合試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)上述試驗(yàn)試驗(yàn)方案，進(jìn)行室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

3.4.1 回歸方程

根據(jù)表2中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件Design-Expert8.0.5b進(jìn)行F檢驗(yàn)，篩選出試驗(yàn)指標(biāo)合格率Y1和重播率Y2對(duì)應(yīng)的一次項(xiàng)(x1、x2、x3)、二次項(xiàng)(x12、x22、x32)、交互項(xiàng)(x1x2、x1x3、x2x3)中的顯著項(xiàng)(置信度α=0.1)，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建試驗(yàn)指標(biāo)合格率Y1和重播率Y2與試驗(yàn)因素振動(dòng)頻率x1、滾筒轉(zhuǎn)速x2、負(fù)壓x3間的回歸方程，如式(12)、式(13)所示。

Y1=93.3+2.4x1-2.02x2-1.39x3-

1.56x2x3-2.71x12-3.04x22

(12)

Y2=4.43+1.2x1+x2-1.1x3+

0.63x1x2+0.62x1x3+1.07x32

(13)表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab. 2 Experiment layout and results

3.4.2 回歸方程方差分析

根據(jù)表3、表4可得出，合格率和重播率的回歸模型都達(dá)到顯著(P<0.05)水平，證明模型恰當(dāng)，試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)因素之間存在著模型確定關(guān)系。同時(shí)失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.1)，說明模型是合適的，沒有未加控制的因素對(duì)指標(biāo)存在影響，同時(shí)模型的擬合效果好。

表3 合格率Y1回歸模型方差分析Tab. 3 Variance analysis of regression equation forqualification rate Y1

表4 重播率Y2回歸模型方差分析Tab. 4 Variance analysis of regression equation for replay rate Y2

由表3中的影響因素顯著系數(shù)可知，一次項(xiàng)(x1、x2)顯著，其他各項(xiàng)均不顯著。從表4可以看出，二次項(xiàng)(x12、x22)、交互項(xiàng)(x1x2、x2x3)均不顯著(P>0.1)，其他各項(xiàng)均顯著或極顯著。

3.4.3 各因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響規(guī)律

因素交互與試驗(yàn)指標(biāo)之間的關(guān)系規(guī)律，如圖8所示。由圖8(a)可知，在x1一定時(shí)，x3與Y1的關(guān)系趨于線性，同時(shí)在x2較大時(shí)，x3與Y1的關(guān)系呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；在x2較小時(shí)，x3與Y1的關(guān)系呈正相關(guān)關(guān)系；在x1一定時(shí)，x2與Y1的關(guān)系趨于拋物線型關(guān)系，同時(shí)Y1隨著x2的增加先增加后減小，同時(shí)后半段變化速率更大。由圖8(b)可知，在x2一定時(shí)，x3與Y2的關(guān)系趨于線性，整體呈遞減趨勢(shì)，x1與Y2的關(guān)系呈遞增趨勢(shì)。由圖8(c)可知，在x1一定時(shí)，x1與Y2的關(guān)系趨于線性，整體呈遞增趨勢(shì)，x1與Y2的關(guān)系呈遞增趨勢(shì)。

(a) x2與x3對(duì)Y1交互作用

(c) x1與x2對(duì)Y2交互作用圖8 因素間的交互與試驗(yàn)指標(biāo)的響應(yīng)曲面Fig. 8 Response surfaces between interactions between factors and experimental indicators

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

為了使排種器的工作性能達(dá)到最優(yōu)，必須要求排種合格率最好，重播率最低。本研究使用Desgin-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，其中，目標(biāo)函數(shù)和約束區(qū)間為

最終優(yōu)化可得最優(yōu)水平組合為x1=51.79 Hz、x2=8.04 r/min、x3=3.41 kW，在該條件下的最優(yōu)指標(biāo)合格率為93.85%，重播率為3.90%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，排種器參數(shù)采用振動(dòng)頻率為51.8 Hz，滾筒轉(zhuǎn)速為8 r/min，吸孔負(fù)壓為3.4 kW，在蘇州馳騁精密部件有限公司進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，得合格率和重播率分別為93.21%和3.97%，與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差分別為0.68%、1.79%，試驗(yàn)情況如圖9所示。

圖9 吸種情況Fig. 9 Seeding status

4 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了一種氣吸雙層滾筒式精量排種器，采用雙層滾筒和獨(dú)立氣道式技術(shù)組合形式降低了氣吸滾筒式水稻精量播種裝置氣力參數(shù)要求。

2) 以振動(dòng)頻率、滾筒轉(zhuǎn)速以及滾筒負(fù)壓參數(shù)作為試驗(yàn)因子，進(jìn)行了合格率和重播率的中心復(fù)合試驗(yàn)，擬合了其回歸方程，并基于回歸方程進(jìn)行了優(yōu)化，得到最優(yōu)水平組合為振動(dòng)頻率51.79 Hz、滾筒轉(zhuǎn)速8.04 r/min及滾筒負(fù)壓參數(shù)3.41 kW，該組合對(duì)應(yīng)的合格率93.85%和重播率3.90%。

3) 最優(yōu)水平組合的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果：平均合格率為93.21%，平均重播率為3.97%，與優(yōu)化結(jié)果的相對(duì)誤差分別為0.68%、1.79%，表明優(yōu)化結(jié)果可信。