半球穴形氣吸式精準播種機試驗研究

陳曄，董欣

（1.遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧錦州 121001；2.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

半球穴形氣吸式精準播種機試驗研究

陳曄1，董欣2*

（1.遼寧工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧錦州 121001；2.東北農(nóng)業(yè)大學工程學院，哈爾濱 150030）

文章以稻谷種子精量穴播為研究對象，針對種子在氣吸式播種器吸附孔附近狀態(tài)建立動力學方程，展開動力學分析，并對播種器吸種盤穴形狀、穴深度、穴上孔徑及數(shù)量進行單因素和多因素正交試驗研究。結果表明，吸孔數(shù)量是影響播種機性能最主要因素，依次是吸孔直徑、穴孔直徑，穴深為次要因素。以吸孔合格率和3粒率多因素正交試驗確定水稻育秧氣吸式播種機最佳結構參數(shù)組合。研究為水稻缽育秧播種機研制提供技術支撐。

水稻缽育秧；氣吸式；播種機

水稻旱育拋栽和工廠化育秧技術應用廣泛，機械精密播種是工廠化育秧關鍵環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量影響水稻出苗、生長[1-2]。排種器是精密播種核心技術[3]，分機械式和氣力式兩類。機械式排種器采用傳統(tǒng)機械結構[4]，但槽輪或窩眼輪結構機械式播種機存在播種精度低、均勻性差、空穴率高且易傷種等問題[5-6]。氣力式播種利用氣流正壓或負壓力分離種子，與機械式相比具有不傷種、效率高優(yōu)勢，成為國內(nèi)外學者研究重點。劉彩玲等研制往復擺動式氣吸精量播種裝置，分析影響吸種性能因素[5]；張清華等研制氣吸式球面穴孔型板播種器[6]；Prasanna和Singh等對播種器建模并優(yōu)化結構參數(shù)[7-8]；王曉東等設計垂直圓盤氣吸式播種器并研究關鍵結構參數(shù)[9]。影響吸種性能結構參數(shù)尚無系統(tǒng)全面研究，存在空穴率、4粒以上率高缺點。為此，本研究設計外凸半球穴氣吸式精量播種器，建立吸種狀態(tài)動力學模型，基于該模型確定影響吸種性能結構參數(shù)，通過單因素試驗確定參數(shù)重要性和水平區(qū)間，通過多因素多水平正交試驗，以極差和方差分析法確定各因素對合格（1～4粒）率高于90%、3粒率高于85%等指標影響，確定最優(yōu)參數(shù)組合。滿足水稻缽育播種每穴3～4粒精量播種農(nóng)藝要求。

1 水稻缽育精量播種設備總體結構及工藝流程

水稻缽育精量播種設備總體結構見圖1。

圖1 缽育精量播種機總體布局示意Fig.1Schematic of bowl-seeding air-suction seeder

播種機工作時由人工將帶齒條推盤連同空盤連續(xù)放到該左端導軌上，打開電源開關接通氣泵和真空風機，各個氣缸工作順序可按要求調(diào)整。推盤氣缸首先將秧盤向右推動，經(jīng)底土覆土箱下方時覆底土，到達吸種盤總成3下方等待播種。盛種箱推盤機構推動盛種箱至吸種盤總成下方，吸種盤氣缸推動吸種盤向下移動直至接觸種子完成吸種工序，吸種盤在氣缸作用下向上移動，盛種箱回位，播種器吸種盤排種。播種后秧盤在下一個秧盤推動下到達表土覆土輥5處覆蓋表土，完成一個工作循環(huán)。

2 種子在吸種孔附近動力學分析

上述聯(lián)合播種設備核心部件是氣吸式播種機，其決定該設備工作精度，其他部件屬于附屬裝置僅影響機械動作時間和相互吻合性。氣吸式播種機主要受氣力作用和吸盤仿形穴孔幾何參數(shù)影響。

①氣力作用主要控制吸種（取種）和播種（排種）。參數(shù)是吸盤仿形孔處負壓，負壓太小，則種子不能穩(wěn)定吸附于吸盤仿形孔內(nèi)。通過調(diào)節(jié)風機轉速實現(xiàn)負壓控制。

②吸盤仿形孔幾何參數(shù)包括：穴形及其布置方式，控制吸盤與種子接觸面積；穴孔間距，控制播種間距；穴孔上的吸孔幾何尺寸，通過吸孔數(shù)量、直徑控制播種時每穴種籽粒數(shù)。

氣力作用參數(shù)主要是吸風系統(tǒng)提供最大仿形孔處負壓，試驗過程中調(diào)節(jié)負壓，穩(wěn)定吸住種子即可；吸盤幾何參數(shù)由播種農(nóng)藝要求確定，不同播種要求需配用相應吸盤。

2.1 種子在吸孔附近受力模型

在吸孔附近，種子處于具有一定氣體流速流場中，假設種子在流場中為具有同一尺寸均勻球體，根據(jù)流體動力學原理[10-11]可知，種子受流體阻力推動，即繞流阻力產(chǎn)生對種子吸附效果?？刂品N子在吸孔附近運動。設氣體密度為ρ，則種子所受吸附力為

式中，Cd為阻尼力系數(shù)，與種子形狀、表面狀態(tài)和雷諾數(shù)有關，如果種子形狀接近球體，則其值約為0.44；A為種子在垂直與運動方向平面上投影面積；v0為吸孔周圍氣流平均速度；d為種子直徑；

若吸孔阻力系數(shù)定義為

則通過吸孔氣流平均速度vi可表示為

式中ΔP為吸孔內(nèi)外壓力差。

已知吸孔直徑為di，則通過單個吸孔空氣流量為

吸孔附近氣流流場分布由孔穴形狀決定，為便于吸種和投種，孔穴做成球穴型，對于此種孔穴，氣流流場呈放射狀，氣流速度取決R值。如圖2所示。

圖2 吸孔附近氣流流場分布Fig.2Airflow patterns around aspiration seed hole

對于孔穴凹形區(qū)域，其表面積為：

假設流體為不可壓縮連續(xù)流，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，已知空氣流量Q′及表面積S，此時氣流平均速度為:

式中，n為吸孔個數(shù)。

2.2 各因素對吸附力影響分析

由上述臨界狀態(tài)下各因素之間關系可知：

①由式（9）和式（10）得知，種子所受吸附力與吸孔尺寸和孔穴形狀（di、ξ、α），吸孔內(nèi)外壓力差（ΔP），種子尺寸和形狀（Cd，d）及種子所處位置R有關。

②由式（7）和式（11）比較發(fā)現(xiàn)，吸孔直徑d，吸孔個數(shù)n，壓力差ΔP，總空氣流量Q，阻力系數(shù)ξ之間存在聯(lián)系。

③吸附力與吸種距離R4成正比，所以R值不宜過大。

3 氣吸式播種機試驗設計及結果分析

3.1 吸種部件幾何參數(shù)單因素試驗

3.1.1 單因素試驗設計與結果

由上述分析得知影響吸附效果因素很多，本研究重點分析吸種部件幾何參數(shù)影響，包括吸孔直徑、吸孔數(shù)量以及穴孔直徑和穴孔深度。通過單因素試驗，確定滿足試驗指標下氣力吸種部件結構尺寸變化范圍。

試驗裝置組成：試驗裝置主要由吸種板、氣室和氣源組成，氣室為吸種板及金屬罩殼構成空間，保證其密封性。其中，吸種板外廓尺寸為650 mm×400 mm，采用1.0 mm厚鋼板，吸盤上沖出不同直徑和深度穴孔（盲孔），穴孔利用凸模與凹靠模制成，在穴孔上加工不同直徑、數(shù)量吸孔，如圖3所示。

圖3 吸種盤Fig.3Schematic of aspiration seed tray

①吸孔直徑作為單因素變量時：穴孔直徑取13 mm，穴孔深度為2 mm，吸孔數(shù)取4個，吸孔直徑分別取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm；

②吸孔數(shù)量作為單因素變量時：穴孔直徑取14 mm，穴孔深度為3 mm，吸孔直徑取1.5 mm，吸孔數(shù)量分別取1、2、3、4和5個；

③穴孔直徑作為單因素變量時：穴孔深度為4 mm，吸孔數(shù)取3個，吸孔直徑取φ2.0 mm，穴孔直徑分別取12、13、14、15、16 mm；

④穴孔深度作為單因素變量時：穴孔直徑取14 mm，吸孔直徑取2.5 mm，吸孔數(shù)取2個，穴孔深度分別取2、3、4 mm。

具體數(shù)據(jù)組合情況如表1所示。

單因素試驗指標均為：空穴率、單粒率、2～4粒率、3粒率、4粒以上率。分組單因素試驗，見表2～5所列。

表1 單因素試驗因素水平組合Table 1Data combinations in single-experiment

表2 不同吸孔直徑播種情況Table 2Seeding rate with different diameter of hole

表3 不同吸孔數(shù)量播種情況Table 3Seeding rate with different number of hole

表4 不同穴孔直徑播種情況Table 4Seeding rate with different cavity diameter

表5 不同穴孔深度播種情況Table 5Seeding rate with different depth of cavity

3.1.2 各因素與性能指標圖形分析

由圖4a可知，吸孔直徑影響排種性能指標。隨吸孔直徑增大，空穴率和單粒率逐漸下降，其中空穴率僅當吸孔直徑為1.0 mm時為7.5%，后均低于0.1%；而多粒率則隨吸孔直徑增大而上升。4粒以上吸種率先增大，直到吸孔直徑為3.0 mm時急劇下降，由單粒率較高，3粒種子吸種率隨孔徑增大而緩慢上升，滿足農(nóng)藝要求吸種數(shù)在3±1個要求，吸孔直徑應為3.0 mm，但由于3.0 mm孔太大，吸種時常將種子吸進氣室，故取吸孔直徑為1.5 mm。該孔徑吸種率在其他因素不變情況下，達99.99%，2～4粒種子吸種率為54.63%。

吸孔數(shù)量與排種性能指標關系見圖4b。吸孔數(shù)影響排種性能指標，隨孔數(shù)增加，空穴率和單粒逐漸下降，4粒以上吸種率隨孔數(shù)增加而呈近似直線上升，故孔數(shù)不宜過多。2～4粒種子吸種率與3粒種子吸種率隨孔數(shù)增加而先升后降，在孔數(shù)為3個時達最大值，最佳孔數(shù)應為3。

由圖4c可知，穴口直徑影響排種性能指標：隨穴孔直徑增大，空穴率和4粒以上吸種率逐漸上升，而單粒率則呈近似直線下降，2～4粒種子吸種率與3粒種子吸種率先升后降。滿足農(nóng)藝要求吸種數(shù)為（3±1）個要求，穴孔直徑應為13 mm，吸種率為99.85%，故最佳穴孔直徑為13 mm。

由圖4d可知，穴深對排種性能指標影響不顯著，各曲線值近似水平，原因是所取穴孔深度較淺，差別不大。根據(jù)圖2的結構可知，穴孔的深度h=R（1-cosα），“穴孔直徑在10數(shù)量級范圍內(nèi)”即指穴孔直徑為文中所取的12～16 mm，此時以直徑為16mm為例，當穴孔深度從2 mm變化至4 mm，α角度的變化量僅不到13°，變化不大。“在實際加工過程即便塑性材料不能將孔沖壓過深”改為：“在實際加工過程中，即便是塑性材料亦不能將空沖壓過深”。故穴孔深度對改變吸附力貢獻不明顯。因此穴深并非影響排種性能主要因素，選擇穴深為3 mm。

圖4 各因素與性能指標變化關系Fig.4Relationship between each factor and capability index

3.1.3 單因素試驗討論

吸附力影響氣吸式播種機排種性能。公式（11）中吸孔直徑越大，吸附力越強，這與吸孔直徑單因素試驗結果相符，但試驗過程中發(fā)現(xiàn)，過大吸孔導致種子通過其進入氣室。吸孔直徑超過1.0 mm后，空穴率已顯著低于0.5%。

公式（11）中吸孔數(shù)量越大，吸附力越弱，與單因素試驗結果不一致，因單因素試驗所取吸孔直徑較?。?.5 mm），若吸孔數(shù)量過少（1個孔）時，雖吸附力大，但吸孔有效吸附種子數(shù)量少，故此時單粒率高但其他吸種率卻較低；當吸孔數(shù)量增大到有效吸附種子數(shù)目足夠多時，即試驗中2～3個孔，此時吸附能力最強，超過這一數(shù)量，吸附力開始下降。與前文相符。

公式（11）中穴孔直徑越大，吸附力越弱，單因素試驗中，除4粒以上率外，其余吸種率均符合該規(guī)律。

從各因素與性能指標變化關系曲線可知，隨著吸孔直徑增加，空穴率急劇下降，2～4粒種子吸種率在孔徑為1.5 mm時較高。穴口直徑與孔數(shù)因素影響與吸孔直徑影響相似。在穴口直徑為13 mm，孔數(shù)為3個適宜。穴深對指標影響不明顯。

因此，吸孔直徑、吸孔數(shù)量和穴孔直徑是主要因素，穴孔深度是次要因素。

3.2 吸種部件幾何參數(shù)正交試驗

在單因素試驗結論基礎上，開展各因素各水平組合對播種器性能影響研究，以吸孔直徑、吸孔數(shù)量及穴孔直徑為因素作正交試驗。

3.2.1 正交試驗設計與結果

確定試驗指標：合格（1～4粒）率、3粒率；確定試驗因素：吸孔直徑、吸孔數(shù)量和穴孔直徑；

確定各因素水平：分別取適宜水平作各自因素中間水平，并向上、向下各選取一個水平作上、下水平?？紤]吸孔直徑過小不利影響，以1.5 mm作為上水平，并依次向下取2.0和2.5 mm兩個水平。試驗因素水平見表6。

表6 試驗因素水平Table 6Factor list of size of the experience

本試驗為3因素3水平試驗，不考慮交互作用條件，選用L9（33）正交表。將結果記錄于表格中，結果見表7。

3.2.2 合格率正交試驗分析

對于合格率和3粒率正交試驗，分別采用極差分析法和方差分析法對單一指標正交分析，確定各因素最佳水平。

合格率試驗極差分析結果見表8。由表8可見，對于吸孔直徑因素，在其水平為1.5 mm時，合格率最高，而合格率降低。原因是孔徑過大后，造成1孔多粒，導致4粒以上率上升，影響合格率；而對于吸孔數(shù)量因素，2個吸孔時，合格率達80%，而3個吸孔合格率高達90%，但吸孔再增多，吸附力下降造成合格率下降；對于穴孔直徑因素，隨穴孔直徑增大，合格率小幅增大，當穴孔直徑為14 mm時達到最大83%，因此，各因素最優(yōu)水平分別為：吸孔直徑第一水平（1.5 mm）、吸孔數(shù)量第二水平（3個）、穴孔直徑第三水平（14 mm），合格率指標對應最優(yōu)組合為A1B2C3。

表7 L9（33）正交試驗Table 7L9（33）Orthogonal test

表8 合格率試驗結果極差分析Table 8Range analysis of qualified rate

合格率試驗方差分析結果見表9。由表9可見，三個因素中，對合格率影響最大因素是吸孔數(shù)量，其次是吸孔直徑，兩者影響程度較為相似，而穴孔直徑影響最小，即3因素對合格率影響主次順序為B→A→C。

3.2.3 3粒率正交試驗分析

3粒率試驗極差分析結果見表10。由表10可見，對于吸孔直徑因素，隨吸孔直徑增大，3粒率隨之增大，但整體比率不超過30%。一方面吸孔直徑增大，吸附力增強，吸種率自然提高，但另一方面吸孔直徑增大1孔多粒概率增大，4粒以上率上升，影響3粒率；而對于吸孔數(shù)量因素，2個吸孔時，3粒率為22.4%，而3個吸孔3粒率迅速增至46%，但吸孔再增加，吸附力下降、且更易吸附超過3粒種子，故3粒率迅速下降；對于穴孔直徑因素，可知，隨穴孔直徑增大，3粒率整體呈現(xiàn)下降趨勢，當穴孔直徑為12 mm時達到最大。因此，各因素最優(yōu)水平分別為：吸孔直徑第三水平（2.5 mm）、吸孔數(shù)量第二水平（3個）、穴孔直徑第一水平（12 mm），合格率指標對應最優(yōu)組合為A3B2C1。

3粒率試驗方差分析結果見表11。由表11可知，三個因素中，對3粒率影響最大因素是吸孔數(shù)量，其次是吸孔直徑，而穴孔直徑影響最小，即3因素對3粒率影響主次順序為B→A→C。這一結果與合格率試驗中結果一致。

表9 合格率試驗結果方差分析Table 9Variance analysis of qualified rate

表10 3粒率試驗結果極差分析Table 10Range analysis of qualified rate of three grain

表11 3粒率試驗結果方差分析Table 11Variance analysis of qualified rate of three grain

表9～11分析表明，對吸種合格率和3粒率影響最大因素均為吸孔數(shù)量（B），且兩組試驗中最好水平均為B2（3個孔）；其次為吸孔直徑（A），其中合格率最優(yōu)水平為A1（1.5 mm），而3粒率最優(yōu)水平為A3（2.5 mm），但考慮合格率試驗中吸孔因素對比例影響大，故取最優(yōu)水平為A1（1.5 mm），尺寸與劉彩玲等研究結果一致[5]；最后是穴孔直徑（C），合格率最優(yōu)水平為C3（14 mm），而3粒率最優(yōu)水平為A1（13 mm），考慮到實際工作中保證最高合格率，在此選取最優(yōu)水平C3（14 mm）。

綜合考慮各指標較優(yōu)組合及生產(chǎn)實際要求，確定該播種機最優(yōu)組合為吸孔直徑1.5 mm，孔數(shù)3個，穴孔直徑14 mm，穴深3 mm。

4 結論

a.建立吸種狀態(tài)動力學模型，通過動力學分析，確定影響吸種性能結構參數(shù)；

b.通過單因素試驗確定影響該播種機性能指標主要因素（結構參數(shù)）及水平區(qū)間，排除次要因素穴深；通過多因素正交試驗分析，確定主要因素依次為吸孔數(shù)量、吸孔直徑、穴孔直徑；確定該水稻缽育苗播種機最適參數(shù)組合為吸種孔直徑1.5 mm，孔數(shù)3個，穴口直徑14 mm，吸種率接近100%，空穴率0，單粒率為0，2～4粒種子吸種率99.5%；

c.該播種機在排種過程中，吸種盤與種子間，種子與種子間無相對運動，不易傷芽，可播催芽種子，滿足生產(chǎn)實際要求。

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Study on hemispherical cavity precision air suction seeder/

CHEN Ye1,DONG Xin2(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou Liaoning 121001,China;2.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Focusing on precise seed dibbling for rice，dynamic equation that the situation of seed around the suction hole was established，and kinetic analysis were carried out.Single-factor experimental and multifactorial experimental research was operated in which form and size depth of cavity of aspiration seed tray，the diameter and number of hole on the cavity were all the factors.The results showed that the number of aspiration seed hole was the most major factor,and followed by the diameter of hole and diameter of cavity.And through the orthogonal experiment aiming at qualified rate and qualified rate of three grain,optimal parameter combination was obtained.The conclusion provided a reliable guarantee and technical support for further study on developing of rice bowl-seedling aspirating seeder.

rice bowl-seedling;suction;seeder

S223

A

1005-9369（2016）11-0100-09

時間2016-12-1 16:25:12[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161201.1625.024.html

陳曄,董欣.半球穴形氣吸式精準播種機試驗研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2016,47(11)：100-108.

Chen Ye,Dong Xin.Study on hemispherical cavity precision air suction seeder[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(11)：100-108.(in Chinese with English abstract)

2016-09-27

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2009AA043602）；十二五國家科技支撐計劃項目（2011BAD15B04）

陳曄（1984-），男，講師，碩士研究生，研究方向為機械系統(tǒng)動力學、智能控制、機械傳動設計、精準機械。E-mail: cymaxim@qq.com

*通訊作者：董欣，教授，碩士生導師，研究方向為機械設計及理論方面的研究。E-mail:dongxin@neau.edu.cn