新型蕎麥排種器排種性能

茹孟菲，張 靜，劉 煜，孫 揚(yáng)，鄭德聰

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西 太谷030801)

0 引言

近年來隨著蕎麥藥用價(jià)值的不斷開發(fā)，其種植面積不斷增加，而目前市面上的蕎麥專用播種機(jī)極少，這將在很大程度上限制蕎麥的發(fā)展[1]。赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究院研制的大壟雙行蕎麥播種機(jī)，以及西南大學(xué)研究的移動式外槽輪蕎麥排種器是為數(shù)不多的蕎麥專用播種機(jī)[2-3]?，F(xiàn)階段多數(shù)農(nóng)民仍然采用傳統(tǒng)的撒播或者簡易改裝的條播機(jī)，給隨后的機(jī)械收獲作業(yè)增加了難度。蕎麥屬于中小籽粒作物，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)研究的離心集排式油菜排種器實(shí)現(xiàn)了小籽粒油菜的高速寬幅作業(yè)，山西農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的傾斜圓盤排種裝置實(shí)現(xiàn)了小籽粒的精少量播種[4-5]。

針對蕎麥排種器的缺乏以及傳統(tǒng)排種器在高速排種時(shí)會出現(xiàn)斷條現(xiàn)象，研究了一種新型排種器，以解決傳統(tǒng)排種器高速作業(yè)時(shí)出現(xiàn)的斷條現(xiàn)象，并且能夠?qū)崿F(xiàn)一器雙行播種，有利于排種器的編組，減少了工作單體。

1 排種器結(jié)構(gòu)及原理

蕎麥排種器主要由排種軸、排種輪及輸種管等組成，如圖1所示。

工作時(shí)，電機(jī)帶動排種帶輪旋轉(zhuǎn)進(jìn)而使排種輪旋轉(zhuǎn)，同時(shí)種子由種箱和輸種管進(jìn)入排種輪型孔并隨其轉(zhuǎn)動。多余的種子在此過程中會被輸種管的側(cè)壁刮下。型孔中的種子在轉(zhuǎn)過輸種管后仍受到離心力的作用，使其被壓在型孔中，從而實(shí)現(xiàn)護(hù)種。當(dāng)型孔轉(zhuǎn)至出種孔的位置時(shí)在力的作用下種子離開排種器，完成排種。

表1 蕎麥排種器技術(shù)性能指標(biāo)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1試驗(yàn)材料與設(shè)備

此次試驗(yàn)材料為紅山蕎麥，含水率為10.69%±0.38%，千粒質(zhì)量為(31.79±0.77)g，休止角為27.27°±0.53°[7]。

試驗(yàn)設(shè)備包括JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺排種器試驗(yàn)臺、CP1502型分析天平(分度值0.01 g)及接種盒。其中JPS-12型試驗(yàn)臺種床帶速度為1.5～12.0 kmh，最高排種軸轉(zhuǎn)速為360 rmin，能夠滿足試驗(yàn)需求[8]。

2.2排種性能檢測

以平均排量、各行排量一致性、總排量穩(wěn)定性、播量均勻性以及破碎率為試驗(yàn)指標(biāo)。以排種軸轉(zhuǎn)速、阻種套單排孔數(shù)量和種床帶速度為試驗(yàn)因素，進(jìn)行排種性能檢測試驗(yàn)，并獲取排種軸轉(zhuǎn)速和種床帶速度與各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)之間的函數(shù)關(guān)系[9]。其中排種軸轉(zhuǎn)速對平均排量、各行排量一致性、總排量穩(wěn)定性及種子破碎率有影響，阻種套單排孔數(shù)量對平均排量、總排量穩(wěn)定性有影響，種床帶速度對播量均勻性和平均排量有影響。

2.2.1平均排量

將排種器兩個(gè)出種孔排出的種子分別用接種盒收集起來并取其中一行稱質(zhì)量，排種時(shí)間為30 s。轉(zhuǎn)速范圍是110～200 rmin，共取10個(gè)水平，每水平重復(fù)5次，使用式(1)計(jì)算各行平均排量。

(1)

式中N——重復(fù)次數(shù)，N=5

qi——第i行平均排量，g

qij——第i行第j次排量，g

2.2.2各行排量一致性

將兩個(gè)接種盒收集的種子全部稱質(zhì)量，利用式(2)～(4)計(jì)算各行排量的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)[10]。

(2)

(3)

(4)

式中n——測量行數(shù)，n=2

Sqi——各行排量一致性的標(biāo)準(zhǔn)差

?i——各行排量一致性變異系數(shù)

2.2.3總排量穩(wěn)定性

將兩行的種子收集在一起稱質(zhì)量，分別利用式(5)～(7)計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)[10]。

(5)

(6)

(7)

式中Qj——第j次測量時(shí)總排量，g

?j——總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)

2.2.4播量均勻性

在排出的種子平穩(wěn)落到油帶上后，記錄種床帶兩側(cè)機(jī)架上每隔100 mm區(qū)間內(nèi)種子數(shù)量，共記錄30個(gè)區(qū)間，利用式(8)～(10)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。

(8)

(9)

(10)

式中u——區(qū)間數(shù)，u=30

Pir——第i行第r區(qū)間的種子粒數(shù)

?——播量穩(wěn)定性變異系數(shù)

2.2.5種子破碎率

每組排種時(shí)間為45 s，重復(fù)3次，將排出的種子收集起來從中選取100 g并測出其破碎率，減去原始破碎率從而得到真實(shí)的種子破碎率[11]。

2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)研究排種軸轉(zhuǎn)速、阻種套單排孔數(shù)量和種床帶速度對排量的影響，并使用方差分析法檢驗(yàn)顯著性。

(1)排種軸轉(zhuǎn)速試驗(yàn)。本試驗(yàn)使用各行排量一致性的數(shù)據(jù)，無須進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)。

(2)阻種套單排孔數(shù)量。本試驗(yàn)的變量為阻種套單排孔數(shù)量，在160 rmin、0 kmh的條件下通過改變孔的數(shù)量來影響排量的大小。用接種盒收集排種器排出的種子并取其中1行測量排量大小，每組重復(fù)5次。

3 結(jié)果與分析

3.1排種性能

3.1.1排種軸轉(zhuǎn)速的影響

由圖2可知，平均排量隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，在110～150 rmin范圍內(nèi)增加緩慢；150～180 rmin范圍內(nèi)排量陡增；180～200 rmin范圍內(nèi)增速減小。排種輪孔中種子的多少取決于兩個(gè)因素：離心力大小和孔深度。轉(zhuǎn)速較低時(shí)離心力較小，當(dāng)種孔轉(zhuǎn)到上方時(shí)會有一部分種子從孔中拋出從而導(dǎo)致型孔無法被完全充滿，所以當(dāng)轉(zhuǎn)速在110～150 rmin時(shí)，排量的增加主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)速提高。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于150～180 rmin時(shí)排量陡增，這是由于離心力增大使得種子逐漸充滿種孔從而導(dǎo)致排量陡增。當(dāng)轉(zhuǎn)速處于180～200 rmin范圍時(shí)，由于型孔所能容納的種子數(shù)量基本固定，故此階段排量增加的原因?yàn)檗D(zhuǎn)速提高。平均排量Y1和排種軸轉(zhuǎn)速x1之間的函數(shù)關(guān)系如式(11)所示[12]。

(11)

(P<0.000 1R2=0.983 8)

由圖3可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加各行排量一致性變異系數(shù)呈先增大后減小趨勢。從150 rmin開始各行排量一致性變異系數(shù)符合要求，200 rmin時(shí)該值達(dá)到最低。轉(zhuǎn)速較低時(shí)離心力較小，各型孔內(nèi)種子數(shù)量不同，因此在120 rmin時(shí)變異系數(shù)突增為正?，F(xiàn)象。轉(zhuǎn)速x1和各行排量一致性變異系數(shù)Y2之間的函數(shù)關(guān)系如式(12)所示。

(12)

(P<0.000 1R2=0.989 9)

由圖4可知，隨著轉(zhuǎn)速的升高總排量一致性變異系數(shù)下降，在170～180 rmin時(shí)又有略微的上升，但仍符合要求。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速的升高離心力增大，在孔中留存的種子數(shù)量是固定的，所以該系數(shù)會隨著轉(zhuǎn)速的升高而降低。轉(zhuǎn)速x1和總排量一致性變異系數(shù)Y3之間的函數(shù)關(guān)系如式(13)所示。

(13)

(P<0.000 1R2=0.995 5)

由圖5可知，隨著轉(zhuǎn)速的升高種子破碎率不斷增加。這是由于轉(zhuǎn)速的增加加劇了種子間的擠壓、碰撞及種子和排種器之間的碰撞，故破碎的種子越來越多。當(dāng)轉(zhuǎn)速為110 rmin時(shí)破碎率是0.14%，轉(zhuǎn)速200 rmin時(shí)破碎率達(dá)到0.79%。轉(zhuǎn)速x1和破碎率Y4之間的函數(shù)關(guān)系如式(14)所示。

(14)

(P=0.000 6R2=0.968 2)

3.1.2阻種套單排孔數(shù)量的影響

3.1.3種床帶速度的影響

由圖8可知，隨著種床帶速度的增加播量均勻性變異系數(shù)不斷升高，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到150 rmin、速度為4 kmh時(shí)該值最小，速度為8 kmh時(shí)播量均勻性變異系數(shù)達(dá)到最大超出標(biāo)準(zhǔn)的要求；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到190 rmin，速度為6 kmh時(shí)該值最小，速度為10 kmh時(shí)播量均勻性變異系數(shù)超出性能指標(biāo)要求。在相同時(shí)間內(nèi)排出的種子數(shù)量是固定的，而種床帶速度不斷增長，因此在每個(gè)區(qū)間內(nèi)的種子數(shù)減少從而導(dǎo)致播量均勻性變異系數(shù)上升。種床帶速度x2和播種均勻性變異系數(shù)Y5兩者之間的函數(shù)關(guān)系如式(15)所示。

(15)

(P=0.027 4R2=0.999 5)

3.2方差分析

3.2.1轉(zhuǎn)速對排量的影響

對轉(zhuǎn)速試驗(yàn)進(jìn)行方差分析。由表2可知，在0.01水平上轉(zhuǎn)速對排量影響極其顯著(p<0.000 1，R2=0.986 2)。0.01和0.05水平的鄧肯均值多重比較結(jié)果如表3所示，在0.05水平上200 rmin的排量、190 rmin和180 rmin的排量、170 rmin的排量、160 rmin的排量、150 rmin的排量、140 rmin和130 rmin的排量、130 rmin和120 rmin的排量、110 rmin的排量之間有顯著的差異；190 rmin和180 rmin的排量、130 rmin和120 rmin的排量差異不顯著。在0.01水平上200 rmin和190 rmin的排量、190 rmin和180 rmin的排量及140 rmin、130 rmin和120 rmin的排量沒有顯著差異。

表2 轉(zhuǎn)速對排量的方差分析

Tab.2 Variance analysis of rotational speed versus average displacement

方差來源平方和自由度均方F值Pr>F模型3 514.2099390.467317.14<0.000 1誤差49.248401.231總和3 563.45749R2=0.986 2

表3 轉(zhuǎn)速對排量的均值多重比較

注：同列不同字母表示差異極顯著，下同

3.2.2阻種套單排孔數(shù)量對排量的影響

對阻種套單排孔數(shù)量試驗(yàn)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表4所示。由表4可知，在0.01水平上阻種套單排孔數(shù)量對排量有極顯著的影響(p<0.000 1，R2=0.999 0)。0.01和0.05水平的鄧肯均值多重比較結(jié)果如表5所示，可知3孔、6孔和12孔之間的排量差異顯著。

表4 阻種套單排孔數(shù)量對排量的方差分析

Tab.4 Variance analysis of rotational speed versus average displacement

方差來源平方和自由度均方F值Pr>F模型11 539.85625 697.9286 266.89<0.000 1誤差11.048 40120.927 0總和11 550.904 914R2=0.999 0

表5 阻種套單排孔數(shù)量對排量的均值多重比較

3.2.3種床帶速度對排量的影響

對種床帶速度試驗(yàn)進(jìn)行方差分析可得表6，在0.01水平上種床帶速度對排量有極顯著的影響(p<0.000 1，R2=0.967 5)。均值多重比較結(jié)果如表7所示，可知任意兩個(gè)變量之間的效應(yīng)差異都是顯著的。

表6 種床帶速度對排量的方差分析

Tab.6 Variance analysis of rotational speed versus average displacement

方差來源平方和自由度DF均方F值Pr>F模型51.511 7412.877 9148.82<0.000 1誤差1.730 6200.086 5總和53.242 524R2=0.967 5

表7 種床帶速度對排量的均值多重比較

4 結(jié)論

本文研究了轉(zhuǎn)速、阻種套單排孔數(shù)量和種床帶速度對蕎麥排種器排種性能的影響規(guī)律，并對各因素對排種性能的影響顯著性進(jìn)行了方差分析，結(jié)果如下。

(2)轉(zhuǎn)速、阻種套單排孔數(shù)量和種床帶速度對排種器的排量有極其顯著影響。