氣吸式高粱精量排種器排種性能分析

冷 靜，劉 飛，張 濤，賈玉斌

（1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010）

高粱作為重要的雜糧作物之一，在世界5 大洲48 個(gè)國家的熱帶干旱與半干旱地區(qū)、寒帶、溫帶均有種植。目前，全世界年種植高粱面積4 400 萬hm2，僅次于水稻、小麥、玉米、大麥，位列第5 位［1］。高粱在非洲和印度等國家地區(qū)，是重要的糧食作物；是我國是釀造、糧飼和生物燃料的主要原料。進(jìn)入21 世紀(jì)，高粱機(jī)械化精量播種發(fā)展較慢，傳統(tǒng)條播和半精量穴播方法存在生產(chǎn)成本高，人工投入大，費(fèi)工費(fèi)時(shí)等問題。因此發(fā)展高粱精量播種技術(shù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

精量排種器是決定精量播種機(jī)工作優(yōu)劣的關(guān)鍵核心部件，隨著國內(nèi)精量播種機(jī)的快速發(fā)展，對精量排種器的排種性能要求也在逐漸提高。其性能直接影響播種機(jī)的播種效率、播種均勻性和傷種率等性能指標(biāo)，從而影響播種的工作質(zhì)量和效果。精量排種器按工作原理分為機(jī)械式和氣力式兩大類［2］。機(jī)械式對種子外形要求嚴(yán)格，易造成型孔堵塞和傷種，對不同作物種子的適應(yīng)性也較差；而氣力式的優(yōu)點(diǎn)是可以針對性地彌補(bǔ)機(jī)械式的不足，易實(shí)現(xiàn)單粒精播，適應(yīng)性好，更換不同孔徑、孔數(shù)的吸孔時(shí)可以適應(yīng)多種類型作物的種植要求，具有作業(yè)速度高且種子破損率低等優(yōu)勢［3］。

關(guān)于氣吸式排種器需針對高粱形狀尺寸等特性，可參考小粒徑作物精量排種進(jìn)行研究。Arzu Yazgi等以排種盤的孔數(shù)為主要試驗(yàn)因素，研究粒距均勻性對排種的影響［4］；Parish 檢測了形狀不規(guī)則蔬菜種子的排種性能［5］；李大鵬等設(shè)計(jì)了1 種舀勺-氣吸組合式谷子精量排種器，以舀種勺圓心角、舀種勺位置夾角、排種軸轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)因素進(jìn)行排種試驗(yàn)，得到較優(yōu)工作參數(shù)組合，有效改善了小粒徑藜麥種子難以精量播種問題［6］；李兆東等針對油菜氣力盤式精量排種器高速排種過程中存在漏播嚴(yán)重和負(fù)壓需求大的問題針對性地對槽齒型式和槽齒厚度的種群流動(dòng)性與輔助充種性能進(jìn)行深入研究［7］。楊文彩等采用負(fù)壓吸種、正壓投種的工作原理和設(shè)計(jì)二次正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)針對機(jī)械式三七育苗播種排種器易傷種等問題設(shè)計(jì)了1 種氣吸滾筒式排種器，有效提高了三七種子排種性能［8］；王超等設(shè)計(jì)1 種氣吸式谷子精量穴播機(jī)，通過優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)、仿形機(jī)構(gòu)、肥箱等關(guān)鍵部件，有效改善谷子播種量大、谷種表皮易損傷的問題［9］；劉飛等通過對藜麥小粒徑作物物理參數(shù)進(jìn)行測定，利用離散元仿真模型接觸參數(shù)，提出1 種結(jié)合物理試驗(yàn)和EDEM 仿真試驗(yàn)建立回歸模型進(jìn)行尋優(yōu)的方法，為小粒徑作物藜麥仿真模擬提供了參數(shù)設(shè)置依據(jù)［10］。

針對目前高粱種子在使用氣吸式排種器作業(yè)時(shí)易造成型孔堵塞以及穴粒數(shù)難以控制等現(xiàn)象［11］，通過對氣吸式排種器的排種盤進(jìn)行優(yōu)化改良，選定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)真空度、排種盤轉(zhuǎn)速及振動(dòng)頻率并對排種性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期實(shí)現(xiàn)高粱單粒播種。

1 高粱精量排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的氣吸式排種器主要由清種器、種箱、攪種輪、排種盤、真空室、傳動(dòng)軸及其傳動(dòng)部件等組成，如圖1 所示。將傳動(dòng)軸穿過排種盤中心孔，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸時(shí)帶動(dòng)排種盤運(yùn)動(dòng)；攪種輪與排種盤連接，隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，增加種子流動(dòng)性；前殼體與排種盤之間構(gòu)成種子室，排種器連接風(fēng)機(jī)接口與排種盤相連構(gòu)成氣吸室，氣吸室產(chǎn)生的真空負(fù)壓吸附種子室內(nèi)的種子，然后種子隨排種盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在無吸力區(qū)靠自重從投種口落種，沿導(dǎo)種管落到種床上，完成從吸種到落種的運(yùn)動(dòng)過程。

1.2 工作原理

種箱內(nèi)的種子依靠自重流入排種器種箱內(nèi)，驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)軸使排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，種子依次經(jīng)過吸種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)和投種區(qū)。如圖2 所示。

圖2 氣吸式排種器工作原理簡圖Fig. 2 Schematic diagram of working principle of air suction seed metering device

通過排種盤將氣吸室與種子室分隔開，當(dāng)風(fēng)機(jī)工作時(shí)，氣吸室內(nèi)真空負(fù)壓將充種區(qū)部分種子吸附在吸孔上，被吸住的種子隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)到清種區(qū)時(shí)，吸孔及孔周圍吸附多粒種子時(shí)，多余的種子被清種器刮掉，且由于孔群壓力分布不均勻，受吸力較小的種子會(huì)脫離吸孔處，以達(dá)到清種效果；吸種孔吸附的種子通過排種盤運(yùn)動(dòng)由攜種區(qū)轉(zhuǎn)到投種區(qū)時(shí)，每個(gè)吸孔只保留1 粒種子繼續(xù)隨排種盤旋轉(zhuǎn)到排種器下方的卸種區(qū)（即無吸附力），種子沒有負(fù)壓被吸附靠自重落入導(dǎo)種管進(jìn)行投種。

2 排種器關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1 物理特性分析

種子的機(jī)械物理特性參數(shù)是設(shè)計(jì)型孔的重要依據(jù)。高粱種子類似球體，種子頂端呈尖狀，種子表面光滑，流動(dòng)性較強(qiáng)。根據(jù)查閱相關(guān)高粱農(nóng)藝要求得知，高粱播種作業(yè)時(shí)，播種深度≤3 cm，種子粒距范圍為120～150 mm［12-13］，本研究選取2 種不同品種高粱種子，確定其機(jī)械物理特性參數(shù)，見表1 所示。

表1 不同高粱種子的物理特性Table 1 Physical properties of different sorghum seeds

2.2 排種盤設(shè)計(jì)

根據(jù)高粱種子的外形尺寸特性，為增強(qiáng)型孔吸附能力，排種盤上的型孔形狀設(shè)計(jì)為圓柱形單孔，吸孔直徑小于高粱種子最小粒徑。吸孔真空負(fù)壓增大，且吸孔直徑減小，漏播率降低，重播率增大；當(dāng)吸孔直徑減小到臨界值時(shí)，漏播率增大，合格率降低；由于高粱種子懸浮速度小，對真空負(fù)壓氣流波動(dòng)敏感［14］，因此通過合理匹配型孔直徑與真空負(fù)壓，完成吸種、清種、攜種、投種過程，以滿足高粱精量排種要求。

2.2.1 排種盤孔型與吸孔組數(shù)設(shè)計(jì) 為避免高粱種子在播種過程中的吸孔堵塞和傷種等問題，采用不銹鋼板為排種盤盤體，確保排種器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鋼板的強(qiáng)度以及吸種的穩(wěn)定性。根據(jù)高粱三軸尺寸，孔型選取圓柱形單粒孔，其目的是減小摩擦力，降低高粱種子堵塞吸孔和傷種情況，有效控制吸附穴粒數(shù)。

當(dāng)排種器開始運(yùn)轉(zhuǎn)，保持種床帶速度不變，增加吸孔組數(shù)，且降低排種盤轉(zhuǎn)速時(shí)，播種合格率提高，但如果設(shè)計(jì)吸孔組數(shù)過多時(shí)，相鄰兩孔之間產(chǎn)生吸附干擾，會(huì)直接影響排種性能。根據(jù)高粱精量播種農(nóng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)和農(nóng)藝要求，排種盤開設(shè)18 組孔，可滿足高粱播種要求，如圖3 所示。

圖3 排種盤結(jié)構(gòu)Fig. 3 Schematic diagram of structure of metering tray

2.2.2 吸孔孔徑設(shè)計(jì) 在保證排種性能的情況下，孔徑小需要增大真空度，相應(yīng)地需要提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，但根據(jù)排種試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)參數(shù)可知，當(dāng)達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速后真空度增加緩慢；在真空度一定下，孔徑過小而使吸力不足，導(dǎo)致漏播增加；孔徑過大又易造成堵孔，排種性能同樣會(huì)下降。

根據(jù)高粱的三軸尺寸，可確立吸孔直徑公式［15］為：

式中：d為吸孔直徑，mm；b為種子平均寬度，mm。

根據(jù)表（1）種子尺寸特性參數(shù)所示，確定排種盤吸孔直徑為2 mm。

3 氣吸式高粱排種器排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)指標(biāo)

3.1.1 試驗(yàn)裝置 以‘漢青15 號’種子為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)設(shè)備采用內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)-農(nóng)機(jī)試驗(yàn)室JPS-12排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái)、振動(dòng)臺(tái)、氣吸式排種器和高粱吸種盤等組成，如圖6 所示。

圖6 排種器性能檢測試驗(yàn)臺(tái)Fig. 6 Seed metering device performance test bench

3.1.2 試驗(yàn)指標(biāo) 試驗(yàn)結(jié)果評定依據(jù)《GB/T6973－2005 單 粒(精 密) 播種機(jī) 試驗(yàn)方 法》 和《JB/T10293－2013 單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》［16-17］的要求。對比2 種不同品種高粱種子物理特性及農(nóng)藝要求，本研究選取的標(biāo)準(zhǔn)粒距Xr為150 mm，符合高粱播種穴距要求。評定標(biāo)準(zhǔn)主要有粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)。排種粒距在區(qū)間0.5Xr～1.5Xr之間為合格粒距；排種粒距在區(qū)間0～0.5Xr之間為重播粒距；排種粒距大于1.5Xr的區(qū)間為漏播粒距。試驗(yàn)時(shí)測得各相鄰種子粒距的不同X值，這些不同的值落入分布在Xr的兩側(cè)，以0.1Xr間隔分成區(qū)段，每個(gè)區(qū)段的變量為Xi=xi/Xr（xi為區(qū)段的值）。

合格指數(shù)為：

重播指數(shù)為：

漏播指數(shù)為：

3.2 多因素交互試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) 確定排種盤轉(zhuǎn)速、真空度、振動(dòng)頻率為試驗(yàn)因素。選取排種盤轉(zhuǎn)速主要由機(jī)組作業(yè)速度、吸盤吸孔組數(shù)和排種軸傳動(dòng)比確定，較大的排種盤轉(zhuǎn)速會(huì)直接降低排種性能，而較小的排種盤轉(zhuǎn)速又會(huì)導(dǎo)致單粒率降低，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選擇排種盤轉(zhuǎn)速10.5、12.5 和14.5 r/min 3 個(gè)水平；真空度因素的選取主要取決于種子的氣力特性，它主要由種子間摩擦系數(shù)、吸孔直徑、排種盤轉(zhuǎn)速?zèng)Q定，綜合考慮選取真空度-1.2、-1.4、-1.6 kPa 3 個(gè)水平；振動(dòng)頻率主要由地面不平度與播種機(jī)耦合振動(dòng)特性決定，經(jīng)田間試驗(yàn)實(shí)測排種器振動(dòng)頻率為8～12 Hz，而其他因素通過試驗(yàn)分析對高粱精量播種影響效果不顯著。確定主要因素的最佳試驗(yàn)水平范圍，進(jìn)行多因素交互試驗(yàn)。采用響應(yīng)面優(yōu)化法的Box-Behnken 方法設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，取排種器穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間段作為統(tǒng)計(jì)樣本，在試驗(yàn)臺(tái)連續(xù)記錄油帶上排出的200 穴距種子的粒數(shù)，各重復(fù)3 次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值，試驗(yàn)因素和水平如表2 所示。

表2 排種器性能試驗(yàn)因素與水平Table 2 Test factor and level of seed metering device performance

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析 根據(jù)試驗(yàn)方案和試驗(yàn)指標(biāo)評價(jià)方法，得到的試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示：

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Test scheme and results

3.2.3 試驗(yàn)指標(biāo)回歸方程方差分析 通過上表得知，當(dāng)參數(shù)組合為排種盤轉(zhuǎn)速為12.5 r/min、真空度為-1.4 kPa、振動(dòng)頻率為10 Hz 時(shí)，排種器播種合格率最高為87.4%，重播率為8.3%，漏播率為4.3%。利用Design-Expert 軟件對上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)中合格指數(shù)y1、重播指數(shù)y2、漏播指數(shù)y3進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸擬合，可得回歸方程模型為：

模型的可靠性可從方差分析及相關(guān)系數(shù)來考察，結(jié)果見表4：

表4 試驗(yàn)指標(biāo)方差分析Table 4 Analysis of variance of test indexes

表中合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)顯著度分析結(jié)果可以看出，合格指數(shù)的F值為50.78，P值＜0.000 1，≤0.01，失擬值=0.905 8 ≥0.05，水平極顯著且失擬值不顯著，重播指數(shù)的F值為7.36，P=0.007 7，≤0.01，失擬值=0.959 5 ≥0.05時(shí)水平極顯著且失擬值不顯著；漏播指數(shù)的F值 為111.68，P值＜0.000 1，≤0.01。失擬值=0.977 5 ≥0.05 時(shí)水平極顯著且失擬值不顯著，通過數(shù)據(jù)分析，表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)可靠性強(qiáng)，失擬均為不顯著，表明此模型能夠很好地反映出響應(yīng)值的變化，擬合度好。同時(shí)，根據(jù)顯著度綜合分析，真空度對模型影響最顯著的，影響排種性能各因素的主次順序?yàn)椋赫婵斩龋九欧N盤轉(zhuǎn)速＞振動(dòng)頻率。

3.3 因素交互作用響應(yīng)曲面分析

針對排種性能試驗(yàn)規(guī)定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)確定高粱精量播種時(shí)合格指數(shù)越高越好，相應(yīng)的重播、漏播指數(shù)相對越低越好為標(biāo)準(zhǔn)，由響應(yīng)曲面合格指數(shù)模型分析可得，排種盤轉(zhuǎn)速和振動(dòng)頻率隨著真空度的增大而呈上升趨勢，到達(dá)峰值隨著真空度繼續(xù)增大逐漸呈下降趨勢，影響程度顯著，當(dāng)排種器真空度在-1.4～-1.5 kPa，排種盤轉(zhuǎn)速在11.5～12.5 r/min、振動(dòng)頻率在10～11 Hz 范圍內(nèi)，合格指數(shù)處于較優(yōu)水平，如圖10 所示。

圖10 交互因素對合格指數(shù)的影響Fig. 10 Influences of interaction factors on conformity index

3.4 組合參數(shù)驗(yàn)證分析

通過雙因素響應(yīng)曲面結(jié)果分析，對多因素交互試驗(yàn)結(jié)果排種盤轉(zhuǎn)速12.5 r/min、真空度-1.4 kPa、振動(dòng)頻率10 Hz 進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證，得到最優(yōu)參數(shù)組合，見表5。將排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為11.5 r/min、真空度設(shè)置為-1.5 kPa、振動(dòng)頻率設(shè)置為11 Hz 范圍內(nèi)，再進(jìn)行3 次重復(fù)試驗(yàn)，得到排種粒距合格指數(shù)87.7%，重播指數(shù)9.1%，漏播指數(shù)3.23%。該臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果基本相符，可以作為本研究最終的最佳工作參數(shù)組合，較優(yōu)組合多次試驗(yàn)結(jié)果合格指數(shù)均高于75%，重播指數(shù)均小于20%，漏播指數(shù)均小于10%，試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值［16］，表明該工作參數(shù)組合可實(shí)現(xiàn)單粒精播，其排種軌跡如圖11 所示，該排種效果符合播種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及高粱精量播種農(nóng)藝要求。

表5 排種器性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Verifiction test results of seed metering device performance %

圖11 單粒排種軌跡圖Fig. 11 Track chart of single grain arrangement

4 結(jié)論

本研究基于高粱的物理特性參數(shù)和精量播種農(nóng)藝要求，應(yīng)用負(fù)壓吸種、清種、攜種、投種原理，改良設(shè)計(jì)適合高粱單粒精播的氣吸式排種器，確定排種盤的型孔結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作參數(shù)對排種性能的影響試驗(yàn)，主要結(jié)論如下：

（1）通過單因素試驗(yàn)水平范圍的選取和多因素交互試驗(yàn)，得出真空度、排種盤轉(zhuǎn)速、振動(dòng)頻率對排種性能影響顯著。

（2）改良設(shè)計(jì)的氣吸式高粱精量排種器采用響應(yīng)面優(yōu)化法的Box-Behnken 試驗(yàn)方法進(jìn)行顯著性方差分析，得出影響排種器合格率的主次因素為：真空度＞排種盤轉(zhuǎn)速＞振動(dòng)頻率。

（3）當(dāng)排種器較優(yōu)工作參數(shù)組合為真空度-1.5 kPa、排種盤轉(zhuǎn)速11.5 r/min、振動(dòng)頻率11 Hz 時(shí)，粒距合格、重播、漏播指數(shù)均較優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)值，可達(dá)到粒距合格指數(shù)87.7%，重播指數(shù)9.1%，漏播指數(shù)3.23%，滿足高粱精量播種要求。