氣力滾筒式精密排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

符耀明，張　靜，吳　鋼,呂　瑩，周士琳，孫芳媛，李志偉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州　510642)

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氣力滾筒式精密排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

符耀明，張靜，吳鋼,呂瑩，周士琳，孫芳媛，李志偉

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州510642)

摘要：為解決目前蔬菜田間有序直播生產(chǎn)過程勞動(dòng)強(qiáng)度大的問題，以排種器的合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，設(shè)計(jì)出一種氣力滾筒式精密排種器。排種器結(jié)構(gòu)采用固定配氣盤與排種盤配合的側(cè)面換氣方法實(shí)行負(fù)壓吸種和正壓排種，每個(gè)排種器排種1行，排種位置為水平方向。為探討精量排種器性能參數(shù)的最佳匹配，對(duì)吸種負(fù)壓、排種正壓、吹種流量和作業(yè)速度在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架進(jìn)行了單因素和正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)蔬菜種子直徑為1.2～1.8mm時(shí)，最佳播種參數(shù)為吸種真空度為-7kPa，清種流量為8L/min，排種氣壓為0.15kPa，作業(yè)速度為1km/h；此時(shí)，合格指數(shù)為99.52%，漏播指數(shù)0.24%，重播指數(shù)為0.24%，變異系數(shù)為2.44%。設(shè)計(jì)出的排種器可根據(jù)農(nóng)藝要求通過聯(lián)軸器連接安裝若干個(gè)播種單體，實(shí)現(xiàn)多行同時(shí)播種，行距最小為135mm。

關(guān)鍵詞：排種器；氣力；蔬菜；播種

0引言

中國蔬菜生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，種植面積由2007年的0.17億hm2增加到2013年的0.21億hm2，產(chǎn)量由2007年的5.47億t增加到2013年的7.06億t[1]。其中，葉菜類種植約占蔬菜生產(chǎn)總量的1/3[2]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的氣力滾筒式蔬菜穴盤播種機(jī)[3-5]已應(yīng)用于蔬菜穴盤育苗的生產(chǎn)，取得了良好的效果。但穴盤育苗后，還需要進(jìn)行移栽，勞動(dòng)力需求大且勞動(dòng)力成本高，而葉菜田間直播生產(chǎn)可降低生產(chǎn)成本。氣力式精密排種器具有適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，通用性好、不傷種子，對(duì)種子外形尺寸要求不嚴(yán)，可以大大提高播種速度，應(yīng)用日益廣泛[6]。本文根據(jù)氣力滾筒式蔬菜播種的端面換氣技術(shù)原理，設(shè)計(jì)出適合大田小粒圓形種子的精密排種器并進(jìn)行了排種器試驗(yàn)臺(tái)架性能試驗(yàn)。

1氣力滾筒式排種器工作原理

排種器主要包括固定配氣盤、排種盤、清種裝置、種箱、導(dǎo)種管、碟形彈簧、軸及軸固定架等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.固定配氣盤　2.種箱　3.軸固定架　4.蝶形彈簧　5.鍵　6.軸

如圖2所示，固定配氣盤上設(shè)一負(fù)壓氣室和一正壓氣室，分別與負(fù)壓氣源和正壓氣源相連，在作業(yè)過程中為排種盤提供正負(fù)壓轉(zhuǎn)換。如圖3所示，排種盤上設(shè)有若干組通氣槽和吸種孔，通氣槽與吸種孔相連。排種盤在碟形彈簧彈簧力的作用下與固定配氣盤緊密貼在一起。清種裝置由清種噴嘴、固定架和氣管組成，氣管與正壓氣源相連。動(dòng)力經(jīng)轉(zhuǎn)軸傳遞到排種盤上，帶動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)吸種孔經(jīng)過種箱時(shí)，通氣槽與負(fù)壓氣室相連，1粒或多粒種子在吸種孔氣壓差的作用下被吸附在吸種孔上，并隨吸種孔一起轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)種子轉(zhuǎn)到與清種噴嘴相切的位置時(shí)，在清種裝置的作用下，吸附力小的種子被吹回種箱，沒有被清除的種子繼續(xù)隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)通氣槽轉(zhuǎn)到水平排種位置時(shí)，通氣槽與正壓氣室相連，實(shí)現(xiàn)正負(fù)壓切換，負(fù)壓消失，種子在自重和正壓的作用下脫離排種盤，經(jīng)導(dǎo)種管落入到土壤中。設(shè)計(jì)出的排種器可根據(jù)農(nóng)藝要求通過聯(lián)軸器連接安裝若干個(gè)播種單體，實(shí)現(xiàn)多行同時(shí)播種，行距最小為135mm。

1.負(fù)壓氣室　2.正壓氣室

1.通氣槽　2.吸種孔

2吸排種試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用大種80天的油青菜心，該種子純度≥95%，凈度≥98%，含水率≤7%，平均粒徑1.2～1.8mm，千粒質(zhì)量2.0g。

2.2試驗(yàn)設(shè)備和方法

試驗(yàn)設(shè)備包括：海爾ZW1200真空吸塵器，CZQ型單向風(fēng)機(jī)，標(biāo)智差壓計(jì)GM511，廣州迪川儀器MF5706-N-25氣體質(zhì)量流量計(jì)。

為了模擬大田直播，搭建試驗(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)裝置如圖4所示。排種裝置在實(shí)際作業(yè)轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，用傳送帶帶動(dòng)粘有粘膠帶的穴盤在排種器下方移動(dòng)，以模擬播種機(jī)與地面的相對(duì)移動(dòng)。吸種負(fù)壓由吸塵器提供，排種正壓和吹種正壓由單向風(fēng)機(jī)提供，壓力大小通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)，壓差計(jì)和流量計(jì)分別測量吸種負(fù)壓真空度、排種正壓和清種流量。排種器和輸送帶動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)提供，排種器轉(zhuǎn)速及傳送帶速度由控制系統(tǒng)中PLC調(diào)節(jié)，并保證兩者速度相匹配。利用SPSS16.0與Excel軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

1.真空吸塵器　2.試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架　3.壓差表　4.排種器　5.流量計(jì)

2.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[7]，確定試驗(yàn)指標(biāo)為合格系數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和變異系數(shù)[8-9]。試驗(yàn)指標(biāo)通過隨機(jī)放置粘有粘帶的穴盤進(jìn)行抽樣統(tǒng)計(jì)得出。按照菜心種植的農(nóng)藝要求，早熟、中熟和晚熟品種的行距株距略有差異，在10～20cm之間[10]，本試驗(yàn)選擇株距12cm進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)前期試驗(yàn)，確定了試驗(yàn)因素為：吸種負(fù)壓、吹種流量、排種正壓和播種機(jī)作業(yè)速度4個(gè)因素。排種器轉(zhuǎn)速和輸送帶速度根據(jù)播種機(jī)作業(yè)速度而定。試驗(yàn)分為單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)進(jìn)行，研究各試驗(yàn)因素對(duì)排種器性能指標(biāo)的影響規(guī)律。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1單因素試驗(yàn)

3.1.1吸種負(fù)壓

根據(jù)前期試驗(yàn)，選擇播種機(jī)作業(yè)速度為1km/h，清種流量為8L/min，排種正壓為0.1kPa，選擇吸種負(fù)壓分別為-2、-4、-6、-8kPa 4個(gè)水平，進(jìn)行試驗(yàn)，得出吸種負(fù)壓對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖5所示。

由圖5可知：隨著吸種負(fù)壓的增加，合格指數(shù)先上升后下降，漏播指數(shù)降低，重播指數(shù)上升，變異系數(shù)基本不變；吸種負(fù)壓為-2kPa時(shí)，吸附力不足，種子漏播嚴(yán)重，重播指數(shù)為0，合格指數(shù)低；隨著吸種負(fù)壓增大，對(duì)種子的吸附力增加，吸附能力增強(qiáng)，漏播指數(shù)迅速降低，合格指數(shù)迅速增加，吸種負(fù)壓為-4kPa時(shí)，合格指數(shù)達(dá)到峰值；吸種負(fù)壓繼續(xù)增加，漏播指數(shù)繼續(xù)降低，重播指數(shù)也隨之增加，增速大于漏播指數(shù)降低的速度，合格指數(shù)降低；在吸種負(fù)壓增加過程中，變異系數(shù)保持平穩(wěn)。方差分析表明：吸種負(fù)壓對(duì)合格指數(shù)、漏播指數(shù)影響極顯著，對(duì)重播指數(shù)影響顯著，對(duì)變異系數(shù)影響不顯著。

圖5　測試性能與吸種負(fù)壓關(guān)系曲線

3.1.2清種流量

設(shè)定播種機(jī)作業(yè)速度為1km/h，吸種負(fù)壓為-4kPa，排種正壓為0.1kPa，清種流量分別為2、4、6、8、10L/min4個(gè)水平，進(jìn)行試驗(yàn)，得出清種流量對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖6所示。

圖6　測試性能與清種流量關(guān)系曲線

由圖6可知：隨著清種流量的增大，重播指數(shù)呈下降趨勢，漏播指數(shù)上升，合格指數(shù)先上升后下降；清種流量為2L/min時(shí)，吹力不足，未能將多余的種子吹回種箱，重播指數(shù)較高，合格指數(shù)較低；吸種孔吸附的多粒種子由于所受吸力各異，部分種子吸附不穩(wěn)定，引起提前排種，導(dǎo)致變異系數(shù)較大；隨著流量增大，吹力增大，重播指數(shù)下降，變異系數(shù)也隨之降低，當(dāng)流量為8L/min時(shí)，合格指數(shù)最高；清種流量繼續(xù)增大，吹力過大，部分種子被吹落，漏播系數(shù)增大，合格指數(shù)降低。方差分析表明，清種流量對(duì)合格指數(shù)、重播指數(shù)影響極顯著，對(duì)漏播指數(shù)和變異系數(shù)影響顯著。

3.1.3作業(yè)速度

設(shè)定吸種負(fù)壓為-4kPa，排種正壓為0.1kPa，清種流量為8L/min，播種機(jī)作業(yè)速度分別為1、1.25、1.5、2、2.25、2.5、2.75、3km/h 9個(gè)水平，進(jìn)行試驗(yàn)，得出播種機(jī)作業(yè)速度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖7所示。

圖7　 測試性能與作業(yè)速度關(guān)系曲線

由圖7可知：隨著播種機(jī)作業(yè)速度增加，即排種盤轉(zhuǎn)速增加，合格指數(shù)下降，漏播指數(shù)上升，變異系數(shù)呈上升趨勢；播種作業(yè)速度不高于2km/h時(shí)，重播系數(shù)為零，高于2km/h時(shí)，重播系數(shù)呈上升趨勢；作業(yè)速度低時(shí)，種子與氣流場接觸時(shí)間充分，吸種能力強(qiáng)，漏播指數(shù)小；隨著播種作業(yè)速度的增加，吸種孔與種箱中種子接觸時(shí)間變短，氣流場穩(wěn)定性降低，吸種不充分，漏播指數(shù)急劇增加，合格指數(shù)下降。方差分析表明：播種機(jī)作業(yè)速度對(duì)合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)影響極顯著，對(duì)變異系數(shù)影響顯著。

3.1.4排種正壓

設(shè)定播種機(jī)作業(yè)速度為1km/h，吸種負(fù)壓為-4kPa，清種流量分別為8L/min，排種正壓分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4kPa 5個(gè)水平，進(jìn)行試驗(yàn)，得出排種正壓對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響如圖8所示。

由圖8可知：排種正壓由0kPa增加到0.4kPa的過程中，合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)基本保持穩(wěn)定，變異系數(shù)先下降后上升；排種正壓對(duì)吸種過程影響不大，因此合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)基本穩(wěn)定；當(dāng)排種正壓為0kPa時(shí)，排種吹力為0，排種孔殘余負(fù)壓會(huì)影響到排種的精確度，導(dǎo)致出現(xiàn)延遲排種；隨著排種正壓的增大，排種吹力增大，變異系數(shù)下降；當(dāng)排種正壓增加到0.3kPa以上時(shí)，排種吹力過大，由于種子形狀大小各異，種子平拋運(yùn)動(dòng)的水平速度不一致，與導(dǎo)種管碰撞次數(shù)不同，導(dǎo)致變異系數(shù)上升。方差分析表明，排種正壓對(duì)合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)影響不顯著，對(duì)變異系數(shù)影響極顯著。

圖8　測試性能與排種正壓關(guān)系曲線

3.2正交試驗(yàn)

依據(jù)以上分析，選擇對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有顯著影響的吸種負(fù)壓、排種正壓、清種流量和作業(yè)速度4個(gè)因素作正交試驗(yàn)。選擇L16(45)正交表來安排正交試驗(yàn)。其中，第5列為空列，因素水平如表1所示。對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖9～圖12所示。

表1　因素水平表

合格指數(shù)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果如圖9所示。根據(jù)生產(chǎn)要求，需要提高合格系數(shù)，可得A4B2C3D1為最佳組合。

圖9　合格指數(shù)直觀分析圖

漏播指數(shù)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果如圖10所示。根據(jù)生產(chǎn)要求，需要降低漏播指數(shù)，可得A4B3C2D1為最佳組合。

圖10　漏播指數(shù)直觀分析圖

重播指數(shù)試驗(yàn)指標(biāo)結(jié)果如圖11所示。根據(jù)生產(chǎn)要求，需要降低重播指數(shù)，可得A1B4C3D1為最佳組合。

圖11　重播指數(shù)直觀分析圖

結(jié)果如圖12所示。根據(jù)生產(chǎn)要求，需要降低變異系數(shù)，可得A4B2C3D1為最佳組合。

圖12　變異系數(shù)直觀分析圖

通過綜合平衡法考慮合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)和變異系數(shù)4個(gè)指標(biāo)的最佳組合，最佳組合為A4B2C3D1，即吸種負(fù)壓為-7kPa，清種流量為8L/min，排種正壓為0.15kPa，播種機(jī)作業(yè)速度為1km/h。

4結(jié)論

單因素試驗(yàn)結(jié)果顯示，在臺(tái)架試驗(yàn)中，合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和變異系數(shù)等指標(biāo)受吸種負(fù)壓、清種流量、排種正壓和播種機(jī)作業(yè)速度的影響。正交試驗(yàn)結(jié)果顯示，排種器的最佳性能條件為：吸種負(fù)壓為-7kPa，清種流量為8L/min，排種正壓為0.15kPa，播種機(jī)作業(yè)速度為1km/h；此時(shí)氣力滾筒式精密排種器排種合格指數(shù)達(dá)到99.52%，重播指數(shù)為0.24%，漏播指數(shù)為0.24%，變異系數(shù)為2.44%。設(shè)計(jì)出的排種器可根據(jù)農(nóng)藝要求通過聯(lián)軸器連接安裝若干個(gè)播種單體，實(shí)現(xiàn)多行同時(shí)播種。

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Design and Experiment of Pneumatic Cylinder-type Precision Seed-metering Device

Fu Yaoming, Zhang Jing, Wu Gang, Lv Ying, Zhou Shilin, Sun Fangyuan, Li Zhiwei

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China)

Abstract：In order to solve the high labor intensity in vegetables ordered direct seeding, designed and manufactured a pneumatic roller-type precision metering device, employing eligible index, multiple index, miss index, variable coefficient as judging indexes. The metering device’s stationary gas distribution disc match with metering plate, employing side breathing to realize negative pressure seed sucking and positive pressure seed discharging. Each metering device discharge one row, feed outlet is positioned in the horizontal position. In order to define the optimum performance parameters of precision metering device, single factor and orthogonal experiments were carried out in laboratory, with the experimental factors of negative pressure seed sucking, positive pressure seed discharging , flow of blow seeds and operating speed. Experiment indicates that when seed diameter is 1.2～1.8mm, metering device’s optimum performance parameters are: the vacuity is -7k Pa, the pressure is 0.15k Pa, the flow is 8 L/min and the operating speed is 1 km/h, the eligible index reaches as high as 99.52%, both of the multiple index and the miss index are 0.24%, the coefficient of variation is 2.44%. The metering device can also connected with a plurality of seeding monomer by coupling, to realize multi row sowing at the same time, minimum row spacing is 135 mm.

Key words：seed-metering device; pneumatic； vegetable; sowing

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0172-05

中圖分類號(hào)：S223.2+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：符耀明(1989-)，男，廣東南海人，碩士研究生，(E-mail) yao_mings@163.com。通訊作者：李志偉(1961-)，男，廣東鶴山人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail) zhiweili@scau.edu.cn。

基金項(xiàng)目：國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2013AA102440603)

收稿日期：2015-02-06