負(fù)壓式谷子穴播排種器設(shè)計及正交試驗研究

趙曉順，郭超龍，桑永英，于華麗，徐鵬云，杜　雄

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河北 保定　071001)

0　引言

谷子在我國北方的種植面積占糧食作物播種面積的10%～15%，僅次于小麥、玉米，居第3位。但由于谷子發(fā)育生長的特殊農(nóng)藝要求，為了不影響種子出苗，保證苗全和苗壯，目前仍然沿用傳統(tǒng)的大播量條播方式，不僅浪費(fèi)種子，而且谷子苗期的人工間苗勞動強(qiáng)度大，用工成本高[1-3]。因此，谷子穴播播種是發(fā)展谷子生產(chǎn)的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在推廣優(yōu)種過程中，急需研究相關(guān)的穴播播種關(guān)鍵技術(shù)和裝備，提高播種質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)省種和降低間苗勞動強(qiáng)度的目標(biāo)。排種器是影響播種機(jī)播種精密性的關(guān)鍵部件[4-6]。目前，常用的排種器分為機(jī)械式和氣力式兩種，氣力式排種器又分為氣吸式、氣壓式和氣吹式。我國常用的氣吸式排種器主要用于播種玉米，播種谷子的排種器多為槽輪式或窩眼式排種器，但由于谷子籽粒體形極小、千粒質(zhì)量小、播種量小，此類排種器不易控制播種量，容易堵塞，傷種率高[7]，對播種均勻性、穩(wěn)定性有不利影響，很難達(dá)到谷子優(yōu)質(zhì)精播的目的[8-9]。試驗證明，氣吸式排種器的排種性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于機(jī)械式排種器，它具有省種、不傷種且對不同尺寸的種子具有良好的通用性且播種均勻性高，易實(shí)現(xiàn)精量播種等諸多優(yōu)點(diǎn)[10]。

國外成熟的氣力式精量播種作業(yè)機(jī)械主要用于玉米、大豆等中耕作物，如法國MONOSEM公司生產(chǎn)的NG PLUS系列和MONOSEMNC系列的氣吸式播種機(jī)，美國的John-Deere 1700系列氣吸式精量播種機(jī)，德國阿瑪松公司生產(chǎn)的ED系列氣吸式單粒精量播種機(jī)等[11-13]。國外對小麥、谷子等條播作物的氣力式精量播種機(jī)械進(jìn)行了長期的研究，其中氣流一階分配式集排排種系統(tǒng)大量應(yīng)用在田間小區(qū)試驗的谷物條播機(jī)上，排種器的性能能滿足高速作業(yè)精量播種的要求，但未見到在大田中規(guī)?；シN作業(yè)[14-17]。我國對中耕作物氣力式精量播種機(jī)械的研究也已比較成熟，但谷子精量播種機(jī)主要以機(jī)械式為主。例如，采用窩眼式排種器的播種機(jī)、山西省運(yùn)城市農(nóng)機(jī)局與運(yùn)城市施肥播種機(jī)廠共同研究設(shè)計的采用往復(fù)式排種器的播種機(jī)、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)明的異型螺旋槽式精少量播種機(jī)、陜西省寶雞市農(nóng)科所研制的多功能精量排種器等。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的廖慶喜、楊波等人設(shè)計的內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器，其充種與清種機(jī)理仍然是機(jī)械式的結(jié)構(gòu)形式，傷種率必然高于氣吸式充種結(jié)構(gòu)，只是在投種時利用了氣吹原理。郭超永、李旭、廖慶喜等人設(shè)計的另外一類油菜精量排種器采用的是氣吸和氣吹聯(lián)合排種原理，正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)通過氣室隔板隔開，需要嚴(yán)格的密封性，設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工制造成本高。

針對谷子具有粒徑小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則等特殊的物理特性，研究了一種氣吸式谷子精量穴播機(jī)，能有效解決吸種型孔堵塞及種子破損問題，且實(shí)現(xiàn)谷子精量播種。

1　排種器的結(jié)構(gòu)及原理

1.1　排種器結(jié)構(gòu)

排種器主要由氣室體、氣室蓋、排種盤、中心軸、密封圈、軸承、傳動齒輪和清種裝置等結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。排種盤的一側(cè)為種子室；盛放用于即將播種的谷種，另一側(cè)為氣室體，通過密封圈密封。排種盤的吸種孔采用組孔形式：沿圓周方向開有18組圓孔，每組5個吸種圓孔。清種刷用于清除小孔內(nèi)被吸附的雜質(zhì)和小粒谷種，避免長期作業(yè)后種孔堵塞。擋種刷可阻擋種室內(nèi)小粒谷種的下漏，同時減少摩擦。

1.擋種刷　2.種室蓋　3.清種刷　4.攪籽盤　5.排種盤6.排種軸　7.軸承　8.軸套　9.密封圈　10.氣室體　11.驅(qū)動齒輪

1.2　排種器工作原理

谷種隨排種盤的運(yùn)動可分為3個工作區(qū)段：充種區(qū)、攜種區(qū)及投種區(qū)，如圖2所示。吸種孔處于種子室的區(qū)域時即為充種區(qū)。在充種區(qū)，由于真空吸力的作用谷種被吸附在吸種孔組上，隨排種盤的轉(zhuǎn)動脫離種子室，實(shí)現(xiàn)充種；充種完成后，谷種隨排種盤經(jīng)過攜種區(qū)進(jìn)入投種區(qū)，此時負(fù)壓消失，在重力作用下，谷種自動落入種溝內(nèi)；落種區(qū)的清種刷將吸孔組內(nèi)的雜質(zhì)和小粒谷種清理掉，為下一個循環(huán)吸種孔可靠吸附谷種提供可靠保證。

2　試驗材料及裝置

試驗所用材料為包衣谷子8311-14，其物理特性參數(shù)如表1所示。試驗用裝置：不同吸種孔直徑的排種器3套，吸種孔直徑分別為1.6、1.8、2.0mm。試驗設(shè)備是JPS-12計算機(jī)視覺排種器試驗臺，如圖3所示。

圖2　排種器工作原理簡圖

參數(shù)球形度/%千粒質(zhì)量/g自然休止角/(°)數(shù)值97.5314.1624

1.排種器　2.排種器固定架　3.氣管　4.傳輸帶

3　試驗評價指標(biāo)

依據(jù)文獻(xiàn)[18]和[19]，穴距以理論穴距±15mm為合格。若大于1.5倍理論穴距，則為空穴。根據(jù)農(nóng)藝要求，每穴3～5粒谷種，多于5?；蛏儆?粒為不合格。本試驗確定穴粒數(shù)合格率、穴距合格率、空穴指數(shù)及穴距變異系數(shù)為排種器性能評價指標(biāo)，每行測定不少于30個穴距，測定穴數(shù)f=50。

(1)

其中，n為穴數(shù)；Xi為各穴距；X為穴距平均值。

當(dāng)n<30時，式中分母取n-1；當(dāng)n≥30時，式中分母取n。此處分母取n，且n=f=50。

(2)

(3)

其中，Lh為穴粒數(shù)合格的穴數(shù)。

(4)

其中，Xh為穴距合格數(shù)。

(5)

其中，Kh為空穴數(shù)。

本試驗中,設(shè)定種床帶運(yùn)行速度3km/h，播種距離較長時，理論穴距Xr(mm)為

(6)

式中V—種床帶運(yùn)行速度，V=3km/h。

N—排種盤吸種孔組數(shù)，N=18。

4　試驗方案及結(jié)果分析

4.1　試驗方案

試驗研究吸種孔經(jīng)、排種器轉(zhuǎn)速和氣室真空度3個主要因素對穴粒數(shù)合格指數(shù)、穴距合格指數(shù)、空穴指數(shù)及穴距變異系數(shù)的影響，設(shè)計3因素3水平正交試驗，得到因素影響主次順序及最優(yōu)組合。選用正交表L9(34)進(jìn)行正交試驗，正交試驗因素水平如表2所示，試驗方案如表3所示。其中，第4列為空列，每組試驗均重復(fù)進(jìn)行3次。

表2　正交試驗3因素3水平安排表

表3　正交試驗方案

4.2　結(jié)果與分析

4.2.1試驗結(jié)果

根據(jù)表3中的正交試驗方案在JPS-12排種器試驗臺上進(jìn)行試驗，每組試驗的3次試驗結(jié)果取平均值，最終試驗結(jié)果如表4所示。

表4正交試驗結(jié)果

Table 4Orthogonal test data %

試驗號ABC穴粒數(shù)合格指數(shù)穴距合格指數(shù)空穴指數(shù)穴距變異系數(shù)111168.0066.0018.0021.41212268.0072.008.0020.69313380.0080.008.0016.89421266.0070.008.0023.32522374.0080.004.0019.10623178.0084.006.0018.24731380.0072.004.0017.44832182.0082.002.0013.24933280.0084.00016.09

4.2.2結(jié)果分析

1)穴粒數(shù)合格指數(shù)極差和方差分析。由極差分析(見表5)和方差分析(見表6)可知：排種器穴粒數(shù)合格指數(shù)受各因素的影響主次順序依次為氣室真空度A>排種器轉(zhuǎn)速B>吸種孔徑C，較優(yōu)水平組合為A3B3C3。氣室真空度A對穴粒數(shù)合格指數(shù)的影響非常顯著，排種器轉(zhuǎn)速B和吸種孔徑C對穴粒數(shù)合格指數(shù)的影響顯著。

表5　穴粒數(shù)合格指數(shù)極差分析表

續(xù)表5

K1、K2、K3代表各因素列對應(yīng)水平(1，2，3)的數(shù)據(jù)之和；k1、k2、k3代表各水平數(shù)據(jù)的綜合平均值；

表6　穴粒數(shù)合格指數(shù)方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

2)穴距合格指數(shù)極差和方差分析。由表極差分析(見表7)和方差分析(見表8)可知：排種器穴距合格指數(shù)受各因素的影響主次順序依次為排種器轉(zhuǎn)速B> 氣室真空度A> 吸種孔徑C，較優(yōu)水平組合為A3B3C1或者A3B3C3。排種器轉(zhuǎn)速B對穴距合格指數(shù)的影響高度顯著，氣室真空度A對穴距合格指數(shù)的影響非常顯著，吸種孔徑C對穴距合格指數(shù)的影響不顯著。

表7　排種器穴距合格指數(shù)極差分析表

續(xù)表7

K1、K2、K3代表各因素列對應(yīng)水平(1，2，3)的數(shù)據(jù)之和；k1、k2、k3代表各水平數(shù)據(jù)的綜合平均值；R代表極差。

3)空穴指數(shù)極差和方差分析。由極差分析(見表9)和方差分析(見表10)可知：排種器空穴指數(shù)受各因素的影響主次順序依次為氣室真空度A> 排種器轉(zhuǎn)速B> 吸種孔徑C，較優(yōu)水平組合為A3B2(B3)C2(C3)。氣室真空度A對空穴指數(shù)的影響非常顯著，排種軸轉(zhuǎn)速B對空穴指數(shù)的影響顯著，吸種孔徑C對空穴指數(shù)的影響不顯著。

4)穴距變異系數(shù)極差和方差分析。由極差分析(見表11)和方差分析(見表12)可知：排種器穴距變異系數(shù)受各因素的影響主次順序依次為氣室真空度A> 排種器轉(zhuǎn)速B> 吸種孔徑C，較優(yōu)水平組合為A3B3C1。氣室真空度A和排種軸轉(zhuǎn)速B對穴距變異系數(shù)的影響均顯著，吸種孔徑C對穴距變異系數(shù)的影響不顯著。

表8　排種器穴距合格指數(shù)方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

表9　排種器空穴指數(shù)極差分析表

續(xù)表9

K1、K2、K3代表各因素列對應(yīng)水平(1，2，3)的數(shù)據(jù)之和；k1、k2、k3代表各水平數(shù)據(jù)的綜合平均值；R代表極差。

表10　排種器空穴指數(shù)方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

表11穴距變異系數(shù)極差分析表

Table 11Range analysis table of coefficient of variation of the distance between holes

項目穴距變異系數(shù)/%ABCK158.99 62.17 52.89 K260.66 53.03 60.10 K346.77 51.22 53.43 k119.66 20.72 17.63k220.22 17.68 20.03

續(xù)表11

K1、K2、K3代表各因素列對應(yīng)水平(1，2，3)的數(shù)據(jù)之和；k1、k2、k3代表各水平數(shù)據(jù)的綜合平均值；R代表極差。

表12　穴距變異系數(shù)方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

通過排種器正交試驗可知：氣室真空度A對穴粒數(shù)合格指數(shù)、空穴指數(shù)和穴距合格指數(shù)的影響非常顯著，對穴距變異系數(shù)的影響顯著，在排種器的設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)；排種器轉(zhuǎn)速B對穴粒數(shù)合格指數(shù)的影響高度顯著，對穴粒數(shù)合格指數(shù)、空穴指數(shù)和穴距變異系數(shù)的影響顯著，對播種均勻性起到了關(guān)鍵作用，尤其對穴粒數(shù)的農(nóng)藝要求起到了決定作用；吸種孔徑C對穴粒數(shù)合格指數(shù)的影響顯著，對其它指標(biāo)參數(shù)影響不顯著。根據(jù)易加工原則，在穴粒數(shù)指數(shù)和穴距變異系數(shù)二者中優(yōu)先考慮穴粒數(shù)指數(shù)滿足農(nóng)藝要求，較優(yōu)水平組合為A3B3C3，即吸種孔徑真空負(fù)壓P=-0.8kPa、排種器轉(zhuǎn)速n=30r/min、吸空直徑d=2.0mm。

5　優(yōu)化定型后排種器性能試驗

經(jīng)過正交試驗優(yōu)化定型后的排種器參數(shù)為2.0mm的吸種孔徑、30r/min的排種軸轉(zhuǎn)速、-0.8kPa真空負(fù)壓，在種床帶速度3.0km/h的情況下進(jìn)行性能測試。試驗重復(fù)3次，然后取平均值，試驗性能指標(biāo)結(jié)果如表13所示。試驗結(jié)果滿足文獻(xiàn)[18]和[19]的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表13優(yōu)化后排種器試驗性能指標(biāo)參數(shù)

Table 13Test performance indicators of seed-metering device after optimization%

性能指標(biāo)試驗號123平均值標(biāo)準(zhǔn)值穴粒數(shù)合格指數(shù)86849086.67≥80穴距合格指數(shù)92888889.33≥80空穴指數(shù)2.000.002.001.33≤2穴距變異系數(shù)11.499.9512.8411.43≤40

6　結(jié)論

1)利用真空負(fù)壓原理，設(shè)計了一種用于包衣谷子穴播的新型排種器，排種器吸孔采用每組多孔的形式，改變了傳統(tǒng)谷子條播作業(yè)方式，解決了谷子間苗花費(fèi)大量人工的難題。

2)正交試驗研究表明：氣室真空度是在排種器的設(shè)計中需要重點(diǎn)考慮的參數(shù)；排種器轉(zhuǎn)速對播種均勻性起到了關(guān)鍵作用，尤其對穴粒數(shù)的農(nóng)藝要求起到了決定作用。確定較優(yōu)水平組合為：真空負(fù)壓-0.8kPa，排種器轉(zhuǎn)速30r/min，排種器轉(zhuǎn)速2.0mm。

3)對優(yōu)化定型后的谷子排種器進(jìn)行綜合性能測試，穴粒數(shù)合格指數(shù)、穴距合格指數(shù)、空穴指數(shù)及穴距變異系數(shù)4項性能指標(biāo)均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及農(nóng)藝要求。