氣吸式覆膜精量油菜播種機排種性能試驗與優(yōu)化設(shè)計

張 琴，王保愛，孫步功，馮 巖

(1. 甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 7300703.北汽福田汽車有限公司，山東 濰坊 261000)

油菜作為我國主要經(jīng)濟作物，年產(chǎn)量已接近600萬噸，提高油菜單位面積產(chǎn)率、改善種植勞動強度變得尤為關(guān)鍵。大量試驗表明精準(zhǔn)播種是實現(xiàn)油菜高產(chǎn)的必要條件。設(shè)計高效可靠的油菜播種機有利于提高油菜播種的效率和質(zhì)量[1-2]。

發(fā)達(dá)國家對精量播種機械研究起步較早，德國哈西亞公司的氣吸式播種機，能進行開溝、施肥、播種、鎮(zhèn)壓、覆土、噴灑藥劑等作業(yè)，但成本較高[3]。國內(nèi)起步晚速度快，廖慶喜等針對傳統(tǒng)單行排種器，設(shè)計出四行離心式排種器，利用驅(qū)動軸帶動內(nèi)錐筒旋轉(zhuǎn)，在離心作用下，將種子推至出種孔排出[4]。郭玉明等研制的2BX系列谷子精量播種機，利用環(huán)槽式高頻振動和異型螺旋槽兩種類型的排種裝置控制播種量，并設(shè)計出形狀尺寸不同的槽斷面排種輪來適應(yīng)粒徑大小不同(谷子、糜子、菜籽、牧草等谷物種子)的小籽粒谷物種子的排種要求[5]。縱觀國內(nèi)一些油菜播種情況，大多由調(diào)整改裝后的小麥條播機進行播種，而小麥播種機的排種器多為外槽輪式，由于油菜籽粒徑小(1.5～2.2 mm)，導(dǎo)致油菜播種過程中播種量難以控制，不僅浪費大量的種子，且給后期的間苗、定苗增加了工作量；此外，這類播種機械大多為小型機械，工作效率低，其重播漏播率在3%～4%。由于油菜種植方式的多樣性、油菜籽粒的特殊性及土壤條件的復(fù)雜性，致使油菜種植機械推廣受到阻礙，導(dǎo)致部分地區(qū)在油菜生產(chǎn)機械化試驗示范過程中無適宜的機械。

由上述相關(guān)研究可知，重播漏播率高、人工勞動強度大是油菜播種最為關(guān)鍵的問題，針對以上問題，本試驗致力于研究開發(fā)一種精準(zhǔn)、高效的氣吸式精量播種機，對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，利用相關(guān)軟件進行分析，獲得影響播種性能的關(guān)鍵因素和最優(yōu)參數(shù)組合，最后通過田間試驗驗證最優(yōu)參數(shù)組合下播種機的播種性能。

1 整機結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)

整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，該播種機由拖拉機提供動力，采用三點懸掛方式；整機由懸掛裝置、整地裝置、開溝器、排肥裝置、覆膜裝置、排種裝置、覆土裝置、鎮(zhèn)壓裝置等組成。

1.2 工作原理

1.鎮(zhèn)壓裝置；2. 刮土器；3. 覆土裝置；4. 機架；5. 排種裝置；6. 種箱； 7. 滴灌帶鋪設(shè)裝置；8. 地輪；9. 前覆土鏟；10.覆膜裝置；11. 大鎮(zhèn)壓滾； 12. 排肥裝置；13. 開溝器；14. 整地裝置；15. 風(fēng)機裝置；16. 懸掛裝置1. suppression device；2. scraper device；3. covering device；4. frame； 5. seeding device；6. seed box；7. drip irrigation device； 8. land wheel；9. covering blade；10. mulching device； 11. suppression roll；12. fertilization device；13. colter boot； 14. land preparation device；15. fan; 16. suspension gear圖1 氣吸式油菜精量播種機結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure sketch of air-suction precision seeder mechanism

田間作業(yè)時，最前端的平土鏟對地表進行平整，施肥裝置中的肥料經(jīng)過塑料軟管和圓盤式開溝器相連，在開溝的同時把肥料精確地撒入溝槽內(nèi)，然后再經(jīng)大鎮(zhèn)壓輪將土地壓平實現(xiàn)施基肥工作。覆膜時先用鋪膜輥將地膜展平，再用壓膜輪將地膜壓入左右兩側(cè)由前刮土器所開的溝中，機架左右兩側(cè)的小覆土鏟再將土壤填入溝中。滴水灌溉設(shè)施鋪設(shè)在膜的下面，滴水口在播種處，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，提高育苗的成活率。播種環(huán)節(jié)排種時，排種裝置通過機架的向前運動開始向前滾動，在膜上進行先扎眼，后播種。最后，利用鎮(zhèn)壓覆土裝置和地面產(chǎn)生的摩擦滾動，將鎮(zhèn)壓覆土裝置里面的土壤通過裝置中間空隙覆蓋在土地上所扎的眼孔，蓋住種子。機架左右的大覆土鏟向覆土裝置中填充土壤，保證足夠的土壤可以蓋住孔穴。覆土輪可以上下浮動，鎮(zhèn)壓住覆蓋在地膜下面的土壤，使土壤和種子接觸更加充分。完成一體化播種作業(yè)。

1.3 播種機主要技術(shù)參數(shù)

播種機主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 氣吸式覆膜精量油菜播種機技術(shù)參數(shù)

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 排種裝置設(shè)計

氣吸式排種器是應(yīng)用氣吸原理進行排種的，其排種圓盤呈垂直狀安裝在種子箱底面，一側(cè)與種子暫存?zhèn)}相接，另一側(cè)與氣吸室相接，在排種圓盤上開有氣流通道孔。排種通過壓緊裝置壓住排種盤以減少漏氣。穴播輪前殼體與導(dǎo)種管相連，底部裝有刮種板。氣吸室和風(fēng)機相連，風(fēng)機工作時使氣吸室產(chǎn)生真空度，進而在排種盤兩側(cè)形成一定的壓力差，在該壓力差的作用下，種子被吸附在吸種孔上。當(dāng)帶孔排種盤攜種子運轉(zhuǎn)至刮種板時，種子受到阻力在自身重力作用下掉落至對應(yīng)鴨嘴穴內(nèi)。排種盤繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在壓力差的作用下再次吸附種子，如此循環(huán)連續(xù)進行排種。以垂直圓盤式排種盤為例，當(dāng)排種器工作時，種子所受外力主要有種子重力(G)、種子旋轉(zhuǎn)慣性力(J)、吸孔吸附力(P)及吸孔處產(chǎn)生的支持力(N)。種子離開種子群開始移動時產(chǎn)生的摩擦力可忽略，如圖2所示。

圖2 種子受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressure on seeds

排種裝置的結(jié)構(gòu)G—種子所受重力，J—種子所受慣性力，T—G、J的合力，d—吸種孔直徑，h—種子重心與排種盤的距離，F(xiàn)—種子所受吸附力，N—種子所受支持力，其中：J=mrω2(ω為排種盤的角速度，r為種子重心到排種盤轉(zhuǎn)動軸的距離)。

當(dāng)排種盤等速轉(zhuǎn)動時，慣性力(J)的大小保持恒定，而其方向不斷變化，重力(G)的大小和方向恒定不變。從受力分析圖可以看出，合力的大小在開始吸種時最大，隨后減小。當(dāng)G與J方向相反時，即種子達(dá)到排種盤頂部時種子所受外力的合力最小，此時所需吸孔的吸附力最小，要求的真空度亦最??；當(dāng)種子轉(zhuǎn)過頂部逐漸下降時所受合力又逐漸增大。計算真空室所需最小真空壓力時，應(yīng)以充種區(qū)所需真空壓力為基準(zhǔn)。因此，要保證吸孔吸住種子，需滿足息室真空度最大值要求[6]：

(1)

式中,d為排種盤吸孔直徑(mm)，取d=1.2 mm；c為種子重心到排種盤的距離(mm)，取c=2.5 mm；m為單粒種子的質(zhì)量(kg)，m=5.6×10-6kg；v為吸孔中心處的線速度(m·s-1)，v= 0.35 m·s-1；r為排種盤吸孔處的轉(zhuǎn)動半徑(m)，r= 0.07 m；λ為種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，λ=(6～10)tanθ，θ為種子自然休止角，λ= 8×tan28°；K1為吸種可靠性系數(shù)，一般在種子千粒重小，種子形狀近似球形時選擇較小值，K1=1.8～2.0；K2為工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)，一般K2=1.6～2.0，種子千粒重大時取大值，本文取K2=1.6。本設(shè)計選溝寬為50 mm，由式(1)，根據(jù)所需要的數(shù)據(jù)，計算出吸室的真空度范圍為2.5 kPa。

由計算公式(1)可知，氣吸式排種器所需真空度極限值與吸孔直徑、排種盤吸孔處線速度及種子物理特性等有關(guān)。吸室的結(jié)構(gòu)形式主要有兩種，即圓環(huán)形和馬蹄形[7-8]。由文獻(xiàn)[9-10]可知，氣吸室流場滿足：

(2)

式中：ωx為假設(shè)微團(質(zhì)點)x方向的旋轉(zhuǎn)角速度；ωy為假設(shè)微團(質(zhì)點)y方向的旋轉(zhuǎn)角速度；ωz為假設(shè)微團(質(zhì)點)z方向的旋轉(zhuǎn)角速度。由式(2)可以看出氣吸室為等勢流場，即氣吸室內(nèi)部壓力相等，與氣吸室形狀無關(guān)。由于在吸孔附近存在壓力差，氣流產(chǎn)生流動，所以種子會受到氣流的作用力，其在流體中的受力[11]如圖3所示。

圖3 流體中種子受力Fig.3 Pressure on seed in fluid

設(shè)種子負(fù)壓面所受壓力為P1，正壓面所受壓力為大氣壓力Pa，那么推動種子移動的力為Pa-P1，所以，根據(jù)伯努利方程可得：

(3)

(4)

式中：A為吸孔的面積，ρ為空氣的密度(kg·m-3)，r為種子與吸孔的距離(m)，y為種子偏離吸種孔中心的橫向距離(m)。則有：

F=?(Pa-P1)ds

(5)

式中,R為種子半徑，Q為空氣流量(m3·s-1)。

若假設(shè)種子為圓形，且取種子當(dāng)量半徑為a，對種子受力在其平面上進行積分，可得種子的受力為：

(6)

式中，c為吸孔半徑(m)。

由(6)式可以看出，種子在氣流中的作用力F與吸孔的面積及種子和吸種孔的距離有很大關(guān)系，即隨著吸種孔面積的增大吸種孔吸力顯著增大，隨著種子與吸種孔距離的增大種子所受吸力急劇減小，距離增大到一定值后，所受吸力減至最小值為零，所以吸種孔應(yīng)盡量與種子接觸。因此設(shè)計排種裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 排種性能試驗

3.1 試驗指標(biāo)

試驗依據(jù)《單粒(精密)播種機試驗方法》(GB/T6973-2005)，選用油菜種子的漏播率、合格率和重播率作為衡量排種器工作質(zhì)量的性能指標(biāo)，并且將其作為試驗?zāi)繕?biāo)[17-20]，根據(jù)前期試驗研究，結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果[12,13-18]，影響排種性能的主要參數(shù)為排種盤轉(zhuǎn)速、氣吸室負(fù)壓、排種盤型孔直徑。故選取這3個主要試驗因素展開對排種器排種性能影響的試驗研究，尋求上述試驗因素間的最佳參數(shù)組合，以期獲得較高的合格率，為氣吸式油菜精量排種器的設(shè)計提供參考。

3.2 試驗設(shè)計

前期通過大量的單因素試驗確定了播種機排種盤轉(zhuǎn)速取值范圍在150～250 r·min-1，負(fù)壓值取值范圍在1.5～3 kPa，排種盤型孔直徑范圍在0.5～1.9 mm。為了找到這3個因素的最佳參數(shù)，使得此排種器排種性能最佳，本文采用Central Composite Design試驗設(shè)計原理，以播種機排種盤轉(zhuǎn)速X1、氣吸室負(fù)壓X2、排種盤型孔直徑X3為自變量，合格率Y1、重播率Y2、漏播率Y3為響應(yīng)值，選擇了試驗次數(shù)少，計算方便，可以避免回歸系數(shù)間相關(guān)性的二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗方法，試驗因素和水平如表2所示。

再根據(jù)三因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗表進行試驗，每組試驗重復(fù)3次取平均值。試驗設(shè)計及結(jié)果見表3。

3.3 回歸分析

借助Design-Expert 8.0.5軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，對試驗結(jié)果進行回歸分析，可以得到合格率(Y1)、漏播率(Y2)和重播率(Y3)的回歸方程。

表2 試驗因素和水平

1.鴨嘴；2. 穴播器后殼體；3. 進氣孔；4. 穴播器前殼體；5. 進種口1.the duck mouth；2. rear cabinet of dibble；3. air inlet；4. fan blades of dibble；5. feed inlet圖4 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of seed distribution device

試驗序號Test serialnumber因素水平 Level排種盤轉(zhuǎn)速X1Rotation speed負(fù)壓X2Negative pressure響應(yīng)值 Response value排種盤型孔直徑X3Hole diameter合格率Y1/%Qualified rate漏播率Y2/%Failure rate重播率Y3/%Reseed rate1-1-1-185.66.38.121-1-186.15.48.53-11-182.311.36.4411-180.914.24.95-1-1184.39.76.061-1182.511.36.27-11183.78.28.1811181.312.46.39-1.6820088.73.67.7101.6820085.66.77.7110-1.682092.32.84.91201.682086.77.85.51300-1.68278.815.35.914001.68274.818.07.21500096.31.91.81600096.82.11.11700097.21.71.71800096.31.91.81900095.82.31.92000095.02.62.42100098.01.30.72200097.41.51.12300096.92.40.7

合格率(Y1)回歸模型的建立與顯著性檢驗通過試驗以及對試驗數(shù)據(jù)進行多元回歸擬合，獲得各因素編碼值表示的合格率(Y1)、漏播率(Y2)、重播率(Y3)的二次回歸模型分別為：

Y1=96.64-0.76X1-1.44X2-0.72X3-0.31X1X2

(7)

Y2=1.96+0.95X1+1.60X2+0.65X3+0.80X1X2

(8)

Y3=1.47-0.2X1-0.15X2+0.065X3-0.49X1X2

(9)

由表4可知，回歸模型的P<0.001，表明回歸模型極其顯著；失擬項P>0.05，失擬不顯著，說明模型所擬合的二次回歸方程與實際相符合，能正確反映合格率Y1與X1、X2、X3之間的關(guān)系，回歸模型可以較好地對優(yōu)化試驗中各種試驗結(jié)果進行預(yù)測。其中對于合格率，模型的一次項X1、X2、X3和影響極顯著，其余影響不顯著。根據(jù)以上三式各因素回歸系數(shù)的大小，可得到影響合格率及漏播率主次順序為:X2>X1>X3，即氣吸室負(fù)壓>排種盤轉(zhuǎn)速>排種盤型孔直徑。

3.4 結(jié)果分析

通過Design-Expert 8.0.5對數(shù)據(jù)進行處理，可得到播種機排種盤轉(zhuǎn)速(X1)、氣吸室負(fù)壓(X2)、排種盤型孔直徑(X3)對合格率的影響，交互因素對排種合格率響應(yīng)面曲線如圖5所示。

(1)排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室負(fù)壓的交互作用對排種合格率的影響。圖a為排種盤型孔直徑在1.2 mm時，排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室負(fù)壓對排種合格率交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，氣吸室負(fù)壓一定時，排種隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增大，排種合格率先上升后下降；排種盤轉(zhuǎn)速一定時，隨著氣吸室負(fù)壓的增大，排種合格率同樣先上升后降低。排種盤轉(zhuǎn)速為197 r·min-1、氣吸室負(fù)壓2.5 kPa時，播種機合格率最高。

(2)排種盤轉(zhuǎn)速和排種盤型孔直徑的交互作用對排種合格率的影響。圖b為氣吸室負(fù)壓為2.5 kPa時，排種盤轉(zhuǎn)速和排種盤型孔直徑對排種合格率交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，排種盤轉(zhuǎn)速一定時，隨著排種盤型孔直徑增大，排種合格率先上升后下降；排種盤型孔直徑一定時，隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增大，排種合格率同樣先上升后降低。排種盤轉(zhuǎn)速197 r·min-1、排種盤型孔直徑1.2 mm時，排種合格率最高。

表4 回歸方程方差分析

圖5 交互作用對合格率的影響Fig.5 The effects of interaction on the qualification rate

(3)氣吸室負(fù)壓和排種盤型孔直徑的交互作用對排種合格率的影響。圖c為排種盤轉(zhuǎn)速197 r·min-1時，氣吸室負(fù)壓和排種盤型孔直徑對排種合格率交互作用的響應(yīng)曲面圖。由圖可知，氣吸室負(fù)壓一定時，隨著排種器排種盤型孔直徑的增大，排種合格率先上升后下降；排種盤型孔直徑一定時，隨著氣吸室負(fù)壓的增大，排種合格率同樣先上升后下降。氣吸室負(fù)壓為2.5 kPa，排種盤型孔直徑1.2 mm時，排種合格率最高。

同理，各交互因素對排種漏播率的影響響應(yīng)面曲線如圖6所示，對排種重播率的影響響應(yīng)面曲線如圖7所示。

4 參數(shù)優(yōu)化與田間試驗

利用優(yōu)化工具箱，對回歸方程模型進行優(yōu)化求解，得到氣吸式油菜精量播種機最優(yōu)工作參數(shù)為：播種機排種盤轉(zhuǎn)速197 r·min-1、氣吸室負(fù)壓2.5 kPa、排種盤型孔直徑1.2 mm。為了驗證模型的可靠性，采用上述最優(yōu)播種工作參數(shù)進行9次試驗取平均值。結(jié)果表明，膜上播種合格率平均值為96%，與回歸模型的計算結(jié)果相比平均相對誤差為2%，表明優(yōu)化工作參數(shù)組合可以作為氣吸式油菜精量播種機田間作業(yè)的最佳依據(jù)。

精準(zhǔn)型氣吸式覆膜油菜穴播機在膜上播種，可以一次性完成平土整土、開溝施肥、滴水灌溉、覆膜、播種、覆土鎮(zhèn)壓等作業(yè)。有效解決了旱地油菜生長期缺水、苗間距不一致等問題，具有播種效率和出苗率高，省種，免間苗，適宜機械收獲，設(shè)備制造成本低等優(yōu)點，達(dá)到精準(zhǔn)播種施肥的目的。

圖6 交互作用對漏播率的影響Fig.6 The effects of interaction on the failure rate

圖7 交互作用對重播率的影響Fig.7 The effects of interaction on the reseed rate

圖8 氣吸式油菜精量播種機田間試驗Fig.8 Field experiment of air-suction precision rapeseed seeder

檢測項目Testing subject設(shè)計要求Designrequirement實測結(jié)果Test result作業(yè)幅寬 Operation width/mm12001200株距 Space between plants/mm100100播種/施肥行數(shù) Number of sowing/fertilizing44播種深度 Sowing depth/mm20～3025播種量 Sowing amount/(kg·hm-2)1.5～3.02.55施肥量 Amount of fertilizer/(kg·hm-2)300～525340合格率 Qualification rate/%9396重播指數(shù) Reseed index/%≤73漏播指數(shù) Failure index/%≤51作業(yè)速度 Speed/(km·h-1)1.9～2.72.16生產(chǎn)率 Productivity/(hm2·h-1)0.3～0.40.35

5 結(jié) 論

本文針對油菜播種機普遍存在的重播漏播率高等問題設(shè)計一種精量覆膜播種機，對于播種器排種性能以排種盤轉(zhuǎn)速、氣吸室負(fù)壓、排種盤型孔直徑為3個試驗因素，以合格率、重播率、漏播率為3個響應(yīng)值，分別進行試驗，并通過Design-Expert 8.0.5對數(shù)據(jù)進行處理，分析了三因素的交互作用對排種合格率的影響，得到以下結(jié)論：

1)播種機排種盤轉(zhuǎn)速197 r·min-1、氣吸室負(fù)壓2.5 kPa、排種盤型孔直徑1.2 mm時，播種合格率為93%，重播率為≤7%，漏播率為≤5%。

2)田間試驗結(jié)果表明，播種合格率為96%，重播率為3%，漏播率為1%，效果較好。