氣吸式玉米精量排種器性能試驗(yàn)研究

牟忠秋，衣淑娟，李衣菲，毛 欣，陶桂香

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

我國地域遼闊，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)歷來是固國安民之要。為了解決人民的溫飽問題，我國對(duì)糧食生產(chǎn)率的要求越發(fā)嚴(yán)格[1]，播種機(jī)的出現(xiàn)大大提高了傳統(tǒng)耕作的生產(chǎn)效率[2]。氣吸式播種機(jī)是眾多播種機(jī)的一種，其關(guān)鍵部件是排種器。氣吸式排種器可以用于穴播和點(diǎn)播，通過調(diào)節(jié)排種盤的直徑、孔的大小及傳動(dòng)比，實(shí)現(xiàn)不同農(nóng)作物的播種；且它對(duì)種子外形尺寸沒有多少要求，對(duì)種子的自身傷害很低，并且可以在播種作業(yè)速度很高的情況下進(jìn)行播種。

研究表明：氣吸式玉米精量排種器不僅受內(nèi)在因素的干擾，如吸孔直徑、吸孔數(shù)目、排種盤大小等，而且還受外在因素的影響，如播種作業(yè)速度、氣吸室真空度和投種高度等[3]。 想要使播種機(jī)的工作效率達(dá)到最高，必須選取正確、合適的排種器參數(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)高效播種，提高氣吸式播種機(jī)排種器的排種效率，本文進(jìn)行了性能測(cè)試[4]，并研究了氣吸式排種器的播種作業(yè)速度及吸室真空度等因素對(duì)其排種性能的影響，分析影響因素的主次，同時(shí)進(jìn)行了正交試驗(yàn)的方差分析，確定了最優(yōu)參數(shù)組合[5]。

1 氣吸式排種器的結(jié)構(gòu)及原理

氣吸式排種器由吸氣室、排種室、種子室、刮種器、 攪種器，以及吸氣管等組成，如圖1所示。吸種孔均勻地分布在排種盤上，在排種盤上還設(shè)有攪種器[6]，目的是為了防止種子不被吸到排種孔上，導(dǎo)致漏播的出現(xiàn)[7]。 其左側(cè)為充種室，與種箱相連；右側(cè)是真空室，風(fēng)機(jī)為其提供負(fù)壓，使一個(gè)或者多個(gè)種子成功被吸附。當(dāng)?shù)剌嗱?qū)動(dòng)圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于受真空度大小的影響，吸孔可能會(huì)吸附兩?；蚨嗔Ｓ衩追N子，此時(shí)刮種器1將多余的種子刮掉，只留下單粒種子，防止重播的出現(xiàn)[8]；當(dāng)種子隨圓盤轉(zhuǎn)至開溝器正上方時(shí)，由于真空室的吸力消失，種子在重力的作用下掉入曲線導(dǎo)種管中[9]。曲線導(dǎo)種管的作用是引導(dǎo)種子，當(dāng)種子從管中滑落時(shí)會(huì)有一個(gè)向后的分速度，這個(gè)分速度與整機(jī)作業(yè)向前的速度抵消，使得種子的實(shí)際速度為零時(shí)落種，從而保證了種子在輸送帶上均勻分布。

1.刮種器 2.充種 3.排種圓盤 4.真空室 5.吸孔 6.吸氣管

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

本試驗(yàn)選用的排種器型孔數(shù)為33孔， 型孔分布圓直徑為260mm。試驗(yàn)研究對(duì)象選用先玉335玉米種子，試驗(yàn)前隨機(jī)抽選250粒玉米種子，測(cè)量其尺寸特征，如表1所示。在其他影響因素不變的情況下，觀察不同的播種作業(yè)速度、投種高度及真空度對(duì)排種的性能指標(biāo)(合格率、漏播率、重播率)的影響[10]。 本試驗(yàn)于2017年12月在土槽實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)選擇氣吸式排種器[11]， 測(cè)試設(shè)備采用JPS-12型試驗(yàn)臺(tái)，其工作性能指標(biāo)如表2所示。

表1 玉米種子的尺寸參數(shù)

表2 JPS-12 型試驗(yàn)臺(tái)性能指標(biāo)

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)過程中，JPS-12型試驗(yàn)臺(tái)模擬播種機(jī)的田間作業(yè)，傳送帶模擬種床[12]。試驗(yàn)臺(tái)綜合控制柜控制傳送帶運(yùn)動(dòng)，排種器、油泵及油刷固定不動(dòng)。當(dāng)傳送帶、排種軸、油泵以及風(fēng)機(jī)都啟動(dòng)后，氣吸式排種器把玉米種子投到運(yùn)動(dòng)著的傳送帶的油層上，被黏住的種子跟隨傳送帶向前運(yùn)動(dòng)，從而測(cè)得種子粒距[13]。試驗(yàn)選取250粒玉米種子為統(tǒng)計(jì)樣本，重復(fù)3次試驗(yàn)，最后的通過計(jì)算取平均值。排種數(shù)據(jù)的收集和處理完全由計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)來完成，降低了人為誤差的影響。試驗(yàn)指標(biāo)要依據(jù)《GB/ T6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，如果兩粒種子之間的粒距≥1.5Xr(Xr為理論粒距)時(shí)為漏播；當(dāng)粒距<0.5Xr時(shí)為重播；當(dāng)粒距在0.5～1.5Xr之間時(shí)為合格[14]。

2.3 單因素試驗(yàn)

影響排種合格率的因素有很多，如投種高度、吸室真空度、播種作業(yè)速度、排種盤孔徑及數(shù)量等[15]。在排種盤孔徑以及孔數(shù)保持不變的情況下，研究不同投種高度、作業(yè)速度及真空度對(duì)其造成的影響，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

2.3.1 播種作業(yè)速度對(duì)排種質(zhì)量的影響

在吸室真空度和投種高度分別為4kPa和100mm的條件下，取不同的作業(yè)速度來檢測(cè)排種器的性能。試驗(yàn)中選取9個(gè)作業(yè)速度依次為2、3、4、5、6、7、8、9、10km/h。當(dāng)JPS-12型試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，選取250粒玉米種子作為樣本，計(jì)算其各項(xiàng)指標(biāo)的比例，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 作業(yè)速度對(duì)排種性能的影響曲線

由圖3可知：作業(yè)速度對(duì)排種器的影響是使播種合格率先升高后降低，而對(duì)其他兩個(gè)指標(biāo)的影響正好相反，當(dāng)播種的作業(yè)速度達(dá)到7km/h時(shí)，合格率最高。這種現(xiàn)象由于開始的播種速度太低，使得排種盤轉(zhuǎn)速很低，在相同的真空度和高度時(shí)，吸種時(shí)間過長，所以導(dǎo)致重播率很高，合格率相比之下較低；當(dāng)播種的作業(yè)速度達(dá)到最佳狀態(tài)之后再繼續(xù)升高時(shí)，種子所受的離心力就會(huì)變大，此時(shí)種子所需的負(fù)壓也會(huì)變大，當(dāng)真空度和高度一定時(shí)，種子由于排種盤轉(zhuǎn)速太快而導(dǎo)致有的吸孔無種子就旋轉(zhuǎn)過去，此時(shí)漏播現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)，即漏播率升高。

2.3.2 氣吸室真空度對(duì)排種質(zhì)量的影響

在播種作業(yè)速度和投種高度分別為6km/h和100mm的條件下，取不同的真空度來檢測(cè)排種器的性能。試驗(yàn)中選取9個(gè)真空度依次為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6kPa。當(dāng)JPS-12型試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，選取250粒玉米種子作為樣本，計(jì)算其各項(xiàng)指標(biāo)的比例，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 吸室真空度對(duì)排種性能的影響曲線

由圖4可知：當(dāng)播種作業(yè)速度和投種高度分別為6km/h和100mm時(shí)，在不同的真空度下得出：隨著真空度的提高，合格率有先上升又下降的趨勢(shì)；當(dāng)吸室的真空度為4.5kPa左右時(shí)，作業(yè)的合格率最高。這種現(xiàn)象原因是當(dāng)真空度過低時(shí)，種子自身的重力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于排種孔的吸附力，使得某些吸孔吸不到種子，從而導(dǎo)致的漏播變多，反之則重播變多；當(dāng)吸室真空度達(dá)到一定值時(shí)，其重播率和漏播率會(huì)最低，這時(shí)其合格率會(huì)最高，達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3.3 投種高度對(duì)排種質(zhì)量的影響

投種高度是投種時(shí)間長短的重要參數(shù)之一。 在播種作業(yè)速度和吸室真空度分別為6km/h和4kPa的條件下，取不同的投種高度來檢測(cè)排種器的性能。 試驗(yàn)中選取7個(gè)投種高度依次為100、150、200、250、300、350、400mm。當(dāng)JPS-12型試驗(yàn)臺(tái)的各項(xiàng)因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，選取250粒玉米種子作為樣本，計(jì)算其各項(xiàng)指標(biāo)的比例，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 排種器高度對(duì)排種性能的影響曲線

由圖5可以看出：當(dāng)真空度為4kPa、播種作業(yè)速度為6km/h時(shí)，隨著高度的增長，合格率明顯下降；而另外兩個(gè)指標(biāo)都有上升的趨勢(shì)。試驗(yàn)中，從傳送帶上種子的分布情況可以觀察出：排種過程中種子不僅會(huì)受到外界空氣阻力的干擾，而且導(dǎo)種管自身也會(huì)影響種子的路徑，對(duì)排出的種子是否均勻產(chǎn)生一定影響。當(dāng)投種高度越高時(shí)，種子受到外界的影響就會(huì)越大，此時(shí)排出的種子均勻性會(huì)差。 因此，排種時(shí)應(yīng)盡量選取適當(dāng)?shù)耐斗N高度及適當(dāng)?shù)膶?dǎo)種管長度。

2.4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由上述的單因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析得知：當(dāng)作業(yè)速度在5～8km/h之間、吸室真空度在3.5～5kPa之間，投種高度在100～250mm之間時(shí)試驗(yàn)指標(biāo)較好。為了進(jìn)一步確定以上3種影響因素的主次及參數(shù)的最優(yōu)組合，正交試驗(yàn)時(shí)選取播種作業(yè)速度、吸室真空度和投種高度設(shè)計(jì)3因素4水平的正交設(shè)計(jì)，如表3所示。本文選用L16(43)正交表，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表3 正交試驗(yàn)因素水平編碼表

續(xù)表3

表4 試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果

由表5試驗(yàn)結(jié)果分析可知：播種作業(yè)速度A、吸室真空度B以及投種高度C影響排種合格率X的順序?yàn)锽>A>C，最優(yōu)組合為B3A3C1；影響重播率Y的是B>A>C，最優(yōu)組合為B3A3C1；影響漏播率Z的是C>B>A，最優(yōu)組合為C4B1A4。根據(jù)以上分析以及綜合考慮，最后得出本試驗(yàn)的最優(yōu)因素組合為B3A3C1。試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)播種作業(yè)速度、吸室真空度、投種高度分別為7km/h、4.5kPa、100mm時(shí)，試驗(yàn)的指標(biāo)最好，即玉米的合格率是97.78%，重播率是0.98%，漏播率是1.24%。

為了確定播種作業(yè)速度、吸室真空度以及投種高度對(duì)播種質(zhì)量的影響程度，本文對(duì)試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行了方差分析，如表6所示。

從表6的方差分析可以看出：在置信度為90%的情況下，播種作業(yè)速度和吸室真空度都對(duì)排種的3個(gè)指標(biāo)呈顯著狀態(tài)，投種高度對(duì)重播率呈顯著狀態(tài)，說明這3個(gè)影響因素都對(duì)排種質(zhì)量都有顯著影響。

表5 試驗(yàn)結(jié)果分析

表6 方差分析

3 結(jié)論

1)當(dāng)真空度和投種高度一定的情況下，隨著播種作業(yè)速度的增加，排種器的合格率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到達(dá)7km/h時(shí)排種效果達(dá)到最佳，當(dāng)繼續(xù)增加播種的作業(yè)速度，排種效果又開始呈下降趨勢(shì)。

2)當(dāng)播種作業(yè)速度和投種高度一定時(shí)，由于吸室負(fù)壓的增大，排種器的排種精度呈上升的趨勢(shì)，漏播率由于吸力變強(qiáng)而明顯降低，但重播率此時(shí)也略有上升。當(dāng)其數(shù)值達(dá)到4.5kPa時(shí)，播種效果相比之下最好；當(dāng)吸室的真空度再繼續(xù)上升后，排種的精度又明顯變差。

3)當(dāng)播種作業(yè)速度和真空度不變時(shí)，隨著種子下落高度的增加，排種器的精度呈現(xiàn)變差的現(xiàn)象；當(dāng)種子下落的高度在100～250mm區(qū)間內(nèi)時(shí)，排種器的精度較好。

4)通過正交試驗(yàn)的方差分析得出：影響氣吸式排種器性能的主要因素是吸室真空度，由spss軟件數(shù)據(jù)分析得出了排種的最優(yōu)組合為：作業(yè)速度、吸室真空度、投種高度分別是7km/h、4.5kPa、100mm時(shí)，玉米的合格率可高達(dá)97.78%，重播率、漏播率分別是0.98%、1.24%。