精量播種機帶式投種裝置排種性能試驗研究

王漢羊 李純輝 馬永財 王福成 付曉明

（黑龍江八一農(nóng)墾大學 工程學院，黑龍江 大慶 163319）

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)之一，其作業(yè)質(zhì)量直接影響出苗、苗全、苗齊和苗壯，與增產(chǎn)、增收密切相關。因此，提高播種作業(yè)質(zhì)量是提高作物單產(chǎn)的重要保障。播種方式主要包括：撒播、條播、精量播種等多種形式，其中精量播種是指根據(jù)農(nóng)業(yè)技術要求，采用精量播種機將種子按規(guī)定的播種量，精確的行距、粒距以及播種深度播入土壤，并采用適當?shù)逆?zhèn)壓力對覆土后的播種帶進行鎮(zhèn)壓的一種農(nóng)業(yè)種植技術。與其他播種方式相比，采用精量播種方式不僅可省略田間間苗作業(yè)的作業(yè)環(huán)節(jié)，節(jié)省種子用量，降低生產(chǎn)成本和勞動強度，同時由于精量播種能夠顯著提高粒距合格率和播深一致性，可為田間植株分布均勻性和實現(xiàn)苗齊、苗全、苗壯、苗勻創(chuàng)造良好的條件。近幾年，精量播種技術在我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到了大面積的應用和推廣。

精量播種機是實現(xiàn)機械化精量播種的農(nóng)業(yè)機械，其核心部件是排種器，其工作性能直接決定了播種機的作業(yè)質(zhì)量。根據(jù)工作原理，精量排種器主要分為：機械式精量排種器和氣力式精量排種器。其中，氣力式精量排種器采用氣流輔助充種、護種和清種，具有對種子形狀和尺寸適應性強，播種精度高，易于實現(xiàn)高速播種等優(yōu)點，在高速精量播種機上得到了廣泛的應用。近年來，隨著播種機性能的不斷優(yōu)化和改進，播種作業(yè)速度不斷提升。眾多學者的相關研究表明，在投種高度一定的條件下，隨播種速度的增大，種子著床的瞬時速度提升，容易造成種子在種溝內(nèi)彈跳、翻轉和滾動的現(xiàn)象，從而嚴重影響播種作業(yè)的質(zhì)量。為解決這一問題，目前常采用的方式是降低投種高度，即將排種器安裝在盡可能靠近地面的位置。降低投種高度可在一定程度上減小種子到達種溝底部時的瞬時速度，降低種子發(fā)生位移的幾率。然而，在此種方式下，播種單體的結構會受到很大的限制，特別是對仿形機構的安裝會造成很大的困難。因此，研究高速作業(yè)條件下，與氣力式排種器配套使用的高位投種裝置，解決高位投種時種子著床速度過高造成的播種質(zhì)量下降問題是非常必要的。

本文設計一種帶式高速投種裝置，與氣吸式排種器配套使用，組成高速投種系統(tǒng)，并對其播種性能進行臺架試驗，通過分析不同作業(yè)速度下的排種性能指標，對排種系統(tǒng)的作業(yè)質(zhì)量進行評定，以期為高速投種裝置的設計提高理論支撐。

1.材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用玉米種子選用德美亞1號。

1.2 試驗設備

精量排種系統(tǒng)主要由氣吸式排種器和帶式高速投種裝置組成。排種器的功能是將種箱內(nèi)的種子從種群中定量分離出來，并形成有序的種子流。帶式高速投種裝置主要由主動帶輪、從動帶輪、撥指同步帶、護種機構、殼體等部分組成，主要是將排種器分離后的種子流二次分離和排序，并完成投種作業(yè)。

臺架試驗在黑龍江八一農(nóng)墾大學工程學院播種實驗室進行。采用JPS-12型計算機視覺精密排種性能檢測試驗臺。該試驗臺由黑龍江省農(nóng)業(yè)機械科學研究院研制，主要包括機架、種床帶、油路系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、風機系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)和電路系統(tǒng)等。該試驗臺可適用于機械式和氣力式排種器的排種性能檢測。對于精量排種器的性能檢測，可以輸出粒距合格率、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、變異系數(shù)等相關指標。

1.3 試驗設計

選取作業(yè)速度為影響因素，設置8，9，10，11，12 km/h 5個水平（分別以T1、T2、T3、T4、T5來表示），以粒距合格率、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和粒距變異系數(shù)為響應指標進行單因素對比試驗。每組試驗重復3次，以其平均值作為指標值。

試驗過程中，精量排種系統(tǒng)安裝在機架上固定不動，種床帶相對于排種器的旋轉方向反向運動，種子從帶式高速投種機構的投種口落至運動的種床帶表面的油層上，并隨種床帶一起運動。種子隨種床帶通過圖像采集裝置時，由攝像機對種子的分布狀態(tài)進行實時采集并反饋給圖像處理系統(tǒng)，以實現(xiàn)對精量排種系統(tǒng)各性能指標的實時、準確測定。試驗時，通過中控臺的控制面板調(diào)整沖床帶的運動速度，可實現(xiàn)作業(yè)速度的變化。種床帶速度、粒距、排種盤型孔數(shù)以及排種軸轉速間存在一定的函數(shù)關系，調(diào)速電機的轉速可由式（1）確定。

式中，n—電機轉速，r/min；v—種床帶作業(yè)速度，km/h；m—氣吸式排種器種盤型孔數(shù)；s—試驗粒距，cm；i—排種軸傳動比。

1.4 檢測方法

依據(jù)國家標準GB/T6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》的測定要求，對精密排種系統(tǒng)進行排種性能評價，每組測試選取250粒距進行評定。選擇粒距合格指數(shù)（合格率）、重播指數(shù)（重播率）以及漏播指數(shù)（漏播率）三個指標對排種系統(tǒng)的作業(yè)性能進行評價，且以粒距平均值、標準差和變異系數(shù)作為排種精度的評價指標。各個指標的具體計算方法和過程如下：

(1)區(qū)段劃分。將試驗采集的250個粒距數(shù)據(jù)樣本劃分為0.1 Xr區(qū)段，Xr為理論粒距或調(diào)整粒距。即將整個數(shù)據(jù)樣本用Xr除之，并進行無量綱化處理。

(2)計算區(qū)段變量。每個區(qū)段的變量為

式中，xi—區(qū)段中值。

（3）區(qū)間劃分。統(tǒng)計各個區(qū)間中xi的總數(shù)，同時把全部的數(shù)據(jù)樣本分為5個區(qū)段，分別為[0-0.5]，[0.5-1.5]，[1.5-2.5]，[2.5-3.5]以及[03.5-+∞]。統(tǒng)計處于各個區(qū)間的樣本數(shù)，然后定義各區(qū)間。

2.結果與分析

2.1 試驗結果

試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果Table 1 Experimental results

2.2 方差分析

對合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)和變異系數(shù)進行方差分析，結果如表2所示。

表2 方差分析結果Table 2 Variances analysis results

由表2方差分析結果可以發(fā)現(xiàn)，合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)以及變異系數(shù)的P值均小于0.01，說明作業(yè)速度對4個指標的影響均達到極顯著的水平。

2.3 作業(yè)速度對排種性能指標的影響規(guī)律

作業(yè)速度對合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)以及變異系數(shù)影響規(guī)律如圖2所示。

圖2 作業(yè)速度對排種系統(tǒng)排種性能的影響規(guī)律

由圖2a可知，隨作業(yè)速度的增大，排種系統(tǒng)的粒距合格指數(shù)呈不斷下降的趨勢。當作業(yè)速度由8 km/h增至12 km/h時，粒距合格指數(shù)從95.40%下降至75.40%。這是由于在一定的粒距條件下，作業(yè)速度的增加會使排種器的排種盤轉速增大，從而縮短了排種器的充種時間，進而導致排種盤不能完全、充分充種，致使合格指數(shù)下降。另一方面，作業(yè)速度的增大同樣會使帶式投種裝置的線速度增大，使種子從脫離排種盤進入帶式投種機構的時間縮短。當玉米種子在排種盤上呈不同的位置狀態(tài)時，種子進入投種裝置柵格后，會產(chǎn)生相鄰種子間間隔的柵格數(shù)不一致的問題。當種子在帶式投種機構中所處柵格間隔數(shù)不一致時，種子到達投種口的時間間隔不一致，從而導致粒距合格指數(shù)下降。由圖2b，2c，2d可以發(fā)現(xiàn)，重播指數(shù)、漏播指數(shù)和粒距變異系數(shù)均隨作業(yè)速度的增大而增大，且當作業(yè)速度由8 km/h增至12 km/h時，重播指數(shù)由1.8%上升至7.3%，漏播指數(shù)由2.73%上升至17.3%，粒距變異系數(shù)由4.31%上升至9.07%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要是因為一方面作業(yè)速度的提升使得排種器充種時間縮短，容易產(chǎn)生型孔無法充種的問題，其次排種盤轉速的增大使清種時間減少，容易形成一孔多吸的現(xiàn)象，從而導致重播率上升。另一個尤為重要的原因是作業(yè)速度的增大會極大地提升種子脫離投種口的速度，導致種子抵達種床時的瞬時速度增大，造成種子在種床上產(chǎn)生“彈跳位移”、“滾動位移”和“翻轉位移”，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅會降低粒距合格率，同時會導致重播率、漏播率以及變異系數(shù)的增加。

3. 結論

研究結果表明，作業(yè)速度對排種系統(tǒng)的排種性能指標均有顯著性影響。粒距合格指數(shù)隨作業(yè)速度的增大不斷降低，重播指數(shù)、漏播指數(shù)和變異系數(shù)隨作業(yè)速度的增大呈不斷增大的趨勢。在一定的粒距條件下，當作業(yè)速度由8 km/h增至12 km/h時，粒距合格指數(shù)由95.40%下降至75.40%。重播指數(shù)由1.8%上升至7.3%，漏播指數(shù)由2.73%上升至17.3%，粒距變異系數(shù)由4.31%上升至9.07%。