氣吹集排式水稻分種器均勻性正交試驗研究

摘要：

為明晰影響分種器分種均勻性的因素及程度，基于氣吹集排式直播生產技術，設計等密度流場分種器，自制QLBZ-1電控分種均勻性試驗臺。以分種器均勻性功能試驗為基礎，采用四元二次正交試驗分析均勻性影響因素，并在正交試驗結果基礎上進行單因素對比試驗應用。臺架試驗結果表明，影響分種器分種均勻性的因素有輸入氣壓和輸送管波紋厚度，與排種軸轉速和排種量無關；并且輸入氣壓和波紋厚度相互作用對均勻性起作用，氣壓大小對變異系數(shù)大小有二次關系，分種器工作時氣壓應保持大于臨界氣壓，適當增加波紋厚度有利于提高分種均勻性。分種器行間、行內分種變異系數(shù)均可達5%以內，為后期相關零件結構臺架對比試驗提供數(shù)據(jù)參考。

關鍵詞：農業(yè)機械；水稻；氣吹集排式；分種器；均勻性；正交試驗

中圖分類號：S223.25

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 01-0001-07

Orthogonal experiment study on uniformity of rice air-blowing centralized distributor

Dai Yizheng¹， Cheng Wenbin¹， Wang Junjun¹， Zhang Feibin²， Xiong Huilan³， Chen Huazhai⁴

（1. "School of Mechanical Engineering， Nanchang Institute of Technology， Nanchang， 330099， China；

2. Department of Mechanical Engineering， Tsinghua University， Beijing， 100084， China;

3. Yifeng County Agricultural Technology Extension Service Center， Yichun， 336399， China；

4. Wannian County Agricultural and Rural Industrial Development Service Center， Shangrao， 334199， China）

Abstract：

In order to clarify the uniformity factors and degrees of seeds distributor， an equal density flow field seeds distributor was designed based on the air-blowing centralized direct seeding production technology， and a QLBZ-1 electronically controlled seeds uniformity distributing test bench was self-made. Based on the uniformity function test of the seeds distributor， the uniformity influencing factors were analyzed by four-element quadratic orthogonal test， and the single factor comparison test was carried out on the basis of the orthogonal test results. The results of the bench test showed that the factors affecting the uniformity of the seeds distributor were the input pressure and the conveying pipe corrugation thickness， unrelated to the seeding shaft rotation speed and seeding rate. In addition， the interaction between the input air pressure and the corrugation thickness played a role in the uniformity. The air pressure had a quadratic relationship with the coefficient of variation. The air pressure should be kept higher than the critical air pressure when the seeds distributor was working， and the appropriate increase of the corrugation thickness was beneficial to improve the seeds distributing uniformity. The coefficient of variation of the intra-row and inter-row were less than 5%， a data reference for the later comparative test of related parts structure would be provided by the research conclusion.

Keywords：

agricultural machinery; rice; air-blowing centralized; seeds distributor; uniformity; orthogonal test

0"引言

在水稻、油菜輪作區(qū)機械化直播中^［1］，氣吹集排式直播屬于“一器多行”型式，采用集中供種、定量分種二級排種方式，由于氣流剛性小，種子與排種器間的物理摩擦減少，排種過程正壓氣流增加了種子的流動性，可降低傷種率和堵塞率，能較好地適應種子形狀的變化，適應不同地區(qū)的氣候和土壤等條件^［2］。隨著我國農機化率的不斷提高，農機的高效精細化和智能化益顯重要^［3］，分種器是氣吹集排式水稻直播機的核心部件之一，在現(xiàn)代集約化作業(yè)條件下，分種器的均勻性性能直接影響到直播機的作業(yè)效果與田間產量^［4］。國內外機構學者對分種器關鍵結構已開展了設計與試驗等研究，王磊^［5］、張曉輝^［6］等分別對分種器勻種渦輪結構、外蓋圓錐角進行了結構改進和參數(shù)優(yōu)化，并通過試驗分別分析了油菜和小麥各行排量一致性變異系數(shù)。李衍軍等^［7］提出了一種鯽魚流線型仿生分配器設計方法，利用Matlab系統(tǒng)擬合得到4條鯽魚流線型曲線，據(jù)此設計了4種不同結構的小麥分種器。賈洪雷等^［8］研究了不同結構型式的肥料顆粒配混分配器，對比分析了分配器排肥口傾角、波紋管的結構和布置方式，田間試驗驗證了施肥量穩(wěn)定性變異系數(shù)和斷條率。針對傳統(tǒng)播種機幅寬限制、價格較高、結構復雜和氣力式播種機均勻性差的問題，Yatskul等^［9］研究了氣力式播種機分種器均勻性影響因素，對氣力式播種機氣力輸送系統(tǒng)的空氣速度、流場集中度、管徑3因素進行了研究。Heintzman^［10］發(fā)明了一種氣力式分種器，通過支撐配重閥件和彈性閥件使種子在閥片間彈性偏轉。Gentili^［11］發(fā)明了一種負壓和正壓并用電機直驅式的排種器，環(huán)形電機與排種盤同軸，省去了中間傳動部件。綜上，國內重點在局部結構參數(shù)的設計與試驗，國外在部分作物播種對象已有生產應用，但適用我國南方稻油輪作區(qū)的產業(yè)化應用尚需時日，面對我國種子物料播種的系統(tǒng)性、適應性和均勻性特征，還需對分種器內部腔體分種瓤結構進行深入研究。

本文基于氣吹集排式水稻直播技術，針對分種均勻性不足的問題，設計分種器分種瓤結構，通過多元正交試驗，明晰影響分種器分種均勻性的因素及程度。為水稻直播機等播種裝置機構設計提供技術參考，為稻油輪作區(qū)機械化生產的“一機多用”“高效智能”提供科技支撐。

1"氣吹集排式水稻分種器均勻性試驗平臺

1.1"氣吹集排式水稻直播技術原理

氣吹集排式直播技術原理如圖1所示，主要分為分種系統(tǒng)和排種系統(tǒng)兩大部分，種箱中稻種經旋轉驅動的集中式排種器連續(xù)排出，在導種器中與風機產生的氣流混合并輸送到分種系統(tǒng)，在分種器內部氣流壓差作用下，均勻穩(wěn)定地分配至各排種管。分種系統(tǒng)的核心部件是分種器，分種器包括外蓋、內蓋、分種盤等零件，稻種和氣流從波紋管進入，從排種管排出，波紋管內徑大于排種管內徑，兩管軸向平行，各排種管內徑相等，等距陣列于波紋管圓心周圍。將分種器從波紋管與內蓋接觸面到排種管出口面形成的內部腔體定義為“分種瓤”，空氣流形成的流場定義為“等密度流場”。

1.2"氣吹集排式水稻分種器試驗臺架

為進一步論證氣吹集排式直播技術的適用性、理論分析的合理性^［12］，驗證氣吹集排式水稻分種器總體結構的分種性能，明晰分種器分種影響因素和分種規(guī)律，自制QLBZ-1電控分種均勻性試驗臺架（圖2），試驗臺架長大于2671mm（隨管道伸長而增大），寬2060mm，高1616mm，臺架風機出風口中心平面離地23cm，種箱頂端平面離地123cm，分種盤底面離地88cm。試驗臺采用380V、5.5kW漩渦式風機提供風源，最大流量530m³/h，最大正壓30kPa；試驗臺主要包括分種器、排種器、管道裝置和電路控制系統(tǒng)等。試驗臺工作原理：一是驅動，控制器輸入信號驅動風機和伺服電機獨立轉動；二是排種，伺服電機驅動排種器排種軸轉動，將種箱中的稻種排出輸送給導種管道；三是混種，排種器排出的稻種與風機輸出的氣流經導種器混合導向分種器；四是分種，氣種混合流通過分種器輸送管，進入分種器分種瓤的等密度流場，在內外壓力差作用下將氣種混合流均分；五是投種，排種管連接分種器出口，將等分的氣種混合流導入排種管排出。

分種器臺架性能試驗分3部分，以變異系數(shù)為主要試驗評價指標，通過排種管排種的行間均勻性和行內穩(wěn)定性評價分種器的均勻性。第1部分為分種器均勻性試驗，不考慮排種系統(tǒng)和管道系統(tǒng)的影響，研究分種器各行質量變異系數(shù)。第2部分為均勻性影響因素正交試驗，研究分種器分種均勻性與排種裝置轉速、管道裝置壓力和流量等因素的關系，為分種器分種瓤結構設計提供依據(jù)。第3部分在均勻性影響因素正交試驗基礎上，對分種器關鍵零件結構進行單因素對比試驗應用，以期獲得最優(yōu)分種瓤結構。

1.3"氣吹集排式水稻分種器試驗材料

試驗采用的水稻品種為黃華占、豐美占，測量得到物理特征參數(shù)數(shù)據(jù)如表1所示。

2"水稻分種器均勻性功能試驗

2.1"功能試驗方法

根據(jù)GB/T 9478—2005《谷物條播機試驗方法》，通過行間播量變異系數(shù)測定分種的均勻性，行內播量的變異系數(shù)測定分種的穩(wěn)定性^{［13， 14］}。試驗按水稻品種分為黃華占、豐美占2組，分別標記為t1、t2，每組的試驗裝置不變，均采用10行波紋管分種器，排種管長度均為1.5m，通過改變下種時間等調整下種量。排種管標記為i（i=1，2，…，n），種箱中加入2.5kg稻種，設置監(jiān)控面板轉速、圈數(shù)、壓力等參數(shù)，控制伺服電機和風機的風壓、風量，以保證排種器每次下種約70g，播后對每行排出的稻種稱重，同一試驗號重復5次，取5次質量的平均值，記為x_i，單位為g；按式（1）和式（2）計算變異系數(shù)cv。

x-=1n∑ni=1x_i

（1）

cv=1x-1n－1∑ni=1（x_i－x-）²

（2）

式中：

x-——單個分種器整體各行的質量平均值。

2.2"功能試驗數(shù)據(jù)分析

由表2可知，t1、t2試驗各行之間播量變異系數(shù)分別為5.11%、4.71%，變異系數(shù)小于15%，符合相關標準要求，說明分種器均勻性功能達到了正交試驗的要求。表3中cvi表示序號為i（i=1，2，…，10）的排種管5次重復試驗質量的變異系數(shù)，可說明同一行內播種質量穩(wěn)定性，cv為平均變異系數(shù)。

由表3可知，分種器行內平均變異系數(shù)為3.53%，說明分種器對行內播種的穩(wěn)定性較好，為進一步均勻性正交試驗提供了基礎。

3"水稻分種器均勻性影響因素正交試驗

3.1"正交試驗方法

對稻種的清潔度和排凈率進行試驗調查，6次試驗的稻種排凈率（ξ=xo/x_i）試驗數(shù)據(jù)如表4所示，其中xo、xi分別為預設控制稻種質量和排種管實際排出稻種質量，一次性加入種箱中稻種約10kg，對排種管排出的稻種稱重，平均排凈率為99.19%，說明稻種已基本排出QLBZ-1分種器試驗臺，不存在滯種或積種問題。

在試驗稻種均勻性影響因素試驗中，對不同清潔度稻種進行對比試驗，經過清理和未經清理的稻種分種器質量流量變異系數(shù)分別為5.23%、5.64%，差異較小。均勻性影響因素臺架試驗采用回歸正交設計方法^［15］，為提高回歸方程檢驗的顯著性，采用二次回歸正交，其數(shù)學模型一般形式為

y^=₀+∑mj=1_ju_j+∑ilt;jiju_iu_j+∑mj=1jju_j²

i=1，2，…，m-1

（3）

式中：

y——因變量試驗指標；

0、j、ij、jj——回歸系數(shù)；

m——

自變量uj（j=1，2，…，m）的試驗因素個數(shù)。

臺架試驗的主要變量因素有輸入氣壓P（kPa）、排種軸轉速υ（r/min）、排種量Q（g）和分種器輸送管波紋凸起結構厚度dn（mm），為了研究上述4個因素與分種器分種均勻性變異系數(shù)cv的關系，設P、υ、Q、dn與cv分別為變量u1、u2、u3、u4、y，根據(jù)2.1節(jié)功能試驗結果數(shù)據(jù)和排種器設計經驗，在回歸正交試驗中確定其范圍分別為10～15kPa、50～90r/min、50～500g和3.4～6.2mm，如表5所示。

二水平試驗次數(shù)mc=2^m，m0為0水平試驗次數(shù)，取值為3，因m=4，總試驗次數(shù)N為27，據(jù)式（4）可得γ=1.5467。再根據(jù)式（6）～式（8）可建立因素水平編碼如表5所示。

γ=（（mc+2m+m₀）mc－mc）/2

（4）

N=mc+2m+m₀（5）

uj0=（ujγ+u－jγ）/2（6）

Δ_j=（ujγ－uj0）/γ（7）

z_j=（u_j－uj0）/Δ_j（8）

式中：

Δj——變化間距；

γ——星號臂長度；

zj——規(guī)范變量。

為獲得正交性，根據(jù)式（9）對平方項z₁²，…，z_m²進行中心變換。

zjj=z_j²－（mc+2γ²）/N（9）

根據(jù)編碼表（表5）和四元二次正交表列出試驗方案（表6），通過圖2中控制器設置參數(shù)u1、u2、u3；更換分種器入口波紋管結構來調節(jié)參數(shù)u4，依次對每次試驗中排出稻種進行稱重，按照式（2）計算出各行間稻種質量變異系數(shù)y，y值為每個試驗號5次試驗變異系數(shù)的平均值，試驗數(shù)據(jù)結果如表6所示。

3.2"正交試驗數(shù)據(jù)

采用SPSS Statistics 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理分析，將四元二次回歸正交組合設計表和y值輸入SPSS數(shù)據(jù)窗，在變量視圖窗中分別命名為“z1、z2、…、z33、z44、y”，y為因變量，其余變量為自變量，采用回歸分析中的線性分析^［16］，調用逐步回歸計算函數(shù)，置信區(qū)間水平設置為99%，Durbin-Watson殘差檢驗處理結果如表7和表8所示。

3.3"正交試驗結果分析

回歸模型綜述表如表7所示，回歸模型相關系數(shù)R²為0.868，說明變量z1、z4、z1z4、z11與變量y之間存在相關性；Durbin-Watson檢驗值為2.394，說明殘差值服從正態(tài)分布，殘差間相互獨立，無自相關現(xiàn)象。

表8為方差分析表，F(xiàn)分布校驗值（Sig.）為0.000，小于1%，判斷回歸達到顯著性水平，說明變量z1、z4、z1z4、z11與變異系數(shù)y值之間存在顯著的回歸關系，也說明采用二次正交回歸組合設計是恰當?shù)模囼炘O計方案是正確的，回歸方程式有意義。

表9為相關系數(shù)分析表，經逐步迭代回歸，得出回歸方程的常數(shù)項B為3.757，z1的系數(shù)為-1.189，z4的系數(shù)為-1.863，z1z4的系數(shù)為1.122，z11的系數(shù)為2.090，其余10項由于差異不顯著被排除。

綜上所述，用逐步回歸法求得多元回歸方程式為

y^=

3.757－1.189z₁－1.863z₄+1.122z₁z₄+

2.09z11（10）

根據(jù)式（3）和式（4），將z11=z₁²-0.7696，z1=（u1-12.5）/1.62，z4=（u4-4.8）/0.91代入式（10），得到因變量與自變量的回歸方程，即

y^=

191.25－24.3u₁－11.56u₄+0.761u₁u₄+

0.7964u₁²（11）

由回歸方程（11）知：（1）分種器分種均勻性變異系數(shù)與輸入氣壓和結構厚度相關，與排種軸轉速和排種量無關，并且輸入氣壓和結構厚度的相互作用對變異系數(shù)大小起作用；（2）氣壓大小對變異系數(shù)大小有二次關系；（3）為后續(xù)關鍵零件結構臺架對比試驗提供理論參考，為分種器零部件的結構設計提供理論依據(jù)。

3.4"正交試驗結果應用

為進一步研究輸入氣壓、結構厚度大小與行間變異系數(shù)之間的關系，在均勻性影響因素試驗基礎上對10行分種器輸入氣壓和波紋結構進行單因素試驗。排種軸轉速為54.8r/min，在其他試驗條件相同下，調整截止閥設定P為3kPa，4kPa，…，15kPa，結果見圖3。

由圖3可知，10kPa是本試驗變異系數(shù)的一個臨界點（Po）^［17］，大于10kPa時，行間變異系數(shù)小于2.65%；小于10kPa時，差異較大，變異系數(shù)最大值為6.78%。分種器行內質量流量穩(wěn)定，平均cv為3.41%，說明輸入氣壓對分種器行間分種性能影響較大，行內分種性能影響較小，分種器工作時氣壓應保持大于臨界氣壓。

在分種器波紋輸送管波紋厚度（圖4局部視圖M）單因素試驗中，自制了Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號波紋管，波紋管是由大小相同的圓弧凸起物在圓柱內表面迭代而成，圓弧凸起物厚度值dn分別為5.71mm、4.80mm和3.90mm，排種器轉速為65.5r/min，輸入氣壓為15kPa，其他條件不變，按照均勻性單因素試驗方法，得到不同dn值分種器質量流量和變異系數(shù)如表9所示。

由表10可知，Ⅰ號波紋管整體變異系數(shù)最小，平均變異系數(shù)為1.83%，其次是Ⅱ號波紋管，最后是Ⅲ號波紋管，不同波紋輸送管分種器平均分種變異系數(shù)Ⅰgt;Ⅱgt;Ⅲ，波紋厚度為5.71mm時均勻性最優(yōu)。

4"結論

為進一步提升氣吹集排式水稻分種器分種均勻性，通過均勻性功能性試驗和均勻性影響因素四元二次正交試驗，并結合單因素對比試驗應用。

1） 分種器分種均勻性變異系數(shù)與輸入氣壓和波紋厚度相關，與排種軸轉速和排種量無關，并且輸入氣壓和波紋厚度的相互作用對變異系數(shù)大小起作用。

2） 氣壓大小對變異系數(shù)大小有二次關系，分種器工作時氣壓應保持大于臨界氣壓。

3） 分種器波紋輸送管波紋厚度單因素對比試驗中，波紋厚度為5.71mm時均勻性最優(yōu)，說明適當增加波紋厚度有利于提高分種均勻性。

4） 氣吹集排式水稻分種器均勻性正交試驗方法與結論可為后期關鍵零件結構臺架對比試驗提供數(shù)據(jù)參考，為分種器零部件的結構設計提供理論依據(jù)。

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