番茄育苗播種機雙腔排種滾筒的性能試驗研究

張 歡，羅 昕，姜有忠，李海潮，王科杰

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引言

穴盤育苗精量排種器是穴盤育苗精量播種機的核心部件[1-5]。精量播種是現代播種行業的主流播種方式，具有播種時間短、效率高及增加產量等優勢。目前，在育苗階段，精量播種的方式很多，但主要是手工作業，勞動強度大，效率低，迫切需要高效、精準、實用的育苗播種機械。氣吸滾筒式排種器是實施育苗精量播種的關鍵設備，現有的氣吸滾筒式排種器由于正壓腔裝配復雜、密封困難，只有負壓吸種滾筒，而無正壓投種氣室，無法實現正壓投種清堵，造成排種漏播率高，直接制約了其應用與推廣。因此，研究設計由負壓吸種滾筒腔和正壓投種腔所構成的雙腔排種滾筒結構方案、排種理論及加工裝配工藝，試驗獲取影響排種性能的較優工作參數對研發氣吸滾筒式精量排種器具有一定參考價值。

1 總體結構及工作原理

1.1 總體結構方案設計

雙腔排種滾筒主要由正壓空心軸、正壓氣道、負壓空心軸、負壓氣道、負壓取種腔和正壓投種腔組成，如圖1所示。正壓投種腔將滾筒內部空間分成負壓取種區和正壓投種區兩部分。其中，負壓取種腔是將傳統的正壓軸承套、負壓軸承套和鏈輪合為一體，在其徑向回轉面上打有均勻的小吸孔；正壓投種腔通過塑料軟管與正壓氣道相通，與滾筒內壁回轉面之間通過密封條進行密封，并刷掉多余的種子，起到清種的作用。

1.正壓空心軸 〗2.O型密封圈 3.卡環 4.軸承套 5.負壓取種腔 6.鏈輪固定盤 7.鏈輪 8.螺母 9.負壓空心軸 10.掛件 11.正壓投種腔 12.密封條 13.塑料軟管 14.快速接頭

負壓吸種滾筒腔采用剖分式結構，有利于正壓投種腔的安裝，便于整個排種滾筒的裝配。正負壓空心軸上各設有兩道密封槽，用來安裝O型密封圈，既可以保證密封性，又可以保證軸向的定位支撐。在兩密封槽之間可以開一個儲油槽涂抹黃油，可以起到潤滑作用。

1.2 工作原理

雙腔排種滾筒排種過程分為3個階段：第1階段吸附取種，即沸騰的種子在滾筒負壓吸附力作用下與滾筒接觸帶離種群的過程；第2階段吸附攜種，即種子被吸附在負壓取種滾筒的吸孔上，并隨滾筒一起轉動至投種區；第3階段投種清堵，即種子在正壓力、重力、離心力作用下離開滾筒表面投入穴盤的過程。其工作原理圖如圖2所示。

圖2 雙腔排種滾筒工作原理圖

2 試驗材料與設備

2.1 試驗材料

選用新疆種植很廣泛的里格爾87-5番茄種子，純度為97%，凈度95%，發芽率>87%，水分<4%。

2.2 試驗儀器

本試驗將在新疆生產建設兵團農業機械重點實驗室自制搭建的臺架試驗臺上進行試驗。試驗選用的主要設備包括：控制電動機轉速的上海日虹有限公司生產的CHRH -D系調頻器，型號為CHRH-440DEE，測算精度 0.01HZ；廣州巨勁機電制造有限公司生產的吸吹兩用型旋風泵，型號為GLB1500S，氣泵最大壓力 28kPa，最大真空度21kPa，流量 180m3/ h；由高速 CCD攝像機(柯達 公司生產的ES-310 型，最大分辨率640 × 480 像素，拍攝速度為85 幀 /s)，光纜，光源( 2 × 1kW的鎢燈) 和計算機等組成的高速攝影裝置。

2.3 試驗設備制作

試驗設備制作是在項目組前期研制的氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式育苗播種機[6-7]的基礎上，用新研發的雙腔排種滾筒替換原有的單腔排種滾筒，結構原理如圖3所示。氣吹供種的氣吸滾筒式雙腔排種器試驗臺主要由雙腔排種滾筒、驅動電機、渦旋氣泵、變頻器、氣吹供種種箱、正壓供氣管、負壓供氣管、傳動鏈輪、負壓氣路調壓閥及正壓氣路調壓閥等組成。

1.輸送裝置 2.氣吹供種種箱 3.傳動鏈輪 4.端蓋 5.雙腔排種滾筒 6.機架 7、15.傳動鏈條 8.穴盤 9.驅動電機 10.負壓吸氣管 11.負壓氣路調壓閥 12.正壓氣路調壓閥 13.吹吸兩用渦旋氣泵 14.輸送電機 16.正壓進氣管

排種器工作時，通過調節電機的變頻器帶動滾筒按規定方向轉動；旋渦氣泵的正壓供氣管與滾筒正壓空心軸氣道和種箱氣室連接，負壓供氣管與滾筒負壓空心軸氣道連接；正壓供氣管往正壓投種腔和種箱氣室中通入正壓氣體，種箱內供種板上有比種子小的小通孔，此時，供種板子上的種子在正壓氣體的吹動作用下“沸騰”，種子運動到種箱出料口；負壓吸種滾筒表面上開有錐形通孔，負壓供氣管通過負壓空心軸氣道往滾筒腔體通入負壓氣體；當負壓吸種滾筒轉動到種箱出料口時，錐形通孔內外壓差的作用使得通孔附近的種子被吸附在錐形通孔中，種子便隨著負壓吸種滾筒一起轉動；當種子運動到滾筒刷附近時，吸種孔處多余種子會受阻，被迫返回種箱；當種子隨著負壓吸種滾筒轉到正壓投種腔室下方時，種子失去了內外壓差產生的吸附力，種子在正壓氣流、自身重力和離心力的作用下脫落實現整個排種過程。

2.4 試驗設計

2.4.1 試驗指標

參考國家農業部關于精密播種的具體要求[8]，本次試驗指標為單粒率、重播率和漏播率。根據GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[9]及排種器排種性能試驗目的，確定試驗指標為單粒率y1、重播率y2和漏播率y3[10]。各試驗指標計算式為

(1)

(2)

(3)

其中，N為理論排種數；n1為單粒排種數；n2為兩粒以上排種數；n3為漏排種數。

2.4.2 試驗因素及方案設計

試驗采用的穴盤為128穴(8×16)的標準穴盤，滾筒橫向打孔8列。以投種腔氣室正壓(以下簡稱氣室正壓)、吸附取種滾筒負壓(以下簡稱滾筒負壓)和滾筒轉速為試驗影響因子。考察其常用壓力范圍[11]，氣室正壓取1.2、2.4、3.6kPa等3個水平，滾筒負壓取2、3、4kPa等3個水平。預試驗結果表明：滾筒轉速不宜超過20r/min(線速度為0.18 m/s)。所以，滾筒轉速取12、16、20r/min等3種水平。根據Box-Behnken組合設計原理，以單粒率y1、重播率y2和漏播率y3作為試驗指標，利用Design-Expert軟件設計三因素三水平正交組合試驗。因素水平編碼表如表1所示，試驗方案如表2所示。

表1 因素水平編碼表

2.4.3 試驗與數據統計

試驗在石河子大學農業機械重點實驗室進行。首先，調試試驗臺及各儀器設備；然后，記錄數據前讓各設備正常運行2min；確定無誤后，再按試驗設計進行試驗，并記錄數據。圖4為試驗樣機圖。

圖4 試驗樣機

本試驗利用高速攝像對滾筒排種結果進行分析。工作時，雙腔排種滾筒繞正負壓空心支撐軸順時針轉動過程中，先經過左側種子箱下方滾筒刷清理滾筒壁上的雜物，再經過氣吹式種子箱。此時，雙腔排種滾筒在負壓差的作用下經過供種板時吸附取種，1圈之后又經過滾筒刷時清理種子，種子在自重和正壓力的作用下掉落在輸送帶上，輸送帶的一側放置接種盒收集種子。按試驗方案，依次用攝影記錄4min內滾筒排種情況的圖像數據作為1組試驗。從其中隨機統計5組排種器的排種過程圖像，每組100穴，分別統計計算單粒率y1、重播率y2和漏播率y3，取平均值。試驗數據統計結果如表2所示。

表2 試驗方案與數據統計

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果分析

3.1.1 單粒率回歸模型的建立與顯著性檢驗

單粒率的方差分析結果如表3所示。對表3的結果進行回歸擬合處理，得到單粒率與各試驗因子的回歸方程為

Y1=92.5-0.2X1-0.45X2-0.475X3+

(4)

其中，Y1為單粒率(%)；X1為正壓值；X2為負壓值；X3為轉速。

表3 單粒率方差分析

由表3方差分析結果可知：回歸模型F=4.89，P=0.024 0<0.05，回歸方程的檢驗表現為極為顯著；同時，模型的決定性系數R2=0.862 9，且模型誤差值較小。該模型可以解釋響應值86.29%的變化情況，能用此模型對重播率進行分析和預測。X1、X2、X3及X1X2、X2X3的P值均大于0.1，其他各項檢驗顯著或者極為顯著，說明相關響應值存在二次關系。

各因子對單粒率的顯著性影響順序為：滾筒轉速X3>滾筒負壓X2>氣室正壓，X1X1X3的P值為0.018 9，表現為交互作用明顯。

3.1.2 重播率回歸模型建立與顯著性檢驗

重播率的方差分析結果如表4所示。對表4的結果進行回歸擬合處理，得到重播率與各試驗因子的回歸方程為

(5)

其中，Y2為重播率(%)。

表4 重播率方差分析

由表4可知：回歸模型F=14.95，P=0.000 9?0.05，回歸方程的檢驗表現為顯著；同時，模型的決定性系數R2=0.950 5，且模型誤差值較小。該模型可以解釋響應值95.05%的變化情況，可以用此模型對重播率進行分析和預測。

各因子對重播率的顯著性影響順序為：滾筒負壓X2>滾筒轉速X3>氣室正壓X1，X1X2的P值為0.002 8，表現為交互作用明顯。

3.1.3 漏播率的方差分析

漏播率的方差分析結果如表5所示。對表5的結果進行回歸擬合處理，得到漏播率與各試驗因子的回歸方程為

Y3=1.58-0.2875X1+1.175X2-0.0375X3-

0.9X1X2+2.275X1X3+0.05X2X3+

2.45X12+0.923X22+2.598X32

(6)

其中，Y3為漏播率(%)。

表5 漏播率方差分析

由表5可知：回歸模型F=4.61，P=0.028 1<0.05，回歸方程的檢驗表現為顯著；同時，模型的決定性系數R2=0.855 7，且模型誤差值較小。該模型可以解釋響應值85.57%的變化情況，可以用此模型對漏播率進行分析和預測。

各因子對漏播率的顯著性影響順序為：滾筒負壓X2>氣室正壓X1>滾筒轉速X3，X1X3的P值為0.021 3，表現為交互作用明顯。

3.2 響應曲面分析

應用響應曲面法分析各試驗因子對單粒率、重播率、漏播率的影響，得出單粒率、重播率、漏播率的響應曲面圖。

3.2.1 單位率

圖5為負壓3kPa時單粒率關于氣室正壓和滾筒轉速的曲面響應圖。由式(4)、表3和圖5可知：對單粒率的影響有交互作用的因素是氣室正壓和滾筒轉速。因此，滾筒負壓固定為3kPa時，得到單粒率關于正壓和轉速的回歸方程為

Y1=92.5-0.2X1-0.475X3-2.525X1X3-

2.463X12-2.963X32

(7)

圖5 單粒率關于正壓和轉速的曲面響應圖

由圖5和式(7)可知：

1)單粒率隨著轉速增加先稍微增大后急劇減小。主要原因是：隨著滾筒轉速的提高，滾筒吸孔線速度相應地增大，增大到16r/min時單粒率達到最大值；隨著轉速的繼續增加，滾筒吸孔線速度繼續增大，已被吸孔吸附的種子與其他種子間的碰撞增強，使已被吸附的種子受撞擊脫離吸孔的可能性增強；隨著轉速的增加，吸孔的相對運動速度增大，種子滯后于吸孔運動受不到吸力而易脫落；另外，種子所受的離心慣性力增大，由真空度所產生的吸附力不足，造成種子脫離吸種孔，導致漏播[8]。

2)單粒率隨著正壓增大先增大后減小，且增大速率大于減小速率，大概在2.2kPa時達到峰值。主要原因是：隨著正壓的增大，一方面吸孔清堵徹底，吸附取種可靠，有利于單粒率的增大；另一方面種箱氣室對種子的吹力增大，使得種子“沸騰”，種子之間的摩擦力和阻力減小，更容易被吸附在滾筒表面的吸孔上，但是隨著正壓的進一步增大，使得每個吸孔吸附不止1個種子，導致重播。

3.2.2 重播率

圖6為滾筒轉速固定為16r/min時重播率關于負壓和正壓的曲面響應圖。由式(5)、表4和圖6可知：對重播率的影響有交互作用的因素是負壓和正壓。因此，滾筒轉速固定為16r/min時，得到重播率關于負壓和正壓的回歸方程為

Y2=5.92+0.475X1-0.7375X2+0.85X1X2-

(8)

圖6 重播率關于負壓和正壓的曲面響應圖

由圖6和式(8)可知：

1)重播率隨著滾筒負壓增大而增大，且增大速率逐漸減小。主要原因是：隨著負壓的增大，吸孔對種子的吸附力增大，1個吸孔容易吸附多粒種子，導致重播率增大。

2)重播率隨著氣室正壓增大而增大，且增大速率變化不明顯。主要原因是：隨著氣室正壓的增大，吸孔暢通無堵，種子吸附可靠，但氣室正壓對種子的吹力增大，使得種子“沸騰”，種子之間的摩擦力和阻力減小，更容易分散開，被吸附在滾筒表面的吸孔上，但是隨著正壓的進一步增大，使得每個吸孔吸附不止1個種子，導致重播。

3.2.3 漏播率

圖7為負壓為3kPa時，漏播率關于氣室正壓和滾筒轉速的曲面響應圖。由式(6)、表5和圖7可知：對漏播率的影響有交互作用的因素是氣室正壓和滾筒轉速。因此，滾筒負壓固定為3kPa時，得到漏播率關于氣室正壓和滾筒轉速的回歸方程為

Y3=1.58-0.2875X1-0.0375X3+2.275X1X3+

2.45X12+2.598X32

(9)

由圖7和式(9)可知：

1)漏播率隨著氣室正壓增大先增大后減小，且增大速率小于減小速率。主要原因是：隨著氣室正壓的增大，吸孔暢通無堵，種子吸附可靠，且種箱氣室對種子的吹力增大，使得種子“沸騰”活躍，使得每個種子吸附時阻力減少，種子單粒率和重復率增大，漏播率減小。

2)漏播率隨著轉速先增加后減小，增加速度遠大于減小速度。主要原因是：隨著滾筒轉速的提高，滾筒吸孔線速度相應地增大；隨著轉速的繼續增加，滾筒吸孔線速度繼續增大，已被吸孔吸附的種子與其他種子間的碰撞增強，種子不易被吸附，漏播率增加；同時，吸孔的相對運動速度增大，種子所受的離心慣性力增大，由真空度所產生的吸附力不足，造成種子脫離吸種孔，導致漏播減小[8]。

3.3 試驗指標參數優化

當氣室正壓為1.2～3.6kPa、滾筒負壓為2～4kPa、滾筒轉速為12～20r/min時，以單粒率Y1取最大值、重播率Y2及漏播率Y3取最小值為優化目標，利用Design Expert 軟件優化，確定出優化區間。當氣室正壓為2.2kPa、滾筒負壓為2.4kPa、滾筒轉速為16r/min時，試驗指標的最優值分別為單粒率93.2%，重播率4.3%，漏播率2.5%。

圖7 漏播率關于正壓和轉速的曲面響應圖

3.4 模型的驗證

為了驗證優化參數的準確性，選擇氣室正壓為2.2kPa、滾筒負壓為2.4kPa、滾筒轉速為16r/min進行10組驗證試驗。驗證試驗結果為：單粒率92.6%，重播率4.0%，漏播率3.4%，且與預測值之間的誤差分別為0.6%，0.3%，0.9%。這表明，優化條件選擇合理(見表6)，驗證值與預測值很接近，符合播種機械相關標準要求。因此，所建立的排種性能指標預測模型是合適的，所得到的優化指標參數是可靠的。

表6 優化條件下試驗指標預測值及實測值

4 結論

1)選取影響取種性能指標(單粒率、重播率、漏播率)的主要因素—投種腔氣室正壓、滾筒負壓和轉速，采用三因素三水平的正交回歸試驗設計方案進行排種性能試驗。通過Design-Expert軟件對試驗數據進行方差分析和回歸擬合，得出影響排種性能指標的因素主次關系依次是投種腔氣室正壓、滾筒負壓及轉速。

2)確定影響排種性能指標較優的結構參數、工作參數，即當投種腔氣室正壓為2.2kPa、滾筒負壓為2.4kPa、滾筒轉速為16r/min時，性能指標的最優值分別為單粒率93.2%、重播率4.3%、漏播率2.5%，均滿足精量排種的技術要求。