氣吸式玉米精量排種器性能試驗研究

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，我國對糧食生產(chǎn)率的要求越發(fā)嚴(yán)格[1]，播種機的出現(xiàn)大大提高了傳統(tǒng)耕作的生產(chǎn)效率[2]。氣吸式播種機是眾多播種機的一種，其關(guān)鍵部件是排種器。氣吸式排種器可以用于穴播和點播，通過調(diào)節(jié)排種盤的直徑、孔的大小及傳動比，實現(xiàn)不同農(nóng)作物的播種；且它對種子外形尺寸沒有多少要求，對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)。

為了實現(xiàn)高效播種，提高氣吸式播種機排種器的排種效率，本文進行了性能測試[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其排種性能的影響，分析影響因素的主次，同時進行了正交試驗的方差分析，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)機為其提供負(fù)壓，使一個或者多個種子成功被吸附。當(dāng)?shù)剌嗱?qū)動圓盤轉(zhuǎn)動時，由于受真空度大小的影響，吸孔可能會吸附兩粒或多粒玉米種子，此時刮種器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，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)種子從管中滑落時會有一個向后的分速度，這個分速度與整機作業(yè)向前的速度抵消，使得種子的實際速度為零時落種，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 試驗材料與方法

2.1 試驗材料與設(shè)備

本試驗選用的排種器型孔數(shù)為33孔， 型孔分布圓直徑為260mm。試驗研究對象選用先玉335玉米種子，試驗前隨機抽選250粒玉米種子，測量其尺寸特征，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排種的性能指標(biāo)(合格率、漏播率、重播率)的影響[10]。 本試驗于2017年12月在土槽實驗室進行，試驗選擇氣吸式排種器[11]， 測試設(shè)備采用JPS-12型試驗臺，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 型試驗臺性能指標(biāo)

2.2 試驗方法

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

2.3 單因素試驗

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)速度及真空度對其造成的影響，現(xiàn)場試驗如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場試驗圖

2.3.1 播種作業(yè)速度對排種質(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)速度來檢測排種器的性能。試驗中選取9個作業(yè)速度依次為2、3、4、5、6、7、8、9、10km/h。當(dāng)JPS-12型試驗臺的各項因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，選取250粒玉米種子作為樣本，計算其各項指標(biāo)的比例，試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 作業(yè)速度對排種性能的影響曲線

由圖3可知：作業(yè)速度對排種器的影響是使播種合格率先升高后降低，而對其他兩個指標(biāo)的影響正好相反，當(dāng)播種的作業(yè)速度達(dá)到7km/h時，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，吸種時間過長，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，種子所受的離心力就會變大，此時種子所需的負(fù)壓也會變大，當(dāng)真空度和高度一定時，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，此時漏播現(xiàn)象就會出現(xiàn)，即漏播率升高。

2.3.2 氣吸室真空度對排種質(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排種器的性能。試驗中選取9個真空度依次為2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6kPa。當(dāng)JPS-12型試驗臺的各項因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，選取250粒玉米種子作為樣本，計算其各項指標(biāo)的比例，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 吸室真空度對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，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；當(dāng)吸室的真空度為4.5kPa左右時，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，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，其重播率和漏播率會最低，這時其合格率會最高，達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3.3 投種高度對排種質(zhì)量的影響

投種高度是投種時間長短的重要參數(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排種器的性能。 試驗中選取7個投種高度依次為100、150、200、250、300、350、400mm。當(dāng)JPS-12型試驗臺的各項因素都達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時，選取250粒玉米種子作為樣本，計算其各項指標(biāo)的比例，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 排種器高度對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，隨著高度的增長，合格率明顯下降；而另外兩個指標(biāo)都有上升的趨勢。試驗中，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受到外界空氣阻力的干擾，而且導(dǎo)種管自身也會影響種子的路徑，對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，種子受到外界的影響就會越大，此時排出的種子均勻性會差。 因此，排種時應(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 正交試驗設(shè)計

由上述的單因素試驗數(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之間時試驗指標(biāo)較好。為了進一步確定以上3種影響因素的主次及參數(shù)的最優(yōu)組合，正交試驗時選取播種作業(yè)速度、吸室真空度和投種高度設(shè)計3因素4水平的正交設(shè)計，如表3所示。本文選用L16(43)正交表，試驗方案及試驗結(jié)果如表4所示。試驗結(jié)果如表5所示。

表3 正交試驗因素水平編碼表

續(xù)表3

表4 試驗方案及試驗結(jié)果

由表5試驗結(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的順序為B>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，最后得出本試驗的最優(yōu)因素組合為B3A3C1。試驗結(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，試驗的指標(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播種質(zhì)量的影響程度，本文對試驗得出的數(shù)據(jù)進行了方差分析，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排種的3個指標(biāo)呈顯著狀態(tài)，投種高度對重播率呈顯著狀態(tài)，說明這3個影響因素都對排種質(zhì)量都有顯著影響。

表5 試驗結(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，到達(dá)7km/h時排種效果達(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。

2)當(dāng)播種作業(yè)速度和投種高度一定時，由于吸室負(fù)壓的增大，排種器的排種精度呈上升的趨勢，漏播率由于吸力變強而明顯降低，但重播率此時也略有上升。當(dāng)其數(shù)值達(dá)到4.5kPa時，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，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，排種器的精度較好。

4)通過正交試驗的方差分析得出：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，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%。