氣力滾筒式排種器性能試驗研究

楊昌敏,徐 一,唐 波,彭曉琴,魏鼎才,江 昊,陳興毅

(四川省農業機械研究設計院,成都 610066)

0 引言

蔬菜育苗是對整個蔬菜生產至關重要的環節,育苗工廠化是蔬菜產業發展的必然要求。精量播種機是工廠化育苗設備的核心,而排種器是精量播種機的主要工作部件,其性能直接決定了播種機的播種質量。目前,育苗工廠中采用的排種器主要有機械式、磁吸式和氣力式。氣力式排種器具有通用性好、對種子外形尺寸要求不嚴等優點,被廣泛應用于育苗場,成為排種器的主要發展方向[1]。現今,排種器的種類繁多,但由于蔬菜等小粒徑作物種子尺寸小、流動性差等特點,實現其精量播種仍是難題。為此,針對蔬菜等小粒徑作物種子的物理特性,利用真空發生器正、負壓轉換方式設計了一種氣力滾筒式排種器,完成種子的吸種、落種,實現對蔬菜種子的精量播種。

1 結構及原理

1.1 結構設計

播種機由機架、上料裝基、壓穴、播種、裂解及覆基等裝置組成,傳動鏈條與同步帶傳送構成的傳動系統及由可編程控制器、光電傳感器、霍爾傳感器等構成的控制系統共同構成了蔬菜穴盤育苗播種機,如圖1所示。播種機可作為小型精播流水線,其相較于單一功能播種機而言,能完成蔬菜種子從裝基到覆基播種的全過程,且占地空間小、作業效率高、省時省力。

1.發盤 2.上料裝基 3.壓穴 4.播種 5.控制操作系統 6.裂解 7.覆基 8.機架圖1 播種機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of the vegetable seed planter

排種器主要由滾筒體、帶通孔的空心軸、滾筒體側面蓋、軸承及密封圈等組成,如圖2所示。播種滾筒采用封閉式空心方式,空心軸上的通孔與滾筒體上的吸孔氣流相通,滾筒體側面蓋和滾筒緊密配合,軸承座固定在滾筒體側面蓋上。

1.帶通孔的空心軸 2.密封圈 3.吸孔 4.滾筒外殼 5.滾筒側蓋 6.軸承圖2 排種器結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the precision seedling machine

1.2 排種器工作原理

排種器的負壓端與真空發生器空吸入口相連,供給負壓;正壓端與排氣口相連,供給正壓。工作時,育苗盤前進到播種區,光電傳感器檢測到育苗盤,滾筒帶通孔的空心軸固定不動,低速可調電機通過同步帶帶動滾筒體轉動,種子依靠真空發生器產生的負壓吸附上去,完成取種;滾筒繼續轉動,滾筒上方的感應磁鐵隨著轉動,當滾筒轉動至穴盤上方與穴孔相對應時,霍爾傳感器收到位置信號,在正壓力和種子自身重力作用下完成落種;育苗盤運行出光電傳感器感應區域時播種結束,播種電機停止轉動。

2 排種器關鍵部件設計

2.1 滾筒直徑設計

滾筒直徑的大小與播種質量成反比。查相關文獻,目前國內外生產的氣力滾筒式排種器滾筒直徑多為140～260mm。試驗針對128穴標準穴盤播種,穴盤L×B為540mm×280mm,為滿足播種滾筒旋轉1周實現播種1盤,滾筒的直徑設計為170mm。

2.2 吸孔設計

滾筒表面吸孔直徑大小與真空度成正比。針對油菜等近似球形的種子,滾筒吸孔直徑采用經驗公式[2]dx= (0.64～0.66)b(b為種子的平均寬度,“油綠甜菜心”油菜的平均寬度為1.63mm)選取。

滾筒表面吸孔橫向與周向排數與試驗所用的16×8孔標準穴盤,外形尺寸L×B×H為540mm×280mm×42mm,兩穴錐孔中心距為32mm,故滾筒橫向長度設計為320mm;開設8個吸孔,間距為32mm,周向吸孔數設計為16孔。吸孔型式為上下表面有倒角的圓形通孔,以利于種子流通。

3 排種器性能試驗

3.1 試驗條件

氣力式排種器采用真空吸附原理,以氣流為載體實現種子的吸種和落種,氣流大小與穩定等因素影響播種質量。播種性能指標中,重播率和空穴率是一對矛盾,空穴率低時重播率一般較高,所以在選擇播種參數時要遵循“降低空穴率,控制重播率”的原則[3]。

專用方式的優點是光纜的纖芯經熔纖后由光纜終端箱直接接入保護設備的光收、發接口，沒有中間環節，不需附加其他設備，實現簡單、可靠性高，而且由于不涉及通信調度，管理也較方便。目前，專用方式主要應用于距離較短的城網線路保護以及發電廠與電力系統之間重要線路的保護。其缺點是纖芯利用率低（與復用方式相比），光接頭插拔次數過多，就容易造成損壞。

試驗在室內進行,可減少外界環境的影響。所用種子為市場購買的“油綠甜菜心”(油菜)種子,未進行包衣或丸化處理。試驗過程中盡可能保證滾筒轉速與負壓穩定性,試驗樣本數512穴,重復3次,取其平均值。

3.2 試驗指標

試驗統計參照GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[4-5],按下面的公式計算出播種指標,即

(1)

(2)

(3)

式中N—播種總穴數(穴);

n1—單粒種子的穴孔數(穴);

n2—兩粒及以上種子的穴孔數(穴);

3.3 試驗方案與結果

影響氣力滾筒式排種器的性能因素有：播種滾筒直徑、吸孔尺寸與型式、進出氣方式、正負壓區壓力值及排種滾筒轉速等。根據對排種器的結構、負壓區壓力及排種滾筒轉速的分析,可知吸種與負壓區壓力值和滾筒轉速有關,落種與正壓力區壓力值和滾筒轉速有關,即影響排種器性能的主要因素有：真空度(負壓區壓力值)、正壓區壓力值、滾筒轉速。不考慮各因素間交互作用的影響,設計三因素三水平的正交試驗[3],試驗方案及結果如表1所示。

表1 正交試驗結果表Table 1 Orthogonal test results

從表1可以得出：第7組試驗的結果為最佳;單粒率94.41%,重播率3.13%,漏播率2.46%;因素水平的組合為A3B1C2,即真空度4.0kPa,正壓值2.0kPa,滾筒轉速14r/min。

3.4 試驗結果極差分析

為得到不同試驗指標的因素水平、影響主次順序及最優組合,對試驗結果進行極差分析,分析結果如表2～表4所示。

表2 單粒率極差分析表Table 2 Single particle index range analysis

表3 重播率極差分析表Table 3 Replay index extreme difference analysis

表4 空穴率極差分析表Table 4 An analysis table of dispersion index

根據表2～表4得出的試驗數據,將各因素水平值作為橫坐標,正交試驗結果值作為縱坐標,繪制出各因素水平與試驗性能指標的關系圖。該圖反映出排種器主要性能指標隨滾筒內真空度、氣室正壓力和滾筒轉速任一因素3個水平變化而變化的情況,也直觀地反映出各因素水平值對播種試驗性能指標的影響主次、大小、規律和趨勢,如圖3所示。

(a) 單粒率

由表2～表4及圖3可得到如下結論：①對單粒率而言,各因素影響的主次順序為A、B、C,水平順序為A3>A2>A1, B2> B1>B3, C2>C1>C3。因素組合A3B2C2時,單粒率較高。②對重播率而言,各因素影響的主次順序為A、B、C。水平順序為A1>A2> A3, B3> B2>B1, C2> C3> C1,因素組合A3,B1,C1時,重播率較低。③對空穴率而言,各因素的影響的主次順序為A、C、B,水平順序為A1>A2> A3, B3> B1>B2, C3> C1> C2。因素組合A3B2C2時,空穴率較低。

3.5 試驗結果方差分析

正交試驗結果的極差分析法簡單易懂,但不能估計試驗過程及試驗結果測量中無法避免的誤差大小[6]。方差分析可以明確區分試驗結果數據的變化來源是各因素水平及其交互作用變化所引起的數據波動還是試驗誤差所引起的數據波動。方差分析提高了試驗結果分析的精度,由此彌補極差分析存在的不足[7]。

根據試驗結果計算出各因素的F值,如表5～表7所示。

表5 單粒率方差分析Table 5 Analysis of single - grain index variance

表6 重播指數方差分析Table 6 Analysis of variance of replay

表7 漏播指數方差分析Table 7 Analysis of variance analysis of seeding index

顯著性σ=0.05,比較F值與臨界值可看出,各因素顯著性影響不明顯,這是因為誤差自由度偏小,造成了F檢驗靈敏度不高。通過只考慮影響大的因素,把其他因素并入誤差,使誤差的偏差平方和自由度增大,提高F檢驗的靈敏度的方法,再次將得出的F值與臨界值比較,得出：試驗結果方差分析所得出的因素主次順序與極差分析所得出的結論相同,說明極差分析的結論是準確的,也說明本次試驗結果也在誤差影響范圍之內。

綜上,通過極差和方差分析可得到：因素A真空度為4.0kPa時,空穴和重播率都不高,單粒率高;因素B氣室正壓力為3.0kPa時,空穴率較低,單粒率較高;因素C滾筒轉速為14r/min時,空穴率較低,單粒率較高。根據播種機參數選擇原則“提高單粒率,減少空穴率,控制重播率”,為獲得播種機最佳播種質量,其因素水平最優組合為A3B2C2,即真空度為4.0kPa,氣室正壓力為3.0kPa,滾筒轉速為14r/min。

為得到因素水平最優組合下播種機的播種性能指標值,在A3B2C2下重新進行試驗,試驗結果為：單粒率94.06%,重播率為3.11%,漏播率為2.83%。

4 結論

1)針對蔬菜等小粒徑作物種子的物理特性,利用真空發生器產生的正、負壓轉換設計了一種氣力滾筒式排種器,實現對蔬菜種子的精量播種。

2)通過試驗分析得出影響排種器性能的因素：

(1)單粒率。真空度>氣室正壓力>滾筒轉速,最優因素水平組合為真空度4.0kPa,氣室正壓力3.0kPa,滾筒轉速14r/min。

(2)重播率。真空度>氣室正壓力>滾筒轉速,最優因素水平組合為真空度4.0kPa,氣室正壓力2.0kPa,滾筒轉速12r/min。

(3)空穴率。真空度>滾筒轉速>氣室正壓力,最優水平組合為真空度4.0kPa,滾筒轉速12/min,氣室正壓力3.0kPa。

3)因素最優組合：真空度4.0kPa、氣室正壓力3.0kPa、滾筒轉速14r/min時,單粒率94.06%,重播率3.11%,漏播率2.83%,滿足穴盤育苗精量播種的精度和效率要求。