石林榕 孫步功 趙武云 楊小平 辛尚龍 王久鑫

(甘肅農業(yè)大學機電工程學院， 蘭州 730070)

0 引言

玉米機械化精密播種是提高播種效率的重要途徑[1]，而排種器是播種機的關鍵部件。精量排種器按其工作原理分為機械式和氣力式。機械式結構簡單，對種子外形要求較高，損失較大[2]。氣力式排種器主要包括氣吸式、氣吹式、氣壓式和中央集排式等，氣吸式排種器因對種子具有適應性強、損傷輕、能適應較高播種作業(yè)速度等優(yōu)點而被廣泛應用[3-4]。國內學者對氣吸式排種器做了大量研究[5-9]，包括采用機械托種盤輔助吸種、同步排種盤和負壓腔室旋轉吸種、擾動種群降低種子瞬態(tài)法向應力提高吸種能力、利用振動頻率增強吸種能力、采用內充氣吹式吸種等，這些均提高了吸種盤吸附種子能力，然而以上排種器安裝于機架上，不能滿足膜上鴨嘴破膜穴播的要求。西北旱區(qū)先鋪膜保墑、后膜上播種模式效益較高，滾輪式排種器播種過程受到多種因素影響，尤其地面不平度影響較大，播種質量有待提高。

基于西北地區(qū)鋪膜種植特點，本文針對氣吸式玉米滾輪排種器在地膜上滾動穴播單粒合格指數(shù)低、漏播嚴重等問題，用彈性橡膠作為玉米吸種盤的吸種材料，對吸種盤吸種過程進行受力分析，研究影響吸種能力的因素，根據(jù)響應曲面法的Central Composite Design試驗設計原理，基于彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器試驗臺開展氣吸排種試驗，并優(yōu)化彈性嘴式氣吸排種器作業(yè)性能參數(shù)，進行大田試驗加以驗證。

1 整體結構與工作原理

1.1 整體結構

彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器主要由排種器右殼體、種室隔板、吸種盤組件、種盤限位架、氣室密封圈、擾種器、氣管、鴨嘴、排種器主架、鴨嘴固定架和排種器左殼體等組成，如圖1所示，其中吸種盤組件由吸種盤和彈性吸種墊組成，彈性吸種墊通過得力6371膠粘附于吸種盤吸種孔內，吸種盤(鋼板，表面粗糙度3.2)上的吸種孔由兩個階梯狀孔構成，大孔直徑12 mm，深度2 mm，用于安裝彈性吸種墊，小孔直徑6 mm。彈性吸種墊材料為彈性橡膠(密度0.92 g/cm3，扯斷強度19 MPa，中度回彈性能)，外孔直徑6 mm，內孔直徑2 mm，深度2 mm，吸種墊內徑小于吸種盤的通氣孔，為吸種墊法向變形留出空間。吸種盤與后殼體封閉空間連通。主要工作區(qū)域依次為吸種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)和隔種區(qū)，如圖1b所示。

圖1 彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器結構示意圖Fig.1 Schematics of seed metering with device-aspiration type and elastic suction nozzle1.入種口 2.排種器右殼體 3.種室隔板 4.吸種盤組件 5.種盤限位架 6.氣室密封圈 7.擾種器 8.氣管 9.鴨嘴 10.排種器主架 11.鴨嘴固定架 12.排種器左殼體 13.刮種板 14.清種器 15.支板 16.彈簧 17.吸種盤 18.彈性吸種墊

1.2 工作原理

如圖1所示，彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器可分為吸種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、隔種區(qū)。作業(yè)時，排種器殼體與膜面發(fā)生相對轉動，吸種盤同步旋轉，吸種盤一側面向取種區(qū)，另一側與由穴播輪后殼體和隔板組成的氣吸室相通，氣吸室與機架連接，不發(fā)生轉動，風機使吸種盤兩側產生氣壓差，吸種盤轉動經(jīng)過吸種區(qū)Ⅰ時種子克服種群對其作用力后被吸附在吸種盤組件的彈性吸種墊上，由于彈性吸種墊吸種時發(fā)生彈性變形，與玉米種子外形貼合緊密，單粒吸種力較大，多粒吸種幾率降低。當玉米種子隨吸種盤旋轉經(jīng)清種區(qū)Ⅱ并出現(xiàn)多吸種的情況時，由于彈性吸種墊大小和一粒種子截面面積相當，致使多吸的種子與光滑的吸種盤接觸面較大，又因玉米與彈性氣吸墊之間的摩擦因數(shù)大于玉米與吸種盤之間摩擦因數(shù)，多吸的種子會被擾種器攪動掉落至吸種區(qū)Ⅰ，后經(jīng)過攜種區(qū)Ⅲ，當種子運轉至刮種板時，種子進入隔種區(qū)Ⅳ，氣吸室與吸種孔連通關閉，種子在重力及清種器綜合作用下落至鴨嘴內，此后鴨嘴隨排種輪旋轉扎入土壤一定深度，鴨嘴上的支板在地面反作用力下打開，種子掉落入穴孔內，排種器繼續(xù)滾動，支板離開地面，彈簧恢復原形，鴨嘴關閉。如此循環(huán)完成連續(xù)播種。

2 種子受力分析

彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器工作時，種子所受外力主要有種子重力G、種子旋轉慣性力J、吸孔吸附力F、吸孔處種子摩擦力f、空氣阻力，由于在吸種區(qū)Ⅰ，玉米種子較多不易形成外部氣流，玉米受到的空氣阻力可忽略不計，吸種墊吸附種子后受力如圖2所示。

圖2 種子受力示意圖Fig.2 Schematic of seed under force

如圖2所示，在垂直于水平面的氣吸式吸種盤上，種子被吸住時的受力條件[10]為

f>T

(1)

其中

式中T——玉米慣性力J和重力G的合力，N

α——重力和慣性力之間夾角，(°)

m——單個玉米質量，kg

ω——吸種盤角速度，rad/s

R——吸孔位于吸種盤的半徑，m

g——玉米受到的重力加速度，m/s2

μ——摩擦因數(shù)

d——吸孔直徑，m

p——氣流密度，kg/m3

(2)

式中c——玉米重心與吸種盤上表面的距離，mm

如圖3所示，當種子被成功吸附于吸種盤組件后，還需克服種群對其阻力。以種子質心為坐標原點建立坐標系，過原點水平線為x軸，垂直水平線為y軸，此時種子受力分別為線性運動方向阻力fd、型孔對種子的支持力N、上層種群對種子的壓力Nt、種子重力G、離心力J及下層種群對其支持力Nb。

圖3 種子脫離種群受力分析示意圖Fig.3 Sketch of stress analysis of seed detachment from population

種子隨吸種盤運動過程中，Nb=0。為保證種子不掉落，需滿足受力條件

fx=(Nd+fd)cosα-Jsinα

(3)

fy=Nt+G+Jcosα+(Nd+fd)sinα

(4)

式中fd——種群對種子的摩擦力，N

Nd——種子運動方向受到的阻力，N

由于種子離心力在種群中被反力抵消，離心力J可忽略，因此，式(3)、(4)可簡化為

(5)

由式(5)可知，吸種盤吸種區(qū)域主要為[0,π/4]，在其他力一定的情況下，隨著fx減小、fy增大，即種子受到的摩擦力f方向與x軸夾角不斷增加，f不斷增加。

吸孔處種子摩擦力計算式為

(6)

式中μa——種子與彈性吸種墊之間的摩擦因數(shù)

圖4 玉米種子與不同材料摩擦因數(shù)測定Fig.4 Coefficient determination of static friction between corn seeds and different materials1.吸種盤 2.彈性橡膠

由式(6)可知，若要玉米種子被吸牢，要求種子與彈性吸種墊之間的摩擦因數(shù)μa、吸種墊吸孔直徑d和氣流密度p值大。如圖4所示，通過傾角法比較和測定玉米種子與吸種盤之間、玉米種子與彈性吸種墊之間的靜摩擦因數(shù)，分別進行5組試驗。試驗中發(fā)現(xiàn)，隨吸種盤與水平面之間的傾角緩慢增加，處于吸種盤的種子先于彈性吸種墊上的種子滑落，種子滑落角分別為14°和30°。經(jīng)計算玉米種子與吸種盤之間的靜摩擦因數(shù)為0.25，玉米種子與彈性吸種墊之間的靜摩擦因數(shù)為0.58，本文所采用的彈性吸種墊增大了種子的摩擦力，能有效降低漏吸率，同時提高了種子的抗振性。

由式(2)可以看出，隨吸種墊吸種孔直徑的增大，吸附種子所需要的真空度降低，吸種盤吸種能力逐漸提高；而當吸種孔直徑增大到一定值時，漏氣量逐漸增大，吸種能力逐漸降低[11]。同時，吸孔過大會使氣流速度降低。種子氣流拽力計算式為[12]

(7)

式中Cd——空氣阻力因數(shù)，與種子形狀、表面狀態(tài)及雷諾數(shù)有關

Sa——種子迎風面面積，m2

v——氣流速度，m/s

由式(7)可知吸孔直徑d并非越大越好。吸種孔直徑需根據(jù)玉米種子的平均寬度來確定[13]，計算式為

d=(0.64～0.66)b

(8)

式中b——種子平均寬度，m

本文試驗采用的玉米品種為鄭單958，寬度平均值為6.21 mm，由式(8)計算得吸種孔直徑為4.04 mm。根據(jù)甘肅省農藝要求，確定玉米播種穴距為220 mm，吸種盤上吸孔圓周分布直徑為170 mm，吸孔數(shù)為8。氣吸式播種機配套動力為洮河拖拉機廠生產的電動調速牽引機，機組前進速度選擇為0.60 m/s。氣吸式玉米滾輪排種器滾動角速度為

(9)

式中vm——牽引機前進速度，m/s

a——株距，m

k——窩眼輪穴孔數(shù)

δ——地輪滑移率，取5.7%[14]

由式(9)可得ω為2.27 rad/s(21.69 r/min)。在吸種區(qū)Ⅰ，為降低彈性吸種墊漏吸率，使種子牢靠吸附于吸嘴處，并運動突破種群阻力，吸室的真空度須大于理論計算值。計算理論最大真空度時，應以吸種區(qū)Ⅰ所需真空壓度為基準[15]。計算式為

(10)

其中

λ=(6～10)tanβ

式中Hcmax——真空度最大值，kPa

v1——吸孔中心處的線速度，m/s

r——吸種盤吸孔處的轉動半徑，m

λ——種子的摩擦阻力綜合系數(shù)

β——種子自然休止角，(°)

K1——外部條件系數(shù)，為影響種子吸種過程空氣阻力、外部振動等因素的外部影響系數(shù)，一般為1.8～2.0，由于滾輪式氣吸式排種器與地面接觸振動較大，會降低吸種性能，取2

K2——吸種可靠性系數(shù)，一般為1.6～2.0，為了彌補種子大小形狀及分布以及種間碰撞等因素造成的計算結果誤差，取2

根據(jù)對1 000粒鄭單958種子的測定，該種子千粒質量為0.343 kg，種子長度平均值為11.57 mm，鋁制圓筒條件下形成的玉米自然堆積角β為26.56°，即tanβ=0.5，λ=8×0.5=4，根據(jù)式(10)求得吸室的真空度為2.92 kPa。對于不同類型和品種的種子都有一個最佳的真空度范圍，小真空度增加玉米漏吸率，大真空度增加重吸率[16]。在實際工作中，由于排種器與風機之間存在管路壓力損失、與地面接觸振動幅度和頻率較大等問題，將吸室的真空度上調至3.5 kPa。

3 排種性能試驗

3.1 試驗因素

3.1.1普通吸盤和彈性氣嘴吸盤排種性能對比

為對比普通吸盤和彈性氣嘴吸盤排種性能，進行了排種試驗。固定其余參數(shù)不變：排種輪轉速為20 r/min，氣吸室負壓3.5 kPa。氣孔在吸種盤組件上的位置直徑為170 mm，試驗種子采用鄭單958，氣孔類型分為：原氣孔，直徑為4 mm；彈性氣孔，直徑為2 mm；彈性氣孔，直徑為4 mm；彈性氣孔，直徑為6 mm。幾種類型吸孔的單粒合格率分別為67.77%、95.87%、98.35%、99.85%。采用彈性吸嘴氣吸盤的排種單粒合格率要高于采用原氣孔的試驗結果。

3.1.2試驗因素選擇

通過玉米種子受力分析，篩選出對玉米氣吸式播種機作業(yè)性能影響較大的因素：排種器吸種盤角速度、氣吸室負壓、吸種墊吸孔直徑；通過計算得排種器吸種盤轉速初始值為20 r/min，氣吸室負壓的初始值為3.5 kPa，吸種盤直徑初始值為4 mm。由于采用新材料彈性橡膠替換舊的吸種材料，需對影響吸種能力的3個主要因素進行優(yōu)化。

3.2 試驗方法

彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器排種試驗依據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，采用Central Composite Design試驗設計原理，以排種器吸種盤轉速、氣吸室負壓、吸種墊吸孔直徑為自變量，以單粒合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為響應值。試驗在自制的彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器試驗臺上進行，試驗臺如圖5所示。根據(jù)上述計算結果確定了排種器吸種盤轉速取值范圍在16～24 r/min，由試驗臺的調速電機和測速儀實現(xiàn)設定的轉速。負壓取值范圍為2～5 kPa，由負壓調節(jié)器和數(shù)顯式壓力計實現(xiàn)設定的負壓值。吸種墊吸孔直徑范圍為3～5 mm，通過換取不同孔徑的吸種墊來實現(xiàn)。試驗因素編碼如表1所示。試驗設計及結果如表2，x1、x2、x3為因素編碼值。

圖5 彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器試驗臺Fig.5 Experimental platform of corn roller metering device with flexible suction nozzle1.滾輪式排種器 2.調速電機 3.測速儀 4.電動風機 5.數(shù)顯式壓力計 6.擾種電機 7.氣管 8.負壓調節(jié)器

3.3 回歸模型

借助Design-Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行多元回歸擬合，分別得到單粒合格指數(shù)y1、漏播指數(shù)y2和重播指數(shù)y3的回歸方程。單粒合格指數(shù)y1、漏播指數(shù)y2的二次回歸模型分別為

表1 試驗因素和編碼Tab.1 Factors and codes of test

表2 試驗設計與結果Tab.2 Experiment design and results

(11)

(12)

由于重播指數(shù)方差分析模型不顯著，未將其列出?；貧w方程方差分析如表3所示。

由表3可知，單粒合格指數(shù)和漏播指數(shù)兩個回歸模型極顯著，且其失擬項均不顯著，說明所擬合的二次回歸方程能正確反映單粒合格指數(shù)y1、漏播指數(shù)y2與x1、x2、x3之間的關系。氣吸室負壓x2對單粒合格指數(shù)影響極顯著；氣吸室負壓x2、吸種墊吸孔直徑x3對漏播指數(shù)均影響極顯著。

表3 回歸方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：** 表示差異極顯著(P<0.05)，*表示差異顯著(0.05

3.4 各因素對排種性能指標的影響

3.4.1單粒合格指數(shù)

圖6 影響因素交互作用對單粒合格指數(shù)的影響Fig.6 Effects of interaction of factors on qualified index of grain spacing

排種器吸種盤轉速和氣吸室負壓交互作用對排種單粒合格指數(shù)的影響如圖6a所示。當吸種墊吸孔直徑為4 mm、氣吸室負壓一定時，隨著吸種盤轉速的增大，排種單粒合格指數(shù)先上升后下降；當吸種盤轉速一定時，隨著氣吸室負壓的增大，單粒合格指數(shù)緩慢上升。吸種盤轉速和吸種盤上的吸種墊吸孔直徑交互作用對排種單粒合格指數(shù)的影響如圖6b所示。當氣吸室負壓為3.5 kPa、轉速一定時，隨著吸種墊吸孔直徑增大，單粒合格指數(shù)先上升后下降；當氣吸室負壓為3.5 kPa、吸種墊吸孔直徑一定時，隨著吸種盤轉速的增大，單粒合格指數(shù)先上升后降低。氣吸室負壓和吸種墊吸孔直徑交互作用對排種單粒合格指數(shù)的影響如圖6c所示。當吸種盤轉速20 r/min、氣吸室負壓一定時，隨著吸種墊吸孔直徑的增大，單粒合格指數(shù)先上升后下降；吸種墊吸孔直徑一定時，隨著氣吸室負壓的增大，單粒合格指數(shù)緩慢上升。

3.4.2漏播指數(shù)

圖7 影響因素交互作用對漏播指數(shù)的影響Fig.7 Effects of interaction of factors on missing sowing index

吸種盤轉速和氣吸室負壓交互作用對漏播指數(shù)的影響如圖7a所示。當吸種盤上的吸種墊吸孔直徑為4 mm、氣吸室負壓一定時，隨著吸種盤轉速的增大，漏播指數(shù)緩慢上升；當吸種盤上的吸種墊吸孔直徑為4 mm、吸種盤轉速一定時，隨著氣吸室負壓的增大，漏播指數(shù)先迅速下降再緩慢下降。吸種盤轉速和吸種墊吸孔直徑交互作用對漏播指數(shù)的影響如圖7b所示，當氣吸室負壓為3.5 kPa、吸種盤轉速一定時，隨著吸種盤上的吸種墊吸孔直徑增大，漏播指數(shù)先迅速下降再緩慢下降；吸種盤上的吸種墊吸孔直徑一定時，隨著吸種盤轉速的增大，漏播指數(shù)緩慢上升。氣吸室負壓和吸種墊吸孔直徑交互作用對漏播指數(shù)的影響如圖7c所示，當吸種盤轉速20 r/min、氣吸室負壓一定時，隨著排種器吸種盤上吸種墊吸孔直徑的增大，單粒合格指數(shù)先緩慢下降后緩慢上升；當吸種盤轉速20 r/min、吸種盤上的吸種墊吸孔直徑一定時，隨著氣吸室負壓的增大，漏播指數(shù)緩慢下降。

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

3.5.1參數(shù)優(yōu)化

為了得到最佳的試驗因素水平，結合試驗因素的邊界條件，通過式(11)、(12)回歸方程模型進行優(yōu)化求解，以播種單粒合格指數(shù)最大，漏播指數(shù)、重播指數(shù)最小為目標，對得出的單粒合格指數(shù)和漏播指數(shù)的回歸方程進行分析，得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學模型[17]

(13)

借助Design-Expert 8.0.6軟件優(yōu)化工具箱得到較優(yōu)工作參數(shù)為[18]：當ω=20 r/min、Hcmax=5 kPa、d=4 mm時，單粒合格指數(shù)為95.54%，漏播指數(shù)為0.50%，重播指數(shù)為3.96%。

3.5.2試驗驗證

為了驗證優(yōu)化的彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器的播種性能參數(shù)，2018年3月中旬在甘肅省洮河拖拉機廠試驗田開展氣吸嘴式玉米滾輪排種器播種試驗，地勢平坦，土壤肥沃，地表為白色平鋪地膜。玉米試驗品種為鄭單958。排種器由洮河拖拉機廠生產的電動調速牽引機牽引，氣吸室負壓由電動風機提供，調節(jié)牽引機速度為0.6 m/s、氣吸室負壓5 kPa、吸種盤上的吸種墊吸孔直徑4 mm工作條件下，參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》測定了單粒合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)。試驗進行10次并取平均值[19-20]，田間試驗如圖8所示。

圖8 玉米氣吸式排種田間試驗Fig.8 Field experiment of corn air-suction metering

田間試驗得排種器單粒合格指數(shù)96.3%，漏播指數(shù)1.3%，重播指數(shù)2.4%。與優(yōu)化結果相比：單粒合格指數(shù)和漏播指數(shù)略高，重播指數(shù)較低。

4 結論

(1)為解決氣吸式玉米滾輪排種器在地膜上滾動穴播單粒合格指數(shù)低、漏播嚴重等問題，設計了彈性氣吸嘴式吸種盤，對吸種盤吸種過程進行受力分析發(fā)現(xiàn)，影響吸種能力的因素為排種器吸種盤轉速、氣吸室負壓、吸種墊吸孔直徑，通過試驗測定得到玉米種子與吸種盤、橡膠之間的靜摩擦因數(shù)分別為0.25和0.58。

(2)基于自制的彈性氣吸嘴式玉米滾輪排種器試驗臺，根據(jù)Central Composite Design試驗設計原理開展氣吸排種試驗和排種性能參數(shù)優(yōu)化。結果表明，單粒合格指數(shù)和漏播指數(shù)2個回歸模型可靠；氣吸室負壓對單粒合格指數(shù)影響極顯著，氣吸室負壓、吸種墊吸孔直徑對漏播指數(shù)均影響極顯著。田間試驗發(fā)現(xiàn)，在牽引機速度為0.6 m/s、氣吸室負壓5 kPa、吸種盤上的吸種墊吸孔直徑4 mm工作條件下，該排種器單粒合格指數(shù)96.3%、漏播指數(shù)1.3%和重播指數(shù)2.4%，試驗結果優(yōu)于仿真結果。