齊慶征，倪向東，康施為，盧博，胡斌

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

集排式排種器是一個(gè)排種部件進(jìn)行多行排種，實(shí)現(xiàn)“一器多行”的精量排種裝置[1-3]，它可簡(jiǎn)化播種單體結(jié)構(gòu)，降低地面振動(dòng)對(duì)排種器工作性能的影響，提高工作效率，完成高速、寬幅播種[4-7].

集排式排種器因其具有較為緊湊的結(jié)構(gòu)形式，故需要較長(zhǎng)的輸種管以使種子準(zhǔn)確、穩(wěn)定地落入種床之中.倪向東等[8]研制了氣吸滾筒式棉花精量排種器，采用陣列吸孔吸種方式，增加滾筒單位轉(zhuǎn)速吸種頻率.藍(lán)薇等[9]研制了一種用于玉米精量播種的集中排種系統(tǒng)，試驗(yàn)研究正壓力、玉米種子投種初速度、輸種管長(zhǎng)度和直徑等參數(shù)對(duì)排種器投種均勻性的影響規(guī)律.李珊珊等[10]運(yùn)用負(fù)壓吸種、攜種與正壓投種相結(jié)合的方法對(duì)油菜氣力滾筒式精量排種器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，并進(jìn)行了滾筒轉(zhuǎn)速、投種角度、正壓壓力值對(duì)油菜種子株距變異系數(shù)影響規(guī)律的研究.呂金慶等[11]利用正壓氣流使馬鈴薯在投種過(guò)程中獲得與機(jī)具前進(jìn)方向相反的加速度，探討了吹種正壓和排種器轉(zhuǎn)速對(duì)排種器工作性能的影響規(guī)律.

綜上所述，目前大多數(shù)氣力式排種器常通過(guò)在排種過(guò)程中為種子提供正壓氣流以使其快速通過(guò)輸種管，增強(qiáng)種子通過(guò)輸種管時(shí)的平順性，使排種器工作性能較依靠種子自重投種方式更加穩(wěn)定，均勻性也更好[12-14].但該方法多用在氣壓式精量排種器或油菜、辣椒等小粒徑氣吸式排種器，且對(duì)于氣吸滾筒式排種器多通過(guò)在排種滾筒內(nèi)部添加隔板等方式使其分為負(fù)壓氣室和正壓氣室[15-19]，增加滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和加工難度.針對(duì)該現(xiàn)狀，本文提出一種在排種滾筒外部利用種子自重與正壓氣流強(qiáng)制投種相結(jié)合的排種方式，以適用于集排式棉花排種器，探討輸種管結(jié)構(gòu)參數(shù)和正壓力對(duì)排種性能的影響規(guī)律，為集排式播種機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展提供參考.

1 工作原理

1.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

集排式棉花排種器主要由種箱、空心軸、集排滾筒、隔壓裝置和輸種管等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示.

1:機(jī)架;2:鏈輪;3:投種器;4:集排滾筒;5:空心軸；6:種箱；7.負(fù)壓氣室；8:彈簧；9:隔壓塊.1:Frame；2:Chain wheel；3:Seed deliver；4:Roller；5:Hollow shaft；6:Seed hopper；7:Negative pressure air chamber；8:Spring；9:Pressure block.圖1 氣吸滾筒式棉花精密排種器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 Structure diagram of pneumatic cylinder seed metering device for cotton

1:A段輸種管;2:B段輸種管;Ⅰ:充種區(qū);Ⅱ:攜種區(qū);Ⅲ：投種區(qū).1：Section A transplantation tube；2：Section B transplantation tube;Ⅰ：Seed spout;Ⅱ：Support;Ⅲ：Seed deliver.圖2 輸種管結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure diagram of seed delivery tube

1.2 工作原理

集排式棉花排種器工作時(shí)，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的負(fù)壓將棉種從種箱中吸附到集排滾筒的型孔上，在驅(qū)動(dòng)鏈輪和負(fù)壓氣室的作用下使種子隨集排滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，在到達(dá)投種區(qū)時(shí)，吸附力被隔斷消失，棉種在自重和與離心力的作用下落入投種器中，并在到達(dá)B段輸種管時(shí)，受吹種正壓的作用下落至種溝，完成排種作業(yè).

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與裝置

選取新陸早48號(hào)為試驗(yàn)用種，單顆棉種平均3軸尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為8.94 mm×5.19 mm×4.82 mm，千粒質(zhì)量為95.0 g，含水率為5.6%.

利用石河子大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室搭建的JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行棉種氣流輸送排種性能試驗(yàn)，所用排種器為氣吸滾筒式棉花精密排種器，排種器負(fù)壓由渦旋氣泵提供，輸種管吹種正壓由JPS-12試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)機(jī)部分提供.輸種管傾斜角通過(guò)A段與B段之間角度的不同組合進(jìn)行調(diào)節(jié)，吹種正壓通過(guò)排種性能JPS-12排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上正壓控制旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖3 棉種氣流輸送排種性能試驗(yàn)臺(tái)Figure 3 Experiment table of air flow delivery performance for Cotton seed

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)選取集排滾筒吸種效果最好時(shí)的轉(zhuǎn)速15.38 r/min，棉種投種高度650 mm，輸種管長(zhǎng)度1 000 mm，負(fù)壓5.04 kPa.并依據(jù)文獻(xiàn)[20]，選取合格指數(shù)Q和漏播指數(shù)M作為排種器工作性能優(yōu)劣的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取B段輸種管與臺(tái)架水平面間夾角(即傾斜角)、輸種管內(nèi)徑和吹種正壓為試驗(yàn)因素.采用Box-Bohnken響應(yīng)曲面法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取3次結(jié)果均值為試驗(yàn)結(jié)果.因素水平編碼表見(jiàn)表1.

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)方案與結(jié)果

試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 試驗(yàn)因素水平編碼表

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

3.2 回歸模型方程與顯著性檢驗(yàn)

采用數(shù)據(jù)處理軟件Design-Expert 12.0.3.0對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析與多元回歸擬合，得到合格指數(shù)、漏播指數(shù)與輸種管傾斜角、輸種管內(nèi)徑、吹種正壓之間的二次多項(xiàng)式回歸方程.

(1)

(2)

3.3 合格指數(shù)回歸分析

由表3可知，回歸模型擬合度是極顯著的(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)表現(xiàn)為不顯著(P>0.05)，說(shuō)明試驗(yàn)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)有顯著影響的主要因素均已考慮到，且回歸方程擬合較好，能較準(zhǔn)確地反應(yīng)排種器在實(shí)際工作狀況下的排種合格指數(shù).

(3)

3.4 漏播指數(shù)回歸分析

根據(jù)表3可知，回歸模型擬合度是極顯著的(P<0.01)，回歸模型失擬項(xiàng)表現(xiàn)為不顯著(P>0.05)，說(shuō)明試驗(yàn)對(duì)響應(yīng)指標(biāo)有顯著影響的主要因素均已考慮到，且回歸方程擬合較好，能較準(zhǔn)確的反應(yīng)實(shí)際情況下的排種漏播指數(shù).

表3 試驗(yàn)結(jié)果及回歸方程方差分析

輸種管傾斜角X1和輸種管內(nèi)徑與吹種正壓的交互項(xiàng)X2X3對(duì)漏播指數(shù)的影響均為顯著，其他各項(xiàng)對(duì)漏播指數(shù)影響相對(duì)較小，可不作考慮.得到各因素影響排種漏播指數(shù)的因素順序?yàn)檩敺N管內(nèi)徑X2、輸種管傾斜角X1、吹種正壓X3.剔除不顯著項(xiàng)的回歸方程為：

(4)

3.5 試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響效應(yīng)分析

分別固定輸種管傾斜角、輸種管內(nèi)徑和吹種正壓水平為零，探討另外2因素對(duì)排種器工作性能的影響規(guī)律.

圖4-A、5-A為吹種正壓位于中心水平時(shí)，輸種管傾斜角和輸種管內(nèi)徑之間的交互作用對(duì)排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響.當(dāng)輸種管內(nèi)徑為16 mm，輸種管傾斜角為45°時(shí)，漏播指數(shù)取得最大值15.2%，合格指數(shù)取得最小值73.6%.同一吹種正壓下，輸種管內(nèi)徑較小時(shí)，由于種子尺寸與內(nèi)徑尺寸相近，使棉花種子在輸種管內(nèi)彈跳時(shí)與管壁接觸的次數(shù)增多；輸種管內(nèi)徑較大時(shí)，種子在流場(chǎng)中占據(jù)的截面較小，種子周圍的氣流速度相對(duì)變小，使得種子獲得的動(dòng)能不足以使其快速的通過(guò)輸種管到達(dá)種床.輸種管過(guò)小或過(guò)大均會(huì)增加種子在輸種管中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，增加排種的漏播指數(shù)和重播指數(shù)，降低合格指數(shù).

圖4-B、5-B為輸種管內(nèi)徑位于中心水平時(shí)，吹種正壓和輸種管傾斜角之間的交互作用對(duì)排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響.當(dāng)輸種管傾斜角為45°，吹種正壓為1.5 kPa時(shí)，漏播指數(shù)取得最大值9.8%，合格指數(shù)取得最小值83.2%.當(dāng)吹種正壓維持不變，漏播指數(shù)在輸種管傾斜角較小或較大時(shí)取值較高，合格指數(shù)在輸種管傾斜角較小或較大時(shí)取值較低.同一輸種管內(nèi)徑，傾斜角較小時(shí)，種子需要耗費(fèi)較多的動(dòng)能克服其與管壁間的摩擦力；傾斜角較大時(shí)，A段輸種管與B段輸種管間的接觸面積增加，使氣流向豎直方向上的流動(dòng)機(jī)會(huì)變大，種子受到來(lái)自吹種正壓的動(dòng)能降低，從而增加排種的漏播指數(shù)和重播指數(shù)，降低合格指數(shù).

圖4-C、5-C為輸種管傾斜角位于中心水平時(shí)，吹種正壓和輸種管內(nèi)徑之間的交互作用對(duì)排種合格指數(shù)、漏播指數(shù)的影響.當(dāng)吹種正壓為2.5 kPa，輸種管內(nèi)徑為16 mm時(shí)，漏播指數(shù)取得最大值16.5%，合格指數(shù)取得最小值73.4%.當(dāng)輸種管內(nèi)徑維持不變，漏播指數(shù)在吹種正壓較小或較大時(shí)取值較大，合格指數(shù)在吹種正壓較小或較大時(shí)取值較小.同一輸種管傾斜角，吹種正壓較小時(shí)，輸種管中流場(chǎng)速度較小，種子在輸種管中運(yùn)動(dòng)不確定性和運(yùn)動(dòng)時(shí)間均增加；吹種正壓較大時(shí)，輸種管中氣流速度

圖4 各因素對(duì)合格指數(shù)的影響Figure 4 Effect of all factors on qualified index of seed-metering device

圖5 各因素對(duì)漏播指數(shù)的影響Figure 5 Effect of all factors on missing index of seed-metering device

較大，種子離開(kāi)輸種管時(shí)速度過(guò)快，容易飛出油帶之外，增加排種的漏播指數(shù)，降低合格指數(shù).

3.6 參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)驗(yàn)證

當(dāng)輸種管傾斜角為15 ～ 45°，輸種管內(nèi)徑為16 ～ 25 mm，吹種正壓為1.5 ～ 2.5 kPa時(shí)，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》，運(yùn)用Design-Expert 12.0.3.0軟件對(duì)影響因素和排種性能指標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

(5)

得到當(dāng)輸種管傾斜角為28°，輸種管內(nèi)徑為22 mm，吹種正壓為2.1 kPa時(shí)組合獲得最優(yōu)解，在該條件下排種合格指數(shù)為94.1%，漏播指數(shù)為2.4%.

為了驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的可行性，在最優(yōu)參數(shù)組合狀況下進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，根據(jù)GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)重復(fù)5次，取各指標(biāo)平均值.臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：合格指數(shù)為94.2%，漏播指數(shù)為2.2%，與理論預(yù)測(cè)結(jié)果誤差在5%以內(nèi)，說(shuō)明最佳參數(shù)方案可行，可滿足棉花播種農(nóng)藝要求.

4 結(jié)論

1) 該氣吸滾筒式棉花精量排種器通過(guò)在集排滾筒外部設(shè)置一可為下落的棉種提供正壓氣流推動(dòng)力的輸種管，簡(jiǎn)化排種滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低棉種在輸送過(guò)程中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不確定性，使排種器在投種高度為650 mm情況下能夠滿足排種要求.

2) 由3因素3水平Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果可知：輸種管傾斜角、輸種管內(nèi)徑和輸種管內(nèi)徑與吹種正壓的交互作用對(duì)排種合格指數(shù)及漏播指數(shù)均有顯著或極顯著影響.

3) 確定各因素最優(yōu)參數(shù)組合為輸種管傾斜角28°，輸種管內(nèi)徑22 mm，吹種正壓2.1 kPa.對(duì)最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，排種器排種合格指數(shù)為94.2%，漏播指數(shù)為2.2%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致.