馬亞朋，馬　振，胡　斌，姚強強，高　捷，任　萍

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

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氣吹供種的滾筒式排種器性能的試驗研究

馬亞朋，馬振，胡斌，姚強強，高捷，任萍

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

摘要：針對如番茄、油菜、花卉等小顆粒作物種子外形不規(guī)整、流動性差、難于實現(xiàn)精量播種的難題，提出基于氣流懸浮理論供種的設(shè)計方案，研制了一種氣吹供種滾筒式排種器。針對研制的排種器，以番茄種子為試驗對象，以種箱氣室正壓力及滾筒吸孔孔徑、滾筒轉(zhuǎn)速為試驗因素，進行正交試驗，并利用數(shù)據(jù)處理軟件對試驗結(jié)果進行極方差分析，確定影響排種性能指標的因素優(yōu)水平、主次順序及優(yōu)化組合，合理配置適于取種性能指標的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)。試驗結(jié)果表明：氣室正壓力及滾筒吸孔孔徑為影響排種性能指標的主要因素，在滾筒吸孔孔徑1.4mm、氣室正壓力2kPa、滾筒轉(zhuǎn)速12r/min條件下，排種器的單粒指數(shù)可高達92.3%，漏播指數(shù)為2.5%，滿足穴盤播種的精度與工作效率要求。

關(guān)鍵詞：排種器；滾筒式；氣吹供種；性能試驗

0引言

近年來，隨著精密播種技術(shù)的發(fā)展，精密播種機的廣泛應(yīng)用已成為現(xiàn)代播種技術(shù)的主要特征，是播種的主要發(fā)展方向[1]。排種器是精密播種機的核心部件，其排種性能的好壞直接影響精密播種機的播種質(zhì)量。目前，國內(nèi)外先進的播種機械主要以機械式與氣力式為主[1-2]。氣力式播種機是一種先進的排種裝置，具有適應(yīng)性強、通用性好、不傷種子及對種子的外形尺寸要求不嚴等優(yōu)越性，提高了播種精度?，F(xiàn)今，排種器的種類繁多，但對于番茄、蔬菜、花卉等小顆粒作物種子，由于尺寸小、外形不規(guī)整、流動性差，現(xiàn)有排種器通過振動種箱的方式很難使這類種子脫離種子群而達到分離的效果。為此，根據(jù)氣吹懸浮理論，讓種子在氣流懸浮輸送條件下達到“沸騰”狀態(tài)而有效分離，研制了一種氣吹供種的滾筒式排種器。

1結(jié)構(gòu)及原理

氣吹供種的滾筒式排種器試驗臺主要由電機、變頻器、輸送帶、種箱、種箱供種板、吸種滾筒、滾筒機架、穴盤、輸送帶機架、旋渦氣泵、負壓供氣管、正壓供氣管及調(diào)節(jié)閥等部件組成，如圖1所示。

1.電機　2.輸送帶　3.種箱　4.供種板　5.種子

工作原理：工作時，變頻器調(diào)整電機通過鏈傳動帶動輸送帶轉(zhuǎn)動和滾筒順時針轉(zhuǎn)動,使其在同速狀態(tài)下運轉(zhuǎn)；旋渦氣泵的負壓供氣管與支撐滾筒的負壓軸連接，正壓供氣管與供種板下方的正壓室連接；負壓供氣管往滾筒內(nèi)腔內(nèi)通負壓，滾筒表面吸孔同負壓相通，正壓供氣管往正壓室內(nèi)通正壓，此時種箱內(nèi)供種板上的種子在正壓的作用下“沸騰”跳動；隨著滾筒的轉(zhuǎn)動，當吸種孔經(jīng)過供種裝置時，種子在吸種孔兩側(cè)負壓差的作用下被吸附在吸種孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動；隨著滾筒的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，當經(jīng)過滾筒刷時，把吸種孔處多余的種子清理回種箱；當滾筒同一母線上的種子轉(zhuǎn)到滾筒正下方對應(yīng)穴盤孔位置時，隨著負壓的減弱，種子在氣流與自身重力的作用下落入苗盤的穴孔中，完成投種過程。氣吹供種的滾筒式排種器的整個工作過程可分為取種、清種、護種及投種4個階段。

2排種器性能試驗設(shè)計

2.1　試驗材料及設(shè)備

試驗材料選用米格爾87-5番茄種子，其物理機械特性如表1所示。

表1　番茄種子物理機械特性

試驗臺：在石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備實驗室搭建，由排種裝置、穴盤輸送帶、動力裝置(電動機，旋風(fēng)泵)和高速攝像裝置等組成。排種裝置由滾筒及帶有氣室的供種種箱等組成。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)的滾筒直徑多為140～260mm，本裝置的滾筒直徑選用200mm。滾筒壁為PVC塑料，壁厚0.4mm，滾筒吸孔直徑按dk=(0.6～0.7)bc(bc為種子的平均寬度)選取。排種裝置和穴盤輸送裝置均由電動機通過鏈傳動傳遞動力。控制電動機轉(zhuǎn)速的變頻器選用上海日虹有限公司生產(chǎn)的CHRH-D系，其型號為CHRH-440DEE，測算精度0.01Hz；旋風(fēng)泵選用廣州巨勁機電制造有限公司生產(chǎn)的吸吹兩用型，其型號為GLB1500，此氣泵最大壓力28kPa、最大真空度21kPa、流量180m3/h。高速攝影裝置由高速CCD攝像機、光纜、光源(2×1kW的鎢燈)和計算機等組成。其中，高速CCD攝像機為柯達公司生產(chǎn)的ES-310型,最大分辨率640×480像素,拍攝速度為85幀/s。

本試驗利用高速攝像機對滾筒吸種取種結(jié)果進行分析，穴盤采用16×8的128孔的標準穴盤，穴盤孔距30mm，試驗樣本數(shù)360穴，4次重復(fù)，取其平均值。

2.2　試驗指標

根據(jù)GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[13]及排種器排種性能試驗的目的,確定試驗指標為單粒指數(shù)S、多粒指數(shù)D和漏播指數(shù)L，各試驗指標計算式為

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

2.3　試驗方案及結(jié)果

根據(jù)氣吹供種的滾筒式排種器的工作原理，在排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)都一定的情況下，影響排種性能的因素主要有滾筒吸孔直徑、孔型、種箱氣室正壓力及滾筒轉(zhuǎn)速。滾筒吸孔直徑過小，不利于取種，漏播指數(shù)可能增加；反之，則重播指數(shù)增加。由大量文獻[4-7]可知：孔型采用內(nèi)窩孔取種性能較好；氣室正壓力過小或過大，種子沸騰狀態(tài)不佳或過好，滾筒內(nèi)外壓力差增大，不利于滾筒吸孔取種，漏播指數(shù)可能增加；滾筒轉(zhuǎn)速過慢，雖滾筒吸孔取種更充分，有利于漏播指數(shù)下降，但工作效率降低。為此，選用滾筒吸孔直徑、種箱氣室正壓力、滾筒轉(zhuǎn)速作為試驗因素，各因素水平以滿足穴盤播種機的精度和工作效率要求來選取。不考慮各因素之間交互作用的影響，本試驗采用四水平三因素的正交表L16(43)，試驗設(shè)計方案及結(jié)果見表2所示。

表2　試驗方案及結(jié)果

續(xù)表2

2.4　試驗結(jié)果與分析

對試驗結(jié)果進行極差分析，可以得出不同試驗指標的因素優(yōu)水平、主次順序以及優(yōu)化組合，其極差分析結(jié)果如表3～表5所示。

表3　單粒指數(shù)極差分析結(jié)果

表4　多粒指數(shù)極差分析結(jié)果

表5　漏播指數(shù)極差分析結(jié)果

續(xù)表5

極差結(jié)果表明:對單粒指數(shù)而言，試驗因素對其影響的主次順序是ABC,即滾筒吸孔孔徑的影響最大，其次是種箱氣室正壓力，而滾筒轉(zhuǎn)速影響最??；各因素的水平對其影響的主次順序是A2>A1>A3>A4，B2>B3>B4>B1，C3>C2>C4>C1。對多粒指數(shù)而言，試驗因素對其影響的主次順序是ABC,即滾筒吸孔孔徑的影響最大，其次是種箱氣室正壓力，而滾筒轉(zhuǎn)速影響最小。各因素的水平對其影響的主次順序是A2

為了進一步確定各試驗因素對試驗指標的影響程度,對試驗結(jié)果進行方差分析。試驗指標方差分析結(jié)果如表6所示。

表6　試驗指標方差分析結(jié)果

由表6可見：對單粒指數(shù)而言，滾筒上吸孔孔徑對其的影響程度是顯著的，氣室正壓力對其的顯著性影響比滾筒轉(zhuǎn)速較高；對多粒率而言，滾筒上吸孔的孔徑對其的影響程度是高度顯著，氣室正壓力對其的顯著性影響比滾筒轉(zhuǎn)速高；對漏播指數(shù)而言，氣室正壓力和滾筒上吸孔孔徑對其有顯著影響，而滾筒轉(zhuǎn)速對其無顯著影響,故可以不加以考慮。

因此,綜合以上極差與方差分析，對滾筒式排種器工作參數(shù)的選擇,應(yīng)根據(jù)所播種子的幾何物理參數(shù),確定適宜的吸孔孔徑和氣室正壓力的參數(shù),以保證較高的單粒率和較低的漏播率同時兼顧排種器工作效率選取合適的滾筒轉(zhuǎn)速。

綜合試驗因素及水平對3個試驗指標的影響及其因素的優(yōu)化組合,對照表3～表5的試驗結(jié)果極差分析得出影響3個試驗指標的因素主次順序是ABC。由表6可見：滾筒上的吸孔孔徑A、氣室正壓力B對3個試驗指標的有顯著或者高度顯著影響，而滾筒轉(zhuǎn)速C對3個試驗指標的影響不顯著，可以不加以考慮。雖然由表3～表5對3個試驗指標的水平都是C3，但當滾筒轉(zhuǎn)速取15r/min時，很明顯比轉(zhuǎn)速取12r/min的單粒率低、空穴率高，采取以單粒指數(shù)最高、兼顧重播指數(shù)和漏播指數(shù)較低的原則,最終確定最優(yōu)組合為A2B2C1。即吸孔孔徑為1.4mm，氣室正壓力為2kPa，滾筒轉(zhuǎn)速為12r/min。在此條件下單粒指數(shù)S=92.3%，多粒指數(shù)D=4.2%，漏播指數(shù)L=2.5%，可以滿足穴盤播種的精度與工作效率。

3結(jié)論

1)設(shè)計了一種氣吹供種的滾筒式育苗排種器，種箱采用以氣吹懸浮供種的方式，使種箱內(nèi)的種子能夠在氣流的條件下能夠有效地分離，達到“沸騰”狀態(tài)，便于排種器吸附取種。

2)排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的情況下，單粒率隨著滾筒吸孔直徑、氣室正壓力及滾筒轉(zhuǎn)速的增加而減少，多粒指數(shù)先減少后增加。

3)對排種器進行了排種性能試驗研究，根據(jù)試驗結(jié)果，對影響3個試驗指標的因素進行了參數(shù)優(yōu)化。試驗結(jié)果表明：排種器的單粒指數(shù)可達92.3%，漏播指數(shù)為2.5%，滿足穴盤播種的精度與效率要求。

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Experimental Study on Performance of Cylinder Seed-metering Device Based on the Pneumatic Suspension Seed Supply

Ma Yapeng, Ma Zhen, Hu Bin, Yao Qiangqiang , Gao Jie, Ren Ping

(Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：In view of this kind of small grain crop seeds, such as tomato, rape, flowers, the shape is not regular, the problem of poor liquidity is difficult to realize precision sowing, This paper presents a design scheme of air suspension based on the theory for the species, developed a kind of gas blowing for cylinder seed metering device. To improve the metering performance of this device, the orthogonal test was conducted with experimental object of tomato seeds, test factors of a box of gas chamber pressure, cylinder diameter of suction hole, the roller speed. Extreme variance analysis of the test results using data processing software is to determine the effect of seeding performance index factors of excellent level, order and optimization combined, this machine will take the rational allocation of suitable structure parameters and performance parameters. Variance analysis of the experiment results indicates that the gas chamber pressure and drum diameter of suction hole are main factors and the optimization of three factors are the drum diameter of suction hole of 1.4mm,the positive pressure of air chamber of 2kPa and the cylinder rotation rate of 12r/min. Under such working conditions, the single seed index is 92.3%, leakage sowing index is 2.5%, so it proves that this machine has higher sowing precision and the demand of the work efficiency and better adaptability to small seeds.

Key words：seed-metering device; cylinder; pneumatic suspension seed supply; performance test

中圖分類號：S233.2；S220.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0173-06

作者簡介：馬亞朋(1987-)，男，山東菏澤人，碩士研究生，(E-mail)mypjdzd@163.com。通訊作者：胡斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hb_mac@shzu.edu.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51265045)

收稿日期：2015-09-15