劉曉蛟，尚書旗，王東偉，連政國，李 金

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

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氣力式西洋參排種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

劉曉蛟，尚書旗，王東偉，連政國，李 金

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

由于播種西洋參需用催出芽的種子，機(jī)械排種器播種時(shí)極易將種芽碰掉，影響發(fā)芽率，不能滿足西洋參種子的播種要求。為此，設(shè)計(jì)了一種氣力式排種裝置，闡述了氣力式精密排種器的工作原理，確定了其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。同時(shí)，以威海文登西洋參種子為播種對象，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，對吸種裝置進(jìn)行了吸排種性能試驗(yàn)研究，建立了行進(jìn)速度、吸氣孔直徑、負(fù)壓3個(gè)主要因素與漏播率、重播率的數(shù)學(xué)模型，分析了各個(gè)因素對漏播率和重播率的影響規(guī)律，并進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。對重播率影響的因素其主次順序?yàn)椋贺?fù)壓、吸氣孔直徑、行進(jìn)速度；漏播率影響的主次順序?yàn)椋何鼩饪字睆?、?fù)壓、行進(jìn)速度。當(dāng)行進(jìn)速度為1.5m/s、吸氣孔直徑為1mm、負(fù)壓為4kPa時(shí)，機(jī)播重播率低于3.3%，漏播率低于2.3%，裝置綜合性能達(dá)到最優(yōu)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，滿足西洋參精密播種的種植要求。

西洋參；氣力式；排鐘裝置

0 引言

西洋參是全世界公認(rèn)的名貴中藥，本質(zhì)上屬于人參的一種，與人參同屬五加科，但不同種，為多年生草本植物。西洋參在中國的種植面積比較廣泛，已在17個(gè)省市和地區(qū)種植。其中，山東省威海市的文登地區(qū)是我國重要的西洋參種植基地之一，全市種植面積已達(dá)0.23萬hm2，約占全國種植面積的1/4。

西洋參的種植產(chǎn)業(yè)其經(jīng)濟(jì)收益非常高，按種植西洋參4年為一周期計(jì)算，投資15萬元/hm2，產(chǎn)值90萬元，純收入75萬元，平均年效益18萬元/hm2，使種植西洋參成了廣大農(nóng)民脫貧致富的有效途徑[1]。針對目前西洋參產(chǎn)業(yè)機(jī)械化程度不高的現(xiàn)狀，研制出與西洋參種植模式相適應(yīng)的播種機(jī)械是十分重要的，而作為播種機(jī)核心部件的吸排種裝置的研制對于整個(gè)播種機(jī)而言起著至關(guān)重要的作用。由于西洋參種子形狀不規(guī)則，加之播種西洋參要用已經(jīng)催出芽的種子，普通的機(jī)械式排種裝置在播種過程中極容易將其種芽碰斷播種西洋參種子并不適用?；诖耍疚难兄屏艘环N氣力式排種裝置，采用氣吸式工作原理，最大程度的保護(hù)種芽不受損傷。

吸種裝置主要由排種箱和氣吸式排種器組成，如圖1所示。其中，排種箱由種箱、毛刷輥、軸承及傳動鏈輪等部分組成，種箱的前下部均勻分布有多個(gè)矩形開口，毛刷輥轉(zhuǎn)動時(shí)會將種箱中的種子刷向矩形開口。

1.吸種筒 2.塔輪 3.種箱 4.刮種板 5.吸種孔 6.軸承 7.毛刷輥 8.鏈輪圖1 吸種裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Suction device structure

氣吸式排種器包括吸氣套筒、吸氣軸、塔輪、吸種筒及刮種板等。吸氣套筒與風(fēng)機(jī)相連接，為排種器提供吸力；塔輪分為4個(gè)等級，與覆土行走裝置中的主動鏈輪配合，為排種器提供多種不同的轉(zhuǎn)速，也就是可實(shí)現(xiàn)多種不同的株距；吸種筒圓周方向均勻分布多個(gè)小孔，與種箱相配合，吸住毛刷輥刷出的種子，同時(shí)吸種筒轉(zhuǎn)動，當(dāng)轉(zhuǎn)至刮種板位置后，刮種板將種子刮下。

1 吸氣軸的設(shè)計(jì)

空心吸氣軸在整個(gè)氣吸式滾筒排種裝置中是實(shí)現(xiàn)精密排種的核心部件[2]?？招奈鼩廨S的吸孔位置和大小對吸氣滾筒腔體內(nèi)流場的均勻性及負(fù)壓產(chǎn)生直接影響，從而影響排種器的排種性能?？諝鈴奈鼩饪走M(jìn)入吸氣軸，并由吸氣軸一端的接口排出。軸孔的分布為周向8個(gè)吸氣孔，軸向等距分布16個(gè)軸孔，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 吸氣軸結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of breathe shaft

為了了解吸種筒內(nèi)空氣的流動狀態(tài)，需對其雷諾數(shù)Re進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

(1)

其中，Re為雷諾數(shù)；ρ為空氣密度(kg/m3)；μ為空氣動力粘度(kg/ms)；v為空氣平均流速(m/s)；z為吸氣軸直徑(m)。

吸氣軸直徑為30mm，空氣平均流速均在10m/s以上，得出Re值遠(yuǎn)大于紊流流動的臨界值，故整個(gè)過程空氣的運(yùn)動形態(tài)為紊流，紊流流動產(chǎn)生壓力降為

(2)

2 吸排種裝置性能的試驗(yàn)研究

根據(jù)樣機(jī)在田間的試運(yùn)行得知：合理控制好影響播種性能的幾個(gè)因素，在很大程度上降低機(jī)播的漏播率和重播率；可是作業(yè)效果未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)。因此，本文進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，找出該機(jī)吸排種裝置的最佳性能參數(shù)，提升樣機(jī)的作業(yè)性能。

2.1 試驗(yàn)因素及編碼

根據(jù)樣機(jī)作業(yè)過程的機(jī)理進(jìn)行分析研究，得知影響該機(jī)吸排種裝置性能的主要因素有：機(jī)組行進(jìn)速度、吸氣孔直徑及負(fù)壓。根據(jù)研究分析及樣機(jī)運(yùn)行試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定各因素的變化范圍：機(jī)組行進(jìn)速度為0.5～1.5m/s，吸氣孔直徑變化范圍為1～2mm，負(fù)壓的變化范圍為4～5kPa，試驗(yàn)因素及其編碼如表1所示。

2.2 試驗(yàn)指標(biāo)

為了準(zhǔn)確分析該樣機(jī)的工作性能，以種子的重播率和漏播率作為衡量指標(biāo)，進(jìn)行樣機(jī)優(yōu)化。

表1 試驗(yàn)因素與水平Table 1 Experimental variables and levels

2.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)采用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)總數(shù)N=mc+2p+m0=23，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，求各測試區(qū)機(jī)播漏播率和重播率的平均值作為試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示[3]。

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 2 Experimental project and results

續(xù)表2

2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果的回歸分析

通過MatLab2010數(shù)據(jù)處理軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，確定各試驗(yàn)指標(biāo)在不同試驗(yàn)因素水平組合下的變化規(guī)律[4]。

2.5 方差分析

首先，通過方差分析，在對試驗(yàn)中的重播率參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示[5]。

表3 試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 3 Analysis of variance of test results

F0.05(1,13)=4.67；F0.05(5,8)=3.69；F0.01(1,13)=9.07；

F0.01(9,13)=4.19。

通過方差分析可知試驗(yàn)指標(biāo)的回歸方程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。試驗(yàn)結(jié)果方差分析如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果方差分析表Table 4 Analysis of variance of test results

續(xù)表4

2.6 回歸方程及其顯著性分析

1)機(jī)播重播率。

回歸方程為

(3)

y=22.27689Z12+23.06256Z22+24.04467Z32-

80.59545Z1-95.82486Z2+24.02778Z1Z2+

216.40203Z3-1139.532038

(4)

2)機(jī)播漏播率。

回歸方程為

Y2=0.28068-0.23484X2+0.60148X12+

0.62269X22+0.64921X32+0.64875X1X2

(5)

Y=6.68311Z12+6.918778Z22+7.21344Z32-

24.178715Z1-28.74747Z2+7.20833Z1Z2-

64.92096Z3+155.110827

(6)

2.7 試驗(yàn)指標(biāo)的因素影響規(guī)律分析

通過MatLab2010數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)將回歸方程轉(zhuǎn)化為三維等值線圖進(jìn)行分析，可以研究因素間兩兩變化對西洋參精密播種機(jī)作業(yè)效果的綜合影響，得到各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)與各個(gè)試驗(yàn)因素之間的直觀關(guān)系，轉(zhuǎn)化結(jié)果如圖3～圖5所示。

圖3 負(fù)壓與吸氣孔直徑對重播率的影響Fig.3 The affection of negative pressure and suction hole diameter on the rate of the replay

(a) 行進(jìn)速度與吸氣孔直徑對重播率的影響

(b) 行進(jìn)速度與負(fù)壓對重播率的影響圖4 雙因素共同作用下對含雜率的影響Fig.4 The affection of two factors on broken rate

圖5 行進(jìn)速度與負(fù)壓對漏播率的影響Fig.5 The affection of speed and negative pressure on leak seeding rate

2.7.1 重播率的因素影響規(guī)律分析

由圖3可知：在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)，不考慮吸氣孔直徑這一因素的作用，隨著負(fù)壓的增大，重播率也隨之增大；隨吸氣孔直徑的增大，重播率呈先減小后增大的趨勢。這是因?yàn)閱我灰蛩赜绊懴?，吸氣孔直徑較大時(shí)吸氣孔對種子的吸附力增大，有效地降低了重播率；但如果吸氣孔過大則會由于種子本身的比表面積太小不能填充住吸氣孔而造成吸氣孔漏氣，使得重播率增大。所以，負(fù)壓和吸氣孔直徑的大小均不能過大和過小，當(dāng)兩者處于中間水平時(shí)重播率達(dá)到最低水平，從而有效降低了重播率。

西洋參播種機(jī)重播率性能指標(biāo)受多種因素的影響，情況較為復(fù)雜，不同因素間存在一定的交互作用，現(xiàn)通過將因素兩兩組合研究其對重播率指標(biāo)的影響趨勢。

由圖4(a)可知：機(jī)播重播率隨吸氣孔直徑的增大，重播率先呈指數(shù)減小然后趨于平緩；當(dāng)行進(jìn)速度增大時(shí)，重播率先呈指數(shù)減小然后也趨于平緩；當(dāng)吸氣孔直徑和行進(jìn)速度同時(shí)減小時(shí)，重播率呈指數(shù)升高；當(dāng)兩者同時(shí)增大時(shí)重播率呈指數(shù)升高，并在二者達(dá)到最大值時(shí)重播率也達(dá)到最大值；當(dāng)兩者都處于中間水平時(shí)，重播率一直保持平緩，沒有較大波動。由圖形趨勢變化可知，二者交互作用不顯著。

由圖4(b)可知：在行進(jìn)速度保持不變的情況下，隨著負(fù)壓的增大重播率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；在保持負(fù)壓不變的情況下，隨著行進(jìn)速度的提高重播率也呈現(xiàn)同樣的趨勢即先減小后增大；在二者都處于最小值或都處于最大值時(shí)重播率達(dá)到最高點(diǎn)，二者在中間水平時(shí)重播率也控制在比較低的水平[6]。由圖形的變化趨勢可以看出二者并沒有明顯的交互作用。

2.7.2 漏播率的因素影響規(guī)律分析

由圖5可知：當(dāng)行進(jìn)速度與負(fù)壓同時(shí)減小時(shí)，漏播率達(dá)到最高點(diǎn)；當(dāng)行進(jìn)速度保持不變時(shí)，隨著負(fù)壓的增大漏播率變化一直比較平緩且處于比較高的水平，當(dāng)兩者同時(shí)達(dá)到最大值時(shí)，漏播率降到最低點(diǎn)；在負(fù)壓保持不變的情況下，隨著行進(jìn)速度的提高，重播率逐漸減小。

2.8 試驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化

由于國內(nèi)目前沒有專門針對西洋參精密播種機(jī)各項(xiàng)性能的明確要求，因此參照小麥播種機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)來對該機(jī)進(jìn)行指標(biāo)的優(yōu)化，西洋參精密播種過程中應(yīng)盡可能的降低重播率及漏播率[7]。

優(yōu)化計(jì)算得到最佳參數(shù)為：行進(jìn)速度1.5m/s，吸氣孔直徑1mm，負(fù)壓為4kPa。在最佳試驗(yàn)參數(shù)作用下，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果吻合性較好。

3 結(jié)論

1)分析可知：行進(jìn)速度、吸氣孔直徑、負(fù)壓對漏播率、重播率影響的主次順序有所不同。機(jī)播重播率影響的主次順序?yàn)椋贺?fù)壓、吸氣孔直徑、行進(jìn)速度；漏播率影響的主次順序?yàn)椋何鼩饪字睆?、?fù)壓、行進(jìn)速度。

2)當(dāng)行進(jìn)速度為1.5m/s、吸氣孔直徑為1mm、負(fù)壓為4kPa時(shí)，機(jī)播重播率低于1.0%，漏播率低于1.0%，裝置綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

3)將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的參數(shù)運(yùn)用到西洋參精密播種機(jī)吸種裝置中進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：排種均勻性，漏播率、重播率、播深合格率及株距變異系數(shù)均能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。田間試驗(yàn)結(jié)果是：漏播率3.3%，重播率2.3%，株距變異系數(shù)3.66%，播深合格率99.0%。

[1] 羅愛青.西洋參半機(jī)械化種植技術(shù)初探[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2004(1):177-178.

[2] 李宣秋.磁吸滾筒式精密播種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué),2006.

[3] 朱偉平.旋轉(zhuǎn)回歸試驗(yàn)設(shè)計(jì)概況[J].神華科技,2010(6):66-70.

[4] 衣淑娟,陶桂香,毛欣.兩種軸流脫粒分離裝置脫出物分布規(guī)律對比試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008，24(6):154-156.

[5] 陳立東.氣吸式排種器性能參數(shù)設(shè)計(jì)及其對排種質(zhì)量影響的試驗(yàn)研究[D].大慶：黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué),2006.

[6] 田括.單圓盤半精量點(diǎn)種器的試驗(yàn)研究與優(yōu)化[D].石河子：石河子大學(xué),2013.

[7] 孫裕晶,馬成林,李萌.加壓條件下氣力輪式精密排種器性能分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2009(7):72-77,60.

Design and Experimental Research of Physical Strength Type Seed-metering Device for Panax Quinquefolius

Liu Xiaojiao,Shang Shuqi,Wang Dongwei,Lian Zhengguo， Li Jin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

In order to sowing seeds ginseng to need to use to urge a seed of bud, the machine row very easily would grow bud to touch while growing machine dibble and influenced a germination rate, can not satisfy the dibble request of ginseng seed, according to this, this text designs a kind of physical strength type row to grow device.Elaborate the physical strength type nicety row grows the work principle of machine and made sure its main structure parameter, with Wei sea the text ascend ginseng seed for sow seeds object, adopt two times is handing over to revolve combination experiment, absorb row and grow function and experiment a research towards absorbing to grow equip to carry on, built up to march forward speed, inhale bore diameter, negative press 3 main factors and leak the mathematics model of sowing the rate, reruns rate, analyze each factor to leak the influence regulation of sowing the rate and reruns rate, and carried on parameter excellent turn.Lead the factor of influence on reruns it lord the time is in proper order for:Is negative to press, inhale bore diameter and march forward speed;Leak to sow the main time of leading the influence in proper order BE:Inhale bore diameter and take to press, march forward speed.When march forward the speed as 1.5 ms|s, inhale the bore diameter as 1 mm, while taking to press for the 4 kpas machine's sowing reruns to lead is lower than 1.0% and leak to sow to lead is lower than 1.0%, equip comprehensive the function attain superior.Through experiment verification, experiment result with excellent turn result basic consistent, satisfy ginseng nicety sow seeds of plant a request.

panax quinquefolius; physical strength; experiment research

2016-04-06

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系中草藥加工與農(nóng)業(yè)機(jī)械崗位項(xiàng)目(2015-2016)；青島農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(QYC201417)

劉曉蛟(1988-),女，山東海陽人，碩士研究生，(E-mail) 1102779309@qq.com。

尚書旗(1958-)，男，山東青州人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

S223.2+6；S220.3

A

1003-188X(2017)03-0213-05