雷小龍，廖宜濤，叢錦玲，王 磊，張青松，廖慶喜※

（1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，雅安 625014；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；3.石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院， 石河子 832003）

0 引 言

油菜、小麥?zhǔn)情L(zhǎng)江流域重要的冬季種植作物[1-2]，播種期鄰近，機(jī)械化播種工序相似[3]，為油菜小麥兼用提供了條件。物料特性和單位面積播種量差異大是油菜、小麥兼用播種的難題，提高播種機(jī)通用性是提高機(jī)具利用率和生產(chǎn)效率的重要方式[4]。氣送式播種機(jī)由于適應(yīng)作物范圍廣、高速、寬幅作業(yè)得以廣泛應(yīng)用[5-10]，但國(guó)外氣送式播種機(jī)主要適應(yīng)大型農(nóng)場(chǎng)和旱地作業(yè)[11]；長(zhǎng)江流域的冬油菜種植區(qū)具有一年多熟種植制度（主要為水旱輪作模式）、地塊狹小而分散和土壤黏重板結(jié)等特點(diǎn)[12]，大型寬幅免耕播種機(jī)難以適用。因此，針對(duì)長(zhǎng)江流域油菜種植區(qū)的地形特點(diǎn)和種植制度研發(fā)了油菜小麥兼用氣送式集排器，可實(shí)現(xiàn)油菜、小麥兼用并獲得較優(yōu)的排種性能。

油菜小麥兼用氣送式集排器應(yīng)用“機(jī)械定量供種+氣流均勻分配”的原理，前期設(shè)計(jì)了油菜小麥兼用氣送式集排器的關(guān)鍵部件，并優(yōu)化了結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)[13-18]，實(shí)現(xiàn)了油麥兼用和“一器多行”均勻排種。排種性能是影響田間植株分布進(jìn)而影響作物群體結(jié)構(gòu)的重要因素[19]，也是評(píng)價(jià)播種機(jī)播種質(zhì)量的重要指標(biāo)。油菜小麥兼用氣送式集排器關(guān)鍵部件為供種裝置→供料裝置→輸種管道→增壓管→分配器呈串聯(lián)式結(jié)構(gòu)，分配器將種子均勻分配成多行，種子離開(kāi)分配器由導(dǎo)種管將種子流輸送到開(kāi)溝器進(jìn)入土壤。油菜小麥兼用氣送式集排器的分配器安裝位置較高、導(dǎo)種管較長(zhǎng)且管道中存有氣流是該類(lèi)型排種器的主要特征；與單行排種器相比，氣送式集排器因?qū)ХN管長(zhǎng)致使投種過(guò)程的種子運(yùn)動(dòng)軌跡更不易控制。導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)對(duì)種子流與氣流分配均勻性和種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)軌跡均有顯著影響，進(jìn)而影響種子落點(diǎn)位置和播種均勻性。實(shí)現(xiàn)種子在導(dǎo)種管平穩(wěn)運(yùn)移是提高排種質(zhì)量的重要手段[20]。

排種器是決定排種精度的關(guān)鍵部件，而導(dǎo)種管作為排種系統(tǒng)的重要組成部分影響種子投種過(guò)程和落點(diǎn)位置，影響播種質(zhì)量。馬旭等[21]分析了精密播種機(jī)安裝導(dǎo)種管后田間植株分布規(guī)律，明確了排種器結(jié)構(gòu)和導(dǎo)種管曲線(xiàn)形式等對(duì)田間植株分布的影響。Duane等[22]分析了牧草氣力式排種系統(tǒng)中氣流速度和開(kāi)溝器結(jié)構(gòu)對(duì)種子出苗的影響，發(fā)現(xiàn)滑刀式開(kāi)溝器和適宜的氣流速度有利于提高排種均勻性。目前研究主要集中于排種器結(jié)構(gòu)研究以提高排種性能，涉及排種系統(tǒng)輔助部件研究較少，尤其有關(guān)導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)對(duì)播種質(zhì)量影響的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。

本文針對(duì)油菜小麥兼用氣送式集排器具有較長(zhǎng)導(dǎo)種管和氣流擾動(dòng)影響種子遷移軌跡的問(wèn)題，應(yīng)用力學(xué)分析確定影響排種性能的因素，試驗(yàn)研究導(dǎo)種管材料、結(jié)構(gòu)和集排器工作參數(shù)對(duì)排種性能的影響，從而優(yōu)化氣送式集排器導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)及集排器工作參數(shù)，并開(kāi)展田間試驗(yàn)檢測(cè)播種性能和出苗質(zhì)量，以期為提高油菜、小麥播種質(zhì)量提供參考。

1 油菜小麥兼用氣送式直播機(jī)結(jié)構(gòu)與導(dǎo)種過(guò)程分析

1.1 油菜小麥兼用氣送式直播機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

油菜小麥兼用氣送式直播機(jī)如圖1所示，包括地輪、旋耕系統(tǒng)、畦溝犁、種箱、供種裝置、供料裝置、輸種管道、增壓管、分配器、導(dǎo)種管、風(fēng)泵、變速裝置和開(kāi)溝器等。分配器安裝于種箱后部，分配器距地面高度約1.5 m；分配器與開(kāi)溝器通過(guò)8個(gè)導(dǎo)種管連接。

圖1 油菜小麥兼用氣送式直播機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of air-assisted direct seeding machine for rapeseed and wheat

直播機(jī)工作時(shí)，地輪驅(qū)動(dòng)供種裝置向供料裝置定量供種，風(fēng)泵產(chǎn)生的高速氣流與種子流在供料裝置中混合形成氣固兩相流，氣固兩相流經(jīng)輸種管道、增壓管進(jìn)行輸送、混合，種子流在分配器中被均勻分配成8行，經(jīng)導(dǎo)種管輸送至開(kāi)溝器，開(kāi)溝器在旋耕系統(tǒng)形成的平整種床上開(kāi)溝、覆土，使種子到達(dá)適宜的位置，畦溝犁同步開(kāi)出畦溝。油菜小麥兼用氣送式直播機(jī)同步完成旋耕、開(kāi)畦溝、播種、開(kāi)溝和覆土等復(fù)式作業(yè)。由于供種裝置與風(fēng)泵氣流作為輸入對(duì)象，分別輸入種子流和氣流；8行導(dǎo)種管輸出氣流與種子流形成的氣固兩相流，各導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)與布置均影響排種系統(tǒng)的氣流分布，進(jìn)行影響排種均勻性。因此，導(dǎo)種管是影響油菜小麥兼用氣送式集排器排種性能的關(guān)鍵部件。

1.2 集排器導(dǎo)種過(guò)程力學(xué)分析

種子在導(dǎo)種管中的遷移軌跡受流體阻力、重力等的作用[23]，采用pco.dimax HD高速攝像機(jī)（德國(guó)PCO公司）拍攝油菜種子在導(dǎo)種管的狀態(tài)如圖2所示。從單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)看（圖2a～圖2b），種子在導(dǎo)種管中以間隔較均勻的單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)；將15張種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖合成種子在導(dǎo)種管中的落點(diǎn)分布（圖2c），發(fā)現(xiàn)種子在導(dǎo)種管中具有一定的隨機(jī)性，呈現(xiàn)集中于導(dǎo)種管中部的特征。

圖2 油菜種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.2 Rapeseed movement status in seed tube

種子在導(dǎo)種管的受力分析如圖3所示，種子經(jīng)正壓氣流分配后進(jìn)入導(dǎo)種管時(shí)忽略氣流對(duì)種子作用的浮力和升力，主要分析氣流阻力Fd和重力G對(duì)種子的作用。

圖3 種子在導(dǎo)種管中受力分析Fig.3 Mechanics analysis of seeds in seed tube

根據(jù)種子在導(dǎo)種管中的受力分析，建立動(dòng)力學(xué)方程。

式中m為種子的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2；υpx為x軸方向種子速度，m/s；υpy為y軸方向種子速度，m/s；t為時(shí)間，s。

根據(jù)顆粒流體力學(xué)理論，流體阻力Fd表達(dá)為[24-28]

式中CD為阻力系數(shù)，由于種子在導(dǎo)種管中為稀相流（種子在氣流場(chǎng)中體積分?jǐn)?shù)占比低于10%），氣流場(chǎng)為湍流狀態(tài)，取CD為 0.44[16-17]；ρg為氣流密度，取值為 1.225 kg/m3；Ap為種子截面積，m2；υg為氣流速度，m/s；υp為種子合速度，m/s。

由于分配器分配的氣固兩相流均勻進(jìn)入導(dǎo)種管，忽略空氣壓力損失，可視為各導(dǎo)種管氣流流量相等，則導(dǎo)種管中的氣流速度為

式中Q為氣體流量，m3/s；AT為導(dǎo)種管截面積，m2。聯(lián)立式（1）～式（3），得出

由式（4）可知，種子沿導(dǎo)種管軸線(xiàn)的加速度受氣流速度υg、種子合速度υp和導(dǎo)種管與水平面夾角θ的影響；種子沿導(dǎo)種管徑向的加速度主要受導(dǎo)種管與水平面夾角θ的影響。綜合來(lái)看，由于流體阻力Fd的作用，種子投種的速度υp和加速度明顯增加這可能會(huì)導(dǎo)致種子落地時(shí)產(chǎn)生彈跳現(xiàn)象，而氣流速度υg受導(dǎo)種入口氣體流量Q和導(dǎo)種管截面積AT的影響；當(dāng)導(dǎo)種入口氣體流量Q一定時(shí)，保證不同導(dǎo)種管間截面積AT相同是提高氣流分配均勻性的重要手段。導(dǎo)種管截面積AT因?qū)ХN管材料和管徑會(huì)發(fā)生變化，從而影響氣流速度υg及不同導(dǎo)種管之間的氣流均勻性。同時(shí)直播機(jī)田間作業(yè)時(shí)由于導(dǎo)種管多行配置致使θ不一致，在導(dǎo)種管徑向加速度和氣流擾動(dòng)的作用下種子可能與導(dǎo)種管壁碰撞。入口氣體流量Q受氣流壓強(qiáng)控制，進(jìn)而對(duì)種子在氣流場(chǎng)的分布與速度產(chǎn)生影響。因此，影響種子速度及種子-氣流氣固兩相流分配均勻性的因素主要包括導(dǎo)種管材料、結(jié)構(gòu)和集排器工作參數(shù)。

2 臺(tái)架試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

油菜小麥兼用氣送式集排器試驗(yàn)臺(tái)如圖4所示，主要由供種裝置、供料裝置、分配器、輸種管道、增壓管、風(fēng)泵、調(diào)壓閥和導(dǎo)種管等組成。試驗(yàn)時(shí)，供種裝置通過(guò)調(diào)節(jié)供種轉(zhuǎn)速和錐孔輪數(shù)量改變供種量，供種轉(zhuǎn)速由變頻器控制。調(diào)壓閥調(diào)節(jié)風(fēng)泵向供料裝置輸送的風(fēng)量，氣流壓強(qiáng)采用U型管壓差計(jì)測(cè)定。

油菜小麥兼用氣送式集排器試驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)，變頻器控制減速電機(jī)，通過(guò)鏈傳動(dòng)將動(dòng)力傳遞給供種裝置，使供種裝置中的供種機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)定量供種。風(fēng)泵通過(guò)調(diào)壓閥提供合適的風(fēng)量至供料裝置，供種裝置排出的種子與高速氣流在供料裝置中混合，種子-氣流形成的氣固兩相流經(jīng)輸種管道和增壓管完成輸送、混合后進(jìn)入分配器，分配器將種子流均勻分配成8行進(jìn)入到導(dǎo)種管，導(dǎo)種管排出的均勻種子流用種子袋收集。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中油菜、小麥種子分別為華油雜62和鄭麥9023，華油雜62由湖北國(guó)科高新技術(shù)有限公司生產(chǎn)，千粒質(zhì)量為4.67 g，含水率為7.15%；鄭麥9023由河南黃泛區(qū)地神種業(yè)有限公司生產(chǎn)，千粒質(zhì)量為44.87 g，含水率為8.44%。

圖4 油菜小麥兼用氣送式直播機(jī)集排器試驗(yàn)臺(tái)Fig.4 Test bench of air-assisted centralized metering device of direct seeding machine for rapeseed and wheat

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)種過(guò)程理論分析，導(dǎo)種管材料、結(jié)構(gòu)和氣流壓強(qiáng)等均可能影響氣流場(chǎng)分布和種子速度，進(jìn)而約束種子的運(yùn)動(dòng)軌跡和影響排種性能，影響因素主要包括導(dǎo)種管材料、結(jié)構(gòu)和布置方式。導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)包括直徑、長(zhǎng)度，布置方式主要為導(dǎo)種管與水平面夾角θ；集排器工作參數(shù)主要包括供種轉(zhuǎn)速和氣流壓強(qiáng)。

2.3.1 導(dǎo)種管材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)

選取導(dǎo)種管直徑、導(dǎo)種管長(zhǎng)度組合和布置角度3個(gè)因素，在導(dǎo)種管材料、供種轉(zhuǎn)速和氣流壓強(qiáng)分別為PVC鋼絲軟管、20 r/min和1 200 Pa條件下，開(kāi)展單因素試驗(yàn)，分析結(jié)構(gòu)參數(shù)與布置角度對(duì)排種性能的影響。

1）導(dǎo)種管直徑：為與分配器排種口配合，在導(dǎo)種管長(zhǎng)度均為1 m和θ為90°條件下，導(dǎo)種管直徑設(shè)定10、16、20和25 mm共4個(gè)水平。

2）導(dǎo)種管長(zhǎng)度組合：油菜小麥兼用氣送式集排器的分配器至土壤工作部件間的導(dǎo)種管由于行數(shù)要求導(dǎo)致長(zhǎng)度不一，開(kāi)展了導(dǎo)種管長(zhǎng)度對(duì)排種性能影響的試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。導(dǎo)種管直徑和θ分別為16 mm和90°時(shí)，設(shè)置成等長(zhǎng)度、二梯度長(zhǎng)度和三梯度長(zhǎng)度共3種方式，導(dǎo)種管長(zhǎng)度分別設(shè)定為1.0、1.5、2.0 m共3個(gè)水平。

3）導(dǎo)種管布置角度：田間播種時(shí)需根據(jù)行距布置導(dǎo)種管，因此研究導(dǎo)種管長(zhǎng)度均為1 m和直徑為16 mm時(shí)，導(dǎo)種管與水平面夾角θ（30°、45°、60°、90°）對(duì)排種性能的影響。

為進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)和材料，開(kāi)展了導(dǎo)種管材料（A）和直徑（B）的兩因素試驗(yàn)。導(dǎo)種管材料（A）選擇3種材質(zhì)，分別為PVC鋼絲軟管、透明橡膠管和纖維塑料管3種類(lèi)型，如圖5所示。導(dǎo)種管直徑（B）選取單因素試驗(yàn)較優(yōu)的3個(gè)水平。

表1 導(dǎo) 種管長(zhǎng)度 試驗(yàn)設(shè) 計(jì)Table 1 Experimental design of seed tube’s length

圖5 導(dǎo)種管材料Fig.5 Materials of seed tube

2.3.2 集排器工作參數(shù)試驗(yàn)

氣流壓強(qiáng)單因素試驗(yàn)：為確定油菜小麥兼用氣送式集排器氣流壓強(qiáng)的范圍，在已獲得的較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，開(kāi)展了氣流壓強(qiáng)對(duì)排種性能影響的單因素試驗(yàn)。氣流壓強(qiáng)設(shè)400、800、1 200、1 600 Pa共4個(gè)水平。

根據(jù)油菜、小麥播種的農(nóng)藝要求，開(kāi)展了氣流壓強(qiáng)（C）和供種轉(zhuǎn)速（D）對(duì)排種性能影響的試驗(yàn)。氣流壓強(qiáng)通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)壓閥控制，選取單因素試驗(yàn)較優(yōu)的3個(gè)水平。油菜供種轉(zhuǎn)速設(shè)10～40 r/min共4個(gè)水平，小麥供種轉(zhuǎn)速設(shè)10～30 r/min共3個(gè)水平，增量均為10 r/min。

2.3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

試驗(yàn)按照GB/T 9478-2005“谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法”測(cè)試集排器的排種性能[29]，試驗(yàn)時(shí)用種子袋收集導(dǎo)種管排出的種子，稱(chēng)量?jī)糍|(zhì)量，排種時(shí)間為1 min，重復(fù)5次，計(jì)算不同處理下各行排種量、各行排量一致性變異系數(shù)、總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率。

為進(jìn)一步分析種子的排種性能，應(yīng)用JPS-12型排種器視覺(jué)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)模擬檢測(cè)集排器排種時(shí)種子在種溝內(nèi)的分布。試驗(yàn)中將圖4的導(dǎo)種管安裝于JPS-12型排種器視覺(jué)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)種子分布，由于該檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)僅有3條油帶可用于檢測(cè)，試驗(yàn)中檢測(cè)3行種子。一次選取油帶上5 m種子帶為試驗(yàn)對(duì)象，每1 m為1組，共為5組[30]，重復(fù)5次，統(tǒng)計(jì)1 m內(nèi)的種子數(shù)量，計(jì)算排種均勻性變異系數(shù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料對(duì)排種性能的影響

3.1.1 導(dǎo)種管直徑對(duì)排種性能影響

表2表明，導(dǎo)種管材料、長(zhǎng)度和θ分別為PVC鋼絲軟管、1 m和90°條件下，直徑為10 mm的平均行播種量明顯低于其他直徑處理。導(dǎo)種管直徑在16～25 mm范圍內(nèi)的平均行播種量差異較小。從各行排量一致性變異系數(shù)和總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)來(lái)看，各行排量一致性變異系數(shù)以直徑為10 mm最高，直徑在16～20 mm范圍內(nèi)均較低，不高于4.5%；總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨導(dǎo)種管直徑變化趨勢(shì)與各行排量一致性變異系數(shù)變化趨勢(shì)一致，因此，導(dǎo)種管較?。?0 mm）時(shí)，由于氣流沿程損失很高，各行排種量很低，且各行排量一致性變異系數(shù)很高，不適用于氣送式集排器導(dǎo)種；確定導(dǎo)種管直徑范圍為16～25 mm。

表2 導(dǎo)種管直徑對(duì)排種性能的影響Table 2 Influence of seed tube diameter on seeding performance

3.1.2 導(dǎo)種管長(zhǎng)度組合對(duì)排種性能影響

導(dǎo)種管直徑和θ分別為16 mm和90°時(shí)，導(dǎo)種管長(zhǎng)度組合對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響顯著（表3），其中等長(zhǎng)度和二梯度處理的各行排量一致性變異系數(shù)明顯低于三梯度處理；導(dǎo)種管長(zhǎng)度為1 m的等長(zhǎng)度處理為最低，與三梯度處理間的差異顯著。相同梯度處理?xiàng)l件下，不同導(dǎo)種管長(zhǎng)度間的各行排量一致性變異系數(shù)無(wú)顯著差異，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于1.0%。因此，布置導(dǎo)種管位置時(shí)應(yīng)盡量降低不同行之間導(dǎo)種管長(zhǎng)度的差異。

3.1.3 導(dǎo)種管布置角度對(duì)排種性能影響

導(dǎo)種管布置角度對(duì)排種性能的影響結(jié)果表明（圖6），導(dǎo)種管長(zhǎng)度均為1 m和直徑為16 mm時(shí)，導(dǎo)種管與水平面夾角θ對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響不顯著（F=1.05），則因行距要求使導(dǎo)種管布置角度不同對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)的影響可以忽略?？偱帕糠€(wěn)定性變異系數(shù)隨放置角度降低呈先增后降的趨勢(shì)，在放置角度60°時(shí)達(dá)到最高，但最高值低于1.2%。試驗(yàn)中采用PVC鋼絲軟管，θ不同影響導(dǎo)種管出口的截面積較小。因此，在田間試驗(yàn)中，可忽略導(dǎo)種管被放置不同角度對(duì)排種性能的影響。

表3 導(dǎo)種管長(zhǎng)度組合對(duì)排種性能的影響Table 3 Influence of seed tube length’s combination on seeding performance

注：導(dǎo)種管材料、供種轉(zhuǎn)速和氣流壓強(qiáng)分別為PVC鋼絲軟管、20 r·min-1和1 200 Pa。導(dǎo)種管直徑和θ分別為16 mm和90°。采用LSD檢驗(yàn)比較樣本平均數(shù)的差異顯著性，表中同列中數(shù)字后跟相同小寫(xiě)字母表示差異未達(dá)0.05顯著水平。*和**分別表示方差分析在0.05和0.01水平上顯著，下同。Note:The seed tube material,rotational speed and airflow pressure are PVC tube,20 r·min-1and 1 200 Pa,respectively.The seed tube diameter and θ are 16 mm and 90°,respectively.The least significant difference test(LSD)at the 0.05 level is used to determine differences between the means of the treatments.Values within a colum follow small letter are not significantly different at P<0.05.*and**denote significance of variance analysis at the 0.05 and 0.01 levels,respectively.Same as below.

圖6 導(dǎo)種管與水平面夾角對(duì)排種性能的影響Fig.6 Effects of angle between seed tube and horizontal plane on seeding performance

3.1.4 導(dǎo)種管材料和直徑對(duì)排種性能的影響

在導(dǎo)種管長(zhǎng)度和θ分別為1 m和90°條件下，開(kāi)展了導(dǎo)種管材料與直徑對(duì)排種性能影響的試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

表4 導(dǎo)種管材料與直徑對(duì)油菜與小麥排種性能的影響Table 4 Effects of seed tube material and diameter on seeding performance for rapeseed and wheat

排種油菜時(shí)，導(dǎo)種管材料、直徑和材料與直徑的交互作用對(duì)平均行排種量和各行排量一致性變異系數(shù)均有極顯著影響，對(duì)總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)影響不顯著。從各行排量一致性變異系數(shù)來(lái)看，導(dǎo)種管材料表現(xiàn)為PVC鋼絲軟管<透明橡膠管<纖維塑料管；而各行排量一致性變異系數(shù)隨導(dǎo)種管直徑增加呈增加的趨勢(shì)，尤其是透明橡膠管和纖維塑料管當(dāng)直徑為25 mm時(shí)迅速增加，以直徑為16～20 mm的PVC鋼絲軟管材料的增壓管各行排量一致性變異系數(shù)較低，低于4.50%。排種小麥時(shí)，導(dǎo)種管材料、直徑和材料與直徑的交互作用對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響均達(dá)到極顯著水平，PVC鋼絲軟管和透明橡膠管的各行排量一致性變異系數(shù)顯著低于纖維塑料管材料；PVC鋼絲軟管和透明橡膠管的各行排量一致性變異系數(shù)隨直徑增加呈增加的趨勢(shì)，以直徑為25 mm處理最高，直徑為16和20 mm處理間的差異較小。總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)隨導(dǎo)種管直徑增加均呈降低的趨勢(shì)，種子破損率均低于0.1%。

綜合分析，PVC鋼絲軟管通過(guò)增加強(qiáng)度，保持各導(dǎo)種管出口截面積相等，使各行排量一致性變異系數(shù)較低且穩(wěn)定。而透明橡膠管和纖維塑料管在直徑為16 mm時(shí)導(dǎo)種管變形較小，能夠保證導(dǎo)種管出口截面積一致；當(dāng)直徑達(dá)到20和25 mm時(shí)，由于透明橡膠管和纖維塑料管材料柔性均較大，導(dǎo)種管長(zhǎng)度大且容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致導(dǎo)種管出口面積不一，進(jìn)一步影響不同行之間導(dǎo)種管出口的壓強(qiáng)，降低了各行排種一致性，與理論分析一致。油菜的各行排量一致性變異系數(shù)整體低于小麥，這是由于小麥排種量較高，增加了種子在氣流場(chǎng)中的體積分?jǐn)?shù)，對(duì)氣流分配均勻性影響更靈敏。

由極差分析可知（表5），排種油菜和小麥時(shí)影響各行排量一致性變異系數(shù)的主次因素均為：導(dǎo)種管材料>直徑；而影響總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)的主次因素均為：導(dǎo)種管直徑>材料。對(duì)于排種油菜和小麥時(shí)的各行排量一致性變異系數(shù)的最優(yōu)材料為A1，即導(dǎo)種管材料為PVC鋼絲軟管；排種油菜時(shí)的各行排量一致性變異系數(shù)以16 mm最優(yōu)（B1），排種小麥則為20 mm（B2），綜合考慮油菜小麥兼用的排種要求與排種性能，排種管直徑選取20 mm。

表5 試驗(yàn)結(jié)果極差分析Table 5 Range analysis of experimental results

3.2 工作參數(shù)對(duì)排種性能的影響

3.2.1 氣流壓強(qiáng)對(duì)排種性能影響

由圖7可知，在導(dǎo)種管直徑、長(zhǎng)度和θ分別為20 mm、1 m和90°時(shí)，氣流壓強(qiáng)為400 Pa時(shí)排種小麥的平均行排種量明顯低于其他氣流壓強(qiáng)處理，排種油菜時(shí)差異不明顯。氣流壓強(qiáng)為400 Pa時(shí)排種油菜、小麥的各行排量一致性變異系數(shù)均明顯高于其他氣流壓強(qiáng)處理。綜合來(lái)看，排種油菜時(shí)氣流壓強(qiáng)為400～1 600 Pa均能正常排種，但各行排量一致性變異系數(shù)存在差異；由于小麥種子千粒質(zhì)量顯著高于油菜種子，在氣流壓強(qiáng)為400 Pa時(shí)不能達(dá)到排種量要求，因此試驗(yàn)中氣流壓強(qiáng)取800～1 600 Pa。

圖7 氣流壓強(qiáng)對(duì)油菜、小麥排種性能的影響Fig.7 Effects of airflow pressure on seeding performance for rape and wheat

3.2.2 氣流壓強(qiáng)和供種速率對(duì)排種性能的影響

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，氣流壓強(qiáng)選擇800、1 200、1 600 Pa共3個(gè)水平。表6所明，氣流壓強(qiáng)、轉(zhuǎn)速、氣流壓強(qiáng)與轉(zhuǎn)速交互作用對(duì)平均行排種量均有極顯著影響（P<0.01），排種油菜、小麥時(shí)平均行排種量隨轉(zhuǎn)速增加均極顯著增加；不同氣流壓強(qiáng)條件下的平均行排種量差異顯著（P<0.05），隨氣流壓強(qiáng)增加呈降低的趨勢(shì)。氣流壓強(qiáng)對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響不顯著，說(shuō)明當(dāng)氣流壓強(qiáng)達(dá)到800 Pa以上時(shí)，油菜種子分配均勻性受氣流壓強(qiáng)影響較??；轉(zhuǎn)速對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響達(dá)顯著水平，隨轉(zhuǎn)速增加呈先降后升的趨勢(shì)；排種小麥時(shí)，各行排量一致性變異系數(shù)隨氣流壓強(qiáng)增加呈降低趨勢(shì)，轉(zhuǎn)速對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響極顯著（P<0.01），轉(zhuǎn)速為10 r/min時(shí)最高。氣流壓強(qiáng)和轉(zhuǎn)速對(duì)總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和種子破損率影響均不顯著。

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，應(yīng)用Matlab軟件擬合得到油菜、小麥排種時(shí)氣流壓強(qiáng)和供種轉(zhuǎn)速與各行排量一致性變異系數(shù)之間關(guān)系如式（5）所示，二次多元回歸方程的決定系數(shù)分別為0.933 4和0.868 4。

表6 氣流壓強(qiáng)與供種轉(zhuǎn)速對(duì)油菜小麥排種性能的影響Table 6 Effects of airflow pressure and rotational speed on seeding performance for rape and wheat

式中yr為油菜的各行排量一致性變異系數(shù)，%；yw為小麥的各行排量一致性變異系數(shù)，%；x1為氣流壓強(qiáng)，Pa；x2為供種轉(zhuǎn)速，r/min。通過(guò)分析排種油菜、小麥的各行排量一致性變異系數(shù)的三維圖（圖8），排種油菜、小麥時(shí)氣流壓強(qiáng)分別為1 200和1 600 Pa時(shí)具有較好的排種均勻性，在轉(zhuǎn)速為20～40 r/min時(shí)總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排量一致性變異系數(shù)分別低于1.0%和4.00%；在轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)排種油菜、小麥的各行排量一致性變異系數(shù)分別為2.85%和2.58%。

3.3 排種均勻性試驗(yàn)

在較優(yōu)的集排器結(jié)構(gòu)參數(shù)條件下，排種油菜、小麥氣流壓強(qiáng)分別為1 200、1 600 Pa和供種轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，在JPS-12型排種器視覺(jué)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)了集排器排種均勻性，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。排種油菜、小麥時(shí)1 m內(nèi)平均排種數(shù)量分別為20.92～22.76和52.92～56.32，3行的排種均勻性變異系數(shù)分別低于19.0%和12.5%，滿(mǎn)足JB/T 6274.1-2001“谷物條播機(jī) 技術(shù)條件”要求。從排種數(shù)量來(lái)看，油菜、小麥播種密度約為20和55粒/m，受田間土壤墑情、種子自身發(fā)芽率和后期天氣等影響，油菜、小麥的實(shí)際成苗數(shù)會(huì)明顯降低（油菜成苗率約60%），該種植密度能滿(mǎn)足實(shí)際田間播種要求。

圖8 供種轉(zhuǎn)速與氣流壓強(qiáng)對(duì)油菜小麥種子排種性能的影響Fig.8 Effects of rotational speed and airflow pressure on seeding performance for rape and wheat seed

表7 油菜小麥的排種均勻性變異系數(shù)Table 7 Variation coefficient of seeding uniformity for rape and wheat

4 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)油菜小麥兼用氣送式集排器的播種質(zhì)量，2015～2017年在武漢、荊州和新疆昭蘇等地進(jìn)行了約20 hm2的油菜、小麥播種生產(chǎn)試驗(yàn)。各地生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，該油菜小麥兼用氣送式集排器能夠根據(jù)油菜、小麥不同播種量要求完成播種田間試驗(yàn)，田間播種試驗(yàn)及苗期長(zhǎng)勢(shì)如圖9所示，油菜、小麥的成行性與均勻性均較好。

圖9 田間播種后油菜小麥苗期長(zhǎng)勢(shì)Fig.9 Growth performance for rape and wheat after field sowing

2016年在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技d園設(shè)置了不同播種量的油菜、小麥播種試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)播種和出苗質(zhì)量。試驗(yàn)以2BFQ-6油菜精量聯(lián)合直播機(jī)為平臺(tái)，牽引動(dòng)力為東方紅-LX854，機(jī)組前進(jìn)速度為2.52 km/h，播種行數(shù)均為8行，行距為200 mm，幅寬為2.0 m。播種后1月（油菜約4葉，小麥約3葉）測(cè)定不同處理下8行1 m內(nèi)的植株數(shù)量，每個(gè)處理重復(fù)3次，統(tǒng)計(jì)不同處理的單位面積（1 m2）內(nèi)8行的幼苗數(shù)量及各行植株分布變異系數(shù)，結(jié)果如表8所示。

表8表明，油菜、小麥的各行植株分布變異系數(shù)分別不高于22%和16%，各行植株分布均勻性較好。油菜種植密度范圍為40～68株/m2，穩(wěn)定性變異系數(shù)低于20%；小麥的單位面積植株數(shù)量約為129和252株/m2，穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為8.34%和8.12%。由于植株成苗數(shù)與受種子發(fā)芽率、地塊平整度和降雨量等因素密切相關(guān)，植株田間分布與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果略有差異。整體上油菜、小麥的植株分布呈現(xiàn)出較好的均勻性，且苗期長(zhǎng)勢(shì)良好，滿(mǎn)足油菜、小麥的農(nóng)藝種植要求。

表8 油菜小麥田間幼苗分布Table 8 Seedling distribution for rape and wheat in field

5 結(jié)論

1）集排器導(dǎo)種過(guò)程力學(xué)分析確定影響排種一致性的因素主要包括導(dǎo)種管材料、結(jié)構(gòu)和集排器工作參數(shù)。導(dǎo)種管材料與結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果表明：導(dǎo)種管材料、直徑和材料與直徑的交互作用對(duì)平均行排種量和各行排量一致性變異系數(shù)均有極顯著影響（P<0.01），對(duì)總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)影響不顯著。導(dǎo)種管材料和直徑分別為PVC鋼絲軟管和20 mm時(shí)，排種性能較優(yōu)。導(dǎo)種管長(zhǎng)度組合對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響顯著（P<0.05），排種時(shí)應(yīng)盡量保持導(dǎo)種管長(zhǎng)度一致。

2）氣流壓強(qiáng)和供種轉(zhuǎn)速對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)有顯著或極顯著影響，各行排量一致性變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加呈先降后升的趨勢(shì)。供種轉(zhuǎn)速為20～40 r/min，排種油菜、小麥氣流壓強(qiáng)分別為1 200和1 600 Pa時(shí)具有較好的排種均勻性，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)和各行排量一致性變異系數(shù)分別低于1.0%和4.00%，種子破損率低于0.1%。

3）在較優(yōu)的導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)條件下，應(yīng)用JPS-12型排種器視覺(jué)檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)了集排器排種均勻性。油菜、小麥的排種均勻性變異系數(shù)分別低于19.0%和12.5%；田間試驗(yàn)的油菜、小麥的各行植株分布變異系數(shù)分別不高于22%和16%；油菜種植密度為40～68株/m2時(shí)，穩(wěn)定性變異系數(shù)低于20%；小麥的單位面積植株數(shù)量為129和252株/m2時(shí)，穩(wěn)定性變異系數(shù)分別為8.34%和8.12%，達(dá)到油菜、小麥的農(nóng)藝種植要求。

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