楊 薇 方憲法 李建東 李雷霞

(1.中機(jī)美諾科技股份有限公司， 北京 100083； 2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

隨著種業(yè)發(fā)展，育種公司和科研單位對(duì)用于玉米育種試驗(yàn)的小區(qū)播種機(jī)的需求也越來(lái)越迫切。玉米育種試驗(yàn)是將試驗(yàn)地分割成若干個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)播種的種子品種不同，播種時(shí)需要將試驗(yàn)種子按照小區(qū)排列順序，依次投入到排種器的充種腔內(nèi)，而在每個(gè)小區(qū)的終點(diǎn)都要將種腔內(nèi)剩余的種子全部清出，以保證不與下一小區(qū)的種子發(fā)生混雜，這也是小區(qū)播種機(jī)與傳統(tǒng)大田播種機(jī)的最大不同。

國(guó)外對(duì)氣吸式小區(qū)播種機(jī)的研究始于20世紀(jì)60年代，并且形成了成熟的系列產(chǎn)品，奧地利Wintersteiger公司研制的氣吸式精量播種機(jī)采用帶有可轉(zhuǎn)動(dòng)閘門的精量排種器，使排種和清種階段互不干擾，確保小區(qū)間的種子分配精確[1]；美國(guó)Almaco公司生產(chǎn)的SeedPro精播機(jī)采用可轉(zhuǎn)動(dòng)種腔的氣吸式排種器，在清種時(shí)種腔向下轉(zhuǎn)動(dòng)將剩余種子倒入清種腔內(nèi)，再由負(fù)壓將余種收集至回收筒內(nèi)，使清種和排種過(guò)程互不干擾，確保不發(fā)生混種[2]；美國(guó)SRES公司、德國(guó)haldrup公司以及法國(guó)Baural公司等生產(chǎn)專用小區(qū)播種機(jī)，也都是采用帶有清理剩余種子功能的氣吸式排種器[3]，以適應(yīng)育種試驗(yàn)的播種作業(yè)要求。

國(guó)內(nèi)對(duì)于玉米小區(qū)播種機(jī)的研究處于起步階段[4]，而排種器作為玉米小區(qū)播種機(jī)的核心部件，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究基本處于空白[5]，雖然氣吸式排種器在大田播種機(jī)上得到了廣泛應(yīng)用，但由于清種不便等原因并不適合進(jìn)行育種試驗(yàn)的播種作業(yè)，因此，研究適用于玉米育種試驗(yàn)的氣吸式排種器尤為重要。

本文設(shè)計(jì)一種帶有自凈功能的氣吸式排種器，保證在上一個(gè)小區(qū)完成播種后，通過(guò)負(fù)壓將充種腔內(nèi)的剩余種子清出，不與下一小區(qū)即將投入到充種腔的種子發(fā)生混雜，從而滿足育種試驗(yàn)的要求。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

玉米育種小區(qū)試驗(yàn)時(shí)，需要排種器具有自凈功能，即在每個(gè)小區(qū)的結(jié)束處都要將剩余的種子自動(dòng)清出并回收至固定容器中，自凈率必須達(dá)到100%，以此為首要前提條件設(shè)計(jì)具有種腔自凈功能的氣吸式排種器，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由前殼體、刮種板、排種盤、攪種盤及后殼體等組成，充種腔與清種腔之間由清種閘門隔開(kāi)，相互獨(dú)立。

圖1 種腔自凈型氣吸式精量排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of air-suction precision seed-metering device with self-clearing seed box1.前殼體 2.排種盤 3.攪種盤 4.刮種板 5.后殼體 6.清種腔 7.充種氣缸 8.清種口 9.清種氣缸 10.充種口 11.清種閘門 12.充種腔

圖2 種腔自凈型氣吸式精量排種器工作過(guò)程示意圖Fig.2 Working process diagrams of air-suction precision seed-metering device with self-clearing seed box

種腔自凈型氣吸式精量排種器的工作過(guò)程如圖2所示。種子由充種口落入充種腔內(nèi)，排種盤與后殼體緊密貼合組成氣室，由風(fēng)機(jī)提供負(fù)壓將種子吸附在排種盤的吸孔上，隨著排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)到落種區(qū)，此時(shí)負(fù)壓消失，種子靠自重落入播種單體完成播種，當(dāng)?shù)竭_(dá)小區(qū)終點(diǎn)需要清種時(shí)，由程序控制清種氣缸帶動(dòng)清種閘門打開(kāi)，此時(shí)清種腔與充種腔聯(lián)通，剩余種子靠自重及風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓被吸入清種腔，清種完成后清種閘門關(guān)閉，充種氣缸打開(kāi)，下一小區(qū)的種子落入充種腔，至此完成一個(gè)循環(huán)，以此類推直至完成所有小區(qū)的播種作業(yè)。

如圖2a所示，排種器安裝在播種單體上時(shí)，充種腔底面與水平方向呈一夾角，該角度大于玉米種子的休止角，保證當(dāng)清種閘門打開(kāi)時(shí)，充種腔內(nèi)的剩余種子在重力作用下會(huì)滑向清種腔，并借助負(fù)壓的作用經(jīng)過(guò)清種腔被吸出排種器，完成清種過(guò)程，即使有個(gè)別種子由于某些原因又滑落回清種腔，也不會(huì)再進(jìn)入充種腔造成混種，這種設(shè)計(jì)可以保證充種和清種過(guò)程互不干擾，滿足育種試驗(yàn)小區(qū)間不得混種的要求。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

此排種器是應(yīng)用于育種試驗(yàn)的播種作業(yè)，而育種試驗(yàn)所播種的種子與實(shí)際糧食生產(chǎn)中所播種的種子在形狀大小上有差異。首先對(duì)不同熟期、不同種業(yè)公司以及不同育種試驗(yàn)階段的種子進(jìn)行考察，發(fā)現(xiàn)同一片試驗(yàn)地中不同小區(qū)所播種的種子性狀差異較大(表1)， 排種器關(guān)鍵部件技術(shù)參數(shù)的確定需要考慮這一因素。

表1 不同試驗(yàn)階段的種子形狀規(guī)格Tab.1 Seed shape specification for different test stages mm

2.1 刮種板

刮種板的作用是將排種盤吸孔上吸附的多余種子刮去，降低重播率，為避免在清種過(guò)程完成后仍有刮落的種子落回充種腔造成混種，刮種位置要盡量靠近充種腔；刮種板選用凹凸形曲線工作面，可以對(duì)種子產(chǎn)生間斷撞擊力，并經(jīng)多次作用，保證刮種效果；采用偏心圓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[6]，可調(diào)節(jié)刮種板工作面與種子之間的距離，刮種板工作面外沿與吸孔中心線之間的距離在0～4 mm之間可調(diào)。

2.2 排種盤

按照國(guó)家品種試驗(yàn)的要求[7]及育種單位的需求(采用一穴雙粒或多粒播種后期間苗的方式以保證試驗(yàn)小區(qū)的出苗率，降低播種質(zhì)量、土壤條件及環(huán)境因素等客觀條件對(duì)小區(qū)試驗(yàn)的影響，降低試驗(yàn)小區(qū)的報(bào)廢率)，分別設(shè)計(jì)了單粒和雙粒兩種排種盤形式，由于播種后要間苗，為方便間苗，雙粒種子要先后落下，要有5～10 cm的間距，因此采用同分度圓前后排列的雙吸孔布置形式，雙吸孔間隔角度選取5°(圖3)。

圖3 排種器刮種板及排種盤結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of scraping device and metering plate1.偏心圓調(diào)節(jié)軸 2.刮種板 3.排種盤

吸孔直徑需要根據(jù)種子尺寸來(lái)確定，由試驗(yàn)方法確定的吸孔直徑公式為[8]

d=(0.64～0.66)b

(1)

式中b——種子平均寬度，mm

結(jié)合表1，最終選定吸孔直徑為4.5 mm。

吸孔數(shù)量與播種速度、株距等因素有關(guān)，通常設(shè)計(jì)中要求在不影響吸種、刮種和落種的前提下，吸孔數(shù)量盡量多，但由于小區(qū)播種的特殊性，每一小區(qū)單行內(nèi)播種的種子數(shù)量非常少，種子數(shù)量與小區(qū)行長(zhǎng)、播種密度有關(guān)，在5 m行長(zhǎng)、60 000株/hm2密度的單粒播種小區(qū)試驗(yàn)中，單行播種量只有18粒，由于要保證清種效果，小區(qū)播種機(jī)的作業(yè)速度通常小于3.6 km/h，綜合以上因素，吸孔數(shù)量選定為10個(gè)。

2.3 攪種盤

2.3.1種子吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析

在育種試驗(yàn)中，每一行的播種量非常少，吸孔對(duì)種子的吸附效果決定了漏播率。

從吸孔的吸附力作用在種子的瞬間開(kāi)始，種子與旋轉(zhuǎn)的種盤之間便產(chǎn)生了牽連運(yùn)動(dòng)，因此可將種子看作動(dòng)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)的種盤看作動(dòng)系，進(jìn)行種子吸附過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析，假設(shè)種子開(kāi)始被吸孔吸附時(shí)具有沿排種盤切向的初速度，種子的速度、加速度及受力分析如圖4所示。

圖4 種子速度、加速度及受力分析圖Fig.4 Diagram of seed velocity, acceleration and force analysis

當(dāng)牽連運(yùn)動(dòng)為轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，種子的絕對(duì)加速度為相對(duì)加速度、牽連加速度和科氏加速度的矢量和，相對(duì)加速度是由吸附力作用在種子上產(chǎn)生的，因此假設(shè)吸附力作用在種子的時(shí)間為t，相對(duì)加速度ar可表示為

(2)

其中

vr=ve-v0

(3)

式中vr——相對(duì)速度，m/s

ve——牽連速度，m/s

v0——初始速度，m/s

牽連加速度為動(dòng)系的加速度，即排種盤的轉(zhuǎn)動(dòng)加速度，因此牽連加速度ae可表達(dá)為

ae=Rω2

(4)

式中R——排種盤半徑，m

ω——排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s

種子的牽連角速度與相對(duì)速度呈90°，因此科氏加速度表達(dá)為

ac=2ωvr

(5)

結(jié)合式(2)、(4)、(5)可得出種子絕對(duì)加速度aa的表達(dá)式為

(6)

種子受到的合力Fa為吸孔的吸附力P、種子受到種群內(nèi)的摩擦力Ff以及種子重力G的矢量和，即

Fa=P+Ff+G

(7)

其中

Fa=maa

(8)

式中m——種子質(zhì)量，kg

結(jié)合式(6)～(8)，種子絕對(duì)加速度aa會(huì)隨著種子初始速度v0的增大而減小，種子所受到的合力Fa也會(huì)減小，在摩擦力Ff與重力G不變的情況下，吸附力P也會(huì)減小，也就使得吸附種子所需的負(fù)壓減小。因此適當(dāng)提高種子的初始速度v0有利于種子吸附，可降低漏播的可能性。

鑒于以上分析，設(shè)計(jì)了一種齒形攪種盤，緊貼排種盤安裝，并與排種盤同步旋轉(zhuǎn)，沿排種盤旋轉(zhuǎn)方向，每個(gè)齒位于吸種孔的前方，保證吸孔在到達(dá)種腔進(jìn)行充種時(shí)，種群已經(jīng)被攪動(dòng)起來(lái)，使種子獲得初始速度，同時(shí)種群離散化也可以減小種群內(nèi)的摩擦力

Ff，提高充種性能[9-11]。

為驗(yàn)證齒形攪種盤的種群擾動(dòng)效果，本文借助離散元仿真軟件 EDEM進(jìn)行種群擾動(dòng)效果的仿真分析。

2.3.2玉米籽粒建模及運(yùn)動(dòng)仿真

根據(jù)表1選取長(zhǎng)、寬、高為均值的扁平粒為研究對(duì)象，利用SolidWorks建立玉米籽粒的三維模型，導(dǎo)入EDEM軟件中，通過(guò)多球面組合的填充方式，完成一個(gè)與種子模型外輪廓較為吻合的表面組作為一個(gè)顆粒，模擬顆粒如圖5所示。

圖5 玉米籽粒仿真模型Fig.5 Simulation model of corn seed

為了提高仿真速度，將排種器簡(jiǎn)化為前殼體、攪種盤、排種盤3部分，導(dǎo)入EDEM軟件，相關(guān)參數(shù)設(shè)置參考文獻(xiàn)[12]，如表2所示。根據(jù)小區(qū)播種機(jī)的作業(yè)速度不超過(guò)3.6 km/h，排種盤與攪種盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為22 r/min。

表2 玉米種子與攪種盤物性參數(shù)Tab.2 Physical parameters of corn seed and seed churning plate

仿真采用Hertz-Mindlin接觸模型，根據(jù)小區(qū)播種的特點(diǎn)，將仿真顆粒數(shù)量設(shè)為100粒，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為1×10-6s，總時(shí)間設(shè)置為8 s，對(duì)有攪種盤和無(wú)攪種盤兩種情況進(jìn)行仿真，仿真過(guò)程如圖6所示。

圖6 種群攪動(dòng)仿真模型Fig.6 Simulation models of churning corn seeds

充種區(qū)內(nèi)的種子群形成的圓心角為充填角γ，在充種量一致時(shí)，充填角越大，則充種弧段越長(zhǎng)，說(shuō)明種群此時(shí)的厚度越小，種子流動(dòng)性相對(duì)越好[13]，由圖6可看出，有攪種盤的充填角明顯大于無(wú)攪種盤時(shí)，為了更準(zhǔn)確描述攪種盤對(duì)種群的擾動(dòng)性，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3.3仿真結(jié)果分析

攪種盤對(duì)種群的擾動(dòng)會(huì)增大顆粒的離散程度，使得種子與種子、種子與種盤間不斷碰撞，產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，因此種群顆粒與種盤的平均距離可以反映種群的擾動(dòng)強(qiáng)度[14]。提取2～8 s的時(shí)間步長(zhǎng)下對(duì)種群顆粒與種盤的平均距離進(jìn)行考察，如圖7所示。

由圖7可知，在無(wú)攪種盤的情況下，種群與排種器的平均距離幾乎沒(méi)有變化，有攪種盤的情況下，種群與種盤的平均距離波動(dòng)較為明顯，說(shuō)明攪種盤對(duì)種群的離散具有持續(xù)和劇烈的作用，能對(duì)種群起到持續(xù)有效的擾動(dòng)，有助于種子吸附于種盤上。

為進(jìn)一步證明攪種盤擾動(dòng)種群有助于種子吸附，對(duì)雙粒排種盤的運(yùn)種過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬，如圖8所示，在有攪種盤的情況下，排種盤型孔吸附種子的情況明顯好于無(wú)攪種盤的情況。

圖7 種子與排種盤平均距離隨時(shí)間步長(zhǎng)的變化曲線Fig.7 Changing curves of average distance between seed and seed metering plate with time

圖8 排種過(guò)程仿真模型Fig.8 Simulation models of seeding process

3 試驗(yàn)因素選擇與分析

影響氣吸式排種器工作性能的因素除了吸孔數(shù)量、刮種板位置、吸孔直徑外，還包括排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度，結(jié)合小區(qū)播種作業(yè)的特點(diǎn)選擇排種盤轉(zhuǎn)速和氣吸室真空度，在JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，以確定排種器的最佳工作參數(shù)組合。

3.1 排種盤轉(zhuǎn)速

種子在脫離吸孔后的運(yùn)動(dòng)如圖9所示，根據(jù)文獻(xiàn)[15]，排種盤轉(zhuǎn)速與機(jī)器前進(jìn)速度、吸種盤直徑具有相關(guān)性。不同于大田播種機(jī)，相對(duì)于播種效率，小區(qū)播種機(jī)更注重播種質(zhì)量，因此為保證吸種和清種質(zhì)量，機(jī)器前進(jìn)速度通常不超過(guò)3.6 km/h，即v≤1 m/s，清種時(shí)間與小區(qū)間隔道長(zhǎng)度有關(guān)，即

圖9 種子運(yùn)動(dòng)與受力分析Fig.9 Seeds motion and force analysis

(9)

式中tc——清種時(shí)間

s——小區(qū)間隔道長(zhǎng)度

v——機(jī)器前進(jìn)速度

育種試驗(yàn)中小區(qū)間隔道長(zhǎng)度通常設(shè)置為0.8～1 m，取v=1 m/s時(shí)，清種時(shí)間tc為0.8～1 s，若v>1 m/s，小區(qū)間隔道為0.8 m，清種時(shí)間tc則不足0.8 s，無(wú)法保證清種率達(dá)到100%。

按照機(jī)器前進(jìn)速度1 m/s安排排種器試驗(yàn)，播種密度與排種器轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

(10)

式中D——株距，cm

ρ——播種密度，株/hm2

L——行距，cm

n——排種器轉(zhuǎn)速，r/min

a——吸孔數(shù)量，個(gè)

行距L取60 cm、吸孔數(shù)量a取10時(shí)，得到播種密度與排種盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表3所示。

表3 播種密度與排種盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系Tab.3 Relationship between sowing density and speed of metering plate

3.2 真空度

3.2.1清種真空度

為了保證100%的清種率，因此先確定可滿足播種作業(yè)要求的清種真空度。一般種子剩余量會(huì)小于10粒，因此先在排種器試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行清種試驗(yàn)，種子粒數(shù)10粒，清種時(shí)間設(shè)定為1 s，最后確定清種真空度pc≥3 kPa。

清種的過(guò)程可以看作是類似于風(fēng)力輸送的氣固兩相流問(wèn)題，由于剩余種子數(shù)量很少，即顆粒相在流場(chǎng)中所占比例較小，顆粒間的相互作用對(duì)流場(chǎng)影響較小，流場(chǎng)對(duì)顆粒的作用主要為曳力，因此本文利用Fluent軟件的離散相模型對(duì)清種階段進(jìn)行仿真分析。

首先在SolidWorks中繪制清種腔流場(chǎng)模型并導(dǎo)入GAMBIT軟件中劃分網(wǎng)格，定義邊界類型，壓力入口為種腔最左側(cè)上邊界面，壓力出口為清種腔右側(cè)圓管上邊界，檢查網(wǎng)格質(zhì)量，等角失真低于0.5的網(wǎng)格數(shù)為99.32%(圖10)，表明網(wǎng)格劃分質(zhì)量很好。

圖10 清種腔流體區(qū)域網(wǎng)格劃分Fig.10 CFD mesh region

將網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent中，參考Fluent軟件幫助及文獻(xiàn)[16-19]，選取標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，選擇默認(rèn)的湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ε，壓力入口邊界中設(shè)置相對(duì)壓力為零，壓力出口邊界中設(shè)置相對(duì)壓力為所需真空度，即3 kPa；同時(shí)啟動(dòng)Discrete Phase Model，添加injections，類型選擇single，輸入初始坐標(biāo)值創(chuàng)建10個(gè)顆粒，由于玉米為非圓面顆粒，因此選用nonspherical的物理模型，玉米顆粒的球形度φ可表達(dá)為

(11)

式中φ——球形度

ds——等表面積直徑，m

dv——等體積直徑，m

利用2.3.2節(jié)中的玉米籽粒三維模型，根據(jù)式(11)計(jì)算出φ=0.878，對(duì)清種過(guò)程進(jìn)行仿真模擬(圖11a)。

圖11 清種過(guò)程仿真模擬Fig.11 Simulation of clearing seed

按播種機(jī)行走速度1 m/s，區(qū)間道長(zhǎng)度1 m來(lái)計(jì)算，為保證不發(fā)生混種，即需要在1 s內(nèi)將剩余種子清出。最終得出仿真結(jié)果(圖11b)，在出口壓力3 kPa的初始條件下，考察10粒種子從出口逃逸的時(shí)間，最長(zhǎng)為0.654 s， 小于1 s，即1 s內(nèi)就可將剩余種子從種腔中全部清出，也就是在兩試驗(yàn)小區(qū)間隔道內(nèi)就可清凈余種，保證不發(fā)生混種。

3.2.2吸種真空度

吸室所需真空度[20]最大值為

(12)

其中

λ=(6～10)tanα

(13)

式中d——排種盤吸孔直徑，m

C——種子重心與吸種盤之間的距離，m

vp——排種盤吸孔中心處的線速度，m/s

r——排種盤吸孔分布圓半徑，m

g——重力加速度，m/s2

λ——種子的摩擦阻力綜合系數(shù)

α——種子的自然休止角，rad

K1——吸種可靠性系數(shù)

K2——外界條件系數(shù)

考慮種子架空或相互碰撞而影響吸種效果，K1取1.8～2(一般種子千粒質(zhì)量小，形狀近似球形，K1選擇較小值)，考慮外界振動(dòng)或沖擊對(duì)種子吸附的影響，K2取1.6～2(種子千粒質(zhì)量大時(shí)，K2選大值)。

從式(12)可以看出，Hcmax與種子物理特性(質(zhì)量、形狀及自然休止角)、吸孔直徑、排種盤轉(zhuǎn)速、吸孔旋轉(zhuǎn)半徑密切相關(guān)。由于清種時(shí)候清種閘門打開(kāi)，使得風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量會(huì)一分為二，吸種負(fù)壓腔的負(fù)壓會(huì)瞬間減小約50%(已經(jīng)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證)，為了使得已經(jīng)吸在種盤上的種子不掉落，必須使減小后的負(fù)壓值亦能滿足吸種的需要。綜上所述，結(jié)合式(12)、排種器設(shè)計(jì)參數(shù)及其他試驗(yàn)因素，先確定真空度范圍6～8 kPa，在試驗(yàn)中進(jìn)一步分析對(duì)排種性能的影響。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

根據(jù)表1，品比試驗(yàn)種子的規(guī)格差異最能代表育種試驗(yàn)中的種子規(guī)格范圍，因此選用由安徽隆平高科種業(yè)公司提供的去年品比試驗(yàn)剩余種子進(jìn)行試驗(yàn)，將種子分4級(jí)，1為大圓粒種子；2為小圓粒種子；3為大扁平粒種子；4為小扁平粒種子(圖12)。

圖12 分級(jí)后種子外觀圖Fig.12 Effect diagrmas of seed grading

本試驗(yàn)在JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行(圖13)，該試驗(yàn)臺(tái)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)排種性能，提供精確的種子粒距(測(cè)量平均誤差±2 mm)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)和合格指數(shù)等檢測(cè)指標(biāo)，該試驗(yàn)臺(tái)可自由調(diào)節(jié)排種器轉(zhuǎn)速、風(fēng)機(jī)真空度以及傳送帶行進(jìn)速度。將風(fēng)機(jī)的風(fēng)管接到自制的二分管上，一頭接負(fù)壓腔的入口，另一頭接余種收集筒出口，余種收集筒入口與清種腔入口用風(fēng)管相連，清種與排種階段的切換靠人工操作電磁閥來(lái)控制，即電磁閥通電時(shí)，清種氣缸動(dòng)作，帶動(dòng)清種閘門打開(kāi)。首先經(jīng)過(guò)試驗(yàn)臺(tái)架的重復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)清種閘門打開(kāi)時(shí)，吸種負(fù)壓腔的壓力會(huì)減少約一半，為后面試驗(yàn)參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。

圖13 排種器試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Seed meter testing site

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

每個(gè)小區(qū)的播種作業(yè)可以分成兩個(gè)階段，正常的排種階段和清種階段。對(duì)每個(gè)階段的排種器工作性能分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》的統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行處理。

4.2.1清種階段

在清種階段，清種閘門打開(kāi)，風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓將剩余種子清出種腔，此時(shí)風(fēng)機(jī)提供的總風(fēng)量將一分為二，一半用來(lái)清種，一半用來(lái)維持已吸附在種盤上的種子不掉落，因而此時(shí)已經(jīng)吸附在種盤上的種子所受的負(fù)壓約為正常排種階段的50%，而且運(yùn)種過(guò)程中已無(wú)刮種板作用，因此可將此階段簡(jiǎn)化為負(fù)壓減半且無(wú)刮種的排種階段進(jìn)行試驗(yàn)。

選取真空度為因素，分別對(duì)4種規(guī)格的種子進(jìn)行單因素試驗(yàn)(3次重復(fù)取平均值)，排種器轉(zhuǎn)速選擇表3中的最大值即48 r/min，單孔盤，選取吸孔直徑4.5 mm，吸孔數(shù)10，考察漏播率、重播率和粒距合格指數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 排種器性能指數(shù)Tab.4 Qualified index of air-suction seeder %

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，用F檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，得到真空度因素對(duì)漏播率、重播率和合格指數(shù)的影響。

結(jié)果表明，真空度在3～4 kPa的范圍內(nèi)，對(duì)小扁平粒和小圓粒而言，真空度對(duì)重播率影響顯著，對(duì)漏播率影響不顯著，而且小扁平粒與小圓粒相比，真空度對(duì)小圓粒的重播率影響更顯著，對(duì)大扁平粒和大圓粒而言，真空度對(duì)漏播率影響極顯著，對(duì)重播率影響不顯著，真空度對(duì)這幾種粒型種子的合格指數(shù)影響都顯著。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析原因發(fā)現(xiàn)，在此范圍內(nèi)，隨壓力變化，真空度越小，大粒種子更易漏播，而隨著真空度增大，小粒種子更易重播。在保證100%清種的前提下，清種階段的吸種腔真空度在3～4 kPa之間時(shí)，已吸附在吸孔上的種子仍能正常播種，且各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]要求，因此在實(shí)際作業(yè)時(shí)，盡量保證風(fēng)機(jī)提供的真空度大于6 kPa。

4.2.2排種階段

由于小區(qū)播種機(jī)的作業(yè)速度較慢，排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)播種效果的影響優(yōu)先級(jí)不高，因此根據(jù)表3選取最大的排種器轉(zhuǎn)速作為試驗(yàn)參數(shù)；在育種試驗(yàn)中，對(duì)漏播率的要求要優(yōu)先于重播率和合格率，因此根據(jù)表4，選取漏播率較高的大扁平粒種子作為考察對(duì)象，進(jìn)一步測(cè)試排種器在正常排種階段的性能。

為滿足清種階段的清種效果，結(jié)合4.2.1節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果，吸種負(fù)壓腔的真空度選擇范圍為6～8 kPa，選取6、7、8 kPa作為因素水平；同時(shí)根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果可知，此時(shí)吸室真空度較清種階段增大一倍，因此刮種板位置在正常排種階段對(duì)排種器的各項(xiàng)性能指數(shù)影響較大，將刮種板位置按照刮種板凸齒距離吸孔分布圓的2～4 mm范圍內(nèi)劃分為3個(gè)等級(jí)，即2、3、4 mm作為因素水平。試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 排種器性能指數(shù)Tab.5 Qualified index of air-suction seeder %

試驗(yàn)結(jié)果表明，在真空度6～8 kPa、刮種板工作面距離吸孔中心2～4 mm范圍內(nèi)時(shí)，排種器漏播率小于1%，重播率小于4%，合格指數(shù)大于95%，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[21]要求。在真空度逐漸增大時(shí)，刮種板工作面距離吸孔中心越近，重播率越低，但漏播率略有升高，反之趨勢(shì)相同；同一真空度條件下，刮種板位置對(duì)漏播率的影響較小，對(duì)重播率的影響較大，符合育種試驗(yàn)的特點(diǎn)：即漏播率越小越好，重播率只要不超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)則可接受，該試驗(yàn)結(jié)果為實(shí)際播種作業(yè)中調(diào)試機(jī)具提供了參考。

5 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證排種器在實(shí)際播種作業(yè)中的效果，將一臺(tái)進(jìn)口小區(qū)條播機(jī)進(jìn)行改裝，使用本文設(shè)計(jì)的排種器進(jìn)行播種作業(yè)(圖14)，試驗(yàn)用種子由安徽隆平高科種業(yè)有限公司提供，用于該公司2018年玉米品比試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)及播種方式由該公司制定，試驗(yàn)地點(diǎn)分別為遼寧省鐵嶺市和河南省濟(jì)源市。

圖14 排種器田間試驗(yàn)Fig.14 Field trial

配套拖拉機(jī)是約翰迪爾484型和約翰迪爾554型，行走速度分別為2.7、3 km/h，PTO轉(zhuǎn)速均采用540 r/min，在鐵嶺市采用單粒精播(82 500株/hm2)，在濟(jì)源市采用雙粒精播(67 500株/hm2)。

壓力表測(cè)量吸種腔真空度，在正常排種階段，真空度為8 kPa，在清種階段，真空度下降到約4 kPa，與臺(tái)架試驗(yàn)情況吻合。

出苗情況如圖15所示，2018年春季鐵嶺地區(qū)旱情嚴(yán)重，雖然對(duì)出苗率略有影響，但隆平公司對(duì)兩塊試驗(yàn)地的出苗情況考察之后表示，各個(gè)小區(qū)缺苗率均小于15%，苗期未發(fā)生缺苗數(shù)量超過(guò)試驗(yàn)要求而造成的試驗(yàn)報(bào)廢情況，說(shuō)明排種器的漏播率滿足設(shè)計(jì)要求。但在試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，由于各小區(qū)種子大小差異較大，而播種過(guò)程中的真空度以及刮種板位置無(wú)法調(diào)整，有些小區(qū)重播率高。

圖15 出苗效果Fig.15 Emergence effect

6 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了用于玉米育種試驗(yàn)的種腔自凈型氣吸式精量排種器，該排種器具有充種腔與清種腔分離的結(jié)構(gòu)形式，保證排種與清種過(guò)程相互獨(dú)立，自凈率達(dá)到100%。

(2)結(jié)合動(dòng)力學(xué)分析及仿真模擬手段，驗(yàn)證了攪種盤的種群擾動(dòng)作用，驗(yàn)證了在種腔內(nèi)種子數(shù)量較少的情況下，攪種盤具有提高吸孔對(duì)種子吸附能力的作用；對(duì)清種過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，證實(shí)在播種機(jī)作業(yè)速度小于3.6 km/h、剩余種子量小于10粒、清種真空度大于3 kPa的情況下，在兩試驗(yàn)小區(qū)間隔道內(nèi)即可將余種清凈，不發(fā)生混種。

(3)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明，在清種階段，當(dāng)負(fù)壓腔真空度大于3 kPa時(shí)，已吸附在種盤上的種子仍能正常完成播種，且無(wú)論種子形狀大小，排種器性能指標(biāo)均達(dá)標(biāo)；在播種機(jī)作業(yè)速度小于3.6 km/h、真空度6～8 kPa、刮種板工作面距離吸孔中心2～4 mm的條件下，排種器的漏播率小于1%，重播率小于4%，合格指數(shù)大于95%，表明排種器各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，能實(shí)現(xiàn)有效排種，刮種板位置的調(diào)整對(duì)排種器性能影響最顯著。

(4)田間試驗(yàn)表明，在播種機(jī)作業(yè)速度不超過(guò)3.6 km/h的條件下，本文設(shè)計(jì)的種腔自凈型氣吸式精量排種器滿足育種試驗(yàn)的播種要求。