張 歡，羅 昕，姜有忠，李海潮，王科杰

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

0 引言

穴盤育苗精量排種器是穴盤育苗精量播種機(jī)的核心部件[1-5]。精量播種是現(xiàn)代播種行業(yè)的主流播種方式，具有播種時間短、效率高及增加產(chǎn)量等優(yōu)勢。目前，在育苗階段，精量播種的方式很多，但主要是手工作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，效率低，迫切需要高效、精準(zhǔn)、實(shí)用的育苗播種機(jī)械。氣吸滾筒式排種器是實(shí)施育苗精量播種的關(guān)鍵設(shè)備，現(xiàn)有的氣吸滾筒式排種器由于正壓腔裝配復(fù)雜、密封困難，只有負(fù)壓吸種滾筒，而無正壓投種氣室，無法實(shí)現(xiàn)正壓投種清堵，造成排種漏播率高，直接制約了其應(yīng)用與推廣。因此，研究設(shè)計由負(fù)壓吸種滾筒腔和正壓投種腔所構(gòu)成的雙腔排種滾筒結(jié)構(gòu)方案、排種理論及加工裝配工藝，試驗(yàn)獲取影響排種性能的較優(yōu)工作參數(shù)對研發(fā)氣吸滾筒式精量排種器具有一定參考價值。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

雙腔排種滾筒主要由正壓空心軸、正壓氣道、負(fù)壓空心軸、負(fù)壓氣道、負(fù)壓取種腔和正壓投種腔組成，如圖1所示。正壓投種腔將滾筒內(nèi)部空間分成負(fù)壓取種區(qū)和正壓投種區(qū)兩部分。其中，負(fù)壓取種腔是將傳統(tǒng)的正壓軸承套、負(fù)壓軸承套和鏈輪合為一體，在其徑向回轉(zhuǎn)面上打有均勻的小吸孔；正壓投種腔通過塑料軟管與正壓氣道相通，與滾筒內(nèi)壁回轉(zhuǎn)面之間通過密封條進(jìn)行密封，并刷掉多余的種子，起到清種的作用。

1.正壓空心軸 〗2.O型密封圈 3.卡環(huán) 4.軸承套 5.負(fù)壓取種腔 6.鏈輪固定盤 7.鏈輪 8.螺母 9.負(fù)壓空心軸 10.掛件 11.正壓投種腔 12.密封條 13.塑料軟管 14.快速接頭

負(fù)壓吸種滾筒腔采用剖分式結(jié)構(gòu)，有利于正壓投種腔的安裝，便于整個排種滾筒的裝配。正負(fù)壓空心軸上各設(shè)有兩道密封槽，用來安裝O型密封圈，既可以保證密封性，又可以保證軸向的定位支撐。在兩密封槽之間可以開一個儲油槽涂抹黃油，可以起到潤滑作用。

1.2 工作原理

雙腔排種滾筒排種過程分為3個階段：第1階段吸附取種，即沸騰的種子在滾筒負(fù)壓吸附力作用下與滾筒接觸帶離種群的過程；第2階段吸附攜種，即種子被吸附在負(fù)壓取種滾筒的吸孔上，并隨滾筒一起轉(zhuǎn)動至投種區(qū)；第3階段投種清堵，即種子在正壓力、重力、離心力作用下離開滾筒表面投入穴盤的過程。其工作原理圖如圖2所示。

圖2 雙腔排種滾筒工作原理圖

2 試驗(yàn)材料與設(shè)備

2.1 試驗(yàn)材料

選用新疆種植很廣泛的里格爾87-5番茄種子，純度為97%，凈度95%，發(fā)芽率>87%，水分<4%。

2.2 試驗(yàn)儀器

本試驗(yàn)將在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自制搭建的臺架試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)選用的主要設(shè)備包括：控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的上海日虹有限公司生產(chǎn)的CHRH -D系調(diào)頻器，型號為CHRH-440DEE，測算精度 0.01HZ；廣州巨勁機(jī)電制造有限公司生產(chǎn)的吸吹兩用型旋風(fēng)泵，型號為GLB1500S，氣泵最大壓力 28kPa，最大真空度21kPa，流量 180m3/ h；由高速 CCD攝像機(jī)(柯達(dá) 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)，光纜，光源( 2 × 1kW的鎢燈) 和計算機(jī)等組成的高速攝影裝置。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備制作

試驗(yàn)設(shè)備制作是在項(xiàng)目組前期研制的氣吹懸浮供種的氣吸滾筒式育苗播種機(jī)[6-7]的基礎(chǔ)上，用新研發(fā)的雙腔排種滾筒替換原有的單腔排種滾筒，結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。氣吹供種的氣吸滾筒式雙腔排種器試驗(yàn)臺主要由雙腔排種滾筒、驅(qū)動電機(jī)、渦旋氣泵、變頻器、氣吹供種種箱、正壓供氣管、負(fù)壓供氣管、傳動鏈輪、負(fù)壓氣路調(diào)壓閥及正壓氣路調(diào)壓閥等組成。

1.輸送裝置 2.氣吹供種種箱 3.傳動鏈輪 4.端蓋 5.雙腔排種滾筒 6.機(jī)架 7、15.傳動鏈條 8.穴盤 9.驅(qū)動電機(jī) 10.負(fù)壓吸氣管 11.負(fù)壓氣路調(diào)壓閥 12.正壓氣路調(diào)壓閥 13.吹吸兩用渦旋氣泵 14.輸送電機(jī) 16.正壓進(jìn)氣管

排種器工作時，通過調(diào)節(jié)電機(jī)的變頻器帶動滾筒按規(guī)定方向轉(zhuǎn)動；旋渦氣泵的正壓供氣管與滾筒正壓空心軸氣道和種箱氣室連接，負(fù)壓供氣管與滾筒負(fù)壓空心軸氣道連接；正壓供氣管往正壓投種腔和種箱氣室中通入正壓氣體，種箱內(nèi)供種板上有比種子小的小通孔，此時，供種板子上的種子在正壓氣體的吹動作用下“沸騰”，種子運(yùn)動到種箱出料口；負(fù)壓吸種滾筒表面上開有錐形通孔，負(fù)壓供氣管通過負(fù)壓空心軸氣道往滾筒腔體通入負(fù)壓氣體；當(dāng)負(fù)壓吸種滾筒轉(zhuǎn)動到種箱出料口時，錐形通孔內(nèi)外壓差的作用使得通孔附近的種子被吸附在錐形通孔中，種子便隨著負(fù)壓吸種滾筒一起轉(zhuǎn)動；當(dāng)種子運(yùn)動到滾筒刷附近時，吸種孔處多余種子會受阻，被迫返回種箱；當(dāng)種子隨著負(fù)壓吸種滾筒轉(zhuǎn)到正壓投種腔室下方時，種子失去了內(nèi)外壓差產(chǎn)生的吸附力，種子在正壓氣流、自身重力和離心力的作用下脫落實(shí)現(xiàn)整個排種過程。

2.4 試驗(yàn)設(shè)計

2.4.1 試驗(yàn)指標(biāo)

參考國家農(nóng)業(yè)部關(guān)于精密播種的具體要求[8]，本次試驗(yàn)指標(biāo)為單粒率、重播率和漏播率。根據(jù)GB/T6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[9]及排種器排種性能試驗(yàn)?zāi)康?，確定試驗(yàn)指標(biāo)為單粒率y1、重播率y2和漏播率y3[10]。各試驗(yàn)指標(biāo)計算式為

(1)

(2)

(3)

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)。

2.4.2 試驗(yàn)因素及方案設(shè)計

試驗(yàn)采用的穴盤為128穴(8×16)的標(biāo)準(zhǔn)穴盤，滾筒橫向打孔8列。以投種腔氣室正壓(以下簡稱氣室正壓)、吸附取種滾筒負(fù)壓(以下簡稱滾筒負(fù)壓)和滾筒轉(zhuǎn)速為試驗(yàn)影響因子?？疾炱涑Ｓ脡毫Ψ秶鶾11]，氣室正壓取1.2、2.4、3.6kPa等3個水平，滾筒負(fù)壓取2、3、4kPa等3個水平。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明：滾筒轉(zhuǎn)速不宜超過20r/min(線速度為0.18 m/s)。所以，滾筒轉(zhuǎn)速取12、16、20r/min等3種水平。根據(jù)Box-Behnken組合設(shè)計原理，以單粒率y1、重播率y2和漏播率y3作為試驗(yàn)指標(biāo)，利用Design-Expert軟件設(shè)計三因素三水平正交組合試驗(yàn)。因素水平編碼表如表1所示，試驗(yàn)方案如表2所示。

表1 因素水平編碼表

2.4.3 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

試驗(yàn)在石河子大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。首先，調(diào)試試驗(yàn)臺及各儀器設(shè)備；然后，記錄數(shù)據(jù)前讓各設(shè)備正常運(yùn)行2min；確定無誤后，再按試驗(yàn)設(shè)計進(jìn)行試驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。圖4為試驗(yàn)樣機(jī)圖。

圖4 試驗(yàn)樣機(jī)

本試驗(yàn)利用高速攝像對滾筒排種結(jié)果進(jìn)行分析。工作時，雙腔排種滾筒繞正負(fù)壓空心支撐軸順時針轉(zhuǎn)動過程中，先經(jīng)過左側(cè)種子箱下方滾筒刷清理滾筒壁上的雜物，再經(jīng)過氣吹式種子箱。此時，雙腔排種滾筒在負(fù)壓差的作用下經(jīng)過供種板時吸附取種，1圈之后又經(jīng)過滾筒刷時清理種子，種子在自重和正壓力的作用下掉落在輸送帶上，輸送帶的一側(cè)放置接種盒收集種子。按試驗(yàn)方案，依次用攝影記錄4min內(nèi)滾筒排種情況的圖像數(shù)據(jù)作為1組試驗(yàn)。從其中隨機(jī)統(tǒng)計5組排種器的排種過程圖像，每組100穴，分別統(tǒng)計計算單粒率y1、重播率y2和漏播率y3，取平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案與數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 單粒率回歸模型的建立與顯著性檢驗(yàn)

單粒率的方差分析結(jié)果如表3所示。對表3的結(jié)果進(jìn)行回歸擬合處理，得到單粒率與各試驗(yàn)因子的回歸方程為

Y1=92.5-0.2X1-0.45X2-0.475X3+

(4)

其中，Y1為單粒率(%)；X1為正壓值；X2為負(fù)壓值；X3為轉(zhuǎn)速。

表3 單粒率方差分析

由表3方差分析結(jié)果可知：回歸模型F=4.89，P=0.024 0<0.05，回歸方程的檢驗(yàn)表現(xiàn)為極為顯著；同時，模型的決定性系數(shù)R2=0.862 9，且模型誤差值較小。該模型可以解釋響應(yīng)值86.29%的變化情況，能用此模型對重播率進(jìn)行分析和預(yù)測。X1、X2、X3及X1X2、X2X3的P值均大于0.1，其他各項(xiàng)檢驗(yàn)顯著或者極為顯著，說明相關(guān)響應(yīng)值存在二次關(guān)系。

各因子對單粒率的顯著性影響順序?yàn)椋簼L筒轉(zhuǎn)速X3>滾筒負(fù)壓X2>氣室正壓，X1X1X3的P值為0.018 9，表現(xiàn)為交互作用明顯。

3.1.2 重播率回歸模型建立與顯著性檢驗(yàn)

重播率的方差分析結(jié)果如表4所示。對表4的結(jié)果進(jìn)行回歸擬合處理，得到重播率與各試驗(yàn)因子的回歸方程為

(5)

其中，Y2為重播率(%)。

表4 重播率方差分析

由表4可知：回歸模型F=14.95，P=0.000 9?0.05，回歸方程的檢驗(yàn)表現(xiàn)為顯著；同時，模型的決定性系數(shù)R2=0.950 5，且模型誤差值較小。該模型可以解釋響應(yīng)值95.05%的變化情況，可以用此模型對重播率進(jìn)行分析和預(yù)測。

各因子對重播率的顯著性影響順序?yàn)椋簼L筒負(fù)壓X2>滾筒轉(zhuǎn)速X3>氣室正壓X1，X1X2的P值為0.002 8，表現(xiàn)為交互作用明顯。

3.1.3 漏播率的方差分析

漏播率的方差分析結(jié)果如表5所示。對表5的結(jié)果進(jìn)行回歸擬合處理，得到漏播率與各試驗(yàn)因子的回歸方程為

Y3=1.58-0.2875X1+1.175X2-0.0375X3-

0.9X1X2+2.275X1X3+0.05X2X3+

2.45X12+0.923X22+2.598X32

(6)

其中，Y3為漏播率(%)。

表5 漏播率方差分析

由表5可知：回歸模型F=4.61，P=0.028 1<0.05，回歸方程的檢驗(yàn)表現(xiàn)為顯著；同時，模型的決定性系數(shù)R2=0.855 7，且模型誤差值較小。該模型可以解釋響應(yīng)值85.57%的變化情況，可以用此模型對漏播率進(jìn)行分析和預(yù)測。

各因子對漏播率的顯著性影響順序?yàn)椋簼L筒負(fù)壓X2>氣室正壓X1>滾筒轉(zhuǎn)速X3，X1X3的P值為0.021 3，表現(xiàn)為交互作用明顯。

3.2 響應(yīng)曲面分析

應(yīng)用響應(yīng)曲面法分析各試驗(yàn)因子對單粒率、重播率、漏播率的影響，得出單粒率、重播率、漏播率的響應(yīng)曲面圖。

3.2.1 單位率

圖5為負(fù)壓3kPa時單粒率關(guān)于氣室正壓和滾筒轉(zhuǎn)速的曲面響應(yīng)圖。由式(4)、表3和圖5可知：對單粒率的影響有交互作用的因素是氣室正壓和滾筒轉(zhuǎn)速。因此，滾筒負(fù)壓固定為3kPa時，得到單粒率關(guān)于正壓和轉(zhuǎn)速的回歸方程為

Y1=92.5-0.2X1-0.475X3-2.525X1X3-

2.463X12-2.963X32

(7)

圖5 單粒率關(guān)于正壓和轉(zhuǎn)速的曲面響應(yīng)圖

由圖5和式(7)可知：

1)單粒率隨著轉(zhuǎn)速增加先稍微增大后急劇減小。主要原因是：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，滾筒吸孔線速度相應(yīng)地增大，增大到16r/min時單粒率達(dá)到最大值；隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，滾筒吸孔線速度繼續(xù)增大，已被吸孔吸附的種子與其他種子間的碰撞增強(qiáng)，使已被吸附的種子受撞擊脫離吸孔的可能性增強(qiáng)；隨著轉(zhuǎn)速的增加，吸孔的相對運(yùn)動速度增大，種子滯后于吸孔運(yùn)動受不到吸力而易脫落；另外，種子所受的離心慣性力增大，由真空度所產(chǎn)生的吸附力不足，造成種子脫離吸種孔，導(dǎo)致漏播[8]。

2)單粒率隨著正壓增大先增大后減小，且增大速率大于減小速率，大概在2.2kPa時達(dá)到峰值。主要原因是：隨著正壓的增大，一方面吸孔清堵徹底，吸附取種可靠，有利于單粒率的增大；另一方面種箱氣室對種子的吹力增大，使得種子“沸騰”，種子之間的摩擦力和阻力減小，更容易被吸附在滾筒表面的吸孔上，但是隨著正壓的進(jìn)一步增大，使得每個吸孔吸附不止1個種子，導(dǎo)致重播。

3.2.2 重播率

圖6為滾筒轉(zhuǎn)速固定為16r/min時重播率關(guān)于負(fù)壓和正壓的曲面響應(yīng)圖。由式(5)、表4和圖6可知：對重播率的影響有交互作用的因素是負(fù)壓和正壓。因此，滾筒轉(zhuǎn)速固定為16r/min時，得到重播率關(guān)于負(fù)壓和正壓的回歸方程為

Y2=5.92+0.475X1-0.7375X2+0.85X1X2-

(8)

圖6 重播率關(guān)于負(fù)壓和正壓的曲面響應(yīng)圖

由圖6和式(8)可知：

1)重播率隨著滾筒負(fù)壓增大而增大，且增大速率逐漸減小。主要原因是：隨著負(fù)壓的增大，吸孔對種子的吸附力增大，1個吸孔容易吸附多粒種子，導(dǎo)致重播率增大。

2)重播率隨著氣室正壓增大而增大，且增大速率變化不明顯。主要原因是：隨著氣室正壓的增大，吸孔暢通無堵，種子吸附可靠，但氣室正壓對種子的吹力增大，使得種子“沸騰”，種子之間的摩擦力和阻力減小，更容易分散開，被吸附在滾筒表面的吸孔上，但是隨著正壓的進(jìn)一步增大，使得每個吸孔吸附不止1個種子，導(dǎo)致重播。

3.2.3 漏播率

圖7為負(fù)壓為3kPa時，漏播率關(guān)于氣室正壓和滾筒轉(zhuǎn)速的曲面響應(yīng)圖。由式(6)、表5和圖7可知：對漏播率的影響有交互作用的因素是氣室正壓和滾筒轉(zhuǎn)速。因此，滾筒負(fù)壓固定為3kPa時，得到漏播率關(guān)于氣室正壓和滾筒轉(zhuǎn)速的回歸方程為

Y3=1.58-0.2875X1-0.0375X3+2.275X1X3+

2.45X12+2.598X32

(9)

由圖7和式(9)可知：

1)漏播率隨著氣室正壓增大先增大后減小，且增大速率小于減小速率。主要原因是：隨著氣室正壓的增大，吸孔暢通無堵，種子吸附可靠，且種箱氣室對種子的吹力增大，使得種子“沸騰”活躍，使得每個種子吸附時阻力減少，種子單粒率和重復(fù)率增大，漏播率減小。

2)漏播率隨著轉(zhuǎn)速先增加后減小，增加速度遠(yuǎn)大于減小速度。主要原因是：隨著滾筒轉(zhuǎn)速的提高，滾筒吸孔線速度相應(yīng)地增大；隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，滾筒吸孔線速度繼續(xù)增大，已被吸孔吸附的種子與其他種子間的碰撞增強(qiáng)，種子不易被吸附，漏播率增加；同時，吸孔的相對運(yùn)動速度增大，種子所受的離心慣性力增大，由真空度所產(chǎn)生的吸附力不足，造成種子脫離吸種孔，導(dǎo)致漏播減小[8]。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化

當(dāng)氣室正壓為1.2～3.6kPa、滾筒負(fù)壓為2～4kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為12～20r/min時，以單粒率Y1取最大值、重播率Y2及漏播率Y3取最小值為優(yōu)化目標(biāo)，利用Design Expert 軟件優(yōu)化，確定出優(yōu)化區(qū)間。當(dāng)氣室正壓為2.2kPa、滾筒負(fù)壓為2.4kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為16r/min時，試驗(yàn)指標(biāo)的最優(yōu)值分別為單粒率93.2%，重播率4.3%，漏播率2.5%。

圖7 漏播率關(guān)于正壓和轉(zhuǎn)速的曲面響應(yīng)圖

3.4 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證優(yōu)化參數(shù)的準(zhǔn)確性，選擇氣室正壓為2.2kPa、滾筒負(fù)壓為2.4kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為16r/min進(jìn)行10組驗(yàn)證試驗(yàn)。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果為：單粒率92.6%，重播率4.0%，漏播率3.4%，且與預(yù)測值之間的誤差分別為0.6%，0.3%，0.9%。這表明，優(yōu)化條件選擇合理(見表6)，驗(yàn)證值與預(yù)測值很接近，符合播種機(jī)械相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，所建立的排種性能指標(biāo)預(yù)測模型是合適的，所得到的優(yōu)化指標(biāo)參數(shù)是可靠的。

表6 優(yōu)化條件下試驗(yàn)指標(biāo)預(yù)測值及實(shí)測值

4 結(jié)論

1)選取影響取種性能指標(biāo)(單粒率、重播率、漏播率)的主要因素—投種腔氣室正壓、滾筒負(fù)壓和轉(zhuǎn)速，采用三因素三水平的正交回歸試驗(yàn)設(shè)計方案進(jìn)行排種性能試驗(yàn)。通過Design-Expert軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析和回歸擬合，得出影響排種性能指標(biāo)的因素主次關(guān)系依次是投種腔氣室正壓、滾筒負(fù)壓及轉(zhuǎn)速。

2)確定影響排種性能指標(biāo)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、工作參數(shù)，即當(dāng)投種腔氣室正壓為2.2kPa、滾筒負(fù)壓為2.4kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為16r/min時，性能指標(biāo)的最優(yōu)值分別為單粒率93.2%、重播率4.3%、漏播率2.5%，均滿足精量排種的技術(shù)要求。