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        芝麻精量穴播排種器吸種性能分析與試驗

        2021-09-27 08:11:44林翩廖慶喜王磊王寶山劉海
        關(guān)鍵詞:型孔粒數(shù)氣室

        林翩,廖慶喜,王磊,王寶山,劉海

        華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室,武漢 430070

        芝麻是中國生產(chǎn)高品質(zhì)食用油的重要油料作物,也是種植廣泛的特色農(nóng)產(chǎn)品,近年來需求量持續(xù)擴(kuò)大,但受機(jī)械化種植水平低下影響,生產(chǎn)成本高,芝麻種植規(guī)模難以擴(kuò)大[1]。芝麻種子屬于小粒徑異形種子,質(zhì)量輕,易破損,機(jī)械化精量播種難度大,目前主要采用人工撒播、點播和機(jī)械條播,存在用種量大,排種不均勻等問題。以傳統(tǒng)人工點播為例,通常每穴播種5~8粒[2],后期人工間苗定苗,每穴留苗1~2株,工作量大,成苗率低。芝麻機(jī)械化精量穴播可實現(xiàn)每穴播種1~3粒[3-4],播種精度高,田間分布均勻,有利于提高芝麻產(chǎn)量。

        氣吸式排種器利用負(fù)壓吸附種子,具有種子形狀適應(yīng)性強(qiáng)、傷種率低、排種量精確可控等特點[5-6]。張靜等[7]構(gòu)建氣力式排種器型孔吸附邊界模型,確定種子形狀和幾何尺寸對排種器型孔吸附性能影響較大。廖宜濤等[8]開展吸種運(yùn)移狀態(tài)圖像拍攝試驗,發(fā)現(xiàn)小粒徑種子對吸種負(fù)壓變化敏感,在工作負(fù)壓較高情況下型孔會吸附4~6粒種子。張國忠等[9]分析水稻被吸附姿態(tài)概率,得到型孔處吸附力由種子形態(tài)、工作負(fù)壓和型孔結(jié)構(gòu)決定。研究[10-11]表明,吸附力小,種子流動性差,容易發(fā)生漏吸;吸附力過大容易導(dǎo)致重播指數(shù)增大。Nai等[12]開展氣力式排種器吸室真空度、吸孔直徑等因素對排種性能影響試驗,建立參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型,優(yōu)化得到適合異形種子的最佳參數(shù)組合。綜上,國內(nèi)外學(xué)者針對氣吸式排種器在小粒徑種子適應(yīng)性方面展開了大量研究,吸種數(shù)目易受氣室負(fù)壓影響[13-15],對于芝麻等小粒徑異形種子,種子形狀也會對排種器吸種性能造成影響,排種器精量穴播有待進(jìn)一步研究。

        針對芝麻種植人工效率低,出苗后間苗工作量大,缺乏適用的芝麻精量穴播要求等實際問題,本研究基于負(fù)壓吸種、正壓投種的排種原理[16],構(gòu)建排種器吸種過程臨界負(fù)壓模型,確定型孔吸附芝麻臨界負(fù)壓值及精量穴播的型孔直徑較優(yōu)范圍,開展單因素試驗分析排種過程因素影響規(guī)律,結(jié)合響應(yīng)面試驗優(yōu)化分析各因素交互作用,確定最佳參數(shù)組合,以期為芝麻精量穴播排種器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供參考。

        1 材料與方法

        1.1 芝麻精量穴播排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

        芝麻精量穴播排種器基于負(fù)壓氣流吸種、正壓氣流投種的工作原理,主要由氣室、排種盤、罩殼等零部件組成(圖1)。氣室通過隔板分為正壓區(qū)與負(fù)壓區(qū),芝麻精量穴播排種器工作過程分為充種、吸種、攜種和投種4個環(huán)節(jié)。排種器工作時,種箱中的芝麻種子由進(jìn)種口進(jìn)入排種器充種腔形成堆積,利用負(fù)壓區(qū)氣流在排種盤型孔內(nèi)外側(cè)形成的壓差,種子在吸種區(qū)被吸附在型孔上隨排種盤轉(zhuǎn)動,脫離種群,型孔吸附種子數(shù)目及姿態(tài)具有隨機(jī)性。種子運(yùn)移過程中位移、速度、受載等隨機(jī)變量的變化,少部分種子吸附不穩(wěn)定,在自身重力作用下滑落至充種區(qū)。當(dāng)型孔吸附的種子隨排種盤轉(zhuǎn)至正壓區(qū)后,在氣流及自身重力作用下從型孔上脫落,進(jìn)入導(dǎo)種管,實現(xiàn)排種過程。其中,排種器的吸種環(huán)節(jié)是保證播種質(zhì)量的核心。

        1.正壓氣室 Positive pressure chamber; 2.氣室隔板 Air chamber baffle; 3.型孔 Hole; 4.負(fù)壓氣室 Negative pressure chamber; 5.罩殼 Seed metering device shell; 6.排種軸 Sowing axle; 7.氣室殼體 Air chamber; 8.排種盤 Planter plate; 9.種箱 Seed box.

        1.2 吸種環(huán)節(jié)種子力學(xué)分析

        吸種環(huán)節(jié)中種子受到氣流場、種群作用力和重力的交互作用[17],氣流場中壓力梯度力是型孔吸附種子的主要作用力[18]。排種器負(fù)壓(相對大氣壓)大小影響種子吸附性能,根據(jù)芝麻種子與型孔接觸情況可將吸種姿態(tài)分為3種,即橫臥、側(cè)臥和直立姿態(tài)[19](圖2)。為保證種子能被順利吸附,應(yīng)滿足受力平衡條件[20]:

        J為芝麻被排種盤帶動旋轉(zhuǎn)所引起的離心力,N;G為種子重力,N;N為型孔對芝麻的反力,N;P0為型孔吸力,N;Ff為芝麻的內(nèi)摩擦力,N;Q為G、J、Ff的合力,N;C為芝麻種子重心與排種盤的垂直距離,mm;d為型孔直徑,mm;v為排種盤吸種孔中心處的線速度,m/s。J is the centrifugal force caused by the rotation of sesame driven by the seed metering plate,N; G is the seed gravity,N; N is the reaction force of the shaped hole on sesame,N; P0 is the suction force of the shaped hole,N; Ff is the internal friction force of sesame,N ; Q is the resultant force of G,J and Ff,N; C is the vertical distance between the center of gravity of sesame seed and the seed metering plate,mm; d is the diameter of the shaped hole,mm; v is the linear velocity at the center of the seed suction hole of the seed metering plate,m/s.

        (1)

        得到負(fù)壓真空度為:

        (2)

        式(1)~(2)中,H為氣吸室所需負(fù)壓,Pa;C為種子重心與排種盤間距,mm;m為單粒種子的質(zhì)量,kg;S為種子與吸種孔的接觸面積,mm2;d為型孔直徑,mm;r為排種盤吸種孔處的轉(zhuǎn)動半徑,m;g為重力加速度,m/s2;λ為種子的摩擦阻力綜合系數(shù);K1為吸種可靠性系數(shù);K2為工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)。由式(2)可知,種子被吸附的負(fù)壓H受種子重心與排種盤間距C以及種子與吸種孔接觸面積S、型孔直徑d等因素的影響,負(fù)壓H絕對值與間距C成正相關(guān)關(guān)系,與接觸面積S、型孔直徑d成負(fù)相關(guān)。對于類球形種子,種子重心與排種盤間距C以及種子與吸種孔接觸面積S值僅與種子尺寸有關(guān),而對于異形種子,還與種子被吸附狀態(tài)有關(guān),定義吸種狀態(tài)影響系數(shù)K=C/S,得到氣室負(fù)壓真空度為:

        (3)

        為建立芝麻吸附姿態(tài)模型,種子重心與排種盤間距C近似為c/2、b/2和a/2,簡化種子與吸種孔接觸面積S近似為種子與吸種孔交界面處截面積,3種姿態(tài)下接觸面積示意圖如圖3所示。種子覆蓋型孔區(qū)域(沿型孔直徑方向)的長度l與型孔直徑的比值[21]為k=l/d(0

        A:橫臥 Horizontal; B:側(cè)臥 Lateral; C:直立 Vertical. 1.種子 Seed; 2.型孔 Hole.

        不同姿態(tài)種子吸種狀態(tài)影響系數(shù)為:

        (4)

        式(4)中,Kh為種子橫臥姿態(tài)時吸種狀態(tài)影響參數(shù)值,mm-1;Kl為種子側(cè)臥姿態(tài)時吸種狀態(tài)影響參數(shù)值,mm-1;Kv為種子直立姿態(tài)時吸種狀態(tài)影響參數(shù)值,mm-1。c為種子高度,mm;b為種子寬度,mm;a為種子長度,mm。由式(4)可知,當(dāng)單粒種子以橫臥姿態(tài)被吸附,種子重心離排種盤最近,與型孔接觸面積最大,參數(shù)k取最大值為1,吸種狀態(tài)影響參數(shù)K最小,理論吸附所需負(fù)壓絕對值最??;直立姿態(tài)種子重心較遠(yuǎn),接觸面積較小,吸附所需負(fù)壓絕對值理論值較大。當(dāng)氣室負(fù)壓絕對值處于橫臥姿態(tài)與直立姿態(tài)臨界負(fù)壓絕對值之間時,型孔能吸附種群中橫臥姿態(tài)的種子,如果型孔吸附范圍內(nèi)均為直立姿態(tài)的種子,則會超出型孔吸種能力,出現(xiàn)漏吸現(xiàn)象。為降低芝麻排種器漏播率,氣室負(fù)壓絕對值必須高于3種姿態(tài)吸附所需負(fù)壓絕對值中的最大值。

        芝麻被吸附姿態(tài)影響型孔的實際吸附邊界[22-23],型孔吸附邊界中出現(xiàn)多粒種子時,氣室負(fù)壓絕對值需高于多粒種子各姿態(tài)組合所需負(fù)壓絕對值最大值,才能實現(xiàn)多粒種子穩(wěn)定吸附。

        1.3 吸種負(fù)壓臨界值分析

        選擇湖北地區(qū)常見的芝麻品種(航白芝)為研究對象,隨機(jī)選取種子50粒,利用游標(biāo)卡尺(精度0.02 mm)對芝麻三軸尺寸(長度a、寬度b、高度c)進(jìn)行測量,由電子分析天平(精度0.001 g)測量芝麻千粒質(zhì)量,得到芝麻種子長、寬、高分別為3.12±0.18、1.83±0.13、0.90±0.09 mm,千粒質(zhì)量為3.09 g。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊可知,型孔直徑d與種子平均寬度b滿足下式關(guān)系:

        d=(0.64~0.66)b

        (5)

        其中,種子寬度b為球形種子的平均直徑,芝麻種子形狀并非球形,種子寬度b分別取芝麻三軸尺寸,得到型孔直徑分別為1.88~2.18 mm、1.09~1.29 mm、0.52~0.65 m。若型孔直徑取1.88~2.18 mm,高于芝麻寬度和高度,立吸姿態(tài)種子會進(jìn)入氣室,因此取型孔直徑為0.60~1.30 mm,分析時取孔徑增量為0.1 mm(表1)。

        吸附單粒種子時,假定3種姿態(tài)被吸附時與型孔接觸面積均為該種姿態(tài)下的最大接觸面積,K1=K2=1,m=3.09,g=9.8,d=0.6~1.3,c=0.9,b=1.83,a=3.12,k=1。由式(3)、(4)計算可得不同型孔直徑下各姿態(tài)所需最小負(fù)壓絕對值。

        表1 不同型孔直徑下芝麻種子3種姿態(tài)吸附負(fù)壓 Table 1 Negative pressure of seed adsorption in three postures under different pore diameter Pa

        吸附2粒種子時,存在6種姿態(tài)組合,分別是橫臥+橫臥、橫臥+側(cè)臥、橫臥+直立、側(cè)臥+側(cè)臥、側(cè)臥+直立、直立+直立。以種子覆蓋型孔的長度l為設(shè)計變量,姿態(tài)組合中種子所需吸附負(fù)壓絕對值的較大值最小為優(yōu)化目標(biāo),利用Matlab軟件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,其目標(biāo)函數(shù)如式(6)所示:

        min{H1(l1),H2(l2)}

        (6)

        約束條件如式(7)所示:

        (7)

        式(6)~(7)中,H1和H2分別為第1、2粒種子被吸附所需負(fù)壓,Pa;l1、l2分別為第1、2粒種子與型孔接觸長度,mm;S1和S2分別為第1、2粒種子與型孔接觸面積,mm2。通過迭代得到不同型孔直徑下6種吸附姿態(tài)組合所需負(fù)壓絕對值最小值。

        表2 不同型孔直徑下2粒芝麻種子吸附負(fù)壓 Table 2 Negative pressure of adsorbing two seeds under different pore diameters Pa

        隨著型孔直徑的增大,吸附不同姿態(tài)組合的2粒種子所需負(fù)壓絕對值均呈現(xiàn)下降趨勢(表2)。比較相同直徑時不同姿態(tài)組合所需負(fù)壓可知,種子均以橫臥姿態(tài)被吸附所需負(fù)壓絕對值最小,均以直立姿態(tài)被吸附時所需負(fù)壓絕對值最大。當(dāng)氣室負(fù)壓絕對值達(dá)到2粒種子吸附所需負(fù)壓絕對值最小值時,型孔具備吸附2粒橫臥姿態(tài)種子的能力,2粒種子被吸附概率增大。當(dāng)氣室負(fù)壓絕對值持續(xù)增大,逐漸滿足其他組合姿態(tài)所需吸附條件時,型孔吸附2粒種子概率會持續(xù)上升,直至2粒種子被吸附概率達(dá)到最大值。同一型孔直徑下,均以橫臥姿態(tài)被吸附和均以直立姿態(tài)被吸附所需臨界負(fù)壓絕對值構(gòu)成該型孔直徑可吸附2粒種子負(fù)壓絕對值范圍的上下限。

        吸附3粒種子,存在18種組合姿態(tài),均以橫臥吸附姿態(tài)和均以直立姿態(tài)被吸附時所需臨界負(fù)壓絕對值組成該型孔直徑下3粒種子吸附所需負(fù)壓絕對值范圍上下限。多目標(biāo)優(yōu)化得到3粒種子在不同型孔直徑下均為橫臥吸附或直立吸附時所需負(fù)壓(表3)。

        表3 不同型孔直徑下3粒種子吸附負(fù)壓 Table 3 Negative pressure of adsorbing 3 seeds under different pore diameters Pa

        為實現(xiàn)每穴排種1~3粒,既要保證漏吸概率最低,也要盡量減小重吸(≥4粒/穴)情況的發(fā)生。計算吸附4粒種子所需的最小負(fù)壓絕對值,即4粒種子均以橫臥姿態(tài)被吸附時的臨界負(fù)壓絕對值。控制氣室負(fù)壓絕對值小于該臨界負(fù)壓絕對值能有效降低重吸概率,提升吸種質(zhì)量。4粒橫臥姿態(tài)種子在型孔直徑0.6~1.3 mm的臨界吸附負(fù)壓分別為-3 933、-2 477、-1 659、-1 165、-849、-638、-492和-387 Pa。

        由圖4可知,隨型孔直徑的增大,滿足單粒吸附、2粒吸附及3粒吸附所需負(fù)壓絕對值范圍及最小值均呈下降趨勢;隨型孔吸種數(shù)目的減少,型孔吸附種子所需負(fù)壓絕對值范圍減?。徊煌N數(shù)目所需負(fù)壓絕對值范圍存在重疊情況,導(dǎo)致型孔直徑以及氣室負(fù)壓絕對值相同時吸種數(shù)目不同。

        圖4 不同型孔直徑下吸種臨界負(fù)壓絕對值Fig.4 Critical negative pressure absolute value of seed suction under different hole diameter

        種子被型孔實際吸附長度l受型孔吸種數(shù)目影響,型孔吸種數(shù)目較少,則每粒種子的吸附長度偏大。隨吸附長度l增大,型孔直徑增大,種子以不同姿態(tài)被吸附時所需負(fù)壓絕對值降低,種子漏吸概率減小。當(dāng)試驗負(fù)壓絕對值達(dá)到多粒種子被吸附條件,重吸概率增大,型孔吸種數(shù)目增加。吸種數(shù)目過多影響攜種過程中芝麻的吸附穩(wěn)定性,導(dǎo)致投種過程成穴性差。

        為滿足精量穴播吸種粒數(shù)要求,氣室實際負(fù)壓選擇在單粒吸種所需負(fù)壓絕對值的最大值與4粒吸種所需負(fù)壓絕對值的最小值之間,保證漏吸發(fā)生概率最小的同時降低吸附3粒以上種子的概率??紤]負(fù)壓調(diào)節(jié)范圍不宜過大,芝麻精量穴播的型孔直徑范圍0.8~1.1 mm,氣室負(fù)壓大小為-1 600~-600 Pa較優(yōu)。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 吸種狀態(tài)試驗

        吸種狀態(tài)試驗在JPS-16型排種試驗臺上進(jìn)行,所用排種器為正負(fù)氣壓組合式小粒徑種子精量排種器,采用數(shù)碼相機(jī)拍攝排種器吸種運(yùn)移狀態(tài)圖像(圖5)。分別分析型孔直徑、氣室負(fù)壓對吸種數(shù)目概率的影響,設(shè)置氣室負(fù)壓大小為-1 400 Pa、排種盤型孔直徑0.6~1.3 mm、試驗水平間隔0.1 mm;設(shè)置型孔直徑為0.9 mm、氣室負(fù)壓大小為-500~-1 700 Pa、試驗水平間隔300 Pa。

        圖5 排種性能試驗臺Fig.5 Seed metering performance test device

        試驗用相機(jī)型號為Canon EOD 7D,拍攝參數(shù)為ISO-1600,0曝光補(bǔ)償,無閃光模式,圖像分辨率為1 800萬像素(5 184×3 456 pixel)。每次試驗后檢查型孔堵塞情況,每組試驗重復(fù)3次,每次連續(xù)拍攝256孔,獲得拍攝圖像,統(tǒng)計分析各型孔吸附芝麻情況,計算不同試驗條件下型孔漏吸、1粒、2粒、3粒、4粒及以上種子概率。根據(jù)試驗確定芝麻種子存在橫臥、側(cè)臥和直立3種吸附姿態(tài)(圖6)。試驗條件為型孔直徑0.9 mm、氣室負(fù)壓大小為-1 400 Pa,試驗統(tǒng)計得單粒芝麻以橫臥、側(cè)臥和直立被吸附姿態(tài)概率分別為0.64、0.18和0.17,3種姿態(tài)比例近似為3.5∶1∶1。

        圖6 芝麻吸附姿態(tài)圖Fig.6 Sesame adsorption posture diagram

        試驗得到排種盤型孔漏吸概率隨型孔直徑(0.6~1.3 mm)的變化情況如圖7A所示,排種盤型孔吸種粒數(shù)概率隨型孔直徑的變化情況如圖7B所示,隨氣室負(fù)壓變化情況如圖8所示。由圖7可知,當(dāng)型孔直徑為0.6 mm時,試驗負(fù)壓絕對值(1 400 Pa)高于臥吸姿態(tài)負(fù)壓絕對值,低于側(cè)臥或直立姿態(tài)負(fù)壓絕對值,試驗結(jié)果表明,此時漏吸概率較高,為10.94%。隨型孔直徑的增大,型孔漏吸概率逐漸下降,當(dāng)型孔直徑高于0.8 mm后,試驗負(fù)壓絕對值高于3種姿態(tài)所需負(fù)壓絕對值,此時型孔具備單粒種子吸附條件,無漏吸,與試驗結(jié)果一致。由圖7B可知,當(dāng)型孔直徑為0.6 mm時,試驗負(fù)壓絕對值(1 400 Pa)低于2粒種子吸附臨界負(fù)壓絕對值,型孔理論上無法吸附2粒種子,試驗結(jié)果表明吸附2粒種子概率近似為0;當(dāng)型孔直徑為0.7 mm時,試驗負(fù)壓絕對值達(dá)到型孔吸附2粒種子所需負(fù)壓絕對值的最小值,此時發(fā)現(xiàn)型孔吸附2粒種子概率明顯提升,為17.19%;隨型孔直徑增大,型孔吸種能力增強(qiáng),型孔吸附2粒種子概率不斷增大。當(dāng)型孔直徑繼續(xù)增大至1.1 mm,試驗負(fù)壓絕對值高于型孔吸附2粒種子6種姿態(tài)組合臨界負(fù)壓絕對值,型孔具備吸附2粒種子的能力,吸種概率逐漸穩(wěn)定,為38.5%。當(dāng)型孔直徑為0.8 mm,試驗負(fù)壓絕對值達(dá)到3粒吸附所需臨界負(fù)壓絕對值,試驗結(jié)果表明3粒種子被吸附概率開始增長,與理論分析結(jié)果一致。

        由圖8可知,隨著氣室負(fù)壓絕對值增大,種子漏吸不斷下降,單粒種子吸附概率先穩(wěn)定后下降,2粒種子吸附概率先升后降,3粒及以上種子吸附概率逐漸上升。1~3粒種子吸種概率均存在先增后減的趨勢,負(fù)壓絕對值在500~800 Pa之間時,存在某個條件使得單粒種子被吸附概率最大,在1 400 Pa左右雙粒吸附概率最大,負(fù)壓絕對值高于1 700 Pa使得3粒種子吸附概率最大。在型孔直徑為0.9 mm、試驗氣室負(fù)壓絕對值為1 100 Pa時,試驗負(fù)壓絕對值處于單粒種子被吸附所需最大負(fù)壓絕對值與4粒種子被吸附所需最小負(fù)壓絕對值之間,此時漏吸概率與4粒種子被吸附概率均近似為0,與理論計算規(guī)律一致,調(diào)節(jié)氣室負(fù)壓能夠影響型孔吸種數(shù)目,改善型孔吸種質(zhì)量。

        A:漏吸概率變化圖 Variation of zero-seed probability; B:吸種1~3粒概率變化圖 Variation of 1-3 seed probability. CP為臨界負(fù)壓絕對值。下同。CP is critical negative pressure absolute value. The same as below.

        圖8 型孔吸種數(shù)目概率隨氣室負(fù)壓變化情況Fig.8 Variation of seed number probabilitywith negative pressure of air chamber

        2.2 單因素試驗

        吸種過程理論分析及試驗表明,型孔直徑為0.8~1.1 mm、氣室負(fù)壓為-600 ~-1 600 Pa、排種器吸種性能較優(yōu)。排種軸轉(zhuǎn)速為:

        (8)

        式(8)中,np為排種軸轉(zhuǎn)速,r/min;vm為播種機(jī)前進(jìn)速度,km/h;n為排種盤型孔數(shù)目,個;M為播種穴距,m。根據(jù)播種機(jī)配套拖拉機(jī)東方紅LX854前進(jìn)速度為1.64~11.45 km/h,計算得排種軸轉(zhuǎn)速為4.50~31.81 r/min,排種軸轉(zhuǎn)速范圍取5~40 r/min。

        以排種器穴粒數(shù)合格率(1~3粒/穴)、漏播率和重播率為性能指標(biāo),以型孔直徑x1、排種軸轉(zhuǎn)速x2、氣室負(fù)壓x3、種層高度x4為影響因素,開展單因素試驗[22]。型孔直徑0.6~1.3 mm,試驗水平間隔0.1 mm;排種軸轉(zhuǎn)速5~40 r/min,試驗水平間隔5 r/min;氣室負(fù)壓-500~-1 700 Pa,試驗水平間隔300 Pa;種層高度7~47 mm,試驗水平間隔5 mm,試驗卸種正壓設(shè)置為200 Pa。每次試驗重復(fù)3次取平均值,得到單因素多個水平之間的排種器排種效果(圖9)。由圖9A可知,當(dāng)種層高度過低,型孔與種子接觸不完全時,漏播率較高,穴粒數(shù)合格率偏低,當(dāng)型孔與種子能夠充分接觸,種層高度變化對穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率影響并無明顯規(guī)律。由圖9B-D可知,隨排種盤型孔直徑增大、排種軸轉(zhuǎn)速減小、氣室負(fù)壓絕對值增大,型孔穴粒數(shù)合格率先增后減。從整體趨勢看,漏播率隨轉(zhuǎn)速減小、型孔直徑增大、負(fù)壓絕對值增大呈下降趨勢,漏播率降為0后保持不變,重播率則不斷上升,但重播率與三因素并非單調(diào)函數(shù)關(guān)系,說明重播率存在隨機(jī)性波動。排種軸轉(zhuǎn)速、排種盤型孔直徑與氣室負(fù)壓三因素對排種性能影響顯著。由排種性能指標(biāo)均值可知,當(dāng)排種軸轉(zhuǎn)速在5~15 r/min、型孔直徑在0.9~1.1 mm、氣室負(fù)壓在-800~-1 400 Pa范圍時,排種器吸種效果較優(yōu)。

        圖9 排種盤型孔直徑、排種軸轉(zhuǎn)速、負(fù)壓和種層高度與試驗評價指標(biāo)關(guān)系曲線Fig.9 Curve of relationship between seed metering performance index and diameter,rotational speed,negative pressure and seed layer height of seed tray

        2.3 基于BBD響應(yīng)面的性能試驗

        為建立排種性能指標(biāo)與影響因素之間函數(shù)關(guān)系及確定最佳參數(shù)組合,選取排種盤型孔直徑、氣室負(fù)壓和排種軸轉(zhuǎn)速為試驗因素,以穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3為試驗指標(biāo),開展響應(yīng)面BBD[23](Box-Behnken design)試驗(表4),各試驗重復(fù)3次,計算穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率(表5)。試驗結(jié)果方差分析見表6。

        表4 Box-Behnken試驗因素編碼表 Table 4 Experiment factor code table

        表5 Box-Behnken試驗方案和結(jié)果 Table 5 Test design scheme and results

        續(xù)表5 Continued Table 5

        表6 Box-Behnken試驗方差分析 Table 6 Variance analysis result of Box-Behnken test

        建立穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3與排種盤型孔直徑X1、氣室負(fù)壓真空度X2和排種軸轉(zhuǎn)速X3間的三元二次回歸方程分別為:

        (9)

        (10)

        圖10 交互作用對穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率的影響Fig.10 Effects of interactive factors on eligible rate,missing rate and multiple rate

        分析回歸系數(shù)可知,影響穴粒數(shù)合格率和重播率的因素主次順序為氣室負(fù)壓真空度、排種盤型孔直徑和排種軸轉(zhuǎn)速;影響漏播率的因素主次順序為排種軸轉(zhuǎn)速、排種盤型孔直徑和氣室負(fù)壓真空度。由圖10A,D,G可知,排種軸轉(zhuǎn)速處于零水平 (10 r/min),氣室負(fù)壓真空度一定時,隨著型孔直徑的增加,穴粒數(shù)合格率和漏播率逐漸下降,重播率不斷上升;排種盤型孔直徑一定時,隨著負(fù)壓絕對值的增加,穴粒數(shù)合格率和漏播率呈下降趨勢,重播率逐漸增長;由圖10B,E,H可知,氣室負(fù)壓處于零水平(-1 100 Pa),型孔直徑一定時,隨排種軸轉(zhuǎn)速的增加,穴粒數(shù)合格率先升后降,漏播率呈上升趨勢,重播率呈下降趨勢;排種軸轉(zhuǎn)速一定時,隨型孔直徑的增加,穴粒數(shù)合格率小幅度上升后逐漸下降,漏播率呈下降趨勢,重播率呈上升趨勢;由圖10C,F,I可知,排種盤型孔直徑處于零水平 (1.0 mm),排種軸轉(zhuǎn)速一定時,隨負(fù)壓絕對值的增加,穴粒數(shù)合格率先升后降,漏播率先降低后基本穩(wěn)定,重播率逐漸上升;負(fù)壓一定時,隨排種軸轉(zhuǎn)速的增加,穴粒數(shù)合格率先升后降,漏播率增加,重播率逐漸下降。

        為獲得排種器較優(yōu)工作參數(shù)組合,以穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2、重播率Y3綜合指標(biāo)建立優(yōu)化函數(shù),排種器性能指標(biāo)要求穴粒數(shù)合格率大于85%、漏播率小于5%、重播率小于10%,建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型,其目標(biāo)函數(shù)和約束條件為:

        Fmax=Y1-Y2-Y3

        (11)

        采用線性規(guī)劃數(shù)學(xué)模型對目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解,應(yīng)用Design-Expert軟件的Optimization優(yōu)化模塊,得到在型孔直徑為0.98 mm、氣室負(fù)壓真空度為-800 Pa、排種軸轉(zhuǎn)速在8.66 r/min時,穴粒數(shù)合格率為97.41%、漏播率為0.36%、重播率為2.23%?;谠摴ぷ鲄?shù)組合,開展優(yōu)化結(jié)果的臺架驗證試驗(圖11),考慮加工因素,試驗選擇排種盤型孔直徑1.0 mm,重復(fù)3次(表7),試驗結(jié)果穴粒數(shù)合格率為96.04%、漏播率為0.21%、重播率為3.75%,表明最佳工作參數(shù)組合下的排種器作業(yè)性能滿足芝麻田間精量穴播對穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率的要求。

        圖11 臺架試驗種子分布圖Fig.11 Seed distribution on oil belt

        表7 優(yōu)化參數(shù)的排種性能 Table 7 Seed metering performance of optimized parameters

        3 討 論

        本研究以正負(fù)氣壓組合式精量排種器為研究對象,構(gòu)建了排種器吸種過程臨界負(fù)壓模型。分析了種子吸附的不同姿態(tài)及其與型孔接觸面積的關(guān)系,采用多目標(biāo)優(yōu)化方法,分析得到了不同直徑型孔吸附1~4粒種子所需臨界負(fù)壓,確定了型孔直徑為0.8~1.1 mm、氣室負(fù)壓為-600~-1 600 Pa時,可有效降低排種器漏吸率和重吸率,滿足芝麻精量穴播(2±1粒/穴)。通過種子運(yùn)移狀態(tài)圖像拍攝試驗,得到了芝麻被吸附姿態(tài)及概率為橫臥∶側(cè)臥∶直立≈3.5∶1∶1,結(jié)果表明,隨氣室負(fù)壓絕對值增大,吸種數(shù)目概率均存在先增后減的趨勢。臺架試驗確定隨排種盤型孔直徑增大、排種軸轉(zhuǎn)速減小、氣室負(fù)壓絕對值增大,型孔穴粒數(shù)合格率先增大后減小,漏播率逐漸下降,重播率逐漸上升,排種軸轉(zhuǎn)速為5~15 r/min、型孔直徑為0.9~1.1 mm、氣室負(fù)壓為-800~-1 400 Pa時,排種器排種質(zhì)量較優(yōu)?;陧憫?yīng)面優(yōu)化試驗建立了排種性能指標(biāo)與各因素之間的回歸模型,優(yōu)化得出在型孔直徑為1.0 mm、氣室負(fù)壓為-800 Pa、排種軸轉(zhuǎn)速在8.66 r/min時,穴粒數(shù)合格率為96.04%、漏播率為0.21%、重播率為3.75%,排種性能較優(yōu),滿足芝麻精量穴播播種要求。后續(xù)將開展排種器最優(yōu)參數(shù)組合下的芝麻田間播種試驗,檢驗播種效果,研究振動、導(dǎo)種管碰撞等因素對穴粒數(shù)和成穴性能的影響規(guī)律,以進(jìn)一步提高播種質(zhì)量。

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