負壓式谷子穴播排種器設計及正交試驗研究

趙曉順，郭超龍，桑永英，于華麗，徐鵬云，杜　雄

(河北農業大學 機電工程學院，河北 保定　071001)

0　引言

谷子在我國北方的種植面積占糧食作物播種面積的10%～15%，僅次于小麥、玉米，居第3位。但由于谷子發育生長的特殊農藝要求，為了不影響種子出苗，保證苗全和苗壯，目前仍然沿用傳統的大播量條播方式，不僅浪費種子，而且谷子苗期的人工間苗勞動強度大，用工成本高[1-3]。因此，谷子穴播播種是發展谷子生產的核心和關鍵環節，在推廣優種過程中，急需研究相關的穴播播種關鍵技術和裝備，提高播種質量，實現省種和降低間苗勞動強度的目標。排種器是影響播種機播種精密性的關鍵部件[4-6]。目前，常用的排種器分為機械式和氣力式兩種，氣力式排種器又分為氣吸式、氣壓式和氣吹式。我國常用的氣吸式排種器主要用于播種玉米，播種谷子的排種器多為槽輪式或窩眼式排種器，但由于谷子籽粒體形極小、千粒質量小、播種量小，此類排種器不易控制播種量，容易堵塞，傷種率高[7]，對播種均勻性、穩定性有不利影響，很難達到谷子優質精播的目的[8-9]。試驗證明，氣吸式排種器的排種性能遠遠優于機械式排種器，它具有省種、不傷種且對不同尺寸的種子具有良好的通用性且播種均勻性高，易實現精量播種等諸多優點[10]。

國外成熟的氣力式精量播種作業機械主要用于玉米、大豆等中耕作物，如法國MONOSEM公司生產的NG PLUS系列和MONOSEMNC系列的氣吸式播種機，美國的John-Deere 1700系列氣吸式精量播種機，德國阿瑪松公司生產的ED系列氣吸式單粒精量播種機等[11-13]。國外對小麥、谷子等條播作物的氣力式精量播種機械進行了長期的研究，其中氣流一階分配式集排排種系統大量應用在田間小區試驗的谷物條播機上，排種器的性能能滿足高速作業精量播種的要求，但未見到在大田中規?；シN作業[14-17]。我國對中耕作物氣力式精量播種機械的研究也已比較成熟，但谷子精量播種機主要以機械式為主。例如，采用窩眼式排種器的播種機、山西省運城市農機局與運城市施肥播種機廠共同研究設計的采用往復式排種器的播種機、山西農業大學發明的異型螺旋槽式精少量播種機、陜西省寶雞市農科所研制的多功能精量排種器等。華中農業大學的廖慶喜、楊波等人設計的內充氣吹式油菜精量排種器，其充種與清種機理仍然是機械式的結構形式，傷種率必然高于氣吸式充種結構，只是在投種時利用了氣吹原理。郭超永、李旭、廖慶喜等人設計的另外一類油菜精量排種器采用的是氣吸和氣吹聯合排種原理，正壓區和負壓區通過氣室隔板隔開，需要嚴格的密封性，設計結構復雜，加工制造成本高。

針對谷子具有粒徑小、質量輕、形狀不規則等特殊的物理特性，研究了一種氣吸式谷子精量穴播機，能有效解決吸種型孔堵塞及種子破損問題，且實現谷子精量播種。

1　排種器的結構及原理

1.1　排種器結構

排種器主要由氣室體、氣室蓋、排種盤、中心軸、密封圈、軸承、傳動齒輪和清種裝置等結構組成，如圖1所示。排種盤的一側為種子室；盛放用于即將播種的谷種，另一側為氣室體，通過密封圈密封。排種盤的吸種孔采用組孔形式：沿圓周方向開有18組圓孔，每組5個吸種圓孔。清種刷用于清除小孔內被吸附的雜質和小粒谷種，避免長期作業后種孔堵塞。擋種刷可阻擋種室內小粒谷種的下漏，同時減少摩擦。

1.擋種刷　2.種室蓋　3.清種刷　4.攪籽盤　5.排種盤6.排種軸　7.軸承　8.軸套　9.密封圈　10.氣室體　11.驅動齒輪

1.2　排種器工作原理

谷種隨排種盤的運動可分為3個工作區段：充種區、攜種區及投種區，如圖2所示。吸種孔處于種子室的區域時即為充種區。在充種區，由于真空吸力的作用谷種被吸附在吸種孔組上，隨排種盤的轉動脫離種子室，實現充種；充種完成后，谷種隨排種盤經過攜種區進入投種區，此時負壓消失，在重力作用下，谷種自動落入種溝內；落種區的清種刷將吸孔組內的雜質和小粒谷種清理掉，為下一個循環吸種孔可靠吸附谷種提供可靠保證。

2　試驗材料及裝置

試驗所用材料為包衣谷子8311-14，其物理特性參數如表1所示。試驗用裝置：不同吸種孔直徑的排種器3套，吸種孔直徑分別為1.6、1.8、2.0mm。試驗設備是JPS-12計算機視覺排種器試驗臺，如圖3所示。

圖2　排種器工作原理簡圖

參數球形度/%千粒質量/g自然休止角/(°)數值97.5314.1624

1.排種器　2.排種器固定架　3.氣管　4.傳輸帶

3　試驗評價指標

依據文獻[18]和[19]，穴距以理論穴距±15mm為合格。若大于1.5倍理論穴距，則為空穴。根據農藝要求，每穴3～5粒谷種，多于5?；蛏儆?粒為不合格。本試驗確定穴粒數合格率、穴距合格率、空穴指數及穴距變異系數為排種器性能評價指標，每行測定不少于30個穴距，測定穴數f=50。

(1)

其中，n為穴數；Xi為各穴距；X為穴距平均值。

當n<30時，式中分母取n-1；當n≥30時，式中分母取n。此處分母取n，且n=f=50。

(2)

(3)

其中，Lh為穴粒數合格的穴數。

(4)

其中，Xh為穴距合格數。

(5)

其中，Kh為空穴數。

本試驗中,設定種床帶運行速度3km/h，播種距離較長時，理論穴距Xr(mm)為

(6)

式中V—種床帶運行速度，V=3km/h。

N—排種盤吸種孔組數，N=18。

4　試驗方案及結果分析

4.1　試驗方案

試驗研究吸種孔經、排種器轉速和氣室真空度3個主要因素對穴粒數合格指數、穴距合格指數、空穴指數及穴距變異系數的影響，設計3因素3水平正交試驗，得到因素影響主次順序及最優組合。選用正交表L9(34)進行正交試驗，正交試驗因素水平如表2所示，試驗方案如表3所示。其中，第4列為空列，每組試驗均重復進行3次。

表2　正交試驗3因素3水平安排表

表3　正交試驗方案

4.2　結果與分析

4.2.1試驗結果

根據表3中的正交試驗方案在JPS-12排種器試驗臺上進行試驗，每組試驗的3次試驗結果取平均值，最終試驗結果如表4所示。

表4正交試驗結果

Table 4Orthogonal test data %

試驗號ABC穴粒數合格指數穴距合格指數空穴指數穴距變異系數111168.0066.0018.0021.41212268.0072.008.0020.69313380.0080.008.0016.89421266.0070.008.0023.32522374.0080.004.0019.10623178.0084.006.0018.24731380.0072.004.0017.44832182.0082.002.0013.24933280.0084.00016.09

4.2.2結果分析

1)穴粒數合格指數極差和方差分析。由極差分析(見表5)和方差分析(見表6)可知：排種器穴粒數合格指數受各因素的影響主次順序依次為氣室真空度A>排種器轉速B>吸種孔徑C，較優水平組合為A3B3C3。氣室真空度A對穴粒數合格指數的影響非常顯著，排種器轉速B和吸種孔徑C對穴粒數合格指數的影響顯著。

表5　穴粒數合格指數極差分析表

續表5

K1、K2、K3代表各因素列對應水平(1，2，3)的數據之和；k1、k2、k3代表各水平數據的綜合平均值；

表6　穴粒數合格指數方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

2)穴距合格指數極差和方差分析。由表極差分析(見表7)和方差分析(見表8)可知：排種器穴距合格指數受各因素的影響主次順序依次為排種器轉速B> 氣室真空度A> 吸種孔徑C，較優水平組合為A3B3C1或者A3B3C3。排種器轉速B對穴距合格指數的影響高度顯著，氣室真空度A對穴距合格指數的影響非常顯著，吸種孔徑C對穴距合格指數的影響不顯著。

表7　排種器穴距合格指數極差分析表

續表7

K1、K2、K3代表各因素列對應水平(1，2，3)的數據之和；k1、k2、k3代表各水平數據的綜合平均值；R代表極差。

3)空穴指數極差和方差分析。由極差分析(見表9)和方差分析(見表10)可知：排種器空穴指數受各因素的影響主次順序依次為氣室真空度A> 排種器轉速B> 吸種孔徑C，較優水平組合為A3B2(B3)C2(C3)。氣室真空度A對空穴指數的影響非常顯著，排種軸轉速B對空穴指數的影響顯著，吸種孔徑C對空穴指數的影響不顯著。

4)穴距變異系數極差和方差分析。由極差分析(見表11)和方差分析(見表12)可知：排種器穴距變異系數受各因素的影響主次順序依次為氣室真空度A> 排種器轉速B> 吸種孔徑C，較優水平組合為A3B3C1。氣室真空度A和排種軸轉速B對穴距變異系數的影響均顯著，吸種孔徑C對穴距變異系數的影響不顯著。

表8　排種器穴距合格指數方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

表9　排種器空穴指數極差分析表

續表9

K1、K2、K3代表各因素列對應水平(1，2，3)的數據之和；k1、k2、k3代表各水平數據的綜合平均值；R代表極差。

表10　排種器空穴指數方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

表11穴距變異系數極差分析表

Table 11Range analysis table of coefficient of variation of the distance between holes

項目穴距變異系數/%ABCK158.99 62.17 52.89 K260.66 53.03 60.10 K346.77 51.22 53.43 k119.66 20.72 17.63k220.22 17.68 20.03

續表11

K1、K2、K3代表各因素列對應水平(1，2，3)的數據之和；k1、k2、k3代表各水平數據的綜合平均值；R代表極差。

表12　穴距變異系數方差分析表

“***”表示高度顯著，“**”表示非常顯著，“*”表示顯著，無“*”表示不顯著。

通過排種器正交試驗可知：氣室真空度A對穴粒數合格指數、空穴指數和穴距合格指數的影響非常顯著，對穴距變異系數的影響顯著，在排種器的設計中需要重點考慮的參數；排種器轉速B對穴粒數合格指數的影響高度顯著，對穴粒數合格指數、空穴指數和穴距變異系數的影響顯著，對播種均勻性起到了關鍵作用，尤其對穴粒數的農藝要求起到了決定作用；吸種孔徑C對穴粒數合格指數的影響顯著，對其它指標參數影響不顯著。根據易加工原則，在穴粒數指數和穴距變異系數二者中優先考慮穴粒數指數滿足農藝要求，較優水平組合為A3B3C3，即吸種孔徑真空負壓P=-0.8kPa、排種器轉速n=30r/min、吸空直徑d=2.0mm。

5　優化定型后排種器性能試驗

經過正交試驗優化定型后的排種器參數為2.0mm的吸種孔徑、30r/min的排種軸轉速、-0.8kPa真空負壓，在種床帶速度3.0km/h的情況下進行性能測試。試驗重復3次，然后取平均值，試驗性能指標結果如表13所示。試驗結果滿足文獻[18]和[19]的行業標準要求。

表13優化后排種器試驗性能指標參數

Table 13Test performance indicators of seed-metering device after optimization%

性能指標試驗號123平均值標準值穴粒數合格指數86849086.67≥80穴距合格指數92888889.33≥80空穴指數2.000.002.001.33≤2穴距變異系數11.499.9512.8411.43≤40

6　結論

1)利用真空負壓原理，設計了一種用于包衣谷子穴播的新型排種器，排種器吸孔采用每組多孔的形式，改變了傳統谷子條播作業方式，解決了谷子間苗花費大量人工的難題。

2)正交試驗研究表明：氣室真空度是在排種器的設計中需要重點考慮的參數；排種器轉速對播種均勻性起到了關鍵作用，尤其對穴粒數的農藝要求起到了決定作用。確定較優水平組合為：真空負壓-0.8kPa，排種器轉速30r/min，排種器轉速2.0mm。

3)對優化定型后的谷子排種器進行綜合性能測試，穴粒數合格指數、穴距合格指數、空穴指數及穴距變異系數4項性能指標均滿足行業標準及農藝要求。