气吸式排种器排种性能影响因素的分析与试验研究

高富强，齐　鹏，邱立春

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳　110161)



气吸式排种器排种性能影响因素的分析与试验研究

高富强，齐鹏，邱立春

(沈阳农业大学 工程学院，沈阳110161)

摘要：为了研究气吸式排种器主要部件结构参数和工作参数变化对播种机排种性能的影响，分析了排种盘吸种孔型式、吸种孔直径、气吸式真空度和排种盘转速等参数对排种器排种性能的影响，并进行了结构优化设计和试验分析。研究结果表明：排种盘吸种孔型式、吸种孔直径、气吸式真空度和排种盘转速都对排种效果产生影响，排种盘转速和气吸室真空度对排种效果的影响最显著；对吸种孔直径进行单因素试验显示吸种孔直径在5.5mm时，排种器的排种效果最佳。室内试验台试验得出，排种盘转速和气吸室真空度对排种质量都有影响：在排种盘转速一定时，气吸室真空度越大，对种子的吸附力越大，一次性吸附多粒种子的可能性就增加，就会产生重播现象；当气吸室真空度一定时，排种盘转速越大，排种盘吸附种子的时间就越少，种子越不容易被吸附，就会产生漏播现象。通过方差分析得出：当排种盘转速为35r/min、气吸室真空度为4kPa时，排种器的排种效果最佳。

关键词：气吸式排种器；正交试验；影响因素；排种质量

0引言

排种器是播种机的核心部件，其性能优劣直接影响播种机的播种质量和播种效率。气吸式排种器是排种器种类之一，具有省种、不伤种、对种子的尺寸要求不严、适应力强、易于实现单粒精播和作业速度高等优点，在农业生产中得到广泛应用。

研究表明：影响气吸式排种器排种性能的因素有很多，如排种盘转速、气吸室真空度、吸种孔直径、吸种孔型式、吸种孔数目、排种盘型孔分布及两吸种孔间距等，只有选取了合适、正确的参数，才能使排种器达到最佳的排种效果，进而提高播种机的工作效率。

为了提高播种机排种器的排种质量，实现高效率的播种作业，研究了排种盘吸种孔型式、吸种孔直径、气吸式真空度和排种盘转速等参数对排种器排种性能的影响，应用农业机械设计理论和农机试验设计方法对其进行了结构优化设计和试验分析。

1排种器参数优化设计

排种盘是排种器的关键零件之一，其结构形式及参数直接影响排种器的排种性能。排种盘的结构设计包括吸种孔的形状设计、吸种孔的直径设计及排种盘转速设计等。

1.1　吸种孔型式设计

吸种孔的型式有很多种，如直孔、锥孔、沉孔等，吸种孔结构如图1所示。选择合适的吸孔要根据玉米种子的形状合理选择，适当的吸孔型式能提高排种器的吸种效果。在3种型式的吸孔中，锥形孔的吸种性能优于直孔和沉孔[7]。因此，选择锥形孔作为排种盘的最优方案。

图1吸种孔结构示意图

1.2　吸种孔直径的设计

吸种孔直径的大小主要取决于种子的尺寸，对于不同种子的直径需要设计不同的吸种孔。由试验方法确定出吸种孔直径为

d=(0.64~0.66)b

(1)

式中b—种子的平均宽度；

d—吸种孔直径。

通过整理和分析计算出各种种子的物理机械特性(尤其是种子质量、形状和自然休止角等)，如表1所示[1]。

吸种孔的直径可以根据不同种子的尺寸来决定，吸种孔的直径大可以提高吸孔处对种子的吸附力；但孔径过大容易造成种子卡在吸孔处而堵塞吸种孔，从而造成漏播现象。有时也会因为吸种孔径过大同时吸附多粒种子，从而造成重播现象。吸种孔径过小容易造成排种盘吸不着种子，从而造成漏播现象。因此，应该合理选择吸种孔直径的大小。

表1　各种种子的物理机械特性

1.3　排种盘转速设计

气吸式排种器的排种盘线速度大小对种子充填性能及投种准确性有直接影响。为了提高播种效率，在保证质量的前提下排种盘的转速应尽可能的保证最大值。但是,排种盘的转速过高，吸种孔通过充种区的时间过短，种子有可能来不及进入吸种孔，从而造成漏播现象。所以应该适当选择排种盘的转速。

假设种子随圆盘以vp的线速度运动，靠重力落入吸种孔，则当种子在吸种孔上方运动的过程中，其重心O降至低于排种盘上平面时，必能保证种子进入吸种孔。图2为种子运动示意图。

图2　种子运动示意图

按自由落体方程可求出直径为d的球形种子和扁平种子充种的极限速度分别为

(2)

(3)

式中g—重力加速度。

一般排种盘的线速度vp不应该超过0.35m/s。如果没有增设其他的用来提高充种效果的辅助设备，排种盘的线速度若超过这个速度，那么排种效果会大大减弱。但是，在实际工作中，由于种种的外界原因，需要对排种器进行改进，经过改进的水平圆盘的线速度可提高到0.5~0.8m/s[14]。

1.4　气吸室真空度确定

根据《农业机械学》[14]可以得到，排种器受到种子自然条件(吸种区种子分布情况、种子之间碰撞等)和外界环境的影响，需要考虑到吸种可靠性系数k1和工作稳定可靠性系数k2，在最大极限条件下，可求出气吸室所需真空度最大值HCmax，有

(4)

式中d—排种盘吸种孔直径(cm)；

C—种子重心与排种盘之间的距离(cm)

m—一粒种子的质量(kg)；

vp—吸种孔中心处的线速度(m/s)；

r—吸种孔处转动半径(m)；

g—重力加速度(m/s2)；

k—种子的摩擦阻力综合系数，λ=(6~10)tanα，α为种子自然休止角休止角；

k1—吸种可靠性系数，k1=1.8~2.0，一般种子千粒质量小，形状近似球形时形时，k1取小值；

k2—工作稳定可靠性系数，k2=1.6~2.0，种子千粒质量大时，k2选大值。

显然，真空度越大，吸种孔吸种的能力越强，不易产生漏吸；但真空度过大，一个吸种孔吸附几粒种子的可能性越大，重播率会增大。但是，真空度小了，对种子的吸附力就弱，漏播率会增加。一般情况下，由于考虑到在实际应用中机器震动和零件之间的磨损，设计时真空度都要取最大值[14]。

2试验研究

2.1　试验材料、仪器及设备

1)试验时间和地点：2015年7月24日，辽宁省农机化研究所。

2)试验材料、仪器与设备：本试验选用良玉99号玉米种子作为研究对象。试验中，随机测量100粒种子的各项尺寸特性，并且取其平均值，得到种子的各项数据如表2所示。

表2　玉米种子特性参数

排种器选择垂直圆盘气吸式排种器，其结构如图3所示。试验测试设备选择由哈尔滨博纳科技有限公司生产的JPS-2型全自动排种器性能检测试验台,如图4所示。其主要性能指标如表3所示。

图3　垂直圆盘气吸式排种器

图4　排种器试验台

项目指标备注种床带速度/km·h-11.5~12种床带速度测量误差<0.5排种轴转速/%10~150

续表3

2.2　试验方法

试验过程中，取排种器运转平稳时的中间段作为统计样本，测出一段时间的粒距。试验数据统一由试验台的识别系统采集并处理，同时人工对比以减少人为误差的影响。试验结果的评价根据《GB/T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法》。试验是以玉米为试验种子，选择最佳株距X为200mm，并且设定株距合格指数：大于0.5X但是小于或等于1.5X的粒距数占全部测定粒距数的百分比。重播指数：小于或等于0.5X的粒距数占全部测定粒距数的百分比。漏播指数：大于1.5X的粒距数占全部测定粒距数的百分比。

采用单因素试验和正交试验相结合的试验方法，对试验结果进行统计分析，最后得出最适合的参数。

2.3　试验测试

2.3.1吸种孔直径对排种质量的影响

由于种子的形状尺寸参差不齐，根据式(1)选取3种吸种孔径不同的排种盘，在保证其他条件相同的条件下进行3次试验，试验结果如表4所示。

表4　排种盘不同吸种孔经的试验结果

试验结果表明：在保证其他条件不变的条件下，吸种孔直径在5.5mm时，排种器的排种效果最好，与式(2)相符合。当孔径小时，由于真空室内的真空度不变，对种子的吸力不足造成了空穴率的增加；当孔径大时，由于玉米种子的形状是一面尖一面圆，当尖的一面朝向吸种孔时，这时就能吸种两个或者更多，就造成了重播率的增加，因此吸种孔径和真空度应该相互协调。当减小孔径时应适当地提高真空度，当增大孔径时应适当的减小真空度，这样就能使排种的合格率维持在正常水平。

2.3.2气吸室真空度和排种盘转速对排种质量的影响

除了吸种孔径对排种质量有一定的影响外，气吸室真空度和排种盘转速对排种质量同样有影响。为了确定真空度和排种盘转速的主次顺序和最优的参数组合，通过正交试验选取真空度和排种盘转速，并考虑其交互作用，根据式(2)~式(4)计算出适当的数据，设计2因素3水平的正交试验，根据《实验设计与数据处理》选取L9(34)正交表，因素水平取值如表5所示。

表5　因素与水平取值

2.4　数据处理与分析

试验过程和对试验结果的分析，如表6所示。

表6　试验结果正交分析

续表6

由表6可知：排种盘转速A和气吸室真空度B对排种合格率X的影响主次顺序为A>B>A×B，最优组合为A1B2；对于重播率Y，因素影响的主次顺序为A>B>A×B，最优组合为A1B3；对于漏播率Z，影响因素的主次顺序为A>B>A×B，最优组合为A1B3。

为了确定排种盘转速和气吸室真空度对排种质量的影响程度，进行方差分析，如表7所示。

表7　方差分析

从表7可以看出：在置信度为90%的情况下，排种盘转速和气吸室真空度对于影响排种质量(合格率，重播率，漏播率)都呈显著状态，说明这两个因素对排种质量都有显著影响。

3结论

1)通过理论分析可得出影响气吸式排种器排种质量的因素有吸种孔型式、吸种孔直径、排种盘转速和气吸室真空度。其中，排种盘转速和气吸室真空度对排种效果的影响最显著。

2)排种盘是排种器的关键部件，对于不同种子，选择合适的吸种孔形状是关键，对于玉米种子，吸种孔径一般选择5.5mm时，排种效果最佳。

3)室内试验台试验得出，排种盘转速和气吸室真空度对排种质量都有影响。在排种盘转速一定时，气吸室真空度越大，对种子的吸附力越大，一次性吸附多粒种子的可能性就增加，就会产生重播现象；当气吸室真空度一定时，排种盘转速越大，排种盘吸附种子的时间就越少，种子越不容易被吸附，就会产生漏播现象。

4)对试验结果进行正交分析，通过极差、方差分析可以得出：排种盘转速和气吸式真空度对排种性能的影响最显著。通过试验可以得到，当排种盘转速为35r/min，气吸室真空度为4.0kPa时，排种盘的排种质量最优。

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The Analysis and Experimental Study on the Parameters of Seeding Qualified Effects of Air-suction Seed Metering Device

Gao Fuqiang, Qi Peng, Qiu Lichun

(College of Agricultural Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161,China)

Abstract：To choose the right metering is the key to the seeder.This paper studies factors of the effect of seed-metering through theoretical analysis and experimental study. Theoretical analysis shows that the type of seed suction hole,the diameter of suction hole,the suction vacuum and the speed of seeding disk all have influence on seeding effect.And this paper study the single factor test about he diameter of suction hole.The result shows that when the diameter of suction hole is 5.5mm,the result of the metering is the best;I make an conclusion of different indicators for different optimization scheme,and by means of variance analysis,I make another conclusion of and the speed of seeding disk have a significant influence on seeding performance.When the speed of seeding disk is 35r/min, the suction vacuum is 4.0kPa,the result of the metering is the best.

Key words：air-suction metering device; orthogonal experiment; influencing factor; planting quality

中图分类号：S223.2+5;S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0191-06

作者简介：高富强(1990-)，男，辽宁抚顺人，硕士研究生，(E-mail)504985394@qq.com。通讯作者：邱立春(1957-)，男，辽宁铁岭人，教授，博士生导师。

基金项目：国家自然科学基金项目(51175354)

收稿日期：2015-08-28