负压式谷子穴播排种器设计及正交试验研究

赵晓顺，郭超龙，桑永英，于华丽，徐鹏云，杜　雄

(河北农业大学 机电工程学院，河北 保定　071001)

0　引言

谷子在我国北方的种植面积占粮食作物播种面积的10%～15%，仅次于小麦、玉米，居第3位。但由于谷子发育生长的特殊农艺要求，为了不影响种子出苗，保证苗全和苗壮，目前仍然沿用传统的大播量条播方式，不仅浪费种子，而且谷子苗期的人工间苗劳动强度大，用工成本高[1-3]。因此，谷子穴播播种是发展谷子生产的核心和关键环节，在推广优种过程中，急需研究相关的穴播播种关键技术和装备，提高播种质量，实现省种和降低间苗劳动强度的目标。排种器是影响播种机播种精密性的关键部件[4-6]。目前，常用的排种器分为机械式和气力式两种，气力式排种器又分为气吸式、气压式和气吹式。我国常用的气吸式排种器主要用于播种玉米，播种谷子的排种器多为槽轮式或窝眼式排种器，但由于谷子籽粒体形极小、千粒质量小、播种量小，此类排种器不易控制播种量，容易堵塞，伤种率高[7]，对播种均匀性、稳定性有不利影响，很难达到谷子优质精播的目的[8-9]。试验证明，气吸式排种器的排种性能远远优于机械式排种器，它具有省种、不伤种且对不同尺寸的种子具有良好的通用性且播种均匀性高，易实现精量播种等诸多优点[10]。

国外成熟的气力式精量播种作业机械主要用于玉米、大豆等中耕作物，如法国MONOSEM公司生产的NG PLUS系列和MONOSEMNC系列的气吸式播种机，美国的John-Deere 1700系列气吸式精量播种机，德国阿玛松公司生产的ED系列气吸式单粒精量播种机等[11-13]。国外对小麦、谷子等条播作物的气力式精量播种机械进行了长期的研究，其中气流一阶分配式集排排种系统大量应用在田间小区试验的谷物条播机上，排种器的性能能满足高速作业精量播种的要求，但未见到在大田中规模化播种作业[14-17]。我国对中耕作物气力式精量播种机械的研究也已比较成熟，但谷子精量播种机主要以机械式为主。例如，采用窝眼式排种器的播种机、山西省运城市农机局与运城市施肥播种机厂共同研究设计的采用往复式排种器的播种机、山西农业大学发明的异型螺旋槽式精少量播种机、陕西省宝鸡市农科所研制的多功能精量排种器等。华中农业大学的廖庆喜、杨波等人设计的内充气吹式油菜精量排种器，其充种与清种机理仍然是机械式的结构形式，伤种率必然高于气吸式充种结构，只是在投种时利用了气吹原理。郭超永、李旭、廖庆喜等人设计的另外一类油菜精量排种器采用的是气吸和气吹联合排种原理，正压区和负压区通过气室隔板隔开，需要严格的密封性，设计结构复杂，加工制造成本高。

针对谷子具有粒径小、质量轻、形状不规则等特殊的物理特性，研究了一种气吸式谷子精量穴播机，能有效解决吸种型孔堵塞及种子破损问题，且实现谷子精量播种。

1　排种器的结构及原理

1.1　排种器结构

排种器主要由气室体、气室盖、排种盘、中心轴、密封圈、轴承、传动齿轮和清种装置等结构组成，如图1所示。排种盘的一侧为种子室；盛放用于即将播种的谷种，另一侧为气室体，通过密封圈密封。排种盘的吸种孔采用组孔形式：沿圆周方向开有18组圆孔，每组5个吸种圆孔。清种刷用于清除小孔内被吸附的杂质和小粒谷种，避免长期作业后种孔堵塞。挡种刷可阻挡种室内小粒谷种的下漏，同时减少摩擦。

1.挡种刷　2.种室盖　3.清种刷　4.搅籽盘　5.排种盘6.排种轴　7.轴承　8.轴套　9.密封圈　10.气室体　11.驱动齿轮

1.2　排种器工作原理

谷种随排种盘的运动可分为3个工作区段：充种区、携种区及投种区，如图2所示。吸种孔处于种子室的区域时即为充种区。在充种区，由于真空吸力的作用谷种被吸附在吸种孔组上，随排种盘的转动脱离种子室，实现充种；充种完成后，谷种随排种盘经过携种区进入投种区，此时负压消失，在重力作用下，谷种自动落入种沟内；落种区的清种刷将吸孔组内的杂质和小粒谷种清理掉，为下一个循环吸种孔可靠吸附谷种提供可靠保证。

2　试验材料及装置

试验所用材料为包衣谷子8311-14，其物理特性参数如表1所示。试验用装置：不同吸种孔直径的排种器3套，吸种孔直径分别为1.6、1.8、2.0mm。试验设备是JPS-12计算机视觉排种器试验台，如图3所示。

图2　排种器工作原理简图

参数球形度/%千粒质量/g自然休止角/(°)数值97.5314.1624

1.排种器　2.排种器固定架　3.气管　4.传输带

3　试验评价指标

依据文献[18]和[19]，穴距以理论穴距±15mm为合格。若大于1.5倍理论穴距，则为空穴。根据农艺要求，每穴3～5粒谷种，多于5粒或少于3粒为不合格。本试验确定穴粒数合格率、穴距合格率、空穴指数及穴距变异系数为排种器性能评价指标，每行测定不少于30个穴距，测定穴数f=50。

(1)

其中，n为穴数；Xi为各穴距；X为穴距平均值。

当n<30时，式中分母取n-1；当n≥30时，式中分母取n。此处分母取n，且n=f=50。

(2)

(3)

其中，Lh为穴粒数合格的穴数。

(4)

其中，Xh为穴距合格数。

(5)

其中，Kh为空穴数。

本试验中,设定种床带运行速度3km/h，播种距离较长时，理论穴距Xr(mm)为

(6)

式中V—种床带运行速度，V=3km/h。

N—排种盘吸种孔组数，N=18。

4　试验方案及结果分析

4.1　试验方案

试验研究吸种孔经、排种器转速和气室真空度3个主要因素对穴粒数合格指数、穴距合格指数、空穴指数及穴距变异系数的影响，设计3因素3水平正交试验，得到因素影响主次顺序及最优组合。选用正交表L9(34)进行正交试验，正交试验因素水平如表2所示，试验方案如表3所示。其中，第4列为空列，每组试验均重复进行3次。

表2　正交试验3因素3水平安排表

表3　正交试验方案

4.2　结果与分析

4.2.1试验结果

根据表3中的正交试验方案在JPS-12排种器试验台上进行试验，每组试验的3次试验结果取平均值，最终试验结果如表4所示。

表4正交试验结果

Table 4Orthogonal test data %

试验号ABC穴粒数合格指数穴距合格指数空穴指数穴距变异系数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结果分析

1)穴粒数合格指数极差和方差分析。由极差分析(见表5)和方差分析(见表6)可知：排种器穴粒数合格指数受各因素的影响主次顺序依次为气室真空度A>排种器转速B>吸种孔径C，较优水平组合为A3B3C3。气室真空度A对穴粒数合格指数的影响非常显著，排种器转速B和吸种孔径C对穴粒数合格指数的影响显著。

表5　穴粒数合格指数极差分析表

续表5

K1、K2、K3代表各因素列对应水平(1，2，3)的数据之和；k1、k2、k3代表各水平数据的综合平均值；

表6　穴粒数合格指数方差分析表

“***”表示高度显著，“**”表示非常显著，“*”表示显著，无“*”表示不显著。

2)穴距合格指数极差和方差分析。由表极差分析(见表7)和方差分析(见表8)可知：排种器穴距合格指数受各因素的影响主次顺序依次为排种器转速B> 气室真空度A> 吸种孔径C，较优水平组合为A3B3C1或者A3B3C3。排种器转速B对穴距合格指数的影响高度显著，气室真空度A对穴距合格指数的影响非常显著，吸种孔径C对穴距合格指数的影响不显著。

表7　排种器穴距合格指数极差分析表

续表7

K1、K2、K3代表各因素列对应水平(1，2，3)的数据之和；k1、k2、k3代表各水平数据的综合平均值；R代表极差。

3)空穴指数极差和方差分析。由极差分析(见表9)和方差分析(见表10)可知：排种器空穴指数受各因素的影响主次顺序依次为气室真空度A> 排种器转速B> 吸种孔径C，较优水平组合为A3B2(B3)C2(C3)。气室真空度A对空穴指数的影响非常显著，排种轴转速B对空穴指数的影响显著，吸种孔径C对空穴指数的影响不显著。

4)穴距变异系数极差和方差分析。由极差分析(见表11)和方差分析(见表12)可知：排种器穴距变异系数受各因素的影响主次顺序依次为气室真空度A> 排种器转速B> 吸种孔径C，较优水平组合为A3B3C1。气室真空度A和排种轴转速B对穴距变异系数的影响均显著，吸种孔径C对穴距变异系数的影响不显著。

表8　排种器穴距合格指数方差分析表

“***”表示高度显著，“**”表示非常显著，“*”表示显著，无“*”表示不显著。

表9　排种器空穴指数极差分析表

续表9

K1、K2、K3代表各因素列对应水平(1，2，3)的数据之和；k1、k2、k3代表各水平数据的综合平均值；R代表极差。

表10　排种器空穴指数方差分析表

“***”表示高度显著，“**”表示非常显著，“*”表示显著，无“*”表示不显著。

表11穴距变异系数极差分析表

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

项目穴距变异系数/%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

续表11

K1、K2、K3代表各因素列对应水平(1，2，3)的数据之和；k1、k2、k3代表各水平数据的综合平均值；R代表极差。

表12　穴距变异系数方差分析表

“***”表示高度显著，“**”表示非常显著，“*”表示显著，无“*”表示不显著。

通过排种器正交试验可知：气室真空度A对穴粒数合格指数、空穴指数和穴距合格指数的影响非常显著，对穴距变异系数的影响显著，在排种器的设计中需要重点考虑的参数；排种器转速B对穴粒数合格指数的影响高度显著，对穴粒数合格指数、空穴指数和穴距变异系数的影响显著，对播种均匀性起到了关键作用，尤其对穴粒数的农艺要求起到了决定作用；吸种孔径C对穴粒数合格指数的影响显著，对其它指标参数影响不显著。根据易加工原则，在穴粒数指数和穴距变异系数二者中优先考虑穴粒数指数满足农艺要求，较优水平组合为A3B3C3，即吸种孔径真空负压P=-0.8kPa、排种器转速n=30r/min、吸空直径d=2.0mm。

5　优化定型后排种器性能试验

经过正交试验优化定型后的排种器参数为2.0mm的吸种孔径、30r/min的排种轴转速、-0.8kPa真空负压，在种床带速度3.0km/h的情况下进行性能测试。试验重复3次，然后取平均值，试验性能指标结果如表13所示。试验结果满足文献[18]和[19]的行业标准要求。

表13优化后排种器试验性能指标参数

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

性能指标试验号123平均值标准值穴粒数合格指数86849086.67≥80穴距合格指数92888889.33≥80空穴指数2.000.002.001.33≤2穴距变异系数11.499.9512.8411.43≤40

6　结论

1)利用真空负压原理，设计了一种用于包衣谷子穴播的新型排种器，排种器吸孔采用每组多孔的形式，改变了传统谷子条播作业方式，解决了谷子间苗花费大量人工的难题。

2)正交试验研究表明：气室真空度是在排种器的设计中需要重点考虑的参数；排种器转速对播种均匀性起到了关键作用，尤其对穴粒数的农艺要求起到了决定作用。确定较优水平组合为：真空负压-0.8kPa，排种器转速30r/min，排种器转速2.0mm。

3)对优化定型后的谷子排种器进行综合性能测试，穴粒数合格指数、穴距合格指数、空穴指数及穴距变异系数4项性能指标均满足行业标准及农艺要求。