气吸式玉米精量排种器性能试验研究

牟忠秋，衣淑娟，李衣菲，毛 欣，陶桂香

(黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319)

0 引言

我国地域辽阔，农业生产历来是固国安民之要。为了解决人民的温饱问题，我国对粮食生产率的要求越发严格[1]，播种机的出现大大提高了传统耕作的生产效率[2]。气吸式播种机是众多播种机的一种，其关键部件是排种器。气吸式排种器可以用于穴播和点播，通过调节排种盘的直径、孔的大小及传动比，实现不同农作物的播种；且它对种子外形尺寸没有多少要求，对种子的自身伤害很低，并且可以在播种作业速度很高的情况下进行播种。

研究表明：气吸式玉米精量排种器不仅受内在因素的干扰，如吸孔直径、吸孔数目、排种盘大小等，而且还受外在因素的影响，如播种作业速度、气吸室真空度和投种高度等[3]。 想要使播种机的工作效率达到最高，必须选取正确、合适的排种器参数。

为了实现高效播种，提高气吸式播种机排种器的排种效率，本文进行了性能测试[4]，并研究了气吸式排种器的播种作业速度及吸室真空度等因素对其排种性能的影响，分析影响因素的主次，同时进行了正交试验的方差分析，确定了最优参数组合[5]。

1 气吸式排种器的结构及原理

气吸式排种器由吸气室、排种室、种子室、刮种器、 搅种器，以及吸气管等组成，如图1所示。吸种孔均匀地分布在排种盘上，在排种盘上还设有搅种器[6]，目的是为了防止种子不被吸到排种孔上，导致漏播的出现[7]。 其左侧为充种室，与种箱相连；右侧是真空室，风机为其提供负压，使一个或者多个种子成功被吸附。当地轮驱动圆盘转动时，由于受真空度大小的影响，吸孔可能会吸附两粒或多粒玉米种子，此时刮种器1将多余的种子刮掉，只留下单粒种子，防止重播的出现[8]；当种子随圆盘转至开沟器正上方时，由于真空室的吸力消失，种子在重力的作用下掉入曲线导种管中[9]。曲线导种管的作用是引导种子，当种子从管中滑落时会有一个向后的分速度，这个分速度与整机作业向前的速度抵消，使得种子的实际速度为零时落种，从而保证了种子在输送带上均匀分布。

1.刮种器 2.充种 3.排种圆盘 4.真空室 5.吸孔 6.吸气管

2 试验材料与方法

2.1 试验材料与设备

本试验选用的排种器型孔数为33孔， 型孔分布圆直径为260mm。试验研究对象选用先玉335玉米种子，试验前随机抽选250粒玉米种子，测量其尺寸特征，如表1所示。在其他影响因素不变的情况下，观察不同的播种作业速度、投种高度及真空度对排种的性能指标(合格率、漏播率、重播率)的影响[10]。 本试验于2017年12月在土槽实验室进行，试验选择气吸式排种器[11]， 测试设备采用JPS-12型试验台，其工作性能指标如表2所示。

表1 玉米种子的尺寸参数

表2 JPS-12 型试验台性能指标

2.2 试验方法

试验过程中，JPS-12型试验台模拟播种机的田间作业，传送带模拟种床[12]。试验台综合控制柜控制传送带运动，排种器、油泵及油刷固定不动。当传送带、排种轴、油泵以及风机都启动后，气吸式排种器把玉米种子投到运动着的传送带的油层上，被黏住的种子跟随传送带向前运动，从而测得种子粒距[13]。试验选取250粒玉米种子为统计样本，重复3次试验，最后的通过计算取平均值。排种数据的收集和处理完全由计算机视觉系统来完成，降低了人为误差的影响。试验指标要依据《GB/ T6973-2005单粒(精密)播种机试验方法》，如果两粒种子之间的粒距≥1.5Xr(Xr为理论粒距)时为漏播；当粒距<0.5Xr时为重播；当粒距在0.5～1.5Xr之间时为合格[14]。

2.3 单因素试验

影响排种合格率的因素有很多，如投种高度、吸室真空度、播种作业速度、排种盘孔径及数量等[15]。在排种盘孔径以及孔数保持不变的情况下，研究不同投种高度、作业速度及真空度对其造成的影响，现场试验如图2所示。

图2 现场试验图

2.3.1 播种作业速度对排种质量的影响

在吸室真空度和投种高度分别为4kPa和100mm的条件下，取不同的作业速度来检测排种器的性能。试验中选取9个作业速度依次为2、3、4、5、6、7、8、9、10km/h。当JPS-12型试验台的各项因素都达到稳定状态时，选取250粒玉米种子作为样本，计算其各项指标的比例，试验结果如图3所示。

图3 作业速度对排种性能的影响曲线

由图3可知：作业速度对排种器的影响是使播种合格率先升高后降低，而对其他两个指标的影响正好相反，当播种的作业速度达到7km/h时，合格率最高。这种现象由于开始的播种速度太低，使得排种盘转速很低，在相同的真空度和高度时，吸种时间过长，所以导致重播率很高，合格率相比之下较低；当播种的作业速度达到最佳状态之后再继续升高时，种子所受的离心力就会变大，此时种子所需的负压也会变大，当真空度和高度一定时，种子由于排种盘转速太快而导致有的吸孔无种子就旋转过去，此时漏播现象就会出现，即漏播率升高。

2.3.2 气吸室真空度对排种质量的影响

在播种作业速度和投种高度分别为6km/h和100mm的条件下，取不同的真空度来检测排种器的性能。试验中选取9个真空度依次为2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6kPa。当JPS-12型试验台的各项因素都达到稳定状态时，选取250粒玉米种子作为样本，计算其各项指标的比例，试验结果如图4所示。

图4 吸室真空度对排种性能的影响曲线

由图4可知：当播种作业速度和投种高度分别为6km/h和100mm时，在不同的真空度下得出：随着真空度的提高，合格率有先上升又下降的趋势；当吸室的真空度为4.5kPa左右时，作业的合格率最高。这种现象原因是当真空度过低时，种子自身的重力远远大于排种孔的吸附力，使得某些吸孔吸不到种子，从而导致的漏播变多，反之则重播变多；当吸室真空度达到一定值时，其重播率和漏播率会最低，这时其合格率会最高，达到最佳状态。

2.3.3 投种高度对排种质量的影响

投种高度是投种时间长短的重要参数之一。 在播种作业速度和吸室真空度分别为6km/h和4kPa的条件下，取不同的投种高度来检测排种器的性能。 试验中选取7个投种高度依次为100、150、200、250、300、350、400mm。当JPS-12型试验台的各项因素都达到稳定状态时，选取250粒玉米种子作为样本，计算其各项指标的比例，试验结果如图5所示。

图5 排种器高度对排种性能的影响曲线

由图5可以看出：当真空度为4kPa、播种作业速度为6km/h时，随着高度的增长，合格率明显下降；而另外两个指标都有上升的趋势。试验中，从传送带上种子的分布情况可以观察出：排种过程中种子不仅会受到外界空气阻力的干扰，而且导种管自身也会影响种子的路径，对排出的种子是否均匀产生一定影响。当投种高度越高时，种子受到外界的影响就会越大，此时排出的种子均匀性会差。 因此，排种时应尽量选取适当的投种高度及适当的导种管长度。

2.4 正交试验设计

由上述的单因素试验数据处理分析得知：当作业速度在5～8km/h之间、吸室真空度在3.5～5kPa之间，投种高度在100～250mm之间时试验指标较好。为了进一步确定以上3种影响因素的主次及参数的最优组合，正交试验时选取播种作业速度、吸室真空度和投种高度设计3因素4水平的正交设计，如表3所示。本文选用L16(43)正交表，试验方案及试验结果如表4所示。试验结果如表5所示。

表3 正交试验因素水平编码表

续表3

表4 试验方案及试验结果

由表5试验结果分析可知：播种作业速度A、吸室真空度B以及投种高度C影响排种合格率X的顺序为B>A>C，最优组合为B3A3C1；影响重播率Y的是B>A>C，最优组合为B3A3C1；影响漏播率Z的是C>B>A，最优组合为C4B1A4。根据以上分析以及综合考虑，最后得出本试验的最优因素组合为B3A3C1。试验结果：当播种作业速度、吸室真空度、投种高度分别为7km/h、4.5kPa、100mm时，试验的指标最好，即玉米的合格率是97.78%，重播率是0.98%，漏播率是1.24%。

为了确定播种作业速度、吸室真空度以及投种高度对播种质量的影响程度，本文对试验得出的数据进行了方差分析，如表6所示。

从表6的方差分析可以看出：在置信度为90%的情况下，播种作业速度和吸室真空度都对排种的3个指标呈显著状态，投种高度对重播率呈显著状态，说明这3个影响因素都对排种质量都有显著影响。

表5 试验结果分析

表6 方差分析

3 结论

1)当真空度和投种高度一定的情况下，随着播种作业速度的增加，排种器的合格率呈现上升趋势，到达7km/h时排种效果达到最佳，当继续增加播种的作业速度，排种效果又开始呈下降趋势。

2)当播种作业速度和投种高度一定时，由于吸室负压的增大，排种器的排种精度呈上升的趋势，漏播率由于吸力变强而明显降低，但重播率此时也略有上升。当其数值达到4.5kPa时，播种效果相比之下最好；当吸室的真空度再继续上升后，排种的精度又明显变差。

3)当播种作业速度和真空度不变时，随着种子下落高度的增加，排种器的精度呈现变差的现象；当种子下落的高度在100～250mm区间内时，排种器的精度较好。

4)通过正交试验的方差分析得出：影响气吸式排种器性能的主要因素是吸室真空度，由spss软件数据分析得出了排种的最优组合为：作业速度、吸室真空度、投种高度分别是7km/h、4.5kPa、100mm时，玉米的合格率可高达97.78%，重播率、漏播率分别是0.98%、1.24%。