新型荞麦排种器排种性能

茹孟菲，张 静，刘 煜，孙 扬，郑德聪

(山西农业大学工学院，山西 太谷030801)

0 引言

近年来随着荞麦药用价值的不断开发，其种植面积不断增加，而目前市面上的荞麦专用播种机极少，这将在很大程度上限制荞麦的发展[1]。赤峰市农牧科学研究院研制的大垄双行荞麦播种机，以及西南大学研究的移动式外槽轮荞麦排种器是为数不多的荞麦专用播种机[2-3]。现阶段多数农民仍然采用传统的撒播或者简易改装的条播机，给随后的机械收获作业增加了难度。荞麦属于中小籽粒作物，华中农业大学研究的离心集排式油菜排种器实现了小籽粒油菜的高速宽幅作业，山西农业大学研制的倾斜圆盘排种装置实现了小籽粒的精少量播种[4-5]。

针对荞麦排种器的缺乏以及传统排种器在高速排种时会出现断条现象，研究了一种新型排种器，以解决传统排种器高速作业时出现的断条现象，并且能够实现一器双行播种，有利于排种器的编组，减少了工作单体。

1 排种器结构及原理

荞麦排种器主要由排种轴、排种轮及输种管等组成，如图1所示。

工作时，电机带动排种带轮旋转进而使排种轮旋转，同时种子由种箱和输种管进入排种轮型孔并随其转动。多余的种子在此过程中会被输种管的侧壁刮下。型孔中的种子在转过输种管后仍受到离心力的作用，使其被压在型孔中，从而实现护种。当型孔转至出种孔的位置时在力的作用下种子离开排种器，完成排种。

表1 荞麦排种器技术性能指标

2 试验设计

2.1试验材料与设备

此次试验材料为红山荞麦，含水率为10.69%±0.38%，千粒质量为(31.79±0.77)g，休止角为27.27°±0.53°[7]。

试验设备包括JPS-12型计算机视觉排种器试验台、CP1502型分析天平(分度值0.01 g)及接种盒。其中JPS-12型试验台种床带速度为1.5～12.0 kmh，最高排种轴转速为360 rmin，能够满足试验需求[8]。

2.2排种性能检测

以平均排量、各行排量一致性、总排量稳定性、播量均匀性以及破碎率为试验指标。以排种轴转速、阻种套单排孔数量和种床带速度为试验因素，进行排种性能检测试验，并获取排种轴转速和种床带速度与各项试验指标之间的函数关系[9]。其中排种轴转速对平均排量、各行排量一致性、总排量稳定性及种子破碎率有影响，阻种套单排孔数量对平均排量、总排量稳定性有影响，种床带速度对播量均匀性和平均排量有影响。

2.2.1平均排量

将排种器两个出种孔排出的种子分别用接种盒收集起来并取其中一行称质量，排种时间为30 s。转速范围是110～200 rmin，共取10个水平，每水平重复5次，使用式(1)计算各行平均排量。

(1)

式中N——重复次数，N=5

qi——第i行平均排量，g

qij——第i行第j次排量，g

2.2.2各行排量一致性

将两个接种盒收集的种子全部称质量，利用式(2)～(4)计算各行排量的标准差和变异系数[10]。

(2)

(3)

(4)

式中n——测量行数，n=2

Sqi——各行排量一致性的标准差

∂i——各行排量一致性变异系数

2.2.3总排量稳定性

将两行的种子收集在一起称质量，分别利用式(5)～(7)计算其标准差和变异系数[10]。

(5)

(6)

(7)

式中Qj——第j次测量时总排量，g

∂j——总排量稳定性变异系数

2.2.4播量均匀性

在排出的种子平稳落到油带上后，记录种床带两侧机架上每隔100 mm区间内种子数量，共记录30个区间，利用式(8)～(10)计算标准差和变异系数。

(8)

(9)

(10)

式中u——区间数，u=30

Pir——第i行第r区间的种子粒数

∂——播量稳定性变异系数

2.2.5种子破碎率

每组排种时间为45 s，重复3次，将排出的种子收集起来从中选取100 g并测出其破碎率，减去原始破碎率从而得到真实的种子破碎率[11]。

2.3试验设计

本试验研究排种轴转速、阻种套单排孔数量和种床带速度对排量的影响，并使用方差分析法检验显著性。

(1)排种轴转速试验。本试验使用各行排量一致性的数据，无须进行单独试验。

(2)阻种套单排孔数量。本试验的变量为阻种套单排孔数量，在160 rmin、0 kmh的条件下通过改变孔的数量来影响排量的大小。用接种盒收集排种器排出的种子并取其中1行测量排量大小，每组重复5次。

3 结果与分析

3.1排种性能

3.1.1排种轴转速的影响

由图2可知，平均排量随着转速增加而增加，在110～150 rmin范围内增加缓慢；150～180 rmin范围内排量陡增；180～200 rmin范围内增速减小。排种轮孔中种子的多少取决于两个因素：离心力大小和孔深度。转速较低时离心力较小，当种孔转到上方时会有一部分种子从孔中抛出从而导致型孔无法被完全充满，所以当转速在110～150 rmin时，排量的增加主要是因为转速提高。当转速处于150～180 rmin时排量陡增，这是由于离心力增大使得种子逐渐充满种孔从而导致排量陡增。当转速处于180～200 rmin范围时，由于型孔所能容纳的种子数量基本固定，故此阶段排量增加的原因为转速提高。平均排量Y1和排种轴转速x1之间的函数关系如式(11)所示[12]。

(11)

(P<0.000 1R2=0.983 8)

由图3可知，随着转速的增加各行排量一致性变异系数呈先增大后减小趋势。从150 rmin开始各行排量一致性变异系数符合要求，200 rmin时该值达到最低。转速较低时离心力较小，各型孔内种子数量不同，因此在120 rmin时变异系数突增为正常现象。转速x1和各行排量一致性变异系数Y2之间的函数关系如式(12)所示。

(12)

(P<0.000 1R2=0.989 9)

由图4可知，随着转速的升高总排量一致性变异系数下降，在170～180 rmin时又有略微的上升，但仍符合要求。这是因为随着转速的升高离心力增大，在孔中留存的种子数量是固定的，所以该系数会随着转速的升高而降低。转速x1和总排量一致性变异系数Y3之间的函数关系如式(13)所示。

(13)

(P<0.000 1R2=0.995 5)

由图5可知，随着转速的升高种子破碎率不断增加。这是由于转速的增加加剧了种子间的挤压、碰撞及种子和排种器之间的碰撞，故破碎的种子越来越多。当转速为110 rmin时破碎率是0.14%，转速200 rmin时破碎率达到0.79%。转速x1和破碎率Y4之间的函数关系如式(14)所示。

(14)

(P=0.000 6R2=0.968 2)

3.1.2阻种套单排孔数量的影响

3.1.3种床带速度的影响

由图8可知，随着种床带速度的增加播量均匀性变异系数不断升高，当转速达到150 rmin、速度为4 kmh时该值最小，速度为8 kmh时播量均匀性变异系数达到最大超出标准的要求；当转速达到190 rmin，速度为6 kmh时该值最小，速度为10 kmh时播量均匀性变异系数超出性能指标要求。在相同时间内排出的种子数量是固定的，而种床带速度不断增长，因此在每个区间内的种子数减少从而导致播量均匀性变异系数上升。种床带速度x2和播种均匀性变异系数Y5两者之间的函数关系如式(15)所示。

(15)

(P=0.027 4R2=0.999 5)

3.2方差分析

3.2.1转速对排量的影响

对转速试验进行方差分析。由表2可知，在0.01水平上转速对排量影响极其显著(p<0.000 1，R2=0.986 2)。0.01和0.05水平的邓肯均值多重比较结果如表3所示，在0.05水平上200 rmin的排量、190 rmin和180 rmin的排量、170 rmin的排量、160 rmin的排量、150 rmin的排量、140 rmin和130 rmin的排量、130 rmin和120 rmin的排量、110 rmin的排量之间有显著的差异；190 rmin和180 rmin的排量、130 rmin和120 rmin的排量差异不显著。在0.01水平上200 rmin和190 rmin的排量、190 rmin和180 rmin的排量及140 rmin、130 rmin和120 rmin的排量没有显著差异。

表2 转速对排量的方差分析

Tab.2 Variance analysis of rotational speed versus average displacement

方差来源平方和自由度均方F值Pr>F模型3 514.2099390.467317.14<0.000 1误差49.248401.231总和3 563.45749R2=0.986 2

表3 转速对排量的均值多重比较

注：同列不同字母表示差异极显著，下同

3.2.2阻种套单排孔数量对排量的影响

对阻种套单排孔数量试验进行方差分析，结果如表4所示。由表4可知，在0.01水平上阻种套单排孔数量对排量有极显著的影响(p<0.000 1，R2=0.999 0)。0.01和0.05水平的邓肯均值多重比较结果如表5所示，可知3孔、6孔和12孔之间的排量差异显著。

表4 阻种套单排孔数量对排量的方差分析

Tab.4 Variance analysis of rotational speed versus average displacement

方差来源平方和自由度均方F值Pr>F模型11 539.85625 697.9286 266.89<0.000 1误差11.048 40120.927 0总和11 550.904 914R2=0.999 0

表5 阻种套单排孔数量对排量的均值多重比较

3.2.3种床带速度对排量的影响

对种床带速度试验进行方差分析可得表6，在0.01水平上种床带速度对排量有极显著的影响(p<0.000 1，R2=0.967 5)。均值多重比较结果如表7所示，可知任意两个变量之间的效应差异都是显著的。

表6 种床带速度对排量的方差分析

Tab.6 Variance analysis of rotational speed versus average displacement

方差来源平方和自由度DF均方F值Pr>F模型51.511 7412.877 9148.82<0.000 1误差1.730 6200.086 5总和53.242 524R2=0.967 5

表7 种床带速度对排量的均值多重比较

4 结论

本文研究了转速、阻种套单排孔数量和种床带速度对荞麦排种器排种性能的影响规律，并对各因素对排种性能的影响显著性进行了方差分析，结果如下。

(2)转速、阻种套单排孔数量和种床带速度对排种器的排量有极其显著影响。