集排式排种器棉种气流输送排种性能试验

齐庆征，倪向东，康施为，卢博，胡斌

(石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

集排式排种器是一个排种部件进行多行排种，实现“一器多行”的精量排种装置[1-3]，它可简化播种单体结构，降低地面振动对排种器工作性能的影响，提高工作效率，完成高速、宽幅播种[4-7].

集排式排种器因其具有较为紧凑的结构形式，故需要较长的输种管以使种子准确、稳定地落入种床之中.倪向东等[8]研制了气吸滚筒式棉花精量排种器，采用阵列吸孔吸种方式，增加滚筒单位转速吸种频率.蓝薇等[9]研制了一种用于玉米精量播种的集中排种系统，试验研究正压力、玉米种子投种初速度、输种管长度和直径等参数对排种器投种均匀性的影响规律.李珊珊等[10]运用负压吸种、携种与正压投种相结合的方法对油菜气力滚筒式精量排种器进行参数优化，并进行了滚筒转速、投种角度、正压压力值对油菜种子株距变异系数影响规律的研究.吕金庆等[11]利用正压气流使马铃薯在投种过程中获得与机具前进方向相反的加速度，探讨了吹种正压和排种器转速对排种器工作性能的影响规律.

综上所述，目前大多数气力式排种器常通过在排种过程中为种子提供正压气流以使其快速通过输种管，增强种子通过输种管时的平顺性，使排种器工作性能较依靠种子自重投种方式更加稳定，均匀性也更好[12-14].但该方法多用在气压式精量排种器或油菜、辣椒等小粒径气吸式排种器，且对于气吸滚筒式排种器多通过在排种滚筒内部添加隔板等方式使其分为负压气室和正压气室[15-19]，增加滚筒内部结构复杂性和加工难度.针对该现状，本文提出一种在排种滚筒外部利用种子自重与正压气流强制投种相结合的排种方式，以适用于集排式棉花排种器，探讨输种管结构参数和正压力对排种性能的影响规律，为集排式播种机的进一步发展提供参考.

1 工作原理

1.1 排种器整体结构

集排式棉花排种器主要由种箱、空心轴、集排滚筒、隔压装置和输种管等组成，其结构如图1和图2所示.

1:机架;2:链轮;3:投种器;4:集排滚筒;5:空心轴；6:种箱；7.负压气室；8:弹簧；9:隔压块.1:Frame；2:Chain wheel；3:Seed deliver；4:Roller；5:Hollow shaft；6:Seed hopper；7:Negative pressure air chamber；8:Spring；9:Pressure block.图1 气吸滚筒式棉花精密排种器结构示意图Figure 1 Structure diagram of pneumatic cylinder seed metering device for cotton

1:A段输种管;2:B段输种管;Ⅰ:充种区;Ⅱ:携种区;Ⅲ：投种区.1：Section A transplantation tube；2：Section B transplantation tube;Ⅰ：Seed spout;Ⅱ：Support;Ⅲ：Seed deliver.图2 输种管结构示意图Figure 2 Structure diagram of seed delivery tube

1.2 工作原理

集排式棉花排种器工作时，由风机产生的负压将棉种从种箱中吸附到集排滚筒的型孔上，在驱动链轮和负压气室的作用下使种子随集排滚筒转动，在到达投种区时，吸附力被隔断消失，棉种在自重和与离心力的作用下落入投种器中，并在到达B段输种管时，受吹种正压的作用下落至种沟，完成排种作业.

2 材料与方法

2.1 试验材料与装置

选取新陆早48号为试验用种，单颗棉种平均3轴尺寸(长×宽×厚)为8.94 mm×5.19 mm×4.82 mm，千粒质量为95.0 g，含水率为5.6%.

利用石河子大学农机实验室搭建的JPS-12型排种器性能检测试验台进行棉种气流输送排种性能试验，所用排种器为气吸滚筒式棉花精密排种器，排种器负压由涡旋气泵提供，输种管吹种正压由JPS-12试验台风机部分提供.输种管倾斜角通过A段与B段之间角度的不同组合进行调节，吹种正压通过排种性能JPS-12排种性能检测试验台上正压控制旋钮进行调节.

图3 棉种气流输送排种性能试验台Figure 3 Experiment table of air flow delivery performance for Cotton seed

2.2 试验方法

根据预试验选取集排滚筒吸种效果最好时的转速15.38 r/min，棉种投种高度650 mm，输种管长度1 000 mm，负压5.04 kPa.并依据文献[20]，选取合格指数Q和漏播指数M作为排种器工作性能优劣的评价指标，选取B段输种管与台架水平面间夹角(即倾斜角)、输种管内径和吹种正压为试验因素.采用Box-Bohnken响应曲面法进行试验设计，每组试验重复3次，取3次结果均值为试验结果.因素水平编码表见表1.

3 结果与分析

3.1 试验方案与结果

试验设计方案与结果见表2.

表1 试验因素水平编码表

表2 试验设计方案与结果

3.2 回归模型方程与显著性检验

采用数据处理软件Design-Expert 12.0.3.0对试验结果进行方差分析与多元回归拟合，得到合格指数、漏播指数与输种管倾斜角、输种管内径、吹种正压之间的二次多项式回归方程.

(1)

(2)

3.3 合格指数回归分析

由表3可知，回归模型拟合度是极显著的(P<0.01)，回归模型失拟项表现为不显著(P>0.05)，说明试验对响应指标有显著影响的主要因素均已考虑到，且回归方程拟合较好，能较准确地反应排种器在实际工作状况下的排种合格指数.

(3)

3.4 漏播指数回归分析

根据表3可知，回归模型拟合度是极显著的(P<0.01)，回归模型失拟项表现为不显著(P>0.05)，说明试验对响应指标有显著影响的主要因素均已考虑到，且回归方程拟合较好，能较准确的反应实际情况下的排种漏播指数.

表3 试验结果及回归方程方差分析

输种管倾斜角X1和输种管内径与吹种正压的交互项X2X3对漏播指数的影响均为显著，其他各项对漏播指数影响相对较小，可不作考虑.得到各因素影响排种漏播指数的因素顺序为输种管内径X2、输种管倾斜角X1、吹种正压X3.剔除不显著项的回归方程为：

(4)

3.5 试验因素对评价指标的影响效应分析

分别固定输种管倾斜角、输种管内径和吹种正压水平为零，探讨另外2因素对排种器工作性能的影响规律.

图4-A、5-A为吹种正压位于中心水平时，输种管倾斜角和输种管内径之间的交互作用对排种合格指数、漏播指数的影响.当输种管内径为16 mm，输种管倾斜角为45°时，漏播指数取得最大值15.2%，合格指数取得最小值73.6%.同一吹种正压下，输种管内径较小时，由于种子尺寸与内径尺寸相近，使棉花种子在输种管内弹跳时与管壁接触的次数增多；输种管内径较大时，种子在流场中占据的截面较小，种子周围的气流速度相对变小，使得种子获得的动能不足以使其快速的通过输种管到达种床.输种管过小或过大均会增加种子在输种管中的运动时间，增加排种的漏播指数和重播指数，降低合格指数.

图4-B、5-B为输种管内径位于中心水平时，吹种正压和输种管倾斜角之间的交互作用对排种合格指数、漏播指数的影响.当输种管倾斜角为45°，吹种正压为1.5 kPa时，漏播指数取得最大值9.8%，合格指数取得最小值83.2%.当吹种正压维持不变，漏播指数在输种管倾斜角较小或较大时取值较高，合格指数在输种管倾斜角较小或较大时取值较低.同一输种管内径，倾斜角较小时，种子需要耗费较多的动能克服其与管壁间的摩擦力；倾斜角较大时，A段输种管与B段输种管间的接触面积增加，使气流向竖直方向上的流动机会变大，种子受到来自吹种正压的动能降低，从而增加排种的漏播指数和重播指数，降低合格指数.

图4-C、5-C为输种管倾斜角位于中心水平时，吹种正压和输种管内径之间的交互作用对排种合格指数、漏播指数的影响.当吹种正压为2.5 kPa，输种管内径为16 mm时，漏播指数取得最大值16.5%，合格指数取得最小值73.4%.当输种管内径维持不变，漏播指数在吹种正压较小或较大时取值较大，合格指数在吹种正压较小或较大时取值较小.同一输种管倾斜角，吹种正压较小时，输种管中流场速度较小，种子在输种管中运动不确定性和运动时间均增加；吹种正压较大时，输种管中气流速度

图4 各因素对合格指数的影响Figure 4 Effect of all factors on qualified index of seed-metering device

图5 各因素对漏播指数的影响Figure 5 Effect of all factors on missing index of seed-metering device

较大，种子离开输种管时速度过快，容易飞出油带之外，增加排种的漏播指数，降低合格指数.

3.6 参数优化与试验验证

当输种管倾斜角为15 ～ 45°，输种管内径为16 ～ 25 mm，吹种正压为1.5 ～ 2.5 kPa时，依据国家标准GB/T 6973-2005《单粒(精密)播种机技术条件》，运用Design-Expert 12.0.3.0软件对影响因素和排种性能指标函数进行优化求解，其目标函数和约束条件为

(5)

得到当输种管倾斜角为28°，输种管内径为22 mm，吹种正压为2.1 kPa时组合获得最优解，在该条件下排种合格指数为94.1%，漏播指数为2.4%.

为了验证优化分析结果的可行性，在最优参数组合状况下进行台架试验验证，根据GB/T 6973-2005单粒(精密)播种机试验方法，试验重复5次，取各指标平均值.台架试验结果表明：合格指数为94.2%，漏播指数为2.2%，与理论预测结果误差在5%以内，说明最佳参数方案可行，可满足棉花播种农艺要求.

4 结论

1) 该气吸滚筒式棉花精量排种器通过在集排滚筒外部设置一可为下落的棉种提供正压气流推动力的输种管，简化排种滚筒内部结构，降低棉种在输送过程中运动状态的不确定性，使排种器在投种高度为650 mm情况下能够满足排种要求.

2) 由3因素3水平Box-Behnken试验结果可知：输种管倾斜角、输种管内径和输种管内径与吹种正压的交互作用对排种合格指数及漏播指数均有显著或极显著影响.

3) 确定各因素最优参数组合为输种管倾斜角28°，输种管内径22 mm，吹种正压2.1 kPa.对最优参数组合进行台架试验验证，试验结果表明，排种器排种合格指数为94.2%，漏播指数为2.2%，与优化结果基本一致.