振动对勺轮式排种器排种性能的影响试验

黄与霞， 韩丹丹， 韩哲， 黄金路， 陈攀， 何彬， 张黎骅

(四川农业大学机电学院,四川 雅安 625000)

随着农业技术的发展，精量播种逐渐成为现代化种植的主要发展方向[1-3]。精量播种机主要用于点播玉米、大豆、棉花等，可将种子按照农艺要求的株距、行距、播量等精确播入土壤，是现代农业机械化重点发展的对象[4-7]。但是，播种机在田间作业时，会因为土壤结构、地表平整度等因素产生振动，播种机在地表作业时的振动属于随机振动，其中播种机前进时的垂直振动尤其显著，导致播种性能降低，影响后续作物的生长和产量[8-10]。排种器是播种机的核心工作部件，播种机的播种质量和工作效率直接受排种器工作性能的影响[11-15]，而播种机工作过程中产生的振动会直接影响排种器的工作性能[16-17]。随着农业机械化的发展，振动测试相关的研究也逐渐被研究学者所关注。张涛等[18]采用离散元方法模拟振动幅值对玉米种群运动速度的影响，为室内排种试验振动幅值的选择提供了依据；黄小姗[19]通过进行玉米免耕播种机排种器振动特性的研究，得出排种器振动频率对播种合格指数的影响更显著；王奇等[20]研究了指夹式玉米免耕精密播种机的振动特性及其对排种性能的影响，结果显示机械振动对播种性能指标合格率、粒距纵向变异系数和横向变异系数有显著性影响；王颖等[21]研究了铲式玉米精密播种机振动对播种质量的影响，结果表明种距变异系数和重播率随着播种机振动强度的增加呈非线性增大；姜鑫铭[22]开展了指夹式排种器在振动条件下的台架试验，试验结果表明，排种器振动频率与振动幅值均对播种合格指数与漏播指数有显著影响，且排种器振动频率比振动幅值对播种合格指数和漏播指数的影响显著。勺轮式玉米排种器排种适用于不同大小的玉米种子[23]，其重播率、漏播率等各项指标均优于国家标准。因此，本研究主要针对勺轮式排种器受垂直方向的振动影响，设计并搭建垂直振动试验台，进行台架试验，分析振动情况下勺轮式排种器的合格率、重播率、漏播率和变异系数等各项指标所受到的影响。

1 振动排种试验台及工作原理

1.1 振动排种试验台

播种机在田间作业时，由于地块不平以及地轮打滑，引发播种机的振动，从而影响播种机的播种效果以及粒距均匀性。播种机在田间工作时受到随机振动，其中垂直振动对排种器工作性能的影响尤为显著，因此，本研究主要针对排种器在垂直方向的振动特性，搭建垂直振动试验台，并将其安装在JPS-12排种器性能检测试验台上，该试验台整体结构如图1所示。

1.步进电机； 2.滑块； 3.弹簧；4.定位轴；5.连杆； 6.曲柄； 7.排种器连接架； 8.勺轮式排种器；9.86步进电机； 10.带轮； 11.控制部分。

该试验台主要由曲柄滑块机构、弹簧、定位轴、排种器连接架、带轮和驱动电机及控制系统组成，其中，电机驱动带轮转动，带轮带动曲柄一起转动，并将其旋转运动转换为滑块的上下线性往复运动；弹簧、定位轴等辅助构件主要为滑块和排种器起到支撑和定位作用；驱动电机和控制系统包括驱动器和触摸屏等，通过触摸屏上输入电机转动频率等参数可以调整振动装置的振动频率；曲柄盘上钻有离中心位置距离不同的连杆的安装孔，可以根据需要选择合适位置的安装孔来调节振动的幅值。

排种器由链轮驱动，传动链轮和驱动电机固定在试验台架上，勺轮式排种器通过排种器连接架与滑块连接，工作时，排种器由链轮驱动并随着曲柄的转动产生上下振动，排种器投种口排出的种子直接掉落在检测试验台的皮带上，最后人工通过JPS-12排种器性能检测试验台统计数据。

1.2 勺轮式排种器整体结构及工作原理

勺轮式排种器主要由导种叶轮、排种勺轮和隔板等部件组成，具体结构如图2所示。

1.进种口；2.导种叶轮； 3.排种勺轮；4.挂接处；5.隔板；6.外壳。

该排种勺轮圆周均匀分布18个种勺，导种叶轮凹槽数为18个，排种勺轮与导种叶轮同步转动，种勺与凹槽位置一一对应且均匀分布。勺轮式排种器结构紧凑，传动比较简单，是目前农业生产中常用的机械式排种器。

勺轮式排种器工作原理如图3所示。勺轮式排种器工作时，种子经排种器前壳上的进种口进入充种区，主轴带动导种叶轮和排种勺轮同时转动，种子由于自身重力以及种群之间的相互作用充入型孔，排种勺轮继续转动，进入清种区，在重力和离心力的共同作用下，多余的种子将掉回到充种区，当带有种子的种勺转动到排种器顶端时，种子因重力原因掉入隔板开口对应的导种槽内，随着导种叶轮转动经过护种区进入投种区，在重力和离心力的共同作用下，种子落入种沟完成投种。整个工作过程可分为充种、清种、递种、护种、投种5个工序[24-25]。

Ⅰ.充种区； Ⅱ.清种区；Ⅲ.递种区；Ⅳ.护种区；Ⅴ.投种区。

2 振动排种性能试验

2.1 工作速度对排种性能的影响试验

测试振动对勺轮式排种器排种性能的影响时，播种机在田间工作时，其播种性能除受振动影响，还与工作速度有关。因此，本文优先进行勺轮式排种器在无振动情况下的试验研究，测试不同工作速度条件下的排种性能指标，选取播种机(即种床带)工作速度为2、3、4、5、6、7 km·h-1，理论粒距为21 cm。试验样本为250个，重复试验3次，分别计算出试验指标变异系数、重播率、漏播率和合格率，并取3组重复试验结果的平均值。

其中，变异系数为：

(1)

合格率为：

(2)

重播率为：

(3)

漏播率为：

(4)

式中：V、Q、M和L分别为变异系数、合格率、重播率和漏播率；SD为粒距标准偏差；MN为粒距平均值；n1、n2、n3、N分别为种子合格数、重播数、漏播数和总数。

试验结果如表1所示。在没有振动的情况下，勺轮式排种器在工作速度为2～7 km·h-1工作时，随着工作速度的增加，其排种合格率逐渐降低，在7 km·h-1的时候，其合格率明显降低到90 %下，其他工作速度时均保持90 %以上；变异系数随着工作速度的增加逐渐增加，且在工作速度为6 km·h-1时超过了30 %；重播率及漏播率随工作速度的增加也在逐渐增加。综合多个排种性能评价指标来看，工作速度为2～5 km·h-1时效果较优，由于工作速度为2 km·h-1时，播种机在田间的作业速度较低，工作效率不高，因此本次振动试验选取工作速度为3～5 km·h-1。

表1 不同工作速度下的排种性能指标结果Table 1 Seeding performance index results under different working speeds

2.2 3因素3水平响应面试验分析

由于播种机在田间所受振动幅值较大，频率也比较低。因此，本试验分别选取振动频率为0.5、0.8、1.1 Hz，振动幅值为5、10、15 mm，工作速度为3、4、5 km·h-1。试验因素及水平设计如表2所示。

表2 试验因素及水平Table 2 Test factors and levels

为体现不同工作速度条件下振动对勺轮式排种器排种性能的影响变化，分别选取变异系数、重播率、漏播率、合格率为评价指标 。其中，变异系数和漏播率可以反映排种器所排出种子的离散性、均匀性，此2个指标越大说明种子间距差距越大；重播率和合格率可反映排种器排种性能的好坏，重播率越低，合格率越高，说明排种器排种性能越好。

以振动频率、振动幅值、工作速度3个为影响因子，变异系数、重播率、漏播率、合格率为响应值，采用Design-Expert 12软件中的Box-behnken试验原理，设计3因素3水平的试验方案，试验设计及结果如表3所示。

表3 试验结果Table 3 Test results

根据不同条件下得到的重播率、漏播率、合格率、变异系数数值，对影响重播率、漏播率、合格率、变异系数的因素进行方差分析，结果分别如表4～表7所示。

表4 影响重播率因素的方差分析Table 4 Analysis of variance of factors affecting over-sowing rate

续表4 Contining table 4

Note: P<0.01(highlysignificant，**)，P<0.05(significant，*).Thesameasbelow.

从表4影响重播率因素的方差分析可得重播率模型P值小于0.05，表明建立的回归模型显著，失拟项P值大于0.05，失拟不显著，表明模型误差小，该模型可用于对重播率的预测[26-27]。该回归模型中，B对重播率的影响极其显著，C、AB、BC对重播率的影响显著，其余因素对重播率的影响不显著。各因素对重播率的影响程度为B(振动幅值)>C(工作速度)>A(振动频率)。

利用Design-Expert软件中的ANOVA功能，得出振动频率、振动幅值和工作速度对重播率影响的回归模型为：

Y1=6.66+0.568 7A+2.16B-1.97C+2.33AB-0.86AC-2.64BC+0.250 5A2+0.863B2+C2

(5)

式中：Y1为重播率，A、B、C分别为振动频率、振动幅值、工作速度。

为直观反映不同交互作用对重播率的影响，各因素间的交互作用响应曲面如图4所示。图4(a)中，振动频率一定时，重播率随着振动幅值的增加呈现上升的趋势，这是由于排种器在工作时，振动幅值越大导致相邻种子脱离排种器的位置距离和时间差越大，重播率增加。图4(b)中，当工作速度达到5km·h-1时，振动频率增加，重播率缓慢降低，这是由于高的工作速度缩短了种子脱离排种器的时间差。图4(c)中，当工作速度为3km·h-1时，重播率随着振动幅值的增加而增加，排种器在低速高振幅条件下工作时，易出现相邻种子距离很近的现象，而当振动幅值为15mm时，重播率随着工作速度的增加开始出现下降的趋势。

图4 振动频率A、振动幅值B、工作速度C交互作用对重播率的影响Fig.4 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the over-sowing rate

表5影响漏播率因素的方差分析可得漏播率模型P值小于0.01，表明建立的回归模型极显著，失拟项P值大于0.05，失拟不显著，表明模型误差小，该模型可用于对漏播率的预测。该回归模型中，A、B、C、AB、AC、B2对漏播率的影响极其显著，其余因素对漏播率的影响不显著。各因素对漏播率的影响程度为B(振动幅值)>A(振动频率)>C(工作速度)。

表5 影响漏播率因素的方差分析Table 5 Variance analysis of factors affecting missed-sowing rate

利用Design-Expert软件中的ANOVA功能，得出振动频率、振动幅值和工作速度对漏播率影响的回归模型为：

Y2=1.13+4.1A+5.34B-2.35C+4.67AB-3.03AC-1.89BC+1.64A2+4.22B2+1.64C2

(6)

式中：Y2为漏播率，A、B、C分别为振动频率、振动幅值、工作速度。

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为直观反映不同交互作用对漏播率的影响，各因素间的交互作用响应曲面如图5所示，图5(a)中，振动幅值为15 mm、振动频率为1.1 Hz时，漏播率随着振动频率或振动幅值的增加显著上升，这是由于排种器在工作时需要一定的清种时间，当排种器受到较高频率和较高振幅的振动时，种勺上的种子因为高频率高振幅的振动而产生掉落，无法匀速排种，导致漏播。图5(b)和图5(c)中，工作速度为3 km·h-1时，漏播率随着振动幅值和振动频率的增加而增加，在振动幅值为15 mm时，振动频率为1.1 Hz时，漏播率随着工作速度增加逐渐下降，这是由于高的工作速度使排种器在工作时快速转动，清种时间缩短，种子掉落几率降低。

图5 振动频率A、振动幅值B、工作速度C交互作用对漏播率的影响Fig.5 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the miss-sowing rate

表6影响合格率因素的方差分析可得合格率模型P值小于0.01，表明建立的回归模型极显著，失拟项P值大于0.05，失拟不显著，表明模型误差小，该模型可用于对合格率的预测。该回归模型中，除A2对合格率的影响显著，其他项对合格率的影响均极显著。3个因素对合格率均有相同的极显著性影响。

利用Design-Expert软件中的ANOVA功能，得出振动频率、振动幅值和工作速度对合格率影响的回归模型为：

Y3=92.2-4.67A-7.49B+4.32C-7AB+3.89AC+4.52BC-1.89A2-5.08B2-2.64C2

(7)

式中:Y3为合格率，A、B、C分别为振动频率、振动幅值、工作速度。

表6 影响合格率因素的方差分析Table 6 Analysis of variance of factors affecting qualification rate

为直观反映不同交互作用对合格率的影响，各因素间的交互作用响应曲面如图6所示。图6(a)中，当振动频率为1.1 Hz时，合格率随着振动幅值的增加呈现下降的趋势，当振动幅值为15 mm时，合格率随着振动频率的增加呈现下降的趋势，当2个因素均达到最大值时，合格率最小。图6(b)中，工作速度在3 km·h-1的时候，合格率随着振动频率增加而下降；振动频率在1.1 Hz的时候，合格率随着工作速度增加而增加。图6(c)中，当工作速度为3 km·h-1时，合格率随着振动幅值的增加而下降，在振动幅值为10～15 mm时下降趋势明显。综上所述，工作速度较低时，当排种器受到高频率高振幅的振动时会导致漏播率和重播率上升，合格率下降。

图6 振动频率A、振动幅值B、工作速度C交互作用对合格率的影响Fig.6 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the qualified rate

从表7影响变异系数因素的方差分析可得，变异系数模型P值小于0.01，表明建立的回归模型极显著，失拟项P值大于0.05，失拟不显著，表明模型误差小，该模型可用于对变异系数的预测。该回归模型中，B、C对变异系数的影响极其显著，A、AB、AC、B2对变异系数的影响显著，BC、A2、C2对变异系数的影响不显著。各因素对变异系数的影响程度为B(振动幅值)>C(工作速度)>A(振动频率)。

利用Design-Expert软件中的ANOVA功能，得出振动频率、振动幅值和工作速度对变异系数影响的回归模型为：

Y4=35.08+3.38A+8.5B-5.23C+5.38AB-3.94AC-1.9BC+0.490 3A2+3.64B2+1.31C2

(8)

式中：Y4为变异系数，A、B、C分别为振动频率、振动幅值、工作速度。

表7 影响变异系数因素的方差分析Table 7 Analysis of variance of factors affecting coefficient of variation

为直观反映不同交互作用对变异系数率的影响，各因素间的交互作用3D响应面如图7所示。图7(a)中，振动频率固定不变时，变异系数随着振动幅值的增加而增加，且在振动频率和振动幅值为最大值时达到峰值。图7(b)中，工作速度在3～4 km·h-1时，变异系数随着振动频率增加而增加，工作速度为5 km·h-1时，变异系数随着振动频率的增加呈缓慢下降趋势。图7(c)中，当工作速度固定在某个水平时，变异系数随着振动幅值的增加而增加，当振动幅值固定在15 mm时，变异系数随工作速度的增加出现下降，且在工作速度为最低值、振动幅值为最大值时，变异系数最大。勺轮式排种器在受垂直振动的情况进行工作时，变异系数与重播率和漏播率密切相关，由于重播率、漏播率因低速高频高振幅的振动发生变化而变化。因此，变异系数也产生变化。

图7 振动频率A、振动幅值B、工作速度C交互作用对变异系数的影响 Fig.7 The effect of the interaction of vibration frequency A, vibration amplitude B, and working speed C on the coefficient of variation

3 结论

1)通过进行工作速度单因素的试验，确定勺轮式排种器在工作速度为2～5 km·h-1排种性能较好，合格率均超过90 %。

2)搭建振动排种试验台，通过3因素3水平响应试验，得出勺轮式排种器在受到垂直振动时，振动幅值和工作速度对4个评价指标均有显著影响，振动频率对除重播率外其他3个因素均有显著影响。对于重播率，各因素影响程度从大到小依次为：振动幅值、工作速度、振动频率；对于漏播率，各因素影响程度从大到小依次为振动幅值、振动频率、工作速度。对于合格率，各因素影响程度相同，均有极显著影响；对于变异系数，各因素影响程度从大到小依次为振动幅值、工作速度、振动频率。同一工作速度时，振动幅值越大、振动频率越高，漏播率、重播率和变异系数越大，合格率越低。

3)本研究进行勺轮式排种器的振动试验时，排种器是由链条传动，在垂直振动条件下进行排种时，排种器作往复直线运动，链条也随着排种器上下运动，导致在振动极限位置时，链条无法工作，排种勺轮无法转动，所以在有振动情况下，通过改变排种器的驱动方式，使其由链条驱动改为电机驱动排种器转动，将有效改善振动对排种器工作性能的影响。

4)排种器在清种过程中由于受到振动容易导致种子掉落，造成漏播。因此，可以将排种器种勺形状进行改变，防止种子掉回充种区。