寬苗帶勾型窩眼輪式小麥精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

劉彩玲 魏 丹 都 鑫 姜 萌 宋建農(nóng) 張福印

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100083)

0 引言

小麥?zhǔn)俏覈?guó)主要糧食作物之一，在我國(guó)糧食生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位[1]。小麥精密播種高產(chǎn)栽培相對(duì)于傳統(tǒng)的密集條播作業(yè)可減少基本苗，建立合理群體結(jié)構(gòu)，培育壯苗，具有節(jié)省良種、降低成本、提高產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益的作用，因此近年來(lái)出現(xiàn)了小麥單粒播種、寬苗帶等種植新農(nóng)藝，從農(nóng)藝上降低每穴種子粒數(shù)，使種子排布均勻，個(gè)體占地空間大，減少植株間水、肥、光、熱的競(jìng)爭(zhēng)，進(jìn)而提高產(chǎn)量[2-4]。

排種器是實(shí)現(xiàn)精密播種作業(yè)的關(guān)鍵部件，我國(guó)學(xué)者從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制小麥精密排種器，先后研制出水平環(huán)槽式、雙輥傾斜輪孔式、錐盤式、內(nèi)充種輪式、傾斜外槽輪上排種式、新型組合吸孔式等多種小麥精密排種器[5-7]。我國(guó)小麥精密播種技術(shù)沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，主要原因在于沒(méi)有合適的精密排種器，分析其原因，像玉米、大豆等近圓形的大粒種子已基本上實(shí)現(xiàn)了單粒精密播種[8-13]，但對(duì)于小麥這種非圓紡錘形種子，充種過(guò)程復(fù)雜且具有不確定性，因此提高每穴播種精度，降低空穴率，實(shí)現(xiàn)低播量精密播種仍是目前非圓種子精密播種研究的難點(diǎn)[14]。

小麥寬苗帶播種栽培是山東農(nóng)業(yè)大學(xué)余松烈院士首先提出的高產(chǎn)栽培技術(shù)，該技術(shù)以擴(kuò)大播種幅寬、增加行距、促進(jìn)均勻播種為核心，改條播小麥為寬苗帶精量播種，目前寬苗帶播種機(jī)中常應(yīng)用以條播或半條播為主的外槽輪、錐盤式排種器，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低，但播種均勻性不理想,仍然不能解決苗帶內(nèi)小麥種子均勻分布的問(wèn)題，因此研究設(shè)計(jì)一種適合寬苗帶種植農(nóng)藝的小麥精密排種器，提高行內(nèi)種子分布均勻性是當(dāng)前寬苗帶小麥精密種植急需解決的問(wèn)題[15-18]。

為此，提出一種勾型窩眼輪式寬苗帶小麥精量排種器，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和排種器工作性能的虛擬仿真分析，并通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，以期為寬苗帶小麥精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 工作原理與參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)與工作原理

勾型窩眼輪式排種器由排種盒、排種輪、種層厚度調(diào)節(jié)裝置、清種毛刷、護(hù)種曲板和輸種槽組成，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，排種輪上設(shè)計(jì)勾型窩眼，根據(jù)寬苗帶種植要求設(shè)計(jì)苗帶寬8 cm，排種輪上有4排窩眼。

圖1 勾型窩眼輪式排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of hook-hole type seed-metering device1.排種盒 2.護(hù)種曲板 3.清種毛刷 4.種層厚度調(diào)節(jié)板 5.排種輪 6.擋種板 7.剛性卡片 8.輸種槽 9.下種杯

種子在重力及種間作用力的作用下充入勾型窩眼，清種毛刷清除窩眼內(nèi)多余的種子，隨后排種輪通過(guò)護(hù)種區(qū)域到達(dá)投種位置，為保證種子完全投出，利用剛性卡片對(duì)排種輪進(jìn)行強(qiáng)制投種。為降低對(duì)種子的損傷，護(hù)種曲板內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)有與種子行相對(duì)應(yīng)的內(nèi)環(huán)槽，內(nèi)環(huán)槽與輸種槽相接，4個(gè)輸種槽確保從排種輪排出的種子不散亂，使苗帶內(nèi)種子均勻分布成4排，實(shí)現(xiàn)苗帶內(nèi)的均勻播種，解決現(xiàn)有寬苗帶播種機(jī)外槽輪排種器使種子在苗帶內(nèi)隨機(jī)散亂分布，無(wú)法真正發(fā)揮小麥寬苗帶播種優(yōu)勢(shì)的問(wèn)題。

1.2 窩眼設(shè)計(jì)

窩眼參數(shù)是排種器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。參考現(xiàn)有排種器確定排種器直徑為60 mm，根據(jù)排種輪直徑，以小麥精播播量的要求設(shè)計(jì)每周窩眼個(gè)數(shù)(以下簡(jiǎn)稱窩眼個(gè)數(shù))，窩眼間距以能夠滿足強(qiáng)度要求為準(zhǔn)，按照5.25 mm的型孔寬度，最大型孔個(gè)數(shù)為28個(gè)，按照常規(guī)小麥播種粒距2 cm左右排種輪線速度不超過(guò)0.35 m/s，播種機(jī)作業(yè)速度按3 km/h計(jì)算，窩眼輪式排種器的窩眼個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)公式為

(1)

式中dw——窩眼直徑，m

vm——播種機(jī)作業(yè)速度，m/s

vp——勾型窩眼輪式排種輪線速度，m/s

S——株距，m

由式(1)得窩眼個(gè)數(shù)z≥22.43，確定為23～28之間。

小麥種子長(zhǎng)度大于寬度，寬度大于厚度，依據(jù)最小勢(shì)能原則，確定“平躺”狀態(tài)為種子最大可能的穩(wěn)定狀態(tài)[19]，通過(guò)種子充入窩眼姿態(tài)的仿真分析，設(shè)計(jì)窩眼為橫向(種子長(zhǎng)度方向充入型孔)。為便于充種和投種，窩眼設(shè)計(jì)為非對(duì)稱勾型結(jié)構(gòu)，有一定傾角α(大于種子自然休止角，實(shí)測(cè)衡觀35小麥種子為28.12°)，窩眼的長(zhǎng)度、寬度和深度應(yīng)滿足

(2)

d2max

(3)

d1max

(4)

C

(5)

式中A——窩眼長(zhǎng)度，mm

B——窩眼寬度，mm

C——窩眼深度，mm

Dmax——小麥長(zhǎng)度最大值，mm

d2max——小麥寬度最大值，mm

D1——小麥平均長(zhǎng)度，mm

d1——小麥平均厚度，mm

d1min——小麥厚度最小值，mm

d1max——小麥厚度最大值，mm

以衡觀35為研究對(duì)象，測(cè)得長(zhǎng)、寬、厚平均尺寸分別為6、3.43、3.25 mm，最大尺寸分別為6.93、3.77、3.76 mm，厚度最小尺寸為2.87 mm。初選窩眼傾角32°，窩眼長(zhǎng)度A、寬度B、深度C分別為8、5.27、4 mm，其形狀為勾型，各參數(shù)見(jiàn)圖2。

圖2 窩眼參數(shù)及傾角示意圖Fig.2 Diagram of hole parameters and angle

2 排種器工作過(guò)程分析

種子是否落入窩眼取決于種子與窩眼輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。種子從窩眼輪表面進(jìn)入窩眼內(nèi)部受力復(fù)雜。排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，窩眼輪將其運(yùn)動(dòng)逐層傳遞并拖帶著種子，充種區(qū)內(nèi)種子在種間摩擦力、壓力、種子與型孔表面摩擦力、種子重力共同作用下充入窩眼，單粒種子即將進(jìn)入窩眼時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖3，以種子所在位置半徑方向?yàn)閄軸方向，垂直方向?yàn)閅軸方向，則種子充入窩眼內(nèi)的條件為

圖3 種子充入窩眼時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析示意圖Fig.3 Diagram of seed filling holes kinematic analysis

(6)

其中

v=ωR

(7)

(8)

式中v——排種輪邊緣線速度，m/s

D——窩眼開(kāi)口最大尺寸，mm

d——種子短軸當(dāng)量直徑，mm

g——重力加速度，m/s2

ω——排種輪角速度，rad/s

R——排種輪半徑，mm

n——排種輪轉(zhuǎn)速，r/min

由此確定排種輪轉(zhuǎn)速取值范圍為

(9)

由R=30 mm，設(shè)計(jì)參數(shù)D=5.27 mm；d=(d1+d2)/2=3.34 mm，d2為小麥寬度，由式(9)可得

因此確定排種輪的極限轉(zhuǎn)速為62.10 r/min。

3 EDEM離散元仿真優(yōu)化

3.1 排種器仿真模型的建立

為便于仿真并減少計(jì)算量，去除與接觸無(wú)關(guān)的部件，用SolidWorks創(chuàng)建排種器三維模型并導(dǎo)入到EDEM中，見(jiàn)圖4。根據(jù)衡觀35小麥種子三軸尺寸，使用多球面填充建立小麥顆粒模型。選擇Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型作為顆粒間及顆粒與排種器間接觸模型。排種器用ABS工程材料注模加工。顆粒與接觸材料間靜摩擦因數(shù)與彈性恢復(fù)系數(shù)由試驗(yàn)測(cè)定，其余仿真邊界參數(shù)參考文獻(xiàn)[20-22]，確定仿真參數(shù)為：小麥泊松比0.42，剪切模量51 MPa；顆粒與顆粒及顆粒與工程材料間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.42、0.53、0.07和0.51、0.55、0.05。為驗(yàn)證模型和仿真邊界參數(shù)正確性，進(jìn)行了小麥種子堆積角驗(yàn)證試驗(yàn)[23]，得實(shí)測(cè)休止角與仿真測(cè)定休止角誤差為2.79°，誤差較小，因此所建模型精度較高，可用于仿真試驗(yàn)研究。

圖4 勾型窩眼輪式排種器仿真幾何體模型Fig.4 Simulation model of hook-hole seed-metering device

3.2 單因素仿真試驗(yàn)

為便于參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)排種器充種情況進(jìn)行單因素仿真分析，基于現(xiàn)有研究[24-26]，確定設(shè)計(jì)參數(shù)為種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離、窩眼布置形式、窩眼個(gè)數(shù)、窩眼傾角和種箱底板傾角，各因素固定值分別為25 mm、交錯(cuò)排列型孔、27個(gè)、32°和10°。試驗(yàn)指標(biāo)定義：合格率為(2±1)粒/穴，單粒率為1粒/穴，漏播率為0粒/穴。充種區(qū)域的種子與排種輪間接觸法向力及變化影響種子與排種輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)從而影響充種效果，因此利用EDEM后處理功能輸出與排種輪接觸的每粒種子每個(gè)時(shí)間步的平均接觸法向力、接觸總數(shù)、種子總數(shù)，從而得到接觸層多粒種子接觸法向力均值。每組仿真數(shù)據(jù)從3 s開(kāi)始輸出，11 s結(jié)束。i時(shí)刻每粒種子所受平均法向力為

(10)

Ni——i時(shí)刻種子總數(shù)

Nci——i時(shí)刻接觸總數(shù)

3.2.1種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離

種層厚度調(diào)節(jié)板位置控制充種區(qū)域種層厚度，影響種子間擠壓力、摩擦力和流動(dòng)性進(jìn)而影響充種性能。如圖5所示，X0為種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離，Y0為垂直高度，β為種箱底板傾角。

圖5 相關(guān)參數(shù)示意圖Fig.5 Schematic of related parameters1.排種輪 2.種層厚度調(diào)節(jié)板 3.擋種板

種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離分別為35、30、25、20 mm以及無(wú)種層厚度調(diào)節(jié)板時(shí)，排種器充種情況仿真結(jié)果如表1所示。

由表1可知，隨水平距離減小，合格率先增大后減小，單粒率先減小后增大，25 mm時(shí)排種器合格率最高，且各孔列間單粒率、合格率變異系數(shù)最小，分析原因?yàn)檩^大的水平距離種層厚度較小，充種區(qū)所受側(cè)向力減小，因此單粒率增大，合格率較低。為進(jìn)一步分析種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離對(duì)充種過(guò)程影響，輸出不同水平距離時(shí)種子與排種輪間平均法向力隨時(shí)間變化情況，結(jié)果如圖6所示，表明水平距離為35、30、25、20 mm及無(wú)調(diào)節(jié)板時(shí)法向力隨時(shí)間變異系數(shù)分別為110.65%、34.02%、25.65%、34.12%、30.46%，25 mm時(shí)平均法向力變異系數(shù)最小，表明此時(shí)種子受摩擦力穩(wěn)定，平均法向力大小適宜，有利于種子隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，適宜的種群擾動(dòng)確保種子受排種輪作用力不因過(guò)大而離開(kāi)排種輪或過(guò)小而不易充入型孔。

表1 不同種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離的仿真結(jié)果Tab.1 Simulation results of horizontal distance of regulating plate %

圖6 不同水平距離時(shí)種子與排種輪間平均法向力變化曲線Fig.6 Variation curves of average normal force between seeds and seeding wheels at different horizontal distances

3.2.2窩眼布置形式

研究圖7中窩眼常規(guī)、傾斜、交錯(cuò)排列3種布置形式對(duì)充種過(guò)程的影響，仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

4.統(tǒng)計(jì)學(xué)處理：數(shù)據(jù)用SPSS 17.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，結(jié)果用均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，樣本比較采用t檢驗(yàn)，P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖7 窩眼布置形式Fig.7 Arrangement types of holes

由表2可知，窩眼交錯(cuò)排列充種合格率最高，交錯(cuò)窩眼利于對(duì)充種區(qū)種群連續(xù)穩(wěn)定的擾動(dòng)，種子流動(dòng)性提高，使充種率增加。為進(jìn)一步分析窩眼排列形式對(duì)充種過(guò)程的影響，輸出不同窩眼布置形式時(shí)種子與排種輪間平均法向力隨時(shí)間變化情況，結(jié)果如圖8所示，型孔交錯(cuò)排列時(shí)平均法向力波動(dòng)最小，種輪摩擦力變化最小，能形成穩(wěn)定連續(xù)的充種過(guò)程，單粒率和合格率變異系數(shù)均較小。

表2 3種窩眼布置形式下仿真結(jié)果Tab.2 Simulation results of three-type arrangement %

圖8 不同窩眼布置形式時(shí)種子與排種輪間平均法向力變化曲線Fig.8 Variation curves of average normal force between seeds and seeding wheels at different types arrangement

3.2.3窩眼個(gè)數(shù)

基于1.2節(jié)分析結(jié)果研究窩眼個(gè)數(shù)分別為23、25和27時(shí)對(duì)充種過(guò)程的影響，仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，隨窩眼個(gè)數(shù)增多，合格率增加；相比合格率，單粒率變化不大。為進(jìn)一步分析窩眼個(gè)數(shù)對(duì)充種過(guò)程的影響，輸出不同窩眼個(gè)數(shù)時(shí)種子與排種輪間平均法向力隨時(shí)間變化情況，結(jié)果如圖9所示，窩眼數(shù)23時(shí)平均法向力波動(dòng)較大，出現(xiàn)多個(gè)大波峰，種子受排種輪不穩(wěn)定力作用不利于穩(wěn)定充種。窩眼數(shù)27時(shí)種子與排種輪間保持相對(duì)穩(wěn)定充種狀態(tài)，故單粒率和合格率變異系數(shù)較低，因此確定窩眼數(shù)為27。

3.2.4窩眼傾角

窩眼傾角影響充種和投種過(guò)程，為研究窩眼傾角對(duì)充種性能影響，仿真分析了27°、32°、36°、40°時(shí)充種規(guī)律，結(jié)果表明，隨窩眼傾角增加，漏播率和單粒率呈下降趨勢(shì)，單粒率分別為29.1%、23.3%、18.9%、17.8%，合格率分別為96.82%、98.4%、99.0%、97.8%，各孔列間合格率變異系數(shù)分別為1.5%、1.2%、1.0%、1.4%，36°時(shí)合格率最高，各列間變異系數(shù)最小。

表3 不同窩眼個(gè)數(shù)的仿真結(jié)果Tab.3 Simulation results of different numbers of holes %

圖9 不同窩眼個(gè)數(shù)時(shí)種子與排種輪間平均法向力變化曲線Fig.9 Variation curves of average normal force between seeds and seeding wheels at different numbers of holes

分析原因，傾角變大使窩眼容積增加，過(guò)大的傾角導(dǎo)致每個(gè)窩眼充入更多粒種子，使其單粒率和漏播率都相應(yīng)減小，綜合考慮合格率和漏播率，確定窩眼傾角為36°。

3.2.5種箱底板傾角

種箱底板傾角β(見(jiàn)圖5，規(guī)定以水平線位置為0°，順時(shí)針為負(fù)，逆時(shí)針為正)影響種子充填流動(dòng)性，仿真分析種箱底板傾角分別為-20°、-10°、0°、10°、20°充種性能，結(jié)果表明，隨種箱底板傾角增加，合格率先升后降，10°合格率最高，其原因?yàn)榉N箱底板傾角變大，增加種子充填側(cè)向力，避免流動(dòng)死區(qū)，但過(guò)大傾角又導(dǎo)致種子運(yùn)動(dòng)速度過(guò)大，降低種子囊入型孔的機(jī)率，種子運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間變化規(guī)律見(jiàn)圖10，種箱底板傾角為-20°、-10°、0°、10°和20°時(shí)種子速度隨時(shí)間變化變異系數(shù)分別為56.88%、79.72%、55.07%、47.83%和93.43%，故確定種箱底板傾角為10°，此時(shí)合格率最高，為98.4%，變異系數(shù)最低，為1.2%。

圖10 不同種箱底板傾角時(shí)種子速度變化曲線Fig.10 Seed velocity changing curves at different slope angles of bottom plates

由單因素仿真確定勾型窩眼輪式排種器窩眼為交錯(cuò)排列、種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離25 mm、窩眼個(gè)數(shù)27、窩眼傾角36°、種箱底板傾角10°。

3.3 二次回歸正交旋轉(zhuǎn)仿真試驗(yàn)

排種輪轉(zhuǎn)速、窩眼長(zhǎng)度、種層厚度調(diào)節(jié)板垂直高度影響排種器工作性能，基于單因素試驗(yàn)完成部分參數(shù)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上研究各因素對(duì)排種器單粒率和合格率的影響，以確定最優(yōu)參數(shù)組合。

3.3.1仿真因素編碼

根據(jù)Central Composite中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)，選用1/2實(shí)施，星號(hào)臂長(zhǎng)度γ=1.414，試驗(yàn)次數(shù)為13，其中二水平試驗(yàn)次數(shù)為4，星號(hào)試驗(yàn)次數(shù)為6，中心點(diǎn)試驗(yàn)次數(shù)為3次。因素編碼如表4所示。

表4 因素編碼Tab.4 Factors coding

3.3.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

采用Design-Expert 8.0.6對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，試驗(yàn)方案和結(jié)果見(jiàn)表5，Z1、Z2、Z3為因素編碼值。由表5可知，漏播率和合格率之和幾乎等于100%，說(shuō)明試驗(yàn)中每穴大于3粒以上的充種情況極少，漏播率和合格率方差分析結(jié)果和回歸模型具有相同的因素影響規(guī)律，因此只對(duì)單粒率和合格率做方差分析。

表5 二次回歸旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Tab.5 Quadratic regression rotary experiment design and results

3.3.3回歸模型檢驗(yàn)與交互作用響應(yīng)曲面分析

單粒率和合格率的方差分析如表6，二次回歸模型均高度顯著(P<0.01)，失擬項(xiàng)均不顯著(P>0.05)，回歸方程不失擬。依據(jù)系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，經(jīng)逐步回歸法剔除不顯著因素得各因素與單粒率Y2、合格率Y3回歸響應(yīng)面方程分別為

(11)

(12)

表6 單粒率和合格率的方差分析Tab.6 Variance analysis of single rate and qualification rate

注：** 表示對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響高度顯著(P<0.01)；*表示對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響顯著(0.01

單粒率方差分析結(jié)果表明三因素對(duì)單粒率的影響均高度顯著，其影響重要性從大到小依次為窩眼長(zhǎng)度、種層厚度調(diào)節(jié)板垂直高度和排種輪轉(zhuǎn)速，排種輪轉(zhuǎn)速與窩眼長(zhǎng)度間交互作用不可忽視，二者響應(yīng)曲面圖如圖11所示，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，單粒率隨窩眼長(zhǎng)度增大而減小；在高轉(zhuǎn)速區(qū)，單粒率隨窩眼長(zhǎng)度增加先減小后有小幅增加；在低窩眼長(zhǎng)度區(qū)，單粒率隨轉(zhuǎn)速增加而增加，增幅較小；在高窩眼長(zhǎng)度區(qū)，單粒率隨轉(zhuǎn)速增加而大幅增加，二者呈現(xiàn)較顯著的相關(guān)性。

圖11 轉(zhuǎn)速與窩眼長(zhǎng)度間交互作用響應(yīng)面Fig.11 Response surface for interaction of speed and hole length

合格率的方差分析結(jié)果表明種層厚度調(diào)節(jié)板垂直高度影響高度顯著，影響由大到小依次為垂直高度、轉(zhuǎn)速和窩眼長(zhǎng)度。

3.3.4試驗(yàn)結(jié)果的目標(biāo)優(yōu)化

為尋求約束條件范圍內(nèi)各因素最優(yōu)組合，將合格率、單粒率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)合因素邊界條件建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)充種性能指標(biāo)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件為

以合格率、單粒率最高為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，求解得到轉(zhuǎn)速為23.05 r/min、窩眼長(zhǎng)度為7.00 mm、種層厚度調(diào)節(jié)板的垂直高度為25.00 mm時(shí)，合格率為98.59%、漏播率為1.41%，此時(shí)單粒率為42.43%。

4 性能試驗(yàn)

4.1 排種器充種性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果，選擇與仿真條件一致的衡觀35小麥種子，試驗(yàn)地點(diǎn)為中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院地下室。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖12，排種輪按照仿真優(yōu)化參數(shù)3D打印，其參數(shù)設(shè)置為轉(zhuǎn)速23.05 r/min、窩眼長(zhǎng)度7.00 mm，種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離25 mm，垂直高度25.00 mm，窩眼傾角36°，每周窩眼27個(gè)共4列，種箱底板傾角10°，窩眼交錯(cuò)布置。為觀察充種過(guò)程去掉護(hù)種曲板，采用美國(guó)Vision Research公司的PhantomV9.1型高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝充種情況。排種器穩(wěn)定工作后取10轉(zhuǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

圖12 排種試驗(yàn)裝置Fig.12 Test device of seed-metering process1.清種毛刷 2.排種輪 3.播種盒 4.排種軸 5.種層厚度調(diào)節(jié)板

窩眼列序號(hào)單粒率合格率單粒率均值單粒率變異系數(shù)合格率均值合格率變異系數(shù)140.6398.83238.7896.4439.973.3098.011.20341.5397.93438.9398.82

表7表明，充種合格率為98.01%，單粒率為39.97%，未出現(xiàn)每穴大于3粒充種情況，漏播率為1.99%，與優(yōu)化結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了仿真優(yōu)化結(jié)果的可靠性。排種器四列間充種合格率變異系數(shù)為1.2%，單粒率變異系數(shù)為3.3%，排種差異不明顯，有利于保證苗帶內(nèi)種子分布的均勻性。且高速攝像結(jié)果表明，小麥單粒充種種子大多為橫躺，兩粒以上存在豎直插入窩眼的狀態(tài)，帶有內(nèi)側(cè)環(huán)槽護(hù)種曲板利于解決豎直插入窩眼種子傷種問(wèn)題。

4.2 排種器排種性能試驗(yàn)

為考查排種器排種性能，對(duì)優(yōu)化結(jié)果在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院JPS-12型多功能排種試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，選擇與充種試驗(yàn)條件一致的衡觀35小麥種子，排種器安裝護(hù)種曲板和4個(gè)輸種槽，試驗(yàn)裝置如圖13所示，設(shè)置傳送帶速度0.8 m/s，排種器穩(wěn)定工作后取10轉(zhuǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8。

圖13 排種器試驗(yàn)裝置Fig.13 Test device of seed-metering device1.種箱 2.電機(jī) 3.鏈傳動(dòng) 4.機(jī)架 5.排種軸 6.勾型窩眼排種器 7.傳送帶

排種器排種合格率均值為90.03%，與充種合格率98.01%相差較大，相對(duì)誤差為8.1%，其主要原因?yàn)檩敺N、投種過(guò)程影響導(dǎo)致，但根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[27]對(duì)于單粒精密播種機(jī)，當(dāng)種子粒距小于等于10 cm時(shí)，漏播指數(shù)小于等于15%即符合精播要求，因此本文設(shè)計(jì)排種器排種漏播率9.97%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表8 排種器排種性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.8 Test results of seed metering performance

列間排種合格率變異系數(shù)為1.50%，排量變異系數(shù)為1.30%，各列排種差異不明顯且行間均勻性較好。

為探討行內(nèi)種子分布均勻性，在排種試驗(yàn)臺(tái)刷油輸送帶上以10 cm為段測(cè)定10 cm范圍內(nèi)種子數(shù)量，隨機(jī)測(cè)定30組數(shù)據(jù)，按照常規(guī)小麥株距為2 cm計(jì)算，10 cm范圍內(nèi)理論上應(yīng)播5粒種子，測(cè)得試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 分段測(cè)量試驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Sectional measurement test results

由表9可知，排種器行內(nèi)播種均勻性變異系數(shù)可達(dá)到16.54%，普通外槽輪式排種器播種小麥均勻性變異系數(shù)在44%～105%范圍內(nèi)[25]，因此本文設(shè)計(jì)的排種器較常規(guī)外槽輪式排種器具有明顯優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)論

(1)為提高寬苗帶小麥排種器的排種均勻性及精播效果，提出了勾型窩眼輪式小麥精量排種器并輔以輸種槽確保行內(nèi)種子分布均勻，行間種子不散亂，完成了參數(shù)設(shè)計(jì)和理論分析，并借助離散元單因素仿真試驗(yàn)確定窩眼交錯(cuò)布置形式，種層厚度調(diào)節(jié)板水平距離、每周窩眼個(gè)數(shù)、窩眼傾角、種箱底板傾角分別為25 mm、27個(gè)、36°和10°。

(2)二次回歸正交旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)得到單粒率和合格率的回歸方程，方差分析結(jié)果表明影響單粒率重要性大小依次為窩眼長(zhǎng)度、種層厚度調(diào)節(jié)板垂直高度和排種輪轉(zhuǎn)速，排種輪轉(zhuǎn)速與窩眼長(zhǎng)度間交互作用不可忽視；影響合格率的重要性大小依次為種層厚度調(diào)節(jié)板垂直高度、排種輪轉(zhuǎn)速和窩眼長(zhǎng)度。對(duì)回歸方程進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，確定在轉(zhuǎn)速為23.05 r/min、窩眼長(zhǎng)度為7.00 mm、種層厚度調(diào)節(jié)板垂直高度為25.00 mm時(shí)，合格率為98.59%，單粒率為42.43%，漏播率為1.41%。

(3)對(duì)最優(yōu)組合參數(shù)進(jìn)行充種性能臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，充種合格率為98.01%，漏充率為1.99%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果相吻合，行間充種合格率變異系數(shù)僅為1.20%，寬苗帶各行間變異系數(shù)較小。最優(yōu)組合參數(shù)下排種性能臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，排種合格率為90.03%，行間排種合格率變異系數(shù)為1.50%，排量變異系數(shù)為1.30%，行內(nèi)均勻性變異系數(shù)為16.54%，排種性能明顯優(yōu)于常用外槽輪排種器。