指夾式排種器振動模擬與試驗分析

黃小珊，王增輝,2，姜鑫銘,，朱龍圖，王 奇，黃東巖

(1.吉林農業大學 信息技術學院，長春 130118；2.東北師范大學人文學院 理工學院，長春 130117；3.吉林大學 工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022)

0 引言

保護性耕作是以秸稈覆蓋地表、少免耕播種、深松及病蟲草害綜合控制為主要內容的現代耕作技術體系，具有防治農田揚塵和水土流失、蓄水保墑、培肥地力、節本增效、減少秸稈焚燒和溫室氣體排放等作用[1-3]。

免耕播種機在工作過程中會受到田間地表不平度或秸稈、殘茬的影響，引起播種機振動，進而影響精密排種器的播種性能[4-8]。在高速免耕播種條件下，播種機受到的振動更加明顯，無論是氣力式還是機械式精密排種器，都會受到不同程度的影響；尤其是我國農機具多采用懸掛機組，受振動影響比牽引機組更加顯著。為此，研究免耕播種機在上述地區作業時的振動特性，進而改進機具結構和作業參數，使之具有較高的播種作業質量，對免耕播種機在上述地區的推廣應用具有重要的現實意義。

1 排種振動模擬試驗臺

為了模擬免耕播種機的田間作業工況，設計了排種器模擬振動試驗臺，安裝在JPS-12型排種器性能檢測試驗臺上使用，如圖1所示。振動模擬試驗臺的振動源采用東華測試技術股份有限公司生產的DH40200激振器，工作頻率范圍為5～2 000Hz，最大額定行程為14mm，額定出力為200N。功率放大器采用東華測試技術股份有限公司生產的DH-5873。信號源采用優利德公司生產的UTG9020B函數信號發生器，如圖2所示。

圖1 JPS-12計算機視覺排種器試驗臺Fig.1 Computer vision seed metering test-bed

圖2 振動模擬試驗臺Fig.2 Vibration simulation test-bed

排種器由步進電機驅動，步進電機、減速器和排種器固定在平板上，振動源帶動整個平板振動。工作時，排種器排出的種子直接落在檢測試驗臺的皮帶上，檢測試驗臺的視覺檢測裝置直接檢測排種器的播種合格率。

2 排種器田間振動特性測試

田間測試于2017年秋季在吉林農業大學試驗基地進行。對2BM-2免耕播種機在秸稈覆蓋條件下作業時排種器的振動特性進行測試，播種機前進速度8km/h，試驗地為黑鈣土，壟距65cm，前茬為玉米保護性耕作。測定0～5cm深度土壤含水率為 18.7%，土壤容重1.8g/cm3，種床平均堅實度2.7kg/cm2，茬高15～25cm，秸稈、根茬全量還田。測試系統采用東華測試技術股份有限公司生產的低頻壓電式加速度傳感器，型號為1A204E，靈敏度為500mV/m·s-2，量程為10 m·s-2，響應頻率為0.2～1 500Hz。使用東華測試生產的動態信號測試分析系統采集傳感器信號，系統包含型號為DH-5923的動態信號采集器和系統的上位機軟件。傳感器在排種器上的安裝位置如圖3所示。

圖3 傳感器安裝位置Fig.3 Sensor installation location

排種器前進方向、水平方向、垂直方向的振動信號如圖4所示。

圖4 田間振動信號Fig.4 Field vibration signal

播種機在免耕地表作業時的振動屬于隨機振動，垂直方向的振動要明顯強于前進方向與水平方向的振動。由于免耕地表附著秸稈、根茬與土壤形成的根土復合體，地表不平度和種床土壤的空間差異對免耕播種機作業時的垂直作用力最大，播種機前進時的垂直振動更加顯著，所以試驗分析主要針對垂直方向的振動特性。垂直方向頻率特性如圖5所示，振動主頻集中在0～20Hz。

圖5 垂直方向頻率特性Fig.5 Vertical frequency characteristics

3 排種振動模擬試驗及結果分析

使用排種振動模擬試驗臺測試振動幅值與振動頻率對指夾式排種器排種性能的影響，選擇振動頻率與振動幅值為試驗因子，播種合格指數為試驗考核指標。排種軸轉速為55 rad/s(相當于播種粒距為20cm，傳送帶運行速度為8 km/h)，激振器振動頻率范圍4～12Hz，振動幅值范圍為6～12mm。進行2因素5水平二次正交旋轉組合試驗，試驗的因素水平編碼表如表1所示，試驗結果如表2所示。

表1 因素水平編碼表Table 1 Factor level coding table

表2 二次正交旋轉組合試驗結果Table 2 Results of the quadrature rotation combination

續表2

應用Design-Expert軟件對表2的數據進行分析，得到排種器振動頻率與排種器振動幅值對播種合格指數影響的方差，如表3所示。

表3 各因素對播種合格指數影響的方差分析表Table 3 Variance analysis table of the influence of various factors on sowing qualified index

(1)

將振動頻率x2固定在0水平，考察振動幅值對播種合格指數的影響，得到擬合的回歸方程曲線，如圖6所示。排種器振動幅值x1對播種合格指數的編碼回歸方程為

(2)

圖6 振動幅值與播種合格指數的關系曲線Fig.6 Relationship curve between vibration amplitude and seeding qualification index

由圖6可知：振動頻率x2在0水平時，隨著振動幅值的增加，播種合格指數的切線斜率逐漸增大，播種合格指數曲線的變化幅度增加，振動幅值對播種合格指數的影響極顯著。當振動頻率固定時，隨著排種器振動幅值的增加，種箱內種子波動逐漸增大，影響充種階段夾持效果，排種器振動幅值增大播種合格指數降低。

將排種器振動幅值x1固定在0水平，考察排種器振動頻率對播種合格指數的影響，得到擬合的回歸方程曲線，如圖7所示。排種器振動頻率x2對播種合格指數y1的編碼回歸方程為

(3)

圖7 排種器振動頻率與播種合格指數的關系曲線Fig.7 Relationship between vibration frequency and seeding qualification index

由圖7可知：當排種器振動幅值x1固定在0水平時，隨著振動頻率的增加，播種合格指數的切線斜率逐漸增大，功率曲線的變化幅度變大，排種器振動頻率對播種合格指數的影響極顯著。排種器振動幅值固定，隨著排種器振動頻率的升高，播種合格率下降。

由擬合得到的回歸方程(1)可知，排種器振動頻率與振動幅值對播種合格指數影響有一定的交互作用。兩因素對播種合格指數影響的等高線圖及響應曲面圖如圖8所示。

圖8 排種器振動頻率與振動幅值對播種合格指數的等高線圖和響應曲圖Fig.8 The contour map and response graph of vibration frequency and vibration amplitude to sowing qualification index

由圖8可知：當排種器振動頻率在同一水平時，增加排種器振動幅值使播種合格指數降低；當排種器振動幅值在同一水平時，提高排種器振動頻率使播種合格指數降低。當排種器振動頻率處于較高水平時，增加排種器振動幅值使播種合格指數降低，且幅度較大；當排種器振動頻率處于較低水平時，增加排種器振動幅值使播種合格指數下降，變化幅度較緩。當排種器振動幅值處于較高水平時，提高排種器振動頻率使播種合格指數降低，且變化幅度較大；當排種器振動幅值處于較低水平時，提高排種器振動頻率使播種合格指數降低，但變化幅度較緩。響應曲面沿排種器振動頻率較振動幅值方向變化快，表明排種器振動頻率對播種合格指數的影響較排種器振動幅值對播種合格指數的影響顯著。

4 結論

1) 對2BM-2免耕播種機在田間秸稈覆蓋條件下作業時排種器的振動特性進行了測試，結果表明：排種器垂直方向的振動要明顯強于前進方向與水平方向的振動，排種器的振動主要是由免耕地表不平度和種床土壤的空間差異引起的垂直方向的振動，振動主頻集中在0～20Hz。

2) 以排種器振動幅值及振動頻率作為試驗因素，將播種合格指數作為考核指標進行了二次正交旋轉組合試驗。結果表明：排種器振動頻率與振動幅值均對播種合格指數有顯著影響，排種器振動頻率與振動幅值增加，播種合格指數降低，且兩者有交互作用，排種器振動頻率對播種合格指數的影響較振動幅值影響顯著。