氣流輔助高速投種精量播種機壓種裝置設(shè)計與試驗

王云霞 張文毅 嚴(yán) 偉 祁 兵

(農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所， 南京 210014)

0 引言

高速、高效是精量播種技術(shù)的發(fā)展趨勢[1]。高速條件下作業(yè)對播種機性能提出了更高的要求[2-3]。隨著作業(yè)速度的提高，播種機會因地表不平而振動加劇，由排種器排出的種子在經(jīng)導(dǎo)種管輸送的過程中極易與管壁發(fā)生碰撞，使原有粒距發(fā)生變化，導(dǎo)致作業(yè)后株距一致性變差[4-8]。

氣流輔助投種通過在導(dǎo)種管內(nèi)引入正向氣流來加速種子的運動，減小投種過程中種子與管壁的碰撞幾率，以保證粒距的一致性。特別是在高速作業(yè)條件下，氣流輔助投種具有顯著優(yōu)勢[9]。然而，氣流輔助投種也會導(dǎo)致投種過程中種子的運動速度不斷增大，最終種子脫離導(dǎo)種管時會以較大的速度投射到地表。由于種子脫離導(dǎo)種管時的初速度較大，落地瞬間動能無法完全釋放，進而產(chǎn)生彈跳，彈跳后導(dǎo)致株距變異增大[10-11]。因此，應(yīng)用氣流輔助投種技術(shù)必須解決種子由于投射速度較大產(chǎn)生的落地彈跳的問題。

國外已成功將氣流輔助投種技術(shù)應(yīng)用于高速精量播種機上。高速精量播種機采用氣力式排種器，相對于氣吸式排種器需要增加氣流管道，正壓式排種器更有利于實現(xiàn)氣流輔助投種。進入排種器的正壓氣流一部分通過型孔流出，另一部分直接進入導(dǎo)種管，用于輔助投種。瑞典Vaderstad[12]、荷蘭Kverneland[13]、德國Amazone[14]等播種機生產(chǎn)公司均采用了正壓排種器與氣流輔助投種組合技術(shù)，將進入排種器的部分氣流引入導(dǎo)種管內(nèi)，加速種子運動，以滿足高速條件下的作業(yè)要求。同時，為解決種子投射后落地彈跳的問題，在導(dǎo)種管后方配備了壓種裝置，以實現(xiàn)種子精準(zhǔn)定位。目前，我國學(xué)者對正壓式排種器已進行了較多研究，利用正壓式原理設(shè)計了排種系統(tǒng)[15-17]，但大多關(guān)注排種器的自身工作性能，雖有涉及利用正向氣流實現(xiàn)輔助投種，但對投送后種子彈跳問題未進一步探討。藍(lán)薇[18]針對玉米精密播種的氣壓氣送式集中排種系統(tǒng)進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)泄壓孔和壓種輪兩種方案對避免種子落地彈跳有明顯效果，但該研究僅限于低速條件下的室內(nèi)輸送帶試驗。

本文在現(xiàn)有正壓式排種器的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種適于氣流輔助高速投種的精量播種機壓種裝置，在種子落地時利用壓種輪與土壤雙向擠壓作用實現(xiàn)種子精準(zhǔn)定位。通過理論分析方法，分析種子投射過程中的受力狀態(tài)和運動軌跡，尋找影響壓種效果的關(guān)鍵因素，并通過進一步試驗確定壓種輪的最優(yōu)工作參數(shù)組合。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

裝有壓種裝置的大豆播種機單體結(jié)構(gòu)如圖1a所示，包括平行四連桿機構(gòu)、雙圓盤開溝器、限深輪、壓種裝置以及覆土鎮(zhèn)壓裝置。作業(yè)時，先由雙圓盤開溝器開出種溝，種子經(jīng)排種器及導(dǎo)種管輸送后落入種溝，壓種裝置壓住落入種溝的種子避免彈跳，最終由覆土鎮(zhèn)壓裝置進行覆土鎮(zhèn)壓。采用的排種器為中央集排氣送式精量排種器[16]，其工作原理為：氣流由進氣口進入，在排種滾筒型孔內(nèi)外兩側(cè)形成一定壓差，種子在壓差作用下被吸附在型孔上，并隨排種滾筒轉(zhuǎn)動到達導(dǎo)種管處，通過導(dǎo)種管的阻擋落入導(dǎo)種管內(nèi)。由于排種器腔室內(nèi)充滿正向氣流，部分氣流進入導(dǎo)種管，氣流方向與種子運動方向相同，會加快種子在導(dǎo)種管內(nèi)的運動速度，起到輔助投種的作用。

圖1 裝有壓種裝置的播種單體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagrams of seeder unit with seed pressing device1.排種器 2.平行四連桿機構(gòu) 3.雙圓盤開溝器 4.限深輪 5.壓種裝置 6.覆土鎮(zhèn)壓裝置 7.安裝架 8.彈簧 9.壓種輪 10.連接板

壓種裝置安裝在播種單體導(dǎo)種管后方，用于壓住由導(dǎo)種管投送的種子。壓種裝置的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)主要依據(jù)現(xiàn)有播種單體后方可提供的連接部件結(jié)構(gòu)和容納尺寸確定。壓種裝置如圖1b所示，主要由安裝架、連接板、壓種輪、彈簧等組成。安裝架與播種單體固定連接，連接板與安裝架之間通過銷軸連接。彈簧一端連接在安裝架上，另一端連接在連接板上。安裝架上開有3對通孔，方便調(diào)節(jié)壓種輪與導(dǎo)種管相對位置。壓種裝置整體參數(shù)為：16.5 cm×7.2 cm×23.8 cm，其中壓種輪根據(jù)播種單體限深輪后方空間高度和種溝寬度確定直徑為12 cm，寬度為2 cm。作業(yè)時，壓種輪沿地表行走、隨地表起伏上下浮動，導(dǎo)種管投送的種子落地后被壓種輪壓住。壓種輪沿地表行走時彈簧被拉緊，始終為壓種輪提供一定鎮(zhèn)壓力，保證壓種效果。

2 投種過程分析及關(guān)鍵工作參數(shù)確定

由排種器排出的種子首先進入導(dǎo)種管，經(jīng)過一段時間的運動到達距離地表較近的導(dǎo)種管末端，之后脫離導(dǎo)種管投射到地表被壓種輪壓住。種子脫離導(dǎo)種管時的運動參數(shù)對種子著地點位置有重要影響，也是確定壓種輪與導(dǎo)種管相對位置關(guān)系的重要依據(jù)。因此，對投種過程及壓種過程中種子的受力狀態(tài)和運動軌跡進行了分析，為明確影響壓種裝置工作效果的關(guān)鍵工作參數(shù)提供理論依據(jù)。

2.1 投種過程分析

投種過程是指脫離排種器的種子從進入導(dǎo)種管直至落地前的過程，包括種子在導(dǎo)種管內(nèi)以及種子脫離導(dǎo)種管后2個運動階段。

(1)種子在導(dǎo)種管內(nèi)

為了避免種子與導(dǎo)種管壁碰撞，導(dǎo)種管理想布置狀態(tài)是與種子運動方向一致，不會對種子下落軌跡產(chǎn)生干涉。但受排種器與播種單體位置關(guān)系限制，導(dǎo)種管與種子運動方向不可能完全一致。假設(shè)某時刻種子運動方向與導(dǎo)種管壁面呈一定角度α，如圖2所示。種子除自身重力mg外，受力還包括正向氣流作用產(chǎn)生的曳力FQ、豎直向上的浮力FB及導(dǎo)種管壁的支持力FN。種子受力狀態(tài)公式為[19-21]

圖2 種子在導(dǎo)種管內(nèi)的受力狀態(tài)Fig.2 Force analysis of seeds in tubes

(1)

(2)

根據(jù)牛頓第二定律，種子在運動方向加速度為

(3)

由式(1)～(3)得

(4)

式中FY——種子沿運動方向的受力，N

FX——種子垂直于運動方向的受力，N

m——種子質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

pt——導(dǎo)種管內(nèi)的氣流壓力，Pa

μ——導(dǎo)種管摩擦因數(shù)

A——種子迎風(fēng)面的受力面積，m2

Cd——曳力系數(shù)

ρ——空氣密度，kg/m3

uR——氣流速度，m/s

a——種子運動加速度，m/s2

式(4)中，在一定流場狀態(tài)下，浮力FB與重力mg不變，投種過程中種子的加速度主要與氣流壓強pt、種子運動方向與管壁的夾角α有關(guān)。氣流壓強越大、種子運動方向與管壁的夾角越小，種子的加速度越大。對于投種過程而言，種子加速度越大，投種時間越短，種子與導(dǎo)種管碰撞產(chǎn)生株距變異的幾率越小。

(2)種子脫離導(dǎo)種管后

為防止種子落地滾動，導(dǎo)種管末端需向后與地表保持一定傾角，以抵消種子沿機具前進方向的速度[22]。假設(shè)種子以投射角β脫離導(dǎo)種管(圖3)，之后不再受氣流作用，僅受自身重力mg作用。種子脫離導(dǎo)種管后的軌跡方程為

圖3 種子投射過程中的運動軌跡狀態(tài)Fig.3 Trajectory analysis of projecting seeds

(5)

其中

(6)

聯(lián)合式(5)、(6)得

(7)

式中x——種子水平方向位移，m

y——導(dǎo)種管底端離地高度，m

vX——種子水平方向速度，m/s

vY——種子豎直方向速度，m/s

v0——播種機作業(yè)速度，m/s

v——種子脫離導(dǎo)種管末端速度，m/s

t——種子運動時間，s

種子脫離導(dǎo)種管直至落地過程中的水平位移是布置壓種裝置位置時需要考慮的主要因素。從式(7)中可以看出，種子投射過程中的水平位移主要與種子投射初速度v、機具作業(yè)速度v0以及投射角β有關(guān)，而種子投射初速度由種子在導(dǎo)種管內(nèi)的加速度a決定。因此，得出種子投射過程中的水平位移主要受氣流壓力pt、種子運動方向與管壁的夾角α、機具作業(yè)速度v0、投射角β的影響。

2.2 壓種過程分析

種子以一定速度投射到地表，由于投射速度較大，落地瞬間動能無法完全釋放，繼而產(chǎn)生彈跳。種子彈跳會導(dǎo)致株距變異，影響株距均勻性。以種子落地點為參考，種子從導(dǎo)種管末端運動至落地點的水平位移為x，導(dǎo)種管末端與種子-壓種輪碰撞點的水平距離為l，壓種輪布置位置相對落地點有4種情況，如圖4所示。

如圖4a，壓種輪布置在種子落地點后方(l≥x)，種子投射到地表后會先產(chǎn)生一次彈跳，運動軌跡為1-2-3，速度減小后在位置3處被壓種輪壓住。這種情況無法實現(xiàn)種子精準(zhǔn)定位，因為種子彈跳后已經(jīng)改變了原定株距，播種后株距不均勻。

如圖4b，壓種輪布置在種子落地點處(l=x)，在種子落地瞬間利用壓種輪與土壤雙向擠壓作用將其壓住，很好地避免了種子彈跳，播種后株距分布均勻一致。

圖4 壓種輪相對種子落地點布置位置Fig.4 Position of pressing wheel relative to seed projection point

如圖4c，壓種輪布置在種子落地點前方，種子與壓種輪碰撞點的線速度vp與種子投射速度v方向一致，能夠在種子投射到地表時壓住種子，這種情況下能很好地避免種子產(chǎn)生彈跳。但考慮到也會出現(xiàn)種子與壓種輪碰撞點的線速度vt與種子投射速度v方向不一致的情況(圖4d)，種子與壓種輪碰撞時產(chǎn)生彈跳，運動軌跡為1-2-3，速度減小后在位置3處被壓種輪壓住，這種情況也會導(dǎo)致播種后株距不一致。

綜上分析可知，實現(xiàn)利用壓種輪壓住種子有以下2種情況：壓種輪布置在種子落地點前方，種子落地前完成壓種；壓種輪布置在落地點處，種子落地瞬間進行壓種。由此得出，導(dǎo)種管末端與壓種輪的水平距離需小于或等于投射過程中的水平位移，才能實現(xiàn)壓種，即l≤x。

通過對投送過程及壓種程中種子的受力狀態(tài)和運動軌跡進行分析，得出了影響壓種效果的關(guān)鍵因素。氣流壓力pt、種子運動方向與管壁的夾角α決定了種子在導(dǎo)種管內(nèi)的加速度a，也決定了種子在導(dǎo)種管末端的投射初速度v；種子投射初速度v、機具作業(yè)速度v0以及投射角β決定了種子投射過程中的水平位移，而導(dǎo)種管末端與壓種輪的水平距離l決定了能否精確壓住種子。在本研究中，受播種單體結(jié)構(gòu)和排種器工作壓力需求的限制，種子運動方向與管壁的夾角α以及氣流壓力pt不便調(diào)節(jié)，因此試驗中不再考慮種子運動方向與管壁的夾角α以及氣流壓力pt的變化。

綜合以上分析，確定導(dǎo)種管末端傾角、機具作業(yè)速度及壓種輪與導(dǎo)種管末端水平距離是影響種子運動軌跡及壓種效果的關(guān)鍵因素。由于理論分析中存在諸多不明確數(shù)值的參數(shù)，僅通過理論分析無法獲取壓種裝置的最佳工作參數(shù)。因此，還需進一步進行試驗研究，求取實現(xiàn)精準(zhǔn)壓種的工作參數(shù)。

3 田間試驗

3.1 試驗設(shè)計與結(jié)果

3.1.1試驗設(shè)計

將壓種裝置安裝在大豆精量播種機上進行田間試驗，設(shè)定大豆理論株距為10 cm。為優(yōu)選出壓種裝置較優(yōu)工作參數(shù)，以作業(yè)速度、投射角、導(dǎo)種管底端與壓種輪的水平距離作為試驗因素，以株距合格率Q、株距變異系數(shù)V為指標(biāo)，進行三因素三水平正交試驗L9(34)，設(shè)置因素水平如表1[23]。其中，導(dǎo)種管底端與壓種輪水平距離以播種機到達指定播深后測量所得，考慮到播種機開出的種溝較為平坦，在55～95 mm長度范圍內(nèi)種溝底面高度起伏變化不大，壓種輪上下位置變化較小，且壓種輪上下位置發(fā)生微小浮動對壓種輪與導(dǎo)種管末端水平距離的影響可以忽略，可保證作業(yè)過程中導(dǎo)種管底端與壓種輪水平距離相對穩(wěn)定。

表1 試驗因素水平Tab.1 Factors levels of tests

為能夠調(diào)整導(dǎo)種管投射角，設(shè)計了導(dǎo)種管投射角調(diào)整裝置，如圖5所示。該裝置由固定架、導(dǎo)種管托環(huán)、調(diào)節(jié)螺母、絲杠組成。固定架通過螺栓與播種單體側(cè)板連接，2條絲杠前端與固定架焊接，導(dǎo)種管托環(huán)套接在絲杠上，并由前后兩端調(diào)節(jié)螺母鎖定位置。通過擰動螺母，帶動導(dǎo)種管托環(huán)前后移動，從而調(diào)整導(dǎo)種管入射角。

圖5 導(dǎo)種管投射角調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)圖與實物圖Fig.5 Structure of projection angle adjusting device for seed delivery tube1.固定架 2.導(dǎo)種管托環(huán) 3.調(diào)節(jié)螺母 4.絲杠 5.導(dǎo)種管

播種作業(yè)后，人工扒土將種子刨出，測量50粒種子株距，進行3次重復(fù)試驗，如圖6。根據(jù)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》計算株距合格指數(shù)Q、株距變異系數(shù)V。

圖6 田間試驗Fig.6 Field tests

3.1.2試驗結(jié)果及分析

按照正交表設(shè)計規(guī)則，設(shè)計了如表2所示試驗方案(A、B、C為因素水平值)。為明確各因素對株距合格指數(shù)、變異系數(shù)影響的主次關(guān)系，首先采用直觀分析法對試驗結(jié)果進行分析(表2)。分析結(jié)果表明，對于株距合格指數(shù)Q，三因素的影響主次順序為作業(yè)速度A、水平距離C、投射角B。根據(jù)株距合格指數(shù)越高越好的原則，優(yōu)選出參數(shù)組合方案為A1B3C2，即作業(yè)速度9.5 km/h、投射角30°、水平距離75 mm；對于株距變異系數(shù)V，三因素的影響主次順序為作業(yè)速度A、投射角B、水平距離C，根據(jù)株距變異系數(shù)越低越好的原則，優(yōu)選出參數(shù)組合方案為A1B2C2，即作業(yè)速度9.5 km/h、投射角25°、水平距離75 mm。

可以看出，對于株距合格指數(shù)和變異系數(shù)，優(yōu)選出的作業(yè)速度A均為最低作業(yè)速度9.5 km/h。隨著作業(yè)速度的提高，播種機受地表不平影響振動程度增大，導(dǎo)種管隨播種機的振動程度增大而振動加劇，導(dǎo)種管內(nèi)種子與管壁碰撞的幾率增大，導(dǎo)致株距合格指數(shù)隨作業(yè)速度的增大而降低，變異系數(shù)隨作業(yè)速度增大而增大[24]。對于株距合格指數(shù)和變異系數(shù)，優(yōu)選出的水平距離均為75 mm，表明壓種輪與導(dǎo)種管末端的水平距離需設(shè)置在合適值，水平距離較大導(dǎo)致種子落地后即可彈跳，壓種輪起不到壓種作用；水平距離較小導(dǎo)致種子與壓種輪碰撞彈跳，同樣沒有壓種作用，這與理論分析結(jié)果一致。

表2 正交試驗方案及結(jié)果Tab.2 Test treatment and range analysis

為進一步明確各因素對株距合格指數(shù)、變異系數(shù)影響的重要程度，運用IBM SPSS Statistics 21軟件[25]對試驗結(jié)果進行了方差分析(表3)。結(jié)果表明，株距合格指數(shù)、變異系數(shù)的檢驗?zāi)Ｐ途_到極顯著性水平(P<0.01)，說明分析結(jié)果有效。對于株距合格指數(shù)Q，作業(yè)速度A、水平距離C的影響達到極顯著性水平(P<0.01)，而投射角B的影響不顯著(P>0.05)；對于株距變異系數(shù)V，作業(yè)速度A、投射角B的影響達到極顯著性水平(P<0.01)，水平距離C的影響達到顯著性水平(P<0.05)。

表3 方差分析結(jié)果Tab.3 Results of variance analysis

極差分析結(jié)果表明，使得株距合格指數(shù)Q最大的優(yōu)選方案為A1B3C2，而使得株距變異系數(shù)V最小的優(yōu)選方案為A1B2C2。作業(yè)速度A、水平距離C的較優(yōu)水平相同，投射角B的較優(yōu)水平不同。結(jié)合方差分析結(jié)果，投射角B對株距合格指數(shù)的影響不顯著，對株距變異系數(shù)的影響極顯著，按正交試驗的分析方法，應(yīng)根據(jù)達到顯著性水平的指標(biāo)優(yōu)選出因素的水平，即按株距變異系數(shù)選取投射角B2(25°)。但在本試驗中，考慮到株距合格指數(shù)是衡量播種質(zhì)量的最重要指標(biāo)，且沒有A1B3C2組合條件下的試驗結(jié)果，為保證獲取播種質(zhì)量較好的參數(shù)組合，還需對兩種優(yōu)選方案進行進一步確定。

3.2 對比試驗結(jié)果及分析

為從2種組合參數(shù)中(A1B3C2、A1B2C2)優(yōu)選出投射角B，在作業(yè)速度A1(9.5 km/h)、水平距離C2(75 mm)條件下進行2種投射角(25°、30°)的對比試驗。同時，為驗證優(yōu)選出的工作參數(shù)組合，選擇了無壓種及壓種舌進行了對比，如圖7所示。試驗后，采用同樣的方法進行扒土測量種子株距，計算株距合格指數(shù)Q和變異系數(shù)V。

圖7 田間對比試驗Fig.7 Filed comparison test

對比結(jié)果如表4所示，在A1、C2條件下，壓種裝置2種組合的株距合格指數(shù)分別為95.68%、94.06%，投射角B3水平相對投射角B2水平提高1.62個百分點；而株距變異系數(shù)差距不大，投射角B3、B2水平分別為10.32%、9.97%，投射角B2水平相對投射角B3水平減小0.35個百分點。綜合考慮株距合格指數(shù)、變異系數(shù)，優(yōu)選的投射角為B3(30°)，即確定的較優(yōu)參數(shù)組合為作業(yè)速度9.5 km/h、投射角30°、水平距離75 mm。

表4 對比試驗結(jié)果Tab.4 Results of comparison tests %

將壓種輪較優(yōu)參數(shù)組合處理與無壓種和壓種舌2種條件對比，發(fā)現(xiàn)壓種輪的株距合格指數(shù)明顯高于無壓種、壓種舌處理，株距變異系數(shù)明顯低于無壓種、壓種舌處理，表明壓種輪起到了較好的壓種作用，減少了種子的落地彈跳。壓種舌相對于無壓種處理的株距合格指數(shù)及變異系數(shù)指標(biāo)較好，表明壓種舌具有減少種子落地彈跳的作用，但作用效果有限。壓種舌表面輪廓為由上部的平滑曲面過渡到底部的平面，底部平面部分相對導(dǎo)種管末端距離較大，且作業(yè)過程中僅底部曲面與種溝底部接觸，其運動形態(tài)為相對滑動，不適用于種子落地彈跳較為明顯的氣流輔助投種方式，壓種效果有限。

4 結(jié)論

(1)針對氣流輔助投種條件下種子落地彈跳影響株距一致性的問題，設(shè)計了適用于氣流輔助投種的精量播種機壓種裝置，利用布置在導(dǎo)種管后方的壓種輪壓住高速投送的種子，減少種子落地彈跳，提高了株距一致性。

(2)正交試驗表明，影響株距合格指數(shù)的因素主次順序為作業(yè)速度、導(dǎo)種管末端與壓種輪的水平距離、投射角，其中作業(yè)速度、導(dǎo)種管末端與壓種輪的水平距離對株距合格指數(shù)影響極顯著，投射角的影響不顯著；影響株距變異系數(shù)的因素主次順序為作業(yè)速度、投射角、水平距離，其中作業(yè)速度、投射角達到極顯著水平，水平距離達到顯著性水平。

(3)采用壓種輪、壓種舌和無壓種條件下的對比試驗表明，壓種輪對提升株距一致性效果顯著，獲取的株距合格指數(shù)、變異系數(shù)顯著優(yōu)于采用壓種舌和無壓種條件；通過對比試驗獲得壓種裝置較優(yōu)工作參數(shù)組合：作業(yè)速度9.5 km/h、投射角30°、水平距離75 mm，在此工作條件下株距合格指數(shù)、變異系數(shù)分別為95.68%、10.32%。