氣吸式高粱精量排種器排種性能分析

冷 靜，劉 飛，張 濤，賈玉斌

（1.內蒙古農業大學 機電工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018；2.內蒙古自治區農牧業機械試驗鑒定站，內蒙古 呼和浩特 010010）

高粱作為重要的雜糧作物之一，在世界5 大洲48 個國家的熱帶干旱與半干旱地區、寒帶、溫帶均有種植。目前，全世界年種植高粱面積4 400 萬hm2，僅次于水稻、小麥、玉米、大麥，位列第5 位［1］。高粱在非洲和印度等國家地區，是重要的糧食作物；是我國是釀造、糧飼和生物燃料的主要原料。進入21 世紀，高粱機械化精量播種發展較慢，傳統條播和半精量穴播方法存在生產成本高，人工投入大，費工費時等問題。因此發展高粱精量播種技術具有重要的現實意義。

精量排種器是決定精量播種機工作優劣的關鍵核心部件，隨著國內精量播種機的快速發展，對精量排種器的排種性能要求也在逐漸提高。其性能直接影響播種機的播種效率、播種均勻性和傷種率等性能指標，從而影響播種的工作質量和效果。精量排種器按工作原理分為機械式和氣力式兩大類［2］。機械式對種子外形要求嚴格，易造成型孔堵塞和傷種，對不同作物種子的適應性也較差；而氣力式的優點是可以針對性地彌補機械式的不足，易實現單粒精播，適應性好，更換不同孔徑、孔數的吸孔時可以適應多種類型作物的種植要求，具有作業速度高且種子破損率低等優勢［3］。

關于氣吸式排種器需針對高粱形狀尺寸等特性，可參考小粒徑作物精量排種進行研究。Arzu Yazgi等以排種盤的孔數為主要試驗因素，研究粒距均勻性對排種的影響［4］；Parish 檢測了形狀不規則蔬菜種子的排種性能［5］；李大鵬等設計了1 種舀勺-氣吸組合式谷子精量排種器，以舀種勺圓心角、舀種勺位置夾角、排種軸轉速為試驗因素進行排種試驗，得到較優工作參數組合，有效改善了小粒徑藜麥種子難以精量播種問題［6］；李兆東等針對油菜氣力盤式精量排種器高速排種過程中存在漏播嚴重和負壓需求大的問題針對性地對槽齒型式和槽齒厚度的種群流動性與輔助充種性能進行深入研究［7］。楊文彩等采用負壓吸種、正壓投種的工作原理和設計二次正交旋轉試驗針對機械式三七育苗播種排種器易傷種等問題設計了1 種氣吸滾筒式排種器，有效提高了三七種子排種性能［8］；王超等設計1 種氣吸式谷子精量穴播機，通過優化傳動系統、仿形機構、肥箱等關鍵部件，有效改善谷子播種量大、谷種表皮易損傷的問題［9］；劉飛等通過對藜麥小粒徑作物物理參數進行測定，利用離散元仿真模型接觸參數，提出1 種結合物理試驗和EDEM 仿真試驗建立回歸模型進行尋優的方法，為小粒徑作物藜麥仿真模擬提供了參數設置依據［10］。

針對目前高粱種子在使用氣吸式排種器作業時易造成型孔堵塞以及穴粒數難以控制等現象［11］，通過對氣吸式排種器的排種盤進行優化改良，選定主要結構參數真空度、排種盤轉速及振動頻率并對排種性能的影響進行試驗研究，以期實現高粱單粒播種。

1 高粱精量排種器結構與工作原理

1.1 整體結構

設計的氣吸式排種器主要由清種器、種箱、攪種輪、排種盤、真空室、傳動軸及其傳動部件等組成，如圖1 所示。將傳動軸穿過排種盤中心孔，驅動傳動軸時帶動排種盤運動；攪種輪與排種盤連接，隨排種盤轉動，增加種子流動性；前殼體與排種盤之間構成種子室，排種器連接風機接口與排種盤相連構成氣吸室，氣吸室產生的真空負壓吸附種子室內的種子，然后種子隨排種盤一起轉動，在無吸力區靠自重從投種口落種，沿導種管落到種床上，完成從吸種到落種的運動過程。

1.2 工作原理

種箱內的種子依靠自重流入排種器種箱內，驅動傳動軸使排種盤轉動時，種子依次經過吸種區、清種區、攜種區和投種區。如圖2 所示。

圖2 氣吸式排種器工作原理簡圖Fig. 2 Schematic diagram of working principle of air suction seed metering device

通過排種盤將氣吸室與種子室分隔開，當風機工作時，氣吸室內真空負壓將充種區部分種子吸附在吸孔上，被吸住的種子隨排種盤轉動到清種區時，吸孔及孔周圍吸附多粒種子時，多余的種子被清種器刮掉，且由于孔群壓力分布不均勻，受吸力較小的種子會脫離吸孔處，以達到清種效果；吸種孔吸附的種子通過排種盤運動由攜種區轉到投種區時，每個吸孔只保留1 粒種子繼續隨排種盤旋轉到排種器下方的卸種區（即無吸附力），種子沒有負壓被吸附靠自重落入導種管進行投種。

2 排種器關鍵部件設計與參數分析

2.1 物理特性分析

種子的機械物理特性參數是設計型孔的重要依據。高粱種子類似球體，種子頂端呈尖狀，種子表面光滑，流動性較強。根據查閱相關高粱農藝要求得知，高粱播種作業時，播種深度≤3 cm，種子粒距范圍為120～150 mm［12-13］，本研究選取2 種不同品種高粱種子，確定其機械物理特性參數，見表1 所示。

表1 不同高粱種子的物理特性Table 1 Physical properties of different sorghum seeds

2.2 排種盤設計

根據高粱種子的外形尺寸特性，為增強型孔吸附能力，排種盤上的型孔形狀設計為圓柱形單孔，吸孔直徑小于高粱種子最小粒徑。吸孔真空負壓增大，且吸孔直徑減小，漏播率降低，重播率增大；當吸孔直徑減小到臨界值時，漏播率增大，合格率降低；由于高粱種子懸浮速度小，對真空負壓氣流波動敏感［14］，因此通過合理匹配型孔直徑與真空負壓，完成吸種、清種、攜種、投種過程，以滿足高粱精量排種要求。

2.2.1 排種盤孔型與吸孔組數設計 為避免高粱種子在播種過程中的吸孔堵塞和傷種等問題，采用不銹鋼板為排種盤盤體，確保排種器高速運轉時鋼板的強度以及吸種的穩定性。根據高粱三軸尺寸，孔型選取圓柱形單?？?，其目的是減小摩擦力，降低高粱種子堵塞吸孔和傷種情況，有效控制吸附穴粒數。

當排種器開始運轉，保持種床帶速度不變，增加吸孔組數，且降低排種盤轉速時，播種合格率提高，但如果設計吸孔組數過多時，相鄰兩孔之間產生吸附干擾，會直接影響排種性能。根據高粱精量播種農機標準和農藝要求，排種盤開設18 組孔，可滿足高粱播種要求，如圖3 所示。

圖3 排種盤結構Fig. 3 Schematic diagram of structure of metering tray

2.2.2 吸孔孔徑設計 在保證排種性能的情況下，孔徑小需要增大真空度，相應地需要提高風機的轉速，但根據排種試驗臺風機參數可知，當達到一定的轉速后真空度增加緩慢；在真空度一定下，孔徑過小而使吸力不足，導致漏播增加；孔徑過大又易造成堵孔，排種性能同樣會下降。

根據高粱的三軸尺寸，可確立吸孔直徑公式［15］為：

式中：d為吸孔直徑，mm；b為種子平均寬度，mm。

根據表（1）種子尺寸特性參數所示，確定排種盤吸孔直徑為2 mm。

3 氣吸式高粱排種器排種性能試驗

3.1 試驗裝置與試驗指標

3.1.1 試驗裝置 以‘漢青15 號’種子為試驗材料，試驗設備采用內蒙古農業大學-農機試驗室JPS-12排種器性能檢測試驗臺、振動臺、氣吸式排種器和高粱吸種盤等組成，如圖6 所示。

圖6 排種器性能檢測試驗臺Fig. 6 Seed metering device performance test bench

3.1.2 試驗指標 試驗結果評定依據《GB/T6973－2005 單 粒(精 密) 播種機 試驗方 法》 和《JB/T10293－2013 單粒(精密)播種機技術條件》［16-17］的要求。對比2 種不同品種高粱種子物理特性及農藝要求，本研究選取的標準粒距Xr為150 mm，符合高粱播種穴距要求。評定標準主要有粒距合格指數、重播指數、漏播指數。排種粒距在區間0.5Xr～1.5Xr之間為合格粒距；排種粒距在區間0～0.5Xr之間為重播粒距；排種粒距大于1.5Xr的區間為漏播粒距。試驗時測得各相鄰種子粒距的不同X值，這些不同的值落入分布在Xr的兩側，以0.1Xr間隔分成區段，每個區段的變量為Xi=xi/Xr（xi為區段的值）。

合格指數為：

重播指數為：

漏播指數為：

3.2 多因素交互試驗

3.2.1 試驗方案設計 確定排種盤轉速、真空度、振動頻率為試驗因素。選取排種盤轉速主要由機組作業速度、吸盤吸孔組數和排種軸傳動比確定，較大的排種盤轉速會直接降低排種性能，而較小的排種盤轉速又會導致單粒率降低，根據單因素試驗結果選擇排種盤轉速10.5、12.5 和14.5 r/min 3 個水平；真空度因素的選取主要取決于種子的氣力特性，它主要由種子間摩擦系數、吸孔直徑、排種盤轉速決定，綜合考慮選取真空度-1.2、-1.4、-1.6 kPa 3 個水平；振動頻率主要由地面不平度與播種機耦合振動特性決定，經田間試驗實測排種器振動頻率為8～12 Hz，而其他因素通過試驗分析對高粱精量播種影響效果不顯著。確定主要因素的最佳試驗水平范圍，進行多因素交互試驗。采用響應面優化法的Box-Behnken 方法設計三因素三水平試驗，取排種器穩定運行的時間段作為統計樣本，在試驗臺連續記錄油帶上排出的200 穴距種子的粒數，各重復3 次試驗，試驗結果取其平均值，試驗因素和水平如表2 所示。

表2 排種器性能試驗因素與水平Table 2 Test factor and level of seed metering device performance

3.2.2 試驗結果與分析 根據試驗方案和試驗指標評價方法，得到的試驗結果如表3 所示：

表3 試驗方案與結果Table 3 Test scheme and results

3.2.3 試驗指標回歸方程方差分析 通過上表得知，當參數組合為排種盤轉速為12.5 r/min、真空度為-1.4 kPa、振動頻率為10 Hz 時，排種器播種合格率最高為87.4%，重播率為8.3%，漏播率為4.3%。利用Design-Expert 軟件對上述試驗數據中合格指數y1、重播指數y2、漏播指數y3進行二次多項式逐步回歸擬合，可得回歸方程模型為：

模型的可靠性可從方差分析及相關系數來考察，結果見表4：

表4 試驗指標方差分析Table 4 Analysis of variance of test indexes

表中合格指數、重播指數、漏播指數顯著度分析結果可以看出，合格指數的F值為50.78，P值＜0.000 1，≤0.01，失擬值=0.905 8 ≥0.05，水平極顯著且失擬值不顯著，重播指數的F值為7.36，P=0.007 7，≤0.01，失擬值=0.959 5 ≥0.05時水平極顯著且失擬值不顯著；漏播指數的F值 為111.68，P值＜0.000 1，≤0.01。失擬值=0.977 5 ≥0.05 時水平極顯著且失擬值不顯著，通過數據分析，表明試驗設計可靠性強，失擬均為不顯著，表明此模型能夠很好地反映出響應值的變化，擬合度好。同時，根據顯著度綜合分析，真空度對模型影響最顯著的，影響排種性能各因素的主次順序為：真空度＞排種盤轉速＞振動頻率。

3.3 因素交互作用響應曲面分析

針對排種性能試驗規定的評價標準確定高粱精量播種時合格指數越高越好，相應的重播、漏播指數相對越低越好為標準，由響應曲面合格指數模型分析可得，排種盤轉速和振動頻率隨著真空度的增大而呈上升趨勢，到達峰值隨著真空度繼續增大逐漸呈下降趨勢，影響程度顯著，當排種器真空度在-1.4～-1.5 kPa，排種盤轉速在11.5～12.5 r/min、振動頻率在10～11 Hz 范圍內，合格指數處于較優水平，如圖10 所示。

圖10 交互因素對合格指數的影響Fig. 10 Influences of interaction factors on conformity index

3.4 組合參數驗證分析

通過雙因素響應曲面結果分析，對多因素交互試驗結果排種盤轉速12.5 r/min、真空度-1.4 kPa、振動頻率10 Hz 進一步試驗驗證，得到最優參數組合，見表5。將排種盤轉速設置為11.5 r/min、真空度設置為-1.5 kPa、振動頻率設置為11 Hz 范圍內，再進行3 次重復試驗，得到排種粒距合格指數87.7%，重播指數9.1%，漏播指數3.23%。該臺架試驗結果與理論分析結果基本相符，可以作為本研究最終的最佳工作參數組合，較優組合多次試驗結果合格指數均高于75%，重播指數均小于20%，漏播指數均小于10%，試驗結果明顯優于標準值［16］，表明該工作參數組合可實現單粒精播，其排種軌跡如圖11 所示，該排種效果符合播種行業標準及高粱精量播種農藝要求。

表5 排種器性能驗證試驗結果Table 5 Verifiction test results of seed metering device performance %

圖11 單粒排種軌跡圖Fig. 11 Track chart of single grain arrangement

4 結論

本研究基于高粱的物理特性參數和精量播種農藝要求，應用負壓吸種、清種、攜種、投種原理，改良設計適合高粱單粒精播的氣吸式排種器，確定排種盤的型孔結構與關鍵參數，進行排種器關鍵部件結構設計和工作參數對排種性能的影響試驗，主要結論如下：

（1）通過單因素試驗水平范圍的選取和多因素交互試驗，得出真空度、排種盤轉速、振動頻率對排種性能影響顯著。

（2）改良設計的氣吸式高粱精量排種器采用響應面優化法的Box-Behnken 試驗方法進行顯著性方差分析，得出影響排種器合格率的主次因素為：真空度＞排種盤轉速＞振動頻率。

（3）當排種器較優工作參數組合為真空度-1.5 kPa、排種盤轉速11.5 r/min、振動頻率11 Hz 時，粒距合格、重播、漏播指數均較優于標準值，可達到粒距合格指數87.7%，重播指數9.1%，漏播指數3.23%，滿足高粱精量播種要求。