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氣吸滾筒式壟上三行大豆密植排種器設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

2018-09-03 01:40陳海濤李桐輝王洪飛
關(guān)鍵詞:種器真空度滾筒

陳海濤,李桐輝,王洪飛,王 宇,王 星

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氣吸滾筒式壟上三行大豆密植排種器設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化

陳海濤,李桐輝,王洪飛,王 宇,王 星

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,哈爾濱 150030)

針對1.1 m大壟壟上三行密植大豆栽培技術(shù)配套播種機(jī)不得不采用單行播種單體前后錯(cuò)排使用,導(dǎo)致播種機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通過性差等問題,研究設(shè)計(jì)了一種與壟上三行大豆密植栽培模式配套的氣吸滾筒式大豆排種器。通過理論分析初步確定其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)并建立充種過程力學(xué)模型,運(yùn)用三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法,以真空度、作業(yè)速度、型孔孔徑為試驗(yàn)因素,以粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)為目標(biāo)函數(shù),參照國標(biāo)GB6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》實(shí)施參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明:當(dāng)參數(shù)組合為型孔孔徑4.5 mm、真空度4.7~5.9 kPa、作業(yè)速度低于9.1 km/h時(shí),該排種器的合格指數(shù)≥95%、重播指數(shù)≤3%、漏播指數(shù)≤2%、各行排量一致性變異系數(shù)≤6.5%。研究結(jié)果為氣吸滾筒式三行大豆排種器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

機(jī)械化;設(shè)計(jì);優(yōu)化;大壟三行;大豆;氣吸滾筒;排種器;排種性能

0 引 言

在北方寒區(qū)大豆的種植模式中,大壟三行密植模式逐漸普及,該種植模式不僅能夠合理利用壟上面積,提高植株光能利用率,提高產(chǎn)量,還可以提高大豆栽培抗旱抗?jié)车哪芰?,達(dá)到節(jié)本增效的目的[1]。目前用于大豆壟上三行種植模式的播種機(jī)每個(gè)播種單元組采用3個(gè)單行排種器前后錯(cuò)排并聯(lián)使用,這不僅導(dǎo)致播種單元組結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、播種機(jī)輸氣管路結(jié)構(gòu)復(fù)雜難于布置、增加成本,而且降低播種機(jī)的通過性[2]。排種器是播種作業(yè)的核心關(guān)鍵部件,其排種性能的優(yōu)劣是影響播種機(jī)作業(yè)質(zhì)量的重要因素之一[3]。氣力式排種器以其在種子適應(yīng)性、排種精度、作業(yè)效率等方面的優(yōu)勢逐漸被認(rèn)可,而且氣力式排種器在播種機(jī)高速作業(yè)條件下仍能達(dá)到良好的播種效果[4-9]。氣力式排種器主要分為氣吹式、氣壓式、氣吸式,氣吸式精量排種器是依靠真空度將種子均勻的分布在種盤表面完成播種作業(yè)過程,以其良好的播種效果為大多數(shù)高速精密播種機(jī)所采用。故針對北方寒區(qū)大豆大壟三行的種植模式研發(fā)了氣吸滾筒式三行大豆排種器,解決傳統(tǒng)大豆密植模式中“一器一行”大豆排種器引起的播種單體結(jié)構(gòu)復(fù)雜問題,可在1.1 m大壟上同時(shí)實(shí)現(xiàn)三行大豆的播種作業(yè)。

國內(nèi)外學(xué)者對氣吸排種器的研究多集中于氣吸圓盤排種器和氣吸滾筒排種器。Karayel等[10]建立了種子物理屬性參數(shù)與氣室真空度之間的數(shù)學(xué)模型,并確定了播種不同作物所需的真空壓力;Yazgi等[11]以玉米和棉花種子為研究對象,分析了作業(yè)速度和型孔數(shù)對垂直圓盤氣吸排種器播種粒距均勻性的影響;Singh等[12-14]優(yōu)化了氣吸排種器播種不同作物時(shí)的結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)。在國內(nèi),李明等[15]研制了一種可實(shí)現(xiàn)一器多行的氣力式滾筒油菜排種器,并開展了相關(guān)因素對排種性能影響的試驗(yàn)研究;梅婷等[16]研制了一種煙草種子氣力滾筒排種器,以滾筒轉(zhuǎn)速、吸種和吹種壓力及振動幅度為試驗(yàn)因素對該排種器適應(yīng)性進(jìn)行試驗(yàn);龐昌樂等[17]研制了一種避免型孔堵塞的氣吸式雙層滾筒水稻排種器,并通過試驗(yàn)得出最佳工作參數(shù);王朝輝等[18]研究了滾筒轉(zhuǎn)速、振動頻率及種層厚度對超級稻育秧氣吸滾筒排種裝置吸種性能的影響;倪向東等[19]研制了氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器,并對排種器排種性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。綜上所述,現(xiàn)有氣吸圓盤排種器主要以單行為主,不能滿足壟上三行密植農(nóng)藝要求,氣力式滾筒排種器多采用正壓輔助排種,正負(fù)壓結(jié)合對排種器結(jié)構(gòu)提出更高要求,且大多用于播種油菜、水稻、煙草等小粒徑作物,而用于播種多行大豆等大粒徑作物的排種器的研究相對較少。

研究旨在針對大豆大壟三行種植模式要求,設(shè)計(jì)一種氣吸滾筒式三行排種器,探尋真空度、作業(yè)速度、型孔孔徑對其排種性能影響規(guī)律和最佳工作參數(shù)組合,以期為氣吸滾筒式三行大豆排種器的設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。

1 種植模式與農(nóng)藝要求

大壟壟上三行密植栽培大豆技術(shù)主要通過減小大豆植株間的行距來擴(kuò)大種植密度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)密植栽培,提高單位面積的保苗株數(shù)來提高作物產(chǎn)量,該種植模式每公頃保苗株數(shù)為48~51萬株,大豆大壟三行密植模式是指在1.1 m大壟的壟臺上均勻種植三行大豆,充分利用壟臺的邊際效應(yīng),最外側(cè)兩行大豆行距為400 mm,大豆各行行間距為200 mm,大豆大壟三行的種植行距示意圖如圖1所示。

圖1 大壟三行行距示意圖

2 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣吸滾筒式三行大豆排種器整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,由排種滾筒總成、種箱總成、卸壓裝置三部分組成。排種滾筒總成由端蓋、凹槽隔板、側(cè)板、排種滾筒、主軸、軸承、骨架密封圈、石棉密封墊、傳動鏈輪構(gòu)成,種箱總成由卸種板、種箱、種箱高度調(diào)節(jié)板、清種裝置構(gòu)成,卸壓裝置由彈性卸壓輪構(gòu)成。

1.端蓋 2. 凹槽隔板 3.側(cè)板 4.排種滾筒 5.主軸 6.軸承 7.骨架密封圈 8.石棉密封墊 9.傳動鏈輪 10.卸種板 11.種箱 12.種子高度調(diào)節(jié)板 13.清種裝置 14.彈性卸壓輪

滾筒內(nèi)空心軸兩端裝有隔板,在隔板上設(shè)有密封凹槽,在槽內(nèi)注入固態(tài)潤滑油,該裝置既起到潤滑作用又能滿足密封要求。主軸的兩端裝有骨架密封圈和密封軸承,起到多重密封的作用,保證真空氣室內(nèi)的密封性。排種器作業(yè)時(shí),主軸固定,滾筒在固定鏈輪驅(qū)動下繞定軸轉(zhuǎn)動,滾筒內(nèi)的空氣通過主軸軸孔進(jìn)入主軸,主軸一端被封住,另一端連接風(fēng)機(jī),內(nèi)部空氣被風(fēng)機(jī)吸走,整個(gè)滾筒內(nèi)形成負(fù)壓腔,種箱內(nèi)吸種孔附近的種子在內(nèi)外壓差作用下被吸附在型孔處,隨即被吸附的種子隨滾筒轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)至頂部清種區(qū),在清種裝置作用下,型孔處多余的種子被清除,保證每個(gè)型孔處只保留一粒種子。當(dāng)種子隨滾筒轉(zhuǎn)至落種區(qū)時(shí),在彈性卸壓輪作用下,型孔處的壓差瞬間消失,種子依靠自身重力投種,完成整個(gè)排種過程。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)和參數(shù)確定

3.1 排種滾筒的設(shè)計(jì)

3.1.1 排種滾筒結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

排種滾筒是此排種器實(shí)現(xiàn)精量播種的重要部件,排種滾筒的結(jié)構(gòu)決定了其余部件的結(jié)構(gòu)尺寸[20-22]。排種滾筒的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)包括滾筒直徑、型孔數(shù)量、型孔孔徑。滾筒直徑大小決定排種器結(jié)構(gòu)尺寸,建立滾筒直徑與充種時(shí)間的方程如式(1)所示。

式中為沖種區(qū)弧長,mm;為充種時(shí)間,s;為型孔處線速度,m/s;為排種滾筒直徑,mm;為排種滾筒轉(zhuǎn)速,r/min;為充種區(qū)的弧度,rad。

由式(1)整理得

由式(2)可知,排種滾筒經(jīng)過充種區(qū)的時(shí)間與滾筒轉(zhuǎn)速和充種區(qū)弧度有關(guān),其直徑大小并不影響滾筒的充種效果。查閱相關(guān)資料,目前現(xiàn)有氣力滾筒式排種器滾筒直徑范圍為140~240 mm。滾筒直徑增大可以增加型孔數(shù)從而降低滾筒轉(zhuǎn)速,提高播種合格率,但直徑過大會影響排種器與播種單體間的空間結(jié)構(gòu)布局,同時(shí)也會增大負(fù)壓腔的體積,易出現(xiàn)漏氣情況,對密封精度提出更高要求,風(fēng)機(jī)消耗功率也相應(yīng)增加,而滾筒直徑過小,增加了滾筒對種箱內(nèi)種層高度的敏感性。因此綜合考慮,排種滾筒直徑取200 mm。為滿足大豆壟上三行密植模式的要求,壟上播種行距設(shè)計(jì)為200 mm,因此滾筒長度為500 mm。

3.1.2 型孔數(shù)量

當(dāng)作業(yè)速度v與粒距確定的情況下,排種滾筒圓周上吸孔的數(shù)量增加能夠降低滾筒的線速度,延長充種的時(shí)間,但型孔數(shù)量過多,需要風(fēng)機(jī)提供的負(fù)壓增加,本文設(shè)計(jì)的作業(yè)速度v≤12 km/h,滾筒線速0≤0.3 m/s,查閱播種機(jī)械設(shè)計(jì)原理相關(guān)資料,結(jié)合播種機(jī)作業(yè)規(guī)范和排種滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)[20,23],型孔數(shù)量應(yīng)滿足關(guān)系式(3),即。

式中為排種頻率;為型孔數(shù);為兩型孔間的弧長,mm;為播種粒距,mm;max為種子的最大尺寸,mm。由式(3)得,滾筒直徑為200 mm時(shí),型孔數(shù)目范圍為34.89≤≤41.04,選取型孔數(shù)目為40。

3.1.3 型孔孔徑

排種器型孔孔徑的大小取決于種子的幾何屬性,選取東北寒區(qū)主栽大豆品種黑農(nóng)48作為研究對象,含雜率小于0.1%,無破碎種子,含水率均小于12%。隨機(jī)選取200粒種子,進(jìn)行幾何屬性的測量,用精度為0.01的游標(biāo)卡尺測量每粒種子的三軸尺寸,取其算術(shù)平均值作為參考值,計(jì)算出種子的算術(shù)平均直徑,得出大壟密植栽培地區(qū)主栽大豆品種種子粒徑分布如圖3所示。

圖3 大豆種子平均直徑分布

結(jié)果表明大豆種子平均直徑服從正態(tài)分布(6.91,0.0441),根據(jù)“3”原則,所測大豆種子平均粒徑集中分布在6.3~7.5 mm之間。

型孔孔徑由公式(4)[20]計(jì)算,參照大豆氣吸排種器排種盤吸孔直徑參照表[23],型孔孔徑范圍為3.8~5.2 mm。

=(0.6~0.7)(4)

式中為型孔直徑,mm;為球形大豆種子直徑,mm。

3.2 清種裝置的設(shè)計(jì)

為了能夠有效地清除型孔上吸附的多粒種子,使每個(gè)型孔僅保留單粒種子,設(shè)計(jì)一種刮片式清種裝置。其中左右清種片為主要工作部件,采用1 mm厚的硅膠片制成,清種作用部分設(shè)計(jì)為光滑圓弧形狀,避免清種時(shí)出現(xiàn)損傷種子現(xiàn)象,左右清種片非凸起部分間寬度約為種子平均粒徑的3倍,不在同一水平位置的凸起部分間寬度約為種子平均粒徑的1.5倍,保證左右清種片能夠依次對多余的種子進(jìn)行清除且保證單粒種子能夠順利通過。清種片間距示意圖如圖4所示。

注:w為清種片凸起部分間寬度,mm;W為清種片非凸起部分間寬度,mm。

清種片的長度增加可有效地提高清種效果,但清種片過長會使種子進(jìn)入清種片末端與滾筒的間隙內(nèi)導(dǎo)致卡種現(xiàn)象。因此清種片長度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足左右兩清種片能夠依次完成清種過程的要求且避免出現(xiàn)卡種現(xiàn)象。圖5為清種裝置間隙示意圖。

1.清種片 2.滾筒

1.Seed cleaning sheet 2.Cylinder

注:為滾筒直徑,mm;為清種片長度,mm;為清種片凸起部分與滾筒間隙,mm;為清種片末端與滾筒間隙,mm。

Note:is the diameter of cylinder, mm;is the length of the seed clearing sheet, mm;is the clearance between raised parts of seed cleaning sheet and cylinder, mm;is the clearance between the ends of seed cleaning sheet and cylinder, mm.

圖5 清種裝置間隙示意圖

Fig.5 Diagram of clearance of seed clearing device

如圖5所示,清種片末端與滾筒間間隙為,清種片凸起部分與滾筒間間隙為,根據(jù)幾何關(guān)系可得清種片長度的表達(dá)式如式(5)所示。

為了增強(qiáng)清種效果,清種片凸起部分與滾筒間隙取0.5 mm,為防止卡種,清種片末端與滾筒間隙取1.8 mm,滾筒直徑為200 mm,將各參數(shù)代入式(5),可求出清種片長度上限值為32.434 mm,取清種片長度=32 mm。

3.3 卸壓裝置的設(shè)計(jì)

為了保證種子在投種區(qū)能夠自由投種,設(shè)計(jì)了一種可隔絕型孔內(nèi)外壓差的卸壓裝置,其具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。卸壓裝置由連接部分和卸壓部分組成,連接部分主要由連接環(huán)、螺栓、上連接桿、銷軸、下連接桿、彈簧等構(gòu)成;卸壓部分由尼龍輪和橡膠通過強(qiáng)粘性膠粘合在一起制成。

1.連接環(huán) 2.螺栓 3.上連接桿 4.銷軸 5.下連接桿 6.尼龍輪 7.橡膠 8.彈簧

工作時(shí),兩連桿通過銷軸進(jìn)行鉸接,并用彈簧連接兩連桿,使其具有一定的彈性,使卸壓輪在彈簧和橡膠彈性形變的作用下緊貼滾筒內(nèi)壁。

3.4 充種區(qū)力學(xué)分析

充種區(qū)充種分為2個(gè)過程,首先是在負(fù)壓作用下將種箱中種子吸附至滾筒外壁,之后將吸附的種子帶出種群并隨滾筒轉(zhuǎn)動。

3.4.1 種子在流場中受力分析

由于滾筒內(nèi)部存在負(fù)壓,型孔外的空氣進(jìn)入滾筒內(nèi)部,型孔附近形成一定的壓力差,產(chǎn)生氣流擾動,因此在型孔處存在一定的流場。以單粒大豆種子為研究對象,分析種子在流場中受到的氣流作用,確定影響吸附力的因素,種子在流場中受力如圖7所示。

注:P1為滾筒內(nèi)部壓強(qiáng),Pa;P0為滾筒外部壓強(qiáng),Pa;r為種子中心與型孔的距離,mm。

滾筒內(nèi)部產(chǎn)生的負(fù)壓為1,外部的大氣壓為0,種子所受的壓強(qiáng)差為0-1,據(jù)伯努利原理可得[24-25]

式中為空氣密度,kg/m3;為空氣流速,m/s;為種子中心與型孔的距離,m;為種子偏離型孔中心的橫向距離,m;為有效吸附面積,m2;為空氣流量,m3/s;為型孔半徑,m;1為常數(shù),隨增大而減??;2為常數(shù),可取0.2~0.3。

式中為種子半徑,mm。

通過單個(gè)型孔的空氣流量如式(8)所示。

式中Δ為型孔內(nèi)真空度,Pa;為型孔阻力系數(shù)。

可將種子近似為球形,對種子受力在其平面上積分,結(jié)合式(8)可得種子在流場中受到的氣流場作用力如式(9)所示。

種子在流場中受到氣流場作用力的大小影響種子被吸附的效果,由式(9)可得,種子在流場中受到的氣流場作用力與型孔直徑、型孔內(nèi)真空度Δ和種子中心與型孔的距離密切相關(guān)。該排種器種箱內(nèi)種子緊貼滾筒外壁,保持較小的吸種距離,所以種子受到的氣流作用力主要影響因素為型孔直徑和型孔內(nèi)真空度。

3.4.2 吸附過程力學(xué)分析

假設(shè)種子為均勻球體,合力作用于質(zhì)心,并且每個(gè)型孔僅吸附單粒種子,氣室內(nèi)負(fù)壓腔為定常流,此時(shí)種子需克服重力、氣流作用力和種群內(nèi)其余種子的作用力隨滾筒一起轉(zhuǎn)動,以滾筒徑向?yàn)榉较?,切向?yàn)榉较?,建立坐?biāo)系,研究該過程種子的受力[26-27],該階段種子的運(yùn)動及受力如圖8所示。

注:FD為吸孔處氣流對種子的繞流阻力(吸附力),N;FL為吸孔處氣流對種子的繞流升力,N;G為種子的重力,N;Nz為種子受到種箱內(nèi)種子的支持力,N;?z為種間摩擦力,N;Ng為種子受到滾筒的支持力,N;?g為種子受到滾筒的摩擦力,N;Pc為種子受到的離心力,N;α為吸附力與水平方向夾角,(°);θ為?z與y軸方向夾角,(°);ω為滾筒角速度,rad·s-1。

建立種子受力平衡方程如式(10)所示。種子所受的氣流作用力分為繞流阻力和繞流升力,由型孔內(nèi)外壓差形成,其方程如式(11)所示。

式中f為種間摩擦力,N;N為種子受到滾筒的支持力,N;φ為大豆種子與滾筒間摩擦角,(°);φ為大豆種子內(nèi)摩擦角,(°);為大豆種子質(zhì)量,kg;為滾筒半徑,m。

式中A為種子繞流阻力特征面積,m/s;C為繞流阻力系數(shù);C為繞流升力系數(shù)。

聯(lián)立方程(10)、(11)可得型孔內(nèi)真空度Δ如式(12)所示。

由式(12)可得,種子被吸附時(shí)型孔內(nèi)的真空度與滾筒轉(zhuǎn)速、吸種角度、種子質(zhì)量及內(nèi)摩擦角等因素有關(guān)。在種子被成功吸附的前提下,滾筒轉(zhuǎn)速越高,所需提供的真空度越大。取播種機(jī)作業(yè)速度為6~12 km/h,即滾筒角速度為2.60~6.70 rad/s,通過試驗(yàn)測得種子百粒重為22.4g,φ為24.9°,φ為19.5°,取==20°,可求得排種器工作時(shí)所需真空度Δ=3.2~6.8 kPa??紤]到排種器實(shí)際作業(yè)情況復(fù)雜,本文考察排種器性能試驗(yàn)時(shí),真空度值取值范圍為3~7 kPa。

4 排種器參數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

試驗(yàn)材料為黑農(nóng)48號大豆種子。在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種器試驗(yàn)室內(nèi)的JPS-12排種器性能檢測試驗(yàn)臺上實(shí)施試驗(yàn),利用風(fēng)壓測量儀(加野麥克斯KANOMAX KA31,精度0.01 kPa)測量氣室內(nèi)真空度,試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 排種裝置試驗(yàn)臺

4.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

采用3因素5水平二次正交旋轉(zhuǎn)中心組合試驗(yàn)方法,按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》實(shí)施試驗(yàn),選取真空度、作業(yè)速度、型孔孔徑為試驗(yàn)因素,以粒距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)為目標(biāo)函數(shù)[28-29],試驗(yàn)因素編碼水平如表1所示,每組試驗(yàn)均重復(fù)3次,取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。采用Design-Expert 6.0.10軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

表1 試驗(yàn)因素水平表

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 模型建立與顯著性檢驗(yàn)

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示。

表3 方差分析結(jié)果

注:<0.01(極顯著,**),<0.05(顯著,*)。

Note:<0.01 (Highly significant, **),<0.05 (Very significant, *).

1)合格指數(shù)回歸模型建立

根據(jù)方差分析表3可得,在信度為0.05的條件下,排種器合格指數(shù)的二次回歸模型極顯著(<0.01),回歸模型失擬項(xiàng)=0.195 5,表現(xiàn)為不顯著,回歸方程的決定系數(shù)2為0.964 5,說明回歸方程的預(yù)測值與實(shí)際值擬合良好。其中作業(yè)速度和型孔孔徑的交互項(xiàng)23影響不顯著,將其剔除后所得回歸方程如式(13)所示。

式中1為合格指數(shù);1、2與3為真空度、作業(yè)速度、型孔孔徑因素水平的編碼值。

2)重播指數(shù)回歸模型建立

根據(jù)方差分析表3可得,在信度為0.05的前提下,排種器重播指數(shù)的二次回歸模型極顯著(<0.01),回歸模型失擬項(xiàng)=0.077 6,表現(xiàn)為不顯著,回歸方程的決定系數(shù)2為0.951 5,說明回歸方程的預(yù)測值與實(shí)際值擬合良好。其中作業(yè)速度與型孔孔徑的交互項(xiàng)23和真空度與作業(yè)速度的交互項(xiàng)12的值均大于0.05,此兩項(xiàng)交互作用對重播指數(shù)影響不顯著,將其剔除后所得回歸方程如式(14)所示。

式中2為重播指數(shù)。

3)漏播指數(shù)回歸模型建立

根據(jù)表3可知,在信度為0.05的條件下,排種器漏播指數(shù)的二次回歸模型極顯著(<0.01),回歸模型失擬項(xiàng)=0.067 6,表現(xiàn)為不顯著,不存在其余影響漏播指數(shù)的因素,回歸方程的決定系數(shù)2為0.963 0,表明回歸方程的預(yù)測值與實(shí)際值擬合良好。其中型孔孔徑的二次項(xiàng)32、作業(yè)速度與型孔孔徑的交互項(xiàng)23和真空度與型孔孔徑的交互項(xiàng)13的值均大于0.05,影響不顯著,剔除不顯著交互項(xiàng)和二次項(xiàng)后所得回歸方程如式(15)所示。

式中3為漏播指數(shù)。

4)各行排量一致性變異系數(shù)回歸模型建立

對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表3所示,在信度為0.05的條件下,排種器各行排量一致性變異系數(shù)的二次回歸模型極顯著(<0.01),回歸模型失擬項(xiàng)=0.244 7,表現(xiàn)為不顯著,回歸方程的決定系數(shù)2為0.961 6,說明回歸方程的預(yù)測值與實(shí)際值擬合良好。其中真空度與型孔孔徑的交互項(xiàng)13和作業(yè)速度與型孔孔徑的交互項(xiàng)23影響不顯著,將其剔除后所得回歸方程如式(16)所示。

式中4為各行排量一致性變異系數(shù)。

4.3.3 各因素對各性能指標(biāo)的影響

1)各因素對性能指標(biāo)影響貢獻(xiàn)率分析

參考試驗(yàn)回歸設(shè)計(jì)中各因素對指標(biāo)影響貢獻(xiàn)率計(jì)算方法[30],得到各因素對合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)影響的貢獻(xiàn)率如表4所示。

表4 各因素對各性能指標(biāo)的貢獻(xiàn)率

2)各因素對性能指標(biāo)影響效應(yīng)分析

采用降維法將型孔孔徑和作業(yè)速度調(diào)至零水平,繪制出每組顯著的交互作用分別對合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)影響的響應(yīng)曲面圖,如圖10和11所示。

圖10 交互作用對合格指數(shù)的影響

真空度和作業(yè)速度在型孔孔徑為零水平時(shí)對合格指數(shù)的影響響應(yīng)曲面如圖10a所示。當(dāng)型孔孔徑水平處于4.5 mm時(shí),作業(yè)速度相同的條件下,隨著真空度的增加,合格指數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢且變化幅度較大。合格指數(shù)隨作業(yè)速度的提高逐漸降低,且隨著真空度增加,合格指數(shù)降低幅度越來越大。真空度和型孔孔徑在作業(yè)速度為零水平時(shí)對合格指數(shù)影響響應(yīng)曲面圖如圖10b所示。當(dāng)作業(yè)速度為9km/h時(shí),合格指數(shù)隨真空度和型孔孔徑增加呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。真空度和孔徑較低時(shí),易出現(xiàn)型孔未吸附種子的情況,真空度和孔徑過大時(shí),易出現(xiàn)型孔吸附多粒種子,導(dǎo)致合格指數(shù)降低。

真空度和型孔孔徑在作業(yè)速度為零水平時(shí)對重播指數(shù)影響響應(yīng)曲面如圖11a所示。在作業(yè)速度為9km/h條件下,真空度一定時(shí),當(dāng)孔徑小于4.5 mm時(shí),重播指數(shù)基本保持恒定,當(dāng)孔徑大于4.5 mm時(shí),重播指數(shù)緩慢升高。型孔孔徑一定時(shí),重播指數(shù)隨真空度的增加大幅度升高,氣室內(nèi)真空度過大型孔會吸附多粒種子,造成重播指數(shù)升高。

真空度和作業(yè)速度在型孔孔徑為零水平時(shí)對漏播指數(shù)影響響應(yīng)曲面如圖11b所示。當(dāng)型孔孔徑為4.5 mm時(shí),真空度確定的條件下,漏播指數(shù)隨著作業(yè)速度的增加而升高,主要由于作業(yè)速度提升時(shí),滾筒轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高,經(jīng)過充種區(qū)吸種時(shí)間變短,不利于充種。在作業(yè)速度確定的條件下,漏播指數(shù)隨真空度的增加緩慢降低,真空度增加使型孔處的吸附力變大,種子易被吸附,致使漏播指數(shù)降低。

圖11 交互作用對其余指標(biāo)的影響

真空度和作業(yè)速度在型孔孔徑為零水平時(shí)對各行排量一致性變異系數(shù)的影響響應(yīng)曲面如圖11c所示。在型孔孔徑水平處于4.5 mm條件下,作業(yè)速度一定時(shí),各行排量一致性變異系數(shù)隨真空度增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。真空度一定時(shí),各行排量一致性變異系數(shù)隨作業(yè)速度增加逐漸升高且變化幅度較大。高速作業(yè)時(shí),種子所受的離心力較大,導(dǎo)致種子難以被型孔成功吸附,排種過程的穩(wěn)定性受到影響,致使各行排量一致性變異系數(shù)升高。

4.4 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證試驗(yàn)

在各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)JB/T6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件》和JB/T6274.1-2001《谷物播種機(jī)技術(shù)條件》基礎(chǔ)上,按照高合格指數(shù)、低重播指數(shù)、低漏播指數(shù)、低各行排量一致性變異系數(shù)的優(yōu)化原則,在真空度3~7 kPa,作業(yè)速度6~12 km/h、型孔孔徑3.8~5.2 mm約束條件下進(jìn)行優(yōu)化求解。在型孔孔徑為4.5 mm,真空度為4.7~5.9 kPa,作業(yè)速度低于9.1 km/h的參數(shù)組合條件下,合格指數(shù)≥95%,重播指數(shù)≤3%,漏播指數(shù)≤2%,各行排量一致性變異系數(shù)≤6.5%。

為了驗(yàn)證優(yōu)化分析結(jié)果的正確性,在相同條件下,以黑農(nóng)48大豆種子為試驗(yàn)材料進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。選取優(yōu)化后得到的最佳工作參數(shù)真空度5.4 kPa、作業(yè)速度7.5 km/h、型孔孔徑4.5 mm實(shí)施驗(yàn)證試驗(yàn),進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn),取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果,得到實(shí)際數(shù)值與優(yōu)化值對比結(jié)果如表5所示。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明,優(yōu)化結(jié)果可信。

表5 實(shí)際值與優(yōu)化值對比結(jié)果

5 結(jié) 論

1)針對中國東北寒區(qū)1.1 mm壟上三行大豆密植栽培模式設(shè)計(jì)了一種與之配套的氣吸滾筒式大豆排種器,影響其粒距合格指數(shù)的因素主次順序?yàn)檎婵斩取⒆鳂I(yè)速度、型孔孔徑,影響其重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)檎婵斩取⑿涂卓讖?、作業(yè)速度,影響其漏播指數(shù)的因素主次順序?yàn)檎婵斩?、作業(yè)速度、型孔孔徑,影響其各行排量一致性變異系數(shù)的因素主次順序?yàn)樽鳂I(yè)速度、真空度、型孔孔徑。

2)對于東北寒區(qū)主栽大豆品種,該三行氣吸滾筒式大豆排種器最佳結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)組合為:型孔孔徑4.5 mm、真空度4.7~5.9 kPa、作業(yè)速度低于9.1 km/h,在此條件下其粒距合格指數(shù)≥95%,重播指數(shù)≤3%,漏播指數(shù)≤2%,各行排量一致性變異系數(shù)≤6.5%。

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Design and parameter optimization of pneumatic cylinder ridge three-row close-planting seed-metering device for soybean

Chen Haitao, Li Tonghui, Wang Hongfei, Wang Yu, Wang Xing

(,,150030,)

Reasonable planting pattern can increase soybean yield. At present, soybean cultivation models in the cold region of northeast China mainly include conventional ridge planting mode, three row planting pattern on big ridge and four row planting mode on big ridge. The compact planting pattern of big ridge three-row is becoming popularizing gradually. The big ridge three-row reduces the row spacing, increases plant spacing and plant density than the traditional planting pattern. This way of planting soybean increases crop yield by reducing row spacing between soybean plants to increase planting density and to increase the number of plants protected per unit area. The three-row soybean planting pattern means that three rows of soybean are planted evenly on the ridge table of 1.1 m big ridge, and the marginal effect of the ridge platform is fully utilized. The outermost two rows of soybean are 400 mm apart and the spacing of each row of soybean is 200 mm. According to the agronomic requirement and technology for the model of compact planting soybean with three rows on 1.1 m grand ridge, the problem of compact structure and poor passing ability on planting unit are caused by the matching planter that uses single-row planting unit devices in dislocation parallel. The pneumatic cylinder precision seed-metering device for soybean matching compact planting soybean with three rows on 1.1 m grand ridge is designed, combined the features of mechanical clearing and gravitational dropping. The structural parameters of the key components of the three-row soybean seed-metering device on ridge are determined. The diameter of the cylinder is 200 mm, the length of the cylinder is 500 mm, the axial hole of the cylinder is 3 rows and the distance is 200 mm, and the number of single row holes is 40. The sealing problem of the pneumatic cylinder seed-metering device is solved through the innovative design of the structure. In order to effectively remove multiple seeds adsorbed on the hole and keep only one seed in each hole, a scraper seed cleaning device is designed. In order to ensure that the seed can be planted freely in the seeding area, a pressure relief device for isolating the pressure difference inside and outside the hole is designed. In this study, the key structural parameters and the mechanical model of seed-filling process were determined through theoretical analysis. The experiment was employed through the method of quadratic orthogonal rotating center combination of three factors and five levels according to the GB6973-2005 national standard. In test, soybean seed Heinong 48 was selected as experimental material. Combining with extensive pre-experiment and theoretical analysis, the vacuum degree, forward speed and hole diameter were taken as main influencing factors, the seed qualified index, multiple index, missing index and variation coefficient of apiece row seeding mass were taken as response index. The results showed that: the order of the contribution rates on the effect of qualified index was vacuum degree, working speed, hole diameter, the order of the contribution rates on the effect of multiple index was vacuum degree, hole diameter, working speed, the order of the contribution rates on the effect of missing index was vacuum degree, working speed, hole diameter, the order of the contribution rates on the effect of variation coefficient of apiece row seeding mass was, working speed, vacuum degree, hole diameter. The optimal combination of parameters was as follows, the hole diameter was 4.5 mm, the vacuum degree was between 4.7 and 5.9 kPa, the working speed was lower than 9.1 km/h, and under the optimal combinations, the qualified index was not less than 95%, the multiple index was not morethan 3%, the missing index was not morethan 2%, and the variation coefficient of apiece row seeding mass was not morethan 6.5%. The verification test was repeated 10 times on the JPS-12 seed-metering test beds, the results were indicated that the actual test results were in agreement with the optimization results. The results of the research laid a foundation for the development of pneumatic cylinder grand ridge three-row seed-metering device for soybean, and provided a reference for the research of soybean narrow-row and flat-dense planter.

mechanization; design; optimization; three rows of big ridge; soybean; pneumatic cylinder; seed-metering device; seeding performance

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.003

S223.2

A

1002-6819(2018)-17-0016-09

2018-03-20

2018-06-30

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201303011);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助(GARS–04)

陳海濤,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備及生物質(zhì)材料研究。Email:htchen@neau.edu.cn

陳海濤,李桐輝,王洪飛,王 宇,王 星. 氣吸滾筒式壟上三行大豆密植排種器設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2018,34(17):16-24. doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.003 http://www.tcsae.org

Chen Haitao, Li Tonghui, Wang Hongfei, Wang Yu, Wang Xing. Design and parameter optimization of pneumatic cylinder ridge three-row close-planting seed-metering device for soybean[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 16-24. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.003 http://www.tcsae.org

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