马亚朋，马　振，胡　斌，姚强强，高　捷，任　萍

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子　832000)



气吹供种的滚筒式排种器性能的试验研究

马亚朋，马振，胡斌，姚强强，高捷，任萍

(石河子大学 机械电气工程学院，新疆 石河子832000)

摘要：针对如番茄、油菜、花卉等小颗粒作物种子外形不规整、流动性差、难于实现精量播种的难题，提出基于气流悬浮理论供种的设计方案，研制了一种气吹供种滚筒式排种器。针对研制的排种器，以番茄种子为试验对象，以种箱气室正压力及滚筒吸孔孔径、滚筒转速为试验因素，进行正交试验，并利用数据处理软件对试验结果进行极方差分析，确定影响排种性能指标的因素优水平、主次顺序及优化组合，合理配置适于取种性能指标的结构参数、工作参数。试验结果表明：气室正压力及滚筒吸孔孔径为影响排种性能指标的主要因素，在滚筒吸孔孔径1.4mm、气室正压力2kPa、滚筒转速12r/min条件下，排种器的单粒指数可高达92.3%，漏播指数为2.5%，满足穴盘播种的精度与工作效率要求。

关键词：排种器；滚筒式；气吹供种；性能试验

0引言

近年来，随着精密播种技术的发展，精密播种机的广泛应用已成为现代播种技术的主要特征，是播种的主要发展方向[1]。排种器是精密播种机的核心部件，其排种性能的好坏直接影响精密播种机的播种质量。目前，国内外先进的播种机械主要以机械式与气力式为主[1-2]。气力式播种机是一种先进的排种装置，具有适应性强、通用性好、不伤种子及对种子的外形尺寸要求不严等优越性，提高了播种精度。现今，排种器的种类繁多，但对于番茄、蔬菜、花卉等小颗粒作物种子，由于尺寸小、外形不规整、流动性差，现有排种器通过振动种箱的方式很难使这类种子脱离种子群而达到分离的效果。为此，根据气吹悬浮理论，让种子在气流悬浮输送条件下达到“沸腾”状态而有效分离，研制了一种气吹供种的滚筒式排种器。

1结构及原理

气吹供种的滚筒式排种器试验台主要由电机、变频器、输送带、种箱、种箱供种板、吸种滚筒、滚筒机架、穴盘、输送带机架、旋涡气泵、负压供气管、正压供气管及调节阀等部件组成，如图1所示。

1.电机　2.输送带　3.种箱　4.供种板　5.种子

工作原理：工作时，变频器调整电机通过链传动带动输送带转动和滚筒顺时针转动,使其在同速状态下运转；旋涡气泵的负压供气管与支撑滚筒的负压轴连接，正压供气管与供种板下方的正压室连接；负压供气管往滚筒内腔内通负压，滚筒表面吸孔同负压相通，正压供气管往正压室内通正压，此时种箱内供种板上的种子在正压的作用下“沸腾”跳动；随着滚筒的转动，当吸种孔经过供种装置时，种子在吸种孔两侧负压差的作用下被吸附在吸种孔上，并随滚筒一起转动；随着滚筒的继续转动，当经过滚筒刷时，把吸种孔处多余的种子清理回种箱；当滚筒同一母线上的种子转到滚筒正下方对应穴盘孔位置时，随着负压的减弱，种子在气流与自身重力的作用下落入苗盘的穴孔中，完成投种过程。气吹供种的滚筒式排种器的整个工作过程可分为取种、清种、护种及投种4个阶段。

2排种器性能试验设计

2.1　试验材料及设备

试验材料选用米格尔87-5番茄种子，其物理机械特性如表1所示。

表1　番茄种子物理机械特性

试验台：在石河子大学农业装备实验室搭建，由排种装置、穴盘输送带、动力装置(电动机，旋风泵)和高速摄像装置等组成。排种装置由滚筒及带有气室的供种种箱等组成。目前，国内外生产的滚筒直径多为140～260mm，本装置的滚筒直径选用200mm。滚筒壁为PVC塑料，壁厚0.4mm，滚筒吸孔直径按dk=(0.6～0.7)bc(bc为种子的平均宽度)选取。排种装置和穴盘输送装置均由电动机通过链传动传递动力。控制电动机转速的变频器选用上海日虹有限公司生产的CHRH-D系，其型号为CHRH-440DEE，测算精度0.01Hz；旋风泵选用广州巨劲机电制造有限公司生产的吸吹两用型，其型号为GLB1500，此气泵最大压力28kPa、最大真空度21kPa、流量180m3/h。高速摄影装置由高速CCD摄像机、光缆、光源(2×1kW的钨灯)和计算机等组成。其中，高速CCD摄像机为柯达公司生产的ES-310型,最大分辨率640×480像素,拍摄速度为85帧/s。

本试验利用高速摄像机对滚筒吸种取种结果进行分析，穴盘采用16×8的128孔的标准穴盘，穴盘孔距30mm，试验样本数360穴，4次重复，取其平均值。

2.2　试验指标

根据GB/T6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[13]及排种器排种性能试验的目的,确定试验指标为单粒指数S、多粒指数D和漏播指数L，各试验指标计算式为

其中，N为理论排种数；n1为单粒排种数；n2为两粒以上排种数；n3为漏排种数。

2.3　试验方案及结果

根据气吹供种的滚筒式排种器的工作原理，在排种器结构参数都一定的情况下，影响排种性能的因素主要有滚筒吸孔直径、孔型、种箱气室正压力及滚筒转速。滚筒吸孔直径过小，不利于取种，漏播指数可能增加；反之，则重播指数增加。由大量文献[4-7]可知：孔型采用内窝孔取种性能较好；气室正压力过小或过大，种子沸腾状态不佳或过好，滚筒内外压力差增大，不利于滚筒吸孔取种，漏播指数可能增加；滚筒转速过慢，虽滚筒吸孔取种更充分，有利于漏播指数下降，但工作效率降低。为此，选用滚筒吸孔直径、种箱气室正压力、滚筒转速作为试验因素，各因素水平以满足穴盘播种机的精度和工作效率要求来选取。不考虑各因素之间交互作用的影响，本试验采用四水平三因素的正交表L16(43)，试验设计方案及结果见表2所示。

表2　试验方案及结果

续表2

2.4　试验结果与分析

对试验结果进行极差分析，可以得出不同试验指标的因素优水平、主次顺序以及优化组合，其极差分析结果如表3～表5所示。

表3　单粒指数极差分析结果

表4　多粒指数极差分析结果

表5　漏播指数极差分析结果

续表5

极差结果表明:对单粒指数而言，试验因素对其影响的主次顺序是ABC,即滚筒吸孔孔径的影响最大，其次是种箱气室正压力，而滚筒转速影响最小；各因素的水平对其影响的主次顺序是A2>A1>A3>A4，B2>B3>B4>B1，C3>C2>C4>C1。对多粒指数而言，试验因素对其影响的主次顺序是ABC,即滚筒吸孔孔径的影响最大，其次是种箱气室正压力，而滚筒转速影响最小。各因素的水平对其影响的主次顺序是A2

为了进一步确定各试验因素对试验指标的影响程度,对试验结果进行方差分析。试验指标方差分析结果如表6所示。

表6　试验指标方差分析结果

由表6可见：对单粒指数而言，滚筒上吸孔孔径对其的影响程度是显著的，气室正压力对其的显著性影响比滚筒转速较高；对多粒率而言，滚筒上吸孔的孔径对其的影响程度是高度显著，气室正压力对其的显著性影响比滚筒转速高；对漏播指数而言，气室正压力和滚筒上吸孔孔径对其有显著影响，而滚筒转速对其无显著影响,故可以不加以考虑。

因此,综合以上极差与方差分析，对滚筒式排种器工作参数的选择,应根据所播种子的几何物理参数,确定适宜的吸孔孔径和气室正压力的参数,以保证较高的单粒率和较低的漏播率同时兼顾排种器工作效率选取合适的滚筒转速。

综合试验因素及水平对3个试验指标的影响及其因素的优化组合,对照表3～表5的试验结果极差分析得出影响3个试验指标的因素主次顺序是ABC。由表6可见：滚筒上的吸孔孔径A、气室正压力B对3个试验指标的有显著或者高度显著影响，而滚筒转速C对3个试验指标的影响不显著，可以不加以考虑。虽然由表3～表5对3个试验指标的水平都是C3，但当滚筒转速取15r/min时，很明显比转速取12r/min的单粒率低、空穴率高，采取以单粒指数最高、兼顾重播指数和漏播指数较低的原则,最终确定最优组合为A2B2C1。即吸孔孔径为1.4mm，气室正压力为2kPa，滚筒转速为12r/min。在此条件下单粒指数S=92.3%，多粒指数D=4.2%，漏播指数L=2.5%，可以满足穴盘播种的精度与工作效率。

3结论

1)设计了一种气吹供种的滚筒式育苗排种器，种箱采用以气吹悬浮供种的方式，使种箱内的种子能够在气流的条件下能够有效地分离，达到“沸腾”状态，便于排种器吸附取种。

2)排种器结构参数一定的情况下，单粒率随着滚筒吸孔直径、气室正压力及滚筒转速的增加而减少，多粒指数先减少后增加。

3)对排种器进行了排种性能试验研究，根据试验结果，对影响3个试验指标的因素进行了参数优化。试验结果表明：排种器的单粒指数可达92.3%，漏播指数为2.5%，满足穴盘播种的精度与效率要求。

参考文献：

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Experimental Study on Performance of Cylinder Seed-metering Device Based on the Pneumatic Suspension Seed Supply

Ma Yapeng, Ma Zhen, Hu Bin, Yao Qiangqiang , Gao Jie, Ren Ping

(Mechanical and Electrical Engineering College, Shihezi University, Shihezi 832000, China)

Abstract：In view of this kind of small grain crop seeds, such as tomato, rape, flowers, the shape is not regular, the problem of poor liquidity is difficult to realize precision sowing, This paper presents a design scheme of air suspension based on the theory for the species, developed a kind of gas blowing for cylinder seed metering device. To improve the metering performance of this device, the orthogonal test was conducted with experimental object of tomato seeds, test factors of a box of gas chamber pressure, cylinder diameter of suction hole, the roller speed. Extreme variance analysis of the test results using data processing software is to determine the effect of seeding performance index factors of excellent level, order and optimization combined, this machine will take the rational allocation of suitable structure parameters and performance parameters. Variance analysis of the experiment results indicates that the gas chamber pressure and drum diameter of suction hole are main factors and the optimization of three factors are the drum diameter of suction hole of 1.4mm,the positive pressure of air chamber of 2kPa and the cylinder rotation rate of 12r/min. Under such working conditions, the single seed index is 92.3%, leakage sowing index is 2.5%, so it proves that this machine has higher sowing precision and the demand of the work efficiency and better adaptability to small seeds.

Key words：seed-metering device; cylinder; pneumatic suspension seed supply; performance test

中图分类号：S233.2；S220.3

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0173-06

作者简介：马亚朋(1987-)，男，山东菏泽人，硕士研究生，(E-mail)mypjdzd@163.com。通讯作者：胡斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，硕士生导师，(E-mail)hb_mac@shzu.edu.cn。

基金项目：国家自然科学基金项目(51265045)

收稿日期：2015-09-15