气吸式高粱精量排种器排种性能分析

冷 静，刘 飞，张 涛，贾玉斌

（1.内蒙古农业大学 机电工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018；2.内蒙古自治区农牧业机械试验鉴定站，内蒙古 呼和浩特 010010）

高粱作为重要的杂粮作物之一，在世界5 大洲48 个国家的热带干旱与半干旱地区、寒带、温带均有种植。目前，全世界年种植高粱面积4 400 万hm2，仅次于水稻、小麦、玉米、大麦，位列第5 位［1］。高粱在非洲和印度等国家地区，是重要的粮食作物；是我国是酿造、粮饲和生物燃料的主要原料。进入21 世纪，高粱机械化精量播种发展较慢，传统条播和半精量穴播方法存在生产成本高，人工投入大，费工费时等问题。因此发展高粱精量播种技术具有重要的现实意义。

精量排种器是决定精量播种机工作优劣的关键核心部件，随着国内精量播种机的快速发展，对精量排种器的排种性能要求也在逐渐提高。其性能直接影响播种机的播种效率、播种均匀性和伤种率等性能指标，从而影响播种的工作质量和效果。精量排种器按工作原理分为机械式和气力式两大类［2］。机械式对种子外形要求严格，易造成型孔堵塞和伤种，对不同作物种子的适应性也较差；而气力式的优点是可以针对性地弥补机械式的不足，易实现单粒精播，适应性好，更换不同孔径、孔数的吸孔时可以适应多种类型作物的种植要求，具有作业速度高且种子破损率低等优势［3］。

关于气吸式排种器需针对高粱形状尺寸等特性，可参考小粒径作物精量排种进行研究。Arzu Yazgi等以排种盘的孔数为主要试验因素，研究粒距均匀性对排种的影响［4］；Parish 检测了形状不规则蔬菜种子的排种性能［5］；李大鹏等设计了1 种舀勺-气吸组合式谷子精量排种器，以舀种勺圆心角、舀种勺位置夹角、排种轴转速为试验因素进行排种试验，得到较优工作参数组合，有效改善了小粒径藜麦种子难以精量播种问题［6］；李兆东等针对油菜气力盘式精量排种器高速排种过程中存在漏播严重和负压需求大的问题针对性地对槽齿型式和槽齿厚度的种群流动性与辅助充种性能进行深入研究［7］。杨文彩等采用负压吸种、正压投种的工作原理和设计二次正交旋转试验针对机械式三七育苗播种排种器易伤种等问题设计了1 种气吸滚筒式排种器，有效提高了三七种子排种性能［8］；王超等设计1 种气吸式谷子精量穴播机，通过优化传动系统、仿形机构、肥箱等关键部件，有效改善谷子播种量大、谷种表皮易损伤的问题［9］；刘飞等通过对藜麦小粒径作物物理参数进行测定，利用离散元仿真模型接触参数，提出1 种结合物理试验和EDEM 仿真试验建立回归模型进行寻优的方法，为小粒径作物藜麦仿真模拟提供了参数设置依据［10］。

针对目前高粱种子在使用气吸式排种器作业时易造成型孔堵塞以及穴粒数难以控制等现象［11］，通过对气吸式排种器的排种盘进行优化改良，选定主要结构参数真空度、排种盘转速及振动频率并对排种性能的影响进行试验研究，以期实现高粱单粒播种。

1 高粱精量排种器结构与工作原理

1.1 整体结构

设计的气吸式排种器主要由清种器、种箱、搅种轮、排种盘、真空室、传动轴及其传动部件等组成，如图1 所示。将传动轴穿过排种盘中心孔，驱动传动轴时带动排种盘运动；搅种轮与排种盘连接，随排种盘转动，增加种子流动性；前壳体与排种盘之间构成种子室，排种器连接风机接口与排种盘相连构成气吸室，气吸室产生的真空负压吸附种子室内的种子，然后种子随排种盘一起转动，在无吸力区靠自重从投种口落种，沿导种管落到种床上，完成从吸种到落种的运动过程。

1.2 工作原理

种箱内的种子依靠自重流入排种器种箱内，驱动传动轴使排种盘转动时，种子依次经过吸种区、清种区、携种区和投种区。如图2 所示。

图2 气吸式排种器工作原理简图Fig. 2 Schematic diagram of working principle of air suction seed metering device

通过排种盘将气吸室与种子室分隔开，当风机工作时，气吸室内真空负压将充种区部分种子吸附在吸孔上，被吸住的种子随排种盘转动到清种区时，吸孔及孔周围吸附多粒种子时，多余的种子被清种器刮掉，且由于孔群压力分布不均匀，受吸力较小的种子会脱离吸孔处，以达到清种效果；吸种孔吸附的种子通过排种盘运动由携种区转到投种区时，每个吸孔只保留1 粒种子继续随排种盘旋转到排种器下方的卸种区（即无吸附力），种子没有负压被吸附靠自重落入导种管进行投种。

2 排种器关键部件设计与参数分析

2.1 物理特性分析

种子的机械物理特性参数是设计型孔的重要依据。高粱种子类似球体，种子顶端呈尖状，种子表面光滑，流动性较强。根据查阅相关高粱农艺要求得知，高粱播种作业时，播种深度≤3 cm，种子粒距范围为120～150 mm［12-13］，本研究选取2 种不同品种高粱种子，确定其机械物理特性参数，见表1 所示。

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

2.2 排种盘设计

根据高粱种子的外形尺寸特性，为增强型孔吸附能力，排种盘上的型孔形状设计为圆柱形单孔，吸孔直径小于高粱种子最小粒径。吸孔真空负压增大，且吸孔直径减小，漏播率降低，重播率增大；当吸孔直径减小到临界值时，漏播率增大，合格率降低；由于高粱种子悬浮速度小，对真空负压气流波动敏感［14］，因此通过合理匹配型孔直径与真空负压，完成吸种、清种、携种、投种过程，以满足高粱精量排种要求。

2.2.1 排种盘孔型与吸孔组数设计 为避免高粱种子在播种过程中的吸孔堵塞和伤种等问题，采用不锈钢板为排种盘盘体，确保排种器高速运转时钢板的强度以及吸种的稳定性。根据高粱三轴尺寸，孔型选取圆柱形单粒孔，其目的是减小摩擦力，降低高粱种子堵塞吸孔和伤种情况，有效控制吸附穴粒数。

当排种器开始运转，保持种床带速度不变，增加吸孔组数，且降低排种盘转速时，播种合格率提高，但如果设计吸孔组数过多时，相邻两孔之间产生吸附干扰，会直接影响排种性能。根据高粱精量播种农机标准和农艺要求，排种盘开设18 组孔，可满足高粱播种要求，如图3 所示。

图3 排种盘结构Fig. 3 Schematic diagram of structure of metering tray

2.2.2 吸孔孔径设计 在保证排种性能的情况下，孔径小需要增大真空度，相应地需要提高风机的转速，但根据排种试验台风机参数可知，当达到一定的转速后真空度增加缓慢；在真空度一定下，孔径过小而使吸力不足，导致漏播增加；孔径过大又易造成堵孔，排种性能同样会下降。

根据高粱的三轴尺寸，可确立吸孔直径公式［15］为：

式中：d为吸孔直径，mm；b为种子平均宽度，mm。

根据表（1）种子尺寸特性参数所示，确定排种盘吸孔直径为2 mm。

3 气吸式高粱排种器排种性能试验

3.1 试验装置与试验指标

3.1.1 试验装置 以‘汉青15 号’种子为试验材料，试验设备采用内蒙古农业大学-农机试验室JPS-12排种器性能检测试验台、振动台、气吸式排种器和高粱吸种盘等组成，如图6 所示。

图6 排种器性能检测试验台Fig. 6 Seed metering device performance test bench

3.1.2 试验指标 试验结果评定依据《GB/T6973－2005 单 粒(精 密) 播种机 试验方 法》 和《JB/T10293－2013 单粒(精密)播种机技术条件》［16-17］的要求。对比2 种不同品种高粱种子物理特性及农艺要求，本研究选取的标准粒距Xr为150 mm，符合高粱播种穴距要求。评定标准主要有粒距合格指数、重播指数、漏播指数。排种粒距在区间0.5Xr～1.5Xr之间为合格粒距；排种粒距在区间0～0.5Xr之间为重播粒距；排种粒距大于1.5Xr的区间为漏播粒距。试验时测得各相邻种子粒距的不同X值，这些不同的值落入分布在Xr的两侧，以0.1Xr间隔分成区段，每个区段的变量为Xi=xi/Xr（xi为区段的值）。

合格指数为：

重播指数为：

漏播指数为：

3.2 多因素交互试验

3.2.1 试验方案设计 确定排种盘转速、真空度、振动频率为试验因素。选取排种盘转速主要由机组作业速度、吸盘吸孔组数和排种轴传动比确定，较大的排种盘转速会直接降低排种性能，而较小的排种盘转速又会导致单粒率降低，根据单因素试验结果选择排种盘转速10.5、12.5 和14.5 r/min 3 个水平；真空度因素的选取主要取决于种子的气力特性，它主要由种子间摩擦系数、吸孔直径、排种盘转速决定，综合考虑选取真空度-1.2、-1.4、-1.6 kPa 3 个水平；振动频率主要由地面不平度与播种机耦合振动特性决定，经田间试验实测排种器振动频率为8～12 Hz，而其他因素通过试验分析对高粱精量播种影响效果不显著。确定主要因素的最佳试验水平范围，进行多因素交互试验。采用响应面优化法的Box-Behnken 方法设计三因素三水平试验，取排种器稳定运行的时间段作为统计样本，在试验台连续记录油带上排出的200 穴距种子的粒数，各重复3 次试验，试验结果取其平均值，试验因素和水平如表2 所示。

表2 排种器性能试验因素与水平Table 2 Test factor and level of seed metering device performance

3.2.2 试验结果与分析 根据试验方案和试验指标评价方法，得到的试验结果如表3 所示：

表3 试验方案与结果Table 3 Test scheme and results

3.2.3 试验指标回归方程方差分析 通过上表得知，当参数组合为排种盘转速为12.5 r/min、真空度为-1.4 kPa、振动频率为10 Hz 时，排种器播种合格率最高为87.4%，重播率为8.3%，漏播率为4.3%。利用Design-Expert 软件对上述试验数据中合格指数y1、重播指数y2、漏播指数y3进行二次多项式逐步回归拟合，可得回归方程模型为：

模型的可靠性可从方差分析及相关系数来考察，结果见表4：

表4 试验指标方差分析Table 4 Analysis of variance of test indexes

表中合格指数、重播指数、漏播指数显著度分析结果可以看出，合格指数的F值为50.78，P值＜0.000 1，≤0.01，失拟值=0.905 8 ≥0.05，水平极显著且失拟值不显著，重播指数的F值为7.36，P=0.007 7，≤0.01，失拟值=0.959 5 ≥0.05时水平极显著且失拟值不显著；漏播指数的F值 为111.68，P值＜0.000 1，≤0.01。失拟值=0.977 5 ≥0.05 时水平极显著且失拟值不显著，通过数据分析，表明试验设计可靠性强，失拟均为不显著，表明此模型能够很好地反映出响应值的变化，拟合度好。同时，根据显著度综合分析，真空度对模型影响最显著的，影响排种性能各因素的主次顺序为：真空度＞排种盘转速＞振动频率。

3.3 因素交互作用响应曲面分析

针对排种性能试验规定的评价标准确定高粱精量播种时合格指数越高越好，相应的重播、漏播指数相对越低越好为标准，由响应曲面合格指数模型分析可得，排种盘转速和振动频率随着真空度的增大而呈上升趋势，到达峰值随着真空度继续增大逐渐呈下降趋势，影响程度显著，当排种器真空度在-1.4～-1.5 kPa，排种盘转速在11.5～12.5 r/min、振动频率在10～11 Hz 范围内，合格指数处于较优水平，如图10 所示。

图10 交互因素对合格指数的影响Fig. 10 Influences of interaction factors on conformity index

3.4 组合参数验证分析

通过双因素响应曲面结果分析，对多因素交互试验结果排种盘转速12.5 r/min、真空度-1.4 kPa、振动频率10 Hz 进一步试验验证，得到最优参数组合，见表5。将排种盘转速设置为11.5 r/min、真空度设置为-1.5 kPa、振动频率设置为11 Hz 范围内，再进行3 次重复试验，得到排种粒距合格指数87.7%，重播指数9.1%，漏播指数3.23%。该台架试验结果与理论分析结果基本相符，可以作为本研究最终的最佳工作参数组合，较优组合多次试验结果合格指数均高于75%，重播指数均小于20%，漏播指数均小于10%，试验结果明显优于标准值［16］，表明该工作参数组合可实现单粒精播，其排种轨迹如图11 所示，该排种效果符合播种行业标准及高粱精量播种农艺要求。

表5 排种器性能验证试验结果Table 5 Verifiction test results of seed metering device performance %

图11 单粒排种轨迹图Fig. 11 Track chart of single grain arrangement

4 结论

本研究基于高粱的物理特性参数和精量播种农艺要求，应用负压吸种、清种、携种、投种原理，改良设计适合高粱单粒精播的气吸式排种器，确定排种盘的型孔结构与关键参数，进行排种器关键部件结构设计和工作参数对排种性能的影响试验，主要结论如下：

（1）通过单因素试验水平范围的选取和多因素交互试验，得出真空度、排种盘转速、振动频率对排种性能影响显著。

（2）改良设计的气吸式高粱精量排种器采用响应面优化法的Box-Behnken 试验方法进行显著性方差分析，得出影响排种器合格率的主次因素为：真空度＞排种盘转速＞振动频率。

（3）当排种器较优工作参数组合为真空度-1.5 kPa、排种盘转速11.5 r/min、振动频率11 Hz 时，粒距合格、重播、漏播指数均较优于标准值，可达到粒距合格指数87.7%，重播指数9.1%，漏播指数3.23%，满足高粱精量播种要求。