曾山 文智強(qiáng) 劉偉健 等 氣吸式小粒蔬菜種子精量穴播排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn) J 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2021 42 6 52 59 ZENG Shan WEN Zhiqiang LIU Weijian et al Optimal design and experiment of air suction precision hole sowing seed metering device for small grain vegetable seed J Journal of South China Agricultural University 2021 42 6 52 59 氣吸式小粒蔬菜種子精量穴播排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 曾 山 文智強(qiáng) 劉偉健 徐 卓 何思禹 汪 沛 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東 廣州 510642 摘要 目的 小粒種子具有尺寸小 質(zhì)量輕 形狀不規(guī)則的特征 采用傳統(tǒng)排種器作業(yè)時(shí)常發(fā)生吸種孔堵塞 種子 損傷 播種均勻性差的問(wèn)題 因此本研究在種子丸?；夹g(shù)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種氣吸式小粒種精量穴播排種器 方法 通過(guò)測(cè)量種子的尺寸大小和摩擦角等相關(guān)參數(shù) 采用Rocky離散元仿真軟件對(duì)進(jìn)種過(guò)程進(jìn)行仿真模擬 為獲得該排種器的最佳性能因素組合 進(jìn)行了二次回歸旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn) 應(yīng)用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)排種器性能影響 因素進(jìn)行優(yōu)化 結(jié)果 通過(guò)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得知 影響排種器單粒率與空穴率的因素主次順序?yàn)闅鈮?排種器 轉(zhuǎn)速 當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí) 隨著負(fù)壓的增加 單粒率隨之增加 空穴率隨之降低 當(dāng)負(fù)壓一定時(shí) 隨著轉(zhuǎn)速的增加 單 粒率隨之降低 空穴率隨之增加 當(dāng)負(fù)壓大于 2 800 Pa時(shí) 轉(zhuǎn)速在5 30 r min的范圍內(nèi)對(duì)排種器單粒率和空穴 率影響不明顯 且此時(shí)單粒率均在90 以上 空穴率均在10 以下 結(jié)論 通過(guò)優(yōu)化求解 最優(yōu)工作參數(shù)組合 為轉(zhuǎn)速15 r min 負(fù)壓 2 300 Pa 正壓500 Pa 經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證 在此條件下該排種器的性能指標(biāo)為單粒率合格指數(shù) 平均值96 漏播指數(shù)平均值3 37 重播指數(shù)平均值0 267 符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求 關(guān)鍵詞 小粒蔬菜種子 氣吸式排種器 精量穴播 Rocky軟件 單粒率 空穴率 中圖分類號(hào) S223 2 3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A 文章編號(hào) 1001 411X 2021 06 0052 08 Optimal design and experiment of air suction precision hole sowing seed metering device for small grain vegetable seed ZENG Shan WEN Zhiqiang LIU Weijian XU Zhuo HE Siyu WANG Pei College of Engineering South China Agricultural University Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment Ministry of Education Guangzhou 510642 China Abstract Objective The small grain seed has the characteristics of small size light weight and irregular shape The problems of blockage of seed suction hole seed damage and poor seeding uniformity often occur in the operation of traditional seed metering device Therefore on the basis of seed pelleting technology an air suction precision hole sowing seed metering device for small seeds was designed Method The seeding process was simulated by Rocky discrete element simulation software by measuring relevant parameters such as seed size and friction angle In order to obtain the best performance factor combination of the seed metering device the quadratic regression rotation orthogonal experiment was carried out and a multi objective optimization method was used to optimize the factors affecting the performance of seed metering device Result Through the test of regression coefficients the primary and secondary order of the factors affecting single grain rate and leak seeding rate of the seed metering device was air pressure and rotation speed of seed 收稿日期 2021 07 15 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時(shí)間 2021 10 06 13 48 51 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址 作者簡(jiǎn)介 曾 山 1973 男 副研究員 博士 E mail shanzeng 通信作者 汪 沛 1983 女 講師 博士 E mail wangpei 基金項(xiàng)目 國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃 2017YFD0700704 貴州省科技廳平臺(tái)和人才項(xiàng)目 黔科合平臺(tái)人才 2017 5708 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) Journal of South China Agricultural University 2021 42 6 52 59 DOI 10 7671 j issn 1001 411X 202108017 metering device When the rotation speed was constant with the increase of the negative pressure the single grain rate increased and the leak seeding rate decreased When the negative pressure was constant with the increase of the rotation speed the single grain rate decreased and the leak seeding rate increased When the negative pressure was greater than 2 800 Pa the rotation speed of 5 30 r min had less obvious influence on single grain rate and leak seeding rate of the seed metering device and the single grain rate was all above 90 the leak seeding rate was all below 10 Conclusion Through optimization the optimal working parameter combination is the rotation speed of 15 r min the negative pressure of 2 300 Pa and the positive pressure of 500 Pa The performance indicators of the seed metering device under these conditions are as following The average single grain rate qualified index is 96 the average leak seeding index is 3 37 and the average replay seeding index is 0 267 which conforms to the national standard requirements Key words small grain vegetable seed air suction seed metering device precision hole sowing Rocky software single grain rate leak seeding rate 播種是蔬菜生產(chǎn)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一 播種機(jī)是實(shí) 現(xiàn)高效 高質(zhì)量播種作業(yè)的重要機(jī)具 其關(guān)鍵零部 件為排種器 精密排種器的作用是按照農(nóng)藝要求將 種子從種箱成穴有序地排出 實(shí)現(xiàn)精密播種 提高 播種精度及效率 有利于作物的后期管理以及收 獲 不僅可以節(jié)省種子 減少人工勞動(dòng)成本 還能夠 提高作物產(chǎn)量 其性能直接決定播種機(jī)的作業(yè)質(zhì) 量 為適應(yīng)小蔥等不同密植蔬菜的種植要求 1 需 要排種器的結(jié)構(gòu)尺寸較小 目前 國(guó)內(nèi)外對(duì)小粒種排種器均有研究與應(yīng) 用 國(guó)外學(xué)者Panning等 2 研制了一種氣吸式甜菜 排種器 Karayel等 3 研制了應(yīng)用于黃瓜 西瓜和甜 菜等作物的氣吸式精密穴播器 但作業(yè)效率較低 德國(guó)LEMKEN公司生產(chǎn)的Solitair 9氣吸式精量播 種機(jī) 4 可播種谷物 油菜 草籽和豆類等 實(shí)現(xiàn)整 地 播種 施肥作業(yè) 英國(guó)Ferguson公司 5 生產(chǎn)的 MF543型氣吹式播種機(jī) 采用高速氣流吹掉重吸的 種子 并使用氣壓差輔助吸種 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)廖慶 喜教授研究團(tuán)隊(duì)研制了氣吸圓盤式排種器 6 氣吸 滾筒式排種器 7 和氣壓集排式排種器 8 9 可實(shí)現(xiàn)油 菜的精量播種 曹秀龍等 10 研制了氣吸滾筒式油 菜穴盤育苗精密排種器 能夠滿足油菜和部分蔬菜 穴盤育苗的要求 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)李杞超 11 和Wang 等 12 研制了舀勺式小粒徑蔬菜種子精量排種器 可 實(shí)現(xiàn)小粒種蔬菜的播種作業(yè) 但田間作業(yè)時(shí)易受機(jī) 器振動(dòng)影響播種質(zhì)量 以上研究均不能完全滿足小 粒種蔬菜的精量穴播要求 因此 需要研制一種小 粒種精量穴播的排種器 針對(duì)小粒種子不規(guī)則 難吸附的問(wèn)題 種子丸 ?；夹g(shù)可對(duì)此進(jìn)行改善 而且該技術(shù)對(duì)蔬菜種植 業(yè)具有明顯的促進(jìn)作用 13 丸粒化材料當(dāng)中的營(yíng)養(yǎng) 物質(zhì)和殺蟲殺菌成分可為種子提供良好的萌芽環(huán) 境 對(duì)提高田間發(fā)芽率 增強(qiáng)植株的抗病蟲 抗自然 災(zāi)害能力有明顯的積極作用 14 15 此外 丸?；?術(shù)可以填充不規(guī)則種子的粗糙表層 形成規(guī)則形 狀 有利于氣力式排種器的引導(dǎo)播種 16 因此 本文 的排種器設(shè)計(jì)以丸粒化種子作為依據(jù) 離散元仿真技術(shù)已經(jīng)較多地應(yīng)用于對(duì)氣吸式 排種器的工作原理分析 可以研究排種器進(jìn)種 攪 種等過(guò)程 目前 離散元仿真軟件主要包括EDEM 軟件和Rocky軟件 相對(duì)于EDEM軟件 Rocky軟 件設(shè)置簡(jiǎn)單 計(jì)算效率高 可實(shí)現(xiàn)較大的顆粒尺寸 分配 顆粒與邊界幾何模型導(dǎo)入流程簡(jiǎn)單 并且與 ANSYS軟件集成 無(wú)需設(shè)置耦合接口等優(yōu)點(diǎn) 因 此 本文采用Rocky軟件對(duì)排種器進(jìn)種過(guò)程進(jìn)行仿 真分析 根據(jù)小粒種排種器設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的種子不 規(guī)則 難吸附 排種不穩(wěn)定等問(wèn)題 17 本文使用 SolidWorks2020建模設(shè)計(jì) 采用Rocky離散元仿真 軟件虛擬試驗(yàn)的方法對(duì)外殼體種箱結(jié)構(gòu) 進(jìn)種管結(jié) 構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì) 并通過(guò)試驗(yàn)求解最佳工作參數(shù) 以期為氣吸式小粒種精量穴播排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與 優(yōu)化提供參考 1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理 氣吸式小粒種精量穴播排種器為負(fù)壓吸種 正 壓投種的圓盤循環(huán)式排種器 其結(jié)構(gòu)包括底殼 軸 承端蓋 轉(zhuǎn)軸 鏈輪壓蓋 鏈輪 滾針軸承 背板 排 種盤 排種盤壓蓋 外殼體等零部件 排種器通過(guò)底 殼上的法蘭座與機(jī)架螺栓連接 由鏈輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸使 排種盤轉(zhuǎn)動(dòng) 種子由種箱經(jīng)過(guò)進(jìn)種管進(jìn)入充種區(qū) 裝配結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1 工作時(shí) 種子由種箱經(jīng)過(guò)進(jìn)種 管進(jìn)入到儲(chǔ)種室 在負(fù)壓作用下吸附在吸種孔上 由轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng) 將種子攜帶至落種口處 第 6 期 曾 山 等 氣吸式小粒蔬菜種子精量穴播排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 53 種子在正壓氣體作用下落入開(kāi)溝器開(kāi)出的播種溝 中 18 并通過(guò)鎮(zhèn)壓輪覆土鎮(zhèn)壓 2 種子物料特性測(cè)定 種子物料特性是排種器設(shè)計(jì)的重要依據(jù) 因 此 必須準(zhǔn)確測(cè)量研究對(duì)象的各項(xiàng)物料特性 為排 種器種箱 進(jìn)種管 儲(chǔ)種室等提供設(shè)計(jì)依據(jù) 19 由 于2020年廣東白菜類蔬菜累計(jì)種植面積超過(guò) 21萬(wàn)公頃 年產(chǎn)量超過(guò)590萬(wàn)噸 其種植面積和產(chǎn) 量在廣東蔬菜種植中占有較大的比例 機(jī)械化種植 需求日益增長(zhǎng) 菜心等白菜類蔬菜種子具有相似的 力學(xué)和物理特性 其丸?；幚砗蟮南嚓P(guān)特性也取 決于包衣材料和技術(shù) 因此本文選用 四九菜心 種子為研究對(duì)象 對(duì)種子進(jìn)行丸?；幚聿⑷炯t 色 為十字花科蔬菜排種器的研究提供參考 2 1 丸?；N子尺寸 由于種子的形狀和尺寸差異 其在排種器內(nèi)的 流動(dòng)情況和填充狀態(tài)也有所不同 種子尺寸一般采 用三軸尺寸來(lái)表示 小粒種丸粒化處理后為球形 因此測(cè)量其直徑表示尺寸特征 采用東莞三量量具 有限公司生產(chǎn)的JD017型數(shù)字式測(cè)厚儀 量程 0 10 mm 測(cè)量 隨機(jī)抽取測(cè)量1 000粒 繪制粒徑 頻率分布圖見(jiàn)圖2 由圖2可知 種子直徑分布在 2 3 3 3 mm之間 其中 約65 分布在2 7 3 0 mm 之間 約80 分布在2 5 3 1 mm之間 最大頻次分 布區(qū)間為2 80 2 88 mm 符合正態(tài)分布規(guī)律 2 2 滑動(dòng)摩擦角和休止角 種子的滑動(dòng)摩擦角和休止角直接關(guān)系種子在 排種器內(nèi)的流動(dòng)和相互之間的作用關(guān)系 對(duì)于缺乏 黏聚力的散粒物料 其休止角等于內(nèi)摩擦角 20 則 摩擦系數(shù)為摩擦角的正切值 在Rocky軟件中需要 對(duì)種子的摩擦參數(shù)進(jìn)行輸入標(biāo)定 以獲得接近真實(shí) 狀態(tài)的仿真效果 試驗(yàn)采用自制的滑動(dòng)摩擦角測(cè)試裝置對(duì)種子 的摩擦參數(shù)進(jìn)行測(cè)量 如圖3所示 采用傾斜法 21 對(duì)休止角參數(shù)進(jìn)行測(cè)量 每項(xiàng)測(cè)量重復(fù)5次 取平 均值 結(jié)果見(jiàn)表1 10 1 2 34 5 6 9 8 7 A A A A a 剖視圖 Cross sectional view b 正視圖 Front view 1 底殼 2 軸承端蓋 3 轉(zhuǎn)軸 4 鏈輪壓蓋 5 鏈輪 6 滾針軸承 7 背 板 8 排種盤 9 排種盤壓蓋 10 外殼體 1 Bottom shell 2 Bearing end cover 3 Rotating shaft 4 Sprocket gland 5 Sprocket 6 Needle roller bearing 7 Back plate 8 Seed metering tray 9 End cover for seed metering tray 10 Outer shell 圖 1 氣吸式小粒種蔬菜精量穴播排種器結(jié)構(gòu) Fig 1 Structure of air suction precision hole sowing seed metering device for small seeds vegetables 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 2 16 2 24 2 24 2 32 2 32 2 40 2 40 2 48 2 48 2 56 2 56 2 64 2 64 2 72 2 72 2 80 2 80 2 88 2 88 2 96 2 96 3 04 3 04 3 12 3 12 3 20 3 20 3 28 3 28 3 36 3 36 3 44 種子直徑 mm Seed diameter 頻次 Frequency 圖 2 種子尺寸分布 Fig 2 The distribution of seed size 圖 3 滑動(dòng)摩擦角測(cè)試裝置 Fig 3 Sliding friction angle test device 表 1 種子摩擦參數(shù) Table 1 Seed friction parameter 項(xiàng)目 Item角度 Angle 摩擦系數(shù) Coefficient of friction 種子休止角 Seed angle of repose 22 24 0 408 9 種子與不銹鋼板的滑動(dòng)摩擦角 Sliding friction angle between seed and stainless steel plate 29 62 0 568 5 種子與光敏樹(shù)脂板的滑動(dòng)摩擦角 Sliding friction angle between seed and photosensitive resin plate 28 15 0 535 0 54 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 42 卷 2 3 千粒質(zhì)量與容重 千粒質(zhì)量和容重關(guān)系種箱大小的設(shè)計(jì) 根據(jù)千 粒質(zhì)量和容重 結(jié)合農(nóng)藝要求和播種機(jī)的設(shè)計(jì)要求 確定種箱大小 采用成都倍賽克儀表研究所生產(chǎn) 的XH30001型號(hào)電子天平和100 mL量杯進(jìn)行測(cè) 量 重復(fù)5次 取平均值計(jì)算千粒質(zhì)量 T 13 07 g 容重 R 0 586 9 g mL 3 排種器外殼體方案設(shè)計(jì) 外殼體主要包括種箱 進(jìn)種管等 由于小粒種 蔬菜種植密度較大 對(duì)播種均勻性要求高 需要對(duì) 排種器結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行緊湊化設(shè)計(jì) 排種器種箱至儲(chǔ) 種室之間的進(jìn)種管布置在外殼體內(nèi)部 3 1 種箱容積 配套播種機(jī)設(shè)計(jì)為6行排種器 壟寬 W 為 1 1 m 單側(cè)壟溝寬 V 為0 3 m 則行距 M 為0 2 m 穴距 N 按照最小農(nóng)藝要求 為0 1 m 則666 67 m2 用種量 Z總 為 Z總 6 666 67 W V N 1 Z總 28 572粒 則單個(gè)排種器每666 67 m2用種量 Z單 4 762粒 以每公頃加1次種子計(jì)算 根據(jù)種子的千粒質(zhì) 量和容重參數(shù) 種箱容積 B單 為 B單 0 015Z單TR 2 B單 1 590 mL 取B單 1 600 mL 3 2 進(jìn)種管出口大小仿真優(yōu)化 采用離散元軟件對(duì)排種器的性能仿真分析 對(duì) 試驗(yàn)研究具有指導(dǎo)意義 也可以解釋試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn) 象內(nèi)在的動(dòng)力學(xué)機(jī)理 22 本文采用Rocky軟件對(duì)排 種器外殼體的種子堆積過(guò)程進(jìn)行仿真 以解決和優(yōu) 化進(jìn)種過(guò)程中出現(xiàn)的種子卡頓問(wèn)題 在SolidWorks軟件中繪制并裝配排種盤與外 殼體 首先設(shè)置排種盤旋轉(zhuǎn)軸與世界坐標(biāo)系某一軸 重合 并且在導(dǎo)出STL文件時(shí)勾選 不要轉(zhuǎn)換 STL輸出數(shù)據(jù)到正的坐標(biāo)系 保證導(dǎo)入的模型在 Rocky軟件中的坐標(biāo)系與建模裝配時(shí)的坐標(biāo)系一 致 能在Rocky軟件中準(zhǔn)確設(shè)置排種盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 和顆粒工廠的位置等 在Rocky軟件中導(dǎo)入邊界模型 新建顆粒入 口 顆粒工廠 根據(jù)之前的測(cè)量結(jié)果設(shè)置顆粒大小 形狀與分布 各實(shí)體之間的摩擦參數(shù)等 根據(jù)較小尺寸的設(shè)計(jì)目標(biāo) 設(shè)計(jì)了垂直式和側(cè) 下式2種外殼體進(jìn)種管方案 分別在Rocky軟件中 對(duì)其進(jìn)種過(guò)程進(jìn)行仿真 圖4 圖5 在仿真動(dòng)畫中可以看到 垂直式進(jìn)種方式中 由于進(jìn)種管間隙較小 種子流具有明顯的卡頓現(xiàn)象 圖4 而側(cè)下式進(jìn)種方式中 種子流動(dòng)效果良好 從進(jìn)種管出口處形成明顯的斜坡 吸種孔處的種子 層厚度較大 有利于充種 圖5 根據(jù)改進(jìn)后的進(jìn)種效果 確定側(cè)下式進(jìn)種管為 優(yōu)選方案 采用光敏樹(shù)脂打印加工改進(jìn)后的外殼 體 經(jīng)過(guò)試驗(yàn) 卡種現(xiàn)象沒(méi)有出現(xiàn) 優(yōu)化的側(cè)下式進(jìn) 種管進(jìn)種效果如圖6所示 a 0 10 s b 0 30 s c 0 50 s d 0 70 s 圖 4 垂直式進(jìn)種管不同時(shí)刻進(jìn)種仿真 Fig 4 Simulation of vertical feed mode at different time a 0 30 s b 0 50 s c 1 00 s d 2 00 s 圖 5 側(cè)下式進(jìn)種管不同時(shí)刻進(jìn)種仿真 Fig 5 Simulation of side down feed mode at different time 第 6 期 曾 山 等 氣吸式小粒蔬菜種子精量穴播排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn) 55 4 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn) 4 1 排種器性能試驗(yàn)條件 采用自制排種器試驗(yàn)臺(tái) 試驗(yàn)臺(tái)由ZX 42GA775F 3500型直流減速電機(jī) 減速比115 轉(zhuǎn) 速55 r min 盛科電子CCM6DS型直流電機(jī)調(diào)速 器 Hti鑫思特HT 1890型數(shù)字微壓壓差計(jì) 測(cè)量范 圍 13 79 kPa 寧波奉化偉成電機(jī)廠的WM7060 24V型無(wú)刷直流風(fēng)機(jī) 臺(tái)灣明緯24 v 500 W開(kāi)關(guān) 電源和待測(cè)排種器等組成 見(jiàn)圖7 根據(jù)GB T 6 973 2005 單粒 精密 播種機(jī)試 驗(yàn)方法 23 每次試驗(yàn)采集250穴統(tǒng)計(jì)單粒穴數(shù) 空 穴數(shù)和重播穴數(shù) 重復(fù)3次 取平均值進(jìn)行分析 統(tǒng) 計(jì)單粒率 Z1 空穴率 Z2 重播率 Z3 計(jì)算公式如下 Z1 n1N 100 3 Z2 n2N 100 4 Z3 n3N 100 5 式中 N為理論排種總數(shù) n1為單粒穴數(shù) n2為空穴 數(shù) n3為重播穴數(shù) 4 2 試驗(yàn)方案 影響排種器性能的因素之間相互影響與約束 為了研究各因素對(duì)排種器性能的影響效果 需確定 各因素之間的主次關(guān)系和最優(yōu)組合 采用廣東省良 種引進(jìn)有限公司生產(chǎn) 丸?；幚聿⑷旧?四九 菜心 種子進(jìn)行試驗(yàn) 根據(jù)初步試驗(yàn)結(jié)果選擇轉(zhuǎn)速 范圍為5 34 r min 氣壓范圍為 800 4 300 Pa 對(duì) 排種器進(jìn)行二因素二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn) 每組試 驗(yàn)取250穴 重復(fù)3次 取平均值 表2為試驗(yàn)因素 編碼表 4 3 結(jié)果與分析 4 3 1 回歸分析與顯著性檢驗(yàn) 根據(jù)二次旋轉(zhuǎn)正 交組合試驗(yàn) 使用自行搭建的排種器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試得 a 0 s b 0 10 s c 0 18 s d 1 00 s 圖 6 優(yōu)化的側(cè)下式進(jìn)種管不同時(shí)刻的進(jìn)種效果 Fig 6 Effects of optimized side down feed mode at different time 6 1 2 3 5 4 1 排種器 2 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3 正壓風(fēng)機(jī) 4 負(fù)壓風(fēng)機(jī) 5 負(fù)壓氣壓表 6 正 壓氣壓表 1 Seed metering device 2 Drive motor 3 Positive pressure fan 4 Negative pressure fan 5 Negative pressure barometer 6 Positive pressure barometer 圖 7 排種器試驗(yàn)臺(tái) Fig 7 Testing platform for seed metering device 表 2 排種器試驗(yàn)因素編碼表 Table 2 Seed metering device test factor and code table 變量x范圍 Range of variable x 標(biāo)準(zhǔn)化后X 編碼 Normalized X coding 實(shí)際變量值 Actual value of variable X1 X2 x1 r min 1 x2 Pa 上水平 Upper level 1 1 30 00 3 800 00 零水平 Baseline level 0 0 20 00 2 550 00 下水平 Lower level 1 1 10 00 1 300 00 距零水平上r點(diǎn) r above the reference baseline level 1 414 2 1 414 2 34 14 4 317 75 距零水平下r點(diǎn) r below the reference baseline level 1 414 2 1 414 2 5 86 782 25 標(biāo)準(zhǔn)差 Standard deviation 1 1 10 00 1 250 00 56 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 42 卷 到各試驗(yàn)組排種器單粒率 空穴率 重播率指數(shù) 試 驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 采用Design expert10 0軟件對(duì)試驗(yàn) 數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合 得到單粒率的回歸方程 并采用F檢驗(yàn)驗(yàn)證其顯著性 多元回歸擬合得到各因素影響排種器單粒率 Z1 和排種器空穴率 Z2 的回歸模型分別為 Z1 95 1 6 6x1 12 96x2 8 27x1x2 9 22x22 6 Z2 4 82 6 68x1 13 14 x2 8 19 x1x2 9 14 x22 7 式中 x1為排種器轉(zhuǎn)速 x2為氣壓 回歸模型的顯著性檢驗(yàn)與方差分析表見(jiàn)表4 由表4可知 該模型的擬合度極顯著 P 0 000 1 其中排種器轉(zhuǎn)速 x1 氣壓 x2 以及兩者交互項(xiàng) x1x2 氣壓平方項(xiàng) x22 的P值均小于0 01 因此這 些因素與排種器單粒率 空穴率均顯著相關(guān) 通過(guò)回歸系數(shù)的檢驗(yàn)得知 影響排種器單粒率 與空穴率的因素主次順序?yàn)闅鈮?排種器轉(zhuǎn)速 4 3 2 響應(yīng)曲面分析 排種器轉(zhuǎn)速與負(fù)壓以及兩 者的交互作用對(duì)排種器的性能指標(biāo)均有顯著影響 根據(jù)響應(yīng)曲面圖 圖8 可以分析其對(duì)單粒率和空穴 表 3 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果 Table 3 Quadratic orthogonal rotation combination design and experimental results 序號(hào) Test number 轉(zhuǎn)速 x1 Rotation speed 氣壓 x2 Air pressure 單粒率 Z1 Single grain rate 空穴率 Z2 Leak seeding rate 重播率 Z3 Replay seeding rate 1 1 1 94 93 5 07 0 00 2 1 1 60 67 39 33 0 00 3 1 1 98 00 1 33 0 67 4 1 1 96 80 2 80 0 40 5 1 414 0 97 73 2 00 0 27 6 1 414 0 85 47 14 53 0 00 7 0 1 414 52 13 47 87 0 00 8 0 1 414 97 73 2 00 0 27 9 0 0 94 93 5 07 0 00 10 0 0 95 73 4 27 0 00 11 0 0 95 73 4 27 0 00 12 0 0 95 47 4 53 0 00 13 0 0 97 20 2 80 0 00 表 4 回歸方程方差分析 Table 4 Variance analysis of regression equation 指數(shù) Index 來(lái)源 Source 平方和 Sum of squares 自由度 df 均方 Mean square F P 單粒率 Z1 Single grain rate 模型 Model 2 567 93 4 641 98 30 45 0 000 1 X1 348 66 1 348 66 16 54 0 003 6 X2 1 343 90 1 1 343 90 63 75 0 000 1 X1X2 273 35 1 273 35 12 97 0 007 0 X22 602 01 1 602 01 28 56 0 000 7 殘差 Residual 168 64 8 21 08 失擬誤差 Lack of fit 165 81 4 41 45 58 59 0 000 8 誤差 Error 2 83 4 0 71 總和 Total 2 736 58 12 641 98 30 45 空穴率 Z2 Leak seeding rate 模型 Model 2 598 49 4 649 62 31 53 0 000 1 X1 357 22 1 357 22 17 34 0 003 1 X2 1 381 59 1 1 381 59 67 05 maxZ1 minZ2 minZ3 s t currency1 15 r min 1 x 1 34 r min 1 3 175 Pa x2 1 300 Pa 8 利用Design Expert軟件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并分析 求解 結(jié)果表明 當(dāng)吸種負(fù)壓為 2 316 Pa 轉(zhuǎn)速為 15 r min時(shí) 排種器單粒率合格指數(shù) 單粒率評(píng)價(jià)指 標(biāo) 達(dá)到96 428 漏播指數(shù) 空穴率評(píng)價(jià)指標(biāo) 為 3 499 重播指數(shù) 重播率評(píng)價(jià)指標(biāo) 為0 089 根 據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況 選擇負(fù)壓為 2 300 Pa 轉(zhuǎn)速為 15 r min 根據(jù)預(yù)試驗(yàn)選擇正壓500 Pa作輔助清 種 試驗(yàn)在相同條件下重復(fù)3次 單粒率 空穴率和 重播率理論值分別為96 43 3 49 0 089 實(shí)際 值分別為96 00 3 37 0 267 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表 明 單粒率合格指數(shù)平均值為96 漏播指數(shù)平均 110 00 102 50 95 00 87 50 80 00 72 50 65 00 57 50 50 00 1 0 0 5 0 0 0 5 1 0 0 5 1 0 1 0 0 5 單粒率 Single grain rate 單粒率 Single grain rate 負(fù)壓 Air pressure 負(fù)壓 Air pressure 轉(zhuǎn)速 Rotation speed轉(zhuǎn)速Rotation speed 0 500 0 025 0 450 0 925 0 140 0 500 0 025 0 450 0 925 0 140 A B C D 60 50 40 30 20 10 0 1 0 0 5 0 0 5 1 0 0 0 5 1 0 1 0 0 5 空穴率 Leak seeding rate 負(fù)壓 Air pressure 轉(zhuǎn)速 Rotation speed 響應(yīng)曲面圖 Response surface figure 空穴率 Leak seeding rate 負(fù)壓 Air pressure 轉(zhuǎn)速 Rotation speed 0 500 0 025 0 450 0 925 0 140 0 500 0 025 0 450 0 925 0 140 等高線圖 Contour map 圖 8 轉(zhuǎn)速 負(fù)壓對(duì)單粒率和空穴率影響的響應(yīng)曲面圖和等高線圖 Fig 8 Response surface figure and contour map of influences of rotation speed negative pressure on single grain rate and leak seeding rate 58 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 第 42 卷 值為3 37 重播指數(shù)平均值為0 267 試驗(yàn)結(jié)果 與理論值的差值在0 45 以下 證明在該工作條件 下 排種器性能滿足 單粒 精密 播種機(jī)試驗(yàn)方法 GB T 6973 2005 23 的要求 5 結(jié)論 1 設(shè)計(jì)了一種氣吸式小粒種精量穴播排種器 采用負(fù)壓吸種與正壓投種的原理 由底殼 外殼體 排種盤 轉(zhuǎn)軸等組成 結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)緊湊 可以實(shí)現(xiàn) 小粒種蔬菜的精量穴播要求 2 通過(guò)Rocky離散元仿真軟件分析垂直式和 側(cè)下式2種進(jìn)種管的進(jìn)種過(guò)程 仿真結(jié)果表明垂直 式進(jìn)種方式中 由于進(jìn)種管間隙較小 種子流具有 明顯的卡頓現(xiàn)象 而側(cè)下式進(jìn)種方式種子流動(dòng)效果 良好 從進(jìn)種管出口處形成明顯的斜坡 吸種孔處 的種子層厚度較大 有利于充種 3 排種器二次旋轉(zhuǎn)正交試驗(yàn)結(jié)果表明 影響 排種器單粒率合格指數(shù)與漏播指數(shù)的因素主次順 序?yàn)闅鈮?排種器轉(zhuǎn)速 當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí) 隨著負(fù)壓 的增加 單粒率隨之增加 空穴率隨之降低 當(dāng)負(fù) 壓一定時(shí) 隨著轉(zhuǎn)速的增加 單粒率隨之降低 空 穴率隨之增加 當(dāng)負(fù)壓大于 2 800 Pa時(shí) 轉(zhuǎn)速在 5 30 r min的范圍內(nèi)對(duì)排種器單粒率和空穴率影 響不明顯 且此時(shí)單粒率均在90 以上 空穴率 均在10 以下 本研究最優(yōu)參數(shù)組合為吸種負(fù)壓 2 300 Pa 轉(zhuǎn)速15 r min 正壓500 Pa 經(jīng)驗(yàn)證此 時(shí)的排種器單粒率合格指數(shù)平均值為96 漏播 指數(shù)平均值為3 37 重播指數(shù)平均值為0 267 符合 單粒 精密 播種機(jī)試驗(yàn)方法 GB T 6973 2005 23 的要求 參考文獻(xiàn) 王琪琛 張寒波 孫月星 等 廣東菜心 油麥菜在蔬菜 播種機(jī)不同播種密度下的試驗(yàn)研究 J 農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)與裝 備 2016 11 107 108 1 PANNING J W KOCHER M F SMITH J A et al Laboratory and field testing of seed spacing uniformity for sugarbeet planters J Applied Engineering in Agri culture 2000 16 1 7 13 2 KARAYEL D OZMERZI A Effect of tillage methods on sowing uniformity of maize J Canadian Biosystems Engineering 2002 44 2 23 26 3 KUDRA G AWREJCEWICZ J Approximate 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