转速对倾斜勺式大豆精密排种器性能影响的试验研究

2015-06-27牛媛媛徐铭辰毋高峰余泳昌河南农业大学机电工程学院河南郑州450002

河南农业大学学报 2015年6期

牛媛媛，徐铭辰，李赫，毋高峰，余泳昌(河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002)

牛媛媛，徐铭辰，李赫，毋高峰，余泳昌
(河南农业大学机电工程学院，河南郑州 450002)

为提高倾斜勺式排种器使用效果，利用STB-700试验台对3种不同的大豆种子进行了排种轴转速对排种器性能影响的试验，得到了排种器的转速对倾斜勺式大豆精密排种器排种性能影响的变化规律。并利用MATLAB中的fminbnd函数求解确定了符合要求的重播率极小值点为44.05 r·min-1，漏播率极小值点为40.71r·min-1，株距变异系数极小值点39.65 r·min-1。从而找到了倾斜勺式大豆精密排种器安装在播种机上工作时的最佳机组工作速度范围为4～5 km·h-1。

精密播种；转速；排种均匀性；分析

大豆机械精量播种过程中，排种器作为免耕播种机的关键工作部件将种子按照要求定量、均匀地播于田间，以获得合理的种植密度，从而提高农作物的产量，满足精量播种的要求。排种器作为精密播种机的一个关键部件，其性能直接影响种子分布的均匀性，最终影响播种质量[1]。因此，播种机选用的排种器对精量播种机的播种效果起着决定性的作用。目前广泛应用的精密排种器主要有机械式和气力式2大类。尽管气力式精密排种器不伤种子，通用性好，排种性能优良，但由于对风机及其动力传递结构要求较高，所以气力式精密排种器在中、小型免耕播种机上的应用一定程度上受到了输出动力的限制[2]。机械式精密排种器结构简单，排种精密度和稳定性较好，近些年来在黄淮海区域耕作模式和地块面积较小的南方区域应用比较广泛[3]。常见的机械式排种器主要有倾斜勺式、窝眼轮式、垂直圆盘式、水平圆盘式等多种类型[4]。倾斜勺式排种器由于对球状种子具有很好的适应性，因此在大豆免耕播种机应用较为广泛。排种器的工作环境比较恶劣，因此排种器的投种性能受到了诸多因素的影响，如种子的形状和尺寸、排种器的工作速度等[5,6]。目前，针对倾斜勺式大豆精密排种器的排种性能的研究分析主要集中在结构参数和运动参数方面[7]，关于排种器的工作转速对大豆排种器性能的影响还缺乏相关的研究和分析。因此，本研究利用粒距变异系数、重播率和漏播率来衡量排种器的工作性能，通过试验结果分析倾斜勺式大豆精密排种器的排种器转速对排种性能的影响，旨在利用一定的计算方法获得倾斜勺式大豆精密排种器转速的最优解，从而提高排种器的排种性能。

1 倾斜勺式排种器结构与作业原理

1.1 倾斜勺式大豆精密排种器结构

倾斜勺式大豆精密排种器主要由排种器壳体、排种盘、隔板、充种盘等组成(图1)。该排种勺轮直径约为 240 mm，均布18个种勺，种勺间距为45 mm，倾角为10°，导种轮的直径 237 mm，导种轮凹槽数为18个，工作时排种勺轮与导种轮同步转动，种勺与凹槽位置一一对应且均匀分布。

1.壳体； 2.投种盘； 3.隔板； 4.排种勺盘。

1.2 倾斜勺式大豆精密排种器工作原理

倾斜勺式大豆精密排种器在工作时，动力由地轮提供，再经过变速箱变速后带动分种勺轮转动。种箱内的大豆种子在重力作用下经排种器盖下面的进种口限量的落入排种器的充种区，充种后大豆种子在分种勺和隔板形成的持种空间的作用下同分种勺一起做圆周运动。当排种勺轮经过充种区进入清种区后，分种勺内多余的大豆种子将在重力和清种毛刷的作用下自动回落至充种区，使种勺内只有1粒种子。而留在持种空间的大豆种子则随分种勺继续做圆周运动，当运动到排种器顶部的递种孔处时，大豆种子将通过隔板上的开口落入与分种勺对应的导种凹槽中，并在排种轮的带动下经护种区到达投种口，大豆种子在重力、离心力、摩擦力等力的共同作用下脱离排种器顺利落入落入开沟器形成穴孔之中完成投种，实现零速投种。所谓零速投种，即排种器投种时种子的绝对水平分速度为零。实现零速投种的排种器可以使种子的落点精度更高[8,9]。

不同于普通大豆排种器的一次性投种性能，倾斜勺式大豆精密排种器具备2次投种的功能。倾斜勺式大豆精密排种器每完成一次投种，其实都是经过2个投种过程。通过分析倾斜勺式大豆精密排种器的工作过程可以看出，第1次投种是在大豆种子从进入充种区开始转动至种子从清种区落入导种轮上凹槽时，由于该凹槽的数目同分种勺数目相同，因此落入凹槽之后大豆种子等同于进入第2次投种过程。然后落入导种轮凹槽的大豆种子随着导种轮一起转动到底部排种口时，大豆种子落入种沟内由此完成第2次投种。普通大豆播种机的排种器一次性投种，种子落地时的速度高，容易发生弹跳、滚动，导致种子不能均匀分布。倾斜勺式大豆精密排种器在经过了2次投种过程后，种子的排种高度显著降低，这样减少了种子在种沟内弹跳的现象，有效地提高了种子粒距的均匀性和准确性。该排种器安装时与地面垂直，排种器在工作过程中靠重力清种，因此工作部件对种子造成的损伤较小。

2 材料与方法

2.1 试验材料

为保证试验结果准确、可靠，本试验选用吉育58、冀豆17和龙豆5号3种大豆来进行排种器轴转速对倾斜勺式精密排种器排种效果影响研究的试验。分别取3种种子各250粒，对其长度、宽度、厚度进行统计，吉育58平均为6.69 mm×6.54 mm×5.6 mm，长宽比为1.02；冀豆17平均为6.56 mm×6.51 mm×5.42 mm，长宽比为1.00；龙豆5号平均为6.34 mm×5.94 mm×5.34 mm，长宽比为1.07。

2.2 试验设备

本试验采用STB-700型排种器多功能智能检测试验台。该试验台用传送带做种床，模拟播种机的田间工作速度进行运动，排种器在试验时固定不动，传送带相对于排种器进行运动。这样就把播种机相对地面的运动转变为传送带相对于排种器的运动。排种器在固定位置把种子排在涂有油层的传送带上，从而达到测出排种均匀性等各项指标的目的。基于图像处理排种器性能试验和检定装置，该试验台能自动控制排种器转轴的工作速度、传送带的运行速度及风机压力；高速摄像装置可实时记录排种器的工作过程，利用图像检测技术自动精确地检测排种器所排种子粒距和粒数，并且可以按国标GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》测试要求[8]，自动精确计算、处理得出其重播指数、漏播指数等排种性能指标。适用于各种机械式和气力式排种器。排种器的转动速度和输送带运行速度均采用自动控制，对于精密排种器，自动计算该试验台具有检测精确、直观、实时性等特点[9]。

2.3 试验方法

2.3.1 试验设计以倾斜勺式大豆精密排种器为研究对象，以排种器轴转速和机组作业速度为影响因素。通过分析不同品种的大豆种子在倾斜勺式机密排种器以不同排种速度投种条件下的各项性能指标，判断排种器转速对排种器性能的影响以及影响规律。最后借助Matlab软件，运用非线性优化fminbnd函数计算出能使倾斜勺式精密排种器达到更好作业效果的机器作业速度，优化倾斜勺式精密排种器的使用效果。

2.3.2 试验评价方法根据GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》和GB/T 9478—1988《谷物条播机试验方法》，衡量精密排种器的基本性能指标有合格率、重播率、漏播率；衡量播种精度的基本指标有粒距平均值、标准差、变异系数。本研究选取重播率、漏播率、株距变异系数作为衡量排种器转速对倾斜勺式精密排种器排种性能影响的指标。利用GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》对重播率、漏播率和株距变异系数进行统计。

3 结果与分析

根据制定的实验方法，利用STB-700型排种器多功能智能检测试验台测得的试验结果如表1所示。同时以冀豆17为例测得的倾斜勺式大豆精密排种器的性能指标随机器作业速度变化的情况如表2所示。

通过表1、表2的试验结果可以看出，排种转速对倾斜勺式大豆精密排种器的排种效果有直接影响。随着排种器轴转速的增加，重播率呈非线性变化；漏播率、株距变异系数在机器作业速度不超过10 km·h-1速度范围时基本呈非线性增大趋势。当倾斜勺式精密排种器的排种转速大于70.2 r·min-1时，漏播现象开始变得严重；当转速超过 81.6 r·min-1时，倾斜勺式精密排种器的重播率明显增加；而变异系数随着转速的增加在逐渐增大，说明随着转速的增高，倾斜勺式精密排种器的排种均匀度在逐步降低。

表1 排种轴转速对倾斜勺式大豆精密排种器的性能指标的影响Table 1 Influence of the rotational speed of the shaft on the performance of the tilting spoon type soybean precision metering device

表2 机器作业速度对倾斜勺式大豆精密排种器的性能指标的影响Table 2 Influence of machine operating speed on the performance of the tilting spoon type soybean precision metering device

同时通过对比3种大豆在同转速时的变化规律可以看出，虽然试验选取的大豆种子的品种不同，但在针对同一种排种器的条件下其对倾斜勺式大豆精密排种器的漏播率、重播率以及株距变异系数的影响规律基本一致。说明排种轴速度变化引起的排种器性能指标变化并非因为受到种子尺寸因素的影响。通过对倾斜勺式大豆精密排种器机理的研究可以发现，排种器的排种轴的转动角速度影响了排种器的充种角、清种角以及投种角，从而影响了排种器的重播率、漏播率以及株距合格率[10]。因此，找到倾斜勺式精密排种器排种轴的最佳转动角速度可以提高排种器工作质量。根据以上数据分析可知，机组作业速度保持在4～5 km·h-1范围时，该排种器的重播率、漏播率、变异系数均较低，理论上在此范围内该排种器的工作效果较好。

为验证以上结论的正确性，本研究以倾斜勺式精密排种器的排种轴转速为自变量x建立目标函数，借助Matlab软件，运用非线性优化fminbnd函数计算使倾斜勺式精密排种器达到更好作业效果的排种器转速，优化倾斜勺式精密排种器的排种效果。倾斜勺式精密排种器的排种轴转速对重播率、漏播率、株距变异系数的影响规律可用下列方程表示。

(1)重播率D

D1= 1×10-7x6-5×10-5x5+0.006 8x4-0.520 1x3+22.058x2-489.66x+4 444.4

(1)

4 结论

1)经过试验验证可知，排种器轴转速对倾斜勺式大豆精密排种器的排种性能有直接影响。播种机的作业速度控制在4～5 km·h-1范围时该排种器的重播指数随作业速度的增加非线性降低，而漏播指数与变异系数均随作业速度的增加非线性增大。当超过这个速度范围时，该排种器的性能指标均随机组作业速度的增加呈非线性增加，此时倾斜勺式精密排种器的排种性能较差。

2)利用MATLAB中的fminbnd函数最终求得符合要求的重播率极小值点为44.05 r·min-1、漏播率极小值点为40.71 r·min-1、株距变异系数极小值点为39.65 r·min-1。此时对应的机组作业速度范围为4～5 km·h-1。

[1] 何波，李成华，张家峰．倾斜圆盘勺式精密排种器充种过程的种子运动分析[J]．沈阳农业大学学报，2009，40(2)：234-236．

[2] 王汉羊，陈海涛．2BMFJ-3型麦茬地免耕精密播种机排种器选型试验研究[J]．大豆科学,2013，32(2)：257-261．

[3] 张晓刚，刘伟，余泳昌．我国大豆精量播种机械发展现状及趋势[J]．大豆科技,2012(5)：39-42．

[4] 王业成，邱立春，张文娇，等．摩擦型立式圆盘精密排种器的设计与试验[J．农业工程学报，2012，28(1)： 22-26．

[5] 马成林．精密播种理论[M]．长春：吉林科学技术出版社， 1999．

[6] 张波屏．播种机机械设计原理[M]．北京:机械工业出版社，1982．

[7] 李建华．2BF-8 型小麦精密播种机播种均匀性研究[D]．保定：河北农业大学，2000．

[8] 李宝筏．农业机械学[M]．北京：中国农业出版社，2003，7．

[9] 李成华，夏建满，何波．倾斜圆盘勺式精密排种器清种过程分析与试验[J]．农业机械学报，2004，35(3):68-71．

[10]GB /T 6973—2005．单粒(精密) 播种机试验方法[S]．北京：中国标准出版社，2005: 10-24．

[11]张晓刚．大豆播种机械排种机构优化设计与试验研究[D]．郑州：河南农业大学，2013．

[12]谢宇峰，陈立东，林君堂，等．排种器转速与真空度对大豆排种性能的影响[J]．农机化研究，2006(2)：48-50．

(责任编辑：蒋国良)

Experimental study influence of shaft speed on the performance of tilting spoon type soybean precision seeding apparatus

NIU Yuanyuan, XU Mingchen, LI He , WU Gaofeng , YU Yongchang
(Mechanical and Electrical Engineering College ， Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

In order to improve the using effect of the tilting spoon seeding apparatus, the STB-700 tester and the three kinds of soybean seed were used to test the influence of shaft speed on seedmeter performance. Through the study, we find the Influence and change rule of tilt scoop metering performance soybean precision metering influenced by rotation speed of the metering device. And the fminbnd function of MATLAB was used to meet the requirements. The replay rate minimum point is 44.05 r·min-1. The leakage sowing rate minimum point is 40.71 r·min-1. The planting distance variation coefficient minimum point is 39.65 r·min-1. When the precision soybean metering device is installed in no tillage planter on soybean, the best working speed range set for this metering device is obtained,which is 4 ～ 5 km·h-1.

precision seeding; speed; seeding uniformity; analysis

2015-03-29

国家现代农业产业技术体系建设专项资金资助(CARS-04);国家公益性行业(农业)科研专项基金项目(201303011-4)

牛媛媛(1987-)，女，河南南阳人，硕士研究生，主要从事大豆免耕播种机的适应性研究。

余泳昌(1954-)，男，河南杞县人，教授，博士生导师。

1000-2340(2015)06-0801-05

S223.2