半球穴形气吸式精准播种机试验研究

陈晔，董欣

（1.辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 121001；2.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

半球穴形气吸式精准播种机试验研究

陈晔1，董欣2*

（1.辽宁工业大学机械工程与自动化学院，辽宁锦州 121001；2.东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

文章以稻谷种子精量穴播为研究对象，针对种子在气吸式播种器吸附孔附近状态建立动力学方程，展开动力学分析，并对播种器吸种盘穴形状、穴深度、穴上孔径及数量进行单因素和多因素正交试验研究。结果表明，吸孔数量是影响播种机性能最主要因素，依次是吸孔直径、穴孔直径，穴深为次要因素。以吸孔合格率和3粒率多因素正交试验确定水稻育秧气吸式播种机最佳结构参数组合。研究为水稻钵育秧播种机研制提供技术支撑。

水稻钵育秧；气吸式；播种机

水稻旱育抛栽和工厂化育秧技术应用广泛，机械精密播种是工厂化育秧关键环节，播种质量影响水稻出苗、生长[1-2]。排种器是精密播种核心技术[3]，分机械式和气力式两类。机械式排种器采用传统机械结构[4]，但槽轮或窝眼轮结构机械式播种机存在播种精度低、均匀性差、空穴率高且易伤种等问题[5-6]。气力式播种利用气流正压或负压力分离种子，与机械式相比具有不伤种、效率高优势，成为国内外学者研究重点。刘彩玲等研制往复摆动式气吸精量播种装置，分析影响吸种性能因素[5]；张清华等研制气吸式球面穴孔型板播种器[6]；Prasanna和Singh等对播种器建模并优化结构参数[7-8]；王晓东等设计垂直圆盘气吸式播种器并研究关键结构参数[9]。影响吸种性能结构参数尚无系统全面研究，存在空穴率、4粒以上率高缺点。为此，本研究设计外凸半球穴气吸式精量播种器，建立吸种状态动力学模型，基于该模型确定影响吸种性能结构参数，通过单因素试验确定参数重要性和水平区间，通过多因素多水平正交试验，以极差和方差分析法确定各因素对合格（1～4粒）率高于90%、3粒率高于85%等指标影响，确定最优参数组合。满足水稻钵育播种每穴3～4粒精量播种农艺要求。

1 水稻钵育精量播种设备总体结构及工艺流程

水稻钵育精量播种设备总体结构见图1。

图1 钵育精量播种机总体布局示意Fig.1Schematic of bowl-seeding air-suction seeder

播种机工作时由人工将带齿条推盘连同空盘连续放到该左端导轨上，打开电源开关接通气泵和真空风机，各个气缸工作顺序可按要求调整。推盘气缸首先将秧盘向右推动，经底土覆土箱下方时覆底土，到达吸种盘总成3下方等待播种。盛种箱推盘机构推动盛种箱至吸种盘总成下方，吸种盘气缸推动吸种盘向下移动直至接触种子完成吸种工序，吸种盘在气缸作用下向上移动，盛种箱回位，播种器吸种盘排种。播种后秧盘在下一个秧盘推动下到达表土覆土辊5处覆盖表土，完成一个工作循环。

2 种子在吸种孔附近动力学分析

上述联合播种设备核心部件是气吸式播种机，其决定该设备工作精度，其他部件属于附属装置仅影响机械动作时间和相互吻合性。气吸式播种机主要受气力作用和吸盘仿形穴孔几何参数影响。

①气力作用主要控制吸种（取种）和播种（排种）。参数是吸盘仿形孔处负压，负压太小，则种子不能稳定吸附于吸盘仿形孔内。通过调节风机转速实现负压控制。

②吸盘仿形孔几何参数包括：穴形及其布置方式，控制吸盘与种子接触面积；穴孔间距，控制播种间距；穴孔上的吸孔几何尺寸，通过吸孔数量、直径控制播种时每穴种籽粒数。

气力作用参数主要是吸风系统提供最大仿形孔处负压，试验过程中调节负压，稳定吸住种子即可；吸盘几何参数由播种农艺要求确定，不同播种要求需配用相应吸盘。

2.1 种子在吸孔附近受力模型

在吸孔附近，种子处于具有一定气体流速流场中，假设种子在流场中为具有同一尺寸均匀球体，根据流体动力学原理[10-11]可知，种子受流体阻力推动，即绕流阻力产生对种子吸附效果。控制种子在吸孔附近运动。设气体密度为ρ，则种子所受吸附力为

式中，Cd为阻尼力系数，与种子形状、表面状态和雷诺数有关，如果种子形状接近球体，则其值约为0.44；A为种子在垂直与运动方向平面上投影面积；v0为吸孔周围气流平均速度；d为种子直径；

若吸孔阻力系数定义为

则通过吸孔气流平均速度vi可表示为

式中ΔP为吸孔内外压力差。

已知吸孔直径为di，则通过单个吸孔空气流量为

吸孔附近气流流场分布由孔穴形状决定，为便于吸种和投种，孔穴做成球穴型，对于此种孔穴，气流流场呈放射状，气流速度取决R值。如图2所示。

图2 吸孔附近气流流场分布Fig.2Airflow patterns around aspiration seed hole

对于孔穴凹形区域，其表面积为：

假设流体为不可压缩连续流，根据质量守恒定律，已知空气流量Q′及表面积S，此时气流平均速度为:

式中，n为吸孔个数。

2.2 各因素对吸附力影响分析

由上述临界状态下各因素之间关系可知：

①由式（9）和式（10）得知，种子所受吸附力与吸孔尺寸和孔穴形状（di、ξ、α），吸孔内外压力差（ΔP），种子尺寸和形状（Cd，d）及种子所处位置R有关。

②由式（7）和式（11）比较发现，吸孔直径d，吸孔个数n，压力差ΔP，总空气流量Q，阻力系数ξ之间存在联系。

③吸附力与吸种距离R4成正比，所以R值不宜过大。

3 气吸式播种机试验设计及结果分析

3.1 吸种部件几何参数单因素试验

3.1.1 单因素试验设计与结果

由上述分析得知影响吸附效果因素很多，本研究重点分析吸种部件几何参数影响，包括吸孔直径、吸孔数量以及穴孔直径和穴孔深度。通过单因素试验，确定满足试验指标下气力吸种部件结构尺寸变化范围。

试验装置组成：试验装置主要由吸种板、气室和气源组成，气室为吸种板及金属罩壳构成空间，保证其密封性。其中，吸种板外廓尺寸为650 mm×400 mm，采用1.0 mm厚钢板，吸盘上冲出不同直径和深度穴孔（盲孔），穴孔利用凸模与凹靠模制成，在穴孔上加工不同直径、数量吸孔，如图3所示。

图3 吸种盘Fig.3Schematic of aspiration seed tray

①吸孔直径作为单因素变量时：穴孔直径取13 mm，穴孔深度为2 mm，吸孔数取4个，吸孔直径分别取1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm；

②吸孔数量作为单因素变量时：穴孔直径取14 mm，穴孔深度为3 mm，吸孔直径取1.5 mm，吸孔数量分别取1、2、3、4和5个；

③穴孔直径作为单因素变量时：穴孔深度为4 mm，吸孔数取3个，吸孔直径取φ2.0 mm，穴孔直径分别取12、13、14、15、16 mm；

④穴孔深度作为单因素变量时：穴孔直径取14 mm，吸孔直径取2.5 mm，吸孔数取2个，穴孔深度分别取2、3、4 mm。

具体数据组合情况如表1所示。

单因素试验指标均为：空穴率、单粒率、2～4粒率、3粒率、4粒以上率。分组单因素试验，见表2～5所列。

表1 单因素试验因素水平组合Table 1Data combinations in single-experiment

表2 不同吸孔直径播种情况Table 2Seeding rate with different diameter of hole

表3 不同吸孔数量播种情况Table 3Seeding rate with different number of hole

表4 不同穴孔直径播种情况Table 4Seeding rate with different cavity diameter

表5 不同穴孔深度播种情况Table 5Seeding rate with different depth of cavity

3.1.2 各因素与性能指标图形分析

由图4a可知，吸孔直径影响排种性能指标。随吸孔直径增大，空穴率和单粒率逐渐下降，其中空穴率仅当吸孔直径为1.0 mm时为7.5%，后均低于0.1%；而多粒率则随吸孔直径增大而上升。4粒以上吸种率先增大，直到吸孔直径为3.0 mm时急剧下降，由单粒率较高，3粒种子吸种率随孔径增大而缓慢上升，满足农艺要求吸种数在3±1个要求，吸孔直径应为3.0 mm，但由于3.0 mm孔太大，吸种时常将种子吸进气室，故取吸孔直径为1.5 mm。该孔径吸种率在其他因素不变情况下，达99.99%，2～4粒种子吸种率为54.63%。

吸孔数量与排种性能指标关系见图4b。吸孔数影响排种性能指标，随孔数增加，空穴率和单粒逐渐下降，4粒以上吸种率随孔数增加而呈近似直线上升，故孔数不宜过多。2～4粒种子吸种率与3粒种子吸种率随孔数增加而先升后降，在孔数为3个时达最大值，最佳孔数应为3。

由图4c可知，穴口直径影响排种性能指标：随穴孔直径增大，空穴率和4粒以上吸种率逐渐上升，而单粒率则呈近似直线下降，2～4粒种子吸种率与3粒种子吸种率先升后降。满足农艺要求吸种数为（3±1）个要求，穴孔直径应为13 mm，吸种率为99.85%，故最佳穴孔直径为13 mm。

由图4d可知，穴深对排种性能指标影响不显著，各曲线值近似水平，原因是所取穴孔深度较浅，差别不大。根据图2的结构可知，穴孔的深度h=R（1-cosα），“穴孔直径在10数量级范围内”即指穴孔直径为文中所取的12～16 mm，此时以直径为16mm为例，当穴孔深度从2 mm变化至4 mm，α角度的变化量仅不到13°，变化不大。“在实际加工过程即便塑性材料不能将孔冲压过深”改为：“在实际加工过程中，即便是塑性材料亦不能将空冲压过深”。故穴孔深度对改变吸附力贡献不明显。因此穴深并非影响排种性能主要因素，选择穴深为3 mm。

图4 各因素与性能指标变化关系Fig.4Relationship between each factor and capability index

3.1.3 单因素试验讨论

吸附力影响气吸式播种机排种性能。公式（11）中吸孔直径越大，吸附力越强，这与吸孔直径单因素试验结果相符，但试验过程中发现，过大吸孔导致种子通过其进入气室。吸孔直径超过1.0 mm后，空穴率已显著低于0.5%。

公式（11）中吸孔数量越大，吸附力越弱，与单因素试验结果不一致，因单因素试验所取吸孔直径较小（1.5 mm），若吸孔数量过少（1个孔）时，虽吸附力大，但吸孔有效吸附种子数量少，故此时单粒率高但其他吸种率却较低；当吸孔数量增大到有效吸附种子数目足够多时，即试验中2～3个孔，此时吸附能力最强，超过这一数量，吸附力开始下降。与前文相符。

公式（11）中穴孔直径越大，吸附力越弱，单因素试验中，除4粒以上率外，其余吸种率均符合该规律。

从各因素与性能指标变化关系曲线可知，随着吸孔直径增加，空穴率急剧下降，2～4粒种子吸种率在孔径为1.5 mm时较高。穴口直径与孔数因素影响与吸孔直径影响相似。在穴口直径为13 mm，孔数为3个适宜。穴深对指标影响不明显。

因此，吸孔直径、吸孔数量和穴孔直径是主要因素，穴孔深度是次要因素。

3.2 吸种部件几何参数正交试验

在单因素试验结论基础上，开展各因素各水平组合对播种器性能影响研究，以吸孔直径、吸孔数量及穴孔直径为因素作正交试验。

3.2.1 正交试验设计与结果

确定试验指标：合格（1～4粒）率、3粒率；确定试验因素：吸孔直径、吸孔数量和穴孔直径；

确定各因素水平：分别取适宜水平作各自因素中间水平，并向上、向下各选取一个水平作上、下水平。考虑吸孔直径过小不利影响，以1.5 mm作为上水平，并依次向下取2.0和2.5 mm两个水平。试验因素水平见表6。

表6 试验因素水平Table 6Factor list of size of the experience

本试验为3因素3水平试验，不考虑交互作用条件，选用L9（33）正交表。将结果记录于表格中，结果见表7。

3.2.2 合格率正交试验分析

对于合格率和3粒率正交试验，分别采用极差分析法和方差分析法对单一指标正交分析，确定各因素最佳水平。

合格率试验极差分析结果见表8。由表8可见，对于吸孔直径因素，在其水平为1.5 mm时，合格率最高，而合格率降低。原因是孔径过大后，造成1孔多粒，导致4粒以上率上升，影响合格率；而对于吸孔数量因素，2个吸孔时，合格率达80%，而3个吸孔合格率高达90%，但吸孔再增多，吸附力下降造成合格率下降；对于穴孔直径因素，随穴孔直径增大，合格率小幅增大，当穴孔直径为14 mm时达到最大83%，因此，各因素最优水平分别为：吸孔直径第一水平（1.5 mm）、吸孔数量第二水平（3个）、穴孔直径第三水平（14 mm），合格率指标对应最优组合为A1B2C3。

表7 L9（33）正交试验Table 7L9（33）Orthogonal test

表8 合格率试验结果极差分析Table 8Range analysis of qualified rate

合格率试验方差分析结果见表9。由表9可见，三个因素中，对合格率影响最大因素是吸孔数量，其次是吸孔直径，两者影响程度较为相似，而穴孔直径影响最小，即3因素对合格率影响主次顺序为B→A→C。

3.2.3 3粒率正交试验分析

3粒率试验极差分析结果见表10。由表10可见，对于吸孔直径因素，随吸孔直径增大，3粒率随之增大，但整体比率不超过30%。一方面吸孔直径增大，吸附力增强，吸种率自然提高，但另一方面吸孔直径增大1孔多粒概率增大，4粒以上率上升，影响3粒率；而对于吸孔数量因素，2个吸孔时，3粒率为22.4%，而3个吸孔3粒率迅速增至46%，但吸孔再增加，吸附力下降、且更易吸附超过3粒种子，故3粒率迅速下降；对于穴孔直径因素，可知，随穴孔直径增大，3粒率整体呈现下降趋势，当穴孔直径为12 mm时达到最大。因此，各因素最优水平分别为：吸孔直径第三水平（2.5 mm）、吸孔数量第二水平（3个）、穴孔直径第一水平（12 mm），合格率指标对应最优组合为A3B2C1。

3粒率试验方差分析结果见表11。由表11可知，三个因素中，对3粒率影响最大因素是吸孔数量，其次是吸孔直径，而穴孔直径影响最小，即3因素对3粒率影响主次顺序为B→A→C。这一结果与合格率试验中结果一致。

表9 合格率试验结果方差分析Table 9Variance analysis of qualified rate

表10 3粒率试验结果极差分析Table 10Range analysis of qualified rate of three grain

表11 3粒率试验结果方差分析Table 11Variance analysis of qualified rate of three grain

表9～11分析表明，对吸种合格率和3粒率影响最大因素均为吸孔数量（B），且两组试验中最好水平均为B2（3个孔）；其次为吸孔直径（A），其中合格率最优水平为A1（1.5 mm），而3粒率最优水平为A3（2.5 mm），但考虑合格率试验中吸孔因素对比例影响大，故取最优水平为A1（1.5 mm），尺寸与刘彩玲等研究结果一致[5]；最后是穴孔直径（C），合格率最优水平为C3（14 mm），而3粒率最优水平为A1（13 mm），考虑到实际工作中保证最高合格率，在此选取最优水平C3（14 mm）。

综合考虑各指标较优组合及生产实际要求，确定该播种机最优组合为吸孔直径1.5 mm，孔数3个，穴孔直径14 mm，穴深3 mm。

4 结论

a.建立吸种状态动力学模型，通过动力学分析，确定影响吸种性能结构参数；

b.通过单因素试验确定影响该播种机性能指标主要因素（结构参数）及水平区间，排除次要因素穴深；通过多因素正交试验分析，确定主要因素依次为吸孔数量、吸孔直径、穴孔直径；确定该水稻钵育苗播种机最适参数组合为吸种孔直径1.5 mm，孔数3个，穴口直径14 mm，吸种率接近100%，空穴率0，单粒率为0，2～4粒种子吸种率99.5%；

c.该播种机在排种过程中，吸种盘与种子间，种子与种子间无相对运动，不易伤芽，可播催芽种子，满足生产实际要求。

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Study on hemispherical cavity precision air suction seeder/

CHEN Ye1,DONG Xin2(1.School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology,Jinzhou Liaoning 121001,China;2.School of Engineering,Northeast Agricultural University,Harbin 150030,China)

Focusing on precise seed dibbling for rice，dynamic equation that the situation of seed around the suction hole was established，and kinetic analysis were carried out.Single-factor experimental and multifactorial experimental research was operated in which form and size depth of cavity of aspiration seed tray，the diameter and number of hole on the cavity were all the factors.The results showed that the number of aspiration seed hole was the most major factor,and followed by the diameter of hole and diameter of cavity.And through the orthogonal experiment aiming at qualified rate and qualified rate of three grain,optimal parameter combination was obtained.The conclusion provided a reliable guarantee and technical support for further study on developing of rice bowl-seedling aspirating seeder.

rice bowl-seedling;suction;seeder

S223

A

1005-9369（2016）11-0100-09

时间2016-12-1 16:25:12[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20161201.1625.024.html

陈晔,董欣.半球穴形气吸式精准播种机试验研究[J].东北农业大学学报,2016,47(11)：100-108.

Chen Ye,Dong Xin.Study on hemispherical cavity precision air suction seeder[J].Journal of Northeast Agricultural University,2016,47(11)：100-108.(in Chinese with English abstract)

2016-09-27

国家高技术研究发展计划（863计划）项目（2009AA043602）；十二五国家科技支撑计划项目（2011BAD15B04）

陈晔（1984-），男，讲师，硕士研究生，研究方向为机械系统动力学、智能控制、机械传动设计、精准机械。E-mail: cymaxim@qq.com

*通讯作者：董欣，教授，硕士生导师，研究方向为机械设计及理论方面的研究。E-mail:dongxin@neau.edu.cn