气力式西洋参排种装置的设计与试验研究

刘晓蛟，尚书旗，王东伟，连政国，李 金

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)



气力式西洋参排种装置的设计与试验研究

刘晓蛟，尚书旗，王东伟，连政国，李 金

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

由于播种西洋参需用催出芽的种子，机械排种器播种时极易将种芽碰掉，影响发芽率，不能满足西洋参种子的播种要求。为此，设计了一种气力式排种装置，阐述了气力式精密排种器的工作原理，确定了其主要结构参数。同时，以威海文登西洋参种子为播种对象，采用二次正交旋转组合试验，对吸种装置进行了吸排种性能试验研究，建立了行进速度、吸气孔直径、负压3个主要因素与漏播率、重播率的数学模型，分析了各个因素对漏播率和重播率的影响规律，并进行了参数优化。对重播率影响的因素其主次顺序为：负压、吸气孔直径、行进速度；漏播率影响的主次顺序为：吸气孔直径、负压、行进速度。当行进速度为1.5m/s、吸气孔直径为1mm、负压为4kPa时，机播重播率低于3.3%，漏播率低于2.3%，装置综合性能达到最优。经试验验证，试验结果与优化结果基本一致，满足西洋参精密播种的种植要求。

西洋参；气力式；排钟装置

0 引言

西洋参是全世界公认的名贵中药，本质上属于人参的一种，与人参同属五加科，但不同种，为多年生草本植物。西洋参在中国的种植面积比较广泛，已在17个省市和地区种植。其中，山东省威海市的文登地区是我国重要的西洋参种植基地之一，全市种植面积已达0.23万hm2，约占全国种植面积的1/4。

西洋参的种植产业其经济收益非常高，按种植西洋参4年为一周期计算，投资15万元/hm2，产值90万元，纯收入75万元，平均年效益18万元/hm2，使种植西洋参成了广大农民脱贫致富的有效途径[1]。针对目前西洋参产业机械化程度不高的现状，研制出与西洋参种植模式相适应的播种机械是十分重要的，而作为播种机核心部件的吸排种装置的研制对于整个播种机而言起着至关重要的作用。由于西洋参种子形状不规则，加之播种西洋参要用已经催出芽的种子，普通的机械式排种装置在播种过程中极容易将其种芽碰断播种西洋参种子并不适用。基于此，本文研制了一种气力式排种装置，采用气吸式工作原理，最大程度的保护种芽不受损伤。

吸种装置主要由排种箱和气吸式排种器组成，如图1所示。其中，排种箱由种箱、毛刷辊、轴承及传动链轮等部分组成，种箱的前下部均匀分布有多个矩形开口，毛刷辊转动时会将种箱中的种子刷向矩形开口。

1.吸种筒 2.塔轮 3.种箱 4.刮种板 5.吸种孔 6.轴承 7.毛刷辊 8.链轮图1 吸种装置结构图Fig.1 Suction device structure

气吸式排种器包括吸气套筒、吸气轴、塔轮、吸种筒及刮种板等。吸气套筒与风机相连接，为排种器提供吸力；塔轮分为4个等级，与覆土行走装置中的主动链轮配合，为排种器提供多种不同的转速，也就是可实现多种不同的株距；吸种筒圆周方向均匀分布多个小孔，与种箱相配合，吸住毛刷辊刷出的种子，同时吸种筒转动，当转至刮种板位置后，刮种板将种子刮下。

1 吸气轴的设计

空心吸气轴在整个气吸式滚筒排种装置中是实现精密排种的核心部件[2]。空心吸气轴的吸孔位置和大小对吸气滚筒腔体内流场的均匀性及负压产生直接影响，从而影响排种器的排种性能。空气从吸气孔进入吸气轴，并由吸气轴一端的接口排出。轴孔的分布为周向8个吸气孔，轴向等距分布16个轴孔，具体结构如图2所示。

图2 吸气轴结构示意图Fig.2 Structure diagram of breathe shaft

为了了解吸种筒内空气的流动状态，需对其雷诺数Re进行计算，计算公式为

(1)

其中，Re为雷诺数；ρ为空气密度(kg/m3)；μ为空气动力粘度(kg/ms)；v为空气平均流速(m/s)；z为吸气轴直径(m)。

吸气轴直径为30mm，空气平均流速均在10m/s以上，得出Re值远大于紊流流动的临界值，故整个过程空气的运动形态为紊流，紊流流动产生压力降为

(2)

2 吸排种装置性能的试验研究

根据样机在田间的试运行得知：合理控制好影响播种性能的几个因素，在很大程度上降低机播的漏播率和重播率；可是作业效果未能达到设计要求，需要进行运行参数的优化改进。因此，本文进行二次正交旋转组合试验，找出该机吸排种装置的最佳性能参数，提升样机的作业性能。

2.1 试验因素及编码

根据样机作业过程的机理进行分析研究，得知影响该机吸排种装置性能的主要因素有：机组行进速度、吸气孔直径及负压。根据研究分析及样机运行试验经验，确定各因素的变化范围：机组行进速度为0.5～1.5m/s，吸气孔直径变化范围为1～2mm，负压的变化范围为4～5kPa，试验因素及其编码如表1所示。

2.2 试验指标

为了准确分析该样机的工作性能，以种子的重播率和漏播率作为衡量指标，进行样机优化。

表1 试验因素与水平Table 1 Experimental variables and levels

2.3 试验结果及分析

试验采用三因素五水平二次正交旋转组合试验方法进行试验研究，试验总数N=mc+2p+m0=23，每次试验重复3次，求各测试区机播漏播率和重播率的平均值作为试验指标，试验方案与结果如表2所示[3]。

表2 试验方案与结果Table 2 Experimental project and results

续表2

2.4 试验数据结果的回归分析

通过MatLab2010数据处理软件对试验数据进行回归分析，确定各试验指标在不同试验因素水平组合下的变化规律[4]。

2.5 方差分析

首先，通过方差分析，在对试验中的重播率参数进行分析，结果如表3所示[5]。

表3 试验结果方差分析表Table 3 Analysis of variance of test results

F0.05(1,13)=4.67；F0.05(5,8)=3.69；F0.01(1,13)=9.07；

F0.01(9,13)=4.19。

通过方差分析可知试验指标的回归方程与试验数据拟合较好。试验结果方差分析如表4所示。

表4 试验结果方差分析表Table 4 Analysis of variance of test results

续表4

2.6 回归方程及其显著性分析

1)机播重播率。

回归方程为

(3)

y=22.27689Z12+23.06256Z22+24.04467Z32-

80.59545Z1-95.82486Z2+24.02778Z1Z2+

216.40203Z3-1139.532038

(4)

2)机播漏播率。

回归方程为

Y2=0.28068-0.23484X2+0.60148X12+

0.62269X22+0.64921X32+0.64875X1X2

(5)

Y=6.68311Z12+6.918778Z22+7.21344Z32-

24.178715Z1-28.74747Z2+7.20833Z1Z2-

64.92096Z3+155.110827

(6)

2.7 试验指标的因素影响规律分析

通过MatLab2010数据分析系统将回归方程转化为三维等值线图进行分析，可以研究因素间两两变化对西洋参精密播种机作业效果的综合影响，得到各项试验指标与各个试验因素之间的直观关系，转化结果如图3～图5所示。

图3 负压与吸气孔直径对重播率的影响Fig.3 The affection of negative pressure and suction hole diameter on the rate of the replay

(a) 行进速度与吸气孔直径对重播率的影响

(b) 行进速度与负压对重播率的影响图4 双因素共同作用下对含杂率的影响Fig.4 The affection of two factors on broken rate

图5 行进速度与负压对漏播率的影响Fig.5 The affection of speed and negative pressure on leak seeding rate

2.7.1 重播率的因素影响规律分析

由图3可知：在试验参数范围内，不考虑吸气孔直径这一因素的作用，随着负压的增大，重播率也随之增大；随吸气孔直径的增大，重播率呈先减小后增大的趋势。这是因为单一因素影响下，吸气孔直径较大时吸气孔对种子的吸附力增大，有效地降低了重播率；但如果吸气孔过大则会由于种子本身的比表面积太小不能填充住吸气孔而造成吸气孔漏气，使得重播率增大。所以，负压和吸气孔直径的大小均不能过大和过小，当两者处于中间水平时重播率达到最低水平，从而有效降低了重播率。

西洋参播种机重播率性能指标受多种因素的影响，情况较为复杂，不同因素间存在一定的交互作用，现通过将因素两两组合研究其对重播率指标的影响趋势。

由图4(a)可知：机播重播率随吸气孔直径的增大，重播率先呈指数减小然后趋于平缓；当行进速度增大时，重播率先呈指数减小然后也趋于平缓；当吸气孔直径和行进速度同时减小时，重播率呈指数升高；当两者同时增大时重播率呈指数升高，并在二者达到最大值时重播率也达到最大值；当两者都处于中间水平时，重播率一直保持平缓，没有较大波动。由图形趋势变化可知，二者交互作用不显著。

由图4(b)可知：在行进速度保持不变的情况下，随着负压的增大重播率呈现先减小后增大的趋势；在保持负压不变的情况下，随着行进速度的提高重播率也呈现同样的趋势即先减小后增大；在二者都处于最小值或都处于最大值时重播率达到最高点，二者在中间水平时重播率也控制在比较低的水平[6]。由图形的变化趋势可以看出二者并没有明显的交互作用。

2.7.2 漏播率的因素影响规律分析

由图5可知：当行进速度与负压同时减小时，漏播率达到最高点；当行进速度保持不变时，随着负压的增大漏播率变化一直比较平缓且处于比较高的水平，当两者同时达到最大值时，漏播率降到最低点；在负压保持不变的情况下，随着行进速度的提高，重播率逐渐减小。

2.8 试验参数优化

由于国内目前没有专门针对西洋参精密播种机各项性能的明确要求，因此参照小麦播种机的各项性能指标来对该机进行指标的优化，西洋参精密播种过程中应尽可能的降低重播率及漏播率[7]。

优化计算得到最佳参数为：行进速度1.5m/s，吸气孔直径1mm，负压为4kPa。在最佳试验参数作用下，经试验验证，试验结果与理论结果吻合性较好。

3 结论

1)分析可知：行进速度、吸气孔直径、负压对漏播率、重播率影响的主次顺序有所不同。机播重播率影响的主次顺序为：负压、吸气孔直径、行进速度；漏播率影响的主次顺序为：吸气孔直径、负压、行进速度。

2)当行进速度为1.5m/s、吸气孔直径为1mm、负压为4kPa时，机播重播率低于1.0%，漏播率低于1.0%，装置综合性能达到最优。

3)将优化设计后的参数运用到西洋参精密播种机吸种装置中进行田间验证试验，结果表明：排种均匀性，漏播率、重播率、播深合格率及株距变异系数均能满足相关标准。田间试验结果是：漏播率3.3%，重播率2.3%，株距变异系数3.66%，播深合格率99.0%。

[1] 罗爱青.西洋参半机械化种植技术初探[J].科技情报开发与经济,2004(1):177-178.

[2] 李宣秋.磁吸滚筒式精密播种器的设计与试验研究[D].镇江：江苏大学,2006.

[3] 朱伟平.旋转回归试验设计概况[J].神华科技,2010(6):66-70.

[4] 衣淑娟,陶桂香,毛欣.两种轴流脱粒分离装置脱出物分布规律对比试验研究[J].农业工程学报,2008，24(6):154-156.

[5] 陈立东.气吸式排种器性能参数设计及其对排种质量影响的试验研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学,2006.

[6] 田括.单圆盘半精量点种器的试验研究与优化[D].石河子：石河子大学,2013.

[7] 孙裕晶,马成林,李萌.加压条件下气力轮式精密排种器性能分析[J].农业机械学报,2009(7):72-77,60.

Design and Experimental Research of Physical Strength Type Seed-metering Device for Panax Quinquefolius

Liu Xiaojiao,Shang Shuqi,Wang Dongwei,Lian Zhengguo， Li Jin

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

In order to sowing seeds ginseng to need to use to urge a seed of bud, the machine row very easily would grow bud to touch while growing machine dibble and influenced a germination rate, can not satisfy the dibble request of ginseng seed, according to this, this text designs a kind of physical strength type row to grow device.Elaborate the physical strength type nicety row grows the work principle of machine and made sure its main structure parameter, with Wei sea the text ascend ginseng seed for sow seeds object, adopt two times is handing over to revolve combination experiment, absorb row and grow function and experiment a research towards absorbing to grow equip to carry on, built up to march forward speed, inhale bore diameter, negative press 3 main factors and leak the mathematics model of sowing the rate, reruns rate, analyze each factor to leak the influence regulation of sowing the rate and reruns rate, and carried on parameter excellent turn.Lead the factor of influence on reruns it lord the time is in proper order for:Is negative to press, inhale bore diameter and march forward speed;Leak to sow the main time of leading the influence in proper order BE:Inhale bore diameter and take to press, march forward speed.When march forward the speed as 1.5 ms|s, inhale the bore diameter as 1 mm, while taking to press for the 4 kpas machine's sowing reruns to lead is lower than 1.0% and leak to sow to lead is lower than 1.0%, equip comprehensive the function attain superior.Through experiment verification, experiment result with excellent turn result basic consistent, satisfy ginseng nicety sow seeds of plant a request.

panax quinquefolius; physical strength; experiment research

2016-04-06

山东省现代农业产业技术体系中草药加工与农业机械岗位项目(2015-2016)；青岛农业大学研究生创新计划项目(QYC201417)

刘晓蛟(1988-),女，山东海阳人，硕士研究生，(E-mail) 1102779309@qq.com。

尚书旗(1958-)，男，山东青州人，教授，博士生导师，(E-mail)sqshang@qau.edu.cn。

S223.2+6；S220.3

A

1003-188X(2017)03-0213-05