气吸式覆膜精量油菜播种机排种性能试验与优化设计

张 琴，王保爱，孙步功，冯 岩

(1. 甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006;2.甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 7300703.北汽福田汽车有限公司，山东 潍坊 261000)

油菜作为我国主要经济作物，年产量已接近600万吨，提高油菜单位面积产率、改善种植劳动强度变得尤为关键。大量试验表明精准播种是实现油菜高产的必要条件。设计高效可靠的油菜播种机有利于提高油菜播种的效率和质量[1-2]。

发达国家对精量播种机械研究起步较早，德国哈西亚公司的气吸式播种机，能进行开沟、施肥、播种、镇压、覆土、喷洒药剂等作业，但成本较高[3]。国内起步晚速度快，廖庆喜等针对传统单行排种器，设计出四行离心式排种器，利用驱动轴带动内锥筒旋转，在离心作用下，将种子推至出种孔排出[4]。郭玉明等研制的2BX系列谷子精量播种机，利用环槽式高频振动和异型螺旋槽两种类型的排种装置控制播种量，并设计出形状尺寸不同的槽断面排种轮来适应粒径大小不同(谷子、糜子、菜籽、牧草等谷物种子)的小籽粒谷物种子的排种要求[5]。纵观国内一些油菜播种情况，大多由调整改装后的小麦条播机进行播种，而小麦播种机的排种器多为外槽轮式，由于油菜籽粒径小(1.5～2.2 mm)，导致油菜播种过程中播种量难以控制，不仅浪费大量的种子，且给后期的间苗、定苗增加了工作量；此外，这类播种机械大多为小型机械，工作效率低，其重播漏播率在3%～4%。由于油菜种植方式的多样性、油菜籽粒的特殊性及土壤条件的复杂性，致使油菜种植机械推广受到阻碍，导致部分地区在油菜生产机械化试验示范过程中无适宜的机械。

由上述相关研究可知，重播漏播率高、人工劳动强度大是油菜播种最为关键的问题，针对以上问题，本试验致力于研究开发一种精准、高效的气吸式精量播种机，对其进行结构设计，利用相关软件进行分析，获得影响播种性能的关键因素和最优参数组合，最后通过田间试验验证最优参数组合下播种机的播种性能。

1 整机结构及其工作原理

1.1 整机结构

整机结构如图1所示，该播种机由拖拉机提供动力，采用三点悬挂方式；整机由悬挂装置、整地装置、开沟器、排肥装置、覆膜装置、排种装置、覆土装置、镇压装置等组成。

1.2 工作原理

1.镇压装置；2. 刮土器；3. 覆土装置；4. 机架；5. 排种装置；6. 种箱； 7. 滴灌带铺设装置；8. 地轮；9. 前覆土铲；10.覆膜装置；11. 大镇压滚； 12. 排肥装置；13. 开沟器；14. 整地装置；15. 风机装置；16. 悬挂装置1. suppression device；2. scraper device；3. covering device；4. frame； 5. seeding device；6. seed box；7. drip irrigation device； 8. land wheel；9. covering blade；10. mulching device； 11. suppression roll；12. fertilization device；13. colter boot； 14. land preparation device；15. fan; 16. suspension gear图1 气吸式油菜精量播种机结构示意图Fig.1 The structure sketch of air-suction precision seeder mechanism

田间作业时，最前端的平土铲对地表进行平整，施肥装置中的肥料经过塑料软管和圆盘式开沟器相连，在开沟的同时把肥料精确地撒入沟槽内，然后再经大镇压轮将土地压平实现施基肥工作。覆膜时先用铺膜辊将地膜展平，再用压膜轮将地膜压入左右两侧由前刮土器所开的沟中，机架左右两侧的小覆土铲再将土壤填入沟中。滴水灌溉设施铺设在膜的下面，滴水口在播种处，实现精准灌溉，提高育苗的成活率。播种环节排种时，排种装置通过机架的向前运动开始向前滚动，在膜上进行先扎眼，后播种。最后，利用镇压覆土装置和地面产生的摩擦滚动，将镇压覆土装置里面的土壤通过装置中间空隙覆盖在土地上所扎的眼孔，盖住种子。机架左右的大覆土铲向覆土装置中填充土壤，保证足够的土壤可以盖住孔穴。覆土轮可以上下浮动，镇压住覆盖在地膜下面的土壤，使土壤和种子接触更加充分。完成一体化播种作业。

1.3 播种机主要技术参数

播种机主要技术参数见表1。

表1 气吸式覆膜精量油菜播种机技术参数

2 关键部件结构设计

2.1 排种装置设计

气吸式排种器是应用气吸原理进行排种的，其排种圆盘呈垂直状安装在种子箱底面，一侧与种子暂存仓相接，另一侧与气吸室相接，在排种圆盘上开有气流通道孔。排种通过压紧装置压住排种盘以减少漏气。穴播轮前壳体与导种管相连，底部装有刮种板。气吸室和风机相连，风机工作时使气吸室产生真空度，进而在排种盘两侧形成一定的压力差，在该压力差的作用下，种子被吸附在吸种孔上。当带孔排种盘携种子运转至刮种板时，种子受到阻力在自身重力作用下掉落至对应鸭嘴穴内。排种盘继续旋转，在压力差的作用下再次吸附种子，如此循环连续进行排种。以垂直圆盘式排种盘为例，当排种器工作时，种子所受外力主要有种子重力(G)、种子旋转惯性力(J)、吸孔吸附力(P)及吸孔处产生的支持力(N)。种子离开种子群开始移动时产生的摩擦力可忽略，如图2所示。

图2 种子受力示意图Fig.2 Schematic diagram of pressure on seeds

排种装置的结构G—种子所受重力，J—种子所受惯性力，T—G、J的合力，d—吸种孔直径，h—种子重心与排种盘的距离，F—种子所受吸附力，N—种子所受支持力，其中：J=mrω2(ω为排种盘的角速度，r为种子重心到排种盘转动轴的距离)。

当排种盘等速转动时，惯性力(J)的大小保持恒定，而其方向不断变化，重力(G)的大小和方向恒定不变。从受力分析图可以看出，合力的大小在开始吸种时最大，随后减小。当G与J方向相反时，即种子达到排种盘顶部时种子所受外力的合力最小，此时所需吸孔的吸附力最小，要求的真空度亦最小；当种子转过顶部逐渐下降时所受合力又逐渐增大。计算真空室所需最小真空压力时，应以充种区所需真空压力为基准。因此，要保证吸孔吸住种子，需满足息室真空度最大值要求[6]：

(1)

式中,d为排种盘吸孔直径(mm)，取d=1.2 mm；c为种子重心到排种盘的距离(mm)，取c=2.5 mm；m为单粒种子的质量(kg)，m=5.6×10-6kg；v为吸孔中心处的线速度(m·s-1)，v= 0.35 m·s-1；r为排种盘吸孔处的转动半径(m)，r= 0.07 m；λ为种子的摩擦阻力综合系数，λ=(6～10)tanθ，θ为种子自然休止角，λ= 8×tan28°；K1为吸种可靠性系数，一般在种子千粒重小，种子形状近似球形时选择较小值，K1=1.8～2.0；K2为工作稳定可靠性系数，一般K2=1.6～2.0，种子千粒重大时取大值，本文取K2=1.6。本设计选沟宽为50 mm，由式(1)，根据所需要的数据，计算出吸室的真空度范围为2.5 kPa。

由计算公式(1)可知，气吸式排种器所需真空度极限值与吸孔直径、排种盘吸孔处线速度及种子物理特性等有关。吸室的结构形式主要有两种，即圆环形和马蹄形[7-8]。由文献[9-10]可知，气吸室流场满足：

(2)

式中：ωx为假设微团(质点)x方向的旋转角速度；ωy为假设微团(质点)y方向的旋转角速度；ωz为假设微团(质点)z方向的旋转角速度。由式(2)可以看出气吸室为等势流场，即气吸室内部压力相等，与气吸室形状无关。由于在吸孔附近存在压力差，气流产生流动，所以种子会受到气流的作用力，其在流体中的受力[11]如图3所示。

图3 流体中种子受力Fig.3 Pressure on seed in fluid

设种子负压面所受压力为P1，正压面所受压力为大气压力Pa，那么推动种子移动的力为Pa-P1，所以，根据伯努利方程可得：

(3)

(4)

式中：A为吸孔的面积，ρ为空气的密度(kg·m-3)，r为种子与吸孔的距离(m)，y为种子偏离吸种孔中心的横向距离(m)。则有：

F=∬(Pa-P1)ds

(5)

式中,R为种子半径，Q为空气流量(m3·s-1)。

若假设种子为圆形，且取种子当量半径为a，对种子受力在其平面上进行积分，可得种子的受力为：

(6)

式中，c为吸孔半径(m)。

由(6)式可以看出，种子在气流中的作用力F与吸孔的面积及种子和吸种孔的距离有很大关系，即随着吸种孔面积的增大吸种孔吸力显著增大，随着种子与吸种孔距离的增大种子所受吸力急剧减小，距离增大到一定值后，所受吸力减至最小值为零，所以吸种孔应尽量与种子接触。因此设计排种装置结构如图4所示。

3 排种性能试验

3.1 试验指标

试验依据《单粒(精密)播种机试验方法》(GB/T6973-2005)，选用油菜种子的漏播率、合格率和重播率作为衡量排种器工作质量的性能指标，并且将其作为试验目标[17-20]，根据前期试验研究，结合相关学者的研究成果[12,13-18]，影响排种性能的主要参数为排种盘转速、气吸室负压、排种盘型孔直径。故选取这3个主要试验因素展开对排种器排种性能影响的试验研究，寻求上述试验因素间的最佳参数组合，以期获得较高的合格率，为气吸式油菜精量排种器的设计提供参考。

3.2 试验设计

前期通过大量的单因素试验确定了播种机排种盘转速取值范围在150～250 r·min-1，负压值取值范围在1.5～3 kPa，排种盘型孔直径范围在0.5～1.9 mm。为了找到这3个因素的最佳参数，使得此排种器排种性能最佳，本文采用Central Composite Design试验设计原理，以播种机排种盘转速X1、气吸室负压X2、排种盘型孔直径X3为自变量，合格率Y1、重播率Y2、漏播率Y3为响应值，选择了试验次数少，计算方便，可以避免回归系数间相关性的二次旋转正交组合试验方法，试验因素和水平如表2所示。

再根据三因素二次旋转正交组合试验表进行试验，每组试验重复3次取平均值。试验设计及结果见表3。

3.3 回归分析

借助Design-Expert 8.0.5软件对试验数据进行多元回归拟合，对试验结果进行回归分析，可以得到合格率(Y1)、漏播率(Y2)和重播率(Y3)的回归方程。

表2 试验因素和水平

1.鸭嘴；2. 穴播器后壳体；3. 进气孔；4. 穴播器前壳体；5. 进种口1.the duck mouth；2. rear cabinet of dibble；3. air inlet；4. fan blades of dibble；5. feed inlet图4 排种器结构示意图Fig.4 Schematic diagram of seed distribution device

试验序号Test serialnumber因素水平 Level排种盘转速X1Rotation speed负压X2Negative pressure响应值 Response value排种盘型孔直径X3Hole diameter合格率Y1/%Qualified rate漏播率Y2/%Failure rate重播率Y3/%Reseed rate1-1-1-185.66.38.121-1-186.15.48.53-11-182.311.36.4411-180.914.24.95-1-1184.39.76.061-1182.511.36.27-11183.78.28.1811181.312.46.39-1.6820088.73.67.7101.6820085.66.77.7110-1.682092.32.84.91201.682086.77.85.51300-1.68278.815.35.914001.68274.818.07.21500096.31.91.81600096.82.11.11700097.21.71.71800096.31.91.81900095.82.31.92000095.02.62.42100098.01.30.72200097.41.51.12300096.92.40.7

合格率(Y1)回归模型的建立与显著性检验通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，获得各因素编码值表示的合格率(Y1)、漏播率(Y2)、重播率(Y3)的二次回归模型分别为：

Y1=96.64-0.76X1-1.44X2-0.72X3-0.31X1X2

(7)

Y2=1.96+0.95X1+1.60X2+0.65X3+0.80X1X2

(8)

Y3=1.47-0.2X1-0.15X2+0.065X3-0.49X1X2

(9)

由表4可知，回归模型的P<0.001，表明回归模型极其显著；失拟项P>0.05，失拟不显著，说明模型所拟合的二次回归方程与实际相符合，能正确反映合格率Y1与X1、X2、X3之间的关系，回归模型可以较好地对优化试验中各种试验结果进行预测。其中对于合格率，模型的一次项X1、X2、X3和影响极显著，其余影响不显著。根据以上三式各因素回归系数的大小，可得到影响合格率及漏播率主次顺序为:X2>X1>X3，即气吸室负压>排种盘转速>排种盘型孔直径。

3.4 结果分析

通过Design-Expert 8.0.5对数据进行处理，可得到播种机排种盘转速(X1)、气吸室负压(X2)、排种盘型孔直径(X3)对合格率的影响，交互因素对排种合格率响应面曲线如图5所示。

(1)排种盘转速和气吸室负压的交互作用对排种合格率的影响。图a为排种盘型孔直径在1.2 mm时，排种盘转速和气吸室负压对排种合格率交互作用的响应曲面图。由图可知，气吸室负压一定时，排种随着排种盘转速的增大，排种合格率先上升后下降；排种盘转速一定时，随着气吸室负压的增大，排种合格率同样先上升后降低。排种盘转速为197 r·min-1、气吸室负压2.5 kPa时，播种机合格率最高。

(2)排种盘转速和排种盘型孔直径的交互作用对排种合格率的影响。图b为气吸室负压为2.5 kPa时，排种盘转速和排种盘型孔直径对排种合格率交互作用的响应曲面图。由图可知，排种盘转速一定时，随着排种盘型孔直径增大，排种合格率先上升后下降；排种盘型孔直径一定时，随着排种盘转速的增大，排种合格率同样先上升后降低。排种盘转速197 r·min-1、排种盘型孔直径1.2 mm时，排种合格率最高。

表4 回归方程方差分析

图5 交互作用对合格率的影响Fig.5 The effects of interaction on the qualification rate

(3)气吸室负压和排种盘型孔直径的交互作用对排种合格率的影响。图c为排种盘转速197 r·min-1时，气吸室负压和排种盘型孔直径对排种合格率交互作用的响应曲面图。由图可知，气吸室负压一定时，随着排种器排种盘型孔直径的增大，排种合格率先上升后下降；排种盘型孔直径一定时，随着气吸室负压的增大，排种合格率同样先上升后下降。气吸室负压为2.5 kPa，排种盘型孔直径1.2 mm时，排种合格率最高。

同理，各交互因素对排种漏播率的影响响应面曲线如图6所示，对排种重播率的影响响应面曲线如图7所示。

4 参数优化与田间试验

利用优化工具箱，对回归方程模型进行优化求解，得到气吸式油菜精量播种机最优工作参数为：播种机排种盘转速197 r·min-1、气吸室负压2.5 kPa、排种盘型孔直径1.2 mm。为了验证模型的可靠性，采用上述最优播种工作参数进行9次试验取平均值。结果表明，膜上播种合格率平均值为96%，与回归模型的计算结果相比平均相对误差为2%，表明优化工作参数组合可以作为气吸式油菜精量播种机田间作业的最佳依据。

精准型气吸式覆膜油菜穴播机在膜上播种，可以一次性完成平土整土、开沟施肥、滴水灌溉、覆膜、播种、覆土镇压等作业。有效解决了旱地油菜生长期缺水、苗间距不一致等问题，具有播种效率和出苗率高，省种，免间苗，适宜机械收获，设备制造成本低等优点，达到精准播种施肥的目的。

图6 交互作用对漏播率的影响Fig.6 The effects of interaction on the failure rate

图7 交互作用对重播率的影响Fig.7 The effects of interaction on the reseed rate

图8 气吸式油菜精量播种机田间试验Fig.8 Field experiment of air-suction precision rapeseed seeder

检测项目Testing subject设计要求Designrequirement实测结果Test result作业幅宽 Operation width/mm12001200株距 Space between plants/mm100100播种/施肥行数 Number of sowing/fertilizing44播种深度 Sowing depth/mm20～3025播种量 Sowing amount/(kg·hm-2)1.5～3.02.55施肥量 Amount of fertilizer/(kg·hm-2)300～525340合格率 Qualification rate/%9396重播指数 Reseed index/%≤73漏播指数 Failure index/%≤51作业速度 Speed/(km·h-1)1.9～2.72.16生产率 Productivity/(hm2·h-1)0.3～0.40.35

5 结 论

本文针对油菜播种机普遍存在的重播漏播率高等问题设计一种精量覆膜播种机，对于播种器排种性能以排种盘转速、气吸室负压、排种盘型孔直径为3个试验因素，以合格率、重播率、漏播率为3个响应值，分别进行试验，并通过Design-Expert 8.0.5对数据进行处理，分析了三因素的交互作用对排种合格率的影响，得到以下结论：

1)播种机排种盘转速197 r·min-1、气吸室负压2.5 kPa、排种盘型孔直径1.2 mm时，播种合格率为93%，重播率为≤7%，漏播率为≤5%。

2)田间试验结果表明，播种合格率为96%，重播率为3%，漏播率为1%，效果较好。