弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器排种性能参数优化与试验

石林榕 孙步功 赵武云 杨小平 辛尚龙 王久鑫

(甘肃农业大学机电工程学院， 兰州 730070)

0 引言

玉米机械化精密播种是提高播种效率的重要途径[1]，而排种器是播种机的关键部件。精量排种器按其工作原理分为机械式和气力式。机械式结构简单，对种子外形要求较高，损失较大[2]。气力式排种器主要包括气吸式、气吹式、气压式和中央集排式等，气吸式排种器因对种子具有适应性强、损伤轻、能适应较高播种作业速度等优点而被广泛应用[3-4]。国内学者对气吸式排种器做了大量研究[5-9]，包括采用机械托种盘辅助吸种、同步排种盘和负压腔室旋转吸种、扰动种群降低种子瞬态法向应力提高吸种能力、利用振动频率增强吸种能力、采用内充气吹式吸种等，这些均提高了吸种盘吸附种子能力，然而以上排种器安装于机架上，不能满足膜上鸭嘴破膜穴播的要求。西北旱区先铺膜保墒、后膜上播种模式效益较高，滚轮式排种器播种过程受到多种因素影响，尤其地面不平度影响较大，播种质量有待提高。

基于西北地区铺膜种植特点，本文针对气吸式玉米滚轮排种器在地膜上滚动穴播单粒合格指数低、漏播严重等问题，用弹性橡胶作为玉米吸种盘的吸种材料，对吸种盘吸种过程进行受力分析，研究影响吸种能力的因素，根据响应曲面法的Central Composite Design试验设计原理，基于弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器试验台开展气吸排种试验，并优化弹性嘴式气吸排种器作业性能参数，进行大田试验加以验证。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器主要由排种器右壳体、种室隔板、吸种盘组件、种盘限位架、气室密封圈、扰种器、气管、鸭嘴、排种器主架、鸭嘴固定架和排种器左壳体等组成，如图1所示，其中吸种盘组件由吸种盘和弹性吸种垫组成，弹性吸种垫通过得力6371胶粘附于吸种盘吸种孔内，吸种盘(钢板，表面粗糙度3.2)上的吸种孔由两个阶梯状孔构成，大孔直径12 mm，深度2 mm，用于安装弹性吸种垫，小孔直径6 mm。弹性吸种垫材料为弹性橡胶(密度0.92 g/cm3，扯断强度19 MPa，中度回弹性能)，外孔直径6 mm，内孔直径2 mm，深度2 mm，吸种垫内径小于吸种盘的通气孔，为吸种垫法向变形留出空间。吸种盘与后壳体封闭空间连通。主要工作区域依次为吸种区、清种区、携种区和隔种区，如图1b所示。

图1 弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器结构示意图Fig.1 Schematics of seed metering with device-aspiration type and elastic suction nozzle1.入种口 2.排种器右壳体 3.种室隔板 4.吸种盘组件 5.种盘限位架 6.气室密封圈 7.扰种器 8.气管 9.鸭嘴 10.排种器主架 11.鸭嘴固定架 12.排种器左壳体 13.刮种板 14.清种器 15.支板 16.弹簧 17.吸种盘 18.弹性吸种垫

1.2 工作原理

如图1所示，弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器可分为吸种区、清种区、携种区、隔种区。作业时，排种器壳体与膜面发生相对转动，吸种盘同步旋转，吸种盘一侧面向取种区，另一侧与由穴播轮后壳体和隔板组成的气吸室相通，气吸室与机架连接，不发生转动，风机使吸种盘两侧产生气压差，吸种盘转动经过吸种区Ⅰ时种子克服种群对其作用力后被吸附在吸种盘组件的弹性吸种垫上，由于弹性吸种垫吸种时发生弹性变形，与玉米种子外形贴合紧密，单粒吸种力较大，多粒吸种几率降低。当玉米种子随吸种盘旋转经清种区Ⅱ并出现多吸种的情况时，由于弹性吸种垫大小和一粒种子截面面积相当，致使多吸的种子与光滑的吸种盘接触面较大，又因玉米与弹性气吸垫之间的摩擦因数大于玉米与吸种盘之间摩擦因数，多吸的种子会被扰种器搅动掉落至吸种区Ⅰ，后经过携种区Ⅲ，当种子运转至刮种板时，种子进入隔种区Ⅳ，气吸室与吸种孔连通关闭，种子在重力及清种器综合作用下落至鸭嘴内，此后鸭嘴随排种轮旋转扎入土壤一定深度，鸭嘴上的支板在地面反作用力下打开，种子掉落入穴孔内，排种器继续滚动，支板离开地面，弹簧恢复原形，鸭嘴关闭。如此循环完成连续播种。

2 种子受力分析

弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器工作时，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F、吸孔处种子摩擦力f、空气阻力，由于在吸种区Ⅰ，玉米种子较多不易形成外部气流，玉米受到的空气阻力可忽略不计，吸种垫吸附种子后受力如图2所示。

图2 种子受力示意图Fig.2 Schematic of seed under force

如图2所示，在垂直于水平面的气吸式吸种盘上，种子被吸住时的受力条件[10]为

f>T

(1)

其中

式中T——玉米惯性力J和重力G的合力，N

α——重力和惯性力之间夹角，(°)

m——单个玉米质量，kg

ω——吸种盘角速度，rad/s

R——吸孔位于吸种盘的半径，m

g——玉米受到的重力加速度，m/s2

μ——摩擦因数

d——吸孔直径，m

p——气流密度，kg/m3

(2)

式中c——玉米重心与吸种盘上表面的距离，mm

如图3所示，当种子被成功吸附于吸种盘组件后，还需克服种群对其阻力。以种子质心为坐标原点建立坐标系，过原点水平线为x轴，垂直水平线为y轴，此时种子受力分别为线性运动方向阻力fd、型孔对种子的支持力N、上层种群对种子的压力Nt、种子重力G、离心力J及下层种群对其支持力Nb。

图3 种子脱离种群受力分析示意图Fig.3 Sketch of stress analysis of seed detachment from population

种子随吸种盘运动过程中，Nb=0。为保证种子不掉落，需满足受力条件

fx=(Nd+fd)cosα-Jsinα

(3)

fy=Nt+G+Jcosα+(Nd+fd)sinα

(4)

式中fd——种群对种子的摩擦力，N

Nd——种子运动方向受到的阻力，N

由于种子离心力在种群中被反力抵消，离心力J可忽略，因此，式(3)、(4)可简化为

(5)

由式(5)可知，吸种盘吸种区域主要为[0,π/4]，在其他力一定的情况下，随着fx减小、fy增大，即种子受到的摩擦力f方向与x轴夹角不断增加，f不断增加。

吸孔处种子摩擦力计算式为

(6)

式中μa——种子与弹性吸种垫之间的摩擦因数

图4 玉米种子与不同材料摩擦因数测定Fig.4 Coefficient determination of static friction between corn seeds and different materials1.吸种盘 2.弹性橡胶

由式(6)可知，若要玉米种子被吸牢，要求种子与弹性吸种垫之间的摩擦因数μa、吸种垫吸孔直径d和气流密度p值大。如图4所示，通过倾角法比较和测定玉米种子与吸种盘之间、玉米种子与弹性吸种垫之间的静摩擦因数，分别进行5组试验。试验中发现，随吸种盘与水平面之间的倾角缓慢增加，处于吸种盘的种子先于弹性吸种垫上的种子滑落，种子滑落角分别为14°和30°。经计算玉米种子与吸种盘之间的静摩擦因数为0.25，玉米种子与弹性吸种垫之间的静摩擦因数为0.58，本文所采用的弹性吸种垫增大了种子的摩擦力，能有效降低漏吸率，同时提高了种子的抗振性。

由式(2)可以看出，随吸种垫吸种孔直径的增大，吸附种子所需要的真空度降低，吸种盘吸种能力逐渐提高；而当吸种孔直径增大到一定值时，漏气量逐渐增大，吸种能力逐渐降低[11]。同时，吸孔过大会使气流速度降低。种子气流拽力计算式为[12]

(7)

式中Cd——空气阻力因数，与种子形状、表面状态及雷诺数有关

Sa——种子迎风面面积，m2

v——气流速度，m/s

由式(7)可知吸孔直径d并非越大越好。吸种孔直径需根据玉米种子的平均宽度来确定[13]，计算式为

d=(0.64～0.66)b

(8)

式中b——种子平均宽度，m

本文试验采用的玉米品种为郑单958，宽度平均值为6.21 mm，由式(8)计算得吸种孔直径为4.04 mm。根据甘肃省农艺要求，确定玉米播种穴距为220 mm，吸种盘上吸孔圆周分布直径为170 mm，吸孔数为8。气吸式播种机配套动力为洮河拖拉机厂生产的电动调速牵引机，机组前进速度选择为0.60 m/s。气吸式玉米滚轮排种器滚动角速度为

(9)

式中vm——牵引机前进速度，m/s

a——株距，m

k——窝眼轮穴孔数

δ——地轮滑移率，取5.7%[14]

由式(9)可得ω为2.27 rad/s(21.69 r/min)。在吸种区Ⅰ，为降低弹性吸种垫漏吸率，使种子牢靠吸附于吸嘴处，并运动突破种群阻力，吸室的真空度须大于理论计算值。计算理论最大真空度时，应以吸种区Ⅰ所需真空压度为基准[15]。计算式为

(10)

其中

λ=(6～10)tanβ

式中Hcmax——真空度最大值，kPa

v1——吸孔中心处的线速度，m/s

r——吸种盘吸孔处的转动半径，m

λ——种子的摩擦阻力综合系数

β——种子自然休止角，(°)

K1——外部条件系数，为影响种子吸种过程空气阻力、外部振动等因素的外部影响系数，一般为1.8～2.0，由于滚轮式气吸式排种器与地面接触振动较大，会降低吸种性能，取2

K2——吸种可靠性系数，一般为1.6～2.0，为了弥补种子大小形状及分布以及种间碰撞等因素造成的计算结果误差，取2

根据对1 000粒郑单958种子的测定，该种子千粒质量为0.343 kg，种子长度平均值为11.57 mm，铝制圆筒条件下形成的玉米自然堆积角β为26.56°，即tanβ=0.5，λ=8×0.5=4，根据式(10)求得吸室的真空度为2.92 kPa。对于不同类型和品种的种子都有一个最佳的真空度范围，小真空度增加玉米漏吸率，大真空度增加重吸率[16]。在实际工作中，由于排种器与风机之间存在管路压力损失、与地面接触振动幅度和频率较大等问题，将吸室的真空度上调至3.5 kPa。

3 排种性能试验

3.1 试验因素

3.1.1普通吸盘和弹性气嘴吸盘排种性能对比

为对比普通吸盘和弹性气嘴吸盘排种性能，进行了排种试验。固定其余参数不变：排种轮转速为20 r/min，气吸室负压3.5 kPa。气孔在吸种盘组件上的位置直径为170 mm，试验种子采用郑单958，气孔类型分为：原气孔，直径为4 mm；弹性气孔，直径为2 mm；弹性气孔，直径为4 mm；弹性气孔，直径为6 mm。几种类型吸孔的单粒合格率分别为67.77%、95.87%、98.35%、99.85%。采用弹性吸嘴气吸盘的排种单粒合格率要高于采用原气孔的试验结果。

3.1.2试验因素选择

通过玉米种子受力分析，筛选出对玉米气吸式播种机作业性能影响较大的因素：排种器吸种盘角速度、气吸室负压、吸种垫吸孔直径；通过计算得排种器吸种盘转速初始值为20 r/min，气吸室负压的初始值为3.5 kPa，吸种盘直径初始值为4 mm。由于采用新材料弹性橡胶替换旧的吸种材料，需对影响吸种能力的3个主要因素进行优化。

3.2 试验方法

弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器排种试验依据GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》，采用Central Composite Design试验设计原理，以排种器吸种盘转速、气吸室负压、吸种垫吸孔直径为自变量，以单粒合格指数、漏播指数和重播指数为响应值。试验在自制的弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器试验台上进行，试验台如图5所示。根据上述计算结果确定了排种器吸种盘转速取值范围在16～24 r/min，由试验台的调速电机和测速仪实现设定的转速。负压取值范围为2～5 kPa，由负压调节器和数显式压力计实现设定的负压值。吸种垫吸孔直径范围为3～5 mm，通过换取不同孔径的吸种垫来实现。试验因素编码如表1所示。试验设计及结果如表2，x1、x2、x3为因素编码值。

图5 弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器试验台Fig.5 Experimental platform of corn roller metering device with flexible suction nozzle1.滚轮式排种器 2.调速电机 3.测速仪 4.电动风机 5.数显式压力计 6.扰种电机 7.气管 8.负压调节器

3.3 回归模型

借助Design-Expert 8.0.6软件对试验结果进行多元回归拟合，分别得到单粒合格指数y1、漏播指数y2和重播指数y3的回归方程。单粒合格指数y1、漏播指数y2的二次回归模型分别为

表1 试验因素和编码Tab.1 Factors and codes of test

表2 试验设计与结果Tab.2 Experiment design and results

(11)

(12)

由于重播指数方差分析模型不显著，未将其列出。回归方程方差分析如表3所示。

由表3可知，单粒合格指数和漏播指数两个回归模型极显著，且其失拟项均不显著，说明所拟合的二次回归方程能正确反映单粒合格指数y1、漏播指数y2与x1、x2、x3之间的关系。气吸室负压x2对单粒合格指数影响极显著；气吸室负压x2、吸种垫吸孔直径x3对漏播指数均影响极显著。

表3 回归方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：** 表示差异极显著(P<0.05)，*表示差异显著(0.05

3.4 各因素对排种性能指标的影响

3.4.1单粒合格指数

图6 影响因素交互作用对单粒合格指数的影响Fig.6 Effects of interaction of factors on qualified index of grain spacing

排种器吸种盘转速和气吸室负压交互作用对排种单粒合格指数的影响如图6a所示。当吸种垫吸孔直径为4 mm、气吸室负压一定时，随着吸种盘转速的增大，排种单粒合格指数先上升后下降；当吸种盘转速一定时，随着气吸室负压的增大，单粒合格指数缓慢上升。吸种盘转速和吸种盘上的吸种垫吸孔直径交互作用对排种单粒合格指数的影响如图6b所示。当气吸室负压为3.5 kPa、转速一定时，随着吸种垫吸孔直径增大，单粒合格指数先上升后下降；当气吸室负压为3.5 kPa、吸种垫吸孔直径一定时，随着吸种盘转速的增大，单粒合格指数先上升后降低。气吸室负压和吸种垫吸孔直径交互作用对排种单粒合格指数的影响如图6c所示。当吸种盘转速20 r/min、气吸室负压一定时，随着吸种垫吸孔直径的增大，单粒合格指数先上升后下降；吸种垫吸孔直径一定时，随着气吸室负压的增大，单粒合格指数缓慢上升。

3.4.2漏播指数

图7 影响因素交互作用对漏播指数的影响Fig.7 Effects of interaction of factors on missing sowing index

吸种盘转速和气吸室负压交互作用对漏播指数的影响如图7a所示。当吸种盘上的吸种垫吸孔直径为4 mm、气吸室负压一定时，随着吸种盘转速的增大，漏播指数缓慢上升；当吸种盘上的吸种垫吸孔直径为4 mm、吸种盘转速一定时，随着气吸室负压的增大，漏播指数先迅速下降再缓慢下降。吸种盘转速和吸种垫吸孔直径交互作用对漏播指数的影响如图7b所示，当气吸室负压为3.5 kPa、吸种盘转速一定时，随着吸种盘上的吸种垫吸孔直径增大，漏播指数先迅速下降再缓慢下降；吸种盘上的吸种垫吸孔直径一定时，随着吸种盘转速的增大，漏播指数缓慢上升。气吸室负压和吸种垫吸孔直径交互作用对漏播指数的影响如图7c所示，当吸种盘转速20 r/min、气吸室负压一定时，随着排种器吸种盘上吸种垫吸孔直径的增大，单粒合格指数先缓慢下降后缓慢上升；当吸种盘转速20 r/min、吸种盘上的吸种垫吸孔直径一定时，随着气吸室负压的增大，漏播指数缓慢下降。

3.5 参数优化与试验验证

3.5.1参数优化

为了得到最佳的试验因素水平，结合试验因素的边界条件，通过式(11)、(12)回归方程模型进行优化求解，以播种单粒合格指数最大，漏播指数、重播指数最小为目标，对得出的单粒合格指数和漏播指数的回归方程进行分析，得到其非线性规划的数学模型[17]

(13)

借助Design-Expert 8.0.6软件优化工具箱得到较优工作参数为[18]：当ω=20 r/min、Hcmax=5 kPa、d=4 mm时，单粒合格指数为95.54%，漏播指数为0.50%，重播指数为3.96%。

3.5.2试验验证

为了验证优化的弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器的播种性能参数，2018年3月中旬在甘肃省洮河拖拉机厂试验田开展气吸嘴式玉米滚轮排种器播种试验，地势平坦，土壤肥沃，地表为白色平铺地膜。玉米试验品种为郑单958。排种器由洮河拖拉机厂生产的电动调速牵引机牵引，气吸室负压由电动风机提供，调节牵引机速度为0.6 m/s、气吸室负压5 kPa、吸种盘上的吸种垫吸孔直径4 mm工作条件下，参考GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》测定了单粒合格指数、重播指数和漏播指数。试验进行10次并取平均值[19-20]，田间试验如图8所示。

图8 玉米气吸式排种田间试验Fig.8 Field experiment of corn air-suction metering

田间试验得排种器单粒合格指数96.3%，漏播指数1.3%，重播指数2.4%。与优化结果相比：单粒合格指数和漏播指数略高，重播指数较低。

4 结论

(1)为解决气吸式玉米滚轮排种器在地膜上滚动穴播单粒合格指数低、漏播严重等问题，设计了弹性气吸嘴式吸种盘，对吸种盘吸种过程进行受力分析发现，影响吸种能力的因素为排种器吸种盘转速、气吸室负压、吸种垫吸孔直径，通过试验测定得到玉米种子与吸种盘、橡胶之间的静摩擦因数分别为0.25和0.58。

(2)基于自制的弹性气吸嘴式玉米滚轮排种器试验台，根据Central Composite Design试验设计原理开展气吸排种试验和排种性能参数优化。结果表明，单粒合格指数和漏播指数2个回归模型可靠；气吸室负压对单粒合格指数影响极显著，气吸室负压、吸种垫吸孔直径对漏播指数均影响极显著。田间试验发现，在牵引机速度为0.6 m/s、气吸室负压5 kPa、吸种盘上的吸种垫吸孔直径4 mm工作条件下，该排种器单粒合格指数96.3%、漏播指数1.3%和重播指数2.4%，试验结果优于仿真结果。