指夹式排种器振动模拟与试验分析

黄小珊，王增辉,2，姜鑫铭,，朱龙图，王 奇，黄东岩

(1.吉林农业大学 信息技术学院，长春 130118；2.东北师范大学人文学院 理工学院，长春 130117；3.吉林大学 工程仿生教育部重点实验室，长春 130022)

0 引言

保护性耕作是以秸秆覆盖地表、少免耕播种、深松及病虫草害综合控制为主要内容的现代耕作技术体系，具有防治农田扬尘和水土流失、蓄水保墒、培肥地力、节本增效、减少秸秆焚烧和温室气体排放等作用[1-3]。

免耕播种机在工作过程中会受到田间地表不平度或秸秆、残茬的影响，引起播种机振动，进而影响精密排种器的播种性能[4-8]。在高速免耕播种条件下，播种机受到的振动更加明显，无论是气力式还是机械式精密排种器，都会受到不同程度的影响；尤其是我国农机具多采用悬挂机组，受振动影响比牵引机组更加显著。为此，研究免耕播种机在上述地区作业时的振动特性，进而改进机具结构和作业参数，使之具有较高的播种作业质量，对免耕播种机在上述地区的推广应用具有重要的现实意义。

1 排种振动模拟试验台

为了模拟免耕播种机的田间作业工况，设计了排种器模拟振动试验台，安装在JPS-12型排种器性能检测试验台上使用，如图1所示。振动模拟试验台的振动源采用东华测试技术股份有限公司生产的DH40200激振器，工作频率范围为5～2 000Hz，最大额定行程为14mm，额定出力为200N。功率放大器采用东华测试技术股份有限公司生产的DH-5873。信号源采用优利德公司生产的UTG9020B函数信号发生器，如图2所示。

图1 JPS-12计算机视觉排种器试验台Fig.1 Computer vision seed metering test-bed

图2 振动模拟试验台Fig.2 Vibration simulation test-bed

排种器由步进电机驱动，步进电机、减速器和排种器固定在平板上，振动源带动整个平板振动。工作时，排种器排出的种子直接落在检测试验台的皮带上，检测试验台的视觉检测装置直接检测排种器的播种合格率。

2 排种器田间振动特性测试

田间测试于2017年秋季在吉林农业大学试验基地进行。对2BM-2免耕播种机在秸秆覆盖条件下作业时排种器的振动特性进行测试，播种机前进速度8km/h，试验地为黑钙土，垄距65cm，前茬为玉米保护性耕作。测定0～5cm深度土壤含水率为 18.7%，土壤容重1.8g/cm3，种床平均坚实度2.7kg/cm2，茬高15～25cm，秸秆、根茬全量还田。测试系统采用东华测试技术股份有限公司生产的低频压电式加速度传感器，型号为1A204E，灵敏度为500mV/m·s-2，量程为10 m·s-2，响应频率为0.2～1 500Hz。使用东华测试生产的动态信号测试分析系统采集传感器信号，系统包含型号为DH-5923的动态信号采集器和系统的上位机软件。传感器在排种器上的安装位置如图3所示。

图3 传感器安装位置Fig.3 Sensor installation location

排种器前进方向、水平方向、垂直方向的振动信号如图4所示。

图4 田间振动信号Fig.4 Field vibration signal

播种机在免耕地表作业时的振动属于随机振动，垂直方向的振动要明显强于前进方向与水平方向的振动。由于免耕地表附着秸秆、根茬与土壤形成的根土复合体，地表不平度和种床土壤的空间差异对免耕播种机作业时的垂直作用力最大，播种机前进时的垂直振动更加显著，所以试验分析主要针对垂直方向的振动特性。垂直方向频率特性如图5所示，振动主频集中在0～20Hz。

图5 垂直方向频率特性Fig.5 Vertical frequency characteristics

3 排种振动模拟试验及结果分析

使用排种振动模拟试验台测试振动幅值与振动频率对指夹式排种器排种性能的影响，选择振动频率与振动幅值为试验因子，播种合格指数为试验考核指标。排种轴转速为55 rad/s(相当于播种粒距为20cm，传送带运行速度为8 km/h)，激振器振动频率范围4～12Hz，振动幅值范围为6～12mm。进行2因素5水平二次正交旋转组合试验，试验的因素水平编码表如表1所示，试验结果如表2所示。

表1 因素水平编码表Table 1 Factor level coding table

表2 二次正交旋转组合试验结果Table 2 Results of the quadrature rotation combination

续表2

应用Design-Expert软件对表2的数据进行分析，得到排种器振动频率与排种器振动幅值对播种合格指数影响的方差，如表3所示。

表3 各因素对播种合格指数影响的方差分析表Table 3 Variance analysis table of the influence of various factors on sowing qualified index

(1)

将振动频率x2固定在0水平，考察振动幅值对播种合格指数的影响，得到拟合的回归方程曲线，如图6所示。排种器振动幅值x1对播种合格指数的编码回归方程为

(2)

图6 振动幅值与播种合格指数的关系曲线Fig.6 Relationship curve between vibration amplitude and seeding qualification index

由图6可知：振动频率x2在0水平时，随着振动幅值的增加，播种合格指数的切线斜率逐渐增大，播种合格指数曲线的变化幅度增加，振动幅值对播种合格指数的影响极显著。当振动频率固定时，随着排种器振动幅值的增加，种箱内种子波动逐渐增大，影响充种阶段夹持效果，排种器振动幅值增大播种合格指数降低。

将排种器振动幅值x1固定在0水平，考察排种器振动频率对播种合格指数的影响，得到拟合的回归方程曲线，如图7所示。排种器振动频率x2对播种合格指数y1的编码回归方程为

(3)

图7 排种器振动频率与播种合格指数的关系曲线Fig.7 Relationship between vibration frequency and seeding qualification index

由图7可知：当排种器振动幅值x1固定在0水平时，随着振动频率的增加，播种合格指数的切线斜率逐渐增大，功率曲线的变化幅度变大，排种器振动频率对播种合格指数的影响极显著。排种器振动幅值固定，随着排种器振动频率的升高，播种合格率下降。

由拟合得到的回归方程(1)可知，排种器振动频率与振动幅值对播种合格指数影响有一定的交互作用。两因素对播种合格指数影响的等高线图及响应曲面图如图8所示。

图8 排种器振动频率与振动幅值对播种合格指数的等高线图和响应曲图Fig.8 The contour map and response graph of vibration frequency and vibration amplitude to sowing qualification index

由图8可知：当排种器振动频率在同一水平时，增加排种器振动幅值使播种合格指数降低；当排种器振动幅值在同一水平时，提高排种器振动频率使播种合格指数降低。当排种器振动频率处于较高水平时，增加排种器振动幅值使播种合格指数降低，且幅度较大；当排种器振动频率处于较低水平时，增加排种器振动幅值使播种合格指数下降，变化幅度较缓。当排种器振动幅值处于较高水平时，提高排种器振动频率使播种合格指数降低，且变化幅度较大；当排种器振动幅值处于较低水平时，提高排种器振动频率使播种合格指数降低，但变化幅度较缓。响应曲面沿排种器振动频率较振动幅值方向变化快，表明排种器振动频率对播种合格指数的影响较排种器振动幅值对播种合格指数的影响显著。

4 结论

1) 对2BM-2免耕播种机在田间秸秆覆盖条件下作业时排种器的振动特性进行了测试，结果表明：排种器垂直方向的振动要明显强于前进方向与水平方向的振动，排种器的振动主要是由免耕地表不平度和种床土壤的空间差异引起的垂直方向的振动，振动主频集中在0～20Hz。

2) 以排种器振动幅值及振动频率作为试验因素，将播种合格指数作为考核指标进行了二次正交旋转组合试验。结果表明：排种器振动频率与振动幅值均对播种合格指数有显著影响，排种器振动频率与振动幅值增加，播种合格指数降低，且两者有交互作用，排种器振动频率对播种合格指数的影响较振动幅值影响显著。