气吸式玉米精量排种器的性能试验研究

2020-10-30赵晓顺于凤超赵达卫于华丽

河北农业大学学报 2020年5期

赵晓顺，于凤超，赵达卫，于华丽

（河北农业大学机电工程学院，河北保定 071001）

玉米在我国的农业生产中具有非常重要的地位，种植技术及装备的发展越来越得到行业内的关注和重视［1-2］。目前玉米精量排种器主要有机械式和气吸式2 种。其中应用较为广泛的机械勺轮式排种器对玉米种子形状适应性差；排种过程中勺轮对玉米种子具有一定的损伤；高速作业时排种器充种性能下降，不适宜高速作业［3-6］。而气吸式玉米排种器具有对玉米种子的形状要求低、适应性强、播种均匀性好、伤种率低、适宜高速作业等特点，在国外被广泛采用［7-11］。近些年国内的相关学者和科研院所也都对气吸式排种器进行了大量的研究。内蒙古农业大学窦卫国、王竹瑛等人研制的新型气吸式精量铺膜播种机结构紧凑、具有良好的播种质量，但其最佳作业速度较低，不能实现高速作业［12-13］；丁力、杨丽等人基于DEM-CFD 耦合的玉米气吸式排种器进行了仿真与试验，但其对于负压值有着较高的要求［14］；颜丙新、张东兴等人为防止密封垫磨损，设计了排种盘和负压腔室同步旋转气吸式玉米精量排种器，但其排种高度较高导致其合格粒距变异系数增大［15］。

以上文献中，机械式玉米精量排种器存在作业速度低、易伤种等缺陷，部分气吸式排种器的研究不完善。针对此现状，笔者设计了1 套气吸式玉米精量播种机，并进行了排种器台架试验和播种机整机田间试验研究。

1 播种单体的结构及工作原理

1.1 播种单体结构

气吸式玉米播种单体结构如图1 所示，主要由悬挂装置、传动装置、气吸式排种器和开沟器4 部分组成。

图1 玉米播种单体结构图Fig.1 Maize planting monomer structure diagram

气吸式排种器如图2 所示，由刮种片、气吸圆盘、密封垫片、真空气室和气吸排种器外壳等组成。

图2 排种器结构图Fig.2 Seed-metering device structure

1.2 排种器工作原理

如图3 所示，播种作业时，玉米种子在负压力的作用下被吸附在吸种圆盘的每个吸孔上。吸种圆盘在链轮传动装置驱动下，沿顺时针方向将种子由充种区送到排种区，排种区与负压区被密封垫片隔开，与大气相通，因此当吸附种子的吸孔进入排种区时，吸附力消失，玉米种子在重力的作用下落入种沟，完成1 个吸排种周期。刮种片可以将多余的种子刮掉，保证单粒精播。

图3 排种器工作原理图Fig.3 Working principle of seed-metering device

2 试验台试验

利用试验台测定气吸式玉米精量排种器在不同作业参数下的排种效果，选定‘冀玉912’玉米种子为试验材料，JPS-12 排种器性能检测试验台为试验设备（见图4）。试验设计的理论株距为250 mm。通过公式（1）计算出每一种床带速度下的排种器转速。

式中：np—排种器转速，r/min；

vm—播种机前进速度，km/h；

S —株距，mm；

Z —排种盘型孔数。

图4 排种器试验台试验图Fig.4 The picture of seed-metering device test bench

试验分别对作业前进速度、投种高度和负压值3个因素进行单因素试验，每个试验重复3 次，每次试验不少于250 粒玉米种子。依据（JB/T 10293—2013）《单粒（精密）播种机技术条件》，规定在种子、整地质量符合播种农艺要求时，排种器主要性能应符合粒距合格指数、重播指数、漏播指数、合格粒距变异系数4 项作业性能指标的要求。试验结果以4 项作业性能指标作为评价指标。

以0.1 Xref（Xref为理论粒距）的间隔分成区段，每区段的变量为：

式中：xi—区段中值。将粒距数据处理成Xi并按照规定统计n'i的值，n'i为在相应范围内Xi的个数，如果：

则：

式中：N—试验测定的种子数；

n2—重播数；

n1—合格数；

n0—漏播数；

N—区间数；

Xi∈{＞0.5 ～≤1.5}。

评价指标粒距合格指数A、重播指数D、漏播指数M、合格粒距变异系数C 分别为：

其中，σ—标准差。

2.1 作业速度对排种性能的影响试验

本试验排种器投种高度为80 mm，负压值为 -3.5 kPa。选择7.2、9 和10.8 km/h 3 个作业速度对排种器进行试验，试验结果如图5 所示。

图5 作业速度试验结果Fig.5 Experimental results of working speed

由图5 所示，排种器重播指数、漏播指数和合格粒距变异系数随着作业速度的变化有些波动，但总体较为平稳。随着速度的增加，排种器的重播指数呈下降趋势，漏播指数有着上升的趋势。当速度达到 9 km/h 时，排种的粒距合格指数最高，排种效果最好。

2.2 投种高度对排种性能的影响试验

本试验排种器作业速度选择3.6 km/h，负压值为-3.5 kPa。试验选择了40、80、120 mm 3 个投种高度对排种器进行试验，试验结果如图6 所示。

图6 投种高度试验结果Fig.6 Experimental results of seeding height

如图6 所示，投种高度为40 和80 mm 时粒距合格指数很接近，投种高度为120 mm 时，由于种子下落时产生的位移使漏播指数增加，从而使粒距合格指数有些下降。总体上，投种高度对排种器的漏播指数和重播指数的影响很小。投种高度为80 mm时，合格粒距变异系数最小，粒距合格指数最高。

2.3 工作负压压强值对排种性能的影响试验

本试验排种器作业速度选择3.6 km/h，投种高度为80 mm。气吸负压的压强选择了-1.5、-2.5、 -3.5 kPa 3 个负压值对排种器进行试验，试验结果如图7 所示。

图7 工作负压压强试验结果Fig.7 Experimental results of working negative pressure

如图7 所示，在负压值为-1.5 kPa 时，排种器的排种效果最差。排种器的漏播指数随着负压的增加逐渐变小。而重播指数恰恰相反，随着负压的增加重播率逐渐增加。实际作业中应该根据播种效果选择合适的负压值。由图可知，在播种合格指数接近的基础上，负压值为-2.5 kPa 时的重播指数和漏播指数均较小。随着压强的增加，排种器的合格粒距变异系数变小，这说明负压值为-3.5 kPa 时排种器的株距变动幅度更小，排种效果更加稳定。

3 田间试验

3.1 播种机的田间试验

2019 年6 月27 日在国家粮食丰产工程试验区河北省辛集市溢博粮棉种植专业合作社进行了播种试验（见图8）。

图8 播种机播种试验图Fig.8 The picture of sowing test

前茬为麦茬地，免耕播种作业。播种机行数为4 行，行距布置为宽窄行（40、80、40 cm）。播种作业参数为：播深5 cm，理论株距为20 cm，播种作业速度为10 km/h。并于2019 年7 月12 日进行了查苗试验。随机选择3 个小区，每个小区随机选取3 行作为样本进行测量，每行选取10 m 的距离，测量10 m 内玉米植株的株距。然后根据测量数据计算平均合格粒距、合格指数A、重播指数D、漏播指数M、标准差σ 以及变异系数C（见表1）。

表1 田间试验结果表Table 1 Field test results

3.2 田间试验结果与分析

JB/T 10293—2013《单粒（精密）播种机技术条件》中给出的单粒精密播种机的主要性能指标为：粒距合格指数≥80%；重播指数≤15%；漏播指数≤8%；合格粒距变异系数≤30%。将田间试验所得各项结果与以上指标对比，表明此玉米排种器在3 个小区共9 个样本里的试验结果均满足标准中的性能指标要求，达到了预期要求。