精量播种机带式投种装置排种性能试验研究

王汉羊 李纯辉 马永财 王福成 付晓明

（黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆 163319）

播种是农业生产的重要环节之一，其作业质量直接影响出苗、苗全、苗齐和苗壮，与增产、增收密切相关。因此，提高播种作业质量是提高作物单产的重要保障。播种方式主要包括：撒播、条播、精量播种等多种形式，其中精量播种是指根据农业技术要求，采用精量播种机将种子按规定的播种量，精确的行距、粒距以及播种深度播入土壤，并采用适当的镇压力对覆土后的播种带进行镇压的一种农业种植技术。与其他播种方式相比，采用精量播种方式不仅可省略田间间苗作业的作业环节，节省种子用量，降低生产成本和劳动强度，同时由于精量播种能够显著提高粒距合格率和播深一致性，可为田间植株分布均匀性和实现苗齐、苗全、苗壮、苗匀创造良好的条件。近几年，精量播种技术在我国的农业生产中得到了大面积的应用和推广。

精量播种机是实现机械化精量播种的农业机械，其核心部件是排种器，其工作性能直接决定了播种机的作业质量。根据工作原理，精量排种器主要分为：机械式精量排种器和气力式精量排种器。其中，气力式精量排种器采用气流辅助充种、护种和清种，具有对种子形状和尺寸适应性强，播种精度高，易于实现高速播种等优点，在高速精量播种机上得到了广泛的应用。近年来，随着播种机性能的不断优化和改进，播种作业速度不断提升。众多学者的相关研究表明，在投种高度一定的条件下，随播种速度的增大，种子着床的瞬时速度提升，容易造成种子在种沟内弹跳、翻转和滚动的现象，从而严重影响播种作业的质量。为解决这一问题，目前常采用的方式是降低投种高度，即将排种器安装在尽可能靠近地面的位置。降低投种高度可在一定程度上减小种子到达种沟底部时的瞬时速度，降低种子发生位移的几率。然而，在此种方式下，播种单体的结构会受到很大的限制，特别是对仿形机构的安装会造成很大的困难。因此，研究高速作业条件下，与气力式排种器配套使用的高位投种装置，解决高位投种时种子着床速度过高造成的播种质量下降问题是非常必要的。

本文设计一种带式高速投种装置，与气吸式排种器配套使用，组成高速投种系统，并对其播种性能进行台架试验，通过分析不同作业速度下的排种性能指标，对排种系统的作业质量进行评定，以期为高速投种装置的设计提高理论支撑。

1.材料与方法

1.1 试验材料

试验用玉米种子选用德美亚1号。

1.2 试验设备

精量排种系统主要由气吸式排种器和带式高速投种装置组成。排种器的功能是将种箱内的种子从种群中定量分离出来，并形成有序的种子流。带式高速投种装置主要由主动带轮、从动带轮、拨指同步带、护种机构、壳体等部分组成，主要是将排种器分离后的种子流二次分离和排序，并完成投种作业。

台架试验在黑龙江八一农垦大学工程学院播种实验室进行。采用JPS-12型计算机视觉精密排种性能检测试验台。该试验台由黑龙江省农业机械科学研究院研制，主要包括机架、种床带、油路系统、计算机控制系统、风机系统、图像采集系统、图像处理系统和电路系统等。该试验台可适用于机械式和气力式排种器的排种性能检测。对于精量排种器的性能检测，可以输出粒距合格率、重播指数、漏播指数、变异系数等相关指标。

1.3 试验设计

选取作业速度为影响因素，设置8，9，10，11，12 km/h 5个水平（分别以T1、T2、T3、T4、T5来表示），以粒距合格率、重播指数、漏播指数和粒距变异系数为响应指标进行单因素对比试验。每组试验重复3次，以其平均值作为指标值。

试验过程中，精量排种系统安装在机架上固定不动，种床带相对于排种器的旋转方向反向运动，种子从带式高速投种机构的投种口落至运动的种床带表面的油层上，并随种床带一起运动。种子随种床带通过图像采集装置时，由摄像机对种子的分布状态进行实时采集并反馈给图像处理系统，以实现对精量排种系统各性能指标的实时、准确测定。试验时，通过中控台的控制面板调整冲床带的运动速度，可实现作业速度的变化。种床带速度、粒距、排种盘型孔数以及排种轴转速间存在一定的函数关系，调速电机的转速可由式（1）确定。

式中，n—电机转速，r/min；v—种床带作业速度，km/h；m—气吸式排种器种盘型孔数；s—试验粒距，cm；i—排种轴传动比。

1.4 检测方法

依据国家标准GB/T6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》的测定要求，对精密排种系统进行排种性能评价，每组测试选取250粒距进行评定。选择粒距合格指数（合格率）、重播指数（重播率）以及漏播指数（漏播率）三个指标对排种系统的作业性能进行评价，且以粒距平均值、标准差和变异系数作为排种精度的评价指标。各个指标的具体计算方法和过程如下：

(1)区段划分。将试验采集的250个粒距数据样本划分为0.1 Xr区段，Xr为理论粒距或调整粒距。即将整个数据样本用Xr除之，并进行无量纲化处理。

(2)计算区段变量。每个区段的变量为

式中，xi—区段中值。

（3）区间划分。统计各个区间中xi的总数，同时把全部的数据样本分为5个区段，分别为[0-0.5]，[0.5-1.5]，[1.5-2.5]，[2.5-3.5]以及[03.5-+∞]。统计处于各个区间的样本数，然后定义各区间。

2.结果与分析

2.1 试验结果

试验结果如表1所示。

表1 试验结果Table 1 Experimental results

2.2 方差分析

对合格指数、漏播指数、重播指数和变异系数进行方差分析，结果如表2所示。

表2 方差分析结果Table 2 Variances analysis results

由表2方差分析结果可以发现，合格指数、重播指数、漏播指数以及变异系数的P值均小于0.01，说明作业速度对4个指标的影响均达到极显著的水平。

2.3 作业速度对排种性能指标的影响规律

作业速度对合格指数、重播指数、漏播指数以及变异系数影响规律如图2所示。

图2 作业速度对排种系统排种性能的影响规律

由图2a可知，随作业速度的增大，排种系统的粒距合格指数呈不断下降的趋势。当作业速度由8 km/h增至12 km/h时，粒距合格指数从95.40%下降至75.40%。这是由于在一定的粒距条件下，作业速度的增加会使排种器的排种盘转速增大，从而缩短了排种器的充种时间，进而导致排种盘不能完全、充分充种，致使合格指数下降。另一方面，作业速度的增大同样会使带式投种装置的线速度增大，使种子从脱离排种盘进入带式投种机构的时间缩短。当玉米种子在排种盘上呈不同的位置状态时，种子进入投种装置栅格后，会产生相邻种子间间隔的栅格数不一致的问题。当种子在带式投种机构中所处栅格间隔数不一致时，种子到达投种口的时间间隔不一致，从而导致粒距合格指数下降。由图2b，2c，2d可以发现，重播指数、漏播指数和粒距变异系数均随作业速度的增大而增大，且当作业速度由8 km/h增至12 km/h时，重播指数由1.8%上升至7.3%，漏播指数由2.73%上升至17.3%，粒距变异系数由4.31%上升至9.07%。产生这一现象的原因主要是因为一方面作业速度的提升使得排种器充种时间缩短，容易产生型孔无法充种的问题，其次排种盘转速的增大使清种时间减少，容易形成一孔多吸的现象，从而导致重播率上升。另一个尤为重要的原因是作业速度的增大会极大地提升种子脱离投种口的速度，导致种子抵达种床时的瞬时速度增大，造成种子在种床上产生“弹跳位移”、“滚动位移”和“翻转位移”，这些现象的产生不仅会降低粒距合格率，同时会导致重播率、漏播率以及变异系数的增加。

3. 结论

研究结果表明，作业速度对排种系统的排种性能指标均有显著性影响。粒距合格指数随作业速度的增大不断降低，重播指数、漏播指数和变异系数随作业速度的增大呈不断增大的趋势。在一定的粒距条件下，当作业速度由8 km/h增至12 km/h时，粒距合格指数由95.40%下降至75.40%。重播指数由1.8%上升至7.3%，漏播指数由2.73%上升至17.3%，粒距变异系数由4.31%上升至9.07%。