大豆双行排种器的设计与试验

大豆双行排种器的设计与试验
毕世英1,刘伟达2,郭丽君1
(1.潍坊学院机电与车辆工程学院,山东潍坊㊀261061; 2.潍柴动力股份有限公司机械设计专业,山东潍坊㊀261061)
摘㊀要:为解决现有大豆排种器播种均匀性差㊁存在漏播和重播等问题,设计了大豆双行排种器,主要包括排种总成㊁双排导种筒及壳体㊂以型孔倾角㊁导种筒倾角㊁作业速度为试验因素,以合格指数㊁变异指数㊁重播指数㊁漏播指数为试验指标,进行了三因素三水平正交试验;结合综合加权评分法得到型孔倾角30ʎ㊁导种筒倾角60ʎ㊁作业速度6km㊃h-1时,排种器的合格指数为93.6%㊁变异指数为7.4%㊁重播指数为3.1%㊁漏播指数为2.3%㊂田间对比试验结果表明:正交试验优化后的大豆双行排种器比传统槽轮式排种器合格指数提高8.96%,变异指数降低26.73%,重播指数降低16.22%,漏播指数降低11.54%,作业性能优良㊂
关键词:大豆;排种器;双行;作业性能
中图分类号:S223.2;S220.3㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)08-0120-07
0㊀引言
大豆 窄行密植 是目前国际上大豆栽培应用面积较大㊁发展较快的一项先进的栽培技术[1-3],一般可比常规垄作栽培增产15%以上[4],若实施此种植模式,则要求播种机的关键部件之一 排种器[5-7]具备双行间距较小播种的功能㊂为此,结合大豆的农艺特性,设计了一种针对大豆密植播种作业要求的大豆双行排种器,对于实现大豆密植的种植模式尤为重要㊂近年来,有关排种器的研究成果较为丰硕㊂针对不同作物的播种效率及作业方式,研究了多种排种器,主要分为气力式排种器和机械式排种器㊂例如,廖庆喜等[8-9]针对油菜的精量播种设计了气力集排式排种器及一器多行离心式油菜排种器;张晓辉等[10]对小麦气力集排式分配系统进行了设计与试验;常金丽和张晓辉[11]对2BQ-10型气流一阶集排式排种系统进行设计与试验;秦军伟等[12]针对集中式排种器的排种机理及其发展展开探讨,集排式排种器以一器多行的作业方式简化了播种机的结构;祁兵[13]设计了中央集排气送式精量排种器,并进行了试验探究;史嵩[14]设计了气力组合孔式玉米精量排种器,并试验验证了其作业性能;心男[15]进行了基于EDEM-FLUENT耦
收稿日期:2019-12-07
基金项目:国家自然科学基金项目(51505337);山东省高等学校科技计划项目(J17KA150)
作者简介:毕世英(1978-),女,山东临朐人,讲师,(E-mail) bishiying123@㊂合的气吹式排种器工作过程仿真分析;李耀明等[16]对于气吸振动式排种器种盘内种群运动进行离散元分
析;尹海燕[17]对国内外气力式排种器发展研究进行总结概括㊂气力式排种器被学者深入研究,其能实现机
具高速作业下的精量播种,但由于播种机配备风机要
求的技术难度较大且成本高昂,其在农民所持有的播
种机上应用较少,且对于大豆双行的密植种植模式气
力式排种器较难广泛应用㊂王业成[18]设计了大豆摩擦式精密排种器,并对其进行试验研究,验证了其作
业性能㊂研究者对于排种器的研究再进行多样式尝
试,但现有排种器的播种性能仍有待提高[19-20]㊂在大豆种植的探究中,黄淮海以及长江流域多为等宽行播
种[21],这主要受制于当地大豆排种器多为玉米㊁大豆通用机型,以及农民传统种植观念的影响[22]㊂大豆双行种植模式仅在东北地区有部分应用㊂
笔者针对现大豆双行密植模式下农民所用小型
播种机配备的传统外槽轮式排种器作业性能差㊁存在
漏播和重播等问题,基于窝眼轮式排种器,设计了一
种机械式大豆双行排种器㊂其为内充种结构,充种效
果好,播种效率高,适应粒径范围广,相对于机械排种
器作业速度高,且排种精确㊁空穴率低,可为相应大豆
双行排种器的设计与研究提供一定的借鉴㊂
1㊀双行排种器设计
1.1㊀排种器工作原理
大豆双行排种器作业时,排种器作业速度小于等
于8km/h,其动力来源于播种机地轮,经链传动至排
种器传动装置,带动排种器转动㊂大豆籽粒以侧进种
2021年8月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第8期
方式进入排种器总成内并形成堆积状态,排种器转
动,大豆籽粒被侧充入型孔内㊂型孔数量为50ˑ2个,
适宜大豆种粒直径6~9mm㊂在排种器总成内设有清除型孔内多余种子的毛轮及保证种子顺利排出的清
种轮;充种完毕后,毛轮将多余的种子清除,保证每孔1粒籽粒;当籽粒转动至排种口时,在清种轮的作用下,将型孔内的大豆籽粒排出排种器总成,并经过双排导种筒导入垄沟,形成大豆的双行播种作业模式㊂1.2㊀排种器结构
基于大豆窝眼轮式排种器,设计了大豆双行排种
器,对影响大豆排种器作业性能的结构参数(即型孔
倾角㊁导种筒倾角及工作参数作业速度)进行优化设
计,得到大豆双行排种器的结构,如图1所示㊂其主
要由壳体㊁大豆排种盘总成㊁安装螺丝㊁双排导种筒㊁M6X8螺丝和平垫㊁毛刷轮㊁清种轮等组成㊂
1.壳体㊀
2.变速档位㊀
3.排种器总成㊀
4.清种轮
5.进种筒㊀
6.螺钉㊀
7.导种筒
图1㊀大豆双行排种器结构示意图
Fig.1㊀Schematic diagram of soybean double-row seed-metering device 1.3㊀排种器设计
为了满足充种需求,设计了圆柱式排种器总成,直径为250mm,厚度为70mm,内部均分为3部分(下部㊁左上部㊁右上部)㊂其中,下部为充种部分,作业时大豆籽粒堆积在其中,边缘为带两排型孔的排种盘(每排型孔数为50个);随着排种盘的转动,大豆籽粒充入型孔内(型孔倾斜角初步设计为30ʎ~50ʎ[23]),为了避免伤种,下部安置毛刷轮;大豆籽粒随排种盘转动,转至左上部最低端,在清种轮的作用下排出型孔㊂
大豆籽粒排出排种盘型孔后,经过导种筒排至垄沟㊂所设计大豆排种器为双行作业,因此需要设计双行导种筒㊂其夹角为35ʎ,倾角(导种筒与竖直方向夹角)初步设计为30ʎ~60ʎ[24],长度为100mm,初始端为长25mm㊁宽20mm的矩形,近地端为长18mm㊁宽13mm的矩形㊂
为了便于与排种器总成配合,设计直径为130mm㊁厚度为74mm的空心圆柱排种器壳体,其外部形状如图2所示㊂
1.导种筒㊀
2.清种轮㊀
3.排种器总成㊀
4.毛刷轮㊀
5.型孔㊀
6.壳体
图2㊀大豆双行排种器实物图
Fig.2㊀Diagram of soybean double-row seed-metering device
2㊀田间试验
2.1㊀试验设计
2.1.1㊀试验条件
为进一步探究大豆双行排种器的结构参数与作业参数对大豆双行排种器作业性能与作业效果的影响,同时确定大豆双行排种器的最优结构参数与工作参数组合,选择在田间进行多因素试验,所用大豆品种为吉林20号㊂试验时间为2019年5月,地点为黑龙江省哈尔滨市香坊区东北农业大学校内田间试验基地㊂试验地为大豆垄作地,播种前未对试验地进行耕作,面积为1334m2,田间土壤耕作层(0~120mm)平均含水率为17.4%,耕作层土壤平均硬度为782kPa㊂试验前,将试验区分为9个区域,每个区域面积为26m2,每个区域分为10m机器调试区㊁20m试验区㊁10m机器减速区㊂试验次序按三因素三水平正交试验实施,共计实施9组㊂为了避免试验区内的大豆籽粒萌发,将大豆籽粒加热灭活处理㊂对每组试验后的播种合格指数㊁变异指数㊁重播指数㊁漏播指数进行测试,每个指标重复5次,取5次测试的平均值为作为最终评价结果,数据保留至小数点后1位㊂由于试验地实行免耕作业模式,大豆双行排种器需要安装在免耕播种机上,选用2BM-2型免耕播种机[25],如图3所示㊂
2.1.2㊀因素及水平确定
大豆双行排种器的设计中,主要影响大豆双行排种器投种性能的结构参数因素为型孔倾斜角和双排导种筒倾角,影响大豆双行排种器投种性能的作业参
2021年8月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第8期
数因素为作业速度[24,26]㊂结合大豆双行排种器的设计及作业条件,以型孔倾斜角(型孔转到最低点时其轴线与竖直方向夹角)A㊁导种筒倾角(导种筒与竖直方向夹角)B和作业速度C为试验因素,对大豆双行排种器的作业性能和作业效果进行探究㊂所选因素的水平范围为A(30ʎ~50ʎ)㊁B(30ʎ~60ʎ),结合文献[26]确定作业速度C的水平范围为6~8km/h㊂以三因素三水平方法实施田间正交试验[27],试验因素水平编码表如表1所示㊂
1.大豆双行排种器㊀
2.覆土圆盘㊀
3.双圆盘开沟器
4.镇压辊㊀
5.破茬圆盘刀㊀
6.地轮㊀
7.导种筒
图3㊀试验设备
Fig.3㊀Experimental equipment
表1㊀试验因素水平编码
Table1㊀Coding levels and factors
编码值
因素
型孔倾斜角
A/(ʎ)
导种筒倾角
B/(ʎ)
作业速度
C/km㊃h-1
130306
240457
350608
2.2㊀测定项目与方法
依据文献[24,26],选取合格指数㊁变异指数㊁重播指数和漏播指数为试验指标,具体计算公式为合格指数Y1为
S=n0
N
ˑ100%(1)
式中㊀S 合格指数(%);
㊀n0 大豆双行排种器所排单粒大豆籽粒数(个);
㊀N 理论上大豆双行排种器所排籽粒数(个)㊂
变异指数Y2为
C=ð(x-x-)2
(nᶄ-1)x-2ˑ100%(2)
式中㊀C 变异系数(%);
㊀n0 大豆双行排种器所排单粒大豆籽粒数(个);
㊀nᶄ 试验样本中大豆穴距总数(个);
㊀x 理论上播种后样本大豆的穴距(mm);
㊀x- 样本大豆播种后的穴距平均值(mm)㊂
重播指数Y3为
D=
n1
N
ˑ100%(3)
式中㊀D 重播指数,%;
㊀n1 大豆双行排种器重播大豆籽粒数(个)㊂
漏播指数Y4为
M=
n2
N
ˑ100%(4)
式中㊀M 漏播指数(%);
㊀n2 大豆双行排种器漏播大豆籽粒数(个)㊂2.3㊀数据分析
采用统计软件Design-expert8.06对实施的正交试验结果进行研究,采用极差分析法得出影响试验指标的主次因素顺序,并运用方差分析对所得结果进行显著性检验㊂所用检验方法为F检验,显著性水平为0.05㊂
2.4㊀结果与分析
2.4.1㊀试验结果与极差分析
田间正交试验结果及极差分析如表2所示㊂通过对合格指数的极差分析可知:影响大豆双行排种器合格指数的主次因素为作业速度㊁型孔倾斜角㊁导种筒倾角,各个因素的最优组合水平为型孔倾斜角40ʎ㊁导种筒倾角30ʎ㊁作业速度7km/h㊂
同理,影响大豆双行排种器变异指数的主次因素为作业速度㊁导种筒倾角㊁型孔倾斜角,各个因素的最优组合水平为型孔倾斜角30ʎ㊁导种筒倾角30ʎ㊁作业速度7km/h㊂
影响大豆双行排种器重播指数的主次因素为作业速度㊁导种筒倾角㊁型孔倾斜角,各个因素的最优组合水平为型孔倾斜角40ʎ㊁导种筒倾角60ʎ㊁作业速度7km/h㊂
影响大豆双行排种器漏播指数的主次因素为作业速度㊁型孔倾斜角㊁导种筒倾角,各个因素的最优组合水平为型孔倾斜角30ʎ㊁导种筒倾角60ʎ㊁作业速度7km/h㊂
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表2㊀试验结果与极差分析Table2㊀Test results and range analysis
序号
因素
A B C
指标
Y1/%Y2/%Y3/%Y4/%
111190.4 6.7 2.7 2.2 212292.57.9 3.2 2.0 313385.911.2 4.5 3.6 421295.3 6.5 2.6 2.1 522390.113.1 5.2 4.2 623191.7 6.3 2.5 2.0 731387.612.4 5.0 5.0 832189.810.1 4.0 3.0 933291.58.4 3.3 2.7
合格指数k189.691.190.6 k292.490.893.1 k389.689.787.9 R 2.8 1.4 5.2较优
水平
A2B1C2
主次
因素
C>A>B
变异指数k18.68.57.7 k28.610.47.6 k310.38.612.2 R 1.7 1.9 4.6较优
水平
A1B1C2
主次
因素
C>B>A
重播指数k1 3.5 3.4 3.1
k2 3.4 4.1 3.0
k3 4.1 3.4 4.9
R0.70.7 1.9
较优
水平
A2B3C2
主次
因素
C>B>A
续表2
序号
因素
A B C
指标
Y1/%Y2/%Y3/%Y4/%
漏
播
指
数
k1 2.6 3.1 2.4
k2 2.8 3.0 2.3
k3 3.6 2.8 4.3
R 1.00.3 2.0
较优
水平
A1B3C2
主次
因素
C>A>B
2.4.2㊀合格指数显著性检验
对大豆双行排种器合格指数进行方差分析,并对
型孔倾斜角㊁导种筒倾角㊁作业速度对于各个指标的
影响进行显著性检验,结果如表3所示㊂由方差分析
结果可知:在大豆双行排种器合格指数方面,作业速
度和型孔倾斜角对其影响极显著,导种筒倾角对其影
响较显著;在显著性方面,对于大豆双行排种器合格
指数影响的主次因素为作业速度㊁型孔倾斜角㊁导种
筒倾角,与极差分析结果一致㊂
表3㊀合格指数方差分析
Table3㊀Variance analysis of qualified index
变异
来源
平方和自由度均方F值P值显著性
模型59.5169.92106.270.0094∗∗∗
A15.1327.5681.040.0122∗∗∗
B 3.262 1.6317.460.0542∗
C41.13220.56220.320.0045∗∗∗
误差0.1920.093
总和59.78
㊀㊀注:∗∗∗表示极显著(P<0.01),∗∗表示显著(0.01<P<0.05),
∗表示较显著(0.05<P<0.1),下同㊂
2.4.3㊀变异指数显著性检验
通过对大豆双行排种器变异指数的方差分析,对
型孔倾斜角㊁导种筒倾角㊁作业速度对于各个指标的
影响进行显著性检验,如表4所示㊂由表4可知:在
大豆双行排种器变异指数方面,作业速度对其影响极
显著,导种筒倾角和型孔倾斜角对其影响较显著;在
显著性方面,对于大豆双行排种器合格指数影响的主
次因素为作业速度㊁导种筒倾角㊁型孔倾斜角,与极差
分析结果一致㊂
表4㊀变异指数方差分析
Table4㊀Variance analysis of variation index 变异
来源
平方和自由度均方F值P值显著性模型54.0769.0139.000.0252∗∗
A 5.672 2.8312.260.0754∗
B 6.382 3.1913.790.0676∗
C42.03221.0190.930.0109∗∗误差0.4620.23
总和54.548
2.4.4㊀重播指数显著性检验
通过对大豆双行排种器重播指数的方差分析,对型孔倾斜角㊁导种筒倾角㊁作业速度对于各个指标的影响进行显著性检验,如表5所示㊂由表5可知:在大豆双行排种器重播指数方面,作业速度对其影响极显著,导种筒倾角对其影响显著,型孔倾斜角对其影响较显著;在显著性方面,对于大豆双行排种器合格指数影响的主次因素为作业速度㊁导种筒倾角㊁型孔倾斜角,与极差分析结果一致㊂
表5㊀重播指数方差分析
Table5㊀Variance analysis of replay index
变异
来源
平方和自由度均方F值P值显著性模型8.676 1.4561.950.016∗∗
A0.8520.4218.140.0522∗
B0.9820.4921.000.0455∗∗
C 6.852 3.42146.710.0068∗∗∗
误差0.04720.023
总和8.728
2.4.5㊀漏播指数显著性检验
通过对大豆双行排种器漏播指数的方差分析,对型孔倾斜角㊁导种筒倾角㊁作业速度对于各个指标的影响进行显著性检验,如表6所示㊂由表6可知:在大豆双行排种器漏播指数方面,作业速度对其影响极显著,型孔倾斜角对其影响较显著;在显著性方面,对于大豆双行排种器合格指数影响的主次因素为作业速度㊁导种筒倾角㊁型孔倾斜角,这与极差分析结果一致㊂
表6㊀漏播指数方差分析
Table6㊀Variance analysis of missed sowing index 变异
来源
平方和自由度均方F值P值显著性模型9.316 1.55107.380.0093∗∗∗
A 1.6020.8055.460.0177∗
B0.2020.107.000.1250
C7.502 3.75259.690.0038∗∗∗误差0.02920.014
总和9.348
2.5㊀最优组合确定
根据大豆双行排种器的作业性能要求,合格指数㊁变异指数㊁重播指数㊁漏播指数4个指标对于型孔倾斜角㊁导种筒倾角㊁作业速度3个因素的最优组合水平不同㊂为了兼顾各指标的平衡,采用综合加权评分法[28],选出令各个指标均较优的组合㊂考虑到各指标的重要程度不同,采用100分制作为总 权 ,合格指数50分㊁变异指数30分㊁重播指数10分㊁漏播指数10分㊂综合加权结果如表7所示㊂
表7㊀综合加权结果
Table7㊀Result of integrated weight
综合加权值A B C
K11602.381629.931600.51
K21648.091656.81636.72
K31641.951605.691655.19
k1534.13543.31533.5
k2549.36552.27545.57
k3547.32535.23551.73
R15.2317.0418.23最优水平A1B3C1
㊀㊀由表7得到型孔倾角㊁导种筒倾角㊁作业速度对大豆双行种器的合格指数㊁变异指数㊁重播指数㊁漏播指数影响的最优组合,结果为型孔倾角30ʎ㊁导种筒倾角60ʎ㊁作业速度6km/h,各因素对4个指标综合影响的主次顺序为作业速度㊁导种筒倾角㊁型孔倾角㊂
3㊀田间对比试验
对所优化的大豆双行排种器与传统的槽轮式排
种器进行田间对比试验如图4所示,结果如表8所示
㊂
图4㊀田间对比试验
Fig.4㊀Field comparative experiment
由表8可知:在型孔倾角30ʎ㊁导种筒倾角60ʎ㊁作
业速度6km /h 时,进行田间试验3次,取平均值作为
试验结果,得到大豆双行排种器的合格指数为
93.6%,变异指数为7.4%,重播指数为3.1%,漏播指数为2.3%;优化后的大豆双行排种器的合格指数提高8.96%,变异指数降低26.73%,重播指数降低
16.22%,漏播指数降低11.54%,各指标性能均较优㊂
表8㊀对比试验结果
Table 8㊀Comparative test results
%
指标/类型大豆双行排种器
槽轮式排种器
合格指数93.685.9变异指数7.410.1重播指数 3.1 3.7漏播指数
2.3
2.6
4㊀结论
1)针对大豆排种器作业性能差的问题优化设计
了大豆双排种器,对排种器总成㊁双排导种筒和壳体进行了设计㊂
2)以型孔倾角㊁导种筒倾角㊁作业速度为试验因素,以合格指数㊁变异指数㊁重播指数㊁漏播指数为试验指标,进行了三因素三水平正交试验,结果表明::型孔倾角30ʎ㊁导种筒倾角60ʎ㊁作业速度6km /h 时,排种器的合格指数为93.6%㊁变异指数为7.4%,重播指数为3.1%,漏播指数为2.3%,大豆双行排种器的作业性能较优㊂
3)对优化设计的大豆双行排种器与传统的槽轮
式排种器进行田间对比试验,结果表明:相比于槽轮式排种器,优化后的大豆双行排种器的合格指数提高
8.96%,变异指数降低26.73%,重播指数降低16.22%,漏播指数降低11.54%,作业性能较优㊂参考文献:
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Optimization Design and Test of Soybean Double
Row Seed Metering Device
Bi Shiying1,Liu Weida2,Guo Lijun1
(1.Weifang University,College of Electrical,Mechanical and Vehicle Engineering,Weifang261061,China;
2.Weichai Power Co.Ltd.,Mechanical Design Major,Weifang261061,China)
Abstract:In view of the poor sowing uniformity,the phenomenon of missed sowing and replanting in the existing soybean seed metering device,the soybean double row clock metering device was optimized in this paper.Firstly,the seed mete-ring assembly of soybean seed metering device was designed,secondly,the double row guide seed tube was designed, and finally the shell was designed.Taking the inclination angle of the hole,the inclination angle of the seed guide tube, the working speed as the test factors,the qualification index,the variation index,the rebroadcast index and the missed sowing index as the experimental indexes,the orthogonal test of three factors and three levels was carried out.The quali-fied index of the metering device was93.6%when the inclination angle of the hole was30ʎ,the inclination angle of the seed guide tube was60ʎ,and the working speed was6km/h.The variation index was7.4%,the replanting index was 3.1%,and the missed sowing index was2.3%.The results of field comparative experiment showed that the qualified in-dex,variation index,replanting index and missed sowing index of soybean double row metering device optimized by or-thogonal test were8.96%,26.73%,16.22%and11.54%better than those of traditional slot wheel metering device. Therefore,the operation performance of the optimized soybean double row metering device was excellent.
Key words:soybean;seeding apparatus;duplicate rows;operation performance
2021年8月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第8期。