基于均勻設計法的排種器排種性能分析

在農業工程中的應用精確栽培是指根據農業要求，根據預定的距離、粒度和深度將種子加載到種床的指定位置，為種子提供更好的生長條件。除了玉米、大豆、水稻、棉花、小麥等糧食作物,精密播種的范圍還包括林業、牧草、水產植物等,是農業工程技術的研究重點之一。以往的工作中,作者針對自行研制的氣力輪式精密排種器,在吉林大學農業工程實驗室進行室內大豆排種試驗研究,并根據常壓下排種器性能對排種器工作參數進行了優化。試驗表明:常壓條件下充種角和清種角變化對排種性能影響顯著,優化結果:充種角為46.35°、清種角為55°。為研究加壓條件下氣力輪式精密排種器的工作參數對排種性能的影響,本文根據加壓條件下室內試驗結果建立排種性能指標數學模型,分析各指標的變化規律。1試驗設計與結果試驗對象:綏農11大豆種子;橢球型;包衣;千粒重235g;種子長徑分布范圍為5～7.5mm,平均直徑5.5mm。采用基于理論粒距的排種性能評價體系,分析氣力輪式精密排種器設計參數對排種性能的影響規律。評價指標包括:排種粒距合格率、充填率、重播率、漏播率和種子破碎率。有氣流條件下,影響排種器性能的因素主要有:充種角、清種角、作業速度、氣壓和氣流方向等。選取的試驗因素和水平如表1所示,表中氣壓值為吹嘴入口處靜壓。采用均勻設計方法,由均勻設計表U*15(155)設計試驗方案,測試方法參照文獻。試驗安排和測試結果如表2所示,統計數據為同一條件下3次重復試驗平均值;16號試驗為預留校驗數據。由表2看出,種子破碎率均為零。充種室加正壓氣流后,氣流導種和清種作用消除了卡籽現象,因此在數據分析時不考慮自變量對破碎率的影響。2各因素對性能指標的影響運用均勻設計軟件UST1.0建立充填率、排種粒距合格率、重播率、漏播率和種子破碎率的回歸模型,分析各因素對性能指標的影響規律。回歸模型中,充種角、清種角、作業速度、氣壓和氣流方向分別表示為x1、x2、x3、x4、x5。為便于直觀分析,采用Matlab6.1軟件對回歸模型進行圖形化處理,通過回歸曲線分析大豆排種性能變化規律。2.1復相關系數f充填率(%)的回歸模型為yP=98.0736+0.0202011x1x3-0.673478x2332+4.33029x3x4-7.75341x2442(1)回歸顯著性檢驗:F檢驗臨界值F0.01(4,10)=5.99943;F檢驗值Ft=9.9428。顯著性:顯著。復相關系數R=0.8939。調整決定系數Ra=0.7443。如圖1所示,充種角和氣壓對充填率的影響曲線呈拋物面形,充填率主要受作業速度和氣壓影響。氣壓小于1.2kPa,當作業速度超過6km/h時,充填率隨作業速度的增大而顯著下降。氣壓在1.4kPa以上時,充填率比較穩定。氣壓達到2.0kPa時,低速下充填率較低。因此為保證種子充填性能,氣壓應小于2.0kPa。與常壓下排種試驗結果相比,在25°～65°充種角范圍內,充種角變化對充填率影響不顯著,而且氣壓越高,充種角對充填率影響越小。2.2充種角與壓力的關系粒距合格率(%)的回歸模型為yQ=109.334-0.12324x2+0.02168x1x3-0.9338x2332+4.3718x3x4-7.8937x2442(2)回歸顯著性檢驗:F0.05(5,9)=6.0569;Ft=19.119。顯著性:顯著。R=0.956;Ra=0.8795。如圖2所示,在氣力作用下,充種角對粒距合格率的影響較小。隨著氣壓提高,在相同作業速度變化時,粒距合格率穩定性逐漸好轉。0.4～0.8kPa氣壓下,作業速度超過7km/h時,粒距合格率下降到85%以下;氣壓大于1.4kPa、速度為8km/h時,粒距合格率可達90%以上;2.0kPa氣壓與0.4～1.6kPa氣壓相比,低速時排種器粒距合格率略低。2.3仿真結果和分析重播率(%)的回歸模型為yMulti.=13.5941-0.668469x2+0.0173587x1x3+0.00621901x2222+0.0588402x2x4+0.291245x3x4-1.68628x2442(3)回歸顯著性檢驗:F0.01(6,8)=6.3707;Ft=6.7318。顯著性:顯著。R=0.9136;Ra=0.7428。由式(3)可見,重播率主要受清種角和排種速度影響。如圖3所示,當充種角為55°時,重播率隨清種角和速度的提高而增大。清種角超過50°、作業速度大于8km/h時,重播率增加到10%左右。重播率在不同氣壓下變化規律:氣壓小于1.2kPa時,清種角55°左右時重播率較低,隨著氣壓提高,重播率低值中心向清種角減小方向變化,氣壓超過1.4kPa時,清種角為45°左右時重播率較低。2.4xx4x4.4漏播率(%)的回歸模型為yMiss.=-0.250658-0.0385111x1x3+0.942946x2332-4.79208x3x4+8.58538x2442(4)回歸顯著性檢驗:F0.01(4,10)=5.9943;Ft=17.919。顯著性:顯著。R=0.9412;Ra=0.8442。從圖4可以看出,隨著氣壓提高,漏播率逐漸減小。氣壓超過1.6kPa時,漏播率在6km/h速度附近出現一個低值區,作業速度在該區域之外,漏播率均有所增加。氣壓為2kPa時,漏播率穩定性區域減小。故氣壓在1.4～1.8kPa范圍內較為合理。3氣流方向對排種量影響不顯著排種性能回歸模型中,未出現氣流方向項,說明在試驗范圍內氣流方向對排種性能影響不顯著。因此,可以在10°～50°范圍內根據工藝要求確定氣流方向。3.1不同速度下試驗臺種子分布如圖5所示,隨著作業速度的提高,充填率和合格率下降,漏播率增大,重播率基本不變。作業速度超過8km/h后,雖然充填率變化不大,但種子在型孔中運動的穩定性下降,另外速度提高后試驗臺傳送帶振動加大,影響傳送帶上種子分布,使漏播率和重播率增加,排種粒距合格率下降。不同氣壓下,各指標曲線變化趨勢:氣壓逐漸提高,充填率和合格率受速度影響下降的幅度逐漸減小,漏播率逐漸平穩保持在較低水平。氣壓在1.6kPa時,在8km/h以上高速作業也能夠順利充填,種子粒距合格率保持在85%以上。3.2作業速度對排種性能的影響如圖6所示,在不同作業速度下,氣壓對排種指標的影響不同。作業速度小于6km/h時氣壓對排種性能影響較小。作業速度超過6km/h時,隨著氣壓提高,充填率和排種粒距合格率迅速上升,到1.4kPa時進入平穩階段。作業速度越高,需要的氣壓越高。作業速度達到10km/h以上時,需要其它措施提高充填速度。3.3種子充填的穩定性從圖7和圖8可以看出,由于氣流作用,充種角和清種角在試驗范圍內,對各指標影響不大。充填率、重播率和粒距合格率隨充種角的增大而增大,漏播率逐漸減小。在8km/h作業速度下,充種角為30°時種子充填率可達到95%以上。由此說明,在1.6kPa氣壓下,種子在30°充填域內已基本完成了充種和清種,種子和清種板之間沒有碰撞和擠壓,使種子破碎率顯著降低。為防止低壓下個別多余種子被帶入型孔,在45°～65°區域安裝復合清種板,提高排種器工作穩定性和可靠性。圖9為充種角和清種角對充填率的交互作用曲線,氣力狀態下與常壓下播種的充填率曲線具有類似的分布,充填率等值線為以充種角和清種角參數優化值為中心的橢圓曲線,曲線中心位置也一致。因此可以采用同樣的參數