基于均勻設計法的排種器排種性能分析

基于均勻設計法的排種器排種性能分析

在農(nóng)業(yè)工程中的應用精確栽培是指根據(jù)農(nóng)業(yè)要求，根據(jù)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(yè)、牧草、水產(chǎn)植物等,是農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)工程實驗室進行室內(nèi)大豆排種試驗研究,并根據(jù)常壓下排種器性能對排種器工作參數(shù)進行了優(yōu)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(yōu)化結(jié)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(shù)對排種性能的影響,本文根據(jù)加壓條件下室內(nèi)試驗結(jié)果建立排種性能指標數(shù)學模型,分析各指標的變化規(guī)律。1試驗設計與結(jié)果試驗對象:綏農(nóng)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(shù)對排種性能的影響規(guī)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(yè)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(jié)果如表2所示,統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(xiàn)象,因此在數(shù)據(jù)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(guī)律?；貧w模型中,充種角、清種角、作業(yè)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(guī)律。2.1復相關系數(shù)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(shù)R=0.8939。調(diào)整決定系數(shù)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(yè)速度和氣壓影響。氣壓小于1.2kPa,當作業(yè)速度超過6km/h時,充填率隨作業(yè)速度的增大而顯著下降。氣壓在1.4kPa以上時,充填率比較穩(wěn)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(jié)果相比,在25°～65°充種角范圍內(nèi),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(yè)速度變化時,粒距合格率穩(wěn)定性逐漸好轉(zhuǎn)。0.4～0.8kPa氣壓下,作業(yè)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(jié)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(yè)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(guī)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(xiàn)一個低值區(qū),作業(yè)速度在該區(qū)域之外,漏播率均有所增加。氣壓為2kPa時,漏播率穩(wěn)定性區(qū)域減小。故氣壓在1.4～1.8kPa范圍內(nèi)較為合理。3氣流方向?qū)ε欧N量影響不顯著排種性能回歸模型中,未出現(xiàn)氣流方向項,說明在試驗范圍內(nèi)氣流方向?qū)ε欧N性能影響不顯著。因此,可以在10°～50°范圍內(nèi)根據(jù)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(yè)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(yè)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(wěn)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(wěn)保持在較低水平。氣壓在1.6kPa時,在8km/h以上高速作業(yè)也能夠順利充填,種子粒距合格率保持在85%以上。3.2作業(yè)速度對排種性能的影響如圖6所示,在不同作業(yè)速度下,氣壓對排種指標的影響不同。作業(yè)速度小于6km/h時氣壓對排種性能影響較小。作業(yè)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(wěn)階段。作業(yè)速度越高,需要的氣壓越高。作業(yè)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(wěn)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(nèi),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(yè)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(nèi)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(qū)域安裝復合清種板,提高排種器工作穩(wěn)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(tài)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(shù)優(yōu)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(shù)