摘要
针对机械振动改变种子受力和运移状态，继而导致精量排种器性能降低的问题，基于振动排种器性能检测试验台，开展无振动、不同振频、不同振幅对油菜精量排种器排种性能影响规律试验。结果显示：无振动条件下，吸种负压达到临界点前（合格指数≥90%所对应负压值）排种性能指标变化规律与转速大小规律相关，转速越大，合格指数和漏播指数指标值整体偏低，呈降低趋势；10、20 Hz振频时，振动导致排种器垂直方向位移增大，投种无序性加大，合格指数始终<80%，明显低于无振动和30 Hz振频，30 Hz振频时临界负压绝对值较无振动时略低，负压绝对值高于临界负压绝对值时的合格指数>90%；40 Hz振频、振幅≥8 m/
油菜是我国主要的油料作物之
近些年，相关学者就田间作业机组振动仿
为探明播种机振动对排种器工作性能的影响，本研究以正负气压组合式油菜精量排种器为研究对象，以2BFQ-6型精量联合直播机田间播种工况下的振动测试分析结果为指导，基于振动排种器性能检测试验台，开展振动排种性能试验，比较分析不同振动频率区间和振幅对排种性能指标的影响，以期为精量排种器结构改进和生产中增大有益振动区间或降低振动干扰方面研究提供参考依据。
在黑龙江省农业机械工程研究院开发的JPZS-16计算机视觉排种器试验台上安装六自由度空间振动装置，设计搭建振动排种试验台，如
图1 振动排种试验台总体布局（A）及排种器结构示意（B）
Fig.1 General layout of vibration seeding test stand（A） and structure schematic（B）
A：振动排种试验台总体布局General layout of vibration seeding test bed；1.六自由度空间振动装置Six-degree space vibration test stand；2.振动台控制计算机Shaker control computer；3.振动台控制器Shaker controller；4.COCO-80动态信号分析仪Dynamic signal analyzer；5.步进电机驱动器Stepper motor driver；6.拍摄相机Photography camera；7.JPZS-16计算机视觉排种器试验台JPZS-16 computer vision seed rower test stand；8.356A16型加速度传感器356A16 acceleration sensor；9.铝合金型材排种器支架Aluminum alloy profile seed rower bracket；10.步进电机Stepper motors；11.正负气压组合式油菜精量排种器 Combined positive and negative precision seed metering device；12.铝合金框架Aluminum alloy frame.B：排种器结构示意Structure diagram of seed metering device；11-1.进气口Inlet；11-2.负压气室区Negative pressure air chamber area；11-3.排种轴Seed discharge shaft；11-4.种子箱Seed box；11-5.充种口Seed filling port；11-6.卸种口Seed unloading port；11-7.正压气室区Positive pressure air chamber area；11-8.种盘Seed disc 11-9.出气口Outlet.
本研究在设计搭建的振动排种试验台上开展，试验研究对象正负气压组合式油菜精量排种器，主要由排种盘、排种轴、气室、罩壳等组成，排种盘上均匀分布有型
试验用正负气压组合式排种器的排种盘型孔数为40，型孔直径为1.2 mm。试验用油菜种子为“华油杂62”，经孔径1.4 mm筛网去除不饱满的种子及杂质，对筛选过后的油菜种子随机选取50粒测定其外形特征，统计结果见
机械物理特性参数 Mechanical physical characteristicsparameters | 数值 Value | 标准误差 Standard error |
|---|---|---|
| 长/mm Length | 2.53 | 0.113 |
| 宽/mm Width | 2.34 | 0.128 |
| 高/mm Height | 2.11 | 0.131 |
| 平均粒径/mm Average particle size | 2.33 | — |
| 千粒重/g Thousand grain weight | 6.24 | — |
| 球形度/% Sphericity | 91.71 | — |
注Note：长、宽、高等为50粒种子统计平均值。The length， width and height are all the statistical mean of 50 seeds.
参考笔者所在课题组前期对精量联合直播机振动测试分析结
为使排种试验在试验方案指定振动条件下进行，对精量排种器处的振动加速度幅值进行实时测定，每组试验前调节振动台控制计算机参数，通过COCO-80动态信号分析仪进行标定，待振幅加速度达到试验方案指定幅值后，调节振动排种器性能检测试验台种床带调速旋钮，设置种床带前进速度。株距60 mm设定下，排种盘转速20、25、30、35、40 r/min对应的种床带速度分别为2.88、3.60、4.32、5.04、5.76 km/h，种床带运行平稳后，调节风压至指定气压，开启驱动电机进行排种性能测试。
以不同频率、振幅、吸种负压、转速工作状态下的排种合格指数、重播指数、漏播指数为试验指标，参考GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》进行振动排种试验；对排种各环节的试验指标进行考核和记录，每组试验重复3次，取平均值作为试验结果进行记录，排种性能指标计算如下。
| （1） |
无振动条件下吸种负压绝对值与合格指数、重播指数、漏播指数的关系如
图2 无振动条件下试验指标与吸种负压的关系
Fig.2 Relation of curve between test index and negative pressure of seed suction under non-vibration condition
A：合格指数 Qualification index； B：重播指数 Replay index； C：漏播指数 Missed index.
试验转速区间内排种器重播指数随负压绝对值升高呈上升趋势，漏播指数先下降后趋于稳定，到达吸种临界负压绝对值前（合格指数达到90%），不同转速的合格指数、重播指数曲线上下排列顺序与转速大小规律相关，转速越大，合格指数曲线越靠近坐标轴，指数值整体较低，漏播指数关系曲线相反，转速越大其曲线位置越偏离坐标轴，指数值整体较高，转速20 r/min的曲线最接近坐标轴，在相同试验参数下漏播指数最低。表明到达吸种临界负压绝对值前，相同吸种负压下排种轴转速越大对应的合格指数和重播指数越低，对应的漏播指数越高，由两方面因素引起，首先排种轴转速越快其排种盘型孔处的线速度越快，型孔重吸概率变小，漏吸概率变大，导致其合格指数降低，其次本试验所用经筛选后的“华油杂62”种子尺寸及千粒重整体偏大，易漏播。
由无振动条件下试验结果可知，20~35 r/min排种器排种性能变化规律基本一致，转速40 r/min与之有细微差别，故探究振动频率对排种器排种性能影响时，主要对20、40 r/min转速水平条件下的试验结果进行分析。
1）低频振动对排种性能的影响。低频振动（0~30 Hz）排种试验按照田间试验测定结果设置振动幅值加速度为4 m/
图3 低频各频率吸种负压与合格指数关系
Fig.3 Relation curve between negative pressure of seed suction at low frequency and qualification index
A：排种轴转速 Shaft speed 20 r/min； B：排种轴转速 Shaft speed 40 r/min.
由
10、20 Hz低频频率振动条件下，排种合格指数明显低于无振动和30 Hz振动频率条件下，在整个吸种负压区间内排种器合格指数均<80%，试验结果发现此规律同样适用其他3个转速水平下10、20 Hz频率时吸种负压与合格指数曲线趋势，为探究出现此现象的原因，试验得到10、20 Hz低频率下吸种负压绝对值与排种试验指标间的关系，如
图4 振频为10和20 Hz时吸种负压与试验指标关系
Fig.4 Relation curve between negative pressure of seed suction and test index at 10 Hz and 20 Hz vibration frequency
A：振频 10 Hz，转速20 r/min Vibration frequency 10 Hz，shaft speed 20 r/min； B：振频10 Hz，转速40 r/min Vibration frequency 10 Hz，shaft speed 40 r/min； C：振频20 Hz，转速20 r/min Vibration frequency 20 Hz，shaft speed 20 r/min； D：振频20 Hz，转速40 r/min Vibration frequency 20 Hz，shaft speed 40 r/min.
由
2）中频振动对排种性能的影响。中频振动（40~90 Hz）振动幅值按照田间试验测定结果设置为12 m/
图5 中频各频率吸种负压与合格指数关系
Fig.5 Relation curve between negative pressure of seed suction at medium frequency and qualification index
A：排种轴转速 20 r/min Shaft speed 20 r/min； B：排种轴转速 40 r/min Shaft speed 40 r/min.
由
由
开展振频40 Hz、不同转速和负压组合下的排种性能试验，得到试验指标与吸种负压的关系如
图6 40 Hz振频下试验指标与吸种负压的关系
Fig.6 Relation curve between test index and seed suction negative pressure at 40 Hz vibration frequency
A：吸种负压与合格指数关系 Relationship curve between seed suction negative pressure and qualification index； B：吸种负压与重播指数关系 Relationship curve between seed suction negative pressure and replay index；C：吸种负压与漏播指数关系 Relationship curve between seed suction negative pressure and missed seeding index.
| 转速/(r/min) Shaft speed | 振频40 HzVibration frequency 40 Hz | 无振动No vibration |
|---|---|---|
| 20 | -1.6 | -2.0 |
| 25 | -1.6 | -2.0 |
| 30 | -2.0 | -3.2 |
| 35 | -2.4 | -3.6 |
| 40 | -3.6 | -4.0 |
不同转速下重播指数呈高位先降再升的趋势，此现象主要由于振频40 Hz、吸种负压绝对值较低时，振动工作状态下被吸附的种子因型孔处吸附力小于种子自身重力、所受内摩擦力以及振动惯性力的合力会被振落，导致低吸种负压绝对值高重播概率现象。随着吸种负压绝对值升高，型孔对种子吸附力增大，种子被振落概率大大降低，重播指数出现下降趋势；随着吸种负压继续增大，型孔出现重吸的概率增大，重播指数呈上升趋势。40 Hz频率振动下，吸种负压绝对值较高时（负压绝对值≥4.4 kPa）各转速的重播指数总体水平高于无振动条件，漏播指数总体水平低于无振动条件，说明种子在“沸腾”状态时，其相对排种盘的速度降低，从而更容易被型孔吸附，故振频40 Hz高吸种负压绝对值时重播指数升高，漏播指数降低。
3）高频振动对排种性能的影响。高频振动（100~150 Hz）振动幅值按照田间试验测定结果设置为25 m/
图7 高频各频率吸种负压与合格指数关系
Fig.7 Relation curve between negative pressure of seed suction at high frequencies and qualification index
A：排种轴转速 Shaft speed 20 r/min； B：排种轴转速 Shaft speed 40 r/min.
总体来说，在不同振动条件下，排种器的合格指数均先随着吸种负压绝对值增大而增大，当到达一定吸种负压值后趋于稳定，但趋于稳定的临界负压值不同。低频振动（0~30 Hz）区间，10、20 Hz振频时不同转速水平排种器投种合格指数始终低于80%；中频振动（40~90 Hz）区间，40 Hz振频时充种室及吸种区种群呈“沸腾”状态，“沸腾”状态的种子在达到吸种负压稳定拐点前更易被排种盘吸附，而在高吸种负压绝对值时其对应的重播指数也更高；振动频率>40 Hz的中频区间及高频区间（100~150 Hz），由于频率升高，种群不再呈现“沸腾”状态，仅种群表层种子在特定频率下会出现扰动状态，此时振动频率对排种合格指数的影响不明显；不同振频、转速组合下排种器的临界吸种负压存在差异，临界负压与振动频率及振幅是非线性关系，对引起种群“沸腾”的特殊频率振动敏感。对比不同振频下的排种器性能参数发现，吸种负压绝对值低于临界负压绝对值时，不同吸种负压绝对值对应的排种合格指数存在明显差别，而到达吸种临界负压后，不同振频下的排种合格指数相近，说明到达吸种临界负压前，机械振动对排种性能存在明显影响，而到达吸种临界负压后机械振动对其排种性能影响较小。
由以上分析可知，振频40 Hz时种群出现了“沸腾”现象，为探究“沸腾”现象与振动幅值的相关性以及相同频率不同振幅下排种器的排种规律，对中频振动（40~90 Hz）试验部分补充添加振幅加速度4、8 m/
图8 不同振幅吸种负压与合格指数关系
Fig.8 Relation curve between negative pressure of seed suction with different amplitudes and qualification index
A：振频 40 Hz，转速20 r/min Vibration frequency 40 Hz，shaft speed 20 r/min； B：振频 40 Hz，转速40 r/min Vibration frequency 40 Hz，shaft speed 40 r/min； C：振频 50 Hz，转速20 r/min Vibration frequency 50 Hz，shaft speed 20 r/min； D：振频 50 Hz，转速40 r/min Vibration frequency 50 Hz，shaft speed 40 r/min； E：振频 90 Hz，转速20 r/min Vibration frequency 90 Hz，shaft speed 20 r/min； F：振频 90 Hz，转速40 r/min Vibration frequency 90 Hz，shaft speed 40 r/min.
由
除振频40 Hz时种群出现“沸腾”状态外，中频等其他频率均无此现象。对比振频50、90 Hz时不同转速振幅组合下排种器合格指数曲线，发现各振幅水平下合格指数随吸种负压的变化趋势基本一致，但吸种临界负压值存在一定差异。转速40 r/min时，无振动条件下漏播指数较高，排种合格指数最高达到90.94%（-5.2 kPa取得），40 Hz振频下，振幅4 m/
无振动排种时不同转速工况的吸种临界负压（合格指数达90%）不同；由于高转速状态下型孔与充种室内种子的接触时间短，漏播概率较大，对吸种负压绝对值要求更高，因此转速越大，其吸种临界负压绝对值越大；到达吸种临界负压前，相同吸种负压下排种轴转速越大对应的合格指数和重播指数越低，对应的漏播指数越高。
分析振动频率和幅值对排种性能的影响可知：低频区间频率10、20 Hz时，振动导致排种器垂直方向位移增大，显著降低排种器合格指数，排种合格指数明显低于无振动和30 Hz振动频率条件下，在整个吸种负压区间内排种器的合格指数皆<80%；中频区间振频40 Hz时，振幅加速度≥8 m/
本研究通过排种器振动台架试验考察了振频、振幅对排种性能的影响规律，可为精量排种器结构改进以及生产中降低机械干扰或增大有益振动区间研究提供参考。下一步可以对投种、导种环节运移状态的不同振频、振幅影响规律进行研究。
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