喷播机喷筒摆动频率的优化及试验

1、喷播机喷筒摆动频率的优化及试验0引言草地补播是在不破坏或少破坏原有地表土壤与植被的情况下，在退化草地上播种适应当地自然条件、有价值的优良牧草，以增加草群中优良牧草成分和草地的覆盖度，达到提高草地生产力和改善牧草品质的目的1】。喷播是目前世界上应用最为普遍，实施最为有效，成本相对较低的植被生态恢复技术手段之一。在喷播作业中，喷播机的落种范围受落种带宽、喷播机前进速度、喷筒摆动频率的影响，存在重、漏播面积，严重影响喷播均匀性。其中落种带宽受种子属性和气力输送系统的限制，前进速度受作业场地和作业效率的限制，喷筒的摆动频率是影响重漏播面积的主要因素，而且可以灵活改变。为了提高喷播均匀性，尽量减少重、漏

2、播面积，本文对4BQD-40C型车载式喷播机的落种范围进行了分析，以重漏播总面积最小为目标对喷筒摆动频率进行优化，为喷播机改进设计提供了理论依据和分析方法。目前国内外对此类问题尚鲜有研究，本文作者在1997年对4BQD-40型气力喷播机的喷筒摆动频率进行了选择，当时只针对摆动频率的整数值进行了选择，但未进行试验验证，且在重漏播面积的定义上存在一定的误差。本文利用计算机软件，根据4BQD-40C型车载式喷播机的喷播参数严格绘制了落种范围坐标图，明确了重漏播面积，不仅以重漏播面积最小为目标函数进行了优化，还考虑了落种在喷播带径向上的分布不均匀，最后对喷筒摆动1个周期内喷播区域的落种量通进行了方差分

3、析，对喷播均匀性进行了评价。该研究可为喷播机的设计提供参考。1数学模型的建立喷播机利用气力输送原理，将草种经喷筒高速喷出，喷筒在水平面内做01800往复圆周摆动并随整机以速度v匀速直线前进，摆动频率为。落种轨迹可以视为与喷筒轨迹形状一致，大小不同，故种子在地面上的落种轨迹可以表示为：此轨迹为类似余摆线轨迹，落种轨迹实际为喷播带沿此轨迹放大并扫描，为了研究一个摆动周期内的重播漏播状况，需绘制喷筒摆动1.5个周期内的落种范围，如图1。由图1可见，在喷筒的一个摆动周期内，落种范围有一次播种区(I)、漏播区(II)和重播区(III)，且在一个周期出现对称的2次。在喷播过程中应尽量减少漏播区和重播区，提

4、高播种的均匀性，以提高草原补播的效果。2喷播参数测试为了能准确优化喷播均匀性，需要对喷播机的喷播参数进行准确测试。经现场测试，喷播机作业的平均前进速度约为v=3 m/s。而喷播机的喷幅需通过以下试验测得：将喷播机固定不动，让喷筒在喷种状态下从01800掠过一次，然后在地面径向lm带宽范围内检测落种数量，测试所用种子为包衣处理的冰草种子。最后测得喷播机平均喷幅外径为20 m，内径为9m。3喷简摆动频率的优化根据测试所得喷播参数，对喷筒摆动频率进行优化。因为喷播机前进速度和落种带宽都已确定，该优化问题的设计变量只有喷筒摆动频率”，目标函数即为重漏播总面积最小重播区和漏播区为不规则图形，适宜用数值计

5、算的方法求其面积8-101。根据已有轨迹方程和喷播机参数，可以通过三次样条插值的方法绘制出落种范围边界，然后利用积分的思想通过分别计算其重播面积和漏播面积。将落种区宽度区间-R，R，z等分，每个小区间的宽度均为h=2R/n，乃为积分步长。通过比较第一个0.5个周期的下边界和第二个0.5周期的上边界确定重播区与漏播区，则可以用矩形积分公式计算其面积落种带宽、喷播机作业前进速度一定时，重、漏播面积随摆动频率变化。若将摆动频率设为变量，则可以在各个频率下计算其重、漏播面积，并从中找到重、漏播面积之和的最小值及对应的喷筒摆动频率，从而优化摆动频率，提高喷播均匀性。程序流程图见图2。喷播参数尺、，、v分

6、别为喷播机喷幅的外径、内径、和作业速度，疗为控制摆动频率的参数，f为绘制落种范围坐标图和矩形积分时的横坐标控制参数。为了程序能适用于喷播不同种子和不同前进速度下的优化，利用Matlab GUI (graphical userinterfaces)编译该优化程序11-17，优化参数可以通过文本框输入，能够根据不同参数进行优化，不必重复编译程序。程序运行界面如图3。经程序计算后得出：在喷播包衣冰草种，单向喷幅外径20 m，单向喷幅内径9m，实际作业前进速度为3 m/s时，喷筒最优摆动频率为9.5 min-1;试验选用前进速度为1.8 m/s时，喷筒最优摆动频率为5.6 min-1。4试验验证为了确

7、定该优化程序的可靠性，设计如下试验进行验证。试验时间：2012年8月。试验地点：内蒙古农业大学内平坦土质场地。所需材料：包衣冰草种子，白粉，皮尺，秒表，SVF-EV-G2.2T4B-D变频器，AZ8910风速计。试验方法如下：选择校园内地势平坦开阔的试验场地，可用面积大丁：喷播机喷筒摆动1个周期内喷播面积，土质表面，种子不易溅射，真实反映落种情况。在风速小于l m/s条件下进行试验。车载式喷播机由发电机带动电动机提供动力，所以可以通过变频器改变喷筒的摆动频率：试验通过清点各个区域的落种数量来分析不同摆动频率卜的喷播均匀性，并验证优化程序计算出来的最优摆动频率。为了便于清点落种数量，选择开阔平坦

8、地面并划分坐标网格进行该试验，坐标网格的范围为喷筒摆动一个周期所喷播的面积，考虑到试验面积和需要清点落种数，网格大小为2 m2 m。为了更好的控制喷播机的起始喷播位置，且能够让喷播机匀速稳定前进，试验选用的前进速度为1.8 m/s，经优化程序计算后最优摆动频率为5.6 rainl。选择4.5、5.0、5.6、6.0、6.5 min-I的5个摆动频率进行喷播试验。试验时，调整变频器使喷筒摆动频率达到试验值，让喷播机在网格场地内匀速直线前进，经过试验起点时，启动电机，使喷筒从00开始摆动并同时喷播种子，喷播机到达终点时测定经过时间，计算作业速度，与规定作业速度进行对比，若超出误差范围则清理种子重新

9、进行该组试验，若在误差范围内则清点网格内落种数量，记入相应表格。试验现场如图4。试验数据为每个网格内的落种颗粒数的离散数据，不够紧密，也不能直观的看出落种分布情况，故将数据经过三次样条插值取得不同喷筒摆动频率F的落种量云图，见图5。图5中平坦部分表示无落种，为漏播区；突起部分表示有落种，突起越高落种量越大，严重突起和搭接的部分为重播区；根据落种量云图可以直观的看出不同频率下的落种分布情况：随着喷筒摆动频率的不断增大，漏播区不断减小，重播区不断增大。为了验证优化程序的可行性，对各个落种分布进行重播区和漏播区的统计，规定落种量为零的网格为漏播区，落种量超过一次喷播区平均峰值的网格为重播区，统计结果

10、见表1。根据表1可以看出，当喷筒摆动频率为5.6 min1时，重播区和漏播区的面积之和最小，该结果与程序优化结果一致，重播区的不同是因为在网格数据中无法统计严格的重播区，只统计了落种量超过一次喷播区平均峰值的网格。程序计算结果见表2。通过与试验数据的对比，验证了程序的可靠性，因此该优化程序可以对以后不同参数的喷播机摆动频率进行优化，也可以稍作改动，给定摆动频率而优化作业前进速度。表3给出了经优化程序计算出的部分作业速度下的最优摆动频率。重漏播面积严重影响喷播均匀性，对记录的落种数据进行方差分析能够检验喷筒摆动频率优化的效果。但该喷播机的摆动和排种在同一传动链上，摆动频率增大时，排种量也同时增大

11、，而且不同频率下1个摆动周期内经过的喷播面积也不同，将影响方差的可比性，故将5个摆动频率下的落种量数据乘以一个当量系数，使其平均值一致，再计算其当量方差（以5.6 min-1为基准，通过与其他摆动频率下的落种量均值做比得出当量系数，然后把落种量矩阵中的每一项乘以对应的当量系数，则得出的落种量均值相等，此时计算其方差即为当量方差）。试验落种量方差分析结果见表4。由表4可见，随着喷筒摆动频率的增大，落种量均值随之增大，其方差也随之增大，这主要是由于整个落种量最小值不变，而最大值变大的缘故。而当将其落种量均值化为一致时，其方差又呈减小的趋势，这主要是由于均值统一了，而摆动频率大时，喷筒一个摆动周期内的喷播面积小、漏播区小的缘故。5结论喷播机落种均匀性受落种带宽、喷播机作业速度、喷筒摆动频率的影响。利用Matlab软件编程计算了在一定的落种带宽、前进速度下，不同摆动频率下的重播区和漏播区面积，并寻找重漏播总面积最小时所对应的喷筒摆动频率，1.8 m/s作业速度时的最优摆动频率为5.6 min-1，试验结果与程序计算结果一致，验证了优化程序的可靠性。由此取得