氣力滾筒式精密排種器結構設計及試驗

符耀明，張　靜，吳　鋼,呂　瑩，周士琳，孫芳媛，李志偉

(華南農業大學 工程學院，廣州　510642)

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氣力滾筒式精密排種器結構設計及試驗

符耀明，張靜，吳鋼,呂瑩，周士琳，孫芳媛，李志偉

(華南農業大學 工程學院，廣州510642)

摘要：為解決目前蔬菜田間有序直播生產過程勞動強度大的問題，以排種器的合格指數、重播指數、漏播指數和變異系數作為評價指標，設計出一種氣力滾筒式精密排種器。排種器結構采用固定配氣盤與排種盤配合的側面換氣方法實行負壓吸種和正壓排種，每個排種器排種1行，排種位置為水平方向。為探討精量排種器性能參數的最佳匹配，對吸種負壓、排種正壓、吹種流量和作業速度在實驗室臺架進行了單因素和正交試驗。試驗結果表明：當蔬菜種子直徑為1.2～1.8mm時，最佳播種參數為吸種真空度為-7kPa，清種流量為8L/min，排種氣壓為0.15kPa，作業速度為1km/h；此時，合格指數為99.52%，漏播指數0.24%，重播指數為0.24%，變異系數為2.44%。設計出的排種器可根據農藝要求通過聯軸器連接安裝若干個播種單體，實現多行同時播種，行距最小為135mm。

關鍵詞：排種器；氣力；蔬菜；播種

0引言

中國蔬菜生產持續穩定發展，種植面積由2007年的0.17億hm2增加到2013年的0.21億hm2，產量由2007年的5.47億t增加到2013年的7.06億t[1]。其中，葉菜類種植約占蔬菜生產總量的1/3[2]。華南農業大學研制的氣力滾筒式蔬菜穴盤播種機[3-5]已應用于蔬菜穴盤育苗的生產，取得了良好的效果。但穴盤育苗后，還需要進行移栽，勞動力需求大且勞動力成本高，而葉菜田間直播生產可降低生產成本。氣力式精密排種器具有適應性強的特點，通用性好、不傷種子，對種子外形尺寸要求不嚴，可以大大提高播種速度，應用日益廣泛[6]。本文根據氣力滾筒式蔬菜播種的端面換氣技術原理，設計出適合大田小粒圓形種子的精密排種器并進行了排種器試驗臺架性能試驗。

1氣力滾筒式排種器工作原理

排種器主要包括固定配氣盤、排種盤、清種裝置、種箱、導種管、碟形彈簧、軸及軸固定架等，結構如圖1所示。

1.固定配氣盤　2.種箱　3.軸固定架　4.蝶形彈簧　5.鍵　6.軸

如圖2所示，固定配氣盤上設一負壓氣室和一正壓氣室，分別與負壓氣源和正壓氣源相連，在作業過程中為排種盤提供正負壓轉換。如圖3所示，排種盤上設有若干組通氣槽和吸種孔，通氣槽與吸種孔相連。排種盤在碟形彈簧彈簧力的作用下與固定配氣盤緊密貼在一起。清種裝置由清種噴嘴、固定架和氣管組成，氣管與正壓氣源相連。動力經轉軸傳遞到排種盤上，帶動排種盤轉動。當吸種孔經過種箱時，通氣槽與負壓氣室相連，1粒或多粒種子在吸種孔氣壓差的作用下被吸附在吸種孔上，并隨吸種孔一起轉動；當種子轉到與清種噴嘴相切的位置時，在清種裝置的作用下，吸附力小的種子被吹回種箱，沒有被清除的種子繼續隨排種盤轉動。當通氣槽轉到水平排種位置時，通氣槽與正壓氣室相連，實現正負壓切換，負壓消失，種子在自重和正壓的作用下脫離排種盤，經導種管落入到土壤中。設計出的排種器可根據農藝要求通過聯軸器連接安裝若干個播種單體，實現多行同時播種，行距最小為135mm。

1.負壓氣室　2.正壓氣室

1.通氣槽　2.吸種孔

2吸排種試驗

2.1試驗材料

試驗采用大種80天的油青菜心，該種子純度≥95%，凈度≥98%，含水率≤7%，平均粒徑1.2～1.8mm，千粒質量2.0g。

2.2試驗設備和方法

試驗設備包括：海爾ZW1200真空吸塵器，CZQ型單向風機，標智差壓計GM511，廣州迪川儀器MF5706-N-25氣體質量流量計。

為了模擬大田直播，搭建試驗臺架，試驗裝置如圖4所示。排種裝置在實際作業轉速下運轉，用傳送帶帶動粘有粘膠帶的穴盤在排種器下方移動，以模擬播種機與地面的相對移動。吸種負壓由吸塵器提供，排種正壓和吹種正壓由單向風機提供，壓力大小通過節流閥調節，壓差計和流量計分別測量吸種負壓真空度、排種正壓和清種流量。排種器和輸送帶動力由步進電機提供，排種器轉速及傳送帶速度由控制系統中PLC調節，并保證兩者速度相匹配。利用SPSS16.0與Excel軟件進行試驗數據的分析。

1.真空吸塵器　2.試驗臺機架　3.壓差表　4.排種器　5.流量計

2.3試驗設計

試驗設計參考GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[7]，確定試驗指標為合格系數、重播指數、漏播指數和變異系數[8-9]。試驗指標通過隨機放置粘有粘帶的穴盤進行抽樣統計得出。按照菜心種植的農藝要求，早熟、中熟和晚熟品種的行距株距略有差異，在10～20cm之間[10]，本試驗選擇株距12cm進行設計。根據前期試驗，確定了試驗因素為：吸種負壓、吹種流量、排種正壓和播種機作業速度4個因素。排種器轉速和輸送帶速度根據播種機作業速度而定。試驗分為單因素試驗和正交試驗進行，研究各試驗因素對排種器性能指標的影響規律。

3試驗結果與分析

3.1單因素試驗

3.1.1吸種負壓

根據前期試驗，選擇播種機作業速度為1km/h，清種流量為8L/min，排種正壓為0.1kPa，選擇吸種負壓分別為-2、-4、-6、-8kPa 4個水平，進行試驗，得出吸種負壓對試驗指標的影響如圖5所示。

由圖5可知：隨著吸種負壓的增加，合格指數先上升后下降，漏播指數降低，重播指數上升，變異系數基本不變；吸種負壓為-2kPa時，吸附力不足，種子漏播嚴重，重播指數為0，合格指數低；隨著吸種負壓增大，對種子的吸附力增加，吸附能力增強，漏播指數迅速降低，合格指數迅速增加，吸種負壓為-4kPa時，合格指數達到峰值；吸種負壓繼續增加，漏播指數繼續降低，重播指數也隨之增加，增速大于漏播指數降低的速度，合格指數降低；在吸種負壓增加過程中，變異系數保持平穩。方差分析表明：吸種負壓對合格指數、漏播指數影響極顯著，對重播指數影響顯著，對變異系數影響不顯著。

圖5　測試性能與吸種負壓關系曲線

3.1.2清種流量

設定播種機作業速度為1km/h，吸種負壓為-4kPa，排種正壓為0.1kPa，清種流量分別為2、4、6、8、10L/min4個水平，進行試驗，得出清種流量對試驗指標的影響如圖6所示。

圖6　測試性能與清種流量關系曲線

由圖6可知：隨著清種流量的增大，重播指數呈下降趨勢，漏播指數上升，合格指數先上升后下降；清種流量為2L/min時，吹力不足，未能將多余的種子吹回種箱，重播指數較高，合格指數較低；吸種孔吸附的多粒種子由于所受吸力各異，部分種子吸附不穩定，引起提前排種，導致變異系數較大；隨著流量增大，吹力增大，重播指數下降，變異系數也隨之降低，當流量為8L/min時，合格指數最高；清種流量繼續增大，吹力過大，部分種子被吹落，漏播系數增大，合格指數降低。方差分析表明，清種流量對合格指數、重播指數影響極顯著，對漏播指數和變異系數影響顯著。

3.1.3作業速度

設定吸種負壓為-4kPa，排種正壓為0.1kPa，清種流量為8L/min，播種機作業速度分別為1、1.25、1.5、2、2.25、2.5、2.75、3km/h 9個水平，進行試驗，得出播種機作業速度對試驗指標的影響如圖7所示。

圖7　 測試性能與作業速度關系曲線

由圖7可知：隨著播種機作業速度增加，即排種盤轉速增加，合格指數下降，漏播指數上升，變異系數呈上升趨勢；播種作業速度不高于2km/h時，重播系數為零，高于2km/h時，重播系數呈上升趨勢；作業速度低時，種子與氣流場接觸時間充分，吸種能力強，漏播指數小；隨著播種作業速度的增加，吸種孔與種箱中種子接觸時間變短，氣流場穩定性降低，吸種不充分，漏播指數急劇增加，合格指數下降。方差分析表明：播種機作業速度對合格指數、漏播指數和重播指數影響極顯著，對變異系數影響顯著。

3.1.4排種正壓

設定播種機作業速度為1km/h，吸種負壓為-4kPa，清種流量分別為8L/min，排種正壓分別為0、0.1、0.2、0.3、0.4kPa 5個水平，進行試驗，得出排種正壓對試驗指標的影響如圖8所示。

由圖8可知：排種正壓由0kPa增加到0.4kPa的過程中，合格指數、漏播指數和重播指數基本保持穩定，變異系數先下降后上升；排種正壓對吸種過程影響不大，因此合格指數、漏播指數和重播指數基本穩定；當排種正壓為0kPa時，排種吹力為0，排種孔殘余負壓會影響到排種的精確度，導致出現延遲排種；隨著排種正壓的增大，排種吹力增大，變異系數下降；當排種正壓增加到0.3kPa以上時，排種吹力過大，由于種子形狀大小各異，種子平拋運動的水平速度不一致，與導種管碰撞次數不同，導致變異系數上升。方差分析表明，排種正壓對合格指數、漏播指數和重播指數影響不顯著，對變異系數影響極顯著。

圖8　測試性能與排種正壓關系曲線

3.2正交試驗

依據以上分析，選擇對試驗指標有顯著影響的吸種負壓、排種正壓、清種流量和作業速度4個因素作正交試驗。選擇L16(45)正交表來安排正交試驗。其中，第5列為空列，因素水平如表1所示。對結果進行極差分析，結果如圖9～圖12所示。

表1　因素水平表

合格指數試驗指標結果如圖9所示。根據生產要求，需要提高合格系數，可得A4B2C3D1為最佳組合。

圖9　合格指數直觀分析圖

漏播指數試驗指標結果如圖10所示。根據生產要求，需要降低漏播指數，可得A4B3C2D1為最佳組合。

圖10　漏播指數直觀分析圖

重播指數試驗指標結果如圖11所示。根據生產要求，需要降低重播指數，可得A1B4C3D1為最佳組合。

圖11　重播指數直觀分析圖

結果如圖12所示。根據生產要求，需要降低變異系數，可得A4B2C3D1為最佳組合。

圖12　變異系數直觀分析圖

通過綜合平衡法考慮合格指數、漏播指數、重播指數和變異系數4個指標的最佳組合，最佳組合為A4B2C3D1，即吸種負壓為-7kPa，清種流量為8L/min，排種正壓為0.15kPa，播種機作業速度為1km/h。

4結論

單因素試驗結果顯示，在臺架試驗中，合格指數、重播指數、漏播指數和變異系數等指標受吸種負壓、清種流量、排種正壓和播種機作業速度的影響。正交試驗結果顯示，排種器的最佳性能條件為：吸種負壓為-7kPa，清種流量為8L/min，排種正壓為0.15kPa，播種機作業速度為1km/h；此時氣力滾筒式精密排種器排種合格指數達到99.52%，重播指數為0.24%，漏播指數為0.24%，變異系數為2.44%。設計出的排種器可根據農藝要求通過聯軸器連接安裝若干個播種單體，實現多行同時播種。

參考文獻：

[1]胡鋒.2014年中國蔬菜種植產業國際競爭力分析[EB/OL].2014-08-13.http://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/140813-4c38abf6.html.

[2]黃丹楓.葉菜類蔬菜生產機械化發展對策研究[J].長江蔬菜,2012(2)：1-6.

[3]王廣源.氣力滾筒式蔬菜播種機的結構設計與研究[D].廣州:華南農業大學,2012.

[4]林敘彬.氣力滾筒式蔬菜播種機的改進設計與試驗[D].廣州:華南農業大學,2009.

[5]夏紅梅,李志偉,牛菊菊，等.氣力滾筒式蔬菜穴盤播種機吸排種動力學模型的研究[J].農業工程學報,2008(1):141-146.

[6]丁元法.肖繼軍,張曉輝.精密播種機的現狀與發展趨勢[J].山東農機,2001(6):3-5.

[7]GB/T6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法[S].

[8]廖慶喜,李繼波,覃國良.氣力式油菜精量排種器試驗[J].農業機械學報,2009,40(8):44-48.

[9]李旭.氣力式油菜精量排種器工作機理與試驗研究[D].武漢:華中農業大學,2012.

[10]張利娟,林敬輝.菜心無公害栽培技術[J].現代園藝,2009(7):32-32.

Design and Experiment of Pneumatic Cylinder-type Precision Seed-metering Device

Fu Yaoming, Zhang Jing, Wu Gang, Lv Ying, Zhou Shilin, Sun Fangyuan, Li Zhiwei

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China)

Abstract：In order to solve the high labor intensity in vegetables ordered direct seeding, designed and manufactured a pneumatic roller-type precision metering device, employing eligible index, multiple index, miss index, variable coefficient as judging indexes. The metering device’s stationary gas distribution disc match with metering plate, employing side breathing to realize negative pressure seed sucking and positive pressure seed discharging. Each metering device discharge one row, feed outlet is positioned in the horizontal position. In order to define the optimum performance parameters of precision metering device, single factor and orthogonal experiments were carried out in laboratory, with the experimental factors of negative pressure seed sucking, positive pressure seed discharging , flow of blow seeds and operating speed. Experiment indicates that when seed diameter is 1.2～1.8mm, metering device’s optimum performance parameters are: the vacuity is -7k Pa, the pressure is 0.15k Pa, the flow is 8 L/min and the operating speed is 1 km/h, the eligible index reaches as high as 99.52%, both of the multiple index and the miss index are 0.24%, the coefficient of variation is 2.44%. The metering device can also connected with a plurality of seeding monomer by coupling, to realize multi row sowing at the same time, minimum row spacing is 135 mm.

Key words：seed-metering device; pneumatic； vegetable; sowing

文章編號：1003-188X(2016)01-0172-05

中圖分類號：S223.2+6

文獻標識碼：A

作者簡介：符耀明(1989-)，男，廣東南海人，碩士研究生，(E-mail) yao_mings@163.com。通訊作者：李志偉(1961-)，男，廣東鶴山人，教授，博士生導師，(E-mail) zhiweili@scau.edu.cn。

基金項目：國家“863”計劃項目(2013AA102440603)

收稿日期：2015-02-06