小粒蔬菜種子排種器落種對播種質量影響的研究

呂海杰+楊華+韓宏宇

摘要：針對我國蔬菜種植行業面臨的問題，設計出適合小粒蔬菜種子的播種精度高的排種器，配備到設施播種機上，從而實現不同小粒蔬菜種子的精密播種。本項目研究的小粒蔬菜種子排種器落種對播種質量的影響的總體技術方案就是在研究排種器的基礎上，結合實際農藝情況，實現技術再創新。

關鍵詞：小粒蔬菜種子排種器；精密播種

中圖分類號：S223文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.002

1項目研究的意義

蔬菜在我國經濟作物中占有非常重要的經濟地位，已成為我國農業僅次于糧食的重要農產品。蔬菜種植業是發展我國農村經濟的重要組成部分。據農業部2009年統計數據：中國蔬菜播種面積和總量分別占世界的43%和49%，均居世界第一。《2011—2020全國蔬菜產業發展規劃》中指出：2020年全國的蔬菜播種面積實際修訂為2.3億畝，總產量為5億t。 “十二五”發展規劃中，黑龍江省把蔬菜產業作為重點產業來支持發展，2012年全省蔬菜種植面積為680萬畝。

目前，國內大面積蔬菜種植仍以人工為主，播種時搞人海戰術，嚴重浪費人、財、物，而且播種質量差，影響蔬菜的品質和產量。收入的減少、成本的增加、勞動強度加大等因素嚴重影響種植戶的生產積極性。目前在蔬菜種植行業面臨幾個嚴峻問題：一是農村勞動力轉移導致雇工貴、雇工難等問題進一步凸顯；二是國外優良蔬菜品種的引進，增加了種子成本；三是人們對蔬菜品質的要求提高，導致對蔬菜播種環節要求更加嚴格，人工種植蔬菜壓力增大。

目前，國外如法國MONOSEM、德國Kverneland、意大利GASPARDO和SFOGGIA等公司的蔬菜播種機排種器技術先進，播種精度高，但是“水土不服”，價格昂貴，運輸時間長，售后不及時，難以在國內大面積推廣；國內對小粒蔬菜播種機排種器的研發還處于起步階段，主要有河南豪豐、河南興農等公司，但是由于播種精度低，可控性不理想，市場保有量較低。

針對當前我國設施蔬菜種植方面存在的情況，結合我國國情，重點通過模擬、數據優化、試驗等基礎研究，設計出播種精度高的排種器，配備到設施播種機上，從而實現不同小粒蔬菜種子的精密播種。本項目研究的小粒蔬菜種子排種器落種對播種質量的影響的總體技術方案就是在研究排種器的基礎上，結合實際農藝情況，實現技術再創新。項目的研究符合國內蔬菜裝備的發展趨勢，走在國內蔬菜播種領域的前沿。該項研究不僅會提高蔬菜播種的作業效率、減輕勞動強度、改善生產條件，而且實現增產增收，幫助農民盡快致富。

2項目研究的內容和解決的關鍵問題

2.1研究內容

（1）本項目對小粒蔬菜種子排種器落種對播種質量的影響進行系統研究，在對小粒蔬菜排種器落種對播種質量的影響研究基礎上，找到了最佳的落點。

（2）針對小粒蔬菜種子的性狀，應用高清攝像機跟蹤記錄排種器播種后種子下落的軌跡，并進行數據分析，以種子形狀、風力（4級以下）、孔徑大小、投種點為主要影響因素，以落種深度和株距為目標函數。建立相應數學模型，優化結構參數及工藝最佳參數結合，實現數據最優化，為今后小粒蔬菜種子排種器的研制提供參考依據。

（3）通過實驗驗證，重點解決排種器投種口與種子落點的位置關系，實現播種后種子深淺一致、株距均勻。

（4）研究排種器的前進速度和種子投種速度之間的相對關系，通過排種器播種實驗和數學模型確定最佳速比，實現播種后落種位置均勻一致，確保播種質量。

2.2解決的關鍵問題

（1）通過研究排種器投種口與種子落點的位置關系，解決了種子下落過程中隨機性強不按預定位置落下的問題，實現播種后種子深淺一致、株距均勻。

（2）研究排種器的前進速度和種子投種速度之間的相對關系，通過排種器播種實驗和數學模型確定最佳速比，解決了種子落下后位置不一致，導致株距不均的現象，實現播種后落種位置均勻一致，確保播種質量，為小粒蔬菜種子排種器的開發奠定研究基礎。

3項目的研究方法、技術路線

3.1研究方法

（1）在種子形狀、大小不同的條件下，用高速攝像機對種子下落軌跡攝像后進行試驗研究，探索規律，對排種器投種點到種子最終落點進行優化，并通過播種作業實驗對比，形成最優化設計方案，從而保證播種后深淺一致、株距均勻。

（2）研究種子前進速度和落種速度間的關系，分析高清攝像跟蹤記錄所得運動軌跡，以重力、風力、投種點等為影響因素，以種子最終落點為目標函數，建立相應數學模型，分析優化參數，使其達到優化設計。

（3）利用現代設計軟件Pro/E對排種器進行虛擬樣機設計，并運用有限元方法進行靜力學仿真分析。

3.2技術路線

4項目學術思想及創新之處

4.1學術思想

國內小粒蔬菜種子播種機排種器多為穴播，新研發的氣力式蔬菜播種機排種器效果較原來有了很大的提升和改進，播種相對均勻，基本上能夠單播，但是仍達不到理想要求，出現重播和漏播。究其原因，并不是整機設計和匹配有問題，而是對關鍵的核心部件排種器沒有進行深入的研究。本項目就是從對排種器的基礎研究入手，應用高清攝像技術和數學分析方法，結合模擬實驗和播種試驗，確定最佳的速比和投種點，實現精準播種，達到播后深淺一致、株距均勻。具體是利用現代高清攝像技術，跟蹤記錄排種器下落過程的軌跡，再用數學分析方法，影響播種質量與落點、株距之間的關系，建立相應數學模型。優化出最佳參數組合。使投種口和落點達到優化設計，保證播種后深淺一致、株距均勻。

4.2創新之處

（1）運用高清跟蹤攝像技術攝取種子下落運動軌跡，通過對運動軌跡分析，以種子重力、風力、投種位置為影響因素，以種子落點最終位置為目標函數，建立相應數學模型。通過分析優化參數，使其達到優化設計，最終實現種子下落后直接到達預期位置，從而實現播種的均勻一致性。endprint

（2）創新研究前進速度和落種速度間的相對關系，通過實驗和數學模型進行優化實現最優速比，有效保證落種位置一致性。

5項目技術應用

本項目所研究的排種器是以機械設計理論為主，輔以高清攝像技術、數學模型、動力學，通過優化設計，使排種器播種深淺、均勻一致。

5.1機械設計理論

排種器由多個經過加工的零件按照不同的配合關系組裝而成，包括排種器殼體、播種盤、減磨片、種箱等，各個零件均需根據其功能、有否相對運轉、配合關系來進行設計。播種盤是旋轉部件，要求表面光潔度高，加工精細。減磨盤從選擇材質上就要具有好的耐磨性且不易磨損，整個排種器的機械設計不僅符合設計標準，而且還要實用、美觀。

5.2高清攝像技術

小粒蔬菜種子尺寸小、質量輕，播種下落時很難觀察清楚其軌跡，要運用高清攝像技術，才能清晰地觀察到并通過動畫反映出來，然后進行數據分析和優化處理。

5.3數學模型

排種器研究屬于機械學領域，其運轉過程中，種子隨排種器一起向前行走，同時下落，實現播種作業，下落過程中的運動軌跡要通過數字建立相應的函數關系，構成數學模型來進行計算，從而發現找到其運動規律，來實現排種器的精準播種。

5.4動力學

在模擬排種器播種作業時，不僅要考慮種子隨排種器前進運動，更要考慮種子自身下落運動情況，和在種子落下過程中風力的影響等因素，才能更加符合實際情況進行播種作業。

5.5農藝與排種器播種技術

要達到優良的播種效果，必須充分滿足農藝要求，保證作物的正常生長發育，分析影響小粒種子播種時深淺和株距的主要因素，探討種子下落的規律，種子不同落種位置和株距也不相同，計算種子的行走距離，然后確定投種位置。

6成果及后續發展潛力

6.1成果

研發設施蔬菜播種機排種器一套，實現播種后種子深淺一致、株距均勻。深淺一致性達到±3 mm。排種器的前進速度和種子投種速度之間確定最佳速比，實現播種后落種位置均勻一致，確保播種質量，為小粒蔬菜種子排種器的開發奠定研究基礎。實現小粒蔬菜種子精密播種后，其發芽率、生產率增加顯著，不浪費每一粒種子，漏播率≤5%，大大提高農作物的經濟效益。

6.2后續發展潛力

我國已經成為世界上最大的蔬菜、瓜類生產國和消費國，蔬菜已經成為我國僅次于糧食的第二大作物。近年來，蔬菜出口將穩定增長。蔬菜產業是典型的勞動密集型產業，蔬菜價格在國際市場上極具競爭力，預計今后我國蔬菜產品出口將穩定增長。同時，蔬菜種植業機械化程度不斷提高，購買者對機械的精密性、精確性也有了較高要求。目前，市場上針對小粒種子的排種器不多，主要是由于小粒種子重力較小，受外界，如風力等影響較大，不便于精確播種，況且目前蔬菜種子多為國外進口的，都以“粒”為計價單位，成本奇高，這就導致了市場上急需能精確播種的高精度、高效率的小粒種子排種器。本項目研究出的可以精確播種的排種器必將取代傳統的播種機排種器，實現精密精確點播，省去間苗環節，大大提高作業效率，節省成本，植株優勢明顯，肥料等資源利用率高，產量高蔬菜品質好。

參考文獻：

[1]張道生.中國成世界最大“菜籃子”[N]. 北京晨報，2010-04-02.

[2]中華人民共和國國家發展和改革委員會——農村經濟司.全國蔬菜產業發展規劃（2011-2020年） 發改農經〔2012〕49號[Z].2012-01-16.

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