小型蔬菜穴盤精密播種機的設計與試驗

玄冠濤，邵園園，侯加林，王連文，呂釗欽，史春余，劉中正

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.山東農業大學 作物學博士后流動站，山東 泰安 271018；3.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東 博興 256500)

小型蔬菜穴盤精密播種機的設計與試驗

玄冠濤1，2，邵園園1，侯加林1，王連文3，呂釗欽1，史春余2，劉中正1

(1.山東農業大學 機械與電子工程學院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.山東農業大學 作物學博士后流動站，山東 泰安 271018；3.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東 博興 256500)

目前，國內溫室大棚蔬菜穴盤人工播種費時費力、生產效率低，現有機型對蔬菜穴盤播種適應性差，不能滿足中小蔬菜種植戶的輕簡、低成本要求。為此，設計了一種小型蔬菜穴盤精密播種機，整機采用全氣力驅動和氣針播種，能連續實現自動進盤、打穴與單粒播種，通過更換播種針頭的數量和型號，可適應不同形態蔬菜種子及穴盤規格。為提高樣機開發速度和質量，降低生產成本，基于SolidWorks軟件對關鍵部件進行了數字化設計與三維建模，建立了小型蔬菜穴盤精密播種機虛擬樣機，進而自動生成平面二維工程圖進行樣機的生產加工。最后，對番茄等蔬菜種子進行播種試驗，結果表明：小型蔬菜穴盤精密播種機的單粒率水平在91%以上，滿足了蔬菜穴盤精播育苗的要求。

蔬菜；精密播種機；穴盤

0 引言

我國蔬菜種植面積2 000萬hm2，總產量達7億t，是世界最大的蔬菜生產國[1-2]。育苗是蔬菜種植的重要環節，采用穴盤育苗，能保證育苗質量和成活率，便于集中管理，已成為蔬菜栽培的主要育苗方式。但蔬菜種子籽粒小、質量輕、形狀不規則，人工播種費時費力，播種效率很低。與人工播種相比，穴盤育苗精播機效率高、播種質量好、節省種子，有效降低了種植成本，滿足了工廠化育苗需要，有力促進了蔬菜的移栽生產。

與機械播種相比，氣力播種較易實現單粒點播，且不傷種、對種子的適應性強，在穴盤精量播種作業中應用廣泛。國外代表機型(如美國Blackmore、英國Hamilton的針管播種機，澳大利亞Williames及荷蘭Visser等公司生產的滾筒式精密播種機)智能化、自動化水平高，但價格昂貴，適合大規模農場作業[3-5]。國內生產的穴盤育苗精密播種機的代表機型有夏紅梅等設計開發的氣力板式精播機、陳進等研制的氣吸振動滾筒式精密播種機、浙江臺州一鳴機械生產的氣吸針式穴盤育苗精密播種機等[6-8]。目前，國內的蔬菜機械播種技術還比較落后，現有機型仍然以借鑒國外技術為主，存在播種精度低及通用性差等問題，不能滿足我國中小蔬菜種植戶對播種機械的輕簡、低成本要求。

為此，本文設計了一種小型蔬菜穴盤精密播種機，整機采用全氣力驅動，可實現自動進盤、打穴與單粒播種連續工作。該機結構簡單，使用方便，可更換播種針頭的數量和型號，以適應不同形態蔬菜種子及穴盤規格。同時，通過穴盤精密播種機關鍵部件和整機的數字化設計，提高了設計質量和效率，進一步降低了產品生產制造成本。

1 小型蔬菜穴盤精密播種機總體設計

1.1 結構組成與工作原理

小型蔬菜穴盤精密播種機總體結構如圖1所示。該機主要由穴盤進給機構、吸排種裝置、步進裝置、壓穴裝置、擺動機構、控制機構、機架和種盒及振動器等組成，具有自動進盤、打穴及播種等功能，適合于溫室大棚等中小蔬菜種植戶使用。

整機由小型空氣壓縮機提供動力，利用氣動行程開關啟動裝置、氣缸進給機構使穴盤按照要求不斷移動，伸縮氣缸機構帶動壓穴裝置在移動的穴盤上順序壓好指定深度種穴，擺動氣缸機構使播種針頭在種盒和落種槽間擺動；當播種針頭擺動至種盒時，在氣動振動器作用下種盒內種群“沸騰”，播種針頭進行負壓吸種；當播種針頭擺動至落種槽上方時，進行正壓排種，并通過播種管落到穴盤中。各工作部件氣動邏輯關系如圖2所示。

1.穴盤托架 2.穴盤進給機構 3.穴盤 4.步進裝置 5.壓穴裝置 6.擺動機構 7.吸種裝置 8.種盒 9.振動器 10.控制總成 11.機架總成圖1 小型蔬菜穴盤精密播種機結構組成Fig.1 Structure schematic of small vegetable plug tray precison seeder

①打穴 ②吸種 ③進盤 ④排種圖2 工作部件氣動邏輯關系Fig.2 Pneumatic logic relation of working parts

1.2 性能特點

為滿足國內溫室大棚中小蔬菜種植戶的要求，整機設計以小型、輕便為主，采用高強度鋁合金型材進行制造，防腐耐用，搬運省時省力，1人即可完成。整機工作采用氣動元件自動控制完成，操作簡單，易于掌握；工作動力小，僅需1臺小型空氣壓機作動力，主機工作裝置無需另外接電，節能又安全；作業效率高，2～3人操作8h，每天至少育苗可達10萬株以上；配套了多種孔徑的可換播種針頭，適應不同形態蔬菜種子及穴盤規格的精密播種。其主要技術參數如表1所示。

表1 主要技術參數

1.3 數字化設計

根據氣吸針式穴盤育苗精播機的結構、技術參數和工作要求，利用CAD/CAE軟件SolidWorks進行產品的數字化設計，流程如圖3所示。

圖3 小型蔬菜穴盤精密播種機數字化設計流程Fig.3 Digital design of small vegetable plug tray precison seeder

2 關鍵部件設計與建模

建立小型蔬菜穴盤精密播種機的關鍵部件壓穴機構、穴盤進給機構及氣吸針式播種裝置SolidWorks三維模型，進行部件的干涉檢查，優化各部件的結構、尺寸等參數。

2.1 壓穴機構

設計一種氣動壓穴機構三維模型，伸縮氣缸帶動壓穴架和壓穴桿往復運動實現壓穴動作，如圖4所示。通過彈簧、彈簧桿對壓穴機構的緩沖和導向作用，保證了壓穴質量，壓穴架上的落種管孔與播種管滑動配合，提高落種準確度，更換壓穴桿可滿足不同作物的壓穴要求。

1.彈簧桿 2.直線軸承 3.伸縮氣缸 4.彈簧 5.固定架 6.壓穴桿 7.壓穴架圖4 壓穴機構Fig.4 Indenting mechanism

2.2 穴盤進給機構

進行穴盤進給機構的三維建模，進給氣缸帶動與其固連的頂桿進而推動穴盤進給，如圖5所示。頂桿中間段有折彎段，使頂桿兩端呈鈍角，可以避免進給氣缸安裝時傾斜角過大，利于頂桿的推進。其行程由限位開關控制，旋轉調節桿可以調節進給氣缸架的俯仰角。

1.進給氣缸 2.進給氣缸架 3.頂桿 4.限位開關 5.固定架 6.調節桿 7.下托盤圖5 穴盤進給機構Fig.5 Plug tray feed mechanism

2.3 氣吸針式播種裝置

為避免漏播、重播，提高播種精度，設計氣吸針式播種裝置，主要包括播種針頭、播種管、氣動振動器、種盒及擺動氣缸機構等。擺動氣缸帶動擺動桿旋轉，當安裝在集氣管上的播種針頭擺動到振動種盒上方時負壓吸種，擺動到落種槽上方時正壓排種，此時滾珠式氣動振動器停止振動。其三維建模如圖6所示。

1.擺動氣缸 2.連接板 3.擺動桿 4.種盤 5.播種針頭 6.落種槽 7.集氣管 8.集氣管固定塊 9.種盤調節件 10.支撐架 11.橫梁 12.氣動振動器 13.落種管 14.滑套圖6 氣吸針式播種裝置Fig.6 Air sucking needle type seeding device

作為核心結構的播種針頭(見圖7)，采用一體式直通方式，吸嘴設計為有內部階梯孔的錐端結構，保證了系統壓力和節約能耗，提高了吸種精度。通過更換播種針頭的數量和型號，可適應不同形態蔬菜種子及穴盤規格，滿足了中小蔬菜種植戶多品種蔬菜種植要求。

1.固定接頭 2.氣壓孔 3.密封凹槽 4.吸種體 5.錐形孔 6.吸種孔圖7 播種針頭Fig.7 Air sucking needle

3 虛擬樣機裝配與檢驗

完成小型蔬菜穴盤精密播種機主要工作部件SolidWorks三維建模后，再依次進行機架等其它零部件的三維建模，并裝配成小型蔬菜穴盤精密播種機整機，如圖8所示。

圖8 小型蔬菜穴盤精密播種機虛擬樣機Fig.8 Virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder

4 工程圖生成

對小型蔬菜穴盤精密播種機虛擬樣機進行干涉檢查無誤后自動生成二維工程圖(見圖9)，并進行相關零部件的數控加工，最終生產出合格的物理樣機，實現了數字化設計與制造一體化。

圖9 小型蔬菜穴盤精密播種機工程圖Fig.9 2D drawing of small vegetable plug tray precison seeder

5 蔬菜穴盤播種試驗

蔬菜穴盤播種試驗在山東農業大學蔬菜種植基地進行，試驗穴盤規格為128穴/盤，試驗用種為番茄種子，選用孔徑為0.4mm的播種針頭，以80盤/h的速度進行連續播種試驗，并隨機抽取6盤，分別統計只有單粒種子、多粒種子及沒有種子的穴孔數，進而根據式(1)～式(3)計算單粒率、重播率和漏播率。試驗結果如表2所示。

(1)

(2)

(3)

其中，n1為單粒種子穴數；n2為多粒種子穴數；n3為沒有種子穴數；N為穴盤總穴數。

表2 蔬菜穴盤播種試驗

穴盤播種試驗結果表明:小型蔬菜穴盤精密播種機的單粒率水平在91%以上，滿足了蔬菜穴盤精播育苗的要求。

6 結論

1) 小型蔬菜穴盤精密播種機采用全氣力驅動和氣針播種,實現自動進盤、打穴與單粒播種連續工作。該機結構簡單、輕便、易操作，適應不同作物、不同穴盤規格的育苗作業，滿足了溫室大棚等中小蔬菜種植戶的要求。

2) 基于SolidWorks軟件，對小型蔬菜穴盤精密播種機關鍵部件和整機進行數字化設計，提高了設計質量和效率，縮短了產品開發周期，進一步降低了產品生產制造成本。

3) 蔬菜穴盤播種試驗表明：小型蔬菜穴盤精密播種機的單粒率水平在91%以上，滿足了蔬菜穴盤精播育苗的要求。

[1] 陳永生，胡檜，肖體瓊，等. 我國蔬菜生產機械化現狀及發展對策[J]．中國蔬菜，2014(10) ：1-5．

[2] 肖體瓊，何春霞，陳巧敏，等. 基于機械化生產視角的中國蔬菜成本收益分析[J]．農業機械學報，2015，46(5)：75-82．

[3] Gaikwad B B，Sirohi N P S． Design of a low-cost pneumatic seeder for nursery plug trays[J]． Biosystems Engineering，2008，99( 3) : 322-329．

[4] 劉洋，李永強，徐鑫霖，等. 穴盤育苗播種機械及技術發展研究[J]．農業科技與裝備，2014(6)：34-36．

[5] 趙鄭斌，王俊友，劉立晶，等. 穴盤育苗精密播種機的研究現狀分析[J]．農機化研究，2015,37(8)：1-5，25．

[6] 張寧，廖慶喜．我國小粒徑種子播種技術與裝備的應用與研究進展[J]． 中國農機化，2012(1)：93-96．

[7] 夏紅梅，李志偉，牛菊菊. 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，2008，24(1)：141-146．

[8] 陳進，龔智強，李耀明，等.超級稻穴盤育苗精密播種裝置研究[J].農業機械學報，2015，46(1)：73-78.

Design and Test of Small Vegetable Plug Tray Precison Seeder

Xuan Guantao1,2, Shao Yuanyuan1, Hou Jialin1, Wang Lianwen3, Lv Zhaoqin1,Shi Chunyu2, Liu Zhongzheng1

(1.Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University/Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai’an 271018, China; 2.Postdoctoral Station of Crop Science, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 3.Chambroad Chemical Industry Research Institute Co.LTD., Boxing 256500, China)

Greenhouse vegetable tray manual seeding is time-consuming, low production efficiency.The existing seeders are also unfit for different forms of vegetable seeds and plug tray size which can not meet the small vegetable growers of lightweight and low cost requirements in china. In this paper, a small vegetable plug tray precision seeder was designed by using pneumatic drive and needle seeding, which could automatically feed, indent and sow with the single grain with different seeding needles. In order to improve design quality and shorten the product development cycle, The key components of plug tray precison seeder were designed and modeled with the solidworks software. The virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder was established, and the plane 2D engineering drawings were automatically generated, which used for machining the parts and seeder. Finally, the seeding test was conducted and results showed that the single grain rate of the small vegetable plug precision seeding machine was more than 91%, which meet the requirements of the precision seeding.

vegetable; pecison seeder; plug tray

2016-11-27

國家自然科學基金項目(31671632)；山東省自然科學基金項目(BS2015NY012)；山東省重點研發計劃項目(2016GNC112007)；山東省現代農業產業技術體系蔬菜創新團隊項目(SDAIT-02-021-09)；山東農業大學青年科技創新基金項目(2014)

玄冠濤(1979-)，男，山東萊蕪人，講師，博士，(E-mail)xuangt@sina.com。

邵園園(1980-)，女，山東濟寧人，講師，博士，(E-mail)xoyo111@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2018)02-0085-05