基于籃球投籃命中率的精量播種裝置系統的設計開發

杜珊珊

(河北大學 體育教學部,河北 保定 071002)

0 引言

近年來，我國農業科技的快速發展，誕生了穴盤育苗技術。與傳統育苗技術相比，該技術具有幼苗生長快、產量高、可避免自然惡劣氣候等優點，在各種農作物的種植中廣泛應用。穴盤育苗技術采用人工作業需要非常大的勞動量和成本，故人們研究出各種機械來完成，精量播種裝置就是其中一種。根據精量播種機的發展現狀[1-5]，現今研究出了氣吸振動式播種機、氣吹式精量播種機等[6-9]。播種是農業收獲的關鍵因素之一，且農作物播種是有時間限制的，在較短的時間內將種子播下去才能保證農作物的正常生長，大規模種植要在短時間內進行播種就需要借助機械的實現，精量播種裝置[10-25]是順應需求研究出來，可以減少種子播種時的損傷，保證播種質量。精量播種裝置的性能直接影響到播種質量，也會影響種子后期的出苗和幼苗的成活率。傳統的播種機械為機械式，因為本身特性，對種子的形狀要求嚴格，且傷種率高，種槽的尺寸比較大，播種作業時投入穴盤中的種植數量不易控制，播種的精確度低，且適用種子的種類少，通用性差。本文研究的氣吸滾筒式精量播種裝置，通過振動讓種子動起來，不至于堵塞出口，以氣泵吸取種子控制中的數量，減少播種時的空穴，以滾筒帶動種子并進行排種，保證了種子的出苗率。

基于籃球投籃命中率的農業精量播種裝置系統的設計，通過分析投籃時的力度、角度等因素來提高投籃命中率；精量播種裝置播種的過程其實也是一樣的，都是將東西投進規定的框架中，前提是精量播種裝置的準確度可靠，可確保種子投進穴盤，且多次投播作業存在的空穴率低，不影響播種需要。

氣吸滾筒式精量播種裝置的操作簡單，播種效果穩定，對種子的傷害低，而且可以適應不同類型的種子形狀，通用性強。

1 原理及結構

1.1 原理

基于籃球投籃命中率的農業精量播種裝置系統采用氣吸滾筒式，由機架、電機、輸送帶、覆土機構、播種機構、鋪土機構，以及灑水機構等組成。其中，播種機構最為重要，氣泵是氣吸種子的關鍵設備。氣吸滾筒式精量播種裝置以人工喂盤，輸送帶輸送，自動鋪土、播種、覆土。工作流程為：開啟電源，工作人員將穴盤置于輸送帶上，穴盤被輸送帶帶動，移動到鋪土裝置機構的下方；鋪土機構將營養土撒入穴盤中，營養土的撒播量為事先確定，在運行過程中也可采用鋪土機構中的調節板進行調節，并將多余的營養土去掉；穴盤撒好營養土后繼續前進，移動到前方的光電開關時，光電開關感應到并激活電磁離合器，離合器通電后，帶動播種機構，將種子播入穴盤中。播種工作連續進行，播種機構采用滾筒式，滾筒上安裝有氣吸嘴，氣吸嘴通過電磁閥門與氣泵相連，已放置了種子的播種機構通過振動臺讓種子運動起來，種子在滾筒的帶動下來到排種區，氣泵工作帶動氣吸嘴，通過控制氣泵工作狀態，即氣泵出現負壓和正壓兩種狀態來控制氣吸嘴吸種和放種，完成播種；輸送帶將播好種的穴盤帶至灑水機構下方灑水，再至覆土機構，覆蓋表層營養土，用刮土板刮平多余營養土，由工作人員將穴盤取下來，即完成整個精量播種過程。

氣吸嘴共安裝了兩排，每排氣吸嘴的數量應與穴盤上每行的數量一樣，氣吸嘴的排列方式應與穴盤上的穴孔排列方式相同，并根據需要調整，以適應各種排列方式的穴盤播種。精量播種裝置的控制開關采用光電開關，控制比較精確，在穴盤被輸送過程中可以準確地輸送至指定位置，不然定位不準會導致播種機構將種子和鋪土機構將土撒播到穴盤外面，播種作業失敗。需要強調的是定位誤差是可累積的，前期可能播種準確，誤差一點點累積到后期播種失敗。

1.2 總體結構

精量播種裝置的整體結構如圖1所示。

1.電機 2.機架 3.輸送帶 4.皮帶 5.鋪土機構 6.曬水機構 7.播種機構 8.覆土機構圖1 精量播種裝置整體結構Fig.1 Precision seeding device overall structure

1.3 工作流程圖

以下精量播種裝置工作流程圖為鋪土完成后的流程，鋪土由鋪土機構完成，穴盤輸送至播種機構后播種。播種機構的組成如圖2所示。

1.覆土機構 2.營養土 3.電機 4.導種板 5.種子 6.振動器 7.反傾斜平板 8.氣泵 9.滾筒 10.穴盤圖2 播種覆土過程Fig.2 The arrangement of blade seats

2 關鍵部件設計

2.1振動臺

振動臺的作用是讓種子處于運動狀態，因為吸種時吸取的范圍比較小，在排種區的種子就會出現一個種子凹槽。如凹槽過深氣吸嘴在當前的氣壓下吸種就會出現壓力，為改善這種現象，振動臺按照一定規律運動使得種子運動起來自動補充了凹槽，使吸種過程順利。

振動臺采用類似揚聲器原理的電磁振動，通過通電導體在磁場中，受到電磁磁場力的影響而振動。振動臺由電磁線圈、銜鐵、種子盤和彈簧構成，如圖3所示。工作時，將纏繞在銜鐵的電磁線圈通電后，產生電磁場，再由銜鐵移動，在磁場磁力的作用下壓縮彈簧；改變通電電流，改變磁場，彈簧在反作用力的驅使下恢復原狀，銜鐵重復移動，產生重復性往復運動即振動。通過控制電流可達到振動效果，銜鐵的移動可以控制磁場的強弱以控制振動的幅度，振動幅度過大會將種子振出種子盤，而振幅太小則達不到期望的效果。

1.種子盤 2.彈簧 3.銜鐵 4.電磁線圈圖3 振動臺結構Fig.3 ShakingTable structure

2.2 滾筒

滾筒結構的設計會直接影響吸種和排種的效果。滾筒裝置由滾筒體、固定輪、導體架、氣吸嘴及密封圈等組成。滾筒上的氣吸嘴在氣泵負壓的狀態下吸種，滾筒轉動至播種區，氣泵改變氣壓狀態為正壓將種子釋放。

2.3 氣泵裝置

氣泵采用旋渦氣泵，在播種裝置上接管，并安裝控制閥門、氣壓表及真空表等附件，通過改變氣閥使得滾筒內出現正壓狀態；在正壓狀態下，滾筒上的氣吸嘴進行放種和吸種作業。氣泵工作原理如圖4所示。

2.4 其他裝置

精量播種裝置上的其他裝置，如加種箱、輸送帶、光電開關等都會影響到播種效果。加種箱加入一定量的種子后，采用振動使得種子順利落下，且種子的出口設計為漏斗型，使得種子可以沿加種箱的墻壁自動填滿下料口，并以振動防止種子堵塞下料口。輸送帶的作用是將穴盤移動到播種、鋪土和覆土裝置的位置。輸送帶控制以光電開關控制，準確度高，播種精確度高。

1.閥門 2.氣壓表 3.播種機構 4.真空表 5.氣泵圖4 氣泵工作原理Fig.4 Air pump working principle

3 影響因素

3.1 振動參數

在精量播種裝置中，振動參數如振動幅度、振動頻率都會影響種子的運動狀態。當種子處于運動狀態時，種子之間的接觸減少，相互影響比較小，在這種狀態下的種子易被氣吸嘴吸取。而且，振幅和頻率還會影響種子運動的穩定性，幅度或頻率過大，造成種子飛濺，影響吸種效果，種子的損耗比較大，對種子造成損傷，影響種子的出苗率；而幅度或頻率過小，則達不到改善吸種效果的目的，故選擇合適的振動參數是保障吸種效果的關鍵。

3.2 滾筒轉速

氣吸滾筒的轉速對氣吸嘴的吸種效果有比較大的影響：當滾筒轉速比較快時，滾筒就會擁有比較大的離心力；如果滾筒的氣壓不足或是種子吸取的狀態不太好，容易造成種子被甩出，氣吸嘴上種子被甩掉，播種會出現空穴，進而影響播種效果。

3.3 滾筒內氣壓

滾筒中的氣壓通過氣泵控制，有負壓和正壓兩種形態，正壓狀態是氣吸嘴放種需要的，這時壓力大小對放種的影響不大。負壓狀態是氣吸嘴吸種時需要的狀態，滾筒中的負壓力高低不同時，氣吸嘴吸附種子的吸附力也不同，負壓越大，吸附力也越大，負壓越小，吸附力越小。根據種植的大小和質量分別確定負壓大小，即保證吸種時的吸附力足夠，滿足吸種需要的效果，不至于負壓太大造成不必要的浪費。

3.4 吸種孔的直徑和形狀

在外部約束條件相同的情況下，不同吸種孔的直徑和形狀、吸種孔中的氣流速度也是不一樣，針對不同的種子，選擇合適的吸種孔的直徑和形狀，可以達到更好的吸種效果。

4 精量播種裝置的播種效果試驗

本文以水稻種子為試驗對象測試精量播種裝置，通常水稻缽體穴盤幼苗為1～2粒水稻種子。以空穴率、重播率、合格率為性能指標，合格率即單粒率，穴盤中種子超過1粒即重播。

影響精量播種裝置工作的因素很多，本文以精量播種裝置的吸種孔直徑、滾筒內的負壓、振動頻率這3個影響力比較大的因素為試驗對象，以正交表處理試驗數據，通過精量播種裝置的播種性能試驗，分析試驗結果，確定播種裝置性能因素的最優組合，如表1～表3所示。

表1 試驗因素水平值Table 1 Test factor level value

表2 正交試驗結果Table 2 Orthogonal test results

對試驗數據進行方差分析，結果表明：影響精量播種裝置合格率的因素順序為滾筒的負壓>吸種孔直徑>振動頻率，即滾筒的負壓對合格率的影響最大。從方差分析結果看，滾筒的負壓、吸種孔直徑影響較顯著，振動頻率比較顯著。最佳組合為A3B3C1,即吸種孔直徑為1.3mm、振動頻率為35r/min、滾筒負壓為0.016MPa時，該精量播種裝置效果最好。

表3 方差分析結果Table 3 Test factor level value

對于不同種子可通過試驗確定最佳組合，因為種子的品種不同，種子的大小、質量不同，滾筒的負壓、吸種孔直徑和振動頻率適應值也會不一樣，可通過調整參數得到最佳參數，保證播種效果。

5 結論

1) 對于精量播種裝置在播種時遇到的空穴、重播等問題，設計了氣吸滾筒式精量播種裝置。該播種裝置由滾筒、氣吸泵、落種機構及覆土裝置等機構組成，利用振動將種子和雜物分開，通過滾筒氣室負壓將種子吸至排種裝置上，利用排種板的傾斜度排種，將種子輸送至穴盤中，完成播種作業。

2) 基于籃球投籃命中率的原理，借鑒籃球投籃的研究，分析了影響播種效果的因素，如吸種孔直徑、氣室負壓、振動頻率，并通過試驗確定影響因素的最佳組合參數，保證精量播種裝置投播的種子可以準確進入穴盤中。

3) 隨著我國農業科技的快速發展，大規模種植的開展，育苗實現工廠化的關鍵技術之一穴盤育苗播種機械的研究是重點，精量播種裝置的應用對農業育苗的規模化及現代化具有重大影響。