扁平茄果類種子導向振動供種裝置設計與試驗

夏紅梅 周士琳 劉園杰 趙楷東 李志偉

(1.華南農業大學工程學院， 廣州 510642； 2.廣東科貿職業學院， 廣州 510640)

0 引言

在蔬菜設施育苗生產中，精量播種有利于節省種子、減輕人工勞動強度、提高生產效率、降低生產成本[1]。氣力滾筒式精量播種機作業速度高，在大型育苗場應用較為廣泛[2]，但主要適于球形種子[3-4]，其播種精度受種子外形和尺寸影響顯著。對于種植規模和產量僅次于葉菜的扁平茄果類蔬菜，采用氣力滾筒播種機進行作業，重播和漏播嚴重，難以實現精量播種[5-6]。為解決扁平類種子高速精量播種問題，國內外學者通過對種子進行丸粒化處理[7-9]、對排種滾筒吸孔進行特殊結構設計[10-11]、采用復雜清種結構[12]對播種參數進行優化設計[13-18]等方式來提高播種精度。種子丸粒化處理成本高，在我國尚難以大量推廣應用[19]。在滾筒上設計凸出吸嘴等結構或采用多路清種結構存在工藝復雜、成本高等問題。

現有氣力滾筒式播種機普遍采用供種箱振動供種方式。扁平類種子流動性差，在種箱振動作用下，會在排種器吸種孔口處呈姿態各異堆積，被吸附的初始位置和姿態難以控制，導致一個吸種孔容易吸附多粒種子。由于一孔吸附多粒種子數量與位姿隨機性強，故難以通過常規清種方法清除[20]。楊文偉[21]為將扁平番茄種子控制在最佳狀態，提出一種氣吹懸浮供種方法，播種效果較好，該裝置需要持續為懸浮供種室提供分布均勻、最佳種層高度的種子。文獻[22-25]研究表明，振動供種板具有很好的勻種效果，可形成均勻連續的種子流。本文在現有振動供種板均勻連續供種理論的基礎上，設計一種帶有Y型導槽的導向振動供種裝置，借助高速攝影技術研究導向供種板上種子的運動規律，并通過試驗驗證該供種裝置的有效性與實用性。

1 導向振動供種裝置原理與結構

導向振動供種裝置結構簡圖如圖1所示，由支撐底座、電磁振動器、振動連接板、導向充種板、種箱、型孔輪和導種管組成。導向充種板上開設有與滾筒上吸孔排數相同數量的Y型導槽，Y型導槽前段為V型區域，后段為直槽區域。如圖1b所示，依據預試驗結果，V型區域兩側夾角過大難以對種子形成有效導向約束，夾角過小會使種堆不能及時散開，造成V型區域和直槽過渡處出現種子堆積，考慮受沿滾筒母線方向吸種孔間距尺寸限制，設計V型區域兩側夾角為40°。為使種子在直槽內不堆疊，形成單層種子流，直槽寬度應為種子直徑的2～3倍，按扁平辣椒種子平均三軸尺寸，設計直槽寬度為8 mm，長度為30 mm。調整振動連接板與導向充種板安裝夾角，可調節導向充種板的振動方向角β。調節支撐底座與水平面夾角，可調節充種板相對水平面的安裝夾角α，以及相對于滾筒的充種位置。通過調整導向充種板的安裝夾角α及其振動方向角β，可使種子在導向充種板上穩定滑動而不產生跳動，并使送到吸種孔中心附近種子的姿態保持一致[26]。

圖1 導向振動供種裝置工作原理圖Fig.1 Working principle diagrams of precision directional vibration seed feeding device1.支撐底座 2.電磁振動器 3.振動連接板 4.導向充種板 5.種箱 6.型孔輪 7.導向管 8.Y型導槽 9.滾筒

播種過程中，通過型孔輪向Y型導槽的V型區域持續定量供種，在電磁振動器作用下，種子在V型區域內壁導向作用下，逐步在后段直槽內形成無堆疊的單層滑動種子流。種子流沿直槽向滾筒各排吸種孔中心勻速滑動，受直槽寬度約束，最先到達吸種孔中心附近的種子數量被控制在2～3粒，且各種子的姿態保持一致，以降低一孔吸附多粒種子概率。

2 種子振動供送運動特性分析

供種裝置采用直線電磁振動器作為振動源，驅動充種板往復振動。俞守新[26]研究結果表明，直線電磁振動器除提供沿電磁激振力方向的線性振動外，還會使充種板繞其板面縱向和橫向擺振。為簡化種子在振動板上的運動分析，現有振動供種理論模型中均只考慮了沿電磁激振力方向的線性振動對供種板運動特性的影響。假設充種板上種子受到的力作用于種子質心，以種子質心為原點建立坐標系。種子在充種板上主要受到重力G、充種板給予的支撐力FN、摩擦力Ff，在種子相對充種板靜止時，按照達朗貝爾原理，種子受到與振動器激振力相同方向的慣性力Fg，種子在導向充種板上受力分析如圖2所示。

圖2 種子在充種板上的受力分析Fig.2 Force analysis of seeds on base plate

種子沿導種板Y軸方向開始滑動瞬間滿足

Gsinα-Fgcosβ±Ff=0

(1)

FN-Fgsinβ-Gcosα=0

(2)

當種子沿Y軸正向滑動時，式(1)中取“-”，當種子沿Y軸反向滑動時，式(1)中取“+”，其中

Ff=FNtanμ

(3)

Fg=ma

(4)

式中μ——種子相對導向充種板面靜滑動摩擦角，(°)

a——充種板運動加速度，mm/s2

m——種子質量

導種板在電磁振動器作用下做間歇運動，滿足

S=Asin(ωt)

(5)

式中S——充種板位移，mm

A——振動器振幅，mm

ω——振動器角頻率，rad/s

則Y向和Z向加速度為

aY=-Aω2sin(ωt)cosβ

(6)

aZ=-Aω2sin(ωt)sinβ

(7)

式(6)、(7)代入式(1)中可得，當種子沿導種板正向滑動時滿足

(8)

正向滑行指數為

(9)

(10)

式中g——重力加速度，mm/s2

種子沿圖1中導向充種板正向滑動起始角為

(11)

反向滑動起始角

(12)

其中反向滑行指數

(13)

振動方向角滿足

(14)

(15)

種子被拋擲瞬間相位角

(16)

其中拋擲指數

(17)

因此，種子不被拋擲的條件為

(18)

為使種子相對導種板有較大正向滑動，達到均勻流動的效果，通常正向滑行指數Dk取值范圍為2～3，反向滑行指數Dq取1。由式(14)、(15)可以確定振動方向角β。式(9)、(10)、(13)表明，在μ、α、β一定條件下，Dk和Dq與振動角頻率ω、振幅A有關，Dk和Dq隨ω、A的增加而增大，當Dk和Dq確定時ω和A也隨之確定。增大ω和A可使種子相對有較好的正面滑動，但過大的ω和A會導致種子相對導種板跳動。

3 振動特性試驗

為使種子能相對導向充種板形成持續穩定的正向滑動，應合理設定電磁振動器的角頻率ω和振幅A。為此，采用振動檢測系統對導向供種板在不同振動強度下的振動特性進行采集分析，借助高速攝像機研究不同振動強度下種子在導向充種板上導槽內的流動特性，為合理確定供種裝置的工作參數范圍提供依據。

3.1 試驗材料與方法

導向振動供種裝置安裝在2BS-6型精密播種試驗臺上，排種器吸孔直徑為0.8 mm，適用于72孔穴盤，如圖3所示。選用天恩自動機械公司的140#直線電磁振動器，其工作電壓為0～220 V。考慮種子尺寸與吸種孔直徑的適應性[27]，選取朝天椒種子作為播種對象，其千粒質量為6.157 g，平均三軸尺寸為4.33 mm×3.40 mm×0.80 mm，泊松比為0.25，與不銹鋼板之間靜摩擦因數為0.59，動摩擦因數為0.53，碰撞恢復系數為0.40。為保證種群初始相對導種板處于穩定靜止狀態，依據摩擦角和預試驗結果取導種板安裝角α為10°，依據式(9)、(10)，為使種子在導向充種板上有較好的正向滑動，取Dk為3，Dq為1，計算取振動方向角β為25°。

圖3 導向振動供送試驗裝置實物圖Fig.3 Guided vibration feeding test device1.便攜式計算機 2.光源 3.高速攝像機 4.振動傳感器 5.穩壓電源 6.恒流適配器

導向充種板振動特性試驗選用海橙科公司的多通道振動檢測系統，由CT1010SLFP型振動傳感器、CT5210型恒流適配器、SE-600-12型穩壓電源及檢測數據分析處理軟件DAQami組成。振動傳感器靈敏度為98.4～100.5 mV/g，頻率范圍為0.5～5 000 Hz。考慮導向充種板結構對稱性，在充種板一側3個Y型導槽的V型區域中心布局振動檢測點，如圖4所示。依據預試驗結果，在36～55 V間調整振動器電壓，采集1 min內各檢測點的三軸加速度。

圖5 不同振動電壓下檢測點沿X、Y、Z方向加速度變化曲線Fig.5 Acceleration curves of detection point along X, Y and Z directions under different vibration voltages

圖4 振動檢測點布局示意圖Fig.4 Schematic of vibration detection point

選取海恩威視MV-CA016-10UC型彩色工業攝像機和沃樂斯WL1408-5MP型鏡頭，對種子在Y型導向槽內運動過程進行拍攝。攝像機傳感器為IMX273，靶面尺寸1/2.9″，像元尺寸為3.45 μm，分辨率為1 440像素×1 080像素，最大幀率為166 f/s，曝光時間范圍為16 μs～10 s。拍攝時保持鏡頭與充種板所在平面平行，拍攝焦距為8 mm。考慮導向充種板結構對稱性，取其一側3個Y型導槽為拍攝范圍。對朝天椒種子進行篩選清除雜余，在1～3號槽體V型區域一次性放置0.3 g辣椒種子，在36～55 V間調整電磁振動器電壓。將拍攝視頻導入速度分析軟件Molysis中，對種子在導槽內沿Y方向流速進行分析。以槽體寬度為標定尺，設置為8 mm，取每個導槽中一顆種子為目標創建質點，沿Y方向向前方搜索目標質點，當目標種子運動至滾筒附近后停止搜索，導出種子運動速度隨時間變化值。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1導向充種板振動特性

以3號槽內振動檢測點采集結果為例，在36、45、55 V振動電壓條件下，檢測點沿X、Y、Z方向的加速度變化曲線如圖5所示。加速度曲線表明，直線電磁振動器的振動頻率為100 Hz，調整振動電壓使振動頻率保持不變。在直線電磁振動器的激勵作用下，導向充種板沿X、Y、Z方向形成正弦規律運動。導向充種板沿X、Y、Z方向的振動幅度隨著電壓的增加而增大。

依據Y型導槽振動加速度采集結果，分析各導槽振幅與振動電壓關系，如圖6所示。隨著振動電壓的增大，各導槽檢測點沿X、Y、Z方向的振動幅值逐漸增強。1號槽內檢測點X方向的振幅范圍為0.05～0.19 μm，Y方向的振幅范圍為0.15～0.56 μm，Z方向的振幅范圍為0.12～0.34 μm。2號槽內檢測點X方向的振幅范圍為0.05～0.15 μm，Y方向的振幅范圍為0.08～0.57 μm，Z方向的振幅范圍為0.21～0.56 μm。3號槽內檢測點X方向的振幅范圍為0.03～0.09 μm，Y方向的振幅范圍為0.12～0.66 μm，Z方向的振幅范圍為0.14～0.57 μm。各導槽內沿X方向的振幅最小，其次為Z方向，沿Y方向振幅最大。沿X方向振幅大，易使種子沿滾筒母線方向運動；沿Y方向振幅大，有利于種子沿導槽形成穩定流動；沿Z方向振幅大，易使種子相對導種板跳動。試驗表明，設計的導向供種板振動特性有利于使種子相對導槽沿Y方向形成穩定流動，實現種子定向供送目標。為使各導槽內沿Y方向種子流動速度均勻一致，應使各導槽沿Y方向的振幅大小相近。圖6表明，當振動電壓為50～55 V，各導槽沿Y軸方向振幅差值較小。

圖6 振動電壓與各導槽檢測點X、Y、Z方向振幅關系曲線Fig.6 Relationship between vibration voltage and X, Y and Z direction amplitude of each guide groove detection point

圖7 Y方向不同振幅下導槽內種子分布狀態Fig.7 Seed distribution in three guide under different vibration amplitudes (Y direction)

3.2.2種子在導向槽內流動特性

通過高速攝像機拍攝振動3 s時各個導槽內種子分布狀態，結果如圖7所示。分析各導槽內種子沿Y方向的平均運動速度與Y方向振幅關系，如圖8所示。在不同振動強度作用下，種群在V型區域內散開，沿Y方向朝滾筒吸孔處擴散流動，在3 s時均已有種子運動到排種器孔口處。隨著Y方向振幅增加，種子沿Y軸方向相對導槽的流速增大，種子相對導槽的擴散和流動性增強。當Y方向振幅小于0.41 μm時，種群流速過慢，種群在V型區域散開后流入V型區域與直槽過渡區域時會出現堆積擁堵現象，只有少量種子流入直槽，導致直槽內種量不足，出現種子斷流情況。當Y方向振幅達到0.45 μm及以上時，種子平均流速隨振幅增加速度明顯加大，各直槽內種子分布趨于連續、均勻，能在直槽內形成單層、定向的種子流。當Y方向振幅大于等于0.54 μm時，直槽內種子流速快，如吸種孔處的種子未被及時吸附走，種子會逐步在吸種孔口堆積，出現充種層過厚的問題，增加一孔吸附多粒的概率。

圖8 Y方向不同振幅下種子運動速度變化曲線Fig.8 Variation curves of seed movement speed under different Y-direction amplitudes

如圖8所示，在相同Y方向振幅條件下，3個導槽內種子平均流速無明顯差異。為使種子能在導槽內形成單層、連續、均勻的供種層，同時使各導槽內的種子流動速度接近一致，依據圖7和圖8的試驗結果，確定Y方向振幅在0.45～0.54 μm之間。

4 供種效果驗證試驗

4.1 試驗裝置與方法

在圖3試驗裝置上安裝由種箱、型孔輪和導種管組成的定量補種機構，構建有導向振動供種試驗裝置，如圖9a所示。在振動連接板上安裝無導向的充種板，以無導向充種板為振動種箱，構建無導向振動供種試驗裝置，如圖9b所示。以第2節所述朝天椒種子作為播種對象，試驗吸種壓力為-7.8 kPa，清種壓力為1.6 kPa，播種生產效率取300、600、900盤/h。圖8表明，振幅取0.45～0.54 μm內，3個導槽內種子平均流速為18.4～21.7 mm/s，在該范圍內變化振幅對種子流量影響并不明顯，為此設定電磁振動器Y方向振幅為0.48 μm。不同生產效率條件下，在有導向振動供種試驗裝置上調整型孔輪驅動電機轉速，使導向充種板內能及時定量補充種子，在直槽內形成持續、均勻的單層種子流。

圖9 供種效果驗證試驗裝置Fig.9 Seeding effect verification test device1.2BS-6型播種試驗臺 2.高速攝像機 3.光源 4.種箱 5.振動連接板 6.電磁振動器 7.導向充種板 8.型孔輪 9.導種管 10.滾筒 11.清種裝置 12.普通充種板

依據精密排種器性能指標(GB/T 6973—2005)、溫室蔬菜穴盤精密播種機技術條件(NY/T 1823—2009)和精密穴播機適用性評價(DGT 007—2019)，對于非球形的蔬菜小粒種子以每穴1～2粒為合格。本試驗以合格率(每穴1～2粒)、空穴率和多粒率(每穴大于2粒)為供種效果評價指標。采用圖9所示兩種供種裝置開展對比試驗，通過高速攝像機拍攝排種器上對應1～3號導種槽的排種器吸孔吸附種子情況，取1 min內連續播種視頻，通過視頻回放統計種子被吸附的合格率、多粒率和空穴率，每組試驗重復5次。

4.2 試驗結果

不同供種方式和播種速度下的播種精度統計結果如表1所示。無導向振動供種方式下，播種合格率在65%～70%范圍，多粒率在35%左右，空穴率為0。采用有導向振動供種方式，播種合格率在95%～99%之間，多粒率在0.5%左右，空穴率為2%～3%。供種方式對播種效果具有極顯著影響(P<0.001)。采用無導向或有導向供種方式，在不同播種生產效率條件下，播種合格率、多粒率和空穴率均無明顯差異(P=0.236)。

表1 供種效果驗證試驗結果Tab.1 Test results of seed feeding effect verification

采用有導向振動供種方式，在不同生產效率條件下，播種合格率均高于95%，空穴率均低于5%。表明設計的導向振動供種裝置能達到連續、少粒、定量、定向供送目標，可顯著提高扁平辣椒種子播種合格率，降低播種多粒率，滿足辣椒育苗精量播種的技術要求。

5 結論

(1)設計了一種針對扁平茄果類種子的導向振動供種裝置。通過分析種子在振動導向充種板上運動特性，確定導向充種板安裝角α為10°、振動方向角β為25°。供種裝置振動試驗結果表明，隨著振動電壓增加，各導槽振動頻率保持在100 Hz，沿X、Y、Z方向振幅逐漸增大，種子相對導槽的擴散和流動性增強；當導向充種板的Y方向振幅在0.45～0.54 μm時，種子能在導槽內形成單層、均勻的定向流動，各導槽間振幅差異最小，能使各導槽內種子流動速度保持較好的一致性。

(2)針對朝天椒種子進行了有導向振動供種與無導向振動供種的播種效果對比試驗，結果表明，兩種供種方式播種效果差異極顯著，在生產效率為300、600、900盤/h的條件下，無導向振動供種方式的播種合格率僅為65%～70%，多粒率高達35%；有導向振動供種方式的播種合格率均達到95%以上，空穴率均低于5%。

(3)受排種器吸種孔尺寸限制，本文僅對扁平辣椒種子導向振動供送效果進行了驗證試驗。后續還將探討導向振動供種裝置對番茄等其他扁平種子的適應性，研究不同播種對象和生產效率條件下，型孔輪的結構及工作參數與導向振動供送效果的關系，以實現導向振動供種裝置持續、穩定、均勻的定向供種目標。