雙系統中小粒林木種子精量播種機的設計

李芝茹，苗振坤*，魏明，吳立國，畢宏偉，李艷娜，何山，南方

(1.國家林業和草原局 哈爾濱林業機械研究所,哈爾濱 150086；2.黑龍江省七臺河市勃利縣林業和草原局,黑龍江 七臺河 154500)

0 引言

近年來，工廠化育苗技術迅速發展，推動了苗木培育產業結構的調整和升級，加快了農林行業發展的現代化進程[1-2]。據第九次全國森林資源清查結果顯示：我國的人工林面積為8 003.1萬hm2，人工林規模居世界首位[3]。在保證木材生產和充分發揮森林生態功能的建設目標下，我國在發展各類人工林方面成績斐然，這些與林木工廠化育苗的技術支撐密切相關。精量穴盤播種作為林木工廠化容器育苗技術的關鍵環節，已逐步代替了傳統的手工播種，通過負壓吸種、正壓投種的氣吸式精量播種機，更適宜播種形狀不規則、球度低的種子；趙清來等[4]對油莎豆精量播種機的排種機構進行了研究和設計，采用氣吸式排種配合圓形排種盤進行播種試驗，漏播率小于等于4.2 %。盧宇等[5]著重分析勺輪鴨嘴式精量排種器等關鍵部件，設計了“雙U”形棉花精量播種機，播種空穴率1.6 %。李曉冉等[6]研發了適用于溫室大棚等狹窄空間的蔬菜精量播種機，同樣采用的是負壓吸種、正壓排種的方式進行播種，漏播率小于等于5 %。其他針對蔬菜[7]、煙草[8]、藥材[9]等不同播種對象的精量播種研究都取得了一定的成果。

不同于蔬菜、糧食育苗，林木工廠化容器育苗具有出苗慢、育苗周期長的特點，林木種子采種困難、大多種殼脆硬、形狀不規則和球度低[10-12]，傳統的供種方式較難保證播種合格率，如何建立更完善的吸附取種系統以保證播種精度、節約良種，有針對性地選擇適宜的育苗穴盤以降低育苗成本亟待研究[13-14]。目前對中小粒林木種子精量播種的試驗數據較為缺乏，本研究設計了一款適用于常規硬質育苗穴盤和紙質折疊蜂窩穴盤的精量播種機，采用氣吹-振動組合式供種解決了振動不連續的問題，提高了取種吸附成功率并有效降低重播率及空穴率，增設種子自動填裝裝置以實現自動、及時、精準地向供種系統填裝種子[15]。該設備功能完善、適用性強，能有效節約良種、提高育苗經濟效益，為中小粒林木容器育苗技術的發展提供數據參考。

1 總體結構與工作原理

1.1 整機結構及參數

應用SolidWorks軟件設計建模，避免機構運行干涉并進行相關驗算，設計林木中小粒種子精量穴盤播種機如圖1所示。主要由氣動系統、電控系統、穴盤、播種機構、供種機構、壓穴機構和穴盤輸送機構等組成。其特點是供種機構采用氣吹-振動組合式供種方式，供種機構內的種子在氣吹、振動雙重作用下，種子間相互分離，達到準流體狀態，減小取種阻力，提高取種精度。為提高設備通用性，設計使其既可匹配常規硬質穴盤，又可匹配折疊蜂窩穴盤。

1.氣動系統 pneumatic system 2.電控系統 electronic control system 3.穴盤 tray 4.播種機構 sowing device 5.供種機構 seed provide device 6.壓穴機構 punching device 7.穴盤輸送機構 trays conveying device

該播種機在保證功能和性能前提下，結構緊湊，其主要技術參數見表1。

表1 播種機主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of the seeder

1.2 工作原理

工作時，供種裝置內種子在氣吹-振動組合式供種裝置作用下，達到“沸騰”的運動狀態，將裝有育苗基質的育苗穴盤置于穴盤輸送機構上，當穴盤到達指定位置后，觸發光電傳感器，然后壓穴機構開始對基質進行逐行壓穴，此時取種機構進行負壓取種，通過改變取種機構內部氣壓，完成正壓投種，之后進入下一個播種周期。

2 種群空間形態模型的建立與關鍵部件設計

對樟子松種子進行精量播種時，種子經外力作用達到準流體狀態，其中種子與種子之間、種子與供種機構之間都存在力的作用，這些力的作用影響吸種成功率。由于流場中氣流的方向、速率等機械作用與種子的極限載荷、彈性模量等力學特性顯著相關[16]，因振動造成的吸種孔附近流場改變對吸種過程有直接影響[17]。因此以樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為例，探究其靜力學特性和空氣動力學特性，建立種群空間形態模型，據此進行播種機關鍵部件的設計。

2.1 種子靜力學特性分析

本研究用樟子松種子純凈度為98.1 %，千粒質量7.12～7.37 g，含水率11.76 %，密度0.72 g/m3，其幾何特征如圖2所示，隨機抽取100粒種子測量結果表明其長(l)、寬(t)、厚(d)三軸尺寸均服從正態分布，如圖3所示。

圖2 樟子松種子三維坐標與幾何特征Fig.2 The three-dimensional coordinate system for the seeds of Pinus sylvestris var. mongholica

圖3 種子的三軸尺寸分布Fig.3 Triaxial dimension size distribution of seeds

分別將種子平放、側放、立放，在這3種典型擠壓方式下，應用微機電子萬能試驗機(最大試驗力100 N，力分辨率0.1 N，位移分辨率0.01 mm)對其進行壓縮試驗并得出數據見表2。

應用壓痕法[18]研究種子的靜力學特性，再根據Kick定律相關公式及反相分析運算法則得到樟子松種子的相關力學特性值，見表3[19-20]。

表2 樟子松種子壓縮試驗數據Tab.2 The compression test data of Pinus sylvestris var. mongholica seeds

表3 樟子松種子力學特性Tab.3 The mechanical characteristics of Pinus sylvestris var. mongholica seeds

2.2 建立種群空間形態模型

根據相應公式[21]，計算得出樟子松種子的懸浮速度范圍是5.3～6.5 m/s，。由此運用EDEM軟件(最專業的顆粒系統仿真軟件)，建立振動時樟子松種子的種群空間形態模型。EDEM軟件是世界上第一個用現代化離散元模型科技設計的用來模擬和分析顆粒處理和生產操作的通用CAE軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協助設計人員對各類散料處理設備進行設計、測試和優化。

2.2.1 顆粒接觸模型

在EDEM中，常用的顆粒接觸模型主要有無滑動接觸模型、黏附接觸模型、運動表層接觸模型、線彈性接觸模型及線型黏附接觸模型等[22-24]。本設計選取EDEM中常規的Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，研究精量播種過程中，樟子松種子與種子之間及種子與供種機構之間的接觸情況。

2.2.2 建立顆粒模型和振動狀態下空間形態模型

根據樟子松種子三軸尺寸可將其簡化為橢球體，應用EDEM建立樟子松種子顆粒模型，如圖4所示，模擬種盤在Z軸方向上做小振幅高頻率簡諧振動，種盤激振使種子群“沸騰”起來，其空間形態模型如圖5所示，通過不斷嘗試不同振幅和頻率組合，動態觀察和探究不同振動參數下種子的運動狀態，最終確定當頻率為20 Hz、振幅為5 mm時，樟子松種子的種群空間分布最為均勻，此時進行吸種的吸取效果最佳。

圖4 樟子松種子模型Fig.4 Model of Pinus sylvestris var. mongholica seeds

圖5 振動狀態下種子空間形態Fig.5 Spatial morphology of seed in vibration condition

2.3 供種機構的設計

2.3.1 氣吹供種試驗

通過對種子種群空間形態模型的建立和分析，為保證對振動狀態下種子的有效吸附，基于氣吹供種原理，設計時改變傳統的大容積氣室，用隔板將矩形氣室分隔成一定數量等容積的獨立小氣室，如圖6所示。在氣吹供種試驗時，發現自然堆落的種子在氣流的作用下，會在一定范圍內跳動。種子層數為一層時，種群的空間形態分布均勻能夠滿足吸附取種需求。當增加種子層數后，為保證有效吸附需增大供種氣流流速，種子間的碰撞次數會明顯增加，種子的運動范圍增大，空間分布過于疏散，不利于吸附取種。雖然氣吹供種能夠使種子相互分離，但是隨著種子的逐漸減少，所需供種氣流流速會逐漸降低，若不及時調整氣流流速，將難以實現取種系統有效取種，因此需設計氣吹基礎上的種子流化裝置。

圖6 播種機供種氣室Fig 6 The air chamber for seed supply of precision seeder

2.3.2 供種機構的設計

振動供種方式對種子的形狀有一定的要求，且振動力不連續難以保證取種精度。針對氣吹供種量與供種氣流流速無法精準匹配的問題，設計了氣吹-振動組合式中小粒林木種子流化裝置，如圖7所示，以滿足對非丸粒化(球度低)且尺寸小、外形不規整、流動性差種子的播種需求，保證排種器在取種瞬間，種子處于相對穩定的空間位置。該設計基于氣吹供種基礎，采用振動種盤的方法使種子近似處于一種理想的“沸騰”狀態，再通過供種裝置的氣流作用，使種子顆粒群有效分離。以自然堆疊10層為例，沸騰狀態種子受氣流作用與自身重力平衡，根據種子懸浮速度范圍5.3～6.5 m/s，結合千粒質量7.12～7.37 g，流化裝置圓形氣孔直徑1 mm，通過換算可知將種子懸浮所需氣壓約為0.24 kPa，這樣在吸附取種過程中，因為氣流的連續作用，使種子能相對穩定地處于有效吸種位置以保證吸附取種時間，以提高吸附成功率。

圖7 氣吹-振動組合式種子流化裝置簡圖Fig.7 Simple diagram of blowing-vibration combined seed fluidizing device

該氣吹-振動組合式供種流化裝置實物圖如圖8所示，工作原理為：Y形五通氣動快速接頭進氣口進入的氣源通過導流板的導流作用，氣體從導流孔流出且流速有一定的差異，此時氣流會推動導流風扇旋轉，氣流不斷地從導流口流出再加上導流風扇的旋轉作用，進而保證出氣板上每個出氣孔的氣流流速無明顯差異，通過調節Y形五通氣動快速接頭進氣口氣流流速，可實現對出氣板中出氣孔的氣流流速的控制；通過調節直立氣動快速接頭進氣口氣流流速，可實現對氣動振動器激振參數的控制。通過調節2處進氣口氣流流速來達到種子流化的目的。

圖8 氣吹-振動組合式供種裝置Fig.8 The blowing-vibration combined seed fluidizing device

2.4 取投種裝置的設計

根據設計要求，為實現對硬質育苗穴盤和軟質可折疊蜂窩的播種需求，有針對性地設計投種裝置，如圖9所示。通過氣動換向閥轉換取投種系統所需的正負壓，其中吸種負壓由真空發生器提供，如圖10所示，其原理是真空發生器噴射的壓縮空氣產生的卷吸流動使吸附腔氣壓低于標準大氣壓，由此完成對種子的吸取；投種正壓由空氣壓縮機提供，將吸取的種子投放入對應的管道里完成播種，并增設調壓閥對正負氣壓值進行調節以適應對不同種子的吸取和投放。

(a)

圖10 真空發生器Fig.10 Vacuum generator

2.5 吸種針的選取

為提高播種機通用性，本設計采用成本低、易更換的點膠針頭完成對樟子松種子的吸取和投放，如圖11所示，針對不同吸種孔直徑(D)、吸種負壓值(P)進行2因素3水平全因子取種試驗[25]，其中吸種孔直徑(D)分別取D1：0.5 mm、D2：0.7 mm、D3：0.9 mm，吸種負壓值(P)分別取P1：6.7 kPa、P2：7.7 kPa、P3：8.7 kPa，共32即9個試驗參數組合，每個參數組合重復試驗3次考察取種成功率。通過反復試驗得出：當吸種孔直徑為0.9 mm、吸種負壓值為6.7 kPa時，對樟子松種子的取種成功率最大。因此確定該精量播種的吸種負壓6.7 kPa，投種正壓0.5 kPa，配合吸種嘴孔徑0.9 mm。本試驗選擇KUHNAST型18 G點膠卡口針頭，內徑0.9 mm，外徑1.2 mm，管長13 mm，可通過選擇不同規格點膠針頭以適應不同尺寸林木種子。

圖11 吸種點膠針頭Fig.11 Dispensing needles for seeds suck

2.6 種子自動裝填裝置

在供種裝置上方設計種子自動填裝裝置，如圖12所示，以保證供種裝置內的種子數量維持在固定的范圍。其中，種子自動裝填裝置包括種箱、投種口、出種口、出種口大小調節板、導流板和直線振動器等，該振動式種子自動裝填裝置通過控制器控制直線振動器的振動參數，能夠控制種子的填裝速度，進而實現自動、及時、精準地向供種系統填裝種子；能夠有效降低在固定氣流流速下的重播率及漏播率，使供種系統內種子群保持性相穩定的“沸騰”狀態。

圖12 種子自動裝填裝置Fig.12 The automatic filling device of seeds

3 精量播種設備總成與試驗

3.1 精量播種設備總成

為提高設備通用性，提高育苗經濟效益，設計該精量播種機，如圖13所示，可適用于規格符合樟子松容器育苗技術規程[26]的常規育苗穴盤(540 mm×300 mm×70 mm)和紙質蜂窩穴盤(540 mm×440 mm×85 mm)，如圖14所示，通過人工切換控制系統和更換取投種裝置、壓穴機構來實現穴盤轉換，如圖15所示。

圖13 雙系統精量穴盤播種機Fig.13 Dual system precision tray seeder

(a)硬質育苗穴盤(32穴)

(b)紙質蜂窩育苗穴盤(88穴)

圖15 精量穴盤播種機控制系統Fig.15 Control system of precision tray seeder

3.2 樟子松精量播種試驗

3.2.1 試驗目的及材料

為驗證本設計中的精量穴盤播種機穴播速度、空穴率和苗盤匹配性等情況，選用大興安嶺加格達奇地區樟子松種子進行播種試驗。試驗用基質為泥炭、蛭石、珍珠巖按3∶1∶1的比例配制而成，播種穴盤選用32穴常規聚乙烯穴盤和88穴紙質蜂窩穴盤，如圖15所示。空氣壓縮機為科麥斯KOMAX120L型；依據《單粒(精密)播種機試驗方法》[27]要求對樣機進行播種試驗，試驗分常規穴盤組和紙質穴盤組分別進行，每組試驗累計播種3 h。

3.2.2 試驗步驟

首先將備好的苗盤置于播種機輸送帶，取適量(種子自然堆疊10層以上)種子倒入填裝裝置，檢查穴盤放置情況，將播種機通電，空氣壓縮機給壓，按下啟動按鈕進行播種試驗，播種過程中需人工補充穴盤。調整穴盤輸送機構運行速度，找出適合樟子松種子精量播種的最優技術參數。

3.2.3 試驗結果與分析

通過播種試驗可知，除了吸種孔經、吸種正、負壓外，供種機構的振動參數、苗盤輸送機構的運行速度與播種成功率密切相關，運行速度過慢有悖于精準、高效播種的設計初衷，運行速度過快則取投種正負壓轉換過于頻繁，吸種孔吸附不穩定，易出現無效投種造成空穴率升高。經過反復試驗，當種盤振動頻率為20 Hz，振幅為5 mm，穴盤輸送速度為0.045 m/s時，其空穴率最低，為1.74 %，重播率0.26 %，播種合格率98 %，穴播速度可達到300盤/h。可通過更換吸種嘴實現對其他種子的精量播種。試驗中由于穴盤擺放不及時、穴盤刮到播種機邊緣導致傳感器拾取不到信號、壓縮機氣壓供應不足等原因，試驗中止次數較多。如何在保證播種精基礎上，提高播種機適用性、延長設備連續作業時間，仍需進一步深入研究和探索。

4 結束語

文章以樟子松種子為例，應用壓痕法、反相分析運算法則、EDEM中的Hertz-Mindlin模型等方法，探究其空氣動力學特性、建立種子的種群空間形態模型和顆粒接觸模型，據此應用SolidWorks進行播種機關鍵部件的設計。設計的精量播種設備適用于種殼脆硬、形狀不規則、球度低的林木中小粒種子。供種系統采用氣吹-振動組合式種子流化裝置供種，提高了吸種精度，經試驗穴播速度可達到300盤/h，空穴率1.74 %，重播率0.26 %，播種合格率98 %。通用性強，可匹配常規穴盤和紙質蜂窩穴盤，能有效節約良種、提高育苗經濟效益，為中小粒林木容器育苗技術的發展提供設備支持和數據參考。但目前設備的連續作業時間不長，如何在保證播種精基礎上，進一步提高播種機適用性、延長整機連續作業時間，提高與大型機械化基質裝填、覆土、噴淋等作業的匹配度，仍需進一步深入研究和探索。