小粒不規則種子吸附特性試驗研究

摘要：針對不規則小粒徑種子精選、精播要求，選取大葉木耳菜、小麥和黃瓜三類不同形狀的種子為試驗對象，對氣吸式排種器進行試驗研究，分析吸嘴的形狀、種子重量、吸嘴直徑、孔徑比、吸附壓力和吸嘴轉速對最大壓力、極限壓力、吸空率、單粒吸附率和復粒吸附率的影響。結果表明：建立的最大壓力線性回歸方程可以較好地估測不同吸嘴直徑和吸嘴轉速下所需要的最大壓力；建立的極限壓力線性回歸方程對大葉木耳菜和小麥種子的估測較好，無法對黃瓜種子進行估測；重量對三類種子的單粒吸附率影響都較小，總體上可以忽略；吸附壓力對大葉木耳菜和小麥種子的單粒吸附率影響較大、對黃瓜種子影響較小；吸嘴直徑對三類種子的單粒吸附率影響都較大；吸嘴轉速對小麥種子的單粒吸附率影響較大、對大葉木耳菜和黃瓜種子影響較小。確定三類種子最優單粒吸附率參數為：大葉木耳菜種子在吸附壓力為15 kPa，吸嘴直徑為2.0 mm，吸嘴轉速為16.875 r/min時，最大單粒吸附率為99.17%；小麥種子在吸附壓力為15 kPa，吸嘴直徑為2.0 mm，吸嘴轉速為16.875 r/min時，最大單粒吸附率為98.33%；黃瓜種子在吸附壓力為15 kPa，吸嘴直徑為1.0 mm，吸嘴轉速為20.625 r/min時，最大單粒吸附率為95%。

關鍵詞：種子；不規則；精選；精播；氣吸式；單粒吸附率

中圖分類號：S-3" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0025?08

Experimental study on adsorption characteristics of small irregular seeds

Xu Yunjie1， 2， Wang Jinkai1， Sheng Haowei1， Hu Fei1， Qi Hengnian1

（1. School of Engineering， Huzhou Normal University， Huzhou， 313000， China;

2. Huzhou Mechanical Engineering Society， Huzhou， 313000， China）

Abstract： Aiming at the requirements of irregular small diameter seeds selection and fine sowing， three kinds of seeds with different shapes of malabar spinach， wheat and cucumber were selected as test objects to conduct experimental research on the air suction seed extractor. The influences of nozzle shape， seed weight， nozzle diameter， aperture ratio， adsorption pressure and nozzle speed on maximum pressure， ultimate pressure， zero particle adsorption rate， single particle adsorption rate and multiple particle adsorption rate were analyzed. The experimental results showed that the established linear regression equation of maximum pressure could better estimate the maximum pressure under different nozzle diameters and rotating speeds. The established linear regression equation of ultimate pressure could better estimate the seeds of malabar spinach and wheat， but could not estimate the seeds of cucumber. Weight had little effect on the single particle adsorption rate of three kinds of seeds， which could be ignored in general. The adsorption pressure had a greater effect on the single particle adsorption rate of malabar spinach and wheat seeds， but had a lesser effect on cucumber seeds. The diameter of the nozzle had a great effect on the single particle adsorption rate of the three kinds of seeds. The rotation speed of the nozzle had a greater effect on the single particle adsorption rate of wheat seeds， but had a lesser effect on malabar spinach and cucumber seeds. The optimal single particle adsorption rate parameters of the three types of seeds were determined as follows： the maximum single particle adsorption rate of malabar spinach seed was 99.17% when the adsorption pressure was 15 kPa， the diameter of the suction nozzle was 2.0 mm and the rotation speed of the suction nozzle was 16.875 r/min. The maximum single particle adsorption rate of wheat seed was 98.33% when the adsorption pressure was 15 kPa， the diameter of the nozzle was 2.0 mm and the rotation speed of the nozzle was 16.875 r/min. The maximum single particle adsorption rate of cucumber seed was 95% when the adsorption pressure was 15 kPa， the diameter of the nozzle was 1.0 mm and the rotation speed of the nozzle was 20.625 r/min.

Keywords： seed; irregularity; selection; precise sowing; air suction; single particle adsorption rate

0 引言

在我國，小粒徑種子農作物種植有著重要地位。小粒徑種子播種目前主要有4種操作，分別為撒播、穴播、條播、精播[1]。精播要求在規定的行距與株距下每穴有且只有一顆種子[2]，然而在播種時會出現空吸和復吸的情況。因此，如果能夠盡量減少空吸和復吸，就能打開精密播種的前景[3]。

在農業信息化的過程中，無論是播種機還是分選機，其最為核心的機械部件就是該器械的排種器[4]。從實際工作和試驗研究分析發現，改善播種機的工作性能主要是從排種器的改進和研發入手。國內外排種器類型主要集中在機械式和氣力式上[5， 6]。機械式排種器主要以指甲式、窩眼式、槽輪式和離心式等為主；機械式排種器主要依靠種子自身重力和推種器等強制方式進行排種，其優點是結構簡單、操作容易，缺點是播種效率不穩定、播種精度偏低[7， 8]。氣力式排種器主要包括氣吸式[9]、氣吹式[10]和氣壓式[11]，氣力式排種器通過選定型孔、轉速和吸氣壓力來達到最好的吸種效果且適合小粒徑種子，其優點是播種精度高、穩定性好、種子損傷率小，缺點是結構較為復雜、技術難度高。

國內外學者圍繞氣吸式排種器的吸附試驗有較多的研究[12]，主要集中在理論分析、建模仿真、試驗研究三個方面。（1）理論分析方面，主要是以某一類種子為對象構建排種數學模型，指導吸附參數的選擇。Guarella等[13]以蔬菜種子為研究對象，建立了蔬菜種子氣吸式排種器的數學模型，并利用該模型考察了蔬菜種子對排種性能的影響。夏紅梅等[14]對氣力滾筒式穴盤播種機按單剛體系統對種子的吸排種過程建立動力學模型，得出了增大氣流量、提高種子與滾筒間的摩擦系數、減少種子與吸孔的距離可大大提高吸附效果的結論。（2）建模仿真方面，通過“假設”研究計算機模型，以更好地了解實際系統。廖慶喜等[15]建立了以風機轉速、排種軸轉速及正壓泄氣孔大小為變量的整數規劃模型來研究氣力排種系統工作參數及排種性能對油菜直播機作業性能的直接影響。孫裕晶等[16]用離散元設計分析方法，建立了排種器部件和種子群聯合模型，對大豆精密排種過程進行了動態仿真分析。Li等[17]研究真空度與油菜籽正負壓精密計量裝置參數的關系，對抽吸過程進行了動態分析，建立了數學模型。（3）試驗研究方面，采用最多的是以某一類特定的種子為對象通過試驗獲取最優參數。劉佳等[10]通過試驗研究獲得了氣吹式精密排種器播種玉米適宜的吹氣壓力范圍；李娜等[18]對氣吸式谷子精量排種器性能進行正交試驗研究獲得了較優組合；Singh等[19]研究不同作物孔徑和型孔類型進行氣吸性能試驗。

氣吸式排種器要實現每穴一顆種子的精選、精播要求，就要降低吸空率和復吸率。前期利用自制試驗裝置研究了水稻種子的氣吸式吸附試驗，研究結果表明，種子形狀對種子的吸附特性影響較大[20]。不同類別形狀的種子所需要的吸附力F不同，F過大會造成多粒吸附以及破壞種子的活力，F太小容易吸空及中間掉落，因此有必要研究F的界限。決定種子F界限的因素有吸嘴直徑d（mm）、吸附壓力p（kPa）、吸嘴轉速v（r/min）、種子重量w（mg）和種子形狀等。本研究通過小粒不規則種子吸附試驗研究影響吸附特性的各因素之間的相關關系，確定最優吸附參數，為實現氣吸式排種器精播提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗裝置

種子吸附試驗裝置試驗臺主要包括：種子吸附裝置，57高速閉環步進電機及HBS57驅動器，奧突斯無油空壓機，領控三菱控制器，氣路管道，控制柜和機架。

吸附裝置的工作流程為：將待吸附的種子放到吸附裝置料箱內，通過氣吸式吸附裝置逐粒吸取種子，最后種子落至料箱內，模擬播種場景。觸摸屏上顯示對應的吸附種子數，若吸空則顯示0，單粒吸附則顯示1，復吸則顯示2，通過改變d，p，v，記錄每個狀態下的吸附情況。隨后用U盤將觸摸屏上的所有數據復制到計算機上，進行數據處理和分析，得到各不規則小粒徑種子最優的吸附條件。

吸附裝置的作用是逐粒吸附種子，結構如圖1所示，種子吸附裝置由滑環定子、滑環轉子、料箱、吸管、吸嘴等組成。整個過程由充種、運種、投種三部分組成，以此循環。

1.2 試驗過程

種子吸附試驗的過程如圖2所示，Ⅰ區為吸種區、Ⅱ、Ⅲ區為運種區、Ⅳ區為空區。[R]表示轉軸半徑，G表示種子重力，[F0]表示慣性力，[NR]表示支持力，[Ff]表示摩擦力，[ω]表示角速度。吸嘴在[YⅠ]點充氣在Ⅰ區吸取種子，步進電機驅動吸嘴逆時針旋轉，旋轉過程中吸嘴將料箱內的散體種子打亂并由吸嘴產生的壓力對種子進行吸附，經Ⅱ、Ⅲ區運送，在Ⅲ區的XⅡ處釋放種子，經Ⅳ區后在[YⅠ]點重復上述動作。為吸附住種子且不掉落，吸嘴處的F至關重要，過小會導致吸空，過大會導致復吸甚至卡種。

1.3 試驗種子分析

種子有圓形如大葉木耳菜、白菜等，扁平形如西瓜、黃瓜等，橢圓形如小麥、水稻等。吸嘴內徑為圓柱形，吸嘴與種子完全吸附接觸面為圓形，吸附力遠大于種子自身重力、種子間的振動力、碰撞力，因此研究過程中將種子等效為球形，種子的直徑簡化為等價直徑[21]，等價直徑為種子的橫向直徑如圖3所示，`[b]為種子的等價直徑。

2 試驗研究

2.1 試驗材料

選擇三類不同形狀的種子作為試驗對象，大葉木耳菜種子、小麥種子，黃瓜種子形狀如圖4所示，各取100粒，測得試驗種子的物理特性如表1所示。根據吸嘴直徑式d=（0.64～066）`b可知[21]，d取值范圍為0.8～2.3 mm。初選d為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm五種規格吸嘴直徑進行試驗，試驗結果表明，大葉木耳菜種子d=2.0 mm時，單粒吸附率為99.17%；小麥種子d=2.0 mm時，單粒吸附率為98.33%；黃瓜種子d=1.0 mm時，單粒吸附率為95%。故大葉木耳菜種子和小麥種子初步取d=1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm三類規格，黃瓜種子初步取d=0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm三類規格吸嘴直徑進行對比試驗。

2.2 試驗參數

以吸空率[γ空]、單粒吸附率[γ單]、復粒吸附率[γ復]為考核指標[22]，試驗主要通過調整d、v和p三個主要因素來獲取[γ單]最高的吸附參數。根據試驗需求，大葉木耳菜和小麥種子d取為1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm，黃瓜種子d取為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm；v為15 r/min、16.875 r/min、18.75 r/min、20.625 r/min、22.5 r/min；p為2.5 kPa、5.0 kPa、7.5 kPa、10 kPa、12.5 kPa、15 kPa，共14個影響因素為試驗參數來進行組合試驗，每組試驗連續記錄120粒種子的吸附情況。

3 結果與分析

3.1 最大壓力總體回歸方程的建立

借鑒DEBONT（德邦大為）2805型氣吸式免耕精密播種機的精播精度單粒率92%，漏播率小于3%。定義[γ單≥92%]所需的[p]為最大壓力[pmax]。取不同形狀的種子中[γ單]為92%以上的組合各10組，以吸附壓力p（kPa）為客觀變量，吸嘴轉速v（r/min）、孔徑d（mm）、平均種子重量w（mg）作為影響因素，進行多元線性回歸，分析結果如下。

[p=-0.160v+0949d-0.046w+14.893" " R=0.24] （3）

把d用孔徑比[De]（吸嘴直徑與種子等價直徑的比值）代替，可得

[p=-0.141 v+1.872 De-0.047 w+15.334" " "R=0.199] （4）

可以發現，w的回歸系數很小，沒有顯示其因素的影響性，故可以不考慮w的影響并可將式（4）簡化為式（5）。

[p=-0.141 v+1.872 De+15.334] （5）

另外式（3）和式（4）的R值均較小，由此可見不同形狀的種子要建立統一的擬合程度較好的多元線性方程還是很困難的。

對同一類型種子做最大壓力多元線性回歸圖，如圖5所示，發現[d∝1/pmax]，但v對不同d下所需要的pmax的影響并不明顯。

3.2 三類種子極限壓力回歸方程的建立

設γ單=100%所需的壓力為極限壓力pEP，通過對每類種子的吸附試驗獲得多個回歸方程，如式（6）～式（8）所示。

[大葉木耳菜：γ單=39.824 d+3.043 p-1.499 v-15.092" " " R=0.892] （6）

[小麥：γ單=52.942 d+2.357 p-2.225 v+8.504" " " R=0.914] （7）

[黃瓜：γ單=-18.611 d+0.457 p-0.225 v+98.043" " R=0.346 ] （8）

取v=15 r/min，找到對應轉速下每類種子實測最大吸附壓力下的孔徑，代入式（5）求出pmax，令式（6）～式（8）的γ單=100%，求出γ單=100%的pEP，與實測的pmax三者進行比較。結果如表2所示，形狀接近圓形的種子擬合程度較高，應用式（5）求得的pmax與實測值較接近，故式（5）的擬合程度不高，但對pmax的估測仍然有效。應用式（6）～式（8）對pEP進行了估測，大葉木耳菜接近圓形，pmax和pEP都接近實測值，可以進行估測；小麥種子等價直徑最小而比重最大，雖小麥的pEPlt;pmax，但仍滿足92%以上的γ單，可對pmax和pEP進行估測；黃瓜種子的pEPgt;pmax，這是由于黃瓜種子扁平的結構，一旦增大氣壓很容易造成復吸，達不到γ單=100%要求，但實測值和pmax估測相近，可以進行pmax估測。

3.3 吸附壓力試驗結果分析

取v=22.5 r/min，d=1.2 mm，分別用大葉木耳菜、小麥和黃瓜三類種子進行p單因素分析，取p為2.5 kPa、5 kPa、7.5 kPa、10 kPa、12.5 kPa、15 kPa分別進行試驗，結果如圖6所示。

由圖6可知，大葉木耳菜和小麥種子γ空∝1/p，其中大葉木耳菜和小麥種子分別在p=2.5～7.5 kPa、10～12.5 kPa這兩個區間內下降明顯，黃瓜種子γ空隨著p增大也呈現輕微下降，但總體變化不大；小麥種子γ單隨著p的增加先增后降，在p=12.5 kPa時，γ單max=53.33%，大葉木耳菜種子γ單∝p，在p=15 kPa時，γ單max=80.00%，黃瓜種子γ單隨著p的增大呈現輕微下降，但總體變化不大，在p=2.5 kPa時，γ單max=75.83%；小麥和大葉木耳菜種子γ復≈0，黃瓜種子γ復∝p，這是因為p較低時，F不足，種子易在運種過程中掉落，使γ空較大；當p適宜時，γ空和γ復都較小，γ單較大；隨著p增大F增大，雖然黃瓜種子[b]較大，但黃瓜種子由于其扁形的結構使其厚度小于孔徑，這樣會導致多粒種子擠進吸嘴，使γ復增大，γ單降低，而圓形的大葉木耳菜種子，橢圓形的小麥種子[b]gt;d，且厚度也較大，這樣會使γ復大大降低。對三類種子用方差方法做變易分解后進行單因素分析，由表3分析結果可知，p對大葉木耳菜和小麥種子的γ空，γ單有顯著影響，對γ復影響不大；相反，p對黃瓜種子的γ復有較大影響，對γ空和γ單影響不大。

3.4 吸嘴直徑與轉速試驗結果與分析

小麥和大葉木耳菜種子d取為1.2 mm、1.5 mm、2.0 mm；黃瓜種子d取為0.8 mm、1.0 mm、1.2 mm；p=10 kPa；v取為15 r/min、16.875 r/min、18.75 r/min、20.625 r/min、22.5 r/min，分別進行d和v的組合試驗，試驗結果如圖7所示。當d=1.2 mm時，大葉木耳菜和小麥種子[γ空]總體呈上升趨勢，其中，大葉木耳菜種子[γ空]上升平緩，[γ單]隨v的增加略微下降，維持在60%左右，[γ復≈0]；小麥種子[γ空∝v]，[γ單≈80%]，[γ復≈0]；黃瓜種子[γ空≈0]，基本不受v影響，[γ單]呈先增后穩趨勢，在v=16.875 r/min后逐漸平穩，[γ復]相反，呈先降后穩趨勢，在v=16.875 r/min后逐漸平穩。

當d=0.8 mm時，黃瓜種子γ空總體呈現上升趨勢，在v=18.75～20.625 r/min時，上升率最明顯，在vgt;20.625 r/min時，保持平穩；[γ單]呈現先增后降趨勢，但變化幅度不大，在80%～90%之間波動；[γ復]呈下降趨勢。

當d=1.0 mm時，黃瓜種子[γ空]變化較復雜，當v=15～20.625 r/min時，先劇增后劇減，其中v=18.75 r/min時，[γ空]達到最大值；[γ單]變化不大，在85%～90%之間波動；[γ復]呈下降趨勢。

當d=1.5 mm時，大葉木耳菜和小麥種子[γ空]總體呈現上升趨勢，大葉木耳菜種子在v=20.625 r/min前變化幅度不大，[γ空≈10%]，在vgt;20.625 r/min時，上升較明顯，小麥種子在v=15～16.875 r/min、18.75～20.625 r/min這兩區間內上升明顯，在vgt;20.625 r/min時有所下降；兩類種子[γ單]變化幅度都不大，[γ單≈85%]；大葉木耳菜種子[γ復≈0]，小麥種子γ復呈現下降趨勢，但變化較小，保持在6%以下。

當[d=2.0] mm時，大葉木耳菜和小麥種子[γ空lt;1%]；大葉木耳菜種子[γ單]變化幅度較小，總體[γ單gt;90%]，在[v=16.875] r/min時，[γ單max=96.67%]，[γ復]呈下降趨勢，在[v=15～16.875] r/min之間下降率最為明顯，后變化幅度不大，[γ復lt;3%]；小麥種子[γ單]變化幅度同樣較小，總體[γ單gt;90%]，[γ復]呈先增后降的趨勢，在[v=16.875] r/min時，γ復max=10%。

綜上所述，三類種子所用的最小d下的[γ空]明顯大于另外兩種吸嘴，這是由于較小d所提供的F較小，而種子的`[bgt;d]，此時F不足以吸附一粒種子；對于大葉木耳菜和小麥種子，大葉木耳菜和小麥種子的`b偏大，故[d=2.0] mm時，[γ單]會優于d為1.5 mm、1.2 mm，當[d=1.2] mm時，[γ空]較大；黃瓜種子當[d=1.0] mm會優于d為0.8 mm、1.2 mm，這是由于扁平類種子須要考慮到厚度，[d=1.0] mm與種子厚度最為接近，故此時有較小的[γ空]和[γ復]，[γ單]較好。

取[p=10] kPa做方差進行變易分解，由表4分析可知，三類種子不同[d]下的試驗結果對應的各項P值均小于0.05，因此d對三類種子的[γ空]、[γ復]及[γ單]都具有顯著影響。取[d=1.2] mm，由表5分析可知，v對黃瓜種子來說各項[P]值均大于0.05，因此[v]對黃瓜種子的[γ空]、[γ單]及[γ復]影響效果不顯著。而大葉木耳菜種子[γ單]的[P]值等于0.05，小麥種子[γ空]和[γ單]的P值遠遠小于0.05，說明v對大葉木耳菜種子[γ單]有輕微影響，對小麥種子的[γ空]和[γ單]有顯著影響。表明當[v]增大時，[w]也會參與影響，試驗中小麥種子的[w]大于大葉木耳菜種子和黃瓜種子的[w]，根據圓周運動向心力式[F=mv2/r]，其中半徑r不變，當[w]越大時，[m]越大，這時改變[v]，對[F]的影響也越大，當[v]增大時，所需的[F]就越大，此時[p]不足以平衡[F]，就容易造成吸空。但隨著[d]的增大v的影響會減弱，發現當[dgt;1.5] mm時，[v]對三類種子的[γ空]、[γ復]和[γ單]響效果都不顯著。

3.5 吸附壓力與轉速試驗結果與分析

大葉木耳菜和小麥種子d取為2.0 mm，黃瓜種子d取為1.0 mm，p取為5 kPa、10 kPa、15 kPa，取v為15 r/min、16.875 r/min、18.75 r/min、20.625 r/min、22.5 r/min，進行吸附試驗，試驗結果如圖8所示。

大葉木耳菜種子在不同吸附壓力下γ空∝1/p；在同一吸附壓力下，在p=5 kPa時，大葉木耳菜種子的γ單隨v的升高，先增后減，在p=10 kPa、15 kPa時，γ單隨v呈波動趨勢。在p=15 kPa，v=16.875 r/min時，γ單max=99.17%；在不同吸附壓力下，γ復∝p，在同一吸附壓力下，γ復∝1/v。

小麥種子在不同吸附壓力下，γ空∝1/p；在同一吸附壓力下，在p=5 kPa時，γ單∝1/v，在p=10 kPa時，隨v的升高，γ單呈先減后增再減的波動趨勢，在p=15 kPa時，隨v的升高，γ單先增后減。在p=15 kPa，v=16.875 r/min，γ單max=98.33%；在p=5 kPa、10 kPa時，γ復呈先增后減再增的波動趨勢，在p=15 kPa時，γ復先減后增。

黃瓜種子在不同吸附壓力下，γ空變化規律不明顯；在同一吸附壓力下，在p=5 kPa時，γ單∝1/v，在p=10 kPa、15 kPa時，γ單呈波動趨勢。在p=15 kPa，v=20.625 r/min，γ單max=95.00%；在p=5 kPa、10 kPa時，γ復先減后增，在p=15 kPa時，γ復呈先減后增再減再增的波動趨勢。

4 結論

基于小粒不規則種子精選、精播的實際需求，設計試驗樣機對大葉木耳菜（圓形）、小麥（橢圓形）和黃瓜（扁平形）三類不同形狀的種子進行吸附特性試驗研究，獲得吸嘴直徑d、孔徑比De、吸附壓力p、最大壓力pmax、極限壓力pEP、轉速v、種子重量w與吸附率之間的關系。

1） 對三類不同形狀的種子進行總體線性回歸，發現w對γ單的影響較小，總體上可以忽略；擬合的曲線可以較好的估測不同d，v下所需要的pmax，且同一類型種子，[pmax∝1/d];對每類種子單獨做線性回歸來估測pEP，結果顯示，回歸估測對大葉木耳菜和小麥種子估測較好，無法對黃瓜種子進行估測。

2） 對p，d，v進行單因素和組合因素分析。結果表明，形狀不同的種子，吸附特性的影響因素也不同，形狀越接近圓形的種子，[γ單∝p]，且[γ復]較小，對于扁平形種子，由于其縱橫比較大，要考慮其厚度，這類種子的[γ單]只與d有關，且[γ空]較小。

3） 通過試驗最終確定三類種子最優吸附參數組合：大葉木耳菜種子在[p=15] kPa，[d=2.0] mm，[v=16.875] r/min時，[γ空=0%]，[γ單max=99.17%]，[γ復=0.83%]；小麥種子在[p=15] kPa，[d=2.0] mm，[v=16.875] r/min時[，γ空=0%]，[γ單max=98.33%]，[γ復=1.67%]；黃瓜種子在[p=15] kPa，[d=1.0] mm，[v=20.625] r/min時，[γ空=1.67%]，[γ單max=95.00%]，[γ復=3.33%]。

參 考 文 獻

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