小粒徑作物種子氣力式排種器適應(yīng)性試驗(yàn)

梅婷，謝方平,2*，李旭，王修善，毛利成

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

小粒徑作物種子氣力式排種器適應(yīng)性試驗(yàn)

梅婷1，謝方平1,2*，李旭1，王修善1，毛利成1

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128；2.湖南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410128)

針對(duì)現(xiàn)有氣力式排種器對(duì)小粒徑種子因吸附力大于重力造成落種困難的不足，設(shè)計(jì)了1種負(fù)壓吸種、正壓吹種的氣力滾筒式小粒徑種子排種器。選取油菜籽(球形)、芝麻種子(扁卵圓形)進(jìn)行試驗(yàn)，以合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)轉(zhuǎn)速、吸種壓力、吹種壓力、振動(dòng)幅度等影響因素驗(yàn)證排種器的適應(yīng)性。正交試驗(yàn)結(jié)果表明：該排種器能夠適應(yīng)球形、扁卵圓形種子的精播，合格率均能達(dá)到90%，球形種子精播效果優(yōu)于扁卵圓形種子。影響油菜籽精播合格率的因素大小依次為吸種負(fù)壓、振動(dòng)幅度、轉(zhuǎn)速、吹種正壓；影響芝麻精播合格率的因素大小依次為轉(zhuǎn)速、振動(dòng)幅度、吹種正壓、吸種負(fù)壓。

氣力式；排種器；小粒徑種子；適應(yīng)性

小粒徑作物種子平均直徑小于3 mm，千粒重小，幾何形狀不規(guī)則[1–2]。小粒徑種子的精量播種有機(jī)械式和氣力式2種。機(jī)械式播種機(jī)對(duì)種子外形要求十分嚴(yán)格，易造成型孔堵塞，且因強(qiáng)制排種導(dǎo)致種子破損[2–4]，對(duì)不同作物種子的適應(yīng)性較差[5]。氣力式播種機(jī)雖然對(duì)種子的外形要求不高，但小粒徑種子外形尺寸小、自重輕、形狀不規(guī)則，使得其精播排種器的研究和設(shè)計(jì)難度增大[1]。國(guó)外的小粒徑種子精密播種機(jī)均采用氣吸式排種器，播種技術(shù)十分成熟[1]，但價(jià)格昂貴，并不適合中國(guó)南方家庭小面積耕作的國(guó)情。國(guó)內(nèi)精密播種機(jī)主要針對(duì)大豆、玉米、小麥、水稻等經(jīng)濟(jì)作物的播種。胡建平等[6]運(yùn)用磁吸式播種原理設(shè)計(jì)的磁吸精密排種器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)種子的非接觸式播種，避免了對(duì)種子的機(jī)械損傷，但播前需對(duì)種子進(jìn)行磁化包衣處理，不僅增加了播種工序和成本，而且磁化物對(duì)土壤的酸堿度有影響。吳明亮等[7–8]針對(duì)油菜直播研制的2BYF–6型油菜免耕直播聯(lián)合播種機(jī)，采用偏心輪型孔輪式排種器，具有清種方便、易囊種、不傷種子的特點(diǎn)，但存在不能同時(shí)播多行、播量調(diào)節(jié)不方便等不足[9]。夏紅梅等[10]自主研制的氣力滾筒式蔬菜播種機(jī)解決了吸種孔小、易堵塞問(wèn)題，但存在氣室內(nèi)氣壓不穩(wěn)定，影響播種質(zhì)量的缺陷。徐東[11]以扁平形種子為研究對(duì)象，研制的蔬菜穴盤(pán)育苗滾筒式氣力精量播種裝置，則需要根據(jù)種子的三維尺寸更換吸種孔才能適應(yīng)不同蔬菜種子的播種。上述小粒徑種子排種器對(duì)于不同形狀的種子的適應(yīng)性均受到限制。筆者以煙草種子的物理特性為依據(jù)，設(shè)計(jì)了一種負(fù)壓吸種、正壓吹種的氣吸滾筒式排種器，選取油菜籽和芝麻2種小粒徑種子進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行了探討。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

排種器由滾筒體、端蓋、型孔、負(fù)壓管、正壓吹種嘴、鏈傳動(dòng)系統(tǒng)等組成(圖1)。采用正、負(fù)壓組合結(jié)構(gòu)，滾筒負(fù)壓管上裝有固定端蓋，固定端蓋上設(shè)有正壓吹種裝置。為確保工作可靠，在吹種嘴上套有橡膠乳管，與滾筒內(nèi)壁緊密貼合，將吹種嘴和滾筒內(nèi)腔2個(gè)氣壓腔室隔離，以保證氣壓室內(nèi)的氣壓穩(wěn)定。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)Fig.1 Amplified cross section of the seed metering device

根據(jù)育苗盤(pán)穴孔間距(32 mm)，選用滾筒外徑為160 mm，型孔孔徑為1 mm的圓柱型孔，單排，沿滾筒周向分布15排吸種型孔。根據(jù)型孔計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式及前人試驗(yàn)，型孔直徑接近1 mm時(shí)，小粒球形種子的吸附率達(dá)到 97%以上，而小粒非球形種子吸附率達(dá)到98%以上，但單孔吸多?，F(xiàn)象明顯[12]，確定型孔為直孔，孔徑為1 mm。

1.2 工作原理

采用負(fù)壓吸種、正壓吹種的原理，負(fù)壓管與風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口相連，根據(jù)需要將排種器內(nèi)腔抽成不同真空度的負(fù)壓室，滾筒上開(kāi)有吸種型孔，型孔在負(fù)壓的作用下，對(duì)種子產(chǎn)生吸附力，使種子沿著型孔軸線方向運(yùn)動(dòng)并貼緊型孔，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)壓吸種；正壓管與風(fēng)機(jī)出風(fēng)口相連，將空氣吹入正壓腔，使得正壓腔室內(nèi)的壓強(qiáng)大于或等于大氣壓強(qiáng)，當(dāng)種子運(yùn)動(dòng)至落種位置時(shí)，型孔從負(fù)壓腔切換至正壓腔，種子2個(gè)表面的壓力差逆轉(zhuǎn)，所受的合力方向改變，種子脫離型孔的束縛，從而實(shí)現(xiàn)正壓吹種。

工作時(shí)，依次啟動(dòng)負(fù)壓風(fēng)機(jī)、排種器電機(jī)、輸送帶，待排種器內(nèi)腔負(fù)壓與整機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，再啟動(dòng)種箱振動(dòng)器，種子在振動(dòng)器的作用下沿著導(dǎo)種槽列隊(duì)流出，到達(dá)吸種位置時(shí)，在負(fù)壓的作用下被吸附到吸種型孔上，并隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)到吹種嘴位置落種。

1.3 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由播種裝置、多功能排種試驗(yàn)輸送臺(tái)(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)自行研制)、渦輪風(fēng)機(jī)(型號(hào)HG–370–C)、調(diào)速電機(jī)(型號(hào)M5250–502)、機(jī)架組成(圖2)。

圖2 試驗(yàn)裝置Fig.2 Structural diagram of the seeder test

為便于觀察，排種器的滾筒材料使用有機(jī)玻璃。排種器安裝在排種試驗(yàn)臺(tái)上，導(dǎo)種槽傾角25°，置于導(dǎo)種槽下的物料輸送振動(dòng)器作為振動(dòng)源給種子提供振動(dòng)，由輸送帶的前進(jìn)速度來(lái)代替機(jī)器行走速度。輸送帶速度由iSV004iG5–4變頻器(LG公司生產(chǎn))控制。排種器轉(zhuǎn)速由調(diào)速電機(jī)控制。當(dāng)工作穩(wěn)定后，再用輸送帶上涂有潤(rùn)滑油的2 m長(zhǎng)的白紙帶接收吹落的種子，根據(jù)每條紙帶落種情況，計(jì)算合格率、漏播率、重播率。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 材 料

‘湘雜油695’油菜籽和‘東芝8號(hào)’芝麻，其相關(guān)物理特性參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)材料的特征參數(shù)Table 1 Characteristic parameter of tested materials

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)指標(biāo)

采用單因素與多因素正交試驗(yàn)。考察因素為轉(zhuǎn)速、吸種負(fù)壓、吹種正壓、振動(dòng)幅度，評(píng)價(jià)指標(biāo)為播種合格率。播種合格率以每穴粒數(shù)計(jì)，按照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，每穴粒數(shù)為1~4粒時(shí)滿足播種農(nóng)藝要求，判定為合格。

2.2.1 單因素試驗(yàn)

為考查轉(zhuǎn)速、吸種壓力、振動(dòng)幅度、吹種壓力對(duì)播種合格率的影響，分別對(duì)這4個(gè)因素進(jìn)行單因素播種試驗(yàn)。設(shè)定轉(zhuǎn)速為600 r/h，吹種壓力0.4 kPa，導(dǎo)種槽振動(dòng)幅度為0.2 mm，吸種負(fù)壓分別為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 kPa進(jìn)行試驗(yàn)，記錄合格率穴數(shù)和播種總穴數(shù)。設(shè)定較佳吸種負(fù)壓0.4 kPa，保持吹種壓力，導(dǎo)種槽振動(dòng)幅度不變，依次用滾筒轉(zhuǎn)速540、600、660、720、780、840、900 r/h試驗(yàn)，考查轉(zhuǎn)速變化對(duì)播種合格率的影響。同理，在保證其他參數(shù)不變的情況下，依次改變振動(dòng)幅度為0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm，吹種正壓為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 kPa進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2.2 多因素正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)轉(zhuǎn)速(A)、吸種負(fù)壓(B)、振幅(C)、吹種正壓(D)采用四因素三水平(表2)方案L9(34)[13]進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表2 正交試驗(yàn)因素及水平Table 2 Factors and levels of orthogonal test

3 結(jié)果與分析

3.1 轉(zhuǎn)速對(duì)播種合格率的影響

從圖3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的提高，油菜種子播種合格率總體呈下降趨勢(shì)。轉(zhuǎn)速低于720 r/h時(shí)，播種合格率減小，幅度遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速高于 720 r/h時(shí)的，主要是滾筒轉(zhuǎn)速較低時(shí)，吸孔有充足的時(shí)間與種子接觸，吸附效果好，播種合格率高；當(dāng)轉(zhuǎn)速高于720 r/h后，播種合格率趨于平緩，可能說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速增加，合格率減小不顯著。綜合生產(chǎn)率及合格率兩方面考慮，適合播種的轉(zhuǎn)速為660~750 r/h。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為660~720 r/h時(shí)，芝麻的播種合格率達(dá)到94%左右。滾筒轉(zhuǎn)速低于660 r/h時(shí)，吸種時(shí)間充裕，受種子形狀的影響，吸附4粒以上的百分比增大，導(dǎo)致合格率較低；轉(zhuǎn)速大于720 r/h時(shí)，吸種時(shí)間縮短，種子所受的離心力也隨之增加，在吸附力一定的條件下，多粒種子被吸附的概率隨之減小，合格率下降。故可得適合芝麻播種的較佳轉(zhuǎn)速范圍為660~ 720 r/h。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的播種合格率Fig.3 Effects of rotation rate on the pass percentage of seeding

3.2 吸種負(fù)壓對(duì)播種合格率的影響

圖4表明，隨著吸種負(fù)壓的增大，油菜播種合格率大幅度提高后趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)槲N負(fù)壓小于0.3 kPa時(shí)，種子所受吸附力小，空穴率高；當(dāng)吸種負(fù)壓大于0.4 kPa，吸附力劇增，出現(xiàn)一孔多粒的現(xiàn)象，漏播率下降，而重播率增大。油菜的較優(yōu)吸種負(fù)壓范圍為0.3~0.4 kPa。

芝麻種子隨著吸種負(fù)壓的增大，播種合格率先增后減，在0.4 kPa時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)吸種負(fù)壓大于0.4 kPa后，合格率下降，是因?yàn)槲N壓力大，不存在提前落種現(xiàn)象，且受種子形狀的限制，很難將型孔全部堵住，造成吸附4粒以上種子的概率增加。芝麻的較優(yōu)吸種負(fù)壓為0.4 kPa左右。

圖4 不同吸種負(fù)壓下的播種合格率Fig.4 Effects of inside vacuum of seed metering device on the pass percentage of seeding

3.3 振幅對(duì)播種合格率的影響

圖5表明，隨著振幅的增大，油菜播種合格率先升后降，峰值出現(xiàn)在振幅為0.1~0.2 mm時(shí)。油菜種子呈球形，摩擦阻力小，隨著振幅(0~0.2 mm)加大，種子的“沸騰”狀態(tài)愈加明顯，種子間的相互作用力減小，有利于吸種；當(dāng)振動(dòng)幅度超過(guò) 0.2 mm后，種子劇烈振動(dòng)，游離在吸種空間之外或吸附力不足以克服慣性而造成空穴率增加。

圖5 不同振幅下的播種合格率Fig.5 Effects of amplitude of vibration on the pass percentage of seeding

芝麻的播種合格率與油菜相比，變化幅度要大得多，峰值出現(xiàn)在振幅為0.3~0.4 mm時(shí)。芝麻種子的流動(dòng)性差，需要較大振動(dòng)來(lái)保證供種流暢，且其在導(dǎo)種槽位置容易出現(xiàn)架空而不能被吸附[14]，振動(dòng)雖能夠打破架空現(xiàn)象，但振動(dòng)太大又會(huì)造成種子的堆積，流動(dòng)不暢。

油菜籽的較佳振動(dòng)幅度為0.1~0.2 mm，芝麻的為0.3~0.4 mm。

3.4 吹種正壓對(duì)播種合格率的影響

圖6表明，隨著吹種正壓的增大，油菜和芝麻播種合格率都先增后減。因?yàn)榇捣N正壓越大，種子所獲得動(dòng)能越大，使得種子落下的速度大小及方向都發(fā)生變化，造成落種點(diǎn)位置不一致。此外，落在紙上的種子還會(huì)出現(xiàn)“彈跳”、“翻滾”等現(xiàn)象，從而影響落種均勻性和播種合格率。綜合比較，油菜的較佳吹種正壓為0.4 kPa，芝麻的為0.3 kPa。

圖6 不同吹種正壓下的播種合格率Fig.6 Effects of blowing pressure on the pass percentage of seeding

3.5 正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果(表3) 進(jìn)行極差分析表明，影響油菜播種合格率的因素大小依次為吸種負(fù)壓、振動(dòng)幅度、轉(zhuǎn)速、吹種正壓，較佳組合為B3C1A3D1，即負(fù)壓0.6 kPa、振幅2 mm、轉(zhuǎn)速840 r/min、正壓0.2 kPa；影響芝麻播種合格率的因素大小依次為轉(zhuǎn)速、振動(dòng)幅度、吹種正壓、吸種負(fù)壓，較佳組合為A1C2D1B1，即轉(zhuǎn)速720 r/min、振幅4 mm、正壓0.2 kPa、負(fù)壓0.2 kPa。

油菜合格率較優(yōu)組合與9號(hào)試驗(yàn)的結(jié)果接近。芝麻的較優(yōu)組合與1號(hào)試驗(yàn)的結(jié)果接近。綜合單因素試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為較優(yōu)參數(shù)組合符合生產(chǎn)實(shí)際，也說(shuō)明該排種器能夠適應(yīng)2類(lèi)種子的播種。

表3 油菜和芝麻的正交試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of orthogonal tests and variance analysis for pass percentages

續(xù) 表

4 討 論

播種過(guò)程中，球形種子能夠很好地適應(yīng)圓柱形狀的型孔，在負(fù)壓較低時(shí)也能牢固地被吸附；對(duì)于三軸尺寸相差較大的扁卵圓形種子，種子被吸附的狀態(tài)不確定，易出現(xiàn)吸附多粒的情況。另外，扁卵圓形種子還存在因吸附力不穩(wěn)定而提前落種的現(xiàn)象，導(dǎo)致落種均勻性差，重播率高，但在某種程度上又減少了空穴率。兩者相比，球形種子的播種合格率普遍高于扁卵圓形的。振動(dòng)有利于種子從種箱中分離，提高吸種概率，間接提高播種合格率。扁卵圓形種子的流動(dòng)性比球狀種子的流動(dòng)性要差，因而在試驗(yàn)過(guò)程中，扁卵圓形種子所需的振動(dòng)幅度要大于球形種子；同時(shí)由于扁卵圓形種子的懸浮系數(shù)要比球狀的小，因此扁卵圓形種子在吸附的過(guò)程中對(duì)負(fù)壓的要求不高。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于滾筒與油菜籽、芝麻種子的相互摩擦力不大，且種子自身存在一定的彈性變形，因此在播種過(guò)程中，破損率接近于0。

扁卵圓種子自身的幾何形狀特點(diǎn)使得種子頂部易被吸進(jìn)型孔，會(huì)導(dǎo)致重播率增加，所以對(duì)播種扁卵圓形種子的型孔孔徑可以適當(dāng)減小?？紤]加工難易性，確定為1 mm即可。

由于球狀種子比扁卵圓形種子能更好地適應(yīng)圓形型孔，所以對(duì)于外形尺寸小，但價(jià)格較貴、附加值高的非球狀作物種子，為提高其播種合格率，可將其丸?；?，而對(duì)于較常見(jiàn)的種子則可通過(guò)控制工作參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)精少量播種。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：羅 維

Adaptability experiment on pneumatic metering device for small-sized seeds

MEI Ting1, XIE Fang-ping1,2*, LI Xu1, WANG Xiu-shan1, MAO Li-cheng1
(1.College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2.Hunan Provincial Engineering Technology Research Center for Modern Agricultural Equipment, Changsha 410128, China)

A small-sized seed pneumatic cylinder-seeder which adopts negative pressure to adsorb and positive pressure to blow seeds was designed for available seed metering device at present exhibiting sowing difficulty caused by adsorption affinity to the seed exceeding its gravity. Rape (sphere) and sesame (pancake) seeds were selected to test and verify the adaptability of the seeder based on pass percentage of seeding considering rotation rate, adsorbing pressure, blowing pressure, amplitude of vibration. The result of orthogonal tests indicated that the seeder can be used for precision planting of sphere and pancake seeds, the pass percentage of seeding reached 90% with seeding result of sphere seeds superior to pancake seeds. Negative pressure showed the biggest influence on the pass percentage of rape seeding, followed by amplitude of vibration, rotational speed; and positive pressure and for sesame seeding rotational speed showed the biggest influence followed by amplitude of vibration, positive pressure and negative pressure.

pneumatic; seed metering device; small sized seeds; adapt ability

S223.2+5

A

1007?1032(2014)02?0216?05

10.13331/j.cnki.jhau.2014.02.022

投稿網(wǎng)址：http://www.hunau.net/qks

2013–10–31

國(guó)家“十二·五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAD20B083)

梅婷(1988—)，女，江西宜春人，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研究，onlymting@163.com；*通信作者，hunanxie2002 @163.com