基于氣力式精量排種器的谷子吸種與排種試驗(yàn)

王磊，廖宜濤，韋躍培，廖慶喜

(華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070)

谷子的播種方式分條播和穴播。條播分畜力條播和機(jī)械條播。條播用種量大，排種不均勻，出苗后間苗工作量大，勞動(dòng)強(qiáng)度大，成苗率低，不利于谷子高產(chǎn)。穴播可實(shí)現(xiàn)谷子播種相對(duì)成穴，減少間苗工作量，但目前谷子穴播播種技術(shù)裝備落后，適應(yīng)性與操作性差，難以滿足谷子播種成穴的農(nóng)藝要求。

針對(duì)目前谷子播種機(jī)械化程度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、出苗后間苗用工量大的生產(chǎn)實(shí)際[1–2]，筆者采用2BFQ–6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)的核心部件——?dú)饬κ骄颗欧N器[3–7]，開(kāi)展谷子種子的吸種、排種、發(fā)芽試驗(yàn)，研究了型孔結(jié)構(gòu)、負(fù)壓、轉(zhuǎn)速對(duì)排種器吸種和排種性能的影響。通過(guò)谷子發(fā)芽試驗(yàn)，驗(yàn)證氣力式精量排種器對(duì)谷子精少量排種并適度重播的可行性。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

氣力式精量排種器是2BFQ–6型油菜精量聯(lián)合直播機(jī)實(shí)現(xiàn)小粒徑種子播種的核心部件[8–9]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。排種器實(shí)現(xiàn)有效工作的負(fù)壓為200 ～2 400 Pa，正壓為50～800 Pa，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為10 ～30 r/min。排種器的工作分為充種、吸種、攜種、投種4個(gè)過(guò)程。工作時(shí)，鏈輪帶動(dòng)排種盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，種箱中的種子在負(fù)壓區(qū)被吸附到排種盤(pán)型孔上，并隨排種盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)至馬蹄形正壓區(qū)后，種子在正壓吹送力和重力共同作用下從型孔上脫落，完成排種過(guò)程。

圖1 排種器結(jié)構(gòu) Fig.1 Structure of the metering device

2 材料與方法

2.1 材 料

試驗(yàn)用谷子品種為晉谷21。種子為闊卵形，千粒重4.184g，采用堆積法[10–11]，測(cè)得種子自然休止角為30.12°。測(cè)量100粒種子的長(zhǎng)、寬、高尺寸，得出種子長(zhǎng)、寬、高的概率密度曲線，如圖2所示。

圖2 谷子種子尺寸的概率密度曲線 Fig.2 Probability density curve of seeds’ size

由圖2可知，谷子種子的長(zhǎng)度值最大，高度值最小。利用Matlab軟件對(duì)谷子3軸尺寸進(jìn)行分析，種子的長(zhǎng)、寬、高均服從正態(tài)分布，長(zhǎng)度均值為2.11 mm，寬度均值為1.85 mm，高度均值為1.38 mm。根據(jù)谷子種子長(zhǎng)、寬、高的尺寸分布，得種子的球度為75%～95%，種子球度概率直方圖如圖3所示。

圖3 谷子種子球度概率直方圖 Fig.3 Probability histogram of seeds’ sphericity

基于谷子種子球度較大，球形種子型孔直徑的選定，可根據(jù)公式[12]dx=(0.64～0.66)b來(lái)確定(b為種子平均寬度，mm)。

晉谷21種子平均寬度為1.56～2.11 mm，經(jīng)計(jì)算孔徑為0.99～1.39 mm。為實(shí)現(xiàn)谷子精少量播種與適度重播，排種盤(pán)型孔直徑選擇1.2 mm。

2.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)裝置(圖4)包括：JPS–12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)， HG–260和HG–500型漩渦風(fēng)泵，U型管測(cè)壓計(jì)、氣力式精量排種器。

圖4 試驗(yàn)裝置 Fig.4 Experimental device

2.2.1 吸種性能試驗(yàn)

選用排種盤(pán)型孔數(shù)為40個(gè)，設(shè)定轉(zhuǎn)速為20 r/min，正壓為200 Pa，負(fù)壓為200～2 400 Pa，每間隔200 Pa為1個(gè)水平，共12個(gè)水平，用相機(jī)拍攝型孔在負(fù)壓區(qū)吸附谷子種子粒數(shù)的照片，每個(gè)試驗(yàn)水平重復(fù)拍攝20組。評(píng)價(jià)指標(biāo)包括單粒率、重吸率、漏吸率、總粒數(shù)和吸種穩(wěn)定性變異系數(shù)。單粒率是指型孔吸附單粒種子的概率；重吸率是指型孔吸附多粒種子的概率；漏吸率是指型孔未吸附種子的概率；總粒數(shù)是指排種盤(pán)轉(zhuǎn)20轉(zhuǎn)的型孔吸附的種子粒數(shù)；吸種穩(wěn)定性變異系數(shù)是指型孔不同負(fù)壓區(qū)壓力值下拍攝的20組照片排種盤(pán)吸種粒數(shù)的變異系數(shù)。

吸種試驗(yàn)采用的排種盤(pán)型孔分為直圓柱孔和錐圓柱孔，其中直孔1與直孔2孔徑均為1.2 mm，直孔1的排種盤(pán)厚度為1.2 mm，直孔2的排種盤(pán)厚度為1.8 mm；錐孔1與錐孔2孔徑均為1.2 mm、錐度30°，錐孔1的排種盤(pán)厚度為1.2 mm，錐孔2的排種盤(pán)厚度為1.8 mm。

2.2.2 排種性能試驗(yàn)

根據(jù)吸種性能試驗(yàn)結(jié)果，選用錐孔2作為排種性能試驗(yàn)型孔。設(shè)定正壓為200 Pa，負(fù)壓范圍為200～2 400 Pa，每間隔200 Pa為1個(gè)水平，轉(zhuǎn)速范圍為16～36 r/min，每間隔4 r/min為1個(gè)水平，每個(gè)試驗(yàn)水平重復(fù)3組。根據(jù)谷子播種農(nóng)藝要求，調(diào)節(jié)JPS–12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)種床帶的前進(jìn)速度，保證谷子種子排種的理論株距為60 mm。為獲得落到種床帶上相鄰種子之間的準(zhǔn)確距離，試驗(yàn)中未采用檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)檢測(cè)種子的合格指數(shù)、重吸指數(shù)及漏播指數(shù)，而是采用卷尺測(cè)量種床帶上6 m范圍內(nèi)種子的坐標(biāo)值。

2.2.3 發(fā)芽試驗(yàn)

經(jīng)排種器負(fù)壓吸附后排出和未經(jīng)過(guò)排種器排出的2組種子，每組取300粒，每100粒放入1個(gè)培養(yǎng)皿上進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)[13]，分別于3 d和6 d后觀察記載種子發(fā)芽狀況。

3 結(jié)果與分析

3.1 型孔結(jié)構(gòu)和負(fù)壓對(duì)吸種性能的影響

負(fù)壓在200～2 400 Pa變化時(shí)，直孔1、直孔2、錐孔1、錐孔2對(duì)吸種性能的影響如圖5所示。

圖5 不同型孔和負(fù)壓下的吸種性能 Fig.5 Seed sucking performance with different types of holes and negative pressures

隨著負(fù)壓區(qū)壓力值的增大，4種不同結(jié)構(gòu)型孔 的重吸率均呈上升趨勢(shì)，這是由于谷子種子形狀不規(guī)則，被型孔吸附形態(tài)不同引起的。一定量的種子重吸，可滿足谷子種子播種相對(duì)成穴的農(nóng)藝要求。

隨著負(fù)壓區(qū)壓力值的增大，直孔1和錐孔1的單粒率先上升后下降，直孔2的單粒率先上升后波動(dòng)下降，錐孔2的單粒率不斷下降。

負(fù)壓在200～2 400 Pa變化時(shí)，4種不同結(jié)構(gòu)型孔的重吸總粒數(shù)如圖6所示。

圖6 不同結(jié)構(gòu)型孔的排種盤(pán)吸種總粒數(shù) Fig.6 Sucking seeds quantity of planter plate under different structural type holes

負(fù)壓區(qū)壓力值在200～2 400 Pa變化時(shí)，假設(shè)排種盤(pán)每個(gè)型孔均吸取單粒種子，每個(gè)水平拍攝20組照片的條件下，排種盤(pán)理論吸種總粒數(shù)為460粒。由圖6可知，直孔1、直孔2、錐孔1在負(fù)壓區(qū)壓力值較小時(shí)，實(shí)際排種盤(pán)吸種總粒數(shù)小于理論吸種總粒數(shù)，存在漏吸現(xiàn)象?；谂欧N盤(pán)的單粒率、重吸率、漏吸率之和為100%，結(jié)合圖5可知，負(fù)壓區(qū)壓力值為200 Pa時(shí)，4種型孔均存在漏吸現(xiàn)象；負(fù)壓區(qū)壓力值在400～2 400 Pa時(shí)，錐孔2無(wú)漏吸現(xiàn)象，直孔1、直孔2、錐孔1均存在漏吸現(xiàn)象，錐孔2無(wú)漏吸的負(fù)壓區(qū)壓力范圍最大。

根據(jù)農(nóng)藝要求，需從精少量播種和適度重播兩方面對(duì)型孔的吸種性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖6可知，負(fù)壓區(qū)壓力值在合適的范圍時(shí)，4種結(jié)構(gòu)的型孔均可實(shí)現(xiàn)適度重吸，但錐孔2實(shí)現(xiàn)重吸的負(fù)壓區(qū)壓力范圍最大，且存在漏吸的負(fù)壓區(qū)壓力范圍最小，漏吸率最低。

不同負(fù)壓區(qū)壓力值下，直孔1的平均吸種穩(wěn)定性變異系數(shù)為13.93%，直孔2的為14.77%，錐孔1的為12.33%，錐孔2的為9.11%。錐孔2的平均吸種穩(wěn)定性變異系數(shù)最小，吸種穩(wěn)定性最好，當(dāng)負(fù)壓區(qū)壓力值為1 800 Pa時(shí)，錐孔2的吸種穩(wěn)定性變異系數(shù)小于5.47%。錐孔2為吸種效果最優(yōu)的型孔。

3.2 負(fù)壓和轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響

以NY/T 987—2006，鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量[14]為依據(jù)，假定測(cè)得種子的理論株距均為60 mm，則6 m范圍內(nèi)，以原點(diǎn)坐標(biāo)開(kāi)始，共有101穴谷子種子，種子穴的編號(hào)為1，2，3，4，…，101，種子的理論坐標(biāo)值為0，60，120，180，240，…，60(N–1)，其中N為種子穴的編號(hào)。以合格穴數(shù)，重穴數(shù)，空穴數(shù)作為排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。將落入60(N–1)±24 mm范圍內(nèi)的種子作為1穴，所有落入該范圍穴的總數(shù)為合格穴數(shù)，將101穴中60(N–1)±24 mm范圍內(nèi)未有種子落入的穴的總數(shù)作為空穴數(shù)，將落入[60(N–1)+ 24]～[60(N–1)+36]的種子作為1個(gè)重穴，所有落入該范圍穴的總數(shù)為重穴數(shù)。轉(zhuǎn)速、負(fù)壓區(qū)壓力值對(duì)合格穴數(shù)和重穴數(shù)影響曲面如圖7所示。

圖7 負(fù)壓與轉(zhuǎn)速組合下的排種器性能 Fig.7 Performance of metering device under different combinations of negative pressure and rotating speed

在負(fù)壓區(qū)壓力值不變的條件下，隨著排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的增加，排種器的合格穴數(shù)先上升后下降，重穴數(shù)在6～38個(gè)變化；隨著轉(zhuǎn)速的增加，當(dāng)負(fù)壓區(qū)壓力值為2 200 Pa時(shí)，排種器的平均合格穴數(shù)最大，為89.4個(gè)，當(dāng)負(fù)壓區(qū)壓力值為200 Pa時(shí)，排種器的平均重穴數(shù)最小，為12.7個(gè)。負(fù)壓區(qū)壓力值在200～2 400 Pa變化時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)排種器的影響明顯。

在轉(zhuǎn)速不變的條件下，隨著負(fù)壓區(qū)壓力值的增大，排種器的合格穴數(shù)先上升后下降，重穴數(shù)總體不斷上升；隨著負(fù)壓區(qū)壓力值的增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為20 r/min時(shí)，排種器的平均合格穴數(shù)最大，為85.5個(gè)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為36 r/min時(shí)，排種器的平均重穴數(shù)最小，為19.2個(gè)。轉(zhuǎn)速在16～36 r/min時(shí)，負(fù)壓區(qū)壓力值對(duì)排種器的合格穴數(shù)和重穴數(shù)影響明顯。

根據(jù)谷子種植中相對(duì)成穴的農(nóng)藝要求，當(dāng)轉(zhuǎn)速為24 r/min，負(fù)壓區(qū)壓力值為2 200 Pa時(shí)，種子合格穴數(shù)可達(dá)95.7個(gè)，重穴數(shù)為11個(gè)，排種器各排種性能較優(yōu)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為24 r/min，負(fù)壓區(qū)壓力值為2 200 Pa時(shí)，3次重復(fù)種床帶上6 m范圍內(nèi)平均種子粒數(shù)為199粒，種子粒數(shù)變異系數(shù)為6.98%。統(tǒng)計(jì)谷子種子每穴種子粒數(shù)的頻率分布直方圖，如圖8所示。

圖8 每穴種子粒數(shù)的頻率分布直方圖 Fig.8 Frequency distribution histogram of seed quantity in each hole

谷子種子每穴種子粒數(shù)在1～6粒，其中每穴1粒種子的合格穴數(shù)最多，占總合格穴數(shù)的44.3%。由谷子種子每穴粒數(shù)的分布情況可得出，通過(guò)氣力式精量排種器進(jìn)行谷子排種試驗(yàn)，每穴種子粒數(shù)均在合適的范圍內(nèi)，既可保證谷子種子的簇生型和群體生長(zhǎng)能力，又可免去出苗后的間苗工作，可實(shí)現(xiàn)種子的相對(duì)成穴和適度重播。

轉(zhuǎn)速為24 r/min，負(fù)壓區(qū)壓力值為2 200 Pa時(shí)，根據(jù)每穴種子粒數(shù)情況，統(tǒng)計(jì)每穴粒數(shù)超過(guò)1粒的穴內(nèi)種子粒距如表1所示。

表1 穴內(nèi)種子粒距 Table 1 Distance between seeds in the holes mm

由表1可知，隨著每穴內(nèi)種子粒數(shù)的增加，粒距最小值為1～2.4 mm，粒距最大值不斷減小，平均粒距呈線性減小。這是由于種子穴與穴之間的理論穴距均為60 mm，在穴距不變的條件下，隨著每穴內(nèi)種子粒數(shù)的增加，種子之間的粒距必然減小。

3.3 排種方式對(duì)種子發(fā)芽的影響

3 d和6 d后，經(jīng)排種器排出和未經(jīng)排種器排出的種子的發(fā)芽率如表2所示。

表2 種子發(fā)芽率 Table 2 Seedgermination rate

采用不同方式處理的谷子種子，6 d后比3 d后種子發(fā)芽率高；采用不同方式處理的谷子種子，相同發(fā)芽時(shí)間內(nèi)，未經(jīng)過(guò)排種器的谷子種子比經(jīng)過(guò)排種器的谷子種子的發(fā)芽率略高。6 d后，未經(jīng)過(guò)排種器的谷子種子和經(jīng)過(guò)排種器的谷子種子的發(fā)芽率均在93%以上。通過(guò)以上對(duì)比分析可知，經(jīng)氣力式精量排種器排出的種子的發(fā)芽率與原種子發(fā)芽率相差較小，說(shuō)明氣力式精量排種器對(duì)谷子種子的機(jī)械損傷極小，氣力式精量排種器可用于谷子種子的實(shí)際播種生產(chǎn)。

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