氣吹供種滾筒式播種機(jī)取種性能的試驗(yàn)研究

李俊偉 ，楊文偉，馬亞鵬，胡　斌

(石河子大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，新疆 石河子　832003)

?

氣吹供種滾筒式播種機(jī)取種性能的試驗(yàn)研究

李俊偉 ，楊文偉，馬亞鵬，胡斌

(石河子大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，新疆 石河子832003)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有番茄穴盤育苗播種機(jī)空穴率多、單粒率少，難以滿足尺寸小、外形不規(guī)整、流動(dòng)性差的加工番茄種子“一穴一?！本坎シN技術(shù)要求的規(guī)狀，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種基于氣吹供種方式的滾筒式番茄育苗播種機(jī)。以此為基礎(chǔ)搭建了基于氣吹供種方式的滾筒式育苗播種試驗(yàn)裝置，并以單粒率、空穴率、多粒率為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，試驗(yàn)探究了主要因素(種箱氣室正壓力、孔徑、滾筒轉(zhuǎn)速) 對(duì)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：影響取種性能質(zhì)量指標(biāo)的主次關(guān)系依次為種箱氣室正壓力、孔徑、滾筒轉(zhuǎn)速；影響取種性能質(zhì)量指標(biāo)最優(yōu)組合：當(dāng)種箱氣室正壓力為2kPa、孔徑為1.2mm、轉(zhuǎn)速為14r/min時(shí)取種綜合效果效果較理想。

關(guān)鍵詞：育苗播種機(jī)；氣吹供種；取種性能；滾筒式

0引言

加工番茄是新疆主要的經(jīng)濟(jì)作物，其種植規(guī)模(新疆近3年穩(wěn)定在10.67萬(wàn)hm2以上)和制品出口量占全國(guó)的90%以上、世界的30%[1]。目前，新疆番茄種植主要采用穴盤育苗技術(shù)[2]。育苗播種是育苗移栽的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，穴盤育苗播種器是穴盤育苗精量播種機(jī)的核心部件，按結(jié)構(gòu)原理分為機(jī)械式和氣吸式。其中，氣吸式播種機(jī)利用氣流取種、攜種、清種和投種，具有生產(chǎn)率高、種子適應(yīng)性強(qiáng)和不傷種等優(yōu)點(diǎn)，是精密播種器的研究方向[3-6]。

國(guó)內(nèi)外氣吸式穴盤育苗播種器的研發(fā)主要以外形規(guī)整或丸?；姆N子為研究對(duì)象，而丸?；N子價(jià)格高(一般為非丸?；N子的5～8倍)，難于被廣大農(nóng)戶接受。面對(duì)以尺寸小、外形不規(guī)整、流動(dòng)性差為主要特征的加工番茄種子(非丸粒化)，僅通過(guò)改變?nèi)》N氣室和吸種孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣動(dòng)參數(shù)無(wú)法滿足其“一穴一?！钡木坎シN技術(shù)要求。新疆番茄穴盤育苗播種主要以人工作業(yè)為主，生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、用工成本高，直接制約了番茄機(jī)械化育苗技術(shù)的應(yīng)用于推廣。

針對(duì)現(xiàn)有育苗播種機(jī)空穴率多、單粒率少，難以滿足尺寸小、外形不規(guī)整、流動(dòng)性差的加工番茄種子“一穴一?！本坎シN技術(shù)要求的現(xiàn)狀，從改善種子流動(dòng)性和種子吸附瞬間的空間位置姿態(tài)穩(wěn)定性入手，提出氣吹供種的新思路，設(shè)計(jì)了一種基于氣吹供種方式的滾筒式番茄育苗播種機(jī)。為探究影響其取種性能的主要影響因素，研制氣吹供種方式的滾筒式育苗播種試驗(yàn)裝置，根據(jù)多次重復(fù)試驗(yàn)，確定三因素四水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。同時(shí)，利用Spss統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了極差分析和方差分析，得出影響取種性能質(zhì)量指標(biāo)最優(yōu)組合。

1結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1結(jié)構(gòu)組成

基于氣吹供種的滾筒式育苗播種器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其特點(diǎn)是種箱中種子采用氣吹供種方式。供種板上種子在重力作用下沿著引導(dǎo)板滑動(dòng)到滾筒吸孔附近，吸孔附近種子在種箱氣室正壓作用下，產(chǎn)生近似的懸浮狀態(tài)，種子間接觸減少，相互分離呈沸騰狀態(tài)，便于滾筒吸種。

1.2工作原理及過(guò)程

工作時(shí)，變頻器調(diào)整電機(jī)通過(guò)鏈傳動(dòng)帶動(dòng)滾筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和輸送帶傳動(dòng)；吸吹兩用渦旋氣泵負(fù)壓氣路連接支撐滾筒的負(fù)壓軸，正壓氣路連接供種板下方正壓室；通過(guò)負(fù)壓軸往滾筒內(nèi)腔通負(fù)壓，滾筒表面吸孔同負(fù)壓相通，吸孔通過(guò)兩側(cè)負(fù)壓差的作用吸附種子；滾筒繞負(fù)壓軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中先經(jīng)過(guò)左側(cè)種子箱下方滾筒刷清理滾筒壁上的雜物，再經(jīng)過(guò)氣吹式種子箱，種箱內(nèi)供種板上的種子在正壓氣室的作用下在供種板“沸騰”跳動(dòng)；此時(shí)，滾筒經(jīng)過(guò)供種板時(shí)吸孔取種， 經(jīng)過(guò)滾筒刷時(shí)清理種子，種子掉落在輸送帶運(yùn)送過(guò)來(lái)的穴盤上，依次進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

1.電機(jī)　2.變頻器　3.輸送帶　4.種箱　5.種箱供種板

2播種器取種性能的試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)設(shè)備及材料

試驗(yàn)采用的主要設(shè)備為本項(xiàng)目研制的氣吹供種滾筒式播種機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，如圖2所示。對(duì)于吸種滾筒，考慮到所匹配的穴盤為8×16的穴盤，滾筒橫向打孔8列。

圖2　試驗(yàn)樣機(jī)

試驗(yàn)所采用的是穴盤8×16，穴盤整體尺寸為532mm×278mm。

試驗(yàn)材料：里格爾87-5番茄種子，純度96%、凈度98%、發(fā)芽率>85%、水分<7%。

試驗(yàn)儀器：本試驗(yàn)采用的儀器如表1所示。

表1　試驗(yàn)儀器

2.2試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)選擇4種孔徑的吸孔進(jìn)行。外喇叭吸孔在滾筒上分布情況從左到右依次為：①、②φ1.0mm；③、④φ1.2mm；⑤、⑥φ1.5mm；⑦、⑧φ1.8mm。利用高速攝像對(duì)滾筒吸孔取種結(jié)果進(jìn)行分析可知：工作時(shí)，滾筒播種器繞負(fù)壓軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中先經(jīng)過(guò)左側(cè)種子箱下方滾筒刷清理滾筒壁上的雜物；其次經(jīng)過(guò)氣吹式種子箱，此時(shí)滾筒式播種器在負(fù)壓差的作用下經(jīng)過(guò)供種板時(shí)吸孔取種；1圈之后又經(jīng)過(guò)滾筒刷時(shí)清理種子，種子掉落在輸送帶上，輸送帶的一頭放置接種盒收集種子。試驗(yàn)前對(duì)滾筒的周向16個(gè)吸孔做標(biāo)記(1，2，…，16)，如圖3所示。用高速相機(jī)記錄3min內(nèi)滾筒吸孔的取種情況為1組，從其中隨機(jī)統(tǒng)計(jì)4圈滾筒吸孔取種數(shù)據(jù)，重復(fù)3組試驗(yàn)取平均值。

圖3　滾筒標(biāo)記

2.3試驗(yàn)方案

2.3.1試驗(yàn)指標(biāo)

參考國(guó)家農(nóng)業(yè)部關(guān)于精密播種的具體要求[7]，本次試驗(yàn)指標(biāo)為單粒率、空穴率及多粒率。

2.3.2試驗(yàn)因素

對(duì)于吸種滾筒，考慮到所匹配的穴盤為8×16的穴盤，滾筒橫向打孔 8列。因此，本試驗(yàn)選擇4種孔徑的吸孔進(jìn)行。外喇叭吸孔在滾筒上的分布情況從左到右依次為：①、②φ1.0mm；③、④φ1.2mm；⑤、⑥φ1.5mm；⑦、⑧φ1.8mm。預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明：滾筒轉(zhuǎn)速不宜超過(guò) 20 r/min(線速度為 0.18 m/s)，所以滾筒轉(zhuǎn)速取10、12、14、16r/min等4種水平；種箱氣室正壓力取1、2、3、4kPa等4個(gè)水平。對(duì)于四水平、三因素的試驗(yàn)安排不考慮交互作用的影響，選用 L16(43)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)。因素水平表如表2所示。

表2　因素水平表

2.4試驗(yàn)結(jié)果分析

2.4.1試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

根據(jù)試驗(yàn)的實(shí)施，結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3　試驗(yàn)結(jié)果

2.4.2試驗(yàn)結(jié)果的方差分析

對(duì)表3的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，如表4、表5、表6所示。

表4　單粒率方差分析表

由表4可以看出：對(duì)于上述番茄育苗播種試驗(yàn)樣機(jī)而言，從單粒率來(lái)說(shuō)，F(xiàn)A>F0.05(3,5)=5.41,說(shuō)明孔徑對(duì)于樣機(jī)單粒率的影響是高度顯著的，可信度為95%；F0.1(3,5)=3.62

表5　多粒率方差分析表

由表5可以看出：從多粒率來(lái)說(shuō)，F(xiàn)A>F0.05(3,5)=5.41,說(shuō)明孔徑對(duì)于樣機(jī)多粒率的影響是高度顯著的，可信度為95%。

表6　空穴率方差分析表

由表6可以看出：F0.1(3,5)=3.62

綜上所述可知：結(jié)合播種機(jī)的農(nóng)藝技術(shù)要求，對(duì)于取種性能指標(biāo)，單粒率越高越好，多粒率和空穴率越低越好。由表6可知：種箱氣室正壓力對(duì)空穴率的影響最為顯著，各個(gè)水平對(duì)單粒率和多粒率的影響相差不是很大，選擇第2水平空穴率最低，所以種箱氣室正壓力選擇第2水平較好；其次，孔徑選擇第2水平，單粒率達(dá)到最高值，空穴率降到最低，雖然孔徑的第1水平比第2水平多粒率要好，但相差影響并不是很大，所以孔徑第2水平為最優(yōu)值；從極差分析取種性能的3個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)速影響都是最小的，三水平較四水平單粒率和空穴率都達(dá)到了最優(yōu)值，多粒率差值并不大，所以轉(zhuǎn)速選擇三水平。綜上分析，取種質(zhì)量性能的指標(biāo)最優(yōu)組合是B2>A2>C3，即種箱氣室正壓力2kPa、孔徑1.2mm、轉(zhuǎn)速14r/min。

2.4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果的加權(quán)綜合評(píng)分分析

為了兼顧各項(xiàng)指標(biāo)的得失，采用綜合加權(quán)評(píng)分法進(jìn)行分析[8]，以選出使各項(xiàng)指標(biāo)都盡可能達(dá)到最優(yōu)的組合。慮到3 因素對(duì)衡量指標(biāo)的重要程度， 以100分作為總“權(quán)”，空穴率為60分，單粒率為30分，多粒率為10分，所以每組試驗(yàn)綜合評(píng)分指標(biāo)可以表示為

式中yi—第i號(hào)試驗(yàn)所得計(jì)算值(加權(quán)評(píng)分指標(biāo))；

Wi—第j個(gè)指標(biāo)“權(quán)”值；

yij—第i號(hào)試驗(yàn)中第j個(gè)指標(biāo);

Rj—第j個(gè)指標(biāo)在該組試驗(yàn)中造成的極差，單粒率R1=90.5-80.8=9.7，多粒率R2=8.1-4.5=3.6，空穴率R3=11.2-4=7.2；

λi—第j個(gè)指標(biāo)的計(jì)算系數(shù)(它既考慮權(quán)又考慮指標(biāo)變動(dòng)程度)。

加權(quán)綜合評(píng)分指標(biāo)結(jié)果如表7所示，加權(quán)綜合評(píng)分正交設(shè)計(jì)極差分析結(jié)果如表8所示。

表7　加權(quán)綜合評(píng)分指標(biāo)表

表8　加權(quán)綜合評(píng)分正交設(shè)計(jì)極差分析表

采用加權(quán)綜合評(píng)分分析法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到的試驗(yàn)結(jié)果為B2>A2>C3,與前一節(jié)綜合平衡分析法得到結(jié)果完全一致，說(shuō)明綜合平衡分析法得到結(jié)果是正確有效的。

2.5驗(yàn)證試驗(yàn)

通過(guò)較優(yōu)水平組合的試驗(yàn)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：?jiǎn)瘟Ｂ?.1%，多粒率4.6%，空穴率5.3%。這說(shuō)明，氣吹供種滾筒式播種機(jī)的播種效果較好。

3結(jié)論

1)通過(guò)試驗(yàn)得出影響取種性能質(zhì)量指標(biāo)的主次關(guān)系依次為種箱氣室正壓力、孔徑及轉(zhuǎn)速。

2) 當(dāng)種箱氣室正壓力取2kPa、孔徑取1.2mm、滾筒轉(zhuǎn)速取14r/min時(shí)，單粒率為90.1%，多粒率為4.6%，空穴率為5.3%。氣吹供種滾筒式播種機(jī)的播種效果較好，完全滿足精量播種的農(nóng)藝技術(shù)要求。

3) 本試驗(yàn)為后續(xù)田間作業(yè)和氣吹供種滾筒式播種機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳兵.中國(guó)新疆番茄產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析[J].新疆財(cái)經(jīng)大學(xué)學(xué)報(bào),2011(3):16-20.

[2]閆 實(shí), 張麗英,武占會(huì)，等.側(cè)開孔穴盤在番茄育苗中的應(yīng)用效果[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014,30(19)：250-256.

[3]周海波，馬旭，姚亞利.水稻秧盤育秧播種技術(shù)與裝備的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(4):301-306.

[4]Karayel D,BarutZ B, Zmerzi A. Mathematicalmode ling of vacuum pressure on a precision seeder[J].Biosystems Engineering, 2004, 87(4):437-444.

[5]Arzu Y,Adnan D. Optimisation of the seed spacing un formity performance of a vacuum-type precision seede using response surfacemethodology[J].Biosystems Engineering, 2007, 97(3):347-356.

[6]Gaikwad B B, SirohiN P S. Design of a low-cost pneu matic seeder fornursery plug trays[J].Biosystems Engineering, 2008, 99(3):322-329.

[7]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局.GB6973-1986單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[S].北京:標(biāo)準(zhǔn)出版社,1986.

[8]鐘陸明,陳學(xué)庚,溫浩軍.免耕播種機(jī)氣吸式排種器影響因素的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2012,34(5):160-163.

Experimental Study on Seeding Performance of Cylinder Precision Tomato Seeder Based on the Pneumatic Suspension Seed Supply

Li Junwei , Yang Wenwei, Ma Yapeng, Hu bin

(Mechanical and Electrical Engineering College of Shihezi University, Shihezi 832000,China)

Abstract：In view of the existing seedling planter have a high empty-seed rate, less single-seed rate and It is difficult to meet the small size, irregular shape, poor mobility of processing tomato seed "a hole grain" precision sowing technical requirements, a cylinder precision seeder based on the pneumatic suspension seed supply was creatively designed,as well as the test device was developed. And with multi-seed rate , single seed rate and empty seed rate as the main evaluation index, experiment explores that the influence law of the main evaluation index affected by the main factors (box chamber positive gas pressure, suction hole diameter, roller speed) .Experiment verification and came to conclusion: when box chamber positive pressure reached 2kPa,suction hole diameter is 1.2mm,roller speed is 14r/min, we can get the best comprehensive effect.

Key words：seedling planter；pneumatic suspension seed supply；seeding performance; cylinder

文章編號(hào)：1003-188X(2016)04-0185-05

中圖分類號(hào)：S223.94

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：李俊偉(1987-),男，湖南寧遠(yuǎn)人，講師，(E-mail)ljwjdxy@shzu.edu.cn。通訊作者：胡斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail)hb_mac@sina.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51265045)

收稿日期：2015-03-23