谷子精少量流體排種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張燕青，崔清亮，王 豐，侯華銘，胡席忠

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谷子精少量流體排種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張燕青1，崔清亮1※，王 豐2，侯華銘1，胡席忠1

（1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，太谷 030801；2. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，太谷 030800）

為解決中國北方旱地谷子播種難、播后出苗率低的問題，根據(jù)谷子免間苗精少量播種農(nóng)藝要求，采用農(nóng)用保水劑和水配制了谷子種?；旌蠎腋∫海╩ixed suspension），并針對(duì)其設(shè)計(jì)試制了谷子精少量流體排種裝置。該文設(shè)計(jì)確定了輸送泵滾輪數(shù)為6個(gè)及分合式排種管組合結(jié)構(gòu)與尺寸參數(shù)，其中泵管、長彎排種管、短彎排種管、末端排種管的內(nèi)徑分別為4.8、4、4、4 mm，長度分別為700、100、74.4、20 mm；并闡述了流體排種裝置吸種、輸種、排種工作過程。以種粒數(shù)變異系數(shù)為指標(biāo)對(duì)配制的谷子種?；旌蠎腋∫旱木鶆蛐院头€(wěn)定性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)定；以種粒破碎率、穴距合格率、穴粒數(shù)合格率、空穴率為指標(biāo)對(duì)流體排種裝置進(jìn)行了室內(nèi)排種試驗(yàn)；以穴距合格率、穴株數(shù)合格率、出苗率為指標(biāo)進(jìn)行了田間播種試驗(yàn)。結(jié)果表明，谷子種?；旌蠎腋∫褐斜Ｋ畡⒐茸臃N粒、水的質(zhì)量比為1.1∶10∶200，其靜置0.5 h后種粒數(shù)變異系數(shù)為9.8%，谷子種?；旌蠎腋∫涸陟o置5 h內(nèi)的種粒數(shù)變異系數(shù)為9.7%～10.4%，谷子種粒未發(fā)生沉降現(xiàn)象；室內(nèi)排種試驗(yàn)種粒破碎率小于0.01%、穴距合格率大于86%、穴粒數(shù)合格率大于75%、空穴率小于4.0%；田間播種試驗(yàn)穴距合格率大于77%、穴株數(shù)合格率大于74%、出苗率大于87 %。該研究可為小顆粒種子精少量流體播種技術(shù)與裝備的研發(fā)提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；排種裝置；播種；流體；谷子；保水劑

0 引 言

谷子營養(yǎng)價(jià)值豐富，多數(shù)種植在中國北方干旱、半干旱地區(qū)。近年來，谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，而實(shí)現(xiàn)谷子精少量機(jī)械化播種是亟待解決的問題之一[1-4]。在北方丘陵山區(qū)，谷子播種適期少雨干旱，播后出苗難；多數(shù)沿用傳統(tǒng)人畜力耬播技術(shù)，播種均勻性差、播量大，存在出苗不整齊、間苗工作量大，甚至出現(xiàn)苗荒現(xiàn)象[5]。國內(nèi)許多學(xué)者針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)研制了機(jī)械式、氣力式、離心式等小籽粒精少量播種裝備，并取得了顯著成果[6-14]。本文為解決抗旱節(jié)水、保苗、提高播種均勻性、節(jié)省勞動(dòng)力等問題，結(jié)合流體播種方法[15]與谷子播種的農(nóng)藝要求，提出谷子流體播種方法。

谷子流體播種方法是將谷子種粒均勻分布在保水劑溶液中進(jìn)行定量機(jī)播的方法[15-18]。近年來，流體播種方法的應(yīng)用與農(nóng)用保水劑的發(fā)展密切相關(guān)。保水劑具有吸水功能，吸水后為水凝膠，可緩慢釋放水分供作物吸收利用，在抗旱節(jié)水，提高種子發(fā)芽率和出苗率等方面有顯著作用[19-22]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)流體播種方法和流體播種機(jī)進(jìn)行了研究。英國、日本、美國、前蘇聯(lián)等在不同程度上組織推廣流體播種方法并進(jìn)行流體播種機(jī)的研制，其播種機(jī)多為條播、噴播、撒播機(jī)，多用于蔬菜、花卉、牧草等種子的播種且增產(chǎn)效果明顯[15-17]；辛明金等[23]對(duì)流體播種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，并設(shè)計(jì)了玉米流體穴播裝置；李巖[24]設(shè)計(jì)了小籽粒種子流體排種裝置并進(jìn)行了試驗(yàn)研究。谷子種子體積和密度小、播種均勻性差、旱地出苗率低，而谷子流體播種技術(shù)及流體播種裝備仍不成熟。為提高谷子播種均勻性及旱地出苗率，本文基于谷子流體播種方法，根據(jù)谷子免間苗精少量播種的農(nóng)藝要求，采用農(nóng)用保水劑和水配制了谷子種?；旌蠎腋∫?，設(shè)計(jì)了谷子精少量流體排種裝置并進(jìn)行了室內(nèi)排種試驗(yàn)與田間播種試驗(yàn)。該研究為谷子精少量流體播種技術(shù)與裝備的研發(fā)提供參考。

1 谷子種?；旌蠎腋∫旱呐渲?/h2>

流體播種首先要配制種粒混合懸浮液，使種子能夠均勻穩(wěn)定地分布在混合懸浮液中，且具有較好的流動(dòng)性，以保證排種的均勻性和穩(wěn)定性[23]。選用保水劑配制種粒混合懸浮液可達(dá)到谷子流體播種的性能要求。保水劑又稱土壤保水劑，是利用強(qiáng)吸水性樹脂制成的一種具有超強(qiáng)吸水和保水能力的高分子聚合物，可分為丙烯酰胺-丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物、淀粉接枝丙烯酸鹽共聚交聯(lián)物2大類。保水劑遇水時(shí)能迅速吸收比自身質(zhì)量高幾百倍的水分而膨脹為水凝膠，呈弱堿性或弱酸性，無毒安全。由于保水劑高分子呈交聯(lián)結(jié)構(gòu)，能將吸收的水分凝膠化而具有很強(qiáng)的保水性。吸水后的保水劑用于流體播種，可緩慢釋放其吸收的水分，以促進(jìn)種子發(fā)芽和出苗生長[19]。

谷子種粒混合懸浮液中保水劑、種子和水的比例應(yīng)適當(dāng)。若保水劑比例較小時(shí)，混合懸浮液的黏度較低，對(duì)種子的懸浮能力較小，種子分布均勻性較差；若保水劑的比例較大時(shí)，混合懸浮液的黏度較大，流動(dòng)性和種子分布均勻性也較差?；旌蠎腋∫褐蟹N子的比例過大或過小，會(huì)導(dǎo)致排種均勻性和流動(dòng)性變差。本文配制谷子種粒混合懸浮液，對(duì)其均勻性和穩(wěn)定性進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，得到谷子種?；旌蠎腋∫汉线m的配制比例。

1.1 保水劑的選擇

根據(jù)谷子種?；旌蠎腋∫旱男阅芤蠛徒?jīng)濟(jì)性選用保水劑。試驗(yàn)選用的保水劑有：百力特保水劑，白色顆粒狀，吸水倍率300～500，由山東省菏澤天玲農(nóng)化有限公司生產(chǎn)；沃特保水劑，暗綠色顆粒狀，吸水倍率300～500，由山東省東營華業(yè)新材料有限公司生產(chǎn)；安信保水劑，白色粉末狀，吸水倍率450～500，由廣東省英德市安信保水有限公司生產(chǎn)。

按照選用的3種保水劑使用說明分別配制谷子種?；旌蠎腋∫?，如圖1所示，其中用沃特、百力特、安信保水劑配制的種粒混合懸浮液中保水劑、種子、水的質(zhì)量配比分別為1∶10∶（100～150）、1∶10∶150、1.1∶10∶200。通過試驗(yàn)對(duì)比，用沃特保水劑配制的種?；旌蠎腋∫吼ざ刃?，保水劑與種粒沉于底部，種粒分布均勻性差。用百力特保水劑配制的種粒混合懸浮液黏度大，流動(dòng)性差；吸水后的保水劑與種粒聚團(tuán)沉于底部，種粒分布不均勻。安信保水劑主要成分是部分交聯(lián)型丙烯酸鹽—丙烯酸共聚物，用其配制的種粒混合懸浮液黏度適中，流動(dòng)性好，吸水后的保水劑變?yōu)橥该餍☆w粒，采用篩分法[25]測(cè)得其粒徑為2.01 mm，谷子種子粒徑均值為2.08 mm，因二者粒徑相近，故可混合充分，即谷子種?？删鶆虻貞腋》稚⒂诨旌弦褐小Ｒ虼?，選用安信保水劑配制谷子種?；旌蠎腋∫?。

注：1為用沃特保水劑配制的混合懸浮液；2為用安信保水劑配制的混合懸浮液；3為用百力特保水劑配制的混合懸浮液。

谷子種?；旌蠎腋∫褐?，保水劑、種子和水的混合比例應(yīng)適當(dāng)，既要保證種子均勻懸浮且穩(wěn)定性良好，又需保證懸浮液流動(dòng)性好，適合排種。為使種粒均勻懸浮，將一定量的種子和水混合后，逐漸增加保水劑用量，并測(cè)定種粒懸浮液的均勻性，保證其均勻性良好的條件下，確定保水劑用量；考慮旱地取水難，在保水劑用量確定后，逐漸增加種粒數(shù)量，保證懸浮液流動(dòng)性良好的條件下，確定種粒數(shù)最大。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，確定谷子種?；旌蠎腋∫褐斜Ｋ畡?、種子、水的質(zhì)量配比為1.1∶10∶200[26]。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，室溫22.8 ℃下，流體排種裝置轉(zhuǎn)速20～73 r/min，用DHR-1型旋轉(zhuǎn)流變儀測(cè)得保水劑懸浮液的黏度為0.23～1.26 Pa·s。

1.2 谷子種?；旌蠎腋∫壕鶆蛐院头€(wěn)定性測(cè)定

按照上述比例配制谷子種?；旌蠎腋∫?，分成6份盛于13 cm×8 cm×7 cm的長方形塑料盒中，液面高度為6 cm，靜置時(shí)長5 h，每隔0.5 h取樣測(cè)其均勻性，具體做法為：將直徑1.2 cm帶有刻度的透明塑料管等間隔垂直插入長方形塑料盒底部，利用大氣壓強(qiáng)原理，手指緊堵上出口取出塑料管后緩慢釋放，每隔2 cm分段滴出懸浮液，如圖2所示，對(duì)每段混合懸浮液中的種子計(jì)數(shù)。

a.混合懸浮液主視圖 a. Main view of mixed suspension b.混合懸浮液俯視圖 b. Top view of mixed suspensionc. 試驗(yàn)操作圖 c. Operating diagram of test

參照GB/T 5918-2008《飼料產(chǎn)品混合均勻度測(cè)定》[27]中飼料混合均勻性計(jì)算方法，將混合懸浮液中種粒數(shù)變異系數(shù)作為懸浮液均勻性的評(píng)價(jià)指標(biāo)，種粒數(shù)變異系數(shù)計(jì)算方法

（2）

（3）

式中X為第個(gè)懸浮液樣本中的種粒數(shù)；為種粒數(shù)均值；為種粒數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；為種粒數(shù)變異系數(shù)，%；為懸浮液樣本總數(shù)。

種粒數(shù)變異系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。由表1可知，配制的谷子種?；旌蠎腋∫红o置0.5 h后種粒數(shù)變異系數(shù)9.8%，懸浮液均勻性良好；懸浮液靜置5 h內(nèi)，種粒數(shù)變異系數(shù)范圍為9.7～10.4%、基本保持不變，種粒5 h內(nèi)不會(huì)隨時(shí)間變化而沉降，懸浮液穩(wěn)定性好。

表1 谷子種?；旌蠎腋∫壕鶆蛐耘c穩(wěn)定性測(cè)定結(jié)果

1.3 谷子種?；旌蠎腋∫簩?shí)用性分析

谷子多數(shù)種植于中國北方旱地，缺少水源，為保證流體播種的實(shí)用性，谷子流體播種時(shí)需用水少以減輕播種機(jī)質(zhì)量。谷子精少量播種需種子4～7 kg/hm2[28]，根據(jù)谷子種?；旌蠎腋∫号渲票壤瑒t流體播種需水80～140 kg/hm2，用水量適當(dāng)；需保水劑0.5～0.8 kg/hm2，折合人民幣22.0～38.5 元/hm2，成本低。故所配制的谷子種?；旌蠎腋∫嚎杀ＷC流體播種的實(shí)用性。

2 流體排種裝置的結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 設(shè)計(jì)要求

本文設(shè)計(jì)的流體排種裝置可完成吸種、輸種、排種作業(yè)，且滿足以下性能要求： 1)調(diào)節(jié)排種裝置轉(zhuǎn)速可改變播種穴距以適應(yīng)不同的土壤墑情； 2)保證每穴谷子種粒2～3粒，利于出苗[5]； 3)排種均勻，需滿足小粒種子穴播技術(shù)要求即穴距合格率≥80.0%、穴粒數(shù)合格率≥75.0%、空穴率≤2.0%、種子破碎率<0.5%[29]； 4)在滿足排種性能的基礎(chǔ)上，盡量保證排種裝置結(jié)構(gòu)緊湊。

2.2 流體排種裝置的基本結(jié)構(gòu)和工作過程

谷子精少量流體排種裝置主要由種箱、限位卡、輸送泵、泵管、三通管、長彎排種管、短彎排種管、末端排種管組成，如圖3所示。其工作過程為：泵管在輸送泵的作用下，抽取種液，經(jīng)三通管分流至長彎、短彎排種管，再經(jīng)三通管匯合，然后由末端排種管排出。輸送泵為排種裝置提供動(dòng)力，改變輸送泵轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)排種量。三通管作用是分流和匯合懸浮液；長彎、短彎排種管有長度差，以提高排種均勻性；末端排種管內(nèi)徑比三通管出口內(nèi)徑小，以減小每滴懸浮液的體積，保證每滴懸浮液中的種粒個(gè)數(shù)；限位卡的作用是防止泵管在輸送泵泵送懸浮液時(shí)而移動(dòng)。

2.3 輸送泵的設(shè)計(jì)

2.3.1 輸送泵基本結(jié)構(gòu)與工作原理

輸送泵是谷子精少量流體排種裝置的關(guān)鍵部分，主要由轉(zhuǎn)子、軸承6001、輸送泵殼體等組成，轉(zhuǎn)子主要由滾輪、滾輪軸、微型軸承MR85zz、轉(zhuǎn)動(dòng)盤、轉(zhuǎn)動(dòng)軸組成，如圖4所示。轉(zhuǎn)動(dòng)盤中心焊接有轉(zhuǎn)動(dòng)軸，隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；滾輪軸焊接于轉(zhuǎn)動(dòng)盤，隨轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)；滾輪、微型軸承、滾輪軸相配合，滾輪可在2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)盤間自由轉(zhuǎn)動(dòng)。輸送泵滾輪長度17 mm，大于泵管外徑，保證泵管被完全擠壓?？紤]所制輸送泵材料的質(zhì)量、剛度、強(qiáng)度、防蝕性等因素，其殼體材料選用高性能熱塑性樹脂PPS，轉(zhuǎn)子材料選用不銹鋼304。

1. 種箱2. 限位卡 3. 輸送泵4. 泵管5. 三通管6. 長彎排種管7. 末端排種管8. 短彎排種管

1. Seed box 2. Limiting clip 3. Delivery pump 4. Pump tube 5. Three-way tube 6. Long bent seed metering tube 7. End seed metering tube 8.Short bent seed metering tube

注：A、B、C為輸送泵在工作狀態(tài)下吸入泵管的谷子種粒混合懸浮液。

Note: A, B and C are mixed suspension of millet seeds in pump tube when pump is working.

圖3 流體排種裝置示意圖

Fig.3 Structure diagram of fluid seed metering device

1. 泵殼1 2. 軸承 3. 轉(zhuǎn)動(dòng)盤4. 泵殼2 5. 泵殼3 6. 滾輪7. 轉(zhuǎn)動(dòng)軸8. 微型軸承9. 滾輪軸10. 泵管

由圖4、5可知，輸送泵工作時(shí)，輸送泵內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)盤隨轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，滾輪隨轉(zhuǎn)動(dòng)盤轉(zhuǎn)動(dòng)并擠壓泵管，泵管沿圓周方向位于殼體與滾輪之間且受擠壓合力的作用，隨著滾輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，先前被擠壓的泵管恢復(fù)原形，使管內(nèi)形成負(fù)壓，將混合懸浮液看成整體，其受到管壁的推力1和因負(fù)壓產(chǎn)生的吸力2而流動(dòng)，在交替擠壓過程中將其排出。泵送懸浮液的整個(gè)過程是滾輪擠壓泵管、管內(nèi)形成負(fù)壓與泵送懸浮液。輸送泵殼體與轉(zhuǎn)子滾輪之間的徑向間隙為3.2 mm，滾輪擠壓泵管時(shí)，因混合懸浮液具有黏性且流動(dòng)性良好，泵管被擠壓處混合懸浮液已移動(dòng)，輸送泵不易損傷種粒。

2.3.2 輸送泵轉(zhuǎn)子滾輪數(shù)目的確定

排種裝置的脈動(dòng)性即輸送泵的脈動(dòng)性，由其自身結(jié)構(gòu)所決定。混合懸浮液被輸送的過程中，由圖3可知，滾輪擠壓泵管形成“流體枕A、流體枕B、流體枕C”，各流體枕被滾輪交替擠壓，泵管內(nèi)的混合懸浮液呈間歇性流動(dòng)狀態(tài)，產(chǎn)生了排種裝置的脈動(dòng)性。為提高排種裝置的排種均勻性，要盡量減小其脈動(dòng)性。

注：v為轉(zhuǎn)子的速度，m·s-1；Q為滾輪對(duì)泵管的擠壓力，N；N1為輸送泵殼體對(duì)泵管的彈力，N；G1為泵管被擠壓處的重力，N；f為滾輪對(duì)泵管的摩擦力，N；f1為殼體對(duì)泵管的摩擦力，N；F為限位卡對(duì)泵管的約束力，N；F1為滾輪對(duì)懸浮液的推力，N；F2為混合懸浮液因負(fù)壓所受吸力，N；f2為混合懸浮液所受阻力，N；G2為該腔混合懸浮液所受重力，N；N2為泵管對(duì)懸浮液的彈力，N。

增大排種裝置的脈動(dòng)頻率可減小排種裝置的脈動(dòng)性。增大脈動(dòng)頻率即增大泵管在輸送泵某一轉(zhuǎn)速下單位時(shí)間內(nèi)的形變次數(shù)。根據(jù)流體蠕動(dòng)傳輸原理，忽略泵管的厚度，僅考慮泵管邊界的形變驅(qū)使混合懸浮液流動(dòng)，則可用二維正弦波模型來表述泵管邊界的形變模型[30-31]，如圖6所示。

注：泵管成軸對(duì)稱性，圖為泵管上邊界的變形。p為泵管的初始半徑，mm；q為波動(dòng)幅值，mm；λ為波長，mm；c為泵管波動(dòng)速度，mm·s-1；m為滾輪擠壓后的泵管半徑，mm；t為波動(dòng)時(shí)間，s。

泵管被滾輪擠壓后的半徑可表示為

泵管半徑變化率可表示為

（5）

式中為泵管的初始半徑，mm；為波動(dòng)幅值，mm；為波長，mm；為泵管波動(dòng)傳播速度，mm/s；為滾輪擠壓后的泵管半徑，mm；為波動(dòng)時(shí)間，s。

由式（5）可知，增加波動(dòng)幅值或減小波長可增大泵管半徑變化率。本文采用減小波長的方法來增大脈動(dòng)頻率，在輸送泵轉(zhuǎn)子直徑不變的前提下，增加其滾輪個(gè)數(shù)可減小波長從而增大了泵管半徑變化率，泵管形變速率加快，即增大了脈動(dòng)頻率，輸送泵脈動(dòng)性降低，其輸送混合懸浮液的均勻性提高。綜合考慮排種均勻性、輸送泵結(jié)構(gòu)型式、加工工藝、制造成本和泵管使用壽命等確定輸送泵轉(zhuǎn)子滾輪個(gè)數(shù)為6個(gè)。

2.4 排種管的設(shè)計(jì)

排種管主要由泵管、長彎排種管、短彎排種管、末端排種管等組成。排種管要求內(nèi)壁摩擦小、適合泵送種?；旌蠎腋∫呵沂褂脡勖L，選用圣戈班TYGON?R- 3603硅膠軟管作為排種管。

2.4.1 排種管直徑的確定

排種過程中，懸浮液充滿排種管，要求排種管內(nèi)徑大于種子最大長度。谷子種子長度、寬度、厚度一般范圍分別為2.14～3.50 mm、1.48～2.09 mm、1.18～ 1.80 mm[32]，且浸泡5 h后測(cè)得谷子種粒長度、寬度、厚度分別增加了1.3%、0.83%、0.14%，變化很小。根據(jù)谷子種子外形尺寸確定泵管內(nèi)徑4.8 mm，壁厚1.6 mm；長彎排種管、短彎排種管、末端排種管內(nèi)徑均為4.0 mm，壁厚1.0 mm；三通管上（下）通口內(nèi)徑4.8 mm，壁厚1 mm，左（右）通口內(nèi)徑6.9 mm，壁厚1 mm。泵管、長彎排種管、短彎排種管、末端排種管為彈性軟管，可直接緊套于三通管，密封效果好。其中泵管與輸送泵轉(zhuǎn)子滾輪直接接觸，要求其彈性好，使用壽命長，故其內(nèi)徑與壁厚均大于長彎、短彎排種管。

農(nóng)藝試驗(yàn)結(jié)果表明，種穴內(nèi)有2～3粒谷子種粒時(shí)，利于出苗[5]。末端排種管內(nèi)徑小于三通管下通口內(nèi)徑，其作用是減小每滴懸浮液的體積，從而減少每滴懸浮液中的種粒個(gè)數(shù)，保證每滴懸浮液中的種粒數(shù)2～3粒。排種管每排出1 mL懸浮液所需滴數(shù)，即排種管滴系數(shù)[33]。末端排種管內(nèi)徑減小，增加其滴系數(shù)，減少了每滴懸浮液體積，從而減少了每滴懸浮液中的種粒數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，混合懸浮液由內(nèi)徑4.8 mm的三通管直接排出，其滴系數(shù)為3.6，每滴懸浮液中平均有種粒4.2粒；內(nèi)徑4 mm的排種管排出，其滴系數(shù)為5.2，每滴懸浮液中平均有種粒2.9粒，符合谷子播種農(nóng)藝要求，故確定末端排種管內(nèi)徑為4 mm。

2.4.2 排種管的組合結(jié)構(gòu)

在輸種過程中，輸送泵滾輪擠壓泵管，為輸送種粒懸浮液提供動(dòng)力，懸浮液克服阻力而流動(dòng)，泵管越長，能量損失越大，輸送泵泵送懸浮液的能力越弱，故泵管長度應(yīng)盡量短；本文兼顧流體排種裝置總體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的泵管長度為700 mm。末端排種管保證每滴懸浮液中的種粒數(shù)，根據(jù)流體排種裝置結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)其長度為20 mm。

輸送泵滾輪交替擠壓泵管時(shí)造成排種管中混合懸浮液間歇性流動(dòng)，形成脈動(dòng)。本文通過設(shè)計(jì)分合式排種管組合結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步減小了流體排種裝置的脈動(dòng)性。由圖3可知，輸送泵工作時(shí)，滾輪擠壓泵管影響懸浮液均勻流動(dòng)，A、B、C三腔中充滿懸浮液，分別將其看成一個(gè)整體，且聚集各腔中間，可知A、B、C三腔中混合懸浮液排出后的間隔為相鄰兩滾輪的間隔即圖6中泵管邊界形變模型中的波長，減小波長可增大輸送泵泵送懸浮液的脈動(dòng)頻率，從而進(jìn)一步減小排種裝置的脈動(dòng)性。本文設(shè)計(jì)長彎排種管、短彎排種管、三通管組合，則混合懸浮液可由三通管分流經(jīng)長彎、短彎排種管后再由三通管匯合至末端排種管排出。長彎、短彎排種管有一定的長度差，則某一腔中的混合懸浮液分流經(jīng)長彎、短彎排種管后流至末端排種管時(shí)形成了一定的路程差，從而改變了波長。

本文設(shè)計(jì)長彎、短彎排種管的長度差為/2=25.6 mm，考慮流體排種裝置總體結(jié)構(gòu)，長彎、短彎排種管長度分別為100 mm、74.4 mm，經(jīng)試驗(yàn)，該結(jié)構(gòu)有效減小了相鄰兩腔混合懸浮液排出后的間隔，從而減小了波長，增大了輸送泵泵送懸浮液的脈動(dòng)頻率，提高了排種均勻性。

3 室內(nèi)排種試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料選用在山西省種植廣泛且產(chǎn)量穩(wěn)定的晉谷21號(hào)，太谷農(nóng)業(yè)科技市場(chǎng)購買，其含水率10.2%，千粒質(zhì)量3.27 g，經(jīng)保水劑處理后的種子發(fā)芽率為92.0%，未處理種子發(fā)芽率為90.5%。

試驗(yàn)設(shè)備為排種試驗(yàn)系統(tǒng)，主要由電機(jī)牽引系統(tǒng)、導(dǎo)軌、黑色橡膠板、流體排種系統(tǒng)組成。電機(jī)牽引系統(tǒng)由12 V直流電機(jī)、調(diào)速器、可移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)、滑輪、牽引繩等組成；流體排種系統(tǒng)主要由12 V直流電機(jī)、12 V直流電源、調(diào)速器、流體排種裝置等組成，如圖7a所示，其中流體排種裝置為一器一行式；其他試驗(yàn)儀器有HS2234非接觸式轉(zhuǎn)速表，轉(zhuǎn)速2.59～999.9 r/min可調(diào)，分辨率：0.1 r/min、卷尺等。

a. 流體排種系統(tǒng)a. Test system of fluid seed metering deviceb. 室內(nèi)排種試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量 b. Measurement of laboratory test data

1. 直流電機(jī) 2.調(diào)速器 3. 流體排種裝置1 4. 流體排種裝置2 5. 直流電源

1.DC motor 2. Governor 3. Fluid seed metering device 1 4. Fluid seed metering device 2 5. DC power

注：a圖中流體排種系統(tǒng)由兩排種裝置串聯(lián)而成，b圖呈現(xiàn)了兩排種裝置的排種分布情況。

Note: The system in fig.a consists of two fluid metering devices which are series connected, fig.b presented metering distribution of two fluid metering devices.

圖7 室內(nèi)排種試驗(yàn)

Fig.7 Seeding test of laboratory

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1 排種均勻性試驗(yàn)測(cè)定

該試驗(yàn)在排種試驗(yàn)系統(tǒng)下完成，流體排種裝置安裝于可移動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，在電機(jī)牽引下以設(shè)定速度作勻速直線運(yùn)動(dòng)，混合懸浮液由排種裝置排至黑色橡膠板，每滴懸浮液作為一穴種子，相鄰兩滴懸浮液幾何中心距離為一穴距，如圖7b所示。本文針對(duì)山西省丘陵山區(qū)的地形特點(diǎn)與旱地谷子免間苗精少量播種的要求，設(shè)定理論穴距5、6.5、8 cm，播種作業(yè)速度2 km/h左右，故設(shè)定排種試驗(yàn)中電機(jī)牽引速度分別為0.3、0.5、0.7 m/s，調(diào)節(jié)排種裝置轉(zhuǎn)速，使其匹配電機(jī)牽引速度以保證試驗(yàn)穴距接近理論穴距，相對(duì)誤差小于10%，經(jīng)大量反復(fù)試驗(yàn)確定排種裝置轉(zhuǎn)速為20～73 r/min。每次試驗(yàn)記錄251穴中的種粒數(shù)，連續(xù)測(cè)量250個(gè)穴距，重復(fù)試驗(yàn)5次，參照NY/T 987-2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[29]，計(jì)算穴粒數(shù)合格率、穴距合格率、空穴率。傳統(tǒng)穴播機(jī)播種穴距控制精確，本文設(shè)計(jì)的流體排種裝置排種后穴距有偏差，試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，理論穴距值±1.5 cm為合格穴距范圍，其中穴距合格率、穴粒數(shù)合格率、空穴率計(jì)算公式如下

式中x為合格穴距個(gè)數(shù)；l為一穴2～3粒谷子種粒的總穴數(shù)；k為一穴0粒谷子種粒的總穴數(shù)；為每次試驗(yàn)測(cè)定總穴數(shù)。

3.2.2 種粒破碎率試驗(yàn)測(cè)定

試驗(yàn)前觀察挑取未損傷的谷子種粒，配制谷子種?；旌蠎腋∫?，待0.5 h，種粒均勻懸浮后，設(shè)定排種裝置轉(zhuǎn)速為20～73 r/min，進(jìn)行靜態(tài)排種試驗(yàn)，在各轉(zhuǎn)速下收集200 mL懸浮液，挑出種粒計(jì)數(shù)，并選出其中破碎損傷的種粒計(jì)數(shù)，重復(fù)試驗(yàn)5次，計(jì)算種粒破碎率。種粒破碎率計(jì)算公式如下

式中為種粒破碎率，%；W為樣本中破損種粒個(gè)數(shù)；W為樣本種?？倲?shù)；Z為種粒原始破碎率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

室內(nèi)排種試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 室內(nèi)排種試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，流體排種裝置在所設(shè)行進(jìn)速度與排種轉(zhuǎn)速下，平均穴距為4.98～8.33 cm，平均穴粒數(shù)為2.48～3.00粒；其中穴距合格率均大于86%，穴粒數(shù)合格率均大于75%，在行進(jìn)速度0.5 m/s，排種轉(zhuǎn)速為40、53 r/min時(shí)空穴率小于2%，以上試驗(yàn)結(jié)果滿足NY/T 987-2006《鋪膜穴播機(jī)作業(yè)質(zhì)量》[33]中小顆粒種子穴播的要求；其余行進(jìn)速度和排種轉(zhuǎn)速下空穴率大于2%且小于4%，有待進(jìn)一步改進(jìn)。當(dāng)排種裝置轉(zhuǎn)速大于60 r/min時(shí)，發(fā)現(xiàn)有損傷的谷子種粒，但損傷的種粒很少（<0.01%），設(shè)計(jì)試制的谷子流體排種裝置不易傷種。

4 田間播種試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件與方法

針對(duì)山西省丘陵山區(qū)的種植模式，本文自制了手推式小型谷子流體播種樣機(jī)，于2016年5月在山西省榆社縣進(jìn)行田間播種試驗(yàn)，如圖8所示。試驗(yàn)地條件：旱地，土壤質(zhì)地為砂壤土，含水率為15.4%；整地后有少量土塊與遺留根茬；播種機(jī)地輪滑移率8.75%，作業(yè)速度0.5 m/s左右；當(dāng)?shù)胤N植制度為一年一熟，播種行距25 cm，開溝深度5 cm。由人推播種機(jī)為其提供動(dòng)力，在排種裝置轉(zhuǎn)速40、53、60 r/min下分區(qū)播種，每小區(qū)面積約0.04 hm2。出苗齊整后每小區(qū)隨機(jī)挑選5行，每行測(cè)量251穴苗株數(shù)，250個(gè)穴距。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，理論穴距值±1.5 cm為合格穴距范圍，每穴出苗2～3株為穴株數(shù)合格，計(jì)算穴株數(shù)合格率、穴距合格率。

a. 播種試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng) a. Site of sowingb. 田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量 b. Measurement of field test data

播種前統(tǒng)計(jì)播種量，待出苗齊整后，將邊長為1 m的正方形框隨機(jī)放置每小區(qū)10次，記錄每平方米內(nèi)的出苗數(shù)，求其均值，換算成小區(qū)面積下的出苗數(shù)，再除以播種量，測(cè)定出苗率。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

田間播種試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 田間播種試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，以谷子流體排種裝置為核心設(shè)計(jì)的小型谷子流體播種機(jī)在人推作業(yè)下，出苗率大于87%；平均穴株數(shù)為2.13～2.65株，平均穴距為5.88～8.53 cm；其中穴距合格率均大于77%；穴株數(shù)合格率均大于74%。田間試驗(yàn)工作環(huán)境劣于室內(nèi)排種工作環(huán)境、種子出苗不全等導(dǎo)致田間試驗(yàn)結(jié)果與室內(nèi)排種試驗(yàn)結(jié)果相差較大。因懸浮液具有黏性，谷子流體播種機(jī)排其至種溝，定位準(zhǔn)確，成穴效果好。

5 結(jié) 論

1）本文選用安信保水劑配制谷子種?；旌蠎腋∫海旌蠎腋∫褐斜Ｋ畡?、谷子種粒、水質(zhì)量比為1.1:10:200，懸浮液靜置5 h內(nèi)，種粒數(shù)變異系數(shù)為9.7～10.4%，且未發(fā)生沉降現(xiàn)象，其均勻性、穩(wěn)定性良好，達(dá)到了谷子流體播種的要求。

2）本文設(shè)計(jì)的谷子流體排種裝置中，6滾輪輸送泵和分合式排種管組合結(jié)構(gòu)減小了流體排種裝置的脈動(dòng)性，提高了排種均勻性。

3）室內(nèi)排種試驗(yàn)表明：流體排種裝置在所設(shè)行進(jìn)速度0.3～0.7 m/s和排種轉(zhuǎn)速20～73 r/min下，平均穴距范圍4.98～8.33 cm，平均穴粒數(shù)范圍2.48～3.00粒，穴距合格率均大于86%，穴粒數(shù)合格率均大于75%，空穴率均小于4%，種粒破碎率低，排種均勻，工作性能可靠。

4）田間播種試驗(yàn)表明：自制的流體播種機(jī)在人推作業(yè)下，平均穴距范圍5.88～8.53 cm，平均穴株數(shù)范圍2.13～2.65株，穴距合格率均大于77%，穴株數(shù)合格率均均大于74%，出苗率大于87%，基本滿足谷子免間苗精少量播種的農(nóng)藝要求。

本文設(shè)計(jì)的谷子流體排種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，試驗(yàn)指標(biāo)基本達(dá)到谷子精少量播種的要求，為谷子流體播種技術(shù)及裝備的研發(fā)提供參考。但是未深入分析谷子種?；旌蠎腋∫涸谳斔瓦^程中的動(dòng)力學(xué)特性，將在下一步工作中繼續(xù)研究探討。

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Design and test of fluid andsmall-amount seed metering device for foxtail millet

Zhang Yanqing1, Cui Qingliang1※, Wang Feng2, Hou Huaming1, Hu Xizhong1

(1030801,;2030800,)

In order to solve the difficulties of sowing for foxtail millet and improve the low germination rate of millet after sowing in dry land of North China,we firstly studied the agricultural requirements of precision drill of millet without thinning out seedlings. We prepared a mixed suspension of foxtail millet using water and agricultural super absorbent polymers, because the agricultural super absorbent polymers can promote crop growth. We did some experiments to find suitable super absorbent polymers and the optimal proportion for mixed suspension according to the requirement of fluid seeding. At the same time we designed a kind ofseed metering device by small-amount liquid for foxtail millet. This paper determined the number of rollers, dimension parameter and combination form of tube. It also expounded sucking seeds,delivering seeds and metering seeds of this seed metering device. This device consists of seed box, delivery pump, pump tube, three-way tube, long bent tube, end drainage tube and short bent tube. The function of delivery pump is providing power for the seed metering device, the function of three-way tube is dividing and combining the mixed suspension, the long bent tube or the short bent tube can improve the uniformity of seeding, and the end drainage tube can decrease every drop volume of mixed suspension to ensure that every drop has 2-3 seeds. Because the delivery pump has impulsive motion, we greatly reduced the impulsive motion of this device by using 6 rollers of .delivery pump and designing the structural style of tube, which has long bent tube, short bent tube,three-way tube and end drainage tube. The length of long bent tube is 100 mm, and the length of short bent tube is 74.4 mm. We also chose the material and diameter of tube. The material of tube is silica gel, which has the advantages of good elasticity and long service life. The diameter of pump tube, long bent tube, short bent tube and end drainage tube is 4.8, 4, 4 and 4 mm,respectively. Finally we designed and conducted the experiments of the uniformity and steadiness for mixed suspension of millet, and the variability coefficient of seed number was adopted. And we performed the performance tests with 4indices adopted, including the percentage of damaged seeds, qualified rate of hill distance, qualified rate of seed number per hill, and rate of no seed hill for seed metering device in laboratory. We also carried out the field experiment of sowing with 3 indices including the qualified rate of hill distance, qualified rate of plant number per hill and seedling emergence rate for this device.The results showed that the suitable agricultural super absorbent polymer was Anxin for preparing the mixed suspension of foxtail millet, and the quality ratio of super absorbent polymers, grain of millet seed and water was 1.1 : 10 : 200 in mixed suspension; the variability coefficient of seed number was 9.8% in this mixed suspension, and was 9.7%-10.4% within 5 hours, and the seeds in mixed suspension had no obvious settlement. The percentage of damaged seeds was less than 0.01%, the qualified rate of hill distance was greater than 86%, the qualified rate of seed number per hill was greater than 75%, and the rate of no seed hill was less than 4% in laboratory test. The qualified rate of hill distance was greater than 77%, the qualified rate of plant number per hill was greater than 74%, and the seedling emergence rate was greater than 87% in field experiment of sowing. The results provide a theoretical reference for the design and analysis of seed metering device by small-amount liquid for small grain seeds.

agricultural machinery; design; experiments; seed metering device; sowing; fluid; foxtail millet; super absorbent polymers

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.003

S223.2+3

A

1002-6819(2017)-12-0020-08

2016-12-20

2017-01-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2016YFD0701801）；山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目（20120311035）

張燕青，男，山西靈石人，博士生，研究方向?yàn)楹底鬓r(nóng)業(yè)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備。太谷 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，030801。 Email：zhangyq0721@126.com

崔清亮，男，山西繁峙人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化關(guān)鍵技術(shù)與裝備的研究。太谷 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，030801。Email：qlcui@126.com

張燕青，崔清亮，王 豐，侯華銘，胡席忠. 谷子精少量流體排種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(12)：20－27. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.003 http://www.tcsae.org

Zhang Yanqing, Cui Qingliang, Wang Feng, Hou Huaming, Hu Xizhong.Design and test of fluid and small-amount seed metering device for foxtail millet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 20－27. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.003 http://www.tcsae.org