小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

玄冠濤，邵園園，侯加林，王連文，呂釗欽，史春余，劉中正

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物學(xué)博士后流動(dòng)站，山東 泰安 271018；3.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東 博興 256500)

小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

玄冠濤1，2，邵園園1，侯加林1，王連文3，呂釗欽1，史春余2，劉中正1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物學(xué)博士后流動(dòng)站，山東 泰安 271018；3.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東 博興 256500)

目前，國(guó)內(nèi)溫室大棚蔬菜穴盤(pán)人工播種費(fèi)時(shí)費(fèi)力、生產(chǎn)效率低，現(xiàn)有機(jī)型對(duì)蔬菜穴盤(pán)播種適應(yīng)性差，不能滿(mǎn)足中小蔬菜種植戶(hù)的輕簡(jiǎn)、低成本要求。為此，設(shè)計(jì)了一種小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)，整機(jī)采用全氣力驅(qū)動(dòng)和氣針播種，能連續(xù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)盤(pán)、打穴與單粒播種，通過(guò)更換播種針頭的數(shù)量和型號(hào)，可適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤(pán)規(guī)格。為提高樣機(jī)開(kāi)發(fā)速度和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，基于SolidWorks軟件對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)與三維建模，建立了小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)虛擬樣機(jī)，進(jìn)而自動(dòng)生成平面二維工程圖進(jìn)行樣機(jī)的生產(chǎn)加工。最后，對(duì)番茄等蔬菜種子進(jìn)行播種試驗(yàn)，結(jié)果表明：小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)的單粒率水平在91%以上，滿(mǎn)足了蔬菜穴盤(pán)精播育苗的要求。

蔬菜；精密播種機(jī)；穴盤(pán)

0 引言

我國(guó)蔬菜種植面積2 000萬(wàn)hm2，總產(chǎn)量達(dá)7億t，是世界最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)[1-2]。育苗是蔬菜種植的重要環(huán)節(jié)，采用穴盤(pán)育苗，能保證育苗質(zhì)量和成活率，便于集中管理，已成為蔬菜栽培的主要育苗方式。但蔬菜種子籽粒小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則，人工播種費(fèi)時(shí)費(fèi)力，播種效率很低。與人工播種相比，穴盤(pán)育苗精播機(jī)效率高、播種質(zhì)量好、節(jié)省種子，有效降低了種植成本，滿(mǎn)足了工廠(chǎng)化育苗需要，有力促進(jìn)了蔬菜的移栽生產(chǎn)。

與機(jī)械播種相比，氣力播種較易實(shí)現(xiàn)單粒點(diǎn)播，且不傷種、對(duì)種子的適應(yīng)性強(qiáng)，在穴盤(pán)精量播種作業(yè)中應(yīng)用廣泛。國(guó)外代表機(jī)型(如美國(guó)Blackmore、英國(guó)Hamilton的針管播種機(jī)，澳大利亞Williames及荷蘭Visser等公司生產(chǎn)的滾筒式精密播種機(jī))智能化、自動(dòng)化水平高，但價(jià)格昂貴，適合大規(guī)模農(nóng)場(chǎng)作業(yè)[3-5]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的穴盤(pán)育苗精密播種機(jī)的代表機(jī)型有夏紅梅等設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的氣力板式精播機(jī)、陳進(jìn)等研制的氣吸振動(dòng)滾筒式精密播種機(jī)、浙江臺(tái)州一鳴機(jī)械生產(chǎn)的氣吸針式穴盤(pán)育苗精密播種機(jī)等[6-8]。目前，國(guó)內(nèi)的蔬菜機(jī)械播種技術(shù)還比較落后，現(xiàn)有機(jī)型仍然以借鑒國(guó)外技術(shù)為主，存在播種精度低及通用性差等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足我國(guó)中小蔬菜種植戶(hù)對(duì)播種機(jī)械的輕簡(jiǎn)、低成本要求。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)，整機(jī)采用全氣力驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)盤(pán)、打穴與單粒播種連續(xù)工作。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，可更換播種針頭的數(shù)量和型號(hào)，以適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤(pán)規(guī)格。同時(shí)，通過(guò)穴盤(pán)精密播種機(jī)關(guān)鍵部件和整機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本。

1 小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)主要由穴盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu)、吸排種裝置、步進(jìn)裝置、壓穴裝置、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)、機(jī)架和種盒及振動(dòng)器等組成，具有自動(dòng)進(jìn)盤(pán)、打穴及播種等功能，適合于溫室大棚等中小蔬菜種植戶(hù)使用。

整機(jī)由小型空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力，利用氣動(dòng)行程開(kāi)關(guān)啟動(dòng)裝置、氣缸進(jìn)給機(jī)構(gòu)使穴盤(pán)按照要求不斷移動(dòng)，伸縮氣缸機(jī)構(gòu)帶動(dòng)壓穴裝置在移動(dòng)的穴盤(pán)上順序壓好指定深度種穴，擺動(dòng)氣缸機(jī)構(gòu)使播種針頭在種盒和落種槽間擺動(dòng)；當(dāng)播種針頭擺動(dòng)至種盒時(shí)，在氣動(dòng)振動(dòng)器作用下種盒內(nèi)種群“沸騰”，播種針頭進(jìn)行負(fù)壓吸種；當(dāng)播種針頭擺動(dòng)至落種槽上方時(shí)，進(jìn)行正壓排種，并通過(guò)播種管落到穴盤(pán)中。各工作部件氣動(dòng)邏輯關(guān)系如圖2所示。

1.穴盤(pán)托架 2.穴盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu) 3.穴盤(pán) 4.步進(jìn)裝置 5.壓穴裝置 6.擺動(dòng)機(jī)構(gòu) 7.吸種裝置 8.種盒 9.振動(dòng)器 10.控制總成 11.機(jī)架總成圖1 小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure schematic of small vegetable plug tray precison seeder

①打穴 ②吸種 ③進(jìn)盤(pán) ④排種圖2 工作部件氣動(dòng)邏輯關(guān)系Fig.2 Pneumatic logic relation of working parts

1.2 性能特點(diǎn)

為滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)溫室大棚中小蔬菜種植戶(hù)的要求，整機(jī)設(shè)計(jì)以小型、輕便為主，采用高強(qiáng)度鋁合金型材進(jìn)行制造，防腐耐用，搬運(yùn)省時(shí)省力，1人即可完成。整機(jī)工作采用氣動(dòng)元件自動(dòng)控制完成，操作簡(jiǎn)單，易于掌握；工作動(dòng)力小，僅需1臺(tái)小型空氣壓機(jī)作動(dòng)力，主機(jī)工作裝置無(wú)需另外接電，節(jié)能又安全；作業(yè)效率高，2～3人操作8h，每天至少育苗可達(dá)10萬(wàn)株以上；配套了多種孔徑的可換播種針頭，適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤(pán)規(guī)格的精密播種。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 數(shù)字化設(shè)計(jì)

根據(jù)氣吸針式穴盤(pán)育苗精播機(jī)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和工作要求，利用CAD/CAE軟件SolidWorks進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)，流程如圖3所示。

圖3 小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)流程Fig.3 Digital design of small vegetable plug tray precison seeder

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與建模

建立小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)的關(guān)鍵部件壓穴機(jī)構(gòu)、穴盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu)及氣吸針式播種裝置SolidWorks三維模型，進(jìn)行部件的干涉檢查，優(yōu)化各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)。

2.1 壓穴機(jī)構(gòu)

設(shè)計(jì)一種氣動(dòng)壓穴機(jī)構(gòu)三維模型，伸縮氣缸帶動(dòng)壓穴架和壓穴桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓穴動(dòng)作，如圖4所示。通過(guò)彈簧、彈簧桿對(duì)壓穴機(jī)構(gòu)的緩沖和導(dǎo)向作用，保證了壓穴質(zhì)量，壓穴架上的落種管孔與播種管滑動(dòng)配合，提高落種準(zhǔn)確度，更換壓穴桿可滿(mǎn)足不同作物的壓穴要求。

1.彈簧桿 2.直線(xiàn)軸承 3.伸縮氣缸 4.彈簧 5.固定架 6.壓穴桿 7.壓穴架圖4 壓穴機(jī)構(gòu)Fig.4 Indenting mechanism

2.2 穴盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu)

進(jìn)行穴盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu)的三維建模，進(jìn)給氣缸帶動(dòng)與其固連的頂桿進(jìn)而推動(dòng)穴盤(pán)進(jìn)給，如圖5所示。頂桿中間段有折彎段，使頂桿兩端呈鈍角，可以避免進(jìn)給氣缸安裝時(shí)傾斜角過(guò)大，利于頂桿的推進(jìn)。其行程由限位開(kāi)關(guān)控制，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿可以調(diào)節(jié)進(jìn)給氣缸架的俯仰角。

1.進(jìn)給氣缸 2.進(jìn)給氣缸架 3.頂桿 4.限位開(kāi)關(guān) 5.固定架 6.調(diào)節(jié)桿 7.下托盤(pán)圖5 穴盤(pán)進(jìn)給機(jī)構(gòu)Fig.5 Plug tray feed mechanism

2.3 氣吸針式播種裝置

為避免漏播、重播，提高播種精度，設(shè)計(jì)氣吸針式播種裝置，主要包括播種針頭、播種管、氣動(dòng)振動(dòng)器、種盒及擺動(dòng)氣缸機(jī)構(gòu)等。擺動(dòng)氣缸帶動(dòng)擺動(dòng)桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)安裝在集氣管上的播種針頭擺動(dòng)到振動(dòng)種盒上方時(shí)負(fù)壓吸種，擺動(dòng)到落種槽上方時(shí)正壓排種，此時(shí)滾珠式氣動(dòng)振動(dòng)器停止振動(dòng)。其三維建模如圖6所示。

1.擺動(dòng)氣缸 2.連接板 3.擺動(dòng)桿 4.種盤(pán) 5.播種針頭 6.落種槽 7.集氣管 8.集氣管固定塊 9.種盤(pán)調(diào)節(jié)件 10.支撐架 11.橫梁 12.氣動(dòng)振動(dòng)器 13.落種管 14.滑套圖6 氣吸針式播種裝置Fig.6 Air sucking needle type seeding device

作為核心結(jié)構(gòu)的播種針頭(見(jiàn)圖7)，采用一體式直通方式，吸嘴設(shè)計(jì)為有內(nèi)部階梯孔的錐端結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)壓力和節(jié)約能耗，提高了吸種精度。通過(guò)更換播種針頭的數(shù)量和型號(hào)，可適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤(pán)規(guī)格，滿(mǎn)足了中小蔬菜種植戶(hù)多品種蔬菜種植要求。

1.固定接頭 2.氣壓孔 3.密封凹槽 4.吸種體 5.錐形孔 6.吸種孔圖7 播種針頭Fig.7 Air sucking needle

3 虛擬樣機(jī)裝配與檢驗(yàn)

完成小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)主要工作部件SolidWorks三維建模后，再依次進(jìn)行機(jī)架等其它零部件的三維建模，并裝配成小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)整機(jī)，如圖8所示。

圖8 小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)虛擬樣機(jī)Fig.8 Virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder

4 工程圖生成

對(duì)小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)虛擬樣機(jī)進(jìn)行干涉檢查無(wú)誤后自動(dòng)生成二維工程圖(見(jiàn)圖9)，并進(jìn)行相關(guān)零部件的數(shù)控加工，最終生產(chǎn)出合格的物理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造一體化。

圖9 小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)工程圖Fig.9 2D drawing of small vegetable plug tray precison seeder

5 蔬菜穴盤(pán)播種試驗(yàn)

蔬菜穴盤(pán)播種試驗(yàn)在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜種植基地進(jìn)行，試驗(yàn)穴盤(pán)規(guī)格為128穴/盤(pán)，試驗(yàn)用種為番茄種子，選用孔徑為0.4mm的播種針頭，以80盤(pán)/h的速度進(jìn)行連續(xù)播種試驗(yàn)，并隨機(jī)抽取6盤(pán)，分別統(tǒng)計(jì)只有單粒種子、多粒種子及沒(méi)有種子的穴孔數(shù)，進(jìn)而根據(jù)式(1)～式(3)計(jì)算單粒率、重播率和漏播率。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

(1)

(2)

(3)

其中，n1為單粒種子穴數(shù)；n2為多粒種子穴數(shù)；n3為沒(méi)有種子穴數(shù)；N為穴盤(pán)總穴數(shù)。

表2 蔬菜穴盤(pán)播種試驗(yàn)

穴盤(pán)播種試驗(yàn)結(jié)果表明:小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)的單粒率水平在91%以上，滿(mǎn)足了蔬菜穴盤(pán)精播育苗的要求。

6 結(jié)論

1) 小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)采用全氣力驅(qū)動(dòng)和氣針播種,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)盤(pán)、打穴與單粒播種連續(xù)工作。該機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便、易操作，適應(yīng)不同作物、不同穴盤(pán)規(guī)格的育苗作業(yè)，滿(mǎn)足了溫室大棚等中小蔬菜種植戶(hù)的要求。

2) 基于SolidWorks軟件，對(duì)小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)關(guān)鍵部件和整機(jī)進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本。

3) 蔬菜穴盤(pán)播種試驗(yàn)表明：小型蔬菜穴盤(pán)精密播種機(jī)的單粒率水平在91%以上，滿(mǎn)足了蔬菜穴盤(pán)精播育苗的要求。

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Design and Test of Small Vegetable Plug Tray Precison Seeder

Xuan Guantao1,2, Shao Yuanyuan1, Hou Jialin1, Wang Lianwen3, Lv Zhaoqin1,Shi Chunyu2, Liu Zhongzheng1

(1.Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University/Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai’an 271018, China; 2.Postdoctoral Station of Crop Science, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 3.Chambroad Chemical Industry Research Institute Co.LTD., Boxing 256500, China)

Greenhouse vegetable tray manual seeding is time-consuming, low production efficiency.The existing seeders are also unfit for different forms of vegetable seeds and plug tray size which can not meet the small vegetable growers of lightweight and low cost requirements in china. In this paper, a small vegetable plug tray precision seeder was designed by using pneumatic drive and needle seeding, which could automatically feed, indent and sow with the single grain with different seeding needles. In order to improve design quality and shorten the product development cycle, The key components of plug tray precison seeder were designed and modeled with the solidworks software. The virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder was established, and the plane 2D engineering drawings were automatically generated, which used for machining the parts and seeder. Finally, the seeding test was conducted and results showed that the single grain rate of the small vegetable plug precision seeding machine was more than 91%, which meet the requirements of the precision seeding.

vegetable; pecison seeder; plug tray

2016-11-27

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31671632)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BS2015NY012)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016GNC112007)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(SDAIT-02-021-09)；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014)

玄冠濤(1979-)，男，山東萊蕪人，講師，博士，(E-mail)xuangt@sina.com。

邵園園(1980-)，女，山東濟(jì)寧人，講師，博士，(E-mail)xoyo111@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2018)02-0085-05