種子帶編織機的設(shè)計與試驗研究

李 秀，王家勝，趙 帥，張峰峰，段玉振，劉志波

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

種子帶編織機的設(shè)計與試驗研究

李 秀，王家勝，趙 帥，張峰峰，段玉振，劉志波

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，山東 青島 266109)

針對小粒種子尺寸小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則等特點導(dǎo)致精密播種穩(wěn)定性差及精度低的問題，在國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)該類作物的種植模式和農(nóng)藝要求，設(shè)計了一種適用于小粒種子精密播種的種子帶編織機。該裝備可以連續(xù)實現(xiàn)種子帶的自動進(jìn)給、小粒種子在種子帶的精密排種、種子帶的編織及將編織好的種繩纏繞成輥等功能。通過理論分析，確定了排種器等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并利用單因素試驗和正交試驗研究分析了排種輥筒轉(zhuǎn)速、種子帶進(jìn)給速度和氣室負(fù)壓對排種性能的影響。試驗結(jié)果表明：當(dāng)排種輥筒轉(zhuǎn)速為8～12r/min、對應(yīng)紙帶前進(jìn)速度為0.08～0.12m/s及氣室負(fù)壓為2～2.5kPa時，機器排種性能指標(biāo)獲得最佳值。

種子帶；編織機；氣吸式排種器；精播；小粒種子

0 引言

對于單株定植的經(jīng)濟作物，傳統(tǒng)的撒播和條播方式不僅浪費種子，增加種植成本，而且出苗后還需要繁瑣的人工間苗工作，消耗大量的人力和時間。近年來，國內(nèi)外作物種業(yè)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)育種技術(shù)不斷突破，從而推動種子品質(zhì)不斷提升，優(yōu)質(zhì)種子的高發(fā)芽率為實現(xiàn)作物單粒精密播種創(chuàng)造了條件。但諸如一些中藥材、蔬菜等經(jīng)濟作物的種子因其籽粒小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則等特點導(dǎo)致機械化排種困難，尤其是要求單粒精播時很難確保其播種精度和播種穩(wěn)定性。針對以上矛盾，采用種子帶播種技術(shù)進(jìn)行精播是解決問題的一種有效途徑。種子帶播種技術(shù)最初是由日本引入我國，近年來，研究者結(jié)合國內(nèi)作物的種植需求，對該項技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的改進(jìn)和發(fā)展[1-6]。該項技術(shù)包括種子帶編織技術(shù)和種子帶播種技術(shù)兩個部分。前項技術(shù)是在室內(nèi)利用種子帶編織機將種子均勻精確地播放在可降解種子紙帶上，并將包有種子的紙帶繞成種繩后纏繞成輥；后項技術(shù)是利用專用裝備將成輥的種繩按照既定的播深和行距鋪放埋設(shè)在田間土壤中。

本文主要以胡蘿卜、丹參等小粒種子為研究對象，根據(jù)其種植模式和農(nóng)藝要求，設(shè)計開發(fā)了專用種子帶編織機，并開展了小粒種子的編織播種試驗，優(yōu)化了最佳工作參數(shù)，對于提高小粒種子經(jīng)濟作物精密播種質(zhì)量具有重要的實際工程意義。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

種子帶編織機主要由排種裝置、纏繞裝置、繞輥裝置、傳動裝置和控制裝置等組成，如圖1所示。

1.料斗 2.外槽輪排種器 3.輸種管 4.真空排種器 5.種盒 6.種子帶 7.排種電機 8.風(fēng)機 9.繞輥電機 10.種繩輥 11.種繩 12.纏繞裝置 13.氣壓表圖1 種子帶編織機整機結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Overall structure of the seed tape knitting machine

其中，排種裝置包括料斗、外槽輪排種器、種盒、真空排種器、排種電機及風(fēng)機等；控制裝置基于PLC系統(tǒng)來控制排種電機、繞輥電機及風(fēng)機的啟動和轉(zhuǎn)速等。

種子帶編織機工作過程中，首先將小粒種子倒入料斗內(nèi)，種子通外槽輪排種器作用經(jīng)輸種管下落到種盒中為精密真空排種器供種。通過控制裝置調(diào)節(jié)外槽輪排種器電機轉(zhuǎn)速，使種子排出速度與真空排種器的排種速度一致，從而保持供、排種平衡。

機器啟動后，排種裝置、纏繞裝置、種繩輥及風(fēng)機分別在各自驅(qū)動電機的作用下開始工作；真空排種器外圈面上的吸種孔在內(nèi)腔室負(fù)壓下將種盒中的種子吸附，隨排種器做圓周運動，當(dāng)轉(zhuǎn)動到下方時，靠排種器內(nèi)部橡膠輪的作用將負(fù)壓切斷，種子會在重力作用下掉落。與此同時，紙帶也在種繩輥的牽引下開始運動，在排種器的正下方有一個V型的導(dǎo)向裝置，當(dāng)紙帶運動到該位置時被折疊成V型，真空排種器排出的種子落在紙帶上，隨著紙帶一起運動；當(dāng)進(jìn)入纏繞裝置內(nèi)，繞線輥上的兩根棉線被絞纏在播有種子的種子帶上以增加其強度，并在兩個交錯旋轉(zhuǎn)的繞線輥的作用下，棉線與紙帶一起被捻成種繩；加工成型的種繩在繞輥裝置和擺動裝置的作用下均勻地纏繞在種繩輥上，完成整個種子帶編織過程。

根據(jù)小粒種子精確播種的農(nóng)藝要求，查閱相關(guān)技術(shù)手冊，初步確定本設(shè)計中種子帶編織機的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 機器的主要技術(shù)參數(shù)

2 排種器的設(shè)計

2.1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

排種器作為種子帶編織機的核心部件，其結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計與工作參數(shù)的設(shè)置直接影響著機器的工作質(zhì)量[7]。種子帶編織機的排種器采用氣吸式結(jié)構(gòu)，主要由排種輥筒、拉簧、拉桿及橡膠壓輪等組成，如圖2所示。排種輥筒是由兩端對稱的氣室端蓋和帶有吸孔的吸種輥圈包圍而成的空腔輥筒，并繞輥筒轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。在輥筒空心轉(zhuǎn)軸的一側(cè)開口端經(jīng)軟管與負(fù)壓風(fēng)機相連，工作中，在負(fù)壓風(fēng)機的作用下可確保輥筒腔室處于負(fù)壓狀態(tài)，從而使排種輥筒外表面吸種孔產(chǎn)生一定壓力的吸力，將種盒中的種子吸起。在排種器內(nèi)腔正下方有一個橡膠壓輪，與輥筒轉(zhuǎn)軸相連的拉簧和拉桿組成的彈性連桿機構(gòu)使橡膠壓輪緊貼腔室內(nèi)壁并與排種輥筒一起做摩擦滾動；當(dāng)排種輥筒上的吸種孔轉(zhuǎn)到底端與壓輪接觸時，該孔的負(fù)壓吸力被阻斷，種子靠重力落下完成排種。

1.種盒 2.排種輥筒 3.輥筒轉(zhuǎn)軸 4.拉簧 5.拉桿 6.橡膠壓輪 7.吸種輥圈圖2 排種器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Internal Structure Schematic diagram of the seed metering device

2.2 排種器結(jié)構(gòu)尺寸與工作參數(shù)的確定

排種器的主要結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)包括排種輥筒的直徑、吸種輥圈上的吸種孔徑、吸種孔的數(shù)量及排種輥筒轉(zhuǎn)速等。種子轉(zhuǎn)到輥筒底端開始排種時的水平速度的大小就等于排種輥筒外邊緣的線速度，為了減小種子與種子帶接觸時的慣性影響，輥筒線速度應(yīng)與種子帶前進(jìn)速度v同向切大小相等，從而實現(xiàn)零速投種[8-10]。排種器投種狀態(tài)圖如圖3所示。圖3中，種子投種水平速度計算公式為

(1)

式中n—排種輥筒轉(zhuǎn)速(r/min)；

D—排種輥筒的外徑(mm)；

v—種子投種水平線速度(m/s)。

由于機器正常工作時的生產(chǎn)率為300～500m/h，即種子帶的前進(jìn)速度為0.08～0.14m/s，輥筒的平均轉(zhuǎn)速取為n=10r/min，由式(1)計算得D=150～260mm。綜合分析各因素的影響，最終選用排種器的外徑為D=190mm。

吸種輥圈采用厚度為1mm的不銹鋼材料加工而成。輥圈上加工有吸孔，吸孔的直徑主要由種子的尺寸決定，一般取吸孔直徑d=(0.64～0.66)b。其中，b為種子平均寬度，對于胡蘿卜、丹參等小粒種子丸粒化后其平均粒徑為2～2.5mm；同時，考慮吸孔直徑的大小在一定程度上影響排種器對種子吸附力的大小，吸孔直徑越小，排種器的吸附力也會減小[11]。吸孔直徑太大，容易吸附兩個甚至更多粒種子，造成重播。綜合考慮后，選取吸孔為d=1mm。

當(dāng)排種輥筒實現(xiàn)零速投種后，排種間距只與輥筒直徑和吸種輥圈的吸孔數(shù)量有關(guān)，其關(guān)系為

(2)

式中c—相鄰種子間距(mm)；

N—排種輥圈的吸孔個數(shù)。

不同作物具有不同的株距要求，根據(jù)株距可由上式確定輥圈吸孔的個數(shù)。為了適應(yīng)不同作物的播種要求，排種器排種輥圈設(shè)計為可拆卸更換，針對不同作物更換不同孔徑和不同吸孔個數(shù)的輥圈。

1.種子帶 2.種粒 3.排種輥筒圖3 排種器投種狀態(tài)圖Fig.3 Process of throwing seed

3 種子帶編織機的試驗與分析

3.1 試驗材料與方法

選取包衣丸粒化后的胡蘿卜種子和丹參種子作為試驗對象。根據(jù)小粒種子精密播種的種植模式和種子帶編織的要求，準(zhǔn)備了試驗樣機、紙帶盤、紙帶、轉(zhuǎn)速測試儀等試驗設(shè)備。

參考《GBT 6973-2005 單粒(精密)播種機試驗方法》，選取重播率、漏播率和合格率指數(shù)作為評價種子帶編織機工作性能好壞的指標(biāo)，選取排種輥筒轉(zhuǎn)速、紙帶的前進(jìn)速度、氣室負(fù)壓等作為水平因素，研究各因素對播種效果的影響。

針對種子帶編織機的作業(yè)特點，對各性能指標(biāo)定義如下：

1)合格率。種子帶編織機在工作狀態(tài)下，在規(guī)定株距編織的種子個數(shù)為1粒定義為合格。合格率為

(1)

其中，R為種子帶編織機編織的合格率；A1為10m長種子帶株距為規(guī)定要求下的單粒種子的株數(shù)；A為10m長種子帶株距為規(guī)定要求的所有的種子株數(shù)。

2)重播率。種子帶上每株大于等于2粒種子的株數(shù)定義為重播。重播率為

(4)

其中，Q為種子編織機排種重復(fù)率；A2為10m長種子帶單株出現(xiàn)兩粒及以上種子的株數(shù)。

3)漏播率。在規(guī)定株距要求位置的種子帶上，沒能編織上種子定義為漏播。漏播率為

(5)

其中，L為種子編織機編織的漏播率；A0為10m長種子帶漏播的株數(shù)。

在進(jìn)行試驗時，首先運用控制變量法，對各因素進(jìn)行單因素試驗，考察各個因素的變化規(guī)律；最后通過正交回歸試驗，得出種子帶編織機最佳工作狀態(tài)下的各參數(shù)的組合。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1 排種器轉(zhuǎn)速的影響

分別取排種輥筒的轉(zhuǎn)速為4、6、8、10、12、14、16、18 r/min等8個水平，為確保零速投種，對應(yīng)的紙帶的前進(jìn)速度分別為0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18m/s，排種器的負(fù)壓設(shè)定為2kPa。通過重復(fù)試驗，得到排種輥筒轉(zhuǎn)速(紙帶前進(jìn)速度)對試驗指標(biāo)的影響，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：隨著排種輥筒轉(zhuǎn)速增加，被編織種子帶的排種合格率逐漸下降，這是因為轉(zhuǎn)筒速度增加后降低了排種器的吸附穩(wěn)定性導(dǎo)致合格率下降；但在轉(zhuǎn)速小于12r/min狀態(tài)下，排種合格率能夠保持在95%以上。圖4表明：輥筒轉(zhuǎn)速的增加對于重播率的影響不大，但對漏播率的影響明顯；尤其是超過12r/min后，漏播率迅速增加，這是引起排種合格率下降的主要因素。

圖4 排種器轉(zhuǎn)速對試驗指標(biāo)的影響Fig.4 Effect of the rotating speed of the seed metering device on the test indexes

3.2.2 氣室負(fù)壓的影響

排種器氣室負(fù)壓也是影響種子帶編織機作業(yè)效果的重要因素，設(shè)定排種器的轉(zhuǎn)速為12r/min，種子帶編織機的前進(jìn)速度設(shè)定為0.12m/s。選取排種器的工作負(fù)壓分別為1.0、1.5、2.0、 2.5、3.0 kPa等5個水平進(jìn)行試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)，得出排種器的工作負(fù)壓對試驗指標(biāo)的影響，如圖5所示。

圖5 排種器的工作負(fù)壓對試驗指標(biāo)的影響Fig.5 Effect of negative pressure on the test indexes of seed metering device

圖5顯示：隨著氣室負(fù)壓的增加，排種器排種合格率先增加、后降低，在負(fù)壓范圍2～2.5kPa間，排種合格率達(dá)到峰值，且均高于95%；對于漏播率來時，氣壓較低時，由于吸附力不夠，會導(dǎo)致漏播率升高，但負(fù)壓值高于2kPa后，漏播率可穩(wěn)定在2%以下；重播率會隨著氣室負(fù)壓值的增加而增大，這是因為吸附力的增大會增加吸附兩粒或多粒種子的機會。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié)論

通過上述因素變化對合格率的影響可得：試驗的3個因素的適宜取值范圍分別為排種器轉(zhuǎn)速8～12r/min，對應(yīng)紙帶前進(jìn)速度的取值范圍0.08～0.12m/s，排種器氣室負(fù)壓的取值范圍2～2.5kPa。在該范圍內(nèi)再進(jìn)行進(jìn)一步正交試驗驗證得出：排種器的轉(zhuǎn)速為11r/min、紙帶前進(jìn)速度為0.11m/s、工作負(fù)壓為2kPa時，編織機排種合格率為96%，漏播率和重播率均控制在3%以下。

4.2 展望

1)在研究的過程中發(fā)現(xiàn)，排種器的吸孔間距也是影響機器工作精度的重要因素，研究吸孔的分布規(guī)律對種子帶編織機的工作精度的影響可進(jìn)一步優(yōu)化機器的設(shè)計方案，提高機器工作性能。

2)單粒播種受到種子發(fā)芽率的約束，針對發(fā)芽率較低的小粒種子或者要求多粒播種的情況，研究實現(xiàn)單株定量種粒精確播種技術(shù)是提高種子帶播種裝備適應(yīng)性的有效途徑。

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Design and Experimental Research on the Seed Tape Knitting Machine

Li Xiu, Wang Jiasheng, Zhao Shuai, Zhang Fengfeng, Duan Yuzhen, Liu Zhibo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

To resolve the poor precision seeding quality of the small plant seeds caused by their lightly weight, small size and irregular shapes, according to the agricultural requirement of these plants, a seed tape knitting machine which used to precision seeding of small plant seeds was designed based on the researches from domestic and overseas. The functions that seed belt feeding automatically, precision seeding on belt, tape knitting to rope and seed rope rolling can be implemented continually by this machine. The structure parameters of the seed metering device were obtained through theoretical analysis.Effects of rotating speed and negative pressure of the seed metering device on the test indexes were studied by the tests. The results show that the performance indexes of the machine achieve the optimum when the speed of seed metering device is 8-12r/min, the speed of seed belt running is 0.08-0.12m/s, and the negative pressure of vacuum room is 2-2.5kPa.

seed tape; knitting machine; vacuum seed meter device; precision seeding; small seeds

2017-01-06

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(SDAIT-20-05，SDAIT-05-10)

李 秀(1992-),女，山東青島人，碩士研究生，(E-mail) 1145944244@qq.com。

王家勝(1976-)，男，山東沂源人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail )jiasheng0813@163.com。

S233.1

A

1003-188X(2018)02-0174-05