氣力槽輪組合式蔬菜精密排種器吸嘴型孔設計與試驗

尹文慶 趙 璐 李 驊 胡 飛 於海明

(1.南京農(nóng)業(yè)大學工學院， 南京 210031； 2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 南京 210031)

0 引言

蔬菜機械化播種成為近年來研究的熱點問題，精密播種保證種子在規(guī)定的穴距、行距下能夠實現(xiàn)每穴一粒，保證種子高效利用與合理分布[1-4]。排種器是實現(xiàn)精密播種的關鍵部件，主要分為機械式和氣力式[5]。蔬菜種子籽粒小、質(zhì)量輕，氣力式精密排種器不易傷種且易保證每穴一粒，可滿足蔬菜播種需求[6-7]。國外對于小顆粒種子的精密播種技術研究已經(jīng)比較成熟，多采用氣力式結構[8]，具有代表性的產(chǎn)品有美國滿勝公司的MONOSEM氣吸式播種機、英國StanHay公司生產(chǎn)的S-780蔬菜氣吸式直播機等。國內(nèi)廖慶喜等[9]針對油菜等小籽粒種子設計了氣力式油菜精量排種器，夏紅梅等[10]研制了氣力板式排種器，符耀明等[11]設計了氣力滾筒式排種器等，獲得了良好的排種效果。吸嘴型孔是氣力式排種器的關鍵要素之一[12]，近年來研究人員開始著眼于吸嘴設計。如為氣力式水稻精量排種器設計了錐形、球形和圓柱形等窩眼，證明了影響排種性能的最主要因素是窩眼形狀[13]。再如設計四棱臺結構吸嘴，解決谷子氣吸式排種盤播種時傷種、堵塞及成穴性差的問題[14]。還有相關人員采用ANSYS對吸孔的氣流場進行分析，得到吸嘴形狀、尺寸及導程對排種效果的影響規(guī)律[15]。而目前針對異形蔬菜種子吸嘴型孔的研究相對較少。

本文設計一種氣力槽輪組合式蔬菜精密排種器，以實現(xiàn)多種類型蔬菜種子的精密排種。選取青菜、蘿卜及茄子3種形狀具有代表性的種子，以種子的三軸尺寸為依據(jù)設計多種吸嘴型孔，進行不同氣室真空度與排種盤轉速下的排種性能試驗，以合格率、重播率和漏播率為試驗指標，得出各類種子的最優(yōu)排種吸嘴型孔，為不同類型蔬菜種子的高效、精密播種提供相關依據(jù)。

1 氣力槽輪組合式蔬菜精密排種器設計

1.1 排種器結構與工作原理

氣力槽輪組合式蔬菜精密排種器主要由排種盤、定盤、吸嘴、種箱、清種刷、排種槽輪和投種裝置組成，如圖1所示。動力通過聯(lián)軸器、排種軸驅動排種盤轉動。排種盤、定盤及排種軸三者形成負壓氣室，在定盤上安裝有負壓和正壓接口，負壓及正壓接口通過氣壓緩沖箱與風機進出口相接。在排種盤與定盤之間、定盤與排種軸之間、正壓口與排種盤之間均安裝有密封圈，保障氣室負壓穩(wěn)定。吸嘴與排種盤通過螺紋連接，根據(jù)種子情況進行更換。排種槽輪安裝在排種盤右下方。

圖1 排種器結構示意圖Fig.1 Structure diagrams of metering device 1.排種盤 2.定盤 3.負壓口 4.排種軸 5.正壓口 6.投種裝置 7.攪種軸 8.種箱 9.吸嘴 10.清種刷 11.排種槽輪Ⅰ.負壓區(qū) Ⅱ.正壓區(qū) Ⅲ.投種區(qū) Ⅳ.吸種區(qū)

排種器工作時，啟動風機，形成穩(wěn)定的氣壓，同時在吸嘴處形成氣流吸附種子。排種槽輪順時針轉動，將種箱內(nèi)的種子排向吸種區(qū)，在吸種區(qū)形成少量種子，排種軸帶動排種盤逆時針旋轉，由于排種盤及排種槽輪的轉動，使吸種區(qū)的種子處于運動狀態(tài)，有利于吸種。排種盤的吸種量小于排種槽輪的排種量，排種槽輪可將多余種子回排到種箱，保證吸種區(qū)的種量不會積累過多。吸附的種子隨著排種盤轉動到投種區(qū)域時，吸嘴氣流通道與氣流正壓口接通，在正壓氣流的作用下將種子排出。

1.2 蔬菜種子三軸尺寸的測量

試驗選用種植范圍較廣且形狀不同的青菜、蘿卜、茄子種子，品種分別為“矮萁蘇州青”、“意大利馬耳甜中蘿卜”、“杭茄一號”。青菜種子類似球形；蘿卜種子類似橢圓或卵圓形，厚度稍扁；茄子種子類似圓形薄片。為保證排種器吸嘴每次只能吸附一粒種子，吸嘴需要根據(jù)每種種子的實際尺寸進行設計，因此需要測量種子的長度、寬度、厚度及球度。運用三維激光掃描測量平臺得到蔬菜種子的三維點云數(shù)據(jù)，通過算法進行處理后獲取三軸尺寸，具體步驟為：點云獲?。稽c云預處理(點云濾波、平滑、坐標系標準化)；種子的長、寬、厚計算(采用方向包圍盒算法(Oriented bounding box, OBB))；球度計算。OBB計算方法為：在所有點云數(shù)據(jù)中尋找到X、Y、Z三維坐標的最大點和最小點，得到xmax、xmin、ymax、ymin、zmax、zmin6個坐標值，計算長度、寬度、厚度及球度，公式為

l=xmax-xmin

(1)

b=ymax-ymin

(2)

h=zmax-zmin

(3)

(4)

式中l(wèi)——種子長度，mm

b——種子寬度，mm

h——種子厚度，mm

Sp——種子球度[16]，球體的球度為1，測量物體與球體外形差距越大球度越小

3種蔬菜種子分別隨機選取100粒進行測量，測量結果如表1所示。3種種子三軸尺寸及球度的統(tǒng)計值均近似符合正態(tài)分布。青菜種子尺寸較小且三軸差別也小，球度最大，變異系數(shù)最??；蘿卜種子尺寸較大且三軸均有一定差別，球度稍小，變異系數(shù)最大；茄子種子的長寬較大、厚度小，球度最小，為圓形薄片。

表1 蔬菜種子三軸尺寸測量結果Tab.1 Triaxial size measurement results of vegetable seeds

由圖2的三軸尺寸頻數(shù)分布情況及累計百分比可得，85%以上的青菜種子長度、寬度及厚度在1.5～1.8 mm、1.4～1.7 mm、1.3～1.6 mm范圍內(nèi)；85%以上的蘿卜種子長度、寬度及厚度在2.8～3.7 mm、1.9～2.8 mm、1.3～2.2 mm范圍內(nèi)；85%以上的茄子種子長度、寬度及厚度在2.7～3.3 mm、2.1～2.7 mm、0.6～1.2 mm范圍內(nèi)。由圖3可知，85%以上的青菜、蘿卜、茄子種子的球度范圍在0.93～0.99、0.69～0.78、0.60～0.66。

圖2 蔬菜種子三軸尺寸分布圖Fig.2 Triaxial size distribution diagram of vegetable seeds

1.3 吸嘴型孔設計

蔬菜種子質(zhì)量較輕且形狀不規(guī)則，排種過程中吸嘴吸附單粒種子后將留有一些間隙，即使氣流較小也可能引起多吸，需要設計合理的結構及尺寸來改善這種現(xiàn)象，因此所設計的吸嘴應與種子的外形貼合度較高。吸嘴的內(nèi)孔連接至排種盤內(nèi)部氣室，內(nèi)孔直徑過大種子易進入氣室造成堵塞，過小則影響吸附能力。據(jù)相關試驗證明，對于類球形種子來說，吸嘴內(nèi)孔直徑與種子的平均寬度相關[14]，其范圍為

d=(0.64～0.66)bz

(5)

式中d——吸嘴內(nèi)孔直徑，mm

bz——種子平均寬度，mm

青菜種子籽粒飽和，球度較高，內(nèi)孔直徑的取值可采用上述方法，計算得到平均寬度為1.56 mm，根據(jù)式(5)得出吸嘴內(nèi)孔直徑的范圍為0.998～1.030 mm，綜合各方面因素考慮取1.0 mm。吸嘴型孔設計為直孔、錐形孔、圓柱孔，如圖4所示。直孔孔徑即吸嘴內(nèi)孔直徑d=1.0 mm。錐形孔入口直徑以最小青菜種子的球心處于吸嘴外端面來設計，圖4b中半徑為r的圓代表最小青菜種子，r取最小寬度的一半即0.67 mm，錐角為90°，由幾何關系可得

(6)

D1=2H1+d

(7)

式中H1——錐形孔深度，mm

D1——錐形孔入口直徑，mm

圖4 青菜種子吸嘴結構示意圖Fig.4 Structure diagrams of three suction nozzles of pakchoi seed

圖5 蘿卜種子吸嘴結構示意圖Fig.5 Structure diagrams of four suction nozzles of radish seed

蘿卜種子三軸有一定的差別，球度稍小，計算得到種子的平均寬度為2.48 mm，根據(jù)式(5)得出吸嘴內(nèi)孔直徑的范圍為1.587～1.639 mm，取d=1.6 mm。吸嘴型孔設計為直孔、錐形孔、圓柱孔、腰圓孔，如圖5所示。直孔孔徑d=1.6 mm。由于蘿卜種子長寬有一定差別，錐形孔入口直徑以種子平均寬度為直徑的球的球心處于吸嘴外端面來設計，圖5b中R為二分之一的種子平均寬度，錐角為90°，根據(jù)上述幾何關系可得深度H1=0.95 mm，入口直徑D1=3.5 mm。圓柱孔入口直徑D2=lrz+Δl

茄子種子長寬較大，厚度很小，球度較小，類似圓盤狀。由于吸扁平種子時吸嘴內(nèi)孔直徑應比式(5)計算結果稍小一些[18]，內(nèi)孔直徑取種子的平均厚度，即0.9 mm。吸嘴型孔設計成直孔、錐形孔、圓柱孔，如圖6所示。直孔孔徑為吸嘴內(nèi)孔直徑，即d=0.9 mm。為防止吸多粒種子，錐形孔及圓柱孔入口直徑應小于最小長度及寬度。錐形孔入口直徑取D1=1.3 mm，錐角為90°，由幾何關系得到深度H1=0.2 mm。圓柱孔入口直徑D2=1.3 mm，深度H2=0.2 mm。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗裝置

圖6 茄子種子吸嘴結構示意圖Fig.6 Structure diagrams of three suction nozzles of eggplant seed

試驗臺由氣力槽輪組合式排種器、傳送帶、變頻調(diào)速器(型號BT40D1.5KWT，功率1.5 kW)、高壓旋渦風機(型號HG-1500S，功率1.5 kW，最大風壓27 kPa)、風機變頻器(LK350-2.2G3，功率2.2 kW)、負壓表(膜盒壓力表，范圍-10～0 kPa)、正壓表(膜盒壓力表，范圍0～1 kPa)、主電機(型號AM-370L-B/BL2-104L，功率370 W)、小電機(型號ZGB37RG47.5i，功率10 W)、電機支架等組成，如圖7所示。其中調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器可以改變傳送帶的速度，從而模擬拖拉機不同的田間行駛狀態(tài)。風機為排種器提供正負壓，通過調(diào)節(jié)風機變頻器改變真空度，小電機控制種箱內(nèi)排種槽輪的轉動，電機變頻器控制主電機轉速，經(jīng)由減速器降速帶動排種軸低速旋轉，從而帶動排種盤轉動。

圖7 試驗裝置Fig.7 Test device

2.2 試驗因素與指標

為了獲取最優(yōu)排種性能，選取氣室真空度、排種盤轉速及吸嘴型孔類型3項關鍵因素進行排種試驗[19]，因素水平如表2所示。根據(jù)農(nóng)藝要求，青菜及蘿卜播種采取穴播方式，穴距分別為15、20 cm。茄子屬于果菜類蔬菜，播種方式多為育苗移植[20]，穴距為5 cm。負壓氣室真空度設定為2、3、4、5、6、7 kPa 6個水平。排種盤轉速、傳送帶速度及理論粒距的關系為

(8)

式中v——傳送帶速度，km/h

Z——排種盤吸嘴個數(shù)，為10

s——理論粒距，m

n——排種盤轉速，r/min

選取排種盤轉速為15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5 r/min，青菜、蘿卜、茄子種子排種試驗對應的傳送帶速度為：1.35～2.48 km/h、1.80～3.30 km/h、0.45～0.83 km/h。

表2 因素水平Tab.2 Levels of test factors

試驗采用GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，試驗指標為合格率(單粒率)Q、重播率E、漏播率M。

2.3 氣室真空度試驗結果與分析

試驗前在傳送帶上涂一層糯米膠，使種子落下后可以粘在傳送帶上，方便統(tǒng)計數(shù)據(jù)，每組試驗連續(xù)記錄180穴種子的穴粒數(shù)。調(diào)節(jié)排種盤轉速為20 r/min，分別用青菜、蘿卜、茄子種子對應的直孔吸嘴進行氣室真空度的單因素試驗，每類種子試驗時將真空度調(diào)節(jié)為2、3、4、5、6、7 kPa，每組試驗重復3次取平均，試驗結果如圖8所示。

由圖8可知，3種種子的重播率都隨著氣室真空度的增大而上升，在5～7 kPa時劇增；漏播率隨著真空度的增大逐漸下降，在2～4 kPa時，青菜與蘿卜排種漏播率急劇下降，茄子種子在2～3 kPa時下降明顯；合格率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。青菜、蘿卜和茄子排種合格率大于90%的氣室真空度范圍為：3～5 kPa、4～5 kPa、2～5 kPa，且在真空度為4、5、3 kPa時，青菜、蘿卜和茄子的排種合格率達到最大，分別為93.9%、91.3%、93.7%。這是由于當氣室真空度較低時，吸種孔氣流不足，排種盤經(jīng)過吸種區(qū)后種子不易吸附到吸嘴上，即使吸附也易在轉動過程中掉落至種箱，使得漏播率較大；當真空度達到適宜范圍時，氣流對種子的吸附力度較為合適，此時的漏播與重播都較小，合格率較大；隨著真空度的持續(xù)增大，吸附氣流過強，導致多粒種子擠進吸嘴，且清種刷無法清除多余種子，引起重播率大增，導致合格率降低。由表3的單因素方差分析結果可知，氣室真空度對3種種子的合格率、重播率、漏播率均具有顯著影響。

圖8 氣室真空度與排種性能的關系Fig.8 Relationship between vacuum degree and seeding performance

種子類型分析項差異源平方和自由度均方FP組間295.01559.0085.515.66×10-9合格率組內(nèi)8.23120.69總計303.2417組間415.79583.16118.808.84×10-10青菜種子重播率組內(nèi)8.44120.70總計424.2317組間482.10596.42267.837.12×10-12漏播率組內(nèi)4.32120.36總計486.4217組間409.88581.98160.751.53×10-10合格率組內(nèi)6.17120.51總計416.0517組間608.575121.71229.641.80×10-11蘿卜種子重播率組內(nèi)6.39120.53總計614.9617組間902.815180.56328.292.09×10-12漏播率組內(nèi)6.58120.55總計909.3917組間246.23549.2540.044.55×10-7合格率組內(nèi)14.81121.23總計261.0417組間420.04584.0187.515.13×10-9茄子種子重播率組內(nèi)11.52120.96總計431.5617組間86.92517.3882.766.28×10-9漏播率組內(nèi)2.47120.21總計89.3917

2.4 吸嘴型孔類型與排種盤轉速試驗結果與分析

調(diào)節(jié)真空度為4、5、3 kPa，分別進行青菜、蘿卜和茄子種子的吸嘴型孔類型及排種盤轉速的完全組合試驗。每類種子試驗時更換對應的幾種吸嘴，每種吸嘴試驗過程中將排種盤轉速調(diào)至15.0、17.5、20.0、22.5、25.0、27.5 r/min，每組試驗重復3次取平均，試驗結果如圖9所示。

圖9 3種種子吸嘴型孔及排種盤轉速與排種性能的關系Fig.9 Relationship between suction nozzles of three kinds of seeds and rotational speeds of seeding tray and seeding performance

圖9表明3種吸嘴的合格率都隨著排種盤轉速的增加呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，重播率逐漸下降且趨勢較緩慢，漏播率逐漸上升且在25.0 r/min后急劇上升。合格率在轉速為17.5～22.5 r/min時較大，尤其在20.0 r/min時，合格率均達到最大。當排種盤轉速較低時，吸嘴到達吸種區(qū)后，與種子接觸過于充分而引起多吸；轉速逐漸增大后，吸嘴與種子達到較為適宜的接觸時間[21]，此時各項指標較優(yōu)；增大到一定范圍后，吸嘴與種子的接觸不充分，并對吸附的種子產(chǎn)生沖擊力，而且種子轉動過程中受到的離心力過大，這些因素易引起種子掉落[22]，使得漏播急劇增加，導致合格率降低。

影響排種效果的另一個因素是吸嘴型孔類型，在相同的轉速條件下，青菜種子合格率由大到小的吸嘴型孔類型為錐形孔、圓柱孔、直孔，重播率由大到小的吸嘴型孔類型為圓柱孔、錐形孔、直孔，漏播率由大到小的吸嘴型孔類型為直孔、圓柱孔、錐形孔。青菜種子球度很大，流動性較好，而直孔護種能力差，因此直孔的漏播率整體大于其他兩種吸嘴，且直孔入口處橫截面積最小，因此吸附范圍最小，使得重播率較低。錐形孔及圓柱孔與種子的接觸范圍較大，易重吸，錐形孔與球形種子貼合度較高，吸附一粒種子后，間隙氣流不易吸附其他種子，重播率小于圓柱孔，而且錐形孔氣流較圓柱孔穩(wěn)定，對于球形種子來說，種子表面受到的負壓大[23]，因此漏播率稍小。直孔、錐形孔、圓柱孔均在排種盤轉速為20.0 r/min時合格率最高，分別為93.9%、97.0%、94.8%，因此錐形孔對于青菜種子的排種性能優(yōu)于圓柱孔和直孔。

蘿卜種子排種合格率由大到小的吸嘴型孔類型為腰圓孔、錐形孔、直孔、圓柱孔，重播率由大到小的吸嘴型孔類型為圓柱孔、錐形孔、直孔、腰圓孔，漏播率由大到小的吸嘴型孔類型為直孔、腰圓孔、錐形孔、圓柱孔。蘿卜種子尺寸較大，質(zhì)量稍大且形狀不規(guī)則，直孔的吸附范圍最小，與種子接觸時易漏吸且攜種不穩(wěn)，因此漏播率整體大于其他幾種吸嘴；錐形孔與圓柱孔入口大，蘿卜種子類似橢球，易使多個種子尖頭插入，但錐角結構增大了種子與吸嘴的貼合面，多余氣流吸附其他種子的能力稍差，因而重播率稍小，由于蘿卜種子寬度及厚度小，可能出現(xiàn)多個種子側臥于圓柱孔吸嘴，因而圓柱孔更容易重播；腰圓孔由于方向固定，易使單個種子從吸種區(qū)分離出來，且吸種后第2個種子不易進入，因此單粒率較高，但由于方向固定使得漏播稍多，然整體而言，腰圓孔的排種性能最優(yōu)。轉速為20.0 r/min時，直孔、錐形孔、圓柱孔、腰圓孔的合格率分別為91.5%、93.0%、90.7%、95.4%。

茄子種子排種合格率由大到小的吸嘴型孔類型為直孔、圓柱孔、錐形孔，重播率由大到小的吸嘴型孔類型為錐形孔、圓柱孔、直孔，漏播率由大到小的吸嘴型孔類型為圓柱孔、直孔、錐形孔。茄子種子厚度很小，為薄片形，吸種時易使多個種子立著插入，因此重播率整體較大[24]。錐形孔及圓柱孔口徑大易多吸，且相同入口直徑下，錐形孔的吸附性優(yōu)于圓柱孔使得錐形孔的重播率更高；直孔的吸附范圍雖小，吸附氣流較圓柱孔氣流穩(wěn)定[25]，且種子因流動性差不易掉落，使得漏播率小于圓柱孔。因此對于茄子種子來說，直孔的排種效果最好。轉速為20.0 r/min時，直孔、錐形孔、圓柱孔的合格率分別為93.7%、89.6%、91.3%。

由表4可知，3種種子吸嘴型孔及排種盤轉速試驗結果對應的各項P值均小于0.05，因此吸嘴型孔及排種盤轉速對3種種子的重播率、漏播率及合格率都具有顯著影響。

表4 吸嘴型孔及排種盤轉速方差分析Tab.4 Variance analysis of hole shape and rotational speed of metering tray

2.5 3類種子最優(yōu)排種參數(shù)

由氣室真空度、排種盤轉速及吸嘴型孔類型3種因素的排種試驗得出：青菜種子的錐形孔吸嘴在排種盤轉速為20.0 r/min 、氣室真空度為4 kPa時排種性能最好，合格率、重播率及漏播率分別為97.0%、2.4%、0.6%；蘿卜種子的腰圓孔吸嘴在排種盤轉速為20.0 r/min 、氣室真空度為5 kPa時排種性能最好，合格率、重播率及漏播率分別為95.4%、2.6%、2.0%；茄子種子的直孔吸嘴在排種盤轉速為20.0 r/min 、氣室真空度為3 kPa時排種性能最好，合格率、重播率及漏播率分別為93.7%、4.4%、1.9%。3類種子在最優(yōu)排種參數(shù)下均取得了較好的排種效果，滿足精密播種指標。

3 結論

(1)運用二級排種原理，研制了一種氣力槽輪組合式精密排種器。槽輪排種器作為第一級排種器，在氣力排種器吸種區(qū)形成循環(huán)流動的種群，氣力排種器作為第二級排種器，通過負壓吸種、正壓投種的方式進行排種。

(2)基于蔬菜種子的三軸尺寸特性，設計了直孔、錐形孔、圓柱孔、腰圓孔等多種吸嘴型孔。吸嘴安裝于排種盤上，并且可以拆卸，便于根據(jù)種子情況進行更換。采用三維激光掃描測量方法，獲得了青菜、蘿卜和茄子種子的三軸尺寸及其分布規(guī)律。

(3)氣室真空度單因素試驗結果表明：青菜、蘿卜、茄子的適宜氣室真空度分別為4、5、3 kPa；排種盤轉速及吸嘴型孔的完全組合試驗結果表明：青菜、蘿卜、茄子3種蔬菜種子的適宜吸嘴型孔分別為錐形孔、腰圓孔、直孔；排種盤轉速為17.5～22.5 r/min時3種種子的排種性能較好，在20.0 r/min時，各類種子排種合格率最高。在最優(yōu)轉速、真空度及吸嘴情況下，青菜、蘿卜、茄子的排種合格率分別為97.0%、95.4%、93.7%，重播率為2.4%、2.6%、4.4%，漏播率為0.6%、2.0%、1.9%，滿足精密播種指標要求。