小籽粒蔬菜種子精密排種器試驗研究

劉曉東，王東偉，何曉寧，萬恩超，張亞棟，劉建強(qiáng)，李英春

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

0 引言

播種是種植業(yè)最重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一，播種機(jī)械是農(nóng)業(yè)機(jī)械的重要組成部分。蔬菜是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物，也是人們?nèi)粘Ｉ钪械闹匾钠?，我國蔬菜的種植面積及產(chǎn)量均居世界第一。隨著溫室大棚的建設(shè)，蔬菜的種植不再受到時間、地域、溫度差異的影響，面積不斷擴(kuò)大，品質(zhì)不斷得到提升，蔬菜已經(jīng)成為我國第二大重要的農(nóng)產(chǎn)品。種植規(guī)模的擴(kuò)大需要相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緊跟其步伐，這對蔬菜精密播種機(jī)械，尤其是精密播種機(jī)的核心部件排種器提出了新的挑戰(zhàn)。

播種質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本、農(nóng)作物產(chǎn)量和收益的高低。精密播種可以保證種子在田間最合理分布，播種量精確，株距均勻，播深一致，為種子的生長發(fā)育創(chuàng)造最佳條件；同時，可以大量節(jié)省種子，減少田間間苗用工，保證作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。因此，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對精密播種機(jī)械的要求越來越迫切。目前，針對機(jī)械式精密播種機(jī)械的研究較少，主要是氣力式精密播種機(jī)，但農(nóng)戶購置成本及加工復(fù)雜程度都對氣力式播種機(jī)的推廣帶來了極大的阻礙。雖然機(jī)械式的優(yōu)勢不言而喻，但無法保證播種精度為其推廣帶來了弊病。為此，針對機(jī)械式播種精度差的問題，設(shè)計了一種沉孔輪式排種器，致力于機(jī)械式播種機(jī)播種精度的改善。

1 技術(shù)要求

1)適應(yīng)直徑為0.8～4mm種子，能根據(jù)不同籽粒的大小進(jìn)行沉孔輪的更換調(diào)節(jié)。沉孔輪應(yīng)進(jìn)行防靜電處理，采用防靜電材質(zhì)避免由于摩擦產(chǎn)生的靜電造成的種子吸附在孔內(nèi)無法下種，使切沉孔輪不能擠種、卡種。

2)排種器應(yīng)用于小型輕便型小籽粒播種機(jī)，操作簡單、結(jié)構(gòu)輕簡牢固，不能因動力的傳輸造成整機(jī)的劇烈震動與晃動，各傳動部件布置應(yīng)合理，保證動力的直接傳遞，減少動力的損耗。

3)與機(jī)器配套時要落種精確，重播、漏播率控制在1%以下。對落種進(jìn)行合理的控制，防止種子不能落在種溝的有效區(qū)域，影響后期的出苗率。

4)有些蔬菜播種時采用單粒精播，這就對種子的質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求。為了保證出苗率，在播種前應(yīng)合理選育種子。

2 結(jié)構(gòu)及原理

排種裝置作為自走式小籽粒蔬菜種子精密播種機(jī)的核心裝置，能夠滿足不同直徑種子，便于調(diào)整不同行、株距播種要求。沉孔排種輪采用防靜電材料，避免普通沉孔輪轉(zhuǎn)動與毛刷摩擦產(chǎn)生靜電會將種子吸附住，影響落種，造成漏播、多播，直接影響播種質(zhì)量。因此，設(shè)計的小籽粒蔬菜種子精密播種機(jī)用排種器應(yīng)能夠滿足白菜到綠豆等不同直徑種子的播種要求，且便于更換不同種窩的排種輪，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

安裝方式與工作原理：該裝置通過串孔固定在機(jī)架上，地輪軸帶動主動鏈輪轉(zhuǎn)動，主動鏈輪驅(qū)動防靜電沉孔輪轉(zhuǎn)動；在沉孔輪上有根據(jù)不同的種子直徑要求打好的種窩，沉孔輪轉(zhuǎn)動時種子落入沉孔輪中的種窩，隨著沉孔輪的轉(zhuǎn)動落入落種斗，進(jìn)而落到由開溝器開好的種溝中，再經(jīng)覆土板將種溝進(jìn)行覆蓋。

1.開溝器 2.串孔 3.鏈條 4.主動鏈輪 5.從動鏈輪 6.種箱 7.毛刷 8.沉孔輪 9.定位卡 10.底座 11.串孔 12.覆土板圖1 排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of seed metering device

3 試驗研究

3.1 試驗條件

本次排種器試驗將在青島農(nóng)業(yè)大學(xué)JPS-12排種器性能檢測試驗臺(見圖2)上完成，通過圖形采集處理系統(tǒng)對落在種床帶上的種子進(jìn)行檢測，在計算機(jī)上顯示種子的各種排種性能指標(biāo)。

3.2 試驗方法

試驗時，種子選用胡蘿卜種子，排種裝置將胡蘿卜種子播在涂有油層的種床帶上，由試驗臺的圖形采集處理系統(tǒng)將落在種床帶的種子進(jìn)行實時攝錄并處理，最后得到種子的粒距，檢測排種器播種均勻性能的各項指標(biāo)。

圖2 排種性能試驗臺

3.3 試驗設(shè)計

播種機(jī)在田間作業(yè)時，排種器排種性能的好壞受多因素影響，但由于試驗條件有限，為了減少試驗次數(shù)，本試驗選取對排種性能影響最主要的因素沉孔輪轉(zhuǎn)速、刷種間隙、種窩直徑進(jìn)行試驗。試驗采用響應(yīng)面分析法，以沉孔輪轉(zhuǎn)速、刷種間隙、種窩直徑為試驗因素，以漏播率y1、重播率y2為試驗指標(biāo)，進(jìn)行三因素二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，如表1所示。

表1 試驗因素水平表

3.4 試驗結(jié)果與分析

3.4.1 試驗結(jié)果

根據(jù)響應(yīng)面分析軟件試驗方案得到的試驗結(jié)果如表2所示。其中，x1為沉孔輪轉(zhuǎn)速，x2為刷種間隙，x3為種窩直徑，y1為漏播率，y2為重播率。

表2 試驗方案與試驗結(jié)果

續(xù)表2

3.4.2 試驗結(jié)果分析

1)漏播率響應(yīng)面模型回歸系數(shù)和顯著性檢驗，回歸系數(shù)及顯著性檢驗如表3所示。

表3 回歸系數(shù)及顯著性檢驗

從表2可以看出:x2、x2、x1x2、x1x3、x2x3、x32的P值均大于0.05，交互作用不顯著；響應(yīng)面回歸模型F檢驗非常顯著；負(fù)相關(guān)系數(shù)R2=0.960 6，大于0.95，說明該模型能解釋96.06%的響應(yīng)值變化，模型具有較好的回歸性。Adeq Precision衡量了信噪比的信號，該值大于4才可以用于模擬，本試驗信噪比為13.233，說明模型具有足夠的信號來響應(yīng)該設(shè)計。

剔除不顯著項，可得漏播率回歸方程為

將任一因素固定在0水平，用Design-Expert響應(yīng)面分析軟件得出其余兩因素對漏播率影響的響應(yīng)曲面如圖3所示。

圖3 漏播率響應(yīng)曲面

由圖3可以看出：刷種間隙為2mm時，沉孔輪轉(zhuǎn)速越小，漏播率越小；種窩直徑為0.7mm時，沉孔輪轉(zhuǎn)速越小，漏播率越低；種窩直徑為0.7mm、刷種間隙為2mm時，漏播率最低。

2)重播率響應(yīng)面模型回歸系數(shù)和顯著性檢驗，回歸系數(shù)及顯著性檢驗如表4所示。

表4 回歸系數(shù)及顯著性檢驗

響應(yīng)面回歸模型F檢驗非常顯著；本試驗信噪比為6.677，說明模型具有足夠的信號來響應(yīng)該設(shè)計。剔除不顯著項，可得到縱軸流摘果裝置的破碎重播率回歸方程為

y2=2.49+0.21x2+0.29x3

將任一因素固定在0水平，得出其余兩因素對重播率影響的響應(yīng)曲面，如圖4所示。

圖4 重播率響應(yīng)曲面

由圖4可以看出：沉孔輪轉(zhuǎn)速越快，刷種間隙越小，重播率越低；種窩直徑越大，沉孔輪轉(zhuǎn)速越大，重播率越低；種窩直徑越小，刷種間隙越小，重播率越低。

設(shè)定漏播率為最小值、重播率為最小值，得到排種裝置的最優(yōu)參數(shù)組合為：沉孔輪轉(zhuǎn)速15r/min，刷種間隙0mm，種窩直徑0.66mm。此時，理論漏播率為0.99%，重播率為2.28%。

4 結(jié)論

1)設(shè)計的自走式小籽粒蔬菜種子精密排種器，使用沉孔輪排種器實現(xiàn)精密播種。實驗表明，播種質(zhì)量完全滿足農(nóng)藝要求。

2)該排種器不僅能夠滿足不同機(jī)器的作業(yè)要求，便于安裝和調(diào)試，同時能夠適應(yīng)不同直徑種子的播種要求。