氣吸式胡蘿卜播種機設(shè)計與試驗

陳新予，史宇亮，陳明東，王家勝

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，山東 青島 266109； 2.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山東 青島 266109)

0 引言

我國為胡蘿卜種植大國，種植面積及產(chǎn)量均為世界首位，但精密播種機械化水平較低。其中，山東省為胡蘿卜的主要種植區(qū)域，種植模式多采用小壟雙行或大壟四行的壟作模式，其種植密度大、產(chǎn)量高等特點被廣大農(nóng)戶認可，機械化播種水平要求較高。由于當前胡蘿卜播種時整地、起壟和播種環(huán)節(jié)等分開進行，不利于耕地保墑及種子發(fā)芽。而胡蘿卜種子包衣技術(shù)，解決了胡蘿卜小籽粒形狀不規(guī)則、流動性差等問題，從而為機械化播種提供了重要基礎(chǔ)[1]。

發(fā)達國家的播種技術(shù)及機械化水平較高，精密播種機多采用氣吸式排種器，通過更換排種器可實現(xiàn)多種小籽粒蔬菜的精量播種，能一次完成多種作業(yè)，但配套動力較大、價格高，不適應(yīng)中國的胡蘿卜壟作模式[2]。

在國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)各大高校及公司研發(fā)了數(shù)種胡蘿卜精量播種機，適用于不同的工作環(huán)境。王家勝等[3]研制了胡蘿卜種繩播種機，主要完成胡蘿卜種繩的鋪放，播種精度由種繩編制精度決定，且播種后還需澆灌溶繩，另需配套滴灌設(shè)備鋪設(shè)。袁鵬飛[4]等研制的2HBJ-4型胡蘿卜精量播種機，可一次完成起壟、施肥、播種及覆土等作業(yè)環(huán)節(jié)，但單個排種器僅能播種單行胡蘿卜，且整機尺寸較大，成本較高，推廣應(yīng)用困難。韓宏宇等[5]研制的氣力式蔬菜一體式播種機，將起壟與播種作業(yè)融合，一次完成起壟、播種和覆土等作業(yè)工序，從而減少機具與土壤之間多次作用產(chǎn)生的能耗。

本文針對山東胡蘿卜產(chǎn)區(qū)一壟雙行的種植模式，設(shè)計了一種氣吸式胡蘿卜播種機[6-8]。

1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

壟作種植模式便于灌溉、施肥等作業(yè)進行，可顯著提高胡蘿卜生產(chǎn)質(zhì)量，且便于機械化種植或收獲。本文所設(shè)計胡蘿卜播種機的種植模式為一壟雙行，具體參數(shù)如表1所示。

表1 胡蘿卜種植模式Tab.1 Planting models of carrot 單位：mm

播種機由牽引機架、開溝播種裝置、排種器、鎮(zhèn)壓輪和覆土盤等部件組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.種箱 2.輸種管 3.鎮(zhèn)壓輥 4.覆土盤 5.排種器 6.排種開溝器 7.行走犁 8.機架 9.牽引架圖1 胡蘿卜播種機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of carrot planter

田間工作時，由拖拉機牽引機具前進，后輸出軸帶動鼓風機轉(zhuǎn)動，為氣吸式排種器提供正、負氣壓。2個播種機單體與種箱連接，每個單體可播兩行，通過連桿機構(gòu)掛接在機架上，保證播種深度不受機體振動或偏移影響。通過與土壤摩擦滾動，從而帶動排種器中的排種盤轉(zhuǎn)動，將種子帶動至輸種管，最終落入種穴中，由覆土盤完成覆土，鎮(zhèn)壓輥完成鎮(zhèn)壓后，完成播種。氣吸式排種器通過改變殼體內(nèi)壓力進行吸種及投種，負壓區(qū)吸種，零壓區(qū)投種。胡蘿卜氣吸式播種機具體技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 胡蘿卜播種機參數(shù)Tab.2 Parameters of carrot planter

2 排種器設(shè)計

氣吸式胡蘿卜播種機的排種器通過風機實現(xiàn)負壓吸種、零壓投種和正壓吹雜，實現(xiàn)胡蘿卜種子的單粒或雙粒播種[9]。

2.1 排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣吸式胡蘿卜排種器主要由左右殼體、氣吸盤、排種盤、導(dǎo)種器、種箱和刮種器等部件構(gòu)成，負壓氣室在左殼體上，種箱與右殼體為一體式結(jié)構(gòu)。排種器工作過程由吸種、清種、攜種、投種和吹雜5個部分組成。排種器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 排種器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of seeding unit

2.2 正負壓系統(tǒng)

氣吸式排種器利用風機高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的負壓吸附種子，風機轉(zhuǎn)速控制在5 000 r/min。過低的風機轉(zhuǎn)速會使排種器真空室的真空度變小，從而吸力過小導(dǎo)致排種器產(chǎn)生漏播。種子在吸附孔受到的吸力為

(1)

式中S——吸種口面積，cm2

P——真空室壓強，kg/cm2

β——安全系數(shù)，≥2.5

排種器吸種口半徑0.05 cm，即面積S=1.962 5×10-3cm2。經(jīng)測試，風機轉(zhuǎn)速5 000 r/min時，內(nèi)部壓力為0.13 kg/cm2，安全系數(shù)β=3，吸力F1=0.87×10-4N，胡蘿卜種子千粒質(zhì)量<5 g，每粒種子質(zhì)量m≈5×10-6kg，種子所受重力G=m×F1=5×10-5N，種子與排種盤表面的摩擦系數(shù)μ=0.8，則對種子的受力分析如圖3所示[10]。

圖3 胡蘿卜種子受力分析Fig.3 Stress analysis of carrot seeds

種子在水平方向上受到的靜摩擦力F=1×10-4N，F(xiàn)>G，即吸力可以使胡蘿卜種子吸附在排種孔上。

3 樣機性能及試驗分析

3.1 試驗條件及方法

試驗地點選在青島市萊西市店埠鎮(zhèn)前后屯的青島農(nóng)業(yè)大學(xué)胡蘿卜生產(chǎn)合作社。試驗場地長50 m，土壤性質(zhì)為沙壤土，含水率13.3%，室外空氣溫度29 ℃。播種試驗地塊已提前進行旋耕碎土整地及起壟，壟高200 mm，壟距750 mm，壟頂寬400 mm，種植模式為壟上開溝播種，行距120 mm，一次播種4行。

播種時，每個排種器放置100 g胡蘿卜種子，拖拉機選用東方紅504e，擋位為3擋，理論上每次播種量20 g。每次試驗長度50 m，連續(xù)播種3次，用秒表記錄播種時間，并用式(2)計算生產(chǎn)率。

(2)

播種試驗完成后，抽樣20個點，測量播種深度并記錄，由式(3)計算播深合格率。

(3)

檢查或測量損傷種子數(shù)、漏播數(shù)、重播數(shù)、播種深度和相鄰穴距，按照GB/T 6973—2005和NY/T 1143—2006標準進行計算，將3次試驗取平均值。

3.2 試驗結(jié)果

在每次播種試驗過后，抽取20個點，測量播種深度和穴距。播種深度試驗結(jié)果如圖4所示，3次試驗共記錄60個試驗數(shù)據(jù)。其中最小播種深度1.4 cm，最大播種深度2.1 cm。按試驗要求，共59個點在要求范圍內(nèi)。試驗1平均播深1.7 cm，試驗2平均播深1.65 cm，試驗3平均播深1.6 cm。

圖4 播種深度試驗結(jié)果Fig.4 Results of seeding depth experiment

播種穴距試驗結(jié)果如圖5所示，3次試驗共記錄60個試驗數(shù)據(jù)，均在要求范圍之內(nèi)。其中最小播種穴距7 cm，最大播種穴距12 cm。

圖5 穴距試驗結(jié)果Fig.5 Results of hole spacing

具體檢驗結(jié)果如表3所示。樣機的田間試驗表明，機器播種作業(yè)順暢，能夠較好完成開溝、播種和覆土等過程，播種合格率滿足農(nóng)藝及種植要求。其中，種子損傷率控制較好，重播率及漏播率控制的較低。各項指標均符合GB/T 6973—2005及NY/T 1143—2006的要求。

表3 試驗結(jié)果Tab.3 Test results

4 結(jié)論

結(jié)合山東胡蘿卜產(chǎn)區(qū)的種植模式及農(nóng)藝要求，研制出了一種氣吸式胡蘿卜播種機，一次實現(xiàn)開溝、播種和覆土等功能，通過多次田間試驗，驗證了本機的可靠性，大大減少人力資源的應(yīng)用，降低了種植戶的成本，確保了農(nóng)民的增產(chǎn)增收，為胡蘿卜播種機械化奠定了基礎(chǔ)。