油莎豆排種器的試驗研究

王佳奇,彭 飛，姜彩宇，王新陽，劉文亮，張 亮

（吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院，吉林 長春 130022）

0 引言

油莎豆原產(chǎn)于非洲北部地中海沿岸,具有產(chǎn)量高、適應性廣、抗逆性強等特點，是一種優(yōu)質高產(chǎn)，集糧油、牧、飼于一體的經(jīng)濟作物。油莎豆干豆產(chǎn)量可達500~600 kg/667 m2，含油量高達20%~30%,單位面積產(chǎn)油量在120 kg/667 m2以上，單位面積產(chǎn)油量是大豆的4倍、油菜的2倍、花生的1.5倍［1］。油莎豆油富含多種維生素和不飽和脂肪酸,綜合營養(yǎng)價值可媲美橄欖油［2］。油莎豆種植面積逐年增加。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前全國油莎豆種植面積約為1.67萬hm2，種植區(qū)域包括新疆、內蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山東、河南、湖北等省、自治區(qū)。油莎豆能防風固沙，有利于沙漠的生態(tài)修復,而生態(tài)修復是緩解和恢復中國北方土地沙漠化的有效途徑之一，因此，油莎豆的推廣種植對提高沙土地、荒地及鹽堿地等邊際土地的綜合利用具有重要意義［3］。

目前，我國大多數(shù)地區(qū)油莎豆播種以機械式和半機械式作業(yè)方式為主，排種器多是由花生或玉米等作物的排種器改制而成，但油莎豆尺寸較大，種皮凹凸不平，存在播種效率低下、機械化播種難和破損率高等難題，無法滿足油莎豆規(guī)?；シN的需求，很大程度上阻礙了油莎豆的推廣應用［4］。盧玉倫等［5］設計出了一款窩眼輪式排種器，對窩眼輪式排種器的關鍵部件進行了參數(shù)設計，解決了由于油莎豆種皮凹凸不平而導致的摩擦力較大、充種效果差、充種過程中極易堵種等難題。針對鹽堿地油莎豆播種機械的研發(fā)相對較少，其中河北農(nóng)業(yè)大學機電工程學院研制的氣吸式油莎豆精量鋪膜播種機較為理想，該播種機采用氣吸式排種器，能夠適應不同種類和直徑大小的種子，并對種子有較好的保護作用，基本上實現(xiàn)了開溝、單粒精播、覆土、鋪膜等工序一次性完成，具有易調整、操作簡單等特點［6-7］。但是該機械的氣吸式排種器結構較為復雜，存在氣吸室真空程度、吸種孔徑大小等影響性能的因素［8-11］，因此大力開展多功能播種機的試驗研究，進一步提高農(nóng)業(yè)機械科技含量和工作效率是當前油莎豆機械化播種研究的重點［12］。本文對氣吸式油莎豆排種器的排種盤進行了改進和相關試驗，有效地做到了避免重吸，并同時對指夾式和毛刷式排種器做出相應的優(yōu)化改進，以期為多功能播種機的試制提供更多選擇。

1 油莎豆的物理特性

1.1 油莎豆的三軸尺寸

試驗材料：選用吉林省前郭縣前龍坑村油莎豆示范基地所種植的油莎豆，樣品為2020年10月收獲期所采集的已完全成熟的油莎豆塊莖（圖1）。

圖1 油莎豆籽粒實物圖

測試工具：精度為0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺。

試驗方法：將油莎豆籽粒軸向截面最大尺寸定為長度L；軸向截面內與長度垂直的最大距離定義為寬度W；將所有與軸向截面垂直的面上的最大長度定義為高度H。

隨機選取5組油莎豆，每組10個，分別對其長、寬、高進行測定，并計算出每組油莎豆長、寬、高各自的平均值，再根據(jù)測量結果和公式依次計算出油莎豆籽粒的三軸平均徑和幾何平均徑。

（1）油莎豆籽粒三軸平均徑計算公式為：

（2）油莎豆籽粒幾何平均徑計算公式為：

式（1）和式（2）中：Da為油莎豆籽粒三軸平均徑（mm），L為油莎豆籽粒長度（mm），W為油莎豆籽粒寬度（mm），H為油莎豆籽粒高度（mm），Dg為油莎豆籽粒幾何平均徑（mm）

由表1可知，5組油莎豆籽粒平均長、寬、高分別為 13.59、13.20、11.37 mm，三軸平均徑平均值為12.72 mm，幾何平均徑平均值為12.68 mm。

表1 油莎豆籽粒三軸尺寸試驗結果 mm

1.2 油莎豆的千粒重

測量方法：采用百粒法隨機抽取測定樣品［13-14］。

試驗時選取干凈、無根須、無破損、不黏帶土壤的干凈油莎豆若干，以100粒為1組，共取8組油莎豆作為此次試驗的物料。用精度為0.01 g的電子天平對每組油莎豆進行稱重，并記錄數(shù)據(jù)（表2）。

表2 油莎豆百粒質量 g

通過平均值和標準差計算求得油莎豆百粒質量的變異系數(shù)為2.57%（＜4%）。故可以用8次重量數(shù)據(jù)的平均值計算出油莎豆的千粒重為1386.79 g。

1.3 油莎豆的含水率

含水率主要通過種子中的水分重量和總重量之比進行計算［15］。本研究采用直接烘干法進行測量，先將空鋁盒稱重記作M1，然后在鋁盒中添加10粒種子再稱重記作M2，接著進行加熱烘干處理，待加熱烘干至恒重，稱其重量記作M3，含水率計算公式為：

經(jīng)計算油莎豆籽粒樣品的平均含水率為38.98%。

1.4 油莎豆的動、靜摩擦系數(shù)及休止角

1.4.1 油莎豆的動、靜摩擦系數(shù) 參照李雪珍等［16-17］的研究對動、靜摩擦系數(shù)進行測定。試驗時將油莎豆放置在角度較緩的斜面上，通過緩慢搖動手柄來改變斜面的角度，當物料剛開始產(chǎn)生滑動時的斜面傾角為靜滑動摩擦角，繼續(xù)搖動手柄使物料開始沿斜面勻速下滑，此時的角度為油莎豆的動摩擦角（圖2）。試驗測得油莎豆與鋼板之間的動摩擦系數(shù)為0.36，靜摩擦系數(shù)為0.28。

圖2 油莎豆動、靜摩擦系數(shù)測量

1.4.2 油莎豆休止角 休止角是指散粒物料從一定高度自然連續(xù)地下落到平面上時，所堆積成的圓錐體母線與底平面的夾角［18］。本試驗采用注入法測量油莎豆的休止角［19-20］。試驗時選取足夠的油莎豆物料從錐形容器上端緩緩注入，物料從容器底部豁口流出，待物料堆積高度無明顯變化時停止注入物料。物料停止流動后傾斜面與水平面的夾角即為此次試驗要測的休止角（圖3）。試驗時取5次試驗結果的平均值，最終測得油莎豆物料休止角為28.80°。

圖3 注入法測量油莎豆休止角

2 試驗臺設計及工作原理

機架上設置驅動電機，電機通過鏈輪鏈條帶動主動軸轉動，主動軸通過鏈輪鏈條帶動排種器旋轉，通過電機調速器控制電機轉速來調整排種器的轉速。負壓風機設置在機架座板上，負壓風機通過軟管連接風管，風管通過軟管連接氣吸排種器，通過直流電源調節(jié)器控制風機轉速從而控制負壓。機架上設有排種計數(shù)器，排種計數(shù)器監(jiān)控探頭設置在氣吸排種器的排種管上，對排種器落種進行監(jiān)控計數(shù)。機架下方裝有傳送帶，傳送帶轉動模擬排種器在田間行走，通過測量株距和落種數(shù)來判定重播漏播（圖4）。

圖4 試驗臺結構簡圖和實物圖

3 3種排種器的對比試驗

3.1 氣吸式排種器的排種盤改造

現(xiàn)有排種盤的吸附面為平面，不利于油莎豆這種圓形種子吸附，根據(jù)油莎豆的大小及形狀把現(xiàn)有的吸附面改造成外徑為13 mm，高度為5.5 mm的錐形孔，這樣在排種盤上形成了1個型孔，油莎豆大概有1/3的表面臥到型孔里，不僅增加了油莎豆與排種盤的摩擦力，而且還避免了重吸。改造后的排種盤，漏播率低于改造前，通過試驗觀察未出現(xiàn)重吸現(xiàn)象（圖5）。

圖5 氣吸式排種器排種盤改造圖

3.2 氣吸式排種器的試驗

氣吸式排種器采用自制的排種盤通過對排種盤的孔徑、負壓、轉速這3個因素進行正交試驗，探究得到氣吸式排種器的最佳工作參數(shù)。根據(jù)油莎豆的三軸尺寸、千粒重以及油莎豆播種機的作業(yè)速度要求分別把排種盤孔徑設為6.0、6.5、7.0 mm 3個水平，負壓設為4.5、5.0、5.5 kPa 3個水平，轉速設為25、30、35 r/min 3個水平進行正交試驗。利用Design Expert 8.0.6軟件對數(shù)據(jù)進行分析擬合。分析發(fā)現(xiàn)各因素對漏播率的影響大小依次為：氣吸盤孔徑＞轉速＞負壓，即當孔徑為6.5 mm、轉速25 r/min、負壓6.5 kPa時的漏播率最低，為0.44。合格率線性模型絕對系數(shù)R2為0.9969，說明回歸方程的擬合度為99.69%，可以用來進行試驗預測。

通過正交實驗以及Design Expert 8.0.6軟件對試驗數(shù)據(jù)的分析得到影響漏播的最優(yōu)參數(shù)組合。為降低試驗組數(shù)少而造成的數(shù)據(jù)分析不準確以及驗證上述正交試驗的結果，現(xiàn)抽取3組漏播率較小的參數(shù)值，第1組：孔徑6.5 mm、轉速25 r/min、負壓6.5 kPa；第2組：孔徑6.5 mm、轉速35 r/min、負壓6.5 kPa；第3組：孔徑6.5 mm、轉速45 r/min、負壓6.5 kPa，再分別進行10次臺架試驗取其結果平均值，其試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 氣吸式排種器的試驗結果

通過這3組試驗得出的預測數(shù)值和Design Expert 8.0.6軟件預測數(shù)值相接近，可以相互印證，并且隨著轉速即播種速度的增加，漏播率也逐漸增大，當轉速為25 r/min即播種速度在4 km/h時漏播率最低，播種效果最好。

3.3 指夾式排種器的試驗

指夾式排種器多用于玉米播種，因其播種速度最快可達8 km/h，播種效率非常高，所以先通過調整指夾式排種器的指夾張口角度來適應油莎豆這種圓形或橢圓形種子，通過調節(jié)毛刷距離指夾片的距離來調控重播率和漏播率并進行播種試驗，進而驗證油莎豆是否適用于指夾式排種器。然后進行單因素試驗，在張口角度及毛刷距離不變的前提下，分別進行轉速為55、65、75 r/min，即播種速度分別為6、7、8 km/h的試驗，每組試驗重復10次取其平均值（表4）。通過試驗可以看出，隨著轉速的增加，漏播率呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢，重播率并無明顯變化，其中重播率均小于15%，漏播率均小于8%，滿足《單粒（精量）播種機技術條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標［21］。

表4 指夾式排種器的試驗結果

3.4 毛刷式排種器的試驗

毛刷式排種器多用于播種高粱、谷子、黃豆、綠豆、花生等雜糧，通過改換不同的排種盤可以對不同的作物進行播種。該排種器結構簡單，在腔體內圈裝有毛刷，藍色毛刷起到頂種的作用，充種區(qū)的黑色毛刷則保證把進入排種盤型孔的多余種子刮掉從而確保單粒精播，投種區(qū)的黑色毛刷能夠確保排種盤型孔上的種子在投口中降落而不落入到排種器內腔（圖6）。

圖6 毛刷式排種器內腔圖和排種盤結構示意圖

本次試驗首先采用花生盤來試驗（因并沒有油莎豆專用盤，所以選用型孔較大的花生盤）（圖7）。其試驗結果如表5所示。

圖7 花生排種盤及局部放大圖

表5 毛刷式排種器的試驗結果

通過試驗可以看出，使用花生排種盤的重播率較高，通過觀察與分析可知，花生排種盤的型孔過大，進而導致遇到稍小的油莎豆種子存在1孔2粒的情況，從而使重播率過高，針對此問題應重新制作更合適的型孔。根據(jù)油莎豆的3種尺寸對型孔進行重新設計，把花生盤的邊長20 mm×10 mm的型孔改為15 mm×10 mm，使該型孔內只能進入1顆油莎豆種子，從而降低重播率。本研究采用3D打印技術對排種盤進行重新建模、重新打?。▓D8）。

圖8 改進后的排種盤及局部放大圖

再次重復上述試驗，其試驗結果如表6所示。

由表6可知，通過更換排種盤重播率明顯降低，說明針對于油莎豆的物理特性而制作的排種盤的播種效果明顯優(yōu)于花生盤，并滿足《單粒（精量）播種機技術條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標［21］。

表6 改進后毛刷式排種器的試驗結果

4 3種排種器試驗對比分析

4.1 同一播種速度下3種排種器的播種效果對比

由圖9可知，當播種速度均為6 km/h時，氣吸式排種器的合格率最高，為92.71%，其次是毛刷式排種器的合格率為91.00%，最后是指夾式排種器的為86.85%；在重播率方面，氣吸式排種器做到無重播，指夾式排種器的重播率為5.25%，毛刷式排種器的重播率為5.40%；在漏播率方面，毛刷式排種器最低為3.50%，其次是氣吸式排種器為7.29%，指夾式排種器漏播率最高為7.90%。

圖9 3 種排種器試驗結果對比

4.2 不同播種速度變化下3種排種器的播種效果對比

4.2.1 氣吸式排種器的播種效果變化 由圖10可知，氣吸式排種器的合格率隨著播種速度的增加而降低，漏播率隨著播種速度的增加而升高，在播種速度達到7 km/h時，其合格率最低，漏播率最高，但也能滿足《單粒（精量）播種機技術條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標［21］。

圖10 不同播種速度下氣吸式排種器的播種效果對比

4.2.2 指夾式排種器的播種效果變化 由圖11可知，指夾式排種器的合格率隨著播種速度的增加而增大，重播率隨播種速度的增加并沒有明顯變化，漏播率隨著播種速度的增加呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢。在播種速度最高為8 km/h時，其播種效果最好，合格率為89.96%，重播率為5.72%，漏播率為4.32%。

圖11 不同播種速度下指夾式排種器的播種效果對比

4.2.3 毛刷式排種器的播種效果變化 由圖12可知，毛刷式排種器的合格率隨著播種速度的增加而降低，重播率隨著播種速度的增加而升高，漏播率隨著播種速度的增加呈先升高后降低的變化趨勢。在播種速度為6 km/h時，其播種效果最好，合格率為91.1%，重播率為5.4%，漏播率為3.5%。

圖12 不同播種速度下毛刷式排種器的播種效果對比

5 結論與討論

本文主要對油莎豆的物理特性進行分析，在充分了解油莎豆的三軸尺寸以及千粒重等各項物理特性后，采用3種不同的排種器進行試驗，并在試驗過程中對其相關部件進行改進優(yōu)化使其更加適合油莎豆的播種。試驗中發(fā)現(xiàn)，氣吸式排種器使用改裝后的排種盤效果最好，該排種盤能夠做到有效避免重播，并且漏播率最低達到0.48%，唯一的不足是排種器的播種速度比較慢，只有4 km/h；隨著該排種器播種速度的加快，其漏播率有所升高，在播種速度為7 km/h時，其漏播率為7.29%，仍然滿足了《單粒（精量）播種機技術條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標［21］。毛刷式排種器在播種效果上不如氣吸式排種器，但其在高速作業(yè)時排種效果穩(wěn)定，使用3D打印的油莎豆排種盤在播種速度為6 km/h時，重播率為5.4%，漏播率為3.5%，排種效果最好。指夾式排種器在本次試驗中雖然也能夠滿足《單粒（精量）播種機技術條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標［21］，但其漏播率也相對較高，隨著轉速的增加漏播率也有所降低，在播種速度為8 km/h時，重播率為5.72%，漏播率為6.32%，指夾式排種器適用于高速作業(yè)，但對于圓形大粒種子來說不如玉米的播種效果好。

本研究也存在一定的不足，排種器應保持在穩(wěn)定播種效果的前提下保證作業(yè)效率，比如本次研究的氣吸式排種器在低速行駛時，作業(yè)效果非常好，但是隨著播種速度的加快其播種效果也隨之下降；本次試驗指夾式排種器的漏播率相比其他2款排種器略高，后續(xù)的研究可以針對油莎豆重新設計1款專用指夾來提高種子的夾持率，從而降低漏播率。