氣吸滾筒式蔬菜育苗播種流水線設(shè)計(jì)*

沈薛昊，唐帥，高輝松，周永清，薛金林

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，南京市，210031)

0 引言

我國(guó)是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蔬菜產(chǎn)業(yè)在提高農(nóng)民收入和幫扶農(nóng)民就業(yè)等方面具有重要作用[1-2]。優(yōu)質(zhì)的種苗是保證蔬菜品質(zhì)與產(chǎn)量的基礎(chǔ)，而工廠化育苗技術(shù)將蔬菜的種苗生產(chǎn)和大田生長(zhǎng)分開，能夠控制種苗的生長(zhǎng)，提高種苗成活率[3-4]。相較人工育苗而言，工廠化育苗不但可以使種苗成活率有很大提升，而且降低了勞動(dòng)力成本投入從而提高經(jīng)濟(jì)效益[5-6]，對(duì)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；妥詣?dòng)化的蔬菜育苗生產(chǎn)具有重要意義[7]。

國(guó)外于20世紀(jì)30年代開始就對(duì)蔬菜育苗播種流水線進(jìn)行了研發(fā)，產(chǎn)品比較成熟。例如，荷蘭某公司研發(fā)的全自動(dòng)蔬菜育苗流水線可以調(diào)節(jié)播種裝置上吸嘴的真空度和儲(chǔ)種箱的振動(dòng)幅度大小，也可以實(shí)現(xiàn)變速鋪土，還能在每個(gè)播種階段的間隙都會(huì)對(duì)吸嘴自動(dòng)進(jìn)行清潔來提升播種效率[8-10]。美國(guó)某公司研發(fā)的氣吸針式育苗流水線對(duì)種子的適應(yīng)能力強(qiáng)，可以根據(jù)不同種子的物理特性靈活選取相應(yīng)的針頭進(jìn)行播種，通過控制針頭上的氣孔開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行吸排種工作，最后通過振動(dòng)器進(jìn)行清理工作[11-13]。

國(guó)內(nèi)的蔬菜育苗流水線始于20世紀(jì)70年代，但近年來才成為研究熱點(diǎn)。符耀明等研發(fā)了氣力滾筒式排種器蔬菜育苗流水線，設(shè)計(jì)了能使內(nèi)部流場(chǎng)分布均勻的氣腔結(jié)構(gòu)，從而降低空穴率。馬廣[14]設(shè)計(jì)了一款穴盤精密播種流水線，該流水線采用了錐形吸風(fēng)孔使得吸嘴內(nèi)部的氣體流速增加了一倍，提升了吸嘴的吸種能力。分析國(guó)內(nèi)已有的研究成果，我國(guó)蔬菜育苗流水線研究取得一定的發(fā)展，但發(fā)展水平遠(yuǎn)不及國(guó)外，大多存在播種合格率低，適應(yīng)性差以及播種效率不高等問題，從而制約了我國(guó)蔬菜育苗行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程[15]。因此，本文開展集鋪土、覆土、清掃土、壓穴和播種多功能于一體的蔬菜育苗播種流水線設(shè)計(jì)，以期推動(dòng)蔬菜育苗行業(yè)的機(jī)械化進(jìn)程。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

蔬菜育苗播種流水線整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 蔬菜育苗播種流水線整機(jī)結(jié)構(gòu)

該蔬菜育苗播種流水線主要由穴盤傳輸裝置、鋪覆土裝置、清掃土裝置、壓穴裝置和播種裝置組成。流水線采用工位設(shè)計(jì)，每個(gè)工位都可以單獨(dú)工作，蔬菜育苗播種流水線工作時(shí)，以穴盤為育苗載體通過皮帶式流水線傳輸，能夠同時(shí)完成鋪土、清掃土、壓穴、播種和覆土工作。

1.2 工作原理

蔬菜育苗播種流水線工作過程如下：人工將空穴盤放入流水線最左端，穴盤沿著流水線表面上兩側(cè)的導(dǎo)軌經(jīng)皮帶式流水線向右傳送。首先到達(dá)鋪土工位，鋪土裝置前方裝有限位開關(guān)，檢測(cè)到穴盤后，鋪土電機(jī)開始工作，帶動(dòng)儲(chǔ)土箱中的傳送帶進(jìn)行穴盤鋪土；穴盤繼續(xù)向前傳送到達(dá)清掃土工位，清掃土電機(jī)帶動(dòng)毛刷滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾筒上的毛刷清掃平整表土、保證覆土深度一致，從而清除穴盤表面多余的土屑；清掃土工序完成后穴盤到達(dá)壓穴工位，壓穴裝置檢測(cè)到穴盤到達(dá)后壓穴電機(jī)帶動(dòng)壓穴滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過壓穴滾筒上的壓穴頭進(jìn)行壓穴；下一個(gè)工序是播種工序，播種裝置中的氣吸式滾筒利用外部氣源提供的正負(fù)壓并通過播種滾筒上的吸嘴進(jìn)行吸排種工作，種子落入壓穴工序中壓出的穴孔內(nèi)；播種工作完成后，穴盤傳送到覆土工位，由覆土裝置對(duì)穴盤進(jìn)行填土覆蓋；覆土工作結(jié)束的穴盤隨后被傳送到清掃土工序，毛刷滾筒再次清掃浮土；最后輸送到流水線最右端，由人工將穴盤搬運(yùn)至育苗室培育。

本文設(shè)計(jì)的蔬菜育苗播種流水線主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 蔬菜育苗播種流水線主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab. 1 Main design parameters of vegetable

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 鋪覆土裝置設(shè)計(jì)

蔬菜育苗播種流水線通過鋪覆土裝置對(duì)空穴盤進(jìn)行培養(yǎng)土裝填以及對(duì)播種后的穴盤進(jìn)行覆土。鋪覆土裝置需要在穴盤傳輸?shù)倪^程中完成對(duì)穴盤的裝土，所以鋪覆土裝置架在流水線上方，與流水線之間的高度大于穴盤高度，培養(yǎng)土從鋪覆土裝置的出土口出來后便撒落到穴盤上。鋪覆土裝置主要由儲(chǔ)土箱、皮帶傳輸裝置、電機(jī)和鋪覆土調(diào)節(jié)裝置組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋪覆土裝置結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)土箱為內(nèi)部上寬下窄的梯形棱臺(tái)。鋪覆土調(diào)節(jié)裝置包括高度調(diào)節(jié)、寬度調(diào)節(jié)和土量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。通過旋轉(zhuǎn)高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的手輪可以調(diào)整鋪覆土裝置的安裝高度，以適應(yīng)不同高度規(guī)格的穴盤；通過寬度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的旋鈕可以調(diào)整儲(chǔ)土箱出土口兩側(cè)可調(diào)擋土板的角度，從而控制培養(yǎng)土從儲(chǔ)土箱出土口下落的寬度，以適應(yīng)不同寬度規(guī)格的穴盤；通過土量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中的旋鈕可以調(diào)整出土口前側(cè)擋土板的角度從而調(diào)節(jié)出土口的輸出土量，以適應(yīng)不同種子的農(nóng)藝要求。皮帶式傳輸裝置位于儲(chǔ)土箱下方，由輸送帶、主動(dòng)滾筒和被動(dòng)滾筒組成。根據(jù)儲(chǔ)土箱的底部邊長(zhǎng)確定輸送帶的長(zhǎng)度和寬度。

鋪覆土裝置前方裝有限位開關(guān)，當(dāng)穴盤的側(cè)邊接觸到限位開關(guān)時(shí)，電機(jī)開始工作，直接驅(qū)動(dòng)主動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，通過主動(dòng)滾筒和從動(dòng)滾筒共同帶動(dòng)儲(chǔ)土箱中的輸送帶工作，將儲(chǔ)土箱中的培養(yǎng)土通過出土口輸送到穴盤的穴孔中進(jìn)行鋪覆土。

2.2 清掃土裝置設(shè)計(jì)

在鋪土和覆土之后，需要清掃土裝置清掃穴盤表面多余的培養(yǎng)土。清掃土裝置主要由電機(jī)、高度調(diào)節(jié)裝置和毛刷滾筒組成，如圖3所示。清掃土裝置的主體結(jié)構(gòu)是一個(gè)裝有大量毛刷的滾筒，當(dāng)流水線上的穴盤傳輸?shù)角鍜咄廖恢脮r(shí)，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，利用滾筒上的毛刷清掃穴盤上面多余的培養(yǎng)土。清掃的土量主要是通過滾筒與穴盤之間的高度決定的，由于不同規(guī)格的穴盤高度不同，因此清掃土裝置兩側(cè)安裝有高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)為螺桿螺母調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，螺桿與機(jī)架軸承連接，螺母與毛刷滾筒連接，旋轉(zhuǎn)左右高度調(diào)節(jié)手輪控制螺母上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)毛刷滾筒上下移動(dòng)。

圖3 清掃土裝置結(jié)構(gòu)

2.3 壓穴裝置設(shè)計(jì)

2.3.1 壓穴裝置整體結(jié)構(gòu)

穴盤經(jīng)過清掃土裝置的清掃后，每一個(gè)穴孔里面都填滿培養(yǎng)土，但需要對(duì)每個(gè)穴孔進(jìn)行壓穴，形成均勻的播種穴，以方便后續(xù)的播種，提高種苗的成活率。壓穴裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 壓穴裝置結(jié)構(gòu)

壓穴滾筒由壓穴電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)。壓穴裝置兩側(cè)安裝高度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，可根據(jù)種子埋土深度的不同要求控制壓穴深度。

當(dāng)安裝在壓穴裝置前方的接限位開關(guān)檢測(cè)到穴盤到達(dá)后，壓穴裝置的電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)輸出動(dòng)力后經(jīng)過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳輸給滾筒，通過滾筒傳動(dòng)軸帶動(dòng)壓穴滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，壓穴滾筒上均勻分布有錐形凸起的壓穴頭，通過壓穴頭在穴盤的穴孔中上壓出播種穴。

2.3.2 壓穴滾筒設(shè)計(jì)

壓穴滾筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮穴盤的尺寸排列，以保證每個(gè)壓穴頭可以準(zhǔn)確的壓在穴盤的穴孔中間。本文選用的是6行12列高度為45 mm的72穴孔的穴盤，因此壓穴滾筒上的壓穴頭的行數(shù)設(shè)計(jì)為6行，為了兼容更多規(guī)格的穴盤，壓穴頭的列數(shù)設(shè)計(jì)為16列。同時(shí)，設(shè)定壓穴深度為15 mm，按照兩個(gè)壓穴頭間的弧長(zhǎng)距離與穴盤兩個(gè)孔穴的間距相等的要求，設(shè)計(jì)壓穴滾筒直徑。

圖5為壓穴滾筒的運(yùn)動(dòng)分析圖。相鄰兩個(gè)壓穴頭分布的弧長(zhǎng)W等于兩穴間距L1，R1為滾筒半徑，R2為相切圓半徑，已知L1為42.5 mm，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出相切圓半徑

2πR2=12L1=16W

(1)

代入?yún)?shù)計(jì)算求得R2為81 mm，此時(shí)壓穴頭的壓入深度為15 mm，考慮到需要一定余量，故壓穴滾筒的半徑R1設(shè)計(jì)為70 mm，壓穴頭高度為25 mm。

2.4 播種裝置設(shè)計(jì)

2.4.1 播種裝置整體結(jié)構(gòu)

播種裝置是蔬菜育苗播種流水線的核心裝置，決定了流水線的播種效果。播種裝置主要包括高度調(diào)節(jié)裝置、播種滾筒、吹掃裝置、漏種盒、振動(dòng)器和儲(chǔ)種箱。播種裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 播種裝置結(jié)構(gòu)

播種滾筒兩側(cè)安裝有高度調(diào)節(jié)裝置，通過旋轉(zhuǎn)手輪控制螺栓螺母機(jī)構(gòu)從而調(diào)節(jié)播種滾筒的安裝位置，以適應(yīng)不同高度的穴盤，提高播種裝置的適應(yīng)性。播種滾筒的上方安裝有一排吹掃裝置用來吹落多余吸附的種子，播種滾筒的后方安裝有儲(chǔ)種箱，當(dāng)播種滾筒工作時(shí)從儲(chǔ)種箱內(nèi)吸附蔬菜種子。播種滾筒的右側(cè)安裝有電機(jī)，工作時(shí)輸出的動(dòng)力經(jīng)過齒輪機(jī)構(gòu)后帶動(dòng)播種滾筒傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)。

播種裝置前方裝有限位開關(guān)，當(dāng)其閉合，即檢測(cè)到穴盤到達(dá)預(yù)定位置后，播種裝置開始工作。利用外部氣源提供給播種滾筒的負(fù)壓和儲(chǔ)種箱內(nèi)振動(dòng)器的輔助作用，當(dāng)播種滾筒上的吸嘴旋轉(zhuǎn)到吸種位置時(shí)吸附儲(chǔ)種箱中的種子。被吸附的種子隨播種滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過吹掃區(qū)域時(shí)，由吹掃裝置吹走吸嘴上多余吸附的種子，保證吸嘴上只吸附一顆種子，防止出現(xiàn)重播現(xiàn)象。被吹落的種子掉入安裝在吹掃裝置下方的漏種盒。然后，種子經(jīng)過常壓區(qū)域，即播種滾筒通入大氣壓，清除負(fù)壓，減小吸嘴對(duì)種子的吸附力。最后轉(zhuǎn)到正壓區(qū)域，滾筒通入正壓，在正壓和種子自身重力的作用下，種子掉入穴盤中被壓穴裝置壓出的播種穴內(nèi)，完成播種工作。

2.4.2 播種滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

播種裝置中的氣吸滾筒式排種器設(shè)計(jì)成可拆換式，這樣可以根據(jù)播種要求更換裝有不同行數(shù)和列數(shù)吸嘴的滾筒以適應(yīng)不同規(guī)格穴盤，此外也可以根據(jù)種子的類型來更換安裝有對(duì)應(yīng)吸嘴結(jié)構(gòu)的滾筒。播種滾筒主要包括滾筒、左右端蓋、齒輪機(jī)構(gòu)、吸嘴和滾筒傳動(dòng)軸，如圖7所示。

圖7 播種滾筒

播種滾筒的右上方有一條黑色氣管，為播種滾筒提供負(fù)壓。播種滾筒的右下方有一條紅色氣管，為播種滾筒提供正壓。播種滾筒兩側(cè)分別安裝一個(gè)端蓋，左側(cè)端蓋是封閉的，以保證播種滾筒工作時(shí)輸入進(jìn)滾筒內(nèi)的正壓和負(fù)壓不會(huì)泄露；右側(cè)端蓋與吸盤相連。吸盤是外部正壓和負(fù)壓氣源進(jìn)入播種滾筒的通道，如圖8所示，主要分為：負(fù)壓吸種區(qū)、常壓區(qū)和正壓播種區(qū)。負(fù)壓從負(fù)壓區(qū)進(jìn)入滾筒內(nèi)部后提供給吸嘴吸附種子；外界大氣壓通過常壓氣孔進(jìn)入滾筒清除負(fù)壓；正壓通過正壓氣孔進(jìn)入滾筒，種子在自身重力和正壓的作用下，掉落至穴盤的穴孔內(nèi)，完成播種工作。

圖8 吸盤結(jié)構(gòu)

播種滾筒的端面如圖9所示，滾筒內(nèi)部分為12個(gè)長(zhǎng)方形孔道，每行孔道對(duì)應(yīng)圖7中播種滾筒上一列的6個(gè)吸嘴。播種滾筒工作時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)通過齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳輸給滾筒傳動(dòng)軸帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，但是吸盤固定在機(jī)架上不動(dòng)，因此滾筒相對(duì)于吸盤旋轉(zhuǎn)，各長(zhǎng)方形孔道的氣孔依次經(jīng)過吸盤的負(fù)壓區(qū)、常壓區(qū)和正壓區(qū)，長(zhǎng)方形孔道所對(duì)應(yīng)的6個(gè)吸嘴也就依次進(jìn)行負(fù)壓吸種、常壓通氣和正壓播種的工作，隨著播種滾筒旋轉(zhuǎn)不停切換。

圖9 播種滾筒端面

2.4.3 播種滾筒尺寸計(jì)算

由于播種要求需要吸嘴將種子準(zhǔn)確播入在穴盤的穴孔里面，因此播種滾筒上吸嘴的分布間距需要匹配穴盤的尺寸。對(duì)于6行12列的72孔穴盤，穴孔之間的距離L1與所設(shè)計(jì)播種滾筒上兩個(gè)吸嘴間的弧長(zhǎng)W相等，為42.5 mm。然后根據(jù)式(2)計(jì)算播種滾筒半徑

2πR=12W=12L1

(2)

計(jì)算得播種滾筒半徑為81 mm。播種滾筒的長(zhǎng)度應(yīng)大于穴盤的寬度才能有足夠空間安裝與6行12列規(guī)格的穴盤相匹配的6行吸嘴，由于穴盤的寬度為280 mm，所以播種滾筒的長(zhǎng)度設(shè)定為320 mm。

2.4.4 吸嘴孔型設(shè)計(jì)與直徑計(jì)算

播種滾筒上的吸嘴結(jié)構(gòu)決定了蔬菜育苗播種流水線播種裝置的吸種能力。播種滾筒的吸嘴孔型有直孔、沉孔和錐形孔3種，如圖10所示。

播種滾筒上吸嘴直徑的大小影響播種滾筒工作時(shí)對(duì)負(fù)壓的需求。針對(duì)本文所研究的類球形種子，根據(jù)式(3)計(jì)算吸嘴直徑[16]

d1=(0.6～0.7)b

(3)

式中：b——種子粒徑，mm。

由于常用蔬菜種子的粒徑集中在1.1～1.5 mm之間，所以本文選擇0.6 mm，0.8 mm，1.0 mm作為設(shè)計(jì)吸嘴的直徑。設(shè)計(jì)的吸嘴孔型和吸嘴直徑需要通過播種試驗(yàn)分析確定最佳吸嘴孔型和直徑。

2.4.5 儲(chǔ)種箱設(shè)計(jì)

播種裝置是連續(xù)工作的，需要大量的種子對(duì)穴盤進(jìn)行播種工作，因此播種裝置需要設(shè)置有儲(chǔ)種箱。本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)種箱結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 儲(chǔ)種箱結(jié)構(gòu)

儲(chǔ)種箱通過4根彈簧安裝在播種裝置的機(jī)架上，同時(shí)與播種滾筒兩端接觸處安裝有海綿，以減少播種滾筒工作時(shí)產(chǎn)生的摩擦振動(dòng)[17]。儲(chǔ)種箱中安裝有氣動(dòng)振動(dòng)器，氣動(dòng)振動(dòng)器通過氣管通入正壓。通入正壓后氣動(dòng)振動(dòng)器開始工作，帶動(dòng)儲(chǔ)種箱振動(dòng)，并將振動(dòng)傳遞給儲(chǔ)種箱內(nèi)的種子。種子受到振動(dòng)跳躍達(dá)到一種“沸騰”的狀態(tài)，此時(shí)種子間的摩擦力會(huì)減小，達(dá)到相互分離的目的。當(dāng)播種滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)吸種位置時(shí)，振動(dòng)跳躍種子在負(fù)壓氣流的作用下，被吸嘴吸附[18-21]。

儲(chǔ)種箱的容量大小取決于蔬菜育苗播種流水線進(jìn)行播種工作時(shí)對(duì)種子的需求量。根據(jù)式(4)計(jì)算儲(chǔ)種箱的容量

(4)

式中：n——需要連續(xù)播種的種子數(shù)量，粒；

q——種子千粒重，g；

v——每升種子的平均重量，g/L。

以油菜種子為例，其千粒重3.56 g，連續(xù)播種時(shí)間為3 h，最大播種效率為800盤/h，每個(gè)穴盤有72個(gè)穴孔，計(jì)算得到儲(chǔ)種箱的容積為1.76 L。為了保證一定的余量，設(shè)計(jì)儲(chǔ)種箱容量為2 L。儲(chǔ)種箱結(jié)構(gòu)如圖12所示，其側(cè)板傾斜角度設(shè)計(jì)為45°，大于種子的最大靜止角，有利于種子不斷地沿側(cè)板向下滾動(dòng)，從而更容易被吸嘴吸附。

圖12 儲(chǔ)種箱結(jié)構(gòu)分析

2.4.6 吹掃裝置設(shè)計(jì)

吹掃裝置是降低蔬菜育苗播種流水線播種重播率的關(guān)鍵裝置。播種滾筒上吸嘴在吸種時(shí)可能會(huì)吸附超過一顆種子，從而導(dǎo)致播種時(shí)出現(xiàn)重播現(xiàn)象。為了降低重播率，需要設(shè)計(jì)吹掃裝置清除吸嘴多余吸附的種子，本文設(shè)計(jì)的吹掃裝置如圖13所示。

圖13 吹掃裝置

吹掃裝置主要包括噴嘴、氣管和機(jī)架。根據(jù)播種滾筒的吸嘴排布，吹掃裝置設(shè)計(jì)有6個(gè)噴嘴，正壓風(fēng)機(jī)通過氣管給吹掃裝置提供正壓，氣流在一定的壓力下從噴嘴口快速噴出，對(duì)播種滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)經(jīng)過的每行吸嘴進(jìn)行吹掃操作。

根據(jù)不可壓縮流體的平面湍性射流的理論分析可知，射流的寬度與到射流源噴嘴的距離成正比，即平面湍性射流的邊界是一條從射流源發(fā)出的直線，此射流大約以13°半角向后擴(kuò)張且隨著離射流源距離的增大，射流的最大速度越來越小[22-23]。根據(jù)圖14的噴嘴氣流分布圖，得到射流在吸嘴處作用直徑與噴嘴口徑之間關(guān)系，如式(5)所示。

D=2Ltan13°+d

(5)

式中：D——射流在吸嘴處作用直徑，mm；

d——射流噴嘴的直徑，mm；

L——射流噴嘴到吸嘴的距離，mm。

要完成吹掃工作，射流的作用范圍需要覆蓋種子在吸嘴上分布的最大范圍。以油菜種子為例，其粒徑平均值為1.46 mm，射流在吸嘴處作用直徑D設(shè)計(jì)為10 mm時(shí)可以保證覆蓋種子分布范圍。為了保證機(jī)器在工作時(shí)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，噴嘴與滾筒的距離不能過小，同時(shí)考慮到射流的流速在噴射過程中不斷減小，為了保證射流噴射到達(dá)吸嘴時(shí)仍有一定速度，噴嘴與滾筒的距離也不能過大，此外也要保證噴嘴的口徑適中，綜合考慮噴嘴到吸嘴的距離L設(shè)計(jì)為18 mm。將上述數(shù)值條件代入式(5)，計(jì)算得到噴嘴口直徑為2 mm。當(dāng)吹掃裝置通入10 kPa的正壓時(shí)，吹掃效果理想。

圖14 噴嘴氣流分析圖

3 流水線播種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)

在完成對(duì)流水線各個(gè)裝置主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、選型、仿真和三維建模后，將工程圖紙交付工廠加工，同時(shí)外購(gòu)風(fēng)機(jī)、輸送帶傳輸裝置以及電機(jī)等配件，然后將加工好的零部件與采購(gòu)的配件進(jìn)行組裝，最后開發(fā)出樣機(jī)。在所開發(fā)的樣機(jī)上進(jìn)行流水線播種性能試驗(yàn)。

試驗(yàn)根據(jù)《溫室蔬菜穴盤精密播種機(jī)技術(shù)條件》(NY/T 1823—2009)[24]選取合格率、重播率和空穴率作為評(píng)價(jià)蔬菜育苗播種流水線播種性能的指標(biāo)，其表達(dá)式如式(6)～式(8)所示。

(6)

(7)

(8)

式中：X——合格率；

Y——重播率；

Z——空穴率；

N合格——種子數(shù)等于1的穴孔數(shù)量；

N重——種子數(shù)大于1的穴孔數(shù)量；

N空——種子數(shù)為0的穴孔數(shù)量；

N總——穴盤中總穴孔數(shù)量。

3.2 試驗(yàn)方案

針對(duì)試制的樣機(jī)，以油菜種子作為試驗(yàn)對(duì)象，選擇真空度、吸嘴孔型和吸嘴孔徑三因素做正交試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，得到最優(yōu)因素組合。試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素水平Tab. 2 Test factor level

3.3 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1中的試驗(yàn)因素水平，采用L9(34)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行播種試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab. 3 Orthogonal test scheme and results

3.3.2 合格率極差和方差分析

采用極差分析法研究各因素對(duì)合格率、重播率以及空穴率的影響程度以及探究最優(yōu)因素組合，合格率的極差分析結(jié)果見表4。均值K是每個(gè)因素下各個(gè)水平的平均值；通過將同一個(gè)試驗(yàn)因素的不同水平下均值的最大值與最小值相減得到極差，極差越大，表明該因素對(duì)目標(biāo)的影響程度越大。

表4 合格率的極差分析Tab. 4 Range analysis of qualified rate

表5方差分析結(jié)果表明A因素對(duì)合格率的影響比較顯著，其次為B因素，C因素影響最小，與極差分析的影響順序A、B、C相同，表明本次試驗(yàn)結(jié)果可靠。通過上述極差分析與方差分析可以得出最優(yōu)因素組合為A3B1C3，此時(shí)的合格率最大。

表5 合格率的方差分析Tab. 5 Analysis of variance of qualified rate

3.3.3 重播率極差和方差分析

首先對(duì)重播率進(jìn)行極差分析，重播率的極差分析結(jié)果見表6，可以看出B因素對(duì)重播率的影響比較顯著，其次為A因素，C因素影響最小。

表6 重播率的極差分析Tab. 6 Range analysis of over seeding rate

表7方差分析結(jié)果表明B因素的影響比較顯著，其次為A因素，C因素影響最小，與極差分析的影響順序B、A、C相同，表明本次試驗(yàn)結(jié)果可靠。通過上述極差分析與方差分析可以得出最優(yōu)因素組合為A1B2C3，此時(shí)的重播率最小。

表7 重播率的方差分析Tab. 7 Analysis of variance of over seeding rate

3.3.4 空穴率極差和方差分析

與合格率及重播率一樣，首先對(duì)空穴率進(jìn)行極差分析，空穴率的極差分析結(jié)果見表8，可以看出A因素對(duì)合格率的影響比較顯著，其次為C因素，B因素影響最小。

表9的方差分析結(jié)果表明A因素的影響比較顯著，其次為C因素，B因素影響最小，與極差分析的影響順序A、C、B相同，表明本次試驗(yàn)結(jié)果可靠。通過上述極差分析與方差分析可以得出最優(yōu)因素組合為A3B3C3，此時(shí)的空穴率最小。

表8 空穴率的極差分析Tab. 8 Range analysis of no seed rate

表9 空穴率的方差分析Tab. 9 Analysis of variance of no seed rate

3.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

在保證合格率最大，重播率和空穴率較小的原則下確定最優(yōu)因素組合為A1B2C1，即真空度7 kPa、吸嘴孔型為直孔、吸嘴孔徑1.0 mm，選取不同的播種效率(200盤/h、400盤/h、600盤/h、800盤/h)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，播種效果如表10所示。由表10可知，所設(shè)計(jì)的蔬菜育苗播種流水線在不同播種效率下的播種合格率穩(wěn)定在93%以上，重播率低于3%，空穴率低于5%，滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的要求。

表10 不同播種效率下的播種效果Tab. 10 Seeding effect under the different seeding efficiency

4 結(jié)論

1) 為提高工廠化蔬菜育苗播種的效率，設(shè)計(jì)了一種集鋪土、覆土、清掃土、壓穴和播種多功能于一體的蔬菜育苗播種流水線。選用6行12列高度為45 mm的72穴孔的穴盤，壓穴滾筒的半徑為70 mm，壓穴滾筒上的壓穴頭的行數(shù)為6，列數(shù)為16，壓穴頭的高度為25 mm，壓穴深度為15 mm，播種滾筒的半徑為81 mm，播種滾筒的長(zhǎng)度為320 mm。

2) 針對(duì)試制樣機(jī)，以油菜種子為試驗(yàn)對(duì)象，選擇真空度、播種滾筒吸嘴孔徑和吸嘴孔型三因素做正交試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析得到最優(yōu)因素組合。正交試驗(yàn)表明，影響合格率的主次因素順序?yàn)檎婵斩?、吸嘴孔型、吸嘴孔徑；影響重播率的主次因素順序?yàn)槲炜仔?、真空度、吸嘴孔徑；影響空穴率的主次因素順序?yàn)檎婵斩?、吸嘴孔徑、吸嘴孔型?/p>

3) 經(jīng)極差和方差分析后得出播種效果最優(yōu)因素組合：真空度為7 kPa，吸嘴孔型為直孔，吸嘴孔徑為1.0 mm。在最優(yōu)因素組合條件下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的蔬菜育苗播種流水線在不同播種效率下的播種合格率穩(wěn)定在93%以上，重播率低于3%，空穴率低于5%，滿足前文設(shè)計(jì)參數(shù)中的要求。