點(diǎn)膠-紙帶式胡蘿卜排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)①

秦青青， 張艷麗， 牛國玲， 石統(tǒng)宇， 朱世偉

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引 言

我國蔬菜的種植模式一般是人工撒播或者機(jī)械式條播。采用人工種植，增加勞動成本，種植效率低下。而采用機(jī)械化種植，降低了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，機(jī)械化程度已逐漸成熟。但是針對小粒蔬菜的機(jī)械化種植卻并不完善，胡蘿卜獨(dú)特的外形，傳統(tǒng)的機(jī)械化播種機(jī)并不能有效地控制播種量，一次播種單粒或者多粒種子，造成排種不均勻的現(xiàn)象。針對上述問題，采用紙帶播種技術(shù)是解決問題的有效途徑之一。紙帶技術(shù)最初是由日本的水稻覆膜技術(shù)演變而來，近年來，我國學(xué)者根據(jù)國內(nèi)農(nóng)作物的種植需求進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。李秀,王家勝等學(xué)者研究了種子帶編織機(jī)技術(shù)[1]。該技術(shù)是利用種子編織機(jī)將種子均勻地播種在可降解的紙帶上，然后再把包有種子的紙帶繞成繩后纏繞成輥，再根據(jù)農(nóng)作物的深度和行距埋在土壤里，從而解決了單粒精密播種的問題。沈延斗，張峰提出了種子編織帶播種技術(shù)[2]。該技術(shù)是將不規(guī)則的小顆粒種子用種子丸粒化機(jī)加工成規(guī)則的種子，再用編織機(jī)將種子按照農(nóng)藝要求編織在紙帶中形成編織帶，最后再用多功能播種機(jī)將種子帶播種在土壤中。這對于研究小粒蔬菜的均勻排種具有參考價(jià)值，在可降解的紙帶上覆上一層粘結(jié)劑，通過排種裝置把胡蘿卜種子播種到紙帶上，既保證種子間留有一定的間距和行距，省去日后間苗這道工序[3]，使得排種量均勻，又避免種子的浪費(fèi)，因此研制一種點(diǎn)膠-紙帶式胡蘿卜播種機(jī)具有較好的實(shí)用價(jià)值。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

紙帶胡蘿卜播種機(jī)整機(jī)如圖1所示。設(shè)定點(diǎn)膠-紙帶式胡蘿卜播種機(jī)的外形尺寸為950*640*40；株距為110-150mm；行距為150-200mm；作業(yè)速度為0.5-0.8m/s；排種轉(zhuǎn)速為5-20r/min。工作原理如下：

(1)在播種作業(yè)前，調(diào)節(jié)播種機(jī)兩側(cè)的螺栓，向下移動開溝器，插入土里的深度約為3cm。播種機(jī)的左側(cè)傳動電機(jī)與右側(cè)傳動電機(jī)分別通過鏈傳動把動力輸出到鎮(zhèn)壓輪上，再通過二次鏈傳動傳輸?shù)狡胶廨喩?，使得左右兩?cè)同速，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)的運(yùn)動。

(2)在紙帶架上放置寬為18mm的長形滾筒紙帶，置于播種機(jī)的前端，并把紙帶的初端固定在土里，機(jī)板上的紙帶隨著播種機(jī)一起運(yùn)動。在距離紙帶架200mm的上方安裝一個(gè)電動推桿，電動推桿推著點(diǎn)膠管向下運(yùn)動。當(dāng)點(diǎn)膠管前端的滾珠與紙帶接觸擠出膠管內(nèi)的膠水，接近開關(guān)感應(yīng)到滾珠與紙帶接觸，并把電壓信號反饋給控制系統(tǒng)，電動推桿縮回，完成一次點(diǎn)膠的動作。

(3)點(diǎn)完膠水的紙帶繼續(xù)向前運(yùn)動。排種器安裝在距離點(diǎn)膠裝置200mm處的上方，當(dāng)吸氣泵抽取排種器內(nèi)部的空氣形成負(fù)壓，把播種盒里的種子吸附在種口上，排種電機(jī)帶動排種器轉(zhuǎn)動。當(dāng)排種器與內(nèi)置的重心盤接觸時(shí)，重心盤堵住吸種口，使其失去壓力，在重力的作用下掉落在紙帶的粘結(jié)處。

(4)在距離排種裝置100mm處的下方安裝由電機(jī)驅(qū)動的張力輥和導(dǎo)向輥。紙帶經(jīng)過張力輥時(shí)，張力輥下方的張力傳感器檢測到紙帶的張力，并把信號反饋給控制系統(tǒng)，并與預(yù)設(shè)值做比較，反饋電壓信號。調(diào)節(jié)傳動電機(jī)的轉(zhuǎn)矩并控制播種機(jī)的速度，從而達(dá)到調(diào)整張力的目的。紙帶隨著導(dǎo)向輥向下運(yùn)動落在播種溝里，鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓開溝器兩側(cè)的土壤完成覆土。

1.把手 2.控制柜 3.電源4.吸氣泵 5.播種盤電機(jī) 6.排種器7.播種盒 8.點(diǎn)膠裝置 9.機(jī)架 10.紙帶架11.平衡輪12.傳動裝置 13.開溝器 14.紙帶 15.張紙裝置 16.鎮(zhèn)壓輪 17.傳動電機(jī)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

點(diǎn)膠機(jī)構(gòu)如圖2所示，電動推桿用螺栓固定在鋁型材框架上，處于豎直狀態(tài)，點(diǎn)膠架內(nèi)的彈簧套在點(diǎn)膠管的前端。播種機(jī)在運(yùn)動時(shí)，電動推桿推著點(diǎn)膠管往下運(yùn)動，點(diǎn)膠嘴的滾珠與紙帶發(fā)生接觸產(chǎn)生摩擦，使?jié)L珠在滾珠座內(nèi)滾動，擠出膠管內(nèi)的膠水落在紙帶上，同時(shí)接近開關(guān)感應(yīng)到滾珠與紙帶接觸，并把信號反饋給控制系統(tǒng)，并控制電動推桿縮回，完成點(diǎn)膠的動作。為了防止電動推桿的行程超過點(diǎn)膠嘴的運(yùn)動范圍而把紙帶戳破，在點(diǎn)膠管的前端加了一截彈簧來減輕滾珠對紙帶的力度。

2.2 排種器設(shè)計(jì)

排種器是紙帶式胡蘿卜播種機(jī)的關(guān)鍵部件，該機(jī)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)影響到排種量。如圖4所示，重心盤是由鐵質(zhì)材料構(gòu)成，它一直位于種盤的底部，呈相切狀態(tài)。吸氣泵的吸氣口與排種器的進(jìn)氣口相連，抽取排種器內(nèi)部的空氣形成負(fù)壓，將播種盒上的種子吸附在種口上，排種電機(jī)帶動排種盤轉(zhuǎn)動。當(dāng)種口與內(nèi)置的重心盤接觸時(shí)，重心盤堵住種口失去壓力，在重力作用下掉落在紙帶上，完成一次排種作業(yè)。排種盤的主要參數(shù)包括排種盤外徑與寬度、型孔的尺寸與數(shù)量、排種盤轉(zhuǎn)速等。氣吸式排種盤如圖5所示，排種盤的外徑是排種器的重要參數(shù)，決定了充種的時(shí)間和效果,其關(guān)系式為[4]：

1.鋁型材框架 2.電動推桿 3.膠管 4.點(diǎn)膠架5.彈簧 6.滾珠

1.紙帶2.粘結(jié)劑范圍3.胡蘿卜種子

(1)

式中：β為充種角，(°)；n為紙帶前進(jìn)速度，m/s；m為型孔數(shù)量；k為種子間的株距，m。

由(1)式可知在排種盤角速度、排種盤轉(zhuǎn)速、紙帶前進(jìn)速度和株距一定的條件下，充種角β越大，充種時(shí)間就越長，保證了充足的吸附力，那么充種效果也就越好；但是在播種盒容量一定的情況下，排種盤外徑越大，充種角角β越小，充種時(shí)間越短，則充種效果就越差，根據(jù)各種因素的考慮，排種盤的外徑為150mm，厚度為30mm，排種盤轉(zhuǎn)速n為5-20r/min[8]。其中A為吸種區(qū)、B為護(hù)種區(qū)、C為投種區(qū)，D為過渡區(qū)。

胡蘿卜種子的物理特性對均勻排種有一定的影響，因此需要測量胡蘿卜種子的三維尺寸，球形率等物理特性[6]，采用游標(biāo)卡尺來測量種子的三維尺寸大小，誤差精度為0.02mm，其中球形率φ與三維尺寸的關(guān)系[7]如下。其測量結(jié)果的最大值、最小值、等效直徑、平均值和球形率如表1所示。

1.播種盒 2.進(jìn)氣口 3.排種盤4.輪蓋5.排種電機(jī)軸孔 6.負(fù)壓腔 7.重心盤

1.紙帶2.胡蘿卜種子3.排種盤

(2)

式中：L為種子的長徑，mm；W為種子的短徑，mm；T為種子的厚度，mm；D為等效直徑，mm；φ為球形率，%。

表1 胡蘿卜種子的三維尺寸數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1的尺寸參數(shù)可知：胡蘿卜的球形率不高，因此在種盤上設(shè)計(jì)類似橢圓形的種口。為了避免種子在負(fù)壓的作用下進(jìn)入排種盤的內(nèi)部，種口尺寸小于胡蘿卜種子的尺寸，則設(shè)種口的長徑為2.9mm、短徑為1.2mm、種子的厚度為0.3mm，種口直徑為1.2mm。在排種量不變的情況下，種口數(shù)量越多，排種轉(zhuǎn)速越低，種子吸附在投種區(qū)的時(shí)間就越長，排種效果也就越好，型孔數(shù)量計(jì)算公式[8]如下：

(3)

根據(jù)胡蘿卜的播種農(nóng)藝，株距設(shè)置為12cm，代入(3)可得型孔數(shù)量取26-50個(gè)，綜合考慮，吸種口數(shù)量取36個(gè)。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)于2021年6月20日在黑龍江省佳木斯大學(xué)科技園試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)場地為砂土壤，含水率為12%，空氣溫度為27℃。為了試驗(yàn)方便采用畦作單行播種，已提前將土壤進(jìn)行碎土，無雜草，播種行距為150mm，株距為120mm，播種深度為30mm，播種機(jī)行駛的速度為0.8m/s。選擇九寸三紅胡蘿卜作為試驗(yàn)對象，有紙帶、糯米膠水、直尺等輔助試驗(yàn)材料。試驗(yàn)的主要目的在于探究吸種負(fù)壓、排種盤轉(zhuǎn)速、投種高度這三個(gè)影響因素對紙帶胡蘿卜播種機(jī)播種質(zhì)量的影響規(guī)律。按照《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》中的有關(guān)內(nèi)容，確定了合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為評價(jià)指標(biāo)[9]。其計(jì)算公式[10]如下：

(4)

(5)

(6)

式中：A為合格指數(shù)；n1為株距滿足播種農(nóng)藝的種子數(shù)量；N,為試驗(yàn)種子總數(shù)；D為重播指數(shù)；n2為重播的種子數(shù)量；M為漏播指數(shù)；n3為漏播的種子數(shù)量。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

根據(jù)多次的試驗(yàn)及吸氣泵提供的負(fù)壓情況，設(shè)定吸種負(fù)壓范圍為-1.5～-3.5kPa，排種轉(zhuǎn)速范圍為5～20r/min，投種高度為5～30mm，選取不幾個(gè)不同的因素水平，采用控制變量法進(jìn)行單因素試驗(yàn)，獲得了影響排種性能的較優(yōu)參數(shù)范圍：吸種負(fù)壓為-2.5～-3.5kPa、排種器轉(zhuǎn)速為11～17r/min、投種高度為5～15mm，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，各因素水平設(shè)計(jì)如表2所示，排種試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，分析結(jié)果如表4所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

表3 試驗(yàn)結(jié)果

表4 分析結(jié)果

由表4可知：播種機(jī)排種的合格指數(shù)因素的主次順序依次為B>A>C，較優(yōu)組合為A3B3C2；重播指數(shù)因素的主次順序依次為B>A>C，較優(yōu)組合為A3B3C1；漏播指數(shù)因素的主次順序依次為A>B>C，較優(yōu)組合為A3B3C2，綜合考慮，選擇的較優(yōu)組合為A3B3C2，即吸種負(fù)壓為-3.5kPa，排種轉(zhuǎn)速為17r/min，投種高度為10mm，合格指數(shù)為74.4%、重播指數(shù)為15.67%、漏播指數(shù)為9.93%。

4 結(jié) 論

針對胡蘿卜種子籽粒小、質(zhì)量輕等特點(diǎn)導(dǎo)致排種不均勻的問題，在現(xiàn)階段的播種機(jī)研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種點(diǎn)膠-紙帶式胡蘿卜播種機(jī)，通過理論分析確定關(guān)鍵參數(shù)并進(jìn)行單因正交試驗(yàn)，得到各參數(shù)對排種性能的影響，從而確定了播種機(jī)工作的最佳參數(shù)：吸種負(fù)壓為-3.5kPa，排種轉(zhuǎn)速為17r/min，投種高度為10mm，在此條件下進(jìn)行較優(yōu)水平組合試驗(yàn)，得出排種合格指數(shù)為74.4%、重播指數(shù)為15.67%、漏播指數(shù)為9.93%，降低了種植成本，為小粒蔬菜地均勻播種提供了重要參考。