大豆小區(qū)育種氣吸式排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

摘要：

針對(duì)大豆小區(qū)育種排種器在高速作業(yè)條件下的種子漏播、重播率高以及清換種作業(yè)過(guò)程煩瑣的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款針對(duì)大豆小區(qū)育種的氣吸式排種器及其自動(dòng)清換種裝置。在分析大豆種子充種過(guò)程中的受力情況以及種子的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款氣吸式排種器；分析大豆小區(qū)育種的清換種過(guò)程，設(shè)計(jì)一套與排種器配套的自動(dòng)清換種裝置，可以實(shí)現(xiàn)3 s內(nèi)精確清換種；搭建試驗(yàn)平臺(tái)，以充種合格率、漏播率、重播率為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)4種不同顆粒大小的大豆種子進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在4個(gè)不同排種盤(pán)轉(zhuǎn)速條件下（6r/min、9r/min、12r/min和15r/min），4種不同顆粒種子的平均合格指數(shù)為98.06%，平均漏播指數(shù)為0.84%，平均重播指數(shù)為1.10%，滿足大豆小區(qū)育種技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞：大豆；氣吸式排種器；小區(qū)育種；自動(dòng)清換種裝置；正交試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2025） 03-0033-07

收稿日期：2023年9月13日" 修回日期：2023年12月13日*

基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）項(xiàng)目（2022CXGC020703）；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（科技示范工程）項(xiàng)目（2022SFGC0203）

第一作者：楊帆，男，1998年生，山東鄒城人，碩士研究生；研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)機(jī)裝備。E-mail： 488353010@qq.com

通訊作者：孫宜田，男，1980年生，山東滕州人，碩士，高級(jí)工程師；研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備智能化控制技術(shù)。E-mail： sytde@163.com

Design and experiment of a pneumatic seed metering device for

soybean breeding in small plots

Yang Fan1，" 2， Teng Li3， Shen Jingxin2，" 4， Zhu Jinghong2，" 4， Sun Yongjia2， "4， Sun Yitian2，" 4

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Tai’an， 271018， China;

2. Shandong Academy of Agricultural Machinery Science， Jinan， 250103， China; 3. Weichai Lovol Intelligent

Agricultural Technology Co.， Ltd.， Weifang， 261206， China; 4. Huanghuaihai Key Laboratory of

Modern Agricultural Equipment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan， 250103， China）

Abstract：

In response to the problems of seed missing， high multiple seeding rate， and cumbersome seed cleaning and replacement process in seed metering devices for soybean small-plot breeding under high-speed operations， a pneumatic seed metering device and its automated seed cleaning and replacement device are designed specifically for soybean small-plot breeding. Based on an analysis of the forces acting on soybean seeds during the filling process and their kinematic model， a pneumatic seed metering device is developed. Additionally， to simplify the seed cleaning and replacement process for soybean small-plot breeding， an automated seed cleaning replacement device is designed， capable of precise seed cleaning and replacement within 3 s. A test platform is built， and orthogonal experiments are conducted using four different sizes of soybean seeds. The evaluation criteria include the qualified seeding rate， missing rate， and multiple seeding rate. The results show than under four different seed plate rotational speeds （6 r/min， 9 r/min， 12 r/min， and 15 r/min）， the average qualified rate of the four seed types is 98.06%， the average missing rate is 0.84% and the average multiple seeding rate is 1.10%， meeting the technical requirements for soybean small-plot breeding.

Keywords：

soybean; pneumatic seed metering device; small-plot breeding; automated seed cleaning and replacement device; orthogonal test

0 引言

大豆是我國(guó)的主要糧食作物［1］，被廣泛應(yīng)用于豆制品加工、餐飲、食用油加工以及養(yǎng)殖業(yè)等行業(yè)。小區(qū)育種是實(shí)現(xiàn)培育良種與增產(chǎn)增收的重要手段［2］，大豆小區(qū)育種對(duì)取種精度和種距控制精度要求非常高，且播種品種繁多，在作業(yè)過(guò)程中需要進(jìn)行不同品種的種子更換。開(kāi)展大豆小區(qū)育種機(jī)械的研制對(duì)于選育新品種意義重大，其中適用于小區(qū)育種的排種器是大豆小區(qū)育種機(jī)械的核心部件，有利于保證精量播種和粒距均勻性［3］，其主要分為機(jī)械式和氣力式［4］。

在小區(qū)育種精細(xì)化播種機(jī)械的研究方面，國(guó)外很多科研機(jī)構(gòu)與農(nóng)機(jī)企業(yè)的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國(guó)［5］。從20世紀(jì)30年代開(kāi)始［6］，加拿大研究人員實(shí)現(xiàn)了小區(qū)育種播種機(jī)的零突破。近些年，奧地利與美國(guó)生產(chǎn)的排種器增加了離心力輔助充種設(shè)計(jì)［7］，能夠?qū)崿F(xiàn)高速作業(yè)時(shí)精確排種。國(guó)內(nèi)相對(duì)來(lái)說(shuō)起步較晚，史嵩［8］、楊薇［9］以玉米為研究對(duì)象，采用Fluent—EDEM耦合仿真，設(shè)計(jì)了玉米的小區(qū)育種精量排種器。姜峰［10］、趙宇［11］研制了兩款大豆育種精密播種機(jī)，前者設(shè)計(jì)了一種插裝組合式育種排種器，可以實(shí)現(xiàn)不同品種的大豆單行和壟上雙行播種，但是播種合格指數(shù)僅有82%；后者則根據(jù)壟三栽培模式下的大豆小區(qū)育種農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)了大豆壟三栽培育種精量播種機(jī)和配套的插裝式排種器，但是清換種過(guò)程煩瑣。劉艷芬等［12］設(shè)計(jì)出一種帶倒角的周邊式傾斜長(zhǎng)方形型孔的水平圓盤(pán)排種器，合格指數(shù)較高，但其是針對(duì)玉米種子的，不適用于大豆小區(qū)育種。楊永振［13］設(shè)計(jì)了往復(fù)擺動(dòng)式大豆小區(qū)育種排種器，雖然很好地解決了品種適應(yīng)性差及種箱種子殘留問(wèn)題，但其合格指數(shù)差異較大，不宜推廣。頓國(guó)強(qiáng)等［14］設(shè)計(jì)了四桿平移式大豆小區(qū)育種排種器，能夠很好地解決清換種煩瑣的問(wèn)題，但是重播率大于6%，播種性能還有很大提升空間。

上述研究無(wú)法同時(shí)兼顧大豆小區(qū)育種作業(yè)農(nóng)藝要求、高效清換種以及高播種合格率。為此，本文兼顧大豆小區(qū)育種作業(yè)時(shí)清換種煩瑣與合格率不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一款適用于大豆小區(qū)育種的氣吸式排種器。

1 整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器整體結(jié)構(gòu)

大豆氣吸式排種器由電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種盤(pán)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可以根據(jù)不同品種大豆小區(qū)育種農(nóng)藝要求進(jìn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)定，從而起到控制種距的效果。氣吸式排種器［15］是通過(guò)吸風(fēng)機(jī)使氣室內(nèi)部產(chǎn)生負(fù)壓，將種子吸附到排種盤(pán)的吸種型孔上，從而實(shí)現(xiàn)單?；蚨嗔５木懿シN［16， 17］。

其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括排種盤(pán)和附屬機(jī)構(gòu)。其中排種盤(pán)為本大豆小區(qū)育種氣吸式排種器的核心結(jié)構(gòu)，包含排種圓筒及所附吸孔、傳動(dòng)軸、軸承、氣壓阻斷器、吸氣管、前擋蓋、后擋蓋、前擋板、后擋板以及內(nèi)部空腔氣吸室等部件；清換種機(jī)構(gòu)主要由種倉(cāng)、種室、清種氣閥、余種收集器、種室電控閥門(mén)、種倉(cāng)電控閥門(mén)、接種器等結(jié)構(gòu)組成。

排種盤(pán)為本大豆小區(qū)育種氣吸式排種器的核心結(jié)構(gòu)，排種盤(pán)的傳動(dòng)軸后測(cè)裝配有齒輪并通過(guò)傳動(dòng)鏈與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連接，可以根據(jù)不同品種大豆小區(qū)育種農(nóng)藝要求進(jìn)行轉(zhuǎn)速的設(shè)定。排種盤(pán)的設(shè)計(jì)裝配圖如圖2（a）所示，其爆炸圖如圖2（b）所示。

排種盤(pán)主要由內(nèi)部氣吸室與外部排種圓筒構(gòu)成。內(nèi)部氣吸室是排種盤(pán)的內(nèi)腔，氣吸室內(nèi)設(shè)有由鋼珠及存放鋼珠的套筒組成的氣壓阻斷器，氣吸室圓心位置位于驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接的傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸外套有與吸風(fēng)機(jī)連接的吸氣管，氣吸室前、后兩側(cè)分別有用于密封的擋板與擋蓋，傳動(dòng)軸外端則連接軸承與傳動(dòng)齒輪；外部排種圓筒主要就是由鋁合金鋼板制成的圓柱筒，圓柱筒曲面上設(shè)置有若干用于精確吸附單粒大豆種子的吸孔。

1.2 排種器工作原理

排種器工作過(guò)程分為充種、清種、投種、換種4個(gè)階段，如圖3所示。第一階段是充種。在這一階段，控制器控制相應(yīng)編號(hào)的種倉(cāng)電控閥門(mén)打開(kāi)，種子由種倉(cāng)落入種室中，與此同時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種盤(pán)的傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)排種盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，并且利用排種盤(pán)內(nèi)部負(fù)壓把種子牢牢吸在吸孔中，至此完成充種工作。

第二階段是清種。被吸孔負(fù)壓吸住的種子隨排種盤(pán)繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至最高點(diǎn)時(shí)，由清種氣閥把可能造成重播的多余種子清除掉，清掉的種子會(huì)重新進(jìn)入種室之中，也可能落入接種器里，至此完成清種工作。

第三階段是投種。種子繼續(xù)隨排種盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時(shí)，氣壓阻斷器將種子與排種器內(nèi)腔之間的負(fù)壓條件隔絕，吸孔吸力短暫消失，種子在重力作用下從吸孔處離開(kāi)，從落種口排出［18］。

第四階段是換種。當(dāng)完成一次充種、清種、投種循環(huán)之后，根據(jù)程序設(shè)計(jì)，排種器會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)換種流程。換種流程如圖4所示，流程依次為：排種圓盤(pán)內(nèi)部負(fù)壓釋放同時(shí)種室電控閥門(mén)打開(kāi)，此時(shí)吸孔中的種子會(huì)因無(wú)負(fù)壓吸力而掉落，分別落入左側(cè)種室與右側(cè)接種器中，而種室中的全部種子會(huì)因種室電控閥門(mén)的開(kāi)啟而自然下落到余種收集器中，完成上述操作后，種室電控閥門(mén)關(guān)閉，控制器控制相應(yīng)編號(hào)的種倉(cāng)電控閥門(mén)打開(kāi)，再次執(zhí)行充種過(guò)程。

傳統(tǒng)大豆小區(qū)育種排種器一般采用插裝式結(jié)構(gòu)［6］，需要人工換種，且換種過(guò)程煩瑣，需要將整個(gè)排種箱拔出，然后換上下一品種種子，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。大豆小區(qū)育種氣吸式排種器在進(jìn)行清換種作業(yè)時(shí)，無(wú)需人工干預(yù)，根據(jù)程序自動(dòng)化完成清換種工作，不僅節(jié)約人力物力，同時(shí)增強(qiáng)清換種工作的效率與質(zhì)量，避免清換種過(guò)程中因箱內(nèi)死角造成的清種不完全問(wèn)題。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排種盤(pán)設(shè)計(jì)

排種盤(pán)是排種器設(shè)計(jì)的核心，也是對(duì)排種效果影響最大的關(guān)鍵部件，主要包括排種盤(pán)和吸孔的設(shè)計(jì)。

2.1.1 排種盤(pán)結(jié)構(gòu)參數(shù)

當(dāng)前，市場(chǎng)上的氣吸式垂直圓盤(pán)排種器上的排種盤(pán)直徑多數(shù)為140～260mm。想要確定設(shè)計(jì)直徑，就需要綜合考慮圓盤(pán)半徑r、吸孔個(gè)數(shù)n、排種圓盤(pán)轉(zhuǎn)速np以及吸孔間圓心角θ之間的關(guān)系。具有以下關(guān)系：圓盤(pán)半徑r越大則吸孔個(gè)數(shù)n越多，吸孔間圓心角θ越小，在保證種距不變的前提下，圓盤(pán)轉(zhuǎn)速np則越小，這樣可以增加充種時(shí)間、降低漏播率；不過(guò)，這樣會(huì)使圓盤(pán)內(nèi)腔變大，需要的壓力也增大，進(jìn)而需要增大吸風(fēng)機(jī)的負(fù)載。經(jīng)過(guò)綜合考慮r、n、np、θ以及排種器工作效率與質(zhì)量，鑒于大豆小區(qū)育種農(nóng)藝要求，設(shè)定排種圓盤(pán)半徑r=163mm，其內(nèi)徑為149mm，采用厚度為6.0mm鋁合金材料制作而成。

目前，市面上的氣吸式排種器大多采用排種盤(pán)底面攜種投種的設(shè)計(jì)［19，" 20］，鮮有將吸孔設(shè)置于側(cè)面（曲面）的。采用排種盤(pán)曲面吸孔的設(shè)計(jì)，可以有效增加種子與排種器的接觸時(shí)間，降低漏播率；同時(shí)，該設(shè)計(jì)能夠快速實(shí)現(xiàn)余種清理，不會(huì)在種室內(nèi)產(chǎn)生種子殘留。

2.1.2 排種盤(pán)吸孔參數(shù)

吸孔直徑是影響氣吸式排種器排種效果的關(guān)鍵因素，吸孔直徑與種子直徑息息相關(guān)，通過(guò)分析大豆種子的外形特點(diǎn)等信息，采用損種率最低的圓形孔設(shè)計(jì)，即在排種器圓盤(pán)上鉆出一定數(shù)量的圓孔。

1） 吸孔直徑d。根據(jù)一般大豆直徑范圍可得到吸孔直徑范圍，如式（1）所示。

d=z×b

（1）

式中： z——

大豆吸孔與大豆種子直徑的關(guān)系參數(shù)，0.6lt;zlt;0.7；

b——大豆種子直徑，mm。

經(jīng)過(guò)計(jì)算，可以得到吸孔直徑d為3.0～7.0mm，最終取吸孔直徑為4.0mm。

2） 吸孔個(gè)數(shù)n與吸孔間圓心角θ。吸孔的數(shù)量會(huì)影響圓盤(pán)轉(zhuǎn)速以及整個(gè)排種器的穩(wěn)定性，吸孔數(shù)量過(guò)多則會(huì)使排種盤(pán)力學(xué)性能下降［21］，同時(shí)造成相鄰吸孔間的互相影響；吸孔數(shù)量過(guò)少則會(huì)在作業(yè)效率不變的條件下增加圓盤(pán)轉(zhuǎn)速np，降低排種盤(pán)的穩(wěn)定性。吸孔個(gè)數(shù)、株距、圓盤(pán)轉(zhuǎn)速以及農(nóng)機(jī)具前進(jìn)速度滿足式（2）［22］。

Vm=npKn60

（2）

式中： Vm——農(nóng)機(jī)具前進(jìn)速度，km/h；

K——株距，m。

由式（2）可知，在農(nóng)機(jī)具前進(jìn)速度Vm與株距K保持不變的前提下，n與np成反比，同時(shí)，吸孔數(shù)量n越大則吸孔與種子的接觸時(shí)間增加，從而更有利于充種［27］。

綜合考慮大豆小區(qū)育種農(nóng)藝要求并兼顧充種需求、作業(yè)速度等各方面要素，氣吸式排種器的排種圓盤(pán)選用的吸孔數(shù)量n=24、吸孔間圓心角θ=15°，滿足大豆小區(qū)育種的播種需求。

2.1.3 吸孔負(fù)壓參數(shù)

考慮到大豆種子的顆粒尺寸大小問(wèn)題，為保證大豆種子根據(jù)預(yù)設(shè)實(shí)現(xiàn)單個(gè)吸孔吸附1粒大豆種子的設(shè)計(jì)需求，并完成精確投種，需要對(duì)內(nèi)部負(fù)壓參數(shù)進(jìn)行計(jì)算與設(shè)計(jì)，從而優(yōu)化排種效果、提高排種精度，如圖5所示，對(duì)在排種圓盤(pán)上受負(fù)壓吸附時(shí)的大豆種子進(jìn)行受力分析。

在排種過(guò)程中大豆種子被吸附需要滿足式（3）的關(guān)系。

P=d2Fa

（3）

式中： P——內(nèi)部負(fù)壓提供的臨界吸附力，N；

F——

種子所受重力、離心力和種子間產(chǎn)生的內(nèi)摩擦阻力的合力，N；

a——種子質(zhì)心與排種盤(pán)的距離，mm。

根據(jù)吸附力與排種器內(nèi)部負(fù)壓的關(guān)系

Hc=PS

（4）

S=πd24

（5）

整理可得

Hc=

Ff2+（1+2Ffcosβ）mg1+v4（lg2）+

2v2cosαlg１２×8aπd3

（6）

式中： Hc——

排種器內(nèi)部氣吸室提供的臨界負(fù)壓，kPa；

S——吸孔斷面面積，m2；

Ff——

大豆種子顆粒之間的摩擦力，N；

α——

大豆種子所受的向心力與垂直方向的夾角，（°）；

β——

大豆種子所受的向心力與重力的合力與垂直方向的夾角，（°）；

m——單粒大豆種子的質(zhì)量，g；

g——

重力加速度，取g=9.8m/s2；

v——

排種圓盤(pán)工作時(shí)的線速度，m/s；

l——

大豆種子質(zhì)心到排種軸中心的距離，mm。

因式（6）所得排種器內(nèi)部氣吸室提供的負(fù)壓Hc為理論臨界負(fù)壓，若要接近真實(shí)值并保障排種器運(yùn)行效果，需在原有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上乘以可靠性系數(shù)K1、K2［23］，則可得

Hc=

Ff2+（1+2Ffcosβ）mg1+v4（lg）2+

2v2cosαlg１２×8K1K2aπd3

（7）

式中： K1——

吸種可靠性系數(shù)，K1∈1.8，2.0；

K2——

工作可靠性系數(shù)，K2∈1.6，2.0。

對(duì)大豆種子在排種器的排種過(guò)程進(jìn)行受力分析可以得出，當(dāng)cosα=cosβ=1時(shí)，即當(dāng)種子旋轉(zhuǎn)的圓心角與豎直方向夾角為90°時(shí)，負(fù)壓達(dá)到最大，此負(fù)壓值即為所求臨界負(fù)壓的最大值

Hcmax=8K1K2magπd31+μ+v2gl

（8）

式中： μ——

大豆種子間的摩擦系數(shù)，μ=（6～10）tanγ；

γ——

大豆種子的自然休止角，（°）。

綜上所述，種子被吸附時(shí)的臨界負(fù)壓與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速、大豆種子質(zhì)量以及大豆種子摩擦系數(shù)成正比，與大豆種子質(zhì)心到排種軸中心的距離、吸孔直徑成反比。綜合考慮上述因素以及增大內(nèi)部負(fù)壓會(huì)提高充種效率［24］，在兼顧設(shè)備與技術(shù)限制的基礎(chǔ)上，最終設(shè)定排種器內(nèi)部負(fù)壓為30 kPa。

2.2 清換種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 清種氣閥

如圖3所示，在排種盤(pán)正上方約10mm處放置一輸出壓力為30kPa清種氣閥，當(dāng)種子旋轉(zhuǎn)至該區(qū)域附近時(shí)清種氣閥的氣壓負(fù)責(zé)將多余的種子清除掉，被清掉的種子則在重力的作用下重新回到左側(cè)的種室或進(jìn)入右側(cè)的余種接收器里，從而保證每個(gè)吸孔攜帶一粒大豆種子的設(shè)計(jì)要求。

清種氣閥選用不銹鋼材質(zhì)的扇形扁口噴頭，該扇形扁口噴頭具有可調(diào)球形萬(wàn)向接頭，總方向調(diào)整角度達(dá)到45°，以便于在使用過(guò)程中根據(jù)清種實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。該清種氣閥固定在支架上并調(diào)節(jié)好清種角度，通過(guò)輸氣管連接吸風(fēng)機(jī)（因不涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況，輸氣管線排布情況未在圖中顯現(xiàn)）。經(jīng)過(guò)對(duì)不同型號(hào)的清種氣閥進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，最終采用的清種氣閥規(guī)格如下：采用鴨嘴形噴頭，其縫寬約1.5mm，嘴長(zhǎng)約15mm；噴嘴類(lèi)型選用扇形結(jié)構(gòu)，規(guī)格為23mm×12.5mm。

2.2.2 種倉(cāng)及其電控閥門(mén)

自動(dòng)換種是排種器的關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、程序化的清換種操作，可以大大降低人工清換種帶來(lái)的效率低下問(wèn)題，也可以起到節(jié)省勞動(dòng)力的作用。

種倉(cāng)是種子的預(yù)存儲(chǔ)裝置，固定在支撐架上，位于排種盤(pán)正上方，共計(jì)兩排16個(gè)，可以在不施加人工干預(yù)的前提下完成16個(gè)不同大豆小區(qū)育種品種的排種需求。其規(guī)格為50mm×50mm×60mm的長(zhǎng)方體設(shè)計(jì)并連有一段三棱柱，其中三棱柱的一側(cè)與正方體重合，采取平滑斜面設(shè)計(jì)，三棱柱斜面與豎直方向成45°，可以實(shí)現(xiàn)大豆種子的聚集下落并且不會(huì)有種子殘留問(wèn)題。

種倉(cāng)電控閥門(mén)選用的是XRN-φ25X50L型拉式圓柱電磁鐵，該產(chǎn)品可以瞬時(shí)產(chǎn)生較強(qiáng)電磁力，并且可以通過(guò)控制程序進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作，其自重僅190 g，具有開(kāi)閉迅速、省力省電、安全可靠以及便于操作等優(yōu)點(diǎn)。電控閥門(mén)與可活動(dòng)的種倉(cāng)門(mén)相連接，由上位機(jī)控制PLC對(duì)拉式圓柱電磁鐵輸入電信號(hào)，電磁鐵將種倉(cāng)門(mén)向上提升或者向下復(fù)位。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

設(shè)計(jì)的排種器種室范圍廣，大豆種子之間的壓力以及摩擦力較大，在排種圓盤(pán)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，大豆種子的吸附難度也隨之增大。排種圓盤(pán)的轉(zhuǎn)速對(duì)排種精度與效率的影響很大，因此，需要對(duì)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速與種子漏播率L、重播率T、合格率H［25］關(guān)系進(jìn)行測(cè)定，以達(dá)到最優(yōu)的模型設(shè)計(jì)需求。L、T、H計(jì)算如式（9）～式（11）所示。

L=n2N×100%

（9）

T=n3N×100%

（10）

H=n1N×100%

（11）

式中： N——

排種器總計(jì)投種的理論數(shù)量，粒；

n1——

排種器單個(gè)吸孔吸附一粒種子的實(shí)際投種數(shù)量，粒；

n2——

排種器吸孔未能吸附種子的吸孔數(shù)量，個(gè)；

n3——

排種器吸孔吸附兩粒及以上種子的吸孔數(shù)量，個(gè)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

根據(jù)大豆小區(qū)育種相關(guān)農(nóng)藝要求，將排種器及其附屬清換種裝置進(jìn)行加工及裝配，并在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)自主設(shè)計(jì)搭建大豆小區(qū)育種紙帶包裝試驗(yàn)操作平臺(tái)（圖6），將排種器及清換種裝置置于試驗(yàn)臺(tái)上，同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)需要，在試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)裝配有PLC控制系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)以及高速攝像機(jī)等輔助設(shè)備。

試驗(yàn)選用荷豆33黃豆（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為品種A）、魯黑豆22號(hào)黑豆（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為品種B）、齊黃34黃豆（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為品種C）、萊蕪紅小豆（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為品種D）4個(gè)品種的大豆種子，其含水率、平均千粒質(zhì)量、平均千粒體積以及等效半徑如表1所示，其中A、C兩個(gè)品種的大豆種子外形更近似于球形，B、D兩個(gè)品種則更近似于橢球形。

3.2 排種性能對(duì)比試驗(yàn)

排種器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度對(duì)排種盤(pán)的充種性能有很大的影響，為探究排種器轉(zhuǎn)速與充種合格率漏播率、重?fù)_率3項(xiàng)排種性能指標(biāo)之間的關(guān)系，以排種器投種時(shí)吸孔吸附的種子數(shù)量作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以排種器轉(zhuǎn)速、大豆品種作為影響因素進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)操作試驗(yàn)。其中，當(dāng)單個(gè)吸孔吸附的種子數(shù)量為1時(shí)，表示合格；當(dāng)數(shù)量小于1時(shí)，表示漏播；當(dāng)數(shù)量大于1時(shí)，表示重播。

為適應(yīng)大豆小區(qū)育種農(nóng)藝需求，同時(shí)兼顧實(shí)際情況，該氣吸式排種器設(shè)計(jì)排種速度為15r/min。基于此，針對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的排種性能問(wèn)題設(shè)計(jì)4組對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)設(shè)定的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為6r/min、9r/min、12r/min、15r/min，選用上述A、B、C、D四種不同規(guī)格大豆種子，氣吸式排種器的吸附負(fù)壓設(shè)計(jì)為200 kPa，吸孔達(dá)到排種盤(pán)投種區(qū)最低點(diǎn)為終點(diǎn)。根據(jù)JB/T 10293—2013《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》［26］，在不同速度條件下統(tǒng)一設(shè)定100粒的理論排種數(shù)量，即理論上設(shè)計(jì)為從第1粒種子投出開(kāi)始吸孔經(jīng)過(guò)最低點(diǎn)次數(shù)共計(jì)100次，試驗(yàn)重復(fù)5次，利用高速攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過(guò)程，隨后進(jìn)行各參數(shù)統(tǒng)計(jì)，平均求取各品種大豆種子在不同轉(zhuǎn)速條件下的合格率H、漏播率L、重播率T。

同時(shí)，為驗(yàn)證清換種附屬裝置的工作情況，將4種不同的大豆種子分別置于1～4號(hào)種倉(cāng)內(nèi)，由PLC自動(dòng)控制種倉(cāng)及種室電控閥門(mén)的開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)清換種的自動(dòng)化，換種過(guò)程耗時(shí)約3 s。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)不同轉(zhuǎn)速條件下的排種盤(pán)漏播、重播情況進(jìn)行對(duì)比分析，其試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。可以看出，當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為6r/min時(shí)，4個(gè)品種大豆種子的播種合格率均高于98.6%，且均是由重播造成的不合格；4個(gè)品種的大豆種子中，品種D在各速度條件下的充種合格率平均值最高為99.15%；在不同速度條件下，品種B、品種D的充種合格率均在98.4%～99.4%的穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)，漏播率、重播率均低于1.8%；品種C的漏播率與排種器大小有較明顯的正相關(guān)。

從圖7（a）可以看出，排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速大小對(duì)品種B、品種D充種合格率的影響較小，且在各轉(zhuǎn)速條件下的充種合格率均能達(dá)到98.4%以上，能夠快速準(zhǔn)確完成小區(qū)育種的排種需求；品種A的種子充種合格率波動(dòng)相對(duì)較大，并且隨速度的變化有起伏，充種合格率最低值96.6%出現(xiàn)在排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為12r/min時(shí)，合格率相對(duì)過(guò)低；品種C的種子顆粒相對(duì)品種A、品種B、品種D大了許多，導(dǎo)致種子之間的空隙更大，使該品種大豆種子的充種合格率隨排種盤(pán)轉(zhuǎn)速增加而呈直線下滑趨勢(shì)，因此，該排種器在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下不適合諸如D類(lèi)品種大顆粒大豆種子的排種工作。

從圖7（b）可以看出，排種盤(pán)的轉(zhuǎn)速大小對(duì)品種B、品種D種子漏播率的影響很小，其中品種D的種子幾乎在各轉(zhuǎn)速條件下實(shí)現(xiàn)0漏播，僅在試驗(yàn)中出現(xiàn)2次漏播情況，排種效果優(yōu)；品種A的種子在各轉(zhuǎn)速條件下的漏播率也均低于1%，效果優(yōu)于國(guó)標(biāo)；品種C在排種盤(pán)低速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)和其他品種一樣漏播率為0，但當(dāng)排種盤(pán)速度加快，漏播率直線上升，在15r/min時(shí)達(dá)到5.6%的漏播率。

從圖7（c）可以看出，相對(duì)于漏播率、充種合格率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，重播率隨轉(zhuǎn)速變化的變化程度并不大，而且沒(méi)有固定規(guī)律，但本文所設(shè)計(jì)的排種器的重播率均在2.5%以內(nèi)，相較于其他研究者的研究有很大提升［27］。

綜上，品種B、品種D兩種顆粒較小的大豆能夠更好地完成投種動(dòng)作，這兩種種子在各速度條件下的綜合充種合格率均在98.0%以上；以品種A為代表的中小型顆粒大豆品種更適宜的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為6r/min與15r/min，此時(shí)充種合格率分別為98.6%、98.4%；以品種C為代表的大型顆粒大豆品種排種盤(pán)轉(zhuǎn)速則需要在6r/min的低速條件下運(yùn)行才會(huì)達(dá)到最佳合格指數(shù)99.6%，若排種速度加快則充種合格率會(huì)因?yàn)槠渎┎ヂ实闹本€上升而迅速下降，嚴(yán)重影響播種質(zhì)量。

4 結(jié)論

1） 針對(duì)大豆小區(qū)育種排種器漏播指數(shù)較高的問(wèn)題，對(duì)氣吸式排種器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)排種盤(pán)側(cè)面吸附結(jié)構(gòu)、加裝清種氣閥；針對(duì)小區(qū)育種過(guò)程中需要頻繁清換種的需求，設(shè)計(jì)排種器附屬的自動(dòng)化換種裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)3 s內(nèi)的大豆種子品種的自動(dòng)更換以及余種自動(dòng)清除工作。

2） 為考查所設(shè)計(jì)排種器對(duì)不同大豆種子的通用性，選取不同顆粒類(lèi)型的大豆種子進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，在4個(gè)不同排種盤(pán)轉(zhuǎn)速條件下（6r/min、9r/min、12r/min和15r/min），4種不同顆粒種子的平均合格指數(shù)為98.06%，平均漏播指數(shù)為0.84%，平均重播指數(shù)為1.10%，滿足大豆小區(qū)育種技術(shù)要求。

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