呂海杰+楊華+韓宏宇

摘要：針對我國蔬菜種植行業(yè)面臨的問題，設計出適合小粒蔬菜種子的播種精度高的排種器，配備到設施播種機上，從而實現(xiàn)不同小粒蔬菜種子的精密播種。本項目研究的小粒蔬菜種子排種器落種對播種質(zhì)量的影響的總體技術(shù)方案就是在研究排種器的基礎上，結(jié)合實際農(nóng)藝情況，實現(xiàn)技術(shù)再創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：小粒蔬菜種子排種器；精密播種

中圖分類號：S223文獻標識碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.002

1項目研究的意義

蔬菜在我國經(jīng)濟作物中占有非常重要的經(jīng)濟地位，已成為我國農(nóng)業(yè)僅次于糧食的重要農(nóng)產(chǎn)品。蔬菜種植業(yè)是發(fā)展我國農(nóng)村經(jīng)濟的重要組成部分。據(jù)農(nóng)業(yè)部2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù)：中國蔬菜播種面積和總量分別占世界的43%和49%，均居世界第一?！?011—2020全國蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出：2020年全國的蔬菜播種面積實際修訂為2.3億畝，總產(chǎn)量為5億t。 “十二五”發(fā)展規(guī)劃中，黑龍江省把蔬菜產(chǎn)業(yè)作為重點產(chǎn)業(yè)來支持發(fā)展，2012年全省蔬菜種植面積為680萬畝。

目前，國內(nèi)大面積蔬菜種植仍以人工為主，播種時搞人海戰(zhàn)術(shù)，嚴重浪費人、財、物，而且播種質(zhì)量差，影響蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量。收入的減少、成本的增加、勞動強度加大等因素嚴重影響種植戶的生產(chǎn)積極性。目前在蔬菜種植行業(yè)面臨幾個嚴峻問題：一是農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移導致雇工貴、雇工難等問題進一步凸顯；二是國外優(yōu)良蔬菜品種的引進，增加了種子成本；三是人們對蔬菜品質(zhì)的要求提高，導致對蔬菜播種環(huán)節(jié)要求更加嚴格，人工種植蔬菜壓力增大。

目前，國外如法國MONOSEM、德國Kverneland、意大利GASPARDO和SFOGGIA等公司的蔬菜播種機排種器技術(shù)先進，播種精度高，但是“水土不服”，價格昂貴，運輸時間長，售后不及時，難以在國內(nèi)大面積推廣；國內(nèi)對小粒蔬菜播種機排種器的研發(fā)還處于起步階段，主要有河南豪豐、河南興農(nóng)等公司，但是由于播種精度低，可控性不理想，市場保有量較低。

針對當前我國設施蔬菜種植方面存在的情況，結(jié)合我國國情，重點通過模擬、數(shù)據(jù)優(yōu)化、試驗等基礎研究，設計出播種精度高的排種器，配備到設施播種機上，從而實現(xiàn)不同小粒蔬菜種子的精密播種。本項目研究的小粒蔬菜種子排種器落種對播種質(zhì)量的影響的總體技術(shù)方案就是在研究排種器的基礎上，結(jié)合實際農(nóng)藝情況，實現(xiàn)技術(shù)再創(chuàng)新。項目的研究符合國內(nèi)蔬菜裝備的發(fā)展趨勢，走在國內(nèi)蔬菜播種領域的前沿。該項研究不僅會提高蔬菜播種的作業(yè)效率、減輕勞動強度、改善生產(chǎn)條件，而且實現(xiàn)增產(chǎn)增收，幫助農(nóng)民盡快致富。

2項目研究的內(nèi)容和解決的關(guān)鍵問題

2.1研究內(nèi)容

（1）本項目對小粒蔬菜種子排種器落種對播種質(zhì)量的影響進行系統(tǒng)研究，在對小粒蔬菜排種器落種對播種質(zhì)量的影響研究基礎上，找到了最佳的落點。

（2）針對小粒蔬菜種子的性狀，應用高清攝像機跟蹤記錄排種器播種后種子下落的軌跡，并進行數(shù)據(jù)分析，以種子形狀、風力（4級以下）、孔徑大小、投種點為主要影響因素，以落種深度和株距為目標函數(shù)。建立相應數(shù)學模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝最佳參數(shù)結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)最優(yōu)化，為今后小粒蔬菜種子排種器的研制提供參考依據(jù)。

（3）通過實驗驗證，重點解決排種器投種口與種子落點的位置關(guān)系，實現(xiàn)播種后種子深淺一致、株距均勻。

（4）研究排種器的前進速度和種子投種速度之間的相對關(guān)系，通過排種器播種實驗和數(shù)學模型確定最佳速比，實現(xiàn)播種后落種位置均勻一致，確保播種質(zhì)量。

2.2解決的關(guān)鍵問題

（1）通過研究排種器投種口與種子落點的位置關(guān)系，解決了種子下落過程中隨機性強不按預定位置落下的問題，實現(xiàn)播種后種子深淺一致、株距均勻。

（2）研究排種器的前進速度和種子投種速度之間的相對關(guān)系，通過排種器播種實驗和數(shù)學模型確定最佳速比，解決了種子落下后位置不一致，導致株距不均的現(xiàn)象，實現(xiàn)播種后落種位置均勻一致，確保播種質(zhì)量，為小粒蔬菜種子排種器的開發(fā)奠定研究基礎。

3項目的研究方法、技術(shù)路線

3.1研究方法

（1）在種子形狀、大小不同的條件下，用高速攝像機對種子下落軌跡攝像后進行試驗研究，探索規(guī)律，對排種器投種點到種子最終落點進行優(yōu)化，并通過播種作業(yè)實驗對比，形成最優(yōu)化設計方案，從而保證播種后深淺一致、株距均勻。

（2）研究種子前進速度和落種速度間的關(guān)系，分析高清攝像跟蹤記錄所得運動軌跡，以重力、風力、投種點等為影響因素，以種子最終落點為目標函數(shù)，建立相應數(shù)學模型，分析優(yōu)化參數(shù)，使其達到優(yōu)化設計。

（3）利用現(xiàn)代設計軟件Pro/E對排種器進行虛擬樣機設計，并運用有限元方法進行靜力學仿真分析。

3.2技術(shù)路線

4項目學術(shù)思想及創(chuàng)新之處

4.1學術(shù)思想

國內(nèi)小粒蔬菜種子播種機排種器多為穴播，新研發(fā)的氣力式蔬菜播種機排種器效果較原來有了很大的提升和改進，播種相對均勻，基本上能夠單播，但是仍達不到理想要求，出現(xiàn)重播和漏播。究其原因，并不是整機設計和匹配有問題，而是對關(guān)鍵的核心部件排種器沒有進行深入的研究。本項目就是從對排種器的基礎研究入手，應用高清攝像技術(shù)和數(shù)學分析方法，結(jié)合模擬實驗和播種試驗，確定最佳的速比和投種點，實現(xiàn)精準播種，達到播后深淺一致、株距均勻。具體是利用現(xiàn)代高清攝像技術(shù)，跟蹤記錄排種器下落過程的軌跡，再用數(shù)學分析方法，影響播種質(zhì)量與落點、株距之間的關(guān)系，建立相應數(shù)學模型。優(yōu)化出最佳參數(shù)組合。使投種口和落點達到優(yōu)化設計，保證播種后深淺一致、株距均勻。

4.2創(chuàng)新之處

（1）運用高清跟蹤攝像技術(shù)攝取種子下落運動軌跡，通過對運動軌跡分析，以種子重力、風力、投種位置為影響因素，以種子落點最終位置為目標函數(shù)，建立相應數(shù)學模型。通過分析優(yōu)化參數(shù)，使其達到優(yōu)化設計，最終實現(xiàn)種子下落后直接到達預期位置，從而實現(xiàn)播種的均勻一致性。endprint

（2）創(chuàng)新研究前進速度和落種速度間的相對關(guān)系，通過實驗和數(shù)學模型進行優(yōu)化實現(xiàn)最優(yōu)速比，有效保證落種位置一致性。

5項目技術(shù)應用

本項目所研究的排種器是以機械設計理論為主，輔以高清攝像技術(shù)、數(shù)學模型、動力學，通過優(yōu)化設計，使排種器播種深淺、均勻一致。

5.1機械設計理論

排種器由多個經(jīng)過加工的零件按照不同的配合關(guān)系組裝而成，包括排種器殼體、播種盤、減磨片、種箱等，各個零件均需根據(jù)其功能、有否相對運轉(zhuǎn)、配合關(guān)系來進行設計。播種盤是旋轉(zhuǎn)部件，要求表面光潔度高，加工精細。減磨盤從選擇材質(zhì)上就要具有好的耐磨性且不易磨損，整個排種器的機械設計不僅符合設計標準，而且還要實用、美觀。

5.2高清攝像技術(shù)

小粒蔬菜種子尺寸小、質(zhì)量輕，播種下落時很難觀察清楚其軌跡，要運用高清攝像技術(shù)，才能清晰地觀察到并通過動畫反映出來，然后進行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化處理。

5.3數(shù)學模型

排種器研究屬于機械學領域，其運轉(zhuǎn)過程中，種子隨排種器一起向前行走，同時下落，實現(xiàn)播種作業(yè)，下落過程中的運動軌跡要通過數(shù)字建立相應的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)成數(shù)學模型來進行計算，從而發(fā)現(xiàn)找到其運動規(guī)律，來實現(xiàn)排種器的精準播種。

5.4動力學

在模擬排種器播種作業(yè)時，不僅要考慮種子隨排種器前進運動，更要考慮種子自身下落運動情況，和在種子落下過程中風力的影響等因素，才能更加符合實際情況進行播種作業(yè)。

5.5農(nóng)藝與排種器播種技術(shù)

要達到優(yōu)良的播種效果，必須充分滿足農(nóng)藝要求，保證作物的正常生長發(fā)育，分析影響小粒種子播種時深淺和株距的主要因素，探討種子下落的規(guī)律，種子不同落種位置和株距也不相同，計算種子的行走距離，然后確定投種位置。

6成果及后續(xù)發(fā)展?jié)摿?/p>

6.1成果

研發(fā)設施蔬菜播種機排種器一套，實現(xiàn)播種后種子深淺一致、株距均勻。深淺一致性達到±3 mm。排種器的前進速度和種子投種速度之間確定最佳速比，實現(xiàn)播種后落種位置均勻一致，確保播種質(zhì)量，為小粒蔬菜種子排種器的開發(fā)奠定研究基礎。實現(xiàn)小粒蔬菜種子精密播種后，其發(fā)芽率、生產(chǎn)率增加顯著，不浪費每一粒種子，漏播率≤5%，大大提高農(nóng)作物的經(jīng)濟效益。

6.2后續(xù)發(fā)展?jié)摿?/p>

我國已經(jīng)成為世界上最大的蔬菜、瓜類生產(chǎn)國和消費國，蔬菜已經(jīng)成為我國僅次于糧食的第二大作物。近年來，蔬菜出口將穩(wěn)定增長。蔬菜產(chǎn)業(yè)是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，蔬菜價格在國際市場上極具競爭力，預計今后我國蔬菜產(chǎn)品出口將穩(wěn)定增長。同時，蔬菜種植業(yè)機械化程度不斷提高，購買者對機械的精密性、精確性也有了較高要求。目前，市場上針對小粒種子的排種器不多，主要是由于小粒種子重力較小，受外界，如風力等影響較大，不便于精確播種，況且目前蔬菜種子多為國外進口的，都以“?！睘橛媰r單位，成本奇高，這就導致了市場上急需能精確播種的高精度、高效率的小粒種子排種器。本項目研究出的可以精確播種的排種器必將取代傳統(tǒng)的播種機排種器，實現(xiàn)精密精確點播，省去間苗環(huán)節(jié)，大大提高作業(yè)效率，節(jié)省成本，植株優(yōu)勢明顯，肥料等資源利用率高，產(chǎn)量高蔬菜品質(zhì)好。

參考文獻：

[1]張道生.中國成世界最大“菜籃子”[N]. 北京晨報，2010-04-02.

[2]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會——農(nóng)村經(jīng)濟司.全國蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年） 發(fā)改農(nóng)經(jīng)〔2012〕49號[Z].2012-01-16.

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