王方艷，楊 亮，鮑余峰，江景濤

氣吸式胡蘿卜起壟播種一體機研制

王方艷，楊 亮，鮑余峰，江景濤※

（青島農業(yè)大學機電工程學院，青島 266109）

該研究結合山東等地的胡蘿卜壟作種植模式，研制了一種集起壟、開溝、精量播種、覆土、鎮(zhèn)壓等功能于一體的氣力式胡蘿卜精量播種機，實現(xiàn)胡蘿卜壟上窄行精量播種作業(yè)。該機采用負壓吸種、正壓吹雜完成單粒精量播種，主要由氣吸式精量排種器、起壟整形裝置、開溝分種裝置、覆土器、機架及傳動系統(tǒng)組成。根據(jù)吸種及投種過程的種子受力及運動分析，得到排種器氣室真空度臨界值，明確了投種位置及株距均勻性的主要影響因素。設計了雙圈型孔排種盤，排種盤內外圈型孔所在圓周半徑分別為87.5和95.0 mm，每圈型孔數(shù)量為30個。依據(jù)清種要求及作業(yè)空間，設計鋸齒刮板式及偏心式刮種器，實現(xiàn)型孔兩側刮種；根據(jù)種植農藝要求，確定FL-2.5型風機，實現(xiàn)不同播種風量要求；采用3個雙翼鏵式犁起壟，并通過整形裝置對壟形進行修整，一次完成2個梯形壟；遵循單體雙窄行、淺開溝及少覆土要求，確定了開溝分種結構及覆土板參數(shù)。依據(jù)投種過程分析，采用低位投種方式，最低限度布置排種器，開溝分種裝置總體高度在100 mm左右。以排種盤型孔直徑、排種盤轉速和氣室負壓為試驗因素，以粒距合格率、漏播率和重播率為試驗評價指標，進行三因素五水平的二次回歸正交旋轉組合試驗，獲得排種器最佳參數(shù)組合為型孔直徑1.6 mm，排種盤轉速18 r/min，氣室負壓4.4 kPa。田間試驗結果表明，該機播種粒距合格率大于94%、漏播率小于5%、重播率小于4%，滿足相關國家標準及胡蘿卜種植農藝要求，可為胡蘿卜精量播種機具的設計提供參考。

農業(yè)機械；設計；播種機；胡蘿卜；氣吸式

0 引 言

中國的胡蘿卜種植面積及產量均居世界首位，但機械化精密播種水平不高[1]。山東、河南及福建等地區(qū)是主要的胡蘿卜種植區(qū)，多采用一壟兩行和一壟四行的壟作種植模式，種植行距窄、種植密度大、產量高，已被廣大種植戶認可，但機械化播種要求高。同時，當前胡蘿卜起壟、播種環(huán)節(jié)是分開的，不利于耕地保墑及種子發(fā)芽。包衣胡蘿卜種子形狀圓整規(guī)則，解決了裸種形狀不規(guī)則、流動性差而引起播種機型孔堵塞及易傷種的難題，為實現(xiàn)機械化播種提供了條件[2]。

歐、美、日、韓等發(fā)達國家的播種技術及裝備較為成熟，精密播種機多采用氣吸式排種器，通過更換排種盤可實現(xiàn)胡蘿卜等多種蔬菜的精量播種[3]。以意大利馬斯奇奧（Maschio）公司、美國滿勝（Monosem）公司和德國阿瑪松（Amazone）公司生產的蔬菜精量播種機為代表[4-5]。這些播種機適應多種小籽粒蔬菜的精密播種，幅寬大，能一次完成多種作業(yè)工序，性能穩(wěn)定，但配套動力大、價格較高，不適應中國的胡蘿卜壟作種植模式。在借鑒國外先進技術的基礎上，國內研發(fā)了幾種胡蘿卜精量播種機，各具特色且適用于不同的工作環(huán)境。王晉[6]研制的氣力式胡蘿卜播種機，配套動力為22 kW，無起壟裝置，排種盤型孔直徑為0.6 mm，播種胡蘿卜裸種易堵塞型孔，不適合播種包衣胡蘿卜種子。王海等[7]研制了電動雙行胡蘿卜播種機，采用機械式排種器，結構簡單、造價低，但播種效率僅為0.13～0.27 hm2/h，適合小地塊播種。王家勝等[8]研制了胡蘿卜種繩播種機，主要完成已編胡蘿卜種繩的鋪放，播種機性能指標受種子編繩精度的影響，且播后澆灌溶繩，多配套滴灌帶鋪設。袁鵬飛等[9]研制的2HBJ-4型胡蘿卜精量播種機，配套動力為44.1～51.4 kW，可一次完成起壟、施肥、播種和覆土等作業(yè)環(huán)節(jié)，但一個排種器僅能播種單行胡蘿卜，整機結構尺寸較大、造價高，未見推廣應用。黑龍江德沃科技開發(fā)有限公司研制的2BQS-8X型氣力式胡蘿卜播種機，可完成4壟8行的壟上播種作業(yè)，采用2個排種器錯位排列實現(xiàn)窄行距播種，但動力消耗大、整機結構不夠緊湊，且不能起壟作業(yè)[10]。

胡蘿卜的壟作種植模式具有保墑、防澇及提溫的效果[11]。將起壟與播種作業(yè)融合，一次性完成起壟、播種、覆土等作業(yè)工序，可減少機具多次進地造成的土壤過度壓實，提高種子發(fā)芽率。因此，本文針對山東等地區(qū)胡蘿卜一壟兩行窄行距的種植模式，優(yōu)化起壟成型結構、窄行開溝播種等關鍵部件，研制了一種氣吸式胡蘿卜起壟播種一體機，這對實現(xiàn)胡蘿卜的單排種器窄行精密播種作業(yè)具有重要意義。

1 整機結構與工作原理

胡蘿卜壟作種植模式便于灌溉、排水，有利于提高胡蘿卜品質，而且便于機械化種植和收獲。山東、河南及福建等胡蘿卜主要種植區(qū)采用一壟兩行和一壟四行的種植模式[12-16]，種植模式如表1所示。

表1 胡蘿卜各地種植模式

播種機主要由機架、風機、地輪、起壟整形裝置、開溝分種裝置、排種器、覆土器、鎮(zhèn)壓輪等組成，具體結構如圖1所示。

1.風機 2.機架 3.起壟犁 4.整形裝置 5.仿形機構 6.傳動系統(tǒng) 7.開溝分種裝置 8.排種器 9.覆土器 10.地輪 11.鎮(zhèn)壓輪

工作時，拖拉機牽引機具前進，拖拉機后動力輸出軸帶動風機轉動，為排種器提供正、負氣壓。位于機具前方的3個鏵式犁開出3條壟溝，形成2個壟形，并在鼓形整形裝置的滾動鎮(zhèn)壓下形成梯形播種壟。2個播種機單體分別通過四連桿仿形機構掛接在機架上，保障播種單體隨地浮動，播種深度一致。同時，地輪借助與土壤的摩擦力滾動，通過鏈傳動帶動排種器中的排種盤轉動，將種子由種箱帶到分種管，并落入開溝器開好的種溝內，并經覆土器和鎮(zhèn)壓輪完成覆土、鎮(zhèn)壓，完成播種。其中，排種器為氣吸式排種器，通過殼體的負壓區(qū)吸種，零壓區(qū)投種，正壓區(qū)吹雜，可通過改變鏈傳動比，調整機具前進速度與排種盤轉速的配比，滿足不同播種株距要求。播種機主要技術參數(shù)如表2所示。

表2 氣吸式胡蘿卜起壟播種一體機主要技術參數(shù)

2 關鍵部件設計

氣吸式胡蘿卜起壟播種一體機主要包括傳動裝置、排種器、起壟整形裝置、開溝分種裝置、覆土器等。起壟整形裝置完成開溝、起壟、鎮(zhèn)壓工序，借助雙翼式犁體結構形成梯形壟。開溝分種裝置具有開淺溝和分種導向功能。排種器通過風機負壓吸種、雙向刮種、零壓投種、正壓吹雜，實現(xiàn)胡蘿卜種子的單粒播種。覆土器需完成種子的定量覆土。

2.1 排種器設計

氣吸式胡蘿卜排種器主要由左、右殼體、氣吸墊、排種盤、種箱、導種器、上刮種器、下刮種器等部件組成，負壓氣室在左殼體上，種箱和右殼體為一體結構，排種器工作分為吸種、清種、攜種、投種和吹雜5個過程。排種器結構示意圖如圖2所示。

1.殼體蓋 2.左殼體 3.負壓接口 4.氣吸墊 5.氣吸墊壓盤 6.壓盤套 7.排種盤 8.傳動軸 9.上刮種器 10.下刮種器 11.種箱 12.擋種板 13.右殼體 14.導種器 15.正壓接口

1.Housing cover 2.Left housing 3.Negative pressureinterface 4.Air sealing gasket 5.Air sealing gasket platen 6.Platen liner 7.Seed-metering plate 8.Transmission shaft 9.Upper scraping device 10.Lower scraping device 11.Seeds box 12.Clapboard of seeds 13.Right housing 14.Seed-guiding plate 15.Positivepressureinterface

注：Ⅰ為充種區(qū)；Ⅱ為清種區(qū)；Ⅲ為攜種區(qū)；Ⅳ為投種區(qū)；Ⅴ為吹雜區(qū)。

Note: Ⅰ is seed filling area; Ⅱ is seed clearing area; Ⅲ is seed carring area; Ⅳ is seed planting area; Ⅴ is impurity treatment area.

圖2 排種器結構示意圖

Fig.2 Schematic diagram of seed-metering device

2.1.1 充種過程分析

式中Hmax為氣室臨界真空度， Pa；為一粒種子的質量，kg；為種子重心與排種盤之間距離，m；為排種盤型孔直徑，m；ν為排種盤型孔處的線速度，m/s；為型孔所在圓周半徑，m；為種子的摩擦阻力綜合系數(shù)，=(6～10)tan，為種子的自然休止角，(°)；1為吸種可靠性系數(shù)，1=1.8～2.0[17-18]；2為工作穩(wěn)定可靠性系數(shù)，2=1.6～2.0[17-18]。

試驗測得包衣胡蘿卜種子自然休止角22.6°，千粒質量11.34 g，種子流動性較好，取=6tan；包衣胡蘿卜種子外形較圓整，且千粒質量較小，取1=1.8；試驗時受到的振動或沖擊較小，取2=1.6；排種盤取試驗時最高轉速30 r/min；型孔直徑取理論最小值1.47 mm；按內圈型孔所在圓周半徑取87.5 mm；按種子寬度尺寸取大值1.65 mm；由式（1）可計算得到Hmax=1.5×103Pa。因此，試驗時氣室實際真空度必須大于1.5 kPa。

2.1.2 投種過程分析

種子隨著排種盤轉到投種區(qū)后，由于投種區(qū)負壓氣室被隔斷，種子受到的吸附力消失，僅受自身重力、離心力和空氣阻力的作用，種子沿型孔圓周切線方向做拋物線運動。因種子粒徑較小，在此忽略空氣阻力的作用，投種過程運動學分析如圖3所示。

注：r1、r2分別為外、內圈型孔所在圓周半徑，mm；v1、v2分別為外、內圈種子脫離型孔時的線速度，m·s-1；v1x、v2x分別為v1、v2的水平分速度，m·s-1；v1y、v2y分別為v1、v2的豎直分速度，m·s-1；H1、H2分別為外、內圈種子脫離型孔時的離地高度，mm；L1、L2分別為外、內圈種子觸地時的水平位移，mm；DL為外、內圈種子脫離型孔時的水平距離差，mm；Lx為外、內圈種子觸地時的水平距離差，mm；θ1、θ2分別為外、內圈種子脫離型孔處的法線與水平線的夾角，(°)；ω為排種盤角速度，rad·s-1；νm為播種機作業(yè)速度，m·s-1。

外圈種子脫離型孔時的速度為

1時間內種子從脫離型孔到觸地的水平和豎直運動距離為

聯(lián)立式（2）和（3）有：

同理，可得到內圈種子觸地時的水平位移：

內、外圈種子觸地時的水平距離為

由公式（4）～（6）可知，種子從離開型孔到觸地的運動軌跡，與排種器轉速、型孔所在圓周半徑和投種高度等因素有關，在設計排種器離地高度及開溝分種裝置時應予以考慮。

2.1.3 排種盤的設計

由吸種、投種過程分析可知，排種盤的型孔直徑影響種子受力及氣室臨界真空度，決定種子在排種器中的運動狀態(tài)。排種盤直徑影響種子的離心力、種子觸地水平位移及排種器整體尺寸。通常, 型孔直徑根據(jù)種子尺寸確定[18]，即

=(0.64～0.66)（7）

式中為種子平均寬度，mm。

試驗選用山東地區(qū)廣泛采用的“紅喜三紅七寸”胡蘿卜種子，使用青島農業(yè)大學研發(fā)的HYN-II型種子包衣機進行包衣，從中隨機抽取100粒包衣種子，用精度為0.02 mm的游標卡尺測量種子的寬度尺寸，做出概率分布直方圖，如圖4所示。由圖4可知，種子寬度尺寸范圍為2.3～3.3 mm，計算得到排種盤型孔直徑為1.47～2.18 mm。

圖4 種子寬度尺寸概率分布直方圖

借鑒現(xiàn)有蔬菜排種盤結構尺寸[19]，確定采用厚度1.0 mm、直徑220 mm的不銹鋼排種盤。為實現(xiàn)一壟雙行，行距110～150 mm的胡蘿卜種植要求，排種盤設計2圈型孔，型孔交錯排列成三角形，以利于種子均勻分布[20-21]?？紤]排種器左殼體氣道空間、清種位置及型孔尺寸要求，確定內、外圈型孔所在圓半徑2為87.5 mm、1為95 mm。

在播種機作業(yè)速度一定的情況下，排種盤轉速影響種子的離心力及投種狀態(tài)，與排種型孔數(shù)共同決定播種作業(yè)效率。增加型孔數(shù)量可降低種子的線速度，有利于提高吸種性能，但會增加風機的風量損耗。排種盤型孔數(shù)量計算公式[22]為

式中d為排種盤型孔所在圓周直徑，mm；為地輪滑移系數(shù)；ν為播種機作業(yè)速度，m/s；ν為排種盤型孔處的線速度，m/s；為株距，mm。

通常，胡蘿卜株距為60～100 mm，播種機作業(yè)速度為0.83～1.39 m/s(3～5 km/h)，滑移系數(shù)一般為0.05～0.12[22]，排種盤型孔處的線速度一般小于0.35 m/s[22]，根據(jù)參考文獻[22]并結合預試驗，本文取0.08，ν取0.32 m/s，由公式（8）得，排種盤種型孔數(shù)為17～47。綜合考慮排種盤轉速和充種性能等，確定排種盤每圈型孔數(shù)為30個。

2.1.4 刮種器設計

上刮種器一般有杠桿式、橡皮刮板式、鋸齒形等，本文上刮種器對內、外圈型孔上側吸附的多余種子進行清除，采用鋸齒形（如圖5所示），鋸齒形對種子多次間斷撞擊，刮種效果較好[18]。

1.排種盤 2.鋸齒刮板 3.調節(jié)手柄 4.刻度盤

1.Seed-metering plate 2.Saw-tooth scraper 3.Adjusting handle 4.Dial plate

注：1為調節(jié)手柄轉動點；2為調節(jié)手柄弧槽所在圓的圓心；1為調節(jié)手柄偏心距，mm；L為鋸齒刮板鋸齒段弧長，mm；3為鋸齒刮板滑動銷，4為鋸齒刮板轉動銷；3為調節(jié)手柄弧槽半徑，mm；4為調節(jié)手柄外圓半徑，mm。

Note:1is rotation point of the adjustment handle;2is center of the circle where the curved groove of the adjustment handle is located;1is eccentricity of the adjustment handle, mm;Lis arc length of the sawtooth section of the sawtooth scraper, mm;3is sliding pin of the sawtooth scraper,4is rotation pin of the sawtooth scraper;3is radius of the curved groove of the adjustment handle, mm;4is the outer radius of the adjustment handle, mm.

圖5 上刮種器結構示意圖

Fig.5 Schematic structure of upperseedscraping device

鋸齒刮板上有2個圓柱銷3和4，3為滑動銷，可在刻度盤直槽內滑動，4為轉動銷。調節(jié)手柄弧槽所在圓為偏心圓，圓心2與轉動點1的距離為1，在此取值2.5 mm，逆時針轉動調節(jié)手柄時，弧槽到1的距離變小，帶動圓柱銷3在刻度盤直槽內向右上滑動，即鋸齒刮板遠離排種盤型孔，反之靠近型孔。鋸齒刮板鋸齒段弧長L設計為50 mm。

下刮種器對內、外圈型孔下側吸附的多余種子進行清除，采用偏心刮種裝置（如圖6所示），偏心距2取值2 mm，通過旋轉調節(jié)旋鈕使偏心刮種刀接觸吸附的多余種子，刮種刀接觸端設計成圓錐形，錐面對不同粒徑的種子適應性好。排種盤內外圈型孔圓心距為7.5 mm，據(jù)此刮種刀小端直徑1設計為2.5 mm，大端直徑2設計為5 mm。固定套固定在排種器右殼體上，為了不使調節(jié)旋鈕接觸殼體，固定套與調節(jié)旋鈕的最小間距2應大于右殼體壁厚。同時，刮種刀大端面與固定套的最大間距1應大于排種盤到右殼體的距離，使大端面在彈簧的張緊力作用下緊貼排種盤，工作時撥動調節(jié)旋鈕使刮種刀斜面接觸種子。

1.刮種刀 2.固定套 3.張緊彈簧 4.調節(jié)旋鈕

1.Scraper 2. Adapter sleeve 3. Tightener spring 4.Adjusting knob

注：1為刮種刀小端直徑，mm；2為刮種刀大端直徑，mm；2為刮種刀偏心距，mm；1為刮種刀大端面與固定套的最大間距，mm；2為固定套與調節(jié)旋鈕的最小間距，mm。

Note:1is diameter of the small end of the seed picking knife, mm;2is diameter of the large end of the seed picking knife, mm;2is eccentricity of the seed picking knife, mm;1is the maximum distance between the large end of the seed picking knife and the adapter sleeve, mm;2is the minimum distance between the adapter sleeve and the adjusting knob, mm.

圖6 下刮種器結構示意圖

Fig.6 Schematic structure of lowerscraping device

2.2 風機選型與參數(shù)確定

作業(yè)時，拖拉機動力輸出軸通過萬向節(jié)帶動風機工作，使排種器真空室產生負壓，把種子吸附在型孔上；地輪轉動，通過鏈輪、鏈條傳動系統(tǒng)帶動排種器轉動。

離心式風機風量大、風壓小，適于同時為多個排種器提供風量。此類風機技術成熟，本文確定風機參數(shù)后直接從外廠采購。風機由拖拉機萬向輸出軸提供動力，為排種器提供正、負氣壓，通過調節(jié)閥門開度控制氣壓大小。田間試驗擬選用的拖拉機萬向輸出軸轉速有540和1 000 r/min兩檔，由于風機出廠已通過皮帶傳動提速，無需再進行傳動比設計，按風機使用說明書選擇對應檔位即可。

根據(jù)公式（1）計算氣室臨界真空度值，結合排種器性能試驗，當氣室負壓為4.4 kPa時，排種器作業(yè)性能良好。氣室負壓為5 kPa時，風量為7.4×10-3m3/s[23]，風機同時為2個排種器提供風壓，所需風量為

Q=21（9）

式中z為排種器所需總風量，m3/h；為風量泄漏系數(shù)，=1.05；1為單個排種器所需風量，m3/h。

風機所需的軸功率[24]為

式中P為風機所需的軸功率，kW；為風機所需的總風壓，Pa；0為風機內效率，一般為0.75～0.85[24]，本文取0=0.75；1為機械傳動效率，本文風機采用平帶傳動，取1=0.85[24]。

由式（9）和式（10）可知，該播種機所需風機的總風量為56 m3/h，風機的軸功率為0.23 kW，考慮到播種通用性及擴展性，本文選用的風機為FL-2.5型播種機通用風機，軸功率2.5 kW。

2.3 起壟整形裝置設計

起壟整形裝置主要由起壟犁和整形裝置組成。起壟犁采用雙翼結構，通過U型螺栓固定在機架上，根據(jù)壟距調整起壟犁間距。整形裝置由柱形鎮(zhèn)壓輥與錐形輥組成。錐形輥可以根據(jù)壟距、壟面寬調整間距。作業(yè)時，土垡沿起壟犁兩側對稱的曲面先上升一定高度后再翻轉到兩側壟面，并在鼓形輥的鎮(zhèn)壓下形成播種壟。

根據(jù)開溝筑梗犁設計方法，結合胡蘿卜壟型參數(shù)，起壟犁犁體曲面尺寸按下式確定[18]：

式中為犁體高度，mm；為壟高，mm；為犁體寬度，mm；為溝底寬，mm；2為修正系數(shù)，2≥1.1[18]；為壟床底角，一般在50°～70°之間[25-26]；L為壟面寬，mm；L為壟底寬，mm。根據(jù)山東省萊西市（試驗地）的胡蘿卜種植起壟要求，即=200 mm，L=300 mm，L=480 mm，=120 mm，代入式（11）求得=260 mm，65°，=340 mm,如圖7所示。

雙翼式犁體導曲線位于犁體曲面的對稱中線處，是控制水平直元線位置的指導線，通常由3個線段組成，即起始端直線段S，挖深以下曲線段和挖深以上線段，挖深以下曲線有拋物線和對數(shù)螺線等形式。本研究選擇適用于較黏重土壤的拋物線形式，挖深以下為拋物線，挖深以上部分為該拋物線的平滑延伸線。

挖深處的拋物線開度

式中0為起土角，0=25°；α為挖深處的起土角，α≤（90°?）；為土壤對鋼的摩擦角，(°)；3為修正系數(shù)，3=1～1.2[18]，取小值時溝壁較為堅實，但阻力較大，此處取3=1.1。將=150 mm代入公式（12）計算得，挖深處的拋物線開度x為151 mm，起始端直線段長度S取60 mm，然后采用包絡作圖法繪制成拋物線。

為了避免土壤在犁壁下部向溝壁位移，擠壓溝壁，增加阻力和造成壅土現(xiàn)象，鏵式犁犁體曲面的元線角應有規(guī)律變化。起始元線角0應較大，取0=60°，且在一定高度內保持不變，以利于土壤沿著犁體曲面上移，隨后元線角逐漸減小，在挖深處至最小值γ，取γ=15°，這樣有利于土壤側移。挖深處以上元線角隨犁體高度增加而增大，這樣有利于翼部翻垡壓埂，元線角變化規(guī)律曲線由2段構成。

挖深處以下的元線角變化規(guī)律：

挖深處以上的元線角變化規(guī)律：

式（13）和（14）中，為和a的差值，(°)；0為0和a的差值，(°)；為元線距導曲線始端（直線段末端）的垂直高度，mm；為挖深，mm；0為導曲線始端直線段末端垂直高度，mm；為元線距挖深處的垂直高度，mm。

為避免整形裝置質量大而過分壓實壟面土壤，柱形輥直徑d設計較小，為160 mm。同時，為避免整形裝置兩側錐形輥接觸壟溝底部造成柱形鎮(zhèn)壓輥脫離壟面，失去鎮(zhèn)壓效果，應控制錐形輥大端直徑D，D=490 mm。起壟整形裝置結構如圖7所示。

注：H為犁體高度，mm；C為犁體寬度，mm；c為溝底寬，mm；La為壟距，mm；Lt為壟面寬，mm；Lb為壟底寬，mm；a為挖深，mm；h為壟高，mm；dt為柱形輥直徑，mm；Dt為錐形輥大端直徑，mm；θ為壟床底角，(°)。

2.4 開溝分種裝置設計

胡蘿卜種子胚小，頂土能力弱，播深應控制在10～20 mm，一壟雙行，行距110～150 mm。針對此農藝要求，結合各開溝器的特點，基于現(xiàn)有的滑刀式開溝器設計一種集開溝和分種一體的裝置。該裝置左右各有一套開溝器，前后錯位排列，作業(yè)時開溝器以鈍角入土，側板向兩側擠壓土壤形成種溝，不會因為土壤反轉造成干、濕土混合，開出的種溝呈“V”字型，溝寬度小、深度低，種子落入種溝后，種子和土壤接觸緊密，有利于發(fā)芽。開溝器的刃口曲線是決定切土性能的關鍵因素，刃口曲線通常為拋物線函數(shù)或指數(shù)函數(shù)[27-28]。為了便于加工制造，方便控制刃口曲線的形狀，本文選取拋物線函數(shù)曲線作為刃口曲線。

設滑刀刃口曲線方程為：

0=2（15）

刃口曲線上任意點點與點的斜率為：

式中1為刃口曲線在點的斜率，2為刃口曲線在點的斜率。點的坐標為（11），點的坐標為（22），、兩點的垂直距離為

聯(lián)立式（16）和式（17）有：

代入式（15）得刃口曲線方程為

從式（19）可以看出，刃口曲線與滑刀高度和滑切角有關。設計時為保證滑刀的入土性能，需滿足滑切條件，起始滑切角θ應大于摩擦角（=14°～38°），在此摩擦角取23°[29]，則θ>23°，因θ=90°?B，所以θ<67°，即滑切角的取值范圍為23°<<67°。根據(jù)顧耀權等[27]的研究，滑切角在35°～55°時入土性能較好，刃口曲線按這一取值范圍設計。

開溝器作業(yè)時，被切割的土壤顆粒沿刃口的兩斜面向后滑移，以刃口斜面上任一土壤顆粒為研究對象，進行受力分析，土壤顆粒向后滑移的條件是：1>，即tan(90°?1/2)>tan1，所以有1<180°?21134°，又根據(jù)Kostritsyn[30]理論，切削阻力在刃口角1=45°時最小，在此1設計成45°。

開溝器側板尾部一般設計成階梯形或斜口，能防止溝壁上層干土先落入溝底覆蓋種子，干土覆蓋種子不利于種子吸收水分和發(fā)芽。一器雙行排種器分種管一般設計為叉形[31-32]，本文分種管設計為傾斜U型槽結構，焊接在開溝器側板上，左右對稱、前后錯位布置，排種盤上外內圈型孔上的種子從連接板中間方孔分別落入左右分種管，分種管將改變種子運動方向，使其由前后向左右運動，實現(xiàn)窄距雙行播種。由試驗測得包衣胡蘿卜種子的休止角為22.6°，故分種裝置傾斜角1>22.6°，在此設計成40°。開溝分種裝置結構如圖8所示。

由上文分析可知降低投種高度能減小種子觸底位移量，本文開溝分種裝置總體高度h約100 mm，分種管離地間隙小，為避免分種管觸地損壞及壅土，在分種管下部加裝一弧形底板。

2.5 覆土器設計

現(xiàn)有的覆土器主要有單圓盤式、雙圓盤式、拖鏈式、刮板式、彈齒式等，刮板式常在玉米、大豆、谷子等中耕作物播種機上使用[33-34]。胡蘿卜種子覆土厚度1～2 cm，要求一次性完成覆土、鎮(zhèn)壓作業(yè)。覆土量過大會引起土壤流動速度大，從而影響覆土厚度和播種均勻性；同時也將造成干濕土混合覆蓋種子，影響種子發(fā)芽[35-36]，這就要求設計一種與胡蘿卜種植農藝相適應的覆土器。

1.滑刀2.側板3.連接板4.分種管5.底板

1. Sliding knife 2.Side board 3. Connection board 4. Seed-guiding tube 5. Bottom board

注：為土壤顆粒受到的摩擦力，N；為土壤顆粒受到滑刀的壓力，N；1為壓力沿刃口斜面的分力，N；2為壓力在前進速度方向的分力，N；1為刃口角，(°)；1為土壤與刀刃的摩擦角，(°)；1為分種管傾斜角，(°)。

Note:is the friction force on soil particles, N;is the normal pressure of sliding knife on the soil, N;1is the component of pressurealong the slope of the sliding knife edge, N;2is the component of pressure in the direction of forward speed, N;1is the sliding knife edge angle, (°);1is the friction angle between soil and sliding knife edge, (°);1is the inclination angle of the seed-guiding tube, (°).

圖8 開溝分種裝置結構及正視圖方向的土壤顆粒受力分析

Fig.8 Structure ofditching and seeding device and stress analysis of soil particles in the direction of front view

本文采用的刮板式覆土器在傳統(tǒng)八字形刮板式覆土器基礎上進行了改進（如圖9所示），主要由2塊角度和高低都可調的刮板組成，角度調節(jié)范圍θ為0°～37°。刮板上端用彈簧連接，彈簧拉力使刮板緊貼地面，作業(yè)時可隨地形浮動。刮板尾部向上傾斜以增大接觸面積，并向內側折彎，刮板隨著播種機向前運動時，刮板內側面把種溝兩側的土壤推入種溝內，調節(jié)刮板角度可以獲得不同的覆土量。2片刮板分別安裝在播種單體兩側，間距S= 150 mm，刮板長度L=270 mm，刮板寬度W=30 mm，刮板折彎角度α=145°。

1.機架 2.彈簧 3.刮板 4.拉力調整板

1. Body frame 2.Spring 3. Scraper 4. Tension adjustment plate

注：L為刮板長度，mm；W為刮板寬度，mm；S為兩刮板間距，mm；θ為刮板與水平線夾角，(°)；α為刮板折彎角，(°)。

Note:Lis length of the scraper, mm;Wis width of the scraper, mm;Sis distance between the two scrapers, mm;θis the angle between the scraper and the horizontal line, (°);αis the bending angle of the scraper, (°).

圖9 覆土器結構示意圖

Fig.9 Schematic structure of soil coverer

3 排種性能試驗

試驗采用與上述種子物理特性測定試驗同品種的包衣胡蘿卜種子，千粒質量11.34 g，含水率3.81%。依據(jù)GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》規(guī)定的試驗方法和指標，選取合格率、重播率、漏播率為評價指標，進行氣吸式胡蘿卜起壟播種一體機的田間生產試驗評價。播種粒距合格率、重播率、漏播率的計算方法如下：

1）播種粒距合格率

式中0為播種粒距合格率，%；0為粒距合格種子數(shù)；為測量的種子總數(shù)。

2）重播率

式中1為重播率，%；1為重播的種子數(shù)。

3）漏播率

式中2為漏播率，%；2為漏播的種子數(shù)。

3.1 室內試驗

在JPS-12型排種器性能檢測試驗臺對型孔直徑、排種盤轉速、氣室負壓和吹雜正壓進行單因素試驗，每個水平重復3次，每次試驗選取100粒種子，試驗結果如表3所示。

表3 單因素試驗結果

注：因素為型孔直徑的試驗條件：排種盤轉速25 r·min-1，氣室負壓4 kPa，吹雜正壓1 kPa；因素為轉速的試驗條件：型孔直徑1.8 mm，氣室負壓4 kPa，吹雜正壓1 kPa；因素為負壓的試驗條件：型孔直徑1.8 mm，排種盤轉速25 r·min-1，吹雜正壓1 kPa；因素為正壓的試驗條件：型孔直徑1.8 mm，排種盤轉速25 r·min-1，氣室負壓4 kPa。

Note: Test conditions with the factor of type hole diameter: rotating speed of seed-metering plate is 25 r·min-1,negative pressureof air chamber is 4 kPa, blowing positive pressure is 1 kPa; Test conditions with the factor if rotating speed: type hole diameter is 1.8 mm,negative pressureof air chamber is 4 kPa, blowing positive pressure is 1 kPa; Test conditions with the factor of negativepressureof air chamber: type hole diameter is 1.8 mm,rotating speed of seed-metering plate is 25 r·min-1, blowing positive pressure is 1 kPa; test conditions with the factor of blowing positivepressure: type hole diameter is 1.8 mm,rotating speed of seed-metering plate is 25 r·min-1, negative pressureof air chamber is 4 kPa.

由單因素試驗結果可知：隨著排種盤型孔直徑、排種盤轉速和氣室負壓的變化，重播率、漏播率和合格率變化范圍較大；當吹雜正壓≥1 kPa時，重播率、漏播率和合格率變化范圍較小，因此不考慮。為尋求排種盤型孔直徑、排種盤轉速和氣室負壓3個因素的最佳參數(shù)組合，以排種粒距合格率、漏播率和重播率為評價指標，進行三因素五水平的二次回歸正交旋轉組合試驗[37]。根據(jù)單因素試驗結果確定試驗因素水平設置，因素水平及編碼見表4，試驗方案及試驗結果見表5。

表4 試驗因素水平

表5 試驗方案及試驗結果

運用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行方差分析，結果見表6～表8。由表6～表8可知，重播率1的回歸模型中，回歸項1、3、23、12、22、32對方程影響顯著（<0.05），其余項影響不顯著（>0.05）。漏播率2的回歸模型中，回歸項1、2、3、12、22、32對方程影響顯著（<0.05），其余項影響不顯著（≥0.05）。合格率3的回歸模型中，回歸項1、2、3、12、22、32對方程影響極顯著（<0.05）；而其余項影響不顯著（≥0.05）。剔除不顯著項，回歸方程為

表6 重播率方差分析

注：＜0.01表示極顯著；＜0.05表示顯著；＞0.05表示不顯著。下同。

Note:＜0.01 means highly significant;＜0.05 means significant;＞0.05 means not significant. The same below.

表8 合格率方差分析

為明確各試驗參數(shù)的最佳組合，運用Design Expert 8.0.6軟件對性能指標進行優(yōu)化求解，其目標函數(shù)和試驗參數(shù)的約束范圍為

由此求得各試驗參數(shù)的優(yōu)化組合為：型孔直徑1.6 mm，排種盤轉速18 r/min，氣室負壓4.4 kPa，此時目標函數(shù)預測值分別為：重播率1.03%、漏播率3.04%、合格率95.93%。采用上述優(yōu)化獲得的最佳參數(shù)組合進行臺架驗證試驗，試驗重復3次并取平均值作為試驗驗證值，試驗結果分別為：重播率1.52%、漏播率3.23%、合格率95.25%。重播率、漏播率和合格率的試驗驗證值與回歸模型預測值基本一致，且均達到了設計要求。

3.2 田間試驗

2019年10月，在山東省萊西市店埠鎮(zhèn)進行樣機播種適應性試驗和性能試驗。試驗用種子品種和參數(shù)與室內臺架試驗相同。試驗地塊長100 m，寬30 m，旋耕整地，土質為壤土，土壤含水率為18.2%，土壤堅實度為869 kPa，牽引拖拉機為昊田604，功率為44 kW，設置播種機的理論株距為70 mm。試驗現(xiàn)場見圖10。

播種機風機由拖拉機輸出軸帶動，為2個排種器提供氣壓。播種時根據(jù)室內試驗最佳參數(shù)，把氣室負壓調節(jié)到4.4 kPa，吹雜正壓調節(jié)到1 kPa，選擇型孔直徑為1.6 mm的排種盤。由于排種器由地輪驅動，變速箱控制，播種機作業(yè)速度直接影響排種器轉速，為此分別在3、4、5 km/h的作業(yè)速度下進行播種試驗，每種速度播種6壟。為方便測量數(shù)據(jù)，播種后，每種作業(yè)速度隨機選取3壟進行測量，選取中間段測量數(shù)據(jù)，每種作業(yè)速度測量3組數(shù)據(jù)，每組測量100個種子間距，總共得到9組數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)計算出粒距合格率、重播率和漏播率，結果如表9。由表9可以看出，隨著作業(yè)速度提高，合格率變化較小，重播率有所下降，漏播率有所上升，但總體變化范圍不大；樣機播種效果良好，漏播率小于5%，重播率小于4%，播種粒距合格率大于94%，各項指標均符合JB/T 10293-2013《單粒(精密)播種機技術條件》的要求。與王晉[6]研制的胡蘿卜播種機相比，粒距合格率和播深均勻性有一定提升，重播率和漏播率相當。壟形尺寸與設計值基本一致，壟面平整，無大土塊，平均播深14 mm，滿足胡蘿卜播種要求。

1.風機 2.機架 3.地輪 4.鎮(zhèn)壓輪 5.覆土器 6.傳動裝置 7.排種器 8.整形裝置

表9 田間試驗結果

4 結 論

1）本文研制的氣吸式胡蘿卜播種機，可以一次完成起壟、開溝、精量播種、覆土、鎮(zhèn)壓等作業(yè)工序。播種單體前端設計的起壟裝置，采用內外2圈型孔排種盤，通過開溝分種裝置實現(xiàn)開溝與分種融合，滿足胡蘿卜窄行播種的農藝要求。

2）對排種器吸種及投種過程的種子受力及運動分析，得出排種器臨界氣壓計算公式，明確吸種力、投種位置及播種株距的主要影響因素，結合試驗確定排種器的氣室真空度為4.4 kPa；確定排種盤內外圈型孔所在圓周半徑分別為87.5和95.0 mm，型孔直徑為1.6 mm，一圈型孔數(shù)量為30個；依據(jù)清種要求及作業(yè)空間，設計鋸齒刮板式及偏心式刮種器，2片刮板分別安裝在播種單體兩側，間距150 mm，刮板長度270 mm，刮板寬度30 mm，刮板折彎角度145°；對起壟整形裝置進行理論分析，得出犁體及整形輥結構參數(shù)；基于傳統(tǒng)滑刀式開溝器，分析了刃口曲線、滑切角、刃口角參數(shù)，設計了開溝分種一體裝置，裝置總體高度約100 mm，柱形輥直徑160 mm錐形輥大端直徑490 mm。

3）田間試驗表明，起壟整形裝置做出的梯形壟滿足種植要求，播種機按所設計的株距作業(yè)后，粒距合格率大于94%，重播率小于4%，漏播率小于5%，播深均勻，平均播深14 mm，試驗結果符合國家精密播種標準。

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Development of air-suction ridging and seeding machine for carrot

Wang Fangyan, Yang Liang, Bao Yufeng, Jiang Jingtao※

(,,266109,)

Combineding with the ridge planting mode of carrot in Shandong and other places, this research developed a air-suction precision carrot seeder which integrated the functions of ridging, ditching, precision sowing, covering soil and pressing was developed. The machine was mainly composed of air-suction precision metering device, ridging and shaping device, ditching and seed dividing device, soil covering device, frame and transmission system. According to the analysis of the force and movement of seeds in the process of seed suction and seeding, the critical value of vacuum degree in the air chamber of seed metering device was obtained, and the main influencing factors of seeding position and plant spacing uniformity were determined. A seed-metering plate with double-ring type hole was designed, the radius of the inner and outer circle holes of the seed-metering plate was 87.5 and 95.0 mm respectively, and the number of holes in each circle was 30. According to the requirements of seed cleaning and working space, the upper scraper removed the excess seeds adsorbed on the upper side of the inner and outer ring type holes, the zigzag structure was adopted. The lower scraper removed the excess seeds adsorbed on the lower side of the inner and outer ring type holes, and the eccentric structure was used. According to planting agronomic requirements, the FL-2.5 fan was determined to meet the requirements of different sowing air volume. Three double-wing ridging plows were used to ridge, and the ridge shape was trimmed by a shaping device to complete 2 trapezoidal ridges at one time. According to the requirements of double narrow row, shallow ditching and less covering soil, the structure of ditching and the parameters of overburden were determined. According to the analysis of the seed feeding process, the low-level seed feeding mode was adopted, and the seed metering the overall height of the ditching and seed separation device was about 100 mm. Taking the typehole diameter of the seed-metering plate, the rotating speed of seed-metering plate and the negative pressure of the air chamber as the test factors, and taking the eligible rae of seed spacing, the missing rate and the multiple rate as the test evaluation indexes, three-factor and five-level orthogonal experiment was carried out. The best working parameter combination for seed-metering device was abtained: the type hole diameter was 1.6 mm, the rotating speed of seed-metering plate was 18 r/min, and the negative pressure of the air chamber was 4.4 kPa. The field sowing experiments were carried out at working speeds of 3, 4 and 5 km/h respectively. The experiment results showed that with the increase of working speed, the eligible rate changed little, the multiple rate decreased, and the missing rate increased, but the overall scope of change was not large, the eligible rate was more than 94%, the missing rate was less than 5%, and the multiple rate was less than 4%, the working performance of the machine met the national standard and the requirements of carrot planting agronomy. The study can provide reference for the design of precision seeder for small seed vegetables such as carrot.

agricultural machinery; design; seeder; carrot; air-suction

王方艷，楊亮，鮑余峰，等. 氣吸式胡蘿卜起壟播種一體機研制[J]. 農業(yè)工程學報，2020，36(17)：35-45.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.005 http://www.tcsae.org

Wang Fangyan, Yang Liang, Bao Yufeng, et al. Development of air-suction ridging and seeding machine for carrot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(17): 35-45. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.005 http://www.tcsae.org

2020-06-08

2020-08-20

國家自然科學基金項目（51775290）；山東省重點研發(fā)計劃（2019GNC106056，2017NC212006）；青島市民生科技計劃（17-3-3-52-nsh）

王方艷，博士，副教授，主要從事農業(yè)裝備設計及理論研究。Email：wfy_66@163.com

江景濤，教授，主要從事新型農業(yè)裝備的研發(fā)。 Email：jjtao_2518@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.17.005

S223.2

A

1002-6819(2020)-17-0035-11