秦青青， 張艷麗， 牛國玲， 石統(tǒng)宇， 朱世偉

(佳木斯大學機械工程學院，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。而采用機械化種植，降低了勞動強度，提高了工作效率，機械化程度已逐漸成熟。但是針對小粒蔬菜的機械化種植卻并不完善，胡蘿卜獨特的外形，傳統(tǒng)的機械化播種機并不能有效地控制播種量，一次播種單?；蛘叨嗔７N子，造成排種不均勻的現(xiàn)象。針對上述問題，采用紙帶播種技術是解決問題的有效途徑之一。紙帶技術最初是由日本的水稻覆膜技術演變而來，近年來，我國學者根據(jù)國內農作物的種植需求進行了進一步的研究。李秀,王家勝等學者研究了種子帶編織機技術[1]。該技術是利用種子編織機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[2]。該技術是將不規(guī)則的小顆粒種子用種子丸?；瘷C加工成規(guī)則的種子，再用編織機將種子按照農藝要求編織在紙帶中形成編織帶，最后再用多功能播種機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值，在可降解的紙帶上覆上一層粘結劑，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，因此研制一種點膠-紙帶式胡蘿卜播種機具有較好的實用價值。

1 整機結構及工作原理

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

(1)在播種作業(yè)前，調節(jié)播種機兩側的螺栓，向下移動開溝器，插入土里的深度約為3cm。播種機的左側傳動電機與右側傳動電機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?，使得左右兩側同速，實現(xiàn)播種機的運動。

(2)在紙帶架上放置寬為18mm的長形滾筒紙帶，置于播種機的前端，并把紙帶的初端固定在土里，機板上的紙帶隨著播種機一起運動。在距離紙帶架200mm的上方安裝一個電動推桿，電動推桿推著點膠管向下運動。當點膠管前端的滾珠與紙帶接觸擠出膠管內的膠水，接近開關感應到滾珠與紙帶接觸，并把電壓信號反饋給控制系統(tǒng)，電動推桿縮回，完成一次點膠的動作。

(3)點完膠水的紙帶繼續(xù)向前運動。排種器安裝在距離點膠裝置200mm處的上方，當吸氣泵抽取排種器內部的空氣形成負壓，把播種盒里的種子吸附在種口上，排種電機帶動排種器轉動。當排種器與內置的重心盤接觸時，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處。

(4)在距離排種裝置100mm處的下方安裝由電機驅動的張力輥和導向輥。紙帶經(jīng)過張力輥時，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)，并與預設值做比較，反饋電壓信號。調節(jié)傳動電機的轉矩并控制播種機的速度，從而達到調整張力的目的。紙帶隨著導向輥向下運動落在播種溝里，鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓開溝器兩側的土壤完成覆土。

1.把手 2.控制柜 3.電源4.吸氣泵 5.播種盤電機 6.排種器7.播種盒 8.點膠裝置 9.機架 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

2 關鍵部件設計

2.1 點膠機構設計

點膠機構如圖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)，點膠架內的彈簧套在點膠管的前端。播種機在運動時，電動推桿推著點膠管往下運動，點膠嘴的滾珠與紙帶發(fā)生接觸產生摩擦，使?jié)L珠在滾珠座內滾動，擠出膠管內的膠水落在紙帶上，同時接近開關感應到滾珠與紙帶接觸，并把信號反饋給控制系統(tǒng)，并控制電動推桿縮回，完成點膠的動作。為了防止電動推桿的行程超過點膠嘴的運動范圍而把紙帶戳破，在點膠管的前端加了一截彈簧來減輕滾珠對紙帶的力度。

2.2 排種器設計

排種器是紙帶式胡蘿卜播種機的關鍵部件，該機構參數(shù)的設計影響到排種量。如圖4所示，重心盤是由鐵質材料構成，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氣口相連，抽取排種器內部的空氣形成負壓，將播種盒上的種子吸附在種口上，排種電機帶動排種盤轉動。當種口與內置的重心盤接觸時，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)，決定了充種的時間和效果,其關系式為[4]：

1.鋁型材框架 2.電動推桿 3.膠管 4.點膠架5.彈簧 6.滾珠

1.紙帶2.粘結劑范圍3.胡蘿卜種子

(1)

式中：β為充種角，(°)；n為紙帶前進速度，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、排種盤轉速、紙帶前進速度和株距一定的條件下，充種角β越大，充種時間就越長，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，排種盤轉速n為5-20r/min[8]。其中A為吸種區(qū)、B為護種區(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與三維尺寸的關系[7]如下。其測量結果的最大值、最小值、等效直徑、平均值和球形率如表1所示。

1.播種盒 2.進氣口 3.排種盤4.輪蓋5.排種電機軸孔 6.負壓腔 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

由表1的尺寸參數(shù)可知：胡蘿卜的球形率不高，因此在種盤上設計類似橢圓形的種口。為了避免種子在負壓的作用下進入排種盤的內部，種口尺寸小于胡蘿卜種子的尺寸，則設種口的長徑為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，排種轉速越低，種子吸附在投種區(qū)的時間就越長，排種效果也就越好，型孔數(shù)量計算公式[8]如下：

(3)

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

3 試驗

3.1 試驗材料與方法

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

(4)

(5)

(6)

式中：A為合格指數(shù)；n1為株距滿足播種農藝的種子數(shù)量；N,為試驗種子總數(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 試驗結果和分析

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

表2 正交試驗因素水平

表3 試驗結果

表4 分析結果

由表4可知：播種機排種的合格指數(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，即吸種負壓為-3.5kPa，排種轉速為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 論

針對胡蘿卜種子籽粒小、質量輕等特點導致排種不均勻的問題，在現(xiàn)階段的播種機研究的基礎上，設計了一種點膠-紙帶式胡蘿卜播種機，通過理論分析確定關鍵參數(shù)并進行單因正交試驗，得到各參數(shù)對排種性能的影響，從而確定了播種機工作的最佳參數(shù)：吸種負壓為-3.5kPa，排種轉速為17r/min，投種高度為10mm，在此條件下進行較優(yōu)水平組合試驗，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。