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        點膠-紙帶式胡蘿卜排種器的設(shè)計與試驗①

        2022-12-15 10:33:14秦青青張艷麗牛國玲石統(tǒng)宇朱世偉
        關(guān)鍵詞:排種紙帶種器

        秦青青, 張艷麗, 牛國玲, 石統(tǒng)宇, 朱世偉

        (佳木斯大學(xué)機械工程學(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(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)作物的種植需求進行了進一步的研究。李秀,王家勝等學(xué)者研究了種子帶編織機技術(shù)[1]。該技術(shù)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(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?;瘷C加工成規(guī)則的種子,再用編織機將種子按照農(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(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,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(jié)構(gòu)及工作原理

        紙帶胡蘿卜播種機整機如圖1所示。設(shè)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(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。播種機的左側(cè)傳動電機與右側(cè)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)狡胶廨喩希沟米笥覂蓚?cè)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(dāng)點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(dāng)吸氣泵抽取排種器內(nèi)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(zhuǎn)動。當(dāng)排種器與內(nèi)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(jié)處。

        (4)在距離排種裝置100mm處的下方安裝由電機驅(qū)動的張力輥和導(dǎo)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(yù)設(shè)值做比較,反饋電壓信號。調(diào)節(jié)傳動電機的轉(zhuǎn)矩并控制播種機的速度,從而達到調(diào)整張力的目的。紙帶隨著導(dǎo)向輥向下運動落在播種溝里,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 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(guān)鍵部件設(shè)計

        2.1 點膠機構(gòu)設(shè)計

        點膠機構(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),點膠架內(nèi)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(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(shè)計

        排種器是紙帶式胡蘿卜播種機的關(guān)鍵部件,該機構(gòu)參數(shù)的設(shè)計影響到排種量。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氣口相連,抽取排種器內(nèi)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(zhuǎn)動。當(dāng)種口與內(nèi)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(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(zhuǎn)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(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(shè)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(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(nóng)藝,株距設(shè)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(xué)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(zhuǎn)速、投種高度這三個影響因素對紙帶胡蘿卜播種機播種質(zhì)量的影響規(guī)律。按照《單粒(精密)播種機試驗方法》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(nóng)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(jié)果和分析

        根據(jù)多次的試驗及吸氣泵提供的負壓情況,設(shè)定吸種負壓范圍為-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(zhuǎn)速為11~17r/min、投種高度為5~15mm,在此基礎(chǔ)上進行三因素三水平正交試驗,各因素水平設(shè)計如表2所示,排種試驗結(jié)果如表3所示,分析結(jié)果如表4所示。

        表2 正交試驗因素水平

        表3 試驗結(jié)果

        表4 分析結(jié)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(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)量輕等特點導(dǎo)致排種不均勻的問題,在現(xiàn)階段的播種機研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一種點膠-紙帶式胡蘿卜播種機,通過理論分析確定關(guān)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(zhuǎn)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。

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