脫毒微型馬鈴薯氣力傾斜圓盤排種器試驗

毛瓊，黃梅，黃宏兵*

（華中農業大學工學院，湖北武漢430070）

農機應用

脫毒微型馬鈴薯氣力傾斜圓盤排種器試驗

（華中農業大學工學院，湖北武漢430070）

為提高脫毒微型馬鈴薯機械化播種水平，保證播種質量，針對脫毒微型馬鈴薯，設計了一種氣力式傾斜圓盤排種器，并對其進行了單因素試驗及正交試驗。分析了該排種器合格指數、重播指數、漏播指數和變異系數等性能指標與排種軸轉速、排種盤傾斜角度、排種盤型孔形式3個要素之間的關系。單因素試驗結果表明，上述3個試驗因素對排種器性能指標均有顯著影響；正交試驗結果表明，排種軸轉速為10 r/min、排種盤傾斜角度為45°、排種盤型孔形式為9×Φ12 mm圓柱孔時，排種器合格指數達97.62%，漏播指數為0.67%，變異系數為8.94%；研究結果表明，氣力傾斜圓盤排種器能滿足大粒徑且外形個體差異性大的脫毒微型馬鈴薯的精密播種要求，為大粒徑種子的播種提供一個新的方法。

脫毒微型馬鈴薯；排種器；氣力式；試驗

馬鈴薯是繼玉米、小麥和水稻之后的世界第四大糧食作物。在當今社會生態退化、可耕地面積不斷減少等惡劣環境下，發展馬鈴薯產業是保證我國糧食總產量的有效途徑[1,2]。我國已成為世界馬鈴薯生產第一大國，但卻不是馬鈴薯產業強國，究其原因，一是我國馬鈴薯生產主要以切塊薯為種薯，易產生病毒感染；二是我國馬鈴薯生產機械化水平低（我國馬鈴薯機械化生產水平僅為1%，發達國家已超過70%）[3-9]。國內外現有馬鈴薯播種機具大都以切塊種薯或整薯為作業對象，且多采用機械式排種方式，而種薯切塊和機械式排種都容易造成種薯感染病毒，影響馬鈴薯的質量和產量[10-16]。

脫毒微型馬鈴薯能有效地防止在生產過程中因病毒傳染而造成的病毒性退化，并降低晚疫病、環腐病、青枯病和黑脛病等多種病害，從而提高馬鈴薯的品質及產量。目前我國現有脫毒種薯推廣面積不到20%，根據農業部發布的《馬鈴薯優勢區域布局規劃》，到2015年，力爭我國脫毒種薯應用面積要達種植面積的50%以上[17]。但現在針對使用脫毒微型馬鈴薯為種薯的直播機具與裝置研究尚未開展，影響了新技術的推廣與產品質量的提升。

本研究針對脫毒微型馬鈴薯個體質量差異性較大（單粒質量3～10 g）、形狀不規則、種薯含水率高、表皮易破損等特點，提出了將氣吸式排種器傾斜放置，從而降低氣吸式排種器吸種所需的真空壓力，保證實現脫毒微型馬鈴薯的精量播種。此播種方式相對于機械式排種和垂直氣吸式排種方式減小了對馬鈴薯種薯的損傷，降低了種薯感染病毒的幾率，有利于高品質種薯的應用，對提高馬鈴薯機械化播種水平、保證馬鈴薯質量具有重要現實意義，同時為大粒徑種子（大粒徑種子指顆粒直徑大于6mm的種子）的精密播種提供了參考。

1 排種器結構及工作原理

1.1 排種器結構

氣力式脫毒微型馬鈴薯傾斜圓盤排種器排種系統如圖1所示。其采用排種盤傾斜放置原理，主要由種箱、進種量調節片、清種裝置、種子室殼體、排種盤、氣室殼體、排種盤固定套Ⅰ、排種軸、排種盤固定套Ⅱ等組成，其結構示意圖如圖2所示。

1.2 排種器工作原理

輸入動力帶動排種軸和排種盤一起旋轉，脫毒微型馬鈴薯種薯在重力作用下由種箱進入種子室中。風機負壓進氣口與排種器負壓出氣口間通過軟管連接，在風機作用下，氣室殼體中環狀氣室形成負壓。排種器傾斜放置，使種薯能依靠自身重力提供部分支持力及與排種盤間的摩擦力，在一定程度上減少了風機功率消耗，同時也可以增加排種器的充種率。種子室中的種薯在真空壓力與排種盤的支持力等作用下，從種薯群中脫離出來，吸附在排種盤的型孔上并隨排種盤一起轉動。當吸種的型孔運轉至離開環狀氣室時，吸附在型孔上的脫毒微型馬鈴薯瞬間失去負壓作用力，在自身重力作用下脫離型孔，至此排種器完成排種。

圖1 排種系統Figure 1 Seed metering system

2 排種器性能試驗

2.1 試驗方法與設備

2.1.1 試驗材料

試驗用種薯為‘費烏瑞它’脫毒微型馬鈴薯（3～10 g），其物理機械特性如表1所示[18]。

2.1.2 試驗設備

試驗設備包括試驗臺架（角度0°～60°可調），SIEMENS變頻器，減速機，離心式風機及其連接管道，U形壓差計，光纖傳感器，農業裝備多參數測控系統等。

2.1.3 試驗方法

由理論分析及初步試驗可知，排種軸轉速、排種盤傾斜角度、排種盤型孔形式及氣室壓力對排種器性能影響較為顯著。由于種薯個體較大，排種盤型孔相應也大，根據前期試驗，在更換不同排種盤時，氣室初始壓力（風機工作，排種器不工作時的氣室壓力）變化并不顯著，亦即氣室初始壓力可調節范圍相對較小。所以本試驗不對氣室初始壓力安排因素水平，確定試驗因素為排種軸轉速、排種盤傾斜角度、排種盤型孔形式。

圖2 排種器結構示意圖Figure 2 Structure of metering device

表1 脫毒微型馬鈴薯物理機械特性Table 1 Physical and mechanical characteristics of virus-free seed potato

根據微型薯種植農藝要求（株距20 cm）、拖拉機田間行駛速度及前期試驗效果，相應因素水平設置如下：

（1）排種軸轉速：10 r/min、15 r/min、20 r/min、25 r/min（當排種器轉速過低時，播種效率降低；而增加排種盤型孔數量會造成排種器氣室壓力不足，所以不對排種軸轉速設置更低的水平）。

（2）排種盤傾斜角度（與垂直方向夾角）：10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°。

（3）排種盤型孔（均布）形式：9×Φ10 mm圓柱孔、9×Φ11mm圓柱孔、9×Φ12mm圓柱孔、9×Φ13 mm圓柱孔、12×Φ10 mm圓柱孔、12×Φ11 mm圓柱孔、12×Φ12 mm圓柱孔、12×Φ13 mm圓柱孔。

以GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》為依據，確定試驗指標為合格指數、重播指數、漏播指數及變異系數。光纖傳感器檢測種薯從排種器下落信號，并將該信號輸入農業裝備多參數測控系統；農業裝備多參數測控系統采集并記錄數據，每個因素水平測得的結果至少重復記錄9次。使用MATLAB與Excel等統計分析軟件處理試驗數據。

2.2 試驗目的

通過單因素和多因素試驗，研究各試驗因素對排種器試驗指標的影響規律以及各因素水平的最優組合，并檢驗本文設計的氣力式傾斜圓盤排種器是否會對脫毒微型馬鈴薯造成損傷。

3 結果與分析

3.1 單因素試驗

3.1.1 排種軸轉速

調節排種盤傾斜角度為40°，使用9×Φ12 mm圓柱孔排種盤，分別調節排種軸轉速為10 r/min、15 r/min、20 r/min、25 r/min。試驗結果及排種軸轉速對試驗指標的影響規律如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，其它試驗條件一定，隨著排種軸轉速增加，合格指數呈下降趨勢，漏播指數呈上升趨勢；變異系數單調遞增。原因在于轉速越低，型孔充種時間越充足，提高了排種器的充種率，則合格指數越高，漏播指數越低，排種器排種性能越穩定。對試驗數據進行方差分析可知，排種軸轉速對試驗指標有極顯著影響。

3.1.2 排種盤傾斜角度

使用9×Φ12 mm圓柱孔排種盤，調節排種軸轉速為15 r/min，分別調節排種盤傾斜角度為10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°等。記錄試驗結果，對所得數據進行處理，分析排種盤傾斜角度對試驗指標的影響規律，如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，其它試驗條件一定，排種盤傾斜角度在35°～45°時，試驗結果基本保持平穩，合格指數均在95%以上；排種盤傾斜35°時，變異系數最小。因為排種盤傾斜角度越大，由脫毒微型馬鈴薯自身重力引起的向下運動趨勢越小，種薯更容易吸附在型孔上；而排種盤傾斜角度過大，種薯與排種盤間的摩擦和其它作用力使種薯越過種子室和投種區間的擋板而直接落入投種區，破壞正常投種。方差分析結果表明，排種盤傾斜角度對試驗指標有極顯著影響。

圖3 試驗指標與排種軸轉速的關系曲線Figure 3 Relationship between index and rotational speed of metering shaft

圖4 排種軸轉速對變異系數的影響Figure 4 Impact of rotational speed of metering shaft on coefficient of variation

圖5 試驗指標與排種盤傾斜角度的關系曲線Figure 5 Relationship between index and tilt angle of metering disc

圖6 排種盤傾斜角度對變異系數的影響Figure 6 Impact of tilt angle of metering disc on coefficient of variation

3.1.3 排種盤型孔形式

調節排種盤傾斜角度為35°，排種軸轉速為15 r/min，更換不同型孔形式排種盤。記錄試驗結果，對所得數據進行處理，分析排種盤型孔形式對試驗指標的影響規律，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，其它試驗條件一定時，排種盤型孔形式不同，合格指數、漏播指數均不同，變異系數整體呈上升趨勢。所有排種盤中9× Φ12 mm圓柱孔排種盤的合格指數最高，變異系數也最小。因為9孔排種盤的氣室初始壓力比12孔排種盤大，對種子的吸附力大，能保證排種器的充種率；而型孔直徑Φ12 mm更適合脫毒微型馬鈴薯的外形尺寸。方差分析結果顯示，排種盤型孔形式對試驗指標有極顯著影響。

圖7 試驗指標與排種盤型孔形式的關系Figure 7 Relationship between index and shaped hole form of metering disc

圖8 排種盤型孔形式對變異系數的影響Figure 8 Impact of shaped hole form of metering disc on coefficient of variation

3.2 正交試驗

根據單因素試驗結果，不考慮交互作用，選擇如表2所示的正交試驗因素水平。選用L16（45）標準正交表進行正交試驗。

表2 正交試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

每組試驗重復9次，求出各項試驗指標的平均值，試驗結果如表3所示。對所得數據進行極差分析，如表4所示。

如表4，合格指數的極差分析顯示，影響合格指數的因素主次為C、B、A，因素C取水平4、因素B取水平3、因素A取水平1即A1B3C4時，合格指數最高；重播指數的極差分析表明，B是影響重播指數的主要因素，其次是A和C，A4B1C3為重播指數最小時的最佳參數組合；對漏播指數進行極差分析可知，漏播指數的影響因素主次與合格指數的一致，也為C、B、A，因素C取水平4、因素B取水平3、因素A取水平1，即A1B3C4時，漏播指數最小；而變異系數的影響因素主次為A、C、B，A1B4C3為變異系數最小時的最佳參數組合。

由上述分析可知，試驗因素對試驗指標影響主次為C、B、A，最優方案為A1B3C4，即排種盤傾斜角度為45°，排種軸轉速為10 r/min，排種盤型孔形式為9×Φ12 mm圓柱孔。

驗證試驗表明，在排種盤傾斜角度為45°，排種軸轉速為10 r/min，排種盤型孔形式為9×Φ12 mm圓柱孔時，合格指數可達97.62%，重播指數和漏播指數分別為1.71%、0.67%，變異系數為8.94%；與單因素試驗相比，在該工況下，排種器排種性能的變異系數最小。

該優方案驗證試驗合格指數小于所安排正交試驗中因素水平A2B3C4的合格指數，且空列2合格指數的極差比因素A合格指數的極差大，原因可能是交互作用的影響，或還有其他影響顯著的因素未被考慮。

表3 正交試驗方案與結果Table 3 Programs and results of orthogonal experiment

表4 試驗結果極差分析Table 4 Range analysis of experiment results

4 討論

馬鈴薯脫毒種薯的應用已是大勢所趨，但若采用機械式排種方式造成種薯病毒感染，脫毒種薯便失去脫毒意義[19]。氣吸式排種方式被廣泛應用于大豆、花生等大中粒徑種子的播種，國內外對大中粒徑種子氣吸式播種技術的研究已由結構設計深入到優化改進，相關機具也已廣泛應用于農業生產[20-25]。氣吸式排種方式對種子外形要求不高，機械摩擦相對較小，對種薯傷害較小，符合外形個體差異性大的脫毒微型馬鈴薯種植要求[26]。而美國Crary公司生產的Lockwood 604、606、608型氣吸式馬鈴薯播種機也為脫毒微型馬鈴薯播種技術未來的發展方向指明了道路。

研究結果表明，將垂直圓盤氣吸式排種器的圓盤傾斜放置，能有效提高排種器對脫毒微型馬鈴薯的排種性能。氣吸式脫毒微型馬鈴薯傾斜圓盤排種器最佳參數組合為排種盤傾斜角度45°，排種軸轉速10 r/min，排種盤型孔形式9×Φ12 mm圓柱孔。此時排種器性能較好，合格指數可達97.62%，重播指數和漏播指數分別為1.71%、0.67%，變異系數為8.94%。說明該排種器達到了精量播種的要求，能適應大粒徑種子的播種，為大粒徑種子的播種提供一個新的方法。

本試驗中采用的測試裝置對排種器性能的測量方法是利用光纖傳感器測量種薯下落的時間間隔來表征的，從理論上分析是可行的，數據的精度能滿足本試驗的要求，但還需對試驗裝置進行相關的標定。本試驗是在試驗臺架上進行的，與實際播種作業過程中的試驗數據有一定的差距?？紤]到播種作業中其他因素的影響，漏播指數會有一定的提高，將在后續的試驗中驗證。

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Experiment on Pneumatic Metering Device with Declined Disc for Virus-free Seed Potato

MAO Qiong,HUANG Mei,HUANG Jie,DUAN Hongbing＊
(College of Engineering and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan,Hubei 430070,China)

A pneumatic metering device with declined disc was designed for virus-free seed potato in order to improve the mechanization planting level of virus-free seed potato and guarantee the sowing quality.Single factor and orthogonal experiments were carried out.The relationships of performance indexes such as eligible index,multiple index,miss index and coefficientofvariation with the rotationalspeed ofmetering shaft,tiltangle ofmetering disc and the shaped hole form ofmetering disc were analyzed.Single factor experiment showed that performance indexes were remarkably influenced by those three factors.Orthogonal experiment indicated that the eligible index reached as high as 97.62%,the miss index was 0.67%,and the coefficient of variation was 8.94%;while the rotational speed of metering shaft was 10 r/min,tilt angle of metering disc was 45°, and the shaped hole form ofmetering disc was cylindricalhole with 9×Φ12 mm.The resultof the study showed that pneumatic metering device with declined disc could meet the precision seeding requirements for virus-free seed potatoes with large piece andgreatdifferences in shape,and provide a newmethodforlargepiece seeds.

virus-free seed potato;metering device;pneumatic;experiment

S532

B

1672-3635（2013）02-0112-07

2013-02-28

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助（2011PY084）；華中農業大學2010年度研究生科技創新專項資助（2011SC11）。

毛瓊（1987-），女，碩士研究生，從事現代農業裝備與測控研究。

段宏兵，副研究員，碩士生導師，從事現代農業裝備與測控研究，E-mail∶duanhb@mail.hzau.edu.cn。