小型蔬菜穴盤精密播種機的設(shè)計與試驗

玄冠濤，邵園園，侯加林，王連文，呂釗欽，史春余，劉中正

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物學(xué)博士后流動站，山東 泰安 271018；3.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東 博興 256500)

小型蔬菜穴盤精密播種機的設(shè)計與試驗

玄冠濤1，2，邵園園1，侯加林1，王連文3，呂釗欽1，史春余2，劉中正1

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 機械與電子工程學(xué)院/山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東 泰安 271018；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 作物學(xué)博士后流動站，山東 泰安 271018；3.黃河三角洲京博化工研究院有限公司，山東 博興 256500)

目前，國內(nèi)溫室大棚蔬菜穴盤人工播種費時費力、生產(chǎn)效率低，現(xiàn)有機型對蔬菜穴盤播種適應(yīng)性差，不能滿足中小蔬菜種植戶的輕簡、低成本要求。為此，設(shè)計了一種小型蔬菜穴盤精密播種機，整機采用全氣力驅(qū)動和氣針播種，能連續(xù)實現(xiàn)自動進(jìn)盤、打穴與單粒播種，通過更換播種針頭的數(shù)量和型號，可適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤規(guī)格。為提高樣機開發(fā)速度和質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，基于SolidWorks軟件對關(guān)鍵部件進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計與三維建模，建立了小型蔬菜穴盤精密播種機虛擬樣機，進(jìn)而自動生成平面二維工程圖進(jìn)行樣機的生產(chǎn)加工。最后，對番茄等蔬菜種子進(jìn)行播種試驗，結(jié)果表明：小型蔬菜穴盤精密播種機的單粒率水平在91%以上，滿足了蔬菜穴盤精播育苗的要求。

蔬菜；精密播種機；穴盤

0 引言

我國蔬菜種植面積2 000萬hm2，總產(chǎn)量達(dá)7億t，是世界最大的蔬菜生產(chǎn)國[1-2]。育苗是蔬菜種植的重要環(huán)節(jié)，采用穴盤育苗，能保證育苗質(zhì)量和成活率，便于集中管理，已成為蔬菜栽培的主要育苗方式。但蔬菜種子籽粒小、質(zhì)量輕、形狀不規(guī)則，人工播種費時費力，播種效率很低。與人工播種相比，穴盤育苗精播機效率高、播種質(zhì)量好、節(jié)省種子，有效降低了種植成本，滿足了工廠化育苗需要，有力促進(jìn)了蔬菜的移栽生產(chǎn)。

與機械播種相比，氣力播種較易實現(xiàn)單粒點播，且不傷種、對種子的適應(yīng)性強，在穴盤精量播種作業(yè)中應(yīng)用廣泛。國外代表機型(如美國Blackmore、英國Hamilton的針管播種機，澳大利亞Williames及荷蘭Visser等公司生產(chǎn)的滾筒式精密播種機)智能化、自動化水平高，但價格昂貴，適合大規(guī)模農(nóng)場作業(yè)[3-5]。國內(nèi)生產(chǎn)的穴盤育苗精密播種機的代表機型有夏紅梅等設(shè)計開發(fā)的氣力板式精播機、陳進(jìn)等研制的氣吸振動滾筒式精密播種機、浙江臺州一鳴機械生產(chǎn)的氣吸針式穴盤育苗精密播種機等[6-8]。目前，國內(nèi)的蔬菜機械播種技術(shù)還比較落后，現(xiàn)有機型仍然以借鑒國外技術(shù)為主，存在播種精度低及通用性差等問題，不能滿足我國中小蔬菜種植戶對播種機械的輕簡、低成本要求。

為此，本文設(shè)計了一種小型蔬菜穴盤精密播種機，整機采用全氣力驅(qū)動，可實現(xiàn)自動進(jìn)盤、打穴與單粒播種連續(xù)工作。該機結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可更換播種針頭的數(shù)量和型號，以適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤規(guī)格。同時，通過穴盤精密播種機關(guān)鍵部件和整機的數(shù)字化設(shè)計，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本。

1 小型蔬菜穴盤精密播種機總體設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

小型蔬菜穴盤精密播種機總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機主要由穴盤進(jìn)給機構(gòu)、吸排種裝置、步進(jìn)裝置、壓穴裝置、擺動機構(gòu)、控制機構(gòu)、機架和種盒及振動器等組成，具有自動進(jìn)盤、打穴及播種等功能，適合于溫室大棚等中小蔬菜種植戶使用。

整機由小型空氣壓縮機提供動力，利用氣動行程開關(guān)啟動裝置、氣缸進(jìn)給機構(gòu)使穴盤按照要求不斷移動，伸縮氣缸機構(gòu)帶動壓穴裝置在移動的穴盤上順序壓好指定深度種穴，擺動氣缸機構(gòu)使播種針頭在種盒和落種槽間擺動；當(dāng)播種針頭擺動至種盒時，在氣動振動器作用下種盒內(nèi)種群“沸騰”，播種針頭進(jìn)行負(fù)壓吸種；當(dāng)播種針頭擺動至落種槽上方時，進(jìn)行正壓排種，并通過播種管落到穴盤中。各工作部件氣動邏輯關(guān)系如圖2所示。

1.穴盤托架 2.穴盤進(jìn)給機構(gòu) 3.穴盤 4.步進(jìn)裝置 5.壓穴裝置 6.擺動機構(gòu) 7.吸種裝置 8.種盒 9.振動器 10.控制總成 11.機架總成圖1 小型蔬菜穴盤精密播種機結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Structure schematic of small vegetable plug tray precison seeder

①打穴 ②吸種 ③進(jìn)盤 ④排種圖2 工作部件氣動邏輯關(guān)系Fig.2 Pneumatic logic relation of working parts

1.2 性能特點

為滿足國內(nèi)溫室大棚中小蔬菜種植戶的要求，整機設(shè)計以小型、輕便為主，采用高強度鋁合金型材進(jìn)行制造，防腐耐用，搬運省時省力，1人即可完成。整機工作采用氣動元件自動控制完成，操作簡單，易于掌握；工作動力小，僅需1臺小型空氣壓機作動力，主機工作裝置無需另外接電，節(jié)能又安全；作業(yè)效率高，2～3人操作8h，每天至少育苗可達(dá)10萬株以上；配套了多種孔徑的可換播種針頭，適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤規(guī)格的精密播種。其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

1.3 數(shù)字化設(shè)計

根據(jù)氣吸針式穴盤育苗精播機的結(jié)構(gòu)、技術(shù)參數(shù)和工作要求，利用CAD/CAE軟件SolidWorks進(jìn)行產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計，流程如圖3所示。

圖3 小型蔬菜穴盤精密播種機數(shù)字化設(shè)計流程Fig.3 Digital design of small vegetable plug tray precison seeder

2 關(guān)鍵部件設(shè)計與建模

建立小型蔬菜穴盤精密播種機的關(guān)鍵部件壓穴機構(gòu)、穴盤進(jìn)給機構(gòu)及氣吸針式播種裝置SolidWorks三維模型，進(jìn)行部件的干涉檢查，優(yōu)化各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸等參數(shù)。

2.1 壓穴機構(gòu)

設(shè)計一種氣動壓穴機構(gòu)三維模型，伸縮氣缸帶動壓穴架和壓穴桿往復(fù)運動實現(xiàn)壓穴動作，如圖4所示。通過彈簧、彈簧桿對壓穴機構(gòu)的緩沖和導(dǎo)向作用，保證了壓穴質(zhì)量，壓穴架上的落種管孔與播種管滑動配合，提高落種準(zhǔn)確度，更換壓穴桿可滿足不同作物的壓穴要求。

1.彈簧桿 2.直線軸承 3.伸縮氣缸 4.彈簧 5.固定架 6.壓穴桿 7.壓穴架圖4 壓穴機構(gòu)Fig.4 Indenting mechanism

2.2 穴盤進(jìn)給機構(gòu)

進(jìn)行穴盤進(jìn)給機構(gòu)的三維建模，進(jìn)給氣缸帶動與其固連的頂桿進(jìn)而推動穴盤進(jìn)給，如圖5所示。頂桿中間段有折彎段，使頂桿兩端呈鈍角，可以避免進(jìn)給氣缸安裝時傾斜角過大，利于頂桿的推進(jìn)。其行程由限位開關(guān)控制，旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)桿可以調(diào)節(jié)進(jìn)給氣缸架的俯仰角。

1.進(jìn)給氣缸 2.進(jìn)給氣缸架 3.頂桿 4.限位開關(guān) 5.固定架 6.調(diào)節(jié)桿 7.下托盤圖5 穴盤進(jìn)給機構(gòu)Fig.5 Plug tray feed mechanism

2.3 氣吸針式播種裝置

為避免漏播、重播，提高播種精度，設(shè)計氣吸針式播種裝置，主要包括播種針頭、播種管、氣動振動器、種盒及擺動氣缸機構(gòu)等。擺動氣缸帶動擺動桿旋轉(zhuǎn)，當(dāng)安裝在集氣管上的播種針頭擺動到振動種盒上方時負(fù)壓吸種，擺動到落種槽上方時正壓排種，此時滾珠式氣動振動器停止振動。其三維建模如圖6所示。

1.擺動氣缸 2.連接板 3.擺動桿 4.種盤 5.播種針頭 6.落種槽 7.集氣管 8.集氣管固定塊 9.種盤調(diào)節(jié)件 10.支撐架 11.橫梁 12.氣動振動器 13.落種管 14.滑套圖6 氣吸針式播種裝置Fig.6 Air sucking needle type seeding device

作為核心結(jié)構(gòu)的播種針頭(見圖7)，采用一體式直通方式，吸嘴設(shè)計為有內(nèi)部階梯孔的錐端結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)壓力和節(jié)約能耗，提高了吸種精度。通過更換播種針頭的數(shù)量和型號，可適應(yīng)不同形態(tài)蔬菜種子及穴盤規(guī)格，滿足了中小蔬菜種植戶多品種蔬菜種植要求。

1.固定接頭 2.氣壓孔 3.密封凹槽 4.吸種體 5.錐形孔 6.吸種孔圖7 播種針頭Fig.7 Air sucking needle

3 虛擬樣機裝配與檢驗

完成小型蔬菜穴盤精密播種機主要工作部件SolidWorks三維建模后，再依次進(jìn)行機架等其它零部件的三維建模，并裝配成小型蔬菜穴盤精密播種機整機，如圖8所示。

圖8 小型蔬菜穴盤精密播種機虛擬樣機Fig.8 Virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder

4 工程圖生成

對小型蔬菜穴盤精密播種機虛擬樣機進(jìn)行干涉檢查無誤后自動生成二維工程圖(見圖9)，并進(jìn)行相關(guān)零部件的數(shù)控加工，最終生產(chǎn)出合格的物理樣機，實現(xiàn)了數(shù)字化設(shè)計與制造一體化。

圖9 小型蔬菜穴盤精密播種機工程圖Fig.9 2D drawing of small vegetable plug tray precison seeder

5 蔬菜穴盤播種試驗

蔬菜穴盤播種試驗在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜種植基地進(jìn)行，試驗穴盤規(guī)格為128穴/盤，試驗用種為番茄種子，選用孔徑為0.4mm的播種針頭，以80盤/h的速度進(jìn)行連續(xù)播種試驗，并隨機抽取6盤，分別統(tǒng)計只有單粒種子、多粒種子及沒有種子的穴孔數(shù)，進(jìn)而根據(jù)式(1)～式(3)計算單粒率、重播率和漏播率。試驗結(jié)果如表2所示。

(1)

(2)

(3)

其中，n1為單粒種子穴數(shù)；n2為多粒種子穴數(shù)；n3為沒有種子穴數(shù)；N為穴盤總穴數(shù)。

表2 蔬菜穴盤播種試驗

穴盤播種試驗結(jié)果表明:小型蔬菜穴盤精密播種機的單粒率水平在91%以上，滿足了蔬菜穴盤精播育苗的要求。

6 結(jié)論

1) 小型蔬菜穴盤精密播種機采用全氣力驅(qū)動和氣針播種,實現(xiàn)自動進(jìn)盤、打穴與單粒播種連續(xù)工作。該機結(jié)構(gòu)簡單、輕便、易操作，適應(yīng)不同作物、不同穴盤規(guī)格的育苗作業(yè)，滿足了溫室大棚等中小蔬菜種植戶的要求。

2) 基于SolidWorks軟件，對小型蔬菜穴盤精密播種機關(guān)鍵部件和整機進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，進(jìn)一步降低了產(chǎn)品生產(chǎn)制造成本。

3) 蔬菜穴盤播種試驗表明：小型蔬菜穴盤精密播種機的單粒率水平在91%以上，滿足了蔬菜穴盤精播育苗的要求。

[1] 陳永生，胡檜，肖體瓊，等. 我國蔬菜生產(chǎn)機械化現(xiàn)狀及發(fā)展對策[J]．中國蔬菜，2014(10) ：1-5．

[2] 肖體瓊，何春霞，陳巧敏，等. 基于機械化生產(chǎn)視角的中國蔬菜成本收益分析[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(5)：75-82．

[3] Gaikwad B B，Sirohi N P S． Design of a low-cost pneumatic seeder for nursery plug trays[J]． Biosystems Engineering，2008，99( 3) : 322-329．

[4] 劉洋，李永強，徐鑫霖，等. 穴盤育苗播種機械及技術(shù)發(fā)展研究[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2014(6)：34-36．

[5] 趙鄭斌，王俊友，劉立晶，等. 穴盤育苗精密播種機的研究現(xiàn)狀分析[J]．農(nóng)機化研究，2015,37(8)：1-5，25．

[6] 張寧，廖慶喜．我國小粒徑種子播種技術(shù)與裝備的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J]． 中國農(nóng)機化，2012(1)：93-96．

[7] 夏紅梅，李志偉，牛菊菊. 氣力滾筒式蔬菜穴盤播種機吸排種動力學(xué)模型的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(1)：141-146．

[8] 陳進(jìn)，龔智強，李耀明，等.超級稻穴盤育苗精密播種裝置研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2015，46(1)：73-78.

Design and Test of Small Vegetable Plug Tray Precison Seeder

Xuan Guantao1,2, Shao Yuanyuan1, Hou Jialin1, Wang Lianwen3, Lv Zhaoqin1,Shi Chunyu2, Liu Zhongzheng1

(1.Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University/Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai’an 271018, China; 2.Postdoctoral Station of Crop Science, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 3.Chambroad Chemical Industry Research Institute Co.LTD., Boxing 256500, China)

Greenhouse vegetable tray manual seeding is time-consuming, low production efficiency.The existing seeders are also unfit for different forms of vegetable seeds and plug tray size which can not meet the small vegetable growers of lightweight and low cost requirements in china. In this paper, a small vegetable plug tray precision seeder was designed by using pneumatic drive and needle seeding, which could automatically feed, indent and sow with the single grain with different seeding needles. In order to improve design quality and shorten the product development cycle, The key components of plug tray precison seeder were designed and modeled with the solidworks software. The virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder was established, and the plane 2D engineering drawings were automatically generated, which used for machining the parts and seeder. Finally, the seeding test was conducted and results showed that the single grain rate of the small vegetable plug precision seeding machine was more than 91%, which meet the requirements of the precision seeding.

vegetable; pecison seeder; plug tray

2016-11-27

國家自然科學(xué)基金項目(31671632)；山東省自然科學(xué)基金項目(BS2015NY012)；山東省重點研發(fā)計劃項目(2016GNC112007)；山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系蔬菜創(chuàng)新團隊項目(SDAIT-02-021-09)；山東農(nóng)業(yè)大學(xué)青年科技創(chuàng)新基金項目(2014)

玄冠濤(1979-)，男，山東萊蕪人，講師，博士，(E-mail)xuangt@sina.com。

邵園園(1980-)，女，山東濟寧人，講師，博士，(E-mail)xoyo111@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2018)02-0085-05