種子帶編織機的設計與試驗研究

李 秀，王家勝，趙 帥，張峰峰，段玉振，劉志波

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

種子帶編織機的設計與試驗研究

李 秀，王家勝，趙 帥，張峰峰，段玉振，劉志波

(青島農業大學 機電工程學院，山東 青島 266109)

針對小粒種子尺寸小、質量輕、形狀不規則等特點導致精密播種穩定性差及精度低的問題，在國內外相關研究的基礎上，根據該類作物的種植模式和農藝要求，設計了一種適用于小粒種子精密播種的種子帶編織機。該裝備可以連續實現種子帶的自動進給、小粒種子在種子帶的精密排種、種子帶的編織及將編織好的種繩纏繞成輥等功能。通過理論分析，確定了排種器等關鍵部件的結構參數，并利用單因素試驗和正交試驗研究分析了排種輥筒轉速、種子帶進給速度和氣室負壓對排種性能的影響。試驗結果表明：當排種輥筒轉速為8～12r/min、對應紙帶前進速度為0.08～0.12m/s及氣室負壓為2～2.5kPa時，機器排種性能指標獲得最佳值。

種子帶；編織機；氣吸式排種器；精播；小粒種子

0 引言

對于單株定植的經濟作物，傳統的撒播和條播方式不僅浪費種子，增加種植成本，而且出苗后還需要繁瑣的人工間苗工作，消耗大量的人力和時間。近年來，國內外作物種業發展迅速，農業育種技術不斷突破，從而推動種子品質不斷提升，優質種子的高發芽率為實現作物單粒精密播種創造了條件。但諸如一些中藥材、蔬菜等經濟作物的種子因其籽粒小、質量輕、形狀不規則等特點導致機械化排種困難，尤其是要求單粒精播時很難確保其播種精度和播種穩定性。針對以上矛盾，采用種子帶播種技術進行精播是解決問題的一種有效途徑。種子帶播種技術最初是由日本引入我國，近年來，研究者結合國內作物的種植需求，對該項技術進行了進一步的改進和發展[1-6]。該項技術包括種子帶編織技術和種子帶播種技術兩個部分。前項技術是在室內利用種子帶編織機將種子均勻精確地播放在可降解種子紙帶上，并將包有種子的紙帶繞成種繩后纏繞成輥；后項技術是利用專用裝備將成輥的種繩按照既定的播深和行距鋪放埋設在田間土壤中。

本文主要以胡蘿卜、丹參等小粒種子為研究對象，根據其種植模式和農藝要求，設計開發了專用種子帶編織機，并開展了小粒種子的編織播種試驗，優化了最佳工作參數，對于提高小粒種子經濟作物精密播種質量具有重要的實際工程意義。

1 整機結構及工作原理

種子帶編織機主要由排種裝置、纏繞裝置、繞輥裝置、傳動裝置和控制裝置等組成，如圖1所示。

1.料斗 2.外槽輪排種器 3.輸種管 4.真空排種器 5.種盒 6.種子帶 7.排種電機 8.風機 9.繞輥電機 10.種繩輥 11.種繩 12.纏繞裝置 13.氣壓表圖1 種子帶編織機整機結構圖Fig. 1 Overall structure of the seed tape knitting machine

其中，排種裝置包括料斗、外槽輪排種器、種盒、真空排種器、排種電機及風機等；控制裝置基于PLC系統來控制排種電機、繞輥電機及風機的啟動和轉速等。

種子帶編織機工作過程中，首先將小粒種子倒入料斗內，種子通外槽輪排種器作用經輸種管下落到種盒中為精密真空排種器供種。通過控制裝置調節外槽輪排種器電機轉速，使種子排出速度與真空排種器的排種速度一致，從而保持供、排種平衡。

機器啟動后，排種裝置、纏繞裝置、種繩輥及風機分別在各自驅動電機的作用下開始工作；真空排種器外圈面上的吸種孔在內腔室負壓下將種盒中的種子吸附，隨排種器做圓周運動，當轉動到下方時，靠排種器內部橡膠輪的作用將負壓切斷，種子會在重力作用下掉落。與此同時，紙帶也在種繩輥的牽引下開始運動，在排種器的正下方有一個V型的導向裝置，當紙帶運動到該位置時被折疊成V型，真空排種器排出的種子落在紙帶上，隨著紙帶一起運動；當進入纏繞裝置內，繞線輥上的兩根棉線被絞纏在播有種子的種子帶上以增加其強度，并在兩個交錯旋轉的繞線輥的作用下，棉線與紙帶一起被捻成種繩；加工成型的種繩在繞輥裝置和擺動裝置的作用下均勻地纏繞在種繩輥上，完成整個種子帶編織過程。

根據小粒種子精確播種的農藝要求，查閱相關技術手冊，初步確定本設計中種子帶編織機的主要技術參數如表1所示。

表1 機器的主要技術參數

2 排種器的設計

2.1 排種器結構與工作原理

排種器作為種子帶編織機的核心部件，其結構參數的設計與工作參數的設置直接影響著機器的工作質量[7]。種子帶編織機的排種器采用氣吸式結構，主要由排種輥筒、拉簧、拉桿及橡膠壓輪等組成，如圖2所示。排種輥筒是由兩端對稱的氣室端蓋和帶有吸孔的吸種輥圈包圍而成的空腔輥筒，并繞輥筒轉軸旋轉。在輥筒空心轉軸的一側開口端經軟管與負壓風機相連，工作中，在負壓風機的作用下可確保輥筒腔室處于負壓狀態，從而使排種輥筒外表面吸種孔產生一定壓力的吸力，將種盒中的種子吸起。在排種器內腔正下方有一個橡膠壓輪，與輥筒轉軸相連的拉簧和拉桿組成的彈性連桿機構使橡膠壓輪緊貼腔室內壁并與排種輥筒一起做摩擦滾動；當排種輥筒上的吸種孔轉到底端與壓輪接觸時，該孔的負壓吸力被阻斷，種子靠重力落下完成排種。

1.種盒 2.排種輥筒 3.輥筒轉軸 4.拉簧 5.拉桿 6.橡膠壓輪 7.吸種輥圈圖2 排種器內部結構示意圖Fig.2 Internal Structure Schematic diagram of the seed metering device

2.2 排種器結構尺寸與工作參數的確定

排種器的主要結構尺寸和工作參數包括排種輥筒的直徑、吸種輥圈上的吸種孔徑、吸種孔的數量及排種輥筒轉速等。種子轉到輥筒底端開始排種時的水平速度的大小就等于排種輥筒外邊緣的線速度，為了減小種子與種子帶接觸時的慣性影響，輥筒線速度應與種子帶前進速度v同向切大小相等，從而實現零速投種[8-10]。排種器投種狀態圖如圖3所示。圖3中，種子投種水平速度計算公式為

(1)

式中n—排種輥筒轉速(r/min)；

D—排種輥筒的外徑(mm)；

v—種子投種水平線速度(m/s)。

由于機器正常工作時的生產率為300～500m/h，即種子帶的前進速度為0.08～0.14m/s，輥筒的平均轉速取為n=10r/min，由式(1)計算得D=150～260mm。綜合分析各因素的影響，最終選用排種器的外徑為D=190mm。

吸種輥圈采用厚度為1mm的不銹鋼材料加工而成。輥圈上加工有吸孔，吸孔的直徑主要由種子的尺寸決定，一般取吸孔直徑d=(0.64～0.66)b。其中，b為種子平均寬度，對于胡蘿卜、丹參等小粒種子丸粒化后其平均粒徑為2～2.5mm；同時，考慮吸孔直徑的大小在一定程度上影響排種器對種子吸附力的大小，吸孔直徑越小，排種器的吸附力也會減小[11]。吸孔直徑太大，容易吸附兩個甚至更多粒種子，造成重播。綜合考慮后，選取吸孔為d=1mm。

當排種輥筒實現零速投種后，排種間距只與輥筒直徑和吸種輥圈的吸孔數量有關，其關系為

(2)

式中c—相鄰種子間距(mm)；

N—排種輥圈的吸孔個數。

不同作物具有不同的株距要求，根據株距可由上式確定輥圈吸孔的個數。為了適應不同作物的播種要求，排種器排種輥圈設計為可拆卸更換，針對不同作物更換不同孔徑和不同吸孔個數的輥圈。

1.種子帶 2.種粒 3.排種輥筒圖3 排種器投種狀態圖Fig.3 Process of throwing seed

3 種子帶編織機的試驗與分析

3.1 試驗材料與方法

選取包衣丸粒化后的胡蘿卜種子和丹參種子作為試驗對象。根據小粒種子精密播種的種植模式和種子帶編織的要求，準備了試驗樣機、紙帶盤、紙帶、轉速測試儀等試驗設備。

參考《GBT 6973-2005 單粒(精密)播種機試驗方法》，選取重播率、漏播率和合格率指數作為評價種子帶編織機工作性能好壞的指標，選取排種輥筒轉速、紙帶的前進速度、氣室負壓等作為水平因素，研究各因素對播種效果的影響。

針對種子帶編織機的作業特點，對各性能指標定義如下：

1)合格率。種子帶編織機在工作狀態下，在規定株距編織的種子個數為1粒定義為合格。合格率為

(1)

其中，R為種子帶編織機編織的合格率；A1為10m長種子帶株距為規定要求下的單粒種子的株數；A為10m長種子帶株距為規定要求的所有的種子株數。

2)重播率。種子帶上每株大于等于2粒種子的株數定義為重播。重播率為

(4)

其中，Q為種子編織機排種重復率；A2為10m長種子帶單株出現兩粒及以上種子的株數。

3)漏播率。在規定株距要求位置的種子帶上，沒能編織上種子定義為漏播。漏播率為

(5)

其中，L為種子編織機編織的漏播率；A0為10m長種子帶漏播的株數。

在進行試驗時，首先運用控制變量法，對各因素進行單因素試驗，考察各個因素的變化規律；最后通過正交回歸試驗，得出種子帶編織機最佳工作狀態下的各參數的組合。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1 排種器轉速的影響

分別取排種輥筒的轉速為4、6、8、10、12、14、16、18 r/min等8個水平，為確保零速投種，對應的紙帶的前進速度分別為0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18m/s，排種器的負壓設定為2kPa。通過重復試驗，得到排種輥筒轉速(紙帶前進速度)對試驗指標的影響，結果如圖4所示。

由圖4可知：隨著排種輥筒轉速增加，被編織種子帶的排種合格率逐漸下降，這是因為轉筒速度增加后降低了排種器的吸附穩定性導致合格率下降；但在轉速小于12r/min狀態下，排種合格率能夠保持在95%以上。圖4表明：輥筒轉速的增加對于重播率的影響不大，但對漏播率的影響明顯；尤其是超過12r/min后，漏播率迅速增加，這是引起排種合格率下降的主要因素。

圖4 排種器轉速對試驗指標的影響Fig.4 Effect of the rotating speed of the seed metering device on the test indexes

3.2.2 氣室負壓的影響

排種器氣室負壓也是影響種子帶編織機作業效果的重要因素，設定排種器的轉速為12r/min，種子帶編織機的前進速度設定為0.12m/s。選取排種器的工作負壓分別為1.0、1.5、2.0、 2.5、3.0 kPa等5個水平進行試驗，記錄試驗數據，得出排種器的工作負壓對試驗指標的影響，如圖5所示。

圖5 排種器的工作負壓對試驗指標的影響Fig.5 Effect of negative pressure on the test indexes of seed metering device

圖5顯示：隨著氣室負壓的增加，排種器排種合格率先增加、后降低，在負壓范圍2～2.5kPa間，排種合格率達到峰值，且均高于95%；對于漏播率來時，氣壓較低時，由于吸附力不夠，會導致漏播率升高，但負壓值高于2kPa后，漏播率可穩定在2%以下；重播率會隨著氣室負壓值的增加而增大，這是因為吸附力的增大會增加吸附兩粒或多粒種子的機會。

4 結論與展望

4.1 結論

通過上述因素變化對合格率的影響可得：試驗的3個因素的適宜取值范圍分別為排種器轉速8～12r/min，對應紙帶前進速度的取值范圍0.08～0.12m/s，排種器氣室負壓的取值范圍2～2.5kPa。在該范圍內再進行進一步正交試驗驗證得出：排種器的轉速為11r/min、紙帶前進速度為0.11m/s、工作負壓為2kPa時，編織機排種合格率為96%，漏播率和重播率均控制在3%以下。

4.2 展望

1)在研究的過程中發現，排種器的吸孔間距也是影響機器工作精度的重要因素，研究吸孔的分布規律對種子帶編織機的工作精度的影響可進一步優化機器的設計方案，提高機器工作性能。

2)單粒播種受到種子發芽率的約束，針對發芽率較低的小粒種子或者要求多粒播種的情況，研究實現單株定量種粒精確播種技術是提高種子帶播種裝備適應性的有效途徑。

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Design and Experimental Research on the Seed Tape Knitting Machine

Li Xiu, Wang Jiasheng, Zhao Shuai, Zhang Fengfeng, Duan Yuzhen, Liu Zhibo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

To resolve the poor precision seeding quality of the small plant seeds caused by their lightly weight, small size and irregular shapes, according to the agricultural requirement of these plants, a seed tape knitting machine which used to precision seeding of small plant seeds was designed based on the researches from domestic and overseas. The functions that seed belt feeding automatically, precision seeding on belt, tape knitting to rope and seed rope rolling can be implemented continually by this machine. The structure parameters of the seed metering device were obtained through theoretical analysis.Effects of rotating speed and negative pressure of the seed metering device on the test indexes were studied by the tests. The results show that the performance indexes of the machine achieve the optimum when the speed of seed metering device is 8-12r/min, the speed of seed belt running is 0.08-0.12m/s, and the negative pressure of vacuum room is 2-2.5kPa.

seed tape; knitting machine; vacuum seed meter device; precision seeding; small seeds

2017-01-06

山東省現代農業產業技術體系建設專項(SDAIT-20-05，SDAIT-05-10)

李 秀(1992-),女，山東青島人，碩士研究生，(E-mail) 1145944244@qq.com。

王家勝(1976-)，男，山東沂源人，副教授，碩士生導師，(E-mail )jiasheng0813@163.com。

S233.1

A

1003-188X(2018)02-0174-05