氣吸式胡蘿卜播種機設計與試驗

陳新予，史宇亮，陳明東，王家勝

(1.青島農業大學機電工程學院，山東 青島 266109； 2.青島農業大學園藝學院，山東 青島 266109)

0 引言

我國為胡蘿卜種植大國，種植面積及產量均為世界首位，但精密播種機械化水平較低。其中，山東省為胡蘿卜的主要種植區域，種植模式多采用小壟雙行或大壟四行的壟作模式，其種植密度大、產量高等特點被廣大農戶認可，機械化播種水平要求較高。由于當前胡蘿卜播種時整地、起壟和播種環節等分開進行，不利于耕地保墑及種子發芽。而胡蘿卜種子包衣技術，解決了胡蘿卜小籽粒形狀不規則、流動性差等問題，從而為機械化播種提供了重要基礎[1]。

發達國家的播種技術及機械化水平較高，精密播種機多采用氣吸式排種器，通過更換排種器可實現多種小籽粒蔬菜的精量播種，能一次完成多種作業，但配套動力較大、價格高，不適應中國的胡蘿卜壟作模式[2]。

在國外技術的基礎上，國內各大高校及公司研發了數種胡蘿卜精量播種機，適用于不同的工作環境。王家勝等[3]研制了胡蘿卜種繩播種機，主要完成胡蘿卜種繩的鋪放，播種精度由種繩編制精度決定，且播種后還需澆灌溶繩，另需配套滴灌設備鋪設。袁鵬飛[4]等研制的2HBJ-4型胡蘿卜精量播種機，可一次完成起壟、施肥、播種及覆土等作業環節，但單個排種器僅能播種單行胡蘿卜，且整機尺寸較大，成本較高，推廣應用困難。韓宏宇等[5]研制的氣力式蔬菜一體式播種機，將起壟與播種作業融合，一次完成起壟、播種和覆土等作業工序，從而減少機具與土壤之間多次作用產生的能耗。

本文針對山東胡蘿卜產區一壟雙行的種植模式，設計了一種氣吸式胡蘿卜播種機[6-8]。

1 整機結構及工作原理

壟作種植模式便于灌溉、施肥等作業進行，可顯著提高胡蘿卜生產質量，且便于機械化種植或收獲。本文所設計胡蘿卜播種機的種植模式為一壟雙行，具體參數如表1所示。

表1 胡蘿卜種植模式Tab.1 Planting models of carrot 單位：mm

播種機由牽引機架、開溝播種裝置、排種器、鎮壓輪和覆土盤等部件組成，具體結構如圖1所示。

1.種箱 2.輸種管 3.鎮壓輥 4.覆土盤 5.排種器 6.排種開溝器 7.行走犁 8.機架 9.牽引架圖1 胡蘿卜播種機結構Fig.1 Structure of carrot planter

田間工作時，由拖拉機牽引機具前進，后輸出軸帶動鼓風機轉動，為氣吸式排種器提供正、負氣壓。2個播種機單體與種箱連接，每個單體可播兩行，通過連桿機構掛接在機架上，保證播種深度不受機體振動或偏移影響。通過與土壤摩擦滾動，從而帶動排種器中的排種盤轉動，將種子帶動至輸種管，最終落入種穴中，由覆土盤完成覆土，鎮壓輥完成鎮壓后，完成播種。氣吸式排種器通過改變殼體內壓力進行吸種及投種，負壓區吸種，零壓區投種。胡蘿卜氣吸式播種機具體技術參數如表2所示。

表2 胡蘿卜播種機參數Tab.2 Parameters of carrot planter

2 排種器設計

氣吸式胡蘿卜播種機的排種器通過風機實現負壓吸種、零壓投種和正壓吹雜，實現胡蘿卜種子的單粒或雙粒播種[9]。

2.1 排種器結構設計

氣吸式胡蘿卜排種器主要由左右殼體、氣吸盤、排種盤、導種器、種箱和刮種器等部件構成，負壓氣室在左殼體上，種箱與右殼體為一體式結構。排種器工作過程由吸種、清種、攜種、投種和吹雜5個部分組成。排種器結構如圖2所示。

圖2 排種器結構Fig.2 Structure of seeding unit

2.2 正負壓系統

氣吸式排種器利用風機高速旋轉時產生的負壓吸附種子，風機轉速控制在5 000 r/min。過低的風機轉速會使排種器真空室的真空度變小，從而吸力過小導致排種器產生漏播。種子在吸附孔受到的吸力為

(1)

式中S——吸種口面積，cm2

P——真空室壓強，kg/cm2

β——安全系數，≥2.5

排種器吸種口半徑0.05 cm，即面積S=1.962 5×10-3cm2。經測試，風機轉速5 000 r/min時，內部壓力為0.13 kg/cm2，安全系數β=3，吸力F1=0.87×10-4N，胡蘿卜種子千粒質量<5 g，每粒種子質量m≈5×10-6kg，種子所受重力G=m×F1=5×10-5N，種子與排種盤表面的摩擦系數μ=0.8，則對種子的受力分析如圖3所示[10]。

圖3 胡蘿卜種子受力分析Fig.3 Stress analysis of carrot seeds

種子在水平方向上受到的靜摩擦力F=1×10-4N，F>G，即吸力可以使胡蘿卜種子吸附在排種孔上。

3 樣機性能及試驗分析

3.1 試驗條件及方法

試驗地點選在青島市萊西市店埠鎮前后屯的青島農業大學胡蘿卜生產合作社。試驗場地長50 m，土壤性質為沙壤土，含水率13.3%，室外空氣溫度29 ℃。播種試驗地塊已提前進行旋耕碎土整地及起壟，壟高200 mm，壟距750 mm，壟頂寬400 mm，種植模式為壟上開溝播種，行距120 mm，一次播種4行。

播種時，每個排種器放置100 g胡蘿卜種子，拖拉機選用東方紅504e，擋位為3擋，理論上每次播種量20 g。每次試驗長度50 m，連續播種3次，用秒表記錄播種時間，并用式(2)計算生產率。

(2)

播種試驗完成后，抽樣20個點，測量播種深度并記錄，由式(3)計算播深合格率。

(3)

檢查或測量損傷種子數、漏播數、重播數、播種深度和相鄰穴距，按照GB/T 6973—2005和NY/T 1143—2006標準進行計算，將3次試驗取平均值。

3.2 試驗結果

在每次播種試驗過后，抽取20個點，測量播種深度和穴距。播種深度試驗結果如圖4所示，3次試驗共記錄60個試驗數據。其中最小播種深度1.4 cm，最大播種深度2.1 cm。按試驗要求，共59個點在要求范圍內。試驗1平均播深1.7 cm，試驗2平均播深1.65 cm，試驗3平均播深1.6 cm。

圖4 播種深度試驗結果Fig.4 Results of seeding depth experiment

播種穴距試驗結果如圖5所示，3次試驗共記錄60個試驗數據，均在要求范圍之內。其中最小播種穴距7 cm，最大播種穴距12 cm。

圖5 穴距試驗結果Fig.5 Results of hole spacing

具體檢驗結果如表3所示。樣機的田間試驗表明，機器播種作業順暢，能夠較好完成開溝、播種和覆土等過程，播種合格率滿足農藝及種植要求。其中，種子損傷率控制較好，重播率及漏播率控制的較低。各項指標均符合GB/T 6973—2005及NY/T 1143—2006的要求。

表3 試驗結果Tab.3 Test results

4 結論

結合山東胡蘿卜產區的種植模式及農藝要求，研制出了一種氣吸式胡蘿卜播種機，一次實現開溝、播種和覆土等功能，通過多次田間試驗，驗證了本機的可靠性，大大減少人力資源的應用，降低了種植戶的成本，確保了農民的增產增收，為胡蘿卜播種機械化奠定了基礎。