雙系統(tǒng)中小粒林木種子精量播種機的設(shè)計

李芝茹，苗振坤*，魏明，吳立國，畢宏偉，李艷娜，何山，南方

(1.國家林業(yè)和草原局 哈爾濱林業(yè)機械研究所,哈爾濱 150086；2.黑龍江省七臺河市勃利縣林業(yè)和草原局,黑龍江 七臺河 154500)

0 引言

近年來，工廠化育苗技術(shù)迅速發(fā)展，推動了苗木培育產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級，加快了農(nóng)林行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)代化進程[1-2]。據(jù)第九次全國森林資源清查結(jié)果顯示：我國的人工林面積為8 003.1萬hm2，人工林規(guī)模居世界首位[3]。在保證木材生產(chǎn)和充分發(fā)揮森林生態(tài)功能的建設(shè)目標下，我國在發(fā)展各類人工林方面成績斐然，這些與林木工廠化育苗的技術(shù)支撐密切相關(guān)。精量穴盤播種作為林木工廠化容器育苗技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已逐步代替了傳統(tǒng)的手工播種，通過負壓吸種、正壓投種的氣吸式精量播種機，更適宜播種形狀不規(guī)則、球度低的種子；趙清來等[4]對油莎豆精量播種機的排種機構(gòu)進行了研究和設(shè)計，采用氣吸式排種配合圓形排種盤進行播種試驗，漏播率小于等于4.2 %。盧宇等[5]著重分析勺輪鴨嘴式精量排種器等關(guān)鍵部件，設(shè)計了“雙U”形棉花精量播種機，播種空穴率1.6 %。李曉冉等[6]研發(fā)了適用于溫室大棚等狹窄空間的蔬菜精量播種機，同樣采用的是負壓吸種、正壓排種的方式進行播種，漏播率小于等于5 %。其他針對蔬菜[7]、煙草[8]、藥材[9]等不同播種對象的精量播種研究都取得了一定的成果。

不同于蔬菜、糧食育苗，林木工廠化容器育苗具有出苗慢、育苗周期長的特點，林木種子采種困難、大多種殼脆硬、形狀不規(guī)則和球度低[10-12]，傳統(tǒng)的供種方式較難保證播種合格率，如何建立更完善的吸附取種系統(tǒng)以保證播種精度、節(jié)約良種，有針對性地選擇適宜的育苗穴盤以降低育苗成本亟待研究[13-14]。目前對中小粒林木種子精量播種的試驗數(shù)據(jù)較為缺乏，本研究設(shè)計了一款適用于常規(guī)硬質(zhì)育苗穴盤和紙質(zhì)折疊蜂窩穴盤的精量播種機，采用氣吹-振動組合式供種解決了振動不連續(xù)的問題，提高了取種吸附成功率并有效降低重播率及空穴率，增設(shè)種子自動填裝裝置以實現(xiàn)自動、及時、精準地向供種系統(tǒng)填裝種子[15]。該設(shè)備功能完善、適用性強，能有效節(jié)約良種、提高育苗經(jīng)濟效益，為中小粒林木容器育苗技術(shù)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機結(jié)構(gòu)及參數(shù)

應(yīng)用SolidWorks軟件設(shè)計建模，避免機構(gòu)運行干涉并進行相關(guān)驗算，設(shè)計林木中小粒種子精量穴盤播種機如圖1所示。主要由氣動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、穴盤、播種機構(gòu)、供種機構(gòu)、壓穴機構(gòu)和穴盤輸送機構(gòu)等組成。其特點是供種機構(gòu)采用氣吹-振動組合式供種方式，供種機構(gòu)內(nèi)的種子在氣吹、振動雙重作用下，種子間相互分離，達到準流體狀態(tài)，減小取種阻力，提高取種精度。為提高設(shè)備通用性，設(shè)計使其既可匹配常規(guī)硬質(zhì)穴盤，又可匹配折疊蜂窩穴盤。

1.氣動系統(tǒng) pneumatic system 2.電控系統(tǒng) electronic control system 3.穴盤 tray 4.播種機構(gòu) sowing device 5.供種機構(gòu) seed provide device 6.壓穴機構(gòu) punching device 7.穴盤輸送機構(gòu) trays conveying device

該播種機在保證功能和性能前提下，結(jié)構(gòu)緊湊，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 播種機主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of the seeder

1.2 工作原理

工作時，供種裝置內(nèi)種子在氣吹-振動組合式供種裝置作用下，達到“沸騰”的運動狀態(tài)，將裝有育苗基質(zhì)的育苗穴盤置于穴盤輸送機構(gòu)上，當穴盤到達指定位置后，觸發(fā)光電傳感器，然后壓穴機構(gòu)開始對基質(zhì)進行逐行壓穴，此時取種機構(gòu)進行負壓取種，通過改變?nèi)》N機構(gòu)內(nèi)部氣壓，完成正壓投種，之后進入下一個播種周期。

2 種群空間形態(tài)模型的建立與關(guān)鍵部件設(shè)計

對樟子松種子進行精量播種時，種子經(jīng)外力作用達到準流體狀態(tài)，其中種子與種子之間、種子與供種機構(gòu)之間都存在力的作用，這些力的作用影響吸種成功率。由于流場中氣流的方向、速率等機械作用與種子的極限載荷、彈性模量等力學特性顯著相關(guān)[16]，因振動造成的吸種孔附近流場改變對吸種過程有直接影響[17]。因此以樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)為例，探究其靜力學特性和空氣動力學特性，建立種群空間形態(tài)模型，據(jù)此進行播種機關(guān)鍵部件的設(shè)計。

2.1 種子靜力學特性分析

本研究用樟子松種子純凈度為98.1 %，千粒質(zhì)量7.12～7.37 g，含水率11.76 %，密度0.72 g/m3，其幾何特征如圖2所示，隨機抽取100粒種子測量結(jié)果表明其長(l)、寬(t)、厚(d)三軸尺寸均服從正態(tài)分布，如圖3所示。

圖2 樟子松種子三維坐標與幾何特征Fig.2 The three-dimensional coordinate system for the seeds of Pinus sylvestris var. mongholica

圖3 種子的三軸尺寸分布Fig.3 Triaxial dimension size distribution of seeds

分別將種子平放、側(cè)放、立放，在這3種典型擠壓方式下，應(yīng)用微機電子萬能試驗機(最大試驗力100 N，力分辨率0.1 N，位移分辨率0.01 mm)對其進行壓縮試驗并得出數(shù)據(jù)見表2。

應(yīng)用壓痕法[18]研究種子的靜力學特性，再根據(jù)Kick定律相關(guān)公式及反相分析運算法則得到樟子松種子的相關(guān)力學特性值，見表3[19-20]。

表2 樟子松種子壓縮試驗數(shù)據(jù)Tab.2 The compression test data of Pinus sylvestris var. mongholica seeds

表3 樟子松種子力學特性Tab.3 The mechanical characteristics of Pinus sylvestris var. mongholica seeds

2.2 建立種群空間形態(tài)模型

根據(jù)相應(yīng)公式[21]，計算得出樟子松種子的懸浮速度范圍是5.3～6.5 m/s，。由此運用EDEM軟件(最專業(yè)的顆粒系統(tǒng)仿真軟件)，建立振動時樟子松種子的種群空間形態(tài)模型。EDEM軟件是世界上第一個用現(xiàn)代化離散元模型科技設(shè)計的用來模擬和分析顆粒處理和生產(chǎn)操作的通用CAE軟件，通過模擬散狀物料加工處理過程中顆粒體系的行為特征，協(xié)助設(shè)計人員對各類散料處理設(shè)備進行設(shè)計、測試和優(yōu)化。

2.2.1 顆粒接觸模型

在EDEM中，常用的顆粒接觸模型主要有無滑動接觸模型、黏附接觸模型、運動表層接觸模型、線彈性接觸模型及線型黏附接觸模型等[22-24]。本設(shè)計選取EDEM中常規(guī)的Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，研究精量播種過程中，樟子松種子與種子之間及種子與供種機構(gòu)之間的接觸情況。

2.2.2 建立顆粒模型和振動狀態(tài)下空間形態(tài)模型

根據(jù)樟子松種子三軸尺寸可將其簡化為橢球體，應(yīng)用EDEM建立樟子松種子顆粒模型，如圖4所示，模擬種盤在Z軸方向上做小振幅高頻率簡諧振動，種盤激振使種子群“沸騰”起來，其空間形態(tài)模型如圖5所示，通過不斷嘗試不同振幅和頻率組合，動態(tài)觀察和探究不同振動參數(shù)下種子的運動狀態(tài)，最終確定當頻率為20 Hz、振幅為5 mm時，樟子松種子的種群空間分布最為均勻，此時進行吸種的吸取效果最佳。

圖4 樟子松種子模型Fig.4 Model of Pinus sylvestris var. mongholica seeds

圖5 振動狀態(tài)下種子空間形態(tài)Fig.5 Spatial morphology of seed in vibration condition

2.3 供種機構(gòu)的設(shè)計

2.3.1 氣吹供種試驗

通過對種子種群空間形態(tài)模型的建立和分析，為保證對振動狀態(tài)下種子的有效吸附，基于氣吹供種原理，設(shè)計時改變傳統(tǒng)的大容積氣室，用隔板將矩形氣室分隔成一定數(shù)量等容積的獨立小氣室，如圖6所示。在氣吹供種試驗時，發(fā)現(xiàn)自然堆落的種子在氣流的作用下，會在一定范圍內(nèi)跳動。種子層數(shù)為一層時，種群的空間形態(tài)分布均勻能夠滿足吸附取種需求。當增加種子層數(shù)后，為保證有效吸附需增大供種氣流流速，種子間的碰撞次數(shù)會明顯增加，種子的運動范圍增大，空間分布過于疏散，不利于吸附取種。雖然氣吹供種能夠使種子相互分離，但是隨著種子的逐漸減少，所需供種氣流流速會逐漸降低，若不及時調(diào)整氣流流速，將難以實現(xiàn)取種系統(tǒng)有效取種，因此需設(shè)計氣吹基礎(chǔ)上的種子流化裝置。

圖6 播種機供種氣室Fig 6 The air chamber for seed supply of precision seeder

2.3.2 供種機構(gòu)的設(shè)計

振動供種方式對種子的形狀有一定的要求，且振動力不連續(xù)難以保證取種精度。針對氣吹供種量與供種氣流流速無法精準匹配的問題，設(shè)計了氣吹-振動組合式中小粒林木種子流化裝置，如圖7所示，以滿足對非丸粒化(球度低)且尺寸小、外形不規(guī)整、流動性差種子的播種需求，保證排種器在取種瞬間，種子處于相對穩(wěn)定的空間位置。該設(shè)計基于氣吹供種基礎(chǔ)，采用振動種盤的方法使種子近似處于一種理想的“沸騰”狀態(tài)，再通過供種裝置的氣流作用，使種子顆粒群有效分離。以自然堆疊10層為例，沸騰狀態(tài)種子受氣流作用與自身重力平衡，根據(jù)種子懸浮速度范圍5.3～6.5 m/s，結(jié)合千粒質(zhì)量7.12～7.37 g，流化裝置圓形氣孔直徑1 mm，通過換算可知將種子懸浮所需氣壓約為0.24 kPa，這樣在吸附取種過程中，因為氣流的連續(xù)作用，使種子能相對穩(wěn)定地處于有效吸種位置以保證吸附取種時間，以提高吸附成功率。

圖7 氣吹-振動組合式種子流化裝置簡圖Fig.7 Simple diagram of blowing-vibration combined seed fluidizing device

該氣吹-振動組合式供種流化裝置實物圖如圖8所示，工作原理為：Y形五通氣動快速接頭進氣口進入的氣源通過導流板的導流作用，氣體從導流孔流出且流速有一定的差異，此時氣流會推動導流風扇旋轉(zhuǎn)，氣流不斷地從導流口流出再加上導流風扇的旋轉(zhuǎn)作用，進而保證出氣板上每個出氣孔的氣流流速無明顯差異，通過調(diào)節(jié)Y形五通氣動快速接頭進氣口氣流流速，可實現(xiàn)對出氣板中出氣孔的氣流流速的控制；通過調(diào)節(jié)直立氣動快速接頭進氣口氣流流速，可實現(xiàn)對氣動振動器激振參數(shù)的控制。通過調(diào)節(jié)2處進氣口氣流流速來達到種子流化的目的。

圖8 氣吹-振動組合式供種裝置Fig.8 The blowing-vibration combined seed fluidizing device

2.4 取投種裝置的設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，為實現(xiàn)對硬質(zhì)育苗穴盤和軟質(zhì)可折疊蜂窩的播種需求，有針對性地設(shè)計投種裝置，如圖9所示。通過氣動換向閥轉(zhuǎn)換取投種系統(tǒng)所需的正負壓，其中吸種負壓由真空發(fā)生器提供，如圖10所示，其原理是真空發(fā)生器噴射的壓縮空氣產(chǎn)生的卷吸流動使吸附腔氣壓低于標準大氣壓，由此完成對種子的吸取；投種正壓由空氣壓縮機提供，將吸取的種子投放入對應(yīng)的管道里完成播種，并增設(shè)調(diào)壓閥對正負氣壓值進行調(diào)節(jié)以適應(yīng)對不同種子的吸取和投放。

(a)

圖10 真空發(fā)生器Fig.10 Vacuum generator

2.5 吸種針的選取

為提高播種機通用性，本設(shè)計采用成本低、易更換的點膠針頭完成對樟子松種子的吸取和投放，如圖11所示，針對不同吸種孔直徑(D)、吸種負壓值(P)進行2因素3水平全因子取種試驗[25]，其中吸種孔直徑(D)分別取D1：0.5 mm、D2：0.7 mm、D3：0.9 mm，吸種負壓值(P)分別取P1：6.7 kPa、P2：7.7 kPa、P3：8.7 kPa，共32即9個試驗參數(shù)組合，每個參數(shù)組合重復(fù)試驗3次考察取種成功率。通過反復(fù)試驗得出：當吸種孔直徑為0.9 mm、吸種負壓值為6.7 kPa時，對樟子松種子的取種成功率最大。因此確定該精量播種的吸種負壓6.7 kPa，投種正壓0.5 kPa，配合吸種嘴孔徑0.9 mm。本試驗選擇KUHNAST型18 G點膠卡口針頭，內(nèi)徑0.9 mm，外徑1.2 mm，管長13 mm，可通過選擇不同規(guī)格點膠針頭以適應(yīng)不同尺寸林木種子。

圖11 吸種點膠針頭Fig.11 Dispensing needles for seeds suck

2.6 種子自動裝填裝置

在供種裝置上方設(shè)計種子自動填裝裝置，如圖12所示，以保證供種裝置內(nèi)的種子數(shù)量維持在固定的范圍。其中，種子自動裝填裝置包括種箱、投種口、出種口、出種口大小調(diào)節(jié)板、導流板和直線振動器等，該振動式種子自動裝填裝置通過控制器控制直線振動器的振動參數(shù)，能夠控制種子的填裝速度，進而實現(xiàn)自動、及時、精準地向供種系統(tǒng)填裝種子；能夠有效降低在固定氣流流速下的重播率及漏播率，使供種系統(tǒng)內(nèi)種子群保持性相穩(wěn)定的“沸騰”狀態(tài)。

圖12 種子自動裝填裝置Fig.12 The automatic filling device of seeds

3 精量播種設(shè)備總成與試驗

3.1 精量播種設(shè)備總成

為提高設(shè)備通用性，提高育苗經(jīng)濟效益，設(shè)計該精量播種機，如圖13所示，可適用于規(guī)格符合樟子松容器育苗技術(shù)規(guī)程[26]的常規(guī)育苗穴盤(540 mm×300 mm×70 mm)和紙質(zhì)蜂窩穴盤(540 mm×440 mm×85 mm)，如圖14所示，通過人工切換控制系統(tǒng)和更換取投種裝置、壓穴機構(gòu)來實現(xiàn)穴盤轉(zhuǎn)換，如圖15所示。

圖13 雙系統(tǒng)精量穴盤播種機Fig.13 Dual system precision tray seeder

(a)硬質(zhì)育苗穴盤(32穴)

(b)紙質(zhì)蜂窩育苗穴盤(88穴)

圖15 精量穴盤播種機控制系統(tǒng)Fig.15 Control system of precision tray seeder

3.2 樟子松精量播種試驗

3.2.1 試驗?zāi)康募安牧?/p>

為驗證本設(shè)計中的精量穴盤播種機穴播速度、空穴率和苗盤匹配性等情況，選用大興安嶺加格達奇地區(qū)樟子松種子進行播種試驗。試驗用基質(zhì)為泥炭、蛭石、珍珠巖按3∶1∶1的比例配制而成，播種穴盤選用32穴常規(guī)聚乙烯穴盤和88穴紙質(zhì)蜂窩穴盤，如圖15所示。空氣壓縮機為科麥斯KOMAX120L型；依據(jù)《單粒(精密)播種機試驗方法》[27]要求對樣機進行播種試驗，試驗分常規(guī)穴盤組和紙質(zhì)穴盤組分別進行，每組試驗累計播種3 h。

3.2.2 試驗步驟

首先將備好的苗盤置于播種機輸送帶，取適量(種子自然堆疊10層以上)種子倒入填裝裝置，檢查穴盤放置情況，將播種機通電，空氣壓縮機給壓，按下啟動按鈕進行播種試驗，播種過程中需人工補充穴盤。調(diào)整穴盤輸送機構(gòu)運行速度，找出適合樟子松種子精量播種的最優(yōu)技術(shù)參數(shù)。

3.2.3 試驗結(jié)果與分析

通過播種試驗可知，除了吸種孔經(jīng)、吸種正、負壓外，供種機構(gòu)的振動參數(shù)、苗盤輸送機構(gòu)的運行速度與播種成功率密切相關(guān)，運行速度過慢有悖于精準、高效播種的設(shè)計初衷，運行速度過快則取投種正負壓轉(zhuǎn)換過于頻繁，吸種孔吸附不穩(wěn)定，易出現(xiàn)無效投種造成空穴率升高。經(jīng)過反復(fù)試驗，當種盤振動頻率為20 Hz，振幅為5 mm，穴盤輸送速度為0.045 m/s時，其空穴率最低，為1.74 %，重播率0.26 %，播種合格率98 %，穴播速度可達到300盤/h。可通過更換吸種嘴實現(xiàn)對其他種子的精量播種。試驗中由于穴盤擺放不及時、穴盤刮到播種機邊緣導致傳感器拾取不到信號、壓縮機氣壓供應(yīng)不足等原因，試驗中止次數(shù)較多。如何在保證播種精基礎(chǔ)上，提高播種機適用性、延長設(shè)備連續(xù)作業(yè)時間，仍需進一步深入研究和探索。

4 結(jié)束語

文章以樟子松種子為例，應(yīng)用壓痕法、反相分析運算法則、EDEM中的Hertz-Mindlin模型等方法，探究其空氣動力學特性、建立種子的種群空間形態(tài)模型和顆粒接觸模型，據(jù)此應(yīng)用SolidWorks進行播種機關(guān)鍵部件的設(shè)計。設(shè)計的精量播種設(shè)備適用于種殼脆硬、形狀不規(guī)則、球度低的林木中小粒種子。供種系統(tǒng)采用氣吹-振動組合式種子流化裝置供種，提高了吸種精度，經(jīng)試驗穴播速度可達到300盤/h，空穴率1.74 %，重播率0.26 %，播種合格率98 %。通用性強，可匹配常規(guī)穴盤和紙質(zhì)蜂窩穴盤，能有效節(jié)約良種、提高育苗經(jīng)濟效益，為中小粒林木容器育苗技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和數(shù)據(jù)參考。但目前設(shè)備的連續(xù)作業(yè)時間不長，如何在保證播種精基礎(chǔ)上，進一步提高播種機適用性、延長整機連續(xù)作業(yè)時間，提高與大型機械化基質(zhì)裝填、覆土、噴淋等作業(yè)的匹配度，仍需進一步深入研究和探索。