基于气力式精量排种器的谷子吸种与排种试验

王磊，廖宜涛，韦跃培，廖庆喜

(华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070)

谷子的播种方式分条播和穴播。条播分畜力条播和机械条播。条播用种量大，排种不均匀，出苗后间苗工作量大，劳动强度大，成苗率低，不利于谷子高产。穴播可实现谷子播种相对成穴，减少间苗工作量，但目前谷子穴播播种技术装备落后，适应性与操作性差，难以满足谷子播种成穴的农艺要求。

针对目前谷子播种机械化程度低、劳动强度大、出苗后间苗用工量大的生产实际[1–2]，笔者采用2BFQ–6型油菜精量联合直播机的核心部件——气力式精量排种器[3–7]，开展谷子种子的吸种、排种、发芽试验，研究了型孔结构、负压、转速对排种器吸种和排种性能的影响。通过谷子发芽试验，验证气力式精量排种器对谷子精少量排种并适度重播的可行性。

1 排种器结构及工作原理

气力式精量排种器是2BFQ–6型油菜精量联合直播机实现小粒径种子播种的核心部件[8–9]，结构如图1所示。排种器实现有效工作的负压为200 ～2 400 Pa，正压为50～800 Pa，排种盘转速为10 ～30 r/min。排种器的工作分为充种、吸种、携种、投种4个过程。工作时，链轮带动排种盘顺时针旋转，种箱中的种子在负压区被吸附到排种盘型孔上，并随排种盘一起转动，转至马蹄形正压区后，种子在正压吹送力和重力共同作用下从型孔上脱落，完成排种过程。

图1 排种器结构 Fig.1 Structure of the metering device

2 材料与方法

2.1 材 料

试验用谷子品种为晋谷21。种子为阔卵形，千粒重4.184g，采用堆积法[10–11]，测得种子自然休止角为30.12°。测量100粒种子的长、宽、高尺寸，得出种子长、宽、高的概率密度曲线，如图2所示。

图2 谷子种子尺寸的概率密度曲线 Fig.2 Probability density curve of seeds’ size

由图2可知，谷子种子的长度值最大，高度值最小。利用Matlab软件对谷子3轴尺寸进行分析，种子的长、宽、高均服从正态分布，长度均值为2.11 mm，宽度均值为1.85 mm，高度均值为1.38 mm。根据谷子种子长、宽、高的尺寸分布，得种子的球度为75%～95%，种子球度概率直方图如图3所示。

图3 谷子种子球度概率直方图 Fig.3 Probability histogram of seeds’ sphericity

基于谷子种子球度较大，球形种子型孔直径的选定，可根据公式[12]dx=(0.64～0.66)b来确定(b为种子平均宽度，mm)。

晋谷21种子平均宽度为1.56～2.11 mm，经计算孔径为0.99～1.39 mm。为实现谷子精少量播种与适度重播，排种盘型孔直径选择1.2 mm。

2.2 试验装置与试验设计

试验装置(图4)包括：JPS–12型排种器性能检测试验台， HG–260和HG–500型漩涡风泵，U型管测压计、气力式精量排种器。

图4 试验装置 Fig.4 Experimental device

2.2.1 吸种性能试验

选用排种盘型孔数为40个，设定转速为20 r/min，正压为200 Pa，负压为200～2 400 Pa，每间隔200 Pa为1个水平，共12个水平，用相机拍摄型孔在负压区吸附谷子种子粒数的照片，每个试验水平重复拍摄20组。评价指标包括单粒率、重吸率、漏吸率、总粒数和吸种稳定性变异系数。单粒率是指型孔吸附单粒种子的概率；重吸率是指型孔吸附多粒种子的概率；漏吸率是指型孔未吸附种子的概率；总粒数是指排种盘转20转的型孔吸附的种子粒数；吸种稳定性变异系数是指型孔不同负压区压力值下拍摄的20组照片排种盘吸种粒数的变异系数。

吸种试验采用的排种盘型孔分为直圆柱孔和锥圆柱孔，其中直孔1与直孔2孔径均为1.2 mm，直孔1的排种盘厚度为1.2 mm，直孔2的排种盘厚度为1.8 mm；锥孔1与锥孔2孔径均为1.2 mm、锥度30°，锥孔1的排种盘厚度为1.2 mm，锥孔2的排种盘厚度为1.8 mm。

2.2.2 排种性能试验

根据吸种性能试验结果，选用锥孔2作为排种性能试验型孔。设定正压为200 Pa，负压范围为200～2 400 Pa，每间隔200 Pa为1个水平，转速范围为16～36 r/min，每间隔4 r/min为1个水平，每个试验水平重复3组。根据谷子播种农艺要求，调节JPS–12型排种器性能检测试验台种床带的前进速度，保证谷子种子排种的理论株距为60 mm。为获得落到种床带上相邻种子之间的准确距离，试验中未采用检测试验台自动检测种子的合格指数、重吸指数及漏播指数，而是采用卷尺测量种床带上6 m范围内种子的坐标值。

2.2.3 发芽试验

经排种器负压吸附后排出和未经过排种器排出的2组种子，每组取300粒，每100粒放入1个培养皿上进行发芽试验[13]，分别于3 d和6 d后观察记载种子发芽状况。

3 结果与分析

3.1 型孔结构和负压对吸种性能的影响

负压在200～2 400 Pa变化时，直孔1、直孔2、锥孔1、锥孔2对吸种性能的影响如图5所示。

图5 不同型孔和负压下的吸种性能 Fig.5 Seed sucking performance with different types of holes and negative pressures

随着负压区压力值的增大，4种不同结构型孔 的重吸率均呈上升趋势，这是由于谷子种子形状不规则，被型孔吸附形态不同引起的。一定量的种子重吸，可满足谷子种子播种相对成穴的农艺要求。

随着负压区压力值的增大，直孔1和锥孔1的单粒率先上升后下降，直孔2的单粒率先上升后波动下降，锥孔2的单粒率不断下降。

负压在200～2 400 Pa变化时，4种不同结构型孔的重吸总粒数如图6所示。

图6 不同结构型孔的排种盘吸种总粒数 Fig.6 Sucking seeds quantity of planter plate under different structural type holes

负压区压力值在200～2 400 Pa变化时，假设排种盘每个型孔均吸取单粒种子，每个水平拍摄20组照片的条件下，排种盘理论吸种总粒数为460粒。由图6可知，直孔1、直孔2、锥孔1在负压区压力值较小时，实际排种盘吸种总粒数小于理论吸种总粒数，存在漏吸现象。基于排种盘的单粒率、重吸率、漏吸率之和为100%，结合图5可知，负压区压力值为200 Pa时，4种型孔均存在漏吸现象；负压区压力值在400～2 400 Pa时，锥孔2无漏吸现象，直孔1、直孔2、锥孔1均存在漏吸现象，锥孔2无漏吸的负压区压力范围最大。

根据农艺要求，需从精少量播种和适度重播两方面对型孔的吸种性能进行评价。由图6可知，负压区压力值在合适的范围时，4种结构的型孔均可实现适度重吸，但锥孔2实现重吸的负压区压力范围最大，且存在漏吸的负压区压力范围最小，漏吸率最低。

不同负压区压力值下，直孔1的平均吸种稳定性变异系数为13.93%，直孔2的为14.77%，锥孔1的为12.33%，锥孔2的为9.11%。锥孔2的平均吸种稳定性变异系数最小，吸种稳定性最好，当负压区压力值为1 800 Pa时，锥孔2的吸种稳定性变异系数小于5.47%。锥孔2为吸种效果最优的型孔。

3.2 负压和转速对排种性能的影响

以NY/T 987—2006，铺膜穴播机作业质量[14]为依据，假定测得种子的理论株距均为60 mm，则6 m范围内，以原点坐标开始，共有101穴谷子种子，种子穴的编号为1，2，3，4，…，101，种子的理论坐标值为0，60，120，180，240，…，60(N–1)，其中N为种子穴的编号。以合格穴数，重穴数，空穴数作为排种性能评价指标。将落入60(N–1)±24 mm范围内的种子作为1穴，所有落入该范围穴的总数为合格穴数，将101穴中60(N–1)±24 mm范围内未有种子落入的穴的总数作为空穴数，将落入[60(N–1)+ 24]～[60(N–1)+36]的种子作为1个重穴，所有落入该范围穴的总数为重穴数。转速、负压区压力值对合格穴数和重穴数影响曲面如图7所示。

图7 负压与转速组合下的排种器性能 Fig.7 Performance of metering device under different combinations of negative pressure and rotating speed

在负压区压力值不变的条件下，随着排种盘转速的增加，排种器的合格穴数先上升后下降，重穴数在6～38个变化；随着转速的增加，当负压区压力值为2 200 Pa时，排种器的平均合格穴数最大，为89.4个，当负压区压力值为200 Pa时，排种器的平均重穴数最小，为12.7个。负压区压力值在200～2 400 Pa变化时，转速对排种器的影响明显。

在转速不变的条件下，随着负压区压力值的增大，排种器的合格穴数先上升后下降，重穴数总体不断上升；随着负压区压力值的增大，当转速为20 r/min时，排种器的平均合格穴数最大，为85.5个，当转速为36 r/min时，排种器的平均重穴数最小，为19.2个。转速在16～36 r/min时，负压区压力值对排种器的合格穴数和重穴数影响明显。

根据谷子种植中相对成穴的农艺要求，当转速为24 r/min，负压区压力值为2 200 Pa时，种子合格穴数可达95.7个，重穴数为11个，排种器各排种性能较优。

当转速为24 r/min，负压区压力值为2 200 Pa时，3次重复种床带上6 m范围内平均种子粒数为199粒，种子粒数变异系数为6.98%。统计谷子种子每穴种子粒数的频率分布直方图，如图8所示。

图8 每穴种子粒数的频率分布直方图 Fig.8 Frequency distribution histogram of seed quantity in each hole

谷子种子每穴种子粒数在1～6粒，其中每穴1粒种子的合格穴数最多，占总合格穴数的44.3%。由谷子种子每穴粒数的分布情况可得出，通过气力式精量排种器进行谷子排种试验，每穴种子粒数均在合适的范围内，既可保证谷子种子的簇生型和群体生长能力，又可免去出苗后的间苗工作，可实现种子的相对成穴和适度重播。

转速为24 r/min，负压区压力值为2 200 Pa时，根据每穴种子粒数情况，统计每穴粒数超过1粒的穴内种子粒距如表1所示。

表1 穴内种子粒距 Table 1 Distance between seeds in the holes mm

由表1可知，随着每穴内种子粒数的增加，粒距最小值为1～2.4 mm，粒距最大值不断减小，平均粒距呈线性减小。这是由于种子穴与穴之间的理论穴距均为60 mm，在穴距不变的条件下，随着每穴内种子粒数的增加，种子之间的粒距必然减小。

3.3 排种方式对种子发芽的影响

3 d和6 d后，经排种器排出和未经排种器排出的种子的发芽率如表2所示。

表2 种子发芽率 Table 2 Seedgermination rate

采用不同方式处理的谷子种子，6 d后比3 d后种子发芽率高；采用不同方式处理的谷子种子，相同发芽时间内，未经过排种器的谷子种子比经过排种器的谷子种子的发芽率略高。6 d后，未经过排种器的谷子种子和经过排种器的谷子种子的发芽率均在93%以上。通过以上对比分析可知，经气力式精量排种器排出的种子的发芽率与原种子发芽率相差较小，说明气力式精量排种器对谷子种子的机械损伤极小，气力式精量排种器可用于谷子种子的实际播种生产。

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