气力滚筒式精密排种器结构设计及试验

符耀明，张　静，吴　钢,吕　莹，周士琳，孙芳媛，李志伟

(华南农业大学 工程学院，广州　510642)



气力滚筒式精密排种器结构设计及试验

符耀明，张静，吴钢,吕莹，周士琳，孙芳媛，李志伟

(华南农业大学 工程学院，广州510642)

摘要：为解决目前蔬菜田间有序直播生产过程劳动强度大的问题，以排种器的合格指数、重播指数、漏播指数和变异系数作为评价指标，设计出一种气力滚筒式精密排种器。排种器结构采用固定配气盘与排种盘配合的侧面换气方法实行负压吸种和正压排种，每个排种器排种1行，排种位置为水平方向。为探讨精量排种器性能参数的最佳匹配，对吸种负压、排种正压、吹种流量和作业速度在实验室台架进行了单因素和正交试验。试验结果表明：当蔬菜种子直径为1.2～1.8mm时，最佳播种参数为吸种真空度为-7kPa，清种流量为8L/min，排种气压为0.15kPa，作业速度为1km/h；此时，合格指数为99.52%，漏播指数0.24%，重播指数为0.24%，变异系数为2.44%。设计出的排种器可根据农艺要求通过联轴器连接安装若干个播种单体，实现多行同时播种，行距最小为135mm。

关键词：排种器；气力；蔬菜；播种

0引言

中国蔬菜生产持续稳定发展，种植面积由2007年的0.17亿hm2增加到2013年的0.21亿hm2，产量由2007年的5.47亿t增加到2013年的7.06亿t[1]。其中，叶菜类种植约占蔬菜生产总量的1/3[2]。华南农业大学研制的气力滚筒式蔬菜穴盘播种机[3-5]已应用于蔬菜穴盘育苗的生产，取得了良好的效果。但穴盘育苗后，还需要进行移栽，劳动力需求大且劳动力成本高，而叶菜田间直播生产可降低生产成本。气力式精密排种器具有适应性强的特点，通用性好、不伤种子，对种子外形尺寸要求不严，可以大大提高播种速度，应用日益广泛[6]。本文根据气力滚筒式蔬菜播种的端面换气技术原理，设计出适合大田小粒圆形种子的精密排种器并进行了排种器试验台架性能试验。

1气力滚筒式排种器工作原理

排种器主要包括固定配气盘、排种盘、清种装置、种箱、导种管、碟形弹簧、轴及轴固定架等，结构如图1所示。

1.固定配气盘　2.种箱　3.轴固定架　4.蝶形弹簧　5.键　6.轴

如图2所示，固定配气盘上设一负压气室和一正压气室，分别与负压气源和正压气源相连，在作业过程中为排种盘提供正负压转换。如图3所示，排种盘上设有若干组通气槽和吸种孔，通气槽与吸种孔相连。排种盘在碟形弹簧弹簧力的作用下与固定配气盘紧密贴在一起。清种装置由清种喷嘴、固定架和气管组成，气管与正压气源相连。动力经转轴传递到排种盘上，带动排种盘转动。当吸种孔经过种箱时，通气槽与负压气室相连，1粒或多粒种子在吸种孔气压差的作用下被吸附在吸种孔上，并随吸种孔一起转动；当种子转到与清种喷嘴相切的位置时，在清种装置的作用下，吸附力小的种子被吹回种箱，没有被清除的种子继续随排种盘转动。当通气槽转到水平排种位置时，通气槽与正压气室相连，实现正负压切换，负压消失，种子在自重和正压的作用下脱离排种盘，经导种管落入到土壤中。设计出的排种器可根据农艺要求通过联轴器连接安装若干个播种单体，实现多行同时播种，行距最小为135mm。

1.负压气室　2.正压气室

1.通气槽　2.吸种孔

2吸排种试验

2.1试验材料

试验采用大种80天的油青菜心，该种子纯度≥95%，净度≥98%，含水率≤7%，平均粒径1.2～1.8mm，千粒质量2.0g。

2.2试验设备和方法

试验设备包括：海尔ZW1200真空吸尘器，CZQ型单向风机，标智差压计GM511，广州迪川仪器MF5706-N-25气体质量流量计。

为了模拟大田直播，搭建试验台架，试验装置如图4所示。排种装置在实际作业转速下运转，用传送带带动粘有粘胶带的穴盘在排种器下方移动，以模拟播种机与地面的相对移动。吸种负压由吸尘器提供，排种正压和吹种正压由单向风机提供，压力大小通过节流阀调节，压差计和流量计分别测量吸种负压真空度、排种正压和清种流量。排种器和输送带动力由步进电机提供，排种器转速及传送带速度由控制系统中PLC调节，并保证两者速度相匹配。利用SPSS16.0与Excel软件进行试验数据的分析。

1.真空吸尘器　2.试验台机架　3.压差表　4.排种器　5.流量计

2.3试验设计

试验设计参考GB/T6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》[7]，确定试验指标为合格系数、重播指数、漏播指数和变异系数[8-9]。试验指标通过随机放置粘有粘带的穴盘进行抽样统计得出。按照菜心种植的农艺要求，早熟、中熟和晚熟品种的行距株距略有差异，在10～20cm之间[10]，本试验选择株距12cm进行设计。根据前期试验，确定了试验因素为：吸种负压、吹种流量、排种正压和播种机作业速度4个因素。排种器转速和输送带速度根据播种机作业速度而定。试验分为单因素试验和正交试验进行，研究各试验因素对排种器性能指标的影响规律。

3试验结果与分析

3.1单因素试验

3.1.1吸种负压

根据前期试验，选择播种机作业速度为1km/h，清种流量为8L/min，排种正压为0.1kPa，选择吸种负压分别为-2、-4、-6、-8kPa 4个水平，进行试验，得出吸种负压对试验指标的影响如图5所示。

由图5可知：随着吸种负压的增加，合格指数先上升后下降，漏播指数降低，重播指数上升，变异系数基本不变；吸种负压为-2kPa时，吸附力不足，种子漏播严重，重播指数为0，合格指数低；随着吸种负压增大，对种子的吸附力增加，吸附能力增强，漏播指数迅速降低，合格指数迅速增加，吸种负压为-4kPa时，合格指数达到峰值；吸种负压继续增加，漏播指数继续降低，重播指数也随之增加，增速大于漏播指数降低的速度，合格指数降低；在吸种负压增加过程中，变异系数保持平稳。方差分析表明：吸种负压对合格指数、漏播指数影响极显著，对重播指数影响显著，对变异系数影响不显著。

图5　测试性能与吸种负压关系曲线

3.1.2清种流量

设定播种机作业速度为1km/h，吸种负压为-4kPa，排种正压为0.1kPa，清种流量分别为2、4、6、8、10L/min4个水平，进行试验，得出清种流量对试验指标的影响如图6所示。

图6　测试性能与清种流量关系曲线

由图6可知：随着清种流量的增大，重播指数呈下降趋势，漏播指数上升，合格指数先上升后下降；清种流量为2L/min时，吹力不足，未能将多余的种子吹回种箱，重播指数较高，合格指数较低；吸种孔吸附的多粒种子由于所受吸力各异，部分种子吸附不稳定，引起提前排种，导致变异系数较大；随着流量增大，吹力增大，重播指数下降，变异系数也随之降低，当流量为8L/min时，合格指数最高；清种流量继续增大，吹力过大，部分种子被吹落，漏播系数增大，合格指数降低。方差分析表明，清种流量对合格指数、重播指数影响极显著，对漏播指数和变异系数影响显著。

3.1.3作业速度

设定吸种负压为-4kPa，排种正压为0.1kPa，清种流量为8L/min，播种机作业速度分别为1、1.25、1.5、2、2.25、2.5、2.75、3km/h 9个水平，进行试验，得出播种机作业速度对试验指标的影响如图7所示。

图7　 测试性能与作业速度关系曲线

由图7可知：随着播种机作业速度增加，即排种盘转速增加，合格指数下降，漏播指数上升，变异系数呈上升趋势；播种作业速度不高于2km/h时，重播系数为零，高于2km/h时，重播系数呈上升趋势；作业速度低时，种子与气流场接触时间充分，吸种能力强，漏播指数小；随着播种作业速度的增加，吸种孔与种箱中种子接触时间变短，气流场稳定性降低，吸种不充分，漏播指数急剧增加，合格指数下降。方差分析表明：播种机作业速度对合格指数、漏播指数和重播指数影响极显著，对变异系数影响显著。

3.1.4排种正压

设定播种机作业速度为1km/h，吸种负压为-4kPa，清种流量分别为8L/min，排种正压分别为0、0.1、0.2、0.3、0.4kPa 5个水平，进行试验，得出排种正压对试验指标的影响如图8所示。

由图8可知：排种正压由0kPa增加到0.4kPa的过程中，合格指数、漏播指数和重播指数基本保持稳定，变异系数先下降后上升；排种正压对吸种过程影响不大，因此合格指数、漏播指数和重播指数基本稳定；当排种正压为0kPa时，排种吹力为0，排种孔残余负压会影响到排种的精确度，导致出现延迟排种；随着排种正压的增大，排种吹力增大，变异系数下降；当排种正压增加到0.3kPa以上时，排种吹力过大，由于种子形状大小各异，种子平抛运动的水平速度不一致，与导种管碰撞次数不同，导致变异系数上升。方差分析表明，排种正压对合格指数、漏播指数和重播指数影响不显著，对变异系数影响极显著。

图8　测试性能与排种正压关系曲线

3.2正交试验

依据以上分析，选择对试验指标有显著影响的吸种负压、排种正压、清种流量和作业速度4个因素作正交试验。选择L16(45)正交表来安排正交试验。其中，第5列为空列，因素水平如表1所示。对结果进行极差分析，结果如图9～图12所示。

表1　因素水平表

合格指数试验指标结果如图9所示。根据生产要求，需要提高合格系数，可得A4B2C3D1为最佳组合。

图9　合格指数直观分析图

漏播指数试验指标结果如图10所示。根据生产要求，需要降低漏播指数，可得A4B3C2D1为最佳组合。

图10　漏播指数直观分析图

重播指数试验指标结果如图11所示。根据生产要求，需要降低重播指数，可得A1B4C3D1为最佳组合。

图11　重播指数直观分析图

结果如图12所示。根据生产要求，需要降低变异系数，可得A4B2C3D1为最佳组合。

图12　变异系数直观分析图

通过综合平衡法考虑合格指数、漏播指数、重播指数和变异系数4个指标的最佳组合，最佳组合为A4B2C3D1，即吸种负压为-7kPa，清种流量为8L/min，排种正压为0.15kPa，播种机作业速度为1km/h。

4结论

单因素试验结果显示，在台架试验中，合格指数、重播指数、漏播指数和变异系数等指标受吸种负压、清种流量、排种正压和播种机作业速度的影响。正交试验结果显示，排种器的最佳性能条件为：吸种负压为-7kPa，清种流量为8L/min，排种正压为0.15kPa，播种机作业速度为1km/h；此时气力滚筒式精密排种器排种合格指数达到99.52%，重播指数为0.24%，漏播指数为0.24%，变异系数为2.44%。设计出的排种器可根据农艺要求通过联轴器连接安装若干个播种单体，实现多行同时播种。

参考文献：

[1]胡锋.2014年中国蔬菜种植产业国际竞争力分析[EB/OL].2014-08-13.http://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/140813-4c38abf6.html.

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[10]张利娟,林敬辉.菜心无公害栽培技术[J].现代园艺,2009(7):32-32.

Design and Experiment of Pneumatic Cylinder-type Precision Seed-metering Device

Fu Yaoming, Zhang Jing, Wu Gang, Lv Ying, Zhou Shilin, Sun Fangyuan, Li Zhiwei

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642,China)

Abstract：In order to solve the high labor intensity in vegetables ordered direct seeding, designed and manufactured a pneumatic roller-type precision metering device, employing eligible index, multiple index, miss index, variable coefficient as judging indexes. The metering device’s stationary gas distribution disc match with metering plate, employing side breathing to realize negative pressure seed sucking and positive pressure seed discharging. Each metering device discharge one row, feed outlet is positioned in the horizontal position. In order to define the optimum performance parameters of precision metering device, single factor and orthogonal experiments were carried out in laboratory, with the experimental factors of negative pressure seed sucking, positive pressure seed discharging , flow of blow seeds and operating speed. Experiment indicates that when seed diameter is 1.2～1.8mm, metering device’s optimum performance parameters are: the vacuity is -7k Pa, the pressure is 0.15k Pa, the flow is 8 L/min and the operating speed is 1 km/h, the eligible index reaches as high as 99.52%, both of the multiple index and the miss index are 0.24%, the coefficient of variation is 2.44%. The metering device can also connected with a plurality of seeding monomer by coupling, to realize multi row sowing at the same time, minimum row spacing is 135 mm.

Key words：seed-metering device; pneumatic； vegetable; sowing

文章编号：1003-188X(2016)01-0172-05

中图分类号：S223.2+6

文献标识码：A

作者简介：符耀明(1989-)，男，广东南海人，硕士研究生，(E-mail) yao_mings@163.com。通讯作者：李志伟(1961-)，男，广东鹤山人，教授，博士生导师，(E-mail) zhiweili@scau.edu.cn。

基金项目：国家“863”计划项目(2013AA102440603)

收稿日期：2015-02-06