谷子精少量流体排种装置的设计与试验
2017-07-18张燕青崔清亮侯华铭胡席忠
张燕青，崔清亮，王 丰，侯华铭，胡席忠
谷子精少量流体排种装置的设计与试验
张燕青1，崔清亮1※，王 丰2，侯华铭1，胡席忠1
（1. 山西农业大学工学院，太谷 030801；2. 山西农业大学信息学院，太谷 030800）
为解决中国北方旱地谷子播种难、播后出苗率低的问题，根据谷子免间苗精少量播种农艺要求，采用农用保水剂和水配制了谷子种粒混合悬浮液（mixed suspension），并针对其设计试制了谷子精少量流体排种装置。该文设计确定了输送泵滚轮数为6个及分合式排种管组合结构与尺寸参数，其中泵管、长弯排种管、短弯排种管、末端排种管的内径分别为4.8、4、4、4 mm，长度分别为700、100、74.4、20 mm；并阐述了流体排种装置吸种、输种、排种工作过程。以种粒数变异系数为指标对配制的谷子种粒混合悬浮液的均匀性和稳定性进行了试验测定；以种粒破碎率、穴距合格率、穴粒数合格率、空穴率为指标对流体排种装置进行了室内排种试验；以穴距合格率、穴株数合格率、出苗率为指标进行了田间播种试验。结果表明，谷子种粒混合悬浮液中保水剂、谷子种粒、水的质量比为1.1∶10∶200，其静置0.5 h后种粒数变异系数为9.8%，谷子种粒混合悬浮液在静置5 h内的种粒数变异系数为9.7%～10.4%，谷子种粒未发生沉降现象；室内排种试验种粒破碎率小于0.01%、穴距合格率大于86%、穴粒数合格率大于75%、空穴率小于4.0%；田间播种试验穴距合格率大于77%、穴株数合格率大于74%、出苗率大于87 %。该研究可为小颗粒种子精少量流体播种技术与装备的研发提供参考。
农业机械；设计；试验；排种装置；播种；流体；谷子；保水剂
0 引 言
谷子营养价值丰富，多数种植在中国北方干旱、半干旱地区。近年来，谷子产业发展迅速，而实现谷子精少量机械化播种是亟待解决的问题之一[1-4]。在北方丘陵山区，谷子播种适期少雨干旱，播后出苗难；多数沿用传统人畜力耧播技术，播种均匀性差、播量大，存在出苗不整齐、间苗工作量大，甚至出现苗荒现象[5]。国内许多学者针对上述问题设计研制了机械式、气力式、离心式等小籽粒精少量播种装备，并取得了显著成果[6-14]。本文为解决抗旱节水、保苗、提高播种均匀性、节省劳动力等问题，结合流体播种方法[15]与谷子播种的农艺要求，提出谷子流体播种方法。
谷子流体播种方法是将谷子种粒均匀分布在保水剂溶液中进行定量机播的方法[15-18]。近年来，流体播种方法的应用与农用保水剂的发展密切相关。保水剂具有吸水功能，吸水后为水凝胶，可缓慢释放水分供作物吸收利用，在抗旱节水，提高种子发芽率和出苗率等方面有显著作用[19-22]。国内外学者对流体播种方法和流体播种机进行了研究。英国、日本、美国、前苏联等在不同程度上组织推广流体播种方法并进行流体播种机的研制，其播种机多为条播、喷播、撒播机，多用于蔬菜、花卉、牧草等种子的播种且增产效果明显[15-17]；辛明金等[23]对流体播种关键技术进行了分析，并设计了玉米流体穴播装置；李岩[24]设计了小籽粒种子流体排种装置并进行了试验研究。谷子种子体积和密度小、播种均匀性差、旱地出苗率低，而谷子流体播种技术及流体播种装备仍不成熟。为提高谷子播种均匀性及旱地出苗率，本文基于谷子流体播种方法，根据谷子免间苗精少量播种的农艺要求，采用农用保水剂和水配制了谷子种粒混合悬浮液，设计了谷子精少量流体排种装置并进行了室内排种试验与田间播种试验。该研究为谷子精少量流体播种技术与装备的研发提供参考。
1 谷子种粒混合悬浮液的配制
流体播种首先要配制种粒混合悬浮液，使种子能够均匀稳定地分布在混合悬浮液中，且具有较好的流动性，以保证排种的均匀性和稳定性[23]。选用保水剂配制种粒混合悬浮液可达到谷子流体播种的性能要求。保水剂又称土壤保水剂，是利用强吸水性树脂制成的一种具有超强吸水和保水能力的高分子聚合物，可分为丙烯酰胺-丙烯酸盐共聚交联物、淀粉接枝丙烯酸盐共聚交联物2大类。保水剂遇水时能迅速吸收比自身质量高几百倍的水分而膨胀为水凝胶，呈弱碱性或弱酸性，无毒安全。由于保水剂高分子呈交联结构，能将吸收的水分凝胶化而具有很强的保水性。吸水后的保水剂用于流体播种，可缓慢释放其吸收的水分，以促进种子发芽和出苗生长[19]。
谷子种粒混合悬浮液中保水剂、种子和水的比例应适当。若保水剂比例较小时，混合悬浮液的黏度较低，对种子的悬浮能力较小，种子分布均匀性较差；若保水剂的比例较大时，混合悬浮液的黏度较大，流动性和种子分布均匀性也较差。混合悬浮液中种子的比例过大或过小，会导致排种均匀性和流动性变差。本文配制谷子种粒混合悬浮液，对其均匀性和稳定性进行试验测定，得到谷子种粒混合悬浮液合适的配制比例。
1.1 保水剂的选择
根据谷子种粒混合悬浮液的性能要求和经济性选用保水剂。试验选用的保水剂有：百力特保水剂，白色颗粒状，吸水倍率300～500，由山东省菏泽天玲农化有限公司生产；沃特保水剂，暗绿色颗粒状，吸水倍率300～500，由山东省东营华业新材料有限公司生产；安信保水剂，白色粉末状，吸水倍率450～500，由广东省英德市安信保水有限公司生产。
按照选用的3种保水剂使用说明分别配制谷子种粒混合悬浮液，如图1所示，其中用沃特、百力特、安信保水剂配制的种粒混合悬浮液中保水剂、种子、水的质量配比分别为1∶10∶（100～150）、1∶10∶150、1.1∶10∶200。通过试验对比，用沃特保水剂配制的种粒混合悬浮液黏度小，保水剂与种粒沉于底部，种粒分布均匀性差。用百力特保水剂配制的种粒混合悬浮液黏度大，流动性差；吸水后的保水剂与种粒聚团沉于底部，种粒分布不均匀。安信保水剂主要成分是部分交联型丙烯酸盐—丙烯酸共聚物，用其配制的种粒混合悬浮液黏度适中，流动性好，吸水后的保水剂变为透明小颗粒，采用筛分法[25]测得其粒径为2.01 mm，谷子种子粒径均值为2.08 mm，因二者粒径相近，故可混合充分，即谷子种粒可均匀地悬浮分散于混合液中。因此，选用安信保水剂配制谷子种粒混合悬浮液。
注：1为用沃特保水剂配制的混合悬浮液；2为用安信保水剂配制的混合悬浮液；3为用百力特保水剂配制的混合悬浮液。
谷子种粒混合悬浮液中，保水剂、种子和水的混合比例应适当，既要保证种子均匀悬浮且稳定性良好，又需保证悬浮液流动性好，适合排种。为使种粒均匀悬浮，将一定量的种子和水混合后，逐渐增加保水剂用量，并测定种粒悬浮液的均匀性，保证其均匀性良好的条件下，确定保水剂用量；考虑旱地取水难，在保水剂用量确定后，逐渐增加种粒数量，保证悬浮液流动性良好的条件下，确定种粒数最大。经反复试验，确定谷子种粒混合悬浮液中保水剂、种子、水的质量配比为1.1∶10∶200[26]。在标准大气压，室温22.8 ℃下，流体排种装置转速20～73 r/min，用DHR-1型旋转流变仪测得保水剂悬浮液的黏度为0.23～1.26 Pa·s。
1.2 谷子种粒混合悬浮液均匀性和稳定性测定
按照上述比例配制谷子种粒混合悬浮液，分成6份盛于13 cm×8 cm×7 cm的长方形塑料盒中，液面高度为6 cm，静置时长5 h，每隔0.5 h取样测其均匀性，具体做法为：将直径1.2 cm带有刻度的透明塑料管等间隔垂直插入长方形塑料盒底部，利用大气压强原理，手指紧堵上出口取出塑料管后缓慢释放，每隔2 cm分段滴出悬浮液，如图2所示，对每段混合悬浮液中的种子计数。
a.混合悬浮液主视图 a. Main view of mixed suspension b.混合悬浮液俯视图 b. Top view of mixed suspensionc. 试验操作图 c. Operating diagram of test
参照GB/T 5918-2008《饲料产品混合均匀度测定》[27]中饲料混合均匀性计算方法，将混合悬浮液中种粒数变异系数作为悬浮液均匀性的评价指标，种粒数变异系数计算方法
（2）
（3）
式中X为第个悬浮液样本中的种粒数；为种粒数均值；为种粒数标准差；为种粒数变异系数，%；为悬浮液样本总数。
种粒数变异系数计算结果见表1。由表1可知，配制的谷子种粒混合悬浮液静置0.5 h后种粒数变异系数9.8%，悬浮液均匀性良好；悬浮液静置5 h内，种粒数变异系数范围为9.7～10.4%、基本保持不变，种粒5 h内不会随时间变化而沉降，悬浮液稳定性好。
表1 谷子种粒混合悬浮液均匀性与稳定性测定结果
1.3 谷子种粒混合悬浮液实用性分析
谷子多数种植于中国北方旱地，缺少水源，为保证流体播种的实用性，谷子流体播种时需用水少以减轻播种机质量。谷子精少量播种需种子4～7 kg/hm2[28]，根据谷子种粒混合悬浮液配制比例，则流体播种需水80～140 kg/hm2，用水量适当；需保水剂0.5～0.8 kg/hm2，折合人民币22.0～38.5 元/hm2，成本低。故所配制的谷子种粒混合悬浮液可保证流体播种的实用性。
2 流体排种装置的结构和工作原理
2.1 设计要求
本文设计的流体排种装置可完成吸种、输种、排种作业，且满足以下性能要求： 1)调节排种装置转速可改变播种穴距以适应不同的土壤墒情； 2)保证每穴谷子种粒2～3粒，利于出苗[5]； 3)排种均匀，需满足小粒种子穴播技术要求即穴距合格率≥80.0%、穴粒数合格率≥75.0%、空穴率≤2.0%、种子破碎率<0.5%[29]； 4)在满足排种性能的基础上，尽量保证排种装置结构紧凑。
2.2 流体排种装置的基本结构和工作过程
谷子精少量流体排种装置主要由种箱、限位卡、输送泵、泵管、三通管、长弯排种管、短弯排种管、末端排种管组成，如图3所示。其工作过程为：泵管在输送泵的作用下，抽取种液，经三通管分流至长弯、短弯排种管，再经三通管汇合，然后由末端排种管排出。输送泵为排种装置提供动力，改变输送泵转速可调节排种量。三通管作用是分流和汇合悬浮液；长弯、短弯排种管有长度差，以提高排种均匀性；末端排种管内径比三通管出口内径小，以减小每滴悬浮液的体积，保证每滴悬浮液中的种粒个数；限位卡的作用是防止泵管在输送泵泵送悬浮液时而移动。
2.3 输送泵的设计
2.3.1 输送泵基本结构与工作原理
输送泵是谷子精少量流体排种装置的关键部分，主要由转子、轴承6001、输送泵壳体等组成，转子主要由滚轮、滚轮轴、微型轴承MR85zz、转动盘、转动轴组成，如图4所示。转动盘中心焊接有转动轴，随转动轴转动；滚轮轴焊接于转动盘，随转动盘转动；滚轮、微型轴承、滚轮轴相配合，滚轮可在2个转动盘间自由转动。输送泵滚轮长度17 mm，大于泵管外径，保证泵管被完全挤压。考虑所制输送泵材料的质量、刚度、强度、防蚀性等因素，其壳体材料选用高性能热塑性树脂PPS，转子材料选用不锈钢304。
1. 种箱2. 限位卡 3. 输送泵4. 泵管5. 三通管6. 长弯排种管7. 末端排种管8. 短弯排种管
1. Seed box 2. Limiting clip 3. Delivery pump 4. Pump tube 5. Three-way tube 6. Long bent seed metering tube 7. End seed metering tube 8.Short bent seed metering tube
注：A、B、C为输送泵在工作状态下吸入泵管的谷子种粒混合悬浮液。
Note: A, B and C are mixed suspension of millet seeds in pump tube when pump is working.
图3 流体排种装置示意图
Fig.3 Structure diagram of fluid seed metering device
1. 泵壳1 2. 轴承 3. 转动盘4. 泵壳2 5. 泵壳3 6. 滚轮7. 转动轴8. 微型轴承9. 滚轮轴10. 泵管
由图4、5可知，输送泵工作时，输送泵内转动盘随转动轴转动，滚轮随转动盘转动并挤压泵管，泵管沿圆周方向位于壳体与滚轮之间且受挤压合力的作用，随着滚轮的转动，先前被挤压的泵管恢复原形，使管内形成负压，将混合悬浮液看成整体，其受到管壁的推力1和因负压产生的吸力2而流动，在交替挤压过程中将其排出。泵送悬浮液的整个过程是滚轮挤压泵管、管内形成负压与泵送悬浮液。输送泵壳体与转子滚轮之间的径向间隙为3.2 mm，滚轮挤压泵管时，因混合悬浮液具有黏性且流动性良好，泵管被挤压处混合悬浮液已移动，输送泵不易损伤种粒。
2.3.2 输送泵转子滚轮数目的确定
排种装置的脉动性即输送泵的脉动性，由其自身结构所决定。混合悬浮液被输送的过程中，由图3可知，滚轮挤压泵管形成“流体枕A、流体枕B、流体枕C”，各流体枕被滚轮交替挤压，泵管内的混合悬浮液呈间歇性流动状态，产生了排种装置的脉动性。为提高排种装置的排种均匀性，要尽量减小其脉动性。
注：v为转子的速度，m·s-1；Q为滚轮对泵管的挤压力，N；N1为输送泵壳体对泵管的弹力，N；G1为泵管被挤压处的重力，N；f为滚轮对泵管的摩擦力，N；f1为壳体对泵管的摩擦力，N；F为限位卡对泵管的约束力，N；F1为滚轮对悬浮液的推力，N；F2为混合悬浮液因负压所受吸力，N；f2为混合悬浮液所受阻力，N；G2为该腔混合悬浮液所受重力，N；N2为泵管对悬浮液的弹力，N。
增大排种装置的脉动频率可减小排种装置的脉动性。增大脉动频率即增大泵管在输送泵某一转速下单位时间内的形变次数。根据流体蠕动传输原理，忽略泵管的厚度，仅考虑泵管边界的形变驱使混合悬浮液流动，则可用二维正弦波模型来表述泵管边界的形变模型[30-31]，如图6所示。
注：泵管成轴对称性，图为泵管上边界的变形。p为泵管的初始半径，mm；q为波动幅值，mm；λ为波长，mm；c为泵管波动速度，mm·s-1；m为滚轮挤压后的泵管半径，mm；t为波动时间，s。
泵管被滚轮挤压后的半径可表示为
泵管半径变化率可表示为
（5）
式中为泵管的初始半径，mm；为波动幅值，mm；为波长，mm；为泵管波动传播速度，mm/s；为滚轮挤压后的泵管半径，mm；为波动时间，s。
由式（5）可知，增加波动幅值或减小波长可增大泵管半径变化率。本文采用减小波长的方法来增大脉动频率，在输送泵转子直径不变的前提下，增加其滚轮个数可减小波长从而增大了泵管半径变化率，泵管形变速率加快，即增大了脉动频率，输送泵脉动性降低，其输送混合悬浮液的均匀性提高。综合考虑排种均匀性、输送泵结构型式、加工工艺、制造成本和泵管使用寿命等确定输送泵转子滚轮个数为6个。
2.4 排种管的设计
排种管主要由泵管、长弯排种管、短弯排种管、末端排种管等组成。排种管要求内壁摩擦小、适合泵送种粒混合悬浮液且使用寿命长，选用圣戈班TYGON®R- 3603硅胶软管作为排种管。
2.4.1 排种管直径的确定
排种过程中，悬浮液充满排种管，要求排种管内径大于种子最大长度。谷子种子长度、宽度、厚度一般范围分别为2.14～3.50 mm、1.48～2.09 mm、1.18～ 1.80 mm[32]，且浸泡5 h后测得谷子种粒长度、宽度、厚度分别增加了1.3%、0.83%、0.14%，变化很小。根据谷子种子外形尺寸确定泵管内径4.8 mm，壁厚1.6 mm；长弯排种管、短弯排种管、末端排种管内径均为4.0 mm，壁厚1.0 mm；三通管上（下）通口内径4.8 mm，壁厚1 mm，左（右）通口内径6.9 mm，壁厚1 mm。泵管、长弯排种管、短弯排种管、末端排种管为弹性软管，可直接紧套于三通管，密封效果好。其中泵管与输送泵转子滚轮直接接触，要求其弹性好，使用寿命长，故其内径与壁厚均大于长弯、短弯排种管。
农艺试验结果表明，种穴内有2～3粒谷子种粒时，利于出苗[5]。末端排种管内径小于三通管下通口内径，其作用是减小每滴悬浮液的体积，从而减少每滴悬浮液中的种粒个数，保证每滴悬浮液中的种粒数2～3粒。排种管每排出1 mL悬浮液所需滴数，即排种管滴系数[33]。末端排种管内径减小，增加其滴系数，减少了每滴悬浮液体积，从而减少了每滴悬浮液中的种粒数。经试验统计计算，混合悬浮液由内径4.8 mm的三通管直接排出，其滴系数为3.6，每滴悬浮液中平均有种粒4.2粒；内径4 mm的排种管排出，其滴系数为5.2，每滴悬浮液中平均有种粒2.9粒，符合谷子播种农艺要求，故确定末端排种管内径为4 mm。
2.4.2 排种管的组合结构
在输种过程中，输送泵滚轮挤压泵管，为输送种粒悬浮液提供动力，悬浮液克服阻力而流动，泵管越长，能量损失越大，输送泵泵送悬浮液的能力越弱，故泵管长度应尽量短；本文兼顾流体排种装置总体结构，设计的泵管长度为700 mm。末端排种管保证每滴悬浮液中的种粒数，根据流体排种装置结构，设计其长度为20 mm。
输送泵滚轮交替挤压泵管时造成排种管中混合悬浮液间歇性流动，形成脉动。本文通过设计分合式排种管组合结构，进一步减小了流体排种装置的脉动性。由图3可知，输送泵工作时，滚轮挤压泵管影响悬浮液均匀流动，A、B、C三腔中充满悬浮液，分别将其看成一个整体，且聚集各腔中间，可知A、B、C三腔中混合悬浮液排出后的间隔为相邻两滚轮的间隔即图6中泵管边界形变模型中的波长，减小波长可增大输送泵泵送悬浮液的脉动频率，从而进一步减小排种装置的脉动性。本文设计长弯排种管、短弯排种管、三通管组合，则混合悬浮液可由三通管分流经长弯、短弯排种管后再由三通管汇合至末端排种管排出。长弯、短弯排种管有一定的长度差，则某一腔中的混合悬浮液分流经长弯、短弯排种管后流至末端排种管时形成了一定的路程差，从而改变了波长。
本文设计长弯、短弯排种管的长度差为/2=25.6 mm，考虑流体排种装置总体结构，长弯、短弯排种管长度分别为100 mm、74.4 mm，经试验，该结构有效减小了相邻两腔混合悬浮液排出后的间隔，从而减小了波长，增大了输送泵泵送悬浮液的脉动频率，提高了排种均匀性。
3 室内排种试验与结果分析
3.1 材料与设备
试验材料选用在山西省种植广泛且产量稳定的晋谷21号，太谷农业科技市场购买，其含水率10.2%，千粒质量3.27 g，经保水剂处理后的种子发芽率为92.0%，未处理种子发芽率为90.5%。
试验设备为排种试验系统，主要由电机牵引系统、导轨、黑色橡胶板、流体排种系统组成。电机牵引系统由12 V直流电机、调速器、可移动试验平台、滑轮、牵引绳等组成；流体排种系统主要由12 V直流电机、12 V直流电源、调速器、流体排种装置等组成，如图7a所示，其中流体排种装置为一器一行式；其他试验仪器有HS2234非接触式转速表，转速2.59～999.9 r/min可调，分辨率：0.1 r/min、卷尺等。
a. 流体排种系统a. Test system of fluid seed metering deviceb. 室内排种试验数据测量 b. Measurement of laboratory test data
1. 直流电机 2.调速器 3. 流体排种装置1 4. 流体排种装置2 5. 直流电源
1.DC motor 2. Governor 3. Fluid seed metering device 1 4. Fluid seed metering device 2 5. DC power
注：a图中流体排种系统由两排种装置串联而成，b图呈现了两排种装置的排种分布情况。
Note: The system in fig.a consists of two fluid metering devices which are series connected, fig.b presented metering distribution of two fluid metering devices.
图7 室内排种试验
Fig.7 Seeding test of laboratory
3.2 试验方法
3.2.1 排种均匀性试验测定
该试验在排种试验系统下完成，流体排种装置安装于可移动试验平台，在电机牵引下以设定速度作匀速直线运动，混合悬浮液由排种装置排至黑色橡胶板，每滴悬浮液作为一穴种子，相邻两滴悬浮液几何中心距离为一穴距，如图7b所示。本文针对山西省丘陵山区的地形特点与旱地谷子免间苗精少量播种的要求，设定理论穴距5、6.5、8 cm，播种作业速度2 km/h左右，故设定排种试验中电机牵引速度分别为0.3、0.5、0.7 m/s，调节排种装置转速，使其匹配电机牵引速度以保证试验穴距接近理论穴距，相对误差小于10%，经大量反复试验确定排种装置转速为20～73 r/min。每次试验记录251穴中的种粒数，连续测量250个穴距，重复试验5次，参照NY/T 987-2006《铺膜穴播机作业质量》[29]，计算穴粒数合格率、穴距合格率、空穴率。传统穴播机播种穴距控制精确，本文设计的流体排种装置排种后穴距有偏差，试验数据处理中，理论穴距值±1.5 cm为合格穴距范围，其中穴距合格率、穴粒数合格率、空穴率计算公式如下
式中x为合格穴距个数；l为一穴2～3粒谷子种粒的总穴数；k为一穴0粒谷子种粒的总穴数；为每次试验测定总穴数。
3.2.2 种粒破碎率试验测定
试验前观察挑取未损伤的谷子种粒，配制谷子种粒混合悬浮液，待0.5 h，种粒均匀悬浮后，设定排种装置转速为20～73 r/min，进行静态排种试验，在各转速下收集200 mL悬浮液，挑出种粒计数，并选出其中破碎损伤的种粒计数，重复试验5次，计算种粒破碎率。种粒破碎率计算公式如下
式中为种粒破碎率，%；W为样本中破损种粒个数；W为样本种粒总数；Z为种粒原始破碎率。
3.3 试验结果与分析
室内排种试验结果见表2。
表2 室内排种试验结果
由表2可知，流体排种装置在所设行进速度与排种转速下，平均穴距为4.98～8.33 cm，平均穴粒数为2.48～3.00粒；其中穴距合格率均大于86%，穴粒数合格率均大于75%，在行进速度0.5 m/s，排种转速为40、53 r/min时空穴率小于2%，以上试验结果满足NY/T 987-2006《铺膜穴播机作业质量》[33]中小颗粒种子穴播的要求；其余行进速度和排种转速下空穴率大于2%且小于4%，有待进一步改进。当排种装置转速大于60 r/min时，发现有损伤的谷子种粒，但损伤的种粒很少（<0.01%），设计试制的谷子流体排种装置不易伤种。
4 田间播种试验与结果分析
4.1 试验条件与方法
针对山西省丘陵山区的种植模式，本文自制了手推式小型谷子流体播种样机，于2016年5月在山西省榆社县进行田间播种试验，如图8所示。试验地条件：旱地，土壤质地为砂壤土，含水率为15.4%；整地后有少量土块与遗留根茬；播种机地轮滑移率8.75%，作业速度0.5 m/s左右；当地种植制度为一年一熟，播种行距25 cm，开沟深度5 cm。由人推播种机为其提供动力，在排种装置转速40、53、60 r/min下分区播种，每小区面积约0.04 hm2。出苗齐整后每小区随机挑选5行，每行测量251穴苗株数，250个穴距。试验数据处理中，理论穴距值±1.5 cm为合格穴距范围，每穴出苗2～3株为穴株数合格，计算穴株数合格率、穴距合格率。
a. 播种试验现场 a. Site of sowingb. 田间试验数据测量 b. Measurement of field test data
播种前统计播种量，待出苗齐整后，将边长为1 m的正方形框随机放置每小区10次，记录每平方米内的出苗数，求其均值，换算成小区面积下的出苗数，再除以播种量，测定出苗率。
4.2 试验结果与分析
田间播种试验结果见表3。
表3 田间播种试验结果
由表3可知，以谷子流体排种装置为核心设计的小型谷子流体播种机在人推作业下，出苗率大于87%；平均穴株数为2.13～2.65株，平均穴距为5.88～8.53 cm；其中穴距合格率均大于77%；穴株数合格率均大于74%。田间试验工作环境劣于室内排种工作环境、种子出苗不全等导致田间试验结果与室内排种试验结果相差较大。因悬浮液具有黏性，谷子流体播种机排其至种沟，定位准确，成穴效果好。
5 结 论
1）本文选用安信保水剂配制谷子种粒混合悬浮液，混合悬浮液中保水剂、谷子种粒、水质量比为1.1:10:200，悬浮液静置5 h内，种粒数变异系数为9.7～10.4%，且未发生沉降现象，其均匀性、稳定性良好，达到了谷子流体播种的要求。
2）本文设计的谷子流体排种装置中，6滚轮输送泵和分合式排种管组合结构减小了流体排种装置的脉动性，提高了排种均匀性。
3）室内排种试验表明：流体排种装置在所设行进速度0.3～0.7 m/s和排种转速20～73 r/min下，平均穴距范围4.98～8.33 cm，平均穴粒数范围2.48～3.00粒，穴距合格率均大于86%，穴粒数合格率均大于75%，空穴率均小于4%，种粒破碎率低，排种均匀，工作性能可靠。
4）田间播种试验表明：自制的流体播种机在人推作业下，平均穴距范围5.88～8.53 cm，平均穴株数范围2.13～2.65株，穴距合格率均大于77%，穴株数合格率均均大于74%，出苗率大于87%，基本满足谷子免间苗精少量播种的农艺要求。
本文设计的谷子流体排种装置结构简单，试验指标基本达到谷子精少量播种的要求，为谷子流体播种技术及装备的研发提供参考。但是未深入分析谷子种粒混合悬浮液在输送过程中的动力学特性，将在下一步工作中继续研究探讨。
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Design and test of fluid andsmall-amount seed metering device for foxtail millet
Zhang Yanqing1, Cui Qingliang1※, Wang Feng2, Hou Huaming1, Hu Xizhong1
(1030801,;2030800,)
In order to solve the difficulties of sowing for foxtail millet and improve the low germination rate of millet after sowing in dry land of North China,we firstly studied the agricultural requirements of precision drill of millet without thinning out seedlings. We prepared a mixed suspension of foxtail millet using water and agricultural super absorbent polymers, because the agricultural super absorbent polymers can promote crop growth. We did some experiments to find suitable super absorbent polymers and the optimal proportion for mixed suspension according to the requirement of fluid seeding. At the same time we designed a kind ofseed metering device by small-amount liquid for foxtail millet. This paper determined the number of rollers, dimension parameter and combination form of tube. It also expounded sucking seeds,delivering seeds and metering seeds of this seed metering device. This device consists of seed box, delivery pump, pump tube, three-way tube, long bent tube, end drainage tube and short bent tube. The function of delivery pump is providing power for the seed metering device, the function of three-way tube is dividing and combining the mixed suspension, the long bent tube or the short bent tube can improve the uniformity of seeding, and the end drainage tube can decrease every drop volume of mixed suspension to ensure that every drop has 2-3 seeds. Because the delivery pump has impulsive motion, we greatly reduced the impulsive motion of this device by using 6 rollers of .delivery pump and designing the structural style of tube, which has long bent tube, short bent tube,three-way tube and end drainage tube. The length of long bent tube is 100 mm, and the length of short bent tube is 74.4 mm. We also chose the material and diameter of tube. The material of tube is silica gel, which has the advantages of good elasticity and long service life. The diameter of pump tube, long bent tube, short bent tube and end drainage tube is 4.8, 4, 4 and 4 mm,respectively. Finally we designed and conducted the experiments of the uniformity and steadiness for mixed suspension of millet, and the variability coefficient of seed number was adopted. And we performed the performance tests with 4indices adopted, including the percentage of damaged seeds, qualified rate of hill distance, qualified rate of seed number per hill, and rate of no seed hill for seed metering device in laboratory. We also carried out the field experiment of sowing with 3 indices including the qualified rate of hill distance, qualified rate of plant number per hill and seedling emergence rate for this device.The results showed that the suitable agricultural super absorbent polymer was Anxin for preparing the mixed suspension of foxtail millet, and the quality ratio of super absorbent polymers, grain of millet seed and water was 1.1 : 10 : 200 in mixed suspension; the variability coefficient of seed number was 9.8% in this mixed suspension, and was 9.7%-10.4% within 5 hours, and the seeds in mixed suspension had no obvious settlement. The percentage of damaged seeds was less than 0.01%, the qualified rate of hill distance was greater than 86%, the qualified rate of seed number per hill was greater than 75%, and the rate of no seed hill was less than 4% in laboratory test. The qualified rate of hill distance was greater than 77%, the qualified rate of plant number per hill was greater than 74%, and the seedling emergence rate was greater than 87% in field experiment of sowing. The results provide a theoretical reference for the design and analysis of seed metering device by small-amount liquid for small grain seeds.
agricultural machinery; design; experiments; seed metering device; sowing; fluid; foxtail millet; super absorbent polymers
10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.003
S223.2+3
A
1002-6819(2017)-12-0020-08
2016-12-20
2017-01-15
国家重点研发计划课题（2016YFD0701801）；山西省科技攻关项目（20120311035）
张燕青，男，山西灵石人，博士生，研究方向为旱作农业机械化关键技术与装备。太谷 山西农业大学工学院，030801。 Email：zhangyq0721@126.com
崔清亮，男，山西繁峙人，教授，博士生导师，主要从事旱作农业机械化关键技术与装备的研究。太谷 山西农业大学工学院，030801。Email：qlcui@126.com
张燕青，崔清亮，王 丰，侯华铭，胡席忠. 谷子精少量流体排种装置的设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(12)：20－27. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.003 http://www.tcsae.org
Zhang Yanqing, Cui Qingliang, Wang Feng, Hou Huaming, Hu Xizhong.Design and test of fluid and small-amount seed metering device for foxtail millet[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(12): 20－27. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.12.003 http://www.tcsae.org
