小型蔬菜穴盘精密播种机的设计与试验

玄冠涛，邵园园，侯加林，王连文，吕钊钦，史春余，刘中正

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院/山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018；2.山东农业大学 作物学博士后流动站，山东 泰安 271018；3.黄河三角洲京博化工研究院有限公司，山东 博兴 256500)

小型蔬菜穴盘精密播种机的设计与试验

玄冠涛1，2，邵园园1，侯加林1，王连文3，吕钊钦1，史春余2，刘中正1

(1.山东农业大学 机械与电子工程学院/山东省园艺机械与装备重点实验室，山东 泰安 271018；2.山东农业大学 作物学博士后流动站，山东 泰安 271018；3.黄河三角洲京博化工研究院有限公司，山东 博兴 256500)

目前，国内温室大棚蔬菜穴盘人工播种费时费力、生产效率低，现有机型对蔬菜穴盘播种适应性差，不能满足中小蔬菜种植户的轻简、低成本要求。为此，设计了一种小型蔬菜穴盘精密播种机，整机采用全气力驱动和气针播种，能连续实现自动进盘、打穴与单粒播种，通过更换播种针头的数量和型号，可适应不同形态蔬菜种子及穴盘规格。为提高样机开发速度和质量，降低生产成本，基于SolidWorks软件对关键部件进行了数字化设计与三维建模，建立了小型蔬菜穴盘精密播种机虚拟样机，进而自动生成平面二维工程图进行样机的生产加工。最后，对番茄等蔬菜种子进行播种试验，结果表明：小型蔬菜穴盘精密播种机的单粒率水平在91%以上，满足了蔬菜穴盘精播育苗的要求。

蔬菜；精密播种机；穴盘

0 引言

我国蔬菜种植面积2 000万hm2，总产量达7亿t，是世界最大的蔬菜生产国[1-2]。育苗是蔬菜种植的重要环节，采用穴盘育苗，能保证育苗质量和成活率，便于集中管理，已成为蔬菜栽培的主要育苗方式。但蔬菜种子籽粒小、质量轻、形状不规则，人工播种费时费力，播种效率很低。与人工播种相比，穴盘育苗精播机效率高、播种质量好、节省种子，有效降低了种植成本，满足了工厂化育苗需要，有力促进了蔬菜的移栽生产。

与机械播种相比，气力播种较易实现单粒点播，且不伤种、对种子的适应性强，在穴盘精量播种作业中应用广泛。国外代表机型(如美国Blackmore、英国Hamilton的针管播种机，澳大利亚Williames及荷兰Visser等公司生产的滚筒式精密播种机)智能化、自动化水平高，但价格昂贵，适合大规模农场作业[3-5]。国内生产的穴盘育苗精密播种机的代表机型有夏红梅等设计开发的气力板式精播机、陈进等研制的气吸振动滚筒式精密播种机、浙江台州一鸣机械生产的气吸针式穴盘育苗精密播种机等[6-8]。目前，国内的蔬菜机械播种技术还比较落后，现有机型仍然以借鉴国外技术为主，存在播种精度低及通用性差等问题，不能满足我国中小蔬菜种植户对播种机械的轻简、低成本要求。

为此，本文设计了一种小型蔬菜穴盘精密播种机，整机采用全气力驱动，可实现自动进盘、打穴与单粒播种连续工作。该机结构简单，使用方便，可更换播种针头的数量和型号，以适应不同形态蔬菜种子及穴盘规格。同时，通过穴盘精密播种机关键部件和整机的数字化设计，提高了设计质量和效率，进一步降低了产品生产制造成本。

1 小型蔬菜穴盘精密播种机总体设计

1.1 结构组成与工作原理

小型蔬菜穴盘精密播种机总体结构如图1所示。该机主要由穴盘进给机构、吸排种装置、步进装置、压穴装置、摆动机构、控制机构、机架和种盒及振动器等组成，具有自动进盘、打穴及播种等功能，适合于温室大棚等中小蔬菜种植户使用。

整机由小型空气压缩机提供动力，利用气动行程开关启动装置、气缸进给机构使穴盘按照要求不断移动，伸缩气缸机构带动压穴装置在移动的穴盘上顺序压好指定深度种穴，摆动气缸机构使播种针头在种盒和落种槽间摆动；当播种针头摆动至种盒时，在气动振动器作用下种盒内种群“沸腾”，播种针头进行负压吸种；当播种针头摆动至落种槽上方时，进行正压排种，并通过播种管落到穴盘中。各工作部件气动逻辑关系如图2所示。

1.穴盘托架 2.穴盘进给机构 3.穴盘 4.步进装置 5.压穴装置 6.摆动机构 7.吸种装置 8.种盒 9.振动器 10.控制总成 11.机架总成图1 小型蔬菜穴盘精密播种机结构组成Fig.1 Structure schematic of small vegetable plug tray precison seeder

①打穴 ②吸种 ③进盘 ④排种图2 工作部件气动逻辑关系Fig.2 Pneumatic logic relation of working parts

1.2 性能特点

为满足国内温室大棚中小蔬菜种植户的要求，整机设计以小型、轻便为主，采用高强度铝合金型材进行制造，防腐耐用，搬运省时省力，1人即可完成。整机工作采用气动元件自动控制完成，操作简单，易于掌握；工作动力小，仅需1台小型空气压机作动力，主机工作装置无需另外接电，节能又安全；作业效率高，2～3人操作8h，每天至少育苗可达10万株以上；配套了多种孔径的可换播种针头，适应不同形态蔬菜种子及穴盘规格的精密播种。其主要技术参数如表1所示。

表1 主要技术参数

1.3 数字化设计

根据气吸针式穴盘育苗精播机的结构、技术参数和工作要求，利用CAD/CAE软件SolidWorks进行产品的数字化设计，流程如图3所示。

图3 小型蔬菜穴盘精密播种机数字化设计流程Fig.3 Digital design of small vegetable plug tray precison seeder

2 关键部件设计与建模

建立小型蔬菜穴盘精密播种机的关键部件压穴机构、穴盘进给机构及气吸针式播种装置SolidWorks三维模型，进行部件的干涉检查，优化各部件的结构、尺寸等参数。

2.1 压穴机构

设计一种气动压穴机构三维模型，伸缩气缸带动压穴架和压穴杆往复运动实现压穴动作，如图4所示。通过弹簧、弹簧杆对压穴机构的缓冲和导向作用，保证了压穴质量，压穴架上的落种管孔与播种管滑动配合，提高落种准确度，更换压穴杆可满足不同作物的压穴要求。

1.弹簧杆 2.直线轴承 3.伸缩气缸 4.弹簧 5.固定架 6.压穴杆 7.压穴架图4 压穴机构Fig.4 Indenting mechanism

2.2 穴盘进给机构

进行穴盘进给机构的三维建模，进给气缸带动与其固连的顶杆进而推动穴盘进给，如图5所示。顶杆中间段有折弯段，使顶杆两端呈钝角，可以避免进给气缸安装时倾斜角过大，利于顶杆的推进。其行程由限位开关控制，旋转调节杆可以调节进给气缸架的俯仰角。

1.进给气缸 2.进给气缸架 3.顶杆 4.限位开关 5.固定架 6.调节杆 7.下托盘图5 穴盘进给机构Fig.5 Plug tray feed mechanism

2.3 气吸针式播种装置

为避免漏播、重播，提高播种精度，设计气吸针式播种装置，主要包括播种针头、播种管、气动振动器、种盒及摆动气缸机构等。摆动气缸带动摆动杆旋转，当安装在集气管上的播种针头摆动到振动种盒上方时负压吸种，摆动到落种槽上方时正压排种，此时滚珠式气动振动器停止振动。其三维建模如图6所示。

1.摆动气缸 2.连接板 3.摆动杆 4.种盘 5.播种针头 6.落种槽 7.集气管 8.集气管固定块 9.种盘调节件 10.支撑架 11.横梁 12.气动振动器 13.落种管 14.滑套图6 气吸针式播种装置Fig.6 Air sucking needle type seeding device

作为核心结构的播种针头(见图7)，采用一体式直通方式，吸嘴设计为有内部阶梯孔的锥端结构，保证了系统压力和节约能耗，提高了吸种精度。通过更换播种针头的数量和型号，可适应不同形态蔬菜种子及穴盘规格，满足了中小蔬菜种植户多品种蔬菜种植要求。

1.固定接头 2.气压孔 3.密封凹槽 4.吸种体 5.锥形孔 6.吸种孔图7 播种针头Fig.7 Air sucking needle

3 虚拟样机装配与检验

完成小型蔬菜穴盘精密播种机主要工作部件SolidWorks三维建模后，再依次进行机架等其它零部件的三维建模，并装配成小型蔬菜穴盘精密播种机整机，如图8所示。

图8 小型蔬菜穴盘精密播种机虚拟样机Fig.8 Virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder

4 工程图生成

对小型蔬菜穴盘精密播种机虚拟样机进行干涉检查无误后自动生成二维工程图(见图9)，并进行相关零部件的数控加工，最终生产出合格的物理样机，实现了数字化设计与制造一体化。

图9 小型蔬菜穴盘精密播种机工程图Fig.9 2D drawing of small vegetable plug tray precison seeder

5 蔬菜穴盘播种试验

蔬菜穴盘播种试验在山东农业大学蔬菜种植基地进行，试验穴盘规格为128穴/盘，试验用种为番茄种子，选用孔径为0.4mm的播种针头，以80盘/h的速度进行连续播种试验，并随机抽取6盘，分别统计只有单粒种子、多粒种子及没有种子的穴孔数，进而根据式(1)～式(3)计算单粒率、重播率和漏播率。试验结果如表2所示。

(1)

(2)

(3)

其中，n1为单粒种子穴数；n2为多粒种子穴数；n3为没有种子穴数；N为穴盘总穴数。

表2 蔬菜穴盘播种试验

穴盘播种试验结果表明:小型蔬菜穴盘精密播种机的单粒率水平在91%以上，满足了蔬菜穴盘精播育苗的要求。

6 结论

1) 小型蔬菜穴盘精密播种机采用全气力驱动和气针播种,实现自动进盘、打穴与单粒播种连续工作。该机结构简单、轻便、易操作，适应不同作物、不同穴盘规格的育苗作业，满足了温室大棚等中小蔬菜种植户的要求。

2) 基于SolidWorks软件，对小型蔬菜穴盘精密播种机关键部件和整机进行数字化设计，提高了设计质量和效率，缩短了产品开发周期，进一步降低了产品生产制造成本。

3) 蔬菜穴盘播种试验表明：小型蔬菜穴盘精密播种机的单粒率水平在91%以上，满足了蔬菜穴盘精播育苗的要求。

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Design and Test of Small Vegetable Plug Tray Precison Seeder

Xuan Guantao1,2, Shao Yuanyuan1, Hou Jialin1, Wang Lianwen3, Lv Zhaoqin1,Shi Chunyu2, Liu Zhongzheng1

(1.Mechanical and Electronic Engineering College, Shandong Agricultural University/Shandong Provincial Key Laboratory of Horticultural Machinery and Equipment, Tai’an 271018, China; 2.Postdoctoral Station of Crop Science, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 3.Chambroad Chemical Industry Research Institute Co.LTD., Boxing 256500, China)

Greenhouse vegetable tray manual seeding is time-consuming, low production efficiency.The existing seeders are also unfit for different forms of vegetable seeds and plug tray size which can not meet the small vegetable growers of lightweight and low cost requirements in china. In this paper, a small vegetable plug tray precision seeder was designed by using pneumatic drive and needle seeding, which could automatically feed, indent and sow with the single grain with different seeding needles. In order to improve design quality and shorten the product development cycle, The key components of plug tray precison seeder were designed and modeled with the solidworks software. The virtual prototype of small vegetable plug tray precison seeder was established, and the plane 2D engineering drawings were automatically generated, which used for machining the parts and seeder. Finally, the seeding test was conducted and results showed that the single grain rate of the small vegetable plug precision seeding machine was more than 91%, which meet the requirements of the precision seeding.

vegetable; pecison seeder; plug tray

2016-11-27

国家自然科学基金项目(31671632)；山东省自然科学基金项目(BS2015NY012)；山东省重点研发计划项目(2016GNC112007)；山东省现代农业产业技术体系蔬菜创新团队项目(SDAIT-02-021-09)；山东农业大学青年科技创新基金项目(2014)

玄冠涛(1979-)，男，山东莱芜人，讲师，博士，(E-mail)xuangt@sina.com。

邵园园(1980-)，女，山东济宁人，讲师，博士，(E-mail)xoyo111@163.com。

S223.2+6

A

1003-188X(2018)02-0085-05