三七压穴精密排种装置设计与试验

赖庆辉 曹秀龙 于庆旭 孙 凯 秦 伟

(昆明理工大学现代农业工程学院， 昆明 650500)

0 引言

三七是我国名贵中药材，在云南省广泛种植。三七播种的株距和行距均为50 mm左右，属于密集型精密播种[1]。开沟和精密排种是播种机两个重要的作业环节，开沟器和精密排种器的作业性能直接关系到播种质量。由于三七种植株距较小，采用开沟方式极易堵塞，因此，压穴播种方式适合三七等密集型精密播种作物。

国外在压穴精密播种方面研究较早，尤其在关键成穴部件的研发上有很大的突破[2-5]。国内目前已研发的压穴播种机采用带有鸭嘴、柱塞、铲斗等成穴部件的滚轮作为成穴器[6]。学者们对玉米、小麦、水稻、蔬菜等作物穴播的研究已趋成熟，并得到广泛推广[7-10]。文献[11-17]研制的穴播机大多采用鸭嘴式成穴部件，播种株距和行距均大于150 mm，不适用于三七密集播种，故现有的穴播机不能满足三七的种植农艺要求。

与传统开沟播种作业相比，压穴播种对土壤的扰动较小，有利于土壤保墒和抗旱播种[18-21]。投种时种子在土壤中的滚动受到穴孔范围的限定，因而可以获得较满意的播种行距[22]。为了解决三七播种密度大、播种深度为20～30 mm、开沟土壤拥堵严重等问题，本文设计一种三七压穴精密排种装置，以改善排种精度，满足三七种植农艺要求。

1 排种装置结构与工作原理

三七压穴精密排种装置主要由排种器、压穴辊和传动机构组成，如图1所示。排种器由排种轮、毛刷轮、护种板、清种刀和壳体组成。

图1 压穴排种装置结构示意图Fig.1 Structure diagram of hole seed-metering device1.壳体 2.二级传动机构 3.连接架 4.清种刀 5.排种轮 6.一级传动机构 7.压穴辊 8.护种板 9.毛刷轮

压穴辊通过轴承和轴承座固定在连接架前端，排种器通过螺栓固定在连接架后端，可通过螺栓调整投种点到压穴辊的水平距离和投种高度；随着压穴辊的转动，一级传动机构使毛刷轮转动，二级传动机构使排种轮转动；压穴排种装置工作时，压穴辊向前滚动在土壤上压出穴孔；通过一级传动机构和二级传动机构的动力传动，排种轮和毛刷轮转动；排种轮型孔中充入的多余种子通过毛刷轮转动刷出，保证每个型孔中只保留一粒种子；种子随着排种轮的转动，进入护种区，到达投种点时种子靠自身重力脱离型孔开始投种，清种刀将型孔中未脱落的种子清出；排种器投出的种子落入压穴辊压出的穴孔中，即完成整个压穴排种过程。

2 关键部件参数设计

2.1 精密排种器设计

垂直圆盘排种器结构简单，投种高度较小，无需输种管即可直接将种子投入种沟[23]。

2.1.1排种轮参数确定

2.1.1.1排种轮直径

排种轮作为排种器的核心部件，其直径决定排种器的整体结构、型孔数量及其他部件的尺寸[24-26]。图2所示为排种轮结构示意图，图中Dkl为型孔分布圆直径，Dk为型孔直径。

图2 排种轮结构示意图Fig.2 Schematic of structural parameters of seeding wheel

一般情况下，型孔在充种区的时间越长，充种性能越好。排种轮直径对充种时间的影响为

(1)

式中t——充种时间，s

θ——型孔充种区弧度，rad

D——排种轮直径，mm

np——排种轮转速，r/min

整理式(1)得出

(2)

由式(2)可知，型孔在充种区停留时间t只与排种轮转速有关，而与排种轮直径无关。所以排种轮直径的确定需考虑播种作业速度以及排种器整体结构等因素，我国目前一般采用的排种轮直径为140 mm左右[23]，本文选取排种轮直径D为155 mm。

2.1.1.2型孔直径与型孔深度

排种轮型孔形状和尺寸需根据种子的形状和尺寸来确定。三七种子的平均直径为5.6 mm，种子长度为5.2～7.2 mm，宽度为4.8～6.8 mm，高度为4.0～6.0 mm，球度为90.86%，可近似为球体[24]。所以设计型孔形状为圆柱球底型，根据经验公式

Dk=Lmax+k

(3)

式中Lmax——种子最大尺寸，mm

k——间隙余量，取0.5～1 mm

可得出型孔直径为7.7～8.2 mm，取型孔直径为8.0 mm。型孔深度应满足最大尺寸的种子充入，取型孔深度h为8.0 mm。

2.1.1.3排种轮型孔数

型孔之间的壁厚为4.0 mm，型孔直径Dk为8.0 mm，在直径155 mm的排种轮上最多可布置型孔数量Z为

(4)

由式(4)可得型孔数量为40。

2.1.2充种过程力学分析

在排种轮充种区域内，选取型孔边缘的种子进行受力分析。种子的受力情况如图3所示。

图3 充种过程力学分析示意图Fig.3 Structure sketch of force analysis of filling process

通过分析可知，在x轴正方向上种子的合力Fc即为充填力，当充填力Fc大于零时，种子才有可能充入型孔内。由图3可知，种子受到的充填力为

Fc=N2cos(α1+α2)+mgsinα2-f1-
f2sin(α1+α2)-J

(5)

其中

(6)

式中Fc——充填力，N

f1——种子与型孔的滚动摩擦力，N

f2——种子受到的种群摩擦力，N

N1——种子受到的型孔支撑力，N

N2——种群对种子的支撑力，N

m——种子质量，kg

J——种子受到的离心力，N

α1——N2与水平方向的夹角，其大小与种层高度有关，(°)

α2——充种角，(°)

μ1——种子与排种轮的滚动摩擦因数

μ2——种间摩擦因数

ωp——排种轮角速度，rad/s

R——排种轮半径，m

g——重力加速度，m/s2

由式(5)、(6)得出，种子受到的充填力与充种角、排种轮角速度、种子质量及内摩擦角等因素有关。经试验测得μ1=0.132、μ2=0.05、千粒质量为69.77 g、α1=15°、α2为25°～35°。考虑到排种器实际作业情况复杂，排种轮角速度取值范围为0.16～0.5 rad/s。

2.1.3清种过程力学分析

图4为清种过程力学分析示意图，此时为清种瞬间，被清种子O1尚未接触到型孔倒角边缘，同时受到毛刷轮O3和种子O2的作用力；以O1O2连线为y轴，垂直于该连线方向为x轴，建立坐标系，当被清种子处于平衡状态时，建立关系式

(7)

式中N3——毛刷轮对被清种子的作用力，N

N4——型孔内种子对被清种子的支撑力，N

f3——毛刷轮与被清种子之间的摩擦力，N

f4——型孔内种子与被清种子之间的摩擦力，N

α——毛刷轮与排种轮之间的清种夹角，(°)

种子O1被清除需满足条件

N4+f3sinα≥N3cosα

(8)

进一步整理可得

非液化土层16层，液化砂土层安全系数为1～1.73；液化土层3层，地下水位埋深2～3 m，液化砂土层安全系数分别为0.85、0.96、0.93。尾矿库排岩5、10 m后，砂土层均为非液化土层，安全系数最大达到1.99。

(9)

式中β3——毛刷轮与被清种子之间的滑动摩擦角，取5.7°～8°

β4——种子之间的滑动摩擦角，取26.5°～27.9°

由式(9)可得α的取值范围为

α≥β4-β3

(10)

综合上述关系，取α为35°。结合排种轮结构布置及工作参数，毛刷轮直径设计为70 mm。

图4 清种过程力学分析示意图Fig.4 Schematic of analysis of force about seed cleaning process

2.2 压穴辊设计

2.2.1压穴辊直径

压穴辊由滚筒、压穴柱、轴Ⅰ、轴Ⅱ和端盖组成，如图5所示。压穴辊通过链条带动排种器工作，压穴辊还起到地轮的作用，有经验公式

(11)

式中D1——压穴辊直径，mm

s——株距，mm

δ1——滑移系数

三七播种株距s为50 mm，选取压穴辊与排种器之间的传动比i=2，地轮的滑移系数δ1一般在0.05～0.12之间，选取0.1，由式(11)得出压穴辊直径D1=280 mm。

图5 压穴辊结构示意图Fig.5 Structure diagram of hole pressure roller1.滚筒 2.压穴柱 3.轴Ⅰ 4.轴Ⅱ 5.端盖

2.2.2压穴柱数量及尺寸

设计压穴辊周向压穴柱数量时，既要考虑播种株距，保证两个相邻压穴柱最顶端的弧长为播种株距，又要考虑压穴柱直径，直径太大不利于压出穴孔，直径太小压出的穴孔不明显。由于三七播种的行距和株距均需控制在50 mm×50 mm左右，播种深度为20～30 mm，综上两点考虑，压穴柱设计为圆台形，高度为25 mm，上底直径为16 mm，下底直径为27 mm。压穴辊周向压穴柱数量为20个，两个相邻压穴柱最顶端的弧长为51.81 mm，满足设计要求。

2.3 播种机前进速度

压穴辊与排种器通过链条传动，播种机前进速度由排种轮转速决定，可得

(12)

式中ω1——压穴辊角速度，rad/s

由式(12)可得到播种机前进速度与排种轮转速关系式为

(13)

排种轮转速np在10～30 r/min时充种效果最好，此时前进速度为0.25～0.8 m/s。

2.4 投种分析和投种点位置确定

投种点位置是排种器重要参数之一，投种点位置决定护种板包角大小和清种刀清种点位置；图6为护种板和清种刀安装示意图。

图6 护种板和清种刀安装示意图Fig.6 Schematic of seed-guarding plate and seed-clearing plate1.毛刷 2.护种板 3.排种轮 4.清种刀

投种点处种子的水平初始速度越小，投种精度通常越高，投种点处种子水平初始速度Δv为

Δv=v-vxocosγ

(14)

(15)

式中vxo——排种轮切线速度，m/s

γ——投种角，(°)

由式(14)、(15)可知，当排种轮直径和转速一定时，投种角γ=0°，投种点处种子水平初始速度Δv最小，因此最佳排种点位于排种轮最下端。清种刀将型孔中未脱落的种子清出，清种角μ=5°。

2.5 压穴投种过程分析

图7 压穴投种示意图Fig.7 Schematic of planting by pressing hole

投种点位于排种轮最下端，在投种点处建立直角坐标系，如图7所示，投种点到地面高度为投种高度H1，投种点处三七种子水平移动距离为x1。

建立投种点处三七种子的运动方程

(16)

由式(13)～(16)可求出种子水平移动距离为

(17)

投种高度H1为15～40 mm，排种轮转速np为10～30 r/min，可得投种点处三七种子水平移动距离x1为10～50 mm。

投种点到压穴点的水平距离为x3，根据排种器整体的结构布置，每个种子能恰好落入穴孔中，投种点到压穴点的水平距离为

x3=x1+Ns

(18)

式中N——间隔穴孔的数量

为了避免压穴辊与排种器运动干涉和装配方便，本文选取间隔穴孔的数量N=6，最终确定投种点到压穴点的水平距离x3为310～350 mm。

3 压穴排种性能试验

3.1 试验仪器设备

试验选用云南文山三七种子，试验时所用种子含水率为57%，千粒质量为69.77 g。在土槽上搭建台架试验台，土槽长15 m，试验所需的动力由MS-130ST-M10015型电机提供，功率为1.5 kW。压穴排种试验台如图8所示。台架前进速度由变频器调节，在行走稳定的情况下进行试验。

图8 压穴排种试验台Fig.8 Platform of hole precision seed-metering device1.压穴辊 2.一级传动机构 3.排种器 4.台架 5.连接架

3.2 试验设计与方法

根据前期预试验结果，取压穴柱直径(下底直径)为19～35 mm，前进速度为0.25～0.8 m/s，投种点至压穴点水平距离为310～350 mm。为寻求三因素最佳参数组合，采用三因素二次正交旋转中心组合试验的方法，按照文献[25]进行试验，选取压穴柱直径、前进速度、投种点到压穴点水平距离为试验因素，以入穴合格指数Y1、漏播指数Y2、重播指数Y3及各行排量一致性变异系数Y4为排种器工作性能指标，试验因素编码如表1所示，每组试验重复3次，取均值作为试验结果，每组试验统计两行连续200个穴孔中每穴的粒数及穴孔深度。

表1 试验因素编码Tab.1 Experimental factors and codes

3.3 试验结果分析

3.3.1试验结果

试验结果如表2所示，X1、X2、X3为压穴柱直径、前进速度、投种点到压穴点水平距离编码值。

表2 试验结果Tab.2 Experiment results

3.3.2回归模型的建立与显著性检验

采用Design-Expert 8.0.6软件对数据进行多元回归拟合[26-29]，对试验结果进行回归分析，得到合格指数Y1、漏播指数Y2、重播指数Y3和各行排量一致性变异系数Y4的回归方程。

3.3.2.1合格指数Y1

通过对试验数据分析，多元回归拟合得到各因素影响合格指数Y1的回归模型为

(19)

根据方差分析(表3)可知，该模型的拟合度极显著(P<0.01)。但压穴柱直径和前进速度的交互项(X1X2)、压穴柱直径和投种点到压穴点水平距离的交互项(X1X3)以及前进速度和投种点到压穴点水平距离的交互项(X2X3)的P值均大于0.05，说明以上各项对合格指数的影响不显著，得出相关试验因素对响应值存在二次关系。失拟项不显著(P=0.126 7)，说明不存在其他影响指标的主要因素。剔除不显著因素后的回归模型为

(20)

通过对回归方程系数的检验，得到影响合格指数的因素主次顺序为：压穴柱直径、投种点到压穴点水平距离和前进速度。

3.3.2.2漏播指数Y2

通过对试验数据分析，多元回归拟合得到各因素影响漏播指数Y2的回归模型为

(21)

根据方差分析(表3)可知，该模型的拟合度极显著(P<0.01)。压穴柱直径和前进速度的交互项(X1X2)、压穴柱直径和投种点到压穴点水平距离的交互项(X1X3)以及前进速度和投种点到压穴点水平距离的交互项(X2X3)的P值均大于0.05，说明以上各项对排种漏播指数的影响不显著，得出相关试验因素对响应值存在二次关系。失拟项不显著(P=0.051 9)，说明不存在其他影响指标的主要因素。剔除不显著因素后的回归模型为

(22)

通过对回归方程系数的检验，得到影响漏播指数的因素主次顺序为：前进速度、压穴柱直径和投种点到压穴点水平距离。

3.3.2.3重播指数Y3

通过对试验数据分析，多元回归拟合得到各因素影响重播指数Y3的回归模型为

(23)

根据方差分析(表3)可知，该模型的拟合度极显著(P<0.01)。但前进速度(X2)、前进速度和投种点到压穴点水平距离的交互项(X2X3)的P值大于0.05，说明以上各项对排种重播指数的影响不显著，得出相关试验因素对响应值存在二次关系。

表3 回归方程方差分析Tab.3 Variance analysis of regression equation

注：*表示影响显著(P<0.05)，** 表示影响极显著(P<0.01)。

失拟项不显著(P=0.075 1)，说明不存在其他影响指标的主要因素。剔除不显著因素后的回归模型为

(24)

通过对回归方程系数的检验，得到影响重播指数的因素主次顺序为：压穴柱直径、投种点到压穴点水平距离和前进速度。

3.3.2.4各行排量一致性变异系数Y4

通过对试验数据分析，多元回归拟合得到各因素影响各行排量一致性变异系数Y4的回归模型为

(25)

(26)

通过对回归方程系数的检验，得到影响各行排量一致性变异系数因素的主次顺序为：前进速度、压穴柱直径和投种点到压穴点水平距离。

3.4 各因素对合格指数的影响

通过Design-Expert 8.0.6对数据进行处理，可得到压穴柱直径X1、前进速度X2和投种点到压穴点水平距离X3对合格指数的影响，其响应曲面如图9所示。固定其中某个因素水平，根据响应曲面，分析另外2个因素的相互作用对合格指数的影响。

3.4.1压穴柱直径和前进速度的交互作用

图9a为投种点到压穴点水平距离在330 mm时，压穴柱直径和前进速度的交互作用的响应曲面。可知，压穴柱直径为24.5～29.5 mm、前进速度在0.44～0.61 m/s时，排种器合格指数较高。压穴柱直径一定时，随着前进速度的增大，合格指数先上升后下降。前进速度一定时，随着压穴柱直径的增大，合格指数先上升后下降。压穴柱直径为27 mm、前进速度为0.53 m/s时，合格指数最高。

3.4.2压穴柱直径和投种点到压穴点水平距离的交互作用

图9b为前进速度为0.53 m/s时，压穴柱直径和投种点到压穴点水平距离交互作用对合格指数的响应曲面。可知，压穴柱直径为24.5～29.5 mm、投种点到压穴点水平距离为324～336 mm时，合格指数较高。压穴柱直径一定时，随着投种点到压穴点水平距离增大，合格指数先上升后下降。投种点到压穴点水平距离一定时，随着压穴柱直径增大，合格指数先上升后下降。压穴柱直径为27 mm、投种点到压穴点水平距离为330 mm时，合格指数最高。

3.4.3前进速度和投种点到压穴点水平距离的交互作用

图9c为压穴柱直径为27 mm时，前进速度和投种点到压穴点水平距离的交互作用对合格指数的响应曲面。可知，前进速度为0.44～0.61 m/s、投种点到压穴点水平距离为324～336 mm时，合格指数较高。前进速度一定时，随着投种点到压穴点水平距离增大，合格指数先上升后下降。投种点到压穴点水平距离一定时，随着前进速度增大，合格指数先上升后下降。前进速度为0.53 m/s、投种点到压穴点水平距离为330 mm时，合格指数最高。

图9 交互因素对合格指数影响的响应曲面Fig.9 Response surface of interaction factors affecting qualified index

3.5 最佳参数优化

设定合格指数大于90%，重播指数小于5%，漏播指数小于5%，优化得到最佳参数范围如图10所示。在投种点到压穴点水平距离为330 mm时，黄色区域为参数优化区域，即前进速度为0.44～0.61 m/s、压穴柱直径为24.5～29.5 mm时，合格指数大于90%，漏播指数小于5%，重播指数小于5%。

图10 参数优化分析Fig.10 Parameters optimum analysis

对于优化后的结果进行试验验证。在相同的试验条件下选取压穴柱直径为27 mm，前进速度为0.53 m/s，投种点到压穴点水平距离为330 mm，进行3次重复试验，得到合格指数平均值为93.25%(大于90%)，漏播指数平均值为3.18%(小于5%)，漏播指数平均值为3.57%(小于5%)，试验结果与优化结果相符。

3.6 播种深度一致性试验

在二次旋转正交组合试验基础上，对播种深度一致性进行了试验验证，选取压穴柱直径为27 mm，前进速度为0.53 m/s，投种点到压穴点水平距离为330 mm，进行排种性能试验，统计两行连续200个穴孔深度，测量3次，试验结果如表4所示。

由表4可知，播深合格指数均值均大于90%，且均值差异为6.1%，差异较小，压穴一致性较好。

表4 播种深度一致性试验结果Tab.4 Test result of consistency of seeding depth

4 田间试验

在三七压穴精密排种装置基础上，研制了2BQ-15型三七精密播种机，图11为整机结构简图，该播种机由汽油机提供动力，依靠离心式摩擦离合器和皮带张紧机构等完成整机前进和停止；播种机工作时，闭合胶带张紧机构，汽油机动力由带传动机构带动地轮转动，播种机向前行驶，压穴辊转动压出穴孔，排种器排出的种子落入穴孔，即完成整机播种。

图11 整机结构简图Fig.11 Structure diagrams of whole machine1.把手 2.汽油机 3.汽油机支架 4.地轮 5.离心式摩擦离合器 6.连接架 7.胶带张紧机构 8.带传动机构 9.机架 10.压穴辊 11.一级传动机构 12.二级传动机构 13.种箱

该播种机播种行数为15行，压穴柱直径为27 mm，投种点到压穴点水平距离为330 mm，为验证压穴精密排种装置性能，分析排种器各行排种性能一致性和总排种量稳定性，进行整机田间试验，如图12所示。表5为不同作业速度下播种机播种性能参数，该机型通过了云南省农业机械产品质量监督检验站检测。

由表5可知，在不同的作业速度下，播种机合格指数先升高后降低，在作业速度为0.35 m/s时，合格指数最高为93.5%；总排种量稳定性变异系数总体呈增大趋势，且波动范围较小；随着作业速度增加各行排种一致性变异系数呈增大趋势，且波动范围较大。

5 结论

(1) 设计的三七压穴精密排种器，集成了压穴和播种两大功能，结构紧凑，避免了传统开沟方式，减小了土壤的扰动，降低了排种阻力，针对不同尺寸的种子，可更换不同型孔尺寸的排种轮来满足播种要求。

(2) 采用二次旋转组合试验方法进行试验，并对试验结果进行方差分析，得出影响合格指数的主次顺序为压穴柱直径、投种点到压穴点水平距离和前进速度。

图12 2BQ-15型三七精密播种机田间试验Fig.12 Field experiment of 2BQ-15 type precision planter for Panax notoginseng

作业速度/(m·s-1)合格指数/%总排种量稳定性变异系数/%各行排种一致性变异系数/%0.2592.30.601.840.3593.50.662.690.4592.50.682.400.5589.60.573.020.6588.40.758.36

利用Design-Expert 8.0.6软件进行数据优化处理，以合格指数、漏播指数、重播指数为评价指标，得出最佳参数为：投种点到压穴点水平距离330 mm，前进速度0.44～0.61 m/s，压穴柱直径24.5～29.5 mm，此时合格指数大于90%，漏播指数小于5%，重播指数小于5%，经试验验证，与优化结果基本一致。

(3)为了验证优化结果的准确性，通过整机田间试验，得到2BQ-15型三七精密播种机在作业速度为0.35 m/s时，播种机合格指数最高，为93.5%，满足三七播种农艺要求。