油莎豆排种器的试验研究

王佳奇,彭 飞，姜彩宇，王新阳，刘文亮，张 亮

（吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022）

0 引言

油莎豆原产于非洲北部地中海沿岸,具有产量高、适应性广、抗逆性强等特点，是一种优质高产，集粮油、牧、饲于一体的经济作物。油莎豆干豆产量可达500~600 kg/667 m2，含油量高达20%~30%,单位面积产油量在120 kg/667 m2以上，单位面积产油量是大豆的4倍、油菜的2倍、花生的1.5倍［1］。油莎豆油富含多种维生素和不饱和脂肪酸,综合营养价值可媲美橄榄油［2］。油莎豆种植面积逐年增加。据不完全统计,目前全国油莎豆种植面积约为1.67万hm2，种植区域包括新疆、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、河北、山东、河南、湖北等省、自治区。油莎豆能防风固沙，有利于沙漠的生态修复,而生态修复是缓解和恢复中国北方土地沙漠化的有效途径之一，因此，油莎豆的推广种植对提高沙土地、荒地及盐碱地等边际土地的综合利用具有重要意义［3］。

目前，我国大多数地区油莎豆播种以机械式和半机械式作业方式为主，排种器多是由花生或玉米等作物的排种器改制而成，但油莎豆尺寸较大，种皮凹凸不平，存在播种效率低下、机械化播种难和破损率高等难题，无法满足油莎豆规模化播种的需求，很大程度上阻碍了油莎豆的推广应用［4］。卢玉伦等［5］设计出了一款窝眼轮式排种器，对窝眼轮式排种器的关键部件进行了参数设计，解决了由于油莎豆种皮凹凸不平而导致的摩擦力较大、充种效果差、充种过程中极易堵种等难题。针对盐碱地油莎豆播种机械的研发相对较少，其中河北农业大学机电工程学院研制的气吸式油莎豆精量铺膜播种机较为理想，该播种机采用气吸式排种器，能够适应不同种类和直径大小的种子，并对种子有较好的保护作用，基本上实现了开沟、单粒精播、覆土、铺膜等工序一次性完成，具有易调整、操作简单等特点［6-7］。但是该机械的气吸式排种器结构较为复杂，存在气吸室真空程度、吸种孔径大小等影响性能的因素［8-11］，因此大力开展多功能播种机的试验研究，进一步提高农业机械科技含量和工作效率是当前油莎豆机械化播种研究的重点［12］。本文对气吸式油莎豆排种器的排种盘进行了改进和相关试验，有效地做到了避免重吸，并同时对指夹式和毛刷式排种器做出相应的优化改进，以期为多功能播种机的试制提供更多选择。

1 油莎豆的物理特性

1.1 油莎豆的三轴尺寸

试验材料：选用吉林省前郭县前龙坑村油莎豆示范基地所种植的油莎豆，样品为2020年10月收获期所采集的已完全成熟的油莎豆块茎（图1）。

图1 油莎豆籽粒实物图

测试工具：精度为0.01 mm的数显游标卡尺。

试验方法：将油莎豆籽粒轴向截面最大尺寸定为长度L；轴向截面内与长度垂直的最大距离定义为宽度W；将所有与轴向截面垂直的面上的最大长度定义为高度H。

随机选取5组油莎豆，每组10个，分别对其长、宽、高进行测定，并计算出每组油莎豆长、宽、高各自的平均值，再根据测量结果和公式依次计算出油莎豆籽粒的三轴平均径和几何平均径。

（1）油莎豆籽粒三轴平均径计算公式为：

（2）油莎豆籽粒几何平均径计算公式为：

式（1）和式（2）中：Da为油莎豆籽粒三轴平均径（mm），L为油莎豆籽粒长度（mm），W为油莎豆籽粒宽度（mm），H为油莎豆籽粒高度（mm），Dg为油莎豆籽粒几何平均径（mm）

由表1可知，5组油莎豆籽粒平均长、宽、高分别为 13.59、13.20、11.37 mm，三轴平均径平均值为12.72 mm，几何平均径平均值为12.68 mm。

表1 油莎豆籽粒三轴尺寸试验结果 mm

1.2 油莎豆的千粒重

测量方法：采用百粒法随机抽取测定样品［13-14］。

试验时选取干净、无根须、无破损、不黏带土壤的干净油莎豆若干，以100粒为1组，共取8组油莎豆作为此次试验的物料。用精度为0.01 g的电子天平对每组油莎豆进行称重，并记录数据（表2）。

表2 油莎豆百粒质量 g

通过平均值和标准差计算求得油莎豆百粒质量的变异系数为2.57%（＜4%）。故可以用8次重量数据的平均值计算出油莎豆的千粒重为1386.79 g。

1.3 油莎豆的含水率

含水率主要通过种子中的水分重量和总重量之比进行计算［15］。本研究采用直接烘干法进行测量，先将空铝盒称重记作M1，然后在铝盒中添加10粒种子再称重记作M2，接着进行加热烘干处理，待加热烘干至恒重，称其重量记作M3，含水率计算公式为：

经计算油莎豆籽粒样品的平均含水率为38.98%。

1.4 油莎豆的动、静摩擦系数及休止角

1.4.1 油莎豆的动、静摩擦系数 参照李雪珍等［16-17］的研究对动、静摩擦系数进行测定。试验时将油莎豆放置在角度较缓的斜面上，通过缓慢摇动手柄来改变斜面的角度，当物料刚开始产生滑动时的斜面倾角为静滑动摩擦角，继续摇动手柄使物料开始沿斜面匀速下滑，此时的角度为油莎豆的动摩擦角（图2）。试验测得油莎豆与钢板之间的动摩擦系数为0.36，静摩擦系数为0.28。

图2 油莎豆动、静摩擦系数测量

1.4.2 油莎豆休止角 休止角是指散粒物料从一定高度自然连续地下落到平面上时，所堆积成的圆锥体母线与底平面的夹角［18］。本试验采用注入法测量油莎豆的休止角［19-20］。试验时选取足够的油莎豆物料从锥形容器上端缓缓注入，物料从容器底部豁口流出，待物料堆积高度无明显变化时停止注入物料。物料停止流动后倾斜面与水平面的夹角即为此次试验要测的休止角（图3）。试验时取5次试验结果的平均值，最终测得油莎豆物料休止角为28.80°。

图3 注入法测量油莎豆休止角

2 试验台设计及工作原理

机架上设置驱动电机，电机通过链轮链条带动主动轴转动，主动轴通过链轮链条带动排种器旋转，通过电机调速器控制电机转速来调整排种器的转速。负压风机设置在机架座板上，负压风机通过软管连接风管，风管通过软管连接气吸排种器，通过直流电源调节器控制风机转速从而控制负压。机架上设有排种计数器，排种计数器监控探头设置在气吸排种器的排种管上，对排种器落种进行监控计数。机架下方装有传送带，传送带转动模拟排种器在田间行走，通过测量株距和落种数来判定重播漏播（图4）。

图4 试验台结构简图和实物图

3 3种排种器的对比试验

3.1 气吸式排种器的排种盘改造

现有排种盘的吸附面为平面，不利于油莎豆这种圆形种子吸附，根据油莎豆的大小及形状把现有的吸附面改造成外径为13 mm，高度为5.5 mm的锥形孔，这样在排种盘上形成了1个型孔，油莎豆大概有1/3的表面卧到型孔里，不仅增加了油莎豆与排种盘的摩擦力，而且还避免了重吸。改造后的排种盘，漏播率低于改造前，通过试验观察未出现重吸现象（图5）。

图5 气吸式排种器排种盘改造图

3.2 气吸式排种器的试验

气吸式排种器采用自制的排种盘通过对排种盘的孔径、负压、转速这3个因素进行正交试验，探究得到气吸式排种器的最佳工作参数。根据油莎豆的三轴尺寸、千粒重以及油莎豆播种机的作业速度要求分别把排种盘孔径设为6.0、6.5、7.0 mm 3个水平，负压设为4.5、5.0、5.5 kPa 3个水平，转速设为25、30、35 r/min 3个水平进行正交试验。利用Design Expert 8.0.6软件对数据进行分析拟合。分析发现各因素对漏播率的影响大小依次为：气吸盘孔径＞转速＞负压，即当孔径为6.5 mm、转速25 r/min、负压6.5 kPa时的漏播率最低，为0.44。合格率线性模型绝对系数R2为0.9969，说明回归方程的拟合度为99.69%，可以用来进行试验预测。

通过正交实验以及Design Expert 8.0.6软件对试验数据的分析得到影响漏播的最优参数组合。为降低试验组数少而造成的数据分析不准确以及验证上述正交试验的结果，现抽取3组漏播率较小的参数值，第1组：孔径6.5 mm、转速25 r/min、负压6.5 kPa；第2组：孔径6.5 mm、转速35 r/min、负压6.5 kPa；第3组：孔径6.5 mm、转速45 r/min、负压6.5 kPa，再分别进行10次台架试验取其结果平均值，其试验数据如表3所示。

表3 气吸式排种器的试验结果

通过这3组试验得出的预测数值和Design Expert 8.0.6软件预测数值相接近，可以相互印证，并且随着转速即播种速度的增加，漏播率也逐渐增大，当转速为25 r/min即播种速度在4 km/h时漏播率最低，播种效果最好。

3.3 指夹式排种器的试验

指夹式排种器多用于玉米播种，因其播种速度最快可达8 km/h，播种效率非常高，所以先通过调整指夹式排种器的指夹张口角度来适应油莎豆这种圆形或椭圆形种子，通过调节毛刷距离指夹片的距离来调控重播率和漏播率并进行播种试验，进而验证油莎豆是否适用于指夹式排种器。然后进行单因素试验，在张口角度及毛刷距离不变的前提下，分别进行转速为55、65、75 r/min，即播种速度分别为6、7、8 km/h的试验，每组试验重复10次取其平均值（表4）。通过试验可以看出，随着转速的增加，漏播率呈现出明显下降的趋势，重播率并无明显变化，其中重播率均小于15%，漏播率均小于8%，满足《单粒（精量）播种机技术条件》（JB/T 10293—2013）中的参数指标［21］。

表4 指夹式排种器的试验结果

3.4 毛刷式排种器的试验

毛刷式排种器多用于播种高粱、谷子、黄豆、绿豆、花生等杂粮，通过改换不同的排种盘可以对不同的作物进行播种。该排种器结构简单，在腔体内圈装有毛刷，蓝色毛刷起到顶种的作用，充种区的黑色毛刷则保证把进入排种盘型孔的多余种子刮掉从而确保单粒精播，投种区的黑色毛刷能够确保排种盘型孔上的种子在投口中降落而不落入到排种器内腔（图6）。

图6 毛刷式排种器内腔图和排种盘结构示意图

本次试验首先采用花生盘来试验（因并没有油莎豆专用盘，所以选用型孔较大的花生盘）（图7）。其试验结果如表5所示。

图7 花生排种盘及局部放大图

表5 毛刷式排种器的试验结果

通过试验可以看出，使用花生排种盘的重播率较高，通过观察与分析可知，花生排种盘的型孔过大，进而导致遇到稍小的油莎豆种子存在1孔2粒的情况，从而使重播率过高，针对此问题应重新制作更合适的型孔。根据油莎豆的3种尺寸对型孔进行重新设计，把花生盘的边长20 mm×10 mm的型孔改为15 mm×10 mm，使该型孔内只能进入1颗油莎豆种子，从而降低重播率。本研究采用3D打印技术对排种盘进行重新建模、重新打印（图8）。

图8 改进后的排种盘及局部放大图

再次重复上述试验，其试验结果如表6所示。

由表6可知，通过更换排种盘重播率明显降低，说明针对于油莎豆的物理特性而制作的排种盘的播种效果明显优于花生盘，并满足《单粒（精量）播种机技术条件》（JB/T 10293—2013）中的参数指标［21］。

表6 改进后毛刷式排种器的试验结果

4 3种排种器试验对比分析

4.1 同一播种速度下3种排种器的播种效果对比

由图9可知，当播种速度均为6 km/h时，气吸式排种器的合格率最高，为92.71%，其次是毛刷式排种器的合格率为91.00%，最后是指夹式排种器的为86.85%；在重播率方面，气吸式排种器做到无重播，指夹式排种器的重播率为5.25%，毛刷式排种器的重播率为5.40%；在漏播率方面，毛刷式排种器最低为3.50%，其次是气吸式排种器为7.29%，指夹式排种器漏播率最高为7.90%。

图9 3 种排种器试验结果对比

4.2 不同播种速度变化下3种排种器的播种效果对比

4.2.1 气吸式排种器的播种效果变化 由图10可知，气吸式排种器的合格率随着播种速度的增加而降低，漏播率随着播种速度的增加而升高，在播种速度达到7 km/h时，其合格率最低，漏播率最高，但也能满足《单粒（精量）播种机技术条件》（JB/T 10293—2013）中的参数指标［21］。

图10 不同播种速度下气吸式排种器的播种效果对比

4.2.2 指夹式排种器的播种效果变化 由图11可知，指夹式排种器的合格率随着播种速度的增加而增大，重播率随播种速度的增加并没有明显变化，漏播率随着播种速度的增加呈现出明显减小的趋势。在播种速度最高为8 km/h时，其播种效果最好，合格率为89.96%，重播率为5.72%，漏播率为4.32%。

图11 不同播种速度下指夹式排种器的播种效果对比

4.2.3 毛刷式排种器的播种效果变化 由图12可知，毛刷式排种器的合格率随着播种速度的增加而降低，重播率随着播种速度的增加而升高，漏播率随着播种速度的增加呈先升高后降低的变化趋势。在播种速度为6 km/h时，其播种效果最好，合格率为91.1%，重播率为5.4%，漏播率为3.5%。

图12 不同播种速度下毛刷式排种器的播种效果对比

5 结论与讨论

本文主要对油莎豆的物理特性进行分析，在充分了解油莎豆的三轴尺寸以及千粒重等各项物理特性后，采用3种不同的排种器进行试验，并在试验过程中对其相关部件进行改进优化使其更加适合油莎豆的播种。试验中发现，气吸式排种器使用改装后的排种盘效果最好，该排种盘能够做到有效避免重播，并且漏播率最低达到0.48%，唯一的不足是排种器的播种速度比较慢，只有4 km/h；随着该排种器播种速度的加快，其漏播率有所升高，在播种速度为7 km/h时，其漏播率为7.29%，仍然满足了《单粒（精量）播种机技术条件》（JB/T 10293—2013）中的参数指标［21］。毛刷式排种器在播种效果上不如气吸式排种器，但其在高速作业时排种效果稳定，使用3D打印的油莎豆排种盘在播种速度为6 km/h时，重播率为5.4%，漏播率为3.5%，排种效果最好。指夹式排种器在本次试验中虽然也能够满足《单粒（精量）播种机技术条件》（JB/T 10293—2013）中的参数指标［21］，但其漏播率也相对较高，随着转速的增加漏播率也有所降低，在播种速度为8 km/h时，重播率为5.72%，漏播率为6.32%，指夹式排种器适用于高速作业，但对于圆形大粒种子来说不如玉米的播种效果好。

本研究也存在一定的不足，排种器应保持在稳定播种效果的前提下保证作业效率，比如本次研究的气吸式排种器在低速行驶时，作业效果非常好，但是随着播种速度的加快其播种效果也随之下降；本次试验指夹式排种器的漏播率相比其他2款排种器略高，后续的研究可以针对油莎豆重新设计1款专用指夹来提高种子的夹持率，从而降低漏播率。