点胶-纸带式胡萝卜排种器的设计与试验①

秦青青， 张艳丽， 牛国玲， 石统宇， 朱世伟

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引 言

我国蔬菜的种植模式一般是人工撒播或者机械式条播。采用人工种植，增加劳动成本，种植效率低下。而采用机械化种植，降低了劳动强度，提高了工作效率，机械化程度已逐渐成熟。但是针对小粒蔬菜的机械化种植却并不完善，胡萝卜独特的外形，传统的机械化播种机并不能有效地控制播种量，一次播种单粒或者多粒种子，造成排种不均匀的现象。针对上述问题，采用纸带播种技术是解决问题的有效途径之一。纸带技术最初是由日本的水稻覆膜技术演变而来，近年来，我国学者根据国内农作物的种植需求进行了进一步的研究。李秀,王家胜等学者研究了种子带编织机技术[1]。该技术是利用种子编织机将种子均匀地播种在可降解的纸带上，然后再把包有种子的纸带绕成绳后缠绕成辊，再根据农作物的深度和行距埋在土壤里，从而解决了单粒精密播种的问题。沈延斗，张峰提出了种子编织带播种技术[2]。该技术是将不规则的小颗粒种子用种子丸粒化机加工成规则的种子，再用编织机将种子按照农艺要求编织在纸带中形成编织带，最后再用多功能播种机将种子带播种在土壤中。这对于研究小粒蔬菜的均匀排种具有参考价值，在可降解的纸带上覆上一层粘结剂，通过排种装置把胡萝卜种子播种到纸带上，既保证种子间留有一定的间距和行距，省去日后间苗这道工序[3]，使得排种量均匀，又避免种子的浪费，因此研制一种点胶-纸带式胡萝卜播种机具有较好的实用价值。

1 整机结构及工作原理

纸带胡萝卜播种机整机如图1所示。设定点胶-纸带式胡萝卜播种机的外形尺寸为950*640*40；株距为110-150mm；行距为150-200mm；作业速度为0.5-0.8m/s；排种转速为5-20r/min。工作原理如下：

(1)在播种作业前，调节播种机两侧的螺栓，向下移动开沟器，插入土里的深度约为3cm。播种机的左侧传动电机与右侧传动电机分别通过链传动把动力输出到镇压轮上，再通过二次链传动传输到平衡轮上，使得左右两侧同速，实现播种机的运动。

(2)在纸带架上放置宽为18mm的长形滚筒纸带，置于播种机的前端，并把纸带的初端固定在土里，机板上的纸带随着播种机一起运动。在距离纸带架200mm的上方安装一个电动推杆，电动推杆推着点胶管向下运动。当点胶管前端的滚珠与纸带接触挤出胶管内的胶水，接近开关感应到滚珠与纸带接触，并把电压信号反馈给控制系统，电动推杆缩回，完成一次点胶的动作。

(3)点完胶水的纸带继续向前运动。排种器安装在距离点胶装置200mm处的上方，当吸气泵抽取排种器内部的空气形成负压，把播种盒里的种子吸附在种口上，排种电机带动排种器转动。当排种器与内置的重心盘接触时，重心盘堵住吸种口，使其失去压力，在重力的作用下掉落在纸带的粘结处。

(4)在距离排种装置100mm处的下方安装由电机驱动的张力辊和导向辊。纸带经过张力辊时，张力辊下方的张力传感器检测到纸带的张力，并把信号反馈给控制系统，并与预设值做比较，反馈电压信号。调节传动电机的转矩并控制播种机的速度，从而达到调整张力的目的。纸带随着导向辊向下运动落在播种沟里，镇压轮镇压开沟器两侧的土壤完成覆土。

1.把手 2.控制柜 3.电源4.吸气泵 5.播种盘电机 6.排种器7.播种盒 8.点胶装置 9.机架 10.纸带架11.平衡轮12.传动装置 13.开沟器 14.纸带 15.张纸装置 16.镇压轮 17.传动电机

2 关键部件设计

2.1 点胶机构设计

点胶机构如图2所示，电动推杆用螺栓固定在铝型材框架上，处于竖直状态，点胶架内的弹簧套在点胶管的前端。播种机在运动时，电动推杆推着点胶管往下运动，点胶嘴的滚珠与纸带发生接触产生摩擦，使滚珠在滚珠座内滚动，挤出胶管内的胶水落在纸带上，同时接近开关感应到滚珠与纸带接触，并把信号反馈给控制系统，并控制电动推杆缩回，完成点胶的动作。为了防止电动推杆的行程超过点胶嘴的运动范围而把纸带戳破，在点胶管的前端加了一截弹簧来减轻滚珠对纸带的力度。

2.2 排种器设计

排种器是纸带式胡萝卜播种机的关键部件，该机构参数的设计影响到排种量。如图4所示，重心盘是由铁质材料构成，它一直位于种盘的底部，呈相切状态。吸气泵的吸气口与排种器的进气口相连，抽取排种器内部的空气形成负压，将播种盒上的种子吸附在种口上，排种电机带动排种盘转动。当种口与内置的重心盘接触时，重心盘堵住种口失去压力，在重力作用下掉落在纸带上，完成一次排种作业。排种盘的主要参数包括排种盘外径与宽度、型孔的尺寸与数量、排种盘转速等。气吸式排种盘如图5所示，排种盘的外径是排种器的重要参数，决定了充种的时间和效果,其关系式为[4]：

1.铝型材框架 2.电动推杆 3.胶管 4.点胶架5.弹簧 6.滚珠

1.纸带2.粘结剂范围3.胡萝卜种子

(1)

式中：β为充种角，(°)；n为纸带前进速度，m/s；m为型孔数量；k为种子间的株距，m。

由(1)式可知在排种盘角速度、排种盘转速、纸带前进速度和株距一定的条件下，充种角β越大，充种时间就越长，保证了充足的吸附力，那么充种效果也就越好；但是在播种盒容量一定的情况下，排种盘外径越大，充种角角β越小，充种时间越短，则充种效果就越差，根据各种因素的考虑，排种盘的外径为150mm，厚度为30mm，排种盘转速n为5-20r/min[8]。其中A为吸种区、B为护种区、C为投种区，D为过渡区。

胡萝卜种子的物理特性对均匀排种有一定的影响，因此需要测量胡萝卜种子的三维尺寸，球形率等物理特性[6]，采用游标卡尺来测量种子的三维尺寸大小，误差精度为0.02mm，其中球形率φ与三维尺寸的关系[7]如下。其测量结果的最大值、最小值、等效直径、平均值和球形率如表1所示。

1.播种盒 2.进气口 3.排种盘4.轮盖5.排种电机轴孔 6.负压腔 7.重心盘

1.纸带2.胡萝卜种子3.排种盘

(2)

式中：L为种子的长径，mm；W为种子的短径，mm；T为种子的厚度，mm；D为等效直径，mm；φ为球形率，%。

表1 胡萝卜种子的三维尺寸数据统计

由表1的尺寸参数可知：胡萝卜的球形率不高，因此在种盘上设计类似椭圆形的种口。为了避免种子在负压的作用下进入排种盘的内部，种口尺寸小于胡萝卜种子的尺寸，则设种口的长径为2.9mm、短径为1.2mm、种子的厚度为0.3mm，种口直径为1.2mm。在排种量不变的情况下，种口数量越多，排种转速越低，种子吸附在投种区的时间就越长，排种效果也就越好，型孔数量计算公式[8]如下：

(3)

根据胡萝卜的播种农艺，株距设置为12cm，代入(3)可得型孔数量取26-50个，综合考虑，吸种口数量取36个。

3 试验

3.1 试验材料与方法

试验于2021年6月20日在黑龙江省佳木斯大学科技园试验基地进行，试验场地为砂土壤，含水率为12%，空气温度为27℃。为了试验方便采用畦作单行播种，已提前将土壤进行碎土，无杂草，播种行距为150mm，株距为120mm，播种深度为30mm，播种机行驶的速度为0.8m/s。选择九寸三红胡萝卜作为试验对象，有纸带、糯米胶水、直尺等辅助试验材料。试验的主要目的在于探究吸种负压、排种盘转速、投种高度这三个影响因素对纸带胡萝卜播种机播种质量的影响规律。按照《单粒(精密)播种机试验方法》中的有关内容，确定了合格指数、重播指数、漏播指数为评价指标[9]。其计算公式[10]如下：

(4)

(5)

(6)

式中：A为合格指数；n1为株距满足播种农艺的种子数量；N,为试验种子总数；D为重播指数；n2为重播的种子数量；M为漏播指数；n3为漏播的种子数量。

3.2 试验结果和分析

根据多次的试验及吸气泵提供的负压情况，设定吸种负压范围为-1.5～-3.5kPa，排种转速范围为5～20r/min，投种高度为5～30mm，选取不几个不同的因素水平，采用控制变量法进行单因素试验，获得了影响排种性能的较优参数范围：吸种负压为-2.5～-3.5kPa、排种器转速为11～17r/min、投种高度为5～15mm，在此基础上进行三因素三水平正交试验，各因素水平设计如表2所示，排种试验结果如表3所示，分析结果如表4所示。

表2 正交试验因素水平

表3 试验结果

表4 分析结果

由表4可知：播种机排种的合格指数因素的主次顺序依次为B>A>C，较优组合为A3B3C2；重播指数因素的主次顺序依次为B>A>C，较优组合为A3B3C1；漏播指数因素的主次顺序依次为A>B>C，较优组合为A3B3C2，综合考虑，选择的较优组合为A3B3C2，即吸种负压为-3.5kPa，排种转速为17r/min，投种高度为10mm，合格指数为74.4%、重播指数为15.67%、漏播指数为9.93%。

4 结 论

针对胡萝卜种子籽粒小、质量轻等特点导致排种不均匀的问题，在现阶段的播种机研究的基础上，设计了一种点胶-纸带式胡萝卜播种机，通过理论分析确定关键参数并进行单因正交试验，得到各参数对排种性能的影响，从而确定了播种机工作的最佳参数：吸种负压为-3.5kPa，排种转速为17r/min，投种高度为10mm，在此条件下进行较优水平组合试验，得出排种合格指数为74.4%、重播指数为15.67%、漏播指数为9.93%，降低了种植成本，为小粒蔬菜地均匀播种提供了重要参考。