气吹供种滚筒式播种机取种性能的试验研究

李俊伟 ，杨文伟，马亚鹏，胡　斌

(石河子大学 机电学院，新疆 石河子　832003)



气吹供种滚筒式播种机取种性能的试验研究

李俊伟 ，杨文伟，马亚鹏，胡斌

(石河子大学 机电学院，新疆 石河子832003)

摘要：针对现有番茄穴盘育苗播种机空穴率多、单粒率少，难以满足尺寸小、外形不规整、流动性差的加工番茄种子“一穴一粒”精量播种技术要求的规状，创新设计了一种基于气吹供种方式的滚筒式番茄育苗播种机。以此为基础搭建了基于气吹供种方式的滚筒式育苗播种试验装置，并以单粒率、空穴率、多粒率为试验评价指标，试验探究了主要因素(种箱气室正压力、孔径、滚筒转速) 对主要评价指标的影响规律。试验结果表明：影响取种性能质量指标的主次关系依次为种箱气室正压力、孔径、滚筒转速；影响取种性能质量指标最优组合：当种箱气室正压力为2kPa、孔径为1.2mm、转速为14r/min时取种综合效果效果较理想。

关键词：育苗播种机；气吹供种；取种性能；滚筒式

0引言

加工番茄是新疆主要的经济作物，其种植规模(新疆近3年稳定在10.67万hm2以上)和制品出口量占全国的90%以上、世界的30%[1]。目前，新疆番茄种植主要采用穴盘育苗技术[2]。育苗播种是育苗移栽的关键环节之一，穴盘育苗播种器是穴盘育苗精量播种机的核心部件，按结构原理分为机械式和气吸式。其中，气吸式播种机利用气流取种、携种、清种和投种，具有生产率高、种子适应性强和不伤种等优点，是精密播种器的研究方向[3-6]。

国内外气吸式穴盘育苗播种器的研发主要以外形规整或丸粒化的种子为研究对象，而丸粒化种子价格高(一般为非丸粒化种子的5～8倍)，难于被广大农户接受。面对以尺寸小、外形不规整、流动性差为主要特征的加工番茄种子(非丸粒化)，仅通过改变取种气室和吸种孔结构参数和气动参数无法满足其“一穴一粒”的精量播种技术要求。新疆番茄穴盘育苗播种主要以人工作业为主，生产效率低、劳动强度大、用工成本高，直接制约了番茄机械化育苗技术的应用于推广。

针对现有育苗播种机空穴率多、单粒率少，难以满足尺寸小、外形不规整、流动性差的加工番茄种子“一穴一粒”精量播种技术要求的现状，从改善种子流动性和种子吸附瞬间的空间位置姿态稳定性入手，提出气吹供种的新思路，设计了一种基于气吹供种方式的滚筒式番茄育苗播种机。为探究影响其取种性能的主要影响因素，研制气吹供种方式的滚筒式育苗播种试验装置，根据多次重复试验，确定三因素四水平进行正交试验。同时，利用Spss统计分析软件对试验结果进行了极差分析和方差分析，得出影响取种性能质量指标最优组合。

1结构及其工作原理

1.1结构组成

基于气吹供种的滚筒式育苗播种器结构示意图如图1所示。其特点是种箱中种子采用气吹供种方式。供种板上种子在重力作用下沿着引导板滑动到滚筒吸孔附近，吸孔附近种子在种箱气室正压作用下，产生近似的悬浮状态，种子间接触减少，相互分离呈沸腾状态，便于滚筒吸种。

1.2工作原理及过程

工作时，变频器调整电机通过链传动带动滚筒顺时针转动和输送带传动；吸吹两用涡旋气泵负压气路连接支撑滚筒的负压轴，正压气路连接供种板下方正压室；通过负压轴往滚筒内腔通负压，滚筒表面吸孔同负压相通，吸孔通过两侧负压差的作用吸附种子；滚筒绕负压轴顺时针转动过程中先经过左侧种子箱下方滚筒刷清理滚筒壁上的杂物，再经过气吹式种子箱，种箱内供种板上的种子在正压气室的作用下在供种板“沸腾”跳动；此时，滚筒经过供种板时吸孔取种， 经过滚筒刷时清理种子，种子掉落在输送带运送过来的穴盘上，依次进行下一个循环。

1.电机　2.变频器　3.输送带　4.种箱　5.种箱供种板

2播种器取种性能的试验研究

2.1试验设备及材料

试验采用的主要设备为本项目研制的气吹供种滚筒式播种机试验样机，如图2所示。对于吸种滚筒，考虑到所匹配的穴盘为8×16的穴盘，滚筒横向打孔8列。

图2　试验样机

试验所采用的是穴盘8×16，穴盘整体尺寸为532mm×278mm。

试验材料：里格尔87-5番茄种子，纯度96%、净度98%、发芽率>85%、水分<7%。

试验仪器：本试验采用的仪器如表1所示。

表1　试验仪器

2.2试验方法

本试验选择4种孔径的吸孔进行。外喇叭吸孔在滚筒上分布情况从左到右依次为：①、②φ1.0mm；③、④φ1.2mm；⑤、⑥φ1.5mm；⑦、⑧φ1.8mm。利用高速摄像对滚筒吸孔取种结果进行分析可知：工作时，滚筒播种器绕负压轴顺时针转动过程中先经过左侧种子箱下方滚筒刷清理滚筒壁上的杂物；其次经过气吹式种子箱，此时滚筒式播种器在负压差的作用下经过供种板时吸孔取种；1圈之后又经过滚筒刷时清理种子，种子掉落在输送带上，输送带的一头放置接种盒收集种子。试验前对滚筒的周向16个吸孔做标记(1，2，…，16)，如图3所示。用高速相机记录3min内滚筒吸孔的取种情况为1组，从其中随机统计4圈滚筒吸孔取种数据，重复3组试验取平均值。

图3　滚筒标记

2.3试验方案

2.3.1试验指标

参考国家农业部关于精密播种的具体要求[7]，本次试验指标为单粒率、空穴率及多粒率。

2.3.2试验因素

对于吸种滚筒，考虑到所匹配的穴盘为8×16的穴盘，滚筒横向打孔 8列。因此，本试验选择4种孔径的吸孔进行。外喇叭吸孔在滚筒上的分布情况从左到右依次为：①、②φ1.0mm；③、④φ1.2mm；⑤、⑥φ1.5mm；⑦、⑧φ1.8mm。预试验结果表明：滚筒转速不宜超过 20 r/min(线速度为 0.18 m/s)，所以滚筒转速取10、12、14、16r/min等4种水平；种箱气室正压力取1、2、3、4kPa等4个水平。对于四水平、三因素的试验安排不考虑交互作用的影响，选用 L16(43)正交表进行正交试验。因素水平表如表2所示。

表2　因素水平表

2.4试验结果分析

2.4.1试验结果统计

根据试验的实施，结果统计如表3所示。

表3　试验结果

2.4.2试验结果的方差分析

对表3的试验结果进行方差分析，如表4、表5、表6所示。

表4　单粒率方差分析表

由表4可以看出：对于上述番茄育苗播种试验样机而言，从单粒率来说，FA>F0.05(3,5)=5.41,说明孔径对于样机单粒率的影响是高度显著的，可信度为95%；F0.1(3,5)=3.62

表5　多粒率方差分析表

由表5可以看出：从多粒率来说，FA>F0.05(3,5)=5.41,说明孔径对于样机多粒率的影响是高度显著的，可信度为95%。

表6　空穴率方差分析表

由表6可以看出：F0.1(3,5)=3.62

综上所述可知：结合播种机的农艺技术要求，对于取种性能指标，单粒率越高越好，多粒率和空穴率越低越好。由表6可知：种箱气室正压力对空穴率的影响最为显著，各个水平对单粒率和多粒率的影响相差不是很大，选择第2水平空穴率最低，所以种箱气室正压力选择第2水平较好；其次，孔径选择第2水平，单粒率达到最高值，空穴率降到最低，虽然孔径的第1水平比第2水平多粒率要好，但相差影响并不是很大，所以孔径第2水平为最优值；从极差分析取种性能的3个指标转速影响都是最小的，三水平较四水平单粒率和空穴率都达到了最优值，多粒率差值并不大，所以转速选择三水平。综上分析，取种质量性能的指标最优组合是B2>A2>C3，即种箱气室正压力2kPa、孔径1.2mm、转速14r/min。

2.4.3实验结果的加权综合评分分析

为了兼顾各项指标的得失，采用综合加权评分法进行分析[8]，以选出使各项指标都尽可能达到最优的组合。虑到3 因素对衡量指标的重要程度， 以100分作为总“权”，空穴率为60分，单粒率为30分，多粒率为10分，所以每组试验综合评分指标可以表示为

式中yi—第i号试验所得计算值(加权评分指标)；

Wi—第j个指标“权”值；

yij—第i号试验中第j个指标;

Rj—第j个指标在该组试验中造成的极差，单粒率R1=90.5-80.8=9.7，多粒率R2=8.1-4.5=3.6，空穴率R3=11.2-4=7.2；

λi—第j个指标的计算系数(它既考虑权又考虑指标变动程度)。

加权综合评分指标结果如表7所示，加权综合评分正交设计极差分析结果如表8所示。

表7　加权综合评分指标表

表8　加权综合评分正交设计极差分析表

采用加权综合评分分析法对实验结果进行分析，得到的试验结果为B2>A2>C3,与前一节综合平衡分析法得到结果完全一致，说明综合平衡分析法得到结果是正确有效的。

2.5验证试验

通过较优水平组合的试验，其统计结果为：单粒率0.1%，多粒率4.6%，空穴率5.3%。这说明，气吹供种滚筒式播种机的播种效果较好。

3结论

1)通过试验得出影响取种性能质量指标的主次关系依次为种箱气室正压力、孔径及转速。

2) 当种箱气室正压力取2kPa、孔径取1.2mm、滚筒转速取14r/min时，单粒率为90.1%，多粒率为4.6%，空穴率为5.3%。气吹供种滚筒式播种机的播种效果较好，完全满足精量播种的农艺技术要求。

3) 本试验为后续田间作业和气吹供种滚筒式播种机的优化设计提供了依据。

参考文献：

[1]陈兵.中国新疆番茄产业发展现状分析[J].新疆财经大学学报,2011(3):16-20.

[2]闫 实, 张丽英,武占会，等.侧开孔穴盘在番茄育苗中的应用效果[J].农业工程学报，2014,30(19)：250-256.

[3]周海波，马旭，姚亚利.水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势[J].农业工程学报,2008,24(4):301-306.

[4]Karayel D,BarutZ B, Zmerzi A. Mathematicalmode ling of vacuum pressure on a precision seeder[J].Biosystems Engineering, 2004, 87(4):437-444.

[5]Arzu Y,Adnan D. Optimisation of the seed spacing un formity performance of a vacuum-type precision seede using response surfacemethodology[J].Biosystems Engineering, 2007, 97(3):347-356.

[6]Gaikwad B B, SirohiN P S. Design of a low-cost pneu matic seeder fornursery plug trays[J].Biosystems Engineering, 2008, 99(3):322-329.

[7]国家标准局.GB6973-1986单粒(精密)播种机试验方法[S].北京:标准出版社,1986.

[8]钟陆明,陈学庚,温浩军.免耕播种机气吸式排种器影响因素的试验研究[J].农机化研究,2012,34(5):160-163.

Experimental Study on Seeding Performance of Cylinder Precision Tomato Seeder Based on the Pneumatic Suspension Seed Supply

Li Junwei , Yang Wenwei, Ma Yapeng, Hu bin

(Mechanical and Electrical Engineering College of Shihezi University, Shihezi 832000,China)

Abstract：In view of the existing seedling planter have a high empty-seed rate, less single-seed rate and It is difficult to meet the small size, irregular shape, poor mobility of processing tomato seed "a hole grain" precision sowing technical requirements, a cylinder precision seeder based on the pneumatic suspension seed supply was creatively designed,as well as the test device was developed. And with multi-seed rate , single seed rate and empty seed rate as the main evaluation index, experiment explores that the influence law of the main evaluation index affected by the main factors (box chamber positive gas pressure, suction hole diameter, roller speed) .Experiment verification and came to conclusion: when box chamber positive pressure reached 2kPa,suction hole diameter is 1.2mm,roller speed is 14r/min, we can get the best comprehensive effect.

Key words：seedling planter；pneumatic suspension seed supply；seeding performance; cylinder

文章编号：1003-188X(2016)04-0185-05

中图分类号：S223.94

文献标识码：A

作者简介：李俊伟(1987-),男，湖南宁远人，讲师，(E-mail)ljwjdxy@shzu.edu.cn。通讯作者：胡斌(1968-)，男，湖北英山人，教授，硕士生导师，(E-mail)hb_mac@sina.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51265045)

收稿日期：2015-03-23