小粒蔬菜种子排种器落种对播种质量影响的研究

吕海杰+杨华+韩宏宇

摘要：针对我国蔬菜种植行业面临的问题，设计出适合小粒蔬菜种子的播种精度高的排种器，配备到设施播种机上，从而实现不同小粒蔬菜种子的精密播种。本项目研究的小粒蔬菜种子排种器落种对播种质量的影响的总体技术方案就是在研究排种器的基础上，结合实际农艺情况，实现技术再创新。

关键词：小粒蔬菜种子排种器；精密播种

中图分类号：S223文献标识码：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.002

1项目研究的意义

蔬菜在我国经济作物中占有非常重要的经济地位，已成为我国农业仅次于粮食的重要农产品。蔬菜种植业是发展我国农村经济的重要组成部分。据农业部2009年统计数据：中国蔬菜播种面积和总量分别占世界的43%和49%，均居世界第一。《2011—2020全国蔬菜产业发展规划》中指出：2020年全国的蔬菜播种面积实际修订为2.3亿亩，总产量为5亿t。 “十二五”发展规划中，黑龙江省把蔬菜产业作为重点产业来支持发展，2012年全省蔬菜种植面积为680万亩。

目前，国内大面积蔬菜种植仍以人工为主，播种时搞人海战术，严重浪费人、财、物，而且播种质量差，影响蔬菜的品质和产量。收入的减少、成本的增加、劳动强度加大等因素严重影响种植户的生产积极性。目前在蔬菜种植行业面临几个严峻问题：一是农村劳动力转移导致雇工贵、雇工难等问题进一步凸显；二是国外优良蔬菜品种的引进，增加了种子成本；三是人们对蔬菜品质的要求提高，导致对蔬菜播种环节要求更加严格，人工种植蔬菜压力增大。

目前，国外如法国MONOSEM、德国Kverneland、意大利GASPARDO和SFOGGIA等公司的蔬菜播种机排种器技术先进，播种精度高，但是“水土不服”，价格昂贵，运输时间长，售后不及时，难以在国内大面积推廣；国内对小粒蔬菜播种机排种器的研发还处于起步阶段，主要有河南豪丰、河南兴农等公司，但是由于播种精度低，可控性不理想，市场保有量较低。

针对当前我国设施蔬菜种植方面存在的情况，结合我国国情，重点通过模拟、数据优化、试验等基础研究，设计出播种精度高的排种器，配备到设施播种机上，从而实现不同小粒蔬菜种子的精密播种。本项目研究的小粒蔬菜种子排种器落种对播种质量的影响的总体技术方案就是在研究排种器的基础上，结合实际农艺情况，实现技术再创新。项目的研究符合国内蔬菜装备的发展趋势，走在国内蔬菜播种领域的前沿。该项研究不仅会提高蔬菜播种的作业效率、减轻劳动强度、改善生产条件，而且实现增产增收，帮助农民尽快致富。

2项目研究的内容和解决的关键问题

2.1研究内容

（1）本项目对小粒蔬菜种子排种器落种对播种质量的影响进行系统研究，在对小粒蔬菜排种器落种对播种质量的影响研究基础上，找到了最佳的落点。

（2）针对小粒蔬菜种子的性状，应用高清摄像机跟踪记录排种器播种后种子下落的轨迹，并进行数据分析，以种子形状、风力（4级以下）、孔径大小、投种点为主要影响因素，以落种深度和株距为目标函数。建立相应数学模型，优化结构参数及工艺最佳参数结合，实现数据最优化，为今后小粒蔬菜种子排种器的研制提供参考依据。

（3）通过实验验证，重点解决排种器投种口与种子落点的位置关系，实现播种后种子深浅一致、株距均匀。

（4）研究排种器的前进速度和种子投种速度之间的相对关系，通过排种器播种实验和数学模型确定最佳速比，实现播种后落种位置均匀一致，确保播种质量。

2.2解决的关键问题

（1）通过研究排种器投种口与种子落点的位置关系，解决了种子下落过程中随机性强不按预定位置落下的问题，实现播种后种子深浅一致、株距均匀。

（2）研究排种器的前进速度和种子投种速度之间的相对关系，通过排种器播种实验和数学模型确定最佳速比，解决了种子落下后位置不一致，导致株距不均的现象，实现播种后落种位置均匀一致，确保播种质量，为小粒蔬菜种子排种器的开发奠定研究基础。

3项目的研究方法、技术路线

3.1研究方法

（1）在种子形状、大小不同的条件下，用高速摄像机对种子下落轨迹摄像后进行试验研究，探索规律，对排种器投种点到种子最终落点进行优化，并通过播种作业实验对比，形成最优化设计方案，从而保证播种后深浅一致、株距均匀。

（2）研究种子前进速度和落种速度间的关系，分析高清摄像跟踪记录所得运动轨迹，以重力、风力、投种点等为影响因素，以种子最终落点为目标函数，建立相应数学模型，分析优化参数，使其达到优化设计。

（3）利用现代设计软件Pro/E对排种器进行虚拟样机设计，并运用有限元方法进行静力学仿真分析。

3.2技术路线

4项目学术思想及创新之处

4.1学术思想

国内小粒蔬菜种子播种机排种器多为穴播，新研发的气力式蔬菜播种机排种器效果较原来有了很大的提升和改进，播种相对均匀，基本上能够单播，但是仍达不到理想要求，出现重播和漏播。究其原因，并不是整机设计和匹配有问题，而是对关键的核心部件排种器没有进行深入的研究。本项目就是从对排种器的基础研究入手，应用高清摄像技术和数学分析方法，结合模拟实验和播种试验，确定最佳的速比和投种点，实现精准播种，达到播后深浅一致、株距均匀。具体是利用现代高清摄像技术，跟踪记录排种器下落过程的轨迹，再用数学分析方法，影响播种质量与落点、株距之间的关系，建立相应数学模型。优化出最佳参数组合。使投种口和落点达到优化设计，保证播种后深浅一致、株距均匀。

4.2创新之处

（1）运用高清跟踪摄像技术摄取种子下落运动轨迹，通过对运动轨迹分析，以种子重力、风力、投种位置为影响因素，以种子落点最终位置为目标函数，建立相应数学模型。通过分析优化参数，使其达到优化设计，最终实现种子下落后直接到达预期位置，从而实现播种的均匀一致性。endprint

（2）创新研究前进速度和落种速度间的相对关系，通过实验和数学模型进行优化实现最优速比，有效保证落种位置一致性。

5项目技术应用

本项目所研究的排种器是以机械设计理论为主，辅以高清摄像技术、数学模型、动力学，通过优化设计，使排种器播种深浅、均匀一致。

5.1机械设计理论

排种器由多个经过加工的零件按照不同的配合关系组装而成，包括排种器壳体、播种盘、减磨片、种箱等，各个零件均需根据其功能、有否相對运转、配合关系来进行设计。播种盘是旋转部件，要求表面光洁度高，加工精细。减磨盘从选择材质上就要具有好的耐磨性且不易磨损，整个排种器的机械设计不仅符合设计标准，而且还要实用、美观。

5.2高清摄像技术

小粒蔬菜种子尺寸小、质量轻，播种下落时很难观察清楚其轨迹，要运用高清摄像技术，才能清晰地观察到并通过动画反映出来，然后进行数据分析和优化处理。

5.3数学模型

排种器研究属于机械学领域，其运转过程中，种子随排种器一起向前行走，同时下落，实现播种作业，下落过程中的运动轨迹要通过数字建立相应的函数关系，构成数学模型来进行计算，从而发现找到其运动规律，来实现排种器的精准播种。

5.4动力学

在模拟排种器播种作业时，不仅要考虑种子随排种器前进运动，更要考虑种子自身下落运动情况，和在种子落下过程中风力的影响等因素，才能更加符合实际情况进行播种作业。

5.5农艺与排种器播种技术

要达到优良的播种效果，必须充分满足农艺要求，保证作物的正常生长发育，分析影响小粒种子播种时深浅和株距的主要因素，探讨种子下落的规律，种子不同落种位置和株距也不相同，计算种子的行走距离，然后确定投种位置。

6成果及后续发展潜力

6.1成果

研发设施蔬菜播种机排种器一套，实现播种后种子深浅一致、株距均匀。深浅一致性达到±3 mm。排种器的前进速度和种子投种速度之间确定最佳速比，实现播种后落种位置均匀一致，确保播种质量，为小粒蔬菜种子排种器的开发奠定研究基础。实现小粒蔬菜种子精密播种后，其发芽率、生产率增加显著，不浪费每一粒种子，漏播率≤5%，大大提高农作物的经济效益。

6.2后续发展潜力

我国已经成为世界上最大的蔬菜、瓜类生产国和消费国，蔬菜已经成为我国仅次于粮食的第二大作物。近年来，蔬菜出口将稳定增长。蔬菜产业是典型的劳动密集型产业，蔬菜价格在国际市场上极具竞争力，预计今后我国蔬菜产品出口将稳定增长。同时，蔬菜种植业机械化程度不断提高，购买者对机械的精密性、精确性也有了较高要求。目前，市场上针对小粒种子的排种器不多，主要是由于小粒种子重力较小，受外界，如风力等影响较大，不便于精确播种，况且目前蔬菜种子多为国外进口的，都以“粒”为计价单位，成本奇高，这就导致了市场上急需能精确播种的高精度、高效率的小粒种子排种器。本项目研究出的可以精确播种的排种器必将取代传统的播种机排种器，实现精密精确点播，省去间苗环节，大大提高作业效率，节省成本，植株优势明显，肥料等资源利用率高，产量高蔬菜品质好。

参考文献：

[1]张道生.中国成世界最大“菜篮子”[N]. 北京晨报，2010-04-02.

[2]中华人民共和国国家发展和改革委员会——农村经济司.全国蔬菜产业发展规划（2011-2020年） 发改农经〔2012〕49号[Z].2012-01-16.

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