气吸式胡萝卜播种机设计与试验

陈新予，史宇亮，陈明东，王家胜

(1.青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109； 2.青岛农业大学园艺学院，山东 青岛 266109)

0 引言

我国为胡萝卜种植大国，种植面积及产量均为世界首位，但精密播种机械化水平较低。其中，山东省为胡萝卜的主要种植区域，种植模式多采用小垄双行或大垄四行的垄作模式，其种植密度大、产量高等特点被广大农户认可，机械化播种水平要求较高。由于当前胡萝卜播种时整地、起垄和播种环节等分开进行，不利于耕地保墒及种子发芽。而胡萝卜种子包衣技术，解决了胡萝卜小籽粒形状不规则、流动性差等问题，从而为机械化播种提供了重要基础[1]。

发达国家的播种技术及机械化水平较高，精密播种机多采用气吸式排种器，通过更换排种器可实现多种小籽粒蔬菜的精量播种，能一次完成多种作业，但配套动力较大、价格高，不适应中国的胡萝卜垄作模式[2]。

在国外技术的基础上，国内各大高校及公司研发了数种胡萝卜精量播种机，适用于不同的工作环境。王家胜等[3]研制了胡萝卜种绳播种机，主要完成胡萝卜种绳的铺放，播种精度由种绳编制精度决定，且播种后还需浇灌溶绳，另需配套滴灌设备铺设。袁鹏飞[4]等研制的2HBJ-4型胡萝卜精量播种机，可一次完成起垄、施肥、播种及覆土等作业环节，但单个排种器仅能播种单行胡萝卜，且整机尺寸较大，成本较高，推广应用困难。韩宏宇等[5]研制的气力式蔬菜一体式播种机，将起垄与播种作业融合，一次完成起垄、播种和覆土等作业工序，从而减少机具与土壤之间多次作用产生的能耗。

本文针对山东胡萝卜产区一垄双行的种植模式，设计了一种气吸式胡萝卜播种机[6-8]。

1 整机结构及工作原理

垄作种植模式便于灌溉、施肥等作业进行，可显著提高胡萝卜生产质量，且便于机械化种植或收获。本文所设计胡萝卜播种机的种植模式为一垄双行，具体参数如表1所示。

表1 胡萝卜种植模式Tab.1 Planting models of carrot 单位：mm

播种机由牵引机架、开沟播种装置、排种器、镇压轮和覆土盘等部件组成，具体结构如图1所示。

1.种箱 2.输种管 3.镇压辊 4.覆土盘 5.排种器 6.排种开沟器 7.行走犁 8.机架 9.牵引架图1 胡萝卜播种机结构Fig.1 Structure of carrot planter

田间工作时，由拖拉机牵引机具前进，后输出轴带动鼓风机转动，为气吸式排种器提供正、负气压。2个播种机单体与种箱连接，每个单体可播两行，通过连杆机构挂接在机架上，保证播种深度不受机体振动或偏移影响。通过与土壤摩擦滚动，从而带动排种器中的排种盘转动，将种子带动至输种管，最终落入种穴中，由覆土盘完成覆土，镇压辊完成镇压后，完成播种。气吸式排种器通过改变壳体内压力进行吸种及投种，负压区吸种，零压区投种。胡萝卜气吸式播种机具体技术参数如表2所示。

表2 胡萝卜播种机参数Tab.2 Parameters of carrot planter

2 排种器设计

气吸式胡萝卜播种机的排种器通过风机实现负压吸种、零压投种和正压吹杂，实现胡萝卜种子的单粒或双粒播种[9]。

2.1 排种器结构设计

气吸式胡萝卜排种器主要由左右壳体、气吸盘、排种盘、导种器、种箱和刮种器等部件构成，负压气室在左壳体上，种箱与右壳体为一体式结构。排种器工作过程由吸种、清种、携种、投种和吹杂5个部分组成。排种器结构如图2所示。

图2 排种器结构Fig.2 Structure of seeding unit

2.2 正负压系统

气吸式排种器利用风机高速旋转时产生的负压吸附种子，风机转速控制在5 000 r/min。过低的风机转速会使排种器真空室的真空度变小，从而吸力过小导致排种器产生漏播。种子在吸附孔受到的吸力为

(1)

式中S——吸种口面积，cm2

P——真空室压强，kg/cm2

β——安全系数，≥2.5

排种器吸种口半径0.05 cm，即面积S=1.962 5×10-3cm2。经测试，风机转速5 000 r/min时，内部压力为0.13 kg/cm2，安全系数β=3，吸力F1=0.87×10-4N，胡萝卜种子千粒质量<5 g，每粒种子质量m≈5×10-6kg，种子所受重力G=m×F1=5×10-5N，种子与排种盘表面的摩擦系数μ=0.8，则对种子的受力分析如图3所示[10]。

图3 胡萝卜种子受力分析Fig.3 Stress analysis of carrot seeds

种子在水平方向上受到的静摩擦力F=1×10-4N，F>G，即吸力可以使胡萝卜种子吸附在排种孔上。

3 样机性能及试验分析

3.1 试验条件及方法

试验地点选在青岛市莱西市店埠镇前后屯的青岛农业大学胡萝卜生产合作社。试验场地长50 m，土壤性质为沙壤土，含水率13.3%，室外空气温度29 ℃。播种试验地块已提前进行旋耕碎土整地及起垄，垄高200 mm，垄距750 mm，垄顶宽400 mm，种植模式为垄上开沟播种，行距120 mm，一次播种4行。

播种时，每个排种器放置100 g胡萝卜种子，拖拉机选用东方红504e，挡位为3挡，理论上每次播种量20 g。每次试验长度50 m，连续播种3次，用秒表记录播种时间，并用式(2)计算生产率。

(2)

播种试验完成后，抽样20个点，测量播种深度并记录，由式(3)计算播深合格率。

(3)

检查或测量损伤种子数、漏播数、重播数、播种深度和相邻穴距，按照GB/T 6973—2005和NY/T 1143—2006标准进行计算，将3次试验取平均值。

3.2 试验结果

在每次播种试验过后，抽取20个点，测量播种深度和穴距。播种深度试验结果如图4所示，3次试验共记录60个试验数据。其中最小播种深度1.4 cm，最大播种深度2.1 cm。按试验要求，共59个点在要求范围内。试验1平均播深1.7 cm，试验2平均播深1.65 cm，试验3平均播深1.6 cm。

图4 播种深度试验结果Fig.4 Results of seeding depth experiment

播种穴距试验结果如图5所示，3次试验共记录60个试验数据，均在要求范围之内。其中最小播种穴距7 cm，最大播种穴距12 cm。

图5 穴距试验结果Fig.5 Results of hole spacing

具体检验结果如表3所示。样机的田间试验表明，机器播种作业顺畅，能够较好完成开沟、播种和覆土等过程，播种合格率满足农艺及种植要求。其中，种子损伤率控制较好，重播率及漏播率控制的较低。各项指标均符合GB/T 6973—2005及NY/T 1143—2006的要求。

表3 试验结果Tab.3 Test results

4 结论

结合山东胡萝卜产区的种植模式及农艺要求，研制出了一种气吸式胡萝卜播种机，一次实现开沟、播种和覆土等功能，通过多次田间试验，验证了本机的可靠性，大大减少人力资源的应用，降低了种植户的成本，确保了农民的增产增收，为胡萝卜播种机械化奠定了基础。