异形窝眼囊种式排种器的设计及试验

李 辉， 石林榕， 李双成， 饶 罡， 郭军海

(甘肃农业大学机电工程学院，甘肃 兰州 730070)

藜麦(quinoa)是藜科藜属植物，原产于南美洲安第斯山脉的中高海拔山区，具有一定的耐旱、耐寒、耐盐性，藜麦是优质的蛋白碱性食物，富含多种氨基酸，低脂、低热量、低糖，几乎是常见食物里最优秀的[1]，近年来在餐饮和食品行业越来越受欢迎。排种器是实现精密播种的核心部件，窝眼轮式精密排种器已在大豆、油菜和三七等近圆形种子的单粒精密播种中得到了广泛应用[2-5]，为提高窝眼囊种式排种器的充种性能，国内外专家进行的研究大致分为两类：在排种器的基础上增设其他装置，对种子起到定向充种作用[6，7]；设计特殊形状的型孔或改变型孔分布，以增加对种群扰动作用[8-10]。但是，在排种器上增加其他装置使排种器结构变得复杂，改变型孔分布导致播种行距整齐性差，不利于田间管理[11]。为此，提出一种异形窝眼囊种式排种器，通过试验分析验证得出最优工作参数，找出最适宜藜麦播种的排种轮。

1 异形窝眼囊种式藜麦排种器设计

1.1 排种器物理结构与工作原理

根据藜麦种子物理特性和农艺要求，藜麦株距15～25 cm，穴播量5～7粒，播种深度1～2 cm，播量大约为6 kg/hm2。为了满足种植要求，对传统手推式排种器进行改良，对窝眼排种轮进行设计，通过SolidWorks三维软件建立排种轮模型，对不同形状的窝眼排种轮进行试验。该排种器主要由种箱、排种轮、鸭嘴、接种板、护种装置、清种刷等构成，其总体结构如图1所示。

图1 异形窝眼囊种式藜麦排种器的总体结构1.种箱；2.前壳；3.清种刷；4.接种板；5.鸭嘴；6.后壳；7.排种轮；8.护种装置

排种轮上窝眼的形状大小基于藜麦种子的尺寸来确定，窝眼的形状控制着播种的精度。通过设计优化窝眼的大小、形状、护种装置的位置和清种刷的材质等达到精量排种的目的[12]。排种轮沿圆周方向分布着窝眼孔，藜麦种子装入种箱体积的一半及以上，种子在重力作用下充满窝眼孔。工作时，播种器沿着人前进的方向转动，窝眼外部的种子在护种装置的作用下留在播种器壳体内，充入窝眼的种子随排种轮转动转到下方进入鸭嘴，落入土壤，完成播种作业。

1.2 排种轮的设计

排种轮的形状尺寸直接影响排种的效率，目前一般选择排种轮直径为70 mm，排种轮其他设计参数，查阅相关文献资料可知，取人正常步行速度为1.5 m/s，株距15～25 cm，窝眼轮线速度0.11 m/s[13]，取上述参数中间值带入式(1)。

(1)

式中：n为窝眼个数；d为排种轮直径，mm；v1为人前进速度，m/s；λ为株距，cm；v2为窝眼轮线速度，m/s。计算得出窝眼数约为14.9个，取整为15个。通过查阅党参、油菜、谷子等小籽粒物料的有关资料结合藜麦种子设计了5种形状的窝眼，包括圆柱形窝眼、半球形窝眼、圆锥形窝眼、矩形窝眼、簸箕形窝眼[14]分别如图2至图6所示。

图2 圆柱形窝眼

图3 半球形窝眼

图4 圆锥形窝眼

图6 簸箕形窝眼

窝眼具体参数范围如表1所示：

表1 5种窝眼参数

1.3 护种装置及清种刷的设计

在传统手推式排种器排种过程中发现，由于藜麦种子较小，在随排种轮转动与清种刷接触时，未经窝眼轮排种就提前通过毛刷与排种轮的缝隙大量外漏到鸭嘴，不利于农民可持续性种植。基于此，我们将人力播种机的内部结构进行改良，对护种装置在SolidWorks中进行三维设计，利用3D打印技术对护种装置打印制作，工作过程中可以很好地阻挡种子不外漏。传统毛刷虽柔软顺滑，但小籽粒种子在随窝眼轮转动与清种刷接触时，部分种子会挤压塞入毛刷间隙，造成堵塞，清种效果差。因此，清种刷采用橡胶材质，呈片状，具有一定的弹性，在工作过程中不损伤种子，清种效果良好，清种刷安装在图7所示位置，长21 mm，宽11 mm，厚2～3 mm，安装时和排种轮间留有0.5 mm缝隙，小于种子厚度[15]。

图7 护种装置及清种刷

2 排种性能试验

2.1 试验材料

试验所用材料为甘肃省天祝县种植的白藜麦种子，如图8所示，本试验选用传统手推式排种器，排种轮和护种装置在SolidWorks中建模完成后，采用深圳市极光尔沃公司的A6型号的3D打印机，加工制作不同形状尺寸窝眼的排种轮和护种装置，3D打印护种装置、3D打印排种轮如图9、图10所示。打印机主要性能参数和制作所用材料为：打印速度10～120 mm/s，层厚0.05～0.3 mm；打印材料选用PLA，直径1.75 mm。

图8 白藜麦种子

图9 3D打印护种装置

图10 3D打印排种轮

2.2 试验及结果分析

根据农艺要求，藜麦穴播要求每穴5～7粒。因此，将每穴内种子少于5粒记为漏播，每穴5～7粒记为合格，每穴出现7粒以上记为重播。记录排种器每穴排出的种子数目，70穴为一组，记录3组，对每穴内出现的种子数目进行统计，分别计算出不同窝眼形状的排种轮的合格率、漏播率和重播率，最后选出适合藜麦种植的排种轮的最优形状。各种形状窝眼排种轮试验结果如下表2所示：

表2 不同形状窝眼排种轮试验结果

排种器内部改良前后对比和田间试验结果如图11所示。

图11 排种器内部改良前后对比和田间试验结果

3 结论

(1)设计并试制了异形窝眼囊种式藜麦排种器，解决了传统手推式排种器播藜麦种子时泄漏严重，充种过程漏充严重，伤种率高等问题。

(2)试验表明：半球形窝眼排种轮的排种合格率平均值最高，确定半球形窝眼为最优窝眼形状。异形窝眼囊种式藜麦排种器满足藜麦农艺要求，合格率为81%，漏播率为12.5%，重播率为6.5%。