异形窝眼囊种式排种器的设计及试验

2023-01-10 03:36石林榕李双成郭军海
林业机械与木工设备 2022年12期
关键词:种器形状种子

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%。

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