毛瓊，黃梅，黃宏兵*

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北武漢430070）

農(nóng)機(jī)應(yīng)用

脫毒微型馬鈴薯氣力傾斜圓盤排種器試驗(yàn)

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北武漢430070）

為提高脫毒微型馬鈴薯機(jī)械化播種水平，保證播種質(zhì)量，針對脫毒微型馬鈴薯，設(shè)計(jì)了一種氣力式傾斜圓盤排種器，并對其進(jìn)行了單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)。分析了該排種器合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)和變異系數(shù)等性能指標(biāo)與排種軸轉(zhuǎn)速、排種盤傾斜角度、排種盤型孔形式3個要素之間的關(guān)系。單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，上述3個試驗(yàn)因素對排種器性能指標(biāo)均有顯著影響；正交試驗(yàn)結(jié)果表明，排種軸轉(zhuǎn)速為10 r/min、排種盤傾斜角度為45°、排種盤型孔形式為9×Φ12 mm圓柱孔時，排種器合格指數(shù)達(dá)97.62%，漏播指數(shù)為0.67%，變異系數(shù)為8.94%；研究結(jié)果表明，氣力傾斜圓盤排種器能滿足大粒徑且外形個體差異性大的脫毒微型馬鈴薯的精密播種要求，為大粒徑種子的播種提供一個新的方法。

脫毒微型馬鈴薯；排種器；氣力式；試驗(yàn)

馬鈴薯是繼玉米、小麥和水稻之后的世界第四大糧食作物。在當(dāng)今社會生態(tài)退化、可耕地面積不斷減少等惡劣環(huán)境下，發(fā)展馬鈴薯產(chǎn)業(yè)是保證我國糧食總產(chǎn)量的有效途徑[1,2]。我國已成為世界馬鈴薯生產(chǎn)第一大國，但卻不是馬鈴薯產(chǎn)業(yè)強(qiáng)國，究其原因，一是我國馬鈴薯生產(chǎn)主要以切塊薯為種薯，易產(chǎn)生病毒感染；二是我國馬鈴薯生產(chǎn)機(jī)械化水平低（我國馬鈴薯機(jī)械化生產(chǎn)水平僅為1%，發(fā)達(dá)國家已超過70%）[3-9]。國內(nèi)外現(xiàn)有馬鈴薯播種機(jī)具大都以切塊種薯或整薯為作業(yè)對象，且多采用機(jī)械式排種方式，而種薯切塊和機(jī)械式排種都容易造成種薯感染病毒，影響馬鈴薯的質(zhì)量和產(chǎn)量[10-16]。

脫毒微型馬鈴薯能有效地防止在生產(chǎn)過程中因病毒傳染而造成的病毒性退化，并降低晚疫病、環(huán)腐病、青枯病和黑脛病等多種病害，從而提高馬鈴薯的品質(zhì)及產(chǎn)量。目前我國現(xiàn)有脫毒種薯推廣面積不到20%，根據(jù)農(nóng)業(yè)部發(fā)布的《馬鈴薯優(yōu)勢區(qū)域布局規(guī)劃》，到2015年，力爭我國脫毒種薯應(yīng)用面積要達(dá)種植面積的50%以上[17]。但現(xiàn)在針對使用脫毒微型馬鈴薯為種薯的直播機(jī)具與裝置研究尚未開展，影響了新技術(shù)的推廣與產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

本研究針對脫毒微型馬鈴薯個體質(zhì)量差異性較大（單粒質(zhì)量3～10 g）、形狀不規(guī)則、種薯含水率高、表皮易破損等特點(diǎn)，提出了將氣吸式排種器傾斜放置，從而降低氣吸式排種器吸種所需的真空壓力，保證實(shí)現(xiàn)脫毒微型馬鈴薯的精量播種。此播種方式相對于機(jī)械式排種和垂直氣吸式排種方式減小了對馬鈴薯種薯的損傷，降低了種薯感染病毒的幾率，有利于高品質(zhì)種薯的應(yīng)用，對提高馬鈴薯機(jī)械化播種水平、保證馬鈴薯質(zhì)量具有重要現(xiàn)實(shí)意義，同時為大粒徑種子（大粒徑種子指顆粒直徑大于6mm的種子）的精密播種提供了參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

氣力式脫毒微型馬鈴薯傾斜圓盤排種器排種系統(tǒng)如圖1所示。其采用排種盤傾斜放置原理，主要由種箱、進(jìn)種量調(diào)節(jié)片、清種裝置、種子室殼體、排種盤、氣室殼體、排種盤固定套Ⅰ、排種軸、排種盤固定套Ⅱ等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

1.2 排種器工作原理

輸入動力帶動排種軸和排種盤一起旋轉(zhuǎn)，脫毒微型馬鈴薯種薯在重力作用下由種箱進(jìn)入種子室中。風(fēng)機(jī)負(fù)壓進(jìn)氣口與排種器負(fù)壓出氣口間通過軟管連接，在風(fēng)機(jī)作用下，氣室殼體中環(huán)狀氣室形成負(fù)壓。排種器傾斜放置，使種薯能依靠自身重力提供部分支持力及與排種盤間的摩擦力，在一定程度上減少了風(fēng)機(jī)功率消耗，同時也可以增加排種器的充種率。種子室中的種薯在真空壓力與排種盤的支持力等作用下，從種薯群中脫離出來，吸附在排種盤的型孔上并隨排種盤一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)吸種的型孔運(yùn)轉(zhuǎn)至離開環(huán)狀氣室時，吸附在型孔上的脫毒微型馬鈴薯瞬間失去負(fù)壓作用力，在自身重力作用下脫離型孔，至此排種器完成排種。

圖1 排種系統(tǒng)Figure 1 Seed metering system

2 排種器性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法與設(shè)備

2.1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用種薯為‘費(fèi)烏瑞它’脫毒微型馬鈴薯（3～10 g），其物理機(jī)械特性如表1所示[18]。

2.1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括試驗(yàn)臺架（角度0°～60°可調(diào)），SIEMENS變頻器，減速機(jī)，離心式風(fēng)機(jī)及其連接管道，U形壓差計(jì)，光纖傳感器，農(nóng)業(yè)裝備多參數(shù)測控系統(tǒng)等。

2.1.3 試驗(yàn)方法

由理論分析及初步試驗(yàn)可知，排種軸轉(zhuǎn)速、排種盤傾斜角度、排種盤型孔形式及氣室壓力對排種器性能影響較為顯著。由于種薯個體較大，排種盤型孔相應(yīng)也大，根據(jù)前期試驗(yàn)，在更換不同排種盤時，氣室初始壓力（風(fēng)機(jī)工作，排種器不工作時的氣室壓力）變化并不顯著，亦即氣室初始壓力可調(diào)節(jié)范圍相對較小。所以本試驗(yàn)不對氣室初始壓力安排因素水平，確定試驗(yàn)因素為排種軸轉(zhuǎn)速、排種盤傾斜角度、排種盤型孔形式。

圖2 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 2 Structure of metering device

表1 脫毒微型馬鈴薯物理機(jī)械特性Table 1 Physical and mechanical characteristics of virus-free seed potato

根據(jù)微型薯種植農(nóng)藝要求（株距20 cm）、拖拉機(jī)田間行駛速度及前期試驗(yàn)效果，相應(yīng)因素水平設(shè)置如下：

（1）排種軸轉(zhuǎn)速：10 r/min、15 r/min、20 r/min、25 r/min（當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速過低時，播種效率降低；而增加排種盤型孔數(shù)量會造成排種器氣室壓力不足，所以不對排種軸轉(zhuǎn)速設(shè)置更低的水平）。

（2）排種盤傾斜角度（與垂直方向夾角）：10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°。

（3）排種盤型孔（均布）形式：9×Φ10 mm圓柱孔、9×Φ11mm圓柱孔、9×Φ12mm圓柱孔、9×Φ13 mm圓柱孔、12×Φ10 mm圓柱孔、12×Φ11 mm圓柱孔、12×Φ12 mm圓柱孔、12×Φ13 mm圓柱孔。

以GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》為依據(jù)，確定試驗(yàn)指標(biāo)為合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)及變異系數(shù)。光纖傳感器檢測種薯從排種器下落信號，并將該信號輸入農(nóng)業(yè)裝備多參數(shù)測控系統(tǒng)；農(nóng)業(yè)裝備多參數(shù)測控系統(tǒng)采集并記錄數(shù)據(jù)，每個因素水平測得的結(jié)果至少重復(fù)記錄9次。使用MATLAB與Excel等統(tǒng)計(jì)分析軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過單因素和多因素試驗(yàn)，研究各試驗(yàn)因素對排種器試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律以及各因素水平的最優(yōu)組合，并檢驗(yàn)本文設(shè)計(jì)的氣力式傾斜圓盤排種器是否會對脫毒微型馬鈴薯造成損傷。

3 結(jié)果與分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 排種軸轉(zhuǎn)速

調(diào)節(jié)排種盤傾斜角度為40°，使用9×Φ12 mm圓柱孔排種盤，分別調(diào)節(jié)排種軸轉(zhuǎn)速為10 r/min、15 r/min、20 r/min、25 r/min。試驗(yàn)結(jié)果及排種軸轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可知，其它試驗(yàn)條件一定，隨著排種軸轉(zhuǎn)速增加，合格指數(shù)呈下降趨勢，漏播指數(shù)呈上升趨勢；變異系數(shù)單調(diào)遞增。原因在于轉(zhuǎn)速越低，型孔充種時間越充足，提高了排種器的充種率，則合格指數(shù)越高，漏播指數(shù)越低，排種器排種性能越穩(wěn)定。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析可知，排種軸轉(zhuǎn)速對試驗(yàn)指標(biāo)有極顯著影響。

3.1.2 排種盤傾斜角度

使用9×Φ12 mm圓柱孔排種盤，調(diào)節(jié)排種軸轉(zhuǎn)速為15 r/min，分別調(diào)節(jié)排種盤傾斜角度為10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、55°等。記錄試驗(yàn)結(jié)果，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析排種盤傾斜角度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，其它試驗(yàn)條件一定，排種盤傾斜角度在35°～45°時，試驗(yàn)結(jié)果基本保持平穩(wěn)，合格指數(shù)均在95%以上；排種盤傾斜35°時，變異系數(shù)最小。因?yàn)榕欧N盤傾斜角度越大，由脫毒微型馬鈴薯自身重力引起的向下運(yùn)動趨勢越小，種薯更容易吸附在型孔上；而排種盤傾斜角度過大，種薯與排種盤間的摩擦和其它作用力使種薯越過種子室和投種區(qū)間的擋板而直接落入投種區(qū)，破壞正常投種。方差分析結(jié)果表明，排種盤傾斜角度對試驗(yàn)指標(biāo)有極顯著影響。

圖3 試驗(yàn)指標(biāo)與排種軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線Figure 3 Relationship between index and rotational speed of metering shaft

圖4 排種軸轉(zhuǎn)速對變異系數(shù)的影響Figure 4 Impact of rotational speed of metering shaft on coefficient of variation

圖5 試驗(yàn)指標(biāo)與排種盤傾斜角度的關(guān)系曲線Figure 5 Relationship between index and tilt angle of metering disc

圖6 排種盤傾斜角度對變異系數(shù)的影響Figure 6 Impact of tilt angle of metering disc on coefficient of variation

3.1.3 排種盤型孔形式

調(diào)節(jié)排種盤傾斜角度為35°，排種軸轉(zhuǎn)速為15 r/min，更換不同型孔形式排種盤。記錄試驗(yàn)結(jié)果，對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析排種盤型孔形式對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可知，其它試驗(yàn)條件一定時，排種盤型孔形式不同，合格指數(shù)、漏播指數(shù)均不同，變異系數(shù)整體呈上升趨勢。所有排種盤中9× Φ12 mm圓柱孔排種盤的合格指數(shù)最高，變異系數(shù)也最小。因?yàn)?孔排種盤的氣室初始壓力比12孔排種盤大，對種子的吸附力大，能保證排種器的充種率；而型孔直徑Φ12 mm更適合脫毒微型馬鈴薯的外形尺寸。方差分析結(jié)果顯示，排種盤型孔形式對試驗(yàn)指標(biāo)有極顯著影響。

圖7 試驗(yàn)指標(biāo)與排種盤型孔形式的關(guān)系Figure 7 Relationship between index and shaped hole form of metering disc

圖8 排種盤型孔形式對變異系數(shù)的影響Figure 8 Impact of shaped hole form of metering disc on coefficient of variation

3.2 正交試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，不考慮交互作用，選擇如表2所示的正交試驗(yàn)因素水平。選用L16（45）標(biāo)準(zhǔn)正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平Table 2 Factors and levels of orthogonal experiment

每組試驗(yàn)重復(fù)9次，求出各項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，如表4所示。

如表4，合格指數(shù)的極差分析顯示，影響合格指數(shù)的因素主次為C、B、A，因素C取水平4、因素B取水平3、因素A取水平1即A1B3C4時，合格指數(shù)最高；重播指數(shù)的極差分析表明，B是影響重播指數(shù)的主要因素，其次是A和C，A4B1C3為重播指數(shù)最小時的最佳參數(shù)組合；對漏播指數(shù)進(jìn)行極差分析可知，漏播指數(shù)的影響因素主次與合格指數(shù)的一致，也為C、B、A，因素C取水平4、因素B取水平3、因素A取水平1，即A1B3C4時，漏播指數(shù)最小；而變異系數(shù)的影響因素主次為A、C、B，A1B4C3為變異系數(shù)最小時的最佳參數(shù)組合。

由上述分析可知，試驗(yàn)因素對試驗(yàn)指標(biāo)影響主次為C、B、A，最優(yōu)方案為A1B3C4，即排種盤傾斜角度為45°，排種軸轉(zhuǎn)速為10 r/min，排種盤型孔形式為9×Φ12 mm圓柱孔。

驗(yàn)證試驗(yàn)表明，在排種盤傾斜角度為45°，排種軸轉(zhuǎn)速為10 r/min，排種盤型孔形式為9×Φ12 mm圓柱孔時，合格指數(shù)可達(dá)97.62%，重播指數(shù)和漏播指數(shù)分別為1.71%、0.67%，變異系數(shù)為8.94%；與單因素試驗(yàn)相比，在該工況下，排種器排種性能的變異系數(shù)最小。

該優(yōu)方案驗(yàn)證試驗(yàn)合格指數(shù)小于所安排正交試驗(yàn)中因素水平A2B3C4的合格指數(shù)，且空列2合格指數(shù)的極差比因素A合格指數(shù)的極差大，原因可能是交互作用的影響，或還有其他影響顯著的因素未被考慮。

表3 正交試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 3 Programs and results of orthogonal experiment

表4 試驗(yàn)結(jié)果極差分析Table 4 Range analysis of experiment results

4 討論

馬鈴薯脫毒種薯的應(yīng)用已是大勢所趨，但若采用機(jī)械式排種方式造成種薯病毒感染，脫毒種薯便失去脫毒意義[19]。氣吸式排種方式被廣泛應(yīng)用于大豆、花生等大中粒徑種子的播種，國內(nèi)外對大中粒徑種子氣吸式播種技術(shù)的研究已由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)深入到優(yōu)化改進(jìn)，相關(guān)機(jī)具也已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[20-25]。氣吸式排種方式對種子外形要求不高，機(jī)械摩擦相對較小，對種薯傷害較小，符合外形個體差異性大的脫毒微型馬鈴薯種植要求[26]。而美國Crary公司生產(chǎn)的Lockwood 604、606、608型氣吸式馬鈴薯播種機(jī)也為脫毒微型馬鈴薯播種技術(shù)未來的發(fā)展方向指明了道路。

研究結(jié)果表明，將垂直圓盤氣吸式排種器的圓盤傾斜放置，能有效提高排種器對脫毒微型馬鈴薯的排種性能。氣吸式脫毒微型馬鈴薯傾斜圓盤排種器最佳參數(shù)組合為排種盤傾斜角度45°，排種軸轉(zhuǎn)速10 r/min，排種盤型孔形式9×Φ12 mm圓柱孔。此時排種器性能較好，合格指數(shù)可達(dá)97.62%，重播指數(shù)和漏播指數(shù)分別為1.71%、0.67%，變異系數(shù)為8.94%。說明該排種器達(dá)到了精量播種的要求，能適應(yīng)大粒徑種子的播種，為大粒徑種子的播種提供一個新的方法。

本試驗(yàn)中采用的測試裝置對排種器性能的測量方法是利用光纖傳感器測量種薯下落的時間間隔來表征的，從理論上分析是可行的，數(shù)據(jù)的精度能滿足本試驗(yàn)的要求，但還需對試驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)的標(biāo)定。本試驗(yàn)是在試驗(yàn)臺架上進(jìn)行的，與實(shí)際播種作業(yè)過程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有一定的差距?？紤]到播種作業(yè)中其他因素的影響，漏播指數(shù)會有一定的提高，將在后續(xù)的試驗(yàn)中驗(yàn)證。

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Experiment on Pneumatic Metering Device with Declined Disc for Virus-free Seed Potato

MAO Qiong,HUANG Mei,HUANG Jie,DUAN Hongbing＊
(College of Engineering and Technology,Huazhong Agricultural University,Wuhan,Hubei 430070,China)

A pneumatic metering device with declined disc was designed for virus-free seed potato in order to improve the mechanization planting level of virus-free seed potato and guarantee the sowing quality.Single factor and orthogonal experiments were carried out.The relationships of performance indexes such as eligible index,multiple index,miss index and coefficientofvariation with the rotationalspeed ofmetering shaft,tiltangle ofmetering disc and the shaped hole form ofmetering disc were analyzed.Single factor experiment showed that performance indexes were remarkably influenced by those three factors.Orthogonal experiment indicated that the eligible index reached as high as 97.62%,the miss index was 0.67%,and the coefficient of variation was 8.94%;while the rotational speed of metering shaft was 10 r/min,tilt angle of metering disc was 45°, and the shaped hole form ofmetering disc was cylindricalhole with 9×Φ12 mm.The resultof the study showed that pneumatic metering device with declined disc could meet the precision seeding requirements for virus-free seed potatoes with large piece andgreatdifferences in shape,and provide a newmethodforlargepiece seeds.

virus-free seed potato;metering device;pneumatic;experiment

S532

B

1672-3635（2013）02-0112-07

2013-02-28

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2011PY084）；華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2010年度研究生科技創(chuàng)新專項(xiàng)資助（2011SC11）。

毛瓊（1987-），女，碩士研究生，從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與測控研究。

段宏兵，副研究員，碩士生導(dǎo)師，從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與測控研究，E-mail∶duanhb@mail.hzau.edu.cn。