異形窩眼囊種式排種器的設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

李 輝， 石林榕， 李雙成， 饒 罡， 郭軍海

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

藜麥(quinoa)是藜科藜屬植物，原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈的中高海拔山區(qū)，具有一定的耐旱、耐寒、耐鹽性，藜麥?zhǔn)莾?yōu)質(zhì)的蛋白堿性食物，富含多種氨基酸，低脂、低熱量、低糖，幾乎是常見食物里最優(yōu)秀的[1]，近年來在餐飲和食品行業(yè)越來越受歡迎。排種器是實(shí)現(xiàn)精密播種的核心部件，窩眼輪式精密排種器已在大豆、油菜和三七等近圓形種子的單粒精密播種中得到了廣泛應(yīng)用[2-5]，為提高窩眼囊種式排種器的充種性能，國內(nèi)外專家進(jìn)行的研究大致分為兩類：在排種器的基礎(chǔ)上增設(shè)其他裝置，對種子起到定向充種作用[6，7]；設(shè)計(jì)特殊形狀的型孔或改變型孔分布，以增加對種群擾動(dòng)作用[8-10]。但是，在排種器上增加其他裝置使排種器結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，改變型孔分布導(dǎo)致播種行距整齊性差，不利于田間管理[11]。為此，提出一種異形窩眼囊種式排種器，通過試驗(yàn)分析驗(yàn)證得出最優(yōu)工作參數(shù)，找出最適宜藜麥播種的排種輪。

1 異形窩眼囊種式藜麥排種器設(shè)計(jì)

1.1 排種器物理結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)藜麥種子物理特性和農(nóng)藝要求，藜麥株距15～25 cm，穴播量5～7粒，播種深度1～2 cm，播量大約為6 kg/hm2。為了滿足種植要求，對傳統(tǒng)手推式排種器進(jìn)行改良，對窩眼排種輪進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過SolidWorks三維軟件建立排種輪模型，對不同形狀的窩眼排種輪進(jìn)行試驗(yàn)。該排種器主要由種箱、排種輪、鴨嘴、接種板、護(hù)種裝置、清種刷等構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 異形窩眼囊種式藜麥排種器的總體結(jié)構(gòu)1.種箱；2.前殼；3.清種刷；4.接種板；5.鴨嘴；6.后殼；7.排種輪；8.護(hù)種裝置

排種輪上窩眼的形狀大小基于藜麥種子的尺寸來確定，窩眼的形狀控制著播種的精度。通過設(shè)計(jì)優(yōu)化窩眼的大小、形狀、護(hù)種裝置的位置和清種刷的材質(zhì)等達(dá)到精量排種的目的[12]。排種輪沿圓周方向分布著窩眼孔，藜麥種子裝入種箱體積的一半及以上，種子在重力作用下充滿窩眼孔。工作時(shí)，播種器沿著人前進(jìn)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，窩眼外部的種子在護(hù)種裝置的作用下留在播種器殼體內(nèi)，充入窩眼的種子隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)到下方進(jìn)入鴨嘴，落入土壤，完成播種作業(yè)。

1.2 排種輪的設(shè)計(jì)

排種輪的形狀尺寸直接影響排種的效率，目前一般選擇排種輪直徑為70 mm，排種輪其他設(shè)計(jì)參數(shù)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，取人正常步行速度為1.5 m/s，株距15～25 cm，窩眼輪線速度0.11 m/s[13]，取上述參數(shù)中間值帶入式(1)。

(1)

式中：n為窩眼個(gè)數(shù)；d為排種輪直徑，mm；v1為人前進(jìn)速度，m/s；λ為株距，cm；v2為窩眼輪線速度，m/s。計(jì)算得出窩眼數(shù)約為14.9個(gè)，取整為15個(gè)。通過查閱黨參、油菜、谷子等小籽粒物料的有關(guān)資料結(jié)合藜麥種子設(shè)計(jì)了5種形狀的窩眼，包括圓柱形窩眼、半球形窩眼、圓錐形窩眼、矩形窩眼、簸箕形窩眼[14]分別如圖2至圖6所示。

圖2 圓柱形窩眼

圖3 半球形窩眼

圖4 圓錐形窩眼

圖6 簸箕形窩眼

窩眼具體參數(shù)范圍如表1所示：

表1 5種窩眼參數(shù)

1.3 護(hù)種裝置及清種刷的設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)手推式排種器排種過程中發(fā)現(xiàn)，由于藜麥種子較小，在隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)與清種刷接觸時(shí)，未經(jīng)窩眼輪排種就提前通過毛刷與排種輪的縫隙大量外漏到鴨嘴，不利于農(nóng)民可持續(xù)性種植?；诖耍覀儗⑷肆ΣシN機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，對護(hù)種裝置在SolidWorks中進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，利用3D打印技術(shù)對護(hù)種裝置打印制作，工作過程中可以很好地阻擋種子不外漏。傳統(tǒng)毛刷雖柔軟順滑，但小籽粒種子在隨窩眼輪轉(zhuǎn)動(dòng)與清種刷接觸時(shí)，部分種子會(huì)擠壓塞入毛刷間隙，造成堵塞，清種效果差。因此，清種刷采用橡膠材質(zhì)，呈片狀，具有一定的彈性，在工作過程中不損傷種子，清種效果良好，清種刷安裝在圖7所示位置，長21 mm，寬11 mm，厚2～3 mm，安裝時(shí)和排種輪間留有0.5 mm縫隙，小于種子厚度[15]。

圖7 護(hù)種裝置及清種刷

2 排種性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為甘肅省天?？h種植的白藜麥種子，如圖8所示，本試驗(yàn)選用傳統(tǒng)手推式排種器，排種輪和護(hù)種裝置在SolidWorks中建模完成后，采用深圳市極光爾沃公司的A6型號(hào)的3D打印機(jī)，加工制作不同形狀尺寸窩眼的排種輪和護(hù)種裝置，3D打印護(hù)種裝置、3D打印排種輪如圖9、圖10所示。打印機(jī)主要性能參數(shù)和制作所用材料為：打印速度10～120 mm/s，層厚0.05～0.3 mm；打印材料選用PLA，直徑1.75 mm。

圖8 白藜麥種子

圖9 3D打印護(hù)種裝置

圖10 3D打印排種輪

2.2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

根據(jù)農(nóng)藝要求，藜麥穴播要求每穴5～7粒。因此，將每穴內(nèi)種子少于5粒記為漏播，每穴5～7粒記為合格，每穴出現(xiàn)7粒以上記為重播。記錄排種器每穴排出的種子數(shù)目，70穴為一組，記錄3組，對每穴內(nèi)出現(xiàn)的種子數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別計(jì)算出不同窩眼形狀的排種輪的合格率、漏播率和重播率，最后選出適合藜麥種植的排種輪的最優(yōu)形狀。各種形狀窩眼排種輪試驗(yàn)結(jié)果如下表2所示：

表2 不同形狀窩眼排種輪試驗(yàn)結(jié)果

排種器內(nèi)部改良前后對比和田間試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 排種器內(nèi)部改良前后對比和田間試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)并試制了異形窩眼囊種式藜麥排種器，解決了傳統(tǒng)手推式排種器播藜麥種子時(shí)泄漏嚴(yán)重，充種過程漏充嚴(yán)重，傷種率高等問題。

(2)試驗(yàn)表明：半球形窩眼排種輪的排種合格率平均值最高，確定半球形窩眼為最優(yōu)窩眼形狀。異形窩眼囊種式藜麥排種器滿足藜麥農(nóng)藝要求，合格率為81%，漏播率為12.5%，重播率為6.5%。