王佳奇,彭 飛，姜彩宇，王新陽(yáng)，劉文亮，張 亮

（吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

油莎豆原產(chǎn)于非洲北部地中海沿岸,具有產(chǎn)量高、適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一種優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，集糧油、牧、飼于一體的經(jīng)濟(jì)作物。油莎豆干豆產(chǎn)量可達(dá)500~600 kg/667 m2，含油量高達(dá)20%~30%,單位面積產(chǎn)油量在120 kg/667 m2以上，單位面積產(chǎn)油量是大豆的4倍、油菜的2倍、花生的1.5倍［1］。油莎豆油富含多種維生素和不飽和脂肪酸,綜合營(yíng)養(yǎng)價(jià)值可媲美橄欖油［2］。油莎豆種植面積逐年增加。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前全國(guó)油莎豆種植面積約為1.67萬hm2，種植區(qū)域包括新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、遼寧、河北、山東、河南、湖北等省、自治區(qū)。油莎豆能防風(fēng)固沙，有利于沙漠的生態(tài)修復(fù),而生態(tài)修復(fù)是緩解和恢復(fù)中國(guó)北方土地沙漠化的有效途徑之一，因此，油莎豆的推廣種植對(duì)提高沙土地、荒地及鹽堿地等邊際土地的綜合利用具有重要意義［3］。

目前，我國(guó)大多數(shù)地區(qū)油莎豆播種以機(jī)械式和半機(jī)械式作業(yè)方式為主，排種器多是由花生或玉米等作物的排種器改制而成，但油莎豆尺寸較大，種皮凹凸不平，存在播種效率低下、機(jī)械化播種難和破損率高等難題，無法滿足油莎豆規(guī)?；シN的需求，很大程度上阻礙了油莎豆的推廣應(yīng)用［4］。盧玉倫等［5］設(shè)計(jì)出了一款窩眼輪式排種器，對(duì)窩眼輪式排種器的關(guān)鍵部件進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)，解決了由于油莎豆種皮凹凸不平而導(dǎo)致的摩擦力較大、充種效果差、充種過程中極易堵種等難題。針對(duì)鹽堿地油莎豆播種機(jī)械的研發(fā)相對(duì)較少，其中河北農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研制的氣吸式油莎豆精量鋪膜播種機(jī)較為理想，該播種機(jī)采用氣吸式排種器，能夠適應(yīng)不同種類和直徑大小的種子，并對(duì)種子有較好的保護(hù)作用，基本上實(shí)現(xiàn)了開溝、單粒精播、覆土、鋪膜等工序一次性完成，具有易調(diào)整、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)［6-7］。但是該機(jī)械的氣吸式排種器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在氣吸室真空程度、吸種孔徑大小等影響性能的因素［8-11］，因此大力開展多功能播種機(jī)的試驗(yàn)研究，進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)機(jī)械科技含量和工作效率是當(dāng)前油莎豆機(jī)械化播種研究的重點(diǎn)［12］。本文對(duì)氣吸式油莎豆排種器的排種盤進(jìn)行了改進(jìn)和相關(guān)試驗(yàn)，有效地做到了避免重吸，并同時(shí)對(duì)指夾式和毛刷式排種器做出相應(yīng)的優(yōu)化改進(jìn)，以期為多功能播種機(jī)的試制提供更多選擇。

1 油莎豆的物理特性

1.1 油莎豆的三軸尺寸

試驗(yàn)材料：選用吉林省前郭縣前龍坑村油莎豆示范基地所種植的油莎豆，樣品為2020年10月收獲期所采集的已完全成熟的油莎豆塊莖（圖1）。

圖1 油莎豆籽粒實(shí)物圖

測(cè)試工具：精度為0.01 mm的數(shù)顯游標(biāo)卡尺。

試驗(yàn)方法：將油莎豆籽粒軸向截面最大尺寸定為長(zhǎng)度L；軸向截面內(nèi)與長(zhǎng)度垂直的最大距離定義為寬度W；將所有與軸向截面垂直的面上的最大長(zhǎng)度定義為高度H。

隨機(jī)選取5組油莎豆，每組10個(gè)，分別對(duì)其長(zhǎng)、寬、高進(jìn)行測(cè)定，并計(jì)算出每組油莎豆長(zhǎng)、寬、高各自的平均值，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果和公式依次計(jì)算出油莎豆籽粒的三軸平均徑和幾何平均徑。

（1）油莎豆籽粒三軸平均徑計(jì)算公式為：

（2）油莎豆籽粒幾何平均徑計(jì)算公式為：

式（1）和式（2）中：Da為油莎豆籽粒三軸平均徑（mm），L為油莎豆籽粒長(zhǎng)度（mm），W為油莎豆籽粒寬度（mm），H為油莎豆籽粒高度（mm），Dg為油莎豆籽粒幾何平均徑（mm）

由表1可知，5組油莎豆籽粒平均長(zhǎng)、寬、高分別為 13.59、13.20、11.37 mm，三軸平均徑平均值為12.72 mm，幾何平均徑平均值為12.68 mm。

表1 油莎豆籽粒三軸尺寸試驗(yàn)結(jié)果 mm

1.2 油莎豆的千粒重

測(cè)量方法：采用百粒法隨機(jī)抽取測(cè)定樣品［13-14］。

試驗(yàn)時(shí)選取干凈、無根須、無破損、不黏帶土壤的干凈油莎豆若干，以100粒為1組，共取8組油莎豆作為此次試驗(yàn)的物料。用精度為0.01 g的電子天平對(duì)每組油莎豆進(jìn)行稱重，并記錄數(shù)據(jù)（表2）。

表2 油莎豆百粒質(zhì)量 g

通過平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算求得油莎豆百粒質(zhì)量的變異系數(shù)為2.57%（＜4%）。故可以用8次重量數(shù)據(jù)的平均值計(jì)算出油莎豆的千粒重為1386.79 g。

1.3 油莎豆的含水率

含水率主要通過種子中的水分重量和總重量之比進(jìn)行計(jì)算［15］。本研究采用直接烘干法進(jìn)行測(cè)量，先將空鋁盒稱重記作M1，然后在鋁盒中添加10粒種子再稱重記作M2，接著進(jìn)行加熱烘干處理，待加熱烘干至恒重，稱其重量記作M3，含水率計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算油莎豆籽粒樣品的平均含水率為38.98%。

1.4 油莎豆的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)及休止角

1.4.1 油莎豆的動(dòng)、靜摩擦系數(shù) 參照李雪珍等［16-17］的研究對(duì)動(dòng)、靜摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)時(shí)將油莎豆放置在角度較緩的斜面上，通過緩慢搖動(dòng)手柄來改變斜面的角度，當(dāng)物料剛開始產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)的斜面傾角為靜滑動(dòng)摩擦角，繼續(xù)搖動(dòng)手柄使物料開始沿斜面勻速下滑，此時(shí)的角度為油莎豆的動(dòng)摩擦角（圖2）。試驗(yàn)測(cè)得油莎豆與鋼板之間的動(dòng)摩擦系數(shù)為0.36，靜摩擦系數(shù)為0.28。

圖2 油莎豆動(dòng)、靜摩擦系數(shù)測(cè)量

1.4.2 油莎豆休止角 休止角是指散粒物料從一定高度自然連續(xù)地下落到平面上時(shí)，所堆積成的圓錐體母線與底平面的夾角［18］。本試驗(yàn)采用注入法測(cè)量油莎豆的休止角［19-20］。試驗(yàn)時(shí)選取足夠的油莎豆物料從錐形容器上端緩緩注入，物料從容器底部豁口流出，待物料堆積高度無明顯變化時(shí)停止注入物料。物料停止流動(dòng)后傾斜面與水平面的夾角即為此次試驗(yàn)要測(cè)的休止角（圖3）。試驗(yàn)時(shí)取5次試驗(yàn)結(jié)果的平均值，最終測(cè)得油莎豆物料休止角為28.80°。

圖3 注入法測(cè)量油莎豆休止角

2 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)及工作原理

機(jī)架上設(shè)置驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)通過鏈輪鏈條帶動(dòng)主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，主動(dòng)軸通過鏈輪鏈條帶動(dòng)排種器旋轉(zhuǎn)，通過電機(jī)調(diào)速器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整排種器的轉(zhuǎn)速。負(fù)壓風(fēng)機(jī)設(shè)置在機(jī)架座板上，負(fù)壓風(fēng)機(jī)通過軟管連接風(fēng)管，風(fēng)管通過軟管連接氣吸排種器，通過直流電源調(diào)節(jié)器控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩刂曝?fù)壓。機(jī)架上設(shè)有排種計(jì)數(shù)器，排種計(jì)數(shù)器監(jiān)控探頭設(shè)置在氣吸排種器的排種管上，對(duì)排種器落種進(jìn)行監(jiān)控計(jì)數(shù)。機(jī)架下方裝有傳送帶，傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)模擬排種器在田間行走，通過測(cè)量株距和落種數(shù)來判定重播漏播（圖4）。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和實(shí)物圖

3 3種排種器的對(duì)比試驗(yàn)

3.1 氣吸式排種器的排種盤改造

現(xiàn)有排種盤的吸附面為平面，不利于油莎豆這種圓形種子吸附，根據(jù)油莎豆的大小及形狀把現(xiàn)有的吸附面改造成外徑為13 mm，高度為5.5 mm的錐形孔，這樣在排種盤上形成了1個(gè)型孔，油莎豆大概有1/3的表面臥到型孔里，不僅增加了油莎豆與排種盤的摩擦力，而且還避免了重吸。改造后的排種盤，漏播率低于改造前，通過試驗(yàn)觀察未出現(xiàn)重吸現(xiàn)象（圖5）。

圖5 氣吸式排種器排種盤改造圖

3.2 氣吸式排種器的試驗(yàn)

氣吸式排種器采用自制的排種盤通過對(duì)排種盤的孔徑、負(fù)壓、轉(zhuǎn)速這3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)，探究得到氣吸式排種器的最佳工作參數(shù)。根據(jù)油莎豆的三軸尺寸、千粒重以及油莎豆播種機(jī)的作業(yè)速度要求分別把排種盤孔徑設(shè)為6.0、6.5、7.0 mm 3個(gè)水平，負(fù)壓設(shè)為4.5、5.0、5.5 kPa 3個(gè)水平，轉(zhuǎn)速設(shè)為25、30、35 r/min 3個(gè)水平進(jìn)行正交試驗(yàn)。利用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析擬合。分析發(fā)現(xiàn)各因素對(duì)漏播率的影響大小依次為：氣吸盤孔徑＞轉(zhuǎn)速＞負(fù)壓，即當(dāng)孔徑為6.5 mm、轉(zhuǎn)速25 r/min、負(fù)壓6.5 kPa時(shí)的漏播率最低，為0.44。合格率線性模型絕對(duì)系數(shù)R2為0.9969，說明回歸方程的擬合度為99.69%，可以用來進(jìn)行試驗(yàn)預(yù)測(cè)。

通過正交實(shí)驗(yàn)以及Design Expert 8.0.6軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到影響漏播的最優(yōu)參數(shù)組合。為降低試驗(yàn)組數(shù)少而造成的數(shù)據(jù)分析不準(zhǔn)確以及驗(yàn)證上述正交試驗(yàn)的結(jié)果，現(xiàn)抽取3組漏播率較小的參數(shù)值，第1組：孔徑6.5 mm、轉(zhuǎn)速25 r/min、負(fù)壓6.5 kPa；第2組：孔徑6.5 mm、轉(zhuǎn)速35 r/min、負(fù)壓6.5 kPa；第3組：孔徑6.5 mm、轉(zhuǎn)速45 r/min、負(fù)壓6.5 kPa，再分別進(jìn)行10次臺(tái)架試驗(yàn)取其結(jié)果平均值，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 氣吸式排種器的試驗(yàn)結(jié)果

通過這3組試驗(yàn)得出的預(yù)測(cè)數(shù)值和Design Expert 8.0.6軟件預(yù)測(cè)數(shù)值相接近，可以相互印證，并且隨著轉(zhuǎn)速即播種速度的增加，漏播率也逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)速為25 r/min即播種速度在4 km/h時(shí)漏播率最低，播種效果最好。

3.3 指夾式排種器的試驗(yàn)

指夾式排種器多用于玉米播種，因其播種速度最快可達(dá)8 km/h，播種效率非常高，所以先通過調(diào)整指夾式排種器的指夾張口角度來適應(yīng)油莎豆這種圓形或橢圓形種子，通過調(diào)節(jié)毛刷距離指夾片的距離來調(diào)控重播率和漏播率并進(jìn)行播種試驗(yàn)，進(jìn)而驗(yàn)證油莎豆是否適用于指夾式排種器。然后進(jìn)行單因素試驗(yàn)，在張口角度及毛刷距離不變的前提下，分別進(jìn)行轉(zhuǎn)速為55、65、75 r/min，即播種速度分別為6、7、8 km/h的試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)10次取其平均值（表4）。通過試驗(yàn)可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，漏播率呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢(shì)，重播率并無明顯變化，其中重播率均小于15%，漏播率均小于8%，滿足《單粒（精量）播種機(jī)技術(shù)條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標(biāo)［21］。

表4 指夾式排種器的試驗(yàn)結(jié)果

3.4 毛刷式排種器的試驗(yàn)

毛刷式排種器多用于播種高粱、谷子、黃豆、綠豆、花生等雜糧，通過改換不同的排種盤可以對(duì)不同的作物進(jìn)行播種。該排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在腔體內(nèi)圈裝有毛刷，藍(lán)色毛刷起到頂種的作用，充種區(qū)的黑色毛刷則保證把進(jìn)入排種盤型孔的多余種子刮掉從而確保單粒精播，投種區(qū)的黑色毛刷能夠確保排種盤型孔上的種子在投口中降落而不落入到排種器內(nèi)腔（圖6）。

圖6 毛刷式排種器內(nèi)腔圖和排種盤結(jié)構(gòu)示意圖

本次試驗(yàn)首先采用花生盤來試驗(yàn)（因并沒有油莎豆專用盤，所以選用型孔較大的花生盤）（圖7）。其試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

圖7 花生排種盤及局部放大圖

表5 毛刷式排種器的試驗(yàn)結(jié)果

通過試驗(yàn)可以看出，使用花生排種盤的重播率較高，通過觀察與分析可知，花生排種盤的型孔過大，進(jìn)而導(dǎo)致遇到稍小的油莎豆種子存在1孔2粒的情況，從而使重播率過高，針對(duì)此問題應(yīng)重新制作更合適的型孔。根據(jù)油莎豆的3種尺寸對(duì)型孔進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，把花生盤的邊長(zhǎng)20 mm×10 mm的型孔改為15 mm×10 mm，使該型孔內(nèi)只能進(jìn)入1顆油莎豆種子，從而降低重播率。本研究采用3D打印技術(shù)對(duì)排種盤進(jìn)行重新建模、重新打?。▓D8）。

圖8 改進(jìn)后的排種盤及局部放大圖

再次重復(fù)上述試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

由表6可知，通過更換排種盤重播率明顯降低，說明針對(duì)于油莎豆的物理特性而制作的排種盤的播種效果明顯優(yōu)于花生盤，并滿足《單粒（精量）播種機(jī)技術(shù)條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標(biāo)［21］。

表6 改進(jìn)后毛刷式排種器的試驗(yàn)結(jié)果

4 3種排種器試驗(yàn)對(duì)比分析

4.1 同一播種速度下3種排種器的播種效果對(duì)比

由圖9可知，當(dāng)播種速度均為6 km/h時(shí)，氣吸式排種器的合格率最高，為92.71%，其次是毛刷式排種器的合格率為91.00%，最后是指夾式排種器的為86.85%；在重播率方面，氣吸式排種器做到無重播，指夾式排種器的重播率為5.25%，毛刷式排種器的重播率為5.40%；在漏播率方面，毛刷式排種器最低為3.50%，其次是氣吸式排種器為7.29%，指夾式排種器漏播率最高為7.90%。

圖9 3 種排種器試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

4.2 不同播種速度變化下3種排種器的播種效果對(duì)比

4.2.1 氣吸式排種器的播種效果變化 由圖10可知，氣吸式排種器的合格率隨著播種速度的增加而降低，漏播率隨著播種速度的增加而升高，在播種速度達(dá)到7 km/h時(shí)，其合格率最低，漏播率最高，但也能滿足《單粒（精量）播種機(jī)技術(shù)條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標(biāo)［21］。

圖10 不同播種速度下氣吸式排種器的播種效果對(duì)比

4.2.2 指夾式排種器的播種效果變化 由圖11可知，指夾式排種器的合格率隨著播種速度的增加而增大，重播率隨播種速度的增加并沒有明顯變化，漏播率隨著播種速度的增加呈現(xiàn)出明顯減小的趨勢(shì)。在播種速度最高為8 km/h時(shí)，其播種效果最好，合格率為89.96%，重播率為5.72%，漏播率為4.32%。

圖11 不同播種速度下指夾式排種器的播種效果對(duì)比

4.2.3 毛刷式排種器的播種效果變化 由圖12可知，毛刷式排種器的合格率隨著播種速度的增加而降低，重播率隨著播種速度的增加而升高，漏播率隨著播種速度的增加呈先升高后降低的變化趨勢(shì)。在播種速度為6 km/h時(shí)，其播種效果最好，合格率為91.1%，重播率為5.4%，漏播率為3.5%。

圖12 不同播種速度下毛刷式排種器的播種效果對(duì)比

5 結(jié)論與討論

本文主要對(duì)油莎豆的物理特性進(jìn)行分析，在充分了解油莎豆的三軸尺寸以及千粒重等各項(xiàng)物理特性后，采用3種不同的排種器進(jìn)行試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過程中對(duì)其相關(guān)部件進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化使其更加適合油莎豆的播種。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，氣吸式排種器使用改裝后的排種盤效果最好，該排種盤能夠做到有效避免重播，并且漏播率最低達(dá)到0.48%，唯一的不足是排種器的播種速度比較慢，只有4 km/h；隨著該排種器播種速度的加快，其漏播率有所升高，在播種速度為7 km/h時(shí)，其漏播率為7.29%，仍然滿足了《單粒（精量）播種機(jī)技術(shù)條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標(biāo)［21］。毛刷式排種器在播種效果上不如氣吸式排種器，但其在高速作業(yè)時(shí)排種效果穩(wěn)定，使用3D打印的油莎豆排種盤在播種速度為6 km/h時(shí)，重播率為5.4%，漏播率為3.5%，排種效果最好。指夾式排種器在本次試驗(yàn)中雖然也能夠滿足《單粒（精量）播種機(jī)技術(shù)條件》（JB/T 10293—2013）中的參數(shù)指標(biāo)［21］，但其漏播率也相對(duì)較高，隨著轉(zhuǎn)速的增加漏播率也有所降低，在播種速度為8 km/h時(shí)，重播率為5.72%，漏播率為6.32%，指夾式排種器適用于高速作業(yè)，但對(duì)于圓形大粒種子來說不如玉米的播種效果好。

本研究也存在一定的不足，排種器應(yīng)保持在穩(wěn)定播種效果的前提下保證作業(yè)效率，比如本次研究的氣吸式排種器在低速行駛時(shí)，作業(yè)效果非常好，但是隨著播種速度的加快其播種效果也隨之下降；本次試驗(yàn)指夾式排種器的漏播率相比其他2款排種器略高，后續(xù)的研究可以針對(duì)油莎豆重新設(shè)計(jì)1款專用指夾來提高種子的夾持率，從而降低漏播率。