張明華，姜有聰，何思禹，黃子順，秦 偉，錢 誠，陶婉琰，臧 英

蔬菜氣吸輪式精量排種器設(shè)計與試驗

張明華1,2,3,4，姜有聰1,2，何思禹1,2，黃子順1,2，秦 偉1,2，錢 誠1,2，陶婉琰1,2，臧 英1,2,3,4※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院/嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實驗室，廣州 10642；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 10642；3. 廣東省農(nóng)業(yè)人工智能重點實驗室，廣州 510642；4. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)黃埔創(chuàng)新研究院，廣州 510715）

蔬菜類型多，種子尺寸差異大，為擴大排種器的適用范圍，該研究提出一種基于擾種條輔助充種的蔬菜氣吸輪式精量排種器。通過理論分析確定了排種器的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計了一種帶有坡度的擾種條結(jié)構(gòu)，最薄處厚度為0.5 mm、最厚處厚度為1.0 mm，并對充種階段種子在擾種條上和清種階段的受力情況分別進行分析,確定了擾種條和清種裝置結(jié)構(gòu)。選取菜心、蘿卜和辣椒種子為試驗對象，利用臺架試驗獲得擾種條傾角和厚度的較優(yōu)值；開展較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的排種器充種性能試驗，以工作負壓、排種轉(zhuǎn)速和清種距離為試驗因素，進行三因素三水平正交試驗。試驗結(jié)果表明，對于菜心種子，工作負壓為0.92 kPa，排種轉(zhuǎn)速為13.3 r/min，清種距離為0.70 mm時，充種合格率為99.20%，漏吸率為0.13%；對于蘿卜種子，工作負壓為4.47 kPa，排種轉(zhuǎn)速為25.5 r/min，清種距離為1.20 mm時，充種合格率為97.34%，漏吸率0.53%；對于辣椒種子，工作負壓為1.49 kPa，排種轉(zhuǎn)速為16.9 r/min，清種距離為0.69 mm時，充種合格率為88.27%，漏吸率為2.67%，滿足菜心、蘿卜、辣椒的種植農(nóng)藝要求，研究結(jié)果可為蔬菜氣吸輪式精量排種器設(shè)計提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；設(shè)計；試驗；氣吸式排種器；精量播種；蔬菜種子

0 引 言

中國是世界上最大的蔬菜生產(chǎn)國和消費國[1]，據(jù)2020年中國統(tǒng)計年鑒數(shù)據(jù)顯示，全國蔬菜種植面積約為2 148.5萬hm2，產(chǎn)量74 912.9萬t[2]。菜心、蘿卜、辣椒是種植廣泛的蔬菜作物，其中辣椒是中國種植面積最大的蔬菜，菜心、蘿卜是重要的特色蔬菜作物[3]。菜心、蘿卜、辣椒等種子形態(tài)不一、種植農(nóng)藝要求不同，品種適用及播種量調(diào)節(jié)難度大。2020年露地蔬菜機播率約為25%，機械化水平亟待提高[4]。因此研究適應(yīng)于菜心、蘿卜、辣椒的精量播種技術(shù)，可顯著提高機具利用率和降低生產(chǎn)成本，是實現(xiàn)蔬菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[5]。

排種器是播種機的核心部件，主要分為機械式和氣力式。蔬菜籽粒形態(tài)不一、易破損，機械式排種器實現(xiàn)蔬菜精量播種難度較大。氣力式精量排種器是依靠氣流完成排種作業(yè)，對種子具有較好的適應(yīng)性、傷種率低、排種精度高等優(yōu)點，被廣泛研究與應(yīng)用[6-9]。尹文慶等[10]設(shè)計了一種氣力槽輪組合式蔬菜排種器，采用二級排種方式，最優(yōu)參數(shù)組合下的排種合格率高于93%，但需更換不同吸嘴型孔滿足不同蔬菜播種要求；夏紅梅等[11-12]在充種室內(nèi)增設(shè)了一種帶有Y型導(dǎo)槽的導(dǎo)向振動供種裝置，使種子能在導(dǎo)槽內(nèi)形成單層、均勻的定向流動，保持各種子的姿態(tài)一致，可滿足扁平茄果類種子1～2粒合格率要求。劉海等[13]設(shè)計了一種正負氣壓組合式精量排種器，采用雙排種盤共用一個氣室結(jié)構(gòu)，可同時播種8行，利用DEM-CFD氣固耦合動網(wǎng)格模型分析了各影響因素對排種性能的影響，滿足小白菜的精量播種。王方艷等[14]設(shè)計了一種一器雙行氣力式排種器，適用于包衣胡蘿卜種子的精量播種。以上研究的氣力式排種器多針對單一作物，適應(yīng)于菜心、蘿卜、辣椒等蔬菜種子的氣力式精量排種器的研究較少。

本文擬設(shè)計一種基于擾種條輔助充種的蔬菜氣吸輪式精量排種器，利用力學(xué)計算、高速攝影技術(shù)和臺架試驗相結(jié)合，分析關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)對充種性能的影響，以期為蔬菜氣吸輪式精量排種器的設(shè)計提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

蔬菜氣吸輪式精量排種器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由充種殼體、擋種毛刷、種層調(diào)節(jié)板、卸種板、傳動軸、清種裝置、法蘭、排種輪、氣室殼體等部件組成。排種輪通過法蘭與傳動軸固定連接，安裝在充種殼體和氣室殼體之間，固定的氣室殼體與旋轉(zhuǎn)的排種輪緊密貼合，形成正負壓氣室；排種輪周向均勻布置有擾種條和吸種孔；種層調(diào)節(jié)板位于充種殼體與排種輪形成的充種室內(nèi)，調(diào)節(jié)種層高度控制充種量；擋種毛刷置于充種區(qū)始端，位于充種殼體內(nèi)，防止充種區(qū)種子落入投種口造成重播；清種裝置置于充種區(qū)末端，安裝在充種殼體上，清除吸種孔吸附的多余種子。

1.充種殼體 2.擋種毛刷 3.種層調(diào)節(jié)板 4.卸種板 5.傳動軸 6.清種裝置 7.法蘭 8.排種輪 9.氣室殼體 10.擾種條 11.吸種孔

排種器工作時，將種層調(diào)節(jié)板調(diào)整至合適高度，種箱內(nèi)的種子在重力作用下進入充種區(qū)（如圖2）形成堆積，傳動軸帶動排種輪逆時針轉(zhuǎn)動，排種輪上的擾種條對種群造成擾動并破壞其穩(wěn)定堆積狀態(tài)，與排種輪接觸的薄層種子在擾種條的作用下從種群中分離出來，隨后從擾種條傾斜面滑落至吸種孔附近，在氣流作用下與外界形成負壓氣流，通過負壓氣室傳遞給吸種孔處，使種子被吸種孔吸附。種子隨排種輪旋轉(zhuǎn)至清種區(qū)，由清種裝置將吸種孔附近多余的種子清落回充種區(qū)，完成單粒取種。種子在負壓作用下通過攜種區(qū)，進入投種區(qū)，此時吸種孔對應(yīng)的正壓氣室與風(fēng)機的正壓口相接，吸種孔處產(chǎn)生正壓，種子在重力、離心力和正壓氣流的共同作用下與吸種孔分離，完成投種。排種輪旋轉(zhuǎn)至過渡區(qū)，為下一次充種做準備。

Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.清種區(qū) Ⅲ.攜種區(qū) Ⅳ.投種區(qū) Ⅴ.過渡區(qū)

Ⅰ. Seed filling area Ⅱ. Seed cleaning area Ⅲ. Seed carrying area Ⅳ. Seed cropping area Ⅴ. Seed transition area

注：為排種輪角速度，rad·s-1。

Note:is the angular velocity of the seeding wheel, rad·s-1.

圖2 排種器工作區(qū)域劃分

Fig.2 Working area division of seed metering device

2 排種器關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 蔬菜種子三軸尺寸

排種器關(guān)鍵部件設(shè)計以蔬菜種子的物料特性為依據(jù)。為提高排種器對品種的適應(yīng)性，本文選用外形和尺寸差異較大的菜心、蘿卜和辣椒種子為研究對象，品種分別為“四九-19”、“短葉13號”和“噸椒傳奇”。分別隨機選取3種蔬菜種子各150粒，用精度為0.01 mm的數(shù)顯游標卡尺對種子的三軸尺寸進行測量，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。菜心種子呈類球形，球度最大，平均長度1.63 mm，平均寬度1.53 mm，平均厚度1.48 mm；蘿卜種子呈橢球形，尺寸較大，厚度略扁，平均長度3.67 mm，平均寬度2.91 mm，平均厚度1.98 mm；辣椒種子呈圓形扁平狀，球度最小，平均長度3.66 mm，平均寬度3.02 mm，平均厚度0.77 mm。

表1 蔬菜種子三軸尺寸統(tǒng)計表

2.2 排種輪直徑

排種輪是排種器的核心部件之一，其直徑大小對其他各部件結(jié)構(gòu)參數(shù)確定至關(guān)重要[15-16]。排種轉(zhuǎn)速和充種時間的關(guān)系如下：

式中為充種時間，s；l為充種弧長，mm；v為排種輪線速度，mm/s；為排種輪直徑，mm；為充種角，rad；為排種轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可得：

由式（2）可知，充種時間與充種角成正比，與排種轉(zhuǎn)速成反比，與排種輪直徑無關(guān)，因此增大排種輪直徑并不能延長充種時間?，F(xiàn)有排種輪直徑選取范圍一般為140～260 mm[17]，綜合考慮排種器整體設(shè)計，本文選取排種輪直徑為150 mm，材料為光敏樹脂。

2.3 排種輪吸種孔數(shù)

吸種孔參數(shù)是影響充種性能的重要因素，播種機作業(yè)速度和株距一定時，吸種孔數(shù)量越多，排種轉(zhuǎn)速越低，有利于提高充種性能[18]。但吸種孔數(shù)量過多，會使被前一擾種條和吸種孔作用后的種子層，沒有足夠的時間和空間恢復(fù)與排種輪的接觸，導(dǎo)致漏吸率上升。排種輪吸種孔數(shù)量計算式為

式中v為播種機作業(yè)速度,m/s；為株距,m。

播種機作業(yè)速度為0.56～1.39 m/s，排種轉(zhuǎn)速為10～30 r/min[19-20]。根據(jù)種植農(nóng)藝要求[21-22]，菜心株距為0.10～0.30 m，由式（3）得10≤≤30；蘿卜株距為0.14～0.25 m，則10≤≤21.4；辣椒株距為0.15～0.30 m，則10≤≤20。綜合考慮擾種條安裝位置和充種性能，本文選擇吸種孔數(shù)量為20，相鄰吸種孔中心角為18°。

2.4 吸種孔直徑

吸種孔直徑由種子尺寸確定[23]，即：

=(0.64～0.66)（4）

式中為吸種孔直徑，mm；為種子寬度，mm。

吸種孔直徑越大，轉(zhuǎn)速越高時所需吸附壓強越小，但過大會導(dǎo)致種子堵塞吸種孔，影響充種性能。為滿足多種蔬菜播種需求，以較小蔬菜種子菜心計算，確定排種輪吸種孔直徑為1.0 mm。

2.5 擾種條

當(dāng)種子成堆靜止或緩慢流動時，種子不易被吸種孔吸附造成漏吸，利用擾種條可打破充種室內(nèi)種群堆積狀態(tài)，同時引導(dǎo)種子朝吸種孔移動，利于被吸種孔吸附[24-27]。本文設(shè)計了一種擾種條，其長度L為6 mm、寬度H為2 mm的矩形長條[28]，長軸方向與吸種孔相切，緊貼于排種輪外表面。擾種條的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為厚度D和傾角，設(shè)擾種條間距為，如圖3所示。

注：Dr為擾種條厚度，mm；Hr為擾種條寬度，mm；Lr為擾種條長度，mm；H為擾種條間距，mm。

擾種條厚度過小，對種子的擾動效果差，不能充分擾動種群，充種效果較差；擾種條厚度過大，對種子的擾動效果強，種群運動劇烈，但會出現(xiàn)擾種條攜種現(xiàn)象，造成播種精度降低。因此，擾種條應(yīng)僅擾動貼近排種輪表面的一薄層種子為宜[29]，即滿足

D=(0.8～1.0)d（5）

式中d為種子厚度，mm。

辣椒種子厚度最小，d為0.56～1.04 mm，則擾種條厚度D范圍為0.45～1.04 mm。根據(jù)相關(guān)文獻[30]，分別設(shè)計厚度為0.5、1.0 mm的擾種條，如圖4，其中圖4b為帶有坡度的擾種條，最薄處厚度為0.5 mm、最厚處厚度為1.0 mm（下文簡稱0.5～1.0 mm）。

圖4 擾種條厚度示意圖

擾種條間距小于2倍種子長度時，會產(chǎn)生擾種條夾持種子的現(xiàn)象，導(dǎo)致重吸率增大，因此應(yīng)使>2，其中為種子平均長度，由此可得，擾種條間距應(yīng)大于7.34 mm，綜合考慮確定擾種條間距8 mm。

以單粒種子為研究對象，假定其為一剛性質(zhì)點，以種子質(zhì)心為原點建立空間直角坐標系，如圖5所示，軸垂直于擾種條傾斜面，軸平行于擾種條傾斜面，軸通過種子與排種輪接觸點且垂直于排種輪表面。

注：x、y、z為坐標軸；O為種子質(zhì)心（坐標系原點）；N1為排種輪表面對種子的支持力，N；N2為擾種條對種子的支持力，N；G為種子重力，N；f1為種子與排種輪表面摩擦力，N；f2為種子與擾種條表面摩擦力，N；α為擾種條傾角,(°)；Fk為科氏力，N；I為離心力，N。

為使種子沿擾種條向吸種孔處靠近，應(yīng)確保其有沿軸正向運動的趨勢，即各力在軸的分力之和為正,即

G>1+2（6）

根據(jù)種子在擾種條上的受力（圖6）可知種子在方向上的受力方程為

其中

式中1為種子與排種輪間的滑動摩擦系數(shù)；為種子質(zhì)量,kg；v為種子相對速度,m/s；為排種輪半徑,m；為重力加速度,9.81 m/s2。

將式（7）和（8）代入式（6）可得：

由式（9）可知，影響種子與擾種條相對運動的參數(shù)有排種轉(zhuǎn)速、種子與排種輪間的滑動摩擦系數(shù)1、排種輪半徑、充種角與擾種條傾角。擾種條傾角越小，越有利于提高種子的流動。擾種條傾角上限值應(yīng)小于90°減自然休止角[31]，試驗測得菜心、蘿卜、辣椒自然休止角分別為 27.32°、37.47°、34.15°，為便于加工，取上限值為50°。擾種條傾角過小時，擾種條對種群擾動范圍小，充種性能下降，通過預(yù)試驗測得，擾種條傾角下限值為10°。

注：為充種角，(°)；G為重力以充種角分解的切向力，N；G為重力在軸方向的分力，N；G為重力在軸方向的分力，N，G為重力在軸方向的分力，N。

Note:is seed filling angle, (°);Gis the tangential force of gravitydecomposed by the seed filling angleN;Gis the component force of gravityin the-axis direction, N;Gis the component force of gravityin the-axis direction, N;Gis the component force of gravityin the-axis direction, N.

圖6 擾種過程受力投影圖

Fig.6 Projection diagram of the forces on the seed disturbance process

2.6 清種裝置

種子在被吸種孔吸附時，吸種孔不能完全密封，會出現(xiàn)重吸現(xiàn)象，影響播種精度[32-33]。為能夠有效地清除吸種孔上吸附的多粒種子，滿足不同類型種子的清種要求，本文采用撥指式清種裝置，如圖7所示，清種撥指固定在調(diào)節(jié)齒條上，可根據(jù)不同種子外形尺寸轉(zhuǎn)動清種調(diào)節(jié)手柄，調(diào)節(jié)清種距離S，即清種撥指前端面與吸種孔中心的相對距離。利用一側(cè)清種撥指使種子與其發(fā)生碰撞清種，并將吸種孔處未被清除的多余種子擠壓向另一側(cè)，再用另一側(cè)清種撥指對其進一步清種，使吸種孔處多余種子在推力作用下脫離吸種孔落回充種區(qū)，完成清種。

1.清種調(diào)節(jié)手柄 2.調(diào)節(jié)齒條 3.吸種孔 4.調(diào)節(jié)齒輪 5.清種撥指 6.調(diào)節(jié)座

當(dāng)種子隨排種輪轉(zhuǎn)動至清種階段時，種子受力情況如圖8所示。

注：x′、y′、z′為坐標軸；O′為坐標系原點；P0為清種階段種子所受吸附力，N；Ft為清種裝置對種子的推力，N；f3為清種裝置對種子的摩擦力，N；f4為清種階段排種輪對種子的摩擦力，N；d為吸種孔直徑，mm；N1′、N2′為吸種孔側(cè)壁對種子的支持力，N；Gy’為重力G在y’軸方向的分力，N；J為Gy’與f3的合力，N；T為J與Ft的合力，N；β為受力點與水平方向夾角，(°)；γ為清種裝置傾角，(°)；φ為J與Ft之間的夾角，(°)；C為種子重心與排種輪之間的距離，m；Sq為清種距離，m。

將種子所受的力分解為平行于排種輪與垂直于排種輪的力，其中排種輪對種子的摩擦力4起到阻礙種子脫離的作用，為保證吸附更加穩(wěn)固，可忽略不計[34]，因此被吸種孔穩(wěn)定吸附且隨排種輪同步轉(zhuǎn)動不發(fā)生脫離的平衡條件為

式中2為種子與清種撥指間的滑動摩擦系數(shù)。

由式（10）可得

由式（11）可知，在排種輪結(jié)構(gòu)和工作條件確定的情況下，清種裝置對種子的推力F越大，種子穩(wěn)定吸附所受吸附力0越大。因此增加清種裝置對種子的推力F，會增大重吸種子穩(wěn)定吸附所受的吸附力0，打破了原本穩(wěn)定吸附的平衡狀態(tài)，將吸種孔附近多余種子清除。因此將清種撥指設(shè)計為逐漸逼近吸種孔的結(jié)構(gòu)，逐漸增大對重吸種子的推力，實現(xiàn)清種功能。

3 排種器性能試驗

3.1 材料與方法

3.1.1 試驗材料與裝置

試驗材料為“四九-19”菜心種子、“短葉13號”蘿卜種子、“噸椒傳奇”辣椒種子。排種裝置試驗臺如圖9所示，主要包括排種器、51K120RGN-CF型驅(qū)動電機、電機調(diào)速器、WS9250型風(fēng)機、氣力管道、FASTCAMSUPER 10K高速攝像機。其中，排種輪采用光敏樹脂材料3D打印而成；通過切割排種器觀察充種效果，利用高速攝像機記錄觀察區(qū)影像，統(tǒng)計充種情況。

1.高速攝像機 2.氣力管道 3.排種器 4.觀察區(qū) 5.驅(qū)動電機 6.電機調(diào)速器 7.計算機

3.1.2 試驗方案

通過前期預(yù)試驗和相關(guān)文獻[10]，調(diào)節(jié)排種轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作負壓為1.00、4.00、1.50 kPa，清種距離為0.75、1.25、0.75 mm，分別進行擾種條傾角和擾種條厚度對充種性能影響的試驗。根據(jù)上述分析，擾種條傾角取值范圍為10°～50°，選擇10°、30°、50°共3個水平；擾種條厚度選擇0.5、0.5～1.0、1.0 mm 共3個水平進行試驗。試驗因素水平如表2所示。

以優(yōu)選出的擾種條結(jié)構(gòu)為對象，采用三因素三水平正交試驗方法，選取工作負壓、排種轉(zhuǎn)速和清種距離為試驗因素，進行工作參數(shù)對充種性能影響的試驗。試驗因素水平如表3所示。

表2 擾種條結(jié)構(gòu)對充種性能影響的試驗因素水平表

表3 工作參數(shù)對充種性能影響的試驗因素水平表

3.1.3 評價指標

每組試驗統(tǒng)計250粒種子，重復(fù)3次，取平均值為試驗結(jié)果[35]。選取充種合格率、重吸率和漏吸率為評價指標，計算式如下：

式中0為吸附0粒種子的吸種孔數(shù)量；1為吸附1粒種子的吸種孔數(shù)量；2為吸附大于1粒種子的吸種孔數(shù)量。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 擾種條結(jié)構(gòu)對充種性能的影響

由表4可知，擾種條傾角、擾種條厚度對充種性能的影響因種子不同存在差異。擾種條傾角對菜心漏吸率影響顯著（<0.05），對蘿卜充種合格率影響極顯著（<0.01），對蘿卜漏吸率影響顯著（<0.05）；擾種條厚度對蘿卜重吸率和漏吸率影響極顯著（<0.01），對蘿卜充種合格率影響顯著（<0.05）；擾種條傾角和擾種條厚度對辣椒充種性能指標影響均極顯著（<0.01）。將各結(jié)構(gòu)參數(shù)充種合格率取均值，確定較優(yōu)參數(shù)值為擾種條傾角為30°，擾種條厚度為0.5～1.0 mm。

3.2.2 工作參數(shù)對充種性能的影響

基于優(yōu)選出的擾種條結(jié)構(gòu)，采用Design-Expert軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，試驗結(jié)果如表5所示。

表4 擾種條結(jié)構(gòu)對充種性能影響的試驗結(jié)果

注：“*”表示影響顯著（<0.05），“**”表示影響極顯著（<0.01）。下同。

Note: “*” means significant impact (<0.05), “**” means extremely significant impact (<0.01). The same below.

表5 工作參數(shù)對充種性能影響的試驗結(jié)果

注：1、2、3分別為1、2、3的水平值；1、2、3分別為菜心、蘿卜、辣椒的充種合格率；1、2、3分別為菜心、蘿卜、辣椒的重吸率；1、2、3分別為菜心、蘿卜、辣椒的漏吸率。

Note:1,2,3are the level values of1,2and3respectively.1,2,3are the qualified rate of flowering Chinese cabbage, radish and hot pepper respectively;1,2,3are the multiple rate of flowering Chinese cabbage, radish and hot pepper respectively;1,2,3are the missing rate of flowering Chinese cabbage, radish and hot pepper respectively.

表6為充種合格率、重吸率和漏吸率回歸模型的方差分析，從表中可知，充種合格率、重吸率和漏吸率對菜心、蘿卜、辣椒種子的回歸模型擬合度均為極顯著（<0.01），且回歸方程失擬項不顯著（>0.05），模型與實際情況擬合較好。

表6 充種合格率、重吸率和漏吸率回歸模型的方差分析

剔除對試驗指標影響不顯著因素，分別建立菜心充種合格率1、重吸率1、漏吸率1與排種轉(zhuǎn)速1、工作負壓2和清種距離3之間的回歸方程，如式（13）所示。

由表6和式（13）可知，回歸項1、2、3、12、13、23、12、22、32對菜心充種合格率1影響極顯著（<0.01）；回歸項1、2、3、23、12、32對菜心重吸率1影響極顯著（<0.01），回歸項13、22對菜心重吸率1影響顯著（<0.05）；回歸項1、2、3、12、13、23、12、32對菜心漏吸率1影響極顯著（<0.01），回歸項22對菜心漏吸率1影響顯著（<0.05）。影響菜心充種合格率、重吸率、漏吸率的因素主次順序為清種距離、排種轉(zhuǎn)速、工作負壓。

式（14）為蘿卜充種合格率2、重吸率2、漏吸率2與排種轉(zhuǎn)速1、工作負壓2和清種距離3之間的回歸方程。

由表6和式（14）可知，回歸項1、2、3、12、23、12、22、32對蘿卜充種合格率2影響極顯著（<0.01），回歸項13對蘿卜充種合格率2影響顯著（<0.05）；回歸項1、2、3、12、23、12、22、32對蘿卜重吸率2影響極顯著（<0.01），回歸項13對蘿卜重吸率2影響顯著（<0.05）；回歸項1、2、3、12、13對蘿卜漏吸率2影響極顯著（<0.01），回歸項23、12對蘿卜漏吸率2影響顯著（<0.05）。影響蘿卜充種合格率的因素主次順序為清種距離、排種轉(zhuǎn)速、工作負壓；影響蘿卜重吸率因素主次順序為排種轉(zhuǎn)速、清種距離、工作負壓；影響蘿卜漏吸率因素主次順序為排種轉(zhuǎn)速、工作負壓、清種距離。

式（15）為辣椒充種合格率3、重吸率3、漏吸率3與排種轉(zhuǎn)速1、工作負壓2和清種距離3之間的回歸方程。

由表6和式（15）可知，回歸項1、3、12、13、23、12、22、32對辣椒充種合格率3影響極顯著（<0.01），回歸項2對辣椒充種合格率3影響顯著（<0.05）；回歸項1、2、3、13、23、12、22、32對辣椒重吸率3影響極顯著（<0.01）；回歸項1、2、3、13、23、32對辣椒漏吸率3影響極顯著（<0.01），回歸項12、12對辣椒漏吸率3影響顯著（<0.05）。影響辣椒充種合格率、重吸率、漏吸率的因素主次順序為清種距離、工作負壓、排種轉(zhuǎn)速。

3.2.3 因素交互作用對充種合格率的影響

圖10a為試驗因素交互作用對菜心充種合格率的影響，當(dāng)清種距離為0.75 mm，工作負壓為低水平時，菜心充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加而降低；工作負壓為高水平時，充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加呈先增大后降低的趨勢；排種轉(zhuǎn)速為低水平時，菜心充種合格率隨工作負壓增加呈先增大后降低的趨勢，排種轉(zhuǎn)速為高水平時，充種合格率隨工作負壓增加而增大。在排種轉(zhuǎn)速為10～25 r/min，工作負壓0.50～1.50 kPa時，菜心充種合格率較高。當(dāng)排種轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作負壓一定時，菜心充種合格率隨清種距離增加呈先增大后降低的趨勢；清種距離一定時，菜心充種合格率隨工作負壓增加也呈先增大后降低的趨勢。在清種距離0.70～0.90 mm，工作負壓0.70～1.50 kPa時，菜心充種合格率較高。當(dāng)工作負壓為1.00 kPa，清種距離為低水平時，菜心充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加而降低；清種距離為高水平時，菜心充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加而增大；排種轉(zhuǎn)速一定時，菜心充種合格率隨清種距離增加呈先增大后降低的趨勢。當(dāng)清種距離為0.60～0.90 mm，排種轉(zhuǎn)速為10～25 r/min時，菜心充種合格率較高。

圖10b為試驗因素交互作用對蘿卜充種合格率的影響，當(dāng)清種距離為1.25 mm，工作負壓為低水平時，蘿卜充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加呈先增大后降低的趨勢；工作負壓為高水平時，充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加而增大；排種轉(zhuǎn)速為低水平時，蘿卜充種合格率隨工作負壓增加呈先增大后降低的趨勢，排種轉(zhuǎn)速為高水平時，充種合格率隨工作負壓增加而增大。在排種轉(zhuǎn)速為22～30 r/min，工作負壓4.10～4.50 kPa時，蘿卜充種合格率較高。當(dāng)排種轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作負壓一定時，蘿卜充種合格率隨清種距離增加呈先增大后降低的趨勢；清種距離一定時，蘿卜充種合格率隨工作負壓增加也呈先增大后降低的趨勢。在清種距離1.15～1.20 mm，工作負壓4.30～4.40 kPa時，蘿卜充種合格率較高。當(dāng)工作負壓為4.00 kPa，清種距離一定時，蘿卜充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加呈先增大后降低的趨勢；當(dāng)排種轉(zhuǎn)速一定時，蘿卜充種合格率隨清種距離增加也呈先增大后降低的趨勢。當(dāng)清種距離為1.00～1.35 mm，排種轉(zhuǎn)速為14～30 r/min時，蘿卜充種合格率較高。

圖10c為試驗因素交互作用對辣椒充種合格率的影響，當(dāng)清種距離為0.75 mm，工作負壓一定時，辣椒充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加呈先增大后降低的趨勢；排種轉(zhuǎn)速一定時，辣椒充種合格率隨工作負壓增加也呈先增大后降低的趨勢。在排種轉(zhuǎn)速為16～24 r/min，工作負壓1.10～1.50 kPa時，辣椒充種合格率較高。當(dāng)排種轉(zhuǎn)速為20 r/min，工作負壓一定時，辣椒充種合格率隨清種距離增加呈先增大后降低的趨勢；清種距離低水平時，辣椒充種合格率隨工作負壓增加呈先增大后降低的趨勢；清種距離高水平時，辣椒充種合格率隨工作負壓增加而降低。在清種距離0.60～0.80 mm，工作負壓1.10～1.70 kPa時，辣椒充種合格率較高。當(dāng)工作負壓為1.50 kPa，清種距離低水平時，辣椒充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加呈先增大后降低的趨勢；清種距離高水平時，辣椒充種合格率隨排種轉(zhuǎn)速增加而增大；當(dāng)排種轉(zhuǎn)速一定時，辣椒充種合格率隨清種距離增加呈先增大后降低的趨勢。當(dāng)清種距離為0.55～0.75 mm，排種轉(zhuǎn)速為12～24 r/min時，辣椒充種合格率較高。

3.3 參數(shù)優(yōu)化

為獲得排種器的最佳工作參數(shù)組合，以排種器充種合格率最大，重吸率和漏吸率最小為目標函數(shù)，結(jié)合因素邊界條件，對評價指標回歸模型進行多目標優(yōu)化求解。優(yōu)化目標函數(shù)和約束條件為

運用Design Expert軟件求解，對于菜心種子，工作負壓為0.92 kPa，排種轉(zhuǎn)速為13.3 r/min，清種距離為0.70 mm時，目標函數(shù)預(yù)測值分別為充種合格率99.13%、重吸率0.87%、漏吸率0%；對于蘿卜種子，工作負壓為4.47 kPa，排種轉(zhuǎn)速為25.5 r/min，清種距離為1.20 mm時，目標函數(shù)預(yù)測值分別為充種合格率97.30%、重吸率1.29%、漏吸率1.41%；對于辣椒種子，工作負壓為1.49 kPa，排種轉(zhuǎn)速為16.9 r/min，清種距離為0.69 mm時，目標函數(shù)預(yù)測值分別為充種合格率88.33%、重吸率8.22%、漏吸率3.45%。

對優(yōu)化后的參數(shù)進行試驗驗證，在相同的試驗條件下重復(fù)驗證試驗3次，根據(jù)試驗結(jié)果可知，對于菜心種子，充種合格率為99.20%，重吸率為0.67%，漏吸率為0.13%；對于蘿卜種子，充種合格率為97.34%，重吸率為2.13%，漏吸率0.53%；對于辣椒種子，充種合格率為88.27%，重吸率為9.06%，漏吸率為2.67%，與理論優(yōu)化結(jié)果基本吻合，驗證了優(yōu)化結(jié)果的準確性。

4 結(jié) 論

1）蔬菜類型多，種子尺寸差異大，為擴大排種器的適用范圍，設(shè)計了一種基于擾種條輔助充種的蔬菜氣吸輪式精量排種器，闡明了排種器的工作過程、原理及主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2）對擾種條結(jié)構(gòu)參數(shù)進行試驗，以擾種條傾角和擾種條厚度為試驗因素，擾種條傾角為30°、擾種條厚度為0.5～1.0 mm時，3種蔬菜種子的充種合格率較高。

3）基于上述擾種條結(jié)構(gòu)，以工作負壓、排種轉(zhuǎn)速、清種距離為試驗因素，進行三因素三水平正交試驗，試驗表明，在較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)條件下菜心、蘿卜、辣椒種子的充種合格率分別為99.20%、97.34%、88.27%，重吸率分別為0.67%、2.13%、9.06%，漏吸率分別為0.13%、0.53%、2.67%，滿足菜心、蘿卜、辣椒種植農(nóng)藝要求。

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Design and experiment of the air suction wheel precision seed metering device for vegetables

ZHANG Minghua1,2,3,4, JIANG Youcong1,2, HE Siyu1,2, HUANG Zishun1,2, QIN Wei1,2, QIAN Cheng1,2, TAO Wanyan1,2, ZANG Ying1,2,3,4※

(1./,510642, China; 2.,,,510642,; 3.(-),510642; 4.,510715,)

Pneumatic precision metering device has been mostly used for single crops in recent years. However, there are many types of vegetables with large differences in seed size. It is still lacking the pneumatic precision metering device suitable for the vegetable seeds, such as flowering Chinese cabbage, radish, and hot pepper. In this study, an air-suction wheel pneumatic precision metering device was developed for the vegetables using the seed stirring strip and seed filling. The key structural parameters of the precision metering device were determined, where the diameter of the seed-suction hole was 1.0 mm, and the number of seed-suction holes was 20. The structure of the seed stirring strip was designed with a rectangular strip of length 6 mm and width 2 mm. The direction of the long axis was also tangential to the seed-suction hole. The force of the seeds was analyzed on the seed-stirring strip during the seed-filling stage. The range of the parameters was determined in the seed-stirring strip structure. A seed cleaning device was also designed with the staggered and adjustable seed cleaning distances on both sides. Among them, the force on the seeds was analyzed in the seed-cleaning stage, in order to design the structure of the seed-cleaning finger for the gradual approach of the seed-suction hole. The test objects were selected as the seeds of Sijiu No.19 flowering Chinese cabbage, short leaf No.13 radish, and Dunjiao Chuanqi hot pepper. The preference test was carried out, where the qualified, multiple and missing rates were used as test indexes, and the inclination angle and the thickness of the seed stirring strip were used as test factors. The test results showed that there was a variation in the inclination angle and the thickness of the seed stirring strip on the seed filling performance under the different seeds. The qualified rate of each structural parameter was taken as the average value. The better parameter values were determined as the inclination angle of the seed stirring strip was 30°. The thickness of the seed stirring strip was a kind of seed stirring strip with a slope, where the thickness at the thinnest and thickest points were 0.5 and 1.0 mm, respectively. A three-factor and three-level orthogonal test was carried out with the seeding rotation speed, working negative pressure, and seed cleaning distance as the test factors. The regression analysis was also performed to obtain a better combination of working parameters. In flowering Chinese cabbage seeds, the qualified rate, multiple rate, and missing rate were 99.20%, 0.67%, and 0.13%, respectively, when the working negative pressure was 0.92 kPa, the seeding rotation speed was 13.3 r/min, and the seed cleaning distance was 0.70 mm. In radish seeds, the qualified rate, multiple rate and missing rate were 97.34%, 2.13%, and 0.53%, respectively, when the working negative pressure was 4.47 kPa, the seeding rotation speed was 25.5 r/min, and the seed cleaning distance was 1.20 mm. In hot pepper seeds, the qualified rate, multiple rate and missing rate were 88.27%, 9.06%, and 2.67%, respectively, when the working negative pressure was 1.49 kPa, the seeding rotation speed was 16.9 r/min, and the seed cleaning distance was 0.69 mm. The device fully met the agronomic requirements of flowering Chinese cabbage, radish, and hot pepper. The finding can provide a strong reference to design the air-suction wheel precision metering device for vegetables.

agricultural machinery; design; experiment; air-suction metering device; precision seeding; vegetable seed

2022-11-15

2023-03-13

嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實驗室科研項目（NZ2021039）；上海市科技興農(nóng)項目（滬農(nóng)科創(chuàng)字（2021）第4-1號）。

張明華，博士，副研究員，研究方向為水稻與蔬菜種植，智能農(nóng)機裝備。Email：zhangminghuascau@163.com

臧英，博士，教授，研究方向為水稻生產(chǎn)機械關(guān)鍵技術(shù)與裝備。Email：yingzang@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.202211138

S223.2

A

1002-6819(2023)-07-0098-12

張明華，姜有聰，何思禹，等. 蔬菜氣吸輪式精量排種器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2023，39(7)：98-109. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211138 http://www.tcsae.org

ZHANG Minghua, JIANG Youcong, HE Siyu, et al. Design and experiment of the air suction wheel precision seed metering device for vegetables[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(7): 98-109. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202211138 http://www.tcsae.org