小粒蔬菜種子排種器落種對(duì)播種質(zhì)量影響的研究

呂海杰+楊華+韓宏宇

摘要：針對(duì)我國(guó)蔬菜種植行業(yè)面臨的問題，設(shè)計(jì)出適合小粒蔬菜種子的播種精度高的排種器，配備到設(shè)施播種機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)不同小粒蔬菜種子的精密播種。本項(xiàng)目研究的小粒蔬菜種子排種器落種對(duì)播種質(zhì)量的影響的總體技術(shù)方案就是在研究排種器的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際農(nóng)藝情況，實(shí)現(xiàn)技術(shù)再創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：小粒蔬菜種子排種器；精密播種

中圖分類號(hào)：S223文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2018.01.002

1項(xiàng)目研究的意義

蔬菜在我國(guó)經(jīng)濟(jì)作物中占有非常重要的經(jīng)濟(jì)地位，已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)僅次于糧食的重要農(nóng)產(chǎn)品。蔬菜種植業(yè)是發(fā)展我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。據(jù)農(nóng)業(yè)部2009年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：中國(guó)蔬菜播種面積和總量分別占世界的43%和49%，均居世界第一。《2011—2020全國(guó)蔬菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中指出：2020年全國(guó)的蔬菜播種面積實(shí)際修訂為2.3億畝，總產(chǎn)量為5億t。 “十二五”發(fā)展規(guī)劃中，黑龍江省把蔬菜產(chǎn)業(yè)作為重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)來(lái)支持發(fā)展，2012年全省蔬菜種植面積為680萬(wàn)畝。

目前，國(guó)內(nèi)大面積蔬菜種植仍以人工為主，播種時(shí)搞人海戰(zhàn)術(shù)，嚴(yán)重浪費(fèi)人、財(cái)、物，而且播種質(zhì)量差，影響蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量。收入的減少、成本的增加、勞動(dòng)強(qiáng)度加大等因素嚴(yán)重影響種植戶的生產(chǎn)積極性。目前在蔬菜種植行業(yè)面臨幾個(gè)嚴(yán)峻問題：一是農(nóng)村勞動(dòng)力轉(zhuǎn)移導(dǎo)致雇工貴、雇工難等問題進(jìn)一步凸顯；二是國(guó)外優(yōu)良蔬菜品種的引進(jìn)，增加了種子成本；三是人們對(duì)蔬菜品質(zhì)的要求提高，導(dǎo)致對(duì)蔬菜播種環(huán)節(jié)要求更加嚴(yán)格，人工種植蔬菜壓力增大。

目前，國(guó)外如法國(guó)MONOSEM、德國(guó)Kverneland、意大利GASPARDO和SFOGGIA等公司的蔬菜播種機(jī)排種器技術(shù)先進(jìn)，播種精度高，但是“水土不服”，價(jià)格昂貴，運(yùn)輸時(shí)間長(zhǎng)，售后不及時(shí)，難以在國(guó)內(nèi)大面積推廣；國(guó)內(nèi)對(duì)小粒蔬菜播種機(jī)排種器的研發(fā)還處于起步階段，主要有河南豪豐、河南興農(nóng)等公司，但是由于播種精度低，可控性不理想，市場(chǎng)保有量較低。

針對(duì)當(dāng)前我國(guó)設(shè)施蔬菜種植方面存在的情況，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，重點(diǎn)通過模擬、數(shù)據(jù)優(yōu)化、試驗(yàn)等基礎(chǔ)研究，設(shè)計(jì)出播種精度高的排種器，配備到設(shè)施播種機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)不同小粒蔬菜種子的精密播種。本項(xiàng)目研究的小粒蔬菜種子排種器落種對(duì)播種質(zhì)量的影響的總體技術(shù)方案就是在研究排種器的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際農(nóng)藝情況，實(shí)現(xiàn)技術(shù)再創(chuàng)新。項(xiàng)目的研究符合國(guó)內(nèi)蔬菜裝備的發(fā)展趨勢(shì)，走在國(guó)內(nèi)蔬菜播種領(lǐng)域的前沿。該項(xiàng)研究不僅會(huì)提高蔬菜播種的作業(yè)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善生產(chǎn)條件，而且實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增收，幫助農(nóng)民盡快致富。

2項(xiàng)目研究的內(nèi)容和解決的關(guān)鍵問題

2.1研究?jī)?nèi)容

（1）本項(xiàng)目對(duì)小粒蔬菜種子排種器落種對(duì)播種質(zhì)量的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究，在對(duì)小粒蔬菜排種器落種對(duì)播種質(zhì)量的影響研究基礎(chǔ)上，找到了最佳的落點(diǎn)。

（2）針對(duì)小粒蔬菜種子的性狀，應(yīng)用高清攝像機(jī)跟蹤記錄排種器播種后種子下落的軌跡，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以種子形狀、風(fēng)力（4級(jí)以下）、孔徑大小、投種點(diǎn)為主要影響因素，以落種深度和株距為目標(biāo)函數(shù)。建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)及工藝最佳參數(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)最優(yōu)化，為今后小粒蔬菜種子排種器的研制提供參考依據(jù)。

（3）通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，重點(diǎn)解決排種器投種口與種子落點(diǎn)的位置關(guān)系，實(shí)現(xiàn)播種后種子深淺一致、株距均勻。

（4）研究排種器的前進(jìn)速度和種子投種速度之間的相對(duì)關(guān)系，通過排種器播種實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型確定最佳速比，實(shí)現(xiàn)播種后落種位置均勻一致，確保播種質(zhì)量。

2.2解決的關(guān)鍵問題

（1）通過研究排種器投種口與種子落點(diǎn)的位置關(guān)系，解決了種子下落過程中隨機(jī)性強(qiáng)不按預(yù)定位置落下的問題，實(shí)現(xiàn)播種后種子深淺一致、株距均勻。

（2）研究排種器的前進(jìn)速度和種子投種速度之間的相對(duì)關(guān)系，通過排種器播種實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型確定最佳速比，解決了種子落下后位置不一致，導(dǎo)致株距不均的現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)播種后落種位置均勻一致，確保播種質(zhì)量，為小粒蔬菜種子排種器的開發(fā)奠定研究基礎(chǔ)。

3項(xiàng)目的研究方法、技術(shù)路線

3.1研究方法

（1）在種子形狀、大小不同的條件下，用高速攝像機(jī)對(duì)種子下落軌跡攝像后進(jìn)行試驗(yàn)研究，探索規(guī)律，對(duì)排種器投種點(diǎn)到種子最終落點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，并通過播種作業(yè)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，形成最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而保證播種后深淺一致、株距均勻。

（2）研究種子前進(jìn)速度和落種速度間的關(guān)系，分析高清攝像跟蹤記錄所得運(yùn)動(dòng)軌跡，以重力、風(fēng)力、投種點(diǎn)等為影響因素，以種子最終落點(diǎn)為目標(biāo)函數(shù)，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，分析優(yōu)化參數(shù)，使其達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟件Pro/E對(duì)排種器進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用有限元方法進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。

3.2技術(shù)路線

4項(xiàng)目學(xué)術(shù)思想及創(chuàng)新之處

4.1學(xué)術(shù)思想

國(guó)內(nèi)小粒蔬菜種子播種機(jī)排種器多為穴播，新研發(fā)的氣力式蔬菜播種機(jī)排種器效果較原來(lái)有了很大的提升和改進(jìn)，播種相對(duì)均勻，基本上能夠單播，但是仍達(dá)不到理想要求，出現(xiàn)重播和漏播。究其原因，并不是整機(jī)設(shè)計(jì)和匹配有問題，而是對(duì)關(guān)鍵的核心部件排種器沒有進(jìn)行深入的研究。本項(xiàng)目就是從對(duì)排種器的基礎(chǔ)研究入手，應(yīng)用高清攝像技術(shù)和數(shù)學(xué)分析方法，結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)和播種試驗(yàn)，確定最佳的速比和投種點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)播種，達(dá)到播后深淺一致、株距均勻。具體是利用現(xiàn)代高清攝像技術(shù)，跟蹤記錄排種器下落過程的軌跡，再用數(shù)學(xué)分析方法，影響播種質(zhì)量與落點(diǎn)、株距之間的關(guān)系，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。優(yōu)化出最佳參數(shù)組合。使投種口和落點(diǎn)達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證播種后深淺一致、株距均勻。

4.2創(chuàng)新之處

（1）運(yùn)用高清跟蹤攝像技術(shù)攝取種子下落運(yùn)動(dòng)軌跡，通過對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡分析，以種子重力、風(fēng)力、投種位置為影響因素，以種子落點(diǎn)最終位置為目標(biāo)函數(shù)，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)模型。通過分析優(yōu)化參數(shù)，使其達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)種子下落后直接到達(dá)預(yù)期位置，從而實(shí)現(xiàn)播種的均勻一致性。endprint

（2）創(chuàng)新研究前進(jìn)速度和落種速度間的相對(duì)關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)最優(yōu)速比，有效保證落種位置一致性。

5項(xiàng)目技術(shù)應(yīng)用

本項(xiàng)目所研究的排種器是以機(jī)械設(shè)計(jì)理論為主，輔以高清攝像技術(shù)、數(shù)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，使排種器播種深淺、均勻一致。

5.1機(jī)械設(shè)計(jì)理論

排種器由多個(gè)經(jīng)過加工的零件按照不同的配合關(guān)系組裝而成，包括排種器殼體、播種盤、減磨片、種箱等，各個(gè)零件均需根據(jù)其功能、有否相對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)、配合關(guān)系來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。播種盤是旋轉(zhuǎn)部件，要求表面光潔度高，加工精細(xì)。減磨盤從選擇材質(zhì)上就要具有好的耐磨性且不易磨損，整個(gè)排種器的機(jī)械設(shè)計(jì)不僅符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，而且還要實(shí)用、美觀。

5.2高清攝像技術(shù)

小粒蔬菜種子尺寸小、質(zhì)量輕，播種下落時(shí)很難觀察清楚其軌跡，要運(yùn)用高清攝像技術(shù)，才能清晰地觀察到并通過動(dòng)畫反映出來(lái)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化處理。

5.3數(shù)學(xué)模型

排種器研究屬于機(jī)械學(xué)領(lǐng)域，其運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，種子隨排種器一起向前行走，同時(shí)下落，實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)，下落過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡要通過數(shù)字建立相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，構(gòu)成數(shù)學(xué)模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算，從而發(fā)現(xiàn)找到其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，來(lái)實(shí)現(xiàn)排種器的精準(zhǔn)播種。

5.4動(dòng)力學(xué)

在模擬排種器播種作業(yè)時(shí)，不僅要考慮種子隨排種器前進(jìn)運(yùn)動(dòng)，更要考慮種子自身下落運(yùn)動(dòng)情況，和在種子落下過程中風(fēng)力的影響等因素，才能更加符合實(shí)際情況進(jìn)行播種作業(yè)。

5.5農(nóng)藝與排種器播種技術(shù)

要達(dá)到優(yōu)良的播種效果，必須充分滿足農(nóng)藝要求，保證作物的正常生長(zhǎng)發(fā)育，分析影響小粒種子播種時(shí)深淺和株距的主要因素，探討種子下落的規(guī)律，種子不同落種位置和株距也不相同，計(jì)算種子的行走距離，然后確定投種位置。

6成果及后續(xù)發(fā)展?jié)摿?/p>

6.1成果

研發(fā)設(shè)施蔬菜播種機(jī)排種器一套，實(shí)現(xiàn)播種后種子深淺一致、株距均勻。深淺一致性達(dá)到±3 mm。排種器的前進(jìn)速度和種子投種速度之間確定最佳速比，實(shí)現(xiàn)播種后落種位置均勻一致，確保播種質(zhì)量，為小粒蔬菜種子排種器的開發(fā)奠定研究基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)小粒蔬菜種子精密播種后，其發(fā)芽率、生產(chǎn)率增加顯著，不浪費(fèi)每一粒種子，漏播率≤5%，大大提高農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益。

6.2后續(xù)發(fā)展?jié)摿?/p>

我國(guó)已經(jīng)成為世界上最大的蔬菜、瓜類生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，蔬菜已經(jīng)成為我國(guó)僅次于糧食的第二大作物。近年來(lái)，蔬菜出口將穩(wěn)定增長(zhǎng)。蔬菜產(chǎn)業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，蔬菜價(jià)格在國(guó)際市場(chǎng)上極具競(jìng)爭(zhēng)力，預(yù)計(jì)今后我國(guó)蔬菜產(chǎn)品出口將穩(wěn)定增長(zhǎng)。同時(shí)，蔬菜種植業(yè)機(jī)械化程度不斷提高，購(gòu)買者對(duì)機(jī)械的精密性、精確性也有了較高要求。目前，市場(chǎng)上針對(duì)小粒種子的排種器不多，主要是由于小粒種子重力較小，受外界，如風(fēng)力等影響較大，不便于精確播種，況且目前蔬菜種子多為國(guó)外進(jìn)口的，都以“?！睘橛?jì)價(jià)單位，成本奇高，這就導(dǎo)致了市場(chǎng)上急需能精確播種的高精度、高效率的小粒種子排種器。本項(xiàng)目研究出的可以精確播種的排種器必將取代傳統(tǒng)的播種機(jī)排種器，實(shí)現(xiàn)精密精確點(diǎn)播，省去間苗環(huán)節(jié)，大大提高作業(yè)效率，節(jié)省成本，植株優(yōu)勢(shì)明顯，肥料等資源利用率高，產(chǎn)量高蔬菜品質(zhì)好。

參考文獻(xiàn)：

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