氣吸式辣椒精量穴直播機的研制與試驗

曾 山，姚臘梅，李 凝，楊禹錕，黃登攀，方龍羽，莫澤文

(1 華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院/南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東 廣州 510642； 2 貴州省山地農(nóng)業(yè)機械研究所，貴州 貴陽，550001)

辣椒是一種重要的鮮食蔬菜和調(diào)味品原料，同時也是重要的工業(yè)原料，辣椒素、辣椒紅素在化工和醫(yī)藥等方面都有特殊的用途[1-4]。據(jù)統(tǒng)計，辣椒年種植面積213.96 萬hm2，產(chǎn)值700 億元[5-7]，在我國蔬菜生產(chǎn)中占據(jù)極其重要的地位，主要分布在河南、新疆、江西、貴州和湖南等地[8]。

在市場需求不斷增長的推動下，辣椒產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)基地化、規(guī)?；蛥^(qū)域化快速發(fā)展等特點[9]。然而辣椒種植普遍采用人工育苗及移栽方式，存在成本高、勞動強度大和生產(chǎn)效率低等問題。隨著農(nóng)村勞動力輸出和人口老齡化趨勢加快，勞動力緊缺矛盾日益突出，嚴重制約了辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，亟需研究高效辣椒種植技術及配套機械。辣椒精量直播省去了育苗和移栽等環(huán)節(jié)，省工省力、節(jié)本增效顯著，近年來該技術發(fā)展較快，具有較好的推廣應用前景。

國內(nèi)外專門針對辣椒播種機械的研究較少，通常采用蔬菜播種機播種，歐美地區(qū)以大型化、高效化的氣力式蔬菜直播機為主[10-11]，能實現(xiàn)高速精量播種，傷種率低，但對種子分選清潔度要求高。主要代表機型有美國MONOSEM(滿勝) 公司的NGPlus系列蔬菜精量播種機、英國StanHay 公司的5-780型蔬菜直播機以及意大利馬斯奇奧公司的Orietta型和Olimpia 型氣吸播種機等。日本、韓國辣椒直播機具有小型化和播種行數(shù)可調(diào)等特點，適合小面積種植作業(yè)，根據(jù)種子形態(tài)大小和農(nóng)藝要求，多采用槽輪或窩眼輪式排種輪。主要代表機型有日本矢崎公司的SYV 系列蔬菜播種機、韓國Rool clean seeder 手推式蔬菜條播機和韓國 “播蘭特”系列蔬菜播種機等[12-13]，機械式排種器播種精度低，且排種輪轉(zhuǎn)動過程中易傷種，影響發(fā)芽率[14-15]。

國內(nèi)蔬菜直播機主要有小型手推式、自走式(電動與油動)及懸掛式機型[16]，以機械式排種器為主。山東省寧津縣發(fā)達機械廠研制了一種外槽輪式辣椒播種機，由于辣椒種子體積小、呈圓片狀，與棉花、花生種子差異較大，存在播種量大、成穴性差等問題；河北省衡水礦山機械廠與冀州市農(nóng)機局聯(lián)合開發(fā)了2BLP-3 型辣椒點水鋪膜穴播機，采用地輪滾筒聯(lián)體舀勺地引式精播器，播種量為4～8 粒/穴，不能滿足精量播種的要求[17-18]。為解決辣椒高速精量播種的問題，中機美諾科技股份有限公司研制了2BJ-4/5 型氣吸式蔬菜播種機，可播種胡蘿卜、洋蔥和辣椒等小粒蔬菜種子[19]；黑龍江德沃科技開發(fā)公司研制了2BQS-8/8X 型氣力式蔬菜直播機，解決了漏播現(xiàn)象，保證了出苗率，但該機存在作業(yè)能耗大、播種質(zhì)量受機器振動影響等缺陷[20]。

因此，本文針對辣椒機械化種植存在的播種量大、成穴性差、勞動強度大和生產(chǎn)效率低等方面的問題，結合辣椒種植農(nóng)藝要求，在參考國內(nèi)外先進技術的基礎上，研制了一種氣吸式辣椒精量穴直播機，并進行了田間試驗，以期為實現(xiàn)辣椒的輕簡化栽培推廣提供參考。

1 整機結構與工作原理

氣吸式辣椒精量穴直播機要求能一次完成開溝、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等多項作業(yè)；滿足不同的辣椒種植模式和農(nóng)藝要求，播種行距、穴距和深度可調(diào)，保證種植密度；播種量為1～3 粒/穴。

1.1 整機結構及工作原理

氣吸式辣椒精量穴直播機主要包括懸掛機架、負壓風機、播種裝置、開溝裝置、覆土鎮(zhèn)壓裝置和動力傳動系統(tǒng)等，可同時完成開溝、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等作業(yè)，結構如圖1 所示。開溝裝置主要包括雙圓盤開溝器和落種機構，布置在排種管正下方；覆土鎮(zhèn)壓裝置由鎮(zhèn)壓輪和鎮(zhèn)壓深度調(diào)節(jié)機構構成，可調(diào)式凸面橡膠鎮(zhèn)壓裝置位于機架的后下方，隨著機具前進對土壤進行鎮(zhèn)壓起到保墑作用；播種單體通過平行四桿仿形機構實現(xiàn)獨立仿形，可根據(jù)播種行數(shù)和播種行距需求組合單體數(shù)量和單體間距離。

圖 1 整機結構三維圖Fig. 1 Three-dimensional diagram of the whole machine structure

氣吸式辣椒精量穴直播機通過三點懸掛裝置與拖拉機掛接，田間作業(yè)時，拖拉機牽引機具，帶動播種機地輪同步轉(zhuǎn)動，動力通過鏈傳動和穴距調(diào)整系統(tǒng)傳遞，帶動氣吸式辣椒精量排種器的排種盤轉(zhuǎn)動，在負壓作用下實現(xiàn)吸種、攜種和斷壓排種等過程，種子通過排種管落入雙圓盤開溝器所開的溝槽中，鎮(zhèn)壓輪將回落的土壤向溝槽中間擠推壓實，實現(xiàn)種子的覆土鎮(zhèn)壓。一次性完成開溝、播種、覆土和鎮(zhèn)壓作業(yè)。

1.2 主要技術參數(shù)

氣吸式辣椒精量穴直播機采用單壟雙行種植方式，其對應的農(nóng)藝要求如圖2 所示。

實際生產(chǎn)中，壟高為200 mm，壟面寬度為700 mm，播種深度可調(diào)范圍為10～30 mm，播種溝寬度為60 mm，播種穴距可調(diào)范圍為150～250 mm，播種行距可調(diào)范圍為400～550 mm。

辣椒精量直播機整機主要技術參數(shù)包括整機尺寸(長×寬×高)1 700 mm×1 200 mm×1 200 mm，整機質(zhì)量約為85 kg，配套動力15～22 kW，作業(yè)速度0.5～1.0 km/h，生產(chǎn)效率為0.603～1.206 hm2/h，播種2～4 行。

2 關鍵部件設計

2.1 氣吸式辣椒精量排種器結構及工作原理

圖 2 辣椒直播種植農(nóng)藝Fig. 2 Direct planting agriculture of pepper

為滿足辣椒精量穴直播的農(nóng)藝要求，本文設計了一種氣吸式辣椒精量排種器，由種箱、進種盒、排種器殼體、排種口、排種盤、氣室殼體、排種軸和負壓進氣口等組成，如圖3 所示。排種器采用負壓吸附原理，作業(yè)時排種軸帶動排種盤轉(zhuǎn)動，將種子吸附在排種盤的排種孔上，當轉(zhuǎn)到負壓阻斷凸臺時斷壓排種，種子進入排種管后落入種溝內(nèi)，完成排種作業(yè)。

2.2 排種盤設計

圖 3 排種器結構示意圖Fig. 3 Structural diagram of seed metering device

排種盤是實現(xiàn)精量播種的核心部件，研究表明，氣吸式排種器排種盤直徑一般為140～260 mm[21]。根據(jù)辣椒播種要求及負壓腔體的密閉要求，選擇排種盤直徑140 mm。對排種器結構及工作過程分析，使吸種孔負壓保持在中間位置，所以設計吸種孔在排種盤上環(huán)形排列的直徑取115 mm。

2.3 吸種孔設計

對南方廣泛種植的辣椒品種的種子進行機械物理特性測定，結果表明，辣椒種子的形狀為橢圓碟片型，種子外形尺寸(長×寬×厚)平均為3.70 mm×3.20 mm×0.75 mm，種子顆粒密度為630 kg/m3，千粒質(zhì)量為5.53 g，與有機玻璃的滑動摩擦角為27.3°、休止角為39°。吸種孔的形狀和尺寸與辣椒種子的形狀尺寸相適應，設計原則是保證1 個吸種孔僅有1 粒種子，根據(jù)辣椒種子大小確定吸種孔直徑(d)。

式中，a 為系數(shù)，一般取0.64～0.66；b 為種子平均寬度；則d 為2.05～2.11。辣椒種子為橢圓碟片狀，因此取2 mm 作為吸種孔的直徑。

吸種孔數(shù)與播種速度、播種頻率及穴距有較大關系，對排種性能有顯著影響。為提高播種機的作業(yè)效率，可提高排種盤的轉(zhuǎn)速，但排種盤轉(zhuǎn)速過高，充種時間過短，充種室內(nèi)的種子來不及吸到排種盤上，會造成漏播；攪種時轉(zhuǎn)速過快容易損傷種子，影響出苗率。相關研究[22]表明排種孔穩(wěn)定吸種線速度不宜超過0.35 m/s(排種盤轉(zhuǎn)速最高為58.2 r/min)，拖拉機田間作業(yè)速度為0.5～1.0 m/s，辣椒的種植農(nóng)藝要求，穴距為150～250 mm，南方常用穴距為200 mm[23-24]。根據(jù)公式(2)確定吸種孔的孔數(shù)(N)。式中，v 為田間作業(yè)速度，m/s，此處取1 m/s；l 為穴距；n 為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min。

機器作業(yè)速度一定，穴距保持不變的情況下，隨孔數(shù)的增多，排種盤轉(zhuǎn)速降低，充種時間較長，排種性能逐漸提高；同樣隨著孔數(shù)的增多，兩吸種孔之間距離逐漸變小，當孔數(shù)增加到一定值時，兩吸種孔吸種會相互干擾，使得種子在吸種孔上排列混亂，造成排種質(zhì)量降低。在不影響吸種孔的吸種、清種和落種的情況下，取吸種孔數(shù)量為6。

2.4 排種過程分析

2.4.1 吸種動力學分析 為保證種子被穩(wěn)定吸附在吸種、攜種弧段上，且隨排種盤轉(zhuǎn)動，相對于吸種孔不發(fā)生滾動和滑動。根據(jù)設計的排種盤的大小，對充種區(qū)的吸種弧段和攜種弧段所吸附的種子進行受力分析，具體如圖4 所示。

圖 4 種子在充種區(qū)和攜種區(qū)的受力分析Fig. 4 Force analysis of seeds in seed filling zone and seed carrying areas

被穩(wěn)定吸附在吸種弧段上的種子需要滿足下列受力平衡：

由吸力與真空度的關系，吸種弧段所需的真空度(Hc)需滿足：

式中，S 為吸孔面積，mm2；Hc為吸室臨界真空度，Pa。

因充種區(qū)存在種間摩擦，吸種弧段所需吸力大于其他弧段，所以此處不再對攜種區(qū)的受力進行分析。在吸種區(qū)當Fh1達到最大值時，式(4)可簡化為：

式中，g 為重力加速度，m/s2；v 為排種盤吸孔中心處的線速度，m/s；r 為排種盤吸孔處的轉(zhuǎn)動半徑，mm；λ 為種子的摩擦阻力綜合系數(shù)；K1為吸種可靠性系數(shù)；K2為外界條件影響系數(shù)；K3為種子含水率影響系數(shù)。參照相關文獻[23]，本文取λ=36.15，K1=2，K2=1.8，K3=1.2，v=0.36 m/s。計算得臨界真空度Hc=139 Pa，排種器臺架試驗最佳真空度值是150 Pa，計算值和實際值接近。

2.4.2 攜種狀態(tài)分析 辣椒種子為橢圓碟片形，外形尺寸不規(guī)則，而排種盤上種子的吸附狀態(tài)不同，對吸孔的密封也不完全一樣，導致種子的吸種粒數(shù)不同。種子以不同的姿態(tài)進入吸種孔，當種子以直立姿態(tài)進入吸種孔時，吸種孔還有間隙，且此時的吸力較強，吸種孔吸附2 或3 粒種子的可能性增大。前期試驗發(fā)現(xiàn)，在保證空穴發(fā)生率低于2%的氣壓作用下，辣椒種子能在攜種區(qū)形成穩(wěn)定的吸附狀態(tài)，如圖5 所示。但由于辣椒種子外形尺寸的特殊性，清種裝置會造成傷種，且不增加清種裝置也能滿足1～3 粒/穴播種量的農(nóng)藝要求，無需增設額外的清種裝置。

圖 5 種子的吸附狀態(tài)Fig. 5 Adsorption states of seeds

2.5 穴距調(diào)整系統(tǒng)

圖 6 穴距調(diào)整系統(tǒng)結構示意圖Fig. 6 Structural diagram of hole distance adjusting system

2.5.1 穴距調(diào)整系統(tǒng)結構 為提高播種機具的實用性和通用性，播種穴距必須具有一定的調(diào)節(jié)范圍。播種單體的穴距調(diào)整系統(tǒng)如圖6 所示，穴距調(diào)整系統(tǒng)由二級鏈傳動和一級變速齒輪組傳動組成；拖拉機掛接機具進行生產(chǎn)作業(yè)時，地輪同步轉(zhuǎn)動由地輪軸輸入，經(jīng)第一級鏈傳動將動力輸送到變速器輸入軸，由齒輪組成的變速齒輪組將不同傳動比的動力輸出給第二級鏈傳動，最終帶動末端的排種器軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)播排種盤的轉(zhuǎn)動與車速的同步匹配，同時可通過改變變速傳動齒輪組的嚙合齒輪實現(xiàn)播種穴距的調(diào)節(jié)。2.5.2 穴距調(diào)整系統(tǒng)的工作原理 氣吸式辣椒精量穴直播機穴距調(diào)節(jié)主要通過調(diào)節(jié)傳動系統(tǒng)中變速器的檔位，改變動力輸入與輸出之間的傳動比來實現(xiàn)，不同傳動比對應不同的穴距。辣椒播種穴距要求150～250 mm，南方常用穴距為200 mm，本文以變速器三檔為常用穴距開展穴距調(diào)整系統(tǒng)設計。本文地輪直徑(D)為250 mm，滑移率(δ)取5%，排種盤轉(zhuǎn)動1 圈播種6 穴，則理論穴距(l)滿足公式(6)。整機總傳動比的計算見公式(7)，本機第一級鏈傳動比取值為1，即鏈輪I 齒數(shù)(Z1)=鏈輪II 齒數(shù)(Z2)=25[24-25]。齒輪I 齒數(shù)(Z3)為18，變速器三檔對應的齒輪II 的齒數(shù)(Z4)為21，鏈輪Ⅳ為排種軸上鏈輪，取齒數(shù)(Z6)為21。由公式(6)和(7)，得鏈輪III 的齒數(shù)(Z5)計算公式(8)，通過計算Z5=17。

式中，i 為本機總傳動比；i1為第一級鏈傳動比，取值為1；i2為齒輪傳動比;i3為第二級鏈傳動比；n1為地輪軸轉(zhuǎn)速，n2、n3為變速箱輸入軸轉(zhuǎn)速，n4、n5為變速箱輸出軸轉(zhuǎn)速，n6為排種軸轉(zhuǎn)速，r/min。

穴距與齒輪Ⅱ的齒數(shù)Z4一一對應，則每一個檔位對應的齒數(shù)帶入公式(9)可計算對應的穴距(l)，計算結果如表1 所示。

表 1 變速箱各檔位與穴距對應表Table 1 Different gear position in the gear box and the corresponding hole distance

2.6 風機選型

本樣機選用離心式風機，前期試驗表明，整機所需風量為2.2×10-2m3/s，總風壓為3.2 kPa，可滿足本機組2 個播種單體的正常工作。根據(jù)文獻[26]，可以計算所選風機的有效功率(Pe)。

式中，Q 為風量，m3/s；p 為風壓，kPa。

根據(jù)風量和風壓，可計算得到風機的有效功率Pe=7.2×10-2kW。

根據(jù)參考文獻[27]，取內(nèi)效率ηi=0.7，機械效率ηm=0.92，軸功率(Ps)為：

使風壓滿足播種機的要求[28]，將所用風機的功率儲備系數(shù)K 定為1.1。

因此，所需的風機功率(Ped)為：

將數(shù)據(jù)帶入公式(12)，求得Ped為0.12 kW。

所選風機功率不能低于0.12 kW，由于管路的長度和氣室的空間大小對吸孔處的負壓和流速有影響，所以風機所需的功率應該比理論計算的功率大，且需要預留足夠的功率作為后備功率，并且從經(jīng)濟上考慮，風機直接選用了黑龍江省雙福機械有限公司生產(chǎn)的離心式電動風機。該風機的功率為0.2 kW，完全滿足該播種機的風壓要求。風機安裝在主機架的安裝板上，單獨由蓄電池供電，風機與播種機之間用硬脂塑料管連接。

3 田間播種試驗與結果

3.1 試驗材料

試驗在華南農(nóng)業(yè)大學增城教學試驗基地(N 23°14′35.78″，E113°38′17.00″，海拔20 m)展開，試驗田地勢平坦，土壤類型為壤土，土壤含水率為18%～25%，土壤緊實度為2 kg/cm2。本次試驗前茬作物為玉米，試驗前采用旋耕機對田塊土壤進行耕整，使其細碎平整并起高20 cm、寬70 cm 的地壟。試驗材料為‘辣研102’，其物理特性如下：千粒質(zhì)量5.53 g，容重759.2 g/L，顆粒密度630 kg/m3，含水率為11.2%，種子外形尺寸(長×寬×厚)平均為3.70 mm ×3.20 mm×0.75 mm。試驗用拖拉機為常發(fā)金冠CFD554A 輪式拖拉機，作業(yè)速度為3.6 km/h，圖7為播種機及田間試驗圖片。

圖 7 田間播種試驗Fig. 7 Field sowing test

3.2 指標及測定方法

為考核氣吸式辣椒精量穴直播機整機結構設計是否合理，以及性能指標是否達到田間實際生產(chǎn)要求。根據(jù)參考文獻[29-30]的方法，對氣吸式辣椒精量穴直播機田間生產(chǎn)進行測試，測試內(nèi)容主要包括地輪滑移率、穴距及其變異系數(shù)和播種深度合格率等。主要檢測設備包括卷尺、鐵刮板、電子秤、計算器、秒表、標桿、塑料袋、土壤硬度計和鐵鍬等。

根據(jù)地輪半徑計算得到地輪行走20 圈的理論距離；標記地輪，測量機具在拖拉機的牽引下，地輪轉(zhuǎn)動20 圈前進的實際距離，重復5 次試驗取平均值。地輪滑移率(δ)計算公式如下：

式中，r 為地輪半徑，mm；n 取20 圈；S 為地輪走過的實際距離，m。

試驗區(qū)總長度為100 m，測區(qū)為播種機單次作業(yè)開始后10 m 和結束前10 m 的區(qū)間。設定3 個穴距進行試驗，每個穴距重復3 次，每次連續(xù)測250組穴距和穴粒數(shù)，記錄數(shù)據(jù)并統(tǒng)計結果。根據(jù)標準和辣椒種植農(nóng)藝要求，設定穴距和穴粒數(shù)2 個考核指標對作業(yè)質(zhì)量進行評估，計算穴距合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)、標準差(穴距偏移指數(shù))和變異系數(shù)，根據(jù)穴距合格指數(shù)計算式計算穴距合格指數(shù)；按照播種量1～3 粒/穴為合格，空穴和每穴粒數(shù)大于4 分別為漏播和重播，并計算出對應的概率，作為評價指標。

式中，A 為考核指數(shù)，n1為播種穴距滿足要求的數(shù)量，即考核數(shù)；N'為考核區(qū)間數(shù)。

播種深度與地平面有關，應以鎮(zhèn)壓后的地面為準。播種深度的測定取5 行，每行測定10 點，在測點上垂直切開土層使種子完全露出，測量播種深度并記錄數(shù)據(jù)，播種深度合格率是指覆土深度 ± 10 mm的點占總測定點的百分數(shù)，按公式(15)計算測區(qū)播種深度合格率(Q)。

式中，q 為播種深度合格點數(shù)；q總為測定總點數(shù)。

3.3 結果與分析

3.3.1 地輪滑移率 地輪為沒有動力的第5 輪，其因機具行走與土地產(chǎn)生的摩擦而同步轉(zhuǎn)動，能較好體現(xiàn)機具前進的速度，其產(chǎn)生的動力經(jīng)過動力傳輸系統(tǒng)直接作用于吸種盤的旋轉(zhuǎn)。由于地輪存在滑移現(xiàn)象，會導致地輪速度與機具前進速度不匹配，從而影響吸種盤轉(zhuǎn)速，直接體現(xiàn)在播種穴距上。地輪滑移率越小，播種穴距越接近理論穴距；地輪滑移率越大，實際播種穴距會同步增大。采用定圈測距的方式測得地輪轉(zhuǎn)動20 圈播種機的實際前進距離統(tǒng)計結果，并對試驗結果進行分析得出實際前進距離平均為16.71 m，理論前進距離為15.71 m，計算得出地輪的滑移率為6.37%，標準差為0.11，變異系數(shù)為2.02%。穴距調(diào)整系統(tǒng)設計時已考慮5%的滑移率影響，所以本機的設計可靠且符合實際生產(chǎn)需求。3.3.2 穴粒數(shù)及穴距 統(tǒng)計選取的3 個穴距及穴粒數(shù)試驗結果如表2 和表3 所示。由表2 和表3 結果可知，在開展播種作業(yè)的時候，在不同的播種穴距下，播種機穴距合格率均大于89%，重播率均小于4.85%，漏播率均小于11%，合格穴距變異系數(shù)均小于23.77%，穴粒數(shù)合格率大于89.86%，重播率小于11%，漏播率小于0.53%。在行進速度不變的情況下，隨著播種穴距的增大，排種器轉(zhuǎn)速減慢，穴距合格指數(shù)增大，重播指數(shù)幾乎不變，漏播指數(shù)減小，合格穴距變異系數(shù)減小。穴距和穴粒數(shù)兩方面的考查參數(shù)均符合相關標準的規(guī)定，作業(yè)質(zhì)量達到辣椒直播的要求。

3.3.3 播種深度合格率 辣椒最佳播種深度為20 mm，處理各行播種深度值后得到的2 項指標值如表4所示。播種深度主要影響種子的出苗率，播種深度的一致性主要影響出苗時間的一致性。由表4 可知，播種深度變化不大，平均播種深度合格率為86%，高于相關標準規(guī)定的不小于80%的指標。覆土鎮(zhèn)壓裝置的覆土量滿足生產(chǎn)需求，對種子萌發(fā)和出苗時間沒有較大影響，達到生產(chǎn)要求。

表 2 穴距及其變異系數(shù)試驗結果Table 2 Test results of hole distance and its coefficient of variation

表 3 穴粒數(shù)試驗結果Table 3 Test result of seed number in hole

表 4 播種深度試驗結果Table 4 Test result of seeding depth

4 結論

1)研制了一種氣吸式辣椒精量穴直播機，提出用于辣椒穴直播的氣吸精量排種器，整機可一次完成開溝、播種、覆土和鎮(zhèn)壓等工序。該機器播種量、穴距、播種深度等播種質(zhì)量指標皆達到相關標準規(guī)定，滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求。

2)田間試驗結果表明，氣吸式辣椒精量穴直播機的播種量為1～3 粒/穴，穴粒數(shù)平均漏播率為0.18%，平均合格率為91.16%，平均重播率為8.66%。不同穴距試驗的播種穴距合格指數(shù)均大于89%，重播指數(shù)均小于4.85%，漏播指數(shù)均小于11%，合格穴距變異系數(shù)均小于23.77%，播深合格率為86%。各項指標值均滿足標準[30]要求。

由于機具覆土依靠種溝開溝器回土，土壤含水率或黏度不同會造成回土量不穩(wěn)定，影響播種深度，有待進一步研究。