設(shè)施蔬菜育苗機械化精準播種技術(shù)研究

趙 蓉

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

近10年，我國的蔬菜種植規(guī)模不斷擴大，早在2011年，我國的蔬菜產(chǎn)量就已經(jīng)成為我國第一大農(nóng)產(chǎn)品。目前，我國蔬菜生產(chǎn)依據(jù)地理位置大致劃分為六大區(qū)域，其主產(chǎn)農(nóng)作物也因地域、自然環(huán)境的影響，存在較大差異。多方因素的相互影響之下，我國各產(chǎn)業(yè)區(qū)的蔬菜產(chǎn)量也呈現(xiàn)出整體發(fā)展不均衡、各地區(qū)產(chǎn)業(yè)競爭較大等問題。而隨著蔬菜種植的發(fā)展，其對于機械化的需求也在增加，設(shè)計研發(fā)新的機械是確保其順利、穩(wěn)定發(fā)展的基本保障。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

小型氣力式蔬菜精量播種機整體分為18個部分，其中包含機架、株距調(diào)節(jié)變速箱、單盤多行獨立氣道式正負壓排種器、兩側(cè)行走輪、風(fēng)力和動力系統(tǒng)、開溝分種裝置等。

1.2 工作原理

該機械的主要動力來自于汽油機，在播種時，該機器的輸出軸帶動聯(lián)軸器，為風(fēng)力與排種系統(tǒng)提供動力。汽油機一方面利用鏈條驅(qū)動后壓輪，使機械向前推進；后壓輪由鏈條驅(qū)動，與前鎮(zhèn)壓輪連接，前鎮(zhèn)壓輪由株距調(diào)節(jié)器和兩級鏈式齒輪減慢后，使排種盤旋轉(zhuǎn)，完成排種工作；另一方面帶動風(fēng)機轉(zhuǎn)動，在充種區(qū)，借助攪種設(shè)備的高速運行，在復(fù)壓之下，使得種子固定至排種盤上，隨著其高速運轉(zhuǎn)，種子進到清種區(qū)，利用相關(guān)零部件，完成種子的剝離，其也將在高速旋轉(zhuǎn)力量的推動下，經(jīng)過分種區(qū)域與卸種區(qū)。當(dāng)種子在動力的影響下到卸種區(qū)之后，通過多種力量（重力、正壓、離心力）等影響之下，最終該設(shè)備將完成“一器多行”的作業(yè)方式。之后，在正負壓的共同作用之下，單盤多行獨立氣道式正負壓排種器完成排種工作，在該作業(yè)流程中，負壓吸種，正壓卸種除雜，將對播種精度與播種效率有所提升。采用獨特的結(jié)構(gòu)形式，形成了一個單獨的氣腔，減少了空氣壓力的損失。播種單元可以在機架上進行左右移動，以調(diào)整種植距離。該系統(tǒng)采用變速箱調(diào)整前壓制輪和排種盤的傳動比，從而調(diào)整株距。前、后壓制輪構(gòu)成“橋式”平衡機構(gòu)，其作用是限深輪和播深調(diào)整機構(gòu)，既能調(diào)整播深，也能實現(xiàn)播深一致性。與此同時，也通過“三鎮(zhèn)壓”處理，最終使得該設(shè)備在種植過程中，完成“淺覆蓋、輕鎮(zhèn)壓”的效果。

2 主要技術(shù)指標

在當(dāng)前，蔬菜溫室大棚多采用“單壟多行”的種植方式，該設(shè)備在設(shè)計時，以常見的球形種子，如油菜、香菜等，依據(jù)深度為20～30 mm，株距為20～100 mm 進行相關(guān)零部件的設(shè)計，其主要參數(shù)見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 The main technical parameters

3 傳動系統(tǒng)設(shè)計

對播種質(zhì)量產(chǎn)生影響的關(guān)鍵因素是傳動精度和穩(wěn)定度。文章所述的小型氣力是蔬菜精量播種機，主要由風(fēng)力驅(qū)動系統(tǒng)與排種系統(tǒng)兩種驅(qū)動裝置構(gòu)成，該設(shè)備的主要動力源是汽油機，汽油機通過輸出軸經(jīng)過連軸器完成動力分配。

當(dāng)汽油機的動力傳至風(fēng)機系統(tǒng)中時，風(fēng)機將會在聯(lián)軸器的推動下，完成高速運轉(zhuǎn)，形成穩(wěn)定的正負壓，為吸種與落種提供源動力。通過對普通類球形蔬菜種子的吸種負壓測試，測定了其吸種負壓不超過4 kPa，以4 kPa 最大風(fēng)壓為設(shè)計參考。通過試驗測定，在選擇的負壓風(fēng)機處于6 000 r/min 的轉(zhuǎn)速下，負壓風(fēng)口處于4 kPa 的壓強時，出口將處于500 Pa 的負壓。在此狀況下，發(fā)動機輸出軸額定速度N1是3 600 r/min，而風(fēng)機的最大速度N2是6 000 r/min，所以，第一階段的風(fēng)能比計算如式1所示：

從上述內(nèi)容可以確定，聯(lián)軸器帶輪的直徑D1與風(fēng)機帶輪D2的比為1.67。

在該機械的動力系統(tǒng)中，排種系統(tǒng)的第一段驅(qū)動是通過鏈傳動的滑輪連接到后鎮(zhèn)壓輪，使機械向前推進，由于該機械實際作業(yè)方式為手扶式，因此將機械的行進速度設(shè)置成與人類步行的速度相同，v為0.9 m/s，后壓輪直徑D3是250 mm，后壓輪旋轉(zhuǎn)N3計算方式如式2所示：

因為從發(fā)動機的輸出軸到后鎮(zhèn)壓輪的減速比較大，所以選擇了1∶40 的齒輪減速器，以90 r/min 的速度作為齒輪減速器的輸出速度，即N4，而第一階段的齒輪驅(qū)動裝置i2的計算方式如式3所示：

二段排種鏈傳動采用后鎮(zhèn)壓輪，經(jīng)鏈條驅(qū)動，以1∶1的比例將碾壓輪的前部和后部的壓力輪的速度相等。前輪由鏈條驅(qū)動，驅(qū)動排種盤旋轉(zhuǎn)。排種盤上的吸種孔N為96，機械進給速度為0 m/s，而蔬菜播種行間距L的調(diào)整為2～6 cm，所以排種盤轉(zhuǎn)速N5的計算方式如式4所示：

由此得到N5的旋轉(zhuǎn)速度在9.4 r/min≤N5≤56.3 r/min。因此，前壓制輪至圓盤之間，其傳動比＜2，由于在實際播種過程中，要求較大的株距，因此可將其劃分為第三、第四、第五級傳動，使用1∶2六擋變速器，使其作為排種傳動系統(tǒng)三級與四級鏈條傳動的連接。

4 開溝分種裝置設(shè)計

針對現(xiàn)階段我國蔬菜種植過程中存在的種溝細、行距窄、播深淺等相關(guān)問題，現(xiàn)階段使用原有的開溝機很難做到這一點，研制了一臺鑄鐵開溝機，一次可開1～3 條溝，對原有的設(shè)備存在的行距窄問題做了改變，有效提升了開溝機在操作中的開溝率。開溝器的構(gòu)造見圖1a，中間的鑄鐵是豎向下的，兩邊各向外，與水平的角度為120°，三個槽口的底端不變，兩個相鄰的種溝之間的間隔為70 mm。在開溝機后面裝有一個分種機，該分種機將排種機排出的種子分為3股，分別落在左右3 條種溝內(nèi)。在正壓力和導(dǎo)種盤的推動下，被吸附的種子落到下面的分種機，最外層的種子流入左邊的導(dǎo)種管，中間的一圈則流入右邊的導(dǎo)管，最里面的一根則流入到中間的導(dǎo)管。分種機是由2 mm 厚的不銹鋼板焊接而成，按所選行間距及播種機位高來決定分種角度邁入，見圖1b 所示。把挖溝機和播種機結(jié)合在一起，構(gòu)成了一個組件，見圖1c所示。

圖1 開溝分種裝置Fig.1 The ditching and seed separation device

同時，針對不同規(guī)格、不同行距要求，分別采用一行或兩行的開溝分種設(shè)備，并與吸種口對應(yīng)的位置安裝了不同的種盤，以滿足不同規(guī)格、不同行距的要求。在不同的栽培條件下，可以在不同的行距條件下，采用單列方式進行單行播種，并根據(jù)不同的單體機架位置進行行距調(diào)節(jié)。

5 鎮(zhèn)壓與播深調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

在進行蔬菜種植中，對于播種的深度與一致性都有較高的要求，因此，需要通過鎮(zhèn)壓與播深調(diào)節(jié)器的設(shè)定，來加以實現(xiàn)。播深調(diào)節(jié)裝置采用上、下2 個部件構(gòu)成，2 個部件之間用螺釘和螺釘相連，借助把手的轉(zhuǎn)動，可以對零部件與機架之間的垂直位置進行調(diào)整，以實現(xiàn)播種對于播深的要求。當(dāng)對把手依據(jù)順時針方向進行調(diào)整時，單個單元的高度就會升高，播種深度會變淺，反之則會增大。播種時可按要求調(diào)整限深調(diào)整裝置，以控制挖槽深度，其結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 限深裝置Fig.2 The depth limiting device

該蔬菜播種機設(shè)計前、后2 個碾壓輪，構(gòu)建起橋式平衡，既可以用行走輪進行前進，也可以用限深輪控制播種深度，與播深的調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行搭配，調(diào)整播深。播種機后面設(shè)有反向壓制機構(gòu)，利用彈性模塑調(diào)整壓制力，與前、后壓制輪共同構(gòu)成“三鎮(zhèn)壓”的工作方式，確保了播種深度的一致性。

6 單盤多行獨立氣道式正負壓排種器設(shè)計

6.1 排種器整體結(jié)構(gòu)與工作原理

單盤多排獨立氣道式排種機由左排種殼、種箱、高速混種機、動力盤、氣道盤、排種盤、右排種殼、可調(diào)清種裝置等部件構(gòu)成。在排種盤進氣口附近設(shè)計有1 條凹槽的氣道板，將氣室分為3 個獨立氣道，并與排種盤上的3 條排種線相對應(yīng)，以減小排種時所需要的氣壓，減小風(fēng)壓損失；為減少傷種、提高種子流動性、降低負壓，采用尼龍材料快速攪拌設(shè)備。

工作時，風(fēng)機與右側(cè)排種器外殼之上的正負壓風(fēng)口進行連接，借用通風(fēng)管道，從而實現(xiàn)種子可以在種箱之中完成攪種操作，且在負壓的影響之下，緊緊貼在排種盤上，隨著其轉(zhuǎn)動，在到達清種區(qū)域，將多余種子清理之后，基于其旋轉(zhuǎn)操作，依次經(jīng)過分種區(qū)與卸種區(qū)，在進入到卸種區(qū)之后，受多種力的影響，使種子落在下部的分種機上，可進行多排播種，從而滿足了窄行種植的需要。

6.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

6.2.1 排種盤直徑

想要實現(xiàn)“一器多行”，那么排種盤是至關(guān)重要的一部分，其自身直徑將對排種體積及吸孔數(shù)量等結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生直接影響。如果排種盤自身直徑過大，使種子機的體積變大，工作所需要的負壓也隨之增加；反之，粒徑太小，則無法滿足播種盤可以播種多行的需求。在設(shè)備設(shè)計中，依據(jù)播種速度、質(zhì)量及大小等因素的影響，最終在設(shè)備設(shè)計上，確定使用235 mm 的排種盤，每圈的吸種孔間距15 mm，最外層的吸種孔和排種盤的邊緣相距10 mm。

6.2.2 吸種孔數(shù)量

排種器質(zhì)量的重要呈現(xiàn)是其充種性能，也是其關(guān)鍵指標之一，由于充種效果與時間間的關(guān)系呈正相關(guān)，因此在工作速率以及行距確定之后，通過增加排種盤的吸孔數(shù)量，可以降低排種盤的速度，從而延長其負壓時間，如果吸種孔的數(shù)目越多，那么吸種孔的吸入量越大，吸種孔的數(shù)目越大。

6.2.3 吸種孔直徑

吸種孔的直徑對吸種負壓有很大的影響，當(dāng)吸種管直徑增加時，需要的負壓就會降低，如果吸種口直徑太大，很可能會發(fā)生再吸，甚至?xí)霈F(xiàn)將種子吸入負壓室的情況。由于吸種孔的直徑（d）的決定因素是實際播種的種子，那么dB（0.64～0.66），其中B代表種子均速。

以典型、常見的球形種子為例進行測算，由于生菜、油菜等種子呈球形，半徑約在1.6～1.9 mm，因此最終的吸種孔直徑應(yīng)當(dāng)選擇1 mm 和1.2 mm。但是我國現(xiàn)階段種植的種子類目較多，所以可以針對不同種類的蔬菜，選擇合適的吸孔直徑，并設(shè)計出適合于各種蔬菜種子的系列排種盤。

6.3 氣道盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

該部位也是排種器的核心部分，這也是實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵所在。現(xiàn)階段所采用的播種機，是以整個播種室為氣室，在整個播種機內(nèi)通正、負壓，單用隔離片來進行正、負兩相分離，很難保證氣流場的封閉性，必須采用高氣壓來確保吸種的穩(wěn)定性。該方案在氣道盤的正反兩面上分別進行了正負壓分配，從而保證了正負壓處于獨立封閉狀態(tài)，通過在與3 圈吸種孔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)通有負壓，僅在落種處的，3 個孔內(nèi)通有正壓，降低了能量損耗。

6.4 攪種裝置設(shè)計

攪種設(shè)備主要是為了增加種子在設(shè)備中的流動性。在設(shè)備完成吸種操作時，其流動性將對吸種過程產(chǎn)生較大影響，且在負壓增加的狀況下，很容易出現(xiàn)種子漏吸的問題。目前播種機上的攪種設(shè)備大都在播種盤上設(shè)計攪種撥片或攪種桿，隨著種盤的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生干擾，其干擾速度通常與播種盤的速度相適應(yīng)，攪拌效果和面積有限，攪種零件的材質(zhì)與種盤基本相同，易傷種。

該方案由大圓錐齒輪、小圓錐齒輪、攪種軸、攪拌桿構(gòu)成。攪拌軸置于種盒的底部，攪拌桿在攪拌軸上交叉排列，大的錐形齒輪隨著排種盤旋轉(zhuǎn)，由錐齒輪嚙合驅(qū)動小齒輪和攪拌桿旋轉(zhuǎn)，大錐形齒輪的齒數(shù)為3∶1，大錐形齒輪與排種盤的轉(zhuǎn)速相同，從而增加了小圓錐齒輪的攪拌速度。攪種棒穿過整個種箱的底部，使攪種面積增大，能干擾充種區(qū)的所有種子。攪拌設(shè)備材料為耐磨尼龍材料，是一種柔軟的材料，可以減少對種子的傷害。采用高速攪種設(shè)備，可以干擾和梳理充種區(qū)的種子，提高其流動性和排種器的充種率。

6.5 動力盤設(shè)計

該部件作為動力源裝置，目前常用的排種機依據(jù)排種軸完成驅(qū)動，會導(dǎo)致獨立氣室難以形成，對于排種效果會產(chǎn)生較大影響，對于排種盤的更換，也會造成較大影響，而若是可以形成獨立的閉合正、負壓間，便于拆裝、替換，本方案中采用動力板驅(qū)動排種盤旋轉(zhuǎn)，動力片與氣道盤、排種盤同軸安裝，氣動盤不動，氣道的內(nèi)圈與外圈緊密連接，確保了正壓流體的自密性。排種盤表面與動力板、氣道盤面緊密結(jié)合，確保了負壓氣流的自密性。同時，動力板上的3 根支柱與3 個凹槽配合，驅(qū)動種子輪旋轉(zhuǎn)，并在驅(qū)動圓盤中安裝一根磁鐵，以吸收種子圓盤的氣體，避免漏氣。

7 結(jié)語

以上就現(xiàn)階段蔬菜育苗的實際需求，對精量播種機械化設(shè)備做出了調(diào)整，文章對設(shè)備的各部分做出論述，以典型的球形種子為例，展開分析。通過對各主要部分內(nèi)容的詳細闡述，在溫室大棚的蔬菜種植中獲得較好的成效，這給蔬菜育苗機械化發(fā)展提供了較大助力，將實現(xiàn)精準播種的需求。