种子带编织机的设计与试验研究

李 秀，王家胜，赵 帅，张峰峰，段玉振，刘志波

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

种子带编织机的设计与试验研究

李 秀，王家胜，赵 帅，张峰峰，段玉振，刘志波

(青岛农业大学 机电工程学院，山东 青岛 266109)

针对小粒种子尺寸小、质量轻、形状不规则等特点导致精密播种稳定性差及精度低的问题，在国内外相关研究的基础上，根据该类作物的种植模式和农艺要求，设计了一种适用于小粒种子精密播种的种子带编织机。该装备可以连续实现种子带的自动进给、小粒种子在种子带的精密排种、种子带的编织及将编织好的种绳缠绕成辊等功能。通过理论分析，确定了排种器等关键部件的结构参数，并利用单因素试验和正交试验研究分析了排种辊筒转速、种子带进给速度和气室负压对排种性能的影响。试验结果表明：当排种辊筒转速为8～12r/min、对应纸带前进速度为0.08～0.12m/s及气室负压为2～2.5kPa时，机器排种性能指标获得最佳值。

种子带；编织机；气吸式排种器；精播；小粒种子

0 引言

对于单株定植的经济作物，传统的撒播和条播方式不仅浪费种子，增加种植成本，而且出苗后还需要繁琐的人工间苗工作，消耗大量的人力和时间。近年来，国内外作物种业发展迅速，农业育种技术不断突破，从而推动种子品质不断提升，优质种子的高发芽率为实现作物单粒精密播种创造了条件。但诸如一些中药材、蔬菜等经济作物的种子因其籽粒小、质量轻、形状不规则等特点导致机械化排种困难，尤其是要求单粒精播时很难确保其播种精度和播种稳定性。针对以上矛盾，采用种子带播种技术进行精播是解决问题的一种有效途径。种子带播种技术最初是由日本引入我国，近年来，研究者结合国内作物的种植需求，对该项技术进行了进一步的改进和发展[1-6]。该项技术包括种子带编织技术和种子带播种技术两个部分。前项技术是在室内利用种子带编织机将种子均匀精确地播放在可降解种子纸带上，并将包有种子的纸带绕成种绳后缠绕成辊；后项技术是利用专用装备将成辊的种绳按照既定的播深和行距铺放埋设在田间土壤中。

本文主要以胡萝卜、丹参等小粒种子为研究对象，根据其种植模式和农艺要求，设计开发了专用种子带编织机，并开展了小粒种子的编织播种试验，优化了最佳工作参数，对于提高小粒种子经济作物精密播种质量具有重要的实际工程意义。

1 整机结构及工作原理

种子带编织机主要由排种装置、缠绕装置、绕辊装置、传动装置和控制装置等组成，如图1所示。

1.料斗 2.外槽轮排种器 3.输种管 4.真空排种器 5.种盒 6.种子带 7.排种电机 8.风机 9.绕辊电机 10.种绳辊 11.种绳 12.缠绕装置 13.气压表图1 种子带编织机整机结构图Fig. 1 Overall structure of the seed tape knitting machine

其中，排种装置包括料斗、外槽轮排种器、种盒、真空排种器、排种电机及风机等；控制装置基于PLC系统来控制排种电机、绕辊电机及风机的启动和转速等。

种子带编织机工作过程中，首先将小粒种子倒入料斗内，种子通外槽轮排种器作用经输种管下落到种盒中为精密真空排种器供种。通过控制装置调节外槽轮排种器电机转速，使种子排出速度与真空排种器的排种速度一致，从而保持供、排种平衡。

机器启动后，排种装置、缠绕装置、种绳辊及风机分别在各自驱动电机的作用下开始工作；真空排种器外圈面上的吸种孔在内腔室负压下将种盒中的种子吸附，随排种器做圆周运动，当转动到下方时，靠排种器内部橡胶轮的作用将负压切断，种子会在重力作用下掉落。与此同时，纸带也在种绳辊的牵引下开始运动，在排种器的正下方有一个V型的导向装置，当纸带运动到该位置时被折叠成V型，真空排种器排出的种子落在纸带上，随着纸带一起运动；当进入缠绕装置内，绕线辊上的两根棉线被绞缠在播有种子的种子带上以增加其强度，并在两个交错旋转的绕线辊的作用下，棉线与纸带一起被捻成种绳；加工成型的种绳在绕辊装置和摆动装置的作用下均匀地缠绕在种绳辊上，完成整个种子带编织过程。

根据小粒种子精确播种的农艺要求，查阅相关技术手册，初步确定本设计中种子带编织机的主要技术参数如表1所示。

表1 机器的主要技术参数

2 排种器的设计

2.1 排种器结构与工作原理

排种器作为种子带编织机的核心部件，其结构参数的设计与工作参数的设置直接影响着机器的工作质量[7]。种子带编织机的排种器采用气吸式结构，主要由排种辊筒、拉簧、拉杆及橡胶压轮等组成，如图2所示。排种辊筒是由两端对称的气室端盖和带有吸孔的吸种辊圈包围而成的空腔辊筒，并绕辊筒转轴旋转。在辊筒空心转轴的一侧开口端经软管与负压风机相连，工作中，在负压风机的作用下可确保辊筒腔室处于负压状态，从而使排种辊筒外表面吸种孔产生一定压力的吸力，将种盒中的种子吸起。在排种器内腔正下方有一个橡胶压轮，与辊筒转轴相连的拉簧和拉杆组成的弹性连杆机构使橡胶压轮紧贴腔室内壁并与排种辊筒一起做摩擦滚动；当排种辊筒上的吸种孔转到底端与压轮接触时，该孔的负压吸力被阻断，种子靠重力落下完成排种。

1.种盒 2.排种辊筒 3.辊筒转轴 4.拉簧 5.拉杆 6.橡胶压轮 7.吸种辊圈图2 排种器内部结构示意图Fig.2 Internal Structure Schematic diagram of the seed metering device

2.2 排种器结构尺寸与工作参数的确定

排种器的主要结构尺寸和工作参数包括排种辊筒的直径、吸种辊圈上的吸种孔径、吸种孔的数量及排种辊筒转速等。种子转到辊筒底端开始排种时的水平速度的大小就等于排种辊筒外边缘的线速度，为了减小种子与种子带接触时的惯性影响，辊筒线速度应与种子带前进速度v同向切大小相等，从而实现零速投种[8-10]。排种器投种状态图如图3所示。图3中，种子投种水平速度计算公式为

(1)

式中n—排种辊筒转速(r/min)；

D—排种辊筒的外径(mm)；

v—种子投种水平线速度(m/s)。

由于机器正常工作时的生产率为300～500m/h，即种子带的前进速度为0.08～0.14m/s，辊筒的平均转速取为n=10r/min，由式(1)计算得D=150～260mm。综合分析各因素的影响，最终选用排种器的外径为D=190mm。

吸种辊圈采用厚度为1mm的不锈钢材料加工而成。辊圈上加工有吸孔，吸孔的直径主要由种子的尺寸决定，一般取吸孔直径d=(0.64～0.66)b。其中，b为种子平均宽度，对于胡萝卜、丹参等小粒种子丸粒化后其平均粒径为2～2.5mm；同时，考虑吸孔直径的大小在一定程度上影响排种器对种子吸附力的大小，吸孔直径越小，排种器的吸附力也会减小[11]。吸孔直径太大，容易吸附两个甚至更多粒种子，造成重播。综合考虑后，选取吸孔为d=1mm。

当排种辊筒实现零速投种后，排种间距只与辊筒直径和吸种辊圈的吸孔数量有关，其关系为

(2)

式中c—相邻种子间距(mm)；

N—排种辊圈的吸孔个数。

不同作物具有不同的株距要求，根据株距可由上式确定辊圈吸孔的个数。为了适应不同作物的播种要求，排种器排种辊圈设计为可拆卸更换，针对不同作物更换不同孔径和不同吸孔个数的辊圈。

1.种子带 2.种粒 3.排种辊筒图3 排种器投种状态图Fig.3 Process of throwing seed

3 种子带编织机的试验与分析

3.1 试验材料与方法

选取包衣丸粒化后的胡萝卜种子和丹参种子作为试验对象。根据小粒种子精密播种的种植模式和种子带编织的要求，准备了试验样机、纸带盘、纸带、转速测试仪等试验设备。

参考《GBT 6973-2005 单粒(精密)播种机试验方法》，选取重播率、漏播率和合格率指数作为评价种子带编织机工作性能好坏的指标，选取排种辊筒转速、纸带的前进速度、气室负压等作为水平因素，研究各因素对播种效果的影响。

针对种子带编织机的作业特点，对各性能指标定义如下：

1)合格率。种子带编织机在工作状态下，在规定株距编织的种子个数为1粒定义为合格。合格率为

(1)

其中，R为种子带编织机编织的合格率；A1为10m长种子带株距为规定要求下的单粒种子的株数；A为10m长种子带株距为规定要求的所有的种子株数。

2)重播率。种子带上每株大于等于2粒种子的株数定义为重播。重播率为

(4)

其中，Q为种子编织机排种重复率；A2为10m长种子带单株出现两粒及以上种子的株数。

3)漏播率。在规定株距要求位置的种子带上，没能编织上种子定义为漏播。漏播率为

(5)

其中，L为种子编织机编织的漏播率；A0为10m长种子带漏播的株数。

在进行试验时，首先运用控制变量法，对各因素进行单因素试验，考察各个因素的变化规律；最后通过正交回归试验，得出种子带编织机最佳工作状态下的各参数的组合。

3.2 试验结果与分析

3.2.1 排种器转速的影响

分别取排种辊筒的转速为4、6、8、10、12、14、16、18 r/min等8个水平，为确保零速投种，对应的纸带的前进速度分别为0.04、0.06、0.08、0.10、0.12、0.14、0.16、0.18m/s，排种器的负压设定为2kPa。通过重复试验，得到排种辊筒转速(纸带前进速度)对试验指标的影响，结果如图4所示。

由图4可知：随着排种辊筒转速增加，被编织种子带的排种合格率逐渐下降，这是因为转筒速度增加后降低了排种器的吸附稳定性导致合格率下降；但在转速小于12r/min状态下，排种合格率能够保持在95%以上。图4表明：辊筒转速的增加对于重播率的影响不大，但对漏播率的影响明显；尤其是超过12r/min后，漏播率迅速增加，这是引起排种合格率下降的主要因素。

图4 排种器转速对试验指标的影响Fig.4 Effect of the rotating speed of the seed metering device on the test indexes

3.2.2 气室负压的影响

排种器气室负压也是影响种子带编织机作业效果的重要因素，设定排种器的转速为12r/min，种子带编织机的前进速度设定为0.12m/s。选取排种器的工作负压分别为1.0、1.5、2.0、 2.5、3.0 kPa等5个水平进行试验，记录试验数据，得出排种器的工作负压对试验指标的影响，如图5所示。

图5 排种器的工作负压对试验指标的影响Fig.5 Effect of negative pressure on the test indexes of seed metering device

图5显示：随着气室负压的增加，排种器排种合格率先增加、后降低，在负压范围2～2.5kPa间，排种合格率达到峰值，且均高于95%；对于漏播率来时，气压较低时，由于吸附力不够，会导致漏播率升高，但负压值高于2kPa后，漏播率可稳定在2%以下；重播率会随着气室负压值的增加而增大，这是因为吸附力的增大会增加吸附两粒或多粒种子的机会。

4 结论与展望

4.1 结论

通过上述因素变化对合格率的影响可得：试验的3个因素的适宜取值范围分别为排种器转速8～12r/min，对应纸带前进速度的取值范围0.08～0.12m/s，排种器气室负压的取值范围2～2.5kPa。在该范围内再进行进一步正交试验验证得出：排种器的转速为11r/min、纸带前进速度为0.11m/s、工作负压为2kPa时，编织机排种合格率为96%，漏播率和重播率均控制在3%以下。

4.2 展望

1)在研究的过程中发现，排种器的吸孔间距也是影响机器工作精度的重要因素，研究吸孔的分布规律对种子带编织机的工作精度的影响可进一步优化机器的设计方案，提高机器工作性能。

2)单粒播种受到种子发芽率的约束，针对发芽率较低的小粒种子或者要求多粒播种的情况，研究实现单株定量种粒精确播种技术是提高种子带播种装备适应性的有效途径。

[1] 王家胜，尚书旗.基于种子带模式小区精密播种装备的研制(英文)[J].农业工程学报，2012，28(S2)：65-71.

[2] 王典,刘晋浩,王建利,等.精量播种用种子带覆膜压辊形状和轴向力分布[J].农业机械学报，2011,42(12)：88-91.

[3] 唐兴隆，孙志强，赵平.SYS-A 型种子带编织机及种子带试验研究[J].农产品加工，2016(10):63-64.

[4] 宋庆文.种子带播种技术试验[J].新疆农机化,2003(6):19.

[5] 吴兆迁,刘明刚,孙嘉燕. 林木种子带精量播种技术的研究[J].林业机械与木工设备,2005,33(11):23-26.

[6] 罗兵，胡金林，王浩,等. 2BMD-12/3型种子带精量铺膜播种机[J].农业机械，2001(11)：51.

[7] R L Parish, P E Bergeron, R P Bracy. Comparison of vacuum and belt seeders for vegetable planting[J]. American Society of Agricultural Engineers, 1991,7(5):537-540.

[8] Zhao Zhan, Li Yaoming, Chen Jin. Numerical analysis and laboratory testing of seed spacing uniformity performance for vacuum-cylinder precision seeds[J].Biosystems Engineering, 2010, 106:344-351.

[9] Woelders H,Matthijs A,Zuidberg C A,et al.Cryopreservation of boar semen: equilibrium freezing in the cryomicroscope and in straws.[J]. Theriogenology, 2005, 63(2): 83-95.

[10] Niles R C. Control of noise at horizontal hose braiding machines.[J].American Industrial Hygiene Association Journal,1976,7(1):51.

[11] 郭超永.联合气力式油菜籽精量排种器的研究[D]. 武汉：华中农业大学,2009:11-12.

Design and Experimental Research on the Seed Tape Knitting Machine

Li Xiu, Wang Jiasheng, Zhao Shuai, Zhang Fengfeng, Duan Yuzhen, Liu Zhibo

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China)

To resolve the poor precision seeding quality of the small plant seeds caused by their lightly weight, small size and irregular shapes, according to the agricultural requirement of these plants, a seed tape knitting machine which used to precision seeding of small plant seeds was designed based on the researches from domestic and overseas. The functions that seed belt feeding automatically, precision seeding on belt, tape knitting to rope and seed rope rolling can be implemented continually by this machine. The structure parameters of the seed metering device were obtained through theoretical analysis.Effects of rotating speed and negative pressure of the seed metering device on the test indexes were studied by the tests. The results show that the performance indexes of the machine achieve the optimum when the speed of seed metering device is 8-12r/min, the speed of seed belt running is 0.08-0.12m/s, and the negative pressure of vacuum room is 2-2.5kPa.

seed tape; knitting machine; vacuum seed meter device; precision seeding; small seeds

2017-01-06

山东省现代农业产业技术体系建设专项(SDAIT-20-05，SDAIT-05-10)

李 秀(1992-),女，山东青岛人，硕士研究生，(E-mail) 1145944244@qq.com。

王家胜(1976-)，男，山东沂源人，副教授，硕士生导师，(E-mail )jiasheng0813@163.com。

S233.1

A

1003-188X(2018)02-0174-05