本文摘要：摘 要: 我國草牧業(yè)發(fā)展迅速，但依舊存在牧草需求供應(yīng)不足的問題。牧草機(jī)械化種植是提高牧草產(chǎn)量及品質(zhì) 的主要方式，其播種方式及器具對(duì)機(jī)械化種植效率的影響尤為重要。國內(nèi)專用小粒徑牧草種子的排種器種類極 少，牧草種子大都利用小麥等糧食作物排種器具進(jìn)行
摘 要: 我國草牧業(yè)發(fā)展迅速，但依舊存在牧草需求供應(yīng)不足的問題。牧草機(jī)械化種植是提高牧草產(chǎn)量及品質(zhì) 的主要方式，其播種方式及器具對(duì)機(jī)械化種植效率的影響尤為重要。國內(nèi)專用小粒徑牧草種子的排種器種類極 少，牧草種子大都利用小麥等糧食作物排種器具進(jìn)行播種，適用性較差，造成了種子浪費(fèi)及播量不均等問題。因 此，研發(fā)牧草專用排種器及相關(guān)監(jiān)測裝置對(duì)提高牧草機(jī)械化種植效率具有十分重要的意義。
關(guān)鍵詞: 牧草; 小粒徑種子; 精密排種器; 紅外監(jiān)測
0 引言
草業(yè)可以為畜牧業(yè)提供堅(jiān)實(shí)的飼料基礎(chǔ)，依靠豐 富的草地資源發(fā)展畜牧業(yè)對(duì)建設(shè)小康社會(huì)、調(diào)整產(chǎn)業(yè) 結(jié)構(gòu)和促進(jìn)農(nóng)民增收等諸多方面具有重要意義。當(dāng) 前，我國草牧業(yè)面臨草產(chǎn)品需求量快速增加但供應(yīng)量 不足的狀況。機(jī)械化作業(yè)是提高牧草播種效率與播 種質(zhì)量和產(chǎn)量的主要手段，但目前我國牧草機(jī)械化種 植還存在較多不足，尤其缺少精密播種機(jī)具及工藝， 因此，進(jìn)行播草精密播種機(jī)構(gòu)的研究具有非常重要的 意義。
國內(nèi)專用小粒徑牧草種子排種器種類極少，牧草 種子大都是利用小麥等糧食作物排種器進(jìn)行播種，影 響草場播種質(zhì)量。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展及農(nóng)藝要 求不斷升級(jí)，對(duì)播種質(zhì)量要求越來越高，精密播種技 術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。精密播種優(yōu)化了種苗的密度，確保種苗 生長擁有合理的生存空間，有利于擴(kuò)大良種覆蓋面 積，達(dá)到提高作物產(chǎn)量的目的。但在播種過程中，牧 草種子易出現(xiàn)籽種大量傾瀉、架空，以及播量不均且 難以監(jiān)測等問題，使作業(yè)過程無法順利進(jìn)行，研發(fā)高 效牧草專用排種系統(tǒng)勢(shì)在必行。
1 牧草精密排種器總體結(jié)構(gòu)及工作原理選擇
9BS-2.4 型播種機(jī)作為試驗(yàn)機(jī)型，選擇具有 代表性的苜蓿種子作為設(shè)計(jì)參考對(duì)象。依據(jù)國家牧 草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)與魏永鵬等人播量試驗(yàn)結(jié)果可 知: 行距為 200mm 時(shí)，紫花苜蓿播種量為 16kg / hm2 ， 可以使牧草達(dá)到最優(yōu)的生長效果[1-4]。本研究在此基 礎(chǔ)上進(jìn)行牧草排種器的設(shè)計(jì)。
2 精密排種系統(tǒng)構(gòu)件設(shè)計(jì)
2.1 排種器設(shè)計(jì)
2.1.1 排種器類型選擇
通過分析種子物理特性，考慮到排種通用性等因 素，選擇外槽輪結(jié)構(gòu)排種器。
2.1.2 外槽輪排種器設(shè)計(jì)
1) 槽輪直徑 d: 參照播種油菜等小粒徑種子標(biāo)準(zhǔn)， 槽輪直徑選取 24 ～ 28mm 的標(biāo)準(zhǔn)[5]。牧草種子比油菜 種子稍小，要維持播種過程中均勻性，選擇 24mm 的直徑進(jìn)行槽輪設(shè)計(jì)。 2) 槽輪工作長度 L: 工作長度影響排種連續(xù)性。 其長度設(shè)計(jì)依據(jù)牧草種子物理特性及排種量進(jìn)行選 擇，本試驗(yàn)選擇槽輪工作長度為 33mm。
3) 凹槽類型與槽數(shù) Z: 選擇直槽型，有利于小粒徑 種子排種。常用槽數(shù) Z = 8 ～ 16，由于本研究是針對(duì)于 小粒徑種子進(jìn)行設(shè)計(jì)，外槽輪直徑相對(duì)較小，槽數(shù)設(shè) 計(jì)盡量少才不會(huì)降低排種的均勻性，因此選擇槽數(shù) Z = 8。 4) 槽輪轉(zhuǎn)速 n: 一般來說，槽輪運(yùn)轉(zhuǎn)速度在 10 ～ 60r /min 這個(gè)范圍以內(nèi)播種效果較好。為了適應(yīng)小粒 徑牧草種子質(zhì)量輕、落速慢的特點(diǎn)，播種機(jī)前進(jìn)速度 不能太快，選擇 6km / h 的速度進(jìn)行排種。經(jīng)過試驗(yàn)可 知: 工作長度 33mm 的單槽可容納約 400 粒苜蓿種子。
按照 16kg / hm2 的播量進(jìn)行計(jì)算，單個(gè)排種器播量為 1598 粒/ m，播種機(jī)速度為 1. 67m / s，行 走 1mm 需 要 0.625s 的時(shí)間，即 1598 粒種子需要在 0.625s 內(nèi)播完， 等同于每秒需要播 2556 粒種子，需要 6 個(gè)槽轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn) 行落種，即外槽輪轉(zhuǎn)速 0. 75 圈/ s。計(jì)算可得: 槽輪轉(zhuǎn) 速 n = 45r / min[6-9]。 根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合材料制造的外槽輪排種器工 作性能較好，成本較低，表面光滑度對(duì)牧草播種影響 不大。
2.1.3 阻塞片設(shè)計(jì)
阻塞片與外槽輪形狀一樣，槽 數(shù) 為 8，直 徑 為 26mm。阻塞片與外槽輪主體相連且固定其上，在外 槽輪排種器改變工作長度來調(diào)整播量時(shí)防止種子的 漏出[10]。
2.1.4 阻塞輪設(shè)計(jì)
阻塞輪有 2 個(gè)凸棱，用于和槽輪主體進(jìn)行固定， 嵌合主體之后可在其導(dǎo)軌凹槽內(nèi)來回移動(dòng)，達(dá)到調(diào)節(jié) 槽輪工作長度及播量的目的。在材料選擇上，使用硬 質(zhì)復(fù)合材料進(jìn)行制造。
2.2 種箱螺旋攪龍?jiān)O(shè)計(jì)
2.2.1 螺旋攪龍結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)
螺旋攪龍用于牧草種子疏松與輸送。所設(shè)計(jì)的 螺旋攪龍為單螺旋固定攪龍結(jié)構(gòu)，選擇鏤空水平式輸 送方式[1 1 - 12]。
2.3 導(dǎo)種管設(shè)計(jì)
導(dǎo)種管是排種器與種溝間的連接部件，要求其對(duì) 種子下滑過程干擾小，具有可彎曲性，以適應(yīng)不同播 種方式需求。本文探究利用“零速投種”理論提升導(dǎo) 種管工作性能，使種子到達(dá)種溝時(shí)水平相對(duì)速度接近于零[1 3]。
2.3.1 導(dǎo)種管工作曲線軌跡設(shè)計(jì)
導(dǎo)種管工作曲線設(shè)計(jì)思路及方法: 種管形狀為減 函數(shù)曲線，種子運(yùn)動(dòng)速度方向隨著種管斜率而變化， 到達(dá)種管口處時(shí)形成較大水平分速度，有利于零速播 種。
2.3.2 實(shí)際導(dǎo)種管曲面軌跡計(jì)算
槽輪排種器槽輪直徑 24mm，轉(zhuǎn)速 n = 45r / min，種 子與導(dǎo)種管摩擦系數(shù) μ = 0. 4，種子著地速度 va = 1.2 m / s，β = 90°，農(nóng)機(jī)前進(jìn)速度 ve = 6km / h( 即 1.67m / s) 。 根據(jù)這組數(shù)據(jù)，確定導(dǎo)種管工作面曲線形狀。通過分 析與計(jì)算，得到導(dǎo)種管工作面曲線方程為: y = 1.9x - 0.003x2 。
2.3.3 球形散種面
為保證牧草種植密度，提高牧草種子使用效率， 選用撒播方式進(jìn)行播種作業(yè)。因此，設(shè)計(jì)了球形散種面，置于排種管下方; 當(dāng)種子經(jīng)過導(dǎo)種管下落時(shí)，落到球形散種面上。由于種子會(huì)碰撞到其各個(gè)弧面，因此 種子隨機(jī)彈向周圍各個(gè)方向，形成高效自然撒播效 果。
3 播種作業(yè)的監(jiān)控裝置
為實(shí)現(xiàn)精量播種，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除工作故障，研 發(fā)了適合不同排種要求的精種作業(yè)監(jiān)控裝置。圖 9為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所研制的高精度數(shù)粒傳 感器。工作原理: 種子從排種器排出后，通過高精度數(shù) 粒傳感器感應(yīng)區(qū)域，遮擋紅外線產(chǎn)生截?cái)嘈盘?hào)，控制 器記錄傳感信號(hào)，記為種子播量。 數(shù)粒傳感器在工作過程中，當(dāng)種子從排種器下落 時(shí)，會(huì)出現(xiàn)種子之間相互遮擋，卻只有 1 次光束遮斷 的情況發(fā)生，產(chǎn)生計(jì)數(shù)偏少的誤差。
為了減小這種情 況所造成的誤差，需要使種子下落到感應(yīng)平面處時(shí)盡 量不要重疊( 即實(shí)現(xiàn)種子相互不遮擋) ，從而提高感應(yīng) 裝置的采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其橫截面為三角形下漏斗， 最底端開有一定尺寸的下漏口。下漏口大小需要考 慮種子的正常流量下落，既不會(huì)造成種子卡殼影響播 種，又要防止種子在下落時(shí)形成相互遮擋的情況。
因 此，下漏口寬窄選擇為種子最大粒徑的 1.25 倍較為合 適。散種部件兩側(cè)可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)移動(dòng)，兩端裝有固定 螺栓用以調(diào)整漏種口大小，具有很好的適應(yīng)性。種子 從排種器下落到散種部件中，會(huì)有種子反彈濺射，為 了防止種子彈出，在散種部件上部兩端增設(shè)封蓋，保 證排種作業(yè)的順利進(jìn)行。
4 試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)定排種器槽輪為最長工作狀態(tài)，即長度為 33mm，此時(shí)排種器落種數(shù)量最大，對(duì)數(shù)粒傳感器的監(jiān) 測難度最高，且能夠較為精確地對(duì)排種器性能進(jìn)行監(jiān)測，研究結(jié)果對(duì)產(chǎn)品的性能改進(jìn)有實(shí)用價(jià)值，具有代表性。
4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/p>
對(duì)上文中所設(shè)計(jì)排種監(jiān)測系統(tǒng)按照田間工作模 式進(jìn)行模擬試驗(yàn)[14]，試驗(yàn)主要目的如下: 1) 檢測所設(shè)計(jì)的外槽輪排種器在實(shí)地播種作業(yè) 過程中的運(yùn)行準(zhǔn)確性和可靠性; 2) 檢測所設(shè)計(jì)的散種部件工作性能及計(jì)數(shù)傳感 器的可靠性和準(zhǔn)確性; 3) 檢測所播種子物理特性，計(jì)算傷種率，驗(yàn)證系 統(tǒng)的播種性能。 試驗(yàn)儀器: 外槽輪排種器、散種部件、高精度數(shù)粒 計(jì)數(shù)器及微電腦自動(dòng)數(shù)粒儀。
農(nóng)業(yè)論文投稿刊物：農(nóng)機(jī)化研究主辦單位黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)會(huì)/黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究所，創(chuàng)刊時(shí)間1979出版周期月刊郵發(fā)代號(hào)14-324開 本大16開ISSN1003-188XC N23-1233/S。
5 結(jié)論
1) 所設(shè)計(jì)的外槽輪式排種器可以保證穩(wěn)定的工 作狀態(tài)并使種子破損率處于很低的數(shù)值，適合小粒徑 種子排種。 2) 本文所設(shè)計(jì)高精度數(shù)粒傳感器可以精準(zhǔn)測量 排種量，平均精度 82%以上，且具備較高的實(shí)用價(jià)值。 3) 在添加散種部件進(jìn)行數(shù)粒監(jiān)測后，發(fā)現(xiàn)種子計(jì) 數(shù)精度明顯提高，其中小粒徑種子計(jì)數(shù)精度提高了 7% ～ 8%。由此可見，散種部件對(duì)于精確計(jì)數(shù)具有明 顯的提升作用。
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作者：焦 巍1，2 ，劉坤宇1 ，顧麗霞3 ，布 庫1
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