李芝茹，苗振坤*，魏明，吴立国，毕宏伟，李艳娜，何山，南方
(1.国家林业和草原局 哈尔滨林业机械研究所,哈尔滨 150086；
2.黑龙江省七台河市勃利县林业和草原局,黑龙江 七台河 154500)
近年来，工厂化育苗技术迅速发展，推动了苗木培育产业结构的调整和升级，加快了农林行业发展的现代化进程[1-2]。据第九次全国森林资源清查结果显示：我国的人工林面积为8 003.1万hm2，人工林规模居世界首位[3]。在保证木材生产和充分发挥森林生态功能的建设目标下，我国在发展各类人工林方面成绩斐然，这些与林木工厂化育苗的技术支撑密切相关。精量穴盘播种作为林木工厂化容器育苗技术的关键环节，已逐步代替了传统的手工播种，通过负压吸种、正压投种的气吸式精量播种机，更适宜播种形状不规则、球度低的种子；
赵清来等[4]对油莎豆精量播种机的排种机构进行了研究和设计，采用气吸式排种配合圆形排种盘进行播种试验，漏播率小于等于4.2 %。卢宇等[5]着重分析勺轮鸭嘴式精量排种器等关键部件，设计了“双U”形棉花精量播种机，播种空穴率1.6 %。李晓冉等[6]研发了适用于温室大棚等狭窄空间的蔬菜精量播种机，同样采用的是负压吸种、正压排种的方式进行播种，漏播率小于等于5 %。其他针对蔬菜[7]、烟草[8]、药材[9]等不同播种对象的精量播种研究都取得了一定的成果。
不同于蔬菜、粮食育苗，林木工厂化容器育苗具有出苗慢、育苗周期长的特点，林木种子采种困难、大多种壳脆硬、形状不规则和球度低[10-12]，传统的供种方式较难保证播种合格率，如何建立更完善的吸附取种系统以保证播种精度、节约良种，有针对性地选择适宜的育苗穴盘以降低育苗成本亟待研究[13-14]。目前对中小粒林木种子精量播种的试验数据较为缺乏，本研究设计了一款适用于常规硬质育苗穴盘和纸质折叠蜂窝穴盘的精量播种机，采用气吹-振动组合式供种解决了振动不连续的问题，提高了取种吸附成功率并有效降低重播率及空穴率，增设种子自动填装装置以实现自动、及时、精准地向供种系统填装种子[15]。该设备功能完善、适用性强，能有效节约良种、提高育苗经济效益，为中小粒林木容器育苗技术的发展提供数据参考。
1.1 整机结构及参数
应用SolidWorks软件设计建模，避免机构运行干涉并进行相关验算，设计林木中小粒种子精量穴盘播种机如图1所示。主要由气动系统、电控系统、穴盘、播种机构、供种机构、压穴机构和穴盘输送机构等组成。其特点是供种机构采用气吹-振动组合式供种方式，供种机构内的种子在气吹、振动双重作用下，种子间相互分离，达到准流体状态，减小取种阻力，提高取种精度。为提高设备通用性，设计使其既可匹配常规硬质穴盘，又可匹配折叠蜂窝穴盘。
1.气动系统 pneumatic system 2.电控系统 electronic control system 3.穴盘 tray 4.播种机构 sowing device 5.供种机构 seed provide device 6.压穴机构 punching device 7.穴盘输送机构 trays conveying device
该播种机在保证功能和性能前提下，结构紧凑，其主要技术参数见表1。
表1 播种机主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the seeder
1.2 工作原理
工作时，供种装置内种子在气吹-振动组合式供种装置作用下，达到“沸腾”的运动状态，将装有育苗基质的育苗穴盘置于穴盘输送机构上，当穴盘到达指定位置后，触发光电传感器，然后压穴机构开始对基质进行逐行压穴，此时取种机构进行负压取种，通过改变取种机构内部气压，完成正压投种，之后进入下一个播种周期。
对樟子松种子进行精量播种时，种子经外力作用达到准流体状态，其中种子与种子之间、种子与供种机构之间都存在力的作用，这些力的作用影响吸种成功率。由于流场中气流的方向、速率等机械作用与种子的极限载荷、弹性模量等力学特性显著相关[16]，因振动造成的吸种孔附近流场改变对吸种过程有直接影响[17]。因此以樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)为例，探究其静力学特性和空气动力学特性，建立种群空间形态模型，据此进行播种机关键部件的设计。
2.1 种子静力学特性分析
本研究用樟子松种子纯净度为98.1 %，千粒质量7.12～7.37 g，含水率11.76 %，密度0.72 g/m3，其几何特征如图2所示，随机抽取100粒种子测量结果表明其长(l)、宽(t)、厚(d)三轴尺寸均服从正态分布，如图3所示。
图2 樟子松种子三维坐标与几何特征Fig.2 The three-dimensional coordinate system for the seeds of Pinus sylvestris var. mongholica
图3 种子的三轴尺寸分布Fig.3 Triaxial dimension size distribution of seeds
分别将种子平放、侧放、立放，在这3种典型挤压方式下，应用微机电子万能试验机(最大试验力100 N，力分辨率0.1 N，位移分辨率0.01 mm)对其进行压缩试验并得出数据见表2。
应用压痕法[18]研究种子的静力学特性，再根据Kick定律相关公式及反相分析运算法则得到樟子松种子的相关力学特性值，见表3[19-20]。
表2 樟子松种子压缩试验数据Tab.2 The compression test data of Pinus sylvestris var. mongholica seeds
表3 樟子松种子力学特性Tab.3 The mechanical characteristics of Pinus sylvestris var. mongholica seeds
2.2 建立种群空间形态模型
根据相应公式[21]，计算得出樟子松种子的悬浮速度范围是5.3～6.5 m/s，。由此运用EDEM软件(最专业的颗粒系统仿真软件)，建立振动时樟子松种子的种群空间形态模型。EDEM软件是世界上第一个用现代化离散元模型科技设计的用来模拟和分析颗粒处理和生产操作的通用CAE软件，通过模拟散状物料加工处理过程中颗粒体系的行为特征，协助设计人员对各类散料处理设备进行设计、测试和优化。
2.2.1 颗粒接触模型
在EDEM中，常用的颗粒接触模型主要有无滑动接触模型、黏附接触模型、运动表层接触模型、线弹性接触模型及线型黏附接触模型等[22-24]。本设计选取EDEM中常规的Hertz-Mindlin无滑动接触模型，研究精量播种过程中，樟子松种子与种子之间及种子与供种机构之间的接触情况。
2.2.2 建立颗粒模型和振动状态下空间形态模型
根据樟子松种子三轴尺寸可将其简化为椭球体，应用EDEM建立樟子松种子颗粒模型，如图4所示，模拟种盘在Z轴方向上做小振幅高频率简谐振动，种盘激振使种子群“沸腾”起来，其空间形态模型如图5所示，通过不断尝试不同振幅和频率组合，动态观察和探究不同振动参数下种子的运动状态，最终确定当频率为20 Hz、振幅为5 mm时，樟子松种子的种群空间分布最为均匀，此时进行吸种的吸取效果最佳。
图4 樟子松种子模型Fig.4 Model of Pinus sylvestris var. mongholica seeds
图5 振动状态下种子空间形态Fig.5 Spatial morphology of seed in vibration condition
2.3 供种机构的设计
2.3.1 气吹供种试验
通过对种子种群空间形态模型的建立和分析，为保证对振动状态下种子的有效吸附，基于气吹供种原理，设计时改变传统的大容积气室，用隔板将矩形气室分隔成一定数量等容积的独立小气室，如图6所示。在气吹供种试验时，发现自然堆落的种子在气流的作用下，会在一定范围内跳动。种子层数为一层时，种群的空间形态分布均匀能够满足吸附取种需求。当增加种子层数后，为保证有效吸附需增大供种气流流速，种子间的碰撞次数会明显增加，种子的运动范围增大，空间分布过于疏散，不利于吸附取种。虽然气吹供种能够使种子相互分离，但是随着种子的逐渐减少，所需供种气流流速会逐渐降低，若不及时调整气流流速，将难以实现取种系统有效取种，因此需设计气吹基础上的种子流化装置。
图6 播种机供种气室Fig 6 The air chamber for seed supply of precision seeder
2.3.2 供种机构的设计
振动供种方式对种子的形状有一定的要求，且振动力不连续难以保证取种精度。针对气吹供种量与供种气流流速无法精准匹配的问题，设计了气吹-振动组合式中小粒林木种子流化装置，如图7所示，以满足对非丸粒化(球度低)且尺寸小、外形不规整、流动性差种子的播种需求，保证排种器在取种瞬间，种子处于相对稳定的空间位置。该设计基于气吹供种基础，采用振动种盘的方法使种子近似处于一种理想的“沸腾”状态，再通过供种装置的气流作用，使种子颗粒群有效分离。以自然堆叠10层为例，沸腾状态种子受气流作用与自身重力平衡，根据种子悬浮速度范围5.3～6.5 m/s，结合千粒质量7.12～7.37 g，流化装置圆形气孔直径1 mm，通过换算可知将种子悬浮所需气压约为0.24 kPa，这样在吸附取种过程中，因为气流的连续作用，使种子能相对稳定地处于有效吸种位置以保证吸附取种时间，以提高吸附成功率。
图7 气吹-振动组合式种子流化装置简图Fig.7 Simple diagram of blowing-vibration combined seed fluidizing device
该气吹-振动组合式供种流化装置实物图如图8所示，工作原理为：Y形五通气动快速接头进气口进入的气源通过导流板的导流作用，气体从导流孔流出且流速有一定的差异，此时气流会推动导流风扇旋转，气流不断地从导流口流出再加上导流风扇的旋转作用，进而保证出气板上每个出气孔的气流流速无明显差异，通过调节Y形五通气动快速接头进气口气流流速，可实现对出气板中出气孔的气流流速的控制；
通过调节直立气动快速接头进气口气流流速，可实现对气动振动器激振参数的控制。通过调节2处进气口气流流速来达到种子流化的目的。
图8 气吹-振动组合式供种装置Fig.8 The blowing-vibration combined seed fluidizing device
2.4 取投种装置的设计
根据设计要求，为实现对硬质育苗穴盘和软质可折叠蜂窝的播种需求，有针对性地设计投种装置，如图9所示。通过气动换向阀转换取投种系统所需的正负压，其中吸种负压由真空发生器提供，如图10所示，其原理是真空发生器喷射的压缩空气产生的卷吸流动使吸附腔气压低于标准大气压，由此完成对种子的吸取；
投种正压由空气压缩机提供，将吸取的种子投放入对应的管道里完成播种，并增设调压阀对正负气压值进行调节以适应对不同种子的吸取和投放。
(a)
图10 真空发生器Fig.10 Vacuum generator
2.5 吸种针的选取
为提高播种机通用性，本设计采用成本低、易更换的点胶针头完成对樟子松种子的吸取和投放，如图11所示，针对不同吸种孔直径(D)、吸种负压值(P)进行2因素3水平全因子取种试验[25]，其中吸种孔直径(D)分别取D1：0.5 mm、D2：0.7 mm、D3：0.9 mm，吸种负压值(P)分别取P1：6.7 kPa、P2：7.7 kPa、P3：8.7 kPa，共32即9个试验参数组合，每个参数组合重复试验3次考察取种成功率。通过反复试验得出：当吸种孔直径为0.9 mm、吸种负压值为6.7 kPa时，对樟子松种子的取种成功率最大。因此确定该精量播种的吸种负压6.7 kPa，投种正压0.5 kPa，配合吸种嘴孔径0.9 mm。本试验选择KUHNAST型18 G点胶卡口针头，内径0.9 mm，外径1.2 mm，管长13 mm，可通过选择不同规格点胶针头以适应不同尺寸林木种子。
图11 吸种点胶针头Fig.11 Dispensing needles for seeds suck
2.6 种子自动装填装置
在供种装置上方设计种子自动填装装置，如图12所示，以保证供种装置内的种子数量维持在固定的范围。其中，种子自动装填装置包括种箱、投种口、出种口、出种口大小调节板、导流板和直线振动器等，该振动式种子自动装填装置通过控制器控制直线振动器的振动参数，能够控制种子的填装速度，进而实现自动、及时、精准地向供种系统填装种子；
能够有效降低在固定气流流速下的重播率及漏播率，使供种系统内种子群保持性相稳定的“沸腾”状态。
图12 种子自动装填装置Fig.12 The automatic filling device of seeds
3.1 精量播种设备总成
为提高设备通用性，提高育苗经济效益，设计该精量播种机，如图13所示，可适用于规格符合樟子松容器育苗技术规程[26]的常规育苗穴盘(540 mm×300 mm×70 mm)和纸质蜂窝穴盘(540 mm×440 mm×85 mm)，如图14所示，通过人工切换控制系统和更换取投种装置、压穴机构来实现穴盘转换，如图15所示。
图13 双系统精量穴盘播种机Fig.13 Dual system precision tray seeder
(a)硬质育苗穴盘(32穴)
(b)纸质蜂窝育苗穴盘(88穴)
图15 精量穴盘播种机控制系统Fig.15 Control system of precision tray seeder
3.2 樟子松精量播种试验
3.2.1 试验目的及材料
为验证本设计中的精量穴盘播种机穴播速度、空穴率和苗盘匹配性等情况，选用大兴安岭加格达奇地区樟子松种子进行播种试验。试验用基质为泥炭、蛭石、珍珠岩按3∶1∶1的比例配制而成，播种穴盘选用32穴常规聚乙烯穴盘和88穴纸质蜂窝穴盘，如图15所示。空气压缩机为科麦斯KOMAX120L型；
依据《单粒(精密)播种机试验方法》[27]要求对样机进行播种试验，试验分常规穴盘组和纸质穴盘组分别进行，每组试验累计播种3 h。
3.2.2 试验步骤
首先将备好的苗盘置于播种机输送带，取适量(种子自然堆叠10层以上)种子倒入填装装置，检查穴盘放置情况，将播种机通电，空气压缩机给压，按下启动按钮进行播种试验，播种过程中需人工补充穴盘。调整穴盘输送机构运行速度，找出适合樟子松种子精量播种的最优技术参数。
3.2.3 试验结果与分析
通过播种试验可知，除了吸种孔经、吸种正、负压外，供种机构的振动参数、苗盘输送机构的运行速度与播种成功率密切相关，运行速度过慢有悖于精准、高效播种的设计初衷，运行速度过快则取投种正负压转换过于频繁，吸种孔吸附不稳定，易出现无效投种造成空穴率升高。经过反复试验，当种盘振动频率为20 Hz，振幅为5 mm，穴盘输送速度为0.045 m/s时，其空穴率最低，为1.74 %，重播率0.26 %，播种合格率98 %，穴播速度可达到300盘/h。可通过更换吸种嘴实现对其他种子的精量播种。试验中由于穴盘摆放不及时、穴盘刮到播种机边缘导致传感器拾取不到信号、压缩机气压供应不足等原因，试验中止次数较多。如何在保证播种精基础上，提高播种机适用性、延长设备连续作业时间，仍需进一步深入研究和探索。
文章以樟子松种子为例，应用压痕法、反相分析运算法则、EDEM中的Hertz-Mindlin模型等方法，探究其空气动力学特性、建立种子的种群空间形态模型和颗粒接触模型，据此应用SolidWorks进行播种机关键部件的设计。设计的精量播种设备适用于种壳脆硬、形状不规则、球度低的林木中小粒种子。供种系统采用气吹-振动组合式种子流化装置供种，提高了吸种精度，经试验穴播速度可达到300盘/h，空穴率1.74 %，重播率0.26 %，播种合格率98 %。通用性强，可匹配常规穴盘和纸质蜂窝穴盘，能有效节约良种、提高育苗经济效益，为中小粒林木容器育苗技术的发展提供设备支持和数据参考。但目前设备的连续作业时间不长，如何在保证播种精基础上，进一步提高播种机适用性、延长整机连续作业时间，提高与大型机械化基质装填、覆土、喷淋等作业的匹配度，仍需进一步深入研究和探索。
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