田立權(quán) 唐 漢 王金武 李樹偉 周文琪 閆東偉
(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院, 哈爾濱 150030)
彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器設(shè)計與試驗
田立權(quán) 唐 漢 王金武 李樹偉 周文琪 閆東偉
(東北農(nóng)業(yè)大學工程學院, 哈爾濱 150030)
為滿足水稻種植精量穴直播要求,設(shè)計了一種彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器。闡述了排種器的工作原理,并應用Matlab軟件對投種過程中水稻芽種的彈射軌跡進行了研究。為評價排種器性能,選取龍稻6號、龍慶稻2號、龍慶稻3號為試驗品種,以旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速、種箱容種高度為影響因素,以排種合格率、重播率、漏播率為指標,采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計,利用JPS-12型排種器檢測試驗臺進行臺架試驗,構(gòu)建了排種性能數(shù)學模型。運用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗數(shù)據(jù)分析并進行驗證試驗,結(jié)果表明:當旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和種箱容種高度為60 mm時,龍稻6號排種合格率為87.23%,重播率為9.56%;龍慶稻2號排種合格率為90.86%,重播率為6.97%;龍慶稻3號排種合格率為89.12%,重播率為7.46%。此排種性能滿足水稻精量穴直播要求。
水稻; 排種器; 彈射式耳勺; 精量穴直播; 設(shè)計; 試驗
水稻直播技術(shù)相比移栽是一種省時省水節(jié)本增效的輕簡化種植技術(shù)[1-6]。穴直播是按農(nóng)藝要求,將水稻芽種依所需的穴距、行距和穴粒數(shù)精準地播到水田田間[7-8]。然而,稻種經(jīng)過浸種催芽處理后,芽種含水率增加、形狀不規(guī)則、流動性降低,因此推廣水稻穴直播的關(guān)鍵在于播種機具核心部件排種器的設(shè)計[4,7]。
國內(nèi)外學者對排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理進行了廣泛研究。PRASANNA等[9]設(shè)計了滾筒式水稻排種裝置,其結(jié)構(gòu)簡單,但播種量大,多應用于水稻條播。羅錫文等[4,7]研制了瓢形型孔穴直播排種輪控制每穴播種量,并設(shè)計彈性隨動護種裝置,實現(xiàn)了有序種植。王在滿等[10]對型孔輪式排種器工作過程進行了高速攝影分析,提出了排種器結(jié)構(gòu)改進方案。馬旭等[11]設(shè)計了螺旋勺輪式播種器,提高了育秧播種的合格率和穩(wěn)定性。王林力等[12]設(shè)計了偏心頂桿式水稻精量排種器,由于采用頂桿機構(gòu)強制排種,減少了芽種堵塞,但對種芽損傷率較高。張國忠等[13]為實現(xiàn)雜交稻和常規(guī)稻的田間精量穴直播,提出了具有雙腔側(cè)充式排種器,但隨排種器轉(zhuǎn)速增加,漏播率呈上升趨勢,排種合格率下降。王俊等[14]提出了一種排種輪表面形成可調(diào)節(jié)窩眼的排種器,該排種器對球度較高、流動性好的稻種排種性能較好。袁月明[15]研制了具有雙排吸孔的垂直盤式水稻精密排種器,并進行了氣室流場仿真分析與性能試驗。曹成茂等[16]設(shè)計了一種氣吹輔助異形孔勺輪式水稻穴播排種器,采用氣吹方式清種,提高了排種性能。翟建波等[17]研制了一種氣力式雜交稻精量穴直播排種器,解決了雜交稻流動性差造成的堵塞問題。上述氣力式水稻排種器難以滿足田間直播要求,而且上述裝置結(jié)構(gòu)復雜,作業(yè)中存在效率低、播種成本高等不足。因此,目前黑龍江省水稻直播仍以條播為主,由于條播機用種量大,浪費大量優(yōu)良稻種,所以研制一種定量播種成行成穴的水稻直播機械很有必要。
本文采用取種耳勺舀種、毛刷清種、導種輥護種、彈射投種等方式,設(shè)計彈射式耳勺型精量穴直播排種器(以下簡稱排種器)。為評價該排種器性能,選取龍稻6號、龍慶稻2號和龍慶稻3號水稻為試驗對象,以排種合格率、重播率和漏播率為指標,以旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速、種箱容種高度為影響因素,開展排種性能臺架試驗,以期為排種器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進設(shè)計提供理論參考。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)與工作過程簡圖Fig.1 Structure diagrams of rice hill-direct-seeding and work process1.導種輥 2.輥軸 3.輥架 4.種箱 5.清種毛刷 6.取種耳勺 7.勺軸 8.擋桿 9.扭轉(zhuǎn)彈簧 10.旋轉(zhuǎn)盤 11.排種軸 12.投種管 Ⅰ. 舀種區(qū) Ⅱ. 清種區(qū) Ⅲ. 導種區(qū) Ⅳ. 投種區(qū) E.初始種位線
1.1 排種器結(jié)構(gòu)
如圖1a所示,排種器主要由取種耳勺、勺軸擋桿、旋轉(zhuǎn)盤、導種輥、輥軸、輥架、投種管、扭轉(zhuǎn)彈簧、清種毛刷、種箱和排種軸等部件組成。
其中,旋轉(zhuǎn)盤與排種軸固結(jié),取種耳勺通過勺軸安裝在旋轉(zhuǎn)盤上;取種耳勺與旋轉(zhuǎn)盤隨排種軸轉(zhuǎn)動,同時取種耳勺亦可繞勺軸旋轉(zhuǎn);扭轉(zhuǎn)彈簧安裝在勺軸上,扭轉(zhuǎn)彈簧的一側(cè)端力臂固定在取種耳勺,另一側(cè)端力臂固定在旋轉(zhuǎn)盤上,使取種耳勺與擋桿接觸;導種輥通過輥架安裝在種箱頂部,并可繞輥軸轉(zhuǎn)動;投種管安裝在種箱后壁外側(cè),清種毛刷安裝在種箱前壁內(nèi)側(cè)。
1.2 工作過程
排種器工作區(qū)域劃分如圖1b所示,種箱內(nèi)水稻芽種依次經(jīng)歷舀種、清種、導種和投種4個過程。首先機具通過鏈條將動力傳至排種軸,旋轉(zhuǎn)盤帶動取種耳勺繞排種軸順時針轉(zhuǎn)動。在舀種區(qū),耳勺進入初始種位線,舀取定量的芽種并帶離種群完成舀種過程;盛有芽種的取種耳勺轉(zhuǎn)至清種區(qū)時,處于耳勺邊緣非穩(wěn)定狀態(tài)的芽種在清種毛刷作用下回落種群,重新參與后續(xù)舀種過程;耳勺轉(zhuǎn)入導種區(qū)并與導種輥接觸,導種輥壓動取種耳勺,使其繞勺軸逆時針轉(zhuǎn)動,取種耳勺與擋桿分離,耳勺帶動扭轉(zhuǎn)彈簧一側(cè)力臂轉(zhuǎn)動,促使扭轉(zhuǎn)彈簧存儲角能量,產(chǎn)生角度回彈力,使取種耳勺緊貼導種輥,起到導種、護種作用;在投種區(qū),耳勺脫離導種輥的壓動作用,扭轉(zhuǎn)彈簧復位釋放角能量,扭轉(zhuǎn)彈簧帶動耳勺繞勺軸順時針回轉(zhuǎn),重新與擋桿接觸,從而將取種耳勺內(nèi)芽種彈射入投種管內(nèi),投落至水田田面,完成投種過程。
2.1 取種耳勺
2.1.1 耳勺數(shù)量
水稻播種機具在作業(yè)速度和穴距確定的條件下,相同直徑的旋轉(zhuǎn)盤上取種耳勺數(shù)量越多,旋轉(zhuǎn)盤線速度越低[18]。較低的旋轉(zhuǎn)盤線速度,能夠延長耳勺通過舀種區(qū)的時間,有利于提高耳勺舀種性能。因此,在排種器結(jié)構(gòu)允許條件下,旋轉(zhuǎn)盤上應盡可能多的設(shè)計取種耳勺數(shù)量。耳勺在旋轉(zhuǎn)盤上采用均布形式,設(shè)取種耳勺數(shù)量為Z,則有
(1)
式中Z——取種耳勺數(shù)量,個v——試驗臺架種床帶速度,m/sS——穴距,mmn——旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速,r/min
試驗臺架種床帶速度模擬田間播種機具前進速度0.52 m/s,設(shè)計旋轉(zhuǎn)盤及其上的取種耳勺旋轉(zhuǎn)直徑為200 mm;根據(jù)農(nóng)藝要求水稻播種穴距取150 mm,旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速取34 r/min,根據(jù)式(1)確定取種耳勺數(shù)量Z為6個。
2.1.2 取種耳勺結(jié)構(gòu)
為保證取種耳勺順利舀取定量水稻芽種,設(shè)計時應考慮芽種參數(shù)。浸種催芽后,水稻芽種長、寬、厚差別較大。本試驗選取黑龍江省直播種植的3個水稻品種,測得浸種催芽后芽種平均長(l)×寬(w)×厚(t)分別為:龍稻6號8.91 mm×2.82 mm×2.15 mm,龍慶稻3號7.75 mm×3.11 mm×2.12 mm,龍慶稻2號6.29 mm×3.29 mm×2.35 mm。
水稻芽種近似橢球狀,其平躺、側(cè)臥和豎立姿態(tài)的投影截面近似橢圓形,其截面積為
(2)
(3)
(4)
式中st——水稻芽種平躺狀態(tài)截面積,mm2sw——水稻芽種側(cè)臥狀態(tài)截面積,mm2sl——水稻芽種豎立狀態(tài)截面積,mm2
舀種過程中,取種耳勺盛種部舀入的芽種姿態(tài)可能是平躺、豎立或側(cè)臥。有研究表明,芽種穩(wěn)定舀入盛種部狀態(tài)概率與其本身平躺、豎立或側(cè)臥狀態(tài)的截面積成正相關(guān)[19]。即
(5)
(6)
(7)
其中
(8)
式中pt——水稻芽種平躺狀態(tài)概率,%pw——水稻芽種側(cè)臥狀態(tài)概率,%pl——水稻芽種豎立狀態(tài)概率,%
水稻芽種囊入盛種部姿態(tài)概率為互不相容的事件,3種姿態(tài)的概率總和為1,即
pt+pw+pl=1
(9)
根據(jù)式(8)和式(9)分別得到芽種囊入盛種部姿態(tài)概率,見表1。

表1 水稻芽種囊入盛種部姿態(tài)概率
由表1可知,水稻芽種主要以平躺和側(cè)臥的姿態(tài)被舀入取種耳勺盛種部,二者概率之和占80%以上??紤]到浸種催芽后芽種尺寸及流動性,本文設(shè)計取種耳勺盛種部在旋轉(zhuǎn)盤徑向截面為橢圓形,該盛種部橢圓長軸D與旋轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)方向相切,取種耳勺結(jié)構(gòu)如圖2所示。d為盛種部橢圓短軸,W為盛種部深度,γ為盛種部傾角。

圖2 取種耳勺結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of grasping dipper1.勺軸孔 2.盛種部
為了提高取種耳勺舀種、投種性能,同時保證每個耳勺盛種部舀取5~8粒芽種,參照經(jīng)驗公式[20], 耳勺盛種部橢圓長軸D、盛種部橢圓短軸d和盛種部深度W分別為
(10)
式中l(wèi)max——水稻芽種長度最大值,mmwmax——水稻芽種寬度最大值,mmkl——盛種部橢圓長軸調(diào)節(jié)系數(shù)kw——盛種部橢圓短軸調(diào)節(jié)系數(shù)kt——盛種部深度調(diào)節(jié)系數(shù)
根據(jù)水稻芽種三軸尺寸,確定D=14 mm、d=8 mm、W=4 mm,可以盛裝5~8粒芽種。
2.1.3 取種耳勺盛種部傾角γ

圖3 水稻芽種群在舀種區(qū)受力分析圖Fig.3 Stress sketches of seeds population in graspⅤ.耳勺接觸面 Ⅵ.種群接觸面
排種器作業(yè)時,由于水稻芽種在舀種區(qū)以散粒體方式運動,圖3b為在取種耳勺帶動下芽種形成強制運動的弧形種群[21]。為簡化分析過程,將弧形種群視為矩形截面h×b(h為芽種群接觸面與取種耳勺間距,b為厚度)的芽種流。選取舀種區(qū)內(nèi)種群微段dp為研究對象,受力分析如圖3a所示,建立平衡方程
(11)
式中m——水稻芽種質(zhì)量,kgFn——種群對芽種流微段的側(cè)向壓力,Nβ——y軸與水平面的夾角,(°)G——水稻芽種自身重力,Nf——芽種流微段與取種耳勺摩擦力,NFc——芽種流微段慣性離心力,Nμ——芽種流微段與取種耳勺摩擦因數(shù)N——取種耳勺對芽種流微段支持力,Nω——取種耳勺角速度,rad/sr——取種耳勺旋轉(zhuǎn)半徑,mm
由式(11)得
(12)

由式(12)可以得到,取種耳勺有效舀種位置角即y軸與水平面的夾角β,與芽種物料特性μ、耳勺盛種部傾角γ、取種耳勺角速度ω有關(guān)。根據(jù)排種器工作原理可知,有效舀種位置角不大于90°,即β≤90°,取種耳勺角速度取ω=3.35 rad/s,芽種流微段與取種耳勺摩擦因數(shù)取μ=0.78[22],耳勺旋轉(zhuǎn)半徑r為100 mm,取整求得耳勺盛種部傾角γ為17°。
2.2 投種管


圖4 芽種在投種管運動示意圖Fig.4 Sketch of motioning seed in different shaped orifices
已知取種耳勺彈射點高度為H,芽種拋入投種管速度為vx,離開投種管速度為vy,芽種下落過程中軌跡線微元記作ds,芽種與投種管的摩擦角為φ,芽種所處投種管點切線與x軸夾角為α,投種管對芽種支持力為FN,摩擦力為Ff,芽種自身重力為mg,則有
(13)
(14)
當y=H時,x=-KH2,dQ=Ffds,有
Q=∫Ffds=∫mgcosαtanφds=
(15)
水稻芽種在彈射投種管和離開投種管時能量守恒,即
(16)

(17)

(18)

(19)
得到彈射軌跡線方程
(20)
由式(20)可知,通過改變H、vx、vy等參數(shù),應用Matlab軟件可以繪制一系列水稻芽種的彈射軌跡[23],如圖5所示。

圖5 水稻芽種彈射軌跡Fig.5 Track of rice unloading
根據(jù)彈射軌跡設(shè)計投種管,將彈射軌跡最大限度的包絡在投種管范圍內(nèi)。水稻芽種在依此方法設(shè)計的投種管內(nèi)運動,可以降低芽種與投種管碰撞,減少芽種損傷,降低芽種與投種管摩擦,順利成穴投落到水田田面。
3.1 試驗裝置
為了測試排種器性能,用JPS-12型計算機視覺技術(shù)排種器自動試驗臺(黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學研究院研制)進行臺架試驗,如圖6所示。試驗品種選擇龍慶稻3號,千粒質(zhì)量27.2 g,由黑龍江省慶安縣北方綠洲稻作研究所選育,需對其浸種催芽至破胸露白。
試驗時,將排種器固定在安裝架上,由電動機控制種床帶速度,模擬播種機具前進狀態(tài);通過變頻器調(diào)節(jié)排種軸在10~150 r/min內(nèi)無級調(diào)速;黏種油以一定的寬度噴涂于種床帶表面,可有效對芽種進行黏附,模擬芽種播種至水田情況。

圖6 排種性能試驗臺架Fig.6 Test platform of seed-metering device on performance1.安裝架 2.種床帶 3.排種器 4.電動機
3.2 評價指標
按照農(nóng)藝要求,常規(guī)稻直播每穴5~8粒[24],將每穴0~4粒記為漏播,每穴5~8粒記為合格,每穴超過8粒記為重播。參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》中播種合格率、漏播率和重播率計算方法。連續(xù)記錄排種器排出每穴內(nèi)芽種數(shù)Xi,每250次為1組,記錄3組,對每穴內(nèi)芽種出現(xiàn)0~4粒、5~8粒與8粒以上次數(shù)Xi進行統(tǒng)計[25],則每穴不同粒數(shù)芽種的概率為
(21)
播種合格率、重播率、漏播率計算公式為
(22)
式中Xij——每穴排出i粒芽種的次數(shù)y1——合格率,%y2——重播率,%y3——漏播率,%
3.3 試驗設(shè)計
根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)和工作過程可知,影響排種器性能的主要因素有種箱容種高度和旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速。分別對容種高度和工作轉(zhuǎn)速進行單因素預備試驗,以合理控制因素變化范圍[26]。在此基礎(chǔ)上,采用二因素五水平二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計試驗以確定排種器最佳組合參數(shù),試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼
試驗方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗方案與結(jié)果
通過Design-Expert 6.0.10 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,進而得到相應的回歸方程。其中x1為工作轉(zhuǎn)速,x2為容種高度。
(23)
為了直觀地分析各試驗因素與排種性能指標間關(guān)系,運用Design-Expert 6.0.10 軟件得到相應曲面,如圖7所示。

圖7 各因素對性能指標影響的響應曲面Fig.7 Response surfaces of all factors on seeding qualified index
根據(jù)式(23)和圖7可知,種箱容種高度與旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速存在交互作用。由圖7a可知,旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速一定時,合格率隨容種高度的增加先增加后降低;當容種高度變化時,合格率變化區(qū)間較大,因此容種高度是影響合格率的主要因素。由圖7b可知,種箱容種高度對重播率的影響顯著。隨容種高度的增加,重播率先降低后增加,原因為容種高度過大,清種區(qū)域變小,甚至沒有清種過程,導致取種耳勺內(nèi)芽種數(shù)不穩(wěn)定。由圖7c可知,旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速對漏播率影響顯著,隨工作轉(zhuǎn)速的增加,漏播率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。
3.4 優(yōu)化與驗證
為得到試驗因素最優(yōu)組合,結(jié)合各因素邊界條件建立數(shù)學模型[27]。對式(23) 回歸方程進行分析,其數(shù)學模型為
(24)
由式(24),基于Design-Expert 6.0.10 軟件中的Optimization模塊進行多目標參數(shù)優(yōu)化,得到當旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和種箱容種高度為60 mm時,排種性能最優(yōu),此時合格率為89.80%、重播率為7.85%、漏播率為2.35%。根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)化獲得的參數(shù)進行臺架試驗驗證,得到播種合格率為89.12%、重播率為7.46%、漏播率為3.42%。驗證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致,誤差在可接受范圍內(nèi),誤差的產(chǎn)生原因可能為機器振動。
在模型優(yōu)化確定最優(yōu)參數(shù)基礎(chǔ)上,為研究排種器對不同品種水稻排種情況,進行臺架適應性試驗。選取3個品種水稻(龍稻6號、龍慶稻2號、龍慶稻3號)為試驗對象,在旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和容種高度為60 mm工況下進行5次重復試驗,數(shù)據(jù)處理取平均值,試驗結(jié)果見表4。
由表4可知,排種器對3個品種水稻排種性能均滿足水稻直播要求,其中龍慶稻2號(呈短圓形)流動性較好,易于舀種、投種,因此性能指標最優(yōu);龍稻6號(呈長圓形)流動性較差,清種不徹底,重播率較高。

表4 驗證試驗結(jié)果
(1)針對黑龍江省水稻直播要求,設(shè)計了一種彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器,對其工作過程進行分析。依此確定取種耳勺結(jié)構(gòu)參數(shù)和水稻芽種彈射軌跡線,以滿足精量穴直播要求。
(2)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計,運用Design-Expert 6.0.10 軟件對試驗數(shù)據(jù)進行分析,建立試驗因素與排種性能數(shù)學模型,并對數(shù)學模型進行優(yōu)化、驗證,模型優(yōu)化結(jié)果與臺架驗證結(jié)果基本一致。
(3)以種箱容種高度和旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為影響因素,對該排種器排種性能進行了室內(nèi)臺架試驗。結(jié)果表明,當旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和種箱容種高度為60 mm時,得到龍慶稻3號最優(yōu)排種性能指標合格率為89.12%、重播率為7.46%,龍慶稻2號合格率為90.86%、重播率為6.97%,龍稻6號合格率為87.23%、重播率為9.56%,性能滿足直播要求。
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Design and Experiment of Rebound Dipper Hill-drop Precision Direct Seed-metering Device for Rice
TIAN Liquan TANG Han WANG Jinwu LI Shuwei ZHOU Wenqi YAN Dongwei
(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)
Aiming at the need of precision rice hill-direct-seeding, the precision hill-direct-seeding seed-metering device for rice was designed with the rebound dipper, the work principle of seed-metering device was stated and the movement track of rice seed was analyzed in the process of seeder’s dropping by means of the Matlab software, the evaluation test of the seed-metering device was conducted by using three kinds of rice, which were Longdao 6, Longqingdao 2 and Longqingdao 3, and rotational quadratic orthogonal experiments was carried out to further analyze the effects of qualified rate, reseeding rate and missing rate on seeding performance, including rotation speed of spinning disk and height of hopper. The JPS-12 detecting and experimental set of seed-metering device was selected to test sowing performances. Experimental data was analyzed by Design-Expert software so as to establish the mathematical model between the experimental factors and indexes. The result showed that the best operational parameter combination was that as the rotation speed of spinning disk was 29.34 r/min and height of seed hopper was 60 mm, the qualified rate and reseeding rate of Longdao 6 were 87.23% and 9.56%, the qualified rate and reseeding rate of Longqingdao 2 were 90.86% and 6.97%, the qualified rate and reseeding rate of the Longqingdao 3 were 89.12% and 7.46%, The sowing performance can meet the requirement of precision rice hill-direct-seeding. The research provided a theoretical reference for the improvement design of precision hill-direct-seeding seed-metering device for rice.
rice; seed-metering device; rebound dipper; precision hill-direct-seeding; design; experiment
10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.008
2016-07-13
2016-08-22
“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD06B04)和國家自然科學基金項目(51205056)
田立權(quán)(1979—),男,博士生,主要從事田間機械研究,E-mail: tlqbuct@sohu.com
王金武(1968—),男,教授,博士生導師,主要從事田間機械及機械可靠性研究,E-mail: jinwuw@163.com
S223.2+3
A
1000-1298(2017)04-0065-08