振動(dòng)式水稻精密播種裝置機(jī)理分析與試驗(yàn)

鹿芳媛 馬 旭 齊 龍 邢緒坡 李宏偉 郭林杰

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 廣州 510642)

0 引言

水稻是我國主要糧食作物，其種植機(jī)械化是我國水稻生產(chǎn)機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)，也是我國水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化發(fā)展中的瓶頸[1]，提高水稻秧苗育秧播種機(jī)械化水平是實(shí)現(xiàn)我國水稻種植機(jī)械化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

目前，水稻機(jī)械化種植方式主要包括機(jī)栽植和機(jī)直播。美國、意大利、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家采用機(jī)械化直播方式種植水稻，對秧盤育秧播種機(jī)械的研制較少[2-3]；亞洲的水稻秧盤育秧設(shè)備較多，其中日本和韓國的技術(shù)水平最高，如日本久保田、洋馬、井關(guān)等株式會(huì)社生產(chǎn)的育秧播種流水線，采用機(jī)械式排種器，設(shè)備自動(dòng)化程度高、工藝精湛，但主要適用于常規(guī)稻4～8 粒/格的撒播或3～6 粒/穴的穴播作業(yè)，不適用雜交稻1～3粒/穴的精密播種需要[4]。

我國水稻機(jī)械化種植主要采用育秧移栽。水稻精密播種器的研發(fā)始于20世紀(jì)70年代，早期研究以機(jī)械式排種器為主，80年代初開始研究氣力式排種器[5]，隨著水稻秧盤育秧流水線的研制，90年代起振動(dòng)式播種流水線發(fā)展起來[6]。可以看出，我國對于水稻精密排種器的研究，按其播種方式分為機(jī)械式、振動(dòng)式和氣力式。傳統(tǒng)機(jī)械式播種器結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強(qiáng)，主要適用于水稻大播量條播和撒播，較難滿足雜交稻精密播種需求[3]。氣力式水稻精密播種器作業(yè)效率高，對種子損傷小，能夠?qū)崿F(xiàn)單粒精量點(diǎn)播[7]，但由于水稻主要采用芽種播種育秧，帶芽播種時(shí)種芽的脫落易造成吸孔堵塞而影響播種性能，且吸孔堵塞問題較難解決。

振動(dòng)式水稻精密播種是一種有效的精密播種方式，可分為機(jī)械振動(dòng)式、電磁振動(dòng)式和氣力振動(dòng)式。張學(xué)義、楊堅(jiān)、李志偉等[6,8-9]改進(jìn)電磁振動(dòng)式播種器用于水稻育秧播種，可實(shí)現(xiàn)3～5 粒/穴的播種要求。張斌等[10]提出利用導(dǎo)向板使稻種在振動(dòng)式排種器上沿胚胎方向有序排列，實(shí)現(xiàn)了超級(jí)雜交稻定向播種。齊龍等[11]采用交叉導(dǎo)流式振動(dòng)種箱配合螺旋勺式槽輪定量供種，與氣動(dòng)振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)相結(jié)合，研制了一種振動(dòng)式水稻精密播種裝置，能夠滿足雜交稻和常規(guī)稻種子播種育秧要求，但該裝置的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)還需優(yōu)化，以保證穩(wěn)定的工作性能。

為此，本文將解析交叉導(dǎo)流式振動(dòng)種箱的工作機(jī)理，利用離散元法[12-15]模擬分析與試驗(yàn)探究該機(jī)構(gòu)的供種性能，分析振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)的不同種槽板對水稻種子導(dǎo)向作用和流動(dòng)速度(以下簡稱流速)的影響，探究不同類型種槽板對播種性能的影響，并通過播種性能試驗(yàn)優(yōu)化種槽板結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1 振動(dòng)式精密播種裝置工作原理

振動(dòng)式水稻精密播種裝置是水稻秧盤育秧精密播種流水線的關(guān)鍵技術(shù)部件，其播種質(zhì)量直接影響育秧流水線的作業(yè)性能和效率。該播種裝置主要由兩部分組成：定量供種機(jī)構(gòu)和振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 振動(dòng)式水稻精密播種裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Sketch map of vibrating precision sowing devise for rice1.種箱 2.種箱振動(dòng)板 3.電磁振動(dòng)器 4.調(diào)節(jié)門 5.清種毛刷 6.螺旋勺式排種輪 7.支架 8.氣動(dòng)振動(dòng)器 9.振盤振動(dòng)臂 10.振動(dòng)器安裝板 11.種槽板 12.T型板 13.調(diào)速電動(dòng)機(jī) 14.第二導(dǎo)種板 15.第一導(dǎo)種板

定量供種機(jī)構(gòu)主要包括種箱、第一導(dǎo)種板、種箱振動(dòng)板、第二導(dǎo)種板、電磁振動(dòng)器、調(diào)節(jié)門、清種毛刷、螺旋勺式排種輪(以下簡稱排種輪)和調(diào)速電動(dòng)機(jī)；振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)包括氣動(dòng)振動(dòng)器、振動(dòng)器安裝板、振盤振動(dòng)臂、振動(dòng)種盤、支架等部件。其工作原理為：定量供種機(jī)構(gòu)采用交叉導(dǎo)流式振動(dòng)種箱(由圖1中零件1、2、3、14、15構(gòu)成)，使水稻種子在排種輪上方的充填區(qū)形成“Z”型連續(xù)種流，然后隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)定量地排出種箱，落入振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)的振動(dòng)種盤中。在振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)的振動(dòng)作用下，水稻種子在振動(dòng)種盤上部T型板中進(jìn)行篩分勻種，在振動(dòng)種盤下部種槽板的導(dǎo)向作用下有序排隊(duì)，形成連續(xù)、均勻的種子流，最終精量地落入育秧流水線輸送帶上的秧盤中，完成精少量播種。

定量供種機(jī)構(gòu)連續(xù)定量的供種性能和振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)均勻穩(wěn)定的播種性能，是實(shí)現(xiàn)水稻精密播種的重要條件，二者缺一不可。因此，分別探究定量供種機(jī)構(gòu)的供種機(jī)理與振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)的播種機(jī)理，分析影響裝置播種性能的因素，使播種合格指數(shù)提高到92%以上，空穴指數(shù)控制在2%以下。

1.1 定量供種機(jī)構(gòu)的供種機(jī)理

在播種過程中隨著排種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)種量不斷減少，常規(guī)種箱內(nèi)靠近排種輪出流口的種子流速較其他位置快，中部種子流速較種箱內(nèi)壁快，排種輪中部與兩側(cè)充填特性不一致，導(dǎo)致供種量不穩(wěn)定。為此，李志偉、馬旭、周海波等[6,16-17]提出了多層導(dǎo)種板結(jié)構(gòu)的種箱，提高了種箱的供種性能，實(shí)現(xiàn)了均勻定量供種。

本文研究的定量供種機(jī)構(gòu)交叉導(dǎo)流式振動(dòng)種箱，采用第一導(dǎo)種板、種箱振動(dòng)板和第二導(dǎo)種板交疊安裝形成的交叉導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，利用多層導(dǎo)種板分擔(dān)了種箱內(nèi)種子的大部分重力，避免了種子直接堆積在排種輪上，而在排種輪上方充填區(qū)形成“Z”型連續(xù)種流，有效提高了充種性能，且減少了多余種子在清種毛刷部位旋轉(zhuǎn)翻滾產(chǎn)生的渦流與碎種現(xiàn)象。此外，由于水稻種子自身的物理特性，外殼存在芒刺，種子間的摩擦因數(shù)較大，無序的分布狀態(tài)使其在種箱內(nèi)的流動(dòng)性差。同時(shí)，催芽后的水稻種子抵抗損傷的能力很弱，種子間較大的摩擦力及排種輪的強(qiáng)制帶動(dòng)作用會(huì)加劇傷種。因此，通過電磁振動(dòng)器連接振動(dòng)板，在種箱內(nèi)側(cè)產(chǎn)生周期性的小幅振動(dòng)，加速種箱內(nèi)側(cè)種子的流動(dòng)性，并使排種輪充填區(qū)的種子分布狀態(tài)較為“蓬松”，減少種子的機(jī)械損傷，優(yōu)化供種性能。

1.2 振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)的勻種機(jī)理

振動(dòng)種盤的振動(dòng)性能直接決定了水稻種子的運(yùn)動(dòng)特性以及機(jī)構(gòu)的播種性能。為分析振動(dòng)種盤的運(yùn)動(dòng)特性，將振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)分為3部分：支架、氣動(dòng)振動(dòng)器及受迫振動(dòng)系統(tǒng)(包括振盤振動(dòng)臂和振動(dòng)種盤)。氣動(dòng)振動(dòng)器對受迫振動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生激振力，在激振作用下振動(dòng)種盤繞振盤振動(dòng)臂與機(jī)架的固定點(diǎn)產(chǎn)生周期性的往復(fù)擺動(dòng)。為探明該往復(fù)運(yùn)動(dòng)特性，對受迫振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。

1.2.1受迫振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析

通過振動(dòng)特性測試分析可知，振動(dòng)種盤產(chǎn)生的擺角始終小于0.1°，對于該系統(tǒng)來說振動(dòng)種盤在鉛垂方向上產(chǎn)生的位移可忽略不計(jì)，位移主要產(chǎn)生于水平方向。因此，可將振盤振動(dòng)臂的作用力在鉛垂方向上等效為提拉振動(dòng)種盤的拉力，在水平方向上等效為彈性力與阻尼力，則振動(dòng)種盤在水平方向上做單自由度簡諧受迫振動(dòng)[18]，其力學(xué)模型如圖2所示。為便于分析，將受迫振動(dòng)系統(tǒng)簡化為質(zhì)量為M的等效物塊。

圖2 單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)力學(xué)模型Fig.2 Mechanical model of single degree of freedom forced vibration system

氣動(dòng)振動(dòng)器產(chǎn)生的激振力運(yùn)動(dòng)方程為

F(t)=Hsin(ωt)

(1)

式中H——激振力的振幅，mm

ω——激振力的角頻率，rad/s

以平衡位置O點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，Y軸鉛垂向上為正，則等效物塊沿鉛垂方向的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(2)

其中

δ=α+γ

式中Fl——振動(dòng)系統(tǒng)受到的支架拉力，N

α——振動(dòng)器安裝板夾角，(°)

γ——槽板與水平面夾角，(°)

Fl(t)=Mg-Hsin(ωt)cosδ

(3)

表明振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)在工作過程中，振盤支架以及振盤振動(dòng)臂所受到的拉力隨激振力的變化而發(fā)生周期性改變。

對等效物塊水平方向進(jìn)行受力分析，X水平向左為正，則等效物塊的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(4)

式中c——等效阻尼系數(shù)

k——等效彈簧系數(shù)

其解[19]為

X(t)=X1(t)+X2(t)=
Ae-ntsin(ωdt+Ψ)+Bsin(ωt-φ)sinδ

(5)

其中

式中n——系統(tǒng)的衰減系數(shù)

ωd——衰減振動(dòng)的角頻率，rad/s

Ψ——自由振動(dòng)的相位差，(°)

ωn——系統(tǒng)的固有角頻率，rad/s

A——初始振幅，mm

B——受迫振動(dòng)的振幅，mm

φ——受迫振動(dòng)的相位差，(°)

可以看出振動(dòng)種盤的運(yùn)動(dòng)由兩部分組成：角頻率為ωd的衰減振動(dòng)和角頻率為ω的受迫振動(dòng)。在受迫振動(dòng)系統(tǒng)的衰減振動(dòng)中，由于阻尼的存在，衰減振動(dòng)會(huì)逐漸消失，在衰減振動(dòng)完全消失之前，系統(tǒng)的振動(dòng)過程稱為暫態(tài)響應(yīng)。衰減振動(dòng)消失后，系統(tǒng)振動(dòng)的過程為穩(wěn)定的等幅受迫振動(dòng)，該過程稱為振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)。當(dāng)受迫振動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)響應(yīng)階段，其運(yùn)動(dòng)方程為

X(t)=X2(t)=Bsin(ωt-φ)sinδ

可以看出穩(wěn)態(tài)過程即為簡諧振動(dòng)，其頻率與激振力頻率相等，相位角與激振力的相位角相差φ。通過上述分析，在使用振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)時(shí)，需開機(jī)運(yùn)行等待衰減振動(dòng)的振幅逐漸減小，在受迫振動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定后再進(jìn)行調(diào)試播種。

1.2.2種子在振動(dòng)種盤上的運(yùn)動(dòng)理論分析

振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)工作時(shí)，水稻種子大部分呈松散均勻的狀態(tài)分布在振動(dòng)種盤中。以單粒水稻種子為研究對象，探究種子在振動(dòng)種盤上部T型板和下部槽板上的運(yùn)動(dòng)特性[11]。分別對種子在T型板和種槽板上的受力進(jìn)行分析(振動(dòng)種盤結(jié)構(gòu)見圖1)，如圖3所示。

圖3 種子在振動(dòng)種盤上的受力圖Fig.3 Force diagrams of seed on vibration plate

基于上述單自由度振動(dòng)系統(tǒng)分析，設(shè)激振力產(chǎn)生的振動(dòng)幅值為h(mm)，則振動(dòng)種盤的位移為

s=hsin(ωt-φ)sinδ

由圖3a分析得到種子在T型板上的下滑條件為

(6)

式中μ——種子在振動(dòng)種盤上的滑動(dòng)摩擦角，(°)

β——T型板與水平面夾角，(°)

種子在T型板上的跳動(dòng)條件為

(7)

由圖3b得到種子在槽板上的下滑條件為

(8)

式中θ——種槽板夾角，(°)

種子在槽板上的跳動(dòng)條件為

(9)

其中，當(dāng)0γ，則滿足種子在槽板上的下滑或跳動(dòng)條件時(shí)，必定滿足種子在T型板上的下滑或跳動(dòng)條件。此外，由式(8)可知，種子在種槽板上的下滑行走條件與種槽板夾角θ有關(guān)，下面將通過離散元法探究種槽板夾角θ對種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。

2 振動(dòng)式精密播種裝置仿真分析

利用離散元仿真軟件EDEM，分別對振動(dòng)式精密播種裝置的定量供種機(jī)構(gòu)和振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)進(jìn)行播種性能仿真。

2.1 定量供種機(jī)構(gòu)的供種過程仿真

為探究供種時(shí)交叉導(dǎo)流式種箱內(nèi)水稻種子的流動(dòng)特性，以及振動(dòng)對供種性能的影響，利用離散元仿真軟件EDEM模擬定量供種機(jī)構(gòu)的工作過程，以種箱振動(dòng)板有、無振動(dòng)作用進(jìn)行仿真對比試驗(yàn)。通過三維建模軟件Solidworks創(chuàng)建定量供種機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體模型并導(dǎo)入EDEM軟件中，創(chuàng)建水稻芽種顆粒，由23個(gè)基礎(chǔ)顆粒球組成[20]。設(shè)置水稻泊松比為0.25，剪切模量為108 MPa，密度為1 098 kg/m3；不銹鋼板(種箱及導(dǎo)種板材料)泊松比為0.30，剪切模量為79 000 MPa，密度為7 850 kg/m3；尼龍1010(螺旋勺式排種輪材料)泊松比為0.28，剪切模量為1 070 MPa，密度為1 050 kg/m3。水稻種子含水率約37.3%，種子顆粒與各材料間的接觸參數(shù)見表1。根據(jù)定量供種機(jī)構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)置模型運(yùn)動(dòng)參數(shù)，排種輪模型運(yùn)動(dòng)設(shè)置為線性旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為7.0 r/min。使用的電磁振動(dòng)器型號(hào)為DH180-2-1，振動(dòng)頻率為50 Hz，通過振動(dòng)測試分析得到種箱振動(dòng)板在電磁振動(dòng)器的作用下產(chǎn)生簡諧振動(dòng)，且振幅可調(diào)范圍為0～0.02 mm，因此設(shè)置振動(dòng)板運(yùn)動(dòng)為正弦平移，頻率為50 Hz，根據(jù)播量要求振幅選用0.015 mm。

表1 仿真所需接觸參數(shù)Tab.1 Contact parameters of simulation

2.1.1種子在種箱內(nèi)的流動(dòng)特性分析

以振動(dòng)板的振動(dòng)作用作為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)兩組供種過程模擬試驗(yàn)，一組設(shè)置振動(dòng)，另一組不設(shè)置振動(dòng)，其余參數(shù)設(shè)置均相同，仿真時(shí)間為85 s。仿真完成后，對種箱內(nèi)的種子顆粒進(jìn)行染色分層，由下至上將種子分為10層，以最底層為第1種層，以最頂層為第10種層。分別選取兩組仿真試驗(yàn)過程中的4個(gè)時(shí)刻進(jìn)行分析，如圖4所示，左圖為種箱振動(dòng)板有振動(dòng)作用，右圖為無振動(dòng)。

圖4 交叉導(dǎo)流式振動(dòng)種箱供種過程仿真Fig.4 Feeding process simulation of cross-flow vibration seeds box

圖4a為初始時(shí)刻水稻種子自然填充于種箱內(nèi)第一導(dǎo)種板下部、種箱振動(dòng)板下部及第二導(dǎo)種板之間，形成了“Z”型連續(xù)種流，緩解了大量種子直接堆積在排種輪上方產(chǎn)生的正壓力。圖4b為排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)了3 s時(shí)，在此過程中，左圖供種機(jī)構(gòu)在振動(dòng)作用下第1～4種層種子按種層順序排出種箱，第5～10種層種子整體流動(dòng)平穩(wěn)下落；右圖供種機(jī)構(gòu)無振動(dòng)時(shí)第1～4種層種子隨排種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)相互混合，亂序排出種箱，第5～7種層種子開始呈現(xiàn)漏斗狀流動(dòng)[21]，第8～10種層平穩(wěn)下落。圖4c、4d分別為排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)了10 s和22 s時(shí)，在此過程中，左圖種箱右側(cè)由于振動(dòng)作用種子流速較快，故種子整體高度向右下方傾斜，呈現(xiàn)擴(kuò)散流動(dòng)，流速較平穩(wěn)；右圖種箱內(nèi)漏斗狀明顯，各層種子均形成了漏斗流，流速不穩(wěn)定。

觀察兩組仿真試驗(yàn)整個(gè)供種過程，與導(dǎo)種板內(nèi)壁接觸的種子均形成了不流動(dòng)區(qū)。當(dāng)右側(cè)振動(dòng)板無振動(dòng)時(shí)，種箱左右兩側(cè)皆存在不流動(dòng)區(qū)，因此種子形成漏斗流動(dòng)，速率不穩(wěn)定，種子密度不均勻，影響排種輪的充填性能。而當(dāng)右側(cè)振動(dòng)板振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)作用提高了右側(cè)種子流速，僅左側(cè)導(dǎo)種板上存在不流動(dòng)區(qū)，緩解了漏斗流，促進(jìn)種子擴(kuò)散流動(dòng)，穩(wěn)定了種子整體的流速和密度，提高了供種穩(wěn)定性。

根據(jù)兩組試驗(yàn)仿真完成時(shí)間，有振動(dòng)時(shí)供種試驗(yàn)種箱內(nèi)的種子在78 s內(nèi)被排空，無振動(dòng)時(shí)則在82 s內(nèi)被排空，表明在振動(dòng)作用下排種輪的供種頻率(單位時(shí)間內(nèi)排種輪的供種質(zhì)量，g/s)較高。為確定振動(dòng)對供種頻率的提高比率，對兩組仿真試驗(yàn)的供種質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制定量供種機(jī)構(gòu)的供種質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線對比，如圖5所示。對圖5中2條曲線做線性擬合，得到種箱振動(dòng)板有振動(dòng)時(shí)排種輪的供種質(zhì)量

Q1=10.177t

(10)

圖5 定量供種機(jī)構(gòu)有無振動(dòng)時(shí)供種質(zhì)量對比Fig.5 Feeding weight comparison of quantitative-seeds feeding device with or without vibration

Q2=9.851t

(11)

2.1.2種子在充填區(qū)分布狀態(tài)與流速分析

為研究振動(dòng)對排種輪充填區(qū)內(nèi)的種子分布“蓬松”程度和種子流速的影響，在排種輪的強(qiáng)制層和帶動(dòng)層添加網(wǎng)格進(jìn)行分析，劃分強(qiáng)制層、帶動(dòng)層Ⅰ、帶動(dòng)層Ⅱ、帶動(dòng)層Ⅲ，如圖6所示。

隨機(jī)選擇仿真過程的4個(gè)時(shí)刻，分別統(tǒng)計(jì)強(qiáng)制層、帶動(dòng)層Ⅰ、帶動(dòng)層Ⅱ、帶動(dòng)層Ⅲ網(wǎng)格內(nèi)的種子數(shù)量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。通過表2中各網(wǎng)格內(nèi)的顆粒數(shù)量對比可以看出，振動(dòng)板有振動(dòng)比無振動(dòng)時(shí)強(qiáng)制層內(nèi)的種子數(shù)量多，而帶動(dòng)層(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)內(nèi)的種子數(shù)量少，表明種箱內(nèi)側(cè)的振動(dòng)作用促進(jìn)排種輪充填區(qū)的種子分布狀態(tài)更為“蓬松”；振動(dòng)使強(qiáng)制層的種子獲得較快的流速，單位時(shí)間內(nèi)充填進(jìn)入排種輪凹槽內(nèi)的種子較無振動(dòng)時(shí)多，因而排種輪的供種頻率較高。此外，振動(dòng)時(shí)的顆粒數(shù)量變異系數(shù)小于無振動(dòng)，表明振動(dòng)作用下排種輪的充種量更穩(wěn)定。

圖6 排種輪強(qiáng)制層與帶動(dòng)層網(wǎng)格劃分Fig.6 Meshing for compulsion layers and driven layer of wheal

表2 各網(wǎng)格區(qū)域顆粒數(shù)量和變異系數(shù)Tab.2 Particle number of grid regions

圖7 不同區(qū)域顆粒流速對比曲線Fig.7 Particles velocity comparison curves of different regions

對帶動(dòng)層和強(qiáng)制層的顆粒速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制仿真3～21 s過程中種子的流速曲線，如圖7所示，進(jìn)一步分析振動(dòng)對充種區(qū)種子流速的影響。通過圖7a種子流速變化曲線對比，振動(dòng)作用對排種輪強(qiáng)制層的種子流速大小影響不明顯，而計(jì)算和比較兩組種子流速平均值時(shí)則有振動(dòng)略微大于無振動(dòng)時(shí)。由圖7b可知，有振動(dòng)時(shí)種子流速曲線整體高于無振動(dòng)時(shí)，表明振動(dòng)作用加速了帶動(dòng)層Ⅰ區(qū)域的種子流速，從而促進(jìn)種子充填進(jìn)入排種輪的凹槽內(nèi)，提高排種輪的供種頻率。通過圖7c可以看出，對于帶動(dòng)層Ⅱ的種子，在無振動(dòng)時(shí)速度變化劇烈，而在有振動(dòng)時(shí)速度穩(wěn)定，表明振動(dòng)作用有效地穩(wěn)定了該層種子流速。圖7d為帶動(dòng)層Ⅲ種子流速，從兩條速度對比曲線來看，種子流動(dòng)速度變化差異不明顯，通過趨勢線對比表明有振動(dòng)時(shí)種子流速變化稍平穩(wěn)。

上述分析以定量供種機(jī)構(gòu)大播種量供種(適用于常規(guī)稻，通常播量標(biāo)準(zhǔn)秧盤80～120 g/盤，即3～7粒/穴或格)為例進(jìn)行探究。針對低播量供種(適用于雜交稻，通常播量標(biāo)準(zhǔn)秧盤40～60 g/盤，即1～4粒/穴)以相同的方法進(jìn)行模擬分析，得到種子在種箱內(nèi)交叉導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)上的流動(dòng)特性以及在排種輪充填區(qū)的分布狀態(tài)和流速，在有無振動(dòng)作用對比仿真試驗(yàn)中表現(xiàn)出的規(guī)律與常規(guī)稻供種時(shí)基本一致，雜交稻低播量時(shí)有振動(dòng)比無振動(dòng)時(shí)排種輪的供種頻率高5.41%。

綜上采用離散元法對定量供種機(jī)構(gòu)在有振動(dòng)與無振動(dòng)條件下，分別進(jìn)行常規(guī)稻及雜交稻供種過程模擬，從種箱內(nèi)的種子流速變化及分布“蓬松程度”等方面分析，驗(yàn)證了交叉導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)能夠?yàn)榕欧N輪提供連續(xù)穩(wěn)定的種子流，揭示了振動(dòng)作用穩(wěn)定種子流速和提高機(jī)構(gòu)供種頻率的機(jī)理，表明該定量供種機(jī)構(gòu)較優(yōu)的供種性能能夠滿足精密播種需求。

2.2 振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)的播種性能仿真

振動(dòng)勻種機(jī)構(gòu)的種槽板對種子的限位作用決定了種子的有序排隊(duì)狀態(tài)，進(jìn)而影響條播或穴播時(shí)種子流與秧盤的對行或?qū)ρㄐ阅堋榱诉_(dá)到較好的播種性能，播種時(shí)到達(dá)種槽出流口的種子最好垂直落入該種槽對應(yīng)的秧盤行或秧穴中，尤其當(dāng)雜交稻低播量播種時(shí)需要種子在種槽板上保持沿長軸方向有序排隊(duì)，同時(shí)避免劇烈跳動(dòng)或擺動(dòng)，防止掉落過程中發(fā)生彈跳落入相鄰的秧盤行或秧穴中。

為探究不同類型與參數(shù)的種槽板對種子流速、排隊(duì)狀態(tài)及播種性能的影響，設(shè)計(jì)了9組種槽板，即不同種槽夾角θ的V型種槽板：V-60°、V-75°、V-90°、V-105°、V-120°、V-135°、V-150°，和不同半徑的U型種槽板：U1(半徑為6.30 mm)、U2(半徑為7.00 mm)，進(jìn)行水稻精少量播種性能模擬試驗(yàn)。旨在篩選種槽板因素水平，為裝置優(yōu)化試驗(yàn)提供理論依據(jù)，減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省時(shí)間和成本。

仿真所需材料的物性參數(shù)及接觸參數(shù)參照2.1節(jié)進(jìn)行設(shè)置，秧盤運(yùn)動(dòng)設(shè)置為勻速行走，速度為0.083 m/s(播種流水線生產(chǎn)率500盤/h)，振動(dòng)種盤運(yùn)動(dòng)參考文獻(xiàn)[14]進(jìn)行設(shè)置，仿真時(shí)間為12 s。

2.2.1不同種槽板對種子流速影響

統(tǒng)計(jì)在播種過程穩(wěn)定后4～10 s內(nèi)，9組仿真試驗(yàn)種槽板上的種子流動(dòng)速度，每組取100個(gè)數(shù)據(jù)，繪制種子速度箱線圖，如圖8所示。通過觀察箱線圖中每組數(shù)據(jù)箱體和線段的長短，可得到數(shù)據(jù)的四分位距大小，以及正常值的分布范圍，從而直觀地判斷不同種槽板對種子流速及穩(wěn)定性的影響。

圖8 不同種槽板上種子速度箱線圖Fig.8 Box plot of seeds velocity on different striper tanks

從圖8中各組箱線圖的高度分布來看，V型種槽板夾角θ從60°到150°，各組箱線的高度、速度最大值和中位數(shù)隨θ增大而下降，表明隨著種槽板夾角θ的增大，種子在種槽板上的流動(dòng)速度整體呈減小的趨勢；對于U型種槽板，U1型種槽板上的種子流速略大于U2型種槽板，表明種槽半徑較大時(shí)種子流速較慢。從各組箱線長度和異常值分布情況可以看出，隨著種槽板夾角θ的增大，種子速度分布范圍逐漸集中，種子速度異常值逐漸減少，且在種槽板夾角θ大于等于120°時(shí)，種子流速分布范圍相近，表明隨著種槽板夾角θ的增大，種子流速趨于穩(wěn)定，且在θ達(dá)到120°時(shí)種子流速穩(wěn)定性隨槽板夾角的增大變化不明顯。兩種U型種槽板上種子速度異常值少，表明種子在U型槽上的流速較V型槽穩(wěn)定。

2.2.2不同種槽板對種子排隊(duì)狀態(tài)影響

觀察種子在種槽板上的排隊(duì)狀態(tài)及到達(dá)種槽板出流口落入秧盤內(nèi)的掉落狀態(tài)，分析播種過程中不同種槽板對種子的限位作用和對行、對穴性能影響。圖9為9組種槽板上種子的排隊(duì)狀態(tài)，從圖中可以看出，對于V型種槽板，當(dāng)種槽板夾角θ較小(60°、75°和90°)時(shí)，種槽板對種子的限位作用強(qiáng)，此時(shí)種槽內(nèi)的種子可沿其長軸方向有序排隊(duì)，并形成較均勻的單粒到1.5粒種子流；隨著種槽板夾角θ增大，種槽板對種子的限位作用逐漸減弱，當(dāng)θ為105°和120°時(shí)，種子與種槽的接觸面積增大，種槽內(nèi)的種子可前后交疊排列形成較均勻的1.5粒到2粒種子流；當(dāng)θ為135°和150°時(shí)，種槽板夾角過大，此時(shí)種槽板對種子的限位作用弱，無法引導(dǎo)種子在槽板內(nèi)有序排隊(duì)形成均勻的種子流。對于U型槽板，種子與種槽板的接觸面積大，種子排列較不規(guī)律，當(dāng)U型槽半徑較小(U1半徑為6.30 mm)時(shí)可形成較均勻的1.5粒到2粒種子流，當(dāng)U型槽半徑較大(U2半徑為7.00 mm)時(shí)形成無序的2粒種子流。

圖9 種子在不同種槽板上的排隊(duì)狀態(tài)Fig.9 Queue conditions of seeds on different striper tanks

此外，通過觀察種子在不同種槽板出流口落入秧盤時(shí)的形態(tài)，得到V-60°、V-75°和V-90°種槽板中，由于種槽板的限位作用好，種子能夠垂直掉落到下方的秧盤中；V-105°和V-120°種槽板限位性一般，但由于種子流速較穩(wěn)定，種子隨槽板振動(dòng)作用前后擺動(dòng)行走，也能夠垂直掉落至秧盤中，較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對行對穴；而V-135°、V-150°、U1和U2型種槽板，由于限位性差，種子隨槽板振動(dòng)作用產(chǎn)生小幅度的左右擺動(dòng)，掉落時(shí)易發(fā)生翻滾，對行對穴性能較差。

2.2.3不同種槽板對播種性能影響的仿真分析

為進(jìn)一步確定播種性能較優(yōu)的種槽板，統(tǒng)計(jì)不同種槽板的播種合格指數(shù)與空穴指數(shù)等性能指標(biāo)。每組仿真試驗(yàn)分別播種3個(gè)秧盤，統(tǒng)計(jì)秧盤中每穴內(nèi)的種子數(shù)量，評(píng)價(jià)指標(biāo)為

(12)

式中Y1——播種合格指數(shù)

Y2——空穴指數(shù)

N1——合格穴數(shù)，合格區(qū)間為1～4 粒/穴

N2——空穴數(shù)，無種子為空穴

N——總秧穴數(shù)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 不同種槽板播種性能仿真試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Simulation result of sowing performance on different striper tanks

從表3試驗(yàn)結(jié)果可以看出，V-60°和V-75°種槽板的播種空穴指數(shù)高，不能滿足水稻精密播種要求，其原因是在種槽板上形成的是單粒種子流，存在斷流的位置播入秧盤中即形成了空穴；V-135°、V-150°和U2型種槽板空穴指數(shù)高，其原因是槽板的限位性差，不能形成均勻的種子流；V-90°、V-105°、V-120°和U1型種槽板的播種合格指數(shù)均超過90%，空穴指數(shù)較低，平均每穴粒數(shù)滿足播種要求，且標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明較穩(wěn)定的種子流速和連續(xù)均勻的種子流是實(shí)現(xiàn)水稻精少量播種的重要條件。

綜上對種子在不同種槽板上的流速及排隊(duì)狀態(tài)分析，以播種合格指數(shù)和空穴指數(shù)作為評(píng)判播種性能的指標(biāo)，優(yōu)選了播種效果較好的V-90°、V-105°、V-120°和U1型種槽板，為進(jìn)行機(jī)構(gòu)的播種性能優(yōu)化試驗(yàn)提供了參考。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

分別進(jìn)行定量供種機(jī)構(gòu)在種箱振動(dòng)板有振動(dòng)與無振動(dòng)條件下的供種頻率對比試驗(yàn)，以及不同種槽板播種性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性，確定最優(yōu)種槽板能夠提高精密播種裝置的性能。試驗(yàn)地點(diǎn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，采用研制的振動(dòng)式精密播種裝置，安裝在水稻秧盤育秧精密播種流水線上,裝置如圖10所示。試驗(yàn)所用水稻品種：雜交稻品種為培雜泰豐，種子含水率約為27.5%，千粒質(zhì)量為28.20 g；常規(guī)稻品種為華航38號(hào)，種子含水率約為27.38%，千粒質(zhì)量為27.59 g。兩個(gè)水稻品種均進(jìn)行催芽處理，種子破胸露白后再進(jìn)行播種試驗(yàn)。

圖10 振動(dòng)式水稻精密播種裝置實(shí)物圖Fig.10 Vibration rice precision sowing device

3.1 定量供種機(jī)構(gòu)供種頻率對比試驗(yàn)

為探明振動(dòng)作用對定量供種機(jī)構(gòu)供種穩(wěn)定性和供種頻率的影響，以種箱振動(dòng)板的振動(dòng)作用作為試驗(yàn)因素，對供種機(jī)構(gòu)有、無振動(dòng)時(shí)的供種頻率進(jìn)行測定分析。有振動(dòng)時(shí)開啟電磁振動(dòng)器并調(diào)節(jié)振動(dòng)板產(chǎn)生0.015 mm的振幅(可通過振動(dòng)測試得到)，無振動(dòng)時(shí)關(guān)閉電磁振動(dòng)器，分別進(jìn)行定量供種機(jī)構(gòu)常規(guī)稻與雜交稻供種試驗(yàn)。常規(guī)稻供種時(shí)排種輪轉(zhuǎn)速為7.0 r/min，雜交稻低播量時(shí)轉(zhuǎn)速為3.3 r/min。

供種頻率測定方法為：在機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定后，有、無振動(dòng)條件下分別接取排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)60 s所排出的種子質(zhì)量，使用精度0.01 g的電子秤進(jìn)行稱量，計(jì)算排種輪的供種頻率，每組試驗(yàn)重復(fù)6次，求取平均供種頻率；供種穩(wěn)定性的測定方法為：接取排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)5 s所排出的種子質(zhì)量并稱量，有、無振動(dòng)條件下各重復(fù)5次，求取供種頻率變異系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 定量供種機(jī)構(gòu)供種頻率對比試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Feeding frequency comparison test result of quantitative-seeds supply device

由表4可知，常規(guī)稻供種時(shí)電磁振動(dòng)作用使供種頻率提高3.64%，雜交稻低播量時(shí)提高5.52%，與2.1.2節(jié)仿真結(jié)果進(jìn)行對比，仿真相對誤差分別為9.07%和1.99%，表明仿真結(jié)果精度較高。常規(guī)稻供種時(shí)有、無振動(dòng)條件下的供種頻率變異系數(shù)均較低播量供種時(shí)小，表明常規(guī)稻供種時(shí)排種輪單位時(shí)間內(nèi)排出的稻種量更加穩(wěn)定；在振動(dòng)板有振動(dòng)作用時(shí)，可提高常規(guī)稻供種穩(wěn)定性2.47%，雜交稻供種穩(wěn)定性提高1.33%，表明振動(dòng)板振動(dòng)對常規(guī)稻供種穩(wěn)定性提高作用更明顯。

3.2 不同種槽板播種性能試驗(yàn)

以種槽板類型、播種量、氣壓作為試驗(yàn)因素進(jìn)行全因素播種性能試驗(yàn)。仿真試驗(yàn)優(yōu)選的種槽板類型因素(A)水平為：V-90°、V-105°、V-120°和U1型種槽板；播種量因素(B)水平為：常規(guī)稻(80 g/盤)和雜交稻(40 g/盤)；常用氣壓(C)水平為：0.24、0.26、0.28 MPa，共進(jìn)行24組試驗(yàn)。

水稻秧盤育秧精密播種流水線播種生產(chǎn)率為500盤/h，秧盤為14×29缽體毯狀軟盤。每組試驗(yàn)播種6盤，每盤隨機(jī)選取2個(gè)區(qū)域，區(qū)域1橫向完整2行(14格×2行)和區(qū)域2橫向6行、縱向7列(6格×7格)，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算每組的播種合格指數(shù)、空穴指數(shù)、平均每穴粒數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。雜交稻低播量播種合格區(qū)間為1～4粒/穴，常規(guī)稻大播量播種合格區(qū)間為3～7粒/穴。分別計(jì)算4組種槽板在播種雜交稻和常規(guī)稻時(shí)的性能指標(biāo)平均值k，試驗(yàn)結(jié)果見表5，播種效果如圖11所示。

通過表5播種性能試驗(yàn)結(jié)果比較，雜交稻低播量播種時(shí)和常規(guī)稻大播量播種時(shí)，試驗(yàn)因素A在k3水平下的播種平均合格指數(shù)最高、平均空穴指數(shù)最低，平均每穴粒數(shù)滿足播種要求且標(biāo)準(zhǔn)差較小，表明兩種播量下V-120°種槽板的播種性能均最優(yōu)，與2.2.2節(jié)仿真試驗(yàn)優(yōu)選結(jié)果一致。同時(shí)，采用該種槽板進(jìn)行低播量播種，當(dāng)氣壓為0.26 MPa時(shí)播種合格指數(shù)為93.91%，空穴指數(shù)為0.94%；常規(guī)稻播種時(shí)當(dāng)氣壓為0.28 MPa，播種合格指數(shù)為96.10%，空穴指數(shù)為0，滿足常規(guī)稻與雜交稻精少量播種育秧技術(shù)要求，優(yōu)化了振動(dòng)式水稻精密播種裝置的播種性能。

表5 播種性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test result of sowing performance

圖11 播種效果Fig.11 Seeding effect

4 結(jié)論

(1)采用離散元法進(jìn)行了有無振動(dòng)時(shí)定量供種機(jī)構(gòu)的工作過程仿真研究，得出在振動(dòng)條件下進(jìn)行供種，可提高供種頻率和穩(wěn)定性。通過分析種箱內(nèi)不同種層的種子流動(dòng)特性，驗(yàn)證了交叉導(dǎo)流式振動(dòng)種箱可為排種輪提供連續(xù)穩(wěn)定的種子流；通過對比分析充填區(qū)種子的流速與“蓬松”程度得知，振動(dòng)作用能夠有效地穩(wěn)定種子流速和分布密度，提高供種頻率。

(2)進(jìn)行了不同類型與參數(shù)種槽板播種性能仿真試驗(yàn)，得到了種子在不同種槽板上的流速規(guī)律。通過分析不同種槽板對種子流速、有序排列及播種性能的影響可知，種子流速隨著種槽板夾角θ增大而減小并趨于穩(wěn)定，且當(dāng)θ達(dá)到120°時(shí)，流速穩(wěn)定性隨θ增大的變化不明顯；以播種合格指數(shù)和空穴指數(shù)為指標(biāo)，篩選出了V-90°、V-105°、V-120°和U1型4組種槽板的播種效果較好，為裝置優(yōu)化試驗(yàn)減少了試驗(yàn)次數(shù)。

(3)進(jìn)行了定量供種機(jī)構(gòu)的供種頻率試驗(yàn)和精密播種裝置性能優(yōu)化試驗(yàn)，確定了播種效果最佳的種槽板為V-120°種槽板。通過定量供種機(jī)構(gòu)試驗(yàn)，得到常規(guī)稻、雜交稻供種時(shí)電磁振動(dòng)作用分別可提高供種頻率3.64%和5.52%，驗(yàn)證了定量供種機(jī)構(gòu)在有無振動(dòng)作用下的仿真結(jié)果誤差較小；通過精密播種裝置性能優(yōu)化試驗(yàn)，得到采用V-120°種槽板，以0.26 MPa氣壓進(jìn)行低播量播種時(shí)，合格指數(shù)為93.91%，空穴指數(shù)為0.94%，以0.28 MPa氣壓進(jìn)行常規(guī)稻播種時(shí)，合格指數(shù)為96.10%，空穴指數(shù)為0，滿足常規(guī)稻與雜交稻精密播種育秧技術(shù)要求，為水稻精密播種裝置的研究提供了基礎(chǔ)。

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