雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置設(shè)計與試驗

雷小龍 楊文浩 劉禮陽 劉洪男 任萬軍 陳 勇

(1.四川農(nóng)業(yè)大學機電學院， 雅安 625014； 2.農(nóng)業(yè)部西南作物生理生態(tài)與耕作重點實驗室， 成都 611130)

0 引言

水稻機械化種植包括機插和機直播2種方式，其中機插和機直播分別占93.99%和5.97%[1-2]。機插具有分蘗能力強、農(nóng)藝技術(shù)較完善和產(chǎn)量穩(wěn)定的特點，是日本、韓國和我國主要的水稻機械化種植方式；機直播省去育秧、運秧和插秧環(huán)節(jié)，有效降低勞動成本，且機直播稻分蘗發(fā)生早和優(yōu)勢蘗位低，成穗率高，通過增加有效穗數(shù)可獲得較高產(chǎn)量；近年來由于農(nóng)村勞動力短缺，省工、省力和節(jié)本的機直播種植方式得以快速發(fā)展，成為水稻機械化種植的重要方式[3]。機直播的播種質(zhì)量主要取決于排種器的排種性能。

諸多學者對水稻精量排種器進行了研究[4-20]，實現(xiàn)了較好的排種性能，但研究對象大都屬于單體式排種器。集中排種具有裝卸種方便、精簡傳動和整機結(jié)構(gòu)及效率較高的優(yōu)勢，已成為排種技術(shù)發(fā)展的一種趨勢。集中排種器可分為滾筒式集排器和氣送式集排器，張順等[21-22]采用窩眼充種、多吸孔吸種、氣吹清種、護種帶護種及氣力清堵等方式，設(shè)計了一種氣力滾筒式水稻穴直播精量排種器，可實現(xiàn)較優(yōu)排種質(zhì)量的多行排種。

氣力輸送式集中排種器在國內(nèi)外得到廣泛研究和應(yīng)用，戴億政等[23]設(shè)計了一種適用于氣力集排式水稻直播機的分種器以適應(yīng)水稻高速作業(yè)和大播量播種。YATSKUL等[24]優(yōu)化了庫恩氣送式排種器的結(jié)構(gòu)，提升了排種性能。筆者前期開展了油麥兼用型氣送式集排器的結(jié)構(gòu)設(shè)計與排種過程分析等工作[25-27]，采用交錯傾斜錐柱狀型孔定量供種裝置與碗式枝狀分配器相結(jié)合的方式實現(xiàn)油菜、小麥定量均勻排種，研究的氣送式集排器經(jīng)生產(chǎn)試驗證實可完成高效、精量播種。

油麥兼用型氣送式集排器主要采用精量播種的方式，無需成穴播種；而雜交稻為實現(xiàn)高產(chǎn)和抗倒伏農(nóng)藝要求，雜交稻直播采用穴播方式。氣送式集排器采用“機械定量供種+氣流均勻分配成行”的方式，機械定量供種裝置是實現(xiàn)水稻成穴播種的基礎(chǔ)，為氣流分配集中的種子群提供條件。因此本文基于常用雜交稻的機械物理特性，設(shè)計一種適用于雜交稻的成穴供種裝置，確定主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并開展供種和成穴性能試驗。

1 雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 雜交稻氣送式精量穴直播機結(jié)構(gòu)與工作原理

雜交稻氣送式精量穴直播機包括機架、風泵、水稻氣送式穴播集排器、排肥系統(tǒng)、電機變速驅(qū)動裝置、導(dǎo)種管和開溝器等(圖1)。其中水稻氣送式穴播集排器是實現(xiàn)雜交稻精量穴播的重要裝置，主要包括成穴供種裝置和氣流輸送分配系統(tǒng)2部分。排肥系統(tǒng)采用水平氣送排肥方式，風泵由汽油機驅(qū)動向水稻氣送式穴播集排器和排肥系統(tǒng)提供正壓氣流。雜交稻氣送式精量穴直播機工作時，旋耕系統(tǒng)由拖拉機動力輸出軸驅(qū)動，電機變速驅(qū)動裝置驅(qū)動成穴供種裝置轉(zhuǎn)動及控制轉(zhuǎn)速，定量成穴供種；風泵向氣流輸送分配系統(tǒng)提供正壓，使水稻種子與正壓氣流混合、輸送和分配，均勻分配成8行依次進入導(dǎo)種管和開溝器，將水稻種子送入預(yù)定深度的土壤中，完成播種過程。本文以幅寬為2 200 mm的雜交稻氣送式精量穴直播機為研究對象，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖1 雜交稻氣送式精量穴直播機結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic conveying hill precision direct-seeding planter for hybrid rice1.播種機機架 2.風泵 3.供氣管道 4.種箱 5.成穴供種裝置 6.氣流輸送分配系統(tǒng) 7.電機變速驅(qū)動裝置 8.排肥系統(tǒng) 9.導(dǎo)種管 10.雙圓盤開溝器

參數(shù)數(shù)值外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)1545×2190×1410風機功率/kW2.2作業(yè)幅寬/m2.2作業(yè)速度/(km·h-1)2.0～5.0播種行數(shù)6～8(可調(diào))行距/mm250～300(可調(diào))

1.2 成穴供種裝置結(jié)構(gòu)及工作過程

成穴供種裝置是雜交稻氣送式集排器實現(xiàn)定量控制排種量、成穴的核心部件。成穴供種裝置由種箱、殼體、種層調(diào)節(jié)板、攪種機構(gòu)和成穴供種機構(gòu)等組成，如圖2所示。攪種機構(gòu)[29]位于供種裝置殼體、種層調(diào)節(jié)板和成穴供種機構(gòu)形成的充種區(qū)內(nèi)，具有擾動種群和增加充種能力的功能。成穴供種機構(gòu)是成穴排種和調(diào)節(jié)供種量的核心，由側(cè)擋板、空白填充輪和漸開線型排種輪組成，側(cè)擋板為漸開線型排種輪提供獨立的供種空間；空白填充輪和漸開線型排種輪數(shù)量總和為9，漸開線型排種輪可用空白填充輪替換，從而調(diào)節(jié)供種量。多個漸開線型排種輪組合形成供種機構(gòu)，間隔的型孔完成充種、攜種和投種過程，在勻速轉(zhuǎn)動時形成規(guī)律性的等間距種子群，實現(xiàn)成穴定量供種。漸開線型排種輪是影響充種與成穴供種的關(guān)鍵部件。

雜交稻成穴供種裝置工作時，雜交稻種子由種箱進入充種區(qū)，攪種機構(gòu)和成穴供種機構(gòu)同步轉(zhuǎn)動，攪種機構(gòu)轉(zhuǎn)動增加種子流動性和側(cè)向壓力；在種層調(diào)節(jié)板[28]、攪種機構(gòu)[29]和漸開線型排種輪共同作用下，雜交稻種子充入型孔。攜有種子的型孔通過攜種區(qū)進入投種區(qū)，在重力與離心力作用下種子群脫離型孔，成穴地進入氣流輸送分配系統(tǒng)中完成分配成行成穴過程。

圖2 雜交稻成穴供種裝置Fig.2 Structure diagrams of seed hill feeding device for hybrid rice1.種箱 2.供種裝置殼體 3.種層調(diào)節(jié)板 4.攪種機構(gòu) 5.充種區(qū) 6.卸種板 7.成穴供種機構(gòu) 8.投種口 9.排種軸 10.側(cè)擋板 11.空白填充輪 12.漸開線型排種輪 Ⅰ.充種區(qū) Ⅱ.攜種區(qū) Ⅲ.投種區(qū)

2 成穴供種裝置關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

2.1 型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

種子的機械物理特性參數(shù)是設(shè)計型孔的依據(jù)，雜交稻種子呈紡錘體狀，表面有稃毛，流動性偏差。選取四川省常用的雜交稻種子，不同水稻種子的三軸尺寸如表2所示，并得到雜交稻種子充入型孔的概率[5,25]。

由表2可知，雜交稻種子球形度低，整體低于40%；種子充入型孔以平躺和側(cè)臥為主，二者的充種概率之和約90%。型孔結(jié)構(gòu)對充種和投種均有重要影響，型孔結(jié)構(gòu)主要包括形狀和尺寸兩方面。

表2 不同雜交稻種子三軸尺寸及充種姿態(tài)的概率Tab.2 Triaxial size and postural probability of different rice seeds

為使雜交稻種子易于充入型孔和投種，設(shè)計了漸開線狀型孔(圖3)。漸開線狀型孔是依據(jù)漸開線方程成型的，漸開線方程為

圖3 漸開線狀型孔結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of involute-type model-hole1.間隔齒 2.左壁漸開線 3.型孔 4.右壁漸開線

(1)

式中x——漸開線橫坐標，mm

y——漸開線縱坐標，mm

x0——漸開線初始橫坐標，mm

y0——漸開線初始縱坐標，mm

s——調(diào)節(jié)參數(shù)，mm

r0——基圓半徑，mm

t——時間，s

θ——漸開線極角，(°)

圖3中，A為左壁漸開線起點；B為右壁漸開線起點；C為型孔右壁在漸開線4的起點；D和E分別為左壁漸開線2和右壁漸開線4與排種輪外輪廓的交點。

根據(jù)雜交稻種子直播的要求，單穴以3～5粒為宜，設(shè)計型孔首先應(yīng)滿足不堵塞型孔，參照經(jīng)驗公式[5]，型孔長度l、型孔上沿寬度a、型孔下沿寬度b和型孔高度h的公式為

(2)

式中l(wèi)——型孔長度，mm

Lmax——水稻種子最大長度，mm

kL——長度增量，為1.0～1.5 mm

a——型孔上沿寬度，mm

ka——上沿寬度系數(shù)，為1.1～1.3

b——型孔下沿寬度，mm

kb——下沿寬度系數(shù)，為2.5～3.0

h——型孔高度，mm

kh——高度調(diào)節(jié)系數(shù)，為0.9～1.1

Wmax——水稻種子最大寬度，mm

根據(jù)表2的雜交稻種子三軸尺寸，確定kL、ka、kb和kh分別為1.5 mm、1.3、3.0和1.0，則l為11.0 mm、a為12.7 mm、b為8.0 mm、h為7.5 mm。

根據(jù)型孔尺寸，設(shè)立左壁漸開線初始坐標為A(-8, 32.5)，右壁漸開線初始坐標為B(-2,25)，右壁漸開線經(jīng)過點C(0, 32.5)。左壁漸開線和右壁漸開線與直線y=32.5 mm的交點為A和C。漸開線型排種輪外輪廓方程為

x2+y2=402

(3)

聯(lián)合式(1)和式(3)，可得到漸開線與排種輪外輪廓存在交點D恒成立，但不同的r0和θ對交點D位置影響較大。為比較不同漸開線與排種輪外輪廓的相對位置，取r0分別為6、8、10 mm，θ為90°、180°、270°和360°時，得到漸開線與排種輪外輪廓的圖形如圖4所示。圖中，漸開線1～11對應(yīng)的r0分別為10、8、6、10、8、6、10、8、10、8(6)、6 mm，對應(yīng)的θ分別為90°、90°、90°、180°、180°、180°、270°、270°、360°、360°(270°)、360°。直線12的傾斜角為70°。

由圖4可知，當θ大于180°時，漸開線與排種輪外輪廓在A點上方無交點。經(jīng)過前期研究[25]，具有一定傾角的型孔具有較好的充種性能。以A點為起點、傾角為70°的直線12與排種輪外輪廓的交點為臨界點，當θ為90°和r0為6～10 mm時漸開線均可滿足充種性能。本研究取r0和θ分別為8 mm和90°，得到交點D的坐標為(-6.4, 39.48)。

圖4 漸開線示意圖Fig.4 Structure diagrams of involute line

根據(jù)型孔的尺寸，確定右壁漸開線4與排種輪外輪廓的交點E的坐標為(6.3, 39.49)，聯(lián)立點C(0, 32.5)，通過漸開線方程式(1)，得到右壁在漸開線4的起點B(-2, 25)。從而確定漸開線狀型孔截面如圖3所示。

2.2 漸開線型排種輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

雜交稻以穴播方式進行種植，直播機田間作業(yè)時農(nóng)藝要求的種植穴距為

(4)

式中B——穴距，m

v——播種作業(yè)速度，m/s

n——漸開線型排種輪轉(zhuǎn)速，r/min

Z——漸開線型排種輪上型孔數(shù)量

每穴排種的種子數(shù)量為

(5)

式中Q——單穴播種種子數(shù)量

N——漸開線型排種輪數(shù)量

M——單個型孔容納種子數(shù)量

k——排種行數(shù)，取8

Qs——排種速率，g/min

ρ1 000——雜交稻種子千粒質(zhì)量，g

由式(4)和式(5)可知，雜交稻種子在田間的穴距分布與作業(yè)速度v、漸開線型排種輪轉(zhuǎn)速n、型孔數(shù)量Z有關(guān)。單穴播種種子數(shù)量受總排種量控制，總排種量受漸開線型排種輪轉(zhuǎn)速n、型孔數(shù)量Z和種子千粒質(zhì)量的影響。當穴距B和作業(yè)速度v一定時，型孔數(shù)量Z與轉(zhuǎn)速n成反比。而型孔數(shù)量Z也受排種輪直徑的影響，由于水稻排種的成穴要求，適當增加排種輪直徑可以提高成穴性能和充種時間。綜合考慮成穴供種裝置整體結(jié)構(gòu)尺寸和成穴要求，設(shè)計漸開線型排種輪直徑D為80 mm。

型孔數(shù)量Z對成穴性和轉(zhuǎn)速n等均有明顯作用，為兼顧適應(yīng)較高速作業(yè)和成穴性的要求，在前進速度為0.5 m/s、穴距為0.16 m和轉(zhuǎn)速為20 r/min的條件下，型孔數(shù)量Z取10個。雜交稻排種量通過漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速共同調(diào)節(jié)，考慮到單穴3～5粒的排種要求，漸開線型排種輪數(shù)量在3～8之間調(diào)節(jié)。漸開線型排種輪、側(cè)擋板和空白填充輪均采用3D打印技術(shù)制造，材料為ABS(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer)工程塑料。

2.3 水稻種子供種過程力學分析

水稻種子充入型孔是實現(xiàn)精量供種的首要環(huán)節(jié)，種子在充種區(qū)受到攪種機構(gòu)和漸開線型排種輪型孔的擾動，在重力、種群壓力和摩擦力等作用下，種子充入型孔。由于種子以多粒(一般24～32粒)種子形成種子群充入型孔，將種子群視為一個整體，種子群在充種區(qū)的受力分析如圖5所示。

圖5 種子群充種過程受力分析Fig.5 Mechanics analysis of seeds population in seed filling process

根據(jù)水稻群的受力分析和達朗貝爾原理，建立受力平衡方程

(6)

式中G——種子群重力，N

m——種子群質(zhì)量，kg

FN——型孔側(cè)壁對種子群支持力，N

Ff——型孔與種子群間的摩擦力，N

Fc——種子群的慣性離心力，N

FI——科氏慣性力，N

FZ——種子群受到的垂直壓力，N

FH——種子群受到的橫向壓力，N

aI——科氏加速度，m/s2

α——種子群初始填充角，(°)

δ——型孔左側(cè)壁切線角，(°)

μ——型孔與種子群間的摩擦因數(shù)

r——漸開線型排種輪半徑，m

由式(6)得

(7)

其中

c=FHFN-(G+FZ)(FI-μFN)

d=FH(FI-μFN)+(G+FZ)FN

由式(7)可以看出，種子群初始填充角度α與型孔左側(cè)壁切線角δ、漸開線型排種輪轉(zhuǎn)速n、橫向壓力FH等參數(shù)相關(guān)。當轉(zhuǎn)速和受力相同時，種子群初始填充角α與型孔左側(cè)壁切線角δ呈正相關(guān)，但δ太高會導(dǎo)致不滿足型孔成形條件和降低充種能力。當型孔結(jié)構(gòu)確定時，轉(zhuǎn)速n增加會降低種子群初始填充角α。適當增加種子群初始填充角α有利于增加充種時間保證充種質(zhì)量，結(jié)合漸開線型孔設(shè)計參數(shù)，型孔左側(cè)壁從入口至底部的切線角δ由大變小，為18.5°～6.5°。

當種子群進入投種區(qū)后，由于種子之間仍是以散粒體的方式存在，取種子群投種的臨界狀態(tài)為研究對象，種子群的受力分析如圖6所示。

圖6 種子群投種過程受力分析Fig.6 Mechanics analysis of seeds population in seed throwing process

投種過程受力平衡方程為

(8)

式中FN1——投種時型孔對種子群支持力，N

β——種子群初始投種角，(°)

ε——型孔右側(cè)壁切線角，(°)

由式(8)得

(9)

式(9)表明，在相同投種位置(β一定)時，型孔右側(cè)壁切線角ε與轉(zhuǎn)速n呈正相關(guān)，說明適當增加型孔右側(cè)壁切線角ε有利于提高轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速一定時，增加型孔右側(cè)壁切線角ε可使投種位置提前，增加投種時間，避免型孔堵塞。因此，采用漸開線狀型孔的右側(cè)壁從型孔底部至外沿切線角呈增加趨勢，為32°～52°，有利于完成投種過程。

3 成穴供種裝置供種性能試驗

3.1 試驗材料與方法

試驗以常用的雜交稻品種蜀優(yōu)217、晶兩優(yōu)534、川優(yōu)8377、中9優(yōu)2號、宜香優(yōu)2115、繁優(yōu)609和F優(yōu)498為試驗材料，其主要物料參數(shù)見表2。供種試驗在自制試驗臺和JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺(圖7)上進行。

圖7 雜交稻成穴供種裝置臺架試驗Fig.7 Platform experiment of seed hill feeding device for hybrid rice1.控制臺 2.種箱 3.成穴供種裝置 4.傳動軸 5.減速電機 6.種子帶

為分析成穴供種裝置對不同雜交稻品種的適應(yīng)性，設(shè)立了6個雜交稻品種(蜀優(yōu)217、晶兩優(yōu)534、川優(yōu)8377、中9優(yōu)2號、宜香優(yōu)2115和F優(yōu)498)和轉(zhuǎn)速的兩因素試驗，轉(zhuǎn)速設(shè)10～40 r/min，增量為

10 r/min。為獲得不同的供種量適應(yīng)不同播種量要求、作業(yè)速度和幅寬，開展了漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速的兩因素試驗，漸開線型排種輪數(shù)量的范圍為3～8個，共6個水平；轉(zhuǎn)速為10～40 r/min。試驗中測定1 min各處理的供種量，用供種速率及其變異系數(shù)評價供種穩(wěn)定性[25]，供種數(shù)量通過供種速率和千粒質(zhì)量求得，各處理重復(fù)3次。

為觀察雜交稻的分布均勻性和成穴性能，在JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺上開展了種子成穴性能試驗，分析不同漸開線型排種輪數(shù)量、轉(zhuǎn)速和雜交稻品種的供種數(shù)量和成穴性能，評價指標為穴供種數(shù)量、穴徑和穴距[5]。應(yīng)用Matlab軟件進行方差分析。

3.2 試驗結(jié)果與分析

3.2.1成穴供種裝置對雜交稻品種的適應(yīng)性分析

雜交稻品種和轉(zhuǎn)速對供種性能影響的結(jié)果表明(表3)，在4個漸開線型排種輪條件下，不同雜交稻的供種速率和供種數(shù)量差異明顯，晶兩優(yōu)534最高，中9優(yōu)2號品種最低；供種數(shù)量則以晶兩優(yōu)534最高，宜香優(yōu)2115最低。供種速率和供種數(shù)量均隨轉(zhuǎn)速增加而增加，變異系數(shù)隨轉(zhuǎn)速增加而降低，整體低于1.1%。說明成穴供種裝置對雜交稻品種的適應(yīng)性與機械物理參數(shù)有關(guān)，相關(guān)性分析表明供種速率和供種數(shù)量均與種子長度呈極顯著負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為-0.863和-0.978)，供種數(shù)量與種子容重呈極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.938)。種子的三軸尺寸對進入型孔具有明顯影響，種子三軸尺寸和千粒質(zhì)量大，則容重減小，相同容積能夠充入相對較多的種子，因此選用不同雜交稻品種時，應(yīng)根據(jù)穴播種量參照三軸尺寸和容重等參數(shù)確定適宜的工作參數(shù)。

表3 雜交稻品種和轉(zhuǎn)速對供種性能的影響Tab.3 Effects of hybrid rice varieties and rotational speed on seed feeding performance

3.2.2排種輪數(shù)量與轉(zhuǎn)速對供種性能的影響

以F優(yōu)498為試驗材料，得到排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速對供種數(shù)量及其變異系數(shù)的影響(圖8)。在漸開線型排種輪數(shù)量為3～8個和轉(zhuǎn)速為10～40 r/min時，供種數(shù)量隨漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速增加而增加，1 min的供種數(shù)量范圍為2 392～17 732粒，供種數(shù)量范圍較大，能夠適應(yīng)不同幅寬、作業(yè)速度和農(nóng)藝技術(shù)等對變量播種的要求。供種數(shù)量變異系數(shù)隨漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速增加而降低，在轉(zhuǎn)速為20～40 r/min時，不同漸開線型排種輪數(shù)量的供種變異系數(shù)均低于1.0%。為指導(dǎo)不同播種量要求下的漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速，應(yīng)用Matlab軟件對供種數(shù)量進行二次多元回歸擬合，得到漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速與供種數(shù)量的回歸方程

(10)

式中q——供種數(shù)量，粒/min

x1——漸開線型排種輪數(shù)量，取3～8

x2——漸開線型排種輪轉(zhuǎn)速，為10～40 r/min

經(jīng)顯著性檢驗分析，該模型決定系數(shù)為0.964 8(P<0.001)，表明該回歸模型顯著且回歸方程失擬性不顯著，能夠較好地擬合試驗結(jié)果，說明式(10)可用于預(yù)測給定供種數(shù)量的漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速。

3.2.3成穴供種裝置的分布均勻性與成穴性能

成穴供種裝置的成穴性能試驗結(jié)果表明(表4)，漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速對穴供種數(shù)量影響均達極顯著水平，穴供種數(shù)量隨排種輪數(shù)量增加顯著增加；轉(zhuǎn)速為10～40 r/min時穴供種數(shù)量隨轉(zhuǎn)速增加而降低，轉(zhuǎn)速達到40 r/min時降低較快，這是由充種時間減少所致，則較優(yōu)轉(zhuǎn)速為20～30 r/min，穴供種數(shù)量為19～38粒，其變異系數(shù)均低于25.0%。漸開線型排種輪數(shù)量顯著影響穴供種數(shù)量變異系數(shù)，穴供種數(shù)量變異系數(shù)隨排種輪數(shù)量增加呈下降趨勢。不同處理的穴距差異較小，說明在不同的作業(yè)速度下能夠保持穩(wěn)定的穴距。排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速對穴徑影響極顯著，穴徑隨轉(zhuǎn)速和排種輪數(shù)量增加均呈增加的趨勢，由于穴供種數(shù)量和轉(zhuǎn)速帶來的離心力增加會增加穴徑，從而使種子群相對分散。

圖8 漸開線型排種輪數(shù)量與轉(zhuǎn)速對雜交稻供種性能的影響Fig.8 Effects of number of involute-type feeding unit and rotational speed on seed feeding performance for hybrid rice

漸開線型排種輪數(shù)量轉(zhuǎn)速/(r·min-1)穴供種數(shù)量/粒穴供種數(shù)量變異系數(shù)/%穴徑/cm穴徑變異系數(shù)/%穴距/cm穴距變異系數(shù)/%1019.8618.156.3838.3222.5610.1042019.6821.548.2922.9222.5410.423019.7624.218.1727.6722.5610.344017.0924.238.9124.5922.1311.761025.3122.608.8021.8822.169.8152024.5618.328.2722.8222.639.493024.4522.539.1723.0623.027.714022.3921.168.8820.1623.0410.891030.5714.208.3930.6722.228.1962029.2813.228.6525.2122.2512.613027.0620.478.8725.1122.0311.864026.7219.2310.1814.7023.387.211034.1816.718.8623.2221.9110.0472033.8917.578.6124.0222.038.533031.7315.938.3925.3522.019.584027.2915.689.1723.0222.448.801038.0313.578.7424.7023.006.5882036.7120.158.8227.8122.127.973034.6210.809.5217.9523.0710.174029.4115.749.3521.5623.108.49排種輪數(shù)量112.85**4.11*5.11**1.322.601.10F轉(zhuǎn)速20.05**0.485.62**2.252.550.35排種輪數(shù)量×轉(zhuǎn)速1.731.681.01

注：*和** 分別表示方差分析在0.05和0.01水平上差異顯著。

在漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速分別為5和20 r/min時，不同雜交稻品種的穴供種數(shù)量差異較大(圖9)，與供種速率的趨勢一致。不同品種的穴徑差異較小，通過觀察種子群在排種器試驗臺上的分布情況(圖10)，發(fā)現(xiàn)種子群整體處于較集中狀態(tài)，但仍有少數(shù)種子較分散，從而增加了穴徑，這是由種子與供種裝置殼體碰撞或種子群投種時間不一致造成的。

圖9 不同雜交稻品種的穴供種數(shù)量與穴徑Fig.9 Seed quantity for each hill and hill-forming performance for different rice varieties

圖10 雜交稻種子群在排種器試驗臺上的分布Fig.10 Distributions of rice seed population on platform

4 田間試驗

為檢驗雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置的供種效果，于2018年5月14日在四川省崇州市四川農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地開展了水稻旱直播試

驗，如圖11a所示，前茬為小麥。品種為繁優(yōu)609，漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速分別為5和23 r/min，目標播種量30 kg/hm2。試驗以久保田M954KQ型拖拉機為牽引動力，作業(yè)速度為2.48 km/h，工作幅寬2.2 m，同時播種8行，行距為250 mm。于3葉一心期取3個點測定1 m內(nèi)8行的穴苗數(shù)和株距，苗期長勢如圖11b所示。單穴苗數(shù)在2～6株范圍內(nèi)，平均苗數(shù)為3.07株/穴，穴距為180.2 mm，滿足水稻直播的技術(shù)要求。

圖11 水稻直播田間試驗與苗期長勢Fig.11 Field experiment and growth for rice1.拖拉機 2.旋耕系統(tǒng) 3.種箱 4.分配裝置 5.風泵系統(tǒng) 6.成穴供種裝置 7.導(dǎo)種管 8.直流電機驅(qū)動裝置

5 結(jié)論

(1)基于雜交稻的機械物理參數(shù)和穴播農(nóng)藝要求，提出了一種漸開線狀型孔，設(shè)計了雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置，確定了型孔形狀與關(guān)鍵參數(shù)，明確通過漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速共同調(diào)節(jié)供種量，建立了種子群在充種和投種過程的力學模型。

(2)臺架試驗結(jié)果表明：成穴供種裝置能夠適應(yīng)多個雜交稻品種，供種數(shù)量與種子長度呈極顯著負相關(guān)，與容重呈極顯著正相關(guān)。漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速分別為3～8和10～40 r/min時，供種數(shù)量隨漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速增加而增加，供種數(shù)量范圍為2 392～17 732 粒/min。供種數(shù)量變異系數(shù)隨漸開線型排種輪數(shù)量和轉(zhuǎn)速增加而降低，轉(zhuǎn)速為20～40 r/min時，供種數(shù)量變異系數(shù)均低于1.0%。

(3)成穴性能試驗結(jié)果表明：穴供種數(shù)量隨排種輪數(shù)量增加顯著增加；穴供種數(shù)量隨轉(zhuǎn)速增加而降低，轉(zhuǎn)速達到40 r/min時降低較快；較優(yōu)轉(zhuǎn)速為20～30 r/min，穴供種數(shù)量為19～38粒，其變異系數(shù)均低于25.0%。穴徑隨轉(zhuǎn)速和排種輪數(shù)量增加而增加，穴距保持穩(wěn)定。田間試驗驗證成穴供種裝置可實現(xiàn)穴播，平均苗數(shù)和穴距分別為3.07株/穴和180.2 mm，符合水稻直播技術(shù)要求。