滑片型孔輪式水稻精量穴直播排種器設(shè)計與試驗

李蘭蘭，朱德泉，*，張 順，文世昌，蔣 銳，武立權(quán)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

水稻精量穴直播是一種省工省水、節(jié)本增效的輕簡化種植技術(shù)[1-3]。目前，我國雜交稻種植面積約占全國水稻種植面積的60%[4]。雜交稻栽培強調(diào)少本稀植，利用較強的分蘗能力來提高產(chǎn)量。若采用機械進行雜交稻大田精量穴直播，有利于形成高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)的播種量為每穴播種2～4粒[5-8]。近年來，雜交稻精量穴直播技術(shù)成為水稻機械化種植的發(fā)展方向。

排種器是穴直播機的核心工作部件，其性能直接決定穴直播機的播種效果，影響水稻生產(chǎn)效益。為了滿足雜交稻精量播種要求，國內(nèi)外學(xué)者對排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了廣泛的研究。Ratnayake等[9]設(shè)計了一種4行可調(diào)式錐形滾筒式水稻排種裝置，其結(jié)構(gòu)簡單，但排種量大，多用于常規(guī)稻條播；Maleki等[10-11]研制了一種螺旋槽式排種器，播種均勻性較好，但是成穴性差；王峰霞[12]設(shè)計了一種機械式圓盤型孔式精密排種器，可實現(xiàn)“一器多行”，極大地提高了播種效率和作業(yè)幅寬，但僅適合大棚和苗圃育苗；田立權(quán)等[13]研制了一種彈射式耳勺型水稻精量排種器，確定了最宜取種的耳勺結(jié)構(gòu)和彈射軌跡線，但結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜；王傳雯[14]設(shè)計了一種可無級調(diào)節(jié)的簡易水稻穴直播排種器，能夠?qū)崿F(xiàn)每穴3～12粒播種量的連續(xù)調(diào)節(jié)，適用于不同地區(qū)的常規(guī)稻播種；張順[15]研制了一種氣力滾筒式水稻直播精量排種器，對不同雜交稻品種均具有一定的適應(yīng)性；翟建波等[16-17]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，但氣力式排種器裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣密性要求高，播種成本較高[18-19]，難以滿足雜交稻直播要求。

為滿足雜交稻大田精量穴直播每穴2～4粒的實際生產(chǎn)需求，利用弧形滑片往復(fù)滑動護種的作用，設(shè)計一種滑片型孔輪式排種器。選取不同尺寸的雜交稻種子作為試驗材料，以合格率、漏播率、重播率為評價指標(biāo)，對所設(shè)計的排種器開展適應(yīng)性試驗，為機械式精量穴直播排種器的設(shè)計與開發(fā)提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，排種器由排種輪、滑片、清種毛刷、清種軸、右法蘭盤、罩殼、左法蘭盤、凸塊、導(dǎo)種管和排種軸等部件組成。如圖2所示，工作時，水稻種子由種箱填充至排種器殼體與隔板構(gòu)成的種室內(nèi)，種室內(nèi)的種子在重力作用下流入到充種區(qū)的型孔內(nèi)，種室底部傾斜的錐形結(jié)構(gòu)保證了種子能連續(xù)地流入到充種區(qū)。排種輪通過排種軸驅(qū)動，在排種器充種區(qū)，排種輪及嵌在排種輪上的滑片隨排種軸轉(zhuǎn)動做圓周運動，水稻種子充入弧形滑片和排種輪對應(yīng)的菱形型孔內(nèi)。充入菱形型孔內(nèi)的種子隨排種輪轉(zhuǎn)動進入清種區(qū)，清種毛刷清除滑片型孔外多余的種子，清除的種子留存在充種區(qū)，進行二次充種。種子隨排種輪進入護種區(qū)，滑片隨排種輪轉(zhuǎn)動至與豎直方向呈15°角時，滑片碰到右法蘭盤內(nèi)側(cè)的凸塊被推至另一側(cè)，滑片蓋住型孔，保證在護種階段種子不會從型孔中掉出。當(dāng)護種滑片隨排種輪轉(zhuǎn)動至與投種口正下方呈15°角時，左法蘭盤內(nèi)側(cè)的凸塊將滑片推至原來位置，與型孔重合。最后，種子進入排種區(qū)，在投種口，種子依靠自重和離心力脫離型孔從導(dǎo)種管落入到種溝內(nèi)，完成排種，實現(xiàn)精量播種作業(yè)。

1，清種軸；2，清種毛刷；3，右法蘭盤；4，罩殼；5，導(dǎo)種管；6，滑片；7，排種輪；8，左法蘭盤；9，排種軸。1，Cleaning shaft; 2，Cleaning brush; 3，Right flange; 4，Shield shell; 5，Seed pipe; 6，Slip sheet; 7，Seeding wheel; 8，Left flange; 9，Seeding shaft.圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of seed-metering device

圖2 排種過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of seeding

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計

2.1 排種輪設(shè)計

2.1.1 排種輪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

型孔輪式水稻直播排種器排種輪直徑一般在50～140 mm[20]。排種輪直徑過小，不利于種子充填，易造成漏播；而直徑過大，又會使整個排種器尺寸增大。綜合考慮水稻尺寸及水稻直播農(nóng)藝要求，確定排種輪直徑D為120 mm，排種輪厚度為44 mm。排種輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排種輪示意圖Fig.3 Schematic diagram of seeding wheel

一般地，排種輪的孔數(shù)越多，排種輪的線速度越低[21]，型孔的充填性能較好，但型孔數(shù)又受到排種輪直徑和型孔間距的限制。型孔數(shù)z可由下式求得：

(1)

式(1)中：vm為播種機作業(yè)速度，m·s-1；L為穴距，m；v0為排種輪線速度，m·s-1，可由v0=rω求得，r為排種輪半徑，m；ω為排種輪角速度，rad·s-1。

一般機具作業(yè)前進速度為0.8 m·s-1，水稻穴距為0.1～0.2 m，設(shè)計時取最小值0.1 m。根據(jù)機具田間作業(yè)前進速度和播種要求，排種器軸設(shè)計最高轉(zhuǎn)速為60 r·min-1。由式(1)計算可得，型孔數(shù)量z取8。

2.1.2 型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

水稻種子囊種過程中，囊入型孔的種子有平躺、豎立或側(cè)臥3種姿態(tài)。水稻種子近似橢球體，平躺、側(cè)臥或豎立姿態(tài)的種子投影近似橢圓形，其投影面積St、Sw、Sl分別為：

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中：l為種子平均長度，mm；w為種子平均寬度，mm；t為種子平均厚度，mm。

水稻種子穩(wěn)定囊入型孔的概率與其平躺、豎立或側(cè)臥的截面積成正相關(guān)[22]。其平躺概率(Pt)、側(cè)臥概率(Pw)和豎立概率(Pl)之間關(guān)系如下：

(5)

水稻種子囊入型孔的3種姿態(tài)的概率總和為1，則由式(5)得：

(6)

為確保排種器型孔能夠囊入定量的水稻種子，設(shè)計時應(yīng)考慮水稻尺寸參數(shù)。選擇安徽省生產(chǎn)上長寬厚差別較大的3個常用水稻品種，隨機選取3個品種的水稻種子各100粒，測得種子幾何尺寸，取平均值，計算不同種子囊入型孔的3種姿態(tài)的概率，如表1所示。

由表1可知，水稻種子主要以平躺和側(cè)臥的姿態(tài)被囊入型孔，二者概率之和占84%以上。由于水稻種子呈細(xì)長型，兩端尖狹，呈細(xì)長紡錘體，考慮到水稻種子的尺寸及流動性，本文將排種輪型孔形狀設(shè)計為菱形，其長軸與排種輪回轉(zhuǎn)方向相切，為充種方向。

水稻穴播時，排種輪型孔尺寸根據(jù)每穴粒數(shù)而定，型孔直徑和深度應(yīng)與水稻種子尺寸相適應(yīng)。雜交稻播種每穴粒數(shù)為(3±1)粒，為提高型孔充種性能，同時保證每個型孔囊入2～4粒種子，種子以2粒平放和1粒豎放的排列最多[21](圖4)；因此，型孔尺寸須滿足下列條件：

(7)

式中：Dd為型孔直徑，mm；H為菱形型孔深度，mm。

結(jié)合式(7)和水稻種子的尺寸特點(水稻種子長度大于寬度和厚度)，為更好地實現(xiàn)充種效果，型孔應(yīng)盡可能大一點，故本文設(shè)計的菱形孔的長邊對角線的長度取12 mm，短邊對角線長度取10 mm，深度H取8 mm。

2.2 滑片設(shè)計

傳統(tǒng)型孔輪式排種器在排種過程中，水稻種子與護種帶之間的相對摩擦運動會導(dǎo)致護種帶磨損、斷裂，從而失去護種作用。為此，特設(shè)計一種弧形護種滑片，厚度2.5 mm，滑片與排種輪輪緣的間隙為0.05～0.10 mm，整體呈弧片狀，其弧度與排種輪弧度相同，滑片上有與排種輪上型孔尺寸相同的菱形開口?；对诰加谂欧N輪外輪面上的弧形滑槽內(nèi)，長邊兩側(cè)分別設(shè)有與排種輪弧形滑槽卡裝導(dǎo)向配合的導(dǎo)軌，其中，滑片沿滑槽方向可拆卸，以便于更換弧形滑片，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

為了保證種子在護種區(qū)內(nèi)不掉落，考慮凸塊在法蘭盤內(nèi)的安裝尺寸，已知型孔輪厚度S0為44 mm，可得：

Ss-S1=S，

(8)

式中：S為滑片換向時的軸向移動距離，mm；Ss為滑片右短邊到排種輪右邊緣距離，mm；S1為滑片左短邊到排種輪左邊緣距離，mm。

滑片軸向運動須完全遮擋住型孔短軸進行護種，即滑片左短邊到排種輪左邊緣距離應(yīng)和型孔短軸長度相等，故有S1=S=10 mm，由式(8)可知，Ss=20 mm。

表1 不同水稻品種種子幾何尺寸及姿態(tài)概率

圖4 型孔內(nèi)種子姿態(tài)剖視圖Fig.4 Sectional view of seed in hole of seeding wheel

2.3 凸塊設(shè)計

滑片隨排種輪一起轉(zhuǎn)動，運動過程中，滑片短邊兩側(cè)的進給邊分別與排種器左、右法蘭盤內(nèi)的凸塊配合，右凸塊與滑片配合接觸面為斜面M1—直面M2(圖6)。在斜面M1，滑片菱形開口和排種輪菱形型孔從重合到完全錯開；在平面M2的護種區(qū)，包角θ內(nèi)滑片始終護種。

上，尺寸；下，剖視圖。Up，Size diagram; Down，Sectional view.圖5 滑片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of slip sheet

一般地，護種區(qū)包角即護種區(qū)弧度為120°～160°，種子出口處的位置，即投種角在型孔輪中心垂線偏后10°～15°[20]?；o種區(qū)包角θ過大，會相對減少清種角和投種角；包角θ過小，護種作用降低，影響投種質(zhì)量。綜合考慮，以θ=150°、α=15°較為合宜。

如圖7所示，滑片在Ⅰ點和右凸塊開始接觸，此時進行清種，滑片上菱形開口和排種輪上菱形型孔開始錯開，當(dāng)完全錯開時，滑片起護種作用，使種子不從型孔內(nèi)掉出；滑片在Ⅱ點和左凸塊開始接觸，此時，滑片菱形開口和排種輪上菱形型孔開始重合，當(dāng)完全重合時進行排種并保持重合狀態(tài)直至充種結(jié)束；滑片在Ⅲ點再次和右凸塊接觸，再次進行清種，依次循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)精量播種作業(yè)。

滑片軸向運動距離S即為凸塊高度S2，故有S=S2=10 mm。

2.4 投種運動分析

當(dāng)轉(zhuǎn)到排種區(qū)θ臨界點即將排種時，由于滑片菱形開口和排種輪菱形型孔重合，型孔內(nèi)的種子沒有滑片的支持，在自身重力作用下脫離型孔。此時，由于排種輪處于轉(zhuǎn)動狀態(tài)，進入型孔內(nèi)的種子隨著排種輪一起轉(zhuǎn)動，在慣性作用下，種子運動的初速度是沿排種輪外緣的切向線速度v0，v0之水平分速度vx將種子向排種輪轉(zhuǎn)向拋，垂直分速度vy則向下，與種粒自重作用一致，種子呈自由落體式下落。

圖6 右凸塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of right flange

圖7 滑片運動過程示意圖Fig.7 Schematic diagram of motion process of a slip sheet

圖8 種子運動示意圖Fig.8 Motion diagram of seed

種子自身所受重力由G表示，質(zhì)量用m表示，所受空氣阻力用fx和fy兩個分力表示，離心力用Fr表示。分析種子在離開型孔后可得到如下微分方程：

(9)

若將空氣阻力忽略不計，種子將做平拋運動，水平位移用x表示，豎直方向做自由落體運動的距離用y表示，種子的位移用Z表示，則：

v0=ωr，

(10)

vx=v0cosα，

(11)

x=vxt，

(12)

(13)

(14)

由式(14)可知，排種輪的工作轉(zhuǎn)速會影響種子的運動位移。

3 臺架試驗

3.1 試驗材料

選取如表1所示的3種種子尺寸不同的優(yōu)質(zhì)雜交稻品種國豐一號、岡優(yōu)種3551和岡優(yōu)898進行試驗。精選均勻飽滿的種子，用清水浸泡，濾除表面雜質(zhì)，晾干表面水分后使用。國豐一號千粒重為22.223 g，岡優(yōu)3551千粒重為26.724 g，岡優(yōu)898千粒重為28.440 g。利用水分測定儀測得供試種子濕基含水率為10%～11%。

3.2 試驗設(shè)備

在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機械實驗室開展試驗，試驗設(shè)備為黑龍江省農(nóng)業(yè)機械研究院研制的JPS-12型排種器性能檢測試驗臺，通過人為觀察收集數(shù)據(jù)，測定各項排種性能指標(biāo)，試驗臺結(jié)構(gòu)如圖9所示。

將排種器固定在安裝架上，控制電動機帶動種床帶轉(zhuǎn)動，種床帶上涂有一定寬度的黏種油，水稻種子由排種口投落至黏種油層上，為了精確控制水稻籽粒的穴距，種床帶的前進速度(v，單位m·s-1)和排種輪的轉(zhuǎn)速(n，單位r·min-1)須滿足以下關(guān)系：

1，種床帶；2，滑片式排種器；3，傳動鏈條；4，控制電動機；5，試驗臺架。1，Seedbed belt; 2，Slider seed-metering device; 3，Transmission chain; 4，Control motor; 5，Test bed.圖9 排種器臺架試驗裝置Fig.9 Rack experiment set-up of seed-metering device

(15)

種床帶的前進速度一般為0.5～0.8 m·s-1，雜交稻穴距一般為16、18、20 cm，本試驗選取20 cm，計算可知，在田間作業(yè)時的排種器轉(zhuǎn)速為18.7～37.5 r·min-1。

3.3 試驗方法

排種軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為15、20、25、30、35、40 r·min-1，進行排種器臺架試驗，試驗時投種高度120 mm、穴距200 mm。

按照雜交稻精量穴直播農(nóng)藝要求(每穴2～4粒)，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，連續(xù)記錄每穴水稻種子的數(shù)量和穴距，以250穴作為一個統(tǒng)計樣本，每穴種子粒數(shù)為2～4粒時為合格，每穴種子粒數(shù)大于等于5粒時為重播，每穴種子粒數(shù)小于等于1粒(當(dāng)穴距大于1.5L時，穴粒數(shù)計為0)時為漏播，分別計算穴粒數(shù)合格率、重播率、漏播率，作為排種器排種性能綜合評價指標(biāo)。

4 結(jié)果與分析

由圖10可知：隨著排種軸轉(zhuǎn)速提高，合格率呈先上升后下降的趨勢，漏播率呈上升趨勢，重播率呈下降趨勢。這是由于隨著排種軸轉(zhuǎn)速提高，型孔經(jīng)過充種區(qū)的時間變短，水稻種子充入型孔的概率減少。同時，隨著排種軸轉(zhuǎn)速提高，水稻種子受到的慣性力增大，使得水稻種子容易脫離型孔。

圖10 評價指標(biāo)與排種軸工作轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.10 Relationship within evaluation indexes and rotating speed

相同工作轉(zhuǎn)速下，排種器對中尺寸種子(岡優(yōu)898)的合格率最高，對小尺寸種子(岡優(yōu)3551)的重播率最高，另2種尺寸種子的重播率相近。排種軸轉(zhuǎn)速為30 r·min-1時，各尺寸水稻種子的排種合格率均達到最大值，分別為80.14%、83.24%、81.84%。

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為15～25 r·min-1時，在相同工作轉(zhuǎn)速下，中尺寸種子的漏播率最高，大、小尺寸種子漏播率相近；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為25～40 r·min-1時，排種器對各尺寸種子的漏播率均快速增高，對大尺寸種子(國豐一號)與中尺寸種子(岡優(yōu)898)的漏播率相近，小尺寸種子(岡優(yōu)3551)漏播率最低。

5 結(jié)論

針對雜交稻穴直播精量播種要求，設(shè)計一種滑片型孔輪式水稻精量排種器，對其排種過程進行分析，確定型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和滑片結(jié)構(gòu)參數(shù)。選取種子尺寸不同的國豐一號、岡優(yōu)898和岡優(yōu)3551雜交稻品種種子作為試驗材料，以穴粒數(shù)合格率、重播率、漏播率作為排種性能評價指標(biāo)，在不同排種軸工作轉(zhuǎn)速下，進行室內(nèi)排種器臺架試驗。結(jié)果表明，在穴距20 cm，菱形型孔長軸12 mm、短軸10 mm、深度8 mm條件下，當(dāng)排種軸工作轉(zhuǎn)速為30 r·min-1時，排種器排種效果最好，對不同尺寸種子的排種合格率均大于80%，其中，對中尺寸水稻種子的排種性能最優(yōu)，合格率83.24%，重播率10.48%，漏播率6.28%。臺架試驗結(jié)果表明，所設(shè)計的滑片型孔輪式排種器對不同尺寸的水稻種子具有良好的適應(yīng)性，其排種性能指標(biāo)可滿足雜交稻穴直播的農(nóng)藝要求。