油菜勺式精量穴播排種器設計與試驗

張青松 余 琦 王 磊 廖宜濤 王 迪 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

油菜是我國重要的油料作物，廣泛種植于長江中下游和新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)[1-3]。油菜機械化直播可分為條播、單粒精密播種和穴播，播種環(huán)節(jié)的核心技術是排種技術，播種方式由排種器決定[4-5]。提高油菜機械化精量播種水平有利于提高油菜產(chǎn)量、節(jié)本增效[6]。穴播是實現(xiàn)精量播種的主要方式之一，可實現(xiàn)播種定量、定穴距，提高出苗率、成苗率，透風、透光度好，可保持油菜植株個體生長的一致性[7]。

為提高穴播排種器排種性能，優(yōu)化穴播排種器結(jié)構，石林榕等[8]對玉米直插穴播機強排-強啟排種裝置進行了優(yōu)化設計，改善了作業(yè)效果；付威等[9]設計了一種機械式強制夾持排種裝置，適用于播種玉米；李沐桐等[10]提高了旱地回轉(zhuǎn)扎穴式播種器作業(yè)性能；林悅香等[11]設計了斜插式免耕穴播機，解決了播種均勻性差的問題；石林榕等[12]設計了電驅(qū)式小區(qū)玉米膜上直插穴播機，實現(xiàn)了玉米膜上穴播；周勇等[13]研制了一種組合式階梯狀充填孔的棉花穴播排種器，階梯狀型孔可延長充種時間、約束充種形態(tài)；曹成茂等[14]設計了氣吹異型孔勺輪式水稻排種裝置，并研究了4種不同型孔的排種盤性能；張順等[15]設計了一種水稻氣力滾筒式水稻穴直播精量排種裝置，實現(xiàn)了水稻穴播；張國忠等[16]研制了一種水稻雙腔側(cè)充種式精量穴播排種器，實現(xiàn)雜交稻每穴2～4粒播種；RATNYAKE等[17]研究了可調(diào)錐形滾筒式水稻穴播排種器；ANANTACHAR等[18]研究了排種器型孔結(jié)構，優(yōu)化了尺寸和工作轉(zhuǎn)速；SINGH等[19]對穴播排種器進行優(yōu)化設計，確定了排種器較優(yōu)的型孔錐角；雷小龍等[20]為實現(xiàn)油菜輕簡化播種，設計了一種漸開線型孔的油菜精量穴播集中排種裝置，實現(xiàn)了油菜穴播。國內(nèi)外對穴播排種器的研究主要適用于玉米、小麥、水稻、棉花等大粒徑作物[21-26]，而對適用于油菜等小粒徑作物種子的穴播排種器研究較少。

本文針對傳統(tǒng)油菜條播排種器用種量大、株距變異系數(shù)大、個體生長良莠不齊等生產(chǎn)實際問題，設計一種帶缺口矩形勺式型孔精量取種的油菜勺式精量穴播排種器，分析該排種器的工作過程，確定其主要結(jié)構參數(shù)，進行影響排種性能參數(shù)的組合試驗，得出最優(yōu)參數(shù)組合，并通過田間試驗驗證排種器作業(yè)效果，以期為油菜勺式精量穴播排種器的優(yōu)化改進提供參考。

1 總體結(jié)構及工作原理

油菜勺式精量穴播排種器主要由勺輪組合、種箱、殼體、排種軸及鏈輪等組成，其結(jié)構如圖1所示。工作時，通過安裝在勺輪圓周的取種勺進行精量取種，油菜種子將沿勺輪切向進入取種勺式型孔內(nèi)，同時取種勺在徑向安裝方向具有一定前傾角，可提高取種勺取種能力且利于油菜種子靠自身重力自動清種。

圖1 油菜勺式精量穴播排種器結(jié)構示意圖Fig.1 Schematic of scoop-type precision hole metering device for rapeseed1.種箱 2.殼體連接件 3.透視窗口 4.側(cè)位板 5.勺輪組合 6.取種勺 7.投種管 8.主殼體 9.右側(cè)蓋 10.排種軸 11.驅(qū)動鏈輪 12.卸種口塞

油菜勺式精量穴播排種器工作過程可分為取種、攜種、清種和投種4個階段。工作原理如圖2所示，工作時，種箱中的油菜種子經(jīng)過側(cè)蓋上一定高度的進種口限量進入勺式精量穴播排種器內(nèi)的充種腔形成堆積，勺輪組合跟隨排種軸順時針方向轉(zhuǎn)動，油菜種子在重力、種子間相互作用力及取種勺擾動的共同作用下定量進入取種勺式型孔內(nèi)；取種勺繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，當?shù)竭_一定的高度后，取種勺式型孔外部拖帶多余種子通過自身重力作用滑落至充種區(qū)；當取種勺轉(zhuǎn)動到側(cè)位板缺口位置時，由于油菜種子所受到的側(cè)位板支持力消失，型孔內(nèi)種子從取種勺缺口處掉落，并穿過側(cè)位板缺口，從導種管中流出，實現(xiàn)排種過程。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle of metering device for rapeseedⅠ.取種區(qū) Ⅱ.攜種區(qū) Ⅲ.清種區(qū) Ⅳ.投種區(qū)

2 關鍵部件設計與參數(shù)分析

2.1 勺輪組合

勺輪組合主要由勺輪、取種勺、蓋板和緊固件組成，結(jié)構如圖3所示，其中取種勺是勺式精量穴播排種器的關鍵部件，其均布在勺輪圓周上。在排種器結(jié)構尺寸允許下，應選擇直徑較大的勺輪，有利于提高排種器充種和清種性能。油菜排種裝置排種盤直徑一般為80～220 mm，為保證油菜勺式精量穴播排種器的性能要求，取勺輪直徑D1為90 mm，取種勺式型孔中心對應的直徑Dd為110 mm，取種勺外邊直徑D2為120 mm。

圖3 勺輪組合結(jié)構圖Fig.3 Composite structure of spoon and wheel1.勺輪 2.取種勺 3.蓋板 4.緊固件

2.2 取種勺式型孔

根據(jù)油菜農(nóng)藝種植要求以及考慮油菜種子大小差異和在稻茬田油菜種植成苗率[27-28]，依據(jù)油菜生物特性，每個取種勺設計取種量為(3±1)粒。根據(jù)油菜種子的外形結(jié)構尺寸，取種勺式型孔設計為帶缺口的類長方體，如圖4a所示，取種時，3粒油菜種子采用單層并排方式充種，如圖4b所示，可縮短充種時間且有助于減少種子在型孔中的堵塞。

圖4 取種勺承種型孔結(jié)構圖Fig.4 Structure of scoop-type hole

為便于種子能快速充入型孔和及時從型孔滑落，型孔四周均為圓角光滑過渡，型孔底部及型孔靠轉(zhuǎn)動中心側(cè)壁均設置一定傾斜角。

取種勺式型孔尺寸依據(jù)油菜種子結(jié)構尺寸確定，型孔過大，穩(wěn)定進入型孔內(nèi)的種子數(shù)量增多，不利精量穴播，型孔尺寸偏小，取種數(shù)量不足，難以滿足穴播種量要求。油菜種子平均尺寸：長×寬×高為2.03 mm×1.87 mm×1.92 mm，形狀為類球形，球形度為0.96，當量直徑為1.94 mm[29]，設取種勺式型孔最大長度為lmax、型孔寬度為b、型孔深度為h，根據(jù)3粒油菜種子在取種勺式型孔的分布，需滿足

(1)

式中l(wèi)r——油菜種子平均長度，mm

wr——油菜種子平均寬度，mm

hr——油菜種子平均高度，mm

kl——長度增量，取0.5～1.5 mm

kb——寬度調(diào)節(jié)系數(shù)，取1.1～1.3

kh——高度調(diào)節(jié)系數(shù)，取0.9～1.1

為滿足排種器性能，3粒油菜種子須完全進入取種勺式型孔內(nèi)且能順利從型孔缺口滑出，設計取種勺式型孔最大長度lmax保證3粒種子同時順利充入型孔，取種勺式型孔寬度b取值范圍為wr≤b≤1.5wr，取種勺式型孔深度h取值范圍為0.5hr≤h≤1.5hr。根據(jù)油菜種子三軸尺寸，取lmax、b、h分別為6.7、2.5、2 mm。

對投種過程進行分析，當取種勺轉(zhuǎn)動到投種區(qū)時，型孔內(nèi)種子沿型孔底部向下移動，徑向受到側(cè)位板支持力。當取種勺轉(zhuǎn)動到側(cè)位板缺口處時，側(cè)位板軸向支持力消失，從型孔缺口處滑落，選取型孔中單粒種子為研究對象，建立如圖5a所示的空間坐標系xyz，其中x方向為垂直勺輪平面方向，z方向為垂直取種勺式型孔方向。取種勺式型孔底部和側(cè)壁都對種子有支持力，在xoy平面和xoz平面對種子進行受力分析，如圖5b和圖5c所示。

圖5 投種過程種子受力分析Fig.5 Force analysis of dropping seed progress

投種時，種子從型孔缺口處滑落出，在xoy平面和xoz平面受力應滿足

(2)

式中Gxoy——種子重力在xoy平面上的分力，N

Gxoz——種子重力在xoz平面上的分力，N

m——種子質(zhì)量，kg

FN2——取種勺式型孔底部對種子的支持力，N

FN3——取種勺轉(zhuǎn)動中心側(cè)壁對種子支持力，N

fN2——取種勺式型孔底部對種子摩擦力，N

fN3——取種勺轉(zhuǎn)動中心側(cè)壁對種子摩擦力，N

μ——取種勺式型孔與種子群間的摩擦因數(shù)

axoy——xoy平面種子滑落出型孔加速度，m/s2

axoz——xoz平面種子滑落出型孔加速度，m/s2

ψ——型孔靠轉(zhuǎn)動中心側(cè)壁傾斜角，(°)

β——取種勺式型孔底部傾斜角，(°)

由式(2)可知，當取種勺轉(zhuǎn)動到投種區(qū)時，取種勺式型孔底部和靠轉(zhuǎn)動中心側(cè)壁具有一定傾斜角時，利于種子從型孔缺口處滑落出，穿過側(cè)位板缺口落入導種口，完成投種過程。取種勺式型孔底部傾斜角β為15°，型孔靠轉(zhuǎn)動中心側(cè)壁傾斜角ψ為27°，利于輔助完成投種過程。

2.3 取種勺數(shù)量

當機組作業(yè)速度和穴距一定時，由于勺輪圓周上安裝的取種勺數(shù)量越大時，勺輪轉(zhuǎn)速越慢，取種勺式型孔中心處的線速度越低，單個取種勺充種時間越長，更利于取種，故在勺輪組合尺寸允許和不影響取種勺作業(yè)情況下，可增加取種勺數(shù)量。設勺輪圓周上安裝的取種勺數(shù)量為N，機組作業(yè)時，勺輪轉(zhuǎn)動一周，廂面播種M穴，則有

(3)

式中vm——機組作業(yè)速度，m/s

s——穴距，m

c——地輪滑移系數(shù)

n——勺輪轉(zhuǎn)速，r/min

vd——取種勺式型孔中心處線速度，m/s

由式(3)可得

(4)

由式(4)可知，油菜種子在田間的穴距分布與機組作業(yè)速度vm、勺輪轉(zhuǎn)速n、取種勺數(shù)量N有關。當穴距和機組作業(yè)速度一定時，取種勺數(shù)量N與勺輪轉(zhuǎn)速n成反比。當機組作業(yè)速度為0.6 m/s，穴距為0.15 m，轉(zhuǎn)速為20 r/min時，地輪滑移系數(shù)c為5%～12%，取8%，計算可得種勺數(shù)量為12個，此時相鄰取種勺式型孔對應的中心角為30°。

2.4 取種勺安裝前傾角

對清種過程進行分析，型孔外側(cè)拖帶種子為強行拖帶層種子，以型孔外側(cè)拖帶種子為研究對象，種子間以散粒體形式堆積，簡化取種勺式型孔外多余種子為整體作為研究對象，確定清種臨界狀態(tài)，令起始投種位置與水平面的偏角為清種角θ1，受力如圖6所示。

圖6 清種過程受力分析Fig.6 Force analysis of clearing seed progress

將拖帶種子群視為整體，相對于勺輪做沿取種勺斜面下落運動，而勺輪組合繞排種軸轉(zhuǎn)動，對拖帶種子群進行受力分析可得

(5)

式中G——種子重力，N

Fs——型孔內(nèi)種子對拖帶種子群摩擦力，N

Fc——種子慣性離心力，N

FN——型孔內(nèi)種子對拖帶種子群支持力，N

FI——種子科氏慣性力，N

δ——取種勺安裝前傾角，(°)

α——取種勺型孔中心與安裝位置對頂角，(°)

φ——油菜種子自然休止角，(°)

r——取種勺式型孔中心對應的半徑，m

at——種子沿取種勺下落加速度，m/s2

aI——種子科氏加速度，m/s2

ω1——勺輪角速度，rad/s

μ1——種子間摩擦因數(shù)

由式(5)可得，清種角為

(6)

由式(6)可知，種子群清種角θ1與取種勺安裝前傾角δ、勺輪角速度ω1、油菜種子自然休止角φ等參數(shù)相關。當轉(zhuǎn)速與支持力同向時，清種角θ1與前傾角δ呈負相關，即取種勺具有一定安裝前傾角時，有利于型孔外側(cè)拖帶的多余種子及時從型孔滑落，避免重播。同時取種勺具有一定安裝前傾角也便于取種勺在投種過程油菜種子順利滑出型孔。取種勺安裝前傾角改變時，對取種勺清種和投種性能產(chǎn)生影響，如取種勺安裝前傾角過大，則取種勺式型孔內(nèi)種子在進入投種區(qū)之前開始滑落，造成漏播。油菜種子自然休止角一般為27°[30]，結(jié)合勺輪結(jié)構尺寸，綜合考慮，取種勺安裝前傾角范圍取30°～60°。

2.5 勺輪轉(zhuǎn)速

勺輪轉(zhuǎn)速影響排種器工作效率。取種勺在取種階段，種子依靠自身重力和摩擦力被囊取入型孔內(nèi)，由于取種勺安裝時具有一定傾斜角，油菜種子充入取種勺式型孔姿態(tài)如圖7a所示，種子充填入型孔的方向與型孔開口方向相同，勺輪轉(zhuǎn)動時，種子易于進入型孔內(nèi)。圖中vp為取種勺運動速度，vs為種子充填速度。

圖7 取種勺取種示意和清種區(qū)取種勺型孔外側(cè)拖帶種子受力Fig.7 Diagrams of filling direction for spoon and redundant seed force analysis in cleaning area

在清種區(qū)，取種勺式型孔外拖帶種子能否自動掉落是決定勺輪極限轉(zhuǎn)速的關鍵。勺輪的線速度越高，離心力越大，種子僅通過自身重力難以掉落，導致重播率增加，且投種時間變短，投種不完全導致漏播。為保證排種器的清種性能，處于清種區(qū)取種勺式型孔外側(cè)拖帶的種子受力如圖7b所示，得拖帶種子能依靠重力自行掉落時，應滿足

(7)

式中θ——取種勺轉(zhuǎn)動角，(°)

ω——勺輪臨界角速度，rad/s

由式(7)可得勺輪臨界轉(zhuǎn)速n為

(8)

由式(8)可知，勺輪臨界轉(zhuǎn)速n與取種勺式型孔中心處半徑r、前傾角δ及取種勺轉(zhuǎn)動角θ有關，對頂角α由前傾角δ確定。為達到較優(yōu)清種和投種效果，勺輪工作線速度應為臨界速度的70%～80%，當勺輪結(jié)構尺寸一定時，臨界轉(zhuǎn)速由前傾角及起始投種角確定，綜合考慮，取勺輪轉(zhuǎn)速范圍為10～30 r/min。

3 排種性能試驗

3.1 臺架試驗

根據(jù)結(jié)構設計及排種過程分析，結(jié)合預試驗研究，為探明取種勺安裝前傾角δ、取種勺式型孔長度l、勺輪轉(zhuǎn)速n對排種器排種性能的影響，開展臺架試驗。選取取種勺安裝前傾角、取種勺式型孔長度、勺輪轉(zhuǎn)速為試驗因素，以穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3為試驗指標，開展響應面BBD(Box-Behnken design)試驗，試驗因素編碼值和試驗方案如表1、2所示，其中X1、X2、X3分別為取種勺安裝前傾角、取種勺式型孔長度、勺輪轉(zhuǎn)速編碼值。試驗以長江中下游常用油菜品種“華油雜62”油菜種子為試驗材料，千粒質(zhì)量4.87 g，油菜勺式精量穴播排種器由3D打印加工而成，材料為工程塑料，勺輪圓周均勻分布12個取種勺。試驗于JPS-16型排種器性能檢測試驗臺上開展，如圖8所示，該試驗臺種距測量精度為±2 mm，試驗標準參照NY/T 987—2006《鋪膜穴播機作業(yè)質(zhì)量》。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Coding of factors

表2 試驗方案及結(jié)果Tab.2 Experiment scheme and results

圖8 排種器臺架試驗及油帶種子分布Fig.8 Seed metering device bench test and rapeseed distributions in oil belt1.試驗臺 2.傳動系統(tǒng) 3.油菜勺式精量排種器 4.種床帶

3.2 試驗結(jié)果分析

圖9 試驗因素對穴粒數(shù)合格率和漏播率的影響規(guī)律Fig.9 Effects of experiment factors on pass rate and missed broadcast rate

進行響應面試驗時，統(tǒng)計各試驗結(jié)果，重復5次，計算穴粒數(shù)合格率、漏播率、重播率，試驗結(jié)果如表2所示，并建立穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3與取種勺安裝前傾角X1、取種勺式型孔長度X2、勺輪轉(zhuǎn)速X3間的三元二次回歸方程，結(jié)果為

(9)

由回歸結(jié)果可知，所建立的穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y33個回歸方程都顯著。田間作業(yè)時，需在滿足播種穴粒數(shù)合格率下降低漏播率，根據(jù)回歸結(jié)果，分別固定勺輪轉(zhuǎn)速、取種勺式型孔長度和取種勺安裝前傾角為零水平，繪制相應的曲面和等值曲線，分析試驗因素對合格率及漏播率影響規(guī)律，如圖9所示。取種勺安裝前傾角X1、取種勺式型孔長度X2、勺輪轉(zhuǎn)速X3對穴粒數(shù)合格率Y1顯著性影響從大到小順序為勺輪轉(zhuǎn)速X3、取種勺式型孔長度X2、取種勺安裝前傾角X1，對漏播率Y2顯著性影響從大到小順序為勺輪轉(zhuǎn)速X3、取種勺安裝前傾角X1、取種勺式型孔長度X2。穴粒數(shù)合格率隨勺輪轉(zhuǎn)速增加先增加后減小至趨于穩(wěn)定，隨取種勺式型孔長度的增大逐漸減小，隨取種勺安裝前傾角增大逐漸增加再趨于穩(wěn)定。漏播率隨勺輪轉(zhuǎn)速增加逐漸減小，隨取種勺式型孔長度和安裝前傾角的增加逐漸增加。

3.3 工作參數(shù)優(yōu)化

田間作業(yè)時，需在滿足播種穴粒數(shù)合格率下降低漏播率。為獲得排種器最佳工作參數(shù)組合，以穴粒數(shù)合格率Y1、漏播率Y2、重播率Y3綜合指標建立優(yōu)化函數(shù)，排種器性能指標要求穴粒數(shù)合格率大于80%、漏播率小于5%、重播率小于15%，結(jié)合各因素試驗取值邊界條件，建立參數(shù)化數(shù)學模型，其目標函數(shù)和約束條件為

Fmax=Y1-Y2-Y3

(10)

采用線性規(guī)劃數(shù)學模型對目標函數(shù)進行優(yōu)化求解，得取種勺安裝前傾角47.5°，取種勺式型孔長度5.4 mm、勺輪轉(zhuǎn)速24.3 r/min時，對應的穴粒數(shù)合格率為94.59%、漏播率為1.78%、重播率為3.63%?；谧罴压ぷ鲄?shù)組合，開展優(yōu)化結(jié)果的臺架驗證試驗，試驗重復5次，試驗結(jié)果如表3所示，得穴粒數(shù)合格率為91.40%、漏播率為4.84%、重播率為3.76%，表明最佳工作參數(shù)組合下的排種器作業(yè)性能滿足油菜田間精量穴播對穴粒數(shù)合格率、漏播率和重播率的要求。

表3 優(yōu)化參數(shù)臺架驗證試驗結(jié)果Tab.3 Bench validation test for optimization parameter

3.4 田間試驗

基于2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機平臺，于2019年9月在華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植示范基地開展排種器最優(yōu)參數(shù)組合下的油菜田間播種試驗。試驗配套動力為東方紅LX954型拖拉機，作業(yè)速度為2.17 km/h，油菜品種為“華油雜62”，播量為5.2 kg/hm2，播種試驗和出苗情況如圖10所示。播種30 d后，每行測5段，測1 m內(nèi)每穴株數(shù)，統(tǒng)計得平均穴株數(shù)合格率((3±1)株/穴)為88.64%、平均漏播率(0或1株/穴)為3.52%，油菜平均種植密度為63株/m2，滿足油菜實際田間穴播要求。

圖10 油菜田間試驗及出苗效果Fig.10 Field test and performance of rapeseed

4 結(jié)論

(1)針對傳統(tǒng)油菜條播排種器用種量大、株距變異系數(shù)大、個體生長良莠不齊等生產(chǎn)實際問題，研制了一種帶缺口矩形勺式型孔精量取種的油菜勺式精量穴播排種器，實現(xiàn)每穴(3±1)粒穴播。

(2)分析了油菜勺式精量穴播排種器取種、清種和投種等排種過程，發(fā)現(xiàn)取種勺安裝前傾角有利于取種、清種和投種過程，同時，取種勺式型孔底部傾角和靠轉(zhuǎn)動中心側(cè)壁傾角有利于種子從型孔缺口處滑落出，完成投種過程。對油菜勺式精量穴播排種器關鍵部件取種勺進行了設計，確定了取種勺式型孔最大長度為6.7 mm、寬度為2.5 mm、高度為2 mm。勺輪上取種勺安裝數(shù)量為12個，取種勺安裝前傾角范圍為30°～60°，勺輪轉(zhuǎn)速范圍為10～30 r/min。

(3)進行了油菜勺式精量穴播排種器性能試驗，對響應面試驗結(jié)果進行回歸分析，得出取種勺安裝前傾角、取種勺式型孔長度、勺輪轉(zhuǎn)速對穴粒數(shù)合格率顯著性影響從大到小順序為勺輪轉(zhuǎn)速、取種勺式型孔長度、取種勺安裝前傾角，對漏播率顯著性影響從大到小順序為勺輪轉(zhuǎn)速、取種勺安裝前傾角、取種勺式型孔長度。優(yōu)化得出，最優(yōu)結(jié)果為種勺安裝前傾角47.5°、取種勺式型孔長度5.4 mm、勺輪轉(zhuǎn)速24.3 r/min，對應的穴粒數(shù)合格率為91.40%、漏播率為4.84%、重播率為3.76%，田間播種試驗統(tǒng)計得出，油菜平均種植密度為63株/m2，能夠滿足油菜農(nóng)藝種植要求。