水稻穴直播排種器排種機理分析與試驗

應(yīng)鴻烈　田立權(quán)

摘 要：為直觀準確地觀察排種器的工作特性以及拋種勺投種過程中水稻芽種的運動狀態(tài)，選擇壓縮旋轉(zhuǎn)勺取種、重力清種、轉(zhuǎn)動遞種以及離心力拋種等方式，設(shè)計出一種水稻旋轉(zhuǎn)壓縮勺式精量穴直播排種器。通過對旋轉(zhuǎn)壓縮勺、導(dǎo)種輪工作過程分析，確定排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。以中嘉優(yōu)9號水稻芽種為播種對象，采用2因素5水平旋轉(zhuǎn)組合試驗設(shè)計方法，利用JPS-12排種器檢測試驗臺，分析了容種高度與壓縮旋轉(zhuǎn)勺的轉(zhuǎn)速對排種性能的影響，并采用實驗設(shè)計軟件Design-Expert對試驗數(shù)據(jù)進行分析。試驗結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)壓縮勺轉(zhuǎn)速為45r·min-1，容種高度為排種盤半徑50mm時，排種合格率為97.13%，重播率為1.9%，漏播率為0.97%。該研究為旋轉(zhuǎn)壓縮勺式水稻精量穴直播排種器的設(shè)計提供依據(jù)，并為整機設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：排種器;壓縮旋轉(zhuǎn)勺;精量穴直播;試驗

中圖分類號：S22

文獻標識碼：A

引言

水稻精量穴直播技術(shù)是通過定量播種、固定穴距和控制穴徑、成穴成行、定距定量將水稻芽種播入田間，以獲得更高出苗率及水稻產(chǎn)量的直播技術(shù)[1]。固定穴距和控制穴徑可以保證水稻有序地種植，使水稻田間的通風(fēng)采光條件更好，對水稻的根系生長、根系結(jié)構(gòu)的改善以及禾苗抗倒伏能力的增強都有很好的促進作用，因此精準的穴距和穴徑控制是保證精量穴直播作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一[2，3]。

國內(nèi)外一些學(xué)者對排種器投種過程進行了研究。Karayel等[4]利用高速攝像技術(shù)，對投種時種子下落時的位置進行記錄，進而通過計算得到作物株距信息。羅錫文等[5]依據(jù)谷物清選原理，研制拋擲成穴式排種器，并進行排種和成穴試驗。王在滿等[5，6]利用高速攝像技術(shù)對型孔輪式排種器的投種軌跡進行研究，為提高投種成穴性對排種管進行了優(yōu)化設(shè)計。陶桂香等[7]建立了稻種投種過程的動力學(xué)模型，對缽盤精量播種裝置的投種過程進行了理論分析，并利用高速攝像技術(shù)對投種過程進行記錄，得到稻種速度與位移變化間的規(guī)律。袁月明等[8]采用高速攝像技術(shù)拍攝排種器的工作過程，分析排種均勻性與吸附在種盤上稻種不同姿態(tài)之間的關(guān)系，為完善排種器設(shè)計提供依據(jù)。劉文忠等[9]建立了種子運動方程，對投種過程中種子的運動進行理論分析。劉宏新等[10]采用高速攝像技術(shù)與離散元仿真軟件EDEM相結(jié)合的方式，對種子在排種器內(nèi)的運動狀態(tài)及投種過程進行研究，為修正排種器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了參考。陳學(xué)庚等[11]為了將種子輸送到最佳投種高度，使播后種子的粒距得到精確矯正，設(shè)計了一種帶式導(dǎo)種裝置，提高了播種質(zhì)量。余佳佳等[12]結(jié)合高速攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)對氣力式油菜排種器投種軌跡進行了研究，采用目標追蹤技術(shù)提取油菜籽的實際投種軌跡曲線，為提高排種的穩(wěn)定性和均勻性提供依據(jù)。以上學(xué)者的研究為投種過程分析均提供了依據(jù)，但利用高速攝像技術(shù)和離散元仿真技術(shù)對彈射式排種器投種過程的研究未見報道。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，將高速攝像技術(shù)與EDEM仿真技術(shù)相結(jié)合，以彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器（下文簡稱排種器）拋種勺為研究對象，建立耳勺投種模型，并對投種過程進行觀察和仿真分析，歸納投種軌跡分布，研究水稻芽種在投種過程中的運動規(guī)律，并進行田間驗證試驗，為提高取種耳勺投種精度和成穴性，優(yōu)化排種器設(shè)計提供依據(jù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

彈射式耳勺型排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該排種器主要由拋種勺、定位桿、動力簧、連接板、壓縮輥、拋種管、集種盒和定位軸等部件組成。

作業(yè)時，機具通過鏈條將動力傳遞至轉(zhuǎn)動軸8，轉(zhuǎn)動軸帶動連接板6如圖1所示方向順時針旋轉(zhuǎn)，連接板帶動其上均布的拋種耳勺3掘入水稻芽種籽粒堆，耳勺定量舀取芽種，同時隨連接板繼續(xù)轉(zhuǎn)動脫離籽粒堆，完成舀種作業(yè)[13];耳勺轉(zhuǎn)離籽粒堆后，進入清種區(qū)，在重力作用下耳勺內(nèi)非穩(wěn)定狀態(tài)的芽種回落籽粒堆，完成清種過程;拋種耳勺轉(zhuǎn)入導(dǎo)種區(qū)并與壓縮輥1接觸，壓縮輥帶動拋種耳勺，促使動力簧5的側(cè)端轉(zhuǎn)動，發(fā)生變形存儲角動能并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，使耳勺貼緊壓縮輥，起到導(dǎo)種、護種的作用;在投種區(qū)，耳勺在連接板帶動下脫開與壓縮輥的接觸，動力簧復(fù)位釋放角動能，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力帶動拋種耳勺繞定位軸9順時針旋轉(zhuǎn)并與定位桿4碰撞，從而將耳勺內(nèi)的芽種彈射進入拋種管7內(nèi)，投落至水田田面完成投種作業(yè)。

3.2 分析

為探究各因素之間的交互作用對排種性能的影響，采用二次旋轉(zhuǎn)組合正交設(shè)計試驗方案，試驗因素包括排種器的工作轉(zhuǎn)速和容種高度，性能指標為排種合格率、重播率和漏播率，進行多因素試驗，研究排種器的最佳性能工作參數(shù)。表1所示為各因素水平編碼，在試驗過程中，連續(xù)記錄排種器排種數(shù)據(jù)，每250次為1組，記錄3組，取每組數(shù)據(jù)處理后的平均值作為最終試驗結(jié)果。

試驗方案與試驗結(jié)果如表2所示，通過實驗設(shè)計軟件Design-Expert分析所得的試驗數(shù)據(jù)，篩選出較為顯著的影響因素;通過軟件分析得到響應(yīng)曲面，如圖5所示，直觀地反映了分析試驗指標與各因素之間的關(guān)系。

根據(jù)響應(yīng)曲面圖5可知，壓縮勺轉(zhuǎn)速與容種高度間存在交互作用。由圖5a可知，當(dāng)容種高度一定時，排種合格率隨壓縮勺轉(zhuǎn)速增大而先增大后降低;當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速一定時，合格率隨容種高度增加而增大。當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速變化時，合格率的變化區(qū)間較大，因此影響排種合格率的主要因素為壓縮勺的轉(zhuǎn)速。由圖5b可知，當(dāng)容種高度一定時，重播率隨壓縮勺轉(zhuǎn)速增大而先降低后增加;當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速較低時，隨容種高度增加，重播率逐漸降低;而當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速較大時，重播率也逐漸增大。當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速變化時，重播率的變化區(qū)間較大，因此影響重播率的重要因素也是壓縮勺的轉(zhuǎn)速。由圖5c可知，當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速一定時，隨容種高度增加，漏播率逐漸降低。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種壓縮勺式水稻精量機械穴直播排種器，分析其工作原理，對關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，滿足精量穴直播作業(yè)要求。

以壓縮勺轉(zhuǎn)速、容種高度為自變量，排種合格率、重播率及漏播率為目標函數(shù)，進行二次旋轉(zhuǎn)組合正交設(shè)計試驗，確定了壓縮勺式水稻精量穴直播排種器的工作及結(jié)構(gòu)參數(shù)與排種器性能指標的關(guān)系。

運用實驗設(shè)計軟件Design-Expert分析試驗結(jié)果，對回歸模型進行優(yōu)化，得出壓縮勺轉(zhuǎn)速為45r·min-1，容種高度為充種蓋半徑50mm時，排種合格率為97.13%，重播率為1.9%，漏播率為0.97%。

參考文獻

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（責(zé)任編輯 常陽陽）