水稻內充氣力式精量穴播排種器導種管的設計與試驗

張順， 李勇，王浩宇，廖娟，李兆東，朱德泉*

(1.安徽農業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036；2.安徽省智能農機裝備工程實驗室，安徽 合肥 230036)

隨著農業(yè)產業(yè)結構的不斷調整，水稻輕簡直播面積逐年擴大[1-3]，其中，精量穴直播技術能按水稻品種種植所需的行株距要求，精準成穴地排布水稻植株，形成合理的稻株群體結構，易獲得穩(wěn)產、高產[4-5]。

排種器是水稻精量穴直播機械的關鍵部件。排種器作業(yè)循環(huán)由充種(吸種)、清種、攜種和投種4 個排種環(huán)節(jié)串聯(lián)組成。導種管配合排種部件完成投種環(huán)節(jié)，并將稻種按其所需穴距間隔導送至種床[6]，因此，導種管直接影響排種器投種后的成穴性與穴距均勻性[7]。趙淑紅等[8]研制了一種可與多種玉米精密排種器配套的“V”形凹槽撥輪式導種部件，其排種粒距變異系數相比傳統(tǒng)的可伸縮塑料導種管和弧形導種管分別提高了 41.87%和30.55%，提升了玉米播種的粒距均勻性。劉立晶等[9]運用三維逆向工程技術對一種應用于玉米播種的進口導種管進行了虛擬樣機重構與試制，田間播種試驗表明，試制導種管與進口導種管的播種性能相當。丁鐘凱[10]對 2BZJ-10 型大豆窄行密植精密播種機導種管進行了結構設計與試驗研究，明確了良好粒距均勻性所需導種管的結構參數范圍。楊文彩等[11]改進設計了 2BQ-28 型三七精密播種機的導種管，有效提升播種機高速作業(yè)時的播種均勻性。

玉米、大豆等穴播作物排種器導種管的設計較多，并已較為成熟。筆者前期研制的水稻內充氣力式排種部件在完成充種、吸種、清種及投種環(huán)節(jié)時對雜交水稻具有較高的吸種合格率(2～4 粒/穴)[12]，后續(xù)為實現排種器的定距成穴精量排種，對投種后稻種的運動軌跡進行了理論分析與構建，設計了排種器的導種管，并開展仿真分析與試驗研究，以期為水稻穴播排種器導種部件的設計提供參考。

1 導種管設計

1.1 整體結構

由水稻內充氣力式精量穴播排種器的結構與工作原理可知，每穴稻種需借助導種管壁面的引導從吸種滾筒內部導出，稻種與導種管不可避免地會發(fā)生碰撞[12]。稻種外形球度低，與導種管壁面的碰撞姿態(tài)及碰撞后的彈跳運動軌跡存在差異。為確保排種器投種后稻種及時順暢地從導種管排出，并提高每穴多粒稻種排出的時間一致性與相鄰穴排出時間間隔的穩(wěn)定性，提升精量穴直播的定距成穴效果，應減少導種過程中稻種與導種管各壁面的隨機碰撞，故宜按投種后稻種的運動軌跡設計導種管的結構，確定其參數，以適應排種器吸種滾筒緊湊的內部空間。

由文獻[12]可知，排種器在窩眼運動至最高點時投種，每穴稻種呈水平拋物線運動，離開吸種滾筒，因此，導種管的前、后側板根據稻種的拋物線投種軌跡設計，如圖1 所示。

1.2 導種管側板

稻種從投種瞬間到導種管排出的運動過程，可分解為自身脫離吸種滾筒后的平拋下落與導種管使其從排種器內部排出的橫向運移。

由排種器吸種滾筒上的吸孔分布方式可知，排種器投種瞬間，窩眼內被吸附的多粒稻種所受負壓氣流均被上隔氣塊同時阻斷，且窩眼內稻種較少，故可忽略稻種間的相互作用力，此時投種處稻種僅受自身重力作用。以單粒任意吸附姿態(tài)稻種為分析對象，以吸種滾筒內壁面中間吸孔的圓心為原點(O)，稻種的水平切速度方向為 X 軸，稻種重力鉛錘方向為Y 軸，吸種滾筒軸線方向為Z軸，建立空間直角坐標系O-XYZ，如圖2 所示。

圖2 投種處空間直角坐標系Fig.2 Cartesian coordinate system O-XYZ at the seed dropping position

忽略稻種投種后極少數的自身翻轉下落與相互碰撞現象，以及空氣阻力對稻種運動的影響，投種后稻種質心的運動方程式為

式中：x、y 分別為稻種質心在 X 軸、Y 軸方向上的位移；v0為稻種質心脫離吸種滾筒時的水平初速度；t 為稻種脫離吸種滾筒后的時間；g 為重力加速度；r 為稻種質心到吸種滾筒內壁面的徑向距離。

由于稻種為非理想剛體，其與導種管的碰撞存在能量損失[13]，勢必減小稻種與導種管碰撞后的彈跳速度。為減少或避免稻種與導種管的碰撞，宜將稻種與導種管的碰撞簡化為完全彈性碰撞，使設計的導種管空間更為寬裕。稻種投種后與導種管底板碰撞彈跳時，其水平速度分量不變，則其在 XOY 投影面內的運動軌跡依然為平拋運動軌跡。為避免稻種與導種管的前、后側板發(fā)生碰撞，導種管前、后側板形狀應依據稻種的平拋運動軌跡設計。

平拋運動軌跡主要由水平初速度v0決定。

式中：R 為吸種滾筒內半徑；n 為吸種滾筒轉速，其與水稻直播機作業(yè)前進速度V 的關系式

式中： T 為排種器周向窩眼數；S 為水稻播種穴距。將式(3)代入式(2)可得，

由于投種瞬間窩眼內稻種的吸附姿態(tài)是隨機的，則稻種質心到吸種滾筒內壁面的徑向距離 rs可按文獻[4,14-15] 簡化為當量半徑，即

式中：a、b、c 分別為稻種的三軸尺寸。

隨機選取適宜在長江中下游地區(qū)直播種植的‘岡優(yōu) 898’雜交稻品種 100 粒稻種，測量其外形三軸尺寸。結果，稻種平均三軸尺寸為 8.31 mm ×2.89 mm×2.02 mm，長度最大尺寸lmax為9.11 mm。根據式(5)可知，稻種當量半徑 r 為 3.65 mm。此外，排種器周向窩眼數 T 為 14，吸種滾筒內半徑R 為 79 mm。參考當前水稻直播機作業(yè)前進速度0.6～1.2 m/s 及雜交水稻種植株距 0.20 m 的農藝要求[16-19]，由式(4)可得稻種平拋投種時的水平初速度為 0.10～0.20 m/s。根據式(1)得出稻種在 XOY 投影面內不同排種頻率的軌跡方程。

依據稻種的平拋運動軌跡，綜合考慮外形不規(guī)則稻種投種后運動姿態(tài)的隨機性及碰撞彈跳過程的隨意性，設計導種管后側板壁面軌跡按照水平初速度為0.10 m/s 的平拋運動軌跡向后平移l1，導種管前側板壁面軌跡則按照水平初速度為 0.20 m/s 的平拋運動軌跡向前平移 l2，則前、后側板壁面在XOY 面上的投影軌跡方程為

式中，i=1，2。v01、v02分別為稻種 0.10 m/s和0.20 m/s 的水平初速度。

導種管入口縱向尺寸應滿足窩眼內稻種投種時以任意姿態(tài)落入，則前、后側板壁面軌跡上端點與吸孔投種點的距離li應大于窩眼入口直徑尺寸的一半。

排種器的窩眼入口直徑為 17.00 mm，綜合考慮稻種投種瞬間其質心與吸孔中心存在的偏距、短暫的投種提前或滯后現象以及吸種滾筒的內部空間尺寸，取 l1=l2=12.00 mm。根據式(1)和式(6)，利用三維建模軟件 Pro/Engineering 中的曲線命令，在 XOY 面上分別繪制出水平初速度為 0.10 m/s 和 0.20 m/s 的投種軌跡及導種管前、后側板壁面投影軌跡，設計導種管總高H 為200 mm，徑向高出氣室密封板 h 為 11.00 mm，用以連接播種機的種溝開溝器。

1.3 導種管底板

導種管底板的曲面影響每穴多粒稻種排出的時間一致性，即著床成穴性。根據完全彈性碰撞理論，稻種橫向移出的運動過程，在 YOZ 投影面上類似自由落體與底板曲面的碰撞過程，如圖 3所示。為減少稻種在橫向移出過程中與導種管底板和頂板的碰撞，應盡量降低稻種與導種管底板碰撞時在底板法向速度分量，并設計合適的導種管底板與頂板間距。

圖3 稻種與底板碰撞過程Fig.3 Schematic diagram of collision process between the seeds and bottom surface of the seed spout

稻種與導種管底板碰撞前后的速度方向與碰撞點曲面切線夾角相等，即 α=α'，β=β'，γ=γ'，則影響稻種在底板法向速度分量的因素主要是稻種與底板的碰撞速度和碰撞夾角。為使不同投種位置的稻種與底板碰撞夾角均最小，需使 α=β=γ，即底板應為固定斜率的平面。為確保窩眼內任意姿態(tài)被吸附的稻種能無阻礙地運動到導種管上方的投種處，導種管入口端面至吸孔端面的徑向距離 s應大于稻種的最大長度尺寸，因此取 s 為 10.00 mm。為確保窩眼內稻種落入導種管，則導種管底板在 YOZ 面上的投影軌跡上端點 B 與中間吸孔軸線的距離|zB|應超過 1/2 的窩眼入口直徑，取 B 點的空間坐標為(0，10，zB)。設坐標點 C(0，yC，zC)為導種管底板投影軌跡與窩眼環(huán)外端面的交點，如圖3 和圖4 所示，由吸種滾筒尺寸可知zC=17.00 mm，則由底板投影軌跡上 B、C 點的坐標，可知其軌跡斜率|k|為

圖4 吸種滾筒與導種管的位置關系Fig.4 Schematic dia gram of the po sitional r elationship between the seed-absorbed cylinder and the seed spout

由式(7)可知，yC、zB取值越大，導種管底板傾斜角度越大，則稻種與底板的碰撞夾角越小，但底板傾角會受到吸種滾筒結構尺寸的限制。已知，吸種滾筒上窩眼環(huán)內徑圓在 XOY 面上的軌跡方程為

式中，r1為窩眼環(huán)內半徑，75.00 mm。聯(lián)立式(6)和式(8)，可得導種管前、后側板壁面軌跡與窩眼環(huán)內徑圓交點坐標分別為 A1(45.22，138.84，0)和 A2(5.50，153.80，0)。A1點在窩眼環(huán)外端面上的投影點 A3(45.22，138.84，17.00)是導種管底板與窩眼環(huán)旋轉運動的干涉點，如圖4 所示。

由導種管底板與窩眼環(huán)外端面在 YOZ 面上的尺寸關系(圖 4)可知，yC與導種管邊寬 t 存在如下關系

式中：θ 為導種管底板傾角；t 為導種管底板邊寬。由于導種管前、后側板為拋物線軌跡曲面，機械加工成型較難，故采用 3D 打印技術制造導種管，材料為 ABS 塑料。為確保導種管強度，設計其底板邊寬t 為1.50 mm。zB取?10.00 mm。聯(lián)立式(7)和式(9)可得 yC=132.06 mm，對應底板傾角 θ 為77.52°，此為導種管底板傾角的最大極限值。

根據底板傾角 θ 與 B 點坐標，可得導種管底板在YOZ 面上的投影軌跡方程為

當導種管底板傾角 θ 確定后，在 YOZ 的投影面上稻種與底板碰撞后的彈跳方向即可確定，根據式(11)計算稻種在底板法向上的彈跳高度。

式中：h1j為第j 個吸孔投種處稻種第1 次與底板碰撞后在底板法向上的彈跳高度；v1j為第j 個吸孔投種處稻種第 1 次彈跳速度在 YOZ 投影面上的分量。

式中：h0j為第j 個吸孔投種處稻種第1 次與底板碰撞前的下落高度。聯(lián)立式(11)和式(12)，得

由文獻[20]可知，稻種與導種管底板碰撞后的彈跳高度隨碰撞次數增加而顯著降低，說明首次碰撞后的彈跳高度最大，由 3 個吸孔與導種管的相對位置可知，吸種滾筒上靠外側的吸孔處所投稻種與導種管底板碰撞前下落高度最大。為避免稻種碰撞彈跳后撞擊導種管頂板，頂板與底板的法向垂直距離L 應滿足L＞h13+lmax。

為檢驗導種管設計方法的合理性，確定導種管底板的適宜傾角，進行排種器不同排種頻率下導種管導種過程仿真分析與臺架排種試驗。由于導種管底板傾角理論最大極限值為77.52°，綜合考慮排種器整體軸向尺寸，并避免部件運動干涉，導種管底板試驗傾角 θ 選擇 77°和 73°。由式(7)和式(9)可知，導種管底板與窩眼環(huán)外端面的最低交點Y 軸坐標值分別為133.45 mm 和104.81 mm，能滿足導種管的打印與安裝誤差及窩眼環(huán)的圓跳動誤差，避免導種管與旋轉的窩眼環(huán)干涉；由式(10)和式(13)可得導種管頂板與底板的法向垂直距離 L分別不小于 15.89+lmax、16.31+lmax，根據稻種長度最大尺寸，統(tǒng)一取L 為28 mm。

2 導種過程的仿真

2.1 模型構建與參數設置

由于投種與導種過程中稻種僅與吸種滾筒、窩眼環(huán)和導種管相互作用，故將排種器的三維模型省去與投種和導種過程無關的部件，并以.stp 的格式導入離散元 EDEM 仿真軟件中。紡錘體狀稻種類似橢球體，因此，仿真中將稻種顆粒簡化為硬質橢球體，簡化后的仿真裝置與稻種顆粒模型如圖5 所示。

圖5 仿真裝置與顆粒模型Fig.5 Simulation device and particle model

觀察投種處的高速攝像可知，投種瞬間窩眼內稻種的隨機吸附姿態(tài)可概括為平躺、斜臥和直立3 種狀態(tài)，如圖6 所示。在窩眼內部建立高度為種子平均寬度尺寸的圓錐體顆粒工廠，并設置顆粒隨機生成，以讓平躺生成的顆粒盡量貼附吸種滾筒內表面，并依靠吸種滾筒內表面和窩眼壁面對顆粒生成進行空間約束，以隨機產生斜臥或直立吸附狀態(tài)的顆粒。由于排種器投種點位置不變，投種后稻種與窩眼不再接觸，故可將顆粒工廠位置設為固定，通過添加多個顆粒工廠的方式模擬每穴稻種，并按直播機不同作業(yè)速度對應的投種頻率和投種水平初速度設定顆粒工廠間的時間間隔與顆粒生成的水平初速度(表1)。稻種表面粗糙無黏附力，因此，顆粒接觸模型選擇 Hertz-Mindlin 無滑動接觸模型。根據吸種滾筒、窩眼環(huán)和導種管的加工材質，參照文獻[21-22]設定其仿真材料參數(表2)。

圖6 稻種被吸附姿態(tài)Fig.6 Adsorption posture of rice seed

表1 仿真裝置與顆粒模型運動參數Table 1 Motion parameters se tting of simulation d evice and particle model

表2 稻種顆粒與仿真裝置材料參數Table 2 Material parameters of seed and simulation device

2.2 仿真試驗

參考 JPS-12 型排種器性能檢測試驗臺利用油帶穩(wěn)固地黏附由導種管排出種子的試驗方法，即連續(xù)統(tǒng)計種子從導種管排出的時間間隔，以間接反映種子在油帶上的分布情況。對于具有多粒成穴播種特征的水稻，每穴稻種排出導種管的最大時間差決定著排種器的排種成穴性。每穴稻種最大時間差越大，則多粒稻種從導種管排出的一致性越差，對應落在油帶上的穴徑越大。相鄰穴稻種排出時間間隔影響穴距穩(wěn)定性，即排種均勻性，因此，設置每穴顆粒排出導種管最大時間差的平均值 T1和相鄰穴顆粒排出導種管時間間隔的變異系數 C 分別作為排種成穴性和均勻性的考核指標，計算方法如式(14)。每組試驗連續(xù)統(tǒng)計 50穴顆粒排出導種管的時間，重復2 次。

式中：T2為相鄰穴顆粒排出時間間隔平均值；k 為每穴序號，k=1，2，3，···，50；tkmax、tkmin分別為第 k 穴顆粒排出時間最大值與最小值；tk1、tk2、tk3分別為第 k 穴第 1、2、3 個顆粒排出時間；N 為總穴數，N=50。

仿真試驗結果列于表 3。在相同的排種器吸種滾筒轉速下，T1與 C 均因導種管底板傾角的減小而增大，說明導種管底板傾角減小，對應底板長度增加，且顆粒沿底板法線方向的分速度增大，而沿底板平面向下的分速度與加速度均減小，延長了每穴 3 個顆粒從導種管排出的先后時間，增大了橢球形顆粒與底板無規(guī)律的碰撞概率和次數，導致T1和C 均增大。

表 3 仿真試驗每穴顆粒排出最大時間差與相鄰穴時間間隔變異系數Table 3 Simulation results of maximum ti me diffe rence of a hole an d co efficient of va riation of t ime i nterval a t adjacent holes

在相同的導種管底板傾角時，T1與 C 均隨著吸種滾筒轉速的增大而增大，表明排種器的排種成穴性與均勻性不僅與導種管的底板傾角有關，而且與其排種頻率有關。排種頻率提升，吸種滾筒轉速增大，則顆粒初始水平投種速度增大。橢球形顆粒與底板無規(guī)律的碰撞越激烈，增大了顆粒排出時間個體間的差異，T1和C 均增大。

綜上，導種管底板傾角越大，排種頻率越低，T1和 C 均越小，排種器的排種成穴性與均勻性越好。

圖7 是導種過程仿真顆粒運動軌跡。由圖7 可知，每穴3 個顆粒在XY 平面上的投種軌跡基本為平滑的拋物線(紅色線條)，由于各個顆粒初始投種點不都集中在最高點，故其運動軌跡分布在理論投種軌跡(藍色線條)前后的區(qū)間內，且各顆粒的運動軌跡均與理論投種軌跡近似平行，表明在水稻內充氣力式排種器導種管的設計中，將稻種與導種管底板的碰撞假設為完全彈性碰撞的簡化方法具有可行性；仿真中顆粒與導種管前側板、后側板、頂板基本無碰撞現象，表明導種管的結構參數較為合理。

圖7 仿真顆粒運動軌跡Fig.7 Motion trajectory of particles by simulation

3 臺架排種試驗

驗證仿真試驗結果，對比導種管不同底板傾角時，排種器的穴粒數合格率、漏播率、重播率、穴距平均值等排種性能指標，參照文獻[23-24]的方法，進行排種器臺架試驗。

參考 GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，利用 JPS-12 型排種器性能檢測試驗臺，連續(xù)統(tǒng)計排種器穩(wěn)定排種時油帶上 250 穴稻種的穴粒數、穴徑及穴距。試驗時，設置排種器的吸種負壓均為 1.0 kPa，吸種滾筒轉速分別為12.86、19.29、25.71 r/min，對應油帶運行速度分別為0.6、0.9、1.2 m/s。每組試驗重復2 次。

試驗結果如表4 和圖8 所示。由表4 可知，在相同的排種器吸種滾筒轉速下，穴徑平均值與穴距變異系數均因導種管底板傾角的減小而增大，說明導種管底板傾角減小，擴大了每穴稻種從導種管排出的時間差，導致落在油帶上的每穴稻種穴徑增大，穴徑合格率降低，穴距穩(wěn)定性變差；在相同的導種管底板傾角時，穴徑平均值與穴距變異系數均隨吸種滾筒轉速的增大而增大，表明投種速度增大，稻種與底板的碰撞越激烈，每穴多粒稻種排出時間一致性變差。臺架試驗結果與仿真結果相吻合。

雖然采用不同底板傾角的導種管排種時，穴徑平均值均小于50 mm 的穴徑評價指標[23]，但73°底板傾角導種管的穴徑合格率較低，均低于 90%；77°底板傾角導種管在不同吸種滾筒轉速下的穴徑合格率均不小于 91.33%，且其穴距平均值保持在理論穴距200.00 mm 左右，穴距變異系數均不大于11.10%，優(yōu)于 73°導種管的穴徑和穴距效果，并能滿足水稻內充氣力式排種器的定距成穴導種要求。

由表 4 還可知，當排種器的吸種滾筒轉速一定時，采用不同底板傾角的導種管排種，排種器的穴粒數合格率、漏播率及重播率存在差異。隨著導種管底板傾角的減小，穴粒數合格率下降；漏播率和重播率均上升，可能是因為導種管底板傾角減小，每穴多粒稻種從導種管中排出時間差異增大，使得每穴稻種粘附在試驗臺油帶上的間隔過大，依據《單粒(精密)播種機試驗方法》中穴粒數合格率、漏播率及重播率的統(tǒng)計方法，相鄰穴稻種出現串穴現象，串穴區(qū)域穴粒數統(tǒng)計出現油帶上一穴內有吸種滾筒排出兩穴稻種的粒數而導致重播，而另一穴為漏播，故重播率上升的同時，漏播率也上升，穴粒數合格率下降[24]。

表4 不同底板傾角導種管的排種穴徑與穴距Table 4 Hole diameter and hole spacing for the seed spout with different bottom plate inclination angle

此外，隨著吸種滾筒轉速的增大，不同底板傾角導種管的排種穴粒數合格率、漏播率及重播率的差異逐漸增大。73°底板傾角的導種管，其穴粒數合格率隨著吸種滾筒轉速的增大而大幅下降；漏播率和重播率均隨著吸種滾筒轉速的增大而大幅上升。而采用 77°的導種管排種時，隨著吸種滾筒轉速的增大，排種器的穴粒數合格率稍有下降，但均高于 90.0%，漏播率和重播率略有波動，分別小于2.2%和 8.0%?？梢姡^大底板傾角的導種管能大幅降低稻種投種速度增大對排種器排種性能的影響，對不同排種頻率具有較好的適應性。

綜上，采用 77°底板傾角的導種管，所得穴粒數合格率、漏播率、重播率、穴徑平均值、穴徑合格率及穴距變異系數等均優(yōu)于 73°的導種管，其優(yōu)勢隨著吸種滾筒轉速的增大而愈發(fā)明顯，且排種效果在不同排種頻率下均較為穩(wěn)定，各性能指標均滿足雜交稻精量穴直播的種植農藝要求。

由圖 8 可知，水稻內充氣力式排種器在試驗參數范圍內穴粒數頻數基本呈以每穴 3 粒稻種為中心的正態(tài)分布，每穴 3 粒稻種的頻數接近統(tǒng)計樣本總穴數 250 穴的一半，且統(tǒng)計樣本穴粒數平均值為 3.21，說明導種過程仿真分析中每穴 3 個顆粒的設置具有一定的合理性。

圖8 不同底板傾角導種管的排種穴粒數頻數Fig.8 Frequency of se eds number per hole for the s eed spou t with different bottom plate inclination angle

4 結論

根據水稻內充氣力式精量穴播排種器“內充內投”的結構特點，通過對稻種投種過程的運動學分析與理論投種軌跡構建，設計的具有投種軌跡特征形狀的導種管，滿足排種器的精量定距成穴導種要求。

導種過程仿真分析表明，每穴顆粒排出最大時間差與相鄰穴時間間隔變異系數均隨導種管底板傾角減小和吸種滾筒轉速增大而增大；臺架排種試驗表明，穴徑平均值與穴距變異系數均隨導種管底板傾角減小和吸種滾筒轉速增大而增大，與仿真試驗結果相吻合，皆表現為導種管底板傾角越大、吸種滾筒轉速越小，排種器的排種成穴性與均勻性越好。當導種管底板傾角為 77°時，排種性能穩(wěn)定性較好，穴粒數合格率大于90.0%，漏播率低于2.2%，重播率小于8.0%，穴徑平均值小于28.33 mm，穴徑合格率均值大于91.33%，穴距平均值在理論穴距 200.00 mm 左右小幅波動，穴距變異系數小于 11.10%，可適應當前水稻穴直播機的一般前進速度與播種性能要求。