秦 鋒,劉大為,2,楊 靖,李 旭,2,符志勇,龔 明
(1.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410128;2.智能農(nóng)機(jī)裝備湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410128;3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南方智能育秧(苗)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 益陽(yáng) 413055 )
水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一,每年種植面積在3 000 萬(wàn)hm2以上,產(chǎn)量約2 億t,全國(guó)每年直接消耗大米約1.3~1.4 億t,所以保障水稻持續(xù)穩(wěn)增高產(chǎn)對(duì)糧食安全具有重大意義[1-3]。根據(jù)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在2021 年統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)顯示,當(dāng)前我國(guó)主要三大糧食作物小麥、玉米、水稻綜合機(jī)械化率均達(dá)到較高水平,小麥和玉米超過(guò)90%,水稻耕種綜合機(jī)械化率為85%。然而,水稻種植機(jī)械化率仍為短板,其中育秧環(huán)節(jié)是水稻種植的關(guān)鍵。在2021 年我國(guó)的水稻種植機(jī)械化率僅為58.5%。國(guó)家在“十四五”規(guī)劃戰(zhàn)略中明確指出,到2025年,水稻種植機(jī)械化率要提高至65%,由此可見(jiàn)水稻種植機(jī)械化是實(shí)現(xiàn)水稻全程機(jī)械化的重中之重,需要發(fā)揮好育秧移栽在水稻種植領(lǐng)域的主體地位[4-5]。
現(xiàn)階段水稻機(jī)械化育秧方式主要有田間育秧和工廠化育秧2 種,其中以工廠化育秧流水線為主。播種流水線主要由供盤(pán)、鋪床土、壓穴、淋水、播種、覆土等流程組成,其播種排種器是整套設(shè)備上的核心部件之一,因此開(kāi)發(fā)低損、高效、精量的水稻排種器對(duì)促進(jìn)水稻機(jī)械化發(fā)展具有重要作用[6]。
在水稻種植領(lǐng)域,主要有育秧移栽和水稻直播2種形式。美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家因其人均耕作面積大,地廣人稀,其水稻種植普遍采用直播,秧盤(pán)育秧播種設(shè)備較少,主要以飛機(jī)撒播和條播機(jī)條播為主[7]。相比于歐美國(guó)家大面積采用直播的方式種植水稻,亞洲地區(qū)則以育秧移栽為主[8]。在水稻育秧領(lǐng)域,亞洲的日、韓兩國(guó)形成了一套標(biāo)準(zhǔn)化的育秧流程和操作模式,其相關(guān)農(nóng)機(jī)企業(yè)所生產(chǎn)的育秧播種設(shè)備在全球農(nóng)機(jī)市場(chǎng)占有較高水平。例如,日本矢崎、久保田等株式會(huì)社所生產(chǎn)制造的自動(dòng)化秧盤(pán)育秧播種機(jī)適用于常規(guī)稻和雜交稻的育秧,可以一次性完成秧盤(pán)鋪土、灑水、播種、覆土等工序,播種效果好,自動(dòng)化程度高[9-11]。國(guó)外主要育秧播種裝備類(lèi)型及特點(diǎn)如表1 所示。
表1 國(guó)外主要育秧播種裝備類(lèi)型及特點(diǎn)
綜合來(lái)看,日本和韓國(guó)在亞洲水稻育秧裝備的發(fā)展上處于領(lǐng)先地位,播種機(jī)排種器的類(lèi)型大多以機(jī)械槽輪式或窩眼型孔輪式為主[12],其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、播種穩(wěn)定性好,但是整機(jī)引進(jìn)價(jià)格較高,在國(guó)內(nèi)推廣速度較為緩慢。
水稻秧盤(pán)育苗的主要成秧形式有毯狀苗、缽體毯狀苗及缽體苗3 類(lèi),育秧播種量影響著不同的成秧形式。從相關(guān)研究文獻(xiàn)中了解到,常規(guī)稻的育秧播種,按相關(guān)農(nóng)藝要求缽體穴盤(pán)育秧每穴3~6 粒稻種,毯狀盤(pán)播量控制在120~160 g 左右;雜交稻需實(shí)現(xiàn)低用種量、精量播種,理論上要求缽體盤(pán)每穴1~4 粒,毯狀盤(pán)每盤(pán)需要70~100 g。育秧播種排種器是整個(gè)播種機(jī)的核心部件,通過(guò)優(yōu)選排種器形式以滿(mǎn)足不同水稻播種的技術(shù)要求。當(dāng)前,排種器從結(jié)構(gòu)和原理上主要分為機(jī)械式排種器、振動(dòng)式排種器、氣力式排種器等類(lèi)型[13-14],3 類(lèi)育秧播種排種器類(lèi)型及特點(diǎn)如表2 所示。
表2 育秧播種排種器類(lèi)型及特點(diǎn)
在上個(gè)世紀(jì)八十年代初期,我國(guó)開(kāi)始研制各種類(lèi)型的水稻育秧播種設(shè)備,水稻育秧播種排種器的主要結(jié)構(gòu)有槽輪式、窩眼型孔輪式、凸棒式等機(jī)械式排種器[15],其結(jié)構(gòu)分別如圖1~ 4 所示。
圖1 直槽輪式排種器
圖2 斜槽輪式排種器
圖3 窩眼型孔輪式排種器
圖4 凸棒式排種器
槽輪式排種器主要分為直槽輪式排種器和斜槽輪式排種器。直槽輪式排種器在排種滾芯上布置的直線型線槽,播種時(shí)種子受重力作用從種箱落入型槽充種,隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)強(qiáng)制排種;斜槽輪式和直槽輪排種器整體結(jié)構(gòu)類(lèi)似,區(qū)別在于斜槽式型槽成傾斜排布。槽輪式排種輪在育秧播種機(jī)上應(yīng)用廣泛,中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的一種水稻穴盤(pán)育秧播種機(jī)和蘇恒昌農(nóng)機(jī)科技有限公司開(kāi)發(fā)的2BL-280A 型全自動(dòng)育秧播種流水線,其上的播種部件均采用了外槽輪式排種器,結(jié)構(gòu)緊湊,播種時(shí)設(shè)備穩(wěn)定性好,但槽輪式排種器因其線型槽之間存在間距,播種后種子存在脈動(dòng)性會(huì)造成播量不均的現(xiàn)象[16-17]。
窩眼型孔輪式排種器通常在排種輪的外圓周表面加工不同形狀型孔,根據(jù)不同的型孔深度或直徑尺寸適用于不同水稻品種播種要求,種子充滿(mǎn)型孔空腔,隨排種滾芯轉(zhuǎn)動(dòng)播種,可以實(shí)現(xiàn)育秧盤(pán)穴播和條播的精量播種。
杭州塞得林有限公司[18]為實(shí)現(xiàn)水稻秧盤(pán)播種,研制了一款矩形窩眼型孔式播種裝置,如圖5 所示,該裝置主要由排種滾芯、毛刷、振動(dòng)器、護(hù)種板、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成,排種滾芯沿著外圓周徑向均勻分布矩形型孔,充種后在柔性護(hù)種板的夾持作用下攜帶種子至投種區(qū)域,整個(gè)過(guò)程減少了種子磨損,提高了播種質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了常規(guī)稻無(wú)損條播的育秧要求。
圖5 矩形窩眼型孔式播種排種器
華中農(nóng)業(yè)大學(xué)姜锍[19]針對(duì)機(jī)械槽輪式排種器傷種率較高的情況,設(shè)計(jì)了一種型孔深度可調(diào)水稻排種器,如圖6(a)所示,通過(guò)調(diào)節(jié)排種器內(nèi)部的活塞改變滾筒輪上型孔的深度,在型孔底部開(kāi)有氣孔,依靠每個(gè)型孔底部的氣孔吸附稻種,充種時(shí)活塞下移增加型孔深度;當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到投種位置時(shí)活塞上移型孔深度減小,型腔內(nèi)的種子被推出完成投種。圖6(b)為排種器型孔內(nèi)部截面結(jié)構(gòu),其形狀為徑向圓柱型通孔,在研究中發(fā)現(xiàn)型孔傾斜角度對(duì)排種器的充種性能起著至關(guān)重要的作用,過(guò)大的傾角易使稻種卡種,過(guò)小則導(dǎo)致稻種充種不及時(shí),影響充種效率。此排種器在運(yùn)作時(shí)因可以改變其型孔深度,減緩了水稻芽種機(jī)械受力程度,降低了稻種碰撞損傷率。但整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,排種穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高。
圖6 型孔深度漸變式水稻排種器
南京農(nóng)業(yè)大學(xué)何麗楠[20]針對(duì)傳統(tǒng)槽輪排種輪播種后種子不均勻的問(wèn)題,提出了一種適應(yīng)水稻和小麥2 種作物播種的螺旋槽輪式排種器,如圖7 所示,利用一種旋轉(zhuǎn)手柄鑲嵌入螺旋凹槽內(nèi),調(diào)節(jié)手柄可以改變排種輪的作業(yè)長(zhǎng)度,實(shí)現(xiàn)對(duì)稻麥不同播種量的調(diào)節(jié)。但該螺旋槽輪式排種器在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)播種的調(diào)節(jié)范圍較小,使用的稻麥谷種是脫水后的干種,需要進(jìn)一步驗(yàn)證種子在出芽時(shí)的播種效果。
張明華、王在滿(mǎn)等[21-22]針對(duì)常規(guī)水稻排種器存在漏播空穴的問(wèn)題,研制了一種大小型孔組合式排種器,如圖8 所示。此排種器在排種輪的圓周上均勻分布瓢型形狀的大小2 種型孔,工作時(shí)水稻稻種在第一充種區(qū)域填充型孔,完成此過(guò)程后排種輪逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)種子至第二充種區(qū)域,當(dāng)?shù)谝怀浞N區(qū)域存在空穴的型孔時(shí),在第二充種區(qū)域進(jìn)行重復(fù)補(bǔ)種。這種組合型孔式水稻排種器可以滿(mǎn)足常規(guī)稻及雜交稻的播種要求,播種量可根據(jù)要求快速調(diào)節(jié),二次補(bǔ)種的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使播種漏播率低,播種合格率高,很大程度上減少了空穴的情況。
圖8 組合型孔式排種器
振動(dòng)式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作、對(duì)種子的外形尺寸適應(yīng)性強(qiáng)、傷種率低、播種效果好。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)鹿芳媛等[23]為提高在低播量下的水稻播種精度,設(shè)計(jì)了一種兩級(jí)雙振動(dòng)式水稻精密排種器,如圖9 所示,即在種箱底部安裝電磁振動(dòng)器實(shí)現(xiàn)定量供種,在排種V 型槽板接上一個(gè)氣動(dòng)振動(dòng)器進(jìn)行振動(dòng)勻種,從而保證在排種槽盤(pán)上形成均勻連續(xù)的種子流,可以準(zhǔn)確地落入到下方運(yùn)輸線的育秧盤(pán)種中。該類(lèi)型排種器在其研制的2SJB-500 水稻播種流水線上得以應(yīng)用,對(duì)于毯狀缽體秧盤(pán)播種適應(yīng)效果好、均勻性高,但播種效率較低、速度較慢[24]。
圖9 兩級(jí)雙振動(dòng)式水稻精密排種器
為精量調(diào)節(jié)水稻育秧播種時(shí)種子的用量需求,李志偉等[25]研制出一種電磁振動(dòng)式水稻穴盤(pán)播種排種器,如圖10 所示,該播種裝置主要由供種箱、調(diào)速電動(dòng)機(jī)、排種輪、電磁振動(dòng)器、振動(dòng)排種盤(pán)等組成,作業(yè)時(shí),電機(jī)控制外槽輪排種輪定量供種,可根據(jù)生產(chǎn)需要調(diào)節(jié)種量,落種精度高。
圖10 電磁振動(dòng)式水稻穴盤(pán)播種排種器
中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研究員袁昊等[26]為提高育秧播種排種器對(duì)超級(jí)雜交稻的播種性能,開(kāi)發(fā)了一種壓電振動(dòng)式播種設(shè)備,如圖11 所示,該排種器主要由種箱、排種輪電機(jī)、供種輪電機(jī)、振動(dòng)板等部件組成,通過(guò)分析壓電振動(dòng)式模型以及稻種在振動(dòng)板上的運(yùn)動(dòng)機(jī)理,優(yōu)化并確定了振幅、種箱內(nèi)稻種深度等主要參數(shù),在不同播量的條件下實(shí)現(xiàn)種子振動(dòng)板上的單行有序均勻供種,為超級(jí)雜交稻精量穴盤(pán)育秧播種排種器的研究提供了理論基礎(chǔ)。整機(jī)的性能試驗(yàn)表明對(duì)雜交稻精量播種適應(yīng)性良好,但未對(duì)其他品種水稻做播種性能試驗(yàn)。
圖11 壓電振動(dòng)式播種排種設(shè)備
氣力式排種器主要是通過(guò)正負(fù)氣流壓力差完成取種與投種,相比于機(jī)械式和振動(dòng)式播種方式,氣力式更能滿(mǎn)足精量播種的要求,對(duì)種子的外形形狀適應(yīng)性好,大幅減少種子損傷的情況。氣吸式排種器主要分為吸針式、吸板式以及氣吸滾筒等類(lèi)型。吸針式排種器在蔬菜、花卉等種子播種時(shí)運(yùn)用較多,水稻育秧播種以吸盤(pán)式和氣吸滾筒式排種器為主要結(jié)構(gòu)[27]。王勝等[28]發(fā)明了一種氣吸板式水稻育秧排種器,如圖12 所示。通過(guò)設(shè)置在吸種板上的吸嘴內(nèi)氣壓變化產(chǎn)生吸力吸種,種箱推桿的上下移動(dòng)以及吸種板的反復(fù)來(lái)回翻轉(zhuǎn)完成稻種的充種和排種動(dòng)作。這種氣吸板式排種器可以實(shí)現(xiàn)精量播種,解決了雜交稻播種時(shí)用種量大的問(wèn)題,播種效益好,但排種器的氣路設(shè)計(jì)復(fù)雜,且需要來(lái)回往復(fù)取種,播種效率較低。
圖12 氣吸板式水稻育秧排種器
為解決吸種盤(pán)氣孔易堵造成種子吸附不穩(wěn)的問(wèn)題,龔智強(qiáng)等[29]設(shè)計(jì)了一種皮帶傳送氣吸振動(dòng)式水稻排種器,如圖13 所示,通過(guò)安裝在篩分網(wǎng)孔板上的振動(dòng)器有規(guī)律的振動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)種子和雜質(zhì)的分離,落入排種盤(pán)的稻種在振動(dòng)作用下呈現(xiàn)“沸騰”狀態(tài),此時(shí)吸種盤(pán)上分布的吸孔均勻吸附種子,配合投種裝置實(shí)現(xiàn)定量播種。此水稻排種器結(jié)合氣吸振動(dòng)原理減少播種時(shí)種子用量,可同時(shí)剔除稻種中其他雜質(zhì),播種時(shí)的作業(yè)效率達(dá)到309 盤(pán)/h 以上。
圖13 皮帶傳送氣吸振動(dòng)式水稻排種器
南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所[30]為改善水稻育秧環(huán)節(jié)中種子落種時(shí)精度低、隨機(jī)性高等情況,設(shè)計(jì)研發(fā)了一款氣吸滾筒式育秧播種裝置,如圖14 所示,其播種原理是通過(guò)吸種滾筒內(nèi)部連通負(fù)壓氣體空心軸,滾筒表面軸向排列吸種氣孔,工作時(shí)在負(fù)壓氣室的作用下,吸種孔將振動(dòng)種箱內(nèi)跳動(dòng)的種子吸附,然后吸種滾筒繞空心軸旋轉(zhuǎn)至播種區(qū)域,斷開(kāi)氣壓,種子受重力作用下落至秧盤(pán)播種。此氣吸滾筒排種器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)穴精確播種,可以滿(mǎn)足60 g 左右每盤(pán)的毯狀秧盤(pán)雜交稻播種和1~2 穴缽體苗精量播種。
圖14 氣吸滾筒式育秧播種裝置
水稻稻種因其外形呈現(xiàn)“中間粗大,兩端尖細(xì)”的紡錘型結(jié)構(gòu),通常在優(yōu)化設(shè)計(jì)不同排種器結(jié)構(gòu)時(shí)需要系統(tǒng)分析種子在充種、囊種、攜種和投種各個(gè)階段的運(yùn)動(dòng)受力情況,而每次搭建試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)播種效果則要消耗較高的人力、物力及時(shí)間成本,現(xiàn)階段主要通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件仿真分析排種器的工作情況,簡(jiǎn)化試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程??紤]到水稻的外形特征,相關(guān)理論研究主要通過(guò)離散元和氣固耦合仿真模擬排種器的作業(yè)過(guò)程。
EDEM 離散元軟件在工業(yè)礦石、粉末、農(nóng)業(yè)物料等離散顆粒體研究領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,對(duì)于模擬分析谷物排種器中顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和谷物與機(jī)械部件作用過(guò)程的研究發(fā)揮了重要作用[31]。采用離散元仿真可以對(duì)整個(gè)播種過(guò)程進(jìn)行虛擬研究分析,得到不同排種結(jié)構(gòu)、參數(shù)、運(yùn)動(dòng)軌跡等多種因素對(duì)排種器播種性能的關(guān)系。
李曉冉等[32]針對(duì)水稻、小麥和油菜3 種籽粒外形差異大且稻麥種子種群流動(dòng)性差的問(wèn)題,運(yùn)用EDEM離散元仿真建模分析不同型孔、轉(zhuǎn)速下種群的流動(dòng)狀態(tài),得到了型孔型腔的最優(yōu)取值及穩(wěn)定播種的轉(zhuǎn)速范圍。鹿芳媛等[33]采用離散元分析對(duì)水稻育秧播種機(jī)的振動(dòng)供種裝置進(jìn)行模擬,標(biāo)定了水稻芽種在仿真模型中接觸參數(shù),后續(xù)又基于離散元研究了稻種在種箱的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,確定了振動(dòng)頻率和振幅的最優(yōu)參數(shù)范圍,在頻率為57~59 Hz 時(shí)排種效果較好。
對(duì)于氣力式排種器,常規(guī)的仿真方法較難模擬出復(fù)雜的氣流動(dòng)態(tài)效果,為明確氣吸式排種器氣流場(chǎng)的分布規(guī)律,現(xiàn)可利用流體力學(xué)軟件Fluent 和EDEM離散元耦合仿真技術(shù)分析排種器工作過(guò)程[34-36]。
張敏等[37]為優(yōu)化吸盤(pán)式水稻育秧排種器吸孔結(jié)構(gòu)和參數(shù),對(duì)3 種形狀的型孔在不同氣流場(chǎng)下進(jìn)行仿真分析,F(xiàn)luent 數(shù)值模擬預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合,為結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇提供了有效參考。趙湛等[38]為精準(zhǔn)控制吸種位置,采用氣固兩相流(CFDDEM)耦合完成了吸種過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真,分析計(jì)算了水稻籽??臻g分布情況和離散系數(shù),確定了吸種位置和調(diào)節(jié)距離,提高了整體育秧播種性能。
我國(guó)對(duì)育秧播種機(jī)械設(shè)備的研究起步較晚,早期研制的設(shè)備大多是從國(guó)外引進(jìn),在吸收借鑒其技術(shù)成果后逐步開(kāi)發(fā)出了適用于本國(guó)的育秧播種機(jī)型,使得育秧播種技術(shù)發(fā)展迅速[39],但當(dāng)前水稻排種器的結(jié)構(gòu)對(duì)稻種的適應(yīng)性上還有進(jìn)一步提升的空間,存在的主要問(wèn)題如下:
1)育秧播種機(jī)排種器的結(jié)構(gòu)形式較為單一。當(dāng)前的水稻育秧排種方式主要是機(jī)械槽輪(窩眼輪)式為主,受槽型和窩眼型孔結(jié)構(gòu)的限制,存在播種不均勻,播種量不能精確控制等缺陷,難以滿(mǎn)足精量播種要求[40];氣吸式結(jié)構(gòu)播種效率較低,且使用成本較高。
2)育秧播種排種器性能的檢測(cè)監(jiān)控功能不完善。當(dāng)前水稻排種器的總體性能較過(guò)去已經(jīng)有了很大提升,但仍存在水稻播種后秧盤(pán)內(nèi)種子分布不均,漏播、空穴等情況,而目前市面上的水稻育秧播種設(shè)備中對(duì)播種質(zhì)量和排種性能檢測(cè)的功能較少,對(duì)后期秧苗成苗率無(wú)法做到及時(shí)預(yù)測(cè)[41]。
3)排種器難以滿(mǎn)足對(duì)不同水稻品種播種要求,對(duì)種子的適應(yīng)性差。目前在使用的育秧播種機(jī)對(duì)常規(guī)稻的播種效果較好,但對(duì)長(zhǎng)粒型秈稻品種及雜交稻品種播種效果較差。
隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平已經(jīng)邁上新的臺(tái)階,隨著育秧播種領(lǐng)域不斷取得突破,也為未來(lái)播種排種器的研究發(fā)展提供了新的思路。
1)研制精密度高、播種損失率低的排種器。未來(lái)需要持續(xù)優(yōu)化排種器的結(jié)構(gòu)特征,提高播種后水稻稻種分布的均勻性,同時(shí)播種機(jī)能適應(yīng)不同水稻品種的播種要求,提高育秧播種設(shè)備綜合性能。
2)增加排種器的性能檢測(cè)功能。水稻稻種因其特殊的外形結(jié)構(gòu),在播種的作業(yè)中極易發(fā)生重播或者漏播、空穴等情況,在高速播種的過(guò)程中為降低重播率和空穴率,在播種段需要增加種子智能在線檢測(cè)裝置。通過(guò)智能監(jiān)控可以及時(shí)有效的發(fā)現(xiàn)重播、漏播的情況,從而能及時(shí)調(diào)整播種參數(shù)實(shí)時(shí)補(bǔ)種,實(shí)現(xiàn)播種量的精細(xì)控制,提高后期秧苗成活率。
3)發(fā)展通用性好的復(fù)合型播種機(jī)具。目前水稻播種機(jī)只適用于水稻這一種作物,未來(lái)可以設(shè)計(jì)適用于多種作物的播種排種器,關(guān)注播種輔助設(shè)備的研發(fā),如在整個(gè)秧盤(pán)育秧播種過(guò)程中,可以設(shè)計(jì)增加自動(dòng)供種和回收裝置以及秧盤(pán)基質(zhì)土的篩分除雜設(shè)備,提高播種過(guò)程的生產(chǎn)效率[42]。