U型腔道式水稻精量穴播排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

張 順 李 勇 王浩宇 廖 娟 李兆東 朱德泉

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 合肥 230036； 2.安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230036)

0 引言

精量穴直播技術(shù)能按水稻品種所需的行距、穴距及穴粒數(shù)精準(zhǔn)成穴地將稻種播于田間，有利于后期稻株形成高光效的田間群體結(jié)構(gòu)，且便于田間管理，是實(shí)現(xiàn)水稻直播種植穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的主要途徑之一[1-2]。

機(jī)械化精量穴直播技術(shù)的關(guān)鍵部件是排種器。按其工作原理排種器主要分為機(jī)械式和氣力式排種器。氣力式排種器利用無(wú)剛性氣體的流動(dòng)特性對(duì)種子進(jìn)行定量吸附或壓附，具有對(duì)種子外形適應(yīng)性強(qiáng)、傷種輕等優(yōu)勢(shì)[3-7]，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、氣室密封性及氣源穩(wěn)定性要求高、吸孔易堵塞等問(wèn)題。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢視維修方便，能適應(yīng)振動(dòng)、多塵甚至高濕的田間播種環(huán)境等，是常規(guī)播種速度下排種器的主要發(fā)展方向之一。研究者相繼研究了多種結(jié)構(gòu)形式的排種器，并應(yīng)用于水稻直播中，如螺旋輸送式、拋擲成穴式、偏心頂桿式等水稻直播排種方法[8-10]。夏俊芳等[11]提出一種振動(dòng)閥門(mén)配合槽輪式排種器的排種方法，可有效防止排種時(shí)的種群架空和堵塞現(xiàn)象，滿足水稻芽種條播作業(yè)要求；田立權(quán)等[12]設(shè)計(jì)了一種具有鉤勺形輪廓的螺旋槽排種輪，明確了螺旋槽的適宜長(zhǎng)度與升角；羅錫文等[13]通過(guò)試驗(yàn)研究了不同型孔樣式的排種輪，并確定瓢形型孔排種輪的排種性能最佳。為適應(yīng)雜交稻、常規(guī)稻等品種不同穴播量的要求，文獻(xiàn)[14-15]在瓢形型孔排種輪的基礎(chǔ)上，提出了組合型孔輪式排種器，擴(kuò)大了瓢形型孔排種輪的適用范圍。為減小稻種在排種過(guò)程中的損傷，羅錫文等[16]提出了一種彈性隨動(dòng)護(hù)種帶，王沖等[17]設(shè)計(jì)了同步柔性膠帶護(hù)種器。

3D打印快速成型技術(shù)的成熟及其在農(nóng)業(yè)裝備上的應(yīng)用，為排種機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新研究提供了新思路，使符合種子形狀特征及其穴播特性的異形型孔研制成為可能。為適應(yīng)常規(guī)稻每穴播種3～8粒的精量穴直播要求[12,18]，本文以簡(jiǎn)化排種機(jī)構(gòu)為目標(biāo)，借鑒上述研究成果，提出一種充種口與投種口分開(kāi)但相通的腔道式排種盤(pán)，利用腔道的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律輔助排種器攜種，縮短稻種與護(hù)種裝置的接觸弧長(zhǎng)，以降低或避免稻種損傷。為評(píng)價(jià)該排種器的排種性能，并明確其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，以排種合格率、漏播率、破損率等為性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行排種器臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)，以期為腔道式排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化及整機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

1 結(jié)構(gòu)與工作原理

U型腔道式水稻精量穴播排種器主要由右殼體、排種盤(pán)、排種軸、左殼體、護(hù)種板、支座等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of seed-metering device1.限種板 2.透明有機(jī)玻璃板 3.右殼體 4.排種盤(pán) 5.排種軸 6.左殼體 7.護(hù)種板 8.支座 9.鏈輪 10.卸種板

由于具有U型腔道結(jié)構(gòu)特征的排種盤(pán)和帶有進(jìn)種管的右殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)加工困難，因此采用3D打印方法制成，材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile-butadine-styrene, ABS塑料)，左殼體采用鋁合金機(jī)加工制成。

排種器工作過(guò)程分為充種、攜種和投種3個(gè)主要階段，如圖2所示。在進(jìn)行排種作業(yè)前，將限種板調(diào)至合適高度，稻種由播種機(jī)上的種箱經(jīng)進(jìn)種管流入右殼體腔室中。排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，充種區(qū)的稻種在自身重力和種群側(cè)壓力的作用下通過(guò)排種盤(pán)側(cè)面上的充種口充入型孔中，經(jīng)過(guò)充種區(qū)的型孔從種群中囊取足量稻種；當(dāng)型孔隨排種盤(pán)運(yùn)動(dòng)至攜種區(qū)時(shí)，堆積在型孔充種口處而未囊入型孔內(nèi)的過(guò)量稻種，在自身重力、離心力及型孔內(nèi)稻種對(duì)其推擠力的作用下回落到右殼體腔室中，型孔內(nèi)剩余稻種在排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)下順勢(shì)流入U(xiǎn)型腔道內(nèi)，并在腔道內(nèi)匯集；隨著排種盤(pán)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，U型腔道中匯集的稻種進(jìn)入具有護(hù)種板的攜種區(qū)，護(hù)種板與排種盤(pán)圓弧側(cè)面緊密貼合，避免腔道投種口處匯集的稻種在攜種區(qū)滑出；當(dāng)腔道投種口運(yùn)動(dòng)至投種區(qū)時(shí)，由于失去護(hù)種板的圍護(hù)，稻種在自身重力的作用下從腔道內(nèi)投出并落入由播種機(jī)開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝內(nèi)，完成穴播排種作業(yè)。

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle of seed-metering device1.排種盤(pán) 2.左殼體 3.護(hù)種板

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 排種盤(pán)

精簡(jiǎn)排種機(jī)構(gòu)，減少排種環(huán)節(jié)是排種器發(fā)展的重要方向之一。為減少排種環(huán)節(jié)中排種機(jī)構(gòu)對(duì)稻種的撞擊、摩擦、擠壓等造成的種子破損，并適應(yīng)水稻精量穴直播的種植農(nóng)藝要求，采用具有U型腔道結(jié)構(gòu)特征的排種盤(pán)，將型孔充種口與投種口通過(guò)U型腔道連接，利用側(cè)向充種及種子自重清種的方式，省去傳統(tǒng)機(jī)械式排種器的清種裝置；借助腔道的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，減少攜種區(qū)稻種與護(hù)種板的接觸弧長(zhǎng)，并匯集一穴內(nèi)的多粒稻種；投種口位于排種盤(pán)的側(cè)面，實(shí)現(xiàn)排種器低位投種，有利于同穴多粒稻種成穴排出。U型腔道結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖3所示。

圖3 U型腔道結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of U-shaped cavity

根據(jù)圖3中的幾何關(guān)系可知

(1)

式中θ——單側(cè)腔道所對(duì)應(yīng)的圓心角，(°)

s——U型腔道彎折處圓心與排種盤(pán)圓心的距離，mm

r1——U型腔道彎折處外徑，mm

x——U型腔道彎折處圓心與型孔圓弧段圓心所在圓的徑向距離，mm

l——型孔圓弧段圓心所在圓的半徑，mm

h——腔道底部與型孔圓弧段圓心所在圓的徑向距離，定義為腔道深度，mm

整理得

(2)

排種盤(pán)軸向截面內(nèi)，周向腔道數(shù)k與其單側(cè)對(duì)應(yīng)的圓心角θ、腔道間隔圓心角α有關(guān)，即

(3)

直播機(jī)田間作業(yè)時(shí)，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速n與直播機(jī)前進(jìn)速度v的關(guān)系為

(4)

式中Ls——播種穴距，取140 mm[14-15]

由式(2)、(3)可知，當(dāng)腔道彎折處外徑r1與腔道間隔圓心角α一定時(shí)，增大型孔圓弧段圓心所在圓半徑l，減小腔道深度h，可減小腔道單側(cè)對(duì)應(yīng)圓心角θ，從而增大排種盤(pán)周向腔道數(shù)k。由式(4)可知，當(dāng)直播機(jī)前進(jìn)速度v和播種穴距Ls一定時(shí)，排種盤(pán)作業(yè)轉(zhuǎn)速n與周向腔道數(shù)k成反比，增大排種盤(pán)周向腔道數(shù)，可降低其作業(yè)轉(zhuǎn)速，提高型孔的充種效果[19]。因此，增大排種盤(pán)直徑，使型孔位置盡量遠(yuǎn)離排種盤(pán)圓心，并減小腔道深度，可盡量多地分布U型腔道。參考當(dāng)前排種盤(pán)直徑一般在80～260 mm[20]的經(jīng)驗(yàn)，本文取排種盤(pán)直徑為160 mm，并設(shè)計(jì)型孔圓弧段圓心所在圓半徑l為74 mm。

2.2 U型腔道

2.2.1U型腔道尺寸

U型腔道式精量穴播排種器與常見(jiàn)機(jī)械式排種器的工作原理類似，依靠固定尺寸的型孔從種群中囊取定量的稻種，因此，稻種的外形尺寸是其型孔和腔道設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。本文選取水稻直播種植使用范圍較廣的常規(guī)稻品種“黃華占”作為排種對(duì)象，其含水率(濕基)為11.85%，千粒質(zhì)量為21.56 g，平均三軸尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為9.36 mm×2.17 mm×1.90 mm，長(zhǎng)度最大值為10.39 mm。

U型腔道在排種過(guò)程中具有攜種和匯聚同穴多粒稻種的作用，可縮短排種環(huán)節(jié)中護(hù)種裝置與稻種的接觸弧長(zhǎng)，降低稻種表殼磨損概率。為使稻種在腔道中順暢滾動(dòng)或滑動(dòng)，避免卡種阻流現(xiàn)象，在同等對(duì)邊距離的前提下，設(shè)計(jì)腔道橫截面為流通量較大的正方形，且其邊長(zhǎng)c滿足

c≥1.1amax=1.1×10.39 =11.43 mm

(5)

式中amax——稻種長(zhǎng)度最大值，mm

因此，設(shè)計(jì)腔道橫截面邊長(zhǎng)為11.5 mm。為使腔道在排種盤(pán)圓周上更為緊湊，將腔道彎折180°，整體呈“U”形，其彎折處隔板將充種區(qū)域與投種區(qū)域隔開(kāi)，避免腔道內(nèi)稻種在攜種區(qū)回流至充種口滑出而導(dǎo)致漏播，并可阻滯低處充入型孔的稻種進(jìn)入投種區(qū)域，防止提前投種現(xiàn)象。根據(jù)3D打印快速成型的工藝及強(qiáng)度要求，設(shè)計(jì)隔板厚為2 mm，故腔道彎折處半徑r2為1 mm，外半徑r1為12.5 mm，如圖3所示。

2.2.2U型腔道數(shù)

由式(3)可知，盡量減少腔道間隔寬，有利于分布盡可能多的周向腔道。在確保腔道間隔強(qiáng)度前提下，取相鄰腔道間隔圓心角α為2°。由已知腔道結(jié)構(gòu)參數(shù)r1=12.5 mm，l=74 mm和α=2°，根據(jù)式(3)，利用Matlab軟件繪制腔道數(shù)k與腔道深度h的關(guān)系曲線，如圖4所示。在確保腔道深度h大于0的前提下，取腔道數(shù)k的較大值，以降低排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，故選取腔道數(shù)k為18、19和20，研究不同腔道數(shù)(即型孔數(shù))對(duì)排種性能的影響。

圖4 腔道數(shù)k與腔道深度h的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve of cavity number and cavity depth

2.3 型孔

2.3.1型孔形狀

排種器充種區(qū)中，貼近排種盤(pán)面的稻種是型孔的主要充種對(duì)象。稻種外形近似橢球體，由進(jìn)種管進(jìn)入充種區(qū)的過(guò)程中，在重力場(chǎng)作用下，主要以平躺和側(cè)臥姿態(tài)堆疊在充種區(qū)[21]。因此，貼近排種盤(pán)面的稻種主要有兩大類狀態(tài)：一類是稻種長(zhǎng)軸與排種盤(pán)面平行，如圖5中狀態(tài)1種子；另一類是稻種長(zhǎng)軸與排種盤(pán)面不平行，如圖5中狀態(tài)2和狀態(tài)3種子。當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，貼近排種盤(pán)面的稻種一端受到排種盤(pán)的持續(xù)沖擊或摩擦力FP的作用，稻種另一端受到種群間摩擦阻力Ff的作用，F(xiàn)P與Ff相對(duì)稻種質(zhì)心形成一對(duì)力偶。處于狀態(tài)2和狀態(tài)3的稻種由于力臂較長(zhǎng)，易在排種盤(pán)的帶動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，并在外側(cè)種群側(cè)壓力的作用下使稻種轉(zhuǎn)變成狀態(tài)1。而狀態(tài)1的稻種由于力臂較短，因此，其較難發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，故貼近排種盤(pán)面的稻種，其長(zhǎng)軸與排種盤(pán)運(yùn)動(dòng)方向基本一致[22]。為使不同狀態(tài)的稻種均能充入型孔，設(shè)計(jì)型孔為腰圓形，型孔長(zhǎng)度軌跡線與排種盤(pán)運(yùn)動(dòng)方向相切，型孔寬度則可限制同時(shí)充入型孔的稻種粒數(shù)，以達(dá)到一穴所需的排種量，并能適應(yīng)一定傾斜姿態(tài)的稻種充入型孔。為提高型孔的充種性能，在型孔的旋轉(zhuǎn)前進(jìn)方向一側(cè)增設(shè)弧形引種槽，如圖5所示。引種槽不僅對(duì)即將充入型孔的稻種起梳導(dǎo)作用，而且對(duì)貼近排種盤(pán)型孔處的種群具有一定的攪動(dòng)作用，有利于提高種群流動(dòng)性[23]。

圖5 稻種與排種盤(pán)接觸狀態(tài)及稻種受力示意圖Fig.5 Schematic of contact state of seed with seeding plate and force on seed

2.3.2型孔尺寸

由文獻(xiàn)[24]可知，貼近排種盤(pán)面的稻種主要在種群側(cè)壓力的作用下充入型孔，型孔充填處稻種所受的側(cè)向壓應(yīng)力為

(6)

式中σ——稻種所受的側(cè)向壓應(yīng)力，Pa

γ——物料重度，N/m3

h1——充填稻種至種群表面的距離，m

φ——稻種的內(nèi)摩擦角，(°)

則充填稻種所受的種群側(cè)壓力為

Fs=σS

(7)

式中S——排種軸向稻種截面積，m2

以排種器殼體為相對(duì)參考系，稻種充填型孔的過(guò)程可分解為型孔運(yùn)動(dòng)方向上稻種與型孔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和排種盤(pán)軸向上稻種與型孔的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示。圖中虛線橢球?yàn)榇淙胄涂椎牡痉N，實(shí)線橢球?yàn)槌淙胄涂椎牡痉N。

圖6 稻種充入型孔運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.6 Schematic of movement of seed filling into orifice

假設(shè)稻種為均質(zhì)橢球體，其質(zhì)心為其幾何中心，并在型孔充填過(guò)程中受到恒定的種群側(cè)壓力作用。在型孔運(yùn)動(dòng)方向上，稻種的相對(duì)位移為

(8)

其中

v1=2πnl

(9)

式中v1——稻種相對(duì)移動(dòng)速度，即型孔處的切向線速度，m/s

L——型孔長(zhǎng)度，mm

a——稻種長(zhǎng)度，mm

t1——稻種的相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s

同時(shí)，在排種盤(pán)軸向上，稻種充入型孔的位移為

(10)

式中t2——稻種充入型孔所需時(shí)間，s

b——稻種寬度，mm

m——稻種質(zhì)量，kg

為確保稻種順利充入型孔，應(yīng)t2≤t1，整理式(6)～(10)得

(11)

由式(11)可知，稻種充入型孔的極限轉(zhuǎn)速與型孔長(zhǎng)度L、型孔位置l、充種區(qū)種群高度h1、稻種物料特性參數(shù)(a、b、m、γ、φ)及排種軸向稻種截面積S有關(guān)。當(dāng)型孔位置、排種對(duì)象及充種區(qū)種群高度確定時(shí)，增大型孔長(zhǎng)度可提高稻種充填型孔的極限轉(zhuǎn)速，即有利于稻種順利充填型孔。試驗(yàn)稻種的平均長(zhǎng)度為9.36 mm，故設(shè)計(jì)型孔長(zhǎng)度L應(yīng)不小于10 mm。

腰圓形型孔的寬度應(yīng)能同時(shí)容納至少3層稻種，以適應(yīng)常規(guī)稻穴直播每穴播種3～8粒的播量要求，則型孔寬度

W>3b=3×2.17=6.51 mm

為探究腰圓形型孔適宜的長(zhǎng)度與寬度組合，設(shè)計(jì)型孔長(zhǎng)度為10.0、10.3、10.6 mm 3個(gè)水平，型孔寬度設(shè)計(jì)為7.0、7.3、7.6 mm 3個(gè)水平。

2.3.3型孔傾角

為提高貼近型孔處稻種的充種概率，借助待充稻種自身部分重力輔助充種的思路，在型孔沒(méi)有引種槽的一側(cè)增設(shè)傾角，使稻種更順暢地充入型孔，提高型孔的充種性能。對(duì)待充稻種進(jìn)行受力分析，如圖7所示。

圖7 充種過(guò)程稻種受力分析圖Fig.7 Force analysis of seed during filling process

型孔入口處稻種在重力G、種群側(cè)壓力Fs、型孔壁的支持力F1及摩擦力f1的共同作用下充入型孔，其力學(xué)方程式為

(12)

其中

(13)

式中ax——稻種沿型孔傾角方向加速度，m/s2

β——型孔傾角，(°)

μ——腔道材料與稻種摩擦因數(shù)，取0.55[25]

φ1——稻種滑動(dòng)摩擦角，(°)

整理式(12)、(13)得

(14)

由式(14)可知，增大型孔傾角β，ax也隨之增大，即稻種所受充入型孔的合力增大，有利于稻種充入型孔中。為探究適宜的型孔傾角，分別設(shè)計(jì)傾角為0°、5°、10°。

2.4 投種分析

充入型孔中的稻種在腔道彎折處匯集，隨后與排種盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)腔道側(cè)壁轉(zhuǎn)過(guò)水平面，并與水平面夾角大于稻種與排種盤(pán)材料的滑動(dòng)摩擦角時(shí)，在重力與離心力的作用下沿腔道側(cè)壁向下運(yùn)動(dòng)，直至與護(hù)種板接觸，并仍隨排種盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。此后，對(duì)單粒任意姿態(tài)稻種進(jìn)行受力分析，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，稻種主要受到自身重力G、離心慣性力Fr、護(hù)種板的支持力FN1和摩擦力f2以及腔道的支持力FN2，其受力分析如圖8所示。

圖8 投種過(guò)程稻種受力分析圖Fig.8 Force analysis of seed during dropping process

將稻種的受力沿其圓周運(yùn)動(dòng)法線方向與切線方向分解為

(15)

其中

(16)

式中Fx——稻種法向合力，N

Fy——稻種切向合力，N

ax1——法向加速度，m/s2

ay1——切向加速度，m/s2

ε1——稻種質(zhì)心與排種盤(pán)圓心的連線與垂直方向夾角，(°)

ε2——腔道側(cè)壁與垂直方向夾角，(°)

D——排種盤(pán)直徑，m

ω——排種盤(pán)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s

隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，腔道側(cè)壁與垂直方向夾角ε2逐漸減小，與稻種接觸一側(cè)的腔道側(cè)壁對(duì)稻種支持力FN2逐漸減弱，當(dāng)FN2=0時(shí)，在排種盤(pán)的圓周切線方向上有

f2=mgsinε1

(17)

聯(lián)立式(15)～(17)得

(18)

此后，稻種與腔道側(cè)壁開(kāi)始分離，稻種所受護(hù)種板的摩擦力逐漸增大，與其反向的重力分力逐漸減小，稻種在護(hù)種板上做加速度逐漸增大的減速運(yùn)動(dòng)，由于稻種與護(hù)種板的接觸姿態(tài)各不相同，則其所受摩擦減速程度存在差別，導(dǎo)致多粒稻種運(yùn)動(dòng)同步性下降，因此，為提高稻種投種一致性，提升排種器的成穴播種性能，投種角不宜小于ε1。當(dāng)前水稻穴播機(jī)一般的前進(jìn)速度約為3.6 km/h[15,26]，根據(jù)式(4)可知對(duì)應(yīng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為21.4～23.8 r/min，并將稻種與腔道材料的摩擦因數(shù)μ和排種盤(pán)直徑D代入式(18)得ε1為27.4°～27.7°。

3 排種性能臺(tái)架試驗(yàn)

利用JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)展排種器室內(nèi)臺(tái)架排種性能試驗(yàn)，較為準(zhǔn)確地考察排種器的多項(xiàng)排種性能，試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)油帶粘種的方式有效避免了稻種撞擊膠帶后隨機(jī)彈跳對(duì)排種性能的影響，但粘油后的稻種不能再次排種。為節(jié)省試驗(yàn)稻種，本文首先采用高速攝像儀拍攝和統(tǒng)計(jì)排種器投種區(qū)每穴排種粒數(shù)，考察排種器的漏播率、合格率、重播率及種子破損率，明確排種器較優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，然后利用JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，考察排種器的排種成穴性與穴距均勻性，明確排種器適宜的投種角。

3.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)稻種為常規(guī)稻品種“黃華占”，對(duì)稻種進(jìn)行人工除雜后排種。試驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 排種器排種性能試驗(yàn)裝置Fig.9 Test of seeding performances experiment1.排種器 2.步進(jìn)電機(jī)調(diào)速器 3.高速攝像儀 4.顯示屏 5.排種器試驗(yàn)臺(tái)綜合操作柜 6.JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式為

(19)

式中M——漏播率，%

Q——合格率，%

R——重播率，%，其中包含每穴9～10粒率和每穴大于等于11粒率

nM——一穴小于3粒稻種的總穴數(shù)

nQ——一穴3～8粒稻種的總穴數(shù)

nR——一穴大于8粒稻種的總穴數(shù)

N——每組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的總穴數(shù)

B——種子破損率，%

M1——排種器1 min排出的稻種質(zhì)量，kg

mB——所排出稻種中破損稻種的質(zhì)量，kg

CV——穴距變異系數(shù)，%

N′——樣本穴距總數(shù)

高速攝像試驗(yàn)時(shí)，每組試驗(yàn)連續(xù)拍攝并統(tǒng)計(jì)排種器穩(wěn)定排種時(shí)從投種區(qū)排出的250穴稻種；臺(tái)架排種試驗(yàn)時(shí)，每組試驗(yàn)連續(xù)統(tǒng)計(jì)排種器穩(wěn)定排種時(shí)油帶上粘附的250穴稻種的穴徑和穴距。穴徑為一穴內(nèi)兩粒相距最遠(yuǎn)稻種的直線距離，以小于等于50 mm的穴徑為合格[12-13]，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

3.3.1高速攝像試驗(yàn)

根據(jù)前文理論分析，確定影響排種器排種性能的主要因素為型孔長(zhǎng)度、型孔寬度、型孔傾角和型孔數(shù)。以上述4個(gè)主要影響因素為試驗(yàn)因素，以漏播率、合格率、重播率、稻種破損率為試驗(yàn)指標(biāo)，采用四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，開(kāi)展排種高速攝像試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)式(4)和型孔數(shù)設(shè)置成穴播機(jī)一般前進(jìn)速度3.6 km/h對(duì)應(yīng)的排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為21.4、22.6、23.8 r/min。試驗(yàn)因素及水平如表1所示，正交試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，表中A、B、C、D為對(duì)應(yīng)因素水平值。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 試驗(yàn)因素水平Tab.1 Factors and levels of experiment

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.2 Design and results of experiment

由表3可知，不同性能評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的主次影響因素差別明顯，影響漏播率的主次因素依次為：型孔傾角、型孔寬度、型孔長(zhǎng)度、型孔數(shù)；影響合格率的主次因素依次為：型孔數(shù)、型孔寬度、型孔傾角、型孔長(zhǎng)度；影響重播率的主次因素依次為：型孔數(shù)、型孔傾角、型孔寬度、型孔長(zhǎng)度。為確保水稻精量穴直播的出苗率，一般田間播種作業(yè)遵循“寧重勿漏”原則，即在滿足合格率的前提下盡量降低漏播率對(duì)生產(chǎn)實(shí)際更為有利。因此，為獲得適宜的型孔參數(shù)組合，應(yīng)側(cè)重綜合考慮上述參數(shù)對(duì)合格率和漏播率的影響。合格率的型孔數(shù)D極差(13.20)相比其余參數(shù)的極差項(xiàng)明顯較大，且漏播率的型孔數(shù)D極差(0.80)最小，說(shuō)明型孔數(shù)對(duì)合格率的影響較大，對(duì)漏播率的影響較小，因此，排種盤(pán)的型孔數(shù)D應(yīng)取D3(20個(gè))；由于漏播率的型孔長(zhǎng)寬及傾角的各項(xiàng)極差對(duì)應(yīng)合格率的各自極差項(xiàng)均偏小，若較優(yōu)組合取C3B3A3D3，對(duì)比表2中3號(hào)(C3B3A1D3)試驗(yàn)結(jié)果可知，在3號(hào)試驗(yàn)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，型孔長(zhǎng)度A再取高水平，即增大型孔長(zhǎng)度，將無(wú)助于合格率的大幅提升，反而會(huì)提高重播率，進(jìn)一步增大每穴大于等于11粒稻種的過(guò)度重播概率，從而降低合格率。

表3 極差分析結(jié)果Tab.3 Results of range analysis

此外，極差分析結(jié)果中合格率較優(yōu)組合為D3B2C1A1，對(duì)比表2中8號(hào)(D3B2C1A3)試驗(yàn)結(jié)果可知，在8號(hào)試驗(yàn)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，型孔長(zhǎng)度A再取低水平，即減小型孔長(zhǎng)度，可能會(huì)進(jìn)一步增大漏播率，甚至降低合格率，不符合水稻直播種植的生產(chǎn)實(shí)際需求；鑒于8號(hào)試驗(yàn)結(jié)果更為符合水稻直播“寧重勿漏”的播種原則，且合格率較高，綜合上述分析，型孔參數(shù)較優(yōu)組合可能是在8號(hào)(D3B2C1A3)試驗(yàn)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上略微增大型孔的寬度或傾角水平，即較優(yōu)參數(shù)組合可能為D3B3C1A3或D3B2C2A3，以期進(jìn)一步降低漏播率，并提升合格率。

為驗(yàn)證上述分析的合理性，優(yōu)選出較優(yōu)的型孔參數(shù)組合，開(kāi)展型孔參數(shù)組合D3B3C1A3、D3B2C2A3及極差分析結(jié)果中合格率較優(yōu)組合D3B2C1A1的排種性能對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同型孔參數(shù)組合試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Experiment results of different hole parameter combinations %

由表4可知，雖然3組不同型孔參數(shù)組合的排種合格率均在90%以上，但漏播率和重播率差異明顯。采用極差分析結(jié)果中型孔參數(shù)較優(yōu)組合D3B2C1A1排種時(shí)，相比表2中8號(hào)(D3B2C1A3)試驗(yàn)結(jié)果，漏播率增大，合格率降低；而采用型孔參數(shù)組合D3B3C1A3和D3B2C2A3排種時(shí)，相比8號(hào)試驗(yàn)結(jié)果，漏播率均明顯降低，合格率均有提升，這與正交試驗(yàn)分析結(jié)果相吻合，其中，在8號(hào)試驗(yàn)參數(shù)組合的基礎(chǔ)上，略微增大型孔寬度(D3B3C1A3)相比略微增大型孔傾角(D3B2C2A3)，具有更低的漏播率、更高的合格率及較低的重播率，其原因可能為：型孔寬度增大，便于多粒稻種同時(shí)充入型孔，從而更為有效地降低漏播率，且型孔傾角為零，便于多充入型孔的稻種在攜種區(qū)初始弧段清出型孔，提升合格率，降低重播率。此外，稻種在3組不同型孔參數(shù)組合下的破損率均不高于0.13%，表明排種方式較為合理，基本不損傷種子。因此，排種器適宜的型孔參數(shù)組合為D3B3C1A3，即型孔數(shù)為20，型孔長(zhǎng)度為10.6 mm，型孔寬度為7.6 mm，型孔傾角為0°。此時(shí)，排種器的漏播率為0.40%，合格率為94.00%，重播率為5.60%，其中每穴9～10粒率為4.93%，每穴大于等于11粒率為0.67%，種子破損率為0.13%，滿足常規(guī)稻精量穴直播對(duì)穴粒數(shù)的播量要求。

3.3.2排種試驗(yàn)

為考察排種器排種成穴性與穴距均勻性，尋求排種器適宜的投種角，采用型孔參數(shù)組合為D3B3C1A3的排種盤(pán)，利用JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺(jué)排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，以穴徑平均值、穴徑合格率、穴距平均值及穴距變異系數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展排種器投種角對(duì)排種均勻性影響的單因素試驗(yàn)研究。根據(jù)前文的投種分析，選取投種角為18°、23°、28°、33°、38°共5個(gè)水平，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值，試驗(yàn)結(jié)果及方差分析結(jié)果如表5所示。

表5 臺(tái)架排種試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of bench experiment

由表5可知，不同投種角下，排種器穴播效果相近，穴徑平均值不高于30.18 mm，穴徑合格率不低于94.13%，穴距平均值均十分接近理論穴距140 mm，穴距變異系數(shù)不高于9.53%，均能滿足常規(guī)稻穴直播種植的定距成穴排種要求。但投種角對(duì)穴徑平均值和穴徑合格率影響均極顯著，對(duì)穴距變異系數(shù)影響顯著，表明U型腔道式穴播排種器的投種角度影響其穴播效果，且其穴播性能存在一定的變化趨勢(shì)，即隨著投種角的增大，其穴徑平均值和穴距變異系數(shù)均先減小后增大，穴徑合格率先增大后減小。分析原因可能為：當(dāng)投種角過(guò)低時(shí)，稻種投種前所受護(hù)種板的摩擦力增大，使一穴多粒稻種運(yùn)動(dòng)同步性變差的概率增大，投種時(shí)一致性降低，如圖10a所示，導(dǎo)致排種成穴性與穴距均勻性偏差，這與前文的投種分析相吻合。當(dāng)投種角增大至28°～33°時(shí)，排種成穴性與穴距均勻性均較好，投種前，稻種在護(hù)種板與腔道側(cè)壁鄰近處有適宜的集聚時(shí)間，使得一穴多粒稻種均與腔道側(cè)壁同步旋轉(zhuǎn)，投種時(shí)一致性較高，如圖10b所示。隨著投種角的繼續(xù)增大，稻種在護(hù)種板與腔道側(cè)壁鄰近處的集聚時(shí)間過(guò)于短暫，存在一穴多粒稻種未能全部達(dá)到隨腔道側(cè)壁同步旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，投種時(shí)一穴稻種個(gè)體間差異增大而易分散，如圖10c所示，導(dǎo)致排種成穴性與穴距均勻性變差。

圖10 排種器不同投種角的排種瞬間圖像Fig.10 Seeding moments at different seeding angles of seed-metering device

綜上，適宜的投種角可提升U型腔道式穴播排種器播種常規(guī)稻的成穴性與穴距均勻性，其適宜的投種角為28°～33°。此時(shí)，排種器的穴徑平均值不高于27.14 mm，穴徑合格率不低于96.67%，穴距平均值在理論穴距140 mm左右，穴距變異系數(shù)不大于7.80%，其油帶上的排種效果如圖11所示。

圖11 油帶上排種效果Fig.11 Seed distributions on oil belt

4 田間試驗(yàn)

為檢驗(yàn)U型腔道式水稻精量穴播排種器的田間播種性能，于2020年6月1日在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)萃園開(kāi)展田間播種試驗(yàn)。試驗(yàn)前，使用旋耕機(jī)對(duì)田塊進(jìn)行適度耕整，使土壤達(dá)到水稻旱直播的種植要求，土壤堅(jiān)實(shí)度為397.4 kPa，含水率為7.35%。將排種器安裝于旱直播機(jī)上，采用24 V直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)速器設(shè)置排種器的轉(zhuǎn)速，使其與室內(nèi)臺(tái)架排種試驗(yàn)轉(zhuǎn)速一致，試驗(yàn)稻種為“黃華占”。試驗(yàn)時(shí)，機(jī)具前進(jìn)速度約為3.6 km/h，連續(xù)統(tǒng)計(jì)10 m取樣長(zhǎng)度內(nèi)每穴稻種的粒數(shù)、穴徑和穴距，重復(fù)5次試驗(yàn)。試驗(yàn)測(cè)得排種器的田間播種合格率為90.28%、漏播率為0.83%、重播率為8.89%，其中每穴9～10粒率為7.22%，每穴大于等于11粒率為1.67%，穴徑平均值為46.71 mm，穴徑合格率為71.67%，穴距平均值為137.21 mm，穴距變異系數(shù)為12.64%，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足常規(guī)稻大田精量旱穴直播的種植要求。

相比臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，排種器田間播種時(shí)合格率稍低，重播率稍高，穴徑平均值偏大，穴徑合格率偏低，穴距變異系數(shù)偏高，其原因可能為：機(jī)組田間無(wú)規(guī)律振動(dòng)，使充種區(qū)稻種處于隨機(jī)激振狀態(tài)，稻種間間隙增大而內(nèi)摩擦力降低，使得流動(dòng)性差的稻種易充入型孔，故重播率增大，合格率降低，但每穴大于等于11粒率低于2%，符合常規(guī)稻精量穴直播的適度重播原則；而機(jī)組振動(dòng)使得一穴稻種投種一致性降低，落種軌跡差異性增大，且稻種落入種床時(shí)，與土壤存在隨機(jī)碰撞彈跳，使得播種成穴性與穴距均勻性降低。

5 結(jié)論

(1)基于常規(guī)稻精量穴直播種植要求及稻種的物理機(jī)械特性，設(shè)計(jì)了一種以充種口與投種口分開(kāi)但相通的U型腔道式排種盤(pán)為主體的精量穴播排種器，可實(shí)現(xiàn)常規(guī)稻穴直播的精量定距成穴排種。

(2)高速攝像試驗(yàn)表明，影響排種器漏播率、合格率及重播率的主次因素各不相同，適宜常規(guī)稻大田精量穴直播的型孔參數(shù)組合為型孔長(zhǎng)度10.6 mm、型孔寬度7.6 mm、型孔傾角0°、型孔數(shù)20，對(duì)應(yīng)排種器的漏播率為0.40%，合格率為94.00%，重播率為5.60%，種子破損率為0.13%。臺(tái)架試驗(yàn)表明，投種角對(duì)排種器的穴徑平均值和穴徑合格率影響極顯著，對(duì)穴距變異系數(shù)影響顯著。排種器適宜的投種角為28°～33°，對(duì)應(yīng)排種器的穴徑平均值不高于27.14 mm，穴徑合格率不低于96.67%，穴距平均值在理論穴距140 mm左右，穴距變異系數(shù)不大于7.80%。

(3)田間試驗(yàn)表明，U型腔道式水稻精量穴播排種器滿足常規(guī)稻大田精量旱穴直播的種植要求，其播種合格率為90.28%、漏播率為0.83%、重播率為8.89%，其中每穴9～10粒率占7.22%，每穴大于等于11粒率占1.67%，穴徑平均值為46.71 mm，穴徑合格率為71.67%，穴距平均值為137.21 mm，穴距變異系數(shù)為12.64%。

(4)所設(shè)計(jì)的U型腔道式排種盤(pán)利用腔道的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律輔助排種器攜種，縮短了種子與護(hù)種裝置的接觸弧長(zhǎng)，從而有效降低了種子損傷，且排種器結(jié)合側(cè)充種方式與自重清種方法，省去了清種機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了排種裝置，為機(jī)械式排種器低損傷與輕簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)提供了新思路。