雙充種型孔滾筒式雜交稻育秧精密播種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳林濤，馬 旭，李澤華，曹秀龍，齊 龍

(1 廣西師范大學(xué) 職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院, 廣西 桂林 541004； 2 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院, 廣東 廣州 510642； 3 廣東省水稻移栽機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510642； 4 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 數(shù)學(xué)與信息學(xué)院, 廣東 廣州 510642)

雜交稻種植強(qiáng)調(diào)少本精準(zhǔn)栽插(1～2株/穴)，利用超強(qiáng)的分蘗能力提高產(chǎn)量，所以雜交稻育秧播種技術(shù)需采用低播量的精密播種方法(1～3粒/穴或格)。播種前稻種需進(jìn)行破胸露白處理，增加了精密播種技術(shù)的難度[1]。為此，亟需研制滿足雜交稻精密播種的裝備，促進(jìn)我國(guó)水稻機(jī)械化的發(fā)展，尤其是促進(jìn)雜交稻種植機(jī)械化的推廣應(yīng)用。

美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家采用機(jī)械直播方式種植水稻，沒有育秧機(jī)械[2]。亞洲國(guó)家水稻種植主要采用移栽種植，秧盤育秧設(shè)備較多，日本和韓國(guó)的技術(shù)水平較高，如日本久保田、洋馬、井關(guān)等株式會(huì)社都有育秧生產(chǎn)線，主要適用于常規(guī)稻4～8粒/格的撒播或3～6粒/穴的穴播作業(yè)，不適用于雜交稻1～3粒/穴或格的精密播種需要[3]。移栽是我國(guó)水稻機(jī)械化種植的主要方式，缽苗育秧移栽具有傷根輕、分蘗早、秧齡彈性大的優(yōu)勢(shì)，增產(chǎn)顯著，近年來(lái)成為我國(guó)水稻種植的主要發(fā)展方向[1]。隨著缽苗機(jī)械化移栽技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了缽苗育秧技術(shù)的研究，吉林鑫華裕農(nóng)業(yè)裝備有限公司和常州亞美柯機(jī)械設(shè)備有限公司都開展了缽苗育秧機(jī)的研制[1]，其播種器采用型孔填充的原理進(jìn)行播種作業(yè)，優(yōu)點(diǎn)是適用性強(qiáng)、制造成本低、調(diào)節(jié)方便，但存在用種量大、稻種在充種室內(nèi)流動(dòng)性差、播種精度低、漏播指數(shù)較高等問題[4-5]。左彥軍等[6]研制的氣吸式排種器能實(shí)現(xiàn)高精度單粒點(diǎn)播，但因水稻育秧采用芽種，種芽脫落易造成吸孔堵塞而降低播種性能。韓豹等[7]針對(duì)吸孔堵塞問題，研制了自動(dòng)清堵排種器，進(jìn)行性能改進(jìn)，但該方式仍未很好地應(yīng)用。為有效實(shí)現(xiàn)雜交稻低播量精密播種，鹿芳媛等[8]研制了水稻秧盤育秧振動(dòng)式播種器，采用振動(dòng)種箱與螺旋槽輪供種、振動(dòng)種盤勻種相結(jié)合的原理，實(shí)現(xiàn)了雜交稻低播量精密播種，但應(yīng)用試驗(yàn)表明該播種器更適于精密撒播和條播，成穴播種性能穩(wěn)定性還需提高。

機(jī)械式播種器優(yōu)點(diǎn)是適用性強(qiáng)、制造成本低，但目前仍存在播種精度低、種子破損率高、漏播指數(shù)高等缺點(diǎn)[4]。對(duì)于雜交稻低播量精密播種，充種過(guò)程復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng)，提高播種器每穴的充填能力[5]、降低漏播指數(shù)，實(shí)現(xiàn)精量播種仍是目前研究的難點(diǎn)[9]。為進(jìn)一步提高播種性能和提高播種器每穴的充填能力，邢赫等[10]設(shè)計(jì)了一種分層充種室，改善了水稻種子在充種室內(nèi)的流動(dòng)性，提高了水稻氣力式排種器的排種精度。陳立東等[11]設(shè)計(jì)了充種室種面調(diào)節(jié)擋簾，并改進(jìn)了充種室結(jié)構(gòu)，改善了種室內(nèi)種子群結(jié)構(gòu)，提高了充種效果和排種質(zhì)量。為提高現(xiàn)有組合型孔式排種器對(duì)不同品種的播量適應(yīng)性，滿足不同地區(qū)、不同品種的播種量要求，王在滿等[12]進(jìn)行了播量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水稻精量排種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的播量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水稻精量排種裝置實(shí)現(xiàn)了不同水稻品種的播量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)作業(yè)，調(diào)節(jié)范圍大，適應(yīng)性較好，無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便快速，具有較好的實(shí)用價(jià)值。張明華等[13]對(duì)水稻精量穴直播機(jī)的組合型孔排種器充種起始角和限種機(jī)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了理論計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證；齊龍等[14]利用交叉導(dǎo)流式種箱結(jié)構(gòu)，使種子分層進(jìn)入充種室，避免稻種直接堆積在播種器上方，提高了種子流動(dòng)性和充種效果；劉彩玲等[4]基于型孔輪式排種器提出一種振動(dòng)定向供種機(jī)構(gòu)，為降低每穴種子粒數(shù)、提高單粒充填率提供可能。以上研究采用不同的方法對(duì)播種器的充種室結(jié)構(gòu)和充種過(guò)程進(jìn)行了深入分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)，可見充種過(guò)程對(duì)排種器性能至關(guān)重要。

以上播種器的充種室內(nèi)主要采用分隔方法，使稻種先后或分層或在強(qiáng)制作用下進(jìn)入填充區(qū)，從而提高種子的流動(dòng)性并改善充種性能。但是目前雜交稻育秧播種技術(shù)需采用低播量(1～3粒/穴或格)精密播種的方法，邢赫等[10]雖已經(jīng)采用稻種分隔的方式提高充種性能，改善播種性能，但針對(duì)雜交稻精密播種，播種性能還需提高，尤其是要重點(diǎn)解決漏播指數(shù)高的技術(shù)難題，播種器還要進(jìn)一步探索。

通過(guò)前人研究[9-12]，可以看出機(jī)械式播種器如果采用合理的設(shè)計(jì)原理，能有效提升播種精度，實(shí)現(xiàn)雜交稻低播量精密播種。因此，本文研制一種雙充種型孔滾筒式雜交稻育秧精密播種器，重點(diǎn)解決型孔滾筒育秧播種器作業(yè)過(guò)程中稻種在充種室內(nèi)流動(dòng)性差、充種可靠性低、漏播指數(shù)高及型孔易堵塞等問題；通過(guò)理論分析與EDEM軟件進(jìn)行充種性能仿真，完成關(guān)鍵部件的工作參數(shù)優(yōu)化；試制原理樣機(jī)，開展不同的型孔深度、生產(chǎn)率、第一充種室充種位置角及第二充種機(jī)構(gòu)不同振動(dòng)頻率對(duì)播種性能影響的試驗(yàn)。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

研制的雙充種型孔滾筒式雜交稻育秧精密播種器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙充種型孔滾筒式雜交稻育秧精密播種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural schematic diagram of precision seeder with double seed filling type hole roller for hybrid rice seedling raising

播種器主要由隔板，導(dǎo)種板Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ構(gòu)成的第一充種機(jī)構(gòu)，由振流式V型槽板、電磁振動(dòng)器和滑種板Ⅰ、Ⅱ構(gòu)成的第二充種機(jī)構(gòu)，型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)，型孔滾筒，清種輪，護(hù)種機(jī)構(gòu)，心軸，鋼絲推種機(jī)構(gòu)和卸種板等組成。型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)由2排對(duì)射式光電傳感器(共14組)、安裝架及PLC控制器組成，安裝架將傳感器安裝在型孔滾筒內(nèi)外，PLC與電磁振動(dòng)器相連，2排對(duì)射式光電傳感器安裝在清種輪的后方。二次充種工作時(shí)電磁振動(dòng)器振動(dòng)，使稻種呈下滑充種狀態(tài)，沿V型槽形成均勻少量的種子流進(jìn)行輔助性的充填，V型槽共14個(gè)槽(與滾筒穴孔排數(shù)相同)。鋼絲推種機(jī)構(gòu)位于型孔滾筒的內(nèi)部，主要由推種鋼絲、鋼絲固定板和固定支架組成。為配套鋼絲推種機(jī)構(gòu)作業(yè)和型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)的光電傳感器的檢測(cè)作業(yè)，滾筒內(nèi)壁的表面沿著圓周方向與每個(gè)型孔底面開有2條周向的環(huán)槽窄縫(槽寬為1 mm)，便于鋼絲伸出清種以及傳感器檢測(cè)填充型孔的充種情況。第二充種機(jī)構(gòu)的V型槽板與型孔滾筒之間存在一定的高度間隙，為30 mm，清種輪作用后多余的稻種可回流到第一充種區(qū)，稻種不會(huì)堆積在第二充種區(qū)清種輪的后方。

1.2 工作原理

工作時(shí)，型孔滾筒在鏈輪驅(qū)動(dòng)下繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，心軸固定不動(dòng)。首先，稻種到達(dá)第一充種區(qū)，稻種在種間摩擦力、壓力，稻種與型孔表面摩擦力，自身重力的共同作用下充入滾筒型孔，第一充種區(qū)完成主要的充種過(guò)程。此時(shí)位于第二充種區(qū)V型槽板上的稻種不流動(dòng)(電磁振動(dòng)器不振動(dòng))。接著，隨著型孔滾筒不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)開始工作，位于清種輪后方的光電傳感器檢測(cè)對(duì)應(yīng)型孔之中是否充入稻種，并進(jìn)行清種作業(yè)后的稻種填充空穴數(shù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)出的漏充數(shù)超過(guò)系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值(≥3%)，反饋稻種填充信息到控制系統(tǒng)，此時(shí)位于第二充種機(jī)構(gòu)下方的電磁振動(dòng)器立即啟動(dòng)振動(dòng)，使第二充種機(jī)構(gòu)形成均勻少量的種子流，起到后續(xù)輔助性補(bǔ)填種的作用，實(shí)現(xiàn)稻種的“二次填充”，進(jìn)一步保證后續(xù)播種過(guò)程的可靠充種。

光電檢測(cè)傳感器會(huì)持續(xù)檢測(cè)填充的空穴數(shù)，當(dāng)漏充數(shù)低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，電磁振動(dòng)器停止振動(dòng)，第二充種機(jī)構(gòu)不再進(jìn)行補(bǔ)種作業(yè)。型孔滾筒上方的清種輪將多余稻種清除落回第二充種區(qū)，保證每個(gè)型孔僅留有1～3粒稻種。最后，位于型孔中的稻種隨護(hù)種機(jī)構(gòu)到達(dá)投種位置，在重力與鋼絲推種機(jī)構(gòu)的強(qiáng)制清種作用下，落入預(yù)定的缽體秧盤穴孔之內(nèi)，完成整個(gè)精密播種過(guò)程。播種完成后，打開第一充種區(qū)的后方導(dǎo)種板Ⅲ，清掃種箱。工作原理如圖2所示。

圖2 工作原理圖Fig.2 Working principle diagram

1.3 型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)

型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)采用PLC進(jìn)行電路控制，利用 GX Works2 與 GX simulator進(jìn)行編程和調(diào)試。選用三菱PLC，型號(hào)為FX3SA-30MR-30MT。傳感器選用對(duì)射式光電傳感器(14組)，型號(hào)為MT-J12-D15NK；電磁振動(dòng)器型號(hào)為220V-100#。PLC通過(guò)向電磁振動(dòng)器驅(qū)動(dòng)芯片使能端輸入信號(hào)，控制其運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，PLC與驅(qū)動(dòng)芯片之間加入光電隔離模塊，避免信號(hào)間干擾[15]，增加工作可靠性，控制流程如圖3，檢測(cè)系統(tǒng)總體組成如圖4。系統(tǒng)中的下位機(jī)包括編碼器、信號(hào)調(diào)理模塊、從控制器等。上位機(jī)包括人機(jī)交互顯示屏，本研究選擇TPC7062KD觸摸屏，其是一套以嵌入式低功耗CPU為核心 (ARM9，400 MHz)、MCGS 嵌入式組態(tài)軟件的高性能嵌入式一體化觸摸屏，如圖5a、5b所示。

圖3 控制流程圖Fig.3 Control flow chart

圖4 檢測(cè)系統(tǒng)組成示意圖Fig.4 Composition diagram of detection system

圖5 播種器充種性能實(shí)時(shí)監(jiān)控Fig.5 Real time monitoring of seed filling performance of seeder

對(duì)射式光電傳感器固定安裝在型孔播種滾筒內(nèi)外，共14組。發(fā)射端紅外光通過(guò)滾筒型孔凹槽底面開有的窄縫(槽寬為1 mm)照射至接收端。隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)工作，光電傳感器檢測(cè)對(duì)應(yīng)型孔是否充入稻種，稻種經(jīng)對(duì)射式光電傳感器時(shí)引起發(fā)光二極管光線變化，能很好地監(jiān)測(cè)充種情況。當(dāng)型孔中充入稻種時(shí)，遮擋住發(fā)射端與接收端組成的光線通路，會(huì)立即發(fā)出下降沿脈沖信號(hào)，若型孔中沒有充入稻種，則會(huì)立即變?yōu)樯仙孛}沖信號(hào)。結(jié)合光電編碼器輸出的脈沖信號(hào)，通過(guò)微控制器計(jì)數(shù)獲得充種數(shù)總量、漏充數(shù)量，其后將信息傳輸至TPC7062KD觸摸屏實(shí)時(shí)顯示。

漏充判定方法：取型孔滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)1°，編碼器輸出1個(gè)脈沖信號(hào)，當(dāng)編碼器隨型孔滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)圓周發(fā)出360個(gè)脈沖信號(hào)，型孔滾筒圓周上為41穴，即每轉(zhuǎn)動(dòng)8.7°編碼器發(fā)出8.7個(gè)脈沖信號(hào)，8.7個(gè)脈沖信號(hào)中對(duì)應(yīng)有1個(gè)傳感器輸出脈沖信號(hào)的變化。從控制器將光電傳感器與編碼器的脈沖信號(hào)做同步處理，編碼器發(fā)出的8.7個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)間內(nèi)是否有傳感器輸出的1個(gè)脈沖信號(hào)變化，即可判定是否出現(xiàn)漏充，漏充判定方法如圖6。型孔滾筒每一個(gè)圓周上為41個(gè)型孔，為能準(zhǔn)確定位每個(gè)型孔的信息，編碼器的分辨率最好是型孔數(shù)量的整數(shù)倍，所以選用的編碼器分辨率為41×n×P/R(n為≥1的整數(shù)，P/R為脈沖/轉(zhuǎn))，因此選用型號(hào)為海德ISC7008-001C-100BZ3-5-24C絕對(duì)式光電編碼器。

圖6 檢測(cè)系統(tǒng)漏充判定方法Fig.6 Method for judging leakage charge bydetection system

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 滾筒設(shè)計(jì)

型孔滾筒作為播種器核心部件，其直徑是確定型孔數(shù)、滾筒線速度和稻種慣性離心力等參數(shù)的依據(jù)[12]。根據(jù)經(jīng)濟(jì)性和水稻輕簡(jiǎn)化栽培技術(shù)的需要，目前育秧主要使用缽體軟塑秧盤[16]。秧盤長(zhǎng)590 mm，寬 285 mm，上、下穴直徑分別為 20、15 mm，行列間距為20 mm，穴孔深度為18 mm，穴孔橫縱成行排列，每盤共14行×29列，均勻分布，共406穴。綜合考慮整機(jī)結(jié)構(gòu)與穴盤規(guī)格，滾筒直徑設(shè)計(jì)不宜過(guò)大或過(guò)小[17]，確定滾筒直徑D=260 mm，型孔間距L1為20 mm，則滾筒圓周方向分布41排型孔；為和穴盤匹配，滾筒寬度L為285 mm，每排均布14個(gè)型孔，型孔中心間距L2為20 mm，滾筒外表面分布41×14=574個(gè)型孔，如圖7所示。

圖7 滾筒結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structural sketch of the roller

2.2 型孔設(shè)計(jì)

2.2.1 稻種充種姿態(tài)分析 型孔滾筒充種區(qū)域的充種過(guò)程受稻種形狀、尺寸等影響，使稻種在型孔中表現(xiàn)出不同姿態(tài)。稻種外形在長(zhǎng)、寬、高3個(gè)方向上近似看作堆成的紡錘體，其三軸對(duì)稱中心位于質(zhì)量中心，充種過(guò)程中稻種以“平躺”“側(cè)臥”和“豎立”等姿態(tài)囊入型孔中[18]。相關(guān)研究表明，稻種在重力場(chǎng)中表現(xiàn)出的姿態(tài)概率，與稻種自身“平躺”“側(cè)臥”和“豎立”姿態(tài)的截面積成正比，即

式中：PL、PS、PE分別是稻種“平躺”“側(cè)臥”“豎立”姿態(tài)概率，%；SL、SS、SE分別是稻種“平躺”“側(cè)臥”“豎立”姿態(tài)截面積，mm2。

稻種出現(xiàn)這3種姿態(tài)的概率總和為

將式(1)代入式(2)，則有

由于“平躺”“側(cè)臥”“豎立”3種姿態(tài)的投影面近似橢圓，則各姿態(tài)截面積表示為

式中：l、w、t—稻種的長(zhǎng)、寬、高，mm。

對(duì)3種常用雜交稻品種稻種充種后姿態(tài)的分布概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，結(jié)果見表1，可以看出，對(duì)于依靠稻種自身重力作用進(jìn)行的充填，充種完成后稻種以“平躺”和“側(cè)臥”姿態(tài)分布在型孔的概率在87%以上。因此，型孔設(shè)計(jì)應(yīng)有利于稻種充填后呈“平躺”和“側(cè)臥”的姿態(tài)分布[18]。

2.2.2 型孔參數(shù)確定 根據(jù)稻種的尺寸，為確保單個(gè)型孔至少2粒稻種以“平躺”或“側(cè)臥”姿態(tài)充入型孔[17-18]，同時(shí)便于稻種從投種區(qū)投出，型孔長(zhǎng)度lk、寬度bk和深度hk分別為：

式中：lk—型孔長(zhǎng)度，mm；lmax—稻種最大長(zhǎng)度，mm；bk—型孔寬度，mm；wmax—稻種最大寬度，mm；kb—寬度調(diào)整系數(shù)[19-20]，取 1.3～2.3；hk—型孔深度，mm；kh—深度調(diào)整系數(shù)[19-20]，取 1.4～1.8。

通過(guò)式 (5)，確定出型孔長(zhǎng)度取 11～16 mm，寬度取 7 mm，深度為 4.5～5.5 mm，型孔式樣通過(guò)下文的離散元仿真優(yōu)化試驗(yàn)進(jìn)行確定。

2.3 第二充種機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

振流式V型槽板構(gòu)成的第二充種機(jī)構(gòu)是稻種進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可靠填充的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。依據(jù)最小勢(shì)能原則，確定“平躺”為稻種最大可能的穩(wěn)定狀態(tài)，所以設(shè)計(jì)V型槽對(duì)稻種進(jìn)行限位是合適的[4]。第二充種機(jī)構(gòu)包括2塊滑種板、V型槽板和電磁直振器，如圖8所示。稻種經(jīng)2塊滑種板，到達(dá)V型槽板上方，電磁直振器作用于V型槽板。電磁鐵線圈通脈沖信號(hào)，由于鐵芯的斷續(xù)吸力和主板簧的作用，稻種呈“抖動(dòng)”狀態(tài)，結(jié)合V型槽限位作用，輔以刮種片的作用，形成均勻少量種子流。在振動(dòng)力和重力作用下，落到槽底形成一排，到達(dá)第二充種空間。

圖8 第二充種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structural sketch of the second seed filling mechanism

2.4 鋼絲推種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為解決型孔堵塞問題，在滾筒內(nèi)部設(shè)計(jì)鋼絲推種機(jī)構(gòu)[7]。鋼絲推種機(jī)構(gòu)主要由鋼絲、固定板和拉桿組成，鋼絲均勻分布于固定板(每個(gè)型孔凹槽底面各有2根鋼絲)，固定板焊接于拉桿，拉桿固定在滾筒心軸上，如圖9。達(dá)到投種位置時(shí)，位于滾筒內(nèi)的鋼絲則順著筒內(nèi)壁的環(huán)槽窄縫滑行進(jìn)入型孔，一是彈性推出型孔內(nèi)的稻種并使之落入穴盤中，實(shí)現(xiàn)對(duì)穴播種，二是鋼絲在推出稻種過(guò)程中自動(dòng)清除掉型孔內(nèi)的雜質(zhì)，保證每個(gè)型孔處于初始工作狀態(tài)。

圖9 鋼絲推種機(jī)構(gòu)Fig.9 Steel wire seed pushing mechanism

2.5 力學(xué)分析

2.5.1 稻種在第一充種區(qū)的充種分析 型孔滾筒線速度對(duì)稻種充種性能有直接影響。若線速度太大，型孔通過(guò)充種區(qū)時(shí)間太短，稻種來(lái)不及進(jìn)入型孔，會(huì)造成漏播[17]。假定稻種隨滾筒以線速度運(yùn)動(dòng)，靠自身重力落入型孔，當(dāng)重心降至低于滾筒上弧面時(shí)，能保證進(jìn)入型孔，單粒種子進(jìn)入型孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖10所示。

圖10 稻種充入型孔運(yùn)動(dòng)學(xué)分析Fig.10 Kinematics analysis of rice seeds filling type holes

按照自由落體方程求出短軸當(dāng)量直徑為d的稻種充種極限速度v0，即滾筒邊緣線速度，其中

式中：v0—稻種充種極限速度，m/s；bk—型孔寬度，mm；α—第一充種區(qū)充種位置角，°；d—稻種短軸當(dāng)量直徑，mm；g—重力加速度，m/s2； ω —滾筒角速度，rad/s；R—滾筒半徑，mm；n—滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

確定型孔滾筒轉(zhuǎn)速的取值范圍為

型孔滾筒半徑R=130 mm，初選設(shè)計(jì)參數(shù)第一充種區(qū)充種位置角α=30°，型孔寬度bk=7 mm，得到稻種充種極限速度v0=0.12 m/s，滾筒轉(zhuǎn)速n=8.8 r/min。

2.5.2 稻種在第二充種機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 為保證稻種二次填充時(shí)保持均勻少量的種子流，種子之間既能相互擠壓又不會(huì)重疊，需控制稻種在振動(dòng)V型槽中的向前運(yùn)動(dòng)速度。稻種在振動(dòng)V型槽上的運(yùn)動(dòng)速度主要與振動(dòng)頻率、振幅、振動(dòng)方向角和振動(dòng)V型槽板傾角有關(guān)[4]。稻種在振動(dòng)V型槽上的運(yùn)動(dòng)分析如圖11所示。交流電經(jīng)半波整流后加在激振線圈上，當(dāng)處于交流電的正半周時(shí)，激振線圈上有電流通過(guò)，電磁鐵和銜鐵之間產(chǎn)生激振力，使得第二充種機(jī)構(gòu)安裝板上的V型槽板向右下方運(yùn)動(dòng)，主板簧變形，存儲(chǔ)一定的彈性勢(shì)能。當(dāng)電流處于交流電負(fù)半周時(shí)，激振線圈上沒有電流通過(guò)，電磁鐵和銜鐵之間產(chǎn)生的激振力消失，主板簧的彈性勢(shì)能得以釋放，使V型槽板朝反方向離開，這樣V型槽板就以交流電的頻率做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)稻種振動(dòng)。

圖11 第二充種機(jī)構(gòu)原理及稻種運(yùn)動(dòng)分析Fig.11 Principle of the second seed filling mechanism and motion analysis of rice seeds

通常來(lái)講，用拋擲指數(shù)Q、正向滑行指數(shù)Qk及反向滑行指數(shù)Qq來(lái)描述稻種的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。參考振動(dòng)輸送機(jī)與振動(dòng)給料機(jī)的設(shè)計(jì)與使用，取Q＜1，Qk=2～3，Qq=1[21-23]。選擇的V型槽板材料為不銹鋼板，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定稻種與其摩擦系數(shù)（μ）為0.52，V型槽夾角2θ=110°，計(jì)算當(dāng)量摩擦因數(shù)μ0=μ/sinθ=0.634，當(dāng)量摩擦角

振動(dòng)方向角

振幅頻率

正向滑行速度

平均速度式中：α1—電磁直振器安裝傾角，°；A—振幅，mm；Pk—正向滑行速度系數(shù)，取1.90；Pq—反向滑行的速度系數(shù)，取0.01。

振動(dòng)輸送要求傾斜向上輸送時(shí)最大升角不超過(guò)15°，安裝傾角α1設(shè)為5°，計(jì)算出振動(dòng)方向角β=25°。電磁直振器常采用高頻率小振幅，V型槽板出種口與滾筒型孔對(duì)行，過(guò)大振幅會(huì)導(dǎo)致出種口與型孔對(duì)行準(zhǔn)確性偏差過(guò)大影響稻種準(zhǔn)確填充，根據(jù)型孔和稻種的長(zhǎng)度尺寸，2A應(yīng)小于1 mm，本文取A=0.4 mm，得出f=25 Hz。

利用設(shè)計(jì)參數(shù)V型槽夾角2θ=110°、電磁直振器安裝傾角α1=5°、振動(dòng)方向角β=25°、振幅A=0.4 mm、振幅頻率f=25 Hz，精確計(jì)算拋擲指數(shù)Q=0.43、正向滑行指數(shù)Qk=2.17、反向滑行指數(shù)Qq=0.89，能夠滿足稻種在V型槽向上穩(wěn)定輸送時(shí)不下滑且不出現(xiàn)拋起彈跳運(yùn)動(dòng)。但由于分析計(jì)算過(guò)程經(jīng)過(guò)模型簡(jiǎn)化，以及種子散體復(fù)雜的力學(xué)特性，理論分析一般僅作為結(jié)構(gòu)可行性分析及樣機(jī)設(shè)計(jì)的初始依據(jù)，最終需由試驗(yàn)驗(yàn)證并優(yōu)化。

3 充種性能離散元仿真

利用離散元仿真軟件EDEM模擬型孔滾筒充種過(guò)程，探究不同型孔、充種位置角以及生產(chǎn)率對(duì)播種器填充性能的影響規(guī)律，完成型孔滾筒的參數(shù)優(yōu)化。

3.1 仿真模型建立

運(yùn)用Solidworks創(chuàng)建播種器三維模型(.igs格式)導(dǎo)入至EDEM軟件，如圖12所示。選擇Hertz-Mindlin(no slip)接觸模型作為顆粒間及顆粒與播種器間接觸模型。利用多球填充建立雜交稻稻種顆粒模型，根據(jù)表1‘培雜泰豐’稻種平均尺寸，構(gòu)建稻種顆粒仿真模型。此時(shí)忽略同一品種水稻個(gè)體間差異，近似認(rèn)為稻種籽粒泊松比、彈性模量、密度等物理參數(shù)為定值。采用49個(gè)大小相異的球體組合成稻種顆粒(Particles模塊創(chuàng)建)，種子顆粒與滾筒間接觸參數(shù)[24-25]如下：稻種泊松比 0.25，不銹鋼泊松比 0.29，稻谷彈性模量 375 MPa，不銹鋼彈性模量75 000 MPa，稻種密度 1 350 kg/m3，不銹鋼密度8 000 kg/m3，稻種與稻種的恢復(fù)系數(shù) 0.60，稻種與不銹鋼的恢復(fù)系數(shù) 0.50，稻種與稻種的靜摩擦系數(shù)0.30，稻種與不銹鋼的靜摩擦系數(shù) 0.56，稻種與稻種的滾動(dòng)摩擦系數(shù) 0.01，稻種與不銹鋼的滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.02。

圖12 精密播種器仿真模型Fig.12 Simulated model of precision seeder

將播種器材質(zhì)選為不銹鋼，建立播種器離散元模型。為提高軟件仿真速度，將型孔滾筒設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng)件，設(shè)定其轉(zhuǎn)動(dòng)初速度、轉(zhuǎn)動(dòng)開始和結(jié)束時(shí)間，其余部件設(shè)置為固定件。根據(jù)播種器容種箱內(nèi)實(shí)際情況，設(shè)置顆粒工廠，共生成稻種顆?？倲?shù)量20 000粒(顆粒直徑大小服從正態(tài)分布方式)。

為便于參數(shù)設(shè)計(jì)，對(duì)播種器的充種情況進(jìn)行單因素仿真分析，基于現(xiàn)有的研究，確定設(shè)計(jì)參數(shù)為播種器的型孔形狀、充種位置角以及生產(chǎn)率。填充性能試驗(yàn)指標(biāo)參考《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》(GB/T 6973—2005)[26]。規(guī)定型孔填充 1～3 粒稻種為合格，0粒為漏播，4粒及以上為重播。在稻種顆粒產(chǎn)生且處于穩(wěn)定狀態(tài)后，型孔滾筒轉(zhuǎn)3圈，填充總穴數(shù)為1 722穴，分別統(tǒng)計(jì)合格、漏播和重播的穴數(shù)，計(jì)算播種合格指數(shù)Y1(1～3粒種子穴數(shù)/總穴數(shù)×100%)、漏播指數(shù)Y2(0粒種子穴數(shù)/總穴數(shù)×100%)與重播指數(shù)Y3(4粒及以上種子穴數(shù)/總穴數(shù)×100%)。

Universal Mechanism軟件由俄羅斯布良斯克國(guó)立理工大學(xué)(Bryansk State Technical University)的著名數(shù)學(xué)家、計(jì)算力學(xué)專家Dmitry Pogorelov教授帶領(lǐng)的計(jì)算力學(xué)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，簡(jiǎn)稱UM。它是一款非常優(yōu)秀的通用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，并具有輪式車輛、履帶車輛、機(jī)車車輛、列車、輪軌磨耗和車橋耦合等諸多專用分析模塊，已廣泛應(yīng)用于相關(guān)行業(yè)。

3.2 不同型孔形狀對(duì)充種性能的影響

根據(jù)式(5)的計(jì)算結(jié)果，確定滾筒上型孔寬度取7 mm，型孔長(zhǎng)度取 11～16 mm，深度為 4.5～5.5 mm。為便于稻種填充，運(yùn)用Solid works對(duì)不同形狀型孔(圓柱形、圓弧形及橢圓凹槽形)進(jìn)行建模[15]，型孔截面尺寸(長(zhǎng)度、深度)如圖13所示，每種型孔有3種尺寸規(guī)格，具體參數(shù)見表2。仿真過(guò)程中，設(shè)置生產(chǎn)率為500盤/h(滾筒轉(zhuǎn)速n=6.1 r/min)，第一充種室的充種位置角α=30°，型孔滾筒模型運(yùn)動(dòng)為線性旋轉(zhuǎn)。橢圓凹槽形型孔的充填性能優(yōu)于圓弧形和圓柱形，圓柱形型孔的充種性能最差，漏播指數(shù)較高。隨尺寸參數(shù)的變化，同一類型的型孔充種效果存在明顯差異。隨型孔長(zhǎng)度和深度的增加，橢圓凹槽形型孔播種合格指數(shù)呈下降趨勢(shì)，漏播指數(shù)減少，重播指數(shù)增加，當(dāng)型孔長(zhǎng)度lk為12 mm 、深度hk為4.5 mm時(shí)，播種合格指數(shù)為90.5%，重播指數(shù)為3.1%(表2)。故此，型孔形狀優(yōu)選橢圓凹槽形。

表2 3種形狀型孔尺寸參數(shù)及充種性能仿真結(jié)果1)Table 2 Size parameters and seed filling simulation results for three shapes of type hole

圖13 不同形狀型孔尺寸示意圖Fig.13 Diagram of dimension for different shapes of type hole

橢圓凹槽形型孔 (長(zhǎng)度 12 mm、寬度 7 mm、深度4.5 mm)仿真開始3 s后，稻種顆粒全部生產(chǎn)完成，稻種在第一充種區(qū)，然后進(jìn)入型孔，隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，圖14為播種過(guò)程中稻種顆粒的速度變化圖。圖中紅色稻種速度最大，綠色稻種速度次之，藍(lán)色種子速度最小?？梢钥闯?，稻種進(jìn)入充種區(qū)后，下層滑板上的稻種處于待充填狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)不明顯，種子為藍(lán)色，表明此處種子速度最?。幌聦拥痉N在型孔滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中填充到型孔中，顏色由藍(lán)色變?yōu)榫G色，表明種子速度變大，進(jìn)入型孔后，與滾筒一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，速度變化小，稻種為藍(lán)色；稻種投出時(shí)，顏色為紅色，表明稻種速度此時(shí)最大。

圖14 不同仿真時(shí)間稻種顆粒的速度變化Fig.14 Velocity variation of rice seed particles at different simulation time

3.3 不同充種位置角對(duì)充種性能的影響

第一充種室充種位置角影響了種子間擠壓力、摩擦力和流動(dòng)性，進(jìn)而影響型孔的充種性能[17]，仿真試驗(yàn)時(shí)充種位置角選擇 30°、35°、40° 3 個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。優(yōu)選橢圓凹槽形型孔，設(shè)定生產(chǎn)率為500盤/h，結(jié)果見表3。隨著充種位置角的增加，播種合格指數(shù)先增加后減小，充種位置角為35°，播種合格指數(shù)為91.6%，漏播指數(shù)為5.5%，重播指數(shù)為2.9%。原因是隨著充種位置角的不斷增加，提高了稻種的流動(dòng)能力，增加種子的填充側(cè)向力[9]，避免了流動(dòng)死區(qū)，種子的填充能力增加，但是隨著充種位置角繼續(xù)增加，稻種的運(yùn)動(dòng)速度變大，降低了稻種進(jìn)入型孔的幾率，漏播指數(shù)增加，播種合格指數(shù)減小。為進(jìn)一步分析不同的第一充種室充種位置角對(duì)充種性能的影響，輸出不同第一充種室充種位置角下稻種的速度變化曲線，如圖15所示，可以看出當(dāng)?shù)谝怀浞N室充種位置角為40°，稻種速度變化大，充種合格指數(shù)減小，故確定第一充種室充種位置角為35°。

表3 不同充種位置角充種性能仿真結(jié)果1)Table 3 Simulation results of seed filling performance at different seed filling position angles %

圖15 不同充種位置角的稻種速度變化曲線Fig.15 Variation curves of rice seed velocity at different seed filling position angles

3.4 不同生產(chǎn)率對(duì)充種性能的影響

根據(jù)式(7)稻種充入型孔的分析，可知稻種充種極限速度為 0.12 m/s，型孔滾筒轉(zhuǎn)速為 8.8 r/min。現(xiàn)有的育秧生產(chǎn)線生產(chǎn)率一般為400～600盤/h[27-29]，生產(chǎn)率增加，滾筒線速度增加，型孔通過(guò)充種區(qū)的時(shí)間太短，稻種來(lái)不及進(jìn)入型孔，造成漏播。若滾筒線速度減小，生產(chǎn)率下降，不滿足實(shí)際育秧的技術(shù)要求[15]。生產(chǎn)率選擇 400、500、600 盤/h 3 個(gè)水平進(jìn)行仿真，對(duì)應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速 4.9、6.1、7.3 r/min[27-29]。優(yōu)選橢圓形凹槽型孔 (lk=12 mm，hk=4.5 mm)，設(shè)定充種位置角α=35°，結(jié)果見表4。隨著生產(chǎn)率增加，播種合格指數(shù)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，漏播指數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。當(dāng)生產(chǎn)率選擇400盤/h時(shí)，播種合格指數(shù)為92.5%，漏播指數(shù)為4.2%，重播指數(shù)為3.3%；生產(chǎn)率選擇600盤/h時(shí)，播種合格指數(shù)為89.8%，漏播指數(shù)為6.7%，重播指數(shù)為3.5%，作業(yè)性能好。

表4 不同生產(chǎn)率下的充種性能仿真結(jié)果1)Table 4 Simulation results of seed filling performance at different productivity %

充種區(qū)稻種與滾筒間的接觸法向力影響稻種與型孔滾筒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而影響充種效果[7]。為進(jìn)一步分析不同生產(chǎn)率對(duì)充種性能的影響，利用EDEM后處理功能輸出不同生產(chǎn)率下稻種與滾筒接觸法向力隨時(shí)間變化曲線，如圖16所示。當(dāng)生產(chǎn)率為600盤/h(滾筒轉(zhuǎn)速為7.3 r/min)，接觸法向力數(shù)值和波動(dòng)較大，出現(xiàn)多個(gè)大波峰，稻種受型孔滾筒不穩(wěn)定力作用不利于穩(wěn)定充種。當(dāng)生產(chǎn)率為400盤/h(滾筒轉(zhuǎn)速為4.9 r/min)，稻種與滾筒接觸法向力數(shù)值和波動(dòng)較小，兩者間的摩擦力變化較小，能形成穩(wěn)定連續(xù)充種過(guò)程，填充效果最好。

圖16 不同滾筒轉(zhuǎn)速下稻種與滾筒的接觸法向力變化曲線Fig.16 Variation curve of contact normal force between rice seed and roller at different rotation speeds of roller

通過(guò)仿真試驗(yàn)，當(dāng)生產(chǎn)率為400盤/h，優(yōu)選橢圓凹槽形型孔 (lk=12 mm，bk=7 mm，hk=4.5 mm)，第一充種室充種位置角為35°，播種器充種性能較佳。

4 性能試驗(yàn)

在仿真試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上試制原理樣機(jī)后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)康脑谟趯?duì)理論分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，獲得對(duì)播種性能影響的最佳參數(shù)組合，以便對(duì)播種器的進(jìn)一步研發(fā)、優(yōu)化提供基礎(chǔ)。

4.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

試驗(yàn)地點(diǎn)在廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，精密播種器試驗(yàn)樣機(jī)安裝在育秧生產(chǎn)線上，如圖17所示。試驗(yàn)材料為‘培雜泰豐’雜交稻，精選去芒，溫水浸泡，芽長(zhǎng)≤2 mm，含水率約27.5%，千粒質(zhì)量 28.2 g[30]。

圖17 精密播種器試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.17 Test site of precision seeder

4.2 試驗(yàn)因素

考慮到目前仿真試驗(yàn)過(guò)程中漏播指數(shù)偏高，故增加型孔深度和采用V型槽板振動(dòng)實(shí)現(xiàn)二次充填提高充填能力，選擇型孔深度、生產(chǎn)率、第一充種室充種位置角及第二充種區(qū)的電磁振動(dòng)器振動(dòng)頻率為試驗(yàn)因素，以播種合格指數(shù)、漏播指數(shù)及重播指數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行播種性能試驗(yàn)，每個(gè)因素確定3個(gè)水平，試驗(yàn)因素與水平見表5。

表5 試驗(yàn)因素與水平Table 5 Factors and levels of test

1)型孔深度影響稻種在充種室的填充性能，若型孔太深，進(jìn)入型孔的稻種較多，加之第二充種機(jī)構(gòu)進(jìn)行稻種二次填充，清種輪未能及時(shí)清除多余稻種，易造成重播。若型孔太淺，稻種不能完全進(jìn)入型孔內(nèi)，且易被清種輪掃落，造成空穴。結(jié)合仿真試驗(yàn)，試制橢圓凹槽形型孔滾筒(長(zhǎng)度lk為12 mm，寬度bk為 7 mm)，深度hk取 4.5、5.0、5.5 mm 3 種規(guī)格變化。

2)根據(jù)“3.4”的仿真試驗(yàn)結(jié)果，性能試驗(yàn)時(shí)生產(chǎn)率選擇400、500、600盤/h 3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)滾筒轉(zhuǎn)速 4.9、6.1、7.3 r/min。

3)第一充種室充種位置角影響充種性能，當(dāng)滾筒線速度一定時(shí)，減小充種位置角，則滾筒上的型孔與稻種有效接觸的圓弧行程增加，充種時(shí)間增加，填充性能提高。充種位置角也不宜過(guò)低，因?yàn)檫^(guò)低時(shí)，稻種在型孔轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力及稻種自身重力在非填充方向的分力作用下，填充性能并不改善[17]。因此，試驗(yàn)時(shí)第一充種室充種位置角選擇30°、35°、40°這3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。

4)通過(guò)第二充種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，稻種在V型槽板上穩(wěn)定輸送且不出現(xiàn)拋起彈跳，對(duì)電磁振動(dòng)器振動(dòng)頻率有一定的要求，為探明育秧播種器有無(wú)第二充種機(jī)構(gòu)的播種效果，選擇電磁振動(dòng)器振動(dòng)頻率為試驗(yàn)因素進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)電磁振動(dòng)器振動(dòng)頻率分別選擇23、25、27 Hz這3個(gè)水平進(jìn)行試驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

試驗(yàn)分2步進(jìn)行，第一步第二充種機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，采用三因素三水平正交試驗(yàn)，研究型孔深度、生產(chǎn)率和第一充種室充種位置角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，驗(yàn)證仿真研究的準(zhǔn)確性。第二步是第二充種機(jī)構(gòu)動(dòng)作，研究雙充種作用下不同振動(dòng)頻率對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響，探明設(shè)計(jì)第二充種機(jī)構(gòu)后播種性能。

4.3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析 第一步第二充種機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，試驗(yàn)方案及結(jié)果如表6所示，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。

表6 第二充種機(jī)構(gòu)不動(dòng)作試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 6 Design and results of the second seed filling mechanism non-action %

影響播種合格指數(shù)與重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)樾涂咨疃龋旧a(chǎn)率＞第一充種室充種位置角；影響漏播指數(shù)的因素主次順序?yàn)樯a(chǎn)率＞型孔深度＞第一充種室充種位置角。播種合格指數(shù)最佳參數(shù)組合為型孔深度4.5 mm、生產(chǎn)率400盤/h、第一充種室充種位置角30°。漏播指數(shù)最佳參數(shù)組合為型孔深度5.5 mm、生產(chǎn)率400盤/h、第一充種室充種位置角40°。重播指數(shù)最佳參數(shù)組合為型孔深度4.5 mm、生產(chǎn)率600盤/h、第一充種室充種位置角40°。

分析試驗(yàn)結(jié)果可知，型孔深度在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)播種結(jié)果影響較大。若型孔太淺，則種子進(jìn)入型孔時(shí)間過(guò)短，加上型孔的容積相對(duì)于‘培雜泰豐’芽種過(guò)小，所以種子不能完全進(jìn)入型孔內(nèi)，且易被清種滾刷全部掃落，造成漏播；而若型孔太深，則種子進(jìn)入型孔的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，加上型孔的容積相對(duì)于‘培雜泰豐’芽種過(guò)大，進(jìn)入型孔內(nèi)的種子過(guò)多，清種滾刷不能將多余的種子及時(shí)清除，重播指數(shù)增加。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為達(dá)到較高的播種合格指數(shù)，在參數(shù)所選范圍內(nèi)，型孔深度為4.5 mm較為合適。

生產(chǎn)率在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)漏播指數(shù)也影響較大。隨著生產(chǎn)率增加，漏播指數(shù)增加，所以在參數(shù)所選范圍內(nèi)，生產(chǎn)率取400盤/h較為合適。第一充種室充種位置角對(duì)3個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響小，為保證填充性能，在參數(shù)所選范圍內(nèi)，充種位置角取35°較為合適。實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相近，驗(yàn)證了仿真分析的準(zhǔn)確性。

4.3.2 不同振動(dòng)頻率對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響 為探明播種器設(shè)計(jì)第二充種機(jī)構(gòu)的作業(yè)性能，取型孔深度為4.5 mm、第一充種室充種位置角為35°、第二充種機(jī)構(gòu)動(dòng)作，研究不同振動(dòng)頻率對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響。

第二充種機(jī)構(gòu)動(dòng)作，通過(guò)顯示屏上檢測(cè)值計(jì)算系統(tǒng)檢測(cè)精度，漏充檢測(cè)精度為漏充報(bào)警穴數(shù)與漏充穴數(shù)的百分比；經(jīng)試驗(yàn)可知，當(dāng)生產(chǎn)率為400～600盤/h時(shí)，系統(tǒng)對(duì)漏充穴數(shù)的檢測(cè)精度較高，為96.59%。當(dāng)生產(chǎn)率大于600盤/h，檢測(cè)精度逐漸下降；其原因?yàn)楫?dāng)滾筒轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)增大型孔與稻種的碰撞頻率，造成稻種輕微破壞，稻種碎渣導(dǎo)致傳感器檢測(cè)精度降低。在上述系統(tǒng)檢測(cè)精度基礎(chǔ)上，研究不同振動(dòng)頻率對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值為試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)安排與結(jié)果如表7。

表7 不同振動(dòng)頻率下性能試驗(yàn)結(jié)果1)Table 7 Performance test results under different vibration frequencies %

通過(guò)上一試驗(yàn)，當(dāng)不啟動(dòng)第二充種機(jī)構(gòu)，隨著生產(chǎn)率增加，漏播指數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。當(dāng)型孔深度為4.5 mm、生產(chǎn)率為600盤/h時(shí)，播種合格指數(shù)為91.7%，漏播指數(shù)為6.3%，漏播指數(shù)偏高，需啟動(dòng)第二充種機(jī)構(gòu)進(jìn)行“二次充種”作業(yè)，以保證播種質(zhì)量。工作時(shí)進(jìn)行填充漏播指數(shù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)漏播指數(shù)≥3%，啟動(dòng)第二充種機(jī)構(gòu)后，使振動(dòng)器產(chǎn)生振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)二次充填，以減少漏播指數(shù)，但隨著連續(xù)二次充填，重播指數(shù)有所增加，漏播指數(shù)減少，播種合格指數(shù)下降。當(dāng)播種合格指數(shù)達(dá)90%、漏播指數(shù)≤2%，為了減小重播指數(shù)、提高合格指數(shù)，二次充填停止，不進(jìn)行補(bǔ)種，以保證“播種合格指數(shù)高、漏播指數(shù)低”。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)漏播指數(shù)在[2%，3%]這一區(qū)間，振動(dòng)頻率取27 Hz，能保證播種合格指數(shù)≥90%、漏播指數(shù)≤3%，滿足雜交稻精密播種的技術(shù)指標(biāo)。

當(dāng)?shù)诙浞N機(jī)構(gòu)動(dòng)作，在所選參數(shù)范圍23～27 Hz，稻種能穩(wěn)定向下輸送，實(shí)現(xiàn)二次充種。當(dāng)?shù)谝怀浞N室充種位置角為35°、振動(dòng)頻率為27Hz時(shí)，生產(chǎn)率為400盤/h時(shí)，播種合格指數(shù)為91.9%，漏播指數(shù)為1.8%；生產(chǎn)率為500盤/h時(shí)，播種合格指數(shù)91.1%，漏播指數(shù)為2.7%；生產(chǎn)率為600盤/h時(shí)，播種合格指數(shù)90.2%，漏播指數(shù)為2.9%。分析原因是進(jìn)行稻種二次填充提高了每穴的充填能力，漏播指數(shù)減小，試驗(yàn)指標(biāo)滿足雜交稻育秧播種的農(nóng)藝要求。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)第二充種機(jī)構(gòu)能使漏播指數(shù)減小，說(shuō)明采用“雙充種”方式能明顯提高播種性能。

5 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種雙充種型孔滾筒式雜交稻育秧精密播種器，對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和理論分析，基于光電檢測(cè)控制技術(shù)，搭建以PLC為控制核心的型孔充種性能檢測(cè)與控制系統(tǒng)，通過(guò)光電傳感器檢測(cè)對(duì)應(yīng)的滾筒型孔中是否充入稻種，當(dāng)漏播指數(shù)超過(guò)系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，反饋信息到控制系統(tǒng)，使電磁振動(dòng)器振動(dòng)，結(jié)合第二充種區(qū)作用形成均勻少量的種子流，進(jìn)行稻種二次補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)可靠充種。

2)利用EDEM離散元軟件完成型孔形狀、第一充種室充種位置角及生產(chǎn)率對(duì)充種性能的仿真研究，完成型孔滾筒工作參數(shù)優(yōu)化。通過(guò)仿真研究可知，當(dāng)生產(chǎn)率為400～600盤/h，型孔形狀優(yōu)選橢圓凹槽形 (lk=12 mm，bk=7 mm，hk=4.5 mm)，第一充種室充種位置角為35°，充種性能較佳，仿真時(shí)播種合格指數(shù)為89.8%～92.5%。

3)研制樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，采用三因素三水平正交試驗(yàn)，研究型孔深度、生產(chǎn)率和第一充種室充種位置角對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，結(jié)果表明影響播種合格指數(shù)與重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)樾涂咨疃龋旧a(chǎn)率＞第一充種室充種位置角，影響漏播指數(shù)的因素主次順序?yàn)樯a(chǎn)率＞型孔深度＞第一充種室充種位置角；研究不同振動(dòng)頻率對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，當(dāng)型孔形狀為橢圓凹槽形，第一充種室充種位置角為35°、振動(dòng)頻率為27 Hz、生產(chǎn)率為500盤/h，播種合格指數(shù)91.1%，漏播指數(shù)為2.7%。試驗(yàn)指標(biāo)滿足雜交稻低播量精密播種的農(nóng)藝要求。