張明華，羅錫文，王在滿，王寶龍，薛振林

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水稻精量穴直播機(jī)仿形與滑板機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計與試驗

張明華1,2，羅錫文1,2※，王在滿1,2，王寶龍1,2，薛振林3

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 南方糧油作物協(xié)同創(chuàng)新中心，長沙 410128； 3. 上海市松江區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站，上海 201613）

基于農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，該文主要對水稻精量穴直播機(jī)仿形與滑板機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。水稻精量穴直播機(jī)采用乘坐式高速插秧機(jī)頭為動力底盤，包括機(jī)架、開溝起壟裝置、水平仿形裝置、高程仿形裝置、動力傳動裝置、播種裝置和液壓提升架。結(jié)合同步開溝起壟、播量和穴距可調(diào)、仿形作業(yè)、壓茬（草）播種的農(nóng)藝要求并針對實際大田生產(chǎn)試驗中發(fā)現(xiàn)原水稻精量穴直播機(jī)存在的問題，如壓茬效果較差、仿形系統(tǒng)不完善等，該文主要對高程仿形系統(tǒng)、水平仿形機(jī)構(gòu)以及滑板角度等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并對穴直播機(jī)的性能與可靠性進(jìn)行了試驗驗證，結(jié)果表明：優(yōu)化后水稻精量穴直播機(jī)的純作業(yè)效率為0.67 hm2/h，穴距合格率達(dá)100%，變異系數(shù)為2.5%，穴粒數(shù)合格率為95%，空穴率為0，各行排種量一致性變異系數(shù)為3.8%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)為1.5%，播種后田面左右高差小于3 cm；平均首次故障前作業(yè)量（MTTFF）為30.4 hm2/m，有效度為98.2%，各項性能指標(biāo)和可靠性指標(biāo)均達(dá)到了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；試驗；優(yōu)化；水稻；直播機(jī)；仿形；壓茬

0 引 言

中國水稻種植主要有直播和移栽2種方式。由于農(nóng)村勞動力加速向城市轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致農(nóng)村勞動力短缺，人工生產(chǎn)成本不斷增加。水稻精量穴直播技術(shù)將種子成行成穴均勻地播于田面，節(jié)種增產(chǎn)效果好[1-4]，同時省去了育秧、搬秧、移栽等環(huán)節(jié)，省時、省工[5-6]。在土壤和氣候條件適宜的地區(qū)，水稻精量穴直播技術(shù)是一種很好的輕簡栽培技術(shù)，精量穴直播面積日益增大[7-8]。

國內(nèi)的幾種人力式輕型直播機(jī)、獨輪式簡易型直播機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，但作業(yè)效率較低，主要適用于小田塊作業(yè)[9-10]。與輪式拖拉機(jī)配套的水稻直播機(jī)作業(yè)效率較高，但需要消除輪轍，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[11-13]，制造成本也較高，目前國內(nèi)應(yīng)用較少。王安民[14]、湯永莉[15]研究了與高速插秧機(jī)頭配套的水稻直播機(jī)，但無仿形機(jī)構(gòu)，對播前田塊的平整度和沉實要求較高，否則容易出現(xiàn)壅泥和播后田面不平整。田坂幸平等[16]、下坪訓(xùn)次等[17]研究的槍管式水稻點播機(jī)用旋轉(zhuǎn)鋸齒盤擊打下落的種子，使種子加速入土，但成穴性較差。日本久保田和井關(guān)公司[18-19]開發(fā)的水稻直播機(jī)以高速插秧機(jī)底盤為動力，浮板底部有對應(yīng)的種溝開溝器，采用中間浮板感知田面，可實現(xiàn)仿形作業(yè)，將包衣處理的種子播于種溝內(nèi)，但目前國內(nèi)市場上較為少見。

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)羅錫文等[20]針對現(xiàn)有水稻直播存在的技術(shù)難點，提出了開溝起壟、精量穴播的理念，并研究成功研制了同步開溝起壟水稻精量穴直播機(jī)。為進(jìn)一步實現(xiàn)農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，使水稻精量穴直播機(jī)具有更好的適應(yīng)性，本文對穴直播機(jī)的部分結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計與試驗驗證。

1 總體結(jié)構(gòu)、工作原理與改進(jìn)方向

整機(jī)由動力底盤、機(jī)架、開溝起壟裝置、水平仿形裝置、高程仿形裝置、動力傳動裝置、播種裝置和液壓提升架組成，如圖1所示。

動力底盤提供行走、提升和播種的動力。機(jī)具通過液壓油缸和提升架懸掛于動力底盤后部。工作時，先將操作手柄置于插植檔位，液壓油缸卸荷，機(jī)具隨自重下落，滑板緊貼泥面，播種溝開溝器和蓄水溝開溝器被壓入土壤內(nèi)，隨著機(jī)器前進(jìn)，機(jī)具隨泥面仿形作業(yè)，開溝起壟裝置開出蓄水溝和播種溝，排種器將種子以穴播的形式播入播種溝內(nèi)。

水稻精量穴直播機(jī)應(yīng)滿足同步開溝起壟、播量和穴距可調(diào)、仿形作業(yè)、壓茬（草）播種的農(nóng)藝要求，結(jié)合實際生產(chǎn)試驗，原水稻精量穴直播機(jī)存在以下需要改進(jìn)的地方：

1）橫梁容易變形

原穴直播機(jī)的提升牽引架直接與安裝排種器的橫梁相連，結(jié)構(gòu)輕巧，但工作時，橫梁不僅承受整個機(jī)具與稻種的重力，還承受底盤的牽引力，容易變形。在試驗示范中，時有發(fā)生因橫梁變形導(dǎo)致排種器傳動軸不同心而發(fā)生故障的情況。

2）播量調(diào)節(jié)范圍較小

原穴直播機(jī)采用普通型孔輪式排種器，一個排種輪只有單一型孔，播量調(diào)節(jié)困難。

3）穴距匹配不一致

雜交稻的分蘗能力強，需要合理的稀植，以提高產(chǎn)量；而常規(guī)稻則需要相對密植。合適的行距和穴距可以保證較優(yōu)的種群密度，保證產(chǎn)量。原穴直播機(jī)行距可選，但穴距偏大，且通用性較差。

4）壓茬（草）效果較差

原穴直播機(jī)的壓茬效果不理想，滑板和開溝器容易發(fā)生纏草，影響了開溝起壟的效果且播于秸稈上的種子不易扎根。

5）仿形系統(tǒng)不完善

仿形系統(tǒng)可使直播機(jī)滑板始終緊貼泥面進(jìn)行作業(yè)，可保證開溝起壟效果，播深一致，且可防止壅泥。原穴直播機(jī)的高程仿形系統(tǒng)可以使直播機(jī)隨田面上下浮動，在一定程度上解決了壅泥問題，但田間作業(yè)時，由于泥腳高低不平，動力底盤會前后俯仰和左右傾斜，使直播機(jī)隨底盤發(fā)生傾斜，導(dǎo)致開溝深淺不一，播后田面不平整。

本文主要通過優(yōu)化仿形裝置、滑板安裝角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，選用合適的排種器、設(shè)置獨立機(jī)架，設(shè)計不同底盤通用變速箱等以實現(xiàn)水稻精量穴直播機(jī)的優(yōu)化設(shè)計。

2 水稻精量穴直播機(jī)主要機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 機(jī)架設(shè)計

本文為水稻精量穴直播機(jī)設(shè)計了獨立的機(jī)架，安裝排種器的橫梁和滑板都安裝于機(jī)架上，提升牽引架通過軸承座與機(jī)架相連，如圖1所示。因此，安裝排種器的橫梁只受排種器的重力（含稻種）以及機(jī)架對橫梁的支撐力，可保證橫梁的變形足夠小而不影響直播機(jī)的可靠性。大面積田間試驗示范結(jié)果表明，機(jī)架的優(yōu)化設(shè)計有效地解決了橫梁變形的問題。

2.2 排種器的選用

原水稻精量穴直播機(jī)采用羅錫文等[20-21]、王在滿等[22]研究的型孔輪式排種器，排種輪上只有一種型孔，依靠限種板和清種毛刷調(diào)節(jié)播量，播量調(diào)節(jié)范圍有限。本文選用羅錫文[23]、張明華[24]等人研究成功的組合型孔排種器。該排種器的大、小2組型孔可快速調(diào)節(jié)，播量調(diào)節(jié)范圍大，可同時滿足常規(guī)稻與雜交稻的播種要求，對不同品種與播量有較好的適應(yīng)性，提高了穴直播機(jī)的適應(yīng)性。

2.3 穴距匹配

一般高速插秧機(jī)底盤的穴距調(diào)節(jié)范圍為10～22 cm，基本能滿足常規(guī)稻與雜交稻的種植要求。原水稻精量穴直播機(jī)的株距范圍為12～25 cm，考慮用戶操作習(xí)慣，穴直播機(jī)的穴距調(diào)節(jié)范圍與高速插秧機(jī)底盤一致。底盤的株距調(diào)節(jié)系統(tǒng)是一組齒輪變速箱，傳動比一定，在同一株距下，前進(jìn)速度與輸出軸轉(zhuǎn)速成正比，因此，只要測定某一株距下，機(jī)器的前進(jìn)速度與輸出軸轉(zhuǎn)速，根據(jù)傳動比公式即可計算出動力傳動系統(tǒng)中的減速比。

將插秧機(jī)底盤的檔位置于插值檔，穴距置于10 cm檔，測量距離為30 m。固定前進(jìn)速度，用秒表測定所需時間，同時用轉(zhuǎn)速儀測定底盤動力輸出軸（power take off shaft, PTO）輸出轉(zhuǎn)速。傳動比計算公式如下

式中為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；為滑轉(zhuǎn)率，15%（在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場測定，土質(zhì)為黏土，泥腳深度為22 cm，田間含水率為48%～58%，機(jī)具前進(jìn)速度為1.2 m/s時測得）；為試驗時機(jī)具前進(jìn)速度對應(yīng)的PTO轉(zhuǎn)速，608 r/min；為型孔個數(shù)，8；為穴距，0.1 m。

由式（1）可知，傳動比約為1:8?？紤]整機(jī)動力傳動的布置，設(shè)計2級減速，Ⅰ級減速采用1:2的錐齒輪箱，Ⅱ級減速采用1:4直齒輪減速，動力傳動路線如圖2所示。

由于國內(nèi)市場上日本、韓國和國產(chǎn)的插秧機(jī)底盤品牌眾多，有些插秧機(jī)底盤的PTO為順時針轉(zhuǎn)，而有些插秧機(jī)底盤的PTO為逆時針轉(zhuǎn)，導(dǎo)致直播機(jī)與一些插秧機(jī)頭的配套時發(fā)生排種器反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

本文設(shè)計了一種可以換向的錐齒輪箱，如圖3所示。小錐齒輪軸的一端通過萬向軸與底盤PTO輸出端相連，小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，通過平鍵和軸帶動小直齒輪將動力傳遞給播種裝置。襯套的寬度和大錐齒輪的相同，互換大錐齒輪與襯套的安裝位置可實現(xiàn)輸出端換向的目的?？蓳Q向減速箱的設(shè)計實現(xiàn)了直播機(jī)與不同底盤的動力配套配套，使直播機(jī)的通用性更好。

2.4 滑板與水平面的角度設(shè)計與試驗

滑板仿形系統(tǒng)，具有平田、埋茬的作用。安裝于滑板底部的蓄水溝開溝器和播種溝開溝器可同時開出播種溝和蓄水溝。

水稻的前茬作物一般為水稻、小麥和油菜。為保護(hù)大氣環(huán)境，中國政府出臺了相關(guān)政策與法律禁止焚燒秸稈、推進(jìn)農(nóng)作物秸稈綜合利用。很多農(nóng)戶采用秸稈還田的方式以提高土壤肥力、減少環(huán)境污染[25-26]，但對水稻直播機(jī)和插秧機(jī)田間作業(yè)也提高了難度，因水稻和小麥秸稈較輕，旋耕埋茬作業(yè)后仍有一部分秸稈會浮于田面，若種子播于秸稈上，可能因無法扎根而影響出苗。

滑板壓茬效果試驗于2014年5月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗農(nóng)場進(jìn)行。以壓茬效率評定埋茬效果，壓茬效率是指被滑板壓入土壤的秸稈比例。試驗前對田間秸稈長度取樣調(diào)查的結(jié)果表明，秸稈長度大都在20～35 cm。為此，將水稻秸稈用鍘刀截成每段長20～35 cm。均勻散入田面?；迮c水平面之間取4個角度（0°、2°、4°、6°）進(jìn)行對比試驗，重復(fù)3次。試驗小區(qū)處理：旋耕平田后沉淀2 d，每個小區(qū)規(guī)格為2.6 m×25 m。保持田面有2 cm左右薄水層，均勻地散入秸稈，秸稈質(zhì)量設(shè)計了2個處理，每個小區(qū)分別為5和10 kg。待秸稈浸透下沉后排水。土壤含水率為52%。試驗時機(jī)器的軟硬度固定為2檔（仿形靈敏度較高）。試驗結(jié)束后分小區(qū)收集未被壓入土壤的秸稈，分別裝入網(wǎng)袋中，并觀察開溝起壟的情況。將收集的秸稈中的泥沙清洗干凈，同時取試驗前的秸稈樣品3份，分別裝入紙袋中，放入烘箱至恒定質(zhì)量，再用電子秤分別稱取質(zhì)量。埋茬效率計算公式如下

式中0為樣品干質(zhì)量，kg；1為樣品質(zhì)量，kg；2為散入小區(qū)秸稈質(zhì)量，kg；3為未被埋入土壤的秸稈干質(zhì)量，kg。

由表1和公式（2）可知：在試驗條件下，田間表面稻秸稈量為5 kg，滑板角度為4°時，滑板壓茬效率達(dá)91.6%，且開溝起壟效果最佳；田間表面稻秸稈量為10 kg時，滑板的壓茬性能較差，經(jīng)試驗觀察，秸稈多纏在浮箱和滑板之間，導(dǎo)致開溝起壟效果較差。綜上所述，滑板的角度以4°較合理。

表1 滑板壓茬效果

注：表中不同字母表示顯著性差異(<0.05)。其中序號1-4，5-8分別進(jìn)行組間方差分析。

Note: Different letters indicate the significant difference (<0.05). Variance analysis was carried out among groups of No. 1-4, 5-8 respectively.

2.5 仿形系統(tǒng)設(shè)計

2.5.1 高程仿形系統(tǒng)

為了保證播種深度一致和防止壅泥[27]，本文設(shè)計了水稻精量穴直播機(jī)匹配動力底盤的液壓提升的高程仿形系統(tǒng)，使直播機(jī)在作業(yè)時相對于田面保持穩(wěn)定姿態(tài)，如圖4所示。

圖4中，浮箱和桿結(jié)構(gòu)組成了機(jī)械式傳感器。當(dāng)浮箱上擺時，二力桿推動橫架順時針擺動，閘線打開滑閥，液壓油缸進(jìn)油，播種裝置上升，同時浮箱逐漸恢復(fù)至平衡狀態(tài)；反之，浮箱下擺，播種裝置下降至平衡狀態(tài)。通過機(jī)頭上的軟硬度調(diào)節(jié)手柄可調(diào)節(jié)閘線的松緊度，以適應(yīng)不同松軟度的泥面。

機(jī)械桿體型傳感元件的鉸接點安裝于滑板前部，通過上下調(diào)整帶長槽的安裝板，改變浮箱與滑板的相對位置可改變開溝深度，即改變播種深度。

直播機(jī)在田間作業(yè)時，依靠浮箱與液壓滑閥聯(lián)動，油缸不斷地微調(diào)升降，使滑板的接地壓力穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，保證播深一致，防止壅泥。

2.5.2 水平仿形裝置

當(dāng)直播機(jī)在田間作業(yè)時，泥腳高低不平使得動力底盤發(fā)生左右傾斜，滑板在土壤的反作用力下隨水平仿形裝置的鉸鏈機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)，始終緊貼田面，可避免滑板一端將平整的田面挖成坑洼出現(xiàn)淹種現(xiàn)象，另一端因懸空造成無法開溝起壟的情況發(fā)生。

1.機(jī)架2.桿 3.鉸鏈4.彈簧 5.導(dǎo)桿6.滑板7.蓄水溝開溝器8.播種溝開溝器

1. Frame 2. Bar 3. Hinge 4. Spring 5. Guide Bar 6. Slide board 7. Water furrow opener 8. Seeding furrow opener

注：為桿長，m；1、2分別為左右兩側(cè)彈簧對滑板的作用力，N；1和2分別為泥面對滑板左右兩側(cè)的作用力，N；max為仿形裝置最大傾斜角度，(°)。

Note:is the length of the bar, m;1and2are the force of the left and right spring to the slide board respectively, N;1and2are the force of paddy to the left and right side of slide board respectively, N;maxis the maximum tilt angle of horizon profiling mechanism.

圖5 水平仿形機(jī)構(gòu)簡圖

Fig.5 Diagram of horizon profiling mechanism

2.5.3 水平仿形系統(tǒng)關(guān)鍵部件的設(shè)計

在水平仿形系統(tǒng)中，彈簧是最關(guān)鍵的部件。彈簧的勁度系數(shù)與最大仿形量是關(guān)鍵參數(shù)。

根據(jù)大田生產(chǎn)經(jīng)驗，當(dāng)直播機(jī)左右輪高差超過25cm，車身角度為11.7°時，極易發(fā)生陷車。因此，水平仿形最大角度max可取15°。假設(shè)機(jī)具兩側(cè)重力始終完全對稱，根據(jù)力矩平衡

（4）

（5）

（7）

（8）

根據(jù)邵耀堅等[28]對深軟水田承壓性能與土層深度的研究，代入機(jī)具實際相關(guān)尺寸（桿長度為0.256 m，為滑板寬度為2.08 m，左（右）邊滑板的有效面積1為2279 cm2，蓄水溝開溝器的有效面積2為429 cm2；種溝開溝器的有效面積3為172 cm2）求得38 N/mm，彈簧最大壓縮量=9 cm。

2.5.4 水平仿形裝置的試驗

2014年5月，在上海松江農(nóng)場進(jìn)行有無水平仿形裝置對田面平整度的影響試驗。試驗前對田塊進(jìn)行激光平地，排水沉實后，將底盤（機(jī)具處于提升狀態(tài)）駛?cè)朐囼炋铮ㄍ寥佬再|(zhì)為黏土、含水率為50%～58%）沿作業(yè)路線行駛，固定車速為0.5 m/s，采用航姿參考系統(tǒng)（attitude and heading reference system，AHRS）記錄各行車身傾斜的角度。選擇在傾斜角度為3°～9°之間的區(qū)域作為取樣小區(qū)，每個小區(qū)面積為30 m2，標(biāo)記好取樣點。再將有、無水平仿形裝置的直播機(jī)沿之前作業(yè)路線進(jìn)行播種試驗，試驗過程中為高程仿形為工作狀態(tài)。

取樣小區(qū)分為有水平仿形裝置作業(yè)區(qū)（A）和無水平仿形裝置作業(yè)區(qū)（B）。采用水平激光發(fā)射器和水平標(biāo)尺讀取各個取樣點在作業(yè)前和作業(yè)后于作業(yè)幅寬最左邊和最右邊相對激光面的距離。取樣點相隔0.5 m，連續(xù)10次。采用水平激光發(fā)射器和水平標(biāo)尺讀取作業(yè)后各個取樣點的泥面相對激光面的距離。

播種前后取樣點在作業(yè)幅寬最左邊相對最右邊的高度表示田面的平整度，絕對值越小，平整度越好，小于3 cm算合格。根據(jù)圖6，在左右泥腳高差較大時，有水平仿形裝置的直播機(jī)播種后的田面平整度均合格，且作業(yè)效果明顯優(yōu)于無水平仿形裝置的直播機(jī)。圖7為水稻精量穴直播機(jī)水平仿形作業(yè)效果，此時水稻直播機(jī)底盤傾斜角度為9.5°，而直播機(jī)具依然保持較水平狀態(tài)且開溝起壟效果較好。

在無水平仿形時，若把整臺直播機(jī)（幅寬2 m）看成剛體，當(dāng)傾斜角度大于5°時，左右高差將達(dá)到9 cm以上，明顯大于圖中值。究其原因，一是由于直播機(jī)提升架跟部件的安裝間隙，使得直播機(jī)在田間有細(xì)小左右擺動空間；二是由于高程仿形浮箱為兩個浮箱并聯(lián)，在直播機(jī)傾斜到一定角度時，打開高程仿形裝置，液壓油缸將直播機(jī)提升。

2014年5月至6月，在上海松江農(nóng)場和華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗農(nóng)場進(jìn)行了水平仿形裝置對水稻直播出苗率的影響試驗。在上海松江農(nóng)場同一田塊選用當(dāng)?shù)刂辈テ贩N秀水134（XS134，發(fā)芽率91%）和花優(yōu)14（HY14，發(fā)芽率93%）作為試驗材料，采用有水平仿形裝置（W1）和無水平仿形裝置（W2）2個處理，試驗前對田塊進(jìn)行激光平地；在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗農(nóng)場同一田塊選用當(dāng)?shù)刂辈テ贩N玉香油占（YXYZ，發(fā)芽率90%）和培雜泰豐（PZTF，發(fā)芽率93%）作為試驗材料，采用有水平仿形裝置（W1）和無水平仿形裝置（W2）2個處理，試驗前對田塊進(jìn)行激光平地。每個處理分別交替重復(fù)3次試驗。采用S形取樣法對每個處理設(shè)置5個取樣小區(qū)，每個小區(qū)取200穴。

試驗結(jié)果如圖8所示，每個品種不同處理W1和W2的平均穴粒數(shù)無顯著差異。XS134 處理W1的出苗率比W2高7.9%，PZTF處理W1的出苗率比W2高8.7%；HY14和YXYZ 2個處理的出苗率雖然差異較小，但W1較W2略高。根據(jù)圖8試驗結(jié)果，有水平仿形的處理W1有利于提高稻種出苗率。分析原因，本文設(shè)計的水平仿形裝置使得播種后田面平整度較高，有利于水稻直播出苗。

3 整機(jī)性能試驗與可靠性試驗

3.1 試驗儀器與設(shè)備

試驗儀器與設(shè)備：電子臺秤；手持式水分測試儀；卷尺；扭力扳手；游標(biāo)卡尺；溫濕度表；電子秒表；量杯。

3.2 試驗材料與方法

2013年5月-6月，在上海世達(dá)爾現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備有限公司和上海市松江區(qū)洞涇鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)服務(wù)站的農(nóng)田進(jìn)行水稻精量穴直播機(jī)的性能試驗（檢驗）。試驗對象：20 cm行距水稻精量穴直播機(jī)。試驗條件：以秀水134的露白種子為試驗品種，含水率為32.6%，濕種千粒質(zhì)量為33.0 g，容積質(zhì)量為0.703 g/cm3，穴距為14 cm，作業(yè)速度為0.9 m/s。

試驗方法與指標(biāo)參照NY/T1143-2006《播種機(jī)質(zhì)量評價規(guī)范》、JB/T 6274.1-2001《谷物播種機(jī)技術(shù)條件》、GB/T 25418-2010《水稻覆土直播機(jī)》。

2013年5月-6月，在上海市松江區(qū)家庭農(nóng)場進(jìn)行水稻精量穴直播機(jī)的可靠性試驗。試驗對象：20 cm行距水稻精量穴直播機(jī)，作業(yè)幅寬為2m。

平均首次故障前作業(yè)量（MTTFF）和有效度是直播機(jī)可靠性的主要評定方法。MTTFF是指直播機(jī)發(fā)生首次故障時單位幅寬的平均作業(yè)量，公式如下

式中r為試驗期間發(fā)生首次故障的直播機(jī)臺數(shù)（當(dāng)r=0時，取1）；為各直播機(jī)首次出現(xiàn)故障時的作業(yè)量之和，hm2；為在定量截尾試驗中（完成33 hm2/m作業(yè)量后停止試驗），未發(fā)生故障的各播種機(jī)作業(yè)量之和，hm2；為播種機(jī)作業(yè)幅寬，m。

有效度的計算公式如下

式中t為直播機(jī)在試驗期間每班次故障排除時間，h；t為直播機(jī)在試驗期間每班次作業(yè)時間，h。

3.3 結(jié)果與分析

將表2中各檢驗項目均重復(fù)3次，水稻精量穴直播機(jī)的穴粒數(shù)合格率為95%（±3為合格，穴粒數(shù)目標(biāo)值），空穴率為0，純工作小時生產(chǎn)率為0.67 hm2/h，各項指標(biāo)均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)[29-31]。各行排種量一致性變異系數(shù)和總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)，穴距合格率（±0.2為合格，為穴距目標(biāo)值）以及播后泥面高差（播種前泥面高差小于3 cm）均達(dá)到設(shè)計要求。

根據(jù)公式（9）、（10）和表3可知，水稻精量穴直播機(jī)的MTTFF為30.4 hm2/m，符合國家標(biāo)準(zhǔn)[31]規(guī)定（≥25 hm2/m）；水稻精量穴直播機(jī)的有效度為98.2%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)[30-31]（≥90%）。由此可見，水稻精量穴直播機(jī)的可靠性較好。

表2 水稻精量穴直播機(jī)性能試驗結(jié)果

表3 水稻精量穴直播機(jī)可靠性試驗

4 討 論

本文中測定的水稻精量穴直播機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)均取自與日本洋馬VP6D或VP6G乘坐式高速插秧機(jī)底盤配套的直播機(jī)。與其他公司（如久保田、井關(guān)、中機(jī)南方等）的插秧機(jī)底盤配套的水稻精量穴直播機(jī)的性能可能存在一定差異。

考慮水稻精量穴直播機(jī)的可靠性試驗需要的面積大、周期長且統(tǒng)計工作量大，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)校農(nóng)場條件有限，因此由上海市松江區(qū)農(nóng)機(jī)技術(shù)推廣站協(xié)助完成。推廣站安排固定機(jī)手有計劃地為松江區(qū)的各家庭農(nóng)場提供水稻直播服務(wù)，每天記錄機(jī)器工作量和使用情況，有利于準(zhǔn)確地統(tǒng)計可靠性試驗的數(shù)據(jù)。

滑板的角度對壓茬效果有一定影響，但秸稈量較多時，壓茬效果不佳，可考慮優(yōu)化浮箱和在浮箱之前設(shè)計主動壓茬裝置以更好地滿足水稻精量穴直播機(jī)壓茬播種的技術(shù)要求。水稻精量穴直播機(jī)在表面秸稈較多的田塊依舊存在滑板和仿形浮板纏草的現(xiàn)象。在實際生產(chǎn)中，田塊準(zhǔn)備時最好用旋耕埋茬機(jī)進(jìn)行埋茬作業(yè)，對埋茬效果不理想的田塊，建議機(jī)手在使用水稻精量穴直播機(jī)作業(yè)時多觀察滑板前稻茬或麥茬的積累情況，適當(dāng)停下來提升播種裝置來釋放一部分稻茬或麥茬，保證播種效果。

5 結(jié) 論

1）優(yōu)化設(shè)計的水稻精量穴直播機(jī)可實現(xiàn)穴距可調(diào)、仿形作業(yè)、壓茬播種，符合水稻直播的農(nóng)藝要求。

2）確定了與洋馬VP6G配套的動力底盤的減速比為1:8，并設(shè)計了水稻精量穴直播機(jī)的一種可換向的減速箱，實現(xiàn)了與不同底盤的動力匹配，使直播機(jī)的通用性更好。

3）本文對壓茬播種進(jìn)行了研究，確定了滑板角度為4°，此時壓茬效率可達(dá)91.6%，且開溝起壟效果相對最佳。

4）高程仿形裝置和水平仿形裝置使播后田面相對較平整，有利于水稻出苗。其中，秀水134和培雜泰豐在有水平仿形機(jī)構(gòu)作業(yè)的情況下比無水平仿形機(jī)構(gòu)的出苗率分別高出7.9%和8.7%。

5）鑒定結(jié)果和田間試驗表明水稻精量穴直播機(jī)的各項指標(biāo)和可靠性指標(biāo)均達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)各項技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（穴粒數(shù)合格率為95%，空穴率為0，純工作小時生產(chǎn)率為0.67 hm2/h，各行排種量一致性變異系數(shù)為3.8%和總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)1.5%，穴距合格率為100%，播后泥面高差2.0cm，平均首次故障前作業(yè)量為30.4 hm2/m以及有效度為98.2%等），具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

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Optimization design and experiment of profiling and slide board mechanism of precision rice hill-drop drilling machine

Zhang Minghua1,2, Luo Xiwen1,2※, Wang Zaiman1,2, Wang Baolong1,2, Xue Zhenlin3

(1.510642,; 2.410128,; 3.201613,)

In order to better realize the combination of agricultural machinery and agronomy, the design of precision rice hill-drop drilling machine was further optimized and tested. The precision rice hill-drop drilling machine that was powered with high speed transplanter chassis was composed of frame, furrowing and ridging device, height and horizontal profiling mechanism system, power transmission system, seeding device and hydraulic lifting frame. It could meet the rice direct seeding agronomic requirements which are furrowing and ridging synchronously, adjustable sowing rate and hill space, optional row space, profiling seeding mode and stubble burying before seeding. The combined hole-type metering device included small and big type holes was used for the precision rice hill-drop drilling machine, so that it could meet the sowing rate requirement of conventional rice and hybrid rice simultaneously and adjust the seeding rate quickly. On the basis of the combination of agricultural machinery and agronomy as well as the experimental verification, the frame, reduction gearbox, horizontal profiling mechanism, height profiling system and installation angle of slide plate were optimized. The new frame could protect the main bar from being bended. The new reduction gearbox made the hill space to match the speed of the chassis more accurately and also could change the rotation direction to fit different kinds of chassis. The height and horizontal profiling mechanism made the seeding machine more floatable, so it could adapt more complicate ground. Furthermore, the related experiments proved that profiling system is conducive to the seedling emergence of rice. The seedling emergence rates of the rice varieties XS134 and PZTF, which were seeded by the precision rice hill-drop machine with horizontal profiling mechanism, were 7.9% and 8.7% higher than that without horizontal profiling mechanism, respectively. In order to protect the atmosphere environment, the government introduced the relevant policies and laws to prohibit the burning of straw, and promoted the comprehensive utilization of crop straw. Many farmers returned straw residue to field to improve soil fertility and reduce environmental pollution, but it could be more difficult for the direct seeding machine and rice transplanter working in the field as well. To overcome this difficulty, the stubble-burying seeding was studied. The angle of the slide board was confirmed as 4° by the experiment result, while the efficiency of stubble burying was 91.6% and the furrowing and ridging effect under 4° was relatively better than that under other degrees. In this paper, some verification tests involved the main technical indices of the seeding machine and its reliability. Results showed that, the pure work efficiency was 0.67 hm2/h, the qualified rate of hill space was up to 100%, the variable coefficient was as low as 2.5%, the qualified rate of the seeds number per hill reached 95% and the cavity rate was 0; furthermore, the variable coefficient of the consistency of seeding quantity per row and the stability of total seeding quantity were 3.8% and 1.5% respectively; after seeding with horizontal profiling mechanism, the height difference between the left and the right field surface was about 2.0 cm; more important, the average of assignment before first-time fault (MTTFF) was 30.4 hm2/h, and the validity reached up to 98.2%. Therefore, on the basis of these results which all meet the national standard and the requirements of the combination of agricultural machinery and agronomy, and the reduction gearbox makes the machine more universal. The performance of the optimized precision rice hill-drop drilling machine is reliable and has exciting application foreground.

agricultural machinery; design; experiment; optimization; rice; hill-drop drilling machine; profiling; burying stubble

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.003

S223.2+3

A

1002-6819(2017)-06-0018-09

2016-11-06

2017-02-16

國家公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201203059）；國家引進(jìn)國際先進(jìn)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)（948）計劃項目（2011-G18(2)）；國家高技術(shù)研究發(fā)展（863）計劃項目（2012AA10A501-2）；國家自然科學(xué)基金（51105147）；廣東省自然科學(xué)基金（S2011010001948）

張明華，男，博士生，主要從事水稻生產(chǎn)機(jī)械化研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，510642。Email：zhangminghuascau@163.com

羅錫文，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究。廣州 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，510642。Email：xwluo@scau.edu.cn