田立權(quán) 唐 漢 王金武 李樹偉 周文琪 閆東偉

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

田立權(quán) 唐 漢 王金武 李樹偉 周文琪 閆東偉

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

為滿足水稻種植精量穴直播要求，設(shè)計(jì)了一種彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器。闡述了排種器的工作原理，并應(yīng)用Matlab軟件對(duì)投種過(guò)程中水稻芽種的彈射軌跡進(jìn)行了研究。為評(píng)價(jià)排種器性能，選取龍稻6號(hào)、龍慶稻2號(hào)、龍慶稻3號(hào)為試驗(yàn)品種，以旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速、種箱容種高度為影響因素，以排種合格率、重播率、漏播率為指標(biāo)，采用二次正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，利用JPS-12型排種器檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，構(gòu)建了排種性能數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和種箱容種高度為60 mm時(shí)，龍稻6號(hào)排種合格率為87.23%，重播率為9.56%；龍慶稻2號(hào)排種合格率為90.86%，重播率為6.97%；龍慶稻3號(hào)排種合格率為89.12%，重播率為7.46%。此排種性能滿足水稻精量穴直播要求。

水稻； 排種器； 彈射式耳勺； 精量穴直播； 設(shè)計(jì)； 試驗(yàn)

引言

水稻直播技術(shù)相比移栽是一種省時(shí)省水節(jié)本增效的輕簡(jiǎn)化種植技術(shù)[1-6]。穴直播是按農(nóng)藝要求，將水稻芽種依所需的穴距、行距和穴粒數(shù)精準(zhǔn)地播到水田田間[7-8]。然而，稻種經(jīng)過(guò)浸種催芽處理后，芽種含水率增加、形狀不規(guī)則、流動(dòng)性降低，因此推廣水稻穴直播的關(guān)鍵在于播種機(jī)具核心部件排種器的設(shè)計(jì)[4,7]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行了廣泛研究。PRASANNA等[9]設(shè)計(jì)了滾筒式水稻排種裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但播種量大，多應(yīng)用于水稻條播。羅錫文等[4,7]研制了瓢形型孔穴直播排種輪控制每穴播種量，并設(shè)計(jì)彈性隨動(dòng)護(hù)種裝置，實(shí)現(xiàn)了有序種植。王在滿等[10]對(duì)型孔輪式排種器工作過(guò)程進(jìn)行了高速攝影分析，提出了排種器結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。馬旭等[11]設(shè)計(jì)了螺旋勺輪式播種器，提高了育秧播種的合格率和穩(wěn)定性。王林力等[12]設(shè)計(jì)了偏心頂桿式水稻精量排種器，由于采用頂桿機(jī)構(gòu)強(qiáng)制排種，減少了芽種堵塞，但對(duì)種芽損傷率較高。張國(guó)忠等[13]為實(shí)現(xiàn)雜交稻和常規(guī)稻的田間精量穴直播，提出了具有雙腔側(cè)充式排種器，但隨排種器轉(zhuǎn)速增加，漏播率呈上升趨勢(shì)，排種合格率下降。王俊等[14]提出了一種排種輪表面形成可調(diào)節(jié)窩眼的排種器，該排種器對(duì)球度較高、流動(dòng)性好的稻種排種性能較好。袁月明[15]研制了具有雙排吸孔的垂直盤式水稻精密排種器，并進(jìn)行了氣室流場(chǎng)仿真分析與性能試驗(yàn)。曹成茂等[16]設(shè)計(jì)了一種氣吹輔助異形孔勺輪式水稻穴播排種器，采用氣吹方式清種，提高了排種性能。翟建波等[17]研制了一種氣力式雜交稻精量穴直播排種器，解決了雜交稻流動(dòng)性差造成的堵塞問(wèn)題。上述氣力式水稻排種器難以滿足田間直播要求，而且上述裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，作業(yè)中存在效率低、播種成本高等不足。因此，目前黑龍江省水稻直播仍以條播為主，由于條播機(jī)用種量大，浪費(fèi)大量?jī)?yōu)良稻種，所以研制一種定量播種成行成穴的水稻直播機(jī)械很有必要。

本文采用取種耳勺舀種、毛刷清種、導(dǎo)種輥?zhàn)o(hù)種、彈射投種等方式，設(shè)計(jì)彈射式耳勺型精量穴直播排種器(以下簡(jiǎn)稱排種器)。為評(píng)價(jià)該排種器性能，選取龍稻6號(hào)、龍慶稻2號(hào)和龍慶稻3號(hào)水稻為試驗(yàn)對(duì)象，以排種合格率、重播率和漏播率為指標(biāo)，以旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速、種箱容種高度為影響因素，開展排種性能臺(tái)架試驗(yàn)，以期為排種器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)提供理論參考。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure diagrams of rice hill-direct-seeding and work process1.導(dǎo)種輥 2.輥軸 3.輥架 4.種箱 5.清種毛刷 6.取種耳勺 7.勺軸 8.擋桿 9.扭轉(zhuǎn)彈簧 10.旋轉(zhuǎn)盤 11.排種軸 12.投種管 Ⅰ. 舀種區(qū) Ⅱ. 清種區(qū) Ⅲ. 導(dǎo)種區(qū) Ⅳ. 投種區(qū) E.初始種位線

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作過(guò)程

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

如圖1a所示，排種器主要由取種耳勺、勺軸擋桿、旋轉(zhuǎn)盤、導(dǎo)種輥、輥軸、輥架、投種管、扭轉(zhuǎn)彈簧、清種毛刷、種箱和排種軸等部件組成。

其中，旋轉(zhuǎn)盤與排種軸固結(jié)，取種耳勺通過(guò)勺軸安裝在旋轉(zhuǎn)盤上；取種耳勺與旋轉(zhuǎn)盤隨排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)取種耳勺亦可繞勺軸旋轉(zhuǎn)；扭轉(zhuǎn)彈簧安裝在勺軸上，扭轉(zhuǎn)彈簧的一側(cè)端力臂固定在取種耳勺，另一側(cè)端力臂固定在旋轉(zhuǎn)盤上，使取種耳勺與擋桿接觸；導(dǎo)種輥通過(guò)輥架安裝在種箱頂部，并可繞輥軸轉(zhuǎn)動(dòng)；投種管安裝在種箱后壁外側(cè)，清種毛刷安裝在種箱前壁內(nèi)側(cè)。

1.2 工作過(guò)程

排種器工作區(qū)域劃分如圖1b所示，種箱內(nèi)水稻芽種依次經(jīng)歷舀種、清種、導(dǎo)種和投種4個(gè)過(guò)程。首先機(jī)具通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳至排種軸，旋轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)取種耳勺繞排種軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在舀種區(qū)，耳勺進(jìn)入初始種位線，舀取定量的芽種并帶離種群完成舀種過(guò)程；盛有芽種的取種耳勺轉(zhuǎn)至清種區(qū)時(shí)，處于耳勺邊緣非穩(wěn)定狀態(tài)的芽種在清種毛刷作用下回落種群，重新參與后續(xù)舀種過(guò)程；耳勺轉(zhuǎn)入導(dǎo)種區(qū)并與導(dǎo)種輥接觸，導(dǎo)種輥壓動(dòng)取種耳勺，使其繞勺軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，取種耳勺與擋桿分離，耳勺帶動(dòng)扭轉(zhuǎn)彈簧一側(cè)力臂轉(zhuǎn)動(dòng)，促使扭轉(zhuǎn)彈簧存儲(chǔ)角能量，產(chǎn)生角度回彈力，使取種耳勺緊貼導(dǎo)種輥，起到導(dǎo)種、護(hù)種作用；在投種區(qū)，耳勺脫離導(dǎo)種輥的壓動(dòng)作用，扭轉(zhuǎn)彈簧復(fù)位釋放角能量，扭轉(zhuǎn)彈簧帶動(dòng)耳勺繞勺軸順時(shí)針回轉(zhuǎn)，重新與擋桿接觸，從而將取種耳勺內(nèi)芽種彈射入投種管內(nèi)，投落至水田田面，完成投種過(guò)程。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 取種耳勺

2.1.1 耳勺數(shù)量

水稻播種機(jī)具在作業(yè)速度和穴距確定的條件下，相同直徑的旋轉(zhuǎn)盤上取種耳勺數(shù)量越多，旋轉(zhuǎn)盤線速度越低[18]。較低的旋轉(zhuǎn)盤線速度，能夠延長(zhǎng)耳勺通過(guò)舀種區(qū)的時(shí)間，有利于提高耳勺舀種性能。因此，在排種器結(jié)構(gòu)允許條件下，旋轉(zhuǎn)盤上應(yīng)盡可能多的設(shè)計(jì)取種耳勺數(shù)量。耳勺在旋轉(zhuǎn)盤上采用均布形式，設(shè)取種耳勺數(shù)量為Z，則有

(1)

式中Z——取種耳勺數(shù)量，個(gè)v——試驗(yàn)臺(tái)架種床帶速度，m/sS——穴距，mmn——旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min

試驗(yàn)臺(tái)架種床帶速度模擬田間播種機(jī)具前進(jìn)速度0.52 m/s，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)盤及其上的取種耳勺旋轉(zhuǎn)直徑為200 mm；根據(jù)農(nóng)藝要求水稻播種穴距取150 mm，旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速取34 r/min，根據(jù)式(1)確定取種耳勺數(shù)量Z為6個(gè)。

2.1.2 取種耳勺結(jié)構(gòu)

為保證取種耳勺順利舀取定量水稻芽種，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮芽種參數(shù)。浸種催芽后，水稻芽種長(zhǎng)、寬、厚差別較大。本試驗(yàn)選取黑龍江省直播種植的3個(gè)水稻品種，測(cè)得浸種催芽后芽種平均長(zhǎng)(l)×寬(w)×厚(t)分別為：龍稻6號(hào)8.91 mm×2.82 mm×2.15 mm，龍慶稻3號(hào)7.75 mm×3.11 mm×2.12 mm，龍慶稻2號(hào)6.29 mm×3.29 mm×2.35 mm。

水稻芽種近似橢球狀，其平躺、側(cè)臥和豎立姿態(tài)的投影截面近似橢圓形，其截面積為

(2)

(3)

(4)

式中st——水稻芽種平躺狀態(tài)截面積，mm2sw——水稻芽種側(cè)臥狀態(tài)截面積，mm2sl——水稻芽種豎立狀態(tài)截面積，mm2

舀種過(guò)程中，取種耳勺盛種部舀入的芽種姿態(tài)可能是平躺、豎立或側(cè)臥。有研究表明，芽種穩(wěn)定舀入盛種部狀態(tài)概率與其本身平躺、豎立或側(cè)臥狀態(tài)的截面積成正相關(guān)[19]。即

(5)

(6)

(7)

其中

(8)

式中pt——水稻芽種平躺狀態(tài)概率，%pw——水稻芽種側(cè)臥狀態(tài)概率，%pl——水稻芽種豎立狀態(tài)概率，%

水稻芽種囊入盛種部姿態(tài)概率為互不相容的事件，3種姿態(tài)的概率總和為1，即

pt+pw+pl=1

(9)

根據(jù)式(8)和式(9)分別得到芽種囊入盛種部姿態(tài)概率，見表1。

表1 水稻芽種囊入盛種部姿態(tài)概率

由表1可知，水稻芽種主要以平躺和側(cè)臥的姿態(tài)被舀入取種耳勺盛種部，二者概率之和占80%以上。考慮到浸種催芽后芽種尺寸及流動(dòng)性，本文設(shè)計(jì)取種耳勺盛種部在旋轉(zhuǎn)盤徑向截面為橢圓形，該盛種部橢圓長(zhǎng)軸D與旋轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)方向相切，取種耳勺結(jié)構(gòu)如圖2所示。d為盛種部橢圓短軸，W為盛種部深度，γ為盛種部?jī)A角。

圖2 取種耳勺結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure diagram of grasping dipper1.勺軸孔 2.盛種部

為了提高取種耳勺舀種、投種性能，同時(shí)保證每個(gè)耳勺盛種部舀取5～8粒芽種，參照經(jīng)驗(yàn)公式[20], 耳勺盛種部橢圓長(zhǎng)軸D、盛種部橢圓短軸d和盛種部深度W分別為

(10)

式中l(wèi)max——水稻芽種長(zhǎng)度最大值，mmwmax——水稻芽種寬度最大值，mmkl——盛種部橢圓長(zhǎng)軸調(diào)節(jié)系數(shù)kw——盛種部橢圓短軸調(diào)節(jié)系數(shù)kt——盛種部深度調(diào)節(jié)系數(shù)

根據(jù)水稻芽種三軸尺寸，確定D=14 mm、d=8 mm、W=4 mm，可以盛裝5～8粒芽種。

2.1.3 取種耳勺盛種部?jī)A角γ

圖3 水稻芽種群在舀種區(qū)受力分析圖Fig.3 Stress sketches of seeds population in graspⅤ.耳勺接觸面 Ⅵ.種群接觸面

排種器作業(yè)時(shí)，由于水稻芽種在舀種區(qū)以散粒體方式運(yùn)動(dòng)，圖3b為在取種耳勺帶動(dòng)下芽種形成強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)的弧形種群[21]。為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，將弧形種群視為矩形截面h×b(h為芽種群接觸面與取種耳勺間距，b為厚度)的芽種流。選取舀種區(qū)內(nèi)種群微段dp為研究對(duì)象，受力分析如圖3a所示，建立平衡方程

(11)

式中m——水稻芽種質(zhì)量，kgFn——種群對(duì)芽種流微段的側(cè)向壓力,Nβ——y軸與水平面的夾角，(°)G——水稻芽種自身重力，Nf——芽種流微段與取種耳勺摩擦力,NFc——芽種流微段慣性離心力,Nμ——芽種流微段與取種耳勺摩擦因數(shù)N——取種耳勺對(duì)芽種流微段支持力,Nω——取種耳勺角速度，rad/sr——取種耳勺旋轉(zhuǎn)半徑，mm

由式(11)得

(12)

由式(12)可以得到，取種耳勺有效舀種位置角即y軸與水平面的夾角β，與芽種物料特性μ、耳勺盛種部?jī)A角γ、取種耳勺角速度ω有關(guān)。根據(jù)排種器工作原理可知，有效舀種位置角不大于90°，即β≤90°，取種耳勺角速度取ω=3.35 rad/s，芽種流微段與取種耳勺摩擦因數(shù)取μ=0.78[22]，耳勺旋轉(zhuǎn)半徑r為100 mm，取整求得耳勺盛種部?jī)A角γ為17°。

2.2 投種管

圖4 芽種在投種管運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.4 Sketch of motioning seed in different shaped orifices

已知取種耳勺彈射點(diǎn)高度為H，芽種拋入投種管速度為vx，離開投種管速度為vy，芽種下落過(guò)程中軌跡線微元記作ds,芽種與投種管的摩擦角為φ，芽種所處投種管點(diǎn)切線與x軸夾角為α，投種管對(duì)芽種支持力為FN，摩擦力為Ff，芽種自身重力為mg，則有

(13)

(14)

當(dāng)y=H時(shí)，x=-KH2，dQ=Ffds，有

Q=∫Ffds=∫mgcosαtanφds=

(15)

水稻芽種在彈射投種管和離開投種管時(shí)能量守恒，即

(16)

(17)

(18)

(19)

得到彈射軌跡線方程

(20)

由式(20)可知，通過(guò)改變H、vx、vy等參數(shù)，應(yīng)用Matlab軟件可以繪制一系列水稻芽種的彈射軌跡[23]，如圖5所示。

圖5 水稻芽種彈射軌跡Fig.5 Track of rice unloading

根據(jù)彈射軌跡設(shè)計(jì)投種管，將彈射軌跡最大限度的包絡(luò)在投種管范圍內(nèi)。水稻芽種在依此方法設(shè)計(jì)的投種管內(nèi)運(yùn)動(dòng)，可以降低芽種與投種管碰撞，減少芽種損傷，降低芽種與投種管摩擦，順利成穴投落到水田田面。

3 性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

為了測(cè)試排種器性能，用JPS-12型計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)排種器自動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院研制)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，如圖6所示。試驗(yàn)品種選擇龍慶稻3號(hào)，千粒質(zhì)量27.2 g，由黑龍江省慶安縣北方綠洲稻作研究所選育，需對(duì)其浸種催芽至破胸露白。

試驗(yàn)時(shí)，將排種器固定在安裝架上，由電動(dòng)機(jī)控制種床帶速度，模擬播種機(jī)具前進(jìn)狀態(tài)；通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)排種軸在10～150 r/min內(nèi)無(wú)級(jí)調(diào)速；黏種油以一定的寬度噴涂于種床帶表面，可有效對(duì)芽種進(jìn)行黏附，模擬芽種播種至水田情況。

圖6 排種性能試驗(yàn)臺(tái)架Fig.6 Test platform of seed-metering device on performance1.安裝架 2.種床帶 3.排種器 4.電動(dòng)機(jī)

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

按照農(nóng)藝要求，常規(guī)稻直播每穴5～8粒[24]，將每穴0～4粒記為漏播，每穴5～8粒記為合格，每穴超過(guò)8粒記為重播。參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》中播種合格率、漏播率和重播率計(jì)算方法。連續(xù)記錄排種器排出每穴內(nèi)芽種數(shù)Xi，每250次為1組，記錄3組，對(duì)每穴內(nèi)芽種出現(xiàn)0～4粒、5～8粒與8粒以上次數(shù)Xi進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[25]，則每穴不同粒數(shù)芽種的概率為

(21)

播種合格率、重播率、漏播率計(jì)算公式為

(22)

式中Xij——每穴排出i粒芽種的次數(shù)y1——合格率，%y2——重播率，%y3——漏播率，%

3.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)排種器結(jié)構(gòu)和工作過(guò)程可知，影響排種器性能的主要因素有種箱容種高度和旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速。分別對(duì)容種高度和工作轉(zhuǎn)速進(jìn)行單因素預(yù)備試驗(yàn)，以合理控制因素變化范圍[26]。在此基礎(chǔ)上，采用二因素五水平二次旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)試驗(yàn)以確定排種器最佳組合參數(shù)，試驗(yàn)因素編碼如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素編碼

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果

通過(guò)Design-Expert 6.0.10 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，進(jìn)而得到相應(yīng)的回歸方程。其中x1為工作轉(zhuǎn)速，x2為容種高度。

(23)

為了直觀地分析各試驗(yàn)因素與排種性能指標(biāo)間關(guān)系,運(yùn)用Design-Expert 6.0.10 軟件得到相應(yīng)曲面,如圖7所示。

圖7 各因素對(duì)性能指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面Fig.7 Response surfaces of all factors on seeding qualified index

根據(jù)式(23)和圖7可知，種箱容種高度與旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速存在交互作用。由圖7a可知，旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速一定時(shí)，合格率隨容種高度的增加先增加后降低；當(dāng)容種高度變化時(shí)，合格率變化區(qū)間較大，因此容種高度是影響合格率的主要因素。由圖7b可知，種箱容種高度對(duì)重播率的影響顯著。隨容種高度的增加，重播率先降低后增加，原因?yàn)槿莘N高度過(guò)大，清種區(qū)域變小，甚至沒(méi)有清種過(guò)程，導(dǎo)致取種耳勺內(nèi)芽種數(shù)不穩(wěn)定。由圖7c可知，旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速對(duì)漏播率影響顯著，隨工作轉(zhuǎn)速的增加，漏播率呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

3.4 優(yōu)化與驗(yàn)證

為得到試驗(yàn)因素最優(yōu)組合，結(jié)合各因素邊界條件建立數(shù)學(xué)模型[27]。對(duì)式(23) 回歸方程進(jìn)行分析，其數(shù)學(xué)模型為

(24)

由式(24)，基于Design-Expert 6.0.10 軟件中的Optimization模塊進(jìn)行多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化，得到當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和種箱容種高度為60 mm時(shí)，排種性能最優(yōu)，此時(shí)合格率為89.80%、重播率為7.85%、漏播率為2.35%。根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)化獲得的參數(shù)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，得到播種合格率為89.12%、重播率為7.46%、漏播率為3.42%。驗(yàn)證結(jié)果與優(yōu)化結(jié)果基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)，誤差的產(chǎn)生原因可能為機(jī)器振動(dòng)。

在模型優(yōu)化確定最優(yōu)參數(shù)基礎(chǔ)上，為研究排種器對(duì)不同品種水稻排種情況，進(jìn)行臺(tái)架適應(yīng)性試驗(yàn)。選取3個(gè)品種水稻(龍稻6號(hào)、龍慶稻2號(hào)、龍慶稻3號(hào))為試驗(yàn)對(duì)象，在旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和容種高度為60 mm工況下進(jìn)行5次重復(fù)試驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理取平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知，排種器對(duì)3個(gè)品種水稻排種性能均滿足水稻直播要求，其中龍慶稻2號(hào)(呈短圓形)流動(dòng)性較好，易于舀種、投種，因此性能指標(biāo)最優(yōu)；龍稻6號(hào)(呈長(zhǎng)圓形)流動(dòng)性較差，清種不徹底，重播率較高。

表4 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1)針對(duì)黑龍江省水稻直播要求，設(shè)計(jì)了一種彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器，對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行分析。依此確定取種耳勺結(jié)構(gòu)參數(shù)和水稻芽種彈射軌跡線，以滿足精量穴直播要求。

(2)采用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計(jì)，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立試驗(yàn)因素與排種性能數(shù)學(xué)模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化、驗(yàn)證，模型優(yōu)化結(jié)果與臺(tái)架驗(yàn)證結(jié)果基本一致。

(3)以種箱容種高度和旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為影響因素，對(duì)該排種器排種性能進(jìn)行了室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤工作轉(zhuǎn)速為29.34 r/min和種箱容種高度為60 mm時(shí)，得到龍慶稻3號(hào)最優(yōu)排種性能指標(biāo)合格率為89.12%、重播率為7.46%，龍慶稻2號(hào)合格率為90.86%、重播率為6.97%，龍稻6號(hào)合格率為87.23%、重播率為9.56%，性能滿足直播要求。

1 曾山，湯海濤，羅錫文，等．同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(20)：12-19．http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20122002&journal_id=nygcxb. DOI: ZENG Shan, TANG Haitao, LUO Xiwen, et al. Design and experiment of precision rice hill-drop drilling machine for dry land with synchronous fertilizing[J/OL]. Transactions of the CSAE,2012, 28(20): 12-19. (in Chinese)

2 臧英，羅錫文，周志艷．南方水稻種植和收獲機(jī)械化的發(fā)展策略[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008，39(1)：60-63． ZANG Ying,LUO Xiwen,ZHOU Zhiyan.Development strategy on rice planting and harvesting mechanization in south China [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2008,39(1):60-63.(in Chinese)

3 張國(guó)忠，臧英，羅錫文，等．水稻氣力式排種器導(dǎo)向型攪種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(12)：1-8．http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20131201&journal_id=nygcxb. DOI: ZHANG Guozhong, ZANG Ying, LUO Xiwen, et al. Design and experiment of oriented seed churning device on pneumatic seed metering device for rice[J/OL]. Transactions of the CSAE, 2013, 29(12): 1-8. (in Chinese)

4 羅錫文，蔣恩臣，王在滿，等．開溝起壟式水稻精量穴直播機(jī)的研制[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24(12)：52-56． LUO Xiwen, JIANG Enchen, WANG Zaiman, et al. Precision rice hill-drop drilling machine[J]. Transactions of the CSAE,2008,24(12)：52-56.(in Chinese)

5 王在滿，羅錫文，唐湘如，等．基于農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合的水稻精量穴直播技術(shù)及機(jī)具[J]．華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，31(1)：91-95． WANG Zaiman, LUO Xiwen, TANG Xiangru, et al. Precision rice hill-direct-seeding technology and machine based on the combination of agricultural machinery and agronomic technology[J].Journal of South China Agricultural University,2010,31(1):91-95. (in Chinese)

6 臧英，邢赫，王在滿，等．水稻氣力式排種器擋種裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(5)：33-38．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150506&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.05.006. ZANG Ying, XING He, WANG Zaiman, et al. Design and experiment of shield device on rice pneumatic metering device[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(5): 33-38. (in Chinese)

7 羅錫文，劉濤，蔣恩臣，等．水稻精量穴直播排種輪的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(3)：108-112． LUO Xiwen, LIU Tao, JIANG Enchen, et al. Design and experiment of hill sowing wheel of precision rice directseeder [J].Transactions of the CSAE, 2007, 23(3): 108-112. (in Chinese)

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10 王在滿，羅錫文，黃世醒，等．型孔式水稻排種輪充種過(guò)程的高速攝像分析[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2009，40(12)：56-61． WANG Zaiman, LUO Xiwen, HUANG Shixing, et al. Rice seeds feeding process in cell wheel based on high-speed photography technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(12): 56-61.(in Chinese)

11 馬旭，鄺健霞，齊龍，等．水稻田間育秧精密播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(7)：31-37．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150705&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.07.005. MA Xu,KUANG Jianxia,QI Long, et al. Design and experiment of precision seeder for rice paddy field seedling[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(7): 31-37.(in Chinese)

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14 王俊，陸秋君，竺錫雅，等．水稻直播機(jī)專用播種器：中國(guó)，ZL02126718．9[P]．2002-07-14．

15 袁月明．氣吸式水稻芽種直播排種器的理論及試驗(yàn)研究[D]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2006． YUAN Yueming. Research of theory and experiment on air suction seed-metering device for direct drilling of rice bud-sowing[D]. Changchun: Jilin University, 2006.(in Chinese)

16 曹成茂，秦寬，王安民，等．水稻直播機(jī)氣吹輔助勺輪式排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(1)：66-72．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150110&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.01.010. CAO Chengmao, QIN Kuan, WANG Anmin, et al. Design and experiment on rice hill seeder with air-blowing special hole and scoop-wheel[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1): 66-72. (in Chinese)

17 翟建波，夏俊芳，周勇，等．氣力式雜交稻精量穴直播排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016，47(1)：75-82．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160111&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.01.011. ZHAI Jianbo,XIA Junfang,ZHOU Yong, et al.Design and experiment of pneumatic precision hill-drop drilling seed metering device for hybrid rice[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 75-82. (in Chinese)

18 張德文，李林，王慧民．精密播種機(jī)械[M]．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1982．

19 張波屏．現(xiàn)代種植機(jī)械工程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997．

20 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院．農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(上冊(cè))[M]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007．

21 王業(yè)成，邱立春，張文嬌，等．摩擦型立式圓盤精密排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(1)：22-26．http:∥www.tcsae.org/nygcxb/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20120105&journal_id=nygcxb. DOI: WANG Yecheng, QIU Lichun, ZHANG Wenjiao, et al. Design and experiment of friction vertical plate precision seed-metering device[J]. Transactions of the CSAE,2012, 28(1): 22-26. (in Chinese)

22 於海明．特種稻谷-秈稻-物理特性的實(shí)驗(yàn)測(cè)定[D]．南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006． YU Haiming.The experimental measurement of physical characteristics for special grain (xian dao)[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2006. (in Chinese)

23 田立權(quán)，王金武，唐漢，等．螺旋槽式水稻穴直播排種器設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J/OL]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2016,47(5)：46-52．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20160507&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.05.007. TIAN Liquan, WANG Jinwu, TANG Han, et al. Design and performance experiment of helix grooved rice seeding device[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(5)：46-52．(in Chinese)

24 曾新宇．不同早稻品種的機(jī)直播方式和播種量研究[D]．南昌：江西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013． ZENG Xinyu. The reasearch in mechanization planting ways and seeding ratios at different early direct seeding rice[D].Nanchang: Jiangxi Agricultural University, 2013. (in Chinese)

25 GB/T 6973—2005 單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法[S]．2005.

26 王延耀，李建東，王東偉，等．氣吸式精密排種器正交試驗(yàn)優(yōu)化[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(10)：54-58．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=2012s11&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.10.011. WANG Yanyao, LI Jiandong, WANG Dongwei, et al. Orthogonal experiment optimization on air-suction precision seed-metering device[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012,43(10):54-58.(in Chinese)

27 王金武，唐漢，周文琪，等．指夾式精量玉米排種器改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J/OL]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(9)：68-76．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20150910&journal_id=jcsam. DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.09.010. WANG Jinwu,TANG Han, ZHOU Wenqi,et al. Improved design and experiment on pickup finger precision seed metering device [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015,46(9):68-76.(in Chinese)

Design and Experiment of Rebound Dipper Hill-drop Precision Direct Seed-metering Device for Rice

TIAN Liquan TANG Han WANG Jinwu LI Shuwei ZHOU Wenqi YAN Dongwei

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

Aiming at the need of precision rice hill-direct-seeding, the precision hill-direct-seeding seed-metering device for rice was designed with the rebound dipper, the work principle of seed-metering device was stated and the movement track of rice seed was analyzed in the process of seeder’s dropping by means of the Matlab software, the evaluation test of the seed-metering device was conducted by using three kinds of rice, which were Longdao 6, Longqingdao 2 and Longqingdao 3, and rotational quadratic orthogonal experiments was carried out to further analyze the effects of qualified rate, reseeding rate and missing rate on seeding performance, including rotation speed of spinning disk and height of hopper. The JPS-12 detecting and experimental set of seed-metering device was selected to test sowing performances. Experimental data was analyzed by Design-Expert software so as to establish the mathematical model between the experimental factors and indexes. The result showed that the best operational parameter combination was that as the rotation speed of spinning disk was 29.34 r/min and height of seed hopper was 60 mm, the qualified rate and reseeding rate of Longdao 6 were 87.23% and 9.56%, the qualified rate and reseeding rate of Longqingdao 2 were 90.86% and 6.97%, the qualified rate and reseeding rate of the Longqingdao 3 were 89.12% and 7.46%, The sowing performance can meet the requirement of precision rice hill-direct-seeding. The research provided a theoretical reference for the improvement design of precision hill-direct-seeding seed-metering device for rice.

rice; seed-metering device; rebound dipper; precision hill-direct-seeding; design; experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.04.008

2016-07-13

2016-08-22

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51205056)

田立權(quán)(1979—)，男，博士生，主要從事田間機(jī)械研究，E-mail： tlqbuct@sohu.com

王金武(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間機(jī)械及機(jī)械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

S223.2+3

A

1000-1298(2017)04-0065-08