李蘭蘭，朱德泉，*，張 順，文世昌，蔣 銳，武立權(quán)

(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工學(xué)院；b.農(nóng)學(xué)院，安徽 合肥 230036)

水稻精量穴直播是一種省工省水、節(jié)本增效的輕簡(jiǎn)化種植技術(shù)[1-3]。目前，我國(guó)雜交稻種植面積約占全國(guó)水稻種植面積的60%[4]。雜交稻栽培強(qiáng)調(diào)少本稀植，利用較強(qiáng)的分蘗能力來(lái)提高產(chǎn)量。若采用機(jī)械進(jìn)行雜交稻大田精量穴直播，有利于形成高產(chǎn)群體結(jié)構(gòu)的播種量為每穴播種2～4粒[5-8]。近年來(lái)，雜交稻精量穴直播技術(shù)成為水稻機(jī)械化種植的發(fā)展方向。

排種器是穴直播機(jī)的核心工作部件，其性能直接決定穴直播機(jī)的播種效果，影響水稻生產(chǎn)效益。為了滿(mǎn)足雜交稻精量播種要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行了廣泛的研究。Ratnayake等[9]設(shè)計(jì)了一種4行可調(diào)式錐形滾筒式水稻排種裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但排種量大，多用于常規(guī)稻條播；Maleki等[10-11]研制了一種螺旋槽式排種器，播種均勻性較好，但是成穴性差；王峰霞[12]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械式圓盤(pán)型孔式精密排種器，可實(shí)現(xiàn)“一器多行”，極大地提高了播種效率和作業(yè)幅寬，但僅適合大棚和苗圃育苗；田立權(quán)等[13]研制了一種彈射式耳勺型水稻精量排種器，確定了最宜取種的耳勺結(jié)構(gòu)和彈射軌跡線(xiàn)，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜；王傳雯[14]設(shè)計(jì)了一種可無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的簡(jiǎn)易水稻穴直播排種器，能夠?qū)崿F(xiàn)每穴3～12粒播種量的連續(xù)調(diào)節(jié)，適用于不同地區(qū)的常規(guī)稻播種；張順[15]研制了一種氣力滾筒式水稻直播精量排種器，對(duì)不同雜交稻品種均具有一定的適應(yīng)性；翟建波等[16-17]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，但氣力式排種器裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氣密性要求高，播種成本較高[18-19]，難以滿(mǎn)足雜交稻直播要求。

為滿(mǎn)足雜交稻大田精量穴直播每穴2～4粒的實(shí)際生產(chǎn)需求，利用弧形滑片往復(fù)滑動(dòng)護(hù)種的作用，設(shè)計(jì)一種滑片型孔輪式排種器。選取不同尺寸的雜交稻種子作為試驗(yàn)材料，以合格率、漏播率、重播率為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)所設(shè)計(jì)的排種器開(kāi)展適應(yīng)性試驗(yàn)，為機(jī)械式精量穴直播排種器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1所示，排種器由排種輪、滑片、清種毛刷、清種軸、右法蘭盤(pán)、罩殼、左法蘭盤(pán)、凸塊、導(dǎo)種管和排種軸等部件組成。如圖2所示，工作時(shí)，水稻種子由種箱填充至排種器殼體與隔板構(gòu)成的種室內(nèi)，種室內(nèi)的種子在重力作用下流入到充種區(qū)的型孔內(nèi)，種室底部?jī)A斜的錐形結(jié)構(gòu)保證了種子能連續(xù)地流入到充種區(qū)。排種輪通過(guò)排種軸驅(qū)動(dòng)，在排種器充種區(qū)，排種輪及嵌在排種輪上的滑片隨排種軸轉(zhuǎn)動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)，水稻種子充入弧形滑片和排種輪對(duì)應(yīng)的菱形型孔內(nèi)。充入菱形型孔內(nèi)的種子隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)入清種區(qū)，清種毛刷清除滑片型孔外多余的種子，清除的種子留存在充種區(qū)，進(jìn)行二次充種。種子隨排種輪進(jìn)入護(hù)種區(qū)，滑片隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)至與豎直方向呈15°角時(shí)，滑片碰到右法蘭盤(pán)內(nèi)側(cè)的凸塊被推至另一側(cè)，滑片蓋住型孔，保證在護(hù)種階段種子不會(huì)從型孔中掉出。當(dāng)護(hù)種滑片隨排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)至與投種口正下方呈15°角時(shí)，左法蘭盤(pán)內(nèi)側(cè)的凸塊將滑片推至原來(lái)位置，與型孔重合。最后，種子進(jìn)入排種區(qū)，在投種口，種子依靠自重和離心力脫離型孔從導(dǎo)種管落入到種溝內(nèi)，完成排種，實(shí)現(xiàn)精量播種作業(yè)。

1，清種軸；2，清種毛刷；3，右法蘭盤(pán)；4，罩殼；5，導(dǎo)種管；6，滑片；7，排種輪；8，左法蘭盤(pán)；9，排種軸。1，Cleaning shaft; 2，Cleaning brush; 3，Right flange; 4，Shield shell; 5，Seed pipe; 6，Slip sheet; 7，Seeding wheel; 8，Left flange; 9，Seeding shaft.圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of seed-metering device

圖2 排種過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of seeding

2 關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)

2.1 排種輪設(shè)計(jì)

2.1.1 排種輪結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

型孔輪式水稻直播排種器排種輪直徑一般在50～140 mm[20]。排種輪直徑過(guò)小，不利于種子充填，易造成漏播；而直徑過(guò)大，又會(huì)使整個(gè)排種器尺寸增大。綜合考慮水稻尺寸及水稻直播農(nóng)藝要求，確定排種輪直徑D為120 mm，排種輪厚度為44 mm。排種輪結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 排種輪示意圖Fig.3 Schematic diagram of seeding wheel

一般地，排種輪的孔數(shù)越多，排種輪的線(xiàn)速度越低[21]，型孔的充填性能較好，但型孔數(shù)又受到排種輪直徑和型孔間距的限制。型孔數(shù)z可由下式求得：

(1)

式(1)中：vm為播種機(jī)作業(yè)速度，m·s-1；L為穴距，m；v0為排種輪線(xiàn)速度，m·s-1，可由v0=rω求得，r為排種輪半徑，m；ω為排種輪角速度，rad·s-1。

一般機(jī)具作業(yè)前進(jìn)速度為0.8 m·s-1，水稻穴距為0.1～0.2 m，設(shè)計(jì)時(shí)取最小值0.1 m。根據(jù)機(jī)具田間作業(yè)前進(jìn)速度和播種要求，排種器軸設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速為60 r·min-1。由式(1)計(jì)算可得，型孔數(shù)量z取8。

2.1.2 型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

水稻種子囊種過(guò)程中，囊入型孔的種子有平躺、豎立或側(cè)臥3種姿態(tài)。水稻種子近似橢球體，平躺、側(cè)臥或豎立姿態(tài)的種子投影近似橢圓形，其投影面積St、Sw、Sl分別為：

(2)

(3)

(4)

式(2)～(4)中：l為種子平均長(zhǎng)度，mm；w為種子平均寬度，mm；t為種子平均厚度，mm。

水稻種子穩(wěn)定囊入型孔的概率與其平躺、豎立或側(cè)臥的截面積成正相關(guān)[22]。其平躺概率(Pt)、側(cè)臥概率(Pw)和豎立概率(Pl)之間關(guān)系如下：

(5)

水稻種子囊入型孔的3種姿態(tài)的概率總和為1，則由式(5)得：

(6)

為確保排種器型孔能夠囊入定量的水稻種子，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮水稻尺寸參數(shù)。選擇安徽省生產(chǎn)上長(zhǎng)寬厚差別較大的3個(gè)常用水稻品種，隨機(jī)選取3個(gè)品種的水稻種子各100粒，測(cè)得種子幾何尺寸，取平均值，計(jì)算不同種子囊入型孔的3種姿態(tài)的概率，如表1所示。

由表1可知，水稻種子主要以平躺和側(cè)臥的姿態(tài)被囊入型孔，二者概率之和占84%以上。由于水稻種子呈細(xì)長(zhǎng)型，兩端尖狹，呈細(xì)長(zhǎng)紡錘體，考慮到水稻種子的尺寸及流動(dòng)性，本文將排種輪型孔形狀設(shè)計(jì)為菱形，其長(zhǎng)軸與排種輪回轉(zhuǎn)方向相切，為充種方向。

水稻穴播時(shí)，排種輪型孔尺寸根據(jù)每穴粒數(shù)而定，型孔直徑和深度應(yīng)與水稻種子尺寸相適應(yīng)。雜交稻播種每穴粒數(shù)為(3±1)粒，為提高型孔充種性能，同時(shí)保證每個(gè)型孔囊入2～4粒種子，種子以2粒平放和1粒豎放的排列最多[21](圖4)；因此，型孔尺寸須滿(mǎn)足下列條件：

(7)

式中：Dd為型孔直徑，mm；H為菱形型孔深度，mm。

結(jié)合式(7)和水稻種子的尺寸特點(diǎn)(水稻種子長(zhǎng)度大于寬度和厚度)，為更好地實(shí)現(xiàn)充種效果，型孔應(yīng)盡可能大一點(diǎn)，故本文設(shè)計(jì)的菱形孔的長(zhǎng)邊對(duì)角線(xiàn)的長(zhǎng)度取12 mm，短邊對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度取10 mm，深度H取8 mm。

2.2 滑片設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)型孔輪式排種器在排種過(guò)程中，水稻種子與護(hù)種帶之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致護(hù)種帶磨損、斷裂，從而失去護(hù)種作用。為此，特設(shè)計(jì)一種弧形護(hù)種滑片，厚度2.5 mm，滑片與排種輪輪緣的間隙為0.05～0.10 mm，整體呈弧片狀，其弧度與排種輪弧度相同，滑片上有與排種輪上型孔尺寸相同的菱形開(kāi)口?；对诰加谂欧N輪外輪面上的弧形滑槽內(nèi)，長(zhǎng)邊兩側(cè)分別設(shè)有與排種輪弧形滑槽卡裝導(dǎo)向配合的導(dǎo)軌，其中，滑片沿滑槽方向可拆卸，以便于更換弧形滑片，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

為了保證種子在護(hù)種區(qū)內(nèi)不掉落，考慮凸塊在法蘭盤(pán)內(nèi)的安裝尺寸，已知型孔輪厚度S0為44 mm，可得：

Ss-S1=S，

(8)

式中：S為滑片換向時(shí)的軸向移動(dòng)距離，mm；Ss為滑片右短邊到排種輪右邊緣距離，mm；S1為滑片左短邊到排種輪左邊緣距離，mm。

滑片軸向運(yùn)動(dòng)須完全遮擋住型孔短軸進(jìn)行護(hù)種，即滑片左短邊到排種輪左邊緣距離應(yīng)和型孔短軸長(zhǎng)度相等，故有S1=S=10 mm，由式(8)可知，Ss=20 mm。

表1 不同水稻品種種子幾何尺寸及姿態(tài)概率

圖4 型孔內(nèi)種子姿態(tài)剖視圖Fig.4 Sectional view of seed in hole of seeding wheel

2.3 凸塊設(shè)計(jì)

滑片隨排種輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，滑片短邊兩側(cè)的進(jìn)給邊分別與排種器左、右法蘭盤(pán)內(nèi)的凸塊配合，右凸塊與滑片配合接觸面為斜面M1—直面M2(圖6)。在斜面M1，滑片菱形開(kāi)口和排種輪菱形型孔從重合到完全錯(cuò)開(kāi)；在平面M2的護(hù)種區(qū)，包角θ內(nèi)滑片始終護(hù)種。

上，尺寸；下，剖視圖。Up，Size diagram; Down，Sectional view.圖5 滑片結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of slip sheet

一般地，護(hù)種區(qū)包角即護(hù)種區(qū)弧度為120°～160°，種子出口處的位置，即投種角在型孔輪中心垂線(xiàn)偏后10°～15°[20]?；o(hù)種區(qū)包角θ過(guò)大，會(huì)相對(duì)減少清種角和投種角；包角θ過(guò)小，護(hù)種作用降低，影響投種質(zhì)量。綜合考慮，以θ=150°、α=15°較為合宜。

如圖7所示，滑片在Ⅰ點(diǎn)和右凸塊開(kāi)始接觸，此時(shí)進(jìn)行清種，滑片上菱形開(kāi)口和排種輪上菱形型孔開(kāi)始錯(cuò)開(kāi)，當(dāng)完全錯(cuò)開(kāi)時(shí)，滑片起護(hù)種作用，使種子不從型孔內(nèi)掉出；滑片在Ⅱ點(diǎn)和左凸塊開(kāi)始接觸，此時(shí)，滑片菱形開(kāi)口和排種輪上菱形型孔開(kāi)始重合，當(dāng)完全重合時(shí)進(jìn)行排種并保持重合狀態(tài)直至充種結(jié)束；滑片在Ⅲ點(diǎn)再次和右凸塊接觸，再次進(jìn)行清種，依次循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)精量播種作業(yè)。

滑片軸向運(yùn)動(dòng)距離S即為凸塊高度S2，故有S=S2=10 mm。

2.4 投種運(yùn)動(dòng)分析

當(dāng)轉(zhuǎn)到排種區(qū)θ臨界點(diǎn)即將排種時(shí)，由于滑片菱形開(kāi)口和排種輪菱形型孔重合，型孔內(nèi)的種子沒(méi)有滑片的支持，在自身重力作用下脫離型孔。此時(shí)，由于排種輪處于轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)入型孔內(nèi)的種子隨著排種輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，在慣性作用下，種子運(yùn)動(dòng)的初速度是沿排種輪外緣的切向線(xiàn)速度v0，v0之水平分速度vx將種子向排種輪轉(zhuǎn)向拋，垂直分速度vy則向下，與種粒自重作用一致，種子呈自由落體式下落。

圖6 右凸塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of right flange

圖7 滑片運(yùn)動(dòng)過(guò)程示意圖Fig.7 Schematic diagram of motion process of a slip sheet

圖8 種子運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.8 Motion diagram of seed

種子自身所受重力由G表示，質(zhì)量用m表示，所受空氣阻力用fx和fy兩個(gè)分力表示，離心力用Fr表示。分析種子在離開(kāi)型孔后可得到如下微分方程：

(9)

若將空氣阻力忽略不計(jì)，種子將做平拋運(yùn)動(dòng)，水平位移用x表示，豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)的距離用y表示，種子的位移用Z表示，則：

v0=ωr，

(10)

vx=v0cosα，

(11)

x=vxt，

(12)

(13)

(14)

由式(14)可知，排種輪的工作轉(zhuǎn)速會(huì)影響種子的運(yùn)動(dòng)位移。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

選取如表1所示的3種種子尺寸不同的優(yōu)質(zhì)雜交稻品種國(guó)豐一號(hào)、岡優(yōu)種3551和岡優(yōu)898進(jìn)行試驗(yàn)。精選均勻飽滿(mǎn)的種子，用清水浸泡，濾除表面雜質(zhì)，晾干表面水分后使用。國(guó)豐一號(hào)千粒重為22.223 g，岡優(yōu)3551千粒重為26.724 g，岡優(yōu)898千粒重為28.440 g。利用水分測(cè)定儀測(cè)得供試種子濕基含水率為10%～11%。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

在安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備為黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院研制的JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)人為觀(guān)察收集數(shù)據(jù)，測(cè)定各項(xiàng)排種性能指標(biāo)，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

將排種器固定在安裝架上，控制電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)種床帶轉(zhuǎn)動(dòng)，種床帶上涂有一定寬度的黏種油，水稻種子由排種口投落至黏種油層上，為了精確控制水稻籽粒的穴距，種床帶的前進(jìn)速度(v，單位m·s-1)和排種輪的轉(zhuǎn)速(n，單位r·min-1)須滿(mǎn)足以下關(guān)系：

1，種床帶；2，滑片式排種器；3，傳動(dòng)鏈條；4，控制電動(dòng)機(jī)；5，試驗(yàn)臺(tái)架。1，Seedbed belt; 2，Slider seed-metering device; 3，Transmission chain; 4，Control motor; 5，Test bed.圖9 排種器臺(tái)架試驗(yàn)裝置Fig.9 Rack experiment set-up of seed-metering device

(15)

種床帶的前進(jìn)速度一般為0.5～0.8 m·s-1，雜交稻穴距一般為16、18、20 cm，本試驗(yàn)選取20 cm，計(jì)算可知，在田間作業(yè)時(shí)的排種器轉(zhuǎn)速為18.7～37.5 r·min-1。

3.3 試驗(yàn)方法

排種軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)定為15、20、25、30、35、40 r·min-1，進(jìn)行排種器臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)投種高度120 mm、穴距200 mm。

按照雜交稻精量穴直播農(nóng)藝要求(每穴2～4粒)，參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，連續(xù)記錄每穴水稻種子的數(shù)量和穴距，以250穴作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本，每穴種子粒數(shù)為2～4粒時(shí)為合格，每穴種子粒數(shù)大于等于5粒時(shí)為重播，每穴種子粒數(shù)小于等于1粒(當(dāng)穴距大于1.5L時(shí)，穴粒數(shù)計(jì)為0)時(shí)為漏播，分別計(jì)算穴粒數(shù)合格率、重播率、漏播率，作為排種器排種性能綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

4 結(jié)果與分析

由圖10可知：隨著排種軸轉(zhuǎn)速提高，合格率呈先上升后下降的趨勢(shì)，漏播率呈上升趨勢(shì)，重播率呈下降趨勢(shì)。這是由于隨著排種軸轉(zhuǎn)速提高，型孔經(jīng)過(guò)充種區(qū)的時(shí)間變短，水稻種子充入型孔的概率減少。同時(shí)，隨著排種軸轉(zhuǎn)速提高，水稻種子受到的慣性力增大，使得水稻種子容易脫離型孔。

圖10 評(píng)價(jià)指標(biāo)與排種軸工作轉(zhuǎn)速的關(guān)系Fig.10 Relationship within evaluation indexes and rotating speed

相同工作轉(zhuǎn)速下，排種器對(duì)中尺寸種子(岡優(yōu)898)的合格率最高，對(duì)小尺寸種子(岡優(yōu)3551)的重播率最高，另2種尺寸種子的重播率相近。排種軸轉(zhuǎn)速為30 r·min-1時(shí)，各尺寸水稻種子的排種合格率均達(dá)到最大值，分別為80.14%、83.24%、81.84%。

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為15～25 r·min-1時(shí)，在相同工作轉(zhuǎn)速下，中尺寸種子的漏播率最高，大、小尺寸種子漏播率相近；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為25～40 r·min-1時(shí)，排種器對(duì)各尺寸種子的漏播率均快速增高，對(duì)大尺寸種子(國(guó)豐一號(hào))與中尺寸種子(岡優(yōu)898)的漏播率相近，小尺寸種子(岡優(yōu)3551)漏播率最低。

5 結(jié)論

針對(duì)雜交稻穴直播精量播種要求，設(shè)計(jì)一種滑片型孔輪式水稻精量排種器，對(duì)其排種過(guò)程進(jìn)行分析，確定型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)和滑片結(jié)構(gòu)參數(shù)。選取種子尺寸不同的國(guó)豐一號(hào)、岡優(yōu)898和岡優(yōu)3551雜交稻品種種子作為試驗(yàn)材料，以穴粒數(shù)合格率、重播率、漏播率作為排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，在不同排種軸工作轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行室內(nèi)排種器臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果表明，在穴距20 cm，菱形型孔長(zhǎng)軸12 mm、短軸10 mm、深度8 mm條件下，當(dāng)排種軸工作轉(zhuǎn)速為30 r·min-1時(shí)，排種器排種效果最好，對(duì)不同尺寸種子的排種合格率均大于80%，其中，對(duì)中尺寸水稻種子的排種性能最優(yōu)，合格率83.24%，重播率10.48%，漏播率6.28%。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的滑片型孔輪式排種器對(duì)不同尺寸的水稻種子具有良好的適應(yīng)性，其排種性能指標(biāo)可滿(mǎn)足雜交稻穴直播的農(nóng)藝要求。