劉彩玲，王亞麗，都 鑫，宋建農(nóng)，王繼承，張福印

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摩擦復(fù)充種型孔帶式水稻精量排種器充種性能分析與驗(yàn)證

劉彩玲，王亞麗，都 鑫，宋建農(nóng)，王繼承，張福印

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

為解決雜交稻工廠化穴盤育秧低播量精密播種問題，提出了一種摩擦復(fù)充種型孔帶式水稻精量排種器，對(duì)種子充填過程進(jìn)行了力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定影響試驗(yàn)指標(biāo)的影響因素分別為型孔方向角、型孔帶速度、型孔帶傾角和種層厚度。通過EDEM離散元軟件仿真分析了種子多次循環(huán)重復(fù)充種過程和充種效果，并分別分析了型孔帶速度、型孔帶傾角、種層厚度對(duì)充種性能的影響規(guī)律?；诜抡娣治鼋Y(jié)果進(jìn)行了較優(yōu)組合驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：在型孔方向角為90°，型孔帶傾角為43°，型孔帶轉(zhuǎn)速為0.11 m/s，種層厚度為50 mm時(shí)充種合格率為96.4%，多粒率為1.4%，漏充率為2.2%，種子破碎率為0.18%，效果較優(yōu)。摩擦復(fù)充種型孔帶式水稻精量排種器能夠滿足雜交稻低播量精密播種的農(nóng)藝要求，研究結(jié)果為工廠化穴盤育秧精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

機(jī)械化；農(nóng)作物；計(jì)算機(jī)仿真；復(fù)充種；型孔帶；精量播種；離散元；試驗(yàn)

0 引 言

水稻是中國的主要糧食作物，其種植機(jī)械化是生產(chǎn)機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)[1]。目前，中國水稻機(jī)械化種植主要采用育秧移栽，其中工廠化育秧是培育壯秧的關(guān)鍵[2-3]。水稻工廠化育秧設(shè)備中，日本和韓國技術(shù)水平最高，其核心部件水稻精量排種器主要采用機(jī)械式，用于常規(guī)稻4～8粒/格的撒播或3～6粒/穴的穴播作業(yè)[4]。

中國水稻精量排種器主要有機(jī)械式、振動(dòng)式和氣力式[5-7]。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、生產(chǎn)率高，但種槽結(jié)構(gòu)尺寸都相對(duì)較大，對(duì)排種器排量控制不嚴(yán)，精度2～5粒/穴，主要用于大播量條播或撒播，不能滿足超級(jí)稻低播量精密播種要求[8-10]；振動(dòng)式排種器的研究始于20世紀(jì)90年代，播種性能和質(zhì)量均有較大改進(jìn)，但存在播種斷流或效率偏低的問題，未見大面積推廣應(yīng)用[11-12]；氣力式排種器作業(yè)效率高，對(duì)種子損傷小，能夠?qū)崿F(xiàn)精量播種，但氣力式排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，吸孔易出現(xiàn)堵塞、漏吸等問題，因此推廣情況并不理想[5]。

雜交稻具有較強(qiáng)的分蘗能力，其栽培強(qiáng)調(diào)少本稀植，因此要求低播量精密播種育秧，考慮種子發(fā)芽率、機(jī)插秧漏插率等影響，目前雜交稻精量播種農(nóng)藝要求為（2±1） 粒/穴[13-15]。但目前國內(nèi)外水稻精密播種主要針對(duì)普通稻育秧，播種精度根據(jù)種植農(nóng)藝可達(dá)2～5粒/穴不等，較難滿足雜交稻精量播種要求，因此，研究適于雜交稻的水稻精量排種器是水稻種植機(jī)械化急需解決的問題。

從目前玉米、大豆等機(jī)械式單粒精密排種器看，排種元件以應(yīng)用普遍的容腔方式囊種居多，是一種行之有效的精密播種方式[16-18]。對(duì)于目前常用的型孔輪式水稻精量排種器[19-23]，充種區(qū)間有限，設(shè)計(jì)者往往通過加大排種輪半徑增加充種區(qū)域，但受結(jié)構(gòu)限制不能完全解決充種均勻性問題，特別對(duì)于雜交稻仍會(huì)產(chǎn)生漏播現(xiàn)象。

為此，課題組在多年型孔輪式排種器研究基礎(chǔ)上，增加充種區(qū)域并提高充種性能，首次提出一種摩擦復(fù)充種型孔帶式水稻精量排種器，以空育131雜交稻為研究對(duì)象，對(duì)排種器的充種機(jī)理進(jìn)行理論分析和離散元仿真研究，并通過臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為水稻精密育秧播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 摩擦復(fù)充種型孔帶式水稻精量排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

摩擦復(fù)充種型孔帶式水稻精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由支撐架、種子箱、型孔帶、傳動(dòng)裝置和護(hù)種裝置等組成。

工作原理為：排種帶上加工有型孔（非通孔），在驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)下回轉(zhuǎn)，充種區(qū)種子與型孔帶間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，種子在重力、種間作用力和型孔帶作用力下充入型孔，多余種子在重力作用下完成清種回到充種區(qū)；充入型孔內(nèi)的種子在型孔帶運(yùn)動(dòng)下經(jīng)護(hù)種帶后輸送至投種區(qū)，在自身重力作用下完成投種作業(yè)。該排種器通過設(shè)計(jì)開放式充種區(qū)和種層旋流多次循環(huán)摩擦復(fù)充種方式提高充種性能，利用重力清種解決使用毛刷清種刷出型孔中的種子時(shí)產(chǎn)生漏播和種子損傷問題。

1.機(jī)架 2.種箱 3.型孔帶 4.型孔帶從動(dòng)軸Ⅰ　5.軸承座 6.護(hù)種帶 7.護(hù)種帶從動(dòng)軸 8.護(hù)種帶主動(dòng)軸 9.型孔帶從動(dòng)軸Ⅱ　10.型孔帶主動(dòng)軸

2 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

2.1 型孔的設(shè)計(jì)

型孔設(shè)計(jì)是影響充種性能的重要因素，其容積應(yīng)囊括種子體積，尺寸與種子形狀、尺寸間存在相關(guān)性。本研究以空育131超級(jí)稻為研究對(duì)象，其為類橢圓形結(jié)構(gòu)，測(cè)得其平均長度為7.07 mm，平均寬度為3.48 mm，平均厚度為2.37 mm。依據(jù)勢(shì)能最小原理，平躺狀態(tài)為水稻種子最大可能的穩(wěn)定狀態(tài)[20,24]]。為使種子能夠完全進(jìn)入容種空間，根據(jù)其形狀、平均尺寸及加工難度設(shè)計(jì)為矩形型孔，型孔尺寸分析如下

式中為型孔長度，mm；為型孔寬度，mm；為型孔深度，mm。如式（1）所示，為保證型孔能容納下平躺種子，型孔長度應(yīng)大于種子平均長度，為避免平躺和豎立的種子同時(shí)充入型孔，型孔長度應(yīng)小于種子平均長度和平均厚度的總和；型孔寬度應(yīng)大于種子平均寬度，為減小2粒種子側(cè)臥充入型孔概率，型孔寬度小于2粒種子疊加的平均厚度；型孔深度應(yīng)大于種子的平均厚度，同時(shí)應(yīng)滿足第二粒種子平躺充入型孔時(shí)重心不在型孔內(nèi)，即型孔深度小于1.5倍的平均種子厚度。由式（1）進(jìn)行計(jì)算并圓整后確定型孔長度、寬度、高度分別為9、4和3 mm。

2.2 型孔的分布

為研究不同型孔方向的充種規(guī)律，在0～90°范圍內(nèi)設(shè)計(jì)型孔方向角（型孔長邊與水平面間角度）。帶向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，在上層種子的壓力下與帶接觸種層的種子趨于向帶速度一致阻力最小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，考慮實(shí)際加工情況本研究選擇了型孔長邊與型孔帶運(yùn)動(dòng)方向一致的90o縱向孔。參考15×25穴盤尺寸，列與列之間中心距設(shè)計(jì)為20 mm，行與行之間中心距為40 mm。

2.3 型孔帶的設(shè)計(jì)

型孔帶需承載并輸送種子，因此選擇硬度和光滑度適中的PVC帶，孔為非通孔，帶厚度為5 mm。在型孔帶下方兩側(cè)設(shè)計(jì)導(dǎo)條以防止型孔帶跑偏。為提高播種精度，降低投種高度，設(shè)計(jì)三角構(gòu)架結(jié)構(gòu)（見圖2）。其寬度和長度與其上型孔分布有關(guān)，長度還與型孔帶傾角和充種區(qū)長度有關(guān)，各尺寸關(guān)系如式（2）所示。

注：a為型孔帶充種區(qū)一側(cè)長度，mm；b為支撐軸間垂直高度，mm；c為水平方向上型孔帶的長度，mm；d為型孔帶在投種區(qū)一側(cè)的長度，mm；l1為型孔帶所包覆主動(dòng)軸的弧長，mm；l2為型孔帶所包覆從動(dòng)軸Ⅰ的弧長，mm；l3為型孔帶所包覆從動(dòng)軸Ⅱ的弧長，mm；θ為充種區(qū)型孔帶與水平面傾角，(°)；α為投種區(qū)型孔帶與水平面傾角，(°).

式中為傳動(dòng)軸半徑，mm。

由式（2）可得出型孔帶總長為

弧長在型孔帶總長占比較小，可認(rèn)為總長與成正比，與成反比。為充分滿足充種區(qū)間及清種區(qū)間長度，設(shè)計(jì)≥500 mm；應(yīng)大于種子與型孔帶最大靜摩擦角，試驗(yàn)測(cè)得空育131超級(jí)稻與型孔帶間最大靜摩擦角37°，最大值應(yīng)確保種子不從孔內(nèi)掉落，參考試驗(yàn)確定最大值為50°，計(jì)算≥500 mm。型孔帶上均布型孔，除應(yīng)為40 mm倍數(shù)外需預(yù)留帶加工時(shí)接縫長度，設(shè)計(jì)型孔總長為1 680 mm；寬度為5組型孔寬度加邊緣預(yù)留長度，設(shè)定為410 mm。

3 排種器充種過程的理論分析

3.1 充種條件力學(xué)分析

充種過程是保證播種精度的前提，種子能否充入型孔取決于種群與型孔帶表面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。為便于理論分析，以單粒水稻種子為研究對(duì)象，假定其為一剛性質(zhì)點(diǎn)，型孔帶作勻速運(yùn)動(dòng)，忽略種子間相互作用和空氣阻力影響，種子在型孔帶上受力分析如圖3所示。

注：G為重力，N；Ff為種子受型孔帶摩擦力，N；FN為種子受型孔帶支持力，N。

種子與型孔帶形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件為

式中為種子與型孔帶靜摩擦系數(shù)；為種子質(zhì)量，kg；為重力加速度，9.8 m/s2。

由式（4）可以得出

式（5）表明型孔帶與水平面傾角影響種子相對(duì)運(yùn)動(dòng)和充種，傾角應(yīng)大于型孔帶與種子最大靜摩擦角37°，以保證種子重力清種條件，并使種子與型孔帶間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提供種子良好充入型孔的必要條件。

3.2 充種條件動(dòng)態(tài)分析

種子充入型孔是一個(gè)復(fù)雜的受力過程，種子間、種子與型孔表面的滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、正壓力、重力等共同作用構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的不斷變化的動(dòng)態(tài)力學(xué)系統(tǒng)，因此，為便于分析種子的充填過程，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度研究動(dòng)態(tài)充種過程中種子與型孔間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系（參見圖3）。種子與型孔間存在相對(duì)速度是種子充入型孔的必要條件，但是過大的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度無法保證充種時(shí)間。分析臨界位置水稻種子質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)方程為

式中1為充種的臨界時(shí)間，s；max為種子與型孔帶間極限相對(duì)速度，m/s。由式（6）可得種子充入型孔的相對(duì)速度應(yīng)滿足如下關(guān)系

種子與型孔帶間極限相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度取決于種子與帶的摩擦特性、種群受力及型孔帶速度等綜合作用，本研究選擇易于調(diào)節(jié)的型孔帶速度為因素。顯然，型孔帶速度較低時(shí)種子與型孔間相對(duì)速度較小不易充入型孔，增大型孔帶速度易于充填，但過高型孔帶速度又縮短進(jìn)入型孔的時(shí)間從而降低充填性能，因此型孔帶速度應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。

3.3 種子在種群中的運(yùn)動(dòng)分析

型孔從與型孔帶接觸的種層中囊取種子，為研究該層種子在種群作用下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行圖4所示單層種子受力分析。依據(jù)農(nóng)業(yè)物料學(xué)理論散粒體對(duì)容箱側(cè)壁壓力取決于種子層高度和種子比重，對(duì)水平面的壓力增加側(cè)壓系數(shù)的影響[25]。以底層中間某位置種子重心為原點(diǎn)，型孔帶運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檩S正方向，垂直型孔帶運(yùn)動(dòng)方向向上為軸正方向建立坐標(biāo)系，建立單層種子在型孔帶上種子群中運(yùn)動(dòng)的微分方程。

式中v為種子與型孔帶相對(duì)速度，m/s；為比重，kg/m3；為側(cè)壓系數(shù)；為種子間內(nèi)摩擦角，(°)；1為研究種層的表面積，m2；1、2與3分別為種子與型孔帶、種子與種箱壁間、上層種子與下層種子之間的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。

注：1為種子與型孔帶間摩擦力，N；2為種子與種箱壁間摩擦力，N；3為上層種子對(duì)下層種子摩擦力，N；為型孔帶速度，m·s-1；為種子受的重力，N；1為型孔帶給種子的支持力，N；2為種子受種箱側(cè)壁的水平總壓應(yīng)力，N；3為上層種子對(duì)下層種子的垂直壓力，N；為種子層高度，m；1為上層種層高度，m；為種層厚度，m；為充種區(qū)長度，m。

Note:1is friction force between seed and cell-belt, N;2is frictional force between seed and seed box wall, N;3is frictional force between upper seeds and lower seeds, N;is cell-belt velocity, m·s-1;is gravity of seeds, N;1is support force of cell-belt to seed layer, N;2is horizontal total compressive stress of seed box side wall to seed layer, N;3is vertical pressure of upper seed to lower seed, N;is height of seed layer, m;1is height of upper seed layer, m;is seed layer thickness, m;is filling area length, m.

圖4 單層種子受力分析

Fig.4 Force analysis chart of single layer seeds

對(duì)方程（8）求解，得

由式（9）可知，可控參數(shù)種層厚度和型孔帶傾角均影響種子的相對(duì)速度，進(jìn)而影響充種過程。事實(shí)上，種群與型孔帶間除應(yīng)具有合適的相對(duì)速度條件外，還應(yīng)提高充種時(shí)間（單個(gè)型孔經(jīng)過種群所需時(shí)間）以提高種子囊入型孔的概率。充種時(shí)間取決于充種區(qū)長度和型孔帶速度，充種區(qū)長度為型孔帶與種群接觸長度，與種箱內(nèi)種層厚度成正比（圖4），分析如下

式中2為充種區(qū)間時(shí)間，s；為傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（10）可得充種時(shí)間為

充種時(shí)間與充種區(qū)間長度成正比，與傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)速即型孔帶速度成反比，充種區(qū)長度與種層厚度成正比。型孔帶速度一定時(shí)一定范圍內(nèi)增加種層厚度可增加充種時(shí)間，利于提高充填性能。

綜上分析，確定型孔帶傾角、型孔帶速度和種層厚度為主要影響因素。

4 排種器充種過程的離散元仿真分析

4.1 排種器仿真模型的建立

為研究排種器充種過程，基于離散元仿真軟件EDEM研究型孔帶速度、種層高度和型孔帶傾角對(duì)充種性能的影響。選用上述空育131水稻種子為研究對(duì)象，顆粒表面沒有黏附力，選擇Hertz-Mindlin 無滑動(dòng)接觸模型。以多球元建立水稻種子橢球模型，長軸為7.07 mm，短軸為寬度和高度的均值2.93 mm，確定仿真參數(shù)為[26]：泊松比0.25，彈性模量375 MPa，密度1 350 kg/m3；顆粒與顆粒間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.6、0.3、0.01，顆粒與工程材料間恢復(fù)系數(shù)、靜摩擦因數(shù)、滾動(dòng)摩擦因數(shù)分別為0.5、0.56、0.02。為驗(yàn)證模型和仿真邊界參數(shù)進(jìn)行堆積角驗(yàn)證試驗(yàn)，仿真休止角為29.1°，實(shí)測(cè)休止角誤為29.8°，誤差較小，因此所建模型精度較高，可用于仿真試驗(yàn)研究。

4.2 排種器摩擦復(fù)充種過程分析

為研究排種器摩擦復(fù)充種過程，在型孔帶傾角、種層厚度、孔帶速度分別為40°、60 mm、0.11 m/s時(shí)觀察種層充種運(yùn)動(dòng)過程，選擇剖視圖視角，選取處于同一豎直位置的一層種子為研究對(duì)象并標(biāo)定為紫色，從初始狀態(tài)截取不同時(shí)刻0種層運(yùn)動(dòng)圖，得標(biāo)定種子自1.5～9.5 s運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示，表明與帶接觸的種子沿帶方向向上運(yùn)動(dòng)，同一豎直面內(nèi)的種子向下運(yùn)動(dòng)補(bǔ)充，待向上運(yùn)動(dòng)的種層到達(dá)充種區(qū)結(jié)束端時(shí)轉(zhuǎn)而向下運(yùn)動(dòng)，如此往復(fù)形成一個(gè)大的環(huán)流層，種群運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)渦流狀運(yùn)動(dòng)規(guī)律，種子在種層旋流過程中完成多次循環(huán)重復(fù)充種，提高種子充填型孔的機(jī)會(huì)，從而提高充種性能。

圖5 不同時(shí)間同一豎直位置種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

為驗(yàn)證種層運(yùn)動(dòng)的旋流過程，以速度標(biāo)定種子顏色，選擇種子表現(xiàn)形式為stream，箭頭方向代表種子運(yùn)動(dòng)速度方向，得到種子某時(shí)刻狀態(tài)見圖6。圖6表明與帶接觸的下層種子在型孔帶帶動(dòng)下獲得小于帶速的運(yùn)動(dòng)，速度方向與帶同向，產(chǎn)生種子與型孔帶相對(duì)速度的充種條件，同時(shí)下層種子帶動(dòng)與之相鄰的內(nèi)層種子向上運(yùn)動(dòng)，其速度低于下層種子，層層帶動(dòng)最后遞減為靜止層；最外層種子則反向運(yùn)動(dòng)，速度不斷傳遞給其相鄰種層直至靜止層，速度自外向內(nèi)依次遞減，因此便形成環(huán)形流。漩渦狀環(huán)流層增大種群活躍程度和更新程度，提供種子多次循環(huán)重復(fù)充種條件。

圖6 種子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

4.3 型孔帶速度對(duì)充種性能的影響

仿真中固定種層厚度40 mm，型孔帶傾角40°，參考生產(chǎn)率研究0.05、0.08、0.11、0.14和0.17 m/s 5種型孔帶速度下的空穴率（充入0粒的型孔數(shù)量占總型孔數(shù)量的比），并應(yīng)用EDEM 后處理Selection 模塊下的geometry bin，輸出與帶接觸的厚度為4 mm（厚度略大于一個(gè)種子的厚度）種層在2～6 s 內(nèi)沿型孔帶運(yùn)動(dòng)方向平均速度和種群與型孔帶相對(duì)速度，得三者間關(guān)系見圖7。

圖7 不同型孔帶速度下種群速度與空穴率的關(guān)系

結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，型孔帶速度越大，種子平均速度、種子與型孔帶間相對(duì)速度越大，空穴率先降后升，表明種子囊入型孔需與型孔帶間具有合適的相對(duì)速度，型孔帶速度過低導(dǎo)致與其接觸的種層與帶間相對(duì)速度過低，過高則縮短單個(gè)型孔充種時(shí)間均導(dǎo)致空穴率較高，因此型孔帶速度是影響充種的重要因素，過高過低都不利于充種，所得規(guī)律與前述理論分析結(jié)論一致。

4.4 種層厚度對(duì)充種性能的影響

固定型孔帶速度和傾角分別為0.11 mm和40°，研究20、30、40、50、60 mm種層厚度下充種過程的環(huán)流狀態(tài)，環(huán)流狀態(tài)由環(huán)流直徑（參見圖6）和充種區(qū)長度表示，定義環(huán)流邊緣距型孔帶最大距離為環(huán)流直徑。不同種層厚度充種空穴率與環(huán)流狀態(tài)關(guān)系見圖8，隨種層厚度增大，環(huán)流逐漸形成且環(huán)流直徑范圍逐漸增大，充種區(qū)間長度逐漸變長，空穴率逐漸降低，過小的種層厚度不易形成渦流狀環(huán)流層，充種區(qū)間很短，空穴率增高。因此充種區(qū)應(yīng)保證一定的種層厚度。

圖8 種層厚度與充種狀態(tài)的關(guān)系

根據(jù)EDEM接觸力計(jì)算方法種間內(nèi)摩擦力可由法向力來表示[27]。與帶接觸的最下層種群為充種區(qū)域，求出不同種層厚度下該層種子平均法向應(yīng)力如圖9所示，隨種層厚度增加，種子所受平均法向應(yīng)力跳動(dòng)量增大，增強(qiáng)種群間活躍程度，提高種群更新頻率和種子瞬間變換姿態(tài)以適應(yīng)型孔的能力，提高充種率；同時(shí)增大平均法向應(yīng)力，種間內(nèi)摩擦力變大，促進(jìn)種群與帶間相對(duì)速度適當(dāng)減小增大型孔囊種幾率因而降低了充種空穴率，可以推斷，過高的種層厚度會(huì)使種群與帶間相對(duì)速度過小，也不利于種子充填。

圖9 不同種層厚度下種子法向應(yīng)力

適當(dāng)?shù)姆N層厚度促進(jìn)旋流形成并增大渦流直徑及旋流層活躍程度；同時(shí)增長充種區(qū)提高循環(huán)復(fù)充種能力，從而降低空穴率，提高充種效果。

4.5 型孔帶傾角對(duì)充種性能的影響

固定型孔帶速度為0.11 m/s，種層厚度為40 mm，型孔帶傾角分別為37°、40°、43°、46°和49°時(shí)帶傾角與空穴率、相對(duì)速度及充種區(qū)長度關(guān)系如圖10所示。在一定范圍內(nèi)，隨著型孔帶傾角的增大，種子受到型孔帶的摩擦力變小，種群與帶之間的相對(duì)速度變大，充種區(qū)間變短，導(dǎo)致充種空穴率升高。

圖10 型孔帶傾角與空穴率、相對(duì)速度及充種區(qū)長度關(guān)系

5 排種器性能試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于排種器充種過程的離散元仿真分析，針對(duì)仿真結(jié)果較佳水平在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院排種實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)選用前述空育131水稻種子并篩選除芒，用DHG-9140A電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱測(cè)得平均濕基含水率10.50%。試驗(yàn)裝置包括種箱、型孔帶、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，試驗(yàn)臺(tái)架見圖11。利用PhantomV9.1高速攝像機(jī)對(duì)試驗(yàn)過程中2個(gè)從動(dòng)軸間型孔帶充種情況進(jìn)行拍攝記錄。

1.機(jī)架 2.種箱 3.型孔帶 4.主動(dòng)軸 5.從動(dòng)軸Ⅰ 6.護(hù)種帶 7.從動(dòng)軸Ⅱ

根據(jù)仿真分析結(jié)果，選擇較優(yōu)條件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，較優(yōu)組合為：型孔帶傾角為43°，帶轉(zhuǎn)速為0.11 m/s，種層厚度為50 mm。試驗(yàn)指標(biāo)為充種合格率1（充入1~3粒種子的型孔數(shù)量與總型孔數(shù)量的比）、充種多粒率2（充入3粒以上種子的型孔數(shù)量與總型孔數(shù)量的比）和充種空穴率3（參見4.3）。排種器穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)后取型孔帶連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)5圈的試驗(yàn)結(jié)果，重復(fù)試驗(yàn)3次，取平均值，得實(shí)際充種合格率為96.4%，充種多粒率為1.4%，充種空穴率為2.2%。0.11 m/s的型孔帶速度與15×25穴盤可達(dá)400盤/h生產(chǎn)率，能滿足水稻育秧精量排種器指標(biāo)要求。

5.2 排種器破碎率試驗(yàn)

在以上試驗(yàn)條件下進(jìn)行破碎率試驗(yàn)，根據(jù)GB/T6973-2005破碎率測(cè)定試驗(yàn)方法，破碎種子采用人工篩選，每次試驗(yàn)取樣5 000粒測(cè)量排出種子質(zhì)量和破碎種子質(zhì)量，各重復(fù)3次試驗(yàn)求取平均值，計(jì)算種子破碎率（破碎種子質(zhì)量與排出種子質(zhì)量比值）。排出種子質(zhì)量均值為138.06 g，破碎種子質(zhì)量均值為0.25 g，計(jì)算破碎率均值為0.18%，破碎率較低。

6 結(jié)論與討論

1）為提高充種性能，本文提出一種摩擦復(fù)充種型孔帶式精量排種器，對(duì)充種過程進(jìn)行理論分析，仿真分析了種層旋流往復(fù)運(yùn)動(dòng)提供了種子循環(huán)重復(fù)充種的條件，型孔帶傾角、速度、種層厚度影響充種性能。

2）根據(jù)仿真分析結(jié)果，選擇較優(yōu)組合進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，在型孔方向角為90°，型孔帶傾角為43°，帶轉(zhuǎn)速為0.11 m/s，種層厚度為50 mm時(shí)充種合格率為96.4%，充種多粒率為1.4%，充種空穴率為2.2%，效果較好，能夠滿足雜交稻低播量精密播種的農(nóng)藝要求。在以上試驗(yàn)條件下的破碎率試驗(yàn)表明，種子破碎率為0.18%，破碎率較低。

本文提出的型孔帶式排種器通過增大開放式充種區(qū)利用摩擦復(fù)充種原理提高種子充填頻率，充種性能得到改善，利用柔性型孔帶和重力清種降低種子破碎。為提高型孔帶運(yùn)行平穩(wěn)性，該裝置需進(jìn)一步提高加工精度和安裝精度，增加高精度張緊裝置，以提高其在工廠化穴盤育秧應(yīng)用中的穩(wěn)定性。該研究為后續(xù)水稻工廠化穴盤育秧精量播種機(jī)研究提供了基礎(chǔ)。

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Filling performance analysis and verification of cell-belt rice precision seed-metering based on friction and repeated filling principle

Liu Cailing, Wang Yali, Du Xin, Song Jiannong, Wang Jicheng, Zhang Fuyin

(,,,100083)

Precision seeding of rice is key technology to achieve the modernization of rice cultivation. At present, most seeding precision of rice in China is 1 to 7 per hole, which is hard to achieve the requirements of seeding precision. A cell-belt type precision seed-metering device based on friction and repeated filling principle was developed aimed at meeting the production requirement of sowing (2±1) seeds into per hole to solve the problem on the precision seeding of low sowing quantity for hybrid rice seedling production. Structure and working principle of the cell-belt type precision seed-metering device was described, and the result showed the feasibility of precision of the seed-metering device. Structure size of key components was analyzed, included the shape and dimensions of cell, the distribution of cell, the dimensions of cell-belt. The mechanics and kinematics on seed-filling processing mechanism was analyzed, from which the filling conditions was found out. And the factors influenced the filling performance was received, including the angle of cell, velocity of the cell-belt and thickness of seed layer. And this provided theoretical basis for the design of metering device. With the consideration of the motion direction, the resistance and the processing difficulty, the directional angle of cell was designed as 90°, which meant the direction of the long side of the cell was in accordance with the motion direction of the belt. Multiple and repeated seed filling process was simulated. And the single factor tests on the effects of cell-belt velocity, cell-belt inclined angle and seed layer thickness on seed filling performance was performed by EDEM software. It showed that: the leakage rate decreased first and then increased as the increases of the cell-belt velocity; the circulation layer formed and the range of it became larger gradually as increasing the seed layer thickness, which caused the longer of the filling interval and could decrease the leakage rate; the filling interval decreased and leakage rate increased as increasing the cell-belt inclined angle. On this basis, the prototype device was designed in accordance with the parameters of the metering device. According to the tests and the analysis based on the simulation, the optimal conditions were selected for experimental verification. The optimal parameters combination of the cell-belt inclined angle, cell-belt velocity and seed layer thickness was 43°, 0.11 m/s, 50 mm, respectively. The text response parameters of the result were the seed-filling qualified rate (the rate of sowing (2±1) seeds into per hole), the multiple seed rate (the rate of sowing >3 seeds into per hole) and the leakage rate (the rate of sowing 0 seed into per hole), respectively. The result was that: The seed-filling qualified rate, the multiple seed rate, the leakage rate were 96.4%, 1.4% and 2.2%, respectively. Under the same condition, the crushing test was done, and the average of 3 tests result showed that the broken rate was 0.18%, which was enough for the practical production. The cell-belt rice precision seed-metering device based on friction and repeated filling principle could meet the requirements of precision seeding. The research results provide a reference for the design of precision seeding machine for factory plug seedlings.

mechanization; crops; computer simulation; repeated seed filling; cell-belt; precision seeding; discrete element; test

劉彩玲，王亞麗，都 鑫，宋建農(nóng)，王繼承，張福印. 摩擦復(fù)充種型孔帶式水稻精量排種器充種性能分析與驗(yàn)證[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(4)：29－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.004 http://www.tcsae.org

Liu Cailing, Wang Yali, Du Xin, Song Jiannong, Wang Jicheng, Zhang Fuyin. Filling performance analysis and verification of cell-belt rice precision seed-metering based on friction and repeated filling principle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 29－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.004 http://www.tcsae.org

2018-08-03

2019-01-24

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0300907）

劉彩玲，副教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：cailingliu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.004

S223.2

A

1002-6819(2019)-04-0029-08