張順，楊繼濤，李勇，廖娟，李兆東，朱德泉

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學工學院，安徽 合肥 230036；2.安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室，安徽 合肥 230036)

隨著農(nóng)村勞動力成本的增加，相比水稻移栽種植模式，省工節(jié)本、輕簡高效的水稻直播種植模式經(jīng)濟效益日益凸顯，水稻直播種植面積逐年擴大[1-2].水稻精量穴直播技術能將稻種按其所需行距、株距和穴粒數(shù)的種植農(nóng)藝要求均勻成穴地布于田間，易獲得穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的種植效果[3-4].近年來，分蘗力強、產(chǎn)量高的雜交稻直播品種的選育推廣，對每穴播量2～4粒稻種的精量穴直播技術及配套裝備的需求更為迫切.

水稻精量穴直播技術的核心工作部件是排種器.已有眾多學者提出多種機械式排種方法，力求實現(xiàn)雜交水稻的精量穴直播排種[5-8]，但由于稻種形狀不規(guī)則，種群流動性差，脆性大等固有屬性，單憑機械囊取實現(xiàn)每穴2～4粒精量低損傷排種較為困難.

氣力式排種原理則依靠無剛性氣流對稻種進行吸附和吹送，對種子形狀尺寸適應性強，不傷種，是實現(xiàn)水稻精量穴直播排種的可行手段之一[9].劉彩玲等[10]研制了一種針吸輥式精量直播排種器，其單粒吸種率偏高.張國忠等[11-12]提出了一種具有群布吸孔的垂直盤吸式排種器，排種性能還有待提升.

為滿足雜交稻田間精量穴直播的種植要求，本研究融合穩(wěn)定可靠的機械攪種，定量吸種的群布吸孔及充種性能優(yōu)越的內充種方式，提出了一種水稻內充氣力式精量穴播排種器，利用排種滾筒周向上的內充窩眼旋轉攪動種群，增強充種區(qū)種群流動性，提高排種器的吸、排種性能.本文開展排種器工作參數(shù)的理論分析與試驗研究，尋求排種器適宜的排種工作參數(shù)組合，以期為實現(xiàn)雜交稻氣力式精量穴直播排種提供理論依據(jù).

1 排種器結構與工作原理

如圖1所示，水稻內充氣力式精量穴播排種器主要由種子箱、排種器殼體、排種滾筒、氣室密封組件、導種管等組成.由于稻種球形度低，表殼有稃毛，種群內摩擦阻力大，流動性差.為改善種群在充種區(qū)的流動性，參考種群攪動齒的形式，并融合定量吸種的群布吸孔方式，設計排種滾筒為內窩眼多吸孔的結構.具體尺寸參數(shù)如圖2所示.窩眼形狀采用前期試驗研究得出的易于稻種以“平躺”和“側臥”姿態(tài)囊入和投出的圓錐形窩眼[13].吸孔直徑d尺寸參考經(jīng)驗公式[14].

d=(0.64～0.66)w

(1)

式中：d為吸孔直徑(mm)；w為種子平均寬度(mm).

試驗稻種選用適宜安徽省沿淮、江淮地區(qū)旱直播種植的‘岡優(yōu)898’品種，濕基含水率12.29%，千粒質量27.010 g，平均三軸尺寸長×寬×厚為8.35 mm×2.89 mm×2.01 mm .根據(jù)稻種平均寬度尺寸，并參考前期試驗研究結果[15]，吸孔直徑d取1.4 mm，吸孔間距取4.0 mm.

由于排種滾筒內部周向上的窩眼為倒圓錐結構，整體直接機加工成型較為困難，故將其劃分為外部吸孔滾筒和內部窩眼圈兩部分組成，窩眼圈采用工程塑料3D打印制成.吸孔滾筒由于需與排種器殼體以及上、下隔氣塊構成真空氣室，要求滾筒外壁面具有一定的加工精度以提升氣室的密封效果，故采用金屬鋁機加工制成.兩者通過螺釘緊固連接.

排種器工作時，將排種器殼體的出氣口接風機的進氣端，風機啟動后，排種器真空氣室內的氣體被持續(xù)抽空，形成一定的吸種負壓，排種滾筒逆時針旋轉，由種子箱進入排種滾筒內部的種子在自身重力、離心力及種群側壓力的綜合作用下充入窩眼，隨窩眼轉到負壓吸種弧段，分布在窩眼底部的3個負壓吸孔將充入窩眼并靠近吸孔的稻種定量吸附，當窩眼轉離種群后，未被吸孔穩(wěn)定吸附的稻種在自身重力作用下落回充種區(qū)，完成自重清種，形成內窩眼多吸孔的精量吸種，當窩眼繼續(xù)旋轉到導種管上方時，由于3個吸孔氣流同時被上隔氣塊切斷，失去吸附力的稻種隨即脫離吸孔和窩眼落入下方的導種管，并由導種管導向種床.

1：氣室密封板；2：蓋板；3：卸種板；4：窩眼圈；5：吸種滾筒；6：下隔氣塊；7：出氣口；8：真空氣室；9：上隔氣塊；10：導種管；11：支座；12：傳動軸；13：排種器殼體；14：種子箱；15：鏈輪；Ⅰ：充種區(qū)；Ⅱ：攜種區(qū)；Ⅲ：充種區(qū)吸種弧段；Ⅳ：負壓吸種弧段1：Air chamber sealing plate；2：Cover plate 3.Unloading plate；4：Socket ring；5：Seed-absorbed cylinder；6：Lower air spacer；7：Air outlet；8：Vacuum air chamber；9：Upper air spacer ；10：Seed spout；11：Support；12：Transmission shaft；13：Seed-metering device shell；14：Seed box；15：Sprocket；Ⅰ：Filling area；Ⅱ：Carrying area；Ⅲ：Seed-absorbed arc section of filling area；Ⅳ：Vacuum seed-absorbed arc section.圖1 排種器結構示意圖Figure 1 Structure diagram of seed-metering device

l為窩眼入口直徑對應的弧長，m；s為窩眼間隔寬，m；d為吸孔直徑，m；Ds為排種滾筒內徑，m；R為吸種滾筒內半徑，m.l is arc length corresponding to the inlet diameter of socket,m;s is spacer thickness between two sockets,m；d is suction hole diameter,m;Ds is inner diameter of seeding cylinder,m;R is inner radius of seed-absorbed cylinder.圖2 排種滾筒結構示意圖Figure 2 Structure diagram of seeding cylinder

2 排種器工作參數(shù)分析

2.1 排種滾筒轉速

直播機田間作業(yè)速度V與排種滾筒轉速n存在如下關系：

(2)

式中：V為直播機田間直播作業(yè)速度，m/s；n為排種滾筒轉速，r/min；z為排種滾筒周向窩眼數(shù)；L為播種穴距，m.

排種滾筒內徑Ds與其周向窩眼數(shù)z存在如下關系：

(3)

式中：Ds為排種滾筒內徑，m.

由式(2)可知，當直播稻品種所需的播種穴距L及直播機作業(yè)速度V一定時，排種滾筒的轉速n與其周向窩眼數(shù)z成反比.由式(3)可知，在窩眼尺寸及其間隔寬s固定時，增大排種滾筒內徑Ds，可增多排種滾筒周向窩眼數(shù)z，從而降低排種滾筒轉速n，延長窩眼充種與吸孔吸種時間，提升排種器充、吸效果.但不能一味地增大排種滾筒內徑尺寸和增多周向吸孔數(shù)，避免排種器整體結構偏大導致笨重，吸氣量增加而增大風機負擔.綜合考慮排種器殼體、真空氣室等空間尺寸，并參考目前窩眼輪式排種器排種滾筒直徑80～260 mm的研究生產(chǎn)經(jīng)驗，確定排種滾筒內徑Ds為150 mm[16].設計滾筒周向窩眼數(shù)z=14，則根據(jù)式(3)及已知窩眼入口直徑對應的弧長17.6 mm，得相鄰窩眼間隔寬s為16 mm，相比單粒稻種的最大長度尺寸較大，可有效避免相鄰窩眼充種時的搶種與投種時的交叉現(xiàn)象.

當排種滾筒結構參數(shù)確定后，由當前水稻直播機田間作業(yè)時最大前進速度為1.2 m/s，以及取雜交稻一般種植株距為0.20 m，可得排種滾筒轉速為25.71 r/m，此時排種滾筒窩眼入口處圓周線速度小于0.3 m/s，有利于提高排種器的充種性能[17-19].

2.4 吸種負壓

由排種過程可知，進入排種滾筒內的稻種充入窩眼后，隨著排種滾筒的旋轉進入真空負壓吸種弧段，真空負壓吸種弧段包括充種區(qū)吸種弧段和整個攜種區(qū)吸種弧段.當窩眼轉出充種區(qū)進入攜種區(qū)時，由于稻種受到自身重力的作用，窩眼外部稻種翻轉滾落回充種區(qū)，窩眼內部未被吸孔穩(wěn)固吸附的多余稻種同樣滑出窩眼落回充種區(qū)，則窩眼轉出充種區(qū)的瞬間，窩眼內被吸附稻種僅受到窩眼內少數(shù)幾粒與之接觸的未被穩(wěn)固吸附稻種自重清種時的種間摩擦力作用，此時被吸附稻種所受種間摩擦力的方向應為阻礙其運動的方向.為便于分析將紡錘體狀的稻種簡化為均質橢球體，其幾何中心為稻種質心.對窩眼內任意單粒被吸附稻種進行受力分析，如圖3所示.

由圖3可知，稻種被穩(wěn)定吸附時，其受力關系如下：

(4)

由于稻種尺寸相比于排種滾筒內徑尺寸很小，故α近似等于θ，則式(4)的前1式可整理為

N=Fc+FD-Gsinθ

(5)

為確保稻種在窩眼轉出充種區(qū)的瞬間及整個攜種區(qū)的穩(wěn)定吸附，則吸種滾筒內壁面對稻種的支持力N必須大于零，式(5)進一步整理得

FD>Gsinθ-Fc

(6)

o為稻種質心；G為稻種自身重力，N；FD為吸孔負壓吸附力，N；Fc為稻種的離心慣性力，N；Ff為吸種滾筒內壁面對稻種的摩擦力，N；Fi為稻種所受種間摩擦力，N；N為吸種滾筒內壁面對稻種的支持力，N；θ為吸孔軸線與水平面夾角，(°)；α為稻種質心和排種滾筒圓心的連線與水平面夾角，(°)；l1為質心o到摩擦力Ff作用線的垂直距離，m；l2為質心o到吸附力FD作用線的垂直距離，m.o is the seed centroid；G is seed gravity,N;FD is adsorption force of suction hole,N；Fc is seed’s centrifugal force,N；Ff is friction of the inner wall of seed-absorbed cylinder on seed,N；Fi is friction between seeds,N；N is supporting force of the inner wall of seed-absorbed cylinder on seed,N；θ is the angle between suction hole axis and horizontal plane,(°);α is the angle between horizontal plane and the line connecting of seed centroid with seeding cylinder center,(°)；l1 is the vertical distance from o to the action line of Ff,m；l2 is the vertical distance from o to the action line of FD,m.圖3 被吸附稻種受力圖Figure 3 Forces on rice seed absorbed by suction hole

其中：

(7)

式中：Δp為吸孔兩側壓差，即吸種負壓，Pa；k為綜合各因素的比例系數(shù)，對于稻種取k=0.96；m為稻種質量，kg；ω為排種滾筒旋轉角速度，rad/s；R為吸種滾筒內半徑，m.

式(7)帶入式(6)整理得

(8)

由式(8)可知，水稻內充氣力式排種器所需吸種負壓Δp與稻種質量m，吸孔位置角度θ，排種滾筒轉速n，吸種滾筒內半徑R，比例系數(shù)k及吸孔直徑d有關.根據(jù)排種器的負壓吸種弧段可知，當吸孔轉到導種管上方，即吸孔位置角度θ為90°時，排種器所需吸種負壓為最大，并將已測稻種的千粒質量、排種滾筒尺寸、吸孔直徑及比例系數(shù)帶入(8)式，得滿足排種器正常排種的吸種負壓為

Δp>179.21-1.50×10-2n2

(9)

由式(9)可知，當所播稻種及排種滾筒結構參數(shù)確定后，吸種負壓Δp僅與排種滾筒轉速n有關，且隨著排種滾筒轉速的增大而減小，故內充氣力式排種器的稻種離心力為其自身被吸附提供一定的助吸作用，但在水稻穴直播機一般的作業(yè)速度對應的排種滾筒轉速范圍內，對吸種負壓影響很小，故排種器正常排種的吸種負壓應大于179.21 Pa.對于形狀不規(guī)則的稻種，由于吸種姿態(tài)的隨機性，不能確保稻種均以完全貼附并覆蓋吸孔的狀態(tài)被穩(wěn)固吸附，較低的吸種負壓難以穩(wěn)固吸附稻種，易受外界振動的干擾而漏吸，通過前期的排種試驗發(fā)現(xiàn)，當吸種負壓低于800 Pa時，排種漏播率偏高，故本文排種試驗的吸種負壓均不小于800 Pa.

3 排種性能試驗

3.1 試驗材料與方法

試驗稻種為‘岡優(yōu)898’品種，戶外曬種并室內陰晾至常溫，除雜后采用JPS-12型排種器性能檢測試驗臺進行排種試驗，試驗裝置如圖4所示.

試驗參考《鋪膜穴播機作業(yè)質量》(NY/T 987-2006)，連續(xù)統(tǒng)計排種器穩(wěn)定排種時油帶上250穴稻種的粒數(shù)及穴距.每組試驗重復3次，各性能指標計算公式見式(10).文獻[20]指出，雜交稻穴直播生產(chǎn)實際中，一穴1粒稻種的播種效果能有一定的出苗率，一穴0粒稻種則空穴無苗，故將一穴0粒稻種的空穴率也作為本排種器的性能考核指標之一.

(10)

1：負壓源；2：U型管測壓計；3：排種器；4：JPS-12型排種器性能檢測試驗臺.1：Negative pressure source；2：U-type tube manometer；3：Seed-metering device；4：JPS-12 type performance test rig of metering device.圖4 排種器排種性能試驗裝置Figure 4 Apparatus for performance testing of seed-metering device

3.2 試驗設計

3.2.1 單因素試驗 為明確排滾筒轉速和負壓氣室真空度兩個主要工作參數(shù)對排種器性能指標的影響，分別進行單因素試驗.根據(jù)前文的理論分析及前期的試驗研究，在當前直播機田間作業(yè)速度范圍內[17]，劃分排種滾筒轉速為8、10、15、20、25、30、35 r/min共7個水平；負壓氣室真空度分別取0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 kPa共6個水平.

3.2.2 雙因素試驗 在明確排種滾筒轉速和負壓氣室真空度兩個工作參數(shù)對排種器性能指標影響規(guī)律的基礎上，為探究排種器適宜的排種工況，分析影響排種性能的主次要因素，開展上述兩個主要工作參數(shù)的雙因素試驗，根據(jù)單因素試驗的分析結果，確定雙因素試驗的水平選取.

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 排種滾筒轉速單因素試驗結果分析 排種滾筒轉速單因素試驗設定排種器的負壓氣室真空度為1.0 kPa，試驗結果見表1.

由表1可知，隨著排種滾筒轉速的增大，排種器的空穴率、漏播率、重播率、穴距變異系數(shù)緩慢增大后急劇上升；穴粒數(shù)合格率緩慢減小后急劇下降；穴距平均值先在理論穴距200 mm上下波動后快速增大；總排種粒數(shù)在762.33～797.00之間波動.當排種滾筒轉速較低時，窩眼及內部吸孔有充分的囊種和吸種時間，且每穴稻種在導種管上方的投種速度較低，其在導種管中的隨機碰撞較為緩和，落在油帶上的每穴稻種能形成較為明顯的穴距間隔，成穴性較好，如圖5所示.在排種滾筒轉速8～25 r/min的范圍內，排種性能較高，穴粒數(shù)合格率均達到或超過90.13%，漏播率均不大于3.60%，空穴率均不大于1.60%，穴距平均值在200 mm上下浮動，穴距變異系數(shù)均不大于14.50%，均能較好滿足穴播機作業(yè)質量標準要求[21].隨著排種滾筒轉速的增大，每穴稻種的投種速度增大，稻種在導種管中的隨機碰撞較為激烈，碰撞次數(shù)隨之增加，且每穴多粒稻種的運動軌跡不一而同，穴內多粒稻種到達油帶一致性較低，從而導致油帶上相鄰穴稻種出現(xiàn)串穴現(xiàn)象，成穴性變差，穴距變異系數(shù)急劇上升，在總排種粒數(shù)較為穩(wěn)定的情況下，漏播率和重播率均急劇增大，從而造成穴粒數(shù)合格率急劇下降.

表1 排種滾筒轉速單因素試驗結果

3.3.2 負壓氣室真空度單因素試驗結果分析 負壓氣室真空度單因素試驗設定排種器的排種滾筒轉速為10 r/min.試驗結果見表2.

由表2可知，隨著負壓氣室真空度的增大，排種器的空穴率先減小后穩(wěn)定于零；漏播率先快速下降后緩慢減??；穴粒數(shù)合格率先增大后緩慢降低再急劇下降；重播率緩慢增大后急劇上升；總排種粒數(shù)逐漸增大，穴距平均值先在200 mm上下波動后快速下降；穴距變異系數(shù)在7.93～9.50之間波動.當負壓氣室真空度為0.8 kPa時，窩眼內吸孔對稻種的吸附力較弱，貼鄰吸孔的稻種雖然在充種區(qū)被吸孔吸附，但在攜種區(qū)易受自身重力作用脫離吸孔，導致漏播率偏高，出現(xiàn)空穴現(xiàn)象；隨著負壓氣室真空度的增大，吸孔對稻種的吸附力逐漸增強，吸孔單粒吸種、攜種效果顯著改善，漏播率快速下降，重播率有所提升，穴粒數(shù)合格率略有提高；隨著負壓氣室真空度的繼續(xù)增大，一孔多吸的概率逐漸增大，被穩(wěn)固吸附的稻種較難實現(xiàn)自重清種作用，故重播率持續(xù)增大，漏播率逐漸減小，空穴率為零，穴粒數(shù)合格率先因重播率的緩慢增大而緩慢降低，后因重播率的急劇上升而急劇下降.當負壓氣室真空度在1.0～1.4 kPa范圍內時，排種性能較好，穴粒數(shù)合格率均達到或超過90.27%，漏播率均不高于1.47%，空穴率為零，穴距平均值在理論穴距200 mm上下浮動，穴距變異系數(shù)均不大于8.90%.

圖5 試驗臺油帶上的排種效果Figure 5 Distributions of rice seeds on test bench

表2 負壓氣室真空度單因素試驗結果

3.3.3 雙因素試驗結果分析 根據(jù)排種滾筒轉速和負壓氣室真空度單因素試驗的分析結果，遵循水稻田間精量穴直播在保證一定合格率的前提下，降低漏播率，避免空穴[20]，設定排種滾筒轉速與負壓氣室真空度雙因素試驗水平，水平設置與試驗結果見表3.

由表3可知，同一轉速下，隨著負壓氣室真空度的逐漸增大，排種器的總排種粒數(shù)逐漸增多，重播率逐漸上升，穴粒數(shù)合格率逐漸下降，空穴率和漏播率基本均呈現(xiàn)減小趨勢，但在轉速為20、25 r/min時，空穴率和漏播率則呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢.究其原因可能為：一孔多吸稻種的穴數(shù)增多，且每穴稻種投種速度較大，每穴稻種與導種管的隨機碰撞增多，導致落在油帶上相鄰穴的稻種串穴頻繁，造成串穴區(qū)域性能統(tǒng)計出現(xiàn)一穴內有兩穴的粒數(shù)導致重播，而另一穴為漏播或空穴，故重播率急劇上升的同時，空穴率和漏播率均呈現(xiàn)增大的趨勢.

表3 雙因素試驗結果

在試驗參數(shù)范圍內，排種器在8～15 r/min的排種滾筒轉速下，排種性能較好，當負壓氣室真空度為1.0～1.3 kPa時，穴粒數(shù)合格率均達到或超過88.80%，漏播率均不大于2.40%，空穴率均不大于0.67%，且(5～6)粒/穴率均不高于9.60%，>6粒/穴率均不高于0.93%，能較好滿足雜交稻田間精量穴直播的低漏播與少重播排種.

對該區(qū)間的試驗數(shù)據(jù)針對穴粒數(shù)合格率和漏播率兩個性能指標進行方差分析，結果見表4.

由表4中各試驗因素的F檢驗值可知，在該工作參數(shù)區(qū)間內，影響穴粒數(shù)合格率和漏播率的主次因素均為：負壓氣室真空度>排種滾筒轉速>排種滾筒轉速與負壓氣室真空度的交互作用.由P值可知，排種滾筒轉速對穴粒數(shù)合格率有極顯著影響，對漏播率有顯著性影響；負壓氣室真空度對穴粒數(shù)合格率和漏播率均有極顯著影響；兩者的交互作用對穴粒數(shù)合格率和漏播率均無顯著性影響.可見，排種器的排種性能對其兩個主要工作參數(shù)均較為敏感，田間播種作業(yè)時因盡量維持穩(wěn)定的工作參數(shù)組合.

表4 性能指標雙因素方差分析

**<0.01(極顯著)；*<0.05(顯著).

**<0.01 (Highly significant)；*<0.05 (Significant).

4 結論

基于雜交稻精量穴直播的種植農(nóng)藝要求，提出了一種具有多吸孔窩眼結構的內充氣力式精量穴播排種器，根據(jù)水稻穴播機一般作業(yè)速度，確定了排種器的排種滾筒轉速范圍；構建了稻種吸附力學模型，探討了排種器正常排種時所需負壓氣室真空度.

排種器臺架試驗結果表明：在排種滾筒轉速8～15 r/min、負壓氣室真空度1.0～1.3 kPa的工作參數(shù)區(qū)間內，排種性能較優(yōu)，穴粒數(shù)合格率達到或超過88.80%，漏播率不大于2.40%，空穴率不大于0.67%，且(5～6)粒/穴率不高于9.60%，>6粒/穴率不高于0.93%，能滿足雜交稻田間精量穴直播的排種要求.在該區(qū)間內，影響穴粒數(shù)合格率和漏播率的主次因素為：負壓氣室真空度>排種滾筒轉速>排種滾筒轉速與負壓氣室真空度的交互作用；排種滾筒轉速對穴粒數(shù)合格率有極顯著影響，對漏播率有顯著性影響；負壓氣室真空度對穴粒數(shù)合格率和漏播率均有極顯著影響；兩者的交互作用對穴粒數(shù)合格率和漏播率均無顯著性影響.

提出的多吸孔窩眼結構的內充氣吸式水稻精量排種方法省去了清種和攜護種裝置，精簡了排種機構，極大地縮短了排種環(huán)節(jié)，可為排種器短程排種路徑的實現(xiàn)提供參考.