應(yīng)鴻烈　田立權(quán)

摘 要：為直觀(guān)準(zhǔn)確地觀(guān)察排種器的工作特性以及拋種勺投種過(guò)程中水稻芽種的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選擇壓縮旋轉(zhuǎn)勺取種、重力清種、轉(zhuǎn)動(dòng)遞種以及離心力拋種等方式，設(shè)計(jì)出一種水稻旋轉(zhuǎn)壓縮勺式精量穴直播排種器。通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)壓縮勺、導(dǎo)種輪工作過(guò)程分析，確定排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)參數(shù)。以中嘉優(yōu)9號(hào)水稻芽種為播種對(duì)象，采用2因素5水平旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，利用JPS-12排種器檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，分析了容種高度與壓縮旋轉(zhuǎn)勺的轉(zhuǎn)速對(duì)排種性能的影響，并采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)壓縮勺轉(zhuǎn)速為45r·min-1，容種高度為排種盤(pán)半徑50mm時(shí)，排種合格率為97.13%，重播率為1.9%，漏播率為0.97%。該研究為旋轉(zhuǎn)壓縮勺式水稻精量穴直播排種器的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，并為整機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：排種器;壓縮旋轉(zhuǎn)勺;精量穴直播;試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：S22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

水稻精量穴直播技術(shù)是通過(guò)定量播種、固定穴距和控制穴徑、成穴成行、定距定量將水稻芽種播入田間，以獲得更高出苗率及水稻產(chǎn)量的直播技術(shù)[1]。固定穴距和控制穴徑可以保證水稻有序地種植，使水稻田間的通風(fēng)采光條件更好，對(duì)水稻的根系生長(zhǎng)、根系結(jié)構(gòu)的改善以及禾苗抗倒伏能力的增強(qiáng)都有很好的促進(jìn)作用，因此精準(zhǔn)的穴距和穴徑控制是保證精量穴直播作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一[2，3]。

國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)排種器投種過(guò)程進(jìn)行了研究。Karayel等[4]利用高速攝像技術(shù)，對(duì)投種時(shí)種子下落時(shí)的位置進(jìn)行記錄，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到作物株距信息。羅錫文等[5]依據(jù)谷物清選原理，研制拋擲成穴式排種器，并進(jìn)行排種和成穴試驗(yàn)。王在滿(mǎn)等[5，6]利用高速攝像技術(shù)對(duì)型孔輪式排種器的投種軌跡進(jìn)行研究，為提高投種成穴性對(duì)排種管進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。陶桂香等[7]建立了稻種投種過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)缽盤(pán)精量播種裝置的投種過(guò)程進(jìn)行了理論分析，并利用高速攝像技術(shù)對(duì)投種過(guò)程進(jìn)行記錄，得到稻種速度與位移變化間的規(guī)律。袁月明等[8]采用高速攝像技術(shù)拍攝排種器的工作過(guò)程，分析排種均勻性與吸附在種盤(pán)上稻種不同姿態(tài)之間的關(guān)系，為完善排種器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。劉文忠等[9]建立了種子運(yùn)動(dòng)方程，對(duì)投種過(guò)程中種子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行理論分析。劉宏新等[10]采用高速攝像技術(shù)與離散元仿真軟件EDEM相結(jié)合的方式，對(duì)種子在排種器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及投種過(guò)程進(jìn)行研究，為修正排種器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)提供了參考。陳學(xué)庚等[11]為了將種子輸送到最佳投種高度，使播后種子的粒距得到精確矯正，設(shè)計(jì)了一種帶式導(dǎo)種裝置，提高了播種質(zhì)量。余佳佳等[12]結(jié)合高速攝像技術(shù)和圖像處理技術(shù)對(duì)氣力式油菜排種器投種軌跡進(jìn)行了研究，采用目標(biāo)追蹤技術(shù)提取油菜籽的實(shí)際投種軌跡曲線(xiàn)，為提高排種的穩(wěn)定性和均勻性提供依據(jù)。以上學(xué)者的研究為投種過(guò)程分析均提供了依據(jù)，但利用高速攝像技術(shù)和離散元仿真技術(shù)對(duì)彈射式排種器投種過(guò)程的研究未見(jiàn)報(bào)道。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，將高速攝像技術(shù)與EDEM仿真技術(shù)相結(jié)合，以彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器（下文簡(jiǎn)稱(chēng)排種器）拋種勺為研究對(duì)象，建立耳勺投種模型，并對(duì)投種過(guò)程進(jìn)行觀(guān)察和仿真分析，歸納投種軌跡分布，研究水稻芽種在投種過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，為提高取種耳勺投種精度和成穴性，優(yōu)化排種器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

彈射式耳勺型排種器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該排種器主要由拋種勺、定位桿、動(dòng)力簧、連接板、壓縮輥、拋種管、集種盒和定位軸等部件組成。

作業(yè)時(shí)，機(jī)具通過(guò)鏈條將動(dòng)力傳遞至轉(zhuǎn)動(dòng)軸8，轉(zhuǎn)動(dòng)軸帶動(dòng)連接板6如圖1所示方向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，連接板帶動(dòng)其上均布的拋種耳勺3掘入水稻芽種籽粒堆，耳勺定量舀取芽種，同時(shí)隨連接板繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)脫離籽粒堆，完成舀種作業(yè)[13];耳勺轉(zhuǎn)離籽粒堆后，進(jìn)入清種區(qū)，在重力作用下耳勺內(nèi)非穩(wěn)定狀態(tài)的芽種回落籽粒堆，完成清種過(guò)程;拋種耳勺轉(zhuǎn)入導(dǎo)種區(qū)并與壓縮輥1接觸，壓縮輥帶動(dòng)拋種耳勺，促使動(dòng)力簧5的側(cè)端轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)生變形存儲(chǔ)角動(dòng)能并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力，使耳勺貼緊壓縮輥，起到導(dǎo)種、護(hù)種的作用;在投種區(qū)，耳勺在連接板帶動(dòng)下脫開(kāi)與壓縮輥的接觸，動(dòng)力簧復(fù)位釋放角動(dòng)能，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力帶動(dòng)拋種耳勺繞定位軸9順時(shí)針旋轉(zhuǎn)并與定位桿4碰撞，從而將耳勺內(nèi)的芽種彈射進(jìn)入拋種管7內(nèi)，投落至水田田面完成投種作業(yè)。

3.2 分析

為探究各因素之間的交互作用對(duì)排種性能的影響，采用二次旋轉(zhuǎn)組合正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)因素包括排種器的工作轉(zhuǎn)速和容種高度，性能指標(biāo)為排種合格率、重播率和漏播率，進(jìn)行多因素試驗(yàn)，研究排種器的最佳性能工作參數(shù)。表1所示為各因素水平編碼，在試驗(yàn)過(guò)程中，連續(xù)記錄排種器排種數(shù)據(jù)，每250次為1組，記錄3組，取每組數(shù)據(jù)處理后的平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert分析所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，篩選出較為顯著的影響因素;通過(guò)軟件分析得到響應(yīng)曲面，如圖5所示，直觀(guān)地反映了分析試驗(yàn)指標(biāo)與各因素之間的關(guān)系。

根據(jù)響應(yīng)曲面圖5可知，壓縮勺轉(zhuǎn)速與容種高度間存在交互作用。由圖5a可知，當(dāng)容種高度一定時(shí)，排種合格率隨壓縮勺轉(zhuǎn)速增大而先增大后降低;當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速一定時(shí)，合格率隨容種高度增加而增大。當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速變化時(shí)，合格率的變化區(qū)間較大，因此影響排種合格率的主要因素為壓縮勺的轉(zhuǎn)速。由圖5b可知，當(dāng)容種高度一定時(shí)，重播率隨壓縮勺轉(zhuǎn)速增大而先降低后增加;當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速較低時(shí)，隨容種高度增加，重播率逐漸降低;而當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速較大時(shí)，重播率也逐漸增大。當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速變化時(shí)，重播率的變化區(qū)間較大，因此影響重播率的重要因素也是壓縮勺的轉(zhuǎn)速。由圖5c可知，當(dāng)壓縮勺轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨容種高度增加，漏播率逐漸降低。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種壓縮勺式水稻精量機(jī)械穴直播排種器，分析其工作原理，對(duì)關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足精量穴直播作業(yè)要求。

以壓縮勺轉(zhuǎn)速、容種高度為自變量，排種合格率、重播率及漏播率為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行二次旋轉(zhuǎn)組合正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，確定了壓縮勺式水稻精量穴直播排種器的工作及結(jié)構(gòu)參數(shù)與排種器性能指標(biāo)的關(guān)系。

運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件Design-Expert分析試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)回歸模型進(jìn)行優(yōu)化，得出壓縮勺轉(zhuǎn)速為45r·min-1，容種高度為充種蓋半徑50mm時(shí)，排種合格率為97.13%，重播率為1.9%，漏播率為0.97%。

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（責(zé)任編輯 常陽(yáng)陽(yáng)）