吳羅發(fā)，張文毅，舒時富，李艷大，紀 要，陳立才，祁 兵

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)工程研究所/江西省智能農(nóng)機裝備工程研究中心/江西省農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330200；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部 南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，江蘇 南京 210014)

南方雙季稻種植面積約占全國水稻種植面積的1/2，保障雙季稻生產(chǎn)是我國糧食安全與社會穩(wěn)定的戰(zhàn)略要求[1-3]。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，水稻機械化生產(chǎn)水平取得了顯著的進步，但水稻育插秧仍然是水稻機械化生產(chǎn)最突出、最薄弱的環(huán)節(jié)[4-5]。水稻機械化插秧的關(guān)鍵，在于育秧，育出符合適應(yīng)插秧機作業(yè)的標準化秧苗，直接關(guān)系到機插質(zhì)量和水稻產(chǎn)量[6-8]。水稻機插主要作業(yè)指標符合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求，具有生產(chǎn)率高、作業(yè)質(zhì)量較好、操作簡單方便的優(yōu)點，體現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。然而，插秧機的秧苗是在特定尺寸的容器(秧盤)中培育的，秧苗密度大(2～5株/cm2)，土層薄(1～2.5 cm)。在這樣特殊的條件下培育適應(yīng)機械栽插的秧苗(標準秧苗：苗高12～25 cm，葉齡2.5～4.5，秧根盤結(jié)成塊)難度較大，既要促進根系生長，又要控制秧苗徒長。機械化生產(chǎn)是保障雙季稻的必要手段，而育插秧一直是雙季稻全程機械化的難點和薄弱環(huán)節(jié)[9-11]。目前，南方丘陵雙季稻區(qū)機械化種植模式以毯狀苗育插秧為主，育秧播種設(shè)備和插秧機等大多從日本、韓國進口，主要適應(yīng)于常規(guī)稻大播量成毯的中小苗栽插，無法適應(yīng)雙季雜交稻特別是超級稻的稀播勻播壯秧培育的農(nóng)藝要求[12-15]。針對南方丘陵雙季稻區(qū)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本研究重點研發(fā)適應(yīng)雙季雜交稻稀播壯秧育秧裝備，減少用種量，增加播種均勻度合格率，為南方丘陵雙季稻豐產(chǎn)、高效、高質(zhì)量育秧移栽提供技術(shù)裝備支撐。

1 裝置方案與工作原理

1.1 設(shè)計依據(jù)

育秧盤尺寸580 mm×280 mm×30 mm。 插秧機取秧面積：按橫向移動16次，17.5 mm/次；縱向可調(diào)節(jié)的取秧量范圍為8～17 mm，取最大值17 mm；插秧機每次取秧切塊的面積，根據(jù)橫縱向組合，面積為17 mm×17.5 mm=297.5 mm2。

1.2 排種裝置方案

設(shè)計的南方雙季雜交稻精量播種裝置由氣吸雙層滾筒、正壓吹種、氣動振動器、播種箱體等部件組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 工作原理

精量播種機主要采用雙層氣吸式滾筒結(jié)構(gòu)。滾筒分為內(nèi)層和外層，內(nèi)外層封閉，保持負壓。將滾筒與鏈輪固連，由動力裝置驅(qū)動滾筒轉(zhuǎn)動。在滾筒內(nèi)部的空心軸上均勻開孔，兩端分別安裝負壓裝置，在真空裝置的作用下，封閉的滾筒內(nèi)部保持負壓吸種的工作狀態(tài)。在活塞震動裝置的作用下，水稻種子在箱內(nèi)表現(xiàn)為“沸騰”的狀態(tài)，有效減少了水稻種子間的摩擦，提升了吸種的效果。水稻種子被吸附在滾筒上，并跟隨滾筒裝置一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動到最低位置點時，封閉氣孔、切斷負壓，水稻種子在清種裝置的作用下被播種于秧盤中。適用于雙季雜交稻的雙層氣吸滾筒裝置三維模型如圖2所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 滾筒參數(shù)的設(shè)計

精量育秧是雙季雜交稻機插所必需的配套支撐條件。因此，精量播種的滾筒裝置設(shè)計需要與插秧機的取秧面積相互匹配。現(xiàn)有插秧機的秧箱橫、縱向運動軌跡分別為橫向移動16次、縱向移動17 mm，現(xiàn)有育秧盤尺寸規(guī)格標準為580 mm×280 mm×30 mm。播種滾筒需按照插秧機的取秧切塊面積17 mm×17.5 mm=297.5 mm2設(shè)置，按照取秧面積在其斜對角線上布置吸孔，吸孔數(shù)量為2，播種滾筒上的吸孔距離與插秧機秧箱橫向移動距離17.5 mm相匹配，縱向間距根據(jù)滾筒按照如下公式計算：

S=2πRn/L

(1)

式(1)中，R為播種滾筒的外圓半徑；L為育秧盤長度，L=580 mm；π為配套插秧機縱向移動距離，π=17 mm；n為播種滾筒完成一次播種所需要轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。n一般取整數(shù)值，這樣可以提高控制系統(tǒng)檢測到秧盤即開始進行播種的工作效率，本裝置中n為2，滾筒完成一次播種后立即復(fù)位。縱向間距S與浮動壓輥能否及時關(guān)閉氣孔負壓的精準度顯著相關(guān)，浮動壓輥的變形量要保持適宜，太大對播種的位置準確度影響較大，變形量達到剛好堵塞氣孔即可，不宜過大或過小。因此，本裝置的設(shè)計參數(shù)確定為播種滾筒外圓半徑為83 mm，播種滾筒的總長度為315 mm，滾動轉(zhuǎn)動圈數(shù)n為2。

2.2 排種部件設(shè)計

在滾筒播種過程中，滾筒的清種效果對水稻精量播種的種子吸附效果具有顯著的影響。針對設(shè)計的機械式清種裝置樣機實際清種效果不理想的狀況，優(yōu)化改進采用氣力式設(shè)計為正壓吹種。排鐘部件設(shè)計具體如圖3所示。采用正壓可有效清除氣孔上多余的水稻種子，同時吹除播種滾筒轉(zhuǎn)動所跟隨的水稻種子。

2.3 雙層滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計

播種的穩(wěn)定性和精確性是水稻精量播種裝置的關(guān)鍵指標，良好的播種質(zhì)量才能為后續(xù)的機插環(huán)節(jié)提供優(yōu)質(zhì)的秧苗。針對設(shè)計的單層滾筒播種空穴率大于5%、吸種合格率小于90%等關(guān)鍵指標不理想的狀況，優(yōu)化單層滾筒改進成雙層氣力式滾筒。雙層氣力式滾筒結(jié)構(gòu)具體如圖4所示。播種滾筒分為內(nèi)外兩層，內(nèi)筒和外筒的材料均為鋁合金材質(zhì)，外層沿圓周方向均勻分布有34排吸孔，內(nèi)層亦沿圓周方向均勻分布有34條對應(yīng)的溝槽。制作時先將滾筒內(nèi)層放置于液氮中進行冷凍，然后將滾筒外層套入從液氮中取出的內(nèi)層，安裝時注意保持外層上34排吸孔與內(nèi)層上34排溝槽相互匹配；安裝完成后的滾筒放置于常溫下，即成為緊密集合的雙層播種滾筒。采用此種設(shè)計能夠保證雙層滾筒內(nèi)部的密封效果，同時能保證每一排吸種氣孔之間的密閉性能，從而提高播種性能。

3 樣機試驗

3.1 試驗裝備

試驗裝備為設(shè)計出的雙層氣吸式滾筒精量播種裝置樣機(圖5)。吸種和吹種采用漩渦氣泵，漩渦氣泵采用的規(guī)格為240 m3/h，最大風量值2.2 kW額定功率。采用無極變頻器調(diào)節(jié)氣泵電機的轉(zhuǎn)速從而實現(xiàn)工作負壓值大小的變化。

3.2 播種均勻度合格率試驗

開啟育秧機正常工作狀態(tài)，連續(xù)育秧10盤，分別對每盤的合格率進行統(tǒng)計，并作最后平均值。再統(tǒng)計每盤的空穴率，取平均值。播種裝置均勻度合格率=盤合格率穴數(shù)/盤總穴數(shù)×100%，空穴率=盤空穴數(shù)/盤總穴數(shù)×100%。測試結(jié)果表明(表1)，通過對隨機的10個樣本進行檢測，最終測得均勻度合格率為95.56%(圖6)。

表1 播種均勻度合格率檢測結(jié)果

3.3 工作效率測試試驗

調(diào)試精量播種機為最佳日常工作狀態(tài)，連續(xù)完成育秧100盤為1組，并進行10組，共1000盤，記錄每一組的完成時間。計算平均生產(chǎn)效率(盤/h)。生產(chǎn)效率=盤數(shù)/用時(s)×3600。檢測試驗結(jié)果表明(表2)，通過1000個樣本的檢測，最終測得平均生產(chǎn)效率為570盤/h。

表2 播種工作效率測試結(jié)果

3.4 秧苗素質(zhì)試驗

對研制的水稻精量播種機進行了早、晚稻的大田育秧試驗，并與普通水稻育秧播種機進行對比，分析育秧的實際效果(表3)。試驗采用的早稻品種為潭兩優(yōu)83和株兩優(yōu)1號，晚稻品種為泰優(yōu)398和五優(yōu)華占。T為研制的精量播種機，CK對照為普通水稻育秧播種機。從表3中可以看出，精量播種機處理(T)的出苗率早稻與對照(CK)差異不顯著，晚稻兩個品種T處理的出苗率均優(yōu)于CK。秧苗均勻度合格率T處理較CK顯著提升，早稻和晚稻4個品種的結(jié)果均相同。早晚稻4個品種的T處理，其株高均顯著高于CK。而根長、根數(shù)和莖基寬等指標均表現(xiàn)出T處理顯著優(yōu)于對照(CK)。上述結(jié)果表明，采用研制的水稻精量播種機，其出苗率、均勻度合格率、株高、根長、根數(shù)和莖基寬等秧苗素質(zhì)指標均大于對照機型，差異達顯著水平。說明水稻精量播種機能夠有效提升雙季雜交稻的秧苗素質(zhì)，達到精量播種的目標，有利于雙季稻的機械化插秧。

表3 水稻精量播種機的秧苗素質(zhì)

4 結(jié)論與討論

針對雙季雜交稻精量播種的農(nóng)藝要求，本研究設(shè)計了一種雙層氣吸滾筒式精量播種部件、氣吸式吸種、清種結(jié)構(gòu)，研發(fā)了氣力式精量播種裝置，解決超級稻育秧小播量播種均勻性差及落種位置準確性不高的難題，以適應(yīng)南方雙季雜交稻精量播種的要求。試驗結(jié)果表明，采用氣力式水稻均勻育秧播種流水線育秧，常規(guī)稻可省種10%～20%，雜交稻省種20%～30%，播種均勻性明顯提高，盤根效果、秧苗素質(zhì)好，實現(xiàn)了南方雙季雜交稻毯狀苗育秧極小播量的要求，有效保證機插取秧對應(yīng)面積內(nèi)1～2粒水稻種子的精量育秧指標，試驗結(jié)果表明播種均勻度達95.56%，空穴率不足3%，作業(yè)效率達570盤/h以上，有效解決了已有水稻育秧播種流水線不能適應(yīng)雙季雜交稻精量播種要求的問題，填補了我國超級稻和雜交稻毯狀苗低播量均勻播種及通用型育苗播種技術(shù)裝備的空白。

育插秧技術(shù)一直是發(fā)展南方丘陵雙季稻全程機械化的重點和難點，特別是南方丘陵山區(qū)特殊的地理環(huán)境和氣候特征，需要更加適宜的育插秧技術(shù)和裝備來支撐雙季稻產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[16-17]。國內(nèi)學者針對水稻機械化種植開展了廣泛研究，這些研究主要側(cè)重于適應(yīng)于常規(guī)稻大播量成毯的中小苗育插秧技術(shù)與裝備研發(fā)，而對適應(yīng)于南方丘陵雙季雜交稻稀播勻播壯秧培育技術(shù)與裝備研發(fā)相對較少[18-19]。目前國內(nèi)外生產(chǎn)上普遍應(yīng)用的育苗播種裝置主要采用機械槽輪式排種輪，能滿足大播量育苗播種需要，但對南方雜交稻和超級稻的小播量精量播種的適應(yīng)性不足[20-21]。隨著我國城鎮(zhèn)化進程加快和超級稻、雜交稻的推廣應(yīng)用，南方丘陵區(qū)用工難、用工貴的問題日益突出，稻農(nóng)對水稻精量播種流水線和水稻大苗移栽機械的需求將更加迫切[22-23]。本研究的成果將為南方丘陵雙季稻機械化育秧提供適宜的裝備支撐，成果的推廣應(yīng)用將有效提升南方雙季稻生產(chǎn)的機械化水平。