紀要，張文毅，劉宏俊，顧義兵，范靜

(1. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南京農(nóng)業(yè)機械化研究所，南京市，210014； 2. 常州市遠播機械有限公司，江蘇常州，213331；3. 溧陽市農(nóng)業(yè)綜合技術推廣中心，江蘇常州，213300)

0 引言

我國水稻常年種植面積大約30 000 khm2，水稻生產(chǎn)不僅擔負確保我國口糧安全的重任，還肩負鄉(xiāng)村振興的偉大使命，習近平總書記強調(diào)，“確保國家糧食安全，把中國人的飯碗牢牢端在自己手中”。大力發(fā)展水稻機械化種植，對提升我國農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力、保障糧食安全、推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化具有重要意義[1-3]。目前我國雜交水稻種植面積占我國水稻總面積的1/2左右，產(chǎn)量占水稻總產(chǎn)量的60%以上。雜交水稻種植區(qū)域多為一年多熟制，季節(jié)茬口較為緊張，為實現(xiàn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，雜交水稻種植主要以育秧移栽為主[4-6]。雜交水稻分蘗能力較強，要求每穴單少株種植，精量對位播種是育秧關鍵技術，播種質(zhì)量要求精確控制單位取秧面積上播種量和落種位置，其中播量要求每穴2±1粒種子，這對育秧播種設備提出了巨大精度要求。

現(xiàn)有育苗播種裝備大部分針對常規(guī)稻育苗播種，以機械式播種為主，播量大、精度低、易傷種，不能很好地適應雜交稻育苗播種要求，限制了雜交稻機械化種植技術的推廣[7-9]。

氣吸式育苗播種精度高，可適應精少量育苗播種要求。李耀明等[10-11]將吸盤式水稻育苗精量排種器種盤振動試驗與模糊分析法結合起來，確定了影響吸種效果的吸種部件的結構參數(shù)和工作參數(shù)。陳進等[12]對氣吸振動式播種試驗臺內(nèi)種子的運動機理進行分析，得到種子的運動規(guī)律，為振動臺參數(shù)選擇提供了理論依據(jù)。夏紅梅等[13-14]采用單剛體系統(tǒng)對種子的吸排種過程進行研究，得出滾筒材料、種子與滾筒間的摩擦系數(shù)、氣流量、種子與吸孔的距離等因素與吸附效果之間的關系。張石平等[15]分析了種群產(chǎn)生“沸騰”運動的充要條件，并驗證了其正確性。王朝輝等[16]以氣吸振動組合式超級稻精密育秧播種部件為試驗對象，探究了種層厚度、振動頻率和雙孔孔距等工作參數(shù)對播種裝置吸種性能的影響規(guī)律，并建立了吸種性能與種層厚度等試驗因素間的回歸模型。李志偉等[17]設計了一款滾筒氣力式蔬菜播種機，不但結構簡單，使用方便，而且大大降低耗氣量，提高了工作效率。

隨著水稻新品種特別是雜交水稻的出現(xiàn)，對水稻氣吸式精量排種器播種精度提出了更高的要求。國外的研究主要是為蔬菜、花卉等設計，不適用水稻[18-19]。目前國內(nèi)的氣吸式排種器主要針對常規(guī)稻育秧，播種精度較低，不能滿足雜交稻單粒精播要求。為此，本文設計了一種氣吸雙層滾筒式精量排種器，對氣吸滾筒排種過程進行分析，探究吸孔負壓、作業(yè)速度、振動頻率對排種性能的影響規(guī)律，尋求最優(yōu)工作參數(shù)組合，為氣吸滾筒式排種器的設計提供參考。

1 工作原理與參數(shù)設計

1.1 結構與工作原理

氣吸雙層滾筒式精量排種器由外層滾筒、內(nèi)層滾筒、配氣盤、種箱、振動器等組成，結構如圖1所示。工作時，種子置放于種箱內(nèi)，通過縱橫向復合振動的作用，種堆呈現(xiàn)出“沸騰”狀態(tài)，種子間相互摩擦力減??；滾筒勻速轉動，當整排吸孔轉動到種堆位置時，種子在負壓作用力下吸附于吸孔位置，并隨滾筒一起勻速轉動；當整排吸孔運轉至最下方時，負壓切斷，進入投種區(qū)，種子在自身重力和刮板的強制作用下完成投種；滾筒繼續(xù)運轉，轉至正壓區(qū)時，吸孔在正壓的作用下完成清堵工作，確保吸孔清潔無堵塞。

圖1 氣吸雙層滾筒式精量排種器結構Fig. 1 Structure of double layer air-suction device forprecision seedling1.配氣盤 2.氣吸滾筒 3.吸孔 4.滾筒端蓋 5.滾筒傳動軸6.種箱 7.振動器 8.滾筒外圈 9.滾筒內(nèi)圈

1.2 滾筒設計

該氣吸滾筒為雙層獨立氣道式滾筒，具體結構如圖2所示。滾筒內(nèi)圈與滾筒外圈通過粘合密封成一體，其中外圈軸向每排吸孔和內(nèi)圈軸向每條獨立氣道一一對應。滾筒一端固連驅動電機，在電機驅動下勻速轉動。滾筒兩端分別固定有固定端蓋，各端蓋外側連接配氣裝置，如圖3所示。

本文設計的氣吸式雙層滾筒排種器，適應30 cm行距雜交稻毯苗機插育秧播種。硬塑秧盤尺寸為580 mm×280 mm×30 mm。根據(jù)雜交稻種植農(nóng)藝要求，本設計的育秧播種裝置適于每盤橫向16回、縱向34回取秧的毯苗高速栽插，則插秧機取秧切塊面積為17 mm×17.5 mm=297.5 mm2，根據(jù)每取秧切塊面積2±1粒雜交稻種子，按斜對角線布置2個吸孔，吸孔在吸種滾筒表面的局部展開圖如圖4所示。

圖2 雙層獨立氣道式滾筒結構Fig. 2 Structure of double layer independentairway seedling device1.負壓吸孔 2.滾筒外圈 3.獨立氣道 4.滾筒內(nèi)圈

圖3 配氣盤結構Fig. 3 Structure of gas distribution device1.投種區(qū) 2.正壓區(qū) 3.正壓入口 4.負壓區(qū) 5.負壓入口

圖4 吸孔位置示意圖Fig. 4 Sketch map of suction holes site

根據(jù)秧盤長度與滾筒周長呈線性關系，即

L=πD×n

(1)

式中：D——滾筒外圈的外圓直徑；

L——育秧盤長度，L=580 mm；

n——播完一盤滾筒所轉動的圈數(shù)。

由于播種作業(yè)效率恒定條件下，滾筒直徑與滾筒轉速呈負相關關系，滾筒轉速過大時易引起排種器吸種攜種困難，造成播種質(zhì)量下降。因此，本設計中：每播完一盤滾筒所轉動的圈數(shù)n=1，滾筒外圓直徑D=184.5 mm。

2 氣吸滾筒排種過程分析

氣吸滾筒式精量排種器在播種作業(yè)過程中，主要分為三個階段：吸附種子階段、攜帶種子轉動階段以及投種清種階段[20]，如圖5所示。氣吸滾筒以角速度ω沿逆時針方向作勻速轉動，當吸孔經(jīng)過種箱與滾筒接觸面時，吸孔進入吸種區(qū)，此時在負壓的作用下，沸騰中的種子被吸附在吸孔處，并隨之運轉至攜種區(qū)，當吸附著種子的吸孔轉至正下方時，種子進入投種區(qū)，由于負壓源斷開，此時種子在重力作用下，精準落入下方鋪好底土的秧盤中。

圖5 排種器吸種過程Fig. 5 Sowing process of seedling device

在排種器排種的過程中，滾筒的轉速和吸孔負壓對育苗播種質(zhì)量起著關鍵作用。滾筒運動過程中，種子M受力分析如圖6所示，其中r為滾筒半徑，ω為角速度，G為種子重力，F(xiàn)為負壓對種子的力，f為種子M與滾筒壁之間的摩擦力，F(xiàn)r為運動過程中的向心力，F(xiàn)n為運動過程中的向心力，θ為種子M與豎直方向之間的夾角。

圖6 滾筒上種子受力分析Fig. 6 Force analysis diagram of seeds on seedling device

運動過程中種子的平衡方程為

(2)

根據(jù)空氣動力學原理可知，負壓對種子的力的表達式為

(3)

式中：η——阻尼系數(shù)；

s——種子在運動方向上的投影面積，m；

ρ——空氣的密度，kg/m3；

v0——吸種孔的氣流作用在種子上的平均速度，m/s。

考慮到水稻種子呈橢圓狀，由種子的基本尺寸(長l1和寬l2)可以求得投影面積。求解方程為

(4)

向心力

Fr=mrω2

(5)

(6)

摩擦力

f=Fntanφ

(7)

合并式(2)～式(7)可得

(8)

在滾筒的運動過程中，只有當Fn=0時，種子才自動落下。通過式(8)可以看出，滾筒半徑r和滾筒轉速n對吸孔的吸附力F起著決定作用。隨著滾筒半徑和滾筒轉速的增大，吸孔負壓需增大才能吸附種子。

(9)

(10)

增加吸孔數(shù)量或提高滾筒轉速可提高流水線的作業(yè)效率。但是增加吸孔數(shù)量需要相應的增大滾筒的負壓，此時會增加機具作業(yè)功耗，所以提升流水線的作業(yè)效率的關鍵在于提高滾筒的轉速。由圖5所示，當在最下方投種瞬間，此時種子與滾筒豎直方向上的夾角θ為0，滾筒壁對種子反作用力Fn也為0，種子重力與種子的離心力同向，此時滾筒所需要的負壓最大。而在整個排種的過程中負壓是一個恒定的值，此時可以根據(jù)式(10)計算得出滾筒的轉速

(11)

當轉速大于此值時，種子的離心力會增大，導致在滾筒旋轉過程中，種子被甩離吸孔，造成空穴或者重播，這將影響著播種的均勻性和穩(wěn)定性。

3 多目標優(yōu)化試驗

3.1 試驗條件

試驗所用的種子均為Y兩優(yōu)646超級雜交水稻種子，千粒重24.9 g，干種未催芽。試驗在改裝后的氣力式播種機試驗臺上進行。其中電機選用功率為1.5 kW 的MS-130ST-M10015伺服電機，負壓風機選用GHBH002341R5工業(yè)高壓風機，正壓配用FBV-0.17活塞式空壓機。通過數(shù)字型測壓計測量滾筒上吸種孔處的風壓，氣吸滾筒式排種試驗裝置如圖7所示。

圖7 氣吸滾筒式排種試驗裝置Fig. 7 Air-suction test device for tray nursing seedling

3.2 試驗方法

根據(jù)《單粒(精密)播種機試驗方法》(GB/T 6973—2005)，設定播種合格率和重播率作為試驗目標，用于評判排種器作業(yè)質(zhì)量，選取振動頻率x1、滾筒轉速x2以及負壓x3作為此次試驗的3個主要試驗因素。試驗結束后人工采集每個取秧面積的種子數(shù)量，記錄150個取秧面積的種子數(shù)量，每組試驗重復3次取平均值。

3.3 中心復合試驗設計

為減少試驗誤差、降低由于各因素水平的增加而引起的試驗復雜程度、確保排種試驗的序慣性，本試驗采取中心復合試驗設計(Central composite face-centered design，CCF)方法，制定試驗方案，如表1所示。根據(jù)設計方案實際值與編碼值之間的關系，每組試驗進行3次重復試驗，取平均值，并在P=0.05水平時進行F檢驗。

表1 因素水平表編碼表Tab. 1 Experimental values and coded level

3.4 中心復合試驗結果與分析

針對上述試驗試驗方案，進行室內(nèi)臺架試驗，試驗結果如表2所示。

3.4.1 回歸方程

根據(jù)表2中的試驗數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計學軟件Design-Expert8.0.5b進行F檢驗，篩選出試驗指標合格率Y1和重播率Y2對應的一次項(x1、x2、x3)、二次項(x12、x22、x32)、交互項(x1x2、x1x3、x2x3)中的顯著項(置信度α=0.1)，在此基礎上，構建試驗指標合格率Y1和重播率Y2與試驗因素振動頻率x1、滾筒轉速x2、負壓x3間的回歸方程，如式(12)、式(13)所示。

Y1=93.3+2.4x1-2.02x2-1.39x3-

1.56x2x3-2.71x12-3.04x22

(12)

Y2=4.43+1.2x1+x2-1.1x3+

0.63x1x2+0.62x1x3+1.07x32

(13)表2 試驗方案與結果Tab. 2 Experiment layout and results

3.4.2 回歸方程方差分析

根據(jù)表3、表4可得出，合格率和重播率的回歸模型都達到顯著(P<0.05)水平，證明模型恰當，試驗指標與試驗因素之間存在著模型確定關系。同時失擬項均不顯著(P>0.1)，說明模型是合適的，沒有未加控制的因素對指標存在影響，同時模型的擬合效果好。

表3 合格率Y1回歸模型方差分析Tab. 3 Variance analysis of regression equation forqualification rate Y1

表4 重播率Y2回歸模型方差分析Tab. 4 Variance analysis of regression equation for replay rate Y2

由表3中的影響因素顯著系數(shù)可知，一次項(x1、x2)顯著，其他各項均不顯著。從表4可以看出，二次項(x12、x22)、交互項(x1x2、x2x3)均不顯著(P>0.1)，其他各項均顯著或極顯著。

3.4.3 各因素對試驗指標影響規(guī)律

因素交互與試驗指標之間的關系規(guī)律，如圖8所示。由圖8(a)可知，在x1一定時，x3與Y1的關系趨于線性，同時在x2較大時，x3與Y1的關系呈負相關關系；在x2較小時，x3與Y1的關系呈正相關關系；在x1一定時，x2與Y1的關系趨于拋物線型關系，同時Y1隨著x2的增加先增加后減小，同時后半段變化速率更大。由圖8(b)可知，在x2一定時，x3與Y2的關系趨于線性，整體呈遞減趨勢，x1與Y2的關系呈遞增趨勢。由圖8(c)可知，在x1一定時，x1與Y2的關系趨于線性，整體呈遞增趨勢，x1與Y2的關系呈遞增趨勢。

(a) x2與x3對Y1交互作用

(c) x1與x2對Y2交互作用圖8 因素間的交互與試驗指標的響應曲面Fig. 8 Response surfaces between interactions between factors and experimental indicators

3.5 參數(shù)優(yōu)化與試驗驗證

為了使排種器的工作性能達到最優(yōu)，必須要求排種合格率最好，重播率最低。本研究使用Desgin-Expert軟件對試驗數(shù)據(jù)進行多目標優(yōu)化，其中，目標函數(shù)和約束區(qū)間為

最終優(yōu)化可得最優(yōu)水平組合為x1=51.79 Hz、x2=8.04 r/min、x3=3.41 kW，在該條件下的最優(yōu)指標合格率為93.85%，重播率為3.90%。

為了驗證優(yōu)化結果的準確性，排種器參數(shù)采用振動頻率為51.8 Hz，滾筒轉速為8 r/min，吸孔負壓為3.4 kW，在蘇州馳騁精密部件有限公司進行3次重復試驗，通過試驗驗證，得合格率和重播率分別為93.21%和3.97%，與優(yōu)化結果的相對誤差分別為0.68%、1.79%，試驗情況如圖9所示。

圖9 吸種情況Fig. 9 Seeding status

4 結論

1) 設計了一種氣吸雙層滾筒式精量排種器，采用雙層滾筒和獨立氣道式技術組合形式降低了氣吸滾筒式水稻精量播種裝置氣力參數(shù)要求。

2) 以振動頻率、滾筒轉速以及滾筒負壓參數(shù)作為試驗因子，進行了合格率和重播率的中心復合試驗，擬合了其回歸方程，并基于回歸方程進行了優(yōu)化，得到最優(yōu)水平組合為振動頻率51.79 Hz、滾筒轉速8.04 r/min及滾筒負壓參數(shù)3.41 kW，該組合對應的合格率93.85%和重播率3.90%。

3) 最優(yōu)水平組合的驗證試驗結果：平均合格率為93.21%，平均重播率為3.97%，與優(yōu)化結果的相對誤差分別為0.68%、1.79%，表明優(yōu)化結果可信。