張順，何海龍，苑嚴(yán)偉，況福明，熊瑋，李兆東，朱德泉※

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室，合肥 230036；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083；4. 土壤植物機(jī)器系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083）

0 引言

水稻精量穴直播技術(shù)具有省工省時(shí)、生產(chǎn)效益高等優(yōu)點(diǎn)，已成為中國(guó)水稻主要的種植模式之一，并在常規(guī)稻和雜交稻種植中均廣泛應(yīng)用[1-3]。由于常規(guī)稻、雜交稻的分蘗能力差異大，精量穴直播種植的穴播量迥異[4-6]。因此，穴播量精確調(diào)節(jié)技術(shù)及裝備成為水稻輕簡(jiǎn)高效機(jī)械化栽培模式應(yīng)用的迫切需求。

水稻可調(diào)精量穴直播技術(shù)的關(guān)鍵部件是排種器。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，能適應(yīng)田間振動(dòng)多塵，甚至高濕的作業(yè)環(huán)境，在當(dāng)前水稻輕簡(jiǎn)型精量穴直播機(jī)上普遍應(yīng)用[7-10]。為滿足常規(guī)稻和雜交稻精量穴直播種植不同穴播量的農(nóng)藝要求，張國(guó)忠等[11]提出了一種雙腔側(cè)充式排種器，單腔排種時(shí)滿足雜交稻的穴播量，雙腔排種時(shí)滿足常規(guī)稻的穴播量。張明華等[12]研制了一種組合型孔輪式排種器，試驗(yàn)明確了適應(yīng)常規(guī)稻和雜交稻不同穴播量的型孔容積。王在滿等[13]在組合型孔輪式排種器的基礎(chǔ)上提出了穴播量無(wú)極調(diào)節(jié)方法，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)輪與外輪的相對(duì)角度從而改變型孔容積，實(shí)現(xiàn)一穴3～10 粒稻種的無(wú)極調(diào)節(jié)。由于稻種外形細(xì)長(zhǎng)，表殼粗糙，滾動(dòng)摩擦阻力大，易在充種區(qū)雜亂無(wú)序堆疊[14-16]。上述播量可選或可調(diào)水稻穴直播排種器充種型孔的設(shè)計(jì)均未考慮稻種充填型孔的姿態(tài)，使得一穴多粒稻種在型孔中無(wú)序堆疊，導(dǎo)致穴播量的穩(wěn)定性及其調(diào)節(jié)的精確性有待提升。而憑借稻種的橢球狀外形，利用V 型槽兩側(cè)壁限制稻種的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，并對(duì)稻種進(jìn)行機(jī)械梳導(dǎo)或激振勻種，實(shí)現(xiàn)稻種在V 型槽底定向排列是可行途徑[17-19]。

本文基于稻種定向有序充種型孔的思路，及常規(guī)稻每穴5～10 粒、雜交稻每穴2～5 粒精量穴直播的種植農(nóng)藝要求[20]，擬在明確盤(pán)齒擾動(dòng)下充種區(qū)域稻種分布姿態(tài)的基礎(chǔ)上，開(kāi)展可調(diào)孔-槽（進(jìn)種孔-V 型槽）組合型孔設(shè)計(jì)與試驗(yàn)，以期實(shí)現(xiàn)水稻不同品種不同穴播量的精量穴播排種。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器主要由左殼體、排種軸、腔道盤(pán)、型孔盤(pán)、緊固螺釘、右殼體等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中腔道盤(pán)、型孔盤(pán)組成具有輸種腔道的排種盤(pán)，輸種腔道由傾斜腔道和徑向腔道交匯構(gòu)成，并連通型孔盤(pán)面上的進(jìn)種孔與腔道盤(pán)外圓周上的投種口。傾斜腔道起始處設(shè)有V 型槽，型孔盤(pán)可相對(duì)于腔道盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)其上大、小進(jìn)種孔的切換，以及進(jìn)種孔有效進(jìn)種長(zhǎng)度的調(diào)整。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of seed-metering device

排種器的排種過(guò)程主要包括充種、攜種和投種3個(gè)主要環(huán)節(jié)，如圖2 所示。排種前，先根據(jù)水稻種類(lèi)將型孔盤(pán)切換至適宜的進(jìn)種孔，種箱裝入稻種后，稻種在重力作用下通過(guò)右殼體上的進(jìn)種管流入充種區(qū)。排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，貼近排種盤(pán)面的種群在疏導(dǎo)齒的疏松引導(dǎo)作用下，型孔運(yùn)動(dòng)區(qū)域的稻種長(zhǎng)軸方向與排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向逐漸趨于一致，定向后的稻種在進(jìn)種孔前進(jìn)方向上引種槽的進(jìn)一步引導(dǎo)下定向充入型孔，并沿著V 型槽順勢(shì)地導(dǎo)向堆疊在槽中。

圖2 排種過(guò)程示意圖Fig.2 Schematic diagram of seeding process

當(dāng)攜有種子的組合型孔轉(zhuǎn)離充種區(qū)后，未完全充入型孔的稻種在自身重力的作用下滑出型孔，并落回充種區(qū)，型孔內(nèi)剩余定量稻種隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，流經(jīng)傾斜腔道，并在傾斜腔道與徑向腔道的交匯處匯集。隨著排種盤(pán)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，匯集在兩腔道交匯處的稻種沿徑向腔道運(yùn)動(dòng)至投種口。當(dāng)投種口轉(zhuǎn)至投種區(qū)時(shí)，稻種失去殼體的圍護(hù)，并在自身重力與離心力的作用下落入由直播機(jī)開(kāi)溝器開(kāi)出的種溝內(nèi)，完成水稻的精量穴直播作業(yè)。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 疏導(dǎo)齒

型孔盤(pán)上疏導(dǎo)齒是疏松盤(pán)齒轉(zhuǎn)動(dòng)路徑周邊種群，實(shí)現(xiàn)進(jìn)種孔充種區(qū)域稻種定向分布的主要部件。為探究疏導(dǎo)齒對(duì)稻種的疏導(dǎo)定向作用，開(kāi)展稻種疏導(dǎo)定向過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析與姿態(tài)轉(zhuǎn)變追蹤。

2.1.1 稻種疏導(dǎo)動(dòng)力學(xué)分析

稻種外形類(lèi)似橢球，其簡(jiǎn)化橢球模型如圖3 所示。

圖3 水稻種子三軸尺寸示意圖Fig.3 Triaxial size diagram of rice seed

其參數(shù)方程為

則稻種繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IX、IY、IZ（kg·m2）分別為

式中m為單粒稻種質(zhì)量，kg。由于常見(jiàn)稻種的寬度和厚度尺寸接近，且較小于長(zhǎng)度尺寸，故稻種在Y軸和Z軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，即稻種較難繞其短軸改變?cè)械霓D(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

排種器工作時(shí)，充種區(qū)稻種處于不斷變化的復(fù)雜力鏈系統(tǒng)中。對(duì)與疏導(dǎo)齒接觸的任意姿態(tài)稻種開(kāi)展受力分析。如圖4 所示。由圖4 可知稻種的力學(xué)平衡方程為

圖4 稻種受力示意圖Fig.4 Force analysis diagram of rice seed

式中mi為稻種i的質(zhì)量，kg；xi為稻種i的質(zhì)心位移，m；t為稻種運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；Ii為稻種i的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg/m2；ωi為稻種i的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s；M0為稻種所受力對(duì)其與疏導(dǎo)齒接觸點(diǎn)的力矩，N·m。

由式（3）可知，若采用無(wú)疏導(dǎo)齒的型孔盤(pán)，稻種易在自身重力、離心慣性力、型孔盤(pán)摩擦力及周?chē)N群作用力下保持平衡，即稻種所受的型孔盤(pán)摩擦力和離心慣性力不足以克服稻種所受的周?chē)N群阻滯作用力及重力，使得稻種難以打破靜止的無(wú)序堆疊狀態(tài)，導(dǎo)致種群流動(dòng)性差。而若型孔盤(pán)上設(shè)有疏導(dǎo)齒，則疏導(dǎo)齒隨盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)種群施加一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定，足以打破疏導(dǎo)齒轉(zhuǎn)動(dòng)路徑周?chē)N群靜止?fàn)顟B(tài)的作用力，使得疏導(dǎo)齒轉(zhuǎn)動(dòng)路徑周?chē)N群間隙增大，稻種在疏導(dǎo)齒和外圍種群阻滯的共同作用下轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)?shù)痉N轉(zhuǎn)動(dòng)至其長(zhǎng)軸與徑向近似垂直時(shí)，即稻種長(zhǎng)軸方向與轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向近似一致時(shí)，稻種躺臥于下層種群之上，此時(shí)，若疏導(dǎo)齒無(wú)法直接作用于躺臥的稻種，則因稻種短軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大而不易轉(zhuǎn)動(dòng)，使得稻種近似定向分布，這與重力場(chǎng)下最小勢(shì)能原理吻合，故盤(pán)齒持續(xù)疏導(dǎo)作用下，疏導(dǎo)齒下方稻種可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)定向。故將疏導(dǎo)齒設(shè)置于進(jìn)種孔內(nèi)側(cè)約一粒稻種長(zhǎng)度的距離，為8 mm，且疏導(dǎo)齒齒長(zhǎng)方向指向圓心。為避免疏導(dǎo)齒拖帶稻種，設(shè)計(jì)疏導(dǎo)齒齒長(zhǎng)Lj約為常見(jiàn)稻種長(zhǎng)度的一半，齒高Hj略大于常見(jiàn)稻種的寬度尺寸，齒寬Wj應(yīng)確保其工程塑料材質(zhì)具有足夠的強(qiáng)度。故疏導(dǎo)齒長(zhǎng)、高、寬分別設(shè)計(jì)為5、3、3 mm，并對(duì)齒厚貼近型孔盤(pán)一端兩側(cè)進(jìn)行倒圓角Rj處理，圓角尺寸為1.6 mm，如圖4 所示。

2.1.2 稻種疏導(dǎo)姿態(tài)分析

為便于觀察疏導(dǎo)齒擾動(dòng)下進(jìn)種孔充種區(qū)域稻種的分布姿態(tài)，將與充種區(qū)稻種接觸的型孔盤(pán)改用透明材質(zhì)制成，并采用高速攝像技術(shù)觀測(cè)充種區(qū)域稻種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程[21-22]。試驗(yàn)稻種為黃華占，為便于觀測(cè)，將五分之一試驗(yàn)稻種染色處理。將未染色稻種和染色稻種均勻混合后由進(jìn)種管裝入排種器中，啟動(dòng)電機(jī)并調(diào)至一般工作轉(zhuǎn)速17.1 r/min，高速攝像拍攝速率為75 幀/s，像素為1 280×1 024。通過(guò)逐幀圖像分析觀測(cè)區(qū)稻種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，圖5 為不同時(shí)刻進(jìn)種孔運(yùn)移路徑區(qū)域（白色虛線腰圓環(huán)）內(nèi)染色示蹤稻種的分布姿態(tài)變化圖。

圖5 稻種定向過(guò)程Fig.5 Orientation process of rice seeds

由圖5a 可知，型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)前，稻種在重力作用下充入充種區(qū)，并在充種區(qū)無(wú)序堆疊。由圖5b～5 d 可知，型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，觀測(cè)區(qū)稻種遷移過(guò)程中，在疏導(dǎo)齒的疏導(dǎo)及周?chē)N群阻滯作用下，觀測(cè)稻種繞其短軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，其長(zhǎng)軸逐漸與其質(zhì)心所在位置的盤(pán)面轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向近似一致，并穩(wěn)定于該姿態(tài)，如圖5e～5f 所示。

為定量分析觀測(cè)區(qū)域染色示蹤稻種的姿態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律，記錄型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后49 s 的連續(xù)幀圖像，對(duì)應(yīng)排種器連續(xù)排種350 穴，從連續(xù)幀圖像中每隔7 s 選出觀測(cè)圖像，以圖像默認(rèn)的像素坐標(biāo)系，即圖像左上角像素點(diǎn)為坐標(biāo)系原點(diǎn)o1，水平向右為x1軸，鉛錘向下為y1軸，如圖5a所示，并將觀測(cè)稻種長(zhǎng)軸與其質(zhì)心所在盤(pán)面轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向的夾角定義為稻種姿態(tài)角θi，令di為單粒稻種定向率，以表征觀測(cè)稻種長(zhǎng)軸方向與其質(zhì)心所在盤(pán)面轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向的一致程度，D為觀測(cè)區(qū)示蹤稻種（總數(shù)為N）平均定向率，各指標(biāo)計(jì)算式分別如下：

上述坐標(biāo)值借助高速攝像儀配套軟件i-SPEED Software Suite 逐個(gè)標(biāo)記稻種長(zhǎng)軸兩端端點(diǎn)和盤(pán)面圓心像素坐標(biāo)獲取。

觀測(cè)區(qū)染色稻種平均定向率與姿態(tài)角頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如圖6、圖7 所示。綜合分析圖6、圖7 可知，型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)前，稻種分布姿態(tài)無(wú)規(guī)律，平均定向率較低，稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布分散。型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后，稻種的平均定向率先急劇增大后緩慢增大，35 s 后趨于穩(wěn)定，平均定向率趨于85%，稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布集中于30°以內(nèi)。當(dāng)型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)7 s 后，即疏導(dǎo)齒對(duì)種群疏導(dǎo)兩圈后，稻種平均定向率已達(dá)80%，稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布已趨于集中在30°以內(nèi)，且20°以下居多，表明型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈后，進(jìn)種孔運(yùn)移區(qū)域稻種已具有較好的定向效果，為稻種定向穩(wěn)定充種創(chuàng)造有利條件。

圖6 稻種平均定向率Fig.6 Average orientation rate of rice seeds

圖7 不同時(shí)刻稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布Fig.7 Frequency distribution of rice seed attitude angle at different moments

2.1.3 不同排種轉(zhuǎn)速下稻種疏導(dǎo)姿態(tài)分析

為明確不同排種轉(zhuǎn)速對(duì)觀測(cè)區(qū)稻種姿態(tài)變化規(guī)律的影響，設(shè)置排種盤(pán)轉(zhuǎn)速分別為10.3、13.7、17.1、20.6、24.0 r/min，對(duì)應(yīng)直播機(jī)前進(jìn)速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/s 共5個(gè)常規(guī)作業(yè)速度，各轉(zhuǎn)速下不同時(shí)刻稻種平均定向率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下稻種平均定向率Fig.8 Average orientation rate of rice seeds at different rotational speeds

由圖8 可知，不同排種轉(zhuǎn)速下，觀測(cè)區(qū)種群平均定向率的變化規(guī)律基本一致，且相同時(shí)刻，各排種轉(zhuǎn)速的平均定向率差異不大，表明常規(guī)作業(yè)速度下，排種轉(zhuǎn)速對(duì)進(jìn)種孔充種區(qū)域稻種分布姿態(tài)的變化規(guī)律基本無(wú)影響。

2.2 組合型孔

2.2.1 進(jìn)種孔

由充種區(qū)域稻種分布姿態(tài)規(guī)律可知，稻種主要以其長(zhǎng)軸與型孔盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)切線方向近似一致的姿態(tài)充種，綜合考慮稻種的橢球狀外形，大、小進(jìn)種孔形狀均設(shè)計(jì)為腰圓形，并使其長(zhǎng)軸沿型孔盤(pán)圓周切線方向分布。由文獻(xiàn)[23-24]可知，腰圓形進(jìn)種孔的充種性能主要受其寬度尺寸影響，故設(shè)計(jì)兩進(jìn)種孔的長(zhǎng)度尺寸L相等，并滿足L＞lmax(lmax為常見(jiàn)稻種長(zhǎng)度尺寸的最大值)。因常規(guī)稻與雜交稻的穴播量存在差異，故對(duì)大、小進(jìn)種孔的寬度尺寸分別分析。將紡錘形稻種簡(jiǎn)化為規(guī)則的橢球體，依據(jù)常規(guī)稻與雜交稻的穴播量，大、小進(jìn)種孔能同時(shí)分別充入3 粒和2 粒稻種為宜，其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖分別如圖9 所示。

圖9 進(jìn)種孔尺寸示意圖Fig.9 Size dragram of seed orifices

由圖9a、9b 的幾何關(guān)系可得大、小進(jìn)種孔的寬度尺寸與稻種三軸尺寸中值及其充種姿態(tài)角的關(guān)系式為

式中m1=0.5(w1+d1)，w1、d1分別為常見(jiàn)稻種的寬度、厚度尺寸中值，mm。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，常見(jiàn)稻種的長(zhǎng)度尺寸l1中值為9.18 mm，寬度尺寸w1中值為2.48 mm，厚度尺寸d1中值為2.02 mm，最大長(zhǎng)度尺寸lmax為11.29 mm，代入式（7），并分別繪制大、小進(jìn)種孔的寬度尺寸與充種稻種姿態(tài)角的關(guān)系曲線，如圖10 所示。

圖10 進(jìn)種孔寬度尺寸與稻種充種姿態(tài)角的關(guān)系曲線圖Fig.10 Relation diagram of seed attitude angle and orifice width

依據(jù)排種器穩(wěn)定排種后，型孔運(yùn)移路徑區(qū)域內(nèi)稻種姿態(tài)角集中在30°以內(nèi)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，則適宜的大、小進(jìn)種孔寬度應(yīng)分別位于6.75～9.00 mm、4.5～7.00 mm。而大、小進(jìn)種孔的長(zhǎng)度均設(shè)計(jì)為11.50 mm。

2.2.2 V 型槽

1）V 型槽傾角

為使橢球狀稻種在組合型孔內(nèi)有序堆疊，尋求型孔定量充種與播量精確調(diào)節(jié)的實(shí)現(xiàn)途徑，參考已有研究經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮排種器傾斜腔道結(jié)構(gòu)特征，將組合型孔的容種槽設(shè)計(jì)成便于進(jìn)種和出種的與排種盤(pán)徑向?qū)ΨQ(chēng)的V型槽[25]。稻種以其長(zhǎng)軸與進(jìn)種孔長(zhǎng)邊近似一致的姿態(tài)先后充入V 型槽后，便受到V 型槽兩壁面的限向與引導(dǎo)作用，使其順勢(shì)地以長(zhǎng)軸沿V 型槽縱向定向地堆疊在槽內(nèi)。因田間播種機(jī)的振動(dòng)環(huán)境，使V 型槽底平躺1 粒稻種較為穩(wěn)定，則底層稻種上方左右兩側(cè)配合槽壁面，各可容納1 粒平躺稻種，故V 型槽開(kāi)闊處應(yīng)能容納腔道盤(pán)徑向上兩列稻種堆疊為宜，如圖11a 所示，若稻種對(duì)壁面無(wú)擠壓變形的應(yīng)力作用，則可避免稻種以圖示狀態(tài)或其他狀態(tài)卡種，故按圖中幾何關(guān)系分析V 型槽傾角的最大臨界值[26]。

圖11 三粒及五粒稻種堆疊V 型槽示意圖Fig.11 Diagram of three and five rice seeds stacking V-groove

以底層稻種質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)O1，排種盤(pán)軸向和徑向分別為X1軸和Y1軸，建立直角坐標(biāo)系X1O1Y1，則由橢圓O1、O2可得：

由圖11a 可知，M點(diǎn)為直線O1O2的中點(diǎn)，則有：

由式（8）和式（9）可得：

將常見(jiàn)稻種的寬度和厚度尺寸中值代入式（10）可得β=54.5°，故V 型槽傾角不大于54.5°即可有效避免卡種，故本文取V 型槽傾角為54°，且該值大于稻種與腔道材料的滑動(dòng)摩擦角[27]，確保稻種順暢地充入V 型槽內(nèi)。

2）V 型槽深度

依據(jù)槽內(nèi)徑向兩列稻種的堆疊規(guī)律，播種雜交稻時(shí)，V 型槽深度h3應(yīng)至少容納兩層稻種，即h3應(yīng)不低于上層稻種的質(zhì)心高度（h1+h2），如圖11a 所示。

以V 型槽底端為坐標(biāo)原點(diǎn)o2，排種盤(pán)軸向、徑向分別為x2、y2軸，建立直角坐標(biāo)系x2o2y2，由稻種O1、O2和槽壁面切點(diǎn)M1、M2所在直線方程與橢圓O1方程：

整理得h1=由前述已知條件求得h1=1.98 mm。

記橢圓O1、O2切點(diǎn)M的坐標(biāo)值為（x0，y0），結(jié)合橢圓O1方程，有如下關(guān)系式：

計(jì)算得h3≥3.72 mm，故設(shè)計(jì)V 型槽深度h3為3.8 mm。

為滿足常規(guī)稻穴播5～10 粒稻種的農(nóng)藝要求，在適用于雜交稻兩層稻種充填槽深的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)大進(jìn)種孔外沿邊與V 型槽開(kāi)口處的相對(duì)高度，形成槽內(nèi)3 層稻種，即至少5 粒稻種的有序充填，如圖11b 所示，則大進(jìn)種孔外沿邊與槽開(kāi)口處的相對(duì)高度h4應(yīng)不低于上層稻種的質(zhì)心，即h4≥d。因常見(jiàn)稻種的平均厚度尺寸d中值接近2.00 mm，故本文h4取2.00 mm，則型孔盤(pán)上小進(jìn)種孔分布在大進(jìn)種孔的外側(cè)，且兩進(jìn)種孔的外沿邊徑向上為2.00 mm 的高度差。

為進(jìn)一步避免V 型槽底部夾持稻種，并提高底層稻種以平躺姿態(tài)堆疊在槽底，依據(jù)底層稻種的堆疊姿態(tài)及橢圓O1短軸端的曲率半徑R對(duì)V 型槽底部進(jìn)行倒圓角處理。橢圓O1短軸端曲率半徑R的計(jì)算式為

由稻種的三軸長(zhǎng)度中值，可得曲率半徑R為1.52 mm，故設(shè)計(jì)V 型槽底部倒圓角半徑R為1.60 mm，如圖11b所示。

3 臺(tái)架排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料

試驗(yàn)裝置如圖12 所示，其中，排種器轉(zhuǎn)速通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制。全功能微電腦控制振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)為排種器臺(tái)架提供不同的振動(dòng)工況，以模擬播種機(jī)田間作業(yè)時(shí)排種器的振動(dòng)環(huán)境。

圖12 臺(tái)架排種性能試驗(yàn)裝置Fig.12 Seeding performance test bench

高速攝像儀用于拍攝記錄排種器排出的每穴稻種粒數(shù)。試驗(yàn)稻種選用常規(guī)稻品種黃華占和雜交稻品種豐兩優(yōu)3948，兩者的含水率分別為11.85%和11.06%，平均三軸尺寸（長(zhǎng)×寬×厚）分別為9.36 mm×2.17 mm×1.90 mm和9.60 mm×2.55 mm×2.05 mm，對(duì)稻種進(jìn)行人工除雜后排種。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6 973-2005 單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法，結(jié)合水稻精量穴直播的種植農(nóng)藝要求，選擇漏播率、合格率、重播率、破損率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法如下。

式中M為漏播率，%；Q為合格率，%；R為重播率，%；N為每組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的總穴數(shù)，c代表常規(guī)稻，h代表雜交稻。常規(guī)稻排種試驗(yàn)時(shí)，nMc為一穴小于5 粒稻種的總漏播穴數(shù)，nQc為一穴5～10 粒稻種的總合格穴數(shù)，nRc為一穴大于10 粒稻種的總重播穴數(shù)；雜交稻排種試驗(yàn)時(shí)，nMh為一穴小于2 粒稻種的總漏播穴數(shù)，nQh為一穴2～5 粒稻種的總合格穴數(shù)，nRh為一穴大于5 粒稻種的總重播穴數(shù)；B為種子破損率，%；Mn為排種器穩(wěn)定排種1 min 所排出的種子質(zhì)量，kg；mB為所排出種子中破損種子的質(zhì)量，kg。試驗(yàn)時(shí)，連續(xù)拍攝并統(tǒng)計(jì)排種器穩(wěn)定排種時(shí)，從排種口排出的250 穴稻種，每組試驗(yàn)重復(fù)3 次取平均值。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

依據(jù)前文的理論分析及前期排種預(yù)試驗(yàn)可知，影響孔-槽組合型孔充種性能的主要因素為進(jìn)種孔寬度和機(jī)組振動(dòng)，為明確大、小進(jìn)種孔寬度及機(jī)組振動(dòng)對(duì)孔-槽組合型孔充種性能的影響規(guī)律，分別獲得適用于兩類(lèi)稻種的孔-槽組合型孔，先后開(kāi)展進(jìn)種孔寬度與機(jī)組振動(dòng)工況的排種單因素試驗(yàn)和二因素全因子試驗(yàn)，并考察組合型孔的品種適應(yīng)性。

3.3.1 單因素試驗(yàn)

1）進(jìn)種孔寬度

設(shè)置大進(jìn)種孔的寬度為6.6、6.8、7.0、7.2、7.4、7.6、7.8 mm 共7個(gè)水平，小進(jìn)種孔的寬度為4.4、4.6、4.8、5.0、5.2、5.4 mm 共6個(gè)水平。試驗(yàn)時(shí)，排種盤(pán)轉(zhuǎn)速依據(jù)式（16）的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)置。

式中n為排種盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min，v為播種機(jī)前進(jìn)速度，m/s，取1 m/s[28]；k為腔道個(gè)數(shù)，本文排種器腔道個(gè)數(shù)為25個(gè)；Ls為播種穴距，m，常規(guī)稻與雜交稻的播種穴距分別為0.14 m 和0.20 m，故排種常規(guī)稻和雜交稻的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速不同，分別為17.1 和12.0 r/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 大、小進(jìn)種孔寬度與各評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.13 Relationship between the width of large and small orifice and evaluation indexes

由圖13 可知，大、小進(jìn)種孔寬度對(duì)排種器排種常規(guī)稻和雜交稻的性能影響呈相似的變化規(guī)律，均是隨著進(jìn)種孔寬度的增大，合格率先緩慢上升后緩慢下降；漏播率均先大幅下降后緩慢降低；重播率先緩慢上升后大幅增大。當(dāng)進(jìn)種孔寬度較小時(shí)，組合型孔囊入稻種局限于定向效果好的稻種，導(dǎo)致型孔充種粒數(shù)偏少，排種器漏播率偏高；隨著進(jìn)種孔寬度的逐漸增大，定向率較高的稻種均可充入型孔，漏播率大幅下降，重播率略有上升，合格率逐漸升高；當(dāng)進(jìn)種孔寬度較大時(shí)，如對(duì)于7.8 mm寬度的大進(jìn)種孔和5.4 mm 寬度的小進(jìn)種孔，稻種姿態(tài)角分別低于18°和15°的稻種均易充入型孔，導(dǎo)致型孔充種粒數(shù)偏多，重播率偏大，合格率降低。當(dāng)大進(jìn)種孔寬度為6.8～7.6 mm、小進(jìn)種孔寬度為4.6～5.2 mm 時(shí)，排種器的合格率均高于85%。

2）振動(dòng)工況

為明確田間振動(dòng)對(duì)排種器充種性能的影響，設(shè)置寬度為7.2 mm 大進(jìn)種孔的組合型孔，利用全功能微電腦控制振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行不同振動(dòng)工況下排種性能試驗(yàn)。由文獻(xiàn)[29-30]可知，播種機(jī)田間作業(yè)的振動(dòng)特性一般用振動(dòng)頻率與振動(dòng)加速度兩個(gè)特征參數(shù)表征，且播種機(jī)主要受到豎直方向的振動(dòng)作用。本文排種器裝載的播種機(jī)田間作業(yè)時(shí)，豎直方向的振動(dòng)頻率主要分布在0～150 Hz，且低頻振動(dòng)（≤30 Hz）、中頻振動(dòng)（40～90 Hz）及高頻振動(dòng)（100～150 Hz）的振動(dòng)加速度分別不高于4、12、25 m/s2。因此，本文不同振動(dòng)工況排種性能試驗(yàn)頻率選擇0～150 Hz，試驗(yàn)水平間隔20 Hz，并按低、中、高頻段劃分，對(duì)應(yīng)頻段振動(dòng)加速度分別為4、12 和25 m/s2，試驗(yàn)結(jié)果如圖14 所示。

圖14 不同振動(dòng)頻率與各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)系Fig.14 Relationship between vibration frequency and each evaluation index

由圖14 可知，不同振動(dòng)工況下，排種器的排種合格率基本在90%以上小幅波動(dòng)，漏播率均≤5%，只在低頻振動(dòng)工況下，排種器的排種合格率偏低，但亦高于85%，說(shuō)明具有適宜進(jìn)種孔寬度的孔-槽組合型孔對(duì)不同的振動(dòng)工況均具有較好的適應(yīng)性。在低頻振動(dòng)條件下，排種合格率和重播率明顯分別低于和高于無(wú)振動(dòng)和中高振頻條件，而漏播率稍有下降，其原因可能為：低頻振動(dòng)工況下，單個(gè)周期振動(dòng)過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，排種器的振動(dòng)幅值較大，激勵(lì)充種區(qū)稻種跳躍強(qiáng)度大，使得種群松散程度高、間隙大，種間相對(duì)移動(dòng)阻力小，導(dǎo)致稻種易充入型孔，使得重播率大幅增加，合格率明顯下降，漏播率稍有下降。

隨著振動(dòng)頻率增大至中頻振動(dòng)或高頻振動(dòng)，排種器的振動(dòng)幅值相對(duì)減弱，充種區(qū)稻種的跳躍強(qiáng)度較小，使得種群下方進(jìn)種孔充種區(qū)域的稻種松散程度與無(wú)振動(dòng)工況下相差不大，該區(qū)域種間相對(duì)移動(dòng)阻力改善程度弱，故排種器的充種性能較為穩(wěn)定，各性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均與無(wú)振動(dòng)工況下基本保持一致，無(wú)較大的異常波動(dòng)。振動(dòng)頻率單因素試驗(yàn)結(jié)果表明，具有孔-槽組合型孔結(jié)構(gòu)的排種器排種性能主要受低頻振動(dòng)工況的影響。

3.3.2 二因素全因子試驗(yàn)

為考察不同進(jìn)種孔寬度對(duì)各振動(dòng)工況的適應(yīng)性，探尋最優(yōu)的進(jìn)種孔寬度，明確排種器的排種性能，開(kāi)展不同進(jìn)種孔寬度與不同振動(dòng)工況的二因素全因子試驗(yàn)。因素水平設(shè)定依據(jù)前文單因素試驗(yàn)結(jié)果，大進(jìn)種孔寬度選取6.8、7.0、7.2、7.4、7.6 mm 共5個(gè)水平，小進(jìn)種孔寬度選取4.6、4.8、5.0、5.2 mm 共4個(gè)水平，振動(dòng)工況設(shè)定10、20、30 Hz 共3個(gè)低頻振動(dòng)水平，并與無(wú)振動(dòng)的排種效果作對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 全因子試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1 Full factor test scheme and results %

由表1 可知，無(wú)論是大、小進(jìn)種孔，在同一振動(dòng)工況下，隨著進(jìn)種孔寬度的增大，排種器合格率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，漏播率均逐漸減小，重播率均逐漸增大，基本與無(wú)振動(dòng)工況下的變化趨勢(shì)相同。

當(dāng)使用大進(jìn)種孔排種常規(guī)稻時(shí)，與無(wú)振動(dòng)條件相比，在較低振頻條件下（≤20 Hz），對(duì)于較大寬度的大進(jìn)種孔（≥7.2 mm），合格率下降，漏播率也稍有降低，重播率明顯增大；對(duì)于偏小寬度的大進(jìn)種孔（≤7.0 mm），合格率、漏播率和重播率相對(duì)無(wú)太大變化，說(shuō)明偏寬的大進(jìn)種孔對(duì)低頻振動(dòng)工況下的種群較為敏感，松散程度大、分離能力強(qiáng)的種群易充入組合型孔，使得重播率增大，合格率下降明顯；而偏窄的大進(jìn)種孔對(duì)低頻振動(dòng)工況下的種群更為適應(yīng)，松散程度大的種群亦難過(guò)多的穿過(guò)偏窄的大進(jìn)種孔，從而確保排種性能與無(wú)振動(dòng)條件相近。

而在較高的振頻條件下（30 Hz），不同大進(jìn)種孔寬度的排種性能與無(wú)振動(dòng)條件相近，這與中高頻振動(dòng)工況試驗(yàn)結(jié)果一致，表明30 Hz 的振動(dòng)工況對(duì)孔-槽組合型孔排種器排種常規(guī)稻的排種性能基本無(wú)影響。綜合比較不同大進(jìn)種孔在各頻振動(dòng)及無(wú)振動(dòng)工況下的排種性能，確定大進(jìn)種孔寬度為7.0 mm，其組合型孔的排種合格率Q≥91.07%，漏播率M≤3.87%。

當(dāng)使用小進(jìn)種孔排種雜交稻時(shí)，在不同的低頻振動(dòng)工況下，同一進(jìn)種孔寬度的排種性能相近，并與無(wú)振動(dòng)工況相差不大，排種合格率基本一致，僅漏播率略高、重播率稍低，說(shuō)明小進(jìn)種孔的各寬度尺寸對(duì)低頻振動(dòng)工況均不敏感，其原因可能為：不同寬度的小進(jìn)種孔外邊沿均與V 型槽開(kāi)口齊平，即各組合型孔的實(shí)際容種空間保持不變，且為淺槽，容種空間受限，即使種群松散程度大、分離能力強(qiáng)，也難充入更多稻種，已充入組合型孔的稻種也易在振幅明顯的低頻振動(dòng)工況下清出型孔，故比無(wú)振動(dòng)工況，漏播率略高、重播率稍低。當(dāng)小進(jìn)種孔寬度為5.0 mm 時(shí)，其組合型孔在低頻振動(dòng)和無(wú)振動(dòng)工況均具有較好的排種性能，合格率基本在90%以上，漏播率≤5.73%，故可確定小進(jìn)種孔寬度為5.0 mm。

3.3.3 品種適應(yīng)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器孔-槽組合型孔的品種適應(yīng)性，選取與黃華占（長(zhǎng)粒型常規(guī)稻）、豐兩優(yōu)3948（長(zhǎng)粒型雜交稻）外形尺寸差異明顯的晶兩優(yōu)1177（中粒型常規(guī)稻）、特三矮2 號(hào)（短粒型常規(guī)稻）、中農(nóng)2008（中粒型雜交稻）、Ⅱ優(yōu)346（短粒型雜交稻）為試驗(yàn)品種。每個(gè)品種試驗(yàn)前，參考各稻種的平均長(zhǎng)軸尺寸，轉(zhuǎn)動(dòng)型孔盤(pán)以調(diào)整進(jìn)種孔的有效長(zhǎng)度。并在6 種水稻各自對(duì)應(yīng)的排種器排種合格率最高的工況下，分別統(tǒng)計(jì)排種器的排種破損率。試驗(yàn)方案及結(jié)果如表2 所示。

表2 品種適應(yīng)性試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Variety adaptability test scheme and results

由表2 可知，在進(jìn)種孔寬度不變時(shí)，進(jìn)種孔有效長(zhǎng)度亦會(huì)對(duì)大、小組合型孔的排種性能產(chǎn)生影響，隨著孔-槽組合型孔有效長(zhǎng)度的增大，排種器的漏播率下降，重播率升高，合格率先增大后減小，其原因主要為：進(jìn)種孔有效長(zhǎng)度的增大，定向稻種的可充種時(shí)間延長(zhǎng)，故每穴充種粒數(shù)相對(duì)增多，故重播率升高，漏播率下降。在適宜的進(jìn)種孔有效長(zhǎng)度下，排種合格率Q≥88.80%，漏播率M≤3.60%，說(shuō)明該排種器能夠滿足不同外形尺寸常規(guī)稻與雜交稻的播量要求，具有較好的適應(yīng)性。各品種排種的種子破損率B≤0.16%，表明排種器排種方式較為合理，基本不損傷種子。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

為考察具有孔-槽組合型孔的導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器的田間播種性能，于2022 年6 月8 日在安徽省肥西縣粉坊村開(kāi)展田間播種試驗(yàn)。

試驗(yàn)田塊長(zhǎng)70 m，寬20 m，土壤含水率為15.19%，堅(jiān)實(shí)度為360.64 kPa。試驗(yàn)稻種為黃華占與豐兩優(yōu)3948。將排種器安裝于2BDXZ-2300 型水稻精量播種機(jī)上，如圖15 所示。試驗(yàn)時(shí)，采用12 V 直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)排種器轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)電機(jī)控制器設(shè)置排種器轉(zhuǎn)速，使其與室內(nèi)臺(tái)架排種試驗(yàn)轉(zhuǎn)速一致，并使播種機(jī)前進(jìn)速度穩(wěn)定在3.6 km/h 左右。試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)參照NY/T 1143-2006，連續(xù)統(tǒng)計(jì)田塊中段各行播于地表的250 穴稻種的穴粒數(shù)、穴徑和穴距，每個(gè)品種重復(fù)三次試驗(yàn)取平均值。

圖15 田間試驗(yàn)Fig.15 Field experiment

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

田間試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of field experiment

由表3 可知，采用大組合型孔播種黃華占時(shí)，各行排種性能的平均值為合格率90.21%、漏播率1.07%、重播率8.73%；采用小組合型孔播種豐兩優(yōu)3 948 時(shí)，各行排種性能的平均值為合格率86.55%、漏播率5.84%、重播率7.61%。相比室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，大組合型孔的排種漏播率和合格率分別下降了約2個(gè)百分點(diǎn)和1個(gè)百分點(diǎn)，小組合型孔的排種漏播率基本穩(wěn)定，合格率下降了約3個(gè)百分點(diǎn)，其原因可能為：相比室內(nèi)臺(tái)架單一的振動(dòng)工況，機(jī)組田間隨機(jī)的振動(dòng)工況將使排種器充種區(qū)種群更易流動(dòng)，稻種更易充入大進(jìn)種孔，使得大組合型孔的重播率上升，漏播率和合格率下降；雖然小組合型孔的容種空間有限，但若轉(zhuǎn)離種群的型孔處于較弱振動(dòng)工況時(shí)，而無(wú)法將組小合型孔多充的1～2 粒稻種及時(shí)清出型孔，導(dǎo)致小組合型孔（6～7）粒/穴的概率增大，使得重播率上升約3個(gè)百分點(diǎn)，合格率下降約3個(gè)百分點(diǎn)，而漏播率基本穩(wěn)定。

田間播種試驗(yàn)，大組合型孔的各行合格率Q≥89.33%、漏播率M≤1.60%、重播率R≤9.60%、穴徑平均值44.64～54.83 mm、穴距平均值133.21～144.67 mm，各行排量一致性變異系數(shù)3.06%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)2.04%；小組合型孔的各行合格率Q≥85.73%、重播率R≤8.27%、漏播率M≤6.53%、其中空穴率≤1.73%，穴徑平均值39.88～45.59 mm、穴距平均值200.79～205.56 mm，各行排量一致性變異系數(shù)3.01%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)2.02%，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿足水稻大田精量旱穴直播的一般種植要求，且播種機(jī)各行排種均勻性較好。

5 結(jié)論

基于常規(guī)稻與雜交稻精量穴直播的種植農(nóng)藝要求以及稻種的物理機(jī)械特性，利用稻種在疏導(dǎo)齒作用下長(zhǎng)軸方向逐漸與其質(zhì)心所在位置盤(pán)面運(yùn)動(dòng)切線方向近似一致的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，設(shè)計(jì)了一種具有導(dǎo)向充填效果的孔-槽組合型孔，理論分析明確了進(jìn)種孔的長(zhǎng)寬尺寸范圍與V 型槽的傾角和深度，并進(jìn)行了室內(nèi)臺(tái)架排種試驗(yàn)與田間播種試驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1）構(gòu)建了疏導(dǎo)齒疏導(dǎo)稻種的動(dòng)力學(xué)模型，分析了盤(pán)齒轉(zhuǎn)動(dòng)疏導(dǎo)作用下型孔充種區(qū)域稻種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變過(guò)程，建立了衡量稻種分布姿態(tài)的評(píng)價(jià)方法，明確了稻種姿態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律，以及盤(pán)齒疏導(dǎo)的定向效果。

2）室內(nèi)臺(tái)架排種試驗(yàn)表明，適宜常規(guī)稻與雜交稻穴播量的大、小組合型孔的進(jìn)種孔寬度分別為7.0 和5.0 mm，對(duì)應(yīng)排種器的排種合格率Q基本≥90%，漏播率M分別≤3.87%和5.73%，并對(duì)不同的單一振動(dòng)工況均具有較好的適應(yīng)性。在適宜的進(jìn)種孔有效長(zhǎng)度下，不同尺寸稻種的排種合格率Q≥88.80%，漏播率M≤3.60%。各品種排種的種子破損率B≤0.16%。

3）田間播種試驗(yàn)表明，導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器均可滿足常規(guī)稻和雜交稻大田精量旱穴直播的種植要求，其播種常規(guī)稻黃華占時(shí)，合格率Q≥89.33%、漏播率M≤1.60%、重播率R≤9.60%、穴徑平均值44.64～54.83 mm、穴距平均值133.21～144.67 mm；播種雜交稻豐兩優(yōu)3 948 時(shí)，合格率Q≥85.73%、重播率R≤8.27%、漏播率M≤6.53%、空穴率≤1.73%，穴徑平均值39.88～45.59 mm、穴距平均值200.79～205.56 mm。

所設(shè)計(jì)的導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器可通過(guò)大、小組合型孔的切換及其有效進(jìn)種長(zhǎng)度的調(diào)整兼用于常規(guī)稻和雜交稻不同外形尺寸稻種的低損精量穴直播排種。但與稻種外形尺寸對(duì)應(yīng)的最佳進(jìn)種孔有效長(zhǎng)度還有待進(jìn)一步研究。