播量無級調節水稻精量排種裝置設計與試驗

王在滿，黃逸春，王寶龍，張明華，馬曰鑫，可欣榮，羅錫文

（華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642）

0 引 言

水稻是中國的主要糧食作物之一，近年來，隨著水稻品種選育、配套農藝和機械化技術的不斷進步，水稻機械化直播技術發展迅速。相比于傳統移栽技術，機械直播節省了育秧和插秧環節，節本增效，可有效降低勞動強度，逐漸被越來越多農戶所接受[1-4]。

歐美、澳大利亞等發達國家的水稻種植以機械直播為主并實現了全程機械化[5-6]。中國水稻生產機械化總體水平不高，其中水稻機械化種植是水稻生產全程機械化最薄弱環節[7]，2016年水稻機械化種植水平僅約為44.45%，嚴重制約了水稻生產機械化的發展。華南農業大學基于農機與農藝相結合，研制成功了同步開溝起壟水稻精量穴直播機[8-11]。

排種器是水稻直播機的核心部件，主要有氣力式和機械式2種。氣力式排種器具有種子適應性強、傷種小等優點，適合精少量的精密播種，但是結構復雜，技術和成本要求高；機械式排種器通過種子自重充種和排種[12-13]，結構簡單、故障率低，適合中等播量或大播量的精量播種。

適宜播種量控制是水稻機械化直播技術應用的關鍵要點。在不同地區、茬口、品種、氣候和管理習慣等水稻種植條件下，播種量差異很大[14-16]。目前常用的機械式排種器多采用型孔式或外槽輪式，通過改變型孔、槽輪尺寸或穴距進而實現對播量的控制[17]。日本水稻直播機排種器[18]一般采用外槽輪式排種器，并采用滑塊橫向調節槽寬尺寸控制播量，主要適用于播量較大和短粒型的稻種（如粳稻）。華南農業大學根據常規稻品種和部分雜交稻品種播種量30～75 kg/hm2的播量要求，發明了一種播量可調的組合型孔排種器[19]，采用“瓢形型孔+雙充種室”充種方式[20]和彈性隨動護種方式，實現了在同一臺機器上有 2檔播量快速調節，適用于長粒型和短粒型稻種的精量播種。

目前常用的水稻精量直播排種器存在稻種適應性和作業效率問題[21]，播量可調外槽輪式排種器[22]雖可實現播量調節，但仍需要通過停止機器作業后人工調節，播量調節難以精準控制。播量可調組合型孔式排種器播量采用人工方式預先調節型孔大小，播量調節前必須停機，采用調節扳手完成 2種型孔的相互轉換后才能進行播種作業，而且無法實現連續調節[19]。

常規稻和雜交稻品種的播種量差異較大，長粒型秈稻和短粒型粳稻的種子外形尺寸差異大。根據不同水稻品種的物理特性和種植特點，現有的排種器難以同時滿足不同品種的播量要求，因此，本文設計了一種基于單片機控制的播量無級調節水稻精量穴直播排種裝置，即在播量可調組合型孔式排種器的基礎上，設計了無級調節型孔結構，重點對型孔大小進行了理論計算和分析，擬改善排種器的播量調節精度，提高排種器的適應性和作業效率。

1 播量無級調節水稻排種裝置

1.1 總體結構

播量無級調節型孔式排種器由排種器殼體、排種輪、清種機構、護種機構和電機控制系統組成，如圖1a所示。排種輪通過傳動軸驅動使種子進入排種輪圓周上的型孔，排種輪主要由排種輪外輪、排種輪內輪、步進電機、電池、限位開關等零部件組成，如圖1b所示；清種毛刷位于排種輪的上方，與排種輪同步轉動以清除型孔上方多余的種子；護種機構由護種帶和支架組成，與排種輪貼合安裝，使種子在排種前不會從型孔中掉出。

圖1 排種器結構示意圖Fig.1 Structure diagram of metering device

1.2 工作原理

播量無級調節型孔式排種裝置工作時，通過電機控制排種輪轉動，此時充種室的種子不斷進入排種輪的型孔內，清種毛刷清除型孔上方多余的種子；彈性護種帶將種子護送到排種管出口，型孔內的種子因自身重力而掉落[23]，從而實現種子的定量間歇性排種。

排種器的型孔由內輪型孔和外輪型孔組成。排種器的外輪上固定安裝了步進電機，電機軸上有小齒輪；內輪內圈上設置了與小齒輪配合的內齒圈，并與外輪同軸安裝；控制系統可控制步進電機的正反轉，經齒輪傳動調節內輪與外輪的相對角度，從而改變外輪型孔和內輪型孔之間的容積，實現播量無級調節。排種輪內輪上安裝了擋塊和限位開關，限位開關能夠限制型孔調節范圍。為了避免在工作過程中排種輪內輪與外輪發生相對轉動而影響播量調節精度，采用帶有自鎖功能的步進電機，調節完畢時可自動鎖定排種輪內輪，以固定內輪和外輪的相對角度。采用STM32F103輸入定量脈沖控制步進電機轉動的角度，控制電路由排種輪內部鋰電池供電，結構緊湊，調節效果好。

2 排種輪機構設計

2.1 稻種物理特性分析

稻種的物理特性直接影響排種器充種性能，本文分別選用4種有代表性的水稻品種，進行特性分析和試驗，為排種器播量調節機構提供設計依據，包括常規粳稻秀水 134、雜交粳稻花優 14、常規秈稻黃華占和雜交秈稻晶兩優1212。測定參數和方法如下：

1）測定種子三軸尺寸：每個品種選取飽滿無損的種子50粒，選用精度為0.02 mm的游標卡尺對種子的長軸、短軸和厚度方向進行測量并取平均值。

2）測定含水率：選用若干飽滿種子放至 GMK-303水分測量儀的托盤，對種子的水分進行測量，重復 3次取平均值。

3）測定千粒質量：選用 BAXIT全自動數粒儀隨機挑選1 000粒種子，采用精度為0.001 g的AR423CN電子天平對千粒種子進行質量稱量，取平均值。

4）測定種子體積：采用去鹽法，隨機挑選500粒種子倒入50 mL的燒杯，加入一定量的鹽使燒杯內的混合物達到一定體積，用燒杯體積減去鹽的體積得到 500粒種子的體積，重復 3次取平均值，稻種物理特性如表 1所示。

2.2 型孔參數與播種量的關系

1）無級調節型孔結構設計

無級調節型孔由外輪和內輪圓周上的型孔組成，根據高速攝影分析結果可知[24]，稻種進入充種室后沿限種板下端缺口向下流入型孔，在進入型孔的過程中稻種主要存在豎立、斜立和平躺3種姿態，稻種首先是以豎立或者斜立姿態充入型孔中，其余稻種再以平躺姿態填充到型孔上部，豎立或者斜立可減少卡種現象。本文設計的排種輪采用瓢形型孔式，根據羅錫文等[25]研究可知，與圓柱形、勺形型孔相比，瓢形型孔的充種效果最好。瓢形型孔的小端半徑為R1，大端半徑為R2，型孔的外邊緣設計了引種倒角（斜線陰影部分），有利于種子進入型孔，引種倒角均勻分布在型孔圓周邊緣，有效長度c=3 mm，有效深度h=2 mm，方形陰影部分為型孔內輪表面，如圖2所示。

表1 水稻的物理特性Table 1 Material characteristic of seed

圖2 型孔容積調節范圍Fig.2 Adjusting range of hole-type volume

因為型孔調節時型孔的大端為了使稻種能夠順利進入型孔，最小充種型孔大端半徑（R2）應至少比選取試驗的稻種的最大長軸 lmax大 10%[26]。由于粳稻粒短寬厚，橫斷面近圓形，而秈稻粒長扁平，所以粳稻在相同型孔的播量大于秈稻，對型孔小端半徑（R1）設計以粳稻的長軸l作為研究依據。由表1列舉南方地區常用品種的物理特性可知，粳稻種子的最大長軸尺寸為7.87 mm，秈稻種子的最大長軸尺寸為9.40 mm，型孔的大小端半徑分別按式（1）～（2）計算。

式中l1為粳稻最大長軸，l2為秈稻最大長軸。

代入式（1）和式（2）可得，R1≥4.2 mm，R2≥5.2 mm此處型孔設計取R1=4.2 mm，R2=5.2 mm。建立SolidWorks模型經測量（圖2），d1=9.4 mm、d3=9 mm、d2=10 mm、d4=10.4 mm。

當播量n=3±1時，稻種從充種室進入型孔出現2粒種子平躺、1粒種子豎立的概率最大[27]。因此型孔的長軸尺寸L（從L1到L3的變化過程）的調節量計算如式（3）。

式中L為型孔長軸，mm；l3為稻種最小長軸，mm；Bmax為種子最大寬度，mm。

根據式（3）和表1花優14厚度Bmax，2.14mm，長軸尺寸，7.06 mm。可知型孔最小長軸小型孔長軸L1=9.2 mm。為滿足 10粒最大播量和同一平面上稻種排列的隨機性，最大型孔的長軸要滿足秀水134長軸尺寸的2倍，則大型孔長軸L3=15.6 mm。取中等型孔長軸尺寸L2=12.4 mm。型孔長軸與電機轉動角關系見式（4）。

式中 θ為排種內輪型孔和外輪型孔中心夾角，(°)；R0為排種輪外輪半徑，mm；k1為型孔長軸與排種輪內外輪夾角轉換系數。

代入數據可知k1=1.8，通過調節排種內輪型孔和外輪型孔中心夾角，改變型孔長軸尺寸，實現播量調節。

型孔最大截面和容積是排種輪充種量和排種器最終播量的主要影響因素，本文基于SolidWorks軟件建立三維模型，采用分割法將合成型孔從模型中分離出來，在評估-質量屬性選項生成質心，從屬性參數中對型孔截面（圖 3）和容積參數進行測量和計算，具體數據如表 2所示。

圖3 型孔最大截面Fig.3 Maximum section of type-hole

表2 型孔截面和容積參數Table 2 Parameter of area and volume of type-hole

2）無級調節型孔深度

型孔形狀選取的是瓢形型孔，稻種進入型孔時先接觸瓢形孔的小端圓弧。當型孔長軸調節至最大型孔時，稻種在充種室快速進入型孔時多以豎立或斜立姿態充入型孔后，在重力作用下，滑入型孔底部，最終以平躺和斜立的姿態留在型孔內，此時與普通型孔的充種方式相同。為了滿足每穴播種量在 3～10粒之間無級可調，需控制充種穴粒數，穴粒數由每層充種粒數和層數決定（式（5））。

式中m為每層充種粒數；d為型孔最大寬度d2和最小寬度d3的平均值，9.5 mm；Dmax為試驗種子的最大短軸尺寸，3.17 mm。

由式（5）可得出每層充種粒數m=3。

根據實際作業需求，粳稻品種平均播量可達10粒。小型孔的深度為大型孔深度與排種輪外輪槽孔壁厚之差，排種輪外輪槽孔壁厚b=0.5 mm；由式（6）可知[24]

式中T為型孔深度，mm；M為穴粒數，10粒；m為每層充種粒數，3粒；Bmax為試驗種子的最大厚度，2.3 mm。

根據式（6）可知大型孔的深度T1=7.5 mm；小型孔的深度 T2=T1–b=7 mm；有效型孔深度 t1=T1–h=5 mm，t2=T2–h=4.5 mm。

當調節至最小型孔時，此時種子的長度大于底部的長軸尺寸，種子以豎立或斜立姿態充入型孔后，由于型孔尺寸的限制，不能滑入底部。由于型孔壁的支撐，種子保持斜立的姿態容納于型孔中，如圖 4所示。此時，要求種子不能高出型孔，否則種子會受到護種帶的擠壓，造成傷種率提高，護種帶的壽命降低。根據種子和型孔之間的位置關系，采用式（7）對式（6）得出的型孔深度T進行驗證。要求式（7）得出的型孔深度應略小于式（6）得出的型孔深度，即TT′＜為合格。

式中T′為型孔深度，mm；α為種子在型孔內的傾斜角，(°)；lmax為種子的最大長軸尺寸，9.4 mm；L1為最小型孔的長軸尺寸，9.2 mm；T為式（6）得出的型孔深度，7 mm。

由式（8）得出，θ為 37.2°，代入式（7）得出型孔的深度為T′=5.7 mm＜ T=7 mm，型孔深度T設計合理。

圖4 稻種充入最小型孔的姿態Fig.4 Attitude of rice seed filled into minimum type-hole

式中n′為型孔數量；vm為作業速度，m/s；p為穴距，m；ωm為排種輪角速度，rad/s。

該排種器作業動力由乘坐式插秧機提供，目前直播機田間作業最高前進速度約vm=1.2 m/s；播種穴距10～25 cm可調，根據農藝要求可知，機械穴播的常用穴距為12～18 cm[28]；型孔式排種器的最高設計轉速約75 r/min，即排種輪最高角速度約 7.85 rad/s。由式（9）可得 n′=8可滿足實際播種要求。

2.3 無級調節排種輪結構設計

播量無級調節排種輪的結構（圖5）主要包括型孔輪內輪和外輪、兩個步進電機、鋰電池、限位開關、擋塊、電路板和藍牙模塊組成。

圖 5為排種輪外輪，作為排種輪的殼體，與排種輪內輪嵌套配合，排種輪外輪結構設計包括外形尺寸及厚度、型孔槽孔、電機支架等。

圖5 排種內外輪結構Fig.5 Main structure of seed metering wheel

排種輪安裝在排種器殼體內，保證加工精度優先選用采用基孔制。排種輪外輪的內徑Φ106 mm，考慮到排種輪內輪的外徑應小于排種輪外輪的內徑，采用基孔制公差配合，公差帶基本偏差采用H9/d9（優先配合，d級，適用于松的轉動配合），查表優先配合種軸的極限偏差可知基本尺寸在100～120 mm的范圍內d級的公差范圍是–120～–207 μm，選擇公差 200 μm[29]。設計排種輪內輪外徑105.8 mm，內徑92 mm，保證排種輪能夠順利完成型孔的調節。

排種輪內輪內徑邊緣裝有內齒輪，齒數為105，模數0.7。在排種輪外輪內部兩側安裝步進電機，通過電機轉動改變排種輪外輪和排種輪內輪的相對位置，從而改變型孔容積的大小。選用型號為GM12-15BY電機，輸出扭矩0.12 N·m，步距角度為0.03°，性能穩定，可實現正反轉。電機齒輪模數0.7，齒數為15，轉速10 r/min，與內齒輪傳動比為1∶7，最大相對角度為7°。

3 無級調節控制系統

播種量主要由排種輪型孔大小所決定，無級調節控制系統的控制原理如圖6所示：在手機端根據不同品種、地區和播種要求設置初始播量，通信設備通過藍牙控制電機實現轉動，因為步進電機空轉驅動頻率為1 000 Hz，即每秒輸出1 000個脈沖，即轉動的角度為30°，電機齒輪最大轉動角度為 70°，步距角為 0.03°，需要輸出脈沖數量為2 300個，則最小型孔轉化最大型孔所需理論時間為2.3 s，實際測試的時間為2.85 s。所以輸入定量脈沖可調整電機轉動角度，從而調整型孔大小。當作業的播量需要再次調整時，控制系統則會根據反饋信息再次調節型孔的大小，實現播量可調的無級可調，滿足作業需求。

無級調節控制系統電路結構選用 STM32F103C8T6作為主控制器，鋰電池供電，通過藍牙通信控制步進電機精準轉動，改變排種輪外輪和排種輪內輪的相對位置，從而調節型孔容積大小。在排種輪外輪內裝限位開關，保證排種輪內輪不會偏轉出型孔需求范圍。選用Hc05藍牙模塊，克服有線傳輸的不足。選用電源的供電電壓11.1 V，容量550 mA·h，能夠滿足電機正常工作需求。

圖6 排種器控制系統流程圖Fig.6 Control process diagram of rice metering device

4 性能試驗與結果分析

為檢驗播量無級調節排種裝置的工作性能，在華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室的計算機視覺排種器試驗臺進行臺架性能試驗[28]。本文研究的排種器可在最大播量和最小播量之間實現無級調節，重點試驗分析水稻品種類型、型孔大小和排種輪轉速 3個因素下排種裝置的平均穴粒數的變化趨勢以及對變異系數的影響。

4.1 試驗材料與儀器設備

1）試驗儀器：霍爾轉速記錄儀（量程范圍：5～200 r/min，分度值：0.1 r/min）；電子天平（型號：AR423CN，量程：420 g，精度：0.001 g）；游標卡尺（精度：0.02 mm）。

2）試驗設備：計算機視覺排種器試驗臺，型號：JPS-12（如圖7所示），排種軸轉速為15～120 r/min；輸送帶速度為1.5～12 km/h。

圖7 計算機視覺排種器試驗臺Fig.7 Test-bed of metering device based on computer vision

3）試驗品種：試驗選取的稻種為秀水 134（常規粳稻）、花優 14（雜交粳稻）、黃華占（常規秈稻）和晶兩優1212（雜交秈稻）。

4.2 試驗方法

由于目前水稻精量穴直播技術尚未有試驗標準，根據水稻機械化直播實際生產的播種量技術要求，一般情況下，粳稻品種平均每穴粒數為 5～10粒，秈稻品種平均每穴粒數為3～8粒。

平均穴粒數、合格率和變異系數是評價排種器性能的重要指標，若試驗結果由于穴粒數整體偏大或者偏小而引起的合格率降低時，本文研究的播量無級調節型孔式排種器可以通過調節型孔大小來提高合格率，此時合格率并不能反映該排種器的排種性能；若由于播量不均勻（播量既有偏大又有偏小）而引起合格率降低，則直接影響標準差和變異系數，此時變異系數即可評價其播種性能。因此，本文主要以平均穴粒數和變異系數為試驗指標，對該排種器的播種性能進行評價。

試驗因素主要包括水稻品種、型孔長軸（用于表示型孔容積大小）和排種輪轉速，型孔長軸分別為9.2、12.4、15.6 mm；排種輪轉速分別是30、40、50和60 r/min；品種分別是秀水134、花優14、黃華占和晶兩優1212。試驗調查每穴排種粒數，每次試驗統計250穴，重復3次，以平均穴粒數和變異系數作為試驗分析考核指標。

4.3 播量無級調節排種器性能試驗結果

表 3為播量無級調節排種器性能試驗結果可知，調至最小型孔時，粳稻每穴播量為 4.99～7.02粒，秈稻每穴播量為 3.36～5.58粒；調至中間型孔時，粳稻每穴播量為6.45～8.02粒，秈稻每穴播量為3.49～6.70粒；調至最大型孔時，粳稻每穴播量為 8.20～9.70粒，秈稻每穴播量為 4.77～8.36粒。可見，型孔容積調節變化時，每穴排種粒數變化趨勢明顯，從而能達到播量無級調節的效果。

通過Matlab得到轉速、型孔長軸對不同品種平均穴粒數影響的曲面圖[30]（圖8），秀水134和花優14為粳稻品種，兩者每穴播量分布相近，黃華占和晶兩優1212優為秈稻品種，兩者每穴播量相近；粳稻的播量范圍大于秈稻范圍，粳稻變異系數低于秈稻，成穴的均勻性更佳。

在其他條件不變時，每穴播量會隨排種輪轉速的升高而減小，當型孔長軸變大即型孔容積增大時，播量增加。小型孔的播種量變異系數明顯略高于中型孔和大型孔，對粳稻品種而言，每穴播量為 5～10粒的變異系數在15%～20%之間，具有較好的適應性；對于秈稻品種而言，每穴播量為3～8粒時，小型孔的變異系數較高，平均達到30%以上，而中型孔和大型孔的變異系數在 25%左右。當秈稻在小型孔和轉速高于40 r/min時，平均播量3～4粒，能夠滿足穴播量為3粒的設計要求的最小值。當粳稻在大型孔低轉速時，每穴平均播量可達9.7粒。在同等型孔容積大小條件下，秈稻品種的每穴播量比粳稻品種減少2～3粒。可見，該排種裝置可滿足不同品種每穴播種量3～10粒的設計目標。

對表3穴粒數的試驗結果的極差分析[31]顯示（表4），由表 4可知，對平均穴粒數的影響主次關系分別為型孔長軸＞水稻品種＞排種輪轉速。

表3 穴粒數性能試驗結果Table 3 Experiment results of seeds number per hole

圖8 轉速和型孔長軸對穴粒數曲面圖Fig.8 Surface diagram of seeding amount depend on long axis of type-hole and rotating rate

表4 平均穴粒數的極差分析Table 4 Range analysis of average seeds number per hole

5 結 論

為了改善水稻精量穴直播排種器的適應性和成穴性，本文設計了一種基于單片機控制步進電機的播量無級調節水稻精量穴直播排種裝置，在播量可調組合型孔式排種器的基礎上，設計了無級調節型孔結構，型孔的容積調節范圍271.91～485.79 mm3，以瓢形形狀可變容積型孔設計的排種輪為主體，在排種輪內部安裝步進電機和控制電路，實現每穴播量在3～10粒范圍內無級調節，調節范圍較大，可滿足不同水稻品種的不同播種量要求。

1）采用播量無級調節排種裝置，粳稻每穴播種量為5～10粒，變異系數在15%～20%；秈稻每穴播種量為3～8粒，秈稻小型孔變異系數大于30%，而在調大型孔后的播種量變異系數約 25%。型孔容積調節變化時，每穴排種粒數變化趨勢明顯，從而能達到播量無級調節的效果。

2）不同水稻品種、排種輪轉速和型孔容積對播量影響主次為型孔容積、水稻品種和排種輪轉速。播量會隨排種輪轉速的升高而減小，當型孔容積增大時，播量成線性增加。粳稻的播量范圍大于秈稻范圍，粳稻變異系數低于秈稻，成穴的均勻性更佳。

3）水稻精量穴直播技術是水稻種植機械化的重要發展方向，由于不同品種和不同種植條件下要求不同的播種量，因此，精準控制播種量是水稻機械化直播技術應用的關鍵要點。本文對播量無級調節水稻精量排種裝置進行了結構設計和性能試驗研究，初步研究出一種適用水稻精量直播的無級調節排種器結構，下一步還需進一步對整機結構進行優化設計，并進行樣機性能考核及田間試驗，最終研發一種播量無級調節水稻精量穴直播機具，為實現水稻直播機智能作業打下基礎。

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