水稻穴直播排種器排種機理分析與試驗

應鴻烈　田立權

摘 要：為直觀準確地觀察排種器的工作特性以及拋種勺投種過程中水稻芽種的運動狀態，選擇壓縮旋轉勺取種、重力清種、轉動遞種以及離心力拋種等方式，設計出一種水稻旋轉壓縮勺式精量穴直播排種器。通過對旋轉壓縮勺、導種輪工作過程分析，確定排種器關鍵部件結構參數。以中嘉優9號水稻芽種為播種對象，采用2因素5水平旋轉組合試驗設計方法，利用JPS-12排種器檢測試驗臺，分析了容種高度與壓縮旋轉勺的轉速對排種性能的影響，并采用實驗設計軟件Design-Expert對試驗數據進行分析。試驗結果表明：旋轉壓縮勺轉速為45r·min-1，容種高度為排種盤半徑50mm時，排種合格率為97.13%，重播率為1.9%，漏播率為0.97%。該研究為旋轉壓縮勺式水稻精量穴直播排種器的設計提供依據，并為整機設計提供參考。

關鍵詞：排種器;壓縮旋轉勺;精量穴直播;試驗

中圖分類號：S22

文獻標識碼：A

引言

水稻精量穴直播技術是通過定量播種、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量的直播技術[1]。固定穴距和控制穴徑可以保證水稻有序地種植，使水稻田間的通風采光條件更好，對水稻的根系生長、根系結構的改善以及禾苗抗倒伏能力的增強都有很好的促進作用，因此精準的穴距和穴徑控制是保證精量穴直播作業質量的關鍵技術之一[2，3]。

國內外一些學者對排種器投種過程進行了研究。Karayel等[4]利用高速攝像技術，對投種時種子下落時的位置進行記錄，進而通過計算得到作物株距信息。羅錫文等[5]依據谷物清選原理，研制拋擲成穴式排種器，并進行排種和成穴試驗。王在滿等[5，6]利用高速攝像技術對型孔輪式排種器的投種軌跡進行研究，為提高投種成穴性對排種管進行了優化設計。陶桂香等[7]建立了稻種投種過程的動力學模型，對缽盤精量播種裝置的投種過程進行了理論分析，并利用高速攝像技術對投種過程進行記錄，得到稻種速度與位移變化間的規律。袁月明等[8]采用高速攝像技術拍攝排種器的工作過程，分析排種均勻性與吸附在種盤上稻種不同姿態之間的關系，為完善排種器設計提供依據。劉文忠等[9]建立了種子運動方程，對投種過程中種子的運動進行理論分析。劉宏新等[10]采用高速攝像技術與離散元仿真軟件EDEM相結合的方式，對種子在排種器內的運動狀態及投種過程進行研究，為修正排種器相關結構參數提供了參考。陳學庚等[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，設計了一種帶式導種裝置，提高了播種質量。余佳佳等[12]結合高速攝像技術和圖像處理技術對氣力式油菜排種器投種軌跡進行了研究，采用目標追蹤技術提取油菜籽的實際投種軌跡曲線，為提高排種的穩定性和均勻性提供依據。以上學者的研究為投種過程分析均提供了依據，但利用高速攝像技術和離散元仿真技術對彈射式排種器投種過程的研究未見報道。

本文在已有研究的基礎上，將高速攝像技術與EDEM仿真技術相結合，以彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器（下文簡稱排種器）拋種勺為研究對象，建立耳勺投種模型，并對投種過程進行觀察和仿真分析，歸納投種軌跡分布，研究水稻芽種在投種過程中的運動規律，并進行田間驗證試驗，為提高取種耳勺投種精度和成穴性，優化排種器設計提供依據。

1 排種器結構與工作原理

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

作業時，機具通過鏈條將動力傳遞至轉動軸8，轉動軸帶動連接板6如圖1所示方向順時針旋轉，連接板帶動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，同時隨連接板繼續轉動脫離籽粒堆，完成舀種作業[13];耳勺轉離籽粒堆后，進入清種區，在重力作用下耳勺內非穩定狀態的芽種回落籽粒堆，完成清種過程;拋種耳勺轉入導種區并與壓縮輥1接觸，壓縮輥帶動拋種耳勺，促使動力簧5的側端轉動，發生變形存儲角動能并產生旋轉力，使耳勺貼緊壓縮輥，起到導種、護種的作用;在投種區，耳勺在連接板帶動下脫開與壓縮輥的接觸，動力簧復位釋放角動能，產生旋轉力帶動拋種耳勺繞定位軸9順時針旋轉并與定位桿4碰撞，從而將耳勺內的芽種彈射進入拋種管7內，投落至水田田面完成投種作業。

3.2 分析

為探究各因素之間的交互作用對排種性能的影響，采用二次旋轉組合正交設計試驗方案，試驗因素包括排種器的工作轉速和容種高度，性能指標為排種合格率、重播率和漏播率，進行多因素試驗，研究排種器的最佳性能工作參數。表1所示為各因素水平編碼，在試驗過程中，連續記錄排種器排種數據，每250次為1組，記錄3組，取每組數據處理后的平均值作為最終試驗結果。

試驗方案與試驗結果如表2所示，通過實驗設計軟件Design-Expert分析所得的試驗數據，篩選出較為顯著的影響因素;通過軟件分析得到響應曲面，如圖5所示，直觀地反映了分析試驗指標與各因素之間的關系。

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

4 結論

本文設計了一種壓縮勺式水稻精量機械穴直播排種器，分析其工作原理，對關鍵部件的結構參數進行優化設計，滿足精量穴直播作業要求。

以壓縮勺轉速、容種高度為自變量，排種合格率、重播率及漏播率為目標函數，進行二次旋轉組合正交設計試驗，確定了壓縮勺式水稻精量穴直播排種器的工作及結構參數與排種器性能指標的關系。

運用實驗設計軟件Design-Expert分析試驗結果，對回歸模型進行優化，得出壓縮勺轉速為45r·min-1，容種高度為充種蓋半徑50mm時，排種合格率為97.13%，重播率為1.9%，漏播率為0.97%。

參考文獻

[1]?羅錫文，劉濤，蔣恩臣，等.水稻精量穴直播排種輪的設計與試驗[J].農業工程學報，2007，23（03）：108-112.

[2]羅錫文，蔣恩臣，王在滿，等.開溝起壟式水稻精量穴直播機的研制[J].農業工程學報，2008，24（12）：52-56.

[3]黃凰.南方雙季稻區水稻機械化生產工程模式研究[D].北京：中國農業大學，2014.

[4]Karayela D， Wiesehoffb M， zmerzia A， et al. Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-speed camera system[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2006， 50（02）： 89-96.

[5]王在滿，羅錫文，黃世醒，等.型孔式水稻排種輪充種過程的高速攝像分析[J].農業機械學報，2009，40（12）：56-61.

[6]王在滿，楊文武，蔣恩臣，等.型孔輪式水稻排種器排種機構的優化設計[J].農機化研究，2010，32（08）：16-19.

[7]陶桂香，衣淑娟，毛欣，等.水稻植質缽盤精量播種裝置投種過程的動力學分析[J].農業工程學報，2013，29（21）：33-39.

[8]袁月明，馬旭，朱艷華，等.基于高速攝像技術的氣吸式排種器投種過程的分析[J].吉林農業大學學報，2008，30（04）：617-620.

[9]劉文忠，趙滿全，王文明，等.氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗[J].農業工程學報，2010，29（06）：133-138.

[10]劉宏新，徐曉萌，劉俊孝，等.利用高速攝像及仿真分析立式淺盆型排種器工作特性[J].農業工程學報，2016，32（02）：13-19.

[11]陳學庚，鐘陸明.氣吸式排種器帶式導種裝置的設計與試驗[J].農業工程學報，2012，28（22）：8-14.

[12]余佳佳，丁幼春，廖宜濤，等.基于高速攝像的氣力式油菜精量排種器投種軌跡分析[J].華中農業大學學報，2014，33（03）：103-108.

[13]田立權.彈射式耳勺型水稻芽種播種裝置機理分析與試驗研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2017.

（責任編輯 常陽陽）