型孔式排種器的設(shè)計與試驗

陸偉安　黃世明　馮天玉　程捷　郝文斌　王本義

摘要：排種器是水稻直播機的核心部件，其性能直接影響水稻直播機的作業(yè)效果。首先，通過對排種器類型簡述從而選定合適的排種器類型，并對排種器主要參數(shù)進行計算;其次，對排種器在工作過程中產(chǎn)生的受力進行分析;最后，進行臺架試驗，驗證了排種器設(shè)計的合理性。結(jié)果表明，該排種器設(shè)計符合水稻直播機播種農(nóng)藝要求。

關(guān)鍵詞：水稻直播機;排種器;設(shè)計

中圖分類號：S23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2020） 16-0149-04

DOI： 10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.034

水稻直播技術(shù)省去了育秧、移摘等環(huán)節(jié)，是一種水稻輕簡栽培技術(shù)。水稻精量穴直播播種均勻，實現(xiàn)了秧苗成行成穴有序生長，通風(fēng)性好、采光性好，同時省工、省力、省時，節(jié)省秧田，生產(chǎn)效率高，適用性強，便于推廣[1-4]。

排種器是水稻直播機的核心部件[5]，其性能直接決定水稻直播機的播種效果，影響水稻生產(chǎn)效益[6-8]。為滿足水稻機械播種要求，國內(nèi)外學(xué)者對排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了廣泛的研究[9]。本研究設(shè)計與研究的對象是型孔式排種器，利用Solid-Works軟件進行建模，并將三維模型轉(zhuǎn)化為工程圖，便于加工制造，通過對排種工作過程進行受力分析以及臺架試驗，驗證排種器設(shè)計的合理性，為排種器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

1排種器類型

國內(nèi)外有關(guān)水稻精密排種器理論研究達(dá)到了較高的水平，從機械式到氣力式和電磁振動式，均都有成功的機型[10]。在眾多的精密排種器中，機械式排種器由于結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、落種精度高等特點，在實際中應(yīng)用非常廣泛[11]。本研究設(shè)計水稻直播機排種器類型采用機械式排種器型孔式，型孔輪式排種器結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、調(diào)節(jié)方便。機械式排種器試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

2排種器關(guān)鍵參數(shù)

排種器的工作原理是用間距相等的型孔，在種子箱內(nèi)種子群中周而復(fù)始地旋轉(zhuǎn)，掘犖粒種子麩種群中分離并囊出，形成等時距邋均勻種子流[12]。排種性能的關(guān)鍵在型孔的囊種性能，故選擇合適的型孔型式尤為重要。型孔的形狀是確保排種器各項性能的關(guān)鍵[13]。機械式排種器型孔型式經(jīng)歷了圓柱型孔、圓錐型孔、倒角型孔、盆形型孔、前后倒角型孔、多排徑向配置型孔、傾角型孔、帶種環(huán)槽型孔等研究過程。合理地選擇水稻排種器型孔的參數(shù)是保證水稻直播機作業(yè)質(zhì)量的關(guān)鍵。在已有外槽輪理論研究的基礎(chǔ)上，在保證排種輪其他參數(shù)不變的情況下，外槽輪排種器槽輪直徑和型孔長度的變化將會導(dǎo)致排種輪轉(zhuǎn)速ω和有效工作長度L的變化，排種器的各項性能也會因此產(chǎn)生變化。結(jié)合水稻直播機播種農(nóng)藝要求，水稻直播機槽輪直徑d≥30mm，有效工作長度L不小于種子長度的1.5～2.0倍，型孔寬度d為水稻種子長度的1.0～2.0倍，型孔局度H為水稻種子厚度的1.0～3.1倍，否則會影響排種器的性能。本研究所設(shè)計排種器排種輪形狀為圓盆形型孔，排種輪直徑d=56 mm，型孔數(shù)3，型孔寬度D=11 mm，有效工作長度L=30 mm，型孔高度 H=4 mm。研究表明，過高的排種輪轉(zhuǎn)速會降低排種輪的充種性能;轉(zhuǎn)速過低，則排種器漏播率增大、排種不均勻，因此排種輪排量穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速在9～60 r/min。

水稻直播機作業(yè)一定時，排種輪上分布的型孔數(shù)越多，排種輪的線速度就越小，株距就越小，但排種輪上的型孔數(shù)過度會導(dǎo)致排種器的加工難度和增加排種器的尺寸。在保證排種器工作性能的條件下，排種輪應(yīng)設(shè)置數(shù)量合適的型孔，型孔數(shù)的計算公式如下：{S0=2πV0/nωV0=ω0r0

式中，n-型孔數(shù);S0-株距（穴距）;V0-地輪的前進速度;ω0-動力輪工作時的角速度;ω1-排種輪工作時的角速度;r0-動力輪半徑;i-動力輸出軸與排種裝置輸入軸的傳動比。

當(dāng)使用電機帶動排種器播種時，可由式（1）求出型孔數(shù)，根據(jù)農(nóng)藝要求知0.12m

3充種箱設(shè)計

休止角是指重力場中粒子在粉體堆積層的自由斜面上滑動時所受重力和粒子之間摩擦力達(dá)到平衡而處于靜止?fàn)顟B(tài)下測得的最大角，反映了顆粒的內(nèi)摩擦特性和散落性能。當(dāng)物料顆粒自身重力的斜面分力不超過種子間的內(nèi)摩擦力時，則物料顆粒保持靜止;反之則物料顆粒掉落。休止角越大的物料顆粒，內(nèi)摩擦力越大，散落性越小。因此，水稻種子休止角對充種箱的設(shè)計具有重要意義。在總結(jié)前任設(shè)計排種器的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，水稻種子休止角小于35°。本研究設(shè)計取α=38°，β=53°。充種箱示意圖如圖3所示。

4排種器工作過程分析

排種器的排種過程為水稻種子從落種箱落至排種輪，隨著排種輪旋轉(zhuǎn)種子在自身重力下落入型孔內(nèi)，轉(zhuǎn)至清種區(qū)。在清種片作用下，將多余種子清回種箱內(nèi)，種子進入護種區(qū)，在護種片作用下，種子隨著排種輪旋轉(zhuǎn)至投種區(qū)，種子在離心力和自身重力下完成排種過程。本研究主要對排種器工作的兩個階段——充種階段和投種階段進行分析，并尋找出影響排種器排種性能的因素，為對排種器優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

4.1水稻充種受力分析

型孔排種器是水稻直播較為常用的機械式排種器，充種性能一定程度上影響著排種器工作質(zhì)量[9]。為簡化種子在充種區(qū)的受力分析，將種子假設(shè)為圓球體并且排列規(guī)則，種子所受壓力等于其上方所有種子重力的和，側(cè)壓力為零。由排種器工作條件可知，水稻種子在充種過程中除了受到自身重力G外，還受到排種輪對種子的支持力F1、種子間的推擠力F2、排種輪邊界與種子間的摩擦力f1、種子與種子間的內(nèi)摩擦力f2以及離心力Fr。種子在這些力的共同作用下充入排種輪的型孔中，沿排種輪截面切向x和法向y做力系分解，如圖4所示。

建立力學(xué)方程式：

{Fx = max = （F2 + G）sinβ+f1-f2cosβFy = may =（F2+G）cosβ+f2sinβ - Fr - Flf1=μ1F1f2=μ2 F2 （2）Fr = mrω2G = mgω=πn/30

式中，m -水稻種子質(zhì)量，g;β-水稻種子角位移，（°）; r -水稻種子質(zhì)心到排種輪中心距離，m m; ω-種子角速度，rad/s;n-排種輪轉(zhuǎn)速，r/min;μ1-排種輪外壁與種子間的摩擦因數(shù);μ2-種子間摩擦因數(shù)。

整理式（2）可得：

{ax=（F2+ mg）sinβ + μ1F1-μ2F2cosβ/m ay=（F2 + mg） cosβ+μ2F2sinβ- F1/m -（πn/30）2r

（3）

種子質(zhì)心在排種輪截面法向上的位移量h（即型孔深度）與種子法向加速度關(guān)系為：h = 1/2ayt2 （4）

式中，t-種子落入型孔內(nèi)時間，s。

當(dāng)ay<0時，由式（3）和式（4）可知：t =√2hm/F1+mr（πn/30）2+（F2+mg）cosβ-μ2F2sinβ （5）

型孔深度與種子尺寸對應(yīng)，已知型孔深度h與種子最大尺寸lmax和每穴種子粒數(shù)相關(guān)，故其尺寸h為：

3a ≥h≥l （6）

式中，a -種子平均寬度，mm;l -種子平均長度，mm。

為保證種子順利進入到型孔內(nèi)，提高作業(yè)效率，需縮短種子進入型孔的時間t。當(dāng)充種區(qū)夾角β、種子質(zhì)量m、摩擦因素μ2以及r被確定后，由式（4）和式（5）可知，種子進入型孔的時間與排種輪轉(zhuǎn)速n以及種子尺寸相關(guān)。

4.2 種子投種階段受力分析

種子在離開護種區(qū)進行投種時，種子的初速度為V，其在水平方向和豎直方向上的分速度分別為Vx、Vy;種子受到空氣阻力f，其在水平和豎直方向上的分力分別為fx、fy;種子的重力為G;離心力為Fr。受力示意圖如圖5所示。

由圖5可得，種子在離開排種輪后的微分方程： {m=d2x/dt2 = fx -Frsinθ （7）m=d2y/dt2= G + Fr COS θ-fy

假設(shè)空氣阻力忽略不計，此時離開排種輪的種子將做平拋運動。用H表示種子豎直方向上距離田面的垂直距離，S表示種子的位移，則可得：ω=2πnVx=ωr （8）H=1/2gt2S=√（Vx·t）2+H2=√（2πnrt）2+1/4g2t4

由式（8）可知，排種輪的轉(zhuǎn)速、半徑以及排種器與田面的高度是影響種子投種運動位移的因素。

5排種器臺架試驗

對水稻直播機排種器進行臺架試驗，測定并考察樣機的總排量穩(wěn)定性、各行排量一致性、種子破損率、空穴率、排種均勻性以及工作可靠性、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理性等技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。

5.1 評價指標(biāo)

根據(jù)DG/T 083—2017農(nóng)業(yè)機械推廣鑒定大綱，水稻直播機評價指標(biāo)如表1所示。

1） 種子破損率計算。將試驗種子平均分成6份，并將試驗種子進行原始重量、原始破損率稱重，計算百分比。將準(zhǔn)備好的試驗種子充入至水稻直播機的6個排種器中進行試驗，試驗結(jié)束后將試的6份種子測量其種子破損質(zhì)量求出試驗后種子破損率，再減去種子原始破損率即可得到機具作業(yè)生產(chǎn)時的種子破損率。

2） 穴粒數(shù)合格率與空穴率。合格率與空穴率計算公式如式（9）所示。mk{K = /M×100% （9）S=Zs/M× 100%

式中，K-為空穴率;mk-為空穴數(shù);M-為總測定穴數(shù);Zs-為粒數(shù)合格的總穴數(shù)。

5.2 結(jié)果分析

5.2.1 穴距一致性 為驗證水稻直播機穴距的合理性，選取3種穴距進行驗證。播種作業(yè)完成后，隨機選取一段測定連續(xù)5穴之間的距離，測定3組。將測量值取平均值與理論值進行比較求出差值，計算兩者之間的誤差，以此驗證排種器設(shè)計的合理性（表2）。由表2可知，3種播種穴距試驗測得值與理論值誤差在6%以內(nèi)，表明水稻直播機穴距符合水稻直播農(nóng)藝要求，設(shè)計合理。

5.2.2 種子破損率 由于實地試驗和田間試驗，播種后種子不易收集，且收集后的種子存在較多雜質(zhì)，容易對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的影響。因此，對種子的破損率進行臺架試驗檢測。測定時間為120 s，傳送帶轉(zhuǎn)速為35 r/min，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。水稻直播機種子破損率評價值指標(biāo)<1.5%，由表3可知，2種清種裝置的排種試驗所求的的種子破損率均小于水稻直播機種子破損率評價指標(biāo)。隨著排種器排種輪轉(zhuǎn)速的增加，種子的破損率也隨之增大。雖然尼龍塑料清種片的破損率符合農(nóng)藝要求，但尼龍塑料清種片存在漏重現(xiàn)象，容易造成重播現(xiàn)象，且不易加工，因此，在實際生產(chǎn)過程中，清種裝置一般選用軟毛刷作為清種毛刷。

6小結(jié)

通過對排種器類型的選擇及主要參數(shù)計算，設(shè)計出一款型孔式排種器。試驗表明，該排種器的排種性能均在評價指標(biāo)范圍內(nèi)，排種器結(jié)構(gòu)設(shè)計較合理，雖滿足水稻直播機農(nóng)藝要求，但在實際的作業(yè)生產(chǎn)過程中，該排種器仍有很多地方需要改進。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭一平，花有清，倪兆榮.水稻直播機的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].農(nóng)機化研究，2004（4）： 19-20.

[2]肖體瓊.精少量水稻直播機排種器的設(shè)計與試驗研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.

[3]羅錫文.水稻機械直播的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[A].中同農(nóng)業(yè)工程學(xué)會.農(nóng)業(yè)工程科技創(chuàng)新與建設(shè)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)——2005年中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會論文集第一分冊[C].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會，2005：230-232.

[4]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(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24（ 12）： 52-56.

[5]田波平，廖慶喜，黃海東，等.2BFQ-6型油菜精量聯(lián)合直播機的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2008（10） ：211-213.

[6]楊堅，楊望，王高峰，等.電磁振動式拌漿育秧水稻芽種播種機優(yōu)化試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（6）：32-38.

[7]王洋，張祖立，張亞雙，等.國內(nèi)外水稻直播種植發(fā)展概況[J].農(nóng)機化研究，2007（1 ）：48-50.

[8]王在滿，羅錫文，唐湘如，等.基于農(nóng)機與農(nóng)藝相結(jié)合的水稻精量穴直播技術(shù)及機具[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，31（1）：91-95.

[9]夏俊芳，許綺川，王志山，等.2BFS-8型水稻芽種播種施肥機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（10）：44-47.

[10]曾山，湯海濤，羅錫文，等.同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28（20）：12-19.

[11]張國忠，臧英，羅錫文，等.粳稻穴播排種器直線型攪種裝置設(shè)計及排種精度試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30（17）-9.

[12]SINGH R C， SINGH G， SARAS WAT D C. Optimisation of designand operational parameters of a pneumatic seed metering devicefor planting cottonseeds [J]. Biosystems engineering，2005，92（4）：429-438.

[13]翟建波，夏俊芳，周俊華，等.氣力式水稻芽種精量旱直播機的設(shè)計與試驗[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017，36（ 1）： 110-116.

收稿日期：2020-03-16

作者簡介：陸偉安（ 1988-），男，廣西貴港人，在讀碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)設(shè)備，（電話）17878125968（電子信箱）2273060723@qq.com;通信作者，黃世明（1964-），男，湖南汩羅人，高級工程師，主要從事先進制造工藝與設(shè)備研究，（電話）13607160835（電子信箱）2028287129@qq.com。