攪種型孔式水稻穴播排種器的性能模擬與試驗

唐楠銳， 周勇， 張國忠， 梁方， 柯燴彬

（華中農業大學工學院，農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

在水稻直播技術中，排種器是撒播種子的關鍵部件，其性能直接影響水稻播種效果和產量。水稻種子經浸種催芽處理后,含水率增加、體形脹大、種皮表面摩擦系數增大，致使其在排種器充種區內流動性降低、充種困難、催芽稻種損傷率高、排種器排種性能下降，因此，改善充種區種子流動性成為當前水稻精量直播技術研究中亟待解決的難題之一[1]。羅錫文等[2]設計了一種瓢形型孔水稻精量穴播排種器，并應用可拆式柔性隨動護種裝置，大幅減小了護種過程中種子受力，降低了種子破損率。張國忠等[3]設計了由2個攪種齒組成的導向型攪種裝置，通過攪種齒對充種區種子的攪動作用增加了充種區種子的流動性。張翔等[4]在排種盤上增加凸臺，用于對充種區種子進行攪種，增加種子流動性，提高了排種器的播種性能。上述研究為解決充種區種子流動性不佳、型孔式排種器充種效果不理想、種子破損率較高等問題提供了重要借鑒，但通過改進排種器型孔結構以達到提高排種質量的方法仍待深入研究。

近年來，隨著計算機技術的發展，EDEM已成為研究農業物料與機器零部件間相對運動關系和受力的主要方法之一，并已得到較廣泛應用。廖慶喜等[5]利用EDEM軟件對離心式排種器工作過程進行了仿真分析，確定了離散元法分析離心式排種器性能的可行性。張濤等[6]利用EDEM軟件研究了排種器排種室內玉米種群運動規律，分析了田間振動工況對排種器內玉米種群運動的影響規律。

針對充種區種子流動性差、充種困難問題，本文設計了一種具有輔助充種攪種的雙腔水稻精量穴播排種器。該排種器在充種區利用凸于排種盤外的攪種型孔對充種區種子進行擾動，增加種子的流動性；在攪種型孔首段設置攪種板，引導種子流向并輔助充種。為闡明攪種型孔對該排種器中稻種的運移規律，運用EDEM仿真軟件對其過程進行了仿真，并以攪種型孔深度、排種盤轉速和充種區種層高度為試驗因素，對排種性能進行了臺架試驗，并為攪種型孔式排種器性能優化提供參考。

1 材料與方法

1.1 排種器結構及工作原理

攪種型孔式水稻穴播排種器結構主要由種箱、種刷、排種盤、左右殼體、導種管、護種槽、排種軸等組成，如圖1所示。

圖1 排種器結構Fig.1 Structure of seed metering device

排種器工作原理如圖2所示，隨著排種盤回轉，攪種型孔依次經過充種區、清種區、護種區和投種區。首先，分布在排種盤面上的攪種型孔將種子囊入型孔內，實現充種，并由清種毛刷進行清種；隨后，充有種子的攪種型孔進入護種槽實現護種；到達投種區后，攪種型孔脫離護種槽，種子依靠自重從攪種型孔底端面落入投種嘴，實現投種，完成1次排種周期。隔種毛刷將充種區與投種區分離開來，排種器底部設有卸種口，當需要時去掉卸種塊即可。

圖2 排種器工作原理Fig.2 Seeding device functional

1.2 關鍵部件設計與參數確定

1.2.1 攪種型孔式排種盤 排種盤結構如圖3所示。目前攪種型孔輪式排種圓盤直徑一般在80～260 mm[7-8]，本文選取排種盤直徑為165 mm，厚度為2 mm。攪種型孔距離排種盤中心過近會導致孔線速度較低，通過的充種區弧長較短，不利充種[9]，因此將攪種型孔分布圓周直徑定為135mm。

圖3 排種盤結構Fig.3 Structure of seeding plate

1.2.2 攪種型孔直徑 排種器充種型孔設計為勺斗型，型孔凸于排種盤面，攪種型孔首端有1個伸出型孔外且平行于型孔下端面的攪種側板，結構如圖4所示。

圖4 直側板攪種型孔Fig.4 Straight side stirring hole

單個攪種型孔直徑可按照下式計算[10]。

式中，D為攪種型孔直徑，mm；X為單個攪種型孔中應充入種子粒數；WS為種子平均寬度，mm；E為考慮到實際充種情況給出的偏差，mm。參考已有水稻種子尺寸和農藝要求[11]，設計每型孔充種X為3粒，取稻種寬度為2.31 mm，帶入式（1）得出9.24 mm≥D≥6.93 mm。考慮到實際充種時種子難以沉入型孔底部，型孔內種子寬度小于2.31 mm，故取D為7 mm。

1.2.3 攪種型孔數量 排種圓盤上攪種型孔數量為m，按照式（2）計算攪種型孔數量。

式中，Dd為排種輪型孔中心處對應的圓周直徑，mm；vd為型孔中心處速度，m·s-1；vm為機組前進速度，m·s-1；s為穴距，m；c為地輪滑移系數；nd為排種圓盤轉速，r·min-1；m為排種盤面上型孔數量。

由式（2）可得式（3）。

配套機具前進速度通常在0.5～1.5 m·s-1之間，取 vm為 1.0 r·min-1；根據農藝要求，以穴距160 mm，行距250～300 mm的規格進行播種[12]；地輪滑移系數5%～12%，取c為8%；排種輪轉速取試驗條件下的高轉速 nd為 30 r·min-1；代入式（3）得出攪種型孔數目m為13。結合本排種器尺寸，確定攪種型孔數為10個。

1.3 排種過程EDEM仿真

為闡明攪種型孔充種過程以及對稻種的運移規律，利用EDEM仿真軟件對其工作過程進行仿真。

1.3.1 排種器幾何模型建立 運用Solidworks軟件對排種器進行三維建模，并導入到EDEM軟件中,如圖5所示。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

1.3.2 水稻籽粒離散模型建立 參考已有水稻種子平均三軸尺寸9.54 mm×2.30 mm×2.25 mm，采用球形顆粒堆砌法建立水稻種子離散模型（圖6），并通過EDEM軟件計算水稻種子模型的質心和重量[13]。

圖6 水稻種子模型Fig.6 Rice seed model

1.3.3 仿真參數設定 采用3D打印對排種器進行試制，其外殼為ABS材料，隔種清種毛刷材質均為尼龍。各材料參數如表1所示，材料間接觸參數如表2所示。

表1 材料參數Table 1 Material parameters

表2 材料間接觸參數［14］Table 2 Contact parameter between materials［14］

選用Hertz-Mindlin接觸模型，對3種不同攪種型孔進行仿真試驗，設置仿真時間步長比為25%，仿真時長為20 s，設置水稻種子數為1 500粒，以1 500粒·s-1的速度，在仿真前1 s內全部落入充種區。設置排種盤從1 s時開始轉動，轉速為 25 r·min-1。

1.4 排種器臺架試驗

1.4.1 試驗材料及裝置 以雜交稻品種“廣兩優100”為供試材料，采用JPS-12型排種器性能檢測試驗臺進行臺架試驗。試驗前將種子浸入清水32 h進行萌芽處理。

1.4.2 評價指標 每穴需播1～3粒芽種，每穴0粒記為漏播，每穴1～3粒記為合格，每穴出現4粒及以上記為重播。參照GB/T6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[15]，計算雜交稻播種合格指數（Ml0）、重播指數（Ah0）、漏播指數（Dc0）。

式中，i為攪種型孔中充入的種子數；p（i）為充入當前種子數的概率。

1.4.3 試驗結果自動統計程序 試驗中手動啟停試驗裝置，選取穩定狀態下的成穴種子，每種攪種型孔排種盤選取250穴。利用SeederTest對高速攝影所記錄的種子進行二值化處理，自動統計出穴粒數和穴距，并自動計算出排種器播種合格率、重播率和漏播率。

1.4.4 試驗設計 分別以排種盤轉速和型孔結構為變量開展單因素試驗，確定排種盤轉速范圍和最優型孔結構。排種盤轉速設置4個水平，分別為 25、29、33、37 r·min-1；將排種盤轉速設置為25 r·min-1，種床帶速度設置為 2.4 km·h-1，采用單腔排種，以型孔結構為影響因素，分別針對直側板攪種型孔、斜側板攪種型孔、齒形攪種型孔進行性能試驗，攪種型孔結構如圖7所示。

圖7 攪種型孔結構Fig.7 Structure of stirring holes

根據單因素試驗結果，選取最優型孔結構的排種盤，并針對型孔深度、種層高度和排種盤轉速3個參數進行三因素三水平L9(33)的正交試驗。在取值范圍基礎上，遵循精量播種要求安排因素水平，其因素和水平如表3所示。

表3 試驗因素和水平Table 3 Test factor and level

2 結果與分析

2.1 排種過程仿真結果分析

2.1.1 充種區種子流動性分析 排種盤回轉時，凸于盤面的攪種型孔攪動充種區種子，促使種子翻滾，底層種子被推至充種區頂層，充種區上層種子在重力的作用下又補充回流至下層，排種盤回轉前以及回轉3 s后充種區種子仿真結果如圖8所示，可見種子分層分布，已均勻混合。

圖8 種子流動性Fig.8 Seed fluidity

2.1.2 全過程種子受力分析 攪種型孔對種子產生作用力，單粒種子從充種區進入，被排種盤排出，整個受力過程仿真結果如圖9所示。

由圖9可知，單粒種子從進入到被排出的整個受力過程中受到的最大作用力為0.032 N，遠小于傷種臨界值3.5 N[16]，故理論上對水稻種子造成損傷很小。

圖9 種子全過程受力Fig.9 Forces of seed at the whole process

2.1.3 投種軌跡分析 對同一攪種型孔排出的3粒種子的投種過程進行模擬，投種軌跡如圖10所示。可以看出，同穴種子掉落時差小，投種軌跡基本一致，成穴性強。

圖10 改進后投種軌跡Fig.10 Seeding track after improvement

2.2 單因素對排種性能的影響

2.2.1 排種盤轉速對排種性能的影響 選用斜側板攪種型孔排種盤，通過改變排種盤的轉速進行單因素試驗，結果如表4所示。可以看出，隨著排種盤轉速增大，排種器性能逐漸下降，重播率上升嚴重。在25 r·min-1時性能最佳，此時理論配套農機具行進速度為2.4 km·h-1，能滿足農藝要求。

表4 轉速對排種性能的影響Table 4 Influence of rotational speed on the metering performance

2.2.2 型孔結構對排種性能的影響 從圖11可以看出，在相同試驗參數下，斜側板攪種型孔排種盤合格率最高，重播率、漏播率最低，性能最優；直側板攪種型孔排種盤合格率居中，重播率最高，性能次之；齒形攪種型孔排種盤合格率最低，漏播率最高，性能最差。斜側板攪種型孔漏播狀況為10%，合格指數為85.7%。

圖11 不同攪種型孔合格指數Fig.11 Qualified rate of different types of holes

2.3 正交試驗優化結果分析

2.3.1 正交試驗結果 根據單因素試驗分析結果，采用斜側板攪種型孔排種盤，對型孔深度、種層高度和排種盤轉速3個參數進行了三因素三水平的正交試驗，以確定最優參數組合，結果如表5所示。可以看出，在排種盤轉速為20 r·min-1、型孔深度為7 mm、種層高度為50 mm時，排種器工作性能最佳，此時穴粒數合格指數為85.7%，漏播指數僅為1.8%。

表5 試驗方案與結果Table 5 Test scheme and results

2.3.2 方差分析 從表6可以看出，型孔深度和種層高度對穴距合格指數和漏播指數有顯著影響，對穴粒合格指數影響較小。

表6 方差分析結果Table 6 Variance analysis result

2.3.3 優化方案驗證結果分析 綜合3個因素對3個指標影響的顯著性，最終選定A3B3C3為最優組合，在該參數下穴粒數合格指數達到85.7%，穴距合格指數為96.4%，性能滿足農藝要求。

3 討論

在水稻排種器前期研究中，通過改進型孔結構以達到提高充種區種子流動性和排種性能的方法仍待深入。本文結合機械式排種器的型孔結構和氣力式排種器的側充種結構特點，設計了側充雙腔水稻精量穴播排種器，并進行了EDEM仿真試驗和三因素三水平正交臺架試驗，得出影響排種器性能的主要因素和最佳工作參數組合。結果表明，排種盤轉速越大，排種器性能越低，重播率越高，可能是因為排種盤轉速過快，攪種型孔將充種區表面團種子頂起，種子團中部分種子未充入型孔中，被攪種側板刮入護種帶中，引起重播[17]。雜交稻分蘗能力強，田間生長每穴1苗即可滿足生產要求[18]。將1粒種子記為合格，斜側板攪種型孔合格指數為85.7%，性能最好。按照穴粒合格指數較高、穴距合格指數較高，兼顧漏播指數較低的原則[19]，確定優化參數組合，在型孔深度為7 mm，充種區種層高度為50 mm，排種盤轉速為30 r·min-1時，穴粒數合格指數達到85.7%，漏播指數為1.8%，穴距合格指數為96.4%，滿足設計與農藝要求。所設計的排種器能夠在不傷種的前提下提高種子流動性及充種效果。接下來將考慮結合播量控制技術對側充種雙腔水稻精量穴播排種器的排種量進行實時控制和漏播補種，使其適用于不同品種的水稻播種。