振动式水稻精密播种装置机理分析与试验
2018-07-05鹿芳媛邢绪坡李宏伟郭林杰
鹿芳媛 马 旭 齐 龙 邢绪坡 李宏伟 郭林杰
(华南农业大学工程学院， 广州 510642)
0 引言
水稻是我国主要粮食作物，其种植机械化是我国水稻生产机械化的薄弱环节，也是我国水稻生产全程机械化发展中的瓶颈[1]，提高水稻秧苗育秧播种机械化水平是实现我国水稻种植机械化的关键环节之一。
目前，水稻机械化种植方式主要包括机栽植和机直播。美国、意大利、澳大利亚等发达国家采用机械化直播方式种植水稻，对秧盘育秧播种机械的研制较少[2-3]；亚洲的水稻秧盘育秧设备较多，其中日本和韩国的技术水平最高，如日本久保田、洋马、井关等株式会社生产的育秧播种流水线，采用机械式排种器，设备自动化程度高、工艺精湛，但主要适用于常规稻4～8 粒/格的撒播或3～6 粒/穴的穴播作业，不适用杂交稻1～3粒/穴的精密播种需要[4]。
我国水稻机械化种植主要采用育秧移栽。水稻精密播种器的研发始于20世纪70年代，早期研究以机械式排种器为主，80年代初开始研究气力式排种器[5]，随着水稻秧盘育秧流水线的研制，90年代起振动式播种流水线发展起来[6]。可以看出，我国对于水稻精密排种器的研究，按其播种方式分为机械式、振动式和气力式。传统机械式播种器结构简单、适应性强，主要适用于水稻大播量条播和撒播，较难满足杂交稻精密播种需求[3]。气力式水稻精密播种器作业效率高，对种子损伤小，能够实现单粒精量点播[7]，但由于水稻主要采用芽种播种育秧，带芽播种时种芽的脱落易造成吸孔堵塞而影响播种性能，且吸孔堵塞问题较难解决。
振动式水稻精密播种是一种有效的精密播种方式，可分为机械振动式、电磁振动式和气力振动式。张学义、杨坚、李志伟等[6,8-9]改进电磁振动式播种器用于水稻育秧播种，可实现3～5 粒/穴的播种要求。张斌等[10]提出利用导向板使稻种在振动式排种器上沿胚胎方向有序排列，实现了超级杂交稻定向播种。齐龙等[11]采用交叉导流式振动种箱配合螺旋勺式槽轮定量供种，与气动振动匀种机构相结合，研制了一种振动式水稻精密播种装置，能够满足杂交稻和常规稻种子播种育秧要求，但该装置的结构与工作参数还需优化，以保证稳定的工作性能。
为此，本文将解析交叉导流式振动种箱的工作机理，利用离散元法[12-15]模拟分析与试验探究该机构的供种性能，分析振动匀种机构的不同种槽板对水稻种子导向作用和流动速度(以下简称流速)的影响，探究不同类型种槽板对播种性能的影响，并通过播种性能试验优化种槽板结构参数。
1 振动式精密播种装置工作原理
振动式水稻精密播种装置是水稻秧盘育秧精密播种流水线的关键技术部件，其播种质量直接影响育秧流水线的作业性能和效率。该播种装置主要由两部分组成：定量供种机构和振动匀种机构，其结构示意图如图1所示。
图1 振动式水稻精密播种装置结构示意图Fig.1 Sketch map of vibrating precision sowing devise for rice1.种箱 2.种箱振动板 3.电磁振动器 4.调节门 5.清种毛刷 6.螺旋勺式排种轮 7.支架 8.气动振动器 9.振盘振动臂 10.振动器安装板 11.种槽板 12.T型板 13.调速电动机 14.第二导种板 15.第一导种板
定量供种机构主要包括种箱、第一导种板、种箱振动板、第二导种板、电磁振动器、调节门、清种毛刷、螺旋勺式排种轮(以下简称排种轮)和调速电动机；振动匀种机构包括气动振动器、振动器安装板、振盘振动臂、振动种盘、支架等部件。其工作原理为：定量供种机构采用交叉导流式振动种箱(由图1中零件1、2、3、14、15构成)，使水稻种子在排种轮上方的充填区形成“Z”型连续种流，然后随排种轮转动定量地排出种箱，落入振动匀种机构的振动种盘中。在振动匀种机构的振动作用下，水稻种子在振动种盘上部T型板中进行筛分匀种，在振动种盘下部种槽板的导向作用下有序排队，形成连续、均匀的种子流，最终精量地落入育秧流水线输送带上的秧盘中，完成精少量播种。
定量供种机构连续定量的供种性能和振动匀种机构均匀稳定的播种性能，是实现水稻精密播种的重要条件，二者缺一不可。因此，分别探究定量供种机构的供种机理与振动匀种机构的播种机理，分析影响装置播种性能的因素，使播种合格指数提高到92%以上，空穴指数控制在2%以下。
1.1 定量供种机构的供种机理
在播种过程中随着排种轮的转动种量不断减少，常规种箱内靠近排种轮出流口的种子流速较其他位置快，中部种子流速较种箱内壁快，排种轮中部与两侧充填特性不一致，导致供种量不稳定。为此，李志伟、马旭、周海波等[6,16-17]提出了多层导种板结构的种箱，提高了种箱的供种性能，实现了均匀定量供种。
本文研究的定量供种机构交叉导流式振动种箱，采用第一导种板、种箱振动板和第二导种板交叠安装形成的交叉导流结构，利用多层导种板分担了种箱内种子的大部分重力，避免了种子直接堆积在排种轮上，而在排种轮上方充填区形成“Z”型连续种流，有效提高了充种性能，且减少了多余种子在清种毛刷部位旋转翻滚产生的涡流与碎种现象。此外，由于水稻种子自身的物理特性，外壳存在芒刺，种子间的摩擦因数较大，无序的分布状态使其在种箱内的流动性差。同时，催芽后的水稻种子抵抗损伤的能力很弱，种子间较大的摩擦力及排种轮的强制带动作用会加剧伤种。因此，通过电磁振动器连接振动板，在种箱内侧产生周期性的小幅振动，加速种箱内侧种子的流动性，并使排种轮充填区的种子分布状态较为“蓬松”，减少种子的机械损伤，优化供种性能。
1.2 振动匀种机构的匀种机理
振动种盘的振动性能直接决定了水稻种子的运动特性以及机构的播种性能。为分析振动种盘的运动特性，将振动匀种机构分为3部分：支架、气动振动器及受迫振动系统(包括振盘振动臂和振动种盘)。气动振动器对受迫振动系统产生激振力，在激振作用下振动种盘绕振盘振动臂与机架的固定点产生周期性的往复摆动。为探明该往复运动特性，对受迫振动系统进行动力学分析。
1.2.1受迫振动系统动力学分析
通过振动特性测试分析可知，振动种盘产生的摆角始终小于0.1°，对于该系统来说振动种盘在铅垂方向上产生的位移可忽略不计，位移主要产生于水平方向。因此，可将振盘振动臂的作用力在铅垂方向上等效为提拉振动种盘的拉力，在水平方向上等效为弹性力与阻尼力，则振动种盘在水平方向上做单自由度简谐受迫振动[18]，其力学模型如图2所示。为便于分析，将受迫振动系统简化为质量为M的等效物块。
图2 单自由度受迫振动系统力学模型Fig.2 Mechanical model of single degree of freedom forced vibration system
气动振动器产生的激振力运动方程为
F(t)=Hsin(ωt)
(1)
式中H——激振力的振幅，mm
ω——激振力的角频率，rad/s
以平衡位置O点为坐标原点，Y轴铅垂向上为正，则等效物块沿铅垂方向的运动微分方程为
(2)
其中
δ=α+γ
式中Fl——振动系统受到的支架拉力，N
α——振动器安装板夹角，(°)
γ——槽板与水平面夹角，(°)
Fl(t)=Mg-Hsin(ωt)cosδ
(3)
表明振动匀种机构在工作过程中，振盘支架以及振盘振动臂所受到的拉力随激振力的变化而发生周期性改变。
对等效物块水平方向进行受力分析，X水平向左为正，则等效物块的运动微分方程为
(4)
式中c——等效阻尼系数
k——等效弹簧系数
其解[19]为
X(t)=X1(t)+X2(t)=
Ae-ntsin(ωdt+Ψ)+Bsin(ωt-φ)sinδ
(5)
其中
式中n——系统的衰减系数
ωd——衰减振动的角频率，rad/s
Ψ——自由振动的相位差，(°)
ωn——系统的固有角频率，rad/s
A——初始振幅，mm
B——受迫振动的振幅，mm
φ——受迫振动的相位差，(°)
可以看出振动种盘的运动由两部分组成：角频率为ωd的衰减振动和角频率为ω的受迫振动。在受迫振动系统的衰减振动中，由于阻尼的存在，衰减振动会逐渐消失，在衰减振动完全消失之前，系统的振动过程称为暂态响应。衰减振动消失后，系统振动的过程为稳定的等幅受迫振动，该过程称为振动系统的稳态响应。当受迫振动系统达到稳态响应阶段，其运动方程为
X(t)=X2(t)=Bsin(ωt-φ)sinδ
可以看出稳态过程即为简谐振动，其频率与激振力频率相等，相位角与激振力的相位角相差φ。通过上述分析，在使用振动匀种机构时，需开机运行等待衰减振动的振幅逐渐减小，在受迫振动系统振动状态稳定后再进行调试播种。
1.2.2种子在振动种盘上的运动理论分析
振动匀种机构工作时，水稻种子大部分呈松散均匀的状态分布在振动种盘中。以单粒水稻种子为研究对象，探究种子在振动种盘上部T型板和下部槽板上的运动特性[11]。分别对种子在T型板和种槽板上的受力进行分析(振动种盘结构见图1)，如图3所示。
图3 种子在振动种盘上的受力图Fig.3 Force diagrams of seed on vibration plate
基于上述单自由度振动系统分析，设激振力产生的振动幅值为h(mm)，则振动种盘的位移为
s=hsin(ωt-φ)sinδ
由图3a分析得到种子在T型板上的下滑条件为
(6)
式中μ——种子在振动种盘上的滑动摩擦角，(°)
β——T型板与水平面夹角，(°)
种子在T型板上的跳动条件为
(7)
由图3b得到种子在槽板上的下滑条件为
(8)
式中θ——种槽板夹角，(°)
种子在槽板上的跳动条件为
(9)
其中，当0
2 振动式精密播种装置仿真分析
利用离散元仿真软件EDEM，分别对振动式精密播种装置的定量供种机构和振动匀种机构进行播种性能仿真。
2.1 定量供种机构的供种过程仿真
为探究供种时交叉导流式种箱内水稻种子的流动特性，以及振动对供种性能的影响，利用离散元仿真软件EDEM模拟定量供种机构的工作过程，以种箱振动板有、无振动作用进行仿真对比试验。通过三维建模软件Solidworks创建定量供种机构的三维实体模型并导入EDEM软件中，创建水稻芽种颗粒，由23个基础颗粒球组成[20]。设置水稻泊松比为0.25，剪切模量为108 MPa，密度为1 098 kg/m3；不锈钢板(种箱及导种板材料)泊松比为0.30，剪切模量为79 000 MPa，密度为7 850 kg/m3；尼龙1010(螺旋勺式排种轮材料)泊松比为0.28，剪切模量为1 070 MPa，密度为1 050 kg/m3。水稻种子含水率约37.3%，种子颗粒与各材料间的接触参数见表1。根据定量供种机构实际工作状态设置模型运动参数，排种轮模型运动设置为线性旋转，转速为7.0 r/min。使用的电磁振动器型号为DH180-2-1，振动频率为50 Hz，通过振动测试分析得到种箱振动板在电磁振动器的作用下产生简谐振动，且振幅可调范围为0～0.02 mm，因此设置振动板运动为正弦平移，频率为50 Hz，根据播量要求振幅选用0.015 mm。
表1 仿真所需接触参数Tab.1 Contact parameters of simulation
2.1.1种子在种箱内的流动特性分析
以振动板的振动作用作为试验因素，设计两组供种过程模拟试验，一组设置振动，另一组不设置振动，其余参数设置均相同，仿真时间为85 s。仿真完成后，对种箱内的种子颗粒进行染色分层，由下至上将种子分为10层，以最底层为第1种层，以最顶层为第10种层。分别选取两组仿真试验过程中的4个时刻进行分析，如图4所示，左图为种箱振动板有振动作用，右图为无振动。
图4 交叉导流式振动种箱供种过程仿真Fig.4 Feeding process simulation of cross-flow vibration seeds box
图4a为初始时刻水稻种子自然填充于种箱内第一导种板下部、种箱振动板下部及第二导种板之间，形成了“Z”型连续种流，缓解了大量种子直接堆积在排种轮上方产生的正压力。图4b为排种轮转动了3 s时，在此过程中，左图供种机构在振动作用下第1～4种层种子按种层顺序排出种箱，第5～10种层种子整体流动平稳下落；右图供种机构无振动时第1～4种层种子随排种轮的转动相互混合，乱序排出种箱，第5～7种层种子开始呈现漏斗状流动[21]，第8～10种层平稳下落。图4c、4d分别为排种轮转动了10 s和22 s时，在此过程中，左图种箱右侧由于振动作用种子流速较快，故种子整体高度向右下方倾斜，呈现扩散流动，流速较平稳；右图种箱内漏斗状明显，各层种子均形成了漏斗流，流速不稳定。
观察两组仿真试验整个供种过程，与导种板内壁接触的种子均形成了不流动区。当右侧振动板无振动时，种箱左右两侧皆存在不流动区，因此种子形成漏斗流动，速率不稳定，种子密度不均匀，影响排种轮的充填性能。而当右侧振动板振动时，振动作用提高了右侧种子流速，仅左侧导种板上存在不流动区，缓解了漏斗流，促进种子扩散流动，稳定了种子整体的流速和密度，提高了供种稳定性。
根据两组试验仿真完成时间，有振动时供种试验种箱内的种子在78 s内被排空，无振动时则在82 s内被排空，表明在振动作用下排种轮的供种频率(单位时间内排种轮的供种质量，g/s)较高。为确定振动对供种频率的提高比率，对两组仿真试验的供种质量进行统计，绘制定量供种机构的供种质量随时间变化曲线对比，如图5所示。对图5中2条曲线做线性拟合，得到种箱振动板有振动时排种轮的供种质量
Q1=10.177t
(10)
图5 定量供种机构有无振动时供种质量对比Fig.5 Feeding weight comparison of quantitative-seeds feeding device with or without vibration
Q2=9.851t
(11)
2.1.2种子在充填区分布状态与流速分析
为研究振动对排种轮充填区内的种子分布“蓬松”程度和种子流速的影响，在排种轮的强制层和带动层添加网格进行分析，划分强制层、带动层Ⅰ、带动层Ⅱ、带动层Ⅲ，如图6所示。
随机选择仿真过程的4个时刻，分别统计强制层、带动层Ⅰ、带动层Ⅱ、带动层Ⅲ网格内的种子数量，统计结果如表2所示。通过表2中各网格内的颗粒数量对比可以看出，振动板有振动比无振动时强制层内的种子数量多，而带动层(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)内的种子数量少，表明种箱内侧的振动作用促进排种轮充填区的种子分布状态更为“蓬松”；振动使强制层的种子获得较快的流速，单位时间内充填进入排种轮凹槽内的种子较无振动时多，因而排种轮的供种频率较高。此外，振动时的颗粒数量变异系数小于无振动，表明振动作用下排种轮的充种量更稳定。
图6 排种轮强制层与带动层网格划分Fig.6 Meshing for compulsion layers and driven layer of wheal
表2 各网格区域颗粒数量和变异系数Tab.2 Particle number of grid regions
图7 不同区域颗粒流速对比曲线Fig.7 Particles velocity comparison curves of different regions
对带动层和强制层的颗粒速度进行统计，绘制仿真3～21 s过程中种子的流速曲线，如图7所示，进一步分析振动对充种区种子流速的影响。通过图7a种子流速变化曲线对比，振动作用对排种轮强制层的种子流速大小影响不明显，而计算和比较两组种子流速平均值时则有振动略微大于无振动时。由图7b可知，有振动时种子流速曲线整体高于无振动时，表明振动作用加速了带动层Ⅰ区域的种子流速，从而促进种子充填进入排种轮的凹槽内，提高排种轮的供种频率。通过图7c可以看出，对于带动层Ⅱ的种子，在无振动时速度变化剧烈，而在有振动时速度稳定，表明振动作用有效地稳定了该层种子流速。图7d为带动层Ⅲ种子流速，从两条速度对比曲线来看，种子流动速度变化差异不明显，通过趋势线对比表明有振动时种子流速变化稍平稳。
上述分析以定量供种机构大播种量供种(适用于常规稻，通常播量标准秧盘80～120 g/盘，即3～7粒/穴或格)为例进行探究。针对低播量供种(适用于杂交稻，通常播量标准秧盘40～60 g/盘，即1～4粒/穴)以相同的方法进行模拟分析，得到种子在种箱内交叉导流式结构上的流动特性以及在排种轮充填区的分布状态和流速，在有无振动作用对比仿真试验中表现出的规律与常规稻供种时基本一致，杂交稻低播量时有振动比无振动时排种轮的供种频率高5.41%。
综上采用离散元法对定量供种机构在有振动与无振动条件下，分别进行常规稻及杂交稻供种过程模拟，从种箱内的种子流速变化及分布“蓬松程度”等方面分析，验证了交叉导流式结构能够为排种轮提供连续稳定的种子流，揭示了振动作用稳定种子流速和提高机构供种频率的机理，表明该定量供种机构较优的供种性能能够满足精密播种需求。
2.2 振动匀种机构的播种性能仿真
振动匀种机构的种槽板对种子的限位作用决定了种子的有序排队状态，进而影响条播或穴播时种子流与秧盘的对行或对穴性能。为了达到较好的播种性能，播种时到达种槽出流口的种子最好垂直落入该种槽对应的秧盘行或秧穴中，尤其当杂交稻低播量播种时需要种子在种槽板上保持沿长轴方向有序排队，同时避免剧烈跳动或摆动，防止掉落过程中发生弹跳落入相邻的秧盘行或秧穴中。
为探究不同类型与参数的种槽板对种子流速、排队状态及播种性能的影响，设计了9组种槽板，即不同种槽夹角θ的V型种槽板：V-60°、V-75°、V-90°、V-105°、V-120°、V-135°、V-150°，和不同半径的U型种槽板：U1(半径为6.30 mm)、U2(半径为7.00 mm)，进行水稻精少量播种性能模拟试验。旨在筛选种槽板因素水平，为装置优化试验提供理论依据，减少试验次数，节省时间和成本。
仿真所需材料的物性参数及接触参数参照2.1节进行设置，秧盘运动设置为匀速行走，速度为0.083 m/s(播种流水线生产率500盘/h)，振动种盘运动参考文献[14]进行设置，仿真时间为12 s。
2.2.1不同种槽板对种子流速影响
统计在播种过程稳定后4～10 s内，9组仿真试验种槽板上的种子流动速度，每组取100个数据，绘制种子速度箱线图，如图8所示。通过观察箱线图中每组数据箱体和线段的长短，可得到数据的四分位距大小，以及正常值的分布范围，从而直观地判断不同种槽板对种子流速及稳定性的影响。
图8 不同种槽板上种子速度箱线图Fig.8 Box plot of seeds velocity on different striper tanks
从图8中各组箱线图的高度分布来看，V型种槽板夹角θ从60°到150°，各组箱线的高度、速度最大值和中位数随θ增大而下降，表明随着种槽板夹角θ的增大，种子在种槽板上的流动速度整体呈减小的趋势；对于U型种槽板，U1型种槽板上的种子流速略大于U2型种槽板，表明种槽半径较大时种子流速较慢。从各组箱线长度和异常值分布情况可以看出，随着种槽板夹角θ的增大，种子速度分布范围逐渐集中，种子速度异常值逐渐减少，且在种槽板夹角θ大于等于120°时，种子流速分布范围相近，表明随着种槽板夹角θ的增大，种子流速趋于稳定，且在θ达到120°时种子流速稳定性随槽板夹角的增大变化不明显。两种U型种槽板上种子速度异常值少，表明种子在U型槽上的流速较V型槽稳定。
2.2.2不同种槽板对种子排队状态影响
观察种子在种槽板上的排队状态及到达种槽板出流口落入秧盘内的掉落状态，分析播种过程中不同种槽板对种子的限位作用和对行、对穴性能影响。图9为9组种槽板上种子的排队状态，从图中可以看出，对于V型种槽板，当种槽板夹角θ较小(60°、75°和90°)时，种槽板对种子的限位作用强，此时种槽内的种子可沿其长轴方向有序排队，并形成较均匀的单粒到1.5粒种子流；随着种槽板夹角θ增大，种槽板对种子的限位作用逐渐减弱，当θ为105°和120°时，种子与种槽的接触面积增大，种槽内的种子可前后交叠排列形成较均匀的1.5粒到2粒种子流；当θ为135°和150°时，种槽板夹角过大，此时种槽板对种子的限位作用弱，无法引导种子在槽板内有序排队形成均匀的种子流。对于U型槽板，种子与种槽板的接触面积大，种子排列较不规律，当U型槽半径较小(U1半径为6.30 mm)时可形成较均匀的1.5粒到2粒种子流，当U型槽半径较大(U2半径为7.00 mm)时形成无序的2粒种子流。
图9 种子在不同种槽板上的排队状态Fig.9 Queue conditions of seeds on different striper tanks
此外，通过观察种子在不同种槽板出流口落入秧盘时的形态，得到V-60°、V-75°和V-90°种槽板中，由于种槽板的限位作用好，种子能够垂直掉落到下方的秧盘中；V-105°和V-120°种槽板限位性一般，但由于种子流速较稳定，种子随槽板振动作用前后摆动行走，也能够垂直掉落至秧盘中，较准确地实现对行对穴；而V-135°、V-150°、U1和U2型种槽板，由于限位性差，种子随槽板振动作用产生小幅度的左右摆动，掉落时易发生翻滚，对行对穴性能较差。
2.2.3不同种槽板对播种性能影响的仿真分析
为进一步确定播种性能较优的种槽板，统计不同种槽板的播种合格指数与空穴指数等性能指标。每组仿真试验分别播种3个秧盘，统计秧盘中每穴内的种子数量，评价指标为
(12)
式中Y1——播种合格指数
Y2——空穴指数
N1——合格穴数，合格区间为1～4 粒/穴
N2——空穴数，无种子为空穴
N——总秧穴数
统计结果见表3。
表3 不同种槽板播种性能仿真试验结果Tab.3 Simulation result of sowing performance on different striper tanks
从表3试验结果可以看出，V-60°和V-75°种槽板的播种空穴指数高，不能满足水稻精密播种要求，其原因是在种槽板上形成的是单粒种子流，存在断流的位置播入秧盘中即形成了空穴；V-135°、V-150°和U2型种槽板空穴指数高，其原因是槽板的限位性差，不能形成均匀的种子流；V-90°、V-105°、V-120°和U1型种槽板的播种合格指数均超过90%，空穴指数较低，平均每穴粒数满足播种要求，且标准差较小，表明较稳定的种子流速和连续均匀的种子流是实现水稻精少量播种的重要条件。
综上对种子在不同种槽板上的流速及排队状态分析，以播种合格指数和空穴指数作为评判播种性能的指标，优选了播种效果较好的V-90°、V-105°、V-120°和U1型种槽板，为进行机构的播种性能优化试验提供了参考。
3 试验与结果分析
分别进行定量供种机构在种箱振动板有振动与无振动条件下的供种频率对比试验，以及不同种槽板播种性能试验，以验证仿真的准确性，确定最优种槽板能够提高精密播种装置的性能。试验地点在华南农业大学农业工程实验室，采用研制的振动式精密播种装置，安装在水稻秧盘育秧精密播种流水线上,装置如图10所示。试验所用水稻品种：杂交稻品种为培杂泰丰，种子含水率约为27.5%，千粒质量为28.20 g；常规稻品种为华航38号，种子含水率约为27.38%，千粒质量为27.59 g。两个水稻品种均进行催芽处理，种子破胸露白后再进行播种试验。
图10 振动式水稻精密播种装置实物图Fig.10 Vibration rice precision sowing device
3.1 定量供种机构供种频率对比试验
为探明振动作用对定量供种机构供种稳定性和供种频率的影响，以种箱振动板的振动作用作为试验因素，对供种机构有、无振动时的供种频率进行测定分析。有振动时开启电磁振动器并调节振动板产生0.015 mm的振幅(可通过振动测试得到)，无振动时关闭电磁振动器，分别进行定量供种机构常规稻与杂交稻供种试验。常规稻供种时排种轮转速为7.0 r/min，杂交稻低播量时转速为3.3 r/min。
供种频率测定方法为：在机构工作稳定后，有、无振动条件下分别接取排种轮转动60 s所排出的种子质量，使用精度0.01 g的电子秤进行称量，计算排种轮的供种频率，每组试验重复6次，求取平均供种频率；供种稳定性的测定方法为：接取排种轮转动5 s所排出的种子质量并称量，有、无振动条件下各重复5次，求取供种频率变异系数。试验结果见表4。
表4 定量供种机构供种频率对比试验结果Tab.4 Feeding frequency comparison test result of quantitative-seeds supply device
由表4可知，常规稻供种时电磁振动作用使供种频率提高3.64%，杂交稻低播量时提高5.52%，与2.1.2节仿真结果进行对比，仿真相对误差分别为9.07%和1.99%，表明仿真结果精度较高。常规稻供种时有、无振动条件下的供种频率变异系数均较低播量供种时小，表明常规稻供种时排种轮单位时间内排出的稻种量更加稳定；在振动板有振动作用时，可提高常规稻供种稳定性2.47%，杂交稻供种稳定性提高1.33%，表明振动板振动对常规稻供种稳定性提高作用更明显。
3.2 不同种槽板播种性能试验
以种槽板类型、播种量、气压作为试验因素进行全因素播种性能试验。仿真试验优选的种槽板类型因素(A)水平为：V-90°、V-105°、V-120°和U1型种槽板；播种量因素(B)水平为：常规稻(80 g/盘)和杂交稻(40 g/盘)；常用气压(C)水平为：0.24、0.26、0.28 MPa，共进行24组试验。
水稻秧盘育秧精密播种流水线播种生产率为500盘/h，秧盘为14×29钵体毯状软盘。每组试验播种6盘，每盘随机选取2个区域，区域1横向完整2行(14格×2行)和区域2横向6行、纵向7列(6格×7格)，统计并计算每组的播种合格指数、空穴指数、平均每穴粒数和标准差。杂交稻低播量播种合格区间为1～4粒/穴，常规稻大播量播种合格区间为3～7粒/穴。分别计算4组种槽板在播种杂交稻和常规稻时的性能指标平均值k，试验结果见表5，播种效果如图11所示。
通过表5播种性能试验结果比较，杂交稻低播量播种时和常规稻大播量播种时，试验因素A在k3水平下的播种平均合格指数最高、平均空穴指数最低，平均每穴粒数满足播种要求且标准差较小，表明两种播量下V-120°种槽板的播种性能均最优，与2.2.2节仿真试验优选结果一致。同时，采用该种槽板进行低播量播种，当气压为0.26 MPa时播种合格指数为93.91%，空穴指数为0.94%；常规稻播种时当气压为0.28 MPa，播种合格指数为96.10%，空穴指数为0，满足常规稻与杂交稻精少量播种育秧技术要求，优化了振动式水稻精密播种装置的播种性能。
表5 播种性能试验结果Tab.5 Test result of sowing performance
图11 播种效果Fig.11 Seeding effect
4 结论
(1)采用离散元法进行了有无振动时定量供种机构的工作过程仿真研究，得出在振动条件下进行供种，可提高供种频率和稳定性。通过分析种箱内不同种层的种子流动特性，验证了交叉导流式振动种箱可为排种轮提供连续稳定的种子流；通过对比分析充填区种子的流速与“蓬松”程度得知，振动作用能够有效地稳定种子流速和分布密度，提高供种频率。
(2)进行了不同类型与参数种槽板播种性能仿真试验，得到了种子在不同种槽板上的流速规律。通过分析不同种槽板对种子流速、有序排列及播种性能的影响可知，种子流速随着种槽板夹角θ增大而减小并趋于稳定，且当θ达到120°时，流速稳定性随θ增大的变化不明显；以播种合格指数和空穴指数为指标，筛选出了V-90°、V-105°、V-120°和U1型4组种槽板的播种效果较好，为装置优化试验减少了试验次数。
(3)进行了定量供种机构的供种频率试验和精密播种装置性能优化试验，确定了播种效果最佳的种槽板为V-120°种槽板。通过定量供种机构试验，得到常规稻、杂交稻供种时电磁振动作用分别可提高供种频率3.64%和5.52%，验证了定量供种机构在有无振动作用下的仿真结果误差较小；通过精密播种装置性能优化试验，得到采用V-120°种槽板，以0.26 MPa气压进行低播量播种时，合格指数为93.91%，空穴指数为0.94%，以0.28 MPa气压进行常规稻播种时，合格指数为96.10%，空穴指数为0，满足常规稻与杂交稻精密播种育秧技术要求，为水稻精密播种装置的研究提供了基础。
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