摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器充种性能分析与验证

刘彩玲，王亚丽，都 鑫，宋建农，王继承，张福印



摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器充种性能分析与验证

刘彩玲，王亚丽，都 鑫，宋建农，王继承，张福印

（中国农业大学农业部土壤-机器-植物系统技术重点实验室，北京 100083）

为解决杂交稻工厂化穴盘育秧低播量精密播种问题，提出了一种摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器，对种子充填过程进行了力学和运动学分析，确定影响试验指标的影响因素分别为型孔方向角、型孔带速度、型孔带倾角和种层厚度。通过EDEM离散元软件仿真分析了种子多次循环重复充种过程和充种效果，并分别分析了型孔带速度、型孔带倾角、种层厚度对充种性能的影响规律。基于仿真分析结果进行了较优组合验证试验，结果表明：在型孔方向角为90°，型孔带倾角为43°，型孔带转速为0.11 m/s，种层厚度为50 mm时充种合格率为96.4%，多粒率为1.4%，漏充率为2.2%，种子破碎率为0.18%，效果较优。摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器能够满足杂交稻低播量精密播种的农艺要求，研究结果为工厂化穴盘育秧精量播种机的设计提供参考。

机械化；农作物；计算机仿真；复充种；型孔带；精量播种；离散元；试验

0 引 言

水稻是中国的主要粮食作物，其种植机械化是生产机械化的薄弱环节[1]。目前，中国水稻机械化种植主要采用育秧移栽，其中工厂化育秧是培育壮秧的关键[2-3]。水稻工厂化育秧设备中，日本和韩国技术水平最高，其核心部件水稻精量排种器主要采用机械式，用于常规稻4～8粒/格的撒播或3～6粒/穴的穴播作业[4]。

中国水稻精量排种器主要有机械式、振动式和气力式[5-7]。机械式排种器结构简单、造价低、生产率高，但种槽结构尺寸都相对较大，对排种器排量控制不严，精度2～5粒/穴，主要用于大播量条播或撒播，不能满足超级稻低播量精密播种要求[8-10]；振动式排种器的研究始于20世纪90年代，播种性能和质量均有较大改进，但存在播种断流或效率偏低的问题，未见大面积推广应用[11-12]；气力式排种器作业效率高，对种子损伤小，能够实现精量播种，但气力式排种器结构复杂，成本高，吸孔易出现堵塞、漏吸等问题，因此推广情况并不理想[5]。

杂交稻具有较强的分蘖能力，其栽培强调少本稀植，因此要求低播量精密播种育秧，考虑种子发芽率、机插秧漏插率等影响，目前杂交稻精量播种农艺要求为（2±1） 粒/穴[13-15]。但目前国内外水稻精密播种主要针对普通稻育秧，播种精度根据种植农艺可达2～5粒/穴不等，较难满足杂交稻精量播种要求，因此，研究适于杂交稻的水稻精量排种器是水稻种植机械化急需解决的问题。

从目前玉米、大豆等机械式单粒精密排种器看，排种元件以应用普遍的容腔方式囊种居多，是一种行之有效的精密播种方式[16-18]。对于目前常用的型孔轮式水稻精量排种器[19-23]，充种区间有限，设计者往往通过加大排种轮半径增加充种区域，但受结构限制不能完全解决充种均匀性问题，特别对于杂交稻仍会产生漏播现象。

为此，课题组在多年型孔轮式排种器研究基础上，增加充种区域并提高充种性能，首次提出一种摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器，以空育131杂交稻为研究对象，对排种器的充种机理进行理论分析和离散元仿真研究，并通过台架试验验证，以期为水稻精密育秧播种机的设计提供参考。

1 摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器结构与工作原理

摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器结构如图1所示，主要由支撑架、种子箱、型孔带、传动装置和护种装置等组成。

工作原理为：排种带上加工有型孔（非通孔），在驱动轮带动下回转，充种区种子与型孔带间产生相对运动，种子在重力、种间作用力和型孔带作用力下充入型孔，多余种子在重力作用下完成清种回到充种区；充入型孔内的种子在型孔带运动下经护种带后输送至投种区，在自身重力作用下完成投种作业。该排种器通过设计开放式充种区和种层旋流多次循环摩擦复充种方式提高充种性能，利用重力清种解决使用毛刷清种刷出型孔中的种子时产生漏播和种子损伤问题。

1.机架 2.种箱 3.型孔带 4.型孔带从动轴Ⅰ　5.轴承座 6.护种带 7.护种带从动轴 8.护种带主动轴 9.型孔带从动轴Ⅱ　10.型孔带主动轴

2 关键部件结构尺寸设计

2.1 型孔的设计

型孔设计是影响充种性能的重要因素，其容积应囊括种子体积，尺寸与种子形状、尺寸间存在相关性。本研究以空育131超级稻为研究对象，其为类椭圆形结构，测得其平均长度为7.07 mm，平均宽度为3.48 mm，平均厚度为2.37 mm。依据势能最小原理，平躺状态为水稻种子最大可能的稳定状态[20,24]]。为使种子能够完全进入容种空间，根据其形状、平均尺寸及加工难度设计为矩形型孔，型孔尺寸分析如下

式中为型孔长度，mm；为型孔宽度，mm；为型孔深度，mm。如式（1）所示，为保证型孔能容纳下平躺种子，型孔长度应大于种子平均长度，为避免平躺和竖立的种子同时充入型孔，型孔长度应小于种子平均长度和平均厚度的总和；型孔宽度应大于种子平均宽度，为减小2粒种子侧卧充入型孔概率，型孔宽度小于2粒种子叠加的平均厚度；型孔深度应大于种子的平均厚度，同时应满足第二粒种子平躺充入型孔时重心不在型孔内，即型孔深度小于1.5倍的平均种子厚度。由式（1）进行计算并圆整后确定型孔长度、宽度、高度分别为9、4和3 mm。

2.2 型孔的分布

为研究不同型孔方向的充种规律，在0～90°范围内设计型孔方向角（型孔长边与水平面间角度）。带向上运动时，在上层种子的压力下与带接触种层的种子趋于向带速度一致阻力最小的方向转动，考虑实际加工情况本研究选择了型孔长边与型孔带运动方向一致的90º纵向孔。参考15×25穴盘尺寸，列与列之间中心距设计为20 mm，行与行之间中心距为40 mm。

2.3 型孔带的设计

型孔带需承载并输送种子，因此选择硬度和光滑度适中的PVC带，孔为非通孔，带厚度为5 mm。在型孔带下方两侧设计导条以防止型孔带跑偏。为提高播种精度，降低投种高度，设计三角构架结构（见图2）。其宽度和长度与其上型孔分布有关，长度还与型孔带倾角和充种区长度有关，各尺寸关系如式（2）所示。

注：a为型孔带充种区一侧长度，mm；b为支撑轴间垂直高度，mm；c为水平方向上型孔带的长度，mm；d为型孔带在投种区一侧的长度，mm；l1为型孔带所包覆主动轴的弧长，mm；l2为型孔带所包覆从动轴Ⅰ的弧长，mm；l3为型孔带所包覆从动轴Ⅱ的弧长，mm；θ为充种区型孔带与水平面倾角，(°)；α为投种区型孔带与水平面倾角，(°).

式中为传动轴半径，mm。

由式（2）可得出型孔带总长为

弧长在型孔带总长占比较小，可认为总长与成正比，与成反比。为充分满足充种区间及清种区间长度，设计≥500 mm；应大于种子与型孔带最大静摩擦角，试验测得空育131超级稻与型孔带间最大静摩擦角37°，最大值应确保种子不从孔内掉落，参考试验确定最大值为50°，计算≥500 mm。型孔带上均布型孔，除应为40 mm倍数外需预留带加工时接缝长度，设计型孔总长为1 680 mm；宽度为5组型孔宽度加边缘预留长度，设定为410 mm。

3 排种器充种过程的理论分析

3.1 充种条件力学分析

充种过程是保证播种精度的前提，种子能否充入型孔取决于种群与型孔带表面的相对运动情况。为便于理论分析，以单粒水稻种子为研究对象，假定其为一刚性质点，型孔带作匀速运动，忽略种子间相互作用和空气阻力影响，种子在型孔带上受力分析如图3所示。

注：G为重力，N；Ff为种子受型孔带摩擦力，N；FN为种子受型孔带支持力，N。

种子与型孔带形成相对运动的条件为

式中为种子与型孔带静摩擦系数；为种子质量，kg；为重力加速度，9.8 m/s2。

由式（4）可以得出

式（5）表明型孔带与水平面倾角影响种子相对运动和充种，倾角应大于型孔带与种子最大静摩擦角37°，以保证种子重力清种条件，并使种子与型孔带间产生相对运动，提供种子良好充入型孔的必要条件。

3.2 充种条件动态分析

种子充入型孔是一个复杂的受力过程，种子间、种子与型孔表面的滑动摩擦、滚动摩擦、正压力、重力等共同作用构成一个复杂的不断变化的动态力学系统，因此，为便于分析种子的充填过程，从运动学角度研究动态充种过程中种子与型孔间的相对运动关系（参见图3）。种子与型孔间存在相对速度是种子充入型孔的必要条件，但是过大的相对运动速度无法保证充种时间。分析临界位置水稻种子质心的运动方程为

式中1为充种的临界时间，s；max为种子与型孔带间极限相对速度，m/s。由式（6）可得种子充入型孔的相对速度应满足如下关系

种子与型孔带间极限相对运动速度取决于种子与带的摩擦特性、种群受力及型孔带速度等综合作用，本研究选择易于调节的型孔带速度为因素。显然，型孔带速度较低时种子与型孔间相对速度较小不易充入型孔，增大型孔带速度易于充填，但过高型孔带速度又缩短进入型孔的时间从而降低充填性能，因此型孔带速度应限制在一定范围内。

3.3 种子在种群中的运动分析

型孔从与型孔带接触的种层中囊取种子，为研究该层种子在种群作用下的运动规律，进行图4所示单层种子受力分析。依据农业物料学理论散粒体对容箱侧壁压力取决于种子层高度和种子比重，对水平面的压力增加侧压系数的影响[25]。以底层中间某位置种子重心为原点，型孔带运动方向为轴正方向，垂直型孔带运动方向向上为轴正方向建立坐标系，建立单层种子在型孔带上种子群中运动的微分方程。

式中v为种子与型孔带相对速度，m/s；为比重，kg/m3；为侧压系数；为种子间内摩擦角，(°)；1为研究种层的表面积，m2；1、2与3分别为种子与型孔带、种子与种箱壁间、上层种子与下层种子之间的滑动摩擦系数。

注：1为种子与型孔带间摩擦力，N；2为种子与种箱壁间摩擦力，N；3为上层种子对下层种子摩擦力，N；为型孔带速度，m·s-1；为种子受的重力，N；1为型孔带给种子的支持力，N；2为种子受种箱侧壁的水平总压应力，N；3为上层种子对下层种子的垂直压力，N；为种子层高度，m；1为上层种层高度，m；为种层厚度，m；为充种区长度，m。

Note:1is friction force between seed and cell-belt, N;2is frictional force between seed and seed box wall, N;3is frictional force between upper seeds and lower seeds, N;is cell-belt velocity, m·s-1;is gravity of seeds, N;1is support force of cell-belt to seed layer, N;2is horizontal total compressive stress of seed box side wall to seed layer, N;3is vertical pressure of upper seed to lower seed, N;is height of seed layer, m;1is height of upper seed layer, m;is seed layer thickness, m;is filling area length, m.

图4 单层种子受力分析

Fig.4 Force analysis chart of single layer seeds

对方程（8）求解，得

由式（9）可知，可控参数种层厚度和型孔带倾角均影响种子的相对速度，进而影响充种过程。事实上，种群与型孔带间除应具有合适的相对速度条件外，还应提高充种时间（单个型孔经过种群所需时间）以提高种子囊入型孔的概率。充种时间取决于充种区长度和型孔带速度，充种区长度为型孔带与种群接触长度，与种箱内种层厚度成正比（图4），分析如下

式中2为充种区间时间，s；为传动轴转速，r/min。

由式（10）可得充种时间为

充种时间与充种区间长度成正比，与传动轴转速即型孔带速度成反比，充种区长度与种层厚度成正比。型孔带速度一定时一定范围内增加种层厚度可增加充种时间，利于提高充填性能。

综上分析，确定型孔带倾角、型孔带速度和种层厚度为主要影响因素。

4 排种器充种过程的离散元仿真分析

4.1 排种器仿真模型的建立

为研究排种器充种过程，基于离散元仿真软件EDEM研究型孔带速度、种层高度和型孔带倾角对充种性能的影响。选用上述空育131水稻种子为研究对象，颗粒表面没有黏附力，选择Hertz-Mindlin 无滑动接触模型。以多球元建立水稻种子椭球模型，长轴为7.07 mm，短轴为宽度和高度的均值2.93 mm，确定仿真参数为[26]：泊松比0.25，弹性模量375 MPa，密度1 350 kg/m3；颗粒与颗粒间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.6、0.3、0.01，颗粒与工程材料间恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.5、0.56、0.02。为验证模型和仿真边界参数进行堆积角验证试验，仿真休止角为29.1°，实测休止角误为29.8°，误差较小，因此所建模型精度较高，可用于仿真试验研究。

4.2 排种器摩擦复充种过程分析

为研究排种器摩擦复充种过程，在型孔带倾角、种层厚度、孔带速度分别为40°、60 mm、0.11 m/s时观察种层充种运动过程，选择剖视图视角，选取处于同一竖直位置的一层种子为研究对象并标定为紫色，从初始状态截取不同时刻0种层运动图，得标定种子自1.5～9.5 s运动过程如图5所示，表明与带接触的种子沿带方向向上运动，同一竖直面内的种子向下运动补充，待向上运动的种层到达充种区结束端时转而向下运动，如此往复形成一个大的环流层，种群运动出现涡流状运动规律，种子在种层旋流过程中完成多次循环重复充种，提高种子充填型孔的机会，从而提高充种性能。

图5 不同时间同一竖直位置种子运动状态

为验证种层运动的旋流过程，以速度标定种子颜色，选择种子表现形式为stream，箭头方向代表种子运动速度方向，得到种子某时刻状态见图6。图6表明与带接触的下层种子在型孔带带动下获得小于带速的运动，速度方向与带同向，产生种子与型孔带相对速度的充种条件，同时下层种子带动与之相邻的内层种子向上运动，其速度低于下层种子，层层带动最后递减为静止层；最外层种子则反向运动，速度不断传递给其相邻种层直至静止层，速度自外向内依次递减，因此便形成环形流。漩涡状环流层增大种群活跃程度和更新程度，提供种子多次循环重复充种条件。

图6 种子运动状态

4.3 型孔带速度对充种性能的影响

仿真中固定种层厚度40 mm，型孔带倾角40°，参考生产率研究0.05、0.08、0.11、0.14和0.17 m/s 5种型孔带速度下的空穴率（充入0粒的型孔数量占总型孔数量的比），并应用EDEM 后处理Selection 模块下的geometry bin，输出与带接触的厚度为4 mm（厚度略大于一个种子的厚度）种层在2～6 s 内沿型孔带运动方向平均速度和种群与型孔带相对速度，得三者间关系见图7。

图7 不同型孔带速度下种群速度与空穴率的关系

结果表明，在一定范围内，型孔带速度越大，种子平均速度、种子与型孔带间相对速度越大，空穴率先降后升，表明种子囊入型孔需与型孔带间具有合适的相对速度，型孔带速度过低导致与其接触的种层与带间相对速度过低，过高则缩短单个型孔充种时间均导致空穴率较高，因此型孔带速度是影响充种的重要因素，过高过低都不利于充种，所得规律与前述理论分析结论一致。

4.4 种层厚度对充种性能的影响

固定型孔带速度和倾角分别为0.11 mm和40°，研究20、30、40、50、60 mm种层厚度下充种过程的环流状态，环流状态由环流直径（参见图6）和充种区长度表示，定义环流边缘距型孔带最大距离为环流直径。不同种层厚度充种空穴率与环流状态关系见图8，随种层厚度增大，环流逐渐形成且环流直径范围逐渐增大，充种区间长度逐渐变长，空穴率逐渐降低，过小的种层厚度不易形成涡流状环流层，充种区间很短，空穴率增高。因此充种区应保证一定的种层厚度。

图8 种层厚度与充种状态的关系

根据EDEM接触力计算方法种间内摩擦力可由法向力来表示[27]。与带接触的最下层种群为充种区域，求出不同种层厚度下该层种子平均法向应力如图9所示，随种层厚度增加，种子所受平均法向应力跳动量增大，增强种群间活跃程度，提高种群更新频率和种子瞬间变换姿态以适应型孔的能力，提高充种率；同时增大平均法向应力，种间内摩擦力变大，促进种群与带间相对速度适当减小增大型孔囊种几率因而降低了充种空穴率，可以推断，过高的种层厚度会使种群与带间相对速度过小，也不利于种子充填。

图9 不同种层厚度下种子法向应力

适当的种层厚度促进旋流形成并增大涡流直径及旋流层活跃程度；同时增长充种区提高循环复充种能力，从而降低空穴率，提高充种效果。

4.5 型孔带倾角对充种性能的影响

固定型孔带速度为0.11 m/s，种层厚度为40 mm，型孔带倾角分别为37°、40°、43°、46°和49°时带倾角与空穴率、相对速度及充种区长度关系如图10所示。在一定范围内，随着型孔带倾角的增大，种子受到型孔带的摩擦力变小，种群与带之间的相对速度变大，充种区间变短，导致充种空穴率升高。

图10 型孔带倾角与空穴率、相对速度及充种区长度关系

5 排种器性能试验

5.1 试验验证

基于排种器充种过程的离散元仿真分析，针对仿真结果较佳水平在中国农业大学工学院排种实验室进行台架验证试验。试验选用前述空育131水稻种子并筛选除芒，用DHG-9140A电热恒温鼓风干燥箱测得平均湿基含水率10.50%。试验装置包括种箱、型孔带、传动机构等组成，试验台架见图11。利用PhantomV9.1高速摄像机对试验过程中2个从动轴间型孔带充种情况进行拍摄记录。

1.机架 2.种箱 3.型孔带 4.主动轴 5.从动轴Ⅰ 6.护种带 7.从动轴Ⅱ

根据仿真分析结果，选择较优条件进行试验验证，较优组合为：型孔带倾角为43°，带转速为0.11 m/s，种层厚度为50 mm。试验指标为充种合格率1（充入1~3粒种子的型孔数量与总型孔数量的比）、充种多粒率2（充入3粒以上种子的型孔数量与总型孔数量的比）和充种空穴率3（参见4.3）。排种器稳定运转后取型孔带连续运转5圈的试验结果，重复试验3次，取平均值，得实际充种合格率为96.4%，充种多粒率为1.4%，充种空穴率为2.2%。0.11 m/s的型孔带速度与15×25穴盘可达400盘/h生产率，能满足水稻育秧精量排种器指标要求。

5.2 排种器破碎率试验

在以上试验条件下进行破碎率试验，根据GB/T6973-2005破碎率测定试验方法，破碎种子采用人工筛选，每次试验取样5 000粒测量排出种子质量和破碎种子质量，各重复3次试验求取平均值，计算种子破碎率（破碎种子质量与排出种子质量比值）。排出种子质量均值为138.06 g，破碎种子质量均值为0.25 g，计算破碎率均值为0.18%，破碎率较低。

6 结论与讨论

1）为提高充种性能，本文提出一种摩擦复充种型孔带式精量排种器，对充种过程进行理论分析，仿真分析了种层旋流往复运动提供了种子循环重复充种的条件，型孔带倾角、速度、种层厚度影响充种性能。

2）根据仿真分析结果，选择较优组合进行台架试验验证。结果表明，在型孔方向角为90°，型孔带倾角为43°，带转速为0.11 m/s，种层厚度为50 mm时充种合格率为96.4%，充种多粒率为1.4%，充种空穴率为2.2%，效果较好，能够满足杂交稻低播量精密播种的农艺要求。在以上试验条件下的破碎率试验表明，种子破碎率为0.18%，破碎率较低。

本文提出的型孔带式排种器通过增大开放式充种区利用摩擦复充种原理提高种子充填频率，充种性能得到改善，利用柔性型孔带和重力清种降低种子破碎。为提高型孔带运行平稳性，该装置需进一步提高加工精度和安装精度，增加高精度张紧装置，以提高其在工厂化穴盘育秧应用中的稳定性。该研究为后续水稻工厂化穴盘育秧精量播种机研究提供了基础。

[1] 李泽华，马旭，李秀昊，等. 水稻栽植机械化技术研究进展[J]. 农业机械学报，2018，49(5)：1－20.

Li Zehua, Ma Xu, Li Xiuhao, et al. Research progress of rice transplanting mechanization[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 1－20. (in Chinese with English abstract)

[2] 陶桂香，衣淑娟，汪春，等. 水稻钵盘精量播种机充种性能试验[J]. 农业工程学报，2013，29(8)：44－50.

Tao Guixiang, Yi Shujuan, Wang Chun, et al. Performance experiments of bowl dish precision seeder for rice in filling processing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(8): 44－50. (in Chinese with English abstract)

[3] 陈进，龚智强，李耀明，等. 超级稻穴盘育苗精密播种装置研究[J]. 农业机械学报，2015，46(1)：73－78.

Chen Jin, Gong Zhiqiang, Li Yaoming, et al. Experimental study on nursing seedlings of super rice precision seeder device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(1): 73－78. (in Chinese with English abstract)

[4] 鹿芳媛,马旭,谭穗妍，等.水稻芽种离散元主要接触参数仿真标定与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(2)：93－99.

Lu Fangyuan, Ma Xu, Tan Suiyan, et al. Simulative calibration and experiment on main contact parameters ofdiscrete elements for rice bud seeds[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(2): 93－99. (in Chinese with English abstract)

[5] 翟建波，夏俊芳，周勇. 气力式杂交稻精量穴直播排种器设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(1)：11－19.

Zhai Jianbo, Xia Junfang, Zhou Yong. Design and Experiment of pneumatic precision hill-drop drilling seed metering device for hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 11－19. (in Chinese with English abstract)

[6] 田立权，王金武，唐汉，等. 螺旋槽式水稻穴直播排种器设计与性能试验[J]. 农业机械学报，2016，47(5)：46－52.

Tian Liquan,Wang Jinwu, Tang Han, et al. Design and performance experiment of helix grooved rice seeding device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 46－52. (in Chinese with English abstract)

[7] Liu Cailing, Li Yanni, Song Jiannong, et al. Simulation design and experiment of a directional seed-feeding device[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2017, 26(4): 16－24.

[8] 周海波，马旭，姚亚利. 水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势[J]. 农业工程学报，2008，24(4)：301－306.

Zhou Haibo, Ma Xu, Yao Yali. Research advances and prospects in the seeding technology and equipment for tray nursing seedlings of rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(4): 301－306. (in Chinese with English abstract)

[9] 李洪昌，高芳，赵湛，等. 国内外精密排种器研究现状与发展趋势[J]. 中国农机化学报，2014，35(2)：12－16.

Li Hongchang, Gao Fang, Zhao Zhan, et al. Domestic and overseas research status and development trend of precision seedmetering device[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2014, 35(2): 12－16. (in Chinese with English abstract)

[10] 臧秀法，王晓勇，兰海涛. 国内外播种机械的研究现状及发展趋势[J]. 农业科技与装备，2014(12)：53－54.

Zang Xiufa, Wang Xiaoyong, Lan Haitao. Research status and development trend of seeder machine at home and abroad[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2014(12): 53－54. (in Chinese with English abstract)

[11] 杨坚，杨望，王高峰，等. 电磁振动式拌浆育秧水稻芽种播种机优化试验[J]. 农业工程学报，2012，28(6)：32－38.

Yang Jian, Yang Wang, Wang Gaofeng, et al. Optimization experiments on electromagnetic vibrated seeder of rice bud-seed for field seedling raising[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(6): 32－38. (in Chinese with English abstract)

[12] He Peixiang, Yang Mingjin, Chen Jian, et al. Photoelectric controlled metering device of electromagnetic vibrating type[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(5): 83－86.

何培祥，杨明金，陈建，等.光电控制电磁振动排种器的研究[J]. 农业工程学报，2003，19(5)：83－86. (in English with Chinese abstract)

[13] 李泽华，马旭，谢俊锋，等. 双季稻区杂交稻机插秧低播量精密育秧试验[J]. 农业工程学报，2014，30(6)：17－27.

Li Zehua, Ma Xu, Xie Jiufeng, et al. Experiment on precision seedling raising and mechanized transplanting of hybrid rice under low sowing rate in double cropping area[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(6): 17－27. (in Chinese with English abstract)

[14] 谭穗妍，马旭，吴露露，等. 基于机器视觉和BP神经网络的超级杂交稻穴播量检测[J]. 农业工程学报，2014，30(21)：201－208.

Tan Suiyan, Ma Xu, Wu Lulu, et al. Estimation on hole seeding quantity of super hybrid rice based on machine vision and BP neural network[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(21): 201－208. (in Chinese with English abstract)

[15] 谭穗妍，马旭，董文浩，等. 基于嵌入式机器视觉的水稻秧盘育秧图像无线传输系统[J]. 农业机械学报，2017，48(4)：22－28.

Tan Suiysn, Ma Xu, Dong Wenhao, et al. Design of rice nursery tray images wireless transmission system based on embedded machine vision[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(4): 22－28. (in Chinese with English abstract)

[16] 陈玉龙，贾洪雷，王佳旭，等. 大豆高速精密播种机凸勺排种器设计与试验[J]. 农业机械学报，2017，48(8)：95－104.

Chen Yulong, Jian Honglei, Wang Jiaxu, et al. Design and experiment of scoop metering device for soybean high-speed and precision seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 95－104. (in Chinese with English abstract)

[17] 刘艳芬，林静，李宝筏，等. 玉米播种机水平圆盘排种器型孔设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：37－45.

Liu Yanfen, Lin Jing, Li Baofa, et al. Design and experiment of horizontal disc seed metering device for maize seeder[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 37－45. (in Chinese with English abstract)

[18] 夏连明，王相友，耿端阳. 倾斜圆台型玉米精密排种器种子破损试验[J]. 农业机械学报，2012，43(12)：67－71.

Xia Lianming, Wang Xiangyou, Geng Duanyang. Corn seed damaging experiment in truncated cone precision metering[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2012, 43(12): 67－71. (in Chinese with English abstract)

[19] 罗锡文，刘涛，蒋恩臣，等. 水稻精量穴直播排种轮的设计与试验[J]. 农业工程学报，2007，23(3)：108－112.

Luo Xiwen, Liu Tao, Jiang Enchen, et al. Design and experiment of hill sowing w heel of precision rice direct-seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(3): 108－112. (in Chinese with English abstract)

[20] 刘彩玲，王超，宋建农，等. 振动供种型孔轮式非圆种子精密排种器设计与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(5)：108－115.

Liu Cailing, Wang Chao, Song Jiannong, et al.Design and seed-filling test of cell-type precision seed-metering device with vibration technology[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 108－115. (in Chinese with English abstract)

[21] 张明华，罗锡文，王在满. 水稻直播机组合型孔排种器设计与试验[J]. 农业机械学报，2016，47(9)：30－36.

Zhang Minghua,Luo Xiwen,Wang Zaiman. Design and experiment of combined hole-type metering device of rice Hill-drop drilling machine[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(9): 30－36. (in Chinese with English abstract)

[22] 李旭，谢方平，刘大为，等. 型孔轮式水稻排种器排种监控系统设计[J]. 湖北农业科学，2015，54(3)：693－696.

Li Xu, Xie Fangping, Liu Dawei, et al. Design of sowing monitoring system of type hole wheel seed metering device[J]. Hubei Agricultural Sciences,2015, 54(3): 693－696. (in Chinese with English abstract)

[23] 王在满，杨文武，蒋恩臣. 型孔轮式水稻排种器排种机构的优化设计[J]. 农机化研究，2010，32(8)：16－19.

Wang Zaiman, Yang Wenwu, Jiang Enchen. The optimal design of the seed-falling device of cell wheel rice feed mechanism[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(8): 16－19. (in Chinese with English abstract)

[24] 王冲. 基于种子外形轮廓的型孔轮式水稻单粒精密排种器理论与试验研究[D]. 北京：中国农业大学，2011.

Wang Chong. Theoretical and Experimental Research on Type-hole Single Grain Precision Metering Device of based on Rice Seed Contour[D]. Beijing: China Agricultural University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[25] 张波屏. 播种机械设计原理[M]. 北京：机械工业出版社，1982.

[26] 贾富国，韩燕龙，刘扬，等. 稻谷颗粒物料堆积角模拟预测方法[J]. 农业工程学报，2014，30(11)：254－260.

Jia Fuguo, HanYanlong, Liu Yang, et al. Simulation prediction method of repose angle for rice particle materials[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(11): 254－260. (in Chinese with English abstract)

[27] 史嵩，张东兴，杨丽，等. 基于EDEM软件的气压组合孔式排种器充种性能模拟与验证[J]. 农业工程学报，2015，31(3)：62－69.

Shi Song, Zhang Dongxing, Yang Li, et al. Simulation and verification of seed-filling performance of pneumatic- combined holes maize precision seed-metering device based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3):62－69. (in Chinese with English abstract)

Filling performance analysis and verification of cell-belt rice precision seed-metering based on friction and repeated filling principle

Liu Cailing, Wang Yali, Du Xin, Song Jiannong, Wang Jicheng, Zhang Fuyin

(,,,100083)

Precision seeding of rice is key technology to achieve the modernization of rice cultivation. At present, most seeding precision of rice in China is 1 to 7 per hole, which is hard to achieve the requirements of seeding precision. A cell-belt type precision seed-metering device based on friction and repeated filling principle was developed aimed at meeting the production requirement of sowing (2±1) seeds into per hole to solve the problem on the precision seeding of low sowing quantity for hybrid rice seedling production. Structure and working principle of the cell-belt type precision seed-metering device was described, and the result showed the feasibility of precision of the seed-metering device. Structure size of key components was analyzed, included the shape and dimensions of cell, the distribution of cell, the dimensions of cell-belt. The mechanics and kinematics on seed-filling processing mechanism was analyzed, from which the filling conditions was found out. And the factors influenced the filling performance was received, including the angle of cell, velocity of the cell-belt and thickness of seed layer. And this provided theoretical basis for the design of metering device. With the consideration of the motion direction, the resistance and the processing difficulty, the directional angle of cell was designed as 90°, which meant the direction of the long side of the cell was in accordance with the motion direction of the belt. Multiple and repeated seed filling process was simulated. And the single factor tests on the effects of cell-belt velocity, cell-belt inclined angle and seed layer thickness on seed filling performance was performed by EDEM software. It showed that: the leakage rate decreased first and then increased as the increases of the cell-belt velocity; the circulation layer formed and the range of it became larger gradually as increasing the seed layer thickness, which caused the longer of the filling interval and could decrease the leakage rate; the filling interval decreased and leakage rate increased as increasing the cell-belt inclined angle. On this basis, the prototype device was designed in accordance with the parameters of the metering device. According to the tests and the analysis based on the simulation, the optimal conditions were selected for experimental verification. The optimal parameters combination of the cell-belt inclined angle, cell-belt velocity and seed layer thickness was 43°, 0.11 m/s, 50 mm, respectively. The text response parameters of the result were the seed-filling qualified rate (the rate of sowing (2±1) seeds into per hole), the multiple seed rate (the rate of sowing >3 seeds into per hole) and the leakage rate (the rate of sowing 0 seed into per hole), respectively. The result was that: The seed-filling qualified rate, the multiple seed rate, the leakage rate were 96.4%, 1.4% and 2.2%, respectively. Under the same condition, the crushing test was done, and the average of 3 tests result showed that the broken rate was 0.18%, which was enough for the practical production. The cell-belt rice precision seed-metering device based on friction and repeated filling principle could meet the requirements of precision seeding. The research results provide a reference for the design of precision seeding machine for factory plug seedlings.

mechanization; crops; computer simulation; repeated seed filling; cell-belt; precision seeding; discrete element; test

刘彩玲，王亚丽，都 鑫，宋建农，王继承，张福印. 摩擦复充种型孔带式水稻精量排种器充种性能分析与验证[J]. 农业工程学报，2019，35(4)：29－36. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.004 http://www.tcsae.org

Liu Cailing, Wang Yali, Du Xin, Song Jiannong, Wang Jicheng, Zhang Fuyin. Filling performance analysis and verification of cell-belt rice precision seed-metering based on friction and repeated filling principle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 29－36. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.004 http://www.tcsae.org

2018-08-03

2019-01-24

国家重点研发计划项目（2017YFD0300907）

刘彩玲，副教授，博士生导师，主要从事农业机械与农业装备研究。Email：cailingliu@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.004

S223.2

A

1002-6819(2019)-04-0029-08