水稻内充气力式精量穴播排种器排种性能试验

张顺，杨继涛，李勇，廖娟，李兆东，朱德泉

(1.安徽农业大学工学院，安徽 合肥 230036；2.安徽省智能农机装备工程实验室，安徽 合肥 230036)

随着农村劳动力成本的增加，相比水稻移栽种植模式，省工节本、轻简高效的水稻直播种植模式经济效益日益凸显，水稻直播种植面积逐年扩大[1-2].水稻精量穴直播技术能将稻种按其所需行距、株距和穴粒数的种植农艺要求均匀成穴地布于田间，易获得稳产高产的种植效果[3-4].近年来，分蘖力强、产量高的杂交稻直播品种的选育推广，对每穴播量2～4粒稻种的精量穴直播技术及配套装备的需求更为迫切.

水稻精量穴直播技术的核心工作部件是排种器.已有众多学者提出多种机械式排种方法，力求实现杂交水稻的精量穴直播排种[5-8]，但由于稻种形状不规则，种群流动性差，脆性大等固有属性，单凭机械囊取实现每穴2～4粒精量低损伤排种较为困难.

气力式排种原理则依靠无刚性气流对稻种进行吸附和吹送，对种子形状尺寸适应性强，不伤种，是实现水稻精量穴直播排种的可行手段之一[9].刘彩玲等[10]研制了一种针吸辊式精量直播排种器，其单粒吸种率偏高.张国忠等[11-12]提出了一种具有群布吸孔的垂直盘吸式排种器，排种性能还有待提升.

为满足杂交稻田间精量穴直播的种植要求，本研究融合稳定可靠的机械搅种，定量吸种的群布吸孔及充种性能优越的内充种方式，提出了一种水稻内充气力式精量穴播排种器，利用排种滚筒周向上的内充窝眼旋转搅动种群，增强充种区种群流动性，提高排种器的吸、排种性能.本文开展排种器工作参数的理论分析与试验研究，寻求排种器适宜的排种工作参数组合，以期为实现杂交稻气力式精量穴直播排种提供理论依据.

1 排种器结构与工作原理

如图1所示，水稻内充气力式精量穴播排种器主要由种子箱、排种器壳体、排种滚筒、气室密封组件、导种管等组成.由于稻种球形度低，表壳有稃毛，种群内摩擦阻力大，流动性差.为改善种群在充种区的流动性，参考种群搅动齿的形式，并融合定量吸种的群布吸孔方式，设计排种滚筒为内窝眼多吸孔的结构.具体尺寸参数如图2所示.窝眼形状采用前期试验研究得出的易于稻种以“平躺”和“侧卧”姿态囊入和投出的圆锥形窝眼[13].吸孔直径d尺寸参考经验公式[14].

d=(0.64～0.66)w

(1)

式中：d为吸孔直径(mm)；w为种子平均宽度(mm).

试验稻种选用适宜安徽省沿淮、江淮地区旱直播种植的‘冈优898’品种，湿基含水率12.29%，千粒质量27.010 g，平均三轴尺寸长×宽×厚为8.35 mm×2.89 mm×2.01 mm .根据稻种平均宽度尺寸，并参考前期试验研究结果[15]，吸孔直径d取1.4 mm，吸孔间距取4.0 mm.

由于排种滚筒内部周向上的窝眼为倒圆锥结构，整体直接机加工成型较为困难，故将其划分为外部吸孔滚筒和内部窝眼圈两部分组成，窝眼圈采用工程塑料3D打印制成.吸孔滚筒由于需与排种器壳体以及上、下隔气块构成真空气室，要求滚筒外壁面具有一定的加工精度以提升气室的密封效果，故采用金属铝机加工制成.两者通过螺钉紧固连接.

排种器工作时，将排种器壳体的出气口接风机的进气端，风机启动后，排种器真空气室内的气体被持续抽空，形成一定的吸种负压，排种滚筒逆时针旋转，由种子箱进入排种滚筒内部的种子在自身重力、离心力及种群侧压力的综合作用下充入窝眼，随窝眼转到负压吸种弧段，分布在窝眼底部的3个负压吸孔将充入窝眼并靠近吸孔的稻种定量吸附，当窝眼转离种群后，未被吸孔稳定吸附的稻种在自身重力作用下落回充种区，完成自重清种，形成内窝眼多吸孔的精量吸种，当窝眼继续旋转到导种管上方时，由于3个吸孔气流同时被上隔气块切断，失去吸附力的稻种随即脱离吸孔和窝眼落入下方的导种管，并由导种管导向种床.

1：气室密封板；2：盖板；3：卸种板；4：窝眼圈；5：吸种滚筒；6：下隔气块；7：出气口；8：真空气室；9：上隔气块；10：导种管；11：支座；12：传动轴；13：排种器壳体；14：种子箱；15：链轮；Ⅰ：充种区；Ⅱ：携种区；Ⅲ：充种区吸种弧段；Ⅳ：负压吸种弧段1：Air chamber sealing plate；2：Cover plate 3.Unloading plate；4：Socket ring；5：Seed-absorbed cylinder；6：Lower air spacer；7：Air outlet；8：Vacuum air chamber；9：Upper air spacer ；10：Seed spout；11：Support；12：Transmission shaft；13：Seed-metering device shell；14：Seed box；15：Sprocket；Ⅰ：Filling area；Ⅱ：Carrying area；Ⅲ：Seed-absorbed arc section of filling area；Ⅳ：Vacuum seed-absorbed arc section.图1 排种器结构示意图Figure 1 Structure diagram of seed-metering device

l为窝眼入口直径对应的弧长，m；s为窝眼间隔宽，m；d为吸孔直径，m；Ds为排种滚筒内径，m；R为吸种滚筒内半径，m.l is arc length corresponding to the inlet diameter of socket,m;s is spacer thickness between two sockets,m；d is suction hole diameter,m;Ds is inner diameter of seeding cylinder,m;R is inner radius of seed-absorbed cylinder.图2 排种滚筒结构示意图Figure 2 Structure diagram of seeding cylinder

2 排种器工作参数分析

2.1 排种滚筒转速

直播机田间作业速度V与排种滚筒转速n存在如下关系：

(2)

式中：V为直播机田间直播作业速度，m/s；n为排种滚筒转速，r/min；z为排种滚筒周向窝眼数；L为播种穴距，m.

排种滚筒内径Ds与其周向窝眼数z存在如下关系：

(3)

式中：Ds为排种滚筒内径，m.

由式(2)可知，当直播稻品种所需的播种穴距L及直播机作业速度V一定时，排种滚筒的转速n与其周向窝眼数z成反比.由式(3)可知，在窝眼尺寸及其间隔宽s固定时，增大排种滚筒内径Ds，可增多排种滚筒周向窝眼数z，从而降低排种滚筒转速n，延长窝眼充种与吸孔吸种时间，提升排种器充、吸效果.但不能一味地增大排种滚筒内径尺寸和增多周向吸孔数，避免排种器整体结构偏大导致笨重，吸气量增加而增大风机负担.综合考虑排种器壳体、真空气室等空间尺寸，并参考目前窝眼轮式排种器排种滚筒直径80～260 mm的研究生产经验，确定排种滚筒内径Ds为150 mm[16].设计滚筒周向窝眼数z=14，则根据式(3)及已知窝眼入口直径对应的弧长17.6 mm，得相邻窝眼间隔宽s为16 mm，相比单粒稻种的最大长度尺寸较大，可有效避免相邻窝眼充种时的抢种与投种时的交叉现象.

当排种滚筒结构参数确定后，由当前水稻直播机田间作业时最大前进速度为1.2 m/s，以及取杂交稻一般种植株距为0.20 m，可得排种滚筒转速为25.71 r/m，此时排种滚筒窝眼入口处圆周线速度小于0.3 m/s，有利于提高排种器的充种性能[17-19].

2.4 吸种负压

由排种过程可知，进入排种滚筒内的稻种充入窝眼后，随着排种滚筒的旋转进入真空负压吸种弧段，真空负压吸种弧段包括充种区吸种弧段和整个携种区吸种弧段.当窝眼转出充种区进入携种区时，由于稻种受到自身重力的作用，窝眼外部稻种翻转滚落回充种区，窝眼内部未被吸孔稳固吸附的多余稻种同样滑出窝眼落回充种区，则窝眼转出充种区的瞬间，窝眼内被吸附稻种仅受到窝眼内少数几粒与之接触的未被稳固吸附稻种自重清种时的种间摩擦力作用，此时被吸附稻种所受种间摩擦力的方向应为阻碍其运动的方向.为便于分析将纺锤体状的稻种简化为均质椭球体，其几何中心为稻种质心.对窝眼内任意单粒被吸附稻种进行受力分析，如图3所示.

由图3可知，稻种被稳定吸附时，其受力关系如下：

(4)

由于稻种尺寸相比于排种滚筒内径尺寸很小，故α近似等于θ，则式(4)的前1式可整理为

N=Fc+FD-Gsinθ

(5)

为确保稻种在窝眼转出充种区的瞬间及整个携种区的稳定吸附，则吸种滚筒内壁面对稻种的支持力N必须大于零，式(5)进一步整理得

FD>Gsinθ-Fc

(6)

o为稻种质心；G为稻种自身重力，N；FD为吸孔负压吸附力，N；Fc为稻种的离心惯性力，N；Ff为吸种滚筒内壁面对稻种的摩擦力，N；Fi为稻种所受种间摩擦力，N；N为吸种滚筒内壁面对稻种的支持力，N；θ为吸孔轴线与水平面夹角，(°)；α为稻种质心和排种滚筒圆心的连线与水平面夹角，(°)；l1为质心o到摩擦力Ff作用线的垂直距离，m；l2为质心o到吸附力FD作用线的垂直距离，m.o is the seed centroid；G is seed gravity,N;FD is adsorption force of suction hole,N；Fc is seed’s centrifugal force,N；Ff is friction of the inner wall of seed-absorbed cylinder on seed,N；Fi is friction between seeds,N；N is supporting force of the inner wall of seed-absorbed cylinder on seed,N；θ is the angle between suction hole axis and horizontal plane,(°);α is the angle between horizontal plane and the line connecting of seed centroid with seeding cylinder center,(°)；l1 is the vertical distance from o to the action line of Ff,m；l2 is the vertical distance from o to the action line of FD,m.图3 被吸附稻种受力图Figure 3 Forces on rice seed absorbed by suction hole

其中：

(7)

式中：Δp为吸孔两侧压差，即吸种负压，Pa；k为综合各因素的比例系数，对于稻种取k=0.96；m为稻种质量，kg；ω为排种滚筒旋转角速度，rad/s；R为吸种滚筒内半径，m.

式(7)带入式(6)整理得

(8)

由式(8)可知，水稻内充气力式排种器所需吸种负压Δp与稻种质量m，吸孔位置角度θ，排种滚筒转速n，吸种滚筒内半径R，比例系数k及吸孔直径d有关.根据排种器的负压吸种弧段可知，当吸孔转到导种管上方，即吸孔位置角度θ为90°时，排种器所需吸种负压为最大，并将已测稻种的千粒质量、排种滚筒尺寸、吸孔直径及比例系数带入(8)式，得满足排种器正常排种的吸种负压为

Δp>179.21-1.50×10-2n2

(9)

由式(9)可知，当所播稻种及排种滚筒结构参数确定后，吸种负压Δp仅与排种滚筒转速n有关，且随着排种滚筒转速的增大而减小，故内充气力式排种器的稻种离心力为其自身被吸附提供一定的助吸作用，但在水稻穴直播机一般的作业速度对应的排种滚筒转速范围内，对吸种负压影响很小，故排种器正常排种的吸种负压应大于179.21 Pa.对于形状不规则的稻种，由于吸种姿态的随机性，不能确保稻种均以完全贴附并覆盖吸孔的状态被稳固吸附，较低的吸种负压难以稳固吸附稻种，易受外界振动的干扰而漏吸，通过前期的排种试验发现，当吸种负压低于800 Pa时，排种漏播率偏高，故本文排种试验的吸种负压均不小于800 Pa.

3 排种性能试验

3.1 试验材料与方法

试验稻种为‘冈优898’品种，户外晒种并室内阴晾至常温，除杂后采用JPS-12型排种器性能检测试验台进行排种试验，试验装置如图4所示.

试验参考《铺膜穴播机作业质量》(NY/T 987-2006)，连续统计排种器稳定排种时油带上250穴稻种的粒数及穴距.每组试验重复3次，各性能指标计算公式见式(10).文献[20]指出，杂交稻穴直播生产实际中，一穴1粒稻种的播种效果能有一定的出苗率，一穴0粒稻种则空穴无苗，故将一穴0粒稻种的空穴率也作为本排种器的性能考核指标之一.

(10)

1：负压源；2：U型管测压计；3：排种器；4：JPS-12型排种器性能检测试验台.1：Negative pressure source；2：U-type tube manometer；3：Seed-metering device；4：JPS-12 type performance test rig of metering device.图4 排种器排种性能试验装置Figure 4 Apparatus for performance testing of seed-metering device

3.2 试验设计

3.2.1 单因素试验 为明确排滚筒转速和负压气室真空度两个主要工作参数对排种器性能指标的影响，分别进行单因素试验.根据前文的理论分析及前期的试验研究，在当前直播机田间作业速度范围内[17]，划分排种滚筒转速为8、10、15、20、25、30、35 r/min共7个水平；负压气室真空度分别取0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8 kPa共6个水平.

3.2.2 双因素试验 在明确排种滚筒转速和负压气室真空度两个工作参数对排种器性能指标影响规律的基础上，为探究排种器适宜的排种工况，分析影响排种性能的主次要因素，开展上述两个主要工作参数的双因素试验，根据单因素试验的分析结果，确定双因素试验的水平选取.

3.3 试验结果与分析

3.3.1 排种滚筒转速单因素试验结果分析 排种滚筒转速单因素试验设定排种器的负压气室真空度为1.0 kPa，试验结果见表1.

由表1可知，随着排种滚筒转速的增大，排种器的空穴率、漏播率、重播率、穴距变异系数缓慢增大后急剧上升；穴粒数合格率缓慢减小后急剧下降；穴距平均值先在理论穴距200 mm上下波动后快速增大；总排种粒数在762.33～797.00之间波动.当排种滚筒转速较低时，窝眼及内部吸孔有充分的囊种和吸种时间，且每穴稻种在导种管上方的投种速度较低，其在导种管中的随机碰撞较为缓和，落在油带上的每穴稻种能形成较为明显的穴距间隔，成穴性较好，如图5所示.在排种滚筒转速8～25 r/min的范围内，排种性能较高，穴粒数合格率均达到或超过90.13%，漏播率均不大于3.60%，空穴率均不大于1.60%，穴距平均值在200 mm上下浮动，穴距变异系数均不大于14.50%，均能较好满足穴播机作业质量标准要求[21].随着排种滚筒转速的增大，每穴稻种的投种速度增大，稻种在导种管中的随机碰撞较为激烈，碰撞次数随之增加，且每穴多粒稻种的运动轨迹不一而同，穴内多粒稻种到达油带一致性较低，从而导致油带上相邻穴稻种出现串穴现象，成穴性变差，穴距变异系数急剧上升，在总排种粒数较为稳定的情况下，漏播率和重播率均急剧增大，从而造成穴粒数合格率急剧下降.

表1 排种滚筒转速单因素试验结果

3.3.2 负压气室真空度单因素试验结果分析 负压气室真空度单因素试验设定排种器的排种滚筒转速为10 r/min.试验结果见表2.

由表2可知，随着负压气室真空度的增大，排种器的空穴率先减小后稳定于零；漏播率先快速下降后缓慢减小；穴粒数合格率先增大后缓慢降低再急剧下降；重播率缓慢增大后急剧上升；总排种粒数逐渐增大，穴距平均值先在200 mm上下波动后快速下降；穴距变异系数在7.93～9.50之间波动.当负压气室真空度为0.8 kPa时，窝眼内吸孔对稻种的吸附力较弱，贴邻吸孔的稻种虽然在充种区被吸孔吸附，但在携种区易受自身重力作用脱离吸孔，导致漏播率偏高，出现空穴现象；随着负压气室真空度的增大，吸孔对稻种的吸附力逐渐增强，吸孔单粒吸种、携种效果显著改善，漏播率快速下降，重播率有所提升，穴粒数合格率略有提高；随着负压气室真空度的继续增大，一孔多吸的概率逐渐增大，被稳固吸附的稻种较难实现自重清种作用，故重播率持续增大，漏播率逐渐减小，空穴率为零，穴粒数合格率先因重播率的缓慢增大而缓慢降低，后因重播率的急剧上升而急剧下降.当负压气室真空度在1.0～1.4 kPa范围内时，排种性能较好，穴粒数合格率均达到或超过90.27%，漏播率均不高于1.47%，空穴率为零，穴距平均值在理论穴距200 mm上下浮动，穴距变异系数均不大于8.90%.

图5 试验台油带上的排种效果Figure 5 Distributions of rice seeds on test bench

表2 负压气室真空度单因素试验结果

3.3.3 双因素试验结果分析 根据排种滚筒转速和负压气室真空度单因素试验的分析结果，遵循水稻田间精量穴直播在保证一定合格率的前提下，降低漏播率，避免空穴[20]，设定排种滚筒转速与负压气室真空度双因素试验水平，水平设置与试验结果见表3.

由表3可知，同一转速下，随着负压气室真空度的逐渐增大，排种器的总排种粒数逐渐增多，重播率逐渐上升，穴粒数合格率逐渐下降，空穴率和漏播率基本均呈现减小趋势，但在转速为20、25 r/min时，空穴率和漏播率则呈现先减小后增大的趋势.究其原因可能为：一孔多吸稻种的穴数增多，且每穴稻种投种速度较大，每穴稻种与导种管的随机碰撞增多，导致落在油带上相邻穴的稻种串穴频繁，造成串穴区域性能统计出现一穴内有两穴的粒数导致重播，而另一穴为漏播或空穴，故重播率急剧上升的同时，空穴率和漏播率均呈现增大的趋势.

表3 双因素试验结果

在试验参数范围内，排种器在8～15 r/min的排种滚筒转速下，排种性能较好，当负压气室真空度为1.0～1.3 kPa时，穴粒数合格率均达到或超过88.80%，漏播率均不大于2.40%，空穴率均不大于0.67%，且(5～6)粒/穴率均不高于9.60%，>6粒/穴率均不高于0.93%，能较好满足杂交稻田间精量穴直播的低漏播与少重播排种.

对该区间的试验数据针对穴粒数合格率和漏播率两个性能指标进行方差分析，结果见表4.

由表4中各试验因素的F检验值可知，在该工作参数区间内，影响穴粒数合格率和漏播率的主次因素均为：负压气室真空度>排种滚筒转速>排种滚筒转速与负压气室真空度的交互作用.由P值可知，排种滚筒转速对穴粒数合格率有极显著影响，对漏播率有显著性影响；负压气室真空度对穴粒数合格率和漏播率均有极显著影响；两者的交互作用对穴粒数合格率和漏播率均无显著性影响.可见，排种器的排种性能对其两个主要工作参数均较为敏感，田间播种作业时因尽量维持稳定的工作参数组合.

表4 性能指标双因素方差分析

**<0.01(极显著)；*<0.05(显著).

**<0.01 (Highly significant)；*<0.05 (Significant).

4 结论

基于杂交稻精量穴直播的种植农艺要求，提出了一种具有多吸孔窝眼结构的内充气力式精量穴播排种器，根据水稻穴播机一般作业速度，确定了排种器的排种滚筒转速范围；构建了稻种吸附力学模型，探讨了排种器正常排种时所需负压气室真空度.

排种器台架试验结果表明：在排种滚筒转速8～15 r/min、负压气室真空度1.0～1.3 kPa的工作参数区间内，排种性能较优，穴粒数合格率达到或超过88.80%，漏播率不大于2.40%，空穴率不大于0.67%，且(5～6)粒/穴率不高于9.60%，>6粒/穴率不高于0.93%，能满足杂交稻田间精量穴直播的排种要求.在该区间内，影响穴粒数合格率和漏播率的主次因素为：负压气室真空度>排种滚筒转速>排种滚筒转速与负压气室真空度的交互作用；排种滚筒转速对穴粒数合格率有极显著影响，对漏播率有显著性影响；负压气室真空度对穴粒数合格率和漏播率均有极显著影响；两者的交互作用对穴粒数合格率和漏播率均无显著性影响.

提出的多吸孔窝眼结构的内充气吸式水稻精量排种方法省去了清种和携护种装置，精简了排种机构，极大地缩短了排种环节，可为排种器短程排种路径的实现提供参考.