油菜精量穴播集中排种装置设计与试验

雷小龙 杨文浩 杨龙君 刘礼阳 廖庆喜 任万军

(1.四川农业大学机电学院， 雅安 625014； 2.四川农业大学作物生理生态及栽培四川省重点实验室， 成都 611130；3.华中农业大学工学院， 武汉 430070)

0 引言

油菜是中国重要的油料作物，也是冬季长江流域稻田和旱地主要种植作物[1]。受限于粘重土壤、播种季节正值连续阴雨天气、田块小而分散、存在一定坡度等客观条件，轻简化、精量化和集成化的油菜精量直播机成为解决丘陵山区油菜机械化播种水平低问题的重要途径[2]。

排种器是影响播种质量的核心部件，可分为单体式排种器和集中排种器。吴福通[3]、田波平等[4]采用“负压吸种、正压吹种”的原理，研制了正负气压组合式油菜精量排种器，属单体式油菜排种器，实现了油菜等小粒径种子精量排种，排种器的合格指数高于90%[5]。以正负气压组合式油菜精量排种器为核心的2BFQ系列油菜精量联合直播机在湖北、湖南、江西和新疆等地区进行了大面积示范和推广。

集中排种器具有播种机结构和传动系统简单，装卸种便捷、高速，作业高效等优点，已广泛应用于国内外播种机[6]。为解决油菜集中排种的问题，廖庆喜等[7]设计了油菜槽孔轮式排种器，提出了清种轴清种、护种带护种和钢丝推种的排种技术；还研制了机械离心式油菜排种器[8]，其核心部件为倒置内锥筒，依靠种子离心力实现一器多行排种，可同时排种6～10行，结构简单；应用EDEM软件对离心式排种过程进行仿真，优化型孔结构和工作参数[9-10]，并设计枝状阀式分流装置，将单个型孔的排出种子分成2行，提高了田间作业适应性[11]。李明等[12-13]设计了气力滚筒式油菜精量集排器，可实现6行精量播种，并建立了负压值、正压值与结构参数、运行参数的关系模型。李兆东等[14-15]采用气流清种与气压护种组合技术，设计了一种油菜精量气压式集排器。除了针对油菜的集中排种器，应用于小麦、玉米、水稻的气力式集中排种器也成为排种器的研究热点[16-21]。

笔者前期基于油菜、小麦的物料特性和单位面积播种量，研制了油麦兼用型气送式集中排种器[22-26]；采用倾斜锥柱状排种轮机械供种和气流输送分配成行的排种方式，实现了油菜小麦兼用排种，并开展了较大面积生产性试验示范[27]。为进一步提高播种精度和精简排种环节，实现油菜成穴或株距均匀播种，提出一种油菜精量穴播集中排种装置，确定穴播集中排种装置的渐开线型孔结构参数，进行排种过程的EDEM仿真和油菜成行成穴排种性能试验，以适应长江流域的油菜播种轻简化作业。

1 排种装置结构与工作原理

1.1 油菜精量穴直播机工作原理

油菜精量穴直播机包括自走式驱动底盘、穴播排种装置、电机、导种管、双圆盘开沟器和封闭除草装置等，如图1所示。油菜精量穴直播机以自走式驱动底盘作为动力源带动油菜精量集排器和双圆盘开沟器等装置前进，自走式驱动底盘的驱动轮为实心窄橡胶轮，可适应较高含水率条件下的黏重土壤。穴播集中排种装置和双圆盘开沟器分别安装于自走式驱动底盘上方和后端。

图1 油菜精量穴直播机结构示意图

油菜精量穴直播机工作时，穴播集中排种装置在电机和变速控制器的作用下排出6行成穴种子流进入导种管中，在双圆盘开沟器作用下种子进入适当深度的土壤中，完成开沟覆土；同步地，封闭除草装置打开喷药泵进行施药，完成封闭除草，从而提高生产效率。油菜精量穴直播机通过精简传动系统和结构，属油菜轻简型直播机械，其主要技术参数如表1所示。

1.2 油菜穴播集中排种装置结构与工作过程

油菜穴播集中排种装置主要包括种箱、壳体、种层调节板[23]、成穴排种机构、护种带和分配管等，如图2所示。种层调节板位于壳体与成穴排种机构形成的充种室内，调节种层高度控制充种量。油菜穴播集中排种装置包括充种、携种、护种和投种4个过程，成穴排种机构在充种室完成单穴1～3粒精量充种，携种至由硅胶板形成的护种带护送种子进入投种区，完成投种过程。其中，由6个成穴排种轮组成的排种机构对应6行排种，是实现集中精量穴播的核心。

表1 油菜精量穴直播机主要技术参数

图2 油菜精量成穴集中排种装置结构示意图

油菜穴播集中排种装置工作时，油菜种子由种箱进入充种室，在种层调节板作用下保持稳定的种层厚度，种子在重力和成穴排种轮扰动作用下充入型孔，充入种子的型孔经过携种区进入护种区，种子持续停留在型孔中进入投种区，在重力和离心力作用下完成投种。6行成穴排种轮型孔排出6行种子进入分配管，成穴地将种子输送至导种管，完成集中排种过程。

2 排种装置结构设计

2.1 排种轮型孔设计

油菜种子具有粒径小、球形度高和流动性好的特征，选取了常用的蓉油11、中双11和华油杂62共3个品种为测试对象，三轴尺寸如表2所示。不同类型油菜种子的外形尺寸、千粒质量具有一定差异，油菜种子的长度范围为1.6～2.5 mm(图3)；当量直径集中于1.9～2.1 mm，球形度高于94%。由于油菜种子粒径范围较大，为实现精量穴播排种，考虑农艺技术的成苗率等因素，确定单穴(2±1)粒为播种量。油菜充种、投种和排种性能受排种轮型孔结构与尺寸的影响。

表2 不同油菜种子的参数

图3 油菜种子长度概率分布

为实现油菜单穴(2±1)粒精量排种，主要体现为大粒种子单粒排种，中小粒种子2或3粒排种。设计型孔应满足型孔不堵塞，基于前期研究[22,28]，锥柱状和渐开线状型孔均能有效提高充种性能。为提高充种性能且精量排种，采用的渐开线状型孔结构如图4所示。参照经验公式[28]，得到型孔关键参数的公式为

(1)

式中a——型孔下沿宽度，mm

ka——下沿宽度系数，范围为1.1～1.3

b——型孔上沿宽度，mm

kb——上沿宽度系数，范围为1.7～2.0

c——型孔下沿长度，mm

kc——下沿长度增量，取0.1～0.4 mm

d——型孔上沿长度，mm

kd——上沿长度系数，取1.2～1.5

h——型孔深度，mm

kh——孔深系数，取1.1～1.3

Lmax——油菜种子最大长度，mm

Lmean——油菜种子平均长度，mm

图4 型孔结构

根据图3中油菜种子的最大尺寸和油菜种子的粒径范围为1.6～2.5 mm，取ka和kh均为1.2，确定a和h分别为3.0 mm和2.6 mm；取kb、kd分别为2.0、1.4，b和d分别为4.9、3.5 mm；kc取0.25 mm，c为2.25 mm。

为满足型孔尺寸，型孔左壁面和右壁面需满足渐开线方程[28]，渐开线结构如图5所示。图5中，A为左壁面渐开线始点；B为左壁面渐开线与排种轮交点；C为右壁面渐开线始点；D为右壁面渐开线与型孔的初始交点；F为右壁面渐开线与排种轮交点。

其中

(2)

式中x——渐开线横坐标，mm

y——渐开线纵坐标，mm

x0——渐开线初始横坐标，mm

y0——渐开线初始纵坐标，mm

s——调节参数，mm

r0——基圆半径，mm

t——时间，s

θ——渐开线极角，(°)

图5 渐开线状型孔结构图

点A和D的坐标分别为(-3，37.4)和(0，37.4)。根据文献[28]的方法，确定r0为8 mm，则B的坐标为(-2.8，39.9)。根据型孔尺寸，F的坐标为(2.1，39.95)，则确定C坐标为(-3，28)、r0为8 mm。型孔侧面呈弧形，圆弧半径R为40 mm。同时对各边沿倒圆0.5 mm，形成的油菜排种轮型孔如图5所示。

2.2 成穴排种轮结构设计

根据农艺要求，油菜种植密度45～60万株/hm2，可有效增加产量[29]。田间播种时，农艺要求的种植密度为

(3)

式中k——单穴植株数量，株

m——行距，mw——株距，m

田间作业的播种速率为

(4)

式中v——播种机前进速度，m/s

B——幅宽，m

成穴排种机构的排种速率为

(5)

式中kp——型孔充种数量，粒

Z——成穴排种轮数量

N——成穴排种轮上型孔数量

n——成穴排种轮转速，r/min

农艺要求的种植密度与播种速率的关系为

Qf=pvBQb

(6)

式中p——出苗率

由式(3)～(6)可知，农艺要求的播种速率应与成穴排种机构的排种速率相同，则

(7)

式(7)表明，当播种幅宽B、前进速度v一定时，油菜田间种植密度与型孔充种数量kp、成穴排种轮数量Z、成穴排种轮上型孔数量N、成穴排种轮转速n呈正相关关系。本研究针对6行排种，则成穴排种轮数量Z为6个。成穴排种轮转速n具有适宜的区间，转速n和排种轮型孔数量N均受成穴排种轮直径的影响。增加成穴排种轮直径可增加型孔数量N，在相同排种穴数条件下降低转速，提高油菜种子充种性能；但增加成穴排种轮直径增大排种器尺寸，不利于实现轻简化。因此，结合窝眼轮排种器和降低排种器尺寸的设计要求，确定成穴排种轮直径D为80 mm。

由于型孔数量N受成穴排种轮直径D的限制，即

(8)

根据型孔尺寸和满足强度要求，型孔数量应满足N<25。

在播种幅宽B和前进速度v分别为2 m和2.5～5.0 km/h时，要求单位种植密度为45株/m2条件下，根据式(7)分析，排种排种轮转速n一般为10～50 r/min，出苗率p为0.8，则型孔数量应满足N≥12。为更好地实现油菜种子成穴，应适当增大型孔间距，取型孔数量N为15个。成穴排种轮应用3D打印技术加工，材料为ABS工程塑料。

3 排种过程仿真分析

油菜成穴集中排种装置工作时，在种群压力和重力作用下，油菜种子以散粒体的形式充入渐开线状型孔，当油菜种子经过携种过程进入护种区，在护种区种子在型孔内移动，直至进入投种区。排种过程中种子与种群、壁面间相互作用难以准确描述，本研究采用EDEM仿真定量分析排种过程。

3.1 仿真试验方法

EDEM仿真中将穴播集中排种装置几何体模型简化为外壳和成穴排种机构2部分，根据穴播集中排种装置加工所用材料，外壳设定为铝合金，成穴排种机构的成穴排种轮设为工程塑料ABS。油菜种子设为球形，仿真中颗粒模型设为硬球模型，接触模型选取Hertz-Mindlin无滑动接触模型，仿真模型如图6所示，材料特性及其相互间的力学特性参数[23]见表3。

图6 EDEM仿真模型

为更好地获取型孔结构参数，开展型孔结构参数仿真试验，试验设计如表4所示。确定影响型孔充种性能的因素为型孔长度d、型孔截面和型孔深度h，型孔长度设3.0、3.5、4.0 mm共3个水平；型孔深度设2.2、2.6、3.0 mm共3个水平；型孔截面设3种尺寸截面，型孔截面通过改变渐开线的位置改变型孔宽度，其结构如图7所示。应用EDEM软件仿真时，排种轮转速为20 r/min，后处理器统计不同处理的30穴的型孔充种量，计算1～3粒/穴的合格率、漏播率、重播率和各行排种量一致性变异系数。

表3 种子与材料特性参数

注：种子与橡胶相互间力学特性参数是为方便固定种子落点设定，非真实值。

3.2 型孔结构参数优化结果与分析

试验结果如表5所示，表中A、B、C分别为型孔长度、型孔截面和型孔深度水平值。型孔截面对充种合格率、漏播率和各行排种量一致性变异系数均显著或极显著影响，型孔截面Ⅰ处理的漏播率和各行排种量一致性变异系数均高于其他型孔截面，说明型孔截面Ⅰ的充种性能较差。随型孔长度和深度增加，型孔充种2～3粒的概率增加；型孔截面Ⅲ出现单个型孔充种数量大于3粒的现象。

表4 试验因素及水平

极差分析结果表明：影响充种合格率和各行排种量一致性变异系数的主次因素为：型孔截面、型孔长度、型孔深度，型孔截面Ⅱ的充种合格率最高，单个型孔充种1～3粒的概率达100%(表6)。综合考虑充种合格率和各行排种量一致性变异系数，以B2A2C2较优，即型孔长度和深度分别为3.5 mm和2.6 mm的型孔截面Ⅱ。

图7 不同渐开线状型孔截面尺寸

表5 型孔结构参数对充种性能的影响

注：** 和*分别表示方差分析在0.01和0.05水平上显著，下同。

表6 试验结果极差分析

3.3 护种过程分析

图8 护种过程分析

以B2A2C2排种型孔的排种装置为对象，分析种子在护种过程的运动状态，其受力及运动状态如图8所示。油菜种子充种完成后进入携种区，2粒种子在型孔内的受力稳定，种子在5.05 s进入护种区。油菜种子受力和转速显著增加，种子随排种机构转动出现移动，在5.25 s合力和转速达到较大值，此时油菜种子脱离型孔底部运动到与护种带接触。位于上方的油菜颗粒2的受力和转速高于油菜颗粒1，这是由于油菜颗粒2具有较大活动空间所致。种子在护种初始阶段保持稳定，但随着排种机构转动，种子在渐开线状型孔的位置超过休止角，种子向护种带方向移动，在护种带的作用下存在一定的滚动，直至投种区。护种过程保证投种时间一致，提高了成穴性能；而渐开线状型孔右壁面和倾斜侧边确保未出现型孔堵塞。

为分析护种带与排种轮的合理间隙，分析了间隙为0～0.6 mm对型孔排种性能的影响，间隙对排种数量影响不明显，其合格率均达到100%，其中单个型孔1粒和2粒的概率分别约为80%和20%(图9)；但间隙为0.2 mm时，穴径最小，说明种子落点一致性较好。

图9 间隙对排种性能的影响

3.4 渐开线状型孔的作用机理

分析种子充种过程发现(图10)，进入充种室后种子受种群挤压、扰动的作用，不断靠近排种机构型孔的位置；渐开线型孔结构左壁面在充种区形成向上“挖取”的姿态，种子在种群压力、排种机构作用力和重力等综合作用下，种子充入型孔并随排种机构转动。型孔渐开线状的左壁面提升了充种性能，加之适宜的尺寸保证充种数量，从而保证了充种质量。

图10 种子充入型孔受力与状态

型孔在护种过程中因其弧形侧面使种子与型孔间接触为点接触，使型孔不易发生堵塞；同时型孔渐开线状的右壁面使投种时刻基本一致，从而保证了成穴性能。

4 穴播集中排种装置排种性能试验

4.1 试验材料与装置

试验以华油杂62、中双11和蓉油11共3个油菜品种为试验材料，油菜穴播集中排种装置在JPS-12型计算机视觉排种器试验台上开展排种性能试验。

4.2 试验设计与方法

为检测油菜穴播集中排种装置的排种性能，选用1个成穴排种轮开展了供试品种与排种轮转速的双因素试验，供试品种为蓉油11、中双11和华油杂62共3个品种，排种轮转速设10～50 r/min共5个水平，增量为10 r/min。为进一步检验集中多行排种质量，采用6行同时排种，分析油菜穴播集中排种装置的品种与转速适应性。试验中每个处理重复3次，每次测定50穴，测定单穴排种数量、穴距，计算排种合格率、漏播率、重播率、穴距和穴距变异系数，并分析6行的排种量一致性变异系数。测定合格率为1～3粒/穴的概率，漏播率为0粒/穴的概率和重播率为大于3粒/穴的概率。

4.3 试验结果与分析

4.3.1品种与排种轮转速对排种性能的影响

品种和排种轮转速对排种性能的影响结果表明(表7)，品种、排种轮转速及其二者的交互作用对排种合格率均有显著影响(P<0.05)，华油杂62和蓉油11的排种合格率均随转速增加呈先增加后降低的趋势，在转速为20～40 r/min时合格率较高；中双11排种合格率随转速增加而增加，在20～40 r/min时合格率高于95%，这与油菜种子的粒径有关，中双11的粒径明显小于华油杂62和蓉油11。在转速较低时，油菜种子有充足时间进入型孔，因此导致小粒种子的重播率较高；当转速达到50 r/min时，充种时间缩短，华油杂62和蓉油11的漏播率增加。

从穴距变异系数来看，穴距设定为10 cm时，品种、排种轮转速及其二者的交互作用对穴距变异系数影响显著(P<0.05)，华油杂62的穴距变异系数随转速增加而增加；中双11和蓉油11随转速增加呈先降后升的趋势，转速为20～40 r/min时穴距变异系数均低于16%。通过观察种子在排种器试验台的分布状态(图11)，发现各品种的成穴性能和穴距均匀性均较好，中双11以2粒/穴较多；华油杂62和蓉油11以1粒/穴较多，符合油菜种植要求和集排器设计目标。

4.3.2油菜穴播集中排种性能分析

在6个成穴排种轮条件下，集中排种性能如表8所示，品种、成穴排种轮转速及其交互作用对1粒率、2粒率和3粒率均有极显著影响(P<0.01)，影响规律与单行排种结果一致。转速为20～40 r/min时，3个品种的合格率高于94%。以50穴的排种数量来看，中双11的排种数量显著高于华油杂62和蓉油11，这与中双11的3粒率较高一致；排种数量随转速增加而降低，说明转速增加降低了充种数量；但50穴的总粒数标准误差在10粒范围内，各行排种量一致性变异系数低于10.0%。不同品种的穴距差异不显著(P>0.1)，说明穴距稳定性较好，且转速为20～40 r/min范围内的穴距变异系数在12%范围内，油菜种子分布的成穴性和均匀性均较好。

6行油菜种子分布如图12所示，种子的分布成行成穴效果明显，不同行间的种子位置略有差异，这与投种时间的随机性有关；但行内的种子分布均匀，具有较好的种子落点分布。

表7 供试品种与排种轮转速对排种性能的影响

图11 油菜排种分布

5 田间试验

为验证油菜精量穴播集中排种装置的排种性能，于2019年10月在四川省崇州市和南部县等地开展了油菜播种试验(图13)，供试品种为蓉油11、德新油88和中双11，土壤平均湿基含水率为31.33%。试验以插秧机机头为动力，油菜穴播精量直播机一次性完成精量播种和封闭除草等功能，机组幅宽1.8 m，一次播种6行，行距为300 mm。试验中应用12 V蓄电池提供直流电机的动力源，通过直流电机调速器驱动油菜穴播排种装置转动。

通过测定苗期的油菜田间分布情况，测定每厢6行的穴苗数和穴距，每个品种选取3个点，试验结果如表9所示。油菜的平均株数为2.05株/穴，穴苗数合格率平均值为89.51%；穴距平均值为10.50 cm，穴距变异系数平均值为9.79%。相比台架试验，油菜种子在导种管下，穴距均匀性有所降低，但单穴苗数均匀性和穴距可满足油菜田间种植要求。

6 结论

(1)基于油菜种子的机械物理特性和精量播种要求，设计了一种油菜精量穴播集中排种装置，提出了1～3粒/穴的渐开线状型孔，确定了主要结构参数。完成油菜种子充种、携种和护种环节，可实现6行成行成穴精量排种。

表8 油菜穴播集中排种装置排种性能

图12 油菜集中排种分布

图13 油菜播种田间试验

(2)应用EDEM软件构建了穴播集中排种装置仿真模型，分析了型孔长度、截面尺寸和型孔深度对充种性能的影响，发现渐开线状型孔有助于充种，且型孔长度和深度分别为3.5 mm和2.6 mm的型孔截面Ⅱ的单个型孔均充种1粒或2粒；携种过程受力稳定，护种带提高了投种一致性，当排种轮与护种带间隙为0.2 mm时，成穴较优。

表9 油菜穴播田间试验结果

(3)穴播排种性能台架试验表明，品种、排种轮转速及其二者的交互作用对排种合格率均有显著影响，排种合格率随转速增加呈先增大、后减小的趋势，在转速为20～40 r/min时，排种合格率(1～3粒)高于94%，穴距变异系数低于12%；50穴的总粒数标准误差在10粒范围之内，排种量一致性变异系数低于10.0%。田间试验结果表明，油菜平均株数为2.05株/穴，穴距及其变异系数平均值分别为10.50 cm和9.79%，满足油菜种植要求。