水稻穴直播排种器排种机理分析与试验

应鸿烈　田立权

摘 要：为直观准确地观察排种器的工作特性以及抛种勺投种过程中水稻芽种的运动状态，选择压缩旋转勺取种、重力清种、转动递种以及离心力抛种等方式，设计出一种水稻旋转压缩勺式精量穴直播排种器。通过对旋转压缩勺、导种轮工作过程分析，确定排种器关键部件结构参数。以中嘉优9号水稻芽种为播种对象，采用2因素5水平旋转组合试验设计方法，利用JPS-12排种器检测试验台，分析了容种高度与压缩旋转勺的转速对排种性能的影响，并采用实验设计软件Design-Expert对试验数据进行分析。试验结果表明：旋转压缩勺转速为45r·min-1，容种高度为排种盘半径50mm时，排种合格率为97.13%，重播率为1.9%，漏播率为0.97%。该研究为旋转压缩勺式水稻精量穴直播排种器的设计提供依据，并为整机设计提供参考。

关键词：排种器;压缩旋转勺;精量穴直播;试验

中图分类号：S22

文献标识码：A

引言

水稻精量穴直播技术是通过定量播种、固定穴距和控制穴径、成穴成行、定距定量将水稻芽种播入田间，以获得更高出苗率及水稻产量的直播技术[1]。固定穴距和控制穴径可以保证水稻有序地种植，使水稻田间的通风采光条件更好，对水稻的根系生长、根系结构的改善以及禾苗抗倒伏能力的增强都有很好的促进作用，因此精准的穴距和穴径控制是保证精量穴直播作业质量的关键技术之一[2，3]。

国内外一些学者对排种器投种过程进行了研究。Karayel等[4]利用高速摄像技术，对投种時种子下落时的位置进行记录，进而通过计算得到作物株距信息。罗锡文等[5]依据谷物清选原理，研制抛掷成穴式排种器，并进行排种和成穴试验。王在满等[5，6]利用高速摄像技术对型孔轮式排种器的投种轨迹进行研究，为提高投种成穴性对排种管进行了优化设计。陶桂香等[7]建立了稻种投种过程的动力学模型，对钵盘精量播种装置的投种过程进行了理论分析，并利用高速摄像技术对投种过程进行记录，得到稻种速度与位移变化间的规律。袁月明等[8]采用高速摄像技术拍摄排种器的工作过程，分析排种均匀性与吸附在种盘上稻种不同姿态之间的关系，为完善排种器设计提供依据。刘文忠等[9]建立了种子运动方程，对投种过程中种子的运动进行理论分析。刘宏新等[10]采用高速摄像技术与离散元仿真软件EDEM相结合的方式，对种子在排种器内的运动状态及投种过程进行研究，为修正排种器相关结构参数提供了参考。陈学庚等[11]为了将种子输送到最佳投种高度，使播后种子的粒距得到精确矫正，设计了一种带式导种装置，提高了播种质量。余佳佳等[12]结合高速摄像技术和图像处理技术对气力式油菜排种器投种轨迹进行了研究，采用目标追踪技术提取油菜籽的实际投种轨迹曲线，为提高排种的稳定性和均匀性提供依据。以上学者的研究为投种过程分析均提供了依据，但利用高速摄像技术和离散元仿真技术对弹射式排种器投种过程的研究未见报道。

本文在已有研究的基础上，将高速摄像技术与EDEM仿真技术相结合，以弹射式耳勺型水稻精量穴直播排种器（下文简称排种器）抛种勺为研究对象，建立耳勺投种模型，并对投种过程进行观察和仿真分析，归纳投种轨迹分布，研究水稻芽种在投种过程中的运动规律，并进行田间验证试验，为提高取种耳勺投种精度和成穴性，优化排种器设计提供依据。

1 排种器结构与工作原理

弹射式耳勺型排种器的结构如图1所示，该排种器主要由抛种勺、定位杆、动力簧、连接板、压缩辊、抛种管、集种盒和定位轴等部件组成。

作业时，机具通过链条将动力传递至转动轴8，转动轴带动连接板6如图1所示方向顺时针旋转，连接板带动其上均布的抛种耳勺3掘入水稻芽种籽粒堆，耳勺定量舀取芽种，同时随连接板继续转动脱离籽粒堆，完成舀种作业[13];耳勺转离籽粒堆后，进入清种区，在重力作用下耳勺内非稳定状态的芽种回落籽粒堆，完成清种过程;抛种耳勺转入导种区并与压缩辊1接触，压缩辊带动抛种耳勺，促使动力簧5的侧端转动，发生变形存储角动能并产生旋转力，使耳勺贴紧压缩辊，起到导种、护种的作用;在投种区，耳勺在连接板带动下脱开与压缩辊的接触，动力簧复位释放角动能，产生旋转力带动抛种耳勺绕定位轴9顺时针旋转并与定位杆4碰撞，从而将耳勺内的芽种弹射进入抛种管7内，投落至水田田面完成投种作业。

3.2 分析

为探究各因素之间的交互作用对排种性能的影响，采用二次旋转组合正交设计试验方案，试验因素包括排种器的工作转速和容种高度，性能指标为排种合格率、重播率和漏播率，进行多因素试验，研究排种器的最佳性能工作参数。表1所示为各因素水平编码，在试验过程中，连续记录排种器排种数据，每250次为1组，记录3组，取每组数据处理后的平均值作为最终试验结果。

试验方案与试验结果如表2所示，通过实验设计软件Design-Expert分析所得的试验数据，筛选出较为显著的影响因素;通过软件分析得到响应曲面，如图5所示，直观地反映了分析试验指标与各因素之间的关系。

根据响应曲面图5可知，压缩勺转速与容种高度间存在交互作用。由图5a可知，当容种高度一定时，排种合格率随压缩勺转速增大而先增大后降低;当压缩勺转速一定时，合格率随容种高度增加而增大。当压缩勺转速变化时，合格率的变化区间较大，因此影响排种合格率的主要因素为压缩勺的转速。由图5b可知，当容种高度一定时，重播率随压缩勺转速增大而先降低后增加;当压缩勺转速较低时，随容种高度增加，重播率逐渐降低;而当压缩勺转速较大时，重播率也逐渐增大。当压缩勺转速变化时，重播率的变化区间较大，因此影响重播率的重要因素也是压缩勺的转速。由图5c可知，当压缩勺转速一定时，随容种高度增加，漏播率逐渐降低。

4 结论

本文设计了一种压缩勺式水稻精量机械穴直播排种器，分析其工作原理，对关键部件的结构参数进行优化设计，满足精量穴直播作业要求。

以压缩勺转速、容种高度为自变量，排种合格率、重播率及漏播率为目标函数，进行二次旋转组合正交设计试验，确定了压缩勺式水稻精量穴直播排种器的工作及结构参数与排种器性能指标的关系。

运用实验设计软件Design-Expert分析试验结果，对回归模型进行优化，得出压缩勺转速为45r·min-1，容种高度为充种盖半径50mm时，排种合格率为97.13%，重播率为1.9%，漏播率为0.97%。

参考文献

[1] 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（03）：108-112.

[2]罗锡文，蒋恩臣，王在满，等.开沟起垄式水稻精量穴直播机的研制[J].农业工程学报，2008，24（12）：52-56.

[3]黄凰.南方双季稻区水稻机械化生产工程模式研究[D].北京：中国农业大学，2014.

[4]Karayela D， Wiesehoffb M， zmerzia A， et al. Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-speed camera system[J]. Computers and Electronics in Agriculture， 2006， 50（02）： 89-96.

[5]王在滿，罗锡文，黄世醒，等.型孔式水稻排种轮充种过程的高速摄像分析[J].农业机械学报，2009，40（12）：56-61.

[6]王在满，杨文武，蒋恩臣，等.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（08）：16-19.

[7]陶桂香，衣淑娟，毛欣，等.水稻植质钵盘精量播种装置投种过程的动力学分析[J].农业工程学报，2013，29（21）：33-39.

[8]袁月明，马旭，朱艳华，等.基于高速摄像技术的气吸式排种器投种过程的分析[J].吉林农业大学学报，2008，30（04）：617-620.

[9]刘文忠，赵满全，王文明，等.气吸式排种装置排种性能理论分析与试验[J].农业工程学报，2010，29（06）：133-138.

[10]刘宏新，徐晓萌，刘俊孝，等.利用高速摄像及仿真分析立式浅盆型排种器工作特性[J].农业工程学报，2016，32（02）：13-19.

[11]陈学庚，钟陆明.气吸式排种器带式导种装置的设计与试验[J].农业工程学报，2012，28（22）：8-14.

[12]余佳佳，丁幼春，廖宜涛，等.基于高速摄像的气力式油菜精量排种器投种轨迹分析[J].华中农业大学学报，2014，33（03）：103-108.

[13]田立权.弹射式耳勺型水稻芽种播种装置机理分析与试验研究[D].哈尔滨：东北农业大学，2017.

（责任编辑 常阳阳）