搅种型孔式水稻穴播排种器的性能模拟与试验

唐楠锐， 周勇， 张国忠， 梁方， 柯烩彬

（华中农业大学工学院，农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

在水稻直播技术中，排种器是撒播种子的关键部件，其性能直接影响水稻播种效果和产量。水稻种子经浸种催芽处理后,含水率增加、体形胀大、种皮表面摩擦系数增大，致使其在排种器充种区内流动性降低、充种困难、催芽稻种损伤率高、排种器排种性能下降，因此，改善充种区种子流动性成为当前水稻精量直播技术研究中亟待解决的难题之一[1]。罗锡文等[2]设计了一种瓢形型孔水稻精量穴播排种器，并应用可拆式柔性随动护种装置，大幅减小了护种过程中种子受力，降低了种子破损率。张国忠等[3]设计了由2个搅种齿组成的导向型搅种装置，通过搅种齿对充种区种子的搅动作用增加了充种区种子的流动性。张翔等[4]在排种盘上增加凸台，用于对充种区种子进行搅种，增加种子流动性，提高了排种器的播种性能。上述研究为解决充种区种子流动性不佳、型孔式排种器充种效果不理想、种子破损率较高等问题提供了重要借鉴，但通过改进排种器型孔结构以达到提高排种质量的方法仍待深入研究。

近年来，随着计算机技术的发展，EDEM已成为研究农业物料与机器零部件间相对运动关系和受力的主要方法之一，并已得到较广泛应用。廖庆喜等[5]利用EDEM软件对离心式排种器工作过程进行了仿真分析，确定了离散元法分析离心式排种器性能的可行性。张涛等[6]利用EDEM软件研究了排种器排种室内玉米种群运动规律，分析了田间振动工况对排种器内玉米种群运动的影响规律。

针对充种区种子流动性差、充种困难问题，本文设计了一种具有辅助充种搅种的双腔水稻精量穴播排种器。该排种器在充种区利用凸于排种盘外的搅种型孔对充种区种子进行扰动，增加种子的流动性；在搅种型孔首段设置搅种板，引导种子流向并辅助充种。为阐明搅种型孔对该排种器中稻种的运移规律，运用EDEM仿真软件对其过程进行了仿真，并以搅种型孔深度、排种盘转速和充种区种层高度为试验因素，对排种性能进行了台架试验，并为搅种型孔式排种器性能优化提供参考。

1 材料与方法

1.1 排种器结构及工作原理

搅种型孔式水稻穴播排种器结构主要由种箱、种刷、排种盘、左右壳体、导种管、护种槽、排种轴等组成，如图1所示。

图1 排种器结构Fig.1 Structure of seed metering device

排种器工作原理如图2所示，随着排种盘回转，搅种型孔依次经过充种区、清种区、护种区和投种区。首先，分布在排种盘面上的搅种型孔将种子囊入型孔内，实现充种，并由清种毛刷进行清种；随后，充有种子的搅种型孔进入护种槽实现护种；到达投种区后，搅种型孔脱离护种槽，种子依靠自重从搅种型孔底端面落入投种嘴，实现投种，完成1次排种周期。隔种毛刷将充种区与投种区分离开来，排种器底部设有卸种口，当需要时去掉卸种块即可。

图2 排种器工作原理Fig.2 Seeding device functional

1.2 关键部件设计与参数确定

1.2.1 搅种型孔式排种盘 排种盘结构如图3所示。目前搅种型孔轮式排种圆盘直径一般在80～260 mm[7-8]，本文选取排种盘直径为165 mm，厚度为2 mm。搅种型孔距离排种盘中心过近会导致孔线速度较低，通过的充种区弧长较短，不利充种[9]，因此将搅种型孔分布圆周直径定为135mm。

图3 排种盘结构Fig.3 Structure of seeding plate

1.2.2 搅种型孔直径 排种器充种型孔设计为勺斗型，型孔凸于排种盘面，搅种型孔首端有1个伸出型孔外且平行于型孔下端面的搅种侧板，结构如图4所示。

图4 直侧板搅种型孔Fig.4 Straight side stirring hole

单个搅种型孔直径可按照下式计算[10]。

式中，D为搅种型孔直径，mm；X为单个搅种型孔中应充入种子粒数；WS为种子平均宽度，mm；E为考虑到实际充种情况给出的偏差，mm。参考已有水稻种子尺寸和农艺要求[11]，设计每型孔充种X为3粒，取稻种宽度为2.31 mm，带入式（1）得出9.24 mm≥D≥6.93 mm。考虑到实际充种时种子难以沉入型孔底部，型孔内种子宽度小于2.31 mm，故取D为7 mm。

1.2.3 搅种型孔数量 排种圆盘上搅种型孔数量为m，按照式（2）计算搅种型孔数量。

式中，Dd为排种轮型孔中心处对应的圆周直径，mm；vd为型孔中心处速度，m·s-1；vm为机组前进速度，m·s-1；s为穴距，m；c为地轮滑移系数；nd为排种圆盘转速，r·min-1；m为排种盘面上型孔数量。

由式（2）可得式（3）。

配套机具前进速度通常在0.5～1.5 m·s-1之间，取 vm为 1.0 r·min-1；根据农艺要求，以穴距160 mm，行距250～300 mm的规格进行播种[12]；地轮滑移系数5%～12%，取c为8%；排种轮转速取试验条件下的高转速 nd为 30 r·min-1；代入式（3）得出搅种型孔数目m为13。结合本排种器尺寸，确定搅种型孔数为10个。

1.3 排种过程EDEM仿真

为阐明搅种型孔充种过程以及对稻种的运移规律，利用EDEM仿真软件对其工作过程进行仿真。

1.3.1 排种器几何模型建立 运用Solidworks软件对排种器进行三维建模，并导入到EDEM软件中,如图5所示。

图5 仿真模型Fig.5 Simulation model

1.3.2 水稻籽粒离散模型建立 参考已有水稻种子平均三轴尺寸9.54 mm×2.30 mm×2.25 mm，采用球形颗粒堆砌法建立水稻种子离散模型（图6），并通过EDEM软件计算水稻种子模型的质心和重量[13]。

图6 水稻种子模型Fig.6 Rice seed model

1.3.3 仿真参数设定 采用3D打印对排种器进行试制，其外壳为ABS材料，隔种清种毛刷材质均为尼龙。各材料参数如表1所示，材料间接触参数如表2所示。

表1 材料参数Table 1 Material parameters

表2 材料间接触参数［14］Table 2 Contact parameter between materials［14］

选用Hertz-Mindlin接触模型，对3种不同搅种型孔进行仿真试验，设置仿真时间步长比为25%，仿真时长为20 s，设置水稻种子数为1 500粒，以1 500粒·s-1的速度，在仿真前1 s内全部落入充种区。设置排种盘从1 s时开始转动，转速为 25 r·min-1。

1.4 排种器台架试验

1.4.1 试验材料及装置 以杂交稻品种“广两优100”为供试材料，采用JPS-12型排种器性能检测试验台进行台架试验。试验前将种子浸入清水32 h进行萌芽处理。

1.4.2 评价指标 每穴需播1～3粒芽种，每穴0粒记为漏播，每穴1～3粒记为合格，每穴出现4粒及以上记为重播。参照GB/T6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》[15]，计算杂交稻播种合格指数（Ml0）、重播指数（Ah0）、漏播指数（Dc0）。

式中，i为搅种型孔中充入的种子数；p（i）为充入当前种子数的概率。

1.4.3 试验结果自动统计程序 试验中手动启停试验装置，选取稳定状态下的成穴种子，每种搅种型孔排种盘选取250穴。利用SeederTest对高速摄影所记录的种子进行二值化处理，自动统计出穴粒数和穴距，并自动计算出排种器播种合格率、重播率和漏播率。

1.4.4 试验设计 分别以排种盘转速和型孔结构为变量开展单因素试验，确定排种盘转速范围和最优型孔结构。排种盘转速设置4个水平，分别为 25、29、33、37 r·min-1；将排种盘转速设置为25 r·min-1，种床带速度设置为 2.4 km·h-1，采用单腔排种，以型孔结构为影响因素，分别针对直侧板搅种型孔、斜侧板搅种型孔、齿形搅种型孔进行性能试验，搅种型孔结构如图7所示。

图7 搅种型孔结构Fig.7 Structure of stirring holes

根据单因素试验结果，选取最优型孔结构的排种盘，并针对型孔深度、种层高度和排种盘转速3个参数进行三因素三水平L9(33)的正交试验。在取值范围基础上，遵循精量播种要求安排因素水平，其因素和水平如表3所示。

表3 试验因素和水平Table 3 Test factor and level

2 结果与分析

2.1 排种过程仿真结果分析

2.1.1 充种区种子流动性分析 排种盘回转时，凸于盘面的搅种型孔搅动充种区种子，促使种子翻滚，底层种子被推至充种区顶层，充种区上层种子在重力的作用下又补充回流至下层，排种盘回转前以及回转3 s后充种区种子仿真结果如图8所示，可见种子分层分布，已均匀混合。

图8 种子流动性Fig.8 Seed fluidity

2.1.2 全过程种子受力分析 搅种型孔对种子产生作用力，单粒种子从充种区进入，被排种盘排出，整个受力过程仿真结果如图9所示。

由图9可知，单粒种子从进入到被排出的整个受力过程中受到的最大作用力为0.032 N，远小于伤种临界值3.5 N[16]，故理论上对水稻种子造成损伤很小。

图9 种子全过程受力Fig.9 Forces of seed at the whole process

2.1.3 投种轨迹分析 对同一搅种型孔排出的3粒种子的投种过程进行模拟，投种轨迹如图10所示。可以看出，同穴种子掉落时差小，投种轨迹基本一致，成穴性强。

图10 改进后投种轨迹Fig.10 Seeding track after improvement

2.2 单因素对排种性能的影响

2.2.1 排种盘转速对排种性能的影响 选用斜侧板搅种型孔排种盘，通过改变排种盘的转速进行单因素试验，结果如表4所示。可以看出，随着排种盘转速增大，排种器性能逐渐下降，重播率上升严重。在25 r·min-1时性能最佳，此时理论配套农机具行进速度为2.4 km·h-1，能满足农艺要求。

表4 转速对排种性能的影响Table 4 Influence of rotational speed on the metering performance

2.2.2 型孔结构对排种性能的影响 从图11可以看出，在相同试验参数下，斜侧板搅种型孔排种盘合格率最高，重播率、漏播率最低，性能最优；直侧板搅种型孔排种盘合格率居中，重播率最高，性能次之；齿形搅种型孔排种盘合格率最低，漏播率最高，性能最差。斜侧板搅种型孔漏播状况为10%，合格指数为85.7%。

图11 不同搅种型孔合格指数Fig.11 Qualified rate of different types of holes

2.3 正交试验优化结果分析

2.3.1 正交试验结果 根据单因素试验分析结果，采用斜侧板搅种型孔排种盘，对型孔深度、种层高度和排种盘转速3个参数进行了三因素三水平的正交试验，以确定最优参数组合，结果如表5所示。可以看出，在排种盘转速为20 r·min-1、型孔深度为7 mm、种层高度为50 mm时，排种器工作性能最佳，此时穴粒数合格指数为85.7%，漏播指数仅为1.8%。

表5 试验方案与结果Table 5 Test scheme and results

2.3.2 方差分析 从表6可以看出，型孔深度和种层高度对穴距合格指数和漏播指数有显著影响，对穴粒合格指数影响较小。

表6 方差分析结果Table 6 Variance analysis result

2.3.3 优化方案验证结果分析 综合3个因素对3个指标影响的显著性，最终选定A3B3C3为最优组合，在该参数下穴粒数合格指数达到85.7%，穴距合格指数为96.4%，性能满足农艺要求。

3 讨论

在水稻排种器前期研究中，通过改进型孔结构以达到提高充种区种子流动性和排种性能的方法仍待深入。本文结合机械式排种器的型孔结构和气力式排种器的侧充种结构特点，设计了侧充双腔水稻精量穴播排种器，并进行了EDEM仿真试验和三因素三水平正交台架试验，得出影响排种器性能的主要因素和最佳工作参数组合。结果表明，排种盘转速越大，排种器性能越低，重播率越高，可能是因为排种盘转速过快，搅种型孔将充种区表面团种子顶起，种子团中部分种子未充入型孔中，被搅种侧板刮入护种带中，引起重播[17]。杂交稻分蘖能力强，田间生长每穴1苗即可满足生产要求[18]。将1粒种子记为合格，斜侧板搅种型孔合格指数为85.7%，性能最好。按照穴粒合格指数较高、穴距合格指数较高，兼顾漏播指数较低的原则[19]，确定优化参数组合，在型孔深度为7 mm，充种区种层高度为50 mm，排种盘转速为30 r·min-1时，穴粒数合格指数达到85.7%，漏播指数为1.8%，穴距合格指数为96.4%，满足设计与农艺要求。所设计的排种器能够在不伤种的前提下提高种子流动性及充种效果。接下来将考虑结合播量控制技术对侧充种双腔水稻精量穴播排种器的排种量进行实时控制和漏播补种，使其适用于不同品种的水稻播种。