一種小型振動(dòng)式水稻芽種直播裝置的研制

張超龍，全臘珍，鄒運(yùn)梅，姚祖玉，代振維，李 健，尹益文

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410128）

0 引言

隨著水稻直播以及水稻大田育秧的技術(shù)成熟，人們又把目光轉(zhuǎn)移到直播技術(shù)上來，特別是水稻芽種直播，能有效的解決發(fā)芽率和成苗率偏低的問題[1～4]。水稻芽種具有含水率較高，內(nèi)摩擦角大，流動(dòng)性能差等物料特點(diǎn)，出芽處相互纏繞，使用傳統(tǒng)的機(jī)械方式強(qiáng)行分離排種容易造成芽種機(jī)械損傷，而單純依靠種子自身重力在種箱內(nèi)自由流動(dòng)過程中又容易出現(xiàn)架空現(xiàn)象，使得部分種子層靜止，出現(xiàn)斷層。而播種對(duì)象以水稻芽種為主的振動(dòng)式播種機(jī)體積較大[5,6]。

作者在結(jié)合小型機(jī)械式直播機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與振動(dòng)排種原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種小型的振動(dòng)式水稻芽種排種裝置，基于振動(dòng)排種和振動(dòng)改善散粒體物料流動(dòng)性的原理，很好的解決了排種過程中傷芽的問題，并且參照GB/T9478-2005 進(jìn)行播臺(tái)試驗(yàn)研究與分析找出最優(yōu)的振動(dòng)參數(shù)。

1 振動(dòng)式水稻芽種直播裝置的結(jié)構(gòu)

振動(dòng)式水稻芽種直播裝置主要是由螺旋振動(dòng)料斗，振動(dòng)排種裝置兩部分組成，螺旋振動(dòng)料斗末端與振動(dòng)排種裝置相連處設(shè)有分流槽，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

種箱內(nèi)的種子由進(jìn)種口進(jìn)入振動(dòng)螺旋料斗，種子在無振動(dòng)狀態(tài)下沿著螺旋鋪開，呈現(xiàn)自由休止?fàn)顟B(tài)，種子層的厚度也隨著螺旋斜面向下而遞減。工作時(shí)，種桶以及斜面開始振動(dòng)，休止?fàn)顟B(tài)被打破，種子呈流態(tài)沿著螺旋斜面向下流動(dòng)，種子流由厚變薄，最后種子流以接近單層的狀態(tài)進(jìn)入分流槽。

種子在分流槽上分成若干流，進(jìn)入振動(dòng)V 型槽。在高頻振動(dòng)下，種子在槽內(nèi)均勻沿著槽壁排成單列，勻速的向前跳動(dòng)，掉入V 型槽末端的排種管，實(shí)現(xiàn)排種。

圖1 小型振動(dòng)式排種裝置Fig.1 Small vibrated seeding apparatus

2 振動(dòng)式水稻芽種直播裝置的關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 振動(dòng)螺旋料斗裝置

振動(dòng)螺旋料斗裝置是種箱下面可振動(dòng)的種桶，內(nèi)帶有螺旋導(dǎo)種板。螺旋導(dǎo)種板的材料為鋁片1060，厚度為0.3mm，螺旋升角為15°。螺旋斜面的使用可以保證導(dǎo)種面連續(xù)的同時(shí)又節(jié)約空間，螺旋升角小于芽種在該材料上的摩擦角，使得種在無振動(dòng)狀態(tài)下沿著螺旋鋪開，呈現(xiàn)自由休止?fàn)顟B(tài)。振動(dòng)時(shí)，種子層的厚度也隨著螺旋斜面向下而遞減，最后以單層的種子流進(jìn)入分流槽，實(shí)現(xiàn)定量供種的同時(shí)，大大降低了對(duì)水稻種芽的損傷。

2.2 分流槽

分流槽是連接振動(dòng)螺旋料斗和V 型槽的過度裝置，內(nèi)有三塊擋種板，它將一定量的單層種子分成若干種子流，分別流入相對(duì)應(yīng)的V 型槽。如圖2 所示，種子經(jīng)過振動(dòng)螺旋料斗掉入圖中所示區(qū)域，在振動(dòng)的作用下，小股種子沿著底面散開，在三塊檔種板的作用用下，分成4 股種子流，然后掉入V 型槽。

圖2 分流槽Fig.2 The distributing cavity

3 振動(dòng)排種裝置排種原理以及種子的受力分析

3.1 振動(dòng)排種裝置排種原理

振動(dòng)式水稻芽種直播裝置是一種基于振動(dòng)改變種子物料特性從而實(shí)現(xiàn)無損傷直播的裝置[7]。為了改善水稻芽種流動(dòng)性和均勻排出問題，采用特定的振動(dòng)技術(shù)使得種子達(dá)到“沸騰”的狀態(tài)，種子物料之間的接觸面積的大小由于振動(dòng)而不斷變化，種子物料的內(nèi)摩擦力變小，自然休止角也接近于零，完全避免了架空的出現(xiàn)，使得種子物料能均勻的排出。

3.2 種子受力分析

工作時(shí)，種子在高頻振動(dòng)作用下，被連續(xù)拋起并沿著V 型導(dǎo)軌向前運(yùn)動(dòng)。單粒種子物料在V 型槽上的受力情況如圖3 所示。

圖3 種子在V 型槽上的受力圖Fig.3 The force diagram of bud seeds

導(dǎo)軌在可調(diào)振動(dòng)器的作用下，沿著S 方向做周期性的振動(dòng)。V 型槽沿y 方向的位移：

式中：A—V 型槽的振幅（mm）；ω—振動(dòng)角頻率（rad/s）；t—時(shí)間（s）；α—振動(dòng)角度（°）。對(duì)式（1）中的時(shí)間二次求導(dǎo)得到V 型槽沿y 方向的加速度：

種子物料對(duì)V 型槽的壓力：

式中：t0—種子物料對(duì)V 型槽的壓力變?yōu)? 的臨界時(shí)刻：

式中：K—振動(dòng)指數(shù)。通過計(jì)算得知，可以找到適當(dāng)?shù)摩?和α 保證K≤1，使得t0時(shí)刻存在。當(dāng)振動(dòng)相位角達(dá)到t0時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的位置，種子被拋棄，沿拋物線軌跡向前跳動(dòng)后落入V 槽內(nèi)，在下一個(gè)t0時(shí)刻又被拋棄，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。

4 芽種傷芽率因素試驗(yàn)

為了分析直播裝置振動(dòng)參數(shù)對(duì)傷芽率的影響，以振動(dòng)頻率、振幅、V 槽傾角為試驗(yàn)因素進(jìn)行單排條播試驗(yàn)。

4.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)設(shè)備包括：多功能排種器試驗(yàn)臺(tái)；MP200B 電子天平，稱量范圍為200g，精度為0.01g；振動(dòng)分析儀VM-6360，測(cè)量范圍：位移0.01～1.99mm，頻率1～20kHz；秒表，精度為0.1s。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象選擇淮稻6 號(hào)（原代號(hào)“淮6329”），浸種48h后催芽至芽長(zhǎng)2～3 mm ，出芽的種子晾干至表面水分不沾手[8]，物料特性如表1 所示。

表1水稻種子的物料Tab.1Physicalpropertiesofriceseed

4.2 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)前先將振動(dòng)式水稻芽種直播裝置固定在排種試驗(yàn)臺(tái)上，固定好檢測(cè)儀器，試驗(yàn)方法參照GB/T9478-2005 進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，啟動(dòng)直播裝置，待直播裝置工作穩(wěn)定后啟動(dòng)輸送帶，帶上鋪有取樣紙。取樣紙沿長(zhǎng)度方向按每100mm 分段，當(dāng)有效播種長(zhǎng)度達(dá)到取樣長(zhǎng)度后停機(jī)；隨機(jī)取樣20 段，重復(fù)5 次。分別記錄各行每段種子的粒數(shù)和種芽損傷的種子粒數(shù)，然后調(diào)整振動(dòng)參數(shù)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，振幅的改變對(duì)傷芽率影響較大，在0.2～0.6mm 區(qū)間內(nèi)振幅與傷芽率成正比，0.6～0.8mm 沒有變化，0.8mm 后急劇上升。

振動(dòng)頻率的改變對(duì)傷芽率有一定影響，頻率在增大70Hz 以前，傷芽率呈線性增長(zhǎng)，70Hz 以后傷芽率隨著頻率的增加而減小，在70Hz 處出現(xiàn)最大值 （出現(xiàn)峰值的原因是由于頻率過高時(shí)，振動(dòng)V 型槽自身慣性，使得不能隨著振動(dòng)器的幅度變化而變化，振幅會(huì)有相應(yīng)的衰減，而振幅又是影響該指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，所以傷芽率出現(xiàn)下降趨勢(shì)）。

V 槽傾角對(duì)其影響較小，傾角為2°時(shí)傷芽率最低，4°～6°時(shí)傷芽率最高，但是兩者之差不大于1.2%。

5 結(jié)論

圖4 振動(dòng)參數(shù)與傷芽率的關(guān)系Fig.4 Relationship between vibration parameter and the bud damage rate

（1）小型振動(dòng)式水稻芽種直播裝置通過振動(dòng)的方式，改變水稻芽種的流動(dòng)性，實(shí)現(xiàn)整個(gè)排種過程種子的自由流動(dòng)，很好的控制了傷芽率。

（2）播臺(tái)試驗(yàn)的結(jié)果表明，傷芽率的主要影響因素是振幅，次要影響因素是振動(dòng)頻率，V 型槽的安放角度對(duì)傷芽率基本無影響。

（3）振幅越大，播種均勻性越好，頻率在40～60Hz 內(nèi)傾角在4°時(shí)播種均勻性最佳，綜合考量，選擇振動(dòng)頻率為50Hz，振幅為0.8mm，振動(dòng)傾角為4°為該機(jī)器的振動(dòng)參數(shù)，此時(shí)播種均勻性較好，且傷芽率控制在5%以下。

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