振動式水稻精密播種裝置機理分析與試驗

鹿芳媛 馬 旭 齊 龍 邢緒坡 李宏偉 郭林杰

(華南農業大學工程學院， 廣州 510642)

0 引言

水稻是我國主要糧食作物，其種植機械化是我國水稻生產機械化的薄弱環節，也是我國水稻生產全程機械化發展中的瓶頸[1]，提高水稻秧苗育秧播種機械化水平是實現我國水稻種植機械化的關鍵環節之一。

目前，水稻機械化種植方式主要包括機栽植和機直播。美國、意大利、澳大利亞等發達國家采用機械化直播方式種植水稻，對秧盤育秧播種機械的研制較少[2-3]；亞洲的水稻秧盤育秧設備較多，其中日本和韓國的技術水平最高，如日本久保田、洋馬、井關等株式會社生產的育秧播種流水線，采用機械式排種器，設備自動化程度高、工藝精湛，但主要適用于常規稻4～8 粒/格的撒播或3～6 粒/穴的穴播作業，不適用雜交稻1～3粒/穴的精密播種需要[4]。

我國水稻機械化種植主要采用育秧移栽。水稻精密播種器的研發始于20世紀70年代，早期研究以機械式排種器為主，80年代初開始研究氣力式排種器[5]，隨著水稻秧盤育秧流水線的研制，90年代起振動式播種流水線發展起來[6]。可以看出，我國對于水稻精密排種器的研究，按其播種方式分為機械式、振動式和氣力式。傳統機械式播種器結構簡單、適應性強，主要適用于水稻大播量條播和撒播，較難滿足雜交稻精密播種需求[3]。氣力式水稻精密播種器作業效率高，對種子損傷小，能夠實現單粒精量點播[7]，但由于水稻主要采用芽種播種育秧，帶芽播種時種芽的脫落易造成吸孔堵塞而影響播種性能，且吸孔堵塞問題較難解決。

振動式水稻精密播種是一種有效的精密播種方式，可分為機械振動式、電磁振動式和氣力振動式。張學義、楊堅、李志偉等[6,8-9]改進電磁振動式播種器用于水稻育秧播種，可實現3～5 粒/穴的播種要求。張斌等[10]提出利用導向板使稻種在振動式排種器上沿胚胎方向有序排列，實現了超級雜交稻定向播種。齊龍等[11]采用交叉導流式振動種箱配合螺旋勺式槽輪定量供種，與氣動振動勻種機構相結合，研制了一種振動式水稻精密播種裝置，能夠滿足雜交稻和常規稻種子播種育秧要求，但該裝置的結構與工作參數還需優化，以保證穩定的工作性能。

為此，本文將解析交叉導流式振動種箱的工作機理，利用離散元法[12-15]模擬分析與試驗探究該機構的供種性能，分析振動勻種機構的不同種槽板對水稻種子導向作用和流動速度(以下簡稱流速)的影響，探究不同類型種槽板對播種性能的影響，并通過播種性能試驗優化種槽板結構參數。

1 振動式精密播種裝置工作原理

振動式水稻精密播種裝置是水稻秧盤育秧精密播種流水線的關鍵技術部件，其播種質量直接影響育秧流水線的作業性能和效率。該播種裝置主要由兩部分組成：定量供種機構和振動勻種機構，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 振動式水稻精密播種裝置結構示意圖Fig.1 Sketch map of vibrating precision sowing devise for rice1.種箱 2.種箱振動板 3.電磁振動器 4.調節門 5.清種毛刷 6.螺旋勺式排種輪 7.支架 8.氣動振動器 9.振盤振動臂 10.振動器安裝板 11.種槽板 12.T型板 13.調速電動機 14.第二導種板 15.第一導種板

定量供種機構主要包括種箱、第一導種板、種箱振動板、第二導種板、電磁振動器、調節門、清種毛刷、螺旋勺式排種輪(以下簡稱排種輪)和調速電動機；振動勻種機構包括氣動振動器、振動器安裝板、振盤振動臂、振動種盤、支架等部件。其工作原理為：定量供種機構采用交叉導流式振動種箱(由圖1中零件1、2、3、14、15構成)，使水稻種子在排種輪上方的充填區形成“Z”型連續種流，然后隨排種輪轉動定量地排出種箱，落入振動勻種機構的振動種盤中。在振動勻種機構的振動作用下，水稻種子在振動種盤上部T型板中進行篩分勻種，在振動種盤下部種槽板的導向作用下有序排隊，形成連續、均勻的種子流，最終精量地落入育秧流水線輸送帶上的秧盤中，完成精少量播種。

定量供種機構連續定量的供種性能和振動勻種機構均勻穩定的播種性能，是實現水稻精密播種的重要條件，二者缺一不可。因此，分別探究定量供種機構的供種機理與振動勻種機構的播種機理，分析影響裝置播種性能的因素，使播種合格指數提高到92%以上，空穴指數控制在2%以下。

1.1 定量供種機構的供種機理

在播種過程中隨著排種輪的轉動種量不斷減少，常規種箱內靠近排種輪出流口的種子流速較其他位置快，中部種子流速較種箱內壁快，排種輪中部與兩側充填特性不一致，導致供種量不穩定。為此，李志偉、馬旭、周海波等[6,16-17]提出了多層導種板結構的種箱，提高了種箱的供種性能，實現了均勻定量供種。

本文研究的定量供種機構交叉導流式振動種箱，采用第一導種板、種箱振動板和第二導種板交疊安裝形成的交叉導流結構，利用多層導種板分擔了種箱內種子的大部分重力，避免了種子直接堆積在排種輪上，而在排種輪上方充填區形成“Z”型連續種流，有效提高了充種性能，且減少了多余種子在清種毛刷部位旋轉翻滾產生的渦流與碎種現象。此外，由于水稻種子自身的物理特性，外殼存在芒刺，種子間的摩擦因數較大，無序的分布狀態使其在種箱內的流動性差。同時，催芽后的水稻種子抵抗損傷的能力很弱，種子間較大的摩擦力及排種輪的強制帶動作用會加劇傷種。因此，通過電磁振動器連接振動板，在種箱內側產生周期性的小幅振動，加速種箱內側種子的流動性，并使排種輪充填區的種子分布狀態較為“蓬松”，減少種子的機械損傷，優化供種性能。

1.2 振動勻種機構的勻種機理

振動種盤的振動性能直接決定了水稻種子的運動特性以及機構的播種性能。為分析振動種盤的運動特性，將振動勻種機構分為3部分：支架、氣動振動器及受迫振動系統(包括振盤振動臂和振動種盤)。氣動振動器對受迫振動系統產生激振力，在激振作用下振動種盤繞振盤振動臂與機架的固定點產生周期性的往復擺動。為探明該往復運動特性，對受迫振動系統進行動力學分析。

1.2.1受迫振動系統動力學分析

通過振動特性測試分析可知，振動種盤產生的擺角始終小于0.1°，對于該系統來說振動種盤在鉛垂方向上產生的位移可忽略不計，位移主要產生于水平方向。因此，可將振盤振動臂的作用力在鉛垂方向上等效為提拉振動種盤的拉力，在水平方向上等效為彈性力與阻尼力，則振動種盤在水平方向上做單自由度簡諧受迫振動[18]，其力學模型如圖2所示。為便于分析，將受迫振動系統簡化為質量為M的等效物塊。

圖2 單自由度受迫振動系統力學模型Fig.2 Mechanical model of single degree of freedom forced vibration system

氣動振動器產生的激振力運動方程為

F(t)=Hsin(ωt)

(1)

式中H——激振力的振幅，mm

ω——激振力的角頻率，rad/s

以平衡位置O點為坐標原點，Y軸鉛垂向上為正，則等效物塊沿鉛垂方向的運動微分方程為

(2)

其中

δ=α+γ

式中Fl——振動系統受到的支架拉力，N

α——振動器安裝板夾角，(°)

γ——槽板與水平面夾角，(°)

Fl(t)=Mg-Hsin(ωt)cosδ

(3)

表明振動勻種機構在工作過程中，振盤支架以及振盤振動臂所受到的拉力隨激振力的變化而發生周期性改變。

對等效物塊水平方向進行受力分析，X水平向左為正，則等效物塊的運動微分方程為

(4)

式中c——等效阻尼系數

k——等效彈簧系數

其解[19]為

X(t)=X1(t)+X2(t)=
Ae-ntsin(ωdt+Ψ)+Bsin(ωt-φ)sinδ

(5)

其中

式中n——系統的衰減系數

ωd——衰減振動的角頻率，rad/s

Ψ——自由振動的相位差，(°)

ωn——系統的固有角頻率，rad/s

A——初始振幅，mm

B——受迫振動的振幅，mm

φ——受迫振動的相位差，(°)

可以看出振動種盤的運動由兩部分組成：角頻率為ωd的衰減振動和角頻率為ω的受迫振動。在受迫振動系統的衰減振動中，由于阻尼的存在，衰減振動會逐漸消失，在衰減振動完全消失之前，系統的振動過程稱為暫態響應。衰減振動消失后，系統振動的過程為穩定的等幅受迫振動，該過程稱為振動系統的穩態響應。當受迫振動系統達到穩態響應階段，其運動方程為

X(t)=X2(t)=Bsin(ωt-φ)sinδ

可以看出穩態過程即為簡諧振動，其頻率與激振力頻率相等，相位角與激振力的相位角相差φ。通過上述分析，在使用振動勻種機構時，需開機運行等待衰減振動的振幅逐漸減小，在受迫振動系統振動狀態穩定后再進行調試播種。

1.2.2種子在振動種盤上的運動理論分析

振動勻種機構工作時，水稻種子大部分呈松散均勻的狀態分布在振動種盤中。以單粒水稻種子為研究對象，探究種子在振動種盤上部T型板和下部槽板上的運動特性[11]。分別對種子在T型板和種槽板上的受力進行分析(振動種盤結構見圖1)，如圖3所示。

圖3 種子在振動種盤上的受力圖Fig.3 Force diagrams of seed on vibration plate

基于上述單自由度振動系統分析，設激振力產生的振動幅值為h(mm)，則振動種盤的位移為

s=hsin(ωt-φ)sinδ

由圖3a分析得到種子在T型板上的下滑條件為

(6)

式中μ——種子在振動種盤上的滑動摩擦角，(°)

β——T型板與水平面夾角，(°)

種子在T型板上的跳動條件為

(7)

由圖3b得到種子在槽板上的下滑條件為

(8)

式中θ——種槽板夾角，(°)

種子在槽板上的跳動條件為

(9)

其中，當0γ，則滿足種子在槽板上的下滑或跳動條件時，必定滿足種子在T型板上的下滑或跳動條件。此外，由式(8)可知，種子在種槽板上的下滑行走條件與種槽板夾角θ有關，下面將通過離散元法探究種槽板夾角θ對種子運動狀態的影響。

2 振動式精密播種裝置仿真分析

利用離散元仿真軟件EDEM，分別對振動式精密播種裝置的定量供種機構和振動勻種機構進行播種性能仿真。

2.1 定量供種機構的供種過程仿真

為探究供種時交叉導流式種箱內水稻種子的流動特性，以及振動對供種性能的影響，利用離散元仿真軟件EDEM模擬定量供種機構的工作過程，以種箱振動板有、無振動作用進行仿真對比試驗。通過三維建模軟件Solidworks創建定量供種機構的三維實體模型并導入EDEM軟件中，創建水稻芽種顆粒，由23個基礎顆粒球組成[20]。設置水稻泊松比為0.25，剪切模量為108 MPa，密度為1 098 kg/m3；不銹鋼板(種箱及導種板材料)泊松比為0.30，剪切模量為79 000 MPa，密度為7 850 kg/m3；尼龍1010(螺旋勺式排種輪材料)泊松比為0.28，剪切模量為1 070 MPa，密度為1 050 kg/m3。水稻種子含水率約37.3%，種子顆粒與各材料間的接觸參數見表1。根據定量供種機構實際工作狀態設置模型運動參數，排種輪模型運動設置為線性旋轉，轉速為7.0 r/min。使用的電磁振動器型號為DH180-2-1，振動頻率為50 Hz，通過振動測試分析得到種箱振動板在電磁振動器的作用下產生簡諧振動，且振幅可調范圍為0～0.02 mm，因此設置振動板運動為正弦平移，頻率為50 Hz，根據播量要求振幅選用0.015 mm。

表1 仿真所需接觸參數Tab.1 Contact parameters of simulation

2.1.1種子在種箱內的流動特性分析

以振動板的振動作用作為試驗因素，設計兩組供種過程模擬試驗，一組設置振動，另一組不設置振動，其余參數設置均相同，仿真時間為85 s。仿真完成后，對種箱內的種子顆粒進行染色分層，由下至上將種子分為10層，以最底層為第1種層，以最頂層為第10種層。分別選取兩組仿真試驗過程中的4個時刻進行分析，如圖4所示，左圖為種箱振動板有振動作用，右圖為無振動。

圖4 交叉導流式振動種箱供種過程仿真Fig.4 Feeding process simulation of cross-flow vibration seeds box

圖4a為初始時刻水稻種子自然填充于種箱內第一導種板下部、種箱振動板下部及第二導種板之間，形成了“Z”型連續種流，緩解了大量種子直接堆積在排種輪上方產生的正壓力。圖4b為排種輪轉動了3 s時，在此過程中，左圖供種機構在振動作用下第1～4種層種子按種層順序排出種箱，第5～10種層種子整體流動平穩下落；右圖供種機構無振動時第1～4種層種子隨排種輪的轉動相互混合，亂序排出種箱，第5～7種層種子開始呈現漏斗狀流動[21]，第8～10種層平穩下落。圖4c、4d分別為排種輪轉動了10 s和22 s時，在此過程中，左圖種箱右側由于振動作用種子流速較快，故種子整體高度向右下方傾斜，呈現擴散流動，流速較平穩；右圖種箱內漏斗狀明顯，各層種子均形成了漏斗流，流速不穩定。

觀察兩組仿真試驗整個供種過程，與導種板內壁接觸的種子均形成了不流動區。當右側振動板無振動時，種箱左右兩側皆存在不流動區，因此種子形成漏斗流動，速率不穩定，種子密度不均勻，影響排種輪的充填性能。而當右側振動板振動時，振動作用提高了右側種子流速，僅左側導種板上存在不流動區，緩解了漏斗流，促進種子擴散流動，穩定了種子整體的流速和密度，提高了供種穩定性。

根據兩組試驗仿真完成時間，有振動時供種試驗種箱內的種子在78 s內被排空，無振動時則在82 s內被排空，表明在振動作用下排種輪的供種頻率(單位時間內排種輪的供種質量，g/s)較高。為確定振動對供種頻率的提高比率，對兩組仿真試驗的供種質量進行統計，繪制定量供種機構的供種質量隨時間變化曲線對比，如圖5所示。對圖5中2條曲線做線性擬合，得到種箱振動板有振動時排種輪的供種質量

Q1=10.177t

(10)

圖5 定量供種機構有無振動時供種質量對比Fig.5 Feeding weight comparison of quantitative-seeds feeding device with or without vibration

Q2=9.851t

(11)

2.1.2種子在充填區分布狀態與流速分析

為研究振動對排種輪充填區內的種子分布“蓬松”程度和種子流速的影響，在排種輪的強制層和帶動層添加網格進行分析，劃分強制層、帶動層Ⅰ、帶動層Ⅱ、帶動層Ⅲ，如圖6所示。

隨機選擇仿真過程的4個時刻，分別統計強制層、帶動層Ⅰ、帶動層Ⅱ、帶動層Ⅲ網格內的種子數量，統計結果如表2所示。通過表2中各網格內的顆粒數量對比可以看出，振動板有振動比無振動時強制層內的種子數量多，而帶動層(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)內的種子數量少，表明種箱內側的振動作用促進排種輪充填區的種子分布狀態更為“蓬松”；振動使強制層的種子獲得較快的流速，單位時間內充填進入排種輪凹槽內的種子較無振動時多，因而排種輪的供種頻率較高。此外，振動時的顆粒數量變異系數小于無振動，表明振動作用下排種輪的充種量更穩定。

圖6 排種輪強制層與帶動層網格劃分Fig.6 Meshing for compulsion layers and driven layer of wheal

表2 各網格區域顆粒數量和變異系數Tab.2 Particle number of grid regions

圖7 不同區域顆粒流速對比曲線Fig.7 Particles velocity comparison curves of different regions

對帶動層和強制層的顆粒速度進行統計，繪制仿真3～21 s過程中種子的流速曲線，如圖7所示，進一步分析振動對充種區種子流速的影響。通過圖7a種子流速變化曲線對比，振動作用對排種輪強制層的種子流速大小影響不明顯，而計算和比較兩組種子流速平均值時則有振動略微大于無振動時。由圖7b可知，有振動時種子流速曲線整體高于無振動時，表明振動作用加速了帶動層Ⅰ區域的種子流速，從而促進種子充填進入排種輪的凹槽內，提高排種輪的供種頻率。通過圖7c可以看出，對于帶動層Ⅱ的種子，在無振動時速度變化劇烈，而在有振動時速度穩定，表明振動作用有效地穩定了該層種子流速。圖7d為帶動層Ⅲ種子流速，從兩條速度對比曲線來看，種子流動速度變化差異不明顯，通過趨勢線對比表明有振動時種子流速變化稍平穩。

上述分析以定量供種機構大播種量供種(適用于常規稻，通常播量標準秧盤80～120 g/盤，即3～7粒/穴或格)為例進行探究。針對低播量供種(適用于雜交稻，通常播量標準秧盤40～60 g/盤，即1～4粒/穴)以相同的方法進行模擬分析，得到種子在種箱內交叉導流式結構上的流動特性以及在排種輪充填區的分布狀態和流速，在有無振動作用對比仿真試驗中表現出的規律與常規稻供種時基本一致，雜交稻低播量時有振動比無振動時排種輪的供種頻率高5.41%。

綜上采用離散元法對定量供種機構在有振動與無振動條件下，分別進行常規稻及雜交稻供種過程模擬，從種箱內的種子流速變化及分布“蓬松程度”等方面分析，驗證了交叉導流式結構能夠為排種輪提供連續穩定的種子流，揭示了振動作用穩定種子流速和提高機構供種頻率的機理，表明該定量供種機構較優的供種性能能夠滿足精密播種需求。

2.2 振動勻種機構的播種性能仿真

振動勻種機構的種槽板對種子的限位作用決定了種子的有序排隊狀態，進而影響條播或穴播時種子流與秧盤的對行或對穴性能。為了達到較好的播種性能，播種時到達種槽出流口的種子最好垂直落入該種槽對應的秧盤行或秧穴中，尤其當雜交稻低播量播種時需要種子在種槽板上保持沿長軸方向有序排隊，同時避免劇烈跳動或擺動，防止掉落過程中發生彈跳落入相鄰的秧盤行或秧穴中。

為探究不同類型與參數的種槽板對種子流速、排隊狀態及播種性能的影響，設計了9組種槽板，即不同種槽夾角θ的V型種槽板：V-60°、V-75°、V-90°、V-105°、V-120°、V-135°、V-150°，和不同半徑的U型種槽板：U1(半徑為6.30 mm)、U2(半徑為7.00 mm)，進行水稻精少量播種性能模擬試驗。旨在篩選種槽板因素水平，為裝置優化試驗提供理論依據，減少試驗次數，節省時間和成本。

仿真所需材料的物性參數及接觸參數參照2.1節進行設置，秧盤運動設置為勻速行走，速度為0.083 m/s(播種流水線生產率500盤/h)，振動種盤運動參考文獻[14]進行設置，仿真時間為12 s。

2.2.1不同種槽板對種子流速影響

統計在播種過程穩定后4～10 s內，9組仿真試驗種槽板上的種子流動速度，每組取100個數據，繪制種子速度箱線圖，如圖8所示。通過觀察箱線圖中每組數據箱體和線段的長短，可得到數據的四分位距大小，以及正常值的分布范圍，從而直觀地判斷不同種槽板對種子流速及穩定性的影響。

圖8 不同種槽板上種子速度箱線圖Fig.8 Box plot of seeds velocity on different striper tanks

從圖8中各組箱線圖的高度分布來看，V型種槽板夾角θ從60°到150°，各組箱線的高度、速度最大值和中位數隨θ增大而下降，表明隨著種槽板夾角θ的增大，種子在種槽板上的流動速度整體呈減小的趨勢；對于U型種槽板，U1型種槽板上的種子流速略大于U2型種槽板，表明種槽半徑較大時種子流速較慢。從各組箱線長度和異常值分布情況可以看出，隨著種槽板夾角θ的增大，種子速度分布范圍逐漸集中，種子速度異常值逐漸減少，且在種槽板夾角θ大于等于120°時，種子流速分布范圍相近，表明隨著種槽板夾角θ的增大，種子流速趨于穩定，且在θ達到120°時種子流速穩定性隨槽板夾角的增大變化不明顯。兩種U型種槽板上種子速度異常值少，表明種子在U型槽上的流速較V型槽穩定。

2.2.2不同種槽板對種子排隊狀態影響

觀察種子在種槽板上的排隊狀態及到達種槽板出流口落入秧盤內的掉落狀態，分析播種過程中不同種槽板對種子的限位作用和對行、對穴性能影響。圖9為9組種槽板上種子的排隊狀態，從圖中可以看出，對于V型種槽板，當種槽板夾角θ較小(60°、75°和90°)時，種槽板對種子的限位作用強，此時種槽內的種子可沿其長軸方向有序排隊，并形成較均勻的單粒到1.5粒種子流；隨著種槽板夾角θ增大，種槽板對種子的限位作用逐漸減弱，當θ為105°和120°時，種子與種槽的接觸面積增大，種槽內的種子可前后交疊排列形成較均勻的1.5粒到2粒種子流；當θ為135°和150°時，種槽板夾角過大，此時種槽板對種子的限位作用弱，無法引導種子在槽板內有序排隊形成均勻的種子流。對于U型槽板，種子與種槽板的接觸面積大，種子排列較不規律，當U型槽半徑較小(U1半徑為6.30 mm)時可形成較均勻的1.5粒到2粒種子流，當U型槽半徑較大(U2半徑為7.00 mm)時形成無序的2粒種子流。

圖9 種子在不同種槽板上的排隊狀態Fig.9 Queue conditions of seeds on different striper tanks

此外，通過觀察種子在不同種槽板出流口落入秧盤時的形態，得到V-60°、V-75°和V-90°種槽板中，由于種槽板的限位作用好，種子能夠垂直掉落到下方的秧盤中；V-105°和V-120°種槽板限位性一般，但由于種子流速較穩定，種子隨槽板振動作用前后擺動行走，也能夠垂直掉落至秧盤中，較準確地實現對行對穴；而V-135°、V-150°、U1和U2型種槽板，由于限位性差，種子隨槽板振動作用產生小幅度的左右擺動，掉落時易發生翻滾，對行對穴性能較差。

2.2.3不同種槽板對播種性能影響的仿真分析

為進一步確定播種性能較優的種槽板，統計不同種槽板的播種合格指數與空穴指數等性能指標。每組仿真試驗分別播種3個秧盤，統計秧盤中每穴內的種子數量，評價指標為

(12)

式中Y1——播種合格指數

Y2——空穴指數

N1——合格穴數，合格區間為1～4 粒/穴

N2——空穴數，無種子為空穴

N——總秧穴數

統計結果見表3。

表3 不同種槽板播種性能仿真試驗結果Tab.3 Simulation result of sowing performance on different striper tanks

從表3試驗結果可以看出，V-60°和V-75°種槽板的播種空穴指數高，不能滿足水稻精密播種要求，其原因是在種槽板上形成的是單粒種子流，存在斷流的位置播入秧盤中即形成了空穴；V-135°、V-150°和U2型種槽板空穴指數高，其原因是槽板的限位性差，不能形成均勻的種子流；V-90°、V-105°、V-120°和U1型種槽板的播種合格指數均超過90%，空穴指數較低，平均每穴粒數滿足播種要求，且標準差較小，表明較穩定的種子流速和連續均勻的種子流是實現水稻精少量播種的重要條件。

綜上對種子在不同種槽板上的流速及排隊狀態分析，以播種合格指數和空穴指數作為評判播種性能的指標，優選了播種效果較好的V-90°、V-105°、V-120°和U1型種槽板，為進行機構的播種性能優化試驗提供了參考。

3 試驗與結果分析

分別進行定量供種機構在種箱振動板有振動與無振動條件下的供種頻率對比試驗，以及不同種槽板播種性能試驗，以驗證仿真的準確性，確定最優種槽板能夠提高精密播種裝置的性能。試驗地點在華南農業大學農業工程實驗室，采用研制的振動式精密播種裝置，安裝在水稻秧盤育秧精密播種流水線上,裝置如圖10所示。試驗所用水稻品種：雜交稻品種為培雜泰豐，種子含水率約為27.5%，千粒質量為28.20 g；常規稻品種為華航38號，種子含水率約為27.38%，千粒質量為27.59 g。兩個水稻品種均進行催芽處理，種子破胸露白后再進行播種試驗。

圖10 振動式水稻精密播種裝置實物圖Fig.10 Vibration rice precision sowing device

3.1 定量供種機構供種頻率對比試驗

為探明振動作用對定量供種機構供種穩定性和供種頻率的影響，以種箱振動板的振動作用作為試驗因素，對供種機構有、無振動時的供種頻率進行測定分析。有振動時開啟電磁振動器并調節振動板產生0.015 mm的振幅(可通過振動測試得到)，無振動時關閉電磁振動器，分別進行定量供種機構常規稻與雜交稻供種試驗。常規稻供種時排種輪轉速為7.0 r/min，雜交稻低播量時轉速為3.3 r/min。

供種頻率測定方法為：在機構工作穩定后，有、無振動條件下分別接取排種輪轉動60 s所排出的種子質量，使用精度0.01 g的電子秤進行稱量，計算排種輪的供種頻率，每組試驗重復6次，求取平均供種頻率；供種穩定性的測定方法為：接取排種輪轉動5 s所排出的種子質量并稱量，有、無振動條件下各重復5次，求取供種頻率變異系數。試驗結果見表4。

表4 定量供種機構供種頻率對比試驗結果Tab.4 Feeding frequency comparison test result of quantitative-seeds supply device

由表4可知，常規稻供種時電磁振動作用使供種頻率提高3.64%，雜交稻低播量時提高5.52%，與2.1.2節仿真結果進行對比，仿真相對誤差分別為9.07%和1.99%，表明仿真結果精度較高。常規稻供種時有、無振動條件下的供種頻率變異系數均較低播量供種時小，表明常規稻供種時排種輪單位時間內排出的稻種量更加穩定；在振動板有振動作用時，可提高常規稻供種穩定性2.47%，雜交稻供種穩定性提高1.33%，表明振動板振動對常規稻供種穩定性提高作用更明顯。

3.2 不同種槽板播種性能試驗

以種槽板類型、播種量、氣壓作為試驗因素進行全因素播種性能試驗。仿真試驗優選的種槽板類型因素(A)水平為：V-90°、V-105°、V-120°和U1型種槽板；播種量因素(B)水平為：常規稻(80 g/盤)和雜交稻(40 g/盤)；常用氣壓(C)水平為：0.24、0.26、0.28 MPa，共進行24組試驗。

水稻秧盤育秧精密播種流水線播種生產率為500盤/h，秧盤為14×29缽體毯狀軟盤。每組試驗播種6盤，每盤隨機選取2個區域，區域1橫向完整2行(14格×2行)和區域2橫向6行、縱向7列(6格×7格)，統計并計算每組的播種合格指數、空穴指數、平均每穴粒數和標準差。雜交稻低播量播種合格區間為1～4粒/穴，常規稻大播量播種合格區間為3～7粒/穴。分別計算4組種槽板在播種雜交稻和常規稻時的性能指標平均值k，試驗結果見表5，播種效果如圖11所示。

通過表5播種性能試驗結果比較，雜交稻低播量播種時和常規稻大播量播種時，試驗因素A在k3水平下的播種平均合格指數最高、平均空穴指數最低，平均每穴粒數滿足播種要求且標準差較小，表明兩種播量下V-120°種槽板的播種性能均最優，與2.2.2節仿真試驗優選結果一致。同時，采用該種槽板進行低播量播種，當氣壓為0.26 MPa時播種合格指數為93.91%，空穴指數為0.94%；常規稻播種時當氣壓為0.28 MPa，播種合格指數為96.10%，空穴指數為0，滿足常規稻與雜交稻精少量播種育秧技術要求，優化了振動式水稻精密播種裝置的播種性能。

表5 播種性能試驗結果Tab.5 Test result of sowing performance

圖11 播種效果Fig.11 Seeding effect

4 結論

(1)采用離散元法進行了有無振動時定量供種機構的工作過程仿真研究，得出在振動條件下進行供種，可提高供種頻率和穩定性。通過分析種箱內不同種層的種子流動特性，驗證了交叉導流式振動種箱可為排種輪提供連續穩定的種子流；通過對比分析充填區種子的流速與“蓬松”程度得知，振動作用能夠有效地穩定種子流速和分布密度，提高供種頻率。

(2)進行了不同類型與參數種槽板播種性能仿真試驗，得到了種子在不同種槽板上的流速規律。通過分析不同種槽板對種子流速、有序排列及播種性能的影響可知，種子流速隨著種槽板夾角θ增大而減小并趨于穩定，且當θ達到120°時，流速穩定性隨θ增大的變化不明顯；以播種合格指數和空穴指數為指標，篩選出了V-90°、V-105°、V-120°和U1型4組種槽板的播種效果較好，為裝置優化試驗減少了試驗次數。

(3)進行了定量供種機構的供種頻率試驗和精密播種裝置性能優化試驗，確定了播種效果最佳的種槽板為V-120°種槽板。通過定量供種機構試驗，得到常規稻、雜交稻供種時電磁振動作用分別可提高供種頻率3.64%和5.52%，驗證了定量供種機構在有無振動作用下的仿真結果誤差較小；通過精密播種裝置性能優化試驗，得到采用V-120°種槽板，以0.26 MPa氣壓進行低播量播種時，合格指數為93.91%，空穴指數為0.94%，以0.28 MPa氣壓進行常規稻播種時，合格指數為96.10%，空穴指數為0，滿足常規稻與雜交稻精密播種育秧技術要求，為水稻精密播種裝置的研究提供了基礎。

1 李澤華，馬旭，李秀昊，等．水稻栽植機械化技術研究進展[J/OL]．農業機械學報，2018,49(5):1-20. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20180501&flag=1. DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2018.05.001.

LI Zehua,MA Xu,LI Xiuhao,et al.Research progress of rice transplanting mechanization[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2018,49(5):1-20. (in Chinese)

2 YOO S N, CHOI Y S, SUH S R. Development of a precision seed metering device for direct seeding of rice [J]. Journal of Biosystems Engineering, 2005,30(5):261-267.

3 李洪昌，高芳，趙湛，等．國內外精密排種器研究現狀與發展趨勢[J] ．中國農機化學報，2014，35(2): 12-16,56．

LI Hongchang, GAO Fang, ZHAO Zhan, et al. Domestic and overseas research status and development trend of precision seed-metering device [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2014, 35(2): 12-16,56. (in Chinese)

4 李耀明，徐立章，向忠平，等．日本水稻種植機械化技術的最新研究進展[J]．農業工程學報，2005，21(11):182-185．

LI Yaoming, XU Lizhang, XIANG Zhongping, et al. Research advances of rice planting mechanization in Japan [J]. Transactions of the CSAE, 2005, 21(11): 182-185. (in Chinese)

5 孫勇飛，吳崇友，張文毅，等．水稻育秧播種機的發展概況與趨勢[J]. 農機化研究，2013，35(12):210-215.

SUN Yongfei, WU Chongyou, ZHANG Wenyi, et al. Development situation and tendency of rice seedling planter [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2013，35(12):210-215. (in Chinese)

6 李志偉，邵耀堅．電磁振動式水稻穴盤精量播種機的設計與試驗[J] ．農業機械學報，2000，31(5): 32-34．

LI Zhiwei, SHAO Yaojian. Study and test of electromagnetic vibrating type rice seeder for hill seedling nursery box [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2000, 31(5): 32-34. (in Chinese)

7 張石平，陳進，李耀明，等．振動氣吸式穴盤精播裝置振動條件理論分析與試驗[J].農業機械學報，2008，39(7): 56-59,79．

ZHANG Shiping, CHEN Jin, LI Yaoming, et al. Theoretical analysis and experiment on vibration conditions for vibrational air-suction tray precision seeding machine [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(7): 56-59,79. (in Chinese)

8 張學義，邵耀堅．電磁振動排種器種子運動分析及試驗研究[J] ．農業工程學報，1996，12(1): 81-86．

ZHANG Xueyi, SHAO Yaojian. Theoretical analysis and experiment on the kinematics of feeding device under electromagnetic vibration [J]. Transactions of the CSAE, 1996, 12(1): 81-86. (in Chinese)

9 楊望，楊堅，周曉蓉，等．電磁振動排種器振動系統參數的確定[J] ．農機化研究，2009，31(2): 47-50,54．

YANG Wang, YANG Jian, ZHOU Xiaorong, et al. Parameters study on the vibrant system electro magnetic vibrated seeding apparatus [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009, 31(2): 47-50,54. (in Chinese)

10 張斌，俞亞新，趙勻．超級稻稻種定向播種的原理研究[J]．浙江理工大學學報，2008，25(4): 454-456．

ZHANG Bin, YU Yaxin, ZHAO Yun. Study on principle of the rice seeds embryo oriented seeding [J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University, 2008, 25(4): 454-456. (in Chinese)

11 齊龍，譚祖庭，馬旭，等．氣動振動式勻種裝置工作參數的優化及試驗[J]．吉林大學學報:工學版，2014，44(6): 1684-1691.

QI Long, TAN Zuting, MA Xu, et al. Optimization and test of operational parameters of pneumatic vibration uniform-seeds device [J]. Journal of Jilin University: Engineering and Technology Edition, 2014, 44(6): 1684-1691. (in Chinese)

12 ZHU H P, ZHOU Z Y, YANG R Y, et al. Discrete particle simulation of particulate systems: a review of major applications and findings [J] . Chemical Engineering Science, 2008, 63(23): 5728-5770.

13 YU A B. Discrete element method: an effective method for particle scale research of particulate matter [J] . Engineering Computations, 2004, 21(2-4): 205-214.

14 鹿芳媛，馬旭，齊龍，等．基于離散元法的雜交稻振動勻種裝置參數優化與試驗[J]．農業工程學報，2016，32(10): 17-25．

LU Fangyuan, MA Xu, QI Long, et al. Parameter optimization and experiment of vibration seed-uniforming device for hybrid rice based on discrete element method [J]. Transactions of the CSAE, 2016, 32(10): 17-25. (in Chinese)

15 陳進，周韓，趙湛，等．基于 EDEM 的振動種盤中水稻種群運動規律研究[J]．農業機械學報，2011，42(10): 79-83，100．

CHEN Jin, ZHOU Han, ZHAO Zhan, et al. Analysis on rice seeds motion on vibrating plate using EDEM [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(10): 79-83, 100. (in Chinese)

16 玉大略，馬旭，周海波，等．振動流動式水稻秧盤育秧播種器的試驗研究[J]．農機化研究，2010，32(2): 137-139．

YU Dalue, MA Xu, ZHOU Haibo, et al. Experimental research of vibration flow type rice seedlings seeder [J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(2): 137-139. (in Chinese)

17 周海波,梁秋艷,魏天路,等.雙級振動精密排種器外槽輪式定量供種裝置設計與試驗[J/OL]. 農業機械學報, 2016, 47(增刊): 57-61,83．http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=2016s009&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.S0.009.

ZHOU Haibo, LIANG Qiuyan, WEI Tianlu, et al. Design and experiment of quantitative seed supply device with fluted roller used for double-vibrating precision seed meter [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(Supp.): 57-61,83. (in Chinese)

18 胡繼云，廉振紅，邵洪濤．單自由度簡諧振動機械彈性支承剛度和激振力的設計[J]．河南工業大學學報:自然科學版，2006，27(4): 11-14.

HU Jiyun, LIAN Zhenhong, SHAO Hongtao. The design of elastic supporting stiffness and exciting force for simple harmonic vibration machine with single-degree-of-freedom [J]. Journal of Henan University of Technology: Natural Science Edition, 2006, 27(4): 11-14. (in Chinese)

19 劉習軍，賈啟芬．工程振動理論與測試技術[M]．北京:高等教育出版社，2004: 39-41.

20 鹿芳媛，馬旭，譚穗妍，等．水稻芽種離散元主要接觸參數仿真標定與試驗[J/OL]. 農業機械學報, 2018,49(2):93-99. http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20180212&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2018.02.012.

LU Fangyuan, MA Xu, TAN Suiyan, et al．Simulative calibration and experiment of rice bud seeds discrete elements main contact parameters [J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018,49(2):93-99. (in Chinese)

21 陳長冰．基于整體流型的粉體料倉設計分析[J]．化工設備與管道，2006，43(3): 34-38．

CHEN Changbing. Design and analysis of silos with mass flow [J]. Process Equipment and Piping, 2006, 43(3): 34-38. (in Chinese)