水稻旱直播氣吸式精量穴播機(jī)的設(shè)計與試驗

萬 霖，王洪超，李海龍，衣淑娟，王 明，張貴宏

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 農(nóng)業(yè)機(jī)械化工程重點實驗室，黑龍江 大慶 163319)

0 引言

我國是世界水稻播種面積第二大國家，2016 年度水稻播種面積比 2004 年度增長 6.28%。兩會期間，農(nóng)業(yè)部部長表示，貫徹國家新的糧食安全戰(zhàn)略，要致力于實施“兩藏”戰(zhàn)略，做到“藏糧于地”“藏糧于技”，鞏固糧食產(chǎn)能。其中“藏糧于技”就是重點支持種業(yè)科技創(chuàng)新和農(nóng)業(yè)技術(shù)集成創(chuàng)新，還要通過機(jī)械化降低糧食生產(chǎn)成本。水稻直播栽培省去常規(guī)栽培育秧、拔秧和移栽作業(yè)，在已耕翻或免耕地里直接播種，具有省工、省力，節(jié)省秧田和種子，縮短生育期，延長營養(yǎng)生長期15天以上的優(yōu)勢。其分蘗好，成穗率高，拔節(jié)至抽穗期的生長量穩(wěn)定，根系發(fā)達(dá)，根苗多，抽穗至成熟期的生產(chǎn)能力高,結(jié)實率和千粒質(zhì)量提高[1-3]，有利于機(jī)械化操作，為高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。例如，水稻直播每667hm2投入成本為700元，產(chǎn)量400kg多，插秧投入費用1 200元(不包括前期基礎(chǔ)設(shè)施費用，占地費用)，產(chǎn)量達(dá)到550kg，水稻直播比插秧每公頃增加800元。因此，直播種植面積均呈加快發(fā)展趨勢。

水稻直播機(jī)械化以作業(yè)速度快、成本低、標(biāo)準(zhǔn)化程度高成為優(yōu)勢，諸多高校及企業(yè)開展了水稻直播機(jī)的研究[4-6]。江蘇大學(xué)[7]、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)[8]、吉林大學(xué)等單位已經(jīng)開展先期研究，表明機(jī)械精量穴直播方式優(yōu)勢明顯[9]。但是，直播通常使用經(jīng)過催芽處理的芽谷, 芽谷含水率高, 流動性差, 胚芽極其嫩弱, 播種時容易受到損傷，且針對北方不同積溫帶的機(jī)械直播技術(shù)仍需完善和提高。為此，基于水稻直播機(jī)械的不足，分析水稻精量播種機(jī)理，采用旱育壟作穴播、壟上交錯播種模式，設(shè)計了水稻旱直播氣吸式精量穴播機(jī)。氣吸式播種方式對種子適應(yīng)性好、損傷率低，可以實現(xiàn)高速作業(yè)，達(dá)到高效產(chǎn)出、節(jié)本增產(chǎn)的要求。

1 構(gòu)造與工作原理

1.1 農(nóng)藝要求

根據(jù)水稻標(biāo)準(zhǔn)化種植農(nóng)藝對機(jī)械化高速播種的技術(shù)要求，采用旱育稀植壟作精量穴播技術(shù)，利用650mm小壟，耕播模式為壟上交錯播種(“拐子苗”)，行間距250mm，壟臺高150 mm，壟上種植2行，穴距110 mm，如圖1所示。在單項播種技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合側(cè)深施肥作業(yè)模式，設(shè)計雙苗帶中間進(jìn)行施肥，主要作用優(yōu)勢在于可促進(jìn)秧苗前期的生長性發(fā)育，以降低20%的肥料施加量完成單位面積內(nèi)肥料的供給，同時增強對于低溫下肥料的適用性，減輕了對環(huán)境的污染，提升旱作水稻的生長發(fā)育。

圖1 水稻直播側(cè)深施肥示意圖Fig.1 The schematic diagram of rice direct sowing and side deep fertilizing

1.2 工作原理

該機(jī)具由機(jī)架、播種裝置、送排肥裝置、行走裝置、開溝鎮(zhèn)壓裝置、驅(qū)動裝置及風(fēng)機(jī)等組成[11]，如圖2所示。風(fēng)機(jī)及傳動皮帶安裝在機(jī)架上，由拖拉機(jī)的動力輸出軸驅(qū)動，地輪通過鏈條驅(qū)動排種器和排肥器工作。播種裝置包括種子箱、氣吸式排種器、風(fēng)機(jī)、滑刀式開溝器、覆土器、鎮(zhèn)壓輪、四桿仿形機(jī)構(gòu)及吸氣管等。播種的粒距是由排種盤的吸種孔數(shù)及其轉(zhuǎn)速兩者決定的。送排肥裝置由肥料箱、排肥器、輸肥管、開溝器及傳動裝置等組成。排肥器為外槽輪式，適用于排施顆粒種肥，施肥開溝器在滑刀式開溝器的前面，實現(xiàn)肥料的側(cè)深施用。

播種機(jī)在工作時，動力輸出軸驅(qū)動風(fēng)機(jī)高速運轉(zhuǎn)，氣吸式排種器產(chǎn)生負(fù)壓，在兩側(cè)壓力差的作用下，種子被排種盤上的吸孔吸住；排種盤通過傳動機(jī)構(gòu)由地輪驅(qū)動，隨著排種盤的轉(zhuǎn)動，吸種孔離開吸氣道的未端后，負(fù)壓消失；種子靠自重下落到開溝器開出的種溝內(nèi)，經(jīng)覆土器覆土和鎮(zhèn)壓輪鎮(zhèn)壓后完成播種。

1.懸掛架 2.機(jī)架 3.風(fēng)機(jī) 4.排肥器 5.肥箱 6.液壓系統(tǒng) 7.四桿機(jī)構(gòu) 8.種箱 9.排種器 10.V型覆土鎮(zhèn)壓輪 11.限深輪 12.雙圓盤開溝器 13.地輪 14.波紋圓盤 15.螺栓 16. 軸承座 17.U型螺栓 18.橡膠波紋型輸肥管 19.滑刀開溝器圖2 水稻精量穴直播機(jī)Fig.2 Precision rice hill-drop drilling machine

1.3 傳動原理

根據(jù)系統(tǒng)的功用及機(jī)架的結(jié)構(gòu)，傳動系統(tǒng)如圖3所示。其由電機(jī)、鏈傳動組成，電機(jī)為主動力源。電機(jī)鏈輪是輸出鏈輪(令其齒數(shù)為Z0)，動力由電機(jī)鏈輪通過鏈傳動傳遞到鏈輪1(令其齒數(shù)為Z1)。通過鏈輪1的鏈輪軸將動力傳遞給同軸的鏈輪2(令其齒數(shù)為Z2)和鏈輪3(令其齒數(shù)為Z3)，動力經(jīng)兩條鏈條分別傳遞給播種鏈輪(令其齒數(shù)為Z4)和排肥鏈輪(令其齒數(shù)為Z5)。

1.電機(jī)鏈輪 2.電機(jī) 3.排肥鏈輪 4.排肥器 5.鏈輪2 6.鏈輪3 7.鏈輪1 8.排種器 9.排種鏈輪 10.機(jī)架 11.鏈條圖3 傳動路線簡圖Fig.3 Diagram of transmission route

2 關(guān)鍵部件的設(shè)計

2.1 排種器的設(shè)計

2.1.1 氣吸式排種器參數(shù)的分析

種子分離盤為氣吸式水稻精量排種器的核心工作部件。種子分離盤的大小決定了群組吸孔的分布、吸孔間距、稻種所受離心力、吸室壓力的大小、風(fēng)機(jī)功率，以及排種機(jī)構(gòu)整體尺寸等參數(shù)。種子分離盤直徑、群組吸孔組數(shù)、吸孔直徑和吸孔分布中心圓直徑是種子分離盤主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4所示。通過改變種子分離盤每組吸孔數(shù)量和群組吸孔的分布，可達(dá)到水稻精密播種。

圖4 種子分離盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structural diagram of separating disk on rice seeds

2.1.2 吸孔孔徑的確定

種子分離盤≤50%的水稻吸孔的孔徑在播種的過程中起到關(guān)鍵的作用，孔徑一定要和種子相適應(yīng)。在設(shè)計孔徑的大小時，要考慮種子的大小，即是否能提供足夠的壓力，以把種子吸附在種盤上。種子和孔徑相差過大，導(dǎo)致漏氣和一個孔徑吸附多粒種子，影響播種合格率；種子和孔徑相差小，造成氣壓不足難以將種子吸附到種盤上，導(dǎo)致在排種的過程中出現(xiàn)漏播。水稻種子的平均直徑[10]為

(1)

式中ds—水稻種子幾何平均直徑(mm);

l、b、h—水稻種子的平均長度、寬度和厚度(mm)。

選用適合直播的龍粳33，經(jīng)測定水稻種子的平均長度、寬度和厚度分別是7.1、3.2、2.4mm，水稻種子幾何平均直徑3.8mm，取吸種孔的直徑為≤1.9mm，排種性能試驗1.7mm。

2.1.3 排種盤吸孔組數(shù)分析

在確保機(jī)車前進(jìn)速度不變的情況下，隨著孔數(shù)不斷的增加，粒距會不斷減小；當(dāng)孔數(shù)達(dá)到一定的極限時，會出現(xiàn)播種混亂，各項評價指標(biāo)都不合格。另一種情況，將孔數(shù)不斷減少，粒距會不斷增大；當(dāng)減少到一定的極限，漏播率極高。運用公式計算，找到理論上的孔數(shù)，并進(jìn)行驗證。該裝置設(shè)計的目的是進(jìn)行穴播，每穴要求3粒種子。在滿足孔數(shù)要求的情況下，需要確定孔組數(shù)，采用群組吸孔，每組吸孔數(shù)目為3。

2.1.4 排種盤轉(zhuǎn)速和線速度的分析

排種盤的速度是評價排種性能的一個重要指標(biāo)，隨著種盤轉(zhuǎn)速的增大，播種的頻率也會逐漸增大，工作性能也會提高；但充種的時間縮短快，沒能及時吸種就已經(jīng)到下一孔，增大了氣壓，易導(dǎo)致漏播，影響播種效果。根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計手冊，排種盤吸孔處的線速度應(yīng)不得大于0.35m/s。

2.1.5 吸室真空度的確定

吸室真空度在播種過程中起到提供氣壓的作用，其大小將會直接影響吸種效果，間接對排種均勻度造成影響。吸室的結(jié)構(gòu)根據(jù)吸種效果最終選擇馬蹄形，對于保證氣室真空度一致性做出了巨大的貢獻(xiàn)。計算真空度的公式為

(2)

式中Hcmax—氣室真空度最大值(kPa)；

d—種盤吸孔直徑(cm)；

C—種子幾何中心到排種盤的距離(cm)；

m—粒種子的質(zhì)量(kg)；

v—種盤吸孔中心的線速度(m/s)；

r—種盤吸孔處的轉(zhuǎn)動半徑(m)；

g—重力加速度(m/s2)；

λ—種子摩擦阻力因數(shù)，λ=(6～10)tanθ,θ為種子自然休止角；

K1—吸種可靠性系數(shù)；

K2—外界條件系數(shù)。

通過式(2)計算可知：排種器氣室所需要的真空度受到多種因素的影響；經(jīng)過計算，在農(nóng)田進(jìn)行水稻旱直播時所需的吸室真空度為2.079kPa。

2.2 排肥器的設(shè)計

相對于傳統(tǒng)的人工施肥模式，采用側(cè)深方式完成土地施肥已成為目前現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)模式中的關(guān)鍵一環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其中，滑刀式施肥裝置入土開溝，通過后方的預(yù)留口、內(nèi)部開溝槽裝置及齒輪機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)作用，來實現(xiàn)與施肥管道之間的接通；氣送排肥，施肥深度取決于開溝器，通過對開溝器總成的調(diào)節(jié)，可以設(shè)置施肥深度，對于水稻側(cè)深施肥而言，肥料的施肥位置滿足施肥深度50mm。

1.外槽輪 2.墊片 3.軸端擋圈 4.排肥上輪罩 5.擋肥板 6.擋肥軸 7.齒輪 8.卡扣 9.傳動齒輪 10.排肥軸圖5 外槽輪排肥器爆炸圖Fig.5 The exploded Figure of outer groove-wheel fertilizer apparatus

以顆粒肥料為主的外槽輪排肥器，外槽輪直徑一般選40～60mm。本機(jī)具選擇的外槽輪，直徑選用42mm；凹槽直徑選用20mm，凹槽數(shù)一般選擇6～10個。槽輪的工作長度有一定的要求，為滿足施肥量的要求，選擇槽輪的工作長度為60.5mm，如圖6所示 。

3 整機(jī)虛擬設(shè)計

3.1 播種單體的裝配

水稻穴直播機(jī)播種單體由仿形機(jī)構(gòu)、開溝裝置、排種裝置、覆土裝置及鎮(zhèn)壓裝置組成，用螺栓、緊定螺釘、鉸鏈連接。在UG建模環(huán)境中，通過布爾運算、設(shè)計特征、細(xì)節(jié)特征等相關(guān)命令建立三維模型。由于每個零件所在的位置不同，對零件進(jìn)行約束，完成單體裝配。

圖6 外槽輪Fig.6 The outer groove-wheel

3.2 氣力系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)與機(jī)架的裝配

氣力系統(tǒng)包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)管，施肥系統(tǒng)包括肥箱、排肥器。其中，氣力系統(tǒng)與機(jī)架踏板之間使用U型卡固定，風(fēng)機(jī)與機(jī)架間采用螺栓連接，肥箱與機(jī)架采用螺栓連接，排肥器與肥箱采用螺栓連接，完成裝配。

3.3 整機(jī)的總體裝配

將播種單體、深松起壟單體、地輪總成、傳動系統(tǒng)、氣力系統(tǒng)及施肥系統(tǒng)等與機(jī)架組合，在UG裝配模塊下對其約束，完成氣吸式水稻穴直播機(jī)的裝配。播種機(jī)虛擬樣機(jī)如圖7所示。

圖7 整機(jī)總體裝配圖Fig.7 Assembly diagram of the whole machine

4 田間試驗

1)2016年5月初，在建三江濃江農(nóng)場用試驗機(jī)進(jìn)行播種試驗如圖8所示，種子在排種分布如圖8(a)所示；按照種植要求，下種情況如圖8(b)所示；播種后灌溉如圖8(c)所示；6月底直播苗長勢如圖8(d)所示。

(a) (b)

(c) (d)圖8 田間試驗Fig.8 Field experiment

2)試驗表明：該裝置穴粒數(shù)合格率≥90%，播種深度合格率≥80%，穴距合格率≥80%，破碎率≤0.5%，各行排種量一致性變異系數(shù)≤3.5%，總排種量穩(wěn)定性變異系數(shù)≤1.2%，各行排肥量一致性變異系數(shù)≤5%，破損率≤0.5%，優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)論與討論

1)水稻旱直播技術(shù)是一種輕簡栽培技術(shù)，具有省工、省力、省種、省水，以及投資少、效益高的優(yōu)點。本試驗采用旱育稀植，直播的水稻苗根系發(fā)達(dá)、根毛多、稀植育大苗而高產(chǎn)。但旱直播也有它的弱點：春澇播種難、雜草難控制；防春澇要秋整地、除雜草噴封閉藥；弱小的苗容易被鳥吃掉，播種深度至關(guān)重要保證在10～15mm。

2)設(shè)計的種子分離盤結(jié)構(gòu)合理，如果機(jī)車作業(yè)速度≥10km/h，可考慮改進(jìn)種盤結(jié)構(gòu)，對吸孔組的數(shù)量分別進(jìn)行試驗。

3)外槽輪排肥器滿足了側(cè)深施肥的要求，結(jié)構(gòu)合理，但需要進(jìn)一步研究肥料嗜堵和板結(jié)現(xiàn)象。