雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置設計與試驗

雷小龍 楊文浩 劉禮陽 劉洪男 任萬軍 陳 勇

(1.四川農業大學機電學院， 雅安 625014； 2.農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室， 成都 611130)

0 引言

水稻機械化種植包括機插和機直播2種方式，其中機插和機直播分別占93.99%和5.97%[1-2]。機插具有分蘗能力強、農藝技術較完善和產量穩定的特點，是日本、韓國和我國主要的水稻機械化種植方式；機直播省去育秧、運秧和插秧環節，有效降低勞動成本，且機直播稻分蘗發生早和優勢蘗位低，成穗率高，通過增加有效穗數可獲得較高產量；近年來由于農村勞動力短缺，省工、省力和節本的機直播種植方式得以快速發展，成為水稻機械化種植的重要方式[3]。機直播的播種質量主要取決于排種器的排種性能。

諸多學者對水稻精量排種器進行了研究[4-20]，實現了較好的排種性能，但研究對象大都屬于單體式排種器。集中排種具有裝卸種方便、精簡傳動和整機結構及效率較高的優勢，已成為排種技術發展的一種趨勢。集中排種器可分為滾筒式集排器和氣送式集排器，張順等[21-22]采用窩眼充種、多吸孔吸種、氣吹清種、護種帶護種及氣力清堵等方式，設計了一種氣力滾筒式水稻穴直播精量排種器，可實現較優排種質量的多行排種。

氣力輸送式集中排種器在國內外得到廣泛研究和應用，戴億政等[23]設計了一種適用于氣力集排式水稻直播機的分種器以適應水稻高速作業和大播量播種。YATSKUL等[24]優化了庫恩氣送式排種器的結構，提升了排種性能。筆者前期開展了油麥兼用型氣送式集排器的結構設計與排種過程分析等工作[25-27]，采用交錯傾斜錐柱狀型孔定量供種裝置與碗式枝狀分配器相結合的方式實現油菜、小麥定量均勻排種，研究的氣送式集排器經生產試驗證實可完成高效、精量播種。

油麥兼用型氣送式集排器主要采用精量播種的方式，無需成穴播種；而雜交稻為實現高產和抗倒伏農藝要求，雜交稻直播采用穴播方式。氣送式集排器采用“機械定量供種+氣流均勻分配成行”的方式，機械定量供種裝置是實現水稻成穴播種的基礎，為氣流分配集中的種子群提供條件。因此本文基于常用雜交稻的機械物理特性，設計一種適用于雜交稻的成穴供種裝置，確定主要結構參數，并開展供種和成穴性能試驗。

1 雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置結構與工作原理

1.1 雜交稻氣送式精量穴直播機結構與工作原理

雜交稻氣送式精量穴直播機包括機架、風泵、水稻氣送式穴播集排器、排肥系統、電機變速驅動裝置、導種管和開溝器等(圖1)。其中水稻氣送式穴播集排器是實現雜交稻精量穴播的重要裝置，主要包括成穴供種裝置和氣流輸送分配系統2部分。排肥系統采用水平氣送排肥方式，風泵由汽油機驅動向水稻氣送式穴播集排器和排肥系統提供正壓氣流。雜交稻氣送式精量穴直播機工作時，旋耕系統由拖拉機動力輸出軸驅動，電機變速驅動裝置驅動成穴供種裝置轉動及控制轉速，定量成穴供種；風泵向氣流輸送分配系統提供正壓，使水稻種子與正壓氣流混合、輸送和分配，均勻分配成8行依次進入導種管和開溝器，將水稻種子送入預定深度的土壤中，完成播種過程。本文以幅寬為2 200 mm的雜交稻氣送式精量穴直播機為研究對象，其主要技術參數如表1所示。

圖1 雜交稻氣送式精量穴直播機結構圖Fig.1 Structure diagram of pneumatic conveying hill precision direct-seeding planter for hybrid rice1.播種機機架 2.風泵 3.供氣管道 4.種箱 5.成穴供種裝置 6.氣流輸送分配系統 7.電機變速驅動裝置 8.排肥系統 9.導種管 10.雙圓盤開溝器

參數數值外形尺寸(長×寬×高)/(mm×mm×mm)1545×2190×1410風機功率/kW2.2作業幅寬/m2.2作業速度/(km·h-1)2.0～5.0播種行數6～8(可調)行距/mm250～300(可調)

1.2 成穴供種裝置結構及工作過程

成穴供種裝置是雜交稻氣送式集排器實現定量控制排種量、成穴的核心部件。成穴供種裝置由種箱、殼體、種層調節板、攪種機構和成穴供種機構等組成，如圖2所示。攪種機構[29]位于供種裝置殼體、種層調節板和成穴供種機構形成的充種區內，具有擾動種群和增加充種能力的功能。成穴供種機構是成穴排種和調節供種量的核心，由側擋板、空白填充輪和漸開線型排種輪組成，側擋板為漸開線型排種輪提供獨立的供種空間；空白填充輪和漸開線型排種輪數量總和為9，漸開線型排種輪可用空白填充輪替換，從而調節供種量。多個漸開線型排種輪組合形成供種機構，間隔的型孔完成充種、攜種和投種過程，在勻速轉動時形成規律性的等間距種子群，實現成穴定量供種。漸開線型排種輪是影響充種與成穴供種的關鍵部件。

雜交稻成穴供種裝置工作時，雜交稻種子由種箱進入充種區，攪種機構和成穴供種機構同步轉動，攪種機構轉動增加種子流動性和側向壓力；在種層調節板[28]、攪種機構[29]和漸開線型排種輪共同作用下，雜交稻種子充入型孔。攜有種子的型孔通過攜種區進入投種區，在重力與離心力作用下種子群脫離型孔，成穴地進入氣流輸送分配系統中完成分配成行成穴過程。

圖2 雜交稻成穴供種裝置Fig.2 Structure diagrams of seed hill feeding device for hybrid rice1.種箱 2.供種裝置殼體 3.種層調節板 4.攪種機構 5.充種區 6.卸種板 7.成穴供種機構 8.投種口 9.排種軸 10.側擋板 11.空白填充輪 12.漸開線型排種輪 Ⅰ.充種區 Ⅱ.攜種區 Ⅲ.投種區

2 成穴供種裝置關鍵參數設計

2.1 型孔結構設計

種子的機械物理特性參數是設計型孔的依據，雜交稻種子呈紡錘體狀，表面有稃毛，流動性偏差。選取四川省常用的雜交稻種子，不同水稻種子的三軸尺寸如表2所示，并得到雜交稻種子充入型孔的概率[5,25]。

由表2可知，雜交稻種子球形度低，整體低于40%；種子充入型孔以平躺和側臥為主，二者的充種概率之和約90%。型孔結構對充種和投種均有重要影響，型孔結構主要包括形狀和尺寸兩方面。

表2 不同雜交稻種子三軸尺寸及充種姿態的概率Tab.2 Triaxial size and postural probability of different rice seeds

為使雜交稻種子易于充入型孔和投種，設計了漸開線狀型孔(圖3)。漸開線狀型孔是依據漸開線方程成型的，漸開線方程為

圖3 漸開線狀型孔結構圖Fig.3 Structure diagram of involute-type model-hole1.間隔齒 2.左壁漸開線 3.型孔 4.右壁漸開線

(1)

式中x——漸開線橫坐標，mm

y——漸開線縱坐標，mm

x0——漸開線初始橫坐標，mm

y0——漸開線初始縱坐標，mm

s——調節參數，mm

r0——基圓半徑，mm

t——時間，s

θ——漸開線極角，(°)

圖3中，A為左壁漸開線起點；B為右壁漸開線起點；C為型孔右壁在漸開線4的起點；D和E分別為左壁漸開線2和右壁漸開線4與排種輪外輪廓的交點。

根據雜交稻種子直播的要求，單穴以3～5粒為宜，設計型孔首先應滿足不堵塞型孔，參照經驗公式[5]，型孔長度l、型孔上沿寬度a、型孔下沿寬度b和型孔高度h的公式為

(2)

式中l——型孔長度，mm

Lmax——水稻種子最大長度，mm

kL——長度增量，為1.0～1.5 mm

a——型孔上沿寬度，mm

ka——上沿寬度系數，為1.1～1.3

b——型孔下沿寬度，mm

kb——下沿寬度系數，為2.5～3.0

h——型孔高度，mm

kh——高度調節系數，為0.9～1.1

Wmax——水稻種子最大寬度，mm

根據表2的雜交稻種子三軸尺寸，確定kL、ka、kb和kh分別為1.5 mm、1.3、3.0和1.0，則l為11.0 mm、a為12.7 mm、b為8.0 mm、h為7.5 mm。

根據型孔尺寸，設立左壁漸開線初始坐標為A(-8, 32.5)，右壁漸開線初始坐標為B(-2,25)，右壁漸開線經過點C(0, 32.5)。左壁漸開線和右壁漸開線與直線y=32.5 mm的交點為A和C。漸開線型排種輪外輪廓方程為

x2+y2=402

(3)

聯合式(1)和式(3)，可得到漸開線與排種輪外輪廓存在交點D恒成立，但不同的r0和θ對交點D位置影響較大。為比較不同漸開線與排種輪外輪廓的相對位置，取r0分別為6、8、10 mm，θ為90°、180°、270°和360°時，得到漸開線與排種輪外輪廓的圖形如圖4所示。圖中，漸開線1～11對應的r0分別為10、8、6、10、8、6、10、8、10、8(6)、6 mm，對應的θ分別為90°、90°、90°、180°、180°、180°、270°、270°、360°、360°(270°)、360°。直線12的傾斜角為70°。

由圖4可知，當θ大于180°時，漸開線與排種輪外輪廓在A點上方無交點。經過前期研究[25]，具有一定傾角的型孔具有較好的充種性能。以A點為起點、傾角為70°的直線12與排種輪外輪廓的交點為臨界點，當θ為90°和r0為6～10 mm時漸開線均可滿足充種性能。本研究取r0和θ分別為8 mm和90°，得到交點D的坐標為(-6.4, 39.48)。

圖4 漸開線示意圖Fig.4 Structure diagrams of involute line

根據型孔的尺寸，確定右壁漸開線4與排種輪外輪廓的交點E的坐標為(6.3, 39.49)，聯立點C(0, 32.5)，通過漸開線方程式(1)，得到右壁在漸開線4的起點B(-2, 25)。從而確定漸開線狀型孔截面如圖3所示。

2.2 漸開線型排種輪結構設計

雜交稻以穴播方式進行種植，直播機田間作業時農藝要求的種植穴距為

(4)

式中B——穴距，m

v——播種作業速度，m/s

n——漸開線型排種輪轉速，r/min

Z——漸開線型排種輪上型孔數量

每穴排種的種子數量為

(5)

式中Q——單穴播種種子數量

N——漸開線型排種輪數量

M——單個型孔容納種子數量

k——排種行數，取8

Qs——排種速率，g/min

ρ1 000——雜交稻種子千粒質量，g

由式(4)和式(5)可知，雜交稻種子在田間的穴距分布與作業速度v、漸開線型排種輪轉速n、型孔數量Z有關。單穴播種種子數量受總排種量控制，總排種量受漸開線型排種輪轉速n、型孔數量Z和種子千粒質量的影響。當穴距B和作業速度v一定時，型孔數量Z與轉速n成反比。而型孔數量Z也受排種輪直徑的影響，由于水稻排種的成穴要求，適當增加排種輪直徑可以提高成穴性能和充種時間。綜合考慮成穴供種裝置整體結構尺寸和成穴要求，設計漸開線型排種輪直徑D為80 mm。

型孔數量Z對成穴性和轉速n等均有明顯作用，為兼顧適應較高速作業和成穴性的要求，在前進速度為0.5 m/s、穴距為0.16 m和轉速為20 r/min的條件下，型孔數量Z取10個。雜交稻排種量通過漸開線型排種輪數量和轉速共同調節，考慮到單穴3～5粒的排種要求，漸開線型排種輪數量在3～8之間調節。漸開線型排種輪、側擋板和空白填充輪均采用3D打印技術制造，材料為ABS(Acrylonitrile butadiene styrene copolymer)工程塑料。

2.3 水稻種子供種過程力學分析

水稻種子充入型孔是實現精量供種的首要環節，種子在充種區受到攪種機構和漸開線型排種輪型孔的擾動，在重力、種群壓力和摩擦力等作用下，種子充入型孔。由于種子以多粒(一般24～32粒)種子形成種子群充入型孔，將種子群視為一個整體，種子群在充種區的受力分析如圖5所示。

圖5 種子群充種過程受力分析Fig.5 Mechanics analysis of seeds population in seed filling process

根據水稻群的受力分析和達朗貝爾原理，建立受力平衡方程

(6)

式中G——種子群重力，N

m——種子群質量，kg

FN——型孔側壁對種子群支持力，N

Ff——型孔與種子群間的摩擦力，N

Fc——種子群的慣性離心力，N

FI——科氏慣性力，N

FZ——種子群受到的垂直壓力，N

FH——種子群受到的橫向壓力，N

aI——科氏加速度，m/s2

α——種子群初始填充角，(°)

δ——型孔左側壁切線角，(°)

μ——型孔與種子群間的摩擦因數

r——漸開線型排種輪半徑，m

由式(6)得

(7)

其中

c=FHFN-(G+FZ)(FI-μFN)

d=FH(FI-μFN)+(G+FZ)FN

由式(7)可以看出，種子群初始填充角度α與型孔左側壁切線角δ、漸開線型排種輪轉速n、橫向壓力FH等參數相關。當轉速和受力相同時，種子群初始填充角α與型孔左側壁切線角δ呈正相關，但δ太高會導致不滿足型孔成形條件和降低充種能力。當型孔結構確定時，轉速n增加會降低種子群初始填充角α。適當增加種子群初始填充角α有利于增加充種時間保證充種質量，結合漸開線型孔設計參數，型孔左側壁從入口至底部的切線角δ由大變小，為18.5°～6.5°。

當種子群進入投種區后，由于種子之間仍是以散粒體的方式存在，取種子群投種的臨界狀態為研究對象，種子群的受力分析如圖6所示。

圖6 種子群投種過程受力分析Fig.6 Mechanics analysis of seeds population in seed throwing process

投種過程受力平衡方程為

(8)

式中FN1——投種時型孔對種子群支持力，N

β——種子群初始投種角，(°)

ε——型孔右側壁切線角，(°)

由式(8)得

(9)

式(9)表明，在相同投種位置(β一定)時，型孔右側壁切線角ε與轉速n呈正相關，說明適當增加型孔右側壁切線角ε有利于提高轉速。在轉速一定時，增加型孔右側壁切線角ε可使投種位置提前，增加投種時間，避免型孔堵塞。因此，采用漸開線狀型孔的右側壁從型孔底部至外沿切線角呈增加趨勢，為32°～52°，有利于完成投種過程。

3 成穴供種裝置供種性能試驗

3.1 試驗材料與方法

試驗以常用的雜交稻品種蜀優217、晶兩優534、川優8377、中9優2號、宜香優2115、繁優609和F優498為試驗材料，其主要物料參數見表2。供種試驗在自制試驗臺和JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺(圖7)上進行。

圖7 雜交稻成穴供種裝置臺架試驗Fig.7 Platform experiment of seed hill feeding device for hybrid rice1.控制臺 2.種箱 3.成穴供種裝置 4.傳動軸 5.減速電機 6.種子帶

為分析成穴供種裝置對不同雜交稻品種的適應性，設立了6個雜交稻品種(蜀優217、晶兩優534、川優8377、中9優2號、宜香優2115和F優498)和轉速的兩因素試驗，轉速設10～40 r/min，增量為

10 r/min。為獲得不同的供種量適應不同播種量要求、作業速度和幅寬，開展了漸開線型排種輪數量和轉速的兩因素試驗，漸開線型排種輪數量的范圍為3～8個，共6個水平；轉速為10～40 r/min。試驗中測定1 min各處理的供種量，用供種速率及其變異系數評價供種穩定性[25]，供種數量通過供種速率和千粒質量求得，各處理重復3次。

為觀察雜交稻的分布均勻性和成穴性能，在JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺上開展了種子成穴性能試驗，分析不同漸開線型排種輪數量、轉速和雜交稻品種的供種數量和成穴性能，評價指標為穴供種數量、穴徑和穴距[5]。應用Matlab軟件進行方差分析。

3.2 試驗結果與分析

3.2.1成穴供種裝置對雜交稻品種的適應性分析

雜交稻品種和轉速對供種性能影響的結果表明(表3)，在4個漸開線型排種輪條件下，不同雜交稻的供種速率和供種數量差異明顯，晶兩優534最高，中9優2號品種最低；供種數量則以晶兩優534最高，宜香優2115最低。供種速率和供種數量均隨轉速增加而增加，變異系數隨轉速增加而降低，整體低于1.1%。說明成穴供種裝置對雜交稻品種的適應性與機械物理參數有關，相關性分析表明供種速率和供種數量均與種子長度呈極顯著負相關(相關系數分別為-0.863和-0.978)，供種數量與種子容重呈極顯著正相關(相關系數為0.938)。種子的三軸尺寸對進入型孔具有明顯影響，種子三軸尺寸和千粒質量大，則容重減小，相同容積能夠充入相對較多的種子，因此選用不同雜交稻品種時，應根據穴播種量參照三軸尺寸和容重等參數確定適宜的工作參數。

表3 雜交稻品種和轉速對供種性能的影響Tab.3 Effects of hybrid rice varieties and rotational speed on seed feeding performance

3.2.2排種輪數量與轉速對供種性能的影響

以F優498為試驗材料，得到排種輪數量和轉速對供種數量及其變異系數的影響(圖8)。在漸開線型排種輪數量為3～8個和轉速為10～40 r/min時，供種數量隨漸開線型排種輪數量和轉速增加而增加，1 min的供種數量范圍為2 392～17 732粒，供種數量范圍較大，能夠適應不同幅寬、作業速度和農藝技術等對變量播種的要求。供種數量變異系數隨漸開線型排種輪數量和轉速增加而降低，在轉速為20～40 r/min時，不同漸開線型排種輪數量的供種變異系數均低于1.0%。為指導不同播種量要求下的漸開線型排種輪數量和轉速，應用Matlab軟件對供種數量進行二次多元回歸擬合，得到漸開線型排種輪數量和轉速與供種數量的回歸方程

(10)

式中q——供種數量，粒/min

x1——漸開線型排種輪數量，取3～8

x2——漸開線型排種輪轉速，為10～40 r/min

經顯著性檢驗分析，該模型決定系數為0.964 8(P<0.001)，表明該回歸模型顯著且回歸方程失擬性不顯著，能夠較好地擬合試驗結果，說明式(10)可用于預測給定供種數量的漸開線型排種輪數量和轉速。

3.2.3成穴供種裝置的分布均勻性與成穴性能

成穴供種裝置的成穴性能試驗結果表明(表4)，漸開線型排種輪數量和轉速對穴供種數量影響均達極顯著水平，穴供種數量隨排種輪數量增加顯著增加；轉速為10～40 r/min時穴供種數量隨轉速增加而降低，轉速達到40 r/min時降低較快，這是由充種時間減少所致，則較優轉速為20～30 r/min，穴供種數量為19～38粒，其變異系數均低于25.0%。漸開線型排種輪數量顯著影響穴供種數量變異系數，穴供種數量變異系數隨排種輪數量增加呈下降趨勢。不同處理的穴距差異較小，說明在不同的作業速度下能夠保持穩定的穴距。排種輪數量和轉速對穴徑影響極顯著，穴徑隨轉速和排種輪數量增加均呈增加的趨勢，由于穴供種數量和轉速帶來的離心力增加會增加穴徑，從而使種子群相對分散。

圖8 漸開線型排種輪數量與轉速對雜交稻供種性能的影響Fig.8 Effects of number of involute-type feeding unit and rotational speed on seed feeding performance for hybrid rice

漸開線型排種輪數量轉速/(r·min-1)穴供種數量/粒穴供種數量變異系數/%穴徑/cm穴徑變異系數/%穴距/cm穴距變異系數/%1019.8618.156.3838.3222.5610.1042019.6821.548.2922.9222.5410.423019.7624.218.1727.6722.5610.344017.0924.238.9124.5922.1311.761025.3122.608.8021.8822.169.8152024.5618.328.2722.8222.639.493024.4522.539.1723.0623.027.714022.3921.168.8820.1623.0410.891030.5714.208.3930.6722.228.1962029.2813.228.6525.2122.2512.613027.0620.478.8725.1122.0311.864026.7219.2310.1814.7023.387.211034.1816.718.8623.2221.9110.0472033.8917.578.6124.0222.038.533031.7315.938.3925.3522.019.584027.2915.689.1723.0222.448.801038.0313.578.7424.7023.006.5882036.7120.158.8227.8122.127.973034.6210.809.5217.9523.0710.174029.4115.749.3521.5623.108.49排種輪數量112.85**4.11*5.11**1.322.601.10F轉速20.05**0.485.62**2.252.550.35排種輪數量×轉速1.731.681.01

注：*和** 分別表示方差分析在0.05和0.01水平上差異顯著。

在漸開線型排種輪數量和轉速分別為5和20 r/min時，不同雜交稻品種的穴供種數量差異較大(圖9)，與供種速率的趨勢一致。不同品種的穴徑差異較小，通過觀察種子群在排種器試驗臺上的分布情況(圖10)，發現種子群整體處于較集中狀態，但仍有少數種子較分散，從而增加了穴徑，這是由種子與供種裝置殼體碰撞或種子群投種時間不一致造成的。

圖9 不同雜交稻品種的穴供種數量與穴徑Fig.9 Seed quantity for each hill and hill-forming performance for different rice varieties

圖10 雜交稻種子群在排種器試驗臺上的分布Fig.10 Distributions of rice seed population on platform

4 田間試驗

為檢驗雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置的供種效果，于2018年5月14日在四川省崇州市四川農業大學現代農業研發基地開展了水稻旱直播試

驗，如圖11a所示，前茬為小麥。品種為繁優609，漸開線型排種輪數量和轉速分別為5和23 r/min，目標播種量30 kg/hm2。試驗以久保田M954KQ型拖拉機為牽引動力，作業速度為2.48 km/h，工作幅寬2.2 m，同時播種8行，行距為250 mm。于3葉一心期取3個點測定1 m內8行的穴苗數和株距，苗期長勢如圖11b所示。單穴苗數在2～6株范圍內，平均苗數為3.07株/穴，穴距為180.2 mm，滿足水稻直播的技術要求。

圖11 水稻直播田間試驗與苗期長勢Fig.11 Field experiment and growth for rice1.拖拉機 2.旋耕系統 3.種箱 4.分配裝置 5.風泵系統 6.成穴供種裝置 7.導種管 8.直流電機驅動裝置

5 結論

(1)基于雜交稻的機械物理參數和穴播農藝要求，提出了一種漸開線狀型孔，設計了雜交稻氣送式集排器成穴供種裝置，確定了型孔形狀與關鍵參數，明確通過漸開線型排種輪數量和轉速共同調節供種量，建立了種子群在充種和投種過程的力學模型。

(2)臺架試驗結果表明：成穴供種裝置能夠適應多個雜交稻品種，供種數量與種子長度呈極顯著負相關，與容重呈極顯著正相關。漸開線型排種輪數量和轉速分別為3～8和10～40 r/min時，供種數量隨漸開線型排種輪數量和轉速增加而增加，供種數量范圍為2 392～17 732 粒/min。供種數量變異系數隨漸開線型排種輪數量和轉速增加而降低，轉速為20～40 r/min時，供種數量變異系數均低于1.0%。

(3)成穴性能試驗結果表明：穴供種數量隨排種輪數量增加顯著增加；穴供種數量隨轉速增加而降低，轉速達到40 r/min時降低較快；較優轉速為20～30 r/min，穴供種數量為19～38粒，其變異系數均低于25.0%。穴徑隨轉速和排種輪數量增加而增加，穴距保持穩定。田間試驗驗證成穴供種裝置可實現穴播，平均苗數和穴距分別為3.07株/穴和180.2 mm，符合水稻直播技術要求。