水稻氣力式播量可調排種器設計與參數優化

邢 赫，臧 英，王在滿，羅錫文，裴 娟，何思禹，許 鵬，劉順財

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水稻氣力式播量可調排種器設計與參數優化

邢 赫，臧 英※，王在滿，羅錫文，裴 娟，何思禹，許 鵬，劉順財

（1. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 華南農業大學工程學院，廣州 510642）

為了滿足雜交水稻播種量不同的要求，該文設計了一種水稻播量可調氣力式排種器，對其工作原理進行了分析，對關鍵部件進行了參數設計，該排種器采用多個相互獨立的負壓流道對吸種精度進行控制。利用ANSYS-FLUENT有限元流體分析軟件對負壓流道結構的吸孔負壓影響規律進行了分析，優選了最佳流道結構。選取超級雜交稻Y-2優900為試驗材料，進行了不同播種量下吸室負壓、排種盤轉速與排種盤吸孔組數對播種精度的影響試驗研究，試驗結果表明：當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，1孔播種達到最佳效果，合格率為82.41%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為40 r/min時，2孔播種達到最佳效果，合格率為96.36%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，3孔播種達到最佳效果，合格率為92.79%；當吸孔組數為16、吸種負壓為1.2 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，4孔播種達到最佳效果，合格率為91.93%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為30 r/min時，5孔播種達到最佳效果，合格率為87.88%。說明水稻氣力式播量可調排種器可滿足雜交稻在采用直播式時不同播量的要求，相比于原有的排種器更佳適應水稻的多樣性。該研究可為水稻機械化穴直播技術提供了參考。

機械化；設計；優化；精量播種；播量可調；水稻；氣力式；排種器

0 引 言

水稻是中國主要的經濟、糧食作物。水稻的種植機械化水平較低，僅為44.45%，且傳統的水稻種植環節需耗費大量的人力、物力。水稻機械化直播技術省卻了前期育秧等環節，減小了前期成本的投入，增加了總體的效益，是未來水稻機械化種植的發展方向之一。水稻品種較多，相比于常規稻，雜交稻具有分蘗能力強、根系發達、產量較高等特點，采用直播技術時，需對其進行精少量播種，普通雜交稻采用直播時需要3～5粒/穴，超級雜交稻僅需1～3粒/穴即可滿足農藝種植要求[1-8]。

氣力式排種器是一種采用氣流對種子進行運輸與投放，對種子的損傷小，同時氣流與種子接觸時，可以更好的適應種子的形狀，該類排種器的適應性與播種精度較高。Liao等[9]設計了一種油菜內充種式集排滾筒排種器，明確了排種器的結構、最佳工作參數，并進行了田間試驗分析。Ismet等[10]研究了大豆和玉米氣力式排種器，分析了排種盤吸孔數對吸種效果的影響，理論分析了氣流流過吸孔時的狀態。Gaikwad等[11]為蔬菜育秧設計了一種低成本的氣力式排種器，采用振動裝置使充種區的種子處于沸騰狀態，改善了種子推擠現象，結合針孔將種子吸附，同時利用電控將針孔移動至秧盤中所對應的區域進行投種，有效的提升了蔬菜育秧的效率。Yasir[12]對小麥氣力式排種器的全部運動過程進行了理論分析，并優化了氣力式排種器的各個部件，通過試驗進行了驗證，得到了最佳的結構參數。Yazgi 等[13-14]以均勻播種為研究目標，采用響應曲面法對氣力式排種器的真空度、吸孔孔徑、吸孔數量以及排種盤轉速等參數進行了試驗研究，得到了參數之間的關系方程。Jack等[15]設計了一種檀香氣力式排種器，研究了排種器的充種、攜種、排種過程，通過試驗得到了最佳吸種負壓以及最佳吸孔直徑，為大顆粒氣力式排種器的設計提供依據。Karayel等[16-18]對不同作物的種子進行了研究，并以此為依據優化了排種盤吸孔等參數，建立了種子的物理特性與真空度之間的關系方程。Xing等[19-23]對水稻氣力式水稻排種器進行了研究，并進行了田間試驗，但該排種器無法對播量進行調節，只能在一種播量下進行作業，無法適應多類稻種。

以上所研究的氣力式排種器主要針對大豆、玉米、小麥等流動性較好的作物，對于水稻這類紡錘體形狀的種子，目前研究較少，且技術不成熟。針對播量可調節的氣力式排種器，目前所采用的方式主要為更換排種盤，步驟較為繁瑣，無法實現方便快速的調節播量。

目前水稻播量可調節式排種器主要以機械式的水稻排種器為主。Maleki等[24]設計了直槽輪式排種器，通過螺旋機構來控制槽輪的寬度，進而調節播量，但無法對播量進行精確調節，且對不同種類的種子調節方式存在差異。田立權等[25]設計了一種螺旋槽式水稻穴播排種器，該排種器通過對螺旋段長度的調節，從而對播種量進行控制，該排種器可實現成穴播種。但該排種器播種量大，播量精度控制不穩定，同時傷種率高。張明華等[26-27]設計了一種組合型孔式排種器，該排種器通過改變型孔的大小進行播量的調節，調節精度低，調節過程繁瑣。機械式排種器在調節播量時，需要將充種室與排種器內的稻種進行清理，工序較多，專業性較高，且無法對播種精度進行精量調節。通過調節排種器轉速調整播量，僅可以調節單位面積的整體播量，即改變了播種的穴距，無法針對每一穴的播種粒數進行調節，不利于后期農藝的管理。

綜上所述，原有的氣力式排種器通過更換排種盤進而改變播量，該方法無法做到方便、快捷的播量調節；而機械式排種器調節播量時，存在調節精度不高，工序繁多等缺陷，也無法將其應用于超級雜交稻與雜交稻的田間播種應用。因此需要研制一種適用于超級雜交稻和雜交稻的播量可調的水稻氣力式排種器，彌補以上排種器的缺陷。

1 水稻播量可調氣力式排種器總體結構與工作原理

1.1 排種器總體結構

水稻播量可調氣力式排種器[28]整體結構如圖1所示，包括種箱1，種箱連接件2，多流道氣吸殼體3，排種殼體4，清種裝置5，法蘭6，排種軸7，種刷8，排種盤9，排種管10和卸種裝置11。

1.種箱 2.種箱連接件 3.多流道氣吸殼體 4.排種殼體 5.清種裝置 6.法蘭 7.排種軸 8.種刷 9.排種盤 10.排種管 11.卸種裝置

該排種器工作時，種子由種箱1經分層充種室2流入排種殼體4中的充種室內，受多流道氣吸殼體3內吸室負壓真空度作用，在充種室內被吸附到排種盤9的吸孔上，排種盤通過螺絲安裝在法蘭6上，法蘭與排種軸7通過鍵連接同步轉動，被吸附的稻種在清種區由清種裝置5將重吸附的種子清除；清種后排種盤上吸附的種子隨后進入投種區，在正壓吹送作用下離開排種盤9落入排種管10內并落在播種溝內，完成排種過程。當結束播種作業后，通過卸種裝置11將剩余的稻種回收。

1.2 播量可調工作原理

多流道氣吸殼體示意圖如圖2所示，殼體內部開設了3個相互獨立的負壓流道2、4和5，每個負壓流道均有1個所對應的負壓接口與之相連通。負壓接口1對應負壓流道2；負壓接口3對應負壓流道4；負壓接口6對應負壓流道5，3個負壓接口分別通過各自的管路與風機相連接，每一條管路均安設了閥門以控制各個流道內部的壓強。如圖2所示，排種盤上分別開設了3組吸孔，與3個負壓流道一一對應，外側吸孔組9與負壓流道2對應，中間吸孔組10與負壓流道5對應，內側吸孔組11與負壓流道4對應，且吸孔分布數量為1-2-2。

1.負壓接口1 2.負壓流道1 3.負壓接口3 4.負壓流道3 5.負壓流道2 6.負壓接口2 7.正壓流道 8.種刷 9.吸種孔組1 10.吸種孔組2 11.吸種孔組3

當排種器工作時，打開負壓接口1關閉其他2個接口，此時僅負壓流道2內具有一定的真空度，排種軸帶動排種盤轉動，到達吸種區，稻種受到負壓流道2的負壓作用，被吸附在吸種孔組9上，由于其他2組負壓流道內部沒有負壓，故吸種孔組10、吸種孔組11上不會吸附稻種，吸種孔組9為單吸孔，此時以吸附1粒稻種為主。同理可得，當僅開負壓接口6時，中間的負壓流道內產生真空度作用，此時僅吸種孔組10工作，由于吸種孔組10為2個吸孔，故吸附精度主要以2粒為主。由于可同時允許多個流道同時工作，故可對各個流道之間進行組合，當同時打開負壓接口1、6，此時吸種孔組9、10將同時工作，此時的吸種精度以3粒為主。當需要4個吸孔同時工作時，可將負壓接口3與6同時打開，當需要5個吸孔同時工作時，將全部的負壓接口打開，即全部的吸種孔均將工作。該結構通過改變負壓流道的工作狀態，進而控制吸種孔的工作數量，起到調節播量的目的。且可做到單個吸孔數量的增加，因此可以達到高精度播量控制的目的。實現小播量高精度調節目的。當稻種隨排種盤轉動至正壓流道7時，該流道內沒有負壓作用，吸種孔無法繼續吸附稻種，此時稻種受正壓和重力的作用將離開排種盤，落入排種管內，完成排種。由于稻種中存在雜質，長時間工作后吸孔會出現堵塞現象，安裝2組種刷對投種后的排種盤進行清理，防止吸孔的堵塞，以便排種器可以持續的正常工作。

2 關鍵部件設計

2.1 流道結構設計

氣吸殼體內部的流道是影響排種器氣壓分布的主要因素。氣流由風機產生經由管路到達排種器流道內部，與排種盤相互配合，使排種盤吸孔處產生壓差進行吸種作業，故氣壓的穩定對吸種的效果起到決定性的作用。如圖2a中2、4、5所示，三排流道相互獨立，形狀均為U型，流道的主要結構參數為流道的寬度、深入和負壓流道接口的位置，為了研究這3個因素對流道氣壓分布的影響規律，采用ANSYS-FLUENT軟件對流道結構進行仿真分析。流道總弧長為210°，由于流道結構對稱，僅需對負壓接口位置設置在流道的一側進行仿真試驗。選取負壓結構位置為25°、65°和105°。由于流道總長度有限，所有吸孔不能同時處于流道內部，僅9組吸孔可同時位于流道內部，建立流道模型，如圖3所示。根據原有排種器結構[20]，流道厚度過大會增加排種器的整體體積，參考原有排種器流道寬度與厚度，設定仿真試驗流道寬度與厚度如表1所示。仿真試驗因素水平如表1所示。由前期單流道排種器試驗可知[20]，最佳吸種負壓在1.6 kPa，故設置負壓接口壓力為1.6 kPa，分析步長為2 000步。

1.吸孔 2.負壓接口 3.負壓流道

1.Sucking hole 2.Negative pressure interface location 3. Negative flow-path

注：為負壓流道的厚度，mm；為負壓流道的寬度，mm。

Note:is width of negative flow-path, mm;is thickness of negative flow-path, mm.

圖3 負壓流道結構模型

Fig.3 Structure model of negative pressure flow-path

表1 仿真試驗因素水平

仿真試驗結果如圖4a所示，其變異系數如圖4b所示，由試驗結果可知：1負壓接口位置越接近中間，負壓越大，變異系數越小，但整體相差不大。9組吸孔之間的變異系數呈減小趨勢，但均遠小于5%，比較穩定；2隨負壓流道厚度的增加負壓隨之增加，變異系數隨著減小，主要原因為，負壓流道的厚度增加，增大了流體的流動空間，由流體力學可知，流體在較小的空間內流動損失較大，故增大流道的厚度有利于減小負壓的損失，且更能穩定的分配負壓，但由于本身流道結構尺寸較小，故負壓增大的效果不明顯；3流道寬度對負壓損失的影響較小，沒有明顯的變化規律，主要原因為：流道寬度均遠大于吸孔之間的間距，有利于氣流流動，故在這一范圍內流道的寬度對吸孔負壓的影響較小。

通過以上仿真結果可知，負壓結構越接近中間位置，流道結構尺寸越大有利于減小氣壓的損失與更均勻的分配氣壓，但由于吸孔距離有限，當尺寸大于一定值時，對吸孔負壓影響較小，同時由于排種器的結構空間限制，以及裝配工藝限制，不能無限的增大排種器結構，故需要根據實際情況進行排種器的設計與優化。故將流道厚度設定為20 mm，寬度設定在14 mm，即可以保證氣壓的分布，又可以滿足排種器空間結構要求。

圖4 不同負壓接口位置下的仿真試驗結果和變異系數

2.2 排種盤結構設計

排種盤與氣壓流道相互配合，形成腔體結構，在排種盤吸孔上產生壓差，對種子進行吸附。如圖2b所示，排種盤的外徑與氣吸殼體內槽直徑相等，保證氣流的密閉性，排種盤外徑為：210 mm。為了配合三排流道結構，在排種盤上開設了3排吸孔，為了滿足播量調節的要求，將3排吸孔數量分別設置為：1，2，2，由于流道的寬度為14 mm，由流體力學可知，流道邊界的氣流穩定性差，故將吸孔位置設置在流道的中心位置，由文獻[21]可知，吸孔之間需要安裝攪種裝置，攪種裝置的寬度為5 mm，故2吸孔中心之間的間距為5 mm。由于兩流道之間相互獨立，故流道之間通過流道壁相互隔開，流道壁厚度為5 mm，故兩排吸孔之間的距離為12.5 mm。為了保證投種的同步性，故排種盤上的吸孔按線性分布。

根據水稻種子的參數特征可知，水稻種子類似于橢球體，長軸較長，寬度與厚度尺寸比較接近，本文采用的稻種為雜交稻，長度約為9 mm，寬度與厚度約為2 mm，氣吸式排種器吸孔尺寸如式（1）所示[29]，按照寬度計算可得，吸孔直徑為1.28～1.32 mm之間，但由于水稻圓球度較低，長度較長，因此而了減小空穴率，將吸孔直徑設置在1.5 mm。且通過前期試驗可知[20]，當吸孔直徑為1.5 mm時，播種效果較好。

1=(0.64～0.66)（1）

式中1為吸孔直徑，mm；為種子平均寬度，mm。

2.3 正壓投種區結構設計

水稻種子被吸種孔吸附，經過攜種區到達投種區后受到正壓作用離開排種盤，完成投種。正壓投種區的結構將會影響稻種的投種效果，由于負壓流道末端位置位移排種盤中線的水平位置，因此，正壓投種區需要與負壓流道相互靠近，采用流道壁將正壓投種區與負壓流道相互隔開，防止負壓氣流進入正壓投種區，影響投種。隨排種盤轉動的稻種離開負壓流道區域后，將不再受到吸種負壓作用，此時稻種僅受重力作用，但由于吸附姿態的不同，稻種與吸孔之間的配合也不同，將會影響投種的同步性，因此，正壓投種區與負壓流道之間的間距不易過大，間距為5 mm，稻種剛離開負壓區域后，立即進入正壓投種區，受正壓作用，離開排種盤，由于采用正壓吹送稻種，增加了稻種的投種同步性，提升了投種效果。由文獻[22]可知，由于稻種隨排種盤轉動，當離開排種盤時，會具有離開點位置相應的初速度V，初速度的方向為離開點的切線方向，如圖6b所示，將初速度V分解為水平與豎直2個方向的速度V與V，因此正壓投種點越接近水平位置，水平分量就越小，即稻種的水平位移也越小，可提高稻種的成穴性。因此，正壓投種區為水平位置0～20°。

2.4　清種毛刷與卸種裝置設計

水稻種子中含有較多的雜質，排種器長時間工作后會對吸孔造成堵塞。為了防止吸孔堵塞，如圖2與圖5a所示，在氣吸殼體內安裝了2個清種毛刷，在排種殼體內安裝了1個清種毛刷，通過3個毛刷對排種盤的兩面清潔，可清除吸孔內部的雜質，保證排種器的正常工作。

排種器完成播種作業后，需要將排種器內剩余的稻種清除，如圖5a所示，卸種裝置2安裝在充種區域下面。由于稻種堆積在排種殼體的充種區域1中，待排種器完成播種作業后，打開卸種裝置，稻種將流出排種器，完成卸種。

1.充種區域 2.卸種裝置 3.清種毛刷 4.排種殼體

1.Seed filling area 2.Seed unloading device 3.Seed brush 4.Seed chamber shell

注：為投種點，V為離開排種盤的初速度，m·s-1；V為初速度的水平分量，m·s-1；V為初速度的豎直分量，m·s-1。

Note:is the seed-throwing point,Vis the initial velocity of leaving the seed plate, m·s-1;Vis the horizontal component of initial velocity, m·s-1;Vis the vertical component of initial velocity, m·s-1.

圖5 清種毛刷、卸種裝置和投種區域示意圖

Fig.5 Schematic diagram of seed brush, seed unloading device and seed throwing area

3 材料與方法

3.1 試驗材料

為了確定水稻播量可調氣力式排種器的播種精度，對該排種器進行了臺架播種精度試驗。

選取超級雜交稻“Y-2優”為試驗對象，種子的平均外形尺寸（長度×寬度×厚度）為 8.90 mm×2.20 mm× 1.84 mm；每千粒質量為23.8 g。種子經清水清洗，濾除雜質與秕谷，浸泡24 h晾干后使用，試驗前測定平均含水率為24.3%。

3.2 試驗裝置

在華南農業大學南方農業機械與裝備教育部重點實驗室JPS-12播種試驗臺進行了試驗。排種器試驗時，稻種將會下落至該試驗臺的種床帶上，種床帶在循環工作時會鋪上一層粘度較大的齒輪油，稻種下落后與齒輪油接觸，不會發生彈跳，從而可以準確的記錄排種器的播種精度。為了準確的測量壓強，本文采用水平壓力計對氣壓進行測量，首先在氣吸殼體上開設螺紋孔，安裝螺紋接頭，并在螺紋處纏繞上防水膠帶，防止螺紋孔處漏氣，采用橡皮膠管將接頭與水平U型壓力計連接，測量氣壓。為了清楚的觀察排種器在播量調節時的稻種吸附狀態，以及觀察關閉負壓接口后是否仍會有稻種被吸附，將排種殼體開設一窗口，以觀察吸種情況，試驗裝置如圖6所示。

1.播種試驗臺 2.排種器 3.負壓管路 4.正壓管路

3.3 試驗設計

影響氣力式排種器工作的主要參數為吸種負壓、排種盤轉速和吸孔組數，由于3個流道之間相互獨立，故測量氣壓時僅對工作流道的氣壓進行測量。通過前期預試驗發現，當負壓為0.4 kPa時，排種器吸種困難，通過排種效果觀察，空穴率較高，當負壓為2.0 kPa時，吸種過多，重吸附率過高，故將試驗負壓的水平定在0.8～1.6 kPa之間，根據田間作業效率要求，水田作業機具的行走速度一般在0.5～1 m/s，對應排種器轉速在20～40 r/min之間，故排種盤轉速選取20，30，40 r/min；原有的排種器吸孔一般均為8組，增加排種盤吸孔組數可在相同的轉速下獲得更高的機具作業速度，由于4組吸孔數量過小，故排種盤吸孔組數選取8，12，16。水稻種子為紡錘體，長軸一般為10 mm左右，當吸孔組數過多時，吸孔排布過于密集，相鄰2組吸孔之間的距離將會小于10 mm，會影響吸孔正常工作。根據以上原因，采用全因素試驗制定因素水平表2。

3.4 評價指標

為了驗證水稻播量可調氣力式排種器的工作性能，按照上述試驗方法，對排種器的播種精度進行統計與分析。參照國家標準GB-T 6973-2005 規定[30]，連續記錄排種器排出的每穴種子量，每250穴為1組，共計3組。由于播量可從1孔調節至5孔，故需統計不同孔數條件下的播種精度。當僅1孔工作時，容易出現空穴，故合格率以1～2粒/穴為標準。當2孔工作時，以1～3（即2±1）粒為合格指標，其余各孔以此類推，以（±1）為合格指標（為孔數）。

表2 試驗因素水平

Table 2 Factors and levels in experiments

4 結果與分析

通過排種器上的窗口觀察，當調節播量時，關閉所對應的負壓接口，則對應的吸種孔無稻種被吸附，可實現播量的調節。平均播種粒數試驗結果如圖7所示，由試驗結果可知，排種盤吸孔組數對平均粒數影響不大，無明顯變化趨勢。由試驗結果可知，隨著吸種負壓和排種盤轉速的提升空穴率減小，主要原因為：吸種負壓的增加，提升了吸孔的吸附力，增大了吸種率，因此，空穴率減小。但過大的負壓會導致重吸附概率的發生，也會降低播種精度，故不宜采用過大的負壓進行吸種；排種器轉速的提高導致了吸孔在吸種區內經過的時間變短，吸種時間不夠充分，且轉速的提高會增加已吸附稻種的離心力，增加了被吸附稻種的不穩定性，故造成空穴率的增加。但由于實際應用中需要保證一定的播種效率，不能過分的降低排種盤轉速，從試驗結果可知，當排種盤轉速提高時，可采用增加吸種負壓的方式來彌補吸種時間不足與離心力增加的劣勢，吸種負壓的提高增大了吸孔吸力，吸力的增加可有效的提高吸種穩定性，故增加排種盤轉速的同時增加吸種負壓可保證播種精度。

圖7 不同條件下的平均粒數

播種合格率試驗結果如表3所示，由試驗結果可知，當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，1孔播種達到最佳效果，合格率為82.41%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為40 r/min時，2孔播種達到最佳效果，合格率為96.36%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，3孔播種達到最佳效果，合格率為92.79%；當吸孔組數為16、吸種負壓為1.2 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，4孔播種達到最佳效果，合格率為91.93%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為30 r/min時，5孔播種達到最佳效果，合格率為87.88%。由表3試驗結果可知，對比8、12、16組吸孔的試驗結果可知，當吸孔組數為8時，合格率最低，均要低于吸孔組數12與16。在2孔與3孔工作時，吸孔組數12與吸孔組數16合格率較為接近，但在1孔、4孔和5孔工作時，12組吸孔的合格率要高于16組吸孔的合格率，故在實際生產中應選取吸孔組數為12。

由1孔試驗結果可知，空穴率均大于17%，呈現了較高的空穴率，主要原因為：水稻種子由于表面帶芒、圓球度不高，單個吸孔吸種時，會出現較多的不能吸附狀態。但根據水稻農藝要求，以及水稻的田間發芽率，一般情況下不宜采用單粒播種。

由2孔試驗結果可知，相比于1孔試驗結果，空穴率大幅度減小，主要原因為：同時存在2個吸孔工作，且2個吸孔同時不吸種的概率較低，故大幅度的降低了空穴率。

由3、4、5孔試驗結果可知，空穴率進一步減小，播種量也隨之增加，但總體播種合格率相比于2孔有所下降，主要原因為：每一穴的吸種精度由吸孔個數所決定，當吸孔個數增加時，對于每一個吸孔的吸種精度都存在一定的范圍，吸孔精度范圍的疊加，導致了精度變化的可能性增加，從而降低了吸種合格率。

對上述試驗結果進行方差分析，結果如表4所示。由1孔的方差結果可知，負壓與排種盤轉速對空穴率與1～2粒/穴率均產生了極顯著影響（<0.01）；吸孔組數對空穴率與1～2粒/穴率均產生了顯著影響（<0.05）。

由2孔方差分析結果可知，吸孔組數、負壓與排種盤轉速對空穴率、1～3粒/穴率均產生了極顯著影響（<0.01）。

由3孔方差分析結果可知，吸孔組數與負壓對空穴率與2～4粒/穴率均產生了極顯著影響（<0.01）；排種盤轉速對空穴率產生了顯著影響，對2～4粒/穴率均產生了極顯著影響（<0.05）。

由4孔方差分析結果可知，吸孔組數與負壓對≤1粒/穴率、3～5粒/穴率均產生了極顯著影響影響（<0.01）；排種盤轉速對3～5粒/穴率產生了極顯著影響（<0.01）。

由5孔方差分析結果可知，吸孔組數對4～6粒/穴率產生了極顯著影響影響，對≤2粒/穴率產生顯著影響（<0.05）；負壓與排種盤轉速對≤2粒/穴率與4～6粒/穴率均產生了極顯著影響（<0.01）。

表3 試驗結果

表4 方差分析

注：**表示影響極顯著（<0.01）；*表示影響顯著（<0.05）。

Note: ** is important significant (<0.01); * is significant (<0.05).

5 討 論

本文主要針對水稻播量可調氣力式排種器進行了研究，相比于原有的水稻氣力式排種器，該排種器可以對播種量進行調節，且調節方式方便快捷，可同時滿足雜交稻不同品種之間不同播量的要求。同時該排種器在進行2孔播種時，播種精度與原水稻氣力式排種器的播種精度基本相同，不影響超級雜交稻的播種。

由仿真結果可知，負壓流道接口處于中間位置較好，但由于該排種器流道較多，且為了與外部管路等結構相互配合，故將中間流道與外側流道的負壓結構設定在離端線65°處，從仿真結果可知，當處于65°時與中間位置，吸孔負壓均值相差不大，故本文在設計排種器時，將中間流道與外側流道設定在偏離中心的位置。

本文在進行仿真時僅采用在靜態的條件下，試驗條件較為理想化，故各組試驗結果相近，卻變異系數均較小，但實際工作中排種盤處于旋轉狀態，故本文對動態的仿真分析缺乏研究，需要進一步深入的研究動態的排種盤對負壓分布與流動的影響。

通過上述仿真分析可知，當負壓接口位置處于中間，有利于減小氣壓的損失，但由于排種器結構位置有限，負壓結構不僅需要連接內部流道，同時需要連接外部管路，故各個負壓結構之間需要一定的空間位置，故在不影響排種器裝配工藝的條件下，盡可能的把負壓結構位置設計于中間位置，故負壓流道接口沒有在同一位置分布，且吸孔的位置不會影響流道的長度。流道的長度主要是由于排種器流道成圓周分布，故隨著流道半徑的增加，流道長度也隨著增加，為了使排種器實現同步吸種與同步投種，故需要將排種器的吸種與投種位置保持在同一直線上，故流道長度不一致。但吸孔的結構相同，且各個流道相互獨立，從試驗結果可知，對多排吸孔的合格率影響不大。

本文采用相互獨立的負壓流道對播種量進行控制，理論上流道之間氣流相互不流通，但實際由于排種盤與氣吸殼體之間存在相互轉動，故不能實現完全的絕對相互獨立不流通。由于采用較高的加工精度，使排種盤與氣吸殼體之間的縫隙極小，氣流流入流道后，主要從吸孔處吸取空氣，經過縫隙流入其他流道內的氣流極小，且采用的負壓較低，故流入其他流道的氣流不足以吸附水稻種子，因此對水稻播量可調氣力式排種器的工作不產生影響。但目前需要通過手動調節閥門的開閉進行流道氣流的控制，沒有實現自動化調整播種量，可針對該方面進行進一步的優化設計，加入電控閥門等對流道內的氣流進行控制，即控制播種量，提高自動化播種技術。

根據水稻播種農藝要求，播種穴徑為50 mm，但目前所采用的排種盤吸孔沿半徑方向呈線性分布，如果下落時不受任何干擾，各個吸孔上的種子會保留吸種孔之間原有的距離，即各個種子由于不在同一點下落，導致下落后后會出現距離差，影響落種的成穴性，但由于下落時會受到碰撞等干擾因素，使本身就有一定距離差的稻種之間的距離變得更大，破壞了落種的成穴性，故吸孔分布的位置之間的間距過大，會影響稻種的成穴性，同時由于流道厚度以及吸孔之間的距離所限，故吸孔不能分布太近，以免影響播種精度。目前所采用的排種盤最內側吸孔與最外側吸孔中心距為38 mm，采用正壓同步投種，理論上穴徑應小于50 mm，但由于吸附姿態的變化，以及下落時與排種器之間的碰撞，可能會造成穴徑的變化，導致穴徑大于 50 mm，影響播種的成穴性。為了改善這一現象，日后仍需進行投種過程的研究，分析正壓對成穴性的影響，優化吸孔空間分布等結構，提高播種成穴性。

6 結 論

針對雜交水稻品種的多樣性，本文設計了一種水稻播量可調氣力式排種器，對關鍵部件的參數進行了設計，采用ANSYS-FLUENT仿真軟件對流道結構進行了分析，確定了最佳流道結構，分析了流道結構與吸孔壓強的關系；闡明了水稻播量可調氣力式排種器的工作原理，分析了多個負壓流道對吸種精度的控制過程。

選取超級雜交稻Y-2優900為試驗材料，對不同播量下的播種精度進行試驗研究，試驗結果表明：當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，1孔播種達到最佳效果，合格率為82.41%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為40 r/min時，2孔播種達到最佳效果，合格率為96.36%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，3孔播種達到最佳效果，合格率為92.79%；當吸孔組數為16、吸種負壓為1.2 kPa和排種盤轉速為20 r/min時，4孔播種達到最佳效果，合格率為91.93%；當吸孔組數為12、吸種負壓為1.6 kPa和排種盤轉速為30 r/min時，5孔播種達到最佳效果，合格率為87.88%。滿足了雜交水稻播量變化的要求，為水稻播量可調氣力式排種器的田間播種應用提供了參考依據。

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Design and parameter optimization of rice pneumatic seeding metering device with adjustable seeding rate

Xing He, Zang Ying※, Wang Zaiman, Luo Xiwen, Pei Juan, He Siyu, Xu Peng, Liu Shuncai

(1.,,,510642,; 2.,,510642,)

The rice mechanized planting level is low in China. The ordinary hybrid rice and the super hybrid rice of high yield population structure can be formed with only 3-5 and 1-3 seeds per hill,respectively. The pneumatic rice precision direct seeding technique is a combination of machinery and air flow. To meet the cultivation requirements of different varieties and seeding rate of hybrid rice, a rice pneumatic seeding metering device with adjustable seeding rate was designed in this study. The working principle of seed metering device was analyzed. This seed metering device adopted multiple independent negative pressure flow-path to control the accuracy of seed suction. The influence of independent negative pressure flow-path structure on suction hole negative pressure was analyzed by ANSYS-FLUENT software. The key components of seed metering device with adjustable seeding rate were designed. The method of adjusting seeding rate was explained. The super hybrid rice Y-2 You 900 was selected as the test object. The average size of the seed was 8.90 mm× 2.20 mm×1.84 mm (length × width × thickness), and the weight of 1 000 grains was 23.8 g. The seeds were washed by water to remove impurities and blighted grain. The dry seeds were soaked in clear water for 24 h. Then, they were moistened, filtered out and dried. The average moisture content was 24.3% (wet basis) before the test. The whole factor experiments were carried out under different negative pressures, rotational speeds of the suction plates, and group number of suction holes. The results showed that when the negative pressure was 1.6 kPa, the optimal group number of suction holes was 12, and rotational speed of the sucking plate was 20 r/min, the optimal qualified rate of 1 hole was 82.41%; when the negative pressure was 1.6 kPa, the optimal group number of suction holes was 12, and rotational speed of the sucking plate was 40 r/min, the optimal qualified rate of 2 holes was 96.36%; when the negative pressure was 1.6 kPa, the optimal group number of suction holes was 12, and rotational speed of the sucking plate was 20 r/min, the optimal qualified rate of 3 holes was 92.79% ; when the negative pressure was 1.2 kPa, the optimal group number of suction holes was 16, and rotational speed of the sucking plate was 20 r/min, the optimal qualified rate of 4 holes was 91.93% ; when the negative pressure was 1.6 kPa, the optimal group number of suction holes was 12, and rotational speed of the sucking plate was 30 r/min, the optimal qualified rate of 5 holes was 87.88%. It also showed that a rice pneumatic seeding metering device with adjustable seeding rate could meet the requirements of different seeding rate for hybrid rice in direct seeding. Compared with the original seed metering device, this seeding metering device is more suitable to rice diversity, which provides a certain reference for rice mechanized direct seeding technology.

mechanization; design; optimization; precision seeding; adjustable seeding rate; rice; pneumatic; seed metering device

邢 赫，臧 英，王在滿，羅錫文，裴 娟，何思禹，許 鵬，劉順財. 水稻氣力式播量可調排種器設計與參數優化[J]. 農業工程學報，2019，35(4)：20－28. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.003 http://www.tcsae.org

Xing He, Zang Ying, Wang Zaiman, Luo Xiwen, Pei Juan, He Siyu, Xu Peng, Liu Shuncai. Design and parameter optimization of rice pneumatic seeding metering device with adjustable seeding rate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(4): 20－28. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.003 http://www.tcsae.org

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.04.003

S233.71

A

1002-6819(2019)-04-0020-09

2018-10-07

2019-02-10

國家自然科學基金（31871529）；國家重點研發計劃（2017YFD07000704）；現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-01-41）；廣東省自然科學基金（S2011010001948）

邢 赫，博士生，研究方向為水稻生產機械化技術與裝備。 Email：675974347@qq.com

臧 英，教授，博士，研究方向農業機械化與自動化。 Email：yingzang@scau.edu.cn。中國農業工程學會高級會員：E041200443S