氣吹集排式水稻旱直播機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

戴億政，羅錫文，張明華，蘭 峰，周玉姣，王在滿(mǎn)

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

氣吹集排式水稻旱直播機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

戴億政1,2，羅錫文1，張明華1，蘭 峰2，周玉姣2，王在滿(mǎn)1※

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2. 江西省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，南昌 330044）

針對(duì)中國(guó)水稻直播品種不一、高速作業(yè)和大播量的要求，該文設(shè)計(jì)了一種氣吹集排式水稻旱地精量直播機(jī)，直播機(jī)主要由均勻分種裝置、定量排種裝置、氣力輸送裝置、同步傳動(dòng)裝置、大尺寸集成種箱、開(kāi)溝覆土鎮(zhèn)壓裝置和支撐懸掛裝置組成。從直播機(jī)的稻種適應(yīng)性、作業(yè)速度、播量調(diào)節(jié)等方面研究了氣吹集排式分種器的分種機(jī)理和分種均勻性。根據(jù)不同品種水稻種子的物理特性和氣流輸送原理，分析了不同種子在持續(xù)氣流作用下，種子在分種器中的運(yùn)動(dòng)軌跡。按照大播量可調(diào)要求，設(shè)計(jì)了播量無(wú)級(jí)可調(diào)槽輪式排種器，槽輪槽形為圓弧狀，通過(guò)雙地輪驅(qū)動(dòng)排種器保證播量同步。設(shè)計(jì)變速傳動(dòng)裝置增加定量排種裝置高速作業(yè)的適應(yīng)性，氣力輸送裝置使定量排種裝置排出的種子在高速作業(yè)下連續(xù)排入播種溝。分種器的均勻穩(wěn)定分種提高了直播機(jī)播種的均勻性和穩(wěn)定性，通過(guò)減少排種器數(shù)量和使用氣力輸送種子，降低了傷種率。對(duì)比不同秈、粳稻品種在直播過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和田間播種效果，得到了適應(yīng)不同稻種的分種器結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)。試制了氣吹集排式直播機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn)。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，氣吹集排式直播機(jī)的播量在75～375 kg/hm2可調(diào)，最高作業(yè)速度為14 km/h，10行幅寬2 m和20行幅寬4 m的每行播種量變異系數(shù)分別為4.89%和5.06%，田間播種的稻種破損率為0.46%。2017年，在寧夏播種富源4號(hào)品種的產(chǎn)量為10 372.5 kg/hm2，在廣東播種粵農(nóng)絲苗品種的產(chǎn)量為7 074 kg/hm2，生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的氣吹集排式水稻旱直播機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿(mǎn)足作業(yè)需求。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；水稻；分種器；直播機(jī)；氣力輸送；旱地

0 引 言

水稻是中國(guó)最重要的糧食作物之一，2018年中國(guó)水稻種植面積約3019萬(wàn)hm2，產(chǎn)量約2.12億t，分別占全國(guó)谷物種植面積的30.29%和總產(chǎn)量的34.77%[1]。中國(guó)三大糧食作物生產(chǎn)中，水稻生產(chǎn)機(jī)械化水平最低，2017年水稻耕種收綜合機(jī)械化水平為80.18%，耕整、收獲和種植機(jī)械化水平分別為97.75%、88.76%和48.16%[2]。據(jù)估計(jì)，中國(guó)約30%的水稻種植面積采用直播，在中國(guó)北方新疆、寧夏和黑龍江等地的水稻田塊大、面積廣、播量大，但高效適宜大規(guī)模應(yīng)用的機(jī)具較少，亟需研究高速大播量和技術(shù)先進(jìn)的播種設(shè)備[3-4]。

氣吹集排式水稻旱直播技術(shù)是指在播種過(guò)程中，利用正壓氣流帶動(dòng)種子運(yùn)動(dòng)，根據(jù)水稻旱直播農(nóng)藝要求[5-8]，采用集中排種和分種的方式實(shí)現(xiàn)多行播種的技術(shù)[9-10]。20世紀(jì)60年代，氣吹集排式播種機(jī)在美國(guó)、加拿大、澳大利亞、歐洲等國(guó)家開(kāi)始得到應(yīng)用，2018年法國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化新技術(shù)中心針對(duì)傳統(tǒng)播種機(jī)械幅寬限制、價(jià)格較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和氣力式播種機(jī)均勻性差的問(wèn)題，對(duì)氣力式播種機(jī)氣力輸送裝置的空氣速度、流場(chǎng)濃度和管徑3個(gè)因素進(jìn)行了研究[11]，通過(guò)試驗(yàn)獲得了合理氣力輸送的最大流場(chǎng)濃度和最小流速，對(duì)排種管直徑取值提出了參考。2015年日本NARO北陸農(nóng)業(yè)研究中心研發(fā)了一種U型氣力水稻條播機(jī)，幅寬10 m，行距0.3 m，一個(gè)排種輪對(duì)應(yīng)4行，并進(jìn)行了4年的種植方式和施肥田間對(duì)比試驗(yàn)，取得了良好的分蘗和產(chǎn)量效果[12]。國(guó)內(nèi)對(duì)氣吹集排式播種機(jī)的研究主要集中在排種器和分種器單體，包括排種器形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[13-17]、分種器動(dòng)力學(xué)仿真[18]和一階集排式排種裝置等[19]，適用作物范圍主要有小麥、大豆、玉米、牧草和油菜，而在水稻種植領(lǐng)域的研究鮮有報(bào)道，對(duì)水稻分種器的分種機(jī)理研究也較少，試驗(yàn)方法以室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)為主[20]。主要研究領(lǐng)域集中在分種器和排種器的設(shè)計(jì)、力學(xué)仿真方面，研究成果主要是對(duì)播種機(jī)關(guān)鍵部件性能的驗(yàn)證，對(duì)分種器和排種器形狀結(jié)構(gòu)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化，對(duì)氣吹集排式水稻旱直播機(jī)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“直播機(jī)”）整機(jī)的研究較少，對(duì)整機(jī)的播種原理研究也較少。

針對(duì)這一現(xiàn)狀和問(wèn)題，本文擬分析直播機(jī)播種原理，確定設(shè)計(jì)參數(shù)并制造關(guān)鍵部件，試制20行旱直播機(jī)并進(jìn)行田間試驗(yàn)，以期為解決中國(guó)北方大田稻區(qū)低速和大播量的機(jī)械化直播作業(yè)問(wèn)題提供依據(jù)。

1 總體方案

1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

為滿(mǎn)足多品種、高速和大播量的作業(yè)要求，實(shí)現(xiàn)均勻高質(zhì)量的播種功能，結(jié)合旱直播農(nóng)藝要求和田間作業(yè)環(huán)境，提出了一種氣吹集排式水稻旱直播技術(shù)，采用拖拉機(jī)懸掛式作業(yè)，牽引式運(yùn)輸行走，主要包括分種裝置、排種裝置、氣力輸送裝置和動(dòng)力底盤(pán)裝置，其中動(dòng)力底盤(pán)裝置分為同步傳動(dòng)裝置、大尺寸集成種箱、開(kāi)溝覆土鎮(zhèn)壓裝置和支撐懸掛裝置等。設(shè)計(jì)目標(biāo)的定義如下：播量為單位面積播種的水稻種子質(zhì)量（kg/hm2），大播量范圍參考中國(guó)田間經(jīng)驗(yàn)播量240～375 kg/hm2，兼顧75 kg/hm2以上的播量。作業(yè)速度是指水稻播種機(jī)具隨牽引動(dòng)力的前進(jìn)速度（km/h），高速作業(yè)為10～15 km/h，中速作業(yè)為6～9 km/h，低速作業(yè)為2～5 km/h，直播機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)的最大播量取375 kg/hm2，作業(yè)速度大于10 km/h。

稻種和配套拖拉機(jī)是直播機(jī)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，稻種包括不同稻區(qū)秈稻和粳稻直播品種，故整機(jī)設(shè)計(jì)前先對(duì)稻種和拖拉機(jī)特性進(jìn)行測(cè)量和分析，為直播機(jī)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供參考。中國(guó)水稻旱直播的主要地區(qū)及參考播量如表1所示。

表1 不同地區(qū)水稻旱直播播量

直播機(jī)與拖拉機(jī)的合理匹配包括靜止掛接與動(dòng)力匹配。按照直播機(jī)整機(jī)質(zhì)量，選用滿(mǎn)足功率要求的拖拉機(jī)，根據(jù)拖拉機(jī)功率確定上下拉桿的尺寸及浮動(dòng)范圍。直播機(jī)的三點(diǎn)懸掛掛耳位置在拉桿尺寸范圍之內(nèi)，應(yīng)盡量使掛接點(diǎn)空間浮動(dòng)范圍大，提升掛接效率。拖拉機(jī)懸掛能力按文獻(xiàn)[21]方法計(jì)算。據(jù)此，本文對(duì)2BDQJ-20型氣吹集排式水稻旱直播機(jī)的關(guān)鍵部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，該機(jī)采用雙排種分種機(jī)構(gòu)[22]，通過(guò)拖拉機(jī)PTO（Power Take Off）和直播機(jī)地輪分別驅(qū)動(dòng)氣源和排種器，保證分種器均勻分種，作業(yè)速度可達(dá)14 km/h，播種量在75～375 kg/hm2范圍內(nèi)可調(diào)，大于中國(guó)水稻直播機(jī)普遍在3.6～5.4 km/h的作業(yè)速度。

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

氣吹集排式水稻旱直播整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該機(jī)采用雙分種和雙排種裝置，分種裝置與排種裝置成對(duì)配置，每個(gè)分種排種裝置對(duì)應(yīng)幅寬2 m。直播機(jī)幅寬4 m，質(zhì)量為1.79 t，采用液壓懸掛方式掛接，拖拉機(jī)提供牽引和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，參照88.2 kW拖拉機(jī)標(biāo)定功率設(shè)計(jì)掛接裝置和動(dòng)力傳動(dòng)方案。

1.排種裝置 2.動(dòng)力底盤(pán)裝置 3.分種裝置 4.氣力輸送裝置 5.種箱 6.拖拉機(jī)

直播機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，重心居中且位于底盤(pán)主梁上，主要包括如圖2所示的排種裝置、動(dòng)力底盤(pán)裝置、分種裝置和氣力輸送裝置4個(gè)部分，分種裝置后置利于排種管件的布置，位于開(kāi)溝裝置正上方，分種裝置與排種裝置成對(duì)配置。種箱按1 t稻種容量設(shè)計(jì)，排種裝置位于種箱正下方，利用稻種自身重力排種。氣力輸送裝置將排種裝置和分種裝置聯(lián)為一體，管道裝置風(fēng)機(jī)的動(dòng)力來(lái)自輪式拖拉機(jī)PTO輸出。動(dòng)力底盤(pán)裝置具有開(kāi)溝覆土鎮(zhèn)壓等功能，固定和承載分種、排種裝置和氣力輸送裝置，并通過(guò)懸掛裝置將各部分與拖拉機(jī)聯(lián)為一體，直播機(jī)設(shè)有可拆卸運(yùn)輸行走輪和加種臺(tái)。整機(jī)三維尺寸為4 678 mm′2 826 mm′2 006 mm。

1.3 工作原理

直播機(jī)工作原理如圖2所示，種箱Ⅲ中的稻種Ⅱ經(jīng)槽輪式排種裝置Ⅳ連續(xù)排出，在裝置Ⅴ中與風(fēng)機(jī)Ⅰ產(chǎn)生的氣流混合并輸送到分種裝置Ⅵ，在分種器內(nèi)部氣流壓差作用下，均勻穩(wěn)定地分配至各排種管，成條地落入播種行。圖中黑色箭頭方向表示氣流方向，長(zhǎng)實(shí)線(xiàn)箭頭線(xiàn)表示一粒水稻種子的運(yùn)動(dòng)軌跡方向。

Ⅰ.風(fēng)機(jī) Ⅱ.稻種 Ⅲ.種箱 Ⅳ.排種裝置 Ⅴ.氣力輸送裝置 Ⅵ.分種裝置

Ⅰ.Fan Ⅱ. Rice seeds Ⅲ. Seed box Ⅳ. Seed metering device Ⅴ. Pneumatic conveying device Ⅵ. Seed distributing device

注：“?”表示氣流輸送方向；“1~10”表示分種裝置行號(hào)；長(zhǎng)實(shí)線(xiàn)箭頭表示稻種的運(yùn)動(dòng)軌跡。下同。

Note: “?” is the direction of airflow, “1-10” is the row No. of the seed distributing device; the long solid arrow indicates the trajectory of the rice seed. The same below.

圖2 氣吹集排式水稻旱直播機(jī)工作原理

Fig.2 Working principle of centralized pneumatic rice dry direct seeding machine

氣吹集排式水稻旱直播過(guò)程分為流體驅(qū)動(dòng)、排種、混種、分種和投種5個(gè)過(guò)程，主要工作部件為增速器、風(fēng)機(jī)、中央排種器、導(dǎo)種器、分種器和排種管。驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，增速器將拖拉機(jī)PTO的低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)軸驅(qū)動(dòng)葉輪產(chǎn)生空氣流；排種過(guò)程中，中央排種器將種箱內(nèi)的稻種排出并輸送給導(dǎo)種器；混種過(guò)程中，導(dǎo)種器依據(jù)噴射式給料原理[23-24]將排種器排出的稻種與流動(dòng)的空氣混合導(dǎo)向分種器；分種過(guò)程中，導(dǎo)種器輸出的氣種混合流通過(guò)分種器輸送管進(jìn)入分種器內(nèi)外蓋形成的流場(chǎng)，在內(nèi)外壓力差作用下氣種混合流均分；投種過(guò)程中，排種管連接稻種出口與開(kāi)溝器，將等分的氣種混合流導(dǎo)入種溝，完成播種過(guò)程。在驅(qū)動(dòng)過(guò)程控制氣源，在排種過(guò)程控制整機(jī)播量，在混種過(guò)程控制稻種運(yùn)動(dòng)方向，在分種過(guò)程控制稻種分配均勻性，在投種過(guò)程保證排種的順暢，5個(gè)過(guò)程聯(lián)合作用使直播機(jī)每行稻種播量近似相等，播種連續(xù)均勻，在排種輪作用力、稻種自身重力和風(fēng)力作用下，稻種依次經(jīng)過(guò)排種器、導(dǎo)種器、分種器和排種管，進(jìn)入田間種溝。

2 關(guān)鍵參數(shù)確定

2.1 管徑

管徑是直播機(jī)的基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)參數(shù)，主要涉及分種裝置排種管管徑和氣力輸送裝置輸送管徑，根據(jù)稻種的物理特性和在氣流輸送過(guò)程中的懸浮速度，根據(jù)375 kg/hm2最大播量和大于10 km/h作業(yè)速度，通過(guò)計(jì)算[25]，確定排種管管徑為22 mm，輸送管徑為58 mm。

2.2 壓力與流量

壓力和流量是直播機(jī)的工作參數(shù)，氣壓計(jì)算主要考慮沿程壓力損失，氣力輸送裝置由拖拉機(jī)PTO提供動(dòng)力源，屬于有能量輸入的管道壓力流體裝置，稻種在高速氣流作用下，在管道內(nèi)形成氣種兩相流，依據(jù)雷諾數(shù)大小對(duì)管道流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行判別，可知?dú)饬髟诠艿纼?nèi)主要為湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在管道內(nèi)由于存在與稻種的相互作用運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜，稻種受湍流氣流作用向前運(yùn)動(dòng)，湍流中由于氣流輸送方向垂直的壓力分量，以及稻種自身形狀的不規(guī)則影響，稻種易產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。

假設(shè)稻種在輸送管道兩端的壓力差為D（Pa），沿程氣壓損失h（Pa）包括阻力損失h（Pa）、局部流動(dòng)損失h（Pa）[26]和輸送稻種做功引起的損失h（Pa）。由于對(duì)湍流的機(jī)理還未充分認(rèn)識(shí)，目前還沒(méi)有建立完整的理論模型，參考相關(guān)研究[27]，管道湍流區(qū)域的h根據(jù)達(dá)西公式（1）計(jì)算。

局部流動(dòng)損失h包括管道入口、三通、閥、突縮和彎管等接口或局部阻礙處的損失，h采用式（2）計(jì)算。

稻種輸送損失h按文獻(xiàn)[28]方法計(jì)算，在空氣單相流的基礎(chǔ)上乘以輸送濃度系數(shù)，如式（3）。

式（1）、式（2）和式（3）中，為稻氣比，無(wú)量綱；Q、Q分別為稻種和空氣的質(zhì)量流量，kg/s；為重力加速度，本文取9.8 m/s2；為流體速度，m/s；為達(dá)西摩擦因子，根據(jù)R值查穆迪表得0.02～0.03，為管長(zhǎng)，m；為局部阻力系數(shù)，為入口局部阻力系數(shù)，取0.5；為三通管局部阻力系數(shù)，取1.2；為截止閥局部阻力系數(shù)，取3.1，本文中只考慮泄壓作用，不經(jīng)主流通管道；為導(dǎo)種器局部突縮阻力系數(shù)；A和A為管道突縮前后的內(nèi)截面面積，m2；為彎管處局部阻力系數(shù)，取0.1；為輸送管內(nèi)徑，mm。為保證氣力輸送裝置的正常運(yùn)行，壓力必須滿(mǎn)足式（4）。

式中為氣力輸送裝置有效附加系數(shù)，經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)算，本文取1.13。

對(duì)管道內(nèi)任意2傭截面位置1、2有：

式中1、2為截面1、2處的空氣輸送密度，kg/m3；1和2為截面1、2處的截面面積，mm2；1和2為流體速度，m/s；Q為質(zhì)量流量，kg/s。

由式（4）、式（5）可知，研究稻種在空氣中的懸浮速度、最小輸送速度和質(zhì)量流量至關(guān)重要，懸浮速度可按氣流輸送理論公式[29]計(jì)算，最小輸送速度和質(zhì)量流量根據(jù)壓力和分種均勻性試驗(yàn)結(jié)果選取較優(yōu)值。

2.3 稻氣比

稻氣比影響直播機(jī)的播種均勻性，稻氣比為稻種與空氣質(zhì)量流量之比，可由式（3）計(jì)算。由于在整個(gè)管道中，空氣稻種兩相大多處于湍流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，流動(dòng)速度計(jì)算較復(fù)雜，有“混合長(zhǎng)度理論”半經(jīng)驗(yàn)公式和尼古拉茲指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式可供參考，通過(guò)理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法確定懸浮速度（m/s）。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

3.1 分種裝置

分種器將稻種均分到各分種口，是分種裝置的主體結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)排種管各行獨(dú)立布置相比，分種器將各行排種管聯(lián)為一體，提高了分種均勻性。通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真和高速攝像等臺(tái)架試驗(yàn)，直播機(jī)采用如圖3所示的分種器。一個(gè)分種器播種10行，氣流和稻種從彎管（圖3中7）端進(jìn)入，從排種管（圖3中5）端排出，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[21,30]和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果，分種器各行之間變異系數(shù)僅3.58%。

1.外蓋 2.內(nèi)蓋 3.泡沫塑料 4.分種盤(pán) 5.排種管 6.波紋管 7.彎管 8.管座 9.支架

3.2 排種裝置

為適應(yīng)品種的多樣性和滿(mǎn)足大播量要求，直播機(jī)采用集排式排種方案，1個(gè)排種器供應(yīng)10行的稻種，自制了集排式槽輪排種器，排種器包括槽輪、殼體和播量無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，確定了殼體、槽輪、半圓弧形槽和毛刷的結(jié)構(gòu)參數(shù)[31]。為確定排種器內(nèi)部結(jié)構(gòu)傾角，對(duì)稻種充種過(guò)程進(jìn)行受力分析，如圖4所示。稻種從充種區(qū)的擋種板處開(kāi)始充種，為研究充種過(guò)程相關(guān)角度和設(shè)計(jì)殼體支撐板和擋種板傾角，對(duì)稻種開(kāi)始進(jìn)入型槽進(jìn)行受力分析。槽輪槽體表面光滑，稻種與型槽壁的摩擦力忽略不計(jì)，受力平衡方程為

式中為稻種間內(nèi)摩擦系數(shù)，由式（6）~（9）得：

由式（10）可知，與、、有關(guān)，而與z有關(guān)，z與稻種在充種區(qū)的填充狀態(tài)有關(guān)，最終反映到殼體擋種板傾角，為盡量減少稻種在充種區(qū)的應(yīng)力和避免卡種問(wèn)題，應(yīng)小于稻種自然休止角，為保證一定的流動(dòng)性，取=30°。同理，殼體支撐板傾角在排種區(qū)，為保證槽輪在極限轉(zhuǎn)速內(nèi)將稻種充滿(mǎn)槽內(nèi)，應(yīng)大于稻種自然休止角，取43°。

1.支撐板 2.擋種板 3.稻種

1.Support plate 2.Retaining plate 3.Rice seeds

注：為坐標(biāo)系；1為稻種質(zhì)點(diǎn)；為充種起始角，(°)；為型槽傾角，(°)；為擋種板傾角，(°)；為支撐板傾角，(°)；為槽輪轉(zhuǎn)速，r·min-1；為稻種所受重力，N；為上層稻種對(duì)下層稻種的壓力，N；F為槽輪對(duì)稻種的支撐力，N；F為慣性離心力，N；f為槽輪與稻種之間的摩擦力，N；為稻種質(zhì)量，kg；為重力加速度，m·s-2。

Note:is coordinate system;1is the rice seed particle;is the initial angle of seed filling, (°);is the inclination angle of groove, (°);is the inclination angle of retaining plate, (°);is the inclination angle of support plate, (°);is rotation speed of grooved wheel, r·min-1;is the force of gravity on the rice seed, N;is the pressure of the upper rice seed to the lower rice seed, N;Fis the supporting force of grooved wheel on rice seed, N;Fis the inertial centrifugal force, N;fis the friction force between the grooved wheel and rice seed, N;is the mass of rice seed, kg;is the acceleration of gravity, m·s-2.

圖4 稻種充種過(guò)程受力分析

Fig.4 Force analysis of rice seeds feeding process

根據(jù)受力分析、理論計(jì)算和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定集排式排種器槽輪直徑100 mm，槽深12 mm，槽寬29 mm。因槽輪中排下的稻種由氣流集中輸送至分種器，減少了槽輪脈動(dòng)對(duì)播種均勻性的影響。1個(gè)排種器對(duì)應(yīng)1個(gè)分種器，供應(yīng)10行的稻種，2 m幅寬直播采用單分種和單排種配置，4 m幅寬直播采用雙分種和雙排種配置。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，集排式排種器播量在75～375 kg/hm2范圍內(nèi)，播量穩(wěn)定。可為直播機(jī)提供穩(wěn)定的稻種流。

3.3 氣力輸送裝置

氣力輸送裝置主要包括風(fēng)機(jī)、導(dǎo)種器、管道、氣流控制閥體和儀表等零部件，其空間布置設(shè)計(jì)基于分種裝置結(jié)構(gòu)、排種裝置結(jié)構(gòu)和機(jī)架結(jié)構(gòu)，動(dòng)力源來(lái)自牽引拖拉機(jī)，稻種在氣力輸送裝置中的輸送流程如圖5所示。氣壓通過(guò)圖5中壓力表1、2測(cè)得，風(fēng)機(jī)與分種器通過(guò)主管道1、2、3、4聯(lián)接，1為風(fēng)機(jī)與截止閥之間的連接管，2為截止閥與導(dǎo)種器之間的連接管，3為排種器與導(dǎo)種器之間的連接管，4為導(dǎo)種器與分種器之間的連接管，“N1、N2”為風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)。

由圖5可知，風(fēng)機(jī)氣壓依次通過(guò)連接管1、2到達(dá)導(dǎo)種器，在連接管1和2內(nèi)屬于單純的空氣壓力場(chǎng)；稻種從種箱經(jīng)連接管3到達(dá)導(dǎo)種器，導(dǎo)種器中管道截面急劇減小，使進(jìn)入導(dǎo)種器的壓縮空氣流速急劇增大，稻種在高速氣流作用下，在連接管4內(nèi)形成氣種兩相流；兩相流經(jīng)4進(jìn)入分種器。

注：“l(fā)1、l2、l3、l4”表示連接管；“N1和N2”表示風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)；PTO為動(dòng)力輸出。下同。

通過(guò)自制試驗(yàn)臺(tái)架進(jìn)行流速等基本參數(shù)的測(cè)量，直播機(jī)氣力輸送沿程氣壓損失s、壓力損耗D、稻氣比等參數(shù)的計(jì)算，設(shè)計(jì)制造的直播機(jī)風(fēng)管回路如圖6所示。

1.直管a 2.90°彎管 3.直管b 4.三通 5.直管c 6.變徑管 7.導(dǎo)種器 8.軟管a 9.軟管b

3.4 底盤(pán)傳動(dòng)裝置

直播機(jī)底盤(pán)傳動(dòng)裝置是直播機(jī)其他部分的載體，起到支撐、傳動(dòng)、平整、開(kāi)溝覆土、掛接運(yùn)輸和消除輪轍等作用，由風(fēng)機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、排種器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)架、三點(diǎn)懸掛和相關(guān)支架等組成，對(duì)動(dòng)力底盤(pán)的要求是滿(mǎn)足功能、有效傳遞和受力均衡。滿(mǎn)足功能是動(dòng)力底盤(pán)裝置的基本要求，應(yīng)根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)環(huán)境惡劣、作業(yè)對(duì)象不標(biāo)準(zhǔn)和作業(yè)功能復(fù)雜等特點(diǎn)考慮功能設(shè)計(jì)。有效傳遞是選擇最佳傳動(dòng)方案的原則，為稻種運(yùn)動(dòng)的輸入氣壓和稻種輸送的質(zhì)量流量提供支撐。受力均衡是選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)分析的目標(biāo)。根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，結(jié)合分種裝置、排種裝置和氣力輸送裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)了如圖7所示的直播機(jī)動(dòng)力底盤(pán)結(jié)構(gòu)。分種器的排種管（圖3中5）末端與開(kāi)溝器（圖7中16）柔性連接。

風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)路線(xiàn)如圖8所示，輪式拖拉機(jī)的動(dòng)力通過(guò)PTO輸出，萬(wàn)向聯(lián)軸器將輪式拖拉機(jī)的動(dòng)力同步傳遞給增速器輸入軸，增速器通過(guò)內(nèi)部平行軸齒輪傳動(dòng)增速，增速器輸出軸通過(guò)聯(lián)軸器與風(fēng)機(jī)動(dòng)力軸同軸連接，聯(lián)軸器按照增速器的輸出軸和風(fēng)機(jī)的輸入軸尺寸進(jìn)行選配。增速器傳動(dòng)比為1:5.76，內(nèi)部齒輪模數(shù)為3。當(dāng)直播機(jī)由于田面平整度和震動(dòng)等影響前進(jìn)速度時(shí)，高傳動(dòng)比可以使風(fēng)機(jī)有較高的轉(zhuǎn)速，從而保證分種氣壓的相對(duì)穩(wěn)定，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速在3 000～5 000 r/min。

1.牽引懸掛 2.機(jī)架 3.鎮(zhèn)壓滾筒 4.變速器定位板 5.地輪 6.三腳架懸掛7.下懸掛 8.風(fēng)機(jī)定位板 9.三腳架 10.掛接器 11.上懸掛 12.種箱支撐架 13.張緊輪 14.行走輪 15.刮土器 16.開(kāi)溝器 17.加種臺(tái) 18.鎖鏈器19.臺(tái)階 20.合頁(yè) 21.分種器定位架 22.導(dǎo)種器定位板 23.后梁支點(diǎn)

注：n為PTO輸出轉(zhuǎn)速，r·min-1；i為增速器傳動(dòng)比。

為了保證田間播量均勻，排種器的動(dòng)力傳動(dòng)必須與拖拉機(jī)行走同步，且要求傳動(dòng)比準(zhǔn)確可靠，據(jù)此制定了如圖9所示的排種器排種軸驅(qū)動(dòng)方案，圖示為整機(jī)1/2傳動(dòng)示意圖，另1/2通過(guò)同一排種軸對(duì)稱(chēng)連接。采用雙地輪前置對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)，提高地輪仿形性能和降低滑移率，雙地輪中心橫截面距離為2 953 mm。通過(guò)雙側(cè)飛輪設(shè)計(jì)，解決地輪滑移或滑轉(zhuǎn)造成的傳動(dòng)軸受力不均的問(wèn)題。

注：i1、i2、i3、i4為傳動(dòng)比；數(shù)字表示鏈輪齒數(shù)。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

參照GB/T 9478-2005、NY/T 1143-2006、NY/T 1229-2006等國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[32-34]，進(jìn)行整機(jī)田間性能試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)，測(cè)試直播機(jī)行間播種均勻性和水稻生產(chǎn)效果。

4.1 田間作業(yè)性能試驗(yàn)

田間性能試驗(yàn)主要測(cè)試直播機(jī)的播量調(diào)節(jié)范圍、拖拉機(jī)不同行走速度下行間播量均勻性，以及地輪傳動(dòng)滑移率、稻種破損率等，驗(yàn)證整機(jī)設(shè)計(jì)的性能參數(shù)并為生產(chǎn)試驗(yàn)提供參考，針對(duì)旱直播機(jī)在田間作業(yè)性能試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題對(duì)直播機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

2016年12月在廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)基地進(jìn)行的作業(yè)性能試驗(yàn)表明，直播機(jī)的播量在75～375 kg/hm2可調(diào)，最高作業(yè)速度達(dá)14 km/h；10行作業(yè)幅寬2 m和20行作業(yè)幅寬4 m的每行播種量變異系數(shù)分別為4.89%和5.06%，田間播種的稻種破損率為0.46%，地輪滑移率平均約為10.21%。性能試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了總體設(shè)計(jì)的合理性，可滿(mǎn)足大播量、高速作業(yè)的直播要求，基于此，2017年4月先后于廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)基地和寧夏靈武農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。

4.2 生產(chǎn)試驗(yàn)

生產(chǎn)試驗(yàn)根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求，采用氣吹集排式水稻旱直播機(jī)進(jìn)行播種，計(jì)算播量和作業(yè)效率，按照同等田間管理?xiàng)l件管理，對(duì)水稻生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀測(cè)并測(cè)產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)旱直播機(jī)的播種效果。

4.2.1 試驗(yàn)機(jī)具與材料

試驗(yàn)儀器和設(shè)備包括自制直播機(jī)1臺(tái)、88.2 kW拖拉機(jī)1臺(tái)。廣州增城的生產(chǎn)試驗(yàn)選用秈粒形水稻品種粵農(nóng)絲苗2號(hào)和華航48號(hào)，靈武生產(chǎn)試驗(yàn)選用粳粒形水稻富源4號(hào)，都為常規(guī)稻品種。

增城試驗(yàn)地點(diǎn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)增城教學(xué)基地，田塊長(zhǎng)約130 m，寬約61 m，土壤質(zhì)地偏黏性，試驗(yàn)時(shí)氣溫約27.7 ℃，空氣濕度約78%，播種時(shí)間為2017年4月7日。靈武試驗(yàn)地點(diǎn)在寧夏靈武農(nóng)場(chǎng)，田塊大小約0.33 hm2，土壤細(xì)碎，田面平整無(wú)雜物，試驗(yàn)時(shí)氣溫約26.2 ℃，空氣濕度約10%，播種時(shí)間為2017年4月24日。

4.2.2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)

生產(chǎn)試驗(yàn)參照當(dāng)?shù)爻Ｓ貌チ坎シN，播前處理好稻種。播前測(cè)量待播地的土壤物理特性，播種深度2～3 cm。播后調(diào)查水稻生長(zhǎng)情況，成熟時(shí)按照人工取樣和機(jī)收2種方法測(cè)產(chǎn)，同一試驗(yàn)3次重復(fù)。

增城生產(chǎn)試驗(yàn)中，播前測(cè)定稻種發(fā)芽率，浸種約24 h，不催芽晾干加入種箱，試驗(yàn)田土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為195.73 kPa，土壤平均含水率為23.03%。靈武生產(chǎn)試驗(yàn)中，播種的富源4號(hào)按當(dāng)?shù)剞r(nóng)藝要求，和泥拌藥晾干，試驗(yàn)田土壤堅(jiān)實(shí)度平均值為178.17 kPa，土壤平均含水率為10.49%，土壤質(zhì)地偏沙性，播種過(guò)程中開(kāi)溝不覆土，種溝深2～3 cm。

4.2.3 田間試驗(yàn)與結(jié)果分析

增城水稻播種量約120 kg/hm2，2017年8月5日收獲，生育期120 d。2017年8月3日取樣調(diào)查表明，1 m2平均株數(shù)為83；8月5日采用井關(guān)608收割機(jī)收割并測(cè)產(chǎn)，粵農(nóng)絲苗平均產(chǎn)量7 074 kg/hm2，華航48平均產(chǎn)量6 504 kg/hm2，詳細(xì)產(chǎn)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，由表2知，3個(gè)水稻品種實(shí)際產(chǎn)量與該品種的審定產(chǎn)量接近，實(shí)際產(chǎn)量約為理論產(chǎn)量的85%。

表2 2017年廣東早稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

靈武水稻播種量約300 kg/hm2，2017年9月21日收獲，生育期150 d。2017年7月25日調(diào)查平均株高97.8 cm，1 m2平均株數(shù)為146.6。寧夏靈武生產(chǎn)試驗(yàn)田于9月21日上午采用久保田PRO588收割機(jī)收割。試驗(yàn)田塊采用測(cè)畝儀測(cè)量，面積為0.322 hm2，收割前按等距取樣法，人工實(shí)割3個(gè)點(diǎn)，每點(diǎn)1 m2；收割過(guò)程中沿田埂先割除四周成熟水稻，隨意選取3個(gè)割幅長(zhǎng)度，3塊取樣田的面積分別為74.9、70.7和70.7 m2，3塊取樣田的稻谷分別為89.6 kg、含水率23.8%，83.75 kg、含水率24.8%和82.55 kg、含水率26.5%，按14.5%含水率計(jì)算，小區(qū)平均產(chǎn)量為10 372.5 kg/hm2。

將表2中數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel 2007中，采用SPSS Statistics 19.0[35-37]軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，選用SPSS中雙變量相關(guān)的Pearson相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表3所示，其中粵農(nóng)絲苗實(shí)際產(chǎn)量與其有效穗數(shù)顯著相關(guān)。

表3 產(chǎn)量與產(chǎn)量（Y）構(gòu)成因素之間的相關(guān)性分析

注：1為有效穗數(shù)；2為每穗平均總粒數(shù)；3為結(jié)實(shí)率；4為千粒質(zhì)量；為實(shí)際產(chǎn)量；*表示在0.05水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note:1is effective panicles number;2is grains number of per panicle;3is seed setting rate;4is 1 000-grain weight;is actual yield; * represents he correlation was significant at the 0.05 level (bilateral).

通過(guò)增城、靈武2地3種不同秈、粳稻品種生產(chǎn)試驗(yàn)的產(chǎn)量及構(gòu)成因素分析，說(shuō)明研制的氣吹集排式水稻旱直播機(jī)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿(mǎn)足田間作業(yè)要求。

5 結(jié) 論

1）研制了氣吹集排式水稻旱直播機(jī)，機(jī)具總質(zhì)量1.79 t，20行幅寬4 m，三維尺寸4 678 mm′2 826 mm′2 006 mm。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，氣吹集排式直播機(jī)的播量在75～375 kg/hm2可調(diào)，最高作業(yè)速度達(dá)14 km/h，10行幅寬2 m和20行幅寬4 m直播機(jī)行間播種質(zhì)量變異系數(shù)分別為4.89%和5.06%，田間播種稻種破損率為0.46%。2017年在寧夏采用富源4號(hào)品種的產(chǎn)量為10 372.5 kg/hm2，生產(chǎn)試驗(yàn)結(jié)果表明，研制的氣吹集排式水稻旱直播機(jī)滿(mǎn)足作業(yè)需求。

2）采用雙分種和雙排種系統(tǒng)方式，優(yōu)化了分種裝置與排種裝置成對(duì)配置的總體設(shè)計(jì)方案。分析了整機(jī)承載、掛接和傳動(dòng)等功能，設(shè)計(jì)了直播機(jī)動(dòng)力底盤(pán)裝置、風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和排種器驅(qū)動(dòng)裝置，研究了傳動(dòng)比與播量的關(guān)系，提高了排種裝置高速作業(yè)的適應(yīng)性；采用雙地輪和飛輪配置方式，解決了地輪同步和滑移問(wèn)題。研制了由分種內(nèi)外蓋、迭代波紋輸送管和分種盤(pán)組成的氣吹集排式水稻分種器，設(shè)計(jì)了一種中央集排式排種器。采用改進(jìn)的達(dá)西公式對(duì)稻種湍流狀態(tài)下的阻力損失進(jìn)行了計(jì)算，根據(jù)試驗(yàn)確定了附加因子系數(shù)，為氣力輸送裝置的壓力選擇和管徑設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。根據(jù)文丘里原理，設(shè)計(jì)了可靈活調(diào)節(jié)的導(dǎo)種器。

3）研制的氣吹集排式水稻旱直播機(jī)質(zhì)量較重，輕量化是下一步開(kāi)展整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，應(yīng)在完善功能的前提下不斷優(yōu)化不承受載荷的構(gòu)件，如鎮(zhèn)壓滾筒、開(kāi)溝覆土仿形裝置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化；采用密度更小的材料，減小鋼材板件厚度，采用直角鋼材代替方管材；減小配套動(dòng)力的功率。氣吹集排式水稻旱直播機(jī)種箱容積較大，人工加稻種較困難，為實(shí)現(xiàn)播種作業(yè)機(jī)械化，需考慮設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)自動(dòng)裝載稻種的裝置。

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Design and experiments of the key components for centralized pneumatic rice dry direct seeding machine

Dai Yizheng1,2, Luo Xiwen1, Zhang Minghua1, Lan Feng2, Zhou Yujiao2, Wang Zaiman1※

(1.,,,510642,; 2.330044,)

Modern rice drilling needs to meet the increasing requirements of different rice varieties, high speed operation and large seeding rate for direct seeding farmland in China. In this study, a kind of centralized pneumatic rice seeding machine with high precision was developed for dry land, including uniform distributing unit, seeds metering unit, pneumatic tube line conveying unit, synchronous transmission unit, large size integrated seed box, ditching, soil covering and compacting unit, supporting and suspension unit. The distributing mechanism and uniformity of the pneumatic centralized distributor were investigated according to the rice varieties, working speed, and seeding rate of seeding machine. The theory of airflow conveying was utilized to evaluate the movement trajectories of seeds in the distributor under continuous air flow in terms of physical characteristics of different rice varieties. A groove-wheel metering device was designed to adjust the seeding rate, in order to meet the requirement of large tailoring speed of seeding, where the groove shape was arc-shaped, and a dual ground wheels driving was used to ensure the synchronization between seeding rate of seed metering device. Variable speed transmission devices were utilized to increase adaptability of high-speed working for the seeds metering unit. A centralized-pneumatic rice seeding machine was trail-produced and tested, and the comparison study was conducted to explore the movement behavior and field seeding effects by using varieties of indica and japonica rice in the direct seeding process. The test results showed that the seeding rate of rice seeding machine was 75-375 kg/hm2, the maximum working speed was 14 km/h, the working width of the 10 rows was 2 m and 20 rows was 4 m, and the coefficients of variation of sowing quantity per row were 4.89% and 5.06%, respectively. The broken rate of rice seeding in paddy field was 0.46%. In 2017, the rice yield of japonica Fu Yuan No. 4 was 10 372.5 kg/hm2in Ningxia, the rice yield of indica Yue Nong Si Miao was 7 074 kg/hm2in Guangdong. The production results demonstrated that the developed centralized pneumatic rice seeding machine for dry land could reach the design goal and meet the working requirements for direct seeding farmland in China.

agricultural machinery; rice; distributor; seed sowing machine; pneumatic conveying; dry land

戴億政，羅錫文，張明華，等. 氣吹集排式水稻旱直播機(jī)關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：1-8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.001 http://www.tcsae.org

Dai Yizheng, Luo Xiwen, Zhang Minghua, et al. Design and experiments of the key components for centralized pneumatic rice dry direct seeding machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 1-8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.001 http://www.tcsae.org

2020-01-19

2020-04-17

廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（2020B1515020034）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金（CARS-01-41）；江西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（20192BBF60051）

戴億政，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化研究。Email：nc_vip@163.com

王在滿(mǎn)，博士，副研究員，主要從事水稻生產(chǎn)機(jī)械化研究。Email：wangzaiman@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.001

S223.25

A

1002-6819(2020)-10-0001-08