水稻芽谷漿泥智能化播種平臺

潘小莉,羅學夫,古 彪,譚安林

(1.玉林師范學院,廣西 玉林 537000;2.玉林市農業技術推廣站,廣西 玉林 537000;3.玉林市農業科學院,廣西 玉林 537000;4.玉林市檢驗檢測研究院,廣西 玉林 537000)

0 引言

水稻是我國主要糧食作物之一,約有65%的人口以水稻為主食[1]。水稻種植技術包括水稻直播和育秧移插兩種技術,歐美國家采用直播種植方式,亞洲國家以育秧移插植為主[2-5]。水稻的插秧有人工手插、拋秧和機械插秧3種方式[6]。插秧機的出現和應用,解決了繁重的人工插秧、拋秧,極大減輕了勞動強度,提高了勞動生產率,推行水稻機插育秧生產機械化,是實現糧食產業化、規模化的重要保證。但是,推廣機械插秧,關鍵是配套好適合機插的秧苗。水稻種植環節的“瓶頸”問題是水稻生產機械化發展的困境,主要是缺乏高效、便捷、實用的育秧裝備[7-8],適合機插秧的低成本、 簡易化、規模化的育秧技術跟不上,高成本的工廠化育秧方式不適合我國農村小規模生產。因此,如何培育低成本、高素質、適合機械插秧的秧苗是進行機械插秧的關鍵所在,設計符合南方農民現狀的機插育秧成套技術和設備研究與推廣具有重要意義。目前,國內外對播種機的研究較多,對育秧設備的研究較少。王永維[9]對2BZQZ-300型水稻育秧播種機的播種氣室建立不同孔徑的局部吸種模型,采用FLUENT模擬軟件對吸孔在空載工況、種子在橫向和縱向吸附情況時周圍流場進行數值分析,并進行了播種均勻性試驗,發現播種在秧盤內分布均勻,總體播種均勻性系數達到了94.9%。左彥君等[10]利用FLUENT數值模擬軟件對不同窩眼的氣吸式滾筒流場進行模擬與試驗分析,結果表明:半球型滾筒窩眼效果最佳,播種合格率高達85.34%,試驗結果與模擬計算結果一致。楊堅等[11]研究電磁振動式拌漿育秧水稻芽種播種機的工作性能和最佳參數組合,建立了四因素五水平回歸分析數學模型模型,結果表明:最優參數組合為擋種板開口高度9.3mm,行走速度50.1mm,排種盤振動速度13.1m/s,隔振橡膠剛度1 248.9N/mm,播種合格率區間為86.72%～93.54%。馬旭等[12]研制出了氣動式落盤機構及控制系統,試驗結果表明:疊盤偏差對供盤合格率的影響顯著,生產率1 000盤/h、疊盤偏差范圍0～6mm、放盤時間為0.8s,供盤合格率為98.67%～100%。袁文勝等[13]設計了一種懸掛式水稻田間育秧播種機,田間試驗發現總播種均勻度均在90%以上。安沛等[14]設計了具有檢測和控制功能的帶式供土裝置,采用全因子試驗研究了該裝置對不同類型床土輸送能力,試驗結果表明:該裝置很好地滿足了現有水稻育秧流水線的供土要求,極大地解放了勞動力。目前,機械插秧的育秧方式有兩種,工廠育秧育出的秧苗適合機械插秧,解決了機械化插秧育秧的問題,但由于工廠育秧中存在的建造工廠投入大、回本周期長、育秧基質用量大,以及多次運輸成本高、秧苗素質不高、秧到田邊遇到不良天氣時護秧難等問題,推廣成效甚微。機械插秧直接在大田育秧,使用田中漿泥,充分利用現有的育秧技術,育出的秧苗素質好、成本低,但由于是人工播種,播種的芽谷不均勻,影響了機械插秧的質量,且人工操作,效率不高,無法進行大規模的生產作業。針對上述育秧方法中秧盤拌漿泥和播種作業分開進行的問題,國內首次設計出使用大田漿泥作育基質,田間自走,可一次完成放秧盤、施肥、上漿泥、漿泥除雜、灌漿泥及播種等于一體的水稻智能播種機,實現了高效、便捷、省工、低成本的田間水稻育秧。

1 整機結構設計與工作原理

1.1 整機結構及主要技術參數

針對現有設備無法實現秧盤拌漿泥和播種同時完成、工廠化育秧流水線生產成本高、田間育秧播種機作業效率低且勞動強度大等缺點,本研究設計了一款履帶智能水稻播種機,可實現田間自由行走、上漿泥和播種同時完成。播種機主要由機架、上漿系統、施肥系統、播種系統、控制系統、各工作部件驅動電機、秧盤傳送帶等部分組成,如圖1所示。其主要技術參數如表1所示。

表1 播種機主要技術參數

1.發電機 2.電控柜 3.漿泥過濾裝置 4.播種裝置 5.傳動鏈條 6.輸送帶 7.傳動電機 8.播種電機殼體 9. 灌漿電機 10. 施肥裝置 11. 施肥電機

根據田間實際工況設計了履帶行走裝置。施肥裝置由電機和肥料箱組成,播種前把壯秧劑均勻鋪在秧盤的底部。灌漿裝置由電機、上漿鏈條、除雜篩及泥漿罐等組成,田間漿泥經上漿鏈條運至除雜篩過濾后落入泥漿罐,而后由泥漿罐底部灌入秧盤中。播種裝置由電機、芽谷箱及滾動毛刷等組成,落種量由箱體底部開口寬度通過調頻器頻率控制,芽谷箱由兩個對稱結構組成可完成2次落種,同時分別配備兩個直徑150mm滾動毛刷刷平秧盤內的芽谷。秧盤傳送裝置由電機、傳送帶和支架組成,作用是使秧盤以一定的速度依次經過施肥箱、泥漿罐和播種箱以完成播種全部作業。

1.2 工作原理

播種前,人工將田間大塊雜物清除,根據大田機插秧的需要對秧田合理布局,播種機直接行使至田間進行播種作業。播種時,人工將空秧盤平鋪至輸送帶上,秧盤勻速移動完成施肥、灌漿、播種等播種工序后移出輸送帶,將其平鋪至田間覆薄膜育秧,可根據需要調節播種量。該機需要駕駛員和輔助人員3～5人,播種效率20～30盤/h,按大田用秧20塊/667m2計,一天可完成33.33hm2大田育秧播種,工作效率遠遠高于人工作業,且經濟成本低、受天氣影響小。

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 灌漿裝置設計

灌漿裝置結構圖如圖2所示。由于漿泥是流體,上漿鏈條采用矩形擋板進行輸送,傳動滾筒直徑d為60mm。輸送裝置驅動軸功率根據輸送機械驅動功率的簡易計算方法獲得[14],即

圖2 灌漿裝置結構圖

圖3 種箱結構圖

(1)

式中L—輸送鏈長度(m);

B—輸送鏈寬度(mm);

V—鏈條速度(m/s);

Q—輸送量(t/h);

H—提升高度取鏈條寬度(mm)。

取B=380mm,按育秧生產率1 200盤/h計算,所需漿泥最大傳送量Q=2.5t/h。取漿泥輸送鏈速度V=0.8m/s,最大提升高度H=2.4m,輸送鏈的長度L=4.8m,帶入式(1)計算得輸送裝置軸功率0.52kW。電機功率為

(2)

式中η—傳動效率。

減速器效率取0.94,傳動滾筒和聯軸器效率取0.98,二者乘積為傳動效率0.92,帶入式(2)得電機功率0.56kW。為滿足工作需求選用600W電機,工作時電機經過減速器驅動傳動滾筒,通過滾筒與傳送鏈之間的嚙合驅動傳送鏈運行,漿泥輸送至頂部落至濾篩收集至漿泥箱。

2.2 漿泥箱容量參數設計

育秧盤內部尺寸為580mm×280mm×25mm,每盤漿泥用量為3.3L,在正常試驗條件下,滿足150盤漿泥需求。漿泥箱容量為523L,在播種作業過程中無需停機補充基質,開啟灌漿鏈條可滿足供漿需求。

2.3 播種裝置設計

播種裝置主要由調頻器、電機、種箱及毛刷組成,調頻器控制箱體底部開口寬度控制落種量。種子播量相對漿泥需求量較少,種子質量約62.5kg可滿足500盤播種需求。種箱由兩個結構相同的對稱箱體組成,設計種箱容積為108L,設計尺寸為300mm×430mm×420mm,分別安裝兩個直徑150mm的滾動毛刷,傳送帶傳送秧盤速度0.2m/s,為使種子平鋪均勻,取毛刷線速度與傳送帶一致。

3 田間試驗與結果分析

3.1 試驗條件

以28kW行走馬達作為播種機的動力,試驗在玉林市玉東新區隆平高科水稻機械化生產示范基地進行,試驗前清除田間雜物。

3.2 試驗方法

3.2.1 播種均勻性試驗

隨機抽取10個秧盤,在每個秧盤內分別取尺寸為50mm×50mm 正方形的5個取樣點進行播種均勻性試驗,計算取樣區域內的種子數。取樣點分布如圖4所示。均勻度計算見式(3),即

圖4 取樣點分布圖

(3)

式中Up—播種均勻度(%);

s—樣本標準差。

3.2.2 格粒數合格率試驗

計算每個秧盤對應取樣框格的空格率及其種子數分布情況,參考“NY/T1534-2007水稻工廠化育秧技術要求”,隨機選擇10個秧盤,隨機選取包含20個面積12mm×11mm小格子的5個取樣點,確定每格種子粒數。每格子種子粒數和個范圍如表2所示。

表2 格子粒數合格參照表

3.2.3 播種量及發芽率試驗

播種量采用現場作業的方法實測,播種機在一定速度行駛條件下,測量5min內的播種量,進而推算1h內總的播種量。播種前選擇雜交稻和常規稻兩個品種進行發芽率試驗,每個品種隨機稱取3份樣本,每份樣本50g種子,發芽數和總的種子數的比值即為發芽率,進而推算整體芽谷發芽率。試驗田采用圖4的方法取5點,每點面積1m2,計算每取樣點秧苗蔸數和漏插蔸數,推算出大田機插秧。漏插蔸率按下式計算,即

漏插蔸率=調查點秧苗漏插蔸數/(調查點秧苗蔸數+調查點秧苗漏插蔸數)×100%

(4)

3.3 試驗結果與分析

3.3.1 播種均勻性分析

每盤按梅花五點法即4個角和中間位置共取5個取樣點,計算出每盤的播種均勻度和總的播種均勻度,每秧盤播種均勻度如表3所示。結果表明:在毛刷2次鋪平作用下,每秧盤和總播種均勻度都高于93%,播種均勻度高,滿足生產需求。

表3 播種均勻度計算結果

3.3.2 取樣格粒數合格率分析

根據實際作業要求每盤每格的播種數量為5粒,根據表2可知合格范圍在3～7粒之間,合格的格子數值與總格數的比值為格粒數合格率。試驗計算其合格率在85%以上,符合育秧播種的行業標準。

3.3.3 播種量、發芽率分析

試驗品種選擇雜交稻隆兩優華占和常規稻桂育8號,干谷的千粒質量分別為23.8g和22.4g。播種量計算取20塊秧盤,約占地667m2,雜交稻每盤約75g,常規稻每盤約125g。每個品種取樣本3份,作業5min內平均播種量分別為98、100、102盤,推算出平均每小時的播種量為1 200盤。發芽率結果如表4所示。由表4可知:雜交稻和常規稻的平均發芽率均為86%,以雜交稻為例,每秧盤芽谷按75g計算,每盤約3 151粒芽谷,按此發芽率計算秧苗成秧率為87%,發芽率高,秧苗生長均勻適合機械插秧。漏插蔸率計算結果如表5所示。

表4 稻谷發芽率

表5 秧苗漏插蔸率

4 結論

1)設計了一種自走式自動上漿泥水稻播種機,滿足高效、便捷、省工、低成本的播種作業要求。該機采用履帶式行走裝置適合南方丘陵地帶作業,一次性完成上盤施肥、上漿泥、漿泥除雜、灌漿泥及播種等播種作業程序,極大降低了工人勞動強度。

2)芽谷播種裝置采用2次播種、2次毛刷鋪平作業,播種均勻度達93%以上。落種量采用調頻器控制開口寬度,生產率每小時可高達1 200盤;取樣格播種量在3～7粒的合格率大于85%;常規稻和雜交稻的發芽率均為86%,秧苗成秧率為87%,適合機械插秧作業,且漏插蔸率僅為4.5%。

3)該機作業成本為4元/hm2,工廠化育秧成本8.67元/hm2,節約了4.67元/hm2,成本低、效益好,機械作業平穩可靠,應用前景廣闊。