型孔式排種器的設計與試驗

陸偉安　黃世明　馮天玉　程捷　郝文斌　王本義

摘要：排種器是水稻直播機的核心部件，其性能直接影響水稻直播機的作業效果。首先，通過對排種器類型簡述從而選定合適的排種器類型，并對排種器主要參數進行計算;其次，對排種器在工作過程中產生的受力進行分析;最后，進行臺架試驗，驗證了排種器設計的合理性。結果表明，該排種器設計符合水稻直播機播種農藝要求。

關鍵詞：水稻直播機;排種器;設計

中圖分類號：S23 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2020） 16-0149-04

DOI： 10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.034

水稻直播技術省去了育秧、移摘等環節，是一種水稻輕簡栽培技術。水稻精量穴直播播種均勻，實現了秧苗成行成穴有序生長，通風性好、采光性好，同時省工、省力、省時，節省秧田，生產效率高，適用性強，便于推廣[1-4]。

排種器是水稻直播機的核心部件[5]，其性能直接決定水稻直播機的播種效果，影響水稻生產效益[6-8]。為滿足水稻機械播種要求，國內外學者對排種器的結構和工作原理進行了廣泛的研究[9]。本研究設計與研究的對象是型孔式排種器，利用Solid-Works軟件進行建模，并將三維模型轉化為工程圖，便于加工制造，通過對排種工作過程進行受力分析以及臺架試驗，驗證排種器設計的合理性，為排種器的結構優化設計提供理論基礎。

1排種器類型

國內外有關水稻精密排種器理論研究達到了較高的水平，從機械式到氣力式和電磁振動式，均都有成功的機型[10]。在眾多的精密排種器中，機械式排種器由于結構簡單、制造容易、落種精度高等特點，在實際中應用非常廣泛[11]。本研究設計水稻直播機排種器類型采用機械式排種器型孔式，型孔輪式排種器結構簡單、制造成本低、調節方便。機械式排種器試驗模型結構如圖1所示。

2排種器關鍵參數

排種器的工作原理是用間距相等的型孔，在種子箱內種子群中周而復始地旋轉，掘犖粒種子麩種群中分離并囊出，形成等時距邋均勻種子流[12]。排種性能的關鍵在型孔的囊種性能，故選擇合適的型孔型式尤為重要。型孔的形狀是確保排種器各項性能的關鍵[13]。機械式排種器型孔型式經歷了圓柱型孔、圓錐型孔、倒角型孔、盆形型孔、前后倒角型孔、多排徑向配置型孔、傾角型孔、帶種環槽型孔等研究過程。合理地選擇水稻排種器型孔的參數是保證水稻直播機作業質量的關鍵。在已有外槽輪理論研究的基礎上，在保證排種輪其他參數不變的情況下，外槽輪排種器槽輪直徑和型孔長度的變化將會導致排種輪轉速ω和有效工作長度L的變化，排種器的各項性能也會因此產生變化。結合水稻直播機播種農藝要求，水稻直播機槽輪直徑d≥30mm，有效工作長度L不小于種子長度的1.5～2.0倍，型孔寬度d為水稻種子長度的1.0～2.0倍，型孔局度H為水稻種子厚度的1.0～3.1倍，否則會影響排種器的性能。本研究所設計排種器排種輪形狀為圓盆形型孔，排種輪直徑d=56 mm，型孔數3，型孔寬度D=11 mm，有效工作長度L=30 mm，型孔高度 H=4 mm。研究表明，過高的排種輪轉速會降低排種輪的充種性能;轉速過低，則排種器漏播率增大、排種不均勻，因此排種輪排量穩定的轉速在9～60 r/min。

水稻直播機作業一定時，排種輪上分布的型孔數越多，排種輪的線速度就越小，株距就越小，但排種輪上的型孔數過度會導致排種器的加工難度和增加排種器的尺寸。在保證排種器工作性能的條件下，排種輪應設置數量合適的型孔，型孔數的計算公式如下：{S0=2πV0/nωV0=ω0r0

式中，n-型孔數;S0-株距（穴距）;V0-地輪的前進速度;ω0-動力輪工作時的角速度;ω1-排種輪工作時的角速度;r0-動力輪半徑;i-動力輸出軸與排種裝置輸入軸的傳動比。

當使用電機帶動排種器播種時，可由式（1）求出型孔數，根據農藝要求知0.12m

3充種箱設計

休止角是指重力場中粒子在粉體堆積層的自由斜面上滑動時所受重力和粒子之間摩擦力達到平衡而處于靜止狀態下測得的最大角，反映了顆粒的內摩擦特性和散落性能。當物料顆粒自身重力的斜面分力不超過種子間的內摩擦力時，則物料顆粒保持靜止;反之則物料顆粒掉落。休止角越大的物料顆粒，內摩擦力越大，散落性越小。因此，水稻種子休止角對充種箱的設計具有重要意義。在總結前任設計排種器的經驗基礎上，水稻種子休止角小于35°。本研究設計取α=38°，β=53°。充種箱示意圖如圖3所示。

4排種器工作過程分析

排種器的排種過程為水稻種子從落種箱落至排種輪，隨著排種輪旋轉種子在自身重力下落入型孔內，轉至清種區。在清種片作用下，將多余種子清回種箱內，種子進入護種區，在護種片作用下，種子隨著排種輪旋轉至投種區，種子在離心力和自身重力下完成排種過程。本研究主要對排種器工作的兩個階段——充種階段和投種階段進行分析，并尋找出影響排種器排種性能的因素，為對排種器優化提供理論基礎。

4.1水稻充種受力分析

型孔排種器是水稻直播較為常用的機械式排種器，充種性能一定程度上影響著排種器工作質量[9]。為簡化種子在充種區的受力分析，將種子假設為圓球體并且排列規則，種子所受壓力等于其上方所有種子重力的和，側壓力為零。由排種器工作條件可知，水稻種子在充種過程中除了受到自身重力G外，還受到排種輪對種子的支持力F1、種子間的推擠力F2、排種輪邊界與種子間的摩擦力f1、種子與種子間的內摩擦力f2以及離心力Fr。種子在這些力的共同作用下充入排種輪的型孔中，沿排種輪截面切向x和法向y做力系分解，如圖4所示。

建立力學方程式：

{Fx = max = （F2 + G）sinβ+f1-f2cosβFy = may =（F2+G）cosβ+f2sinβ - Fr - Flf1=μ1F1f2=μ2 F2 （2）Fr = mrω2G = mgω=πn/30

式中，m -水稻種子質量，g;β-水稻種子角位移，（°）; r -水稻種子質心到排種輪中心距離，m m; ω-種子角速度，rad/s;n-排種輪轉速，r/min;μ1-排種輪外壁與種子間的摩擦因數;μ2-種子間摩擦因數。

整理式（2）可得：

{ax=（F2+ mg）sinβ + μ1F1-μ2F2cosβ/m ay=（F2 + mg） cosβ+μ2F2sinβ- F1/m -（πn/30）2r

（3）

種子質心在排種輪截面法向上的位移量h（即型孔深度）與種子法向加速度關系為：h = 1/2ayt2 （4）

式中，t-種子落入型孔內時間，s。

當ay<0時，由式（3）和式（4）可知：t =√2hm/F1+mr（πn/30）2+（F2+mg）cosβ-μ2F2sinβ （5）

型孔深度與種子尺寸對應，已知型孔深度h與種子最大尺寸lmax和每穴種子粒數相關，故其尺寸h為：

3a ≥h≥l （6）

式中，a -種子平均寬度，mm;l -種子平均長度，mm。

為保證種子順利進入到型孔內，提高作業效率，需縮短種子進入型孔的時間t。當充種區夾角β、種子質量m、摩擦因素μ2以及r被確定后，由式（4）和式（5）可知，種子進入型孔的時間與排種輪轉速n以及種子尺寸相關。

4.2 種子投種階段受力分析

種子在離開護種區進行投種時，種子的初速度為V，其在水平方向和豎直方向上的分速度分別為Vx、Vy;種子受到空氣阻力f，其在水平和豎直方向上的分力分別為fx、fy;種子的重力為G;離心力為Fr。受力示意圖如圖5所示。

由圖5可得，種子在離開排種輪后的微分方程： {m=d2x/dt2 = fx -Frsinθ （7）m=d2y/dt2= G + Fr COS θ-fy

假設空氣阻力忽略不計，此時離開排種輪的種子將做平拋運動。用H表示種子豎直方向上距離田面的垂直距離，S表示種子的位移，則可得：ω=2πnVx=ωr （8）H=1/2gt2S=√（Vx·t）2+H2=√（2πnrt）2+1/4g2t4

由式（8）可知，排種輪的轉速、半徑以及排種器與田面的高度是影響種子投種運動位移的因素。

5排種器臺架試驗

對水稻直播機排種器進行臺架試驗，測定并考察樣機的總排量穩定性、各行排量一致性、種子破損率、空穴率、排種均勻性以及工作可靠性、結構設計合理性等技術經濟指標。

5.1 評價指標

根據DG/T 083—2017農業機械推廣鑒定大綱，水稻直播機評價指標如表1所示。

1） 種子破損率計算。將試驗種子平均分成6份，并將試驗種子進行原始重量、原始破損率稱重，計算百分比。將準備好的試驗種子充入至水稻直播機的6個排種器中進行試驗，試驗結束后將試的6份種子測量其種子破損質量求出試驗后種子破損率，再減去種子原始破損率即可得到機具作業生產時的種子破損率。

2） 穴粒數合格率與空穴率。合格率與空穴率計算公式如式（9）所示。mk{K = /M×100% （9）S=Zs/M× 100%

式中，K-為空穴率;mk-為空穴數;M-為總測定穴數;Zs-為粒數合格的總穴數。

5.2 結果分析

5.2.1 穴距一致性 為驗證水稻直播機穴距的合理性，選取3種穴距進行驗證。播種作業完成后，隨機選取一段測定連續5穴之間的距離，測定3組。將測量值取平均值與理論值進行比較求出差值，計算兩者之間的誤差，以此驗證排種器設計的合理性（表2）。由表2可知，3種播種穴距試驗測得值與理論值誤差在6%以內，表明水稻直播機穴距符合水稻直播農藝要求，設計合理。

5.2.2 種子破損率 由于實地試驗和田間試驗，播種后種子不易收集，且收集后的種子存在較多雜質，容易對試驗數據產生較大的影響。因此，對種子的破損率進行臺架試驗檢測。測定時間為120 s，傳送帶轉速為35 r/min，試驗數據如表3所示。水稻直播機種子破損率評價值指標<1.5%，由表3可知，2種清種裝置的排種試驗所求的的種子破損率均小于水稻直播機種子破損率評價指標。隨著排種器排種輪轉速的增加，種子的破損率也隨之增大。雖然尼龍塑料清種片的破損率符合農藝要求，但尼龍塑料清種片存在漏重現象，容易造成重播現象，且不易加工，因此，在實際生產過程中，清種裝置一般選用軟毛刷作為清種毛刷。

6小結

通過對排種器類型的選擇及主要參數計算，設計出一款型孔式排種器。試驗表明，該排種器的排種性能均在評價指標范圍內，排種器結構設計較合理，雖滿足水稻直播機農藝要求，但在實際的作業生產過程中，該排種器仍有很多地方需要改進。

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收稿日期：2020-03-16

作者簡介：陸偉安（ 1988-），男，廣西貴港人，在讀碩士研究生，研究方向為農業設備，（電話）17878125968（電子信箱）2273060723@qq.com;通信作者，黃世明（1964-），男，湖南汩羅人，高級工程師，主要從事先進制造工藝與設備研究，（電話）13607160835（電子信箱）2028287129@qq.com。