水稻氣壓滾筒式集中排種器設計與試驗

劉禮陽 唐興月 祝培栩 譚建偉 雷小龍,* 任萬軍

(1.四川農業大學 機電學院，四川 雅安 625014；2.四川農業大學 作物生理生態及栽培四川省重點實驗室，成都 611130)

水稻是我國重要的糧食作物，常年種植面積約3×107hm2。水稻機械化種植是水稻生產全程機械化的關鍵環節和難點問題。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%。水稻種植過程中采用機械精量穴直播的方式可省工省力，提高生產效率和水稻產量、減小勞動強度[1-4]。

排種器是水稻直播機的核心部件，直播機的播種質量與排種器的排種性能密切相關。氣力式排種器具有種子形狀適應性好、適應高速作業、通用性好、不易傷種等優點，成為排種器發展方向[5]。羅錫文等[6-8]設計了開溝起壟式水稻精量穴直播機，可實現同步進行開溝、起壟和播種，采用瓢形型孔和2個充種室，改善水稻充種性能和實現精量穴直播；并設計了彈性隨動護種帶裝置，降低了稻種的破損率。張明華等[9]設計了由型孔輪殼、型孔輪和調節機構組成的組合型孔排種器，可滿足常規稻與雜交稻的播種要求。田立權等[10]設計了彈射式耳勺型水稻精量穴直播排種器，確定了取種耳勺結構參數和水稻芽種彈射軌跡線。張國忠等[11]研制了一種用于水稻氣力式精量穴播排種器的具有群布吸孔的吸種盤，吸附精確性較高，可應用于水稻精量穴播。萬霖等[12]為消除摩擦、降低氣壓損失、提高裝置的穩定性，設計了一種嵌入旋轉氣腔式水稻穴直播排種器。

集中排種器具有裝卸方便、結構簡單和排種效率高等優點，廣泛應用于多種作物。張順等[13]設計了氣力滾筒式水稻穴直播精量排種器，可實現多行排種。李兆東等[14]設計了油菜精量氣壓式集排器，采用氣壓清種，降低充種過程中種子的破碎率。祁兵等[15-16]提出玉米中央集排氣送式精量排種器，降低充種阻力、提高充種概率和排種效率、優化播種結構。Ismet等[17]設計了大豆和玉米氣力式排種器，分析了氣流流過吸孔時的狀態；Yasir[18]對小麥氣力式排種器的工作過程進行理論分析，優化了氣力式排種器關鍵部件。

上述氣力式排種器大都采用機械結構完成充種和清種過程，種子損傷率較高；采用氣吸充種、氣吹清堵的氣吸式排種器其結構復雜，排種環節較多，不利于實現輕簡化。為適應雜交稻大田精量穴直播的生產需求，降低田間種子損傷率，本研究擬采用正壓氣流充種、攜種和投種原理，設計一種水稻氣壓滾筒式集中排種器，確定其主要結構參數；試驗研究氣流孔直徑、滾筒轉速、氣流孔數量對排種性能的影響，并開展集中排種器對雜交稻品種的適應性試驗，以期為水稻氣壓滾筒式集中排種器的設計提供參考。

1 水稻氣壓滾筒式集中排種器結構與工作原理

水稻氣壓滾筒式集中排種器主要包括種箱、殼體、充種室、排種滾筒、導種管、分流板、擾種板、充種進氣管和擾種進氣管等(圖1)。充種進氣管提供的正壓氣流在分流板作用下在充種室內將氣流分布均勻，使滾筒內外形成氣壓差；擾種進氣管提供擾種氣流，使種子成離散狀態，以利于充種(圖2)；進種導板用于控制種層厚度。排種滾筒軸向和周向均勻布置有型孔，在滾筒內外氣壓差作用下實現充種，在滾筒勻速轉動下形成規律性等間距種子群，實現定量排種。

排種器工作時，種箱內的種子在重力作用下進入充種區形成一定高度的種層，風機產生的正壓氣流通過充種進氣管和擾種進氣管進入排種器，在分流板作用下均勻分布在排種器內，使布置在滾筒上的充種型孔內外產生氣壓差。排種滾筒在傳動軸驅動下轉動，當滾筒上的型孔經過充種區時，在滾筒內外壓差和型孔對種子擾動作用下，種子被壓附在型孔上進行充種。攜帶種子的型孔通過攜種區進入投種區，在氣流推力、種子自身重力及離心力的共同作用下種群脫離型孔進入導種管，完成排種過程。

Ⅰ.充種區; Ⅱ.攜種區; Ⅲ.投種區1.種箱；2.進種導板；3.分流板；4.充種進氣管；5.擾種板；6.擾種進氣管；7.殼體；8.導種管；9.排種滾筒；10.固定座；11.左端蓋；12.右軸承端蓋；13.右端蓋；14.傳動軸；15.左軸承端蓋Ⅰ.Seed filling area; Ⅱ.Seed carrying area; Ⅲ.Seed feeding area1.Seed box； 2.Seed feeding catheter； 3.Splitter board； 4.Seed filling intake pipe； 5.Disturbed seed board； 6.Disturbed seed intake pipe； 7.Shell; 8.Seed spout； 9.Metering cylinder； 10.Mount； 11.Left end cover； 12.Right bearing end cover； 13.Right end cover； 14.Transmission shaft； 15.Left bearing end cover圖1 水稻氣壓滾筒式集中排種器正視(a)和A-A剖視(b)示意圖Fig.1 Front view(a)and A-A sectional view(b)of pneumatic cylinder-type precision seed-metering device for rice

箭頭表示氣流流向。Arrows in the figure indicate the direction of the airflow.1.排種滾筒；2.擾種板；3.排種器殼體1.Metering cylinder； 2.Disturbed seed board； 3.Shell圖2 未通入擾種氣流(a)和通入擾種氣流(b)局部圖Fig.2 Part view without disturbed air flow (a) and part view with disturbed air flow (b)

2 排種器關鍵部件設計與參數分析

2.1 型孔結構設計

2.1.1型孔形狀及尺寸

種子的機械物理特性參數是設計型孔的重要依據，水稻種子呈紡錘體，種子表面有稃毛，流動性較差[19]。選取常用的3種雜交稻種子，確定其機械物理特性參數，見表1。

為使雜交水稻種子易于充入型孔和排出，型孔形狀設計為“碗狀”結構，型孔中均勻分布有氣流孔(圖3)；為方便種子充種和投種，型孔進種斜面與水平方向夾角為20°，使進種處呈“勺狀”；出種斜面與水平方向夾角為-60°，呈“斜坡狀”，型孔具有一定擾動種群作用。通過型孔與氣流配合完成充種、攜種和投種過程，提高充種性能。

表1 不同雜交稻種子的三軸尺寸Table 1 Triaxial size of different rice seeds

基于雜交稻種植對穴苗數的要求[20]，要求穴苗數為3～4株，因此確定單穴平均播種量為4粒。根據水稻氣壓滾筒式集中排種器通過排種滾筒上型孔內氣流孔產生的正向壓附力進行充種、攜種及投種的原理，參照經驗公式[13]得到型孔參數：

(1)

式中：d為氣流孔直徑，mm；Da為型孔入口直徑，mm；lmax為試驗種子的最大長度尺寸，mm；H為型孔深度，mm；ba為試驗種子的平均寬度，mm。

由表1可知，試驗水稻種子最大長度尺寸lmax=9.68 mm，平均寬度ba=2.58 mm。由式(1)得：1.68 mm≤d≤1.70 mm；Da≥14.52 mm；H≤0.86 mm。綜合考慮排種性能要求，取氣流孔直徑d=1.7 mm，型孔入口直徑Da=15 mm，型孔深度H=0.8 mm。

圖3 型孔結構示意圖Fig.3 Structure of model-hole

2.1.2型孔數量及型孔排數

根據播種機的播種量及排種性能等因素，并考慮型孔的通用性和穴距要求；型孔數量的計算公式為：

(2)

式中：Z為排種滾筒型孔數量；Qm為排種頻率，穴/s；vm為機具的前進速度，m/s；T為孔距，mm；s為播種穴距，m；vp為排種滾筒線速度，m/s；Dd為排種滾筒直徑，mm；np為排種滾筒轉速，r/min。

根據水稻種植農藝要求，大部分地區常規稻的穴距一般取12～14 cm，雜交稻的穴距一般取16～20 cm[21]，試驗水稻種子的平均寬度ba=2.58 mm，結合通用播種機具作業生產效率及播種量等因素，其設計播種機作業速度vm≤5 km/h，滾筒轉速np≤50 r/min；由式(2)得：8.3≤Z≤10.4。

綜合考慮型孔的充填性能及保證型孔相隔間距，本研究型孔數Z取10，相鄰型孔對應的中心角為36°，軸向型孔間距為35 mm，一次播種 6行，選擇型孔排數為6列。

2.2 滾筒結構設計

排種滾筒是實現水稻精量排種的關鍵部件，滾筒為一空心貫通圓柱體，圓柱體表面均勻分布若干排型孔；根據工作原理可知，排種器工作時滾筒內部空間與大氣連通，與殼體形成的外部空間充有氣流，因此充種型孔內外具有壓差。

若滾筒直徑過小，其曲率大，阻礙種子充填；直徑過大，會使整機尺寸偏大，結構臃腫。根據現有參考文獻[22]，滾筒直徑Dd取80～140 mm，綜合考慮水稻種子尺寸，選擇排種滾筒直徑Dd為100 mm，排種滾筒壁厚為 3 mm，材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile-butadine-styrene，簡稱 ABS塑料)，由 3D 打印機制成。滾筒結構見圖4。

1.支撐柱；2.氣流孔；3.型孔1.Supporting； 2.Suction nozzle； 3.Hole圖4 滾筒結構示意圖Fig.4 Structure of metering cylinder

2.3 充種和投種過程種子的力學分析

水稻種子充入型孔是實現精量播種的首要環節；種子在充種區時，可視作處于以氣流孔中心為中心的半球體氣流場中，根據氣流孔與滾筒的尺寸比例大小，將氣流孔理想化為直孔板，為便于分析，將水稻種子簡化為規則的橢球體，其幾何中心為稻種的質心。種子在重力G、浮力Fb、繞流阻力FD和種群移動阻力Fv、Fh的共同作用下充入型孔，種子充種過程受力分析如圖5所示。

1.排種滾筒；2.種子1.Metering cylinder； 2.SeedFb為種子所受浮力，N；G為種子重力，N；FD為繞流阻力，N；Fh為充種區種群水平移動阻力，N；Fv為充種區種群豎直移動阻力，N；θ為壓附力與水平方向的夾角，(°)；R為型孔的氣流場半徑，mm；ds為種子寬度，mm；c為種子質心；ω為滾筒轉速，rad/s，O為滾筒的旋轉中心；d為氣流孔直徑，mm。Ⅰ為滾筒內側區域；Ⅱ為充種區。Fb is the buoyancy of seed, N; G is the gravity of seed, N; FD is the resistance of air flow, N; Fh is the horizontal movement resistance of population in seed filling area, N;Fv is the vertical movement resistance of population in seed filling area, N; θ the angle between FD direction and horizontal direction, (°)；R is the radius of air flow field in the hole,mm; ds is seed width,mm; c is the centroid of a seed; ω is the rotational speed of the cylinder, rad/s; O is the center of rotation of cylinder； d is the diameter of the air flow hole.Ⅰ is the inside of the metering cylinder; Ⅱ is the Seed filling area.圖5 充種過程種子受力圖Fig.5 Force diagram of seed at filling seed

滿足充種的條件為繞流阻力FD和種子所受浮力Fb的合力足以克服種群移動阻力Fv、Fh和種子重力G。根據球體繞流阻力理論，充種過程種子受力方程為：

(3)

式中：Fh為充種區種群水平移動阻力，N；Fv為充種區種群豎直移動阻力，N；θ為壓附力與水平方向的夾角，(°)；Cd為阻力系數；S為氣流作用面積，m；ρ為流體密度，kg/m3；v為流體速度，m/s。

分析式(3)可知，在一定狀態的氣流場中，種子重力G、浮力Fb為定量，因此適當增大繞流阻力FD和減小種群移動阻力Fv、Fh有利于充種；對于繞流阻力FD，阻力系數Cd和流體密度ρ為定量，氣流作用面積S與型孔內氣流孔直徑及個數相關，而氣流速度v與FD呈2次方正比關系，故適當增大氣流速度v以及氣流孔直徑和個數可提高充種效果；對于種群移動阻力Fv、Fh，其主要由種子的接觸壓力及種群內摩擦力引起，通過適當增大擾種進氣管氣壓，增強擾種氣流，可減小種群移動阻力Fv、Fh，使種子更易于壓附于型孔上，提高充種效果。

當種子進入投種區后，為保證種子順利排出還應滿足充種后穩定投種的條件，在投種區，種子在壓附力Fd、重力G、滾筒離心力Fc、滾筒支撐力Fn、摩擦阻力Ff的共同作用下離開型孔，種子投種過程受力分析見圖6。

1.排種滾筒；2.種子1.Metering cylinder； 2.SeedFc為慣性離心力，N；Fn為型孔對種子的支撐力，N；Fd為型孔對種子的壓附力，N；Ff為型孔與種子間的摩擦力，N；φ為壓附力Fd與垂直方向的夾角，(°)；其他量符號同圖5。Fc is inertial centrifugal force, N; Fn is the supporting force required for seeds (pointing to the center of spoon), N; Fd is the pressure of the hole on the seed, N; Ff is the friction between the seed and the hole, N； φ is the angle between Fd direction and vertical direction, (°)；Other quantity symbols are the same as in Fig.5.圖6 投種過程種子受力圖Fig.6 Force diagram of seed at throwing seed

投種過程中，型孔對種子的支撐力Fn和種子慣性離心力Fc的合力大于重力G和型孔對種子的壓附力Fd，重力G分量與摩擦力Ff合力大于0，投種過程種子受力方程為：

(4)

式中：μ為型孔與種子間的摩擦因數；φ為壓附力Fd與垂直方向的夾角，N；m為種子質量，kg；Δp為型孔兩側壓差，Pa；si為種子i在氣流孔上占據面積，mm2；sh為氣流孔截面積，mm2。

分析式(4)可知，投種過程種子的慣性離心力Fc與滾筒轉速np呈2次方正比關系，說明適當提高滾筒轉速np有利于增大種子的慣性離心力Fc。型孔對種子的壓附力Fd與型孔內氣流孔直徑d也呈2次方正比關系，投種階段壓附力Fd適當減小可提高投種性能，i在氣流孔上占據面積si在充種后變化范圍很小，考慮充種性能，型孔兩側壓差Δp不易過低，故一定范圍內適當增大滾筒轉速或減小型孔內氣流孔直徑有利于完成投種過程。

3 集中排種器排種性能試驗

3.1 試驗材料與裝置

以繁優609為供試材料，試驗在JPS-12 型排種器性能檢測試驗臺上進行(圖7)。

1.控制臺；2.水稻氣壓式排種裝置；3.種箱；4.油帶；5.JPS-12檢測系統；6.減速電機1.Control platform； 2.Pneumatic metering device of rice； 3.Seed box； 4.Oil belt； 5.JPS-12 testing system； 6.Reduction motor圖7 氣壓滾筒式排種器試驗臺Fig.7 Test platform of cylinder-type seed metering device

3.2 試驗設計與方法

為選擇適宜的排種滾筒轉速范圍及最佳的充種進氣管和擾種進氣管氣壓值，進行轉速和氣壓對排種性能影響的單因素試驗。滾筒轉速為10～60 r/min，增量10 r/min。根據前期預試驗，將充種進氣管氣壓確定為1.9～3.1 kPa，擾種進氣管氣壓確定為1.7～2.9 kPa，增量0.3 kPa。為優化排種型孔結構參數，進行排種性能試驗，確定影響排種器排種性能的因素為氣流孔數量、滾筒轉速、氣流孔直徑；采用三因素三水平正交試驗設計，試驗因素和水平見表2。為進一步分析集中排種器對水稻品種的播種適應性，研究了繁優609、F優498和天優華占3 個雜交稻品種的適應性。

表2 排種器性能試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of seed meteringdevice performance

試驗參照 GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[23]標準，排種器穩定工作時，在試驗臺連續記錄油帶上排出的300穴種子的粒數，各處理重復3次。各試驗指標的計算公式為：

空穴率

漏播率

合格率

重播率

式中：n0為每穴含有0粒稻種的穴數；n1為每穴含有<2粒稻種的穴數；n2為含有2～6粒稻種的穴數；n3為每穴含有>6粒稻種的穴數；N為樣本穴數。

3.3 試驗結果與分析

3.3.1轉速和氣壓對排種性能的影響

當排種滾筒轉速為20 r/min，充種氣壓為 1.9～3.1 kPa，擾種氣壓為1.7～2.9 kPa時，重播率隨充種氣壓增大而增加，漏播率隨之降低，合格率呈先增后降趨勢(圖8)。充種氣壓為1.9～2.5 kPa時，排種合格率逐漸增加，充種氣壓為2.5 kPa排種合格率最高；充種氣壓高于2.5 kPa時，重播率快速增加，合格率逐漸降低，排種效果變差，故確定較優充種氣壓為2.5 kPa。重播率隨擾種氣壓增大而增加，合格率呈先增后降趨勢，擾種氣壓為1.7～2.3 kPa 時，氣流擾種效果逐漸明顯，排種合格率逐漸增加；擾種氣壓高于2.3 kPa時，擾種氣流過大導致充種室內種群受氣流作用無序運動，重播率快速增加，排種效果變差，故擾種較優氣壓確定為2.3 kPa。

圖8 氣壓對排種性能的影響Fig.8 Effects of air pressure on seeding performance

排種滾筒轉速對排種性能影響結果見圖9：漏播率隨排種滾筒轉速增加而增加；重播率隨之降低，合格率呈先增后降趨勢。轉速為10 r/min 時，排種滾筒線速度較小，與充種區雜交稻種群接觸時間過長，型孔吸附種子過多，重播率較大，降低了合格率。轉速為50～60 r/min 時，排種滾筒線速度過大，與充種區雜交稻種群接觸時間過短，且離心力較大，增加漏播率，合格率也較低。轉速為20～40 r/min 時，排種合格率較高。

圖9 排種滾筒轉速對排種性能的影響Fig.9 Effects of rotational speed on seeding performance

3.3.2型孔結構參數對排種性能的影響

排種器性能試驗結果及方差分析結果見表3和表4：充種和擾種氣壓分別為2.5和2.3 kPa時，氣流孔數量、直徑、排種滾筒轉速對合格率影響均達顯著或極顯著水平；氣流孔數量對漏播率有顯著影響，其余項影響不顯著。極差分析結果表明，影響排種器合格率的主次因素為：氣流孔數量>氣流孔直徑>排種滾筒轉速；影響漏播率的次序為：氣流孔數量>排種滾筒轉速>氣流孔直徑(表5)。合格率和漏播率的最優方案分別為A1B2C2和A1B2C3。結合水稻直播的實際生產要求，排種器在田間工作時應在降低漏播率的同時，保證其合格率，因此確定較為適合的直播條件為A1B2C2，即排種滾筒轉速為20 r/min，氣流孔數量7，直徑1.7 mm。

表3 排種器性能試驗結果Table 3 Experiment results of seed metering device performance

3.3.3集中排種器對水稻品種的播種適應性

當轉速為20 r/min，氣流孔數量為7，直徑為1.7 mm時，臺架試驗驗證集中排種器對3種雜交稻品種的品種適應性(圖10)。試驗結果表明：繁優609、F優498和天優華占3種雜交稻品種的合格率均達到90.00%，漏播率和重播率均低于 6.00%和5.00%，種子破碎率均低于0.20%，各行排量一致性變異系數均低于3.00%(表6)。表明該集中排種器對外形尺寸有一定差異的水稻種子具有較好的播種適應性。

表4 排種器性能指標試驗結果方差分析Table 4 Results of variance analysis of the test results of seed metering device performance

表5 排種器性能指標試驗結果極差分析Table 5 Results of range analysis of the test results of seed metering device performance

表6 集中排種器對3種雜交稻品種適應性試驗結果Table 6 Results of the adaptability test of the seed divider to three hybrid rice varieties

1.種子；2.試驗臺1.Seed； 2.Test platform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 test platform

4 田間試驗

為檢驗水稻氣壓滾筒式集中排種器田間播種效果，于2019年12月在四川省雅安市四川農業大學教學科研園區進行水稻直播試驗。前茬為小麥，土壤平均含水率34.33%；試驗供試品種為繁優609，排種滾筒轉速為20 r/min。試驗裝置見圖11(a)。

試驗以自制水稻精量直播裝置為平臺，牽引動力為洋馬VP6D插秧機機頭，播種前進速度為2.3 km/h，試驗中采用12 V蓄電池提供直流電機的動力源，通過直流電機調速器改變減速直流電機轉速，控制水稻氣壓滾筒式集中排種器轉動。汽油機驅動高壓旋渦風泵為水稻氣壓滾筒式集中排種器提供正壓氣流，風泵的功率為2.2 kW。水稻穴播精量直播機一次性完成精量播種和封閉除草等功能，機組幅寬1.8 m，播種6行，行距為300 mm，播種效果見圖11(b)。播種試驗結束連續統計機組勻速行駛的10 m，測定各行單穴粒數和穴距，重復3次，取平均值。結果表明單穴平均播種量為3.56粒/穴，播種合格率為89.33%，穴距為190.3 mm，滿足水稻精量直播的技術要求。

1.雙圓盤開溝器；2.導種管；3.精量穴播集中排種裝置；4.種箱；5.電機驅動系統；6.藥箱；7.封閉除草裝置；8.插秧機機頭；9.種子1.Double disc ditcher； 2.Seed spout； 3.Centralized seed-metering device for precise hole seeding； 4.Seed box； 5.Motor drive system； 6.Medical box； 7.Closed weeding device； 8.Transplanter head； 9.Seed圖11 水稻直播田間試驗與播種效果Fig.11 Field experiment and seeding performance

5 結 論

本研究基于雜交稻的機械物理特性參數和精量穴直播農藝要求，應用正壓氣流充種、攜種和投種原理，設計了水稻氣壓滾筒式集中排種器，確定了型孔結構與關鍵參數，建立了種子在充種和投種過程中的力學模型，進行了排種器結構和工作參數對排種性能影響試驗及排種器對雜交稻品種的適應性試驗。主要結論如下:

1)排種器結構和工作參數對排種性能影響結果表明，影響排種器合格率的順序為：氣流孔數量>氣流孔直徑>排種滾筒轉速。當排種滾筒轉速為20 r/min，氣流孔數量為7個，直徑為1.7 mm時，排種器的合格率為 93.33%，漏播率為 2.50%，重播率為 4.17%，空穴率為 0.58%，各行排量一致性變異系數為2.08%。

2)品種適應性試驗結果表明，繁優609、F優498和天優華占3 個雜交稻品種進行的排種合格率均達到90.00%，漏播率和重播率均低于 6.00%和5.00%，種子破碎率均低于0.20%，各行排量一致性變異系數均低于3.00%，具有較好的品種適應性。田間播種試驗的單穴平均播種量為3.56粒/穴，播種合格率為89.33%，穴距為190.3 mm，滿足水稻精量穴播排種技術要求。