臧 英,何思禹,王在滿,劉順財,王緒國,文智強
氣力式包衣雜交稻單粒排種器研制
臧 英,何思禹,王在滿※,劉順財,王緒國,文智強
(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)
為滿足雜交稻單粒播種的作業需求,該研究結合包衣稻種設計了一種單粒氣力式排種器,分析了吸種姿態對吸種精度的影響,利用稻種導流原理,設計了一種導流式吸種盤,對稻種在該吸種盤導流作用下的運動過程進行了分析,建立了吸附過程中稻種與吸種盤之間的運動模型。采用包衣稻種(雜交稻五優1179)為試驗材料,采用三因素三水平全因素試驗方法,在不同吸種盤轉速、吸室負壓和吸種盤結構情況進行試驗分析。試驗結果表明:在轉速30 r/min、吸室負壓1 400 Pa時,有導流槽和輔助吸種裝置的吸種盤吸種效果最佳,單粒吸種率最高為81.58%,漏吸率為2.89%。試驗結果驗證了該吸種盤可有效提高單粒吸種率,滿足雜交稻單粒播種的作業需求,為雜交稻單粒播種提供了一定理論基礎。
農業機械;設計;試驗;包衣稻種;氣力式;單粒播種;導流槽;雜交稻;吸種姿態
精量穴直播技術是按水稻品種的種植農藝要求,精量定距成穴地將稻種均布于田間[1-2]。其直播稻的種類主要為常規稻和雜交稻。常規稻每穴播種量一般為5~10粒,而對于分蘗能力較強的雜交稻,直播時每穴播種量一般為2~4粒[3-4]。隨著雜交稻種品質的提高,其用種量越來越低[5],因此,單粒播種技術尤為重要。
近年來,水稻機械直播技術得到快速發展[6-7]。機械式排種器主要適合中等或大播量要求,難以滿足雜交稻精少播量播種的需要。氣力式播種裝置具有傷種率低、對種子形狀適應性高等特點,是現在實現精少量播種的主要方式[8]。Karayel等[9-12]為實現玉米、棉花、大豆等作物種子的單粒播種,利用種子的物理特性建立數學模型,采用高速攝影等儀器觀察記錄整個播種過程,確定了氣力式播種機的最佳負壓值。Singh等[13]以棉花種子為研究對象,研究了氣力式排種器吸種孔的結構,采用理論與試驗相結合的方式分析了孔徑與倒角對吸種效果的影響,確定最佳角度為120°。Yazgi等[14]為實現棉花和玉米種子的單粒播種,針對垂直圓盤式精密排種器,開展吸種盤不同吸孔數目和播種作業速度對排種性能影響的研究,試驗結果表明,作業速度為1和1.5 m/s時,排種器對不同吸孔數目均有良好適應性。張國忠等[15-17]為實現雜交稻的精量穴播要求,采用群布吸孔的吸種盤設計,通過研究真空度、孔徑和清種對平均播種量的影響,得到3~4粒/穴的合格率為81.87%。翟建波等[18]為解決雜交稻直播時因芽種流動性差和細長型狀造成種箱中芽種架空或者堵塞的問題,設計了一種氣力式雜交稻精量穴直播排種器,滿足雜交稻2~4粒/穴的播種要求。邢赫等[19]設計了一種水稻播量可調氣力式排種器,通過設置不同流道,采用全因素的試驗方法,實現雜交稻的播量可調,且當吸孔組數為12、吸種負壓為1 600 Pa和吸種盤排轉速為20r/min時,1孔播種達到最佳效果,1~2粒率為82.41%,對實現單粒播種有一定的參考價值。王寶龍等[20]為提高雜交稻氣力滾筒集排式精量排種器的排種精度,設計了一種楔形攪種裝置,在吸種負壓為1 600 Pa、滾筒轉速為10 r/min、清種距離為1.94 mm時,1~3粒的吸種合格率為86.00%。上述研究在一定程度上實現了水稻的小播量播種要求,但未涉及單粒播種技術。
已有研究在一定程度上提高了播種精度,對實現單粒播種有一定指導意義,相較于多粒播種的吸種精度,單粒播種對吸種要求更高。本文從氣力式排種器的吸種過程出發,以稻種的吸附姿態為研究基礎,進行吸種盤的結構設計,以雜交稻五優1179為研究對象,采用三因素三水平的全因素試驗方法,分析了吸種盤轉速、吸室負壓和吸種盤的結構對排種器吸種性能的影響,并進行了排種性能試驗,以期為實現雜交稻的單粒播種提供依據。
水稻單粒氣力式排種器整體結構如圖1所示,主要包括種箱1,種箱連接件2,吸室殼體3,排種殼體4,法蘭5,排種軸6,種刷7,吸種盤8,導種管9和卸種裝置10。
排種器工作時,稻種由種箱1經種箱連接件2流入排種殼體4中的吸種室內,受吸室殼體3的負壓流道內流場作用,在吸種室內被吸附在吸種盤8的吸孔上,吸種盤通過螺栓固定在法蘭5上,法蘭與排種軸6通過鍵連接同步轉動,被吸附的稻種隨吸種盤轉動到投種區,在吸室殼體3的正壓流場作用下離開吸種盤8經導種管9落在播種溝內,吸種盤8上的吸孔被種刷7清理干凈后繼續吸種過程。播種作業結束后,卸種裝置10將剩余稻種回收。
由于稻種的球形度低,與吸孔配合方式難以固定,采用氣力式排種器吸種時,經常出現重吸與漏吸現象,根據文獻[21]與前期高速攝影觀察可知,稻種的吸附姿態是影響稻種與吸孔精準配合的主要因素。通過高速攝影機拍攝排種器工作過程發現,單粒稻種的吸附姿態可大致分3種:1)種子中部被吸孔吸附,且長軸方向與吸種盤轉動切向方向一致;2)種子中部被吸孔吸附,且長軸方向不與吸種盤轉動切向方向重合;3)種子一端被吸孔吸附,如圖2所示。
稻種的吸附過程就是稻種由靜止加速到勻速轉動的過程[22],在吸種盤完成吸種前,稻種與吸孔在吸種盤運動方向上存在相對速度,會產生相對位移,若稻種在被吸孔吸附前,脫離了吸附范圍,會造成漏吸,圖3為稻種相對于吸孔的運動示意圖。
當稻種長軸方向相對于吸種盤轉動為切向姿態時,吸種有效距離長,有利于被吸孔吸附。因此,通過對稻種吸附過程的稻種運動分析,可為實現對吸孔附近的稻種姿態調整、提高排種器的吸種性能、進行吸種盤結構設計提供理論基礎。
通過上述分析可知,稻種的吸附姿態將對稻種的吸附精度產生影響。吸種盤是排種器的核心部件,直接與稻種接觸,其結構參數與尺寸參數將直接影響稻種的吸附姿態,如圖4所示,吸種盤由吸孔、導流槽和輔助吸種裝置構成。吸種盤直徑165 mm,厚度2 mm,盤面均布16個吸孔,吸孔孔徑為1.8 mm(根據經驗公式,=(0.64~0.66)[23]計算,為吸孔直徑,為稻種平均寬度,為2.85 mm)。吸種盤上設有16個導流槽,導流槽由內側和外側導流槽構成,分別位于吸孔兩側,整個導流槽長33 mm,寬16 mm。輔助吸種裝置緊靠吸孔外側,為長條狀,與外側導流槽平行,長5 mm,寬2 mm,高2 mm。
當吸種盤轉動時,吸種室內的稻種在外側導流槽1和內側導流槽2共同作用下,向吸孔3處匯聚。在這個過程中,由于稻種為紡錘狀,當吸種盤轉動時,稻種受導流槽和種群的作用,為通過兩側導流槽形成的隘口,稻種將長軸方向與吸種盤轉動的切線方向重合。通過導流槽的稻種在吸孔3處受輔助吸種裝置4和吸孔處負壓的作用而不斷加速,最終被吸附在吸孔3上,完成吸種過程。
1.外側導流槽 2.內側導流槽 3.吸孔 4.輔助吸種裝置
1.Outside guide groove 2.Inner guide groove 3.Suction hole 4.Auxiliary seed suction device
注:為吸種盤轉動角速度,rad·s-1。
Note:is the rotation angular velocity of the seed sucking plate, rad·s-1.
圖4 吸種盤結構示意圖
Fig.4 Structure diagram of seed sucking plate
2.2.1 導流槽深度
通過對稻種吸附姿態分析可知,稻種長軸方向與吸種盤轉動方向切向一致時有利于吸種。為實現稻種吸附姿態的調整,利用導流槽的凹槽結構對一端靠近吸種盤的稻種進行翻轉。如圖5所示,當吸種盤轉動時,導流槽帶動一端靠近吸種盤的稻種翻轉,稻種由姿態1變為姿態2。為分析導流槽深度對稻種翻轉的影響,建立導流槽深度對稻種吸附姿態的影響模型。
根據稻種與吸種盤之間的受力分析,以稻種翻轉前的質心位置為坐標原點軸方向與吸種盤盤面垂直,軸方向與吸種盤轉動的切向方向一致,建立稻種在軸方向的受力方程:
式中f2=μF,為吸種盤與稻種間的摩擦系數,取0.36; F1=Ftan,為種子的自然休止角,通過試驗求得=31.87°。
為使目標稻種通過導流槽后,在種群作用力下實現姿態調整,對目標稻種與底層稻種的接觸點′點的力矩進行分析,目標稻種在吸種盤作用下轉動時,應滿足:
將式(1)代入式(2)求得≥50°,根據圖5中稻種轉動力學模型可知:
根據前期不同稻種的三軸尺寸測量結果,稻種的長軸尺寸一般在6~9 mm之間,為提高吸種盤的適應性,取為9 mm,代入式(3)求得導流槽深度為1.5 mm。根據文獻[24],結合包衣稻種的物理特性,導流槽斜面傾角取45°。
2.2.2 內側導流槽
為了驅使吸孔內側的稻種向吸孔處靠近,并將吸孔處稻種姿態調整為長軸方向與吸種盤運動的切向方向一致。根據文獻[25]設計內側導流槽,使吸孔內側的稻種沿導流槽向吸孔處運動。在吸種盤轉動時,稻種一邊隨吸種盤轉動,一邊沿著導流曲線從點運動至點,在吸孔上方匯聚,在該曲線上,稻種運動的絕對軌跡為點所在基圓切線方向的線段,如圖6所示。
內側導流槽曲線表達式為
式中x為稻種在軸坐標值,mm;y為稻種在軸坐標值,mm;0為導流槽曲線基圓半徑,mm;為稻種由點運動至點時,吸種盤轉過的角度,(°);為稻種轉角速率系數,取0.1~0.9。
根據圖6幾何關系有:
式中1=0/cos,化簡式(5)得:
當稻種隨導流槽向吸孔處運動時,為使稻種長軸方向與吸孔切向方向保持一致,的值應大于45°。為保證導流槽離開堆積的稻種前,帶動吸種室內側稻種從點運動至吸孔上方點,依據所使用的氣力式排種器排種殼體結構[26],取0為45 mm,依據吸種室內的種層高度,取為0°~50°。將上述參數代入式(6)中,求得轉角速率系數為0.1。
2.2.3 外側導流槽
為使吸孔外側的稻種向吸孔處靠近,對外側導流槽上的稻種受力進行分析,如圖7所示。
根據稻種在外側導流槽上的受力分析可知,稻種在、方向上的受力方程為
解方程,化簡后可得:
根據前期試驗結果,稻種在不銹鋼板上的滑動摩擦系數=0.36,吸孔所在圓的半徑=70 mm。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[19]。故的取值范圍為2.09~4.19 rad/s,求得的范圍為31.15°~55.87°。取值越小,越有利于提高稻種的流動,同時為了便于加工,設計為35°。
在吸種盤轉速高的情況下,僅靠負壓作用吸種精度難以保證。為此,本文設計了輔助吸種裝置帶動吸孔處的稻種,以提高吸種精度[27-30]。
如圖8所示,通過前期試驗研究,輔助吸種裝置設計為長條狀,長5 mm,寬2 mm,高2 mm,粘附在吸孔外側,長軸方向與吸孔相切,且與外側導流槽平行。
為研究輔助吸種裝置對吸孔處稻種的帶動作用,對吸孔處的稻種進行受力分析(由于吸種盤上的導流槽對稻種的姿態進行調整,故以長軸方向與吸種盤轉動方向的切向一致的稻種為研究目標)。稻種的加速度=2/,式中為稻種隨盤轉動的線速度,為稻種的長軸長度,吸孔處稻種的受力如圖9所示。
參考袁月明[31]對稻種充種區的受力分析,稻種在吸力作用下緊貼吸種盤,受吸種盤的摩擦力和輔助吸種裝置的摩擦力作用加速運動,目標稻種由靜止狀態加速至隨盤轉動。由圖9可知,吸孔處稻種在軸上的受力關系為
式中f2=Fμ,為吸種盤與稻種間的摩擦系數。
吸力與真空度之間的關系為
式中為吸孔面積,m2,πd/4,為吸孔直徑,mm;H為吸室臨界真空度,Pa。
聯立式(9)~(10)有:
由式(11)可知,在吸種盤轉速一定的情況下,輔助吸種裝置提供的作用力f1能減少稻種吸附所需負壓值,有利于降低吸種盤轉速和吸室負壓對吸種精度的影響,提高吸種性能。
根據上述理論分析進行吸種盤結構設計,為了驗證所設計吸種盤的單粒吸種性能,對該排種器進行了臺架試驗。
由于水稻裸種存在形狀不規則、流動性差和脆性大等特性[32],影響吸種精度,故試驗選用華南農業大學培育、廣東農科院包衣處理的五優1179。分別測量未包衣和包衣處理后的稻種物理參數(尺寸、千粒質量、休止角),其含水率分別為13.8%、18.0%,物理特性如表1所示。

表1 稻種物理參數
由表1可知,包衣處理后的稻種三軸尺寸更大,氣流作用有效面大,休止角小,稻種流動性好,相較于裸種更易于吸附。
試驗裝置如圖10所示,主要包括排種器、驅動電機、風機、電子氣壓計和高速攝影機。試驗采用微差壓變電子氣壓計進行氣壓監測,采用美國PHOTRON公司生產的FASTCAMSUPER 10K型高速攝像機對排種器的吸種情況進行連續拍攝記錄。
吸種盤轉速是影響播種精度的因素之一[33]。根據田間作業速度要求,氣力式排種器吸種盤的轉速一般為20~40 r/min。為提高排種器適應性,研究高速作業狀態下不同吸種盤的吸種情況,排種器轉速設置為30、40和50 r/min。
參考現有垂直圓盤式排種器的研究,吸附1~3粒稻種的最佳工作負壓為1 600 Pa[34],由于本文所設計的排種器只吸附1粒稻種,負壓要比多粒吸附的負壓值小。根據預試驗(如表2所示),當負壓值過大時,吸種合格率下降,重吸率增大,因此負壓真空度取1 200~1 600 Pa。

表2 吸種盤轉速30 r·min-1時的吸種效果
為明確吸種盤結構對排種器吸種性能的影響,選取3種吸種盤結構進行試驗,分別為僅有導流槽的吸種盤(a盤)、僅有輔助吸種裝置的吸種盤(b盤)和導流槽加輔助吸種裝置的吸種盤(c盤),如圖11所示。結合吸種盤轉速、吸室負壓進行單粒排種全因素試驗。
試驗因素水平如表3所示。

表3 試驗因素與水平
根據GB/T6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[35]進行試驗設計,定義每組吸孔吸附1粒稻種為單粒指標,≥2粒為重吸,0粒為漏吸,每組試驗統計250粒種子,重復3次。
其試驗結果如表4所示。由表4可知,a盤的平均單粒率為63.16%,b盤的平均單粒率為74.81%,c盤的平均單粒率為78.63%。c盤的吸種單粒率最高,其原因在于,b盤和c盤利用輔助吸種裝置對稻種吸附位置進行限制,提高了吸種單粒率,a盤只有導流槽,吸種單粒率受轉速和負壓的影響較大。

表4 全因素試驗統計結果
由表4的漏吸率可知,各吸種盤的漏吸情況均隨負壓的增大而減少,隨轉速的增大而增大,符合氣力式排種器的吸種特點。其中a盤受轉速和負壓的影響最大,在試驗參數條件下,漏吸率為15.46%~46.87%;b盤的漏吸率為7.86%~22.85%;c盤的漏吸率為2.11%~12.71%。在相同條件下,c盤的漏吸率受轉速和負壓的影響最小,漏吸率最低,在轉速為30 r/min、負壓為1 600 Pa時,最低漏吸率為2.11%。其原因在于,c盤通過導流槽實現稻種吸附姿態的調整,輔助吸種裝置帶動吸孔處的稻種,降低了漏吸率。a盤沒有輔助吸種裝置,稻種的吸附僅靠負壓流場的作用來實現,在負壓較低和吸種盤轉速過快時,稻種很難被吸附;b盤由缺少導流槽對稻種吸附姿態的調整,漏吸率高。
對上述試驗結果進行方差分析,結果如表5所示,由方差結果可知,在高速作業速度范圍和所選負壓范圍內,吸種盤的結構對漏吸率、重吸率和單粒率有極顯著的影響(<0.01),吸種盤轉速和吸室負壓對漏吸率以及重吸率的影響極為顯著(<0.01)。3個試驗因素對單粒率的影響顯著性從大到小的順序為、、,其中吸種盤的結構對單粒率的影響極為顯著(<0.01),吸種盤轉速和吸室負壓對單粒率的影響不顯著(>0.05)。本文通過預試驗與理論分析,已基本確定了適宜的工作負壓范圍,在進行試驗分析時,負壓與轉速的水平范圍控制在適宜的范圍內。
由圖12高速攝影照片可以看出,導流槽加輔助吸種裝置的吸種盤結構能對吸孔處稻種吸附姿態調整,使得吸附稻種的長軸方向均與吸種盤切向方向保持一致,實現對稻種吸附姿態的調整。

表5 方差分析
注:**表示極顯著(<0.01)。
Note: ** is extremely significant (<0.01).
本文以包衣雜交稻種為試驗材料,進行了單粒吸種試驗。試驗結果表明,本文所設計的吸種盤可有效的提高單粒吸種率。其原因為:吸種盤上的導流槽通過對吸孔處稻種的姿態進行改變,提高了吸種率,所以帶導流槽加輔助吸種裝置的吸種盤其空穴率要低于只有輔助吸種裝置的吸種盤;輔助吸種裝置位于吸孔外側,能對吸孔處的稻種進行提速和對吸種位置進行限制,提高了稻種的吸附精度,所以帶輔助吸種裝置的吸種盤其單粒率要高于僅有導流槽的吸種盤。
試驗材料選用的雜交稻五優1179的包衣稻種,相較于裸種,其三軸尺寸有所增大,流動性更好,有利于提高吸種精度。本文僅對包衣稻種的吸種精度進行研究,沒有分析排種器結構對包衣破損率的影響,對于包衣材料和包衣厚度等對稻種破損率的影響還需進一步研究。
本文對試驗結果進行方差分析發現,吸種盤轉速和吸室負壓對漏吸率和重吸率的影響顯著,但對合格率的影響不顯著,這與現有研究有差異。其原因在于,本文試驗所選取的負壓和轉速通過理論分析與預試驗確定,在此范圍內,合格率受轉速和負壓的影響不顯著,但超過該范圍內,吸種負壓與轉速將對合格率產生一定影響[19]。
1)為滿足雜交稻的單粒播種要求,本文對氣力式排種器的吸種原理進行研究,通過理論分析、高速攝影技術與試驗臺試驗相結合發現,當吸孔處的稻種其長軸方向與吸孔切向方向一致時,有利于提高排種器的吸種性能。因此,設計了一種導流槽加輔助吸種裝置的吸種盤結構,并通過理論分析,確定了吸種盤參數。
2)選取雜交稻五優1179的包衣稻種為試驗材料,在不同吸種負壓、吸種盤轉速和吸種盤結構條件下進行三因素三水平全因素試驗,試驗結果表明:導流槽加輔助吸種裝置的吸種盤結構單粒吸種率高,吸種精度受轉速和氣壓的影響小,在轉速30 r/min、吸室負壓1 400 Pa時,單粒吸種率最高為81.58%,相較于另外2種吸種盤結構,漏吸率較低,為2.89%,滿足雜交稻單粒播種的技術要求。
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Design of pneumatic single seed metering device for coated hybrid rice
Zang Ying, He Siyu, Wang Zaiman※, Liu Shuncai, Wang Xuguo, Wen Zhiqiang
(1.,,510642,;2.,,510642,)
Direct seeding of rice is widely expected as one of the most important technology in mechanized rice planting. At present, two ways were mainly divided into the transplanting and direct seeding. The direct seeding can reduce the input of procedures and costs, while the growth cycle. In the complex field environment, direct-seeded rice seeds are easily affected by diseases, pests, weeds, and flooding, leading to greatly reduce the emergence rate and the yield. Alternatively, the seed coating technology can be used to provide micro-fertilizers, growth regulators and pesticides for the germination of seeds and the growth of seedlings. Specifically, the film-forming agents, adhesives, and other ingredients are generally used to uniformly bond the active ingredients on the surface of seeds. Since its convenient application, low cost, as well as resistance to pests and diseases, the seed coating technology can greatly contribute to enhance the seedling rate in the field, and the growth potential of seedlings. Particularly, small environmental pollution can meet the harsh requirement of ecological agriculture. In recent years, the mechanical direct seeding technology of rice has been commonly used in a large area in China, one of which the precision hole direct seeding technology of rice has good ventilation and permeability in the paddy field. The rice seeds are distributed evenly in the field, according to the agronomic requirements of rice varieties. The main types of direct seeding rice are the conventional rice and hybrid rice. The sowing rate is normally 5-10 per hole of conventional rice, while the sowing rate is generally 2-4 grains per hole for the hybrid rice with strong tillering ability. With the emergence of super hybrid rice and some high-quality rice varieties, the single-grain sowing has become particularly important, due to it meets the requirements of agronomic planting. In this study, a single-grain pneumatic seed metering device was designed for the coated rice to meet the demand of single-grain sowing of super rice. The physical parameters of coated rice seeds were measured. A movement model was established between rice seed and diversion suction plate during adsorption, according to the movement process of rice seed under the action of suction tray. The optimal negative pressure was calculated under the ideal condition of seed suction disk. Taking the coated rice variety (Super Rice Wuyou 1179) as the experimental object, the three-factor and three-level all-factor test was used to analyze the seed absorption of rice varieties at the speed of suction tray, negative pressure of suction chamber, and structure of seed suction tray. The experimental results show that the seed suction effect was the best, when the rotating speed of diversion suction tray was 30 r/min, and the negative pressure of suction chamber was 1 400 Pa. The seed sucking effect was best in the seed sucker structure with diversion groove and auxiliary seed sucking device, where the maximum of single seed sucking rate was 81.58%, and the leakage rate was 2.89%. Therefore, the suction tray can effectively improve the seed absorption rate per grain, suitable for the needs of single-grain sowing of super rice. The finding can provide a theoretical basis for the rapid development of single-grain sowing of rice.
agricultural machinery;design; test; coated rice seed; pneumatic; single seed seeding;diversion groove; hybrid rice; sucking posture
10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.002
S223.2
A
1002-6819(2021)-01-0010-09
臧英,何思禹,王在滿,等. 氣力式包衣雜交稻單粒排種器研制[J]. 農業工程學報,2021,37(1):10-18.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.002 http://www.tcsae.org
Zang Ying, He Siyu, Wang Zaiman, et al. Design of pneumatic single seed metering device for coated hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 10-18. (in Chinese with English abstract) doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.002 http://www.tcsae.org
2020-09-28
2020-12-20
國家重點研發計劃項目(2018YFD0100800);國家自然科學基金(31871529);現代農業產業技術體系建設專項基金(CARS-01-41)
臧英,博士,教授,研究方向為水稻生產機械關鍵技術與裝備。
王在滿,博士,副研究員,研究方向為水稻生產機械化關鍵技術與裝備。
中國農業工程學會高級會員:臧英(E041200443S)