攪種型孔式水稻穴播排種器的性能模擬與試驗

唐楠銳， 周勇， 張國忠， 梁方， 柯燴彬

（華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070）

在水稻直播技術(shù)中，排種器是撒播種子的關(guān)鍵部件，其性能直接影響水稻播種效果和產(chǎn)量。水稻種子經(jīng)浸種催芽處理后,含水率增加、體形脹大、種皮表面摩擦系數(shù)增大，致使其在排種器充種區(qū)內(nèi)流動性降低、充種困難、催芽稻種損傷率高、排種器排種性能下降，因此，改善充種區(qū)種子流動性成為當前水稻精量直播技術(shù)研究中亟待解決的難題之一[1]。羅錫文等[2]設(shè)計了一種瓢形型孔水稻精量穴播排種器，并應(yīng)用可拆式柔性隨動護種裝置，大幅減小了護種過程中種子受力，降低了種子破損率。張國忠等[3]設(shè)計了由2個攪種齒組成的導(dǎo)向型攪種裝置，通過攪種齒對充種區(qū)種子的攪動作用增加了充種區(qū)種子的流動性。張翔等[4]在排種盤上增加凸臺，用于對充種區(qū)種子進行攪種，增加種子流動性，提高了排種器的播種性能。上述研究為解決充種區(qū)種子流動性不佳、型孔式排種器充種效果不理想、種子破損率較高等問題提供了重要借鑒，但通過改進排種器型孔結(jié)構(gòu)以達到提高排種質(zhì)量的方法仍待深入研究。

近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，EDEM已成為研究農(nóng)業(yè)物料與機器零部件間相對運動關(guān)系和受力的主要方法之一，并已得到較廣泛應(yīng)用。廖慶喜等[5]利用EDEM軟件對離心式排種器工作過程進行了仿真分析，確定了離散元法分析離心式排種器性能的可行性。張濤等[6]利用EDEM軟件研究了排種器排種室內(nèi)玉米種群運動規(guī)律，分析了田間振動工況對排種器內(nèi)玉米種群運動的影響規(guī)律。

針對充種區(qū)種子流動性差、充種困難問題，本文設(shè)計了一種具有輔助充種攪種的雙腔水稻精量穴播排種器。該排種器在充種區(qū)利用凸于排種盤外的攪種型孔對充種區(qū)種子進行擾動，增加種子的流動性；在攪種型孔首段設(shè)置攪種板，引導(dǎo)種子流向并輔助充種。為闡明攪種型孔對該排種器中稻種的運移規(guī)律，運用EDEM仿真軟件對其過程進行了仿真，并以攪種型孔深度、排種盤轉(zhuǎn)速和充種區(qū)種層高度為試驗因素，對排種性能進行了臺架試驗，并為攪種型孔式排種器性能優(yōu)化提供參考。

1 材料與方法

1.1 排種器結(jié)構(gòu)及工作原理

攪種型孔式水稻穴播排種器結(jié)構(gòu)主要由種箱、種刷、排種盤、左右殼體、導(dǎo)種管、護種槽、排種軸等組成，如圖1所示。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of seed metering device

排種器工作原理如圖2所示，隨著排種盤回轉(zhuǎn)，攪種型孔依次經(jīng)過充種區(qū)、清種區(qū)、護種區(qū)和投種區(qū)。首先，分布在排種盤面上的攪種型孔將種子囊入型孔內(nèi)，實現(xiàn)充種，并由清種毛刷進行清種；隨后，充有種子的攪種型孔進入護種槽實現(xiàn)護種；到達投種區(qū)后，攪種型孔脫離護種槽，種子依靠自重從攪種型孔底端面落入投種嘴，實現(xiàn)投種，完成1次排種周期。隔種毛刷將充種區(qū)與投種區(qū)分離開來，排種器底部設(shè)有卸種口，當需要時去掉卸種塊即可。

圖2 排種器工作原理Fig.2 Seeding device functional

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計與參數(shù)確定

1.2.1 攪種型孔式排種盤 排種盤結(jié)構(gòu)如圖3所示。目前攪種型孔輪式排種圓盤直徑一般在80～260 mm[7-8]，本文選取排種盤直徑為165 mm，厚度為2 mm。攪種型孔距離排種盤中心過近會導(dǎo)致孔線速度較低，通過的充種區(qū)弧長較短，不利充種[9]，因此將攪種型孔分布圓周直徑定為135mm。

圖3 排種盤結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of seeding plate

1.2.2 攪種型孔直徑 排種器充種型孔設(shè)計為勺斗型，型孔凸于排種盤面，攪種型孔首端有1個伸出型孔外且平行于型孔下端面的攪種側(cè)板，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 直側(cè)板攪種型孔Fig.4 Straight side stirring hole

單個攪種型孔直徑可按照下式計算[10]。

式中，D為攪種型孔直徑，mm；X為單個攪種型孔中應(yīng)充入種子粒數(shù)；WS為種子平均寬度，mm；E為考慮到實際充種情況給出的偏差，mm。參考已有水稻種子尺寸和農(nóng)藝要求[11]，設(shè)計每型孔充種X為3粒，取稻種寬度為2.31 mm，帶入式（1）得出9.24 mm≥D≥6.93 mm?？紤]到實際充種時種子難以沉入型孔底部，型孔內(nèi)種子寬度小于2.31 mm，故取D為7 mm。

1.2.3 攪種型孔數(shù)量 排種圓盤上攪種型孔數(shù)量為m，按照式（2）計算攪種型孔數(shù)量。

式中，Dd為排種輪型孔中心處對應(yīng)的圓周直徑，mm；vd為型孔中心處速度，m·s-1；vm為機組前進速度，m·s-1；s為穴距，m；c為地輪滑移系數(shù)；nd為排種圓盤轉(zhuǎn)速，r·min-1；m為排種盤面上型孔數(shù)量。

由式（2）可得式（3）。

配套機具前進速度通常在0.5～1.5 m·s-1之間，取 vm為 1.0 r·min-1；根據(jù)農(nóng)藝要求，以穴距160 mm，行距250～300 mm的規(guī)格進行播種[12]；地輪滑移系數(shù)5%～12%，取c為8%；排種輪轉(zhuǎn)速取試驗條件下的高轉(zhuǎn)速 nd為 30 r·min-1；代入式（3）得出攪種型孔數(shù)目m為13。結(jié)合本排種器尺寸，確定攪種型孔數(shù)為10個。

1.3 排種過程EDEM仿真

為闡明攪種型孔充種過程以及對稻種的運移規(guī)律，利用EDEM仿真軟件對其工作過程進行仿真。

1.3.1 排種器幾何模型建立 運用Solidworks軟件對排種器進行三維建模，并導(dǎo)入到EDEM軟件中,如圖5所示。

圖5 仿真模型Fig.5 Simulation model

1.3.2 水稻籽粒離散模型建立 參考已有水稻種子平均三軸尺寸9.54 mm×2.30 mm×2.25 mm，采用球形顆粒堆砌法建立水稻種子離散模型（圖6），并通過EDEM軟件計算水稻種子模型的質(zhì)心和重量[13]。

圖6 水稻種子模型Fig.6 Rice seed model

1.3.3 仿真參數(shù)設(shè)定 采用3D打印對排種器進行試制，其外殼為ABS材料，隔種清種毛刷材質(zhì)均為尼龍。各材料參數(shù)如表1所示，材料間接觸參數(shù)如表2所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

表2 材料間接觸參數(shù)［14］Table 2 Contact parameter between materials［14］

選用Hertz-Mindlin接觸模型，對3種不同攪種型孔進行仿真試驗，設(shè)置仿真時間步長比為25%，仿真時長為20 s，設(shè)置水稻種子數(shù)為1 500粒，以1 500?！-1的速度，在仿真前1 s內(nèi)全部落入充種區(qū)。設(shè)置排種盤從1 s時開始轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速為 25 r·min-1。

1.4 排種器臺架試驗

1.4.1 試驗材料及裝置 以雜交稻品種“廣兩優(yōu)100”為供試材料，采用JPS-12型排種器性能檢測試驗臺進行臺架試驗。試驗前將種子浸入清水32 h進行萌芽處理。

1.4.2 評價指標 每穴需播1～3粒芽種，每穴0粒記為漏播，每穴1～3粒記為合格，每穴出現(xiàn)4粒及以上記為重播。參照GB/T6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[15]，計算雜交稻播種合格指數(shù)（Ml0）、重播指數(shù)（Ah0）、漏播指數(shù)（Dc0）。

式中，i為攪種型孔中充入的種子數(shù)；p（i）為充入當前種子數(shù)的概率。

1.4.3 試驗結(jié)果自動統(tǒng)計程序 試驗中手動啟停試驗裝置，選取穩(wěn)定狀態(tài)下的成穴種子，每種攪種型孔排種盤選取250穴。利用SeederTest對高速攝影所記錄的種子進行二值化處理，自動統(tǒng)計出穴粒數(shù)和穴距，并自動計算出排種器播種合格率、重播率和漏播率。

1.4.4 試驗設(shè)計 分別以排種盤轉(zhuǎn)速和型孔結(jié)構(gòu)為變量開展單因素試驗，確定排種盤轉(zhuǎn)速范圍和最優(yōu)型孔結(jié)構(gòu)。排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)置4個水平，分別為 25、29、33、37 r·min-1；將排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)置為25 r·min-1，種床帶速度設(shè)置為 2.4 km·h-1，采用單腔排種，以型孔結(jié)構(gòu)為影響因素，分別針對直側(cè)板攪種型孔、斜側(cè)板攪種型孔、齒形攪種型孔進行性能試驗，攪種型孔結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 攪種型孔結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of stirring holes

根據(jù)單因素試驗結(jié)果，選取最優(yōu)型孔結(jié)構(gòu)的排種盤，并針對型孔深度、種層高度和排種盤轉(zhuǎn)速3個參數(shù)進行三因素三水平L9(33)的正交試驗。在取值范圍基礎(chǔ)上，遵循精量播種要求安排因素水平，其因素和水平如表3所示。

表3 試驗因素和水平Table 3 Test factor and level

2 結(jié)果與分析

2.1 排種過程仿真結(jié)果分析

2.1.1 充種區(qū)種子流動性分析 排種盤回轉(zhuǎn)時，凸于盤面的攪種型孔攪動充種區(qū)種子，促使種子翻滾，底層種子被推至充種區(qū)頂層，充種區(qū)上層種子在重力的作用下又補充回流至下層，排種盤回轉(zhuǎn)前以及回轉(zhuǎn)3 s后充種區(qū)種子仿真結(jié)果如圖8所示，可見種子分層分布，已均勻混合。

圖8 種子流動性Fig.8 Seed fluidity

2.1.2 全過程種子受力分析 攪種型孔對種子產(chǎn)生作用力，單粒種子從充種區(qū)進入，被排種盤排出，整個受力過程仿真結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，單粒種子從進入到被排出的整個受力過程中受到的最大作用力為0.032 N，遠小于傷種臨界值3.5 N[16]，故理論上對水稻種子造成損傷很小。

圖9 種子全過程受力Fig.9 Forces of seed at the whole process

2.1.3 投種軌跡分析 對同一攪種型孔排出的3粒種子的投種過程進行模擬，投種軌跡如圖10所示?？梢钥闯?，同穴種子掉落時差小，投種軌跡基本一致，成穴性強。

圖10 改進后投種軌跡Fig.10 Seeding track after improvement

2.2 單因素對排種性能的影響

2.2.1 排種盤轉(zhuǎn)速對排種性能的影響 選用斜側(cè)板攪種型孔排種盤，通過改變排種盤的轉(zhuǎn)速進行單因素試驗，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，隨著排種盤轉(zhuǎn)速增大，排種器性能逐漸下降，重播率上升嚴重。在25 r·min-1時性能最佳，此時理論配套農(nóng)機具行進速度為2.4 km·h-1，能滿足農(nóng)藝要求。

表4 轉(zhuǎn)速對排種性能的影響Table 4 Influence of rotational speed on the metering performance

2.2.2 型孔結(jié)構(gòu)對排種性能的影響 從圖11可以看出，在相同試驗參數(shù)下，斜側(cè)板攪種型孔排種盤合格率最高，重播率、漏播率最低，性能最優(yōu)；直側(cè)板攪種型孔排種盤合格率居中，重播率最高，性能次之；齒形攪種型孔排種盤合格率最低，漏播率最高，性能最差。斜側(cè)板攪種型孔漏播狀況為10%，合格指數(shù)為85.7%。

圖11 不同攪種型孔合格指數(shù)Fig.11 Qualified rate of different types of holes

2.3 正交試驗優(yōu)化結(jié)果分析

2.3.1 正交試驗結(jié)果 根據(jù)單因素試驗分析結(jié)果，采用斜側(cè)板攪種型孔排種盤，對型孔深度、種層高度和排種盤轉(zhuǎn)速3個參數(shù)進行了三因素三水平的正交試驗，以確定最優(yōu)參數(shù)組合，結(jié)果如表5所示?？梢钥闯?，在排種盤轉(zhuǎn)速為20 r·min-1、型孔深度為7 mm、種層高度為50 mm時，排種器工作性能最佳，此時穴粒數(shù)合格指數(shù)為85.7%，漏播指數(shù)僅為1.8%。

表5 試驗方案與結(jié)果Table 5 Test scheme and results

2.3.2 方差分析 從表6可以看出，型孔深度和種層高度對穴距合格指數(shù)和漏播指數(shù)有顯著影響，對穴粒合格指數(shù)影響較小。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis result

2.3.3 優(yōu)化方案驗證結(jié)果分析 綜合3個因素對3個指標影響的顯著性，最終選定A3B3C3為最優(yōu)組合，在該參數(shù)下穴粒數(shù)合格指數(shù)達到85.7%，穴距合格指數(shù)為96.4%，性能滿足農(nóng)藝要求。

3 討論

在水稻排種器前期研究中，通過改進型孔結(jié)構(gòu)以達到提高充種區(qū)種子流動性和排種性能的方法仍待深入。本文結(jié)合機械式排種器的型孔結(jié)構(gòu)和氣力式排種器的側(cè)充種結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了側(cè)充雙腔水稻精量穴播排種器，并進行了EDEM仿真試驗和三因素三水平正交臺架試驗，得出影響排種器性能的主要因素和最佳工作參數(shù)組合。結(jié)果表明，排種盤轉(zhuǎn)速越大，排種器性能越低，重播率越高，可能是因為排種盤轉(zhuǎn)速過快，攪種型孔將充種區(qū)表面團種子頂起，種子團中部分種子未充入型孔中，被攪種側(cè)板刮入護種帶中，引起重播[17]。雜交稻分蘗能力強，田間生長每穴1苗即可滿足生產(chǎn)要求[18]。將1粒種子記為合格，斜側(cè)板攪種型孔合格指數(shù)為85.7%，性能最好。按照穴粒合格指數(shù)較高、穴距合格指數(shù)較高，兼顧漏播指數(shù)較低的原則[19]，確定優(yōu)化參數(shù)組合，在型孔深度為7 mm，充種區(qū)種層高度為50 mm，排種盤轉(zhuǎn)速為30 r·min-1時，穴粒數(shù)合格指數(shù)達到85.7%，漏播指數(shù)為1.8%，穴距合格指數(shù)為96.4%，滿足設(shè)計與農(nóng)藝要求。所設(shè)計的排種器能夠在不傷種的前提下提高種子流動性及充種效果。接下來將考慮結(jié)合播量控制技術(shù)對側(cè)充種雙腔水稻精量穴播排種器的排種量進行實時控制和漏播補種，使其適用于不同品種的水稻播種。