一种小型振动式水稻芽种直播装置的研制

张超龙，全腊珍，邹运梅，姚祖玉，代振维，李 健，尹益文

（湖南农业大学 工学院，湖南 长沙 410128）

0 引言

随着水稻直播以及水稻大田育秧的技术成熟，人们又把目光转移到直播技术上来，特别是水稻芽种直播，能有效的解决发芽率和成苗率偏低的问题[1～4]。水稻芽种具有含水率较高，内摩擦角大，流动性能差等物料特点，出芽处相互缠绕，使用传统的机械方式强行分离排种容易造成芽种机械损伤，而单纯依靠种子自身重力在种箱内自由流动过程中又容易出现架空现象，使得部分种子层静止，出现断层。而播种对象以水稻芽种为主的振动式播种机体积较大[5,6]。

作者在结合小型机械式直播机的结构特点与振动排种原理的基础上，设计一种小型的振动式水稻芽种排种装置，基于振动排种和振动改善散粒体物料流动性的原理，很好的解决了排种过程中伤芽的问题，并且参照GB/T9478-2005 进行播台试验研究与分析找出最优的振动参数。

1 振动式水稻芽种直播装置的结构

振动式水稻芽种直播装置主要是由螺旋振动料斗，振动排种装置两部分组成，螺旋振动料斗末端与振动排种装置相连处设有分流槽，总体结构如图1 所示。

种箱内的种子由进种口进入振动螺旋料斗，种子在无振动状态下沿着螺旋铺开，呈现自由休止状态，种子层的厚度也随着螺旋斜面向下而递减。工作时，种桶以及斜面开始振动，休止状态被打破，种子呈流态沿着螺旋斜面向下流动，种子流由厚变薄，最后种子流以接近单层的状态进入分流槽。

种子在分流槽上分成若干流，进入振动V 型槽。在高频振动下，种子在槽内均匀沿着槽壁排成单列，匀速的向前跳动，掉入V 型槽末端的排种管，实现排种。

图1 小型振动式排种装置Fig.1 Small vibrated seeding apparatus

2 振动式水稻芽种直播装置的关键部件设计

2.1 振动螺旋料斗装置

振动螺旋料斗装置是种箱下面可振动的种桶，内带有螺旋导种板。螺旋导种板的材料为铝片1060，厚度为0.3mm，螺旋升角为15°。螺旋斜面的使用可以保证导种面连续的同时又节约空间，螺旋升角小于芽种在该材料上的摩擦角，使得种在无振动状态下沿着螺旋铺开，呈现自由休止状态。振动时，种子层的厚度也随着螺旋斜面向下而递减，最后以单层的种子流进入分流槽，实现定量供种的同时，大大降低了对水稻种芽的损伤。

2.2 分流槽

分流槽是连接振动螺旋料斗和V 型槽的过度装置，内有三块挡种板，它将一定量的单层种子分成若干种子流，分别流入相对应的V 型槽。如图2 所示，种子经过振动螺旋料斗掉入图中所示区域，在振动的作用下，小股种子沿着底面散开，在三块档种板的作用用下，分成4 股种子流，然后掉入V 型槽。

图2 分流槽Fig.2 The distributing cavity

3 振动排种装置排种原理以及种子的受力分析

3.1 振动排种装置排种原理

振动式水稻芽种直播装置是一种基于振动改变种子物料特性从而实现无损伤直播的装置[7]。为了改善水稻芽种流动性和均匀排出问题，采用特定的振动技术使得种子达到“沸腾”的状态，种子物料之间的接触面积的大小由于振动而不断变化，种子物料的内摩擦力变小，自然休止角也接近于零，完全避免了架空的出现，使得种子物料能均匀的排出。

3.2 种子受力分析

工作时，种子在高频振动作用下，被连续抛起并沿着V 型导轨向前运动。单粒种子物料在V 型槽上的受力情况如图3 所示。

图3 种子在V 型槽上的受力图Fig.3 The force diagram of bud seeds

导轨在可调振动器的作用下，沿着S 方向做周期性的振动。V 型槽沿y 方向的位移：

式中：A—V 型槽的振幅（mm）；ω—振动角频率（rad/s）；t—时间（s）；α—振动角度（°）。对式（1）中的时间二次求导得到V 型槽沿y 方向的加速度：

种子物料对V 型槽的压力：

式中：t0—种子物料对V 型槽的压力变为0 的临界时刻：

式中：K—振动指数。通过计算得知，可以找到适当的ω 和α 保证K≤1，使得t0时刻存在。当振动相位角达到t0时刻所对应的位置，种子被抛弃，沿抛物线轨迹向前跳动后落入V 槽内，在下一个t0时刻又被抛弃，继续向前运动。

4 芽种伤芽率因素试验

为了分析直播装置振动参数对伤芽率的影响，以振动频率、振幅、V 槽倾角为试验因素进行单排条播试验。

4.1 试验设备及试验材料

试验设备包括：多功能排种器试验台；MP200B 电子天平，称量范围为200g，精度为0.01g；振动分析仪VM-6360，测量范围：位移0.01～1.99mm，频率1～20kHz；秒表，精度为0.1s。

实验对象选择淮稻6 号（原代号“淮6329”），浸种48h后催芽至芽长2～3 mm ，出芽的种子晾干至表面水分不沾手[8]，物料特性如表1 所示。

表1水稻种子的物料Tab.1Physicalpropertiesofriceseed

4.2 试验方法

实验前先将振动式水稻芽种直播装置固定在排种试验台上，固定好检测仪器，试验方法参照GB/T9478-2005 进行。试验时，启动直播装置，待直播装置工作稳定后启动输送带，带上铺有取样纸。取样纸沿长度方向按每100mm 分段，当有效播种长度达到取样长度后停机；随机取样20 段，重复5 次。分别记录各行每段种子的粒数和种芽损伤的种子粒数，然后调整振动参数，重复上述实验。

4.3 试验结果与分析

实验结果表明，振幅的改变对伤芽率影响较大，在0.2～0.6mm 区间内振幅与伤芽率成正比，0.6～0.8mm 没有变化，0.8mm 后急剧上升。

振动频率的改变对伤芽率有一定影响，频率在增大70Hz 以前，伤芽率呈线性增长，70Hz 以后伤芽率随着频率的增加而减小，在70Hz 处出现最大值 （出现峰值的原因是由于频率过高时，振动V 型槽自身惯性，使得不能随着振动器的幅度变化而变化，振幅会有相应的衰减，而振幅又是影响该指标的关键参数，所以伤芽率出现下降趋势）。

V 槽倾角对其影响较小，倾角为2°时伤芽率最低，4°～6°时伤芽率最高，但是两者之差不大于1.2%。

5 结论

图4 振动参数与伤芽率的关系Fig.4 Relationship between vibration parameter and the bud damage rate

（1）小型振动式水稻芽种直播装置通过振动的方式，改变水稻芽种的流动性，实现整个排种过程种子的自由流动，很好的控制了伤芽率。

（2）播台试验的结果表明，伤芽率的主要影响因素是振幅，次要影响因素是振动频率，V 型槽的安放角度对伤芽率基本无影响。

（3）振幅越大，播种均匀性越好，频率在40～60Hz 内倾角在4°时播种均匀性最佳，综合考量，选择振动频率为50Hz，振幅为0.8mm，振动倾角为4°为该机器的振动参数，此时播种均匀性较好，且伤芽率控制在5%以下。

[1] 罗锡文，李锡炼，刘涛，等. 水稻机械直播的现状及发展前景[F].中国农业工程学会2005年学术年会论文集,2005.

[2] 于吉淼，赵冰，田新庆.水稻直播机械的发展状况及前景展望[J].农业装备技术，2006，2.

[3] 金梅，夏春华，吴崇友，等.水稻直播机排种器研究现状及发展趋势[J].中国农机化，2010，5.

[4] 何金均，王立臣，宋建农，等.水稻种植机械化发展现象及制约因素分析[J].农机化研究，2009，2.

[5] 张学艺，侯经浩，臧援.电磁振动排种器的试验研究[J].农业机械学报，1992，3.

[6] 杨坚，韦林，覃振友，等.2BD-8 自走型分流式小型水稻直播机[J].农业机械学报，1998，4.

[7] 张波屏.播种机设计原理[M].机械工业出版社，1982.

[8] 刘剑锋，谢方平，梅婷.烟草包衣种子的物理特性研究[J].湖南农业大学学报，2011，10.