气力滚筒式水稻直播精量排种器排种性能分析与田间试验

张 顺，夏俊芳，周 勇，伍德林，曹成茂，夏 萍



气力滚筒式水稻直播精量排种器排种性能分析与田间试验

张 顺1，夏俊芳2※，周 勇2，伍德林1，曹成茂1，夏 萍1

（1. 安徽农业大学工学院，合肥 230036；2. 华中农业大学工学院，武汉430070）

为了提高气力滚筒式水稻直播精量排种器的排种性能，该文运用单因素和中心组合试验设计理论，借助JPS-12型排种器性能检测试验台，研究了排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度及正压气室清堵正压4个主要运行参数对其排种性能的影响规律。单因素试验结果表明：排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度对排种器合格率、漏播率等指标的影响显著；正压气室清堵正压对排种器合格率、漏播率等指标的影响不显著；3个影响显著因素的三因素五水平回归正交旋转组合设计试验结果表明：各试验因素及因素交互作用对主要评价指标的影响主次顺序不同，影响排种器合格率的主次因素依次为：排种滚筒转速>负压气室真空度>清种气流速度；影响漏播率的主次因素依次为：负压气室真空度>排种滚筒转速>清种气流速度；对所建回归方程进行综合优化，得出排种器最佳工作参数组合为：排种滚筒转速10.00 r/min，负压气室真空度4.6 kPa，清种气流速度21.88 m/s。此时，排种器的合格率为87.73%、漏播率为2.93%、空穴率为0.53%、重播率为9.34%、破损率为0.91%、穴距平均值为200.07 mm、穴距变异系数为4.75%、各行排量一致性变异系数为3.07%、总排量稳定性变异系数为2.08%。田间播种试验结果为合格率79.42%、漏播率15.11%、空穴率3.88、重播率5.47%、穴距平均值175.61 mm、穴距变异系数为20.03%。研究结果为气力滚筒式水稻直播精量排种器结构参数优化及排种性能提升提供参考。

农业机械；种子；试验；性能分析；直播排种器；气力式；滚筒；清种气流

0 引 言

水稻精量穴直播作为当前一种先进的水稻机械直播种植技术，其种植产量和经济效益得到试验验证和广泛认可[1-4]。在水稻机械直播种植面积逐年扩大的同时，精量穴直播的种植面积比重日益增大[5-6]。

排种器是水稻精量穴直播技术的核心工作部件，其排种性能直接影响着作业机械的播种质量。通过室内台架排种性能试验能便捷、准确的检测排种器的排种性能，并确定其适宜的工作参数范围，如Molin等[7]以玉米种子为播种对象，对影响气力式排种器排种性能的排种盘线速度及倾斜角度2个主要因素进行了台架试验，得出了最优参数组合，并进行了田间播种试验；Yazgi等[8]在室内试验台架上，采用全因素试验方法研究了吸种盘不同 吸孔数和播种前进速度对垂直圆盘气吸式排种器排种性能的影响；李明等[9]对集排器的正、负压区相对压力及滚筒转速3个运行参数进行了单因素试验和正交试验，并将最优运行参数组合进行田间播种试验；王朝辉等[10]以超级稻育秧播种装置为对象，试验研究了种层厚度、双孔间距和振动频率3个工作参数对其吸种性能的影响；李兆东等[11]以各行排量一致性和排种均匀性为评价指标，试验研究了清种气嘴口截面形状、种箱充填高度和排种滚筒转速对油菜精量气压式集排器排种性能的影响；田立权等[12]以螺旋槽式水稻穴直播排种器为对象，试验研究了排种轮转速、螺旋槽长度、螺旋槽升角对其排种性能的影响。为了提高排种器的排种性能，上述研究均采用了相关试验方法，对排种器进行了室内台架排种试验，确定了各自排种器适宜的工作参数组合，为气力滚筒式水稻直播排种器排种性能的试验研究提供参考。

窝眼辅助气力式排种器综合了机械式窝眼充种、投种和气力式吸种、清种、清堵的特点，具有充、吸种可靠，清种准确，排种成穴性好等优点，易于实现穴播排种作业[13-18]。张顺等[19]提出了一种集窝眼囊种、多吸孔吸种、柔性绳辅助气吹清种、随动护种带护种及气力清堵组合式水稻精量穴直播排种器，其利用大尺寸窝眼囊种，多个吸孔定量吸种，气吹清种固种的排种方式，能够满足杂交水稻大田精量穴直播对穴粒数、穴距合格率的要求，但其排种性能还有待提高。

为提高气力滚筒式水稻直播精量排种器的排种性能，实现杂交水稻均匀成穴地分布于田间的精量穴播技术，以黄华占破胸露白芽种为排种对象，采用单因素试验和中心组合多因素优化试验方法，开展了排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度以及正压气室清堵正压4个运行参数对排种器排种性能影响的试验研究，并对排种器进行了田间播种试验，旨在为气力滚筒式直播精量排种器排种性能的提升及相关结构的优化提供参考。

1 排种器结构及工作原理

气力滚筒式水稻直播精量排种器主要由清种风嘴1、柔性清种绳3、种子箱4、排种滚筒6、导种口9、随动护种装置10等组成，其结构如图1所示。其中排种滚筒外径为210 mm，壁厚为6 mm，滚筒周向均匀分布16个圆锥形窝眼，圆锥形窝眼与其内部吸孔的结构参数如图1b所示[19]。滚筒的中空轴内由PVC钢丝软管直接与排种器的正、负压气室相连通。

1. 清种风嘴 2. 种箱开口调节板 3. 清种绳 4. 种子箱 5. 负压气室 6. 排种滚筒 7. 中空轴 8. 正压气室 9. 导种口 10. 随动护种装置

1. Seed clearing air nozzle 2. Regulating board of seed box outlet 3. Seed clearing rope 4. Seed box 5. Vacuum gas chamber 6. Seeding cylinder 7. Hollow shaft 8. Positive pressure gas chamber 9. Seed spout 10. Follow-up protection device

注：为排种滚筒的旋转角速度，rad·s-1；为窝眼深度，mm；为滚筒壁厚，mm；为窝眼入口直径，mm；1为吸孔分布的圆周，mm；为吸孔直径，mm；3个吸孔均布于圆周1上；箭头为窝眼前进方向；I. 囊种和吸种弧段 II. 清种弧段 III. 携种弧段 IV. 投种和清堵弧段。

Note:indicate the rotational angular velocity of seeding cylinder, rad·s-1;is the depth of socket, mm;is the wall thickness of seeding cylinder, mm;is the inlet diameter of socket, mm;1is the distribution circle of suction holes, mm;is the diameter of suction hole, mm; The three suction holes uniformly distribute on1circle; Arrow indicate the forward direction of socket; I. Filling and absorbing arc section II. Clearing arc section III. Carrying arc section IV. Dropping and suction hole clearing arc section.

图1 气力滚筒式水稻直播精量排种器结构简图

Fig.1 Structure diagram of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice

排种器工作时，排种滚筒围绕中空轴逆时针转动，随动护种带紧贴滚筒表面并随滚筒一起转动。风机启动后，滚筒内部与中空轴进、出气端相连的正、负压气室产生一定的吹力和吸力，当滚筒上的窝眼转入囊种区后，种子箱内邻近窝眼的芽种依靠其自身重力、吸孔负压吸力及滚筒转动时窝眼的带动作用囊入窝眼中并随滚筒转动，柔性清种绳和清种风嘴中的气流清除掉窝眼内外多余的芽种，剩余的芽种依靠吸孔吸力贴附在窝眼内随之继续旋转进入携种弧段，随动护种带配合窝眼将芽种护送到投种弧段，随动护种带与滚筒表面在投种弧段分离后，芽种随着护种带作短暂的旋转后排入导种口，完成水稻芽种的精量排种，窝眼内吸孔经正压吹力清洁后重新转入囊种区，进行下一轮排种。

2 试验材料与装置

2.1 试验材料

试验稻种为优质杂交稻品种黄华占，清水泡种，滤除秕谷、碎壳等杂质后，浸种催芽至破胸露白、滤水摊晾至其湿基含水率为21.65%～23.73%后装入自封袋中，保持其水分含量，以备使用。水稻芽种的物料特性参数如表1所示。

表1 水稻芽种的物料特性参数

2.2 试验装置

试验装置由气力滚筒式水稻直播精量排种器、JPS-12型排种器性能检测试验台、驱动电机（型号YS7144，功率0.75 kW，常州马航电机厂）、数字压力风速仪（型号EO-20 量程0～115 m/s，精度0.01 m/s，上海亿欧仪表设备有限公司）、风机1（型号HG-250，功率0.25 kW，最大风压10.78 kPa，浙江森森实业有限公司）、风机2（型号HG-260，功率0.26 kW，最大风压13 kPa，上海富力电机厂）、风机3（型号PG-550，功率0.55 kW，最大风压16 kPa，浙江森森实业有限公司）、U型管测压计（量程0～9.0 kPa，盐城万阳仪器有限公司）、调压阀（型号ZY-403C，台州振宇阀门有限公司）及通气管道系统等组成，试验装置如图2所示。其中风机2和风机3为排种器提供所需正、负压，风机1为排种器提供所需清种气流，数字压力风速仪用于测量清种风嘴出气口的气流速度。

1. 风机1 2. 风机2 3. 风机3 4. 驱动电机5. 气力滚筒式直播精量排种器 6. U型管测压计7. JPS-12型排种器性能检测试验台

试验台油带的运行速度由模拟播种机田间的前进速度及杂交水稻种植株距的农艺要求来确定，即

式中为油带的运行速度，km/h；为排种滚筒的转速，r/min；为排种滚筒周向窝眼数，16；为水稻种植株距（穴距），一般为100～250 mm，本文取200 mm[20-23]。

2.3 试验评价指标

试验参照GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》，连续记录油带上由排种器稳定工作时排出的250穴种子中，每穴的粒数和穴距，重复3次。按照杂交稻的种植农艺要求，综合考虑田间芽种直播种苗成活的不稳定性和适宜的田间植株密度，以利于稳产高产，其穴直播作业时，每穴播种2～4粒芽种为宜[24-25]，故各试验指标的计算公式如下

式中为空穴率，%；为漏播率，%；为合格率，%；为重播率，%；CV为穴距变异系数，%；为破损率，%；0为一穴0粒芽种的总穴数；1为一穴<2粒芽种的总穴数；2为一穴2～4粒芽种的总穴数；3为一穴>4粒芽种的总穴数；为连续记录的总穴数（250穴）；为穴距，mm；为样本穴距平均值，mm；为穴距样本总数；为排种器稳定运行3 min由导种口排出的芽种质量，g；m为中人工挑出破损芽种的质量，g。

3 排种性能试验

3.1 单因素试验

3.1.1 试验设计

根据前期的理论分析和试验研究及已有的生产经验[18-19,26-27]，在排种器结构参数确定的前提下，总结出排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度及正压气室清堵正压为影响排种器排种性能的4个主要工作参数。为明确各工作参数对排种器性能评价指标的影响规律，对其分别进行单因素试验。

3.1.2 试验结果与分析

1）排种滚筒转速

设定排种器的试验工作参数为负压气室真空度4 kPa、清种气流速度17.60 m/s、清堵正压1 000 Pa。以直播机一般的作业速度将排种滚筒转速划定为6个转速，分别为8、10、15、20、25、30 r/min（对应的油带运行速度分别为1.54、1.92、2.88、3.84、4.80、5.76 km/h）。各性能评价指标与排种滚筒转速的关系曲线如图3a所示。

注：a,b,c,d图中其他的固定因素取值为：排种滚筒转速10 r·min-1、负压气室真空度4 kPa、清堵正压1 000 Pa、清种气流速度17.60 m/s。

由图3a可知，随着排种滚筒转速的增大，排种器的合格率先急剧上升后缓慢下降；漏播率缓慢上升后急剧上升；重播率先急剧下降后缓慢下降。当排种滚筒转速较低时，窝眼及吸孔在排种器的囊种和吸种弧段能充分的囊种和吸种，一孔多吸的概率增大，导致重播率较高，合格率较低；当排种滚筒转速提高到10～20 r/min时，窝眼在囊种和吸种弧段与种群的接触时间较为适宜，排种器达到一个相对较优的囊种和吸种状态，合格率均能达到80%以上，在转速为10 r/min时达到最大值为85.87%，漏播率为4.67%；随着排种滚筒转速的继续增大，排种器囊种和吸种时间愈来愈短，待充芽种未能被窝眼和吸孔有效囊取和吸附，造成漏播率急剧上升，合格率下降。

2）负压气室真空度

设定排种器的试验工作参数为排种滚筒转速10 r/min （油带运行速度对应为1.92 km/h）、清种气流速度17.60 m/s、清堵正压1 000 Pa。负压气室真空度设定为2、3、4、5、6 kPa共5个水平。各性能评价指标与负压气室真空度的关系曲线如图3b所示。

由图3b可知，随着负压气室真空度的增大，排种器的合格率先缓慢上升后缓慢下降；漏播率急剧下降后缓慢下降；重播率缓慢上升后急剧上升。当负压气室真空度较小时，窝眼内吸孔吸附芽种的吸附力较为微弱，吸孔漏吸的概率增大，造成漏播率较高，合格率较低；当负压气室真空度增大到3～5 kPa时，吸孔对芽种的吸附力有较大提高，吸孔漏吸的情况得到较大改善，排种器达到一个相对适宜的吸种状态，排种合格率均能达到80%以上，在负压气室真空度为4 kPa时达到最大值为85.73%，漏播率为4.40%；随着负压气室真空度的继续增大，吸孔对芽种的吸附力过于强劲，一孔多吸的概率增大，一定强度的清种气流并不足够清除多吸的芽种，导致重播率急剧上升，合格率下降。

3）清种气流速度

强度适宜的清种气流能顺利的将窝眼内未被吸孔吸附的芽种及吸附不稳定的多吸芽种清出窝眼，吹回种子箱。设定排种器的试验工作参数为排种滚筒转速 10 r/min、负压气室真空度4 kPa、清堵正压1 000 Pa。根据已有的研究结果[19]，设定清种气流速度为9.26、12.22、17.60、22.98、25.94 m/s共5个水平。各性能评价指标与清种气流速度的关系曲线如图3c所示。

由图3c可知，随着清种气流速度的增大，排种器的合格率先缓慢上升后缓慢下降；漏播率缓慢上升后急剧上升；重播率先急剧下降后缓慢下降。当清种气流速度较小时，由风嘴吹出的清种气流作用在窝眼内芽种上的绕流阻力较弱，不能有效地将窝眼内未被吸孔吸附的芽种及一孔多吸芽种中吸附不稳定的多余芽种吹出窝眼，导致重播率偏高，合格率较低；当清种气流速度增大到12.22～22.98 m/s时，作用在芽种上的绕流阻力增强，气流的清种效果得到较大改善，排种合格率均能达到80%以上，在清种气流速度为17.60 m/s时达到最大值为85.47%，漏播率为4.67%；随着清种气流速度的继续增大，作用在芽种上的绕流阻力过大，将吸孔稳定吸附的芽种同未被吸孔吸附的芽种一并清出窝眼，导致吸孔漏吸概率增大，造成漏播率急剧上升，合格率下降。

4）正压气室清堵正压

强度适宜的清堵正压能顺利地清除吸孔中堵塞的杂质，同时穿过吸孔的清堵气流对投种弧段芽种的投种轨迹不造成影响，确保排种器均匀稳定的播种穴距。设定排种器的试验工作参数为排种滚筒转速10 r/min、负压气室真空度4 kPa、清种气流速度17.60 m/s。根据前期的排种试验研究，设定清堵正压为250、500、750、1 000、1 250 Pa共5个水平。各性能评价指标与清堵正压的关系曲线如图3d所示。

由图3d可知，随着清堵正压的增大，排种器的合格率先上升后保持平稳；漏播率先急剧下降后趋于稳定；重播率先急剧上升后趋于平稳。当清堵正压较小时，排种器清堵弧段的气力清堵作用力较弱，不能及时有效地清除吸孔中堵塞的杂质，导致再次转入囊种和吸种弧段的吸孔由于堵塞而不能有效的吸附芽种，在清种弧段清种气流的作用下，窝眼内未被吸孔吸附的芽种被清出窝眼，造成排种器的漏播率较大，重播率较小，合格率不高；当清堵正压增大到500 Pa时，气力清堵作用力有所增强，吸孔堵塞情况得到较大改善，排种器漏播率急剧下降，重播率急剧上升，合格率有所提高；当清堵正压继续增大到750 Pa及以上时，排种器清堵弧段达到一个良好的清堵效果，合格率、漏播率及重播率均趋于稳定，合格率均能达到85%以上，漏播率低于6%，重播率不高于10%，各性能评价指标趋于稳定的实际效果表明清堵正压已基本能全部清除堵塞的吸孔。

由图3d还可知，随着清堵正压的增大，排种器的播种穴距平均值几乎无变化，均在200 mm左右极小的范围内波动；播种穴距变异系数虽在4.5%上下波动，但其波动幅度很小，表明排种器具有较高的播种穴距均匀稳定性，同时说明在清堵正压的试验参数范围内，穿过吸孔的清堵气流对排种器的播种穴距几乎无影响。

3.2 多因素优化试验

3.2.1 试验设计

由单因素试验结果的分析可知：排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度对排种器合格率、漏播率等性能指标的影响规律显著，而正压气室清堵正压对排种器合格率、漏播率等性能指标的影响不显著，故排种器工作时，只需提供正压气室一定强度的清堵正压以保证吸孔不被堵塞即可。为探究上述3个影响显著因素对排种性能的影响程度及其最佳参数组合，以合格率、漏播率等为性能评价指标，开展三因素五水平的二次回归正交旋转组合设计多因素优化试验。根据单因素试验的分析结果确定多因素优化试验的因素选取及水平设置，以1.682、1、0、-1、-1.682分别代表试验因素水平，如表2所示，试验设计及试验结果见表3。

表2 试验因素水平编码表

表3 试验设计及试验结果

注：1、2、3分别为1、2、3的水平值。

Note:1,2and3represent level values of1,2and3respectively.

3.2.2 试验结果与分析

1）回归模型方程及显著性检验

采用数据处理软件Design Expert Version 8.0.5.0对试验结果进行多元回归拟合分析[28]。因水稻田间直播作业时，在一定播种合格率的前提下，尽量降低漏播率对生产实际更为有利，故本文着重分析试验因素及其交互作用对播种合格率和漏播率的影响，因此，建立合格率、漏播率与排种滚筒转速1、负压气室真空度2、清种气流速度33个试验因素实际值的二次多项式回归模型，其回归方程为（8）式和（9）式。

=53.181-0.4581+0.0182-0.1723+1.32´10-412-0.01013+7.879´10-423-0.02012-4.025´10-622-0.07732（8）

=-19.963-0.5481+4.866´10-42+3.2653-1.223´10-412+0.05813-3.240´10-423+0.02512+3.713´10-722-0.06332（9）

式中1为排种滚筒转速，r/min；2为负压气室真空度，kPa；3为清种气流速度，m/s；为合格率，%；为漏播率，%。对试验结果及回归模型方程进行方差分析，结果见表4。

由表4的方差分析结果可知，排种器合格率、漏播率2个回归方程高度显著，且回归方程失拟不显著，说明在所选试验参数范围内，回归模型与实际情况拟合度较高；合格率、漏播率回归方程的决定系数2分别为0.935 7、0.975 4，表明回归方程的预测值与实际值之间具有高度相关性，试验误差较小，故可用合格率、漏播率的回归模型对排种器的排种性能进行分析和预测。

表4 试验结果及回归方程方差分析表

注：**<0.01（极显著）；*<0.05（显著）。

Note: **<0.01 (Highly significant); *<0.05 (Significant).

由方差分析表可知，对于合格率的回归模型，其回归项1、2、23、22、32影响极显著，而3、12、13等其余回归项影响不显著；对于漏播率的回归模型，其回归项1、2、3、32影响极显著，回归项13、23影响显著，而12、12等其余回归项影响不显著。剔除模型不显著的回归项，保留显著的回归项，在保证拟合回归方程高度显著、失拟项不显著的前提下，对合格率、漏播率的回归方程进行重新拟合，回归方程优简为

=52.385-0.7001+0.0202-0.3333+7.879´10-423-4.022´10-622-0.07732（10）

式中回归模型的<0.000 1，极显著；失拟项的=0.171 0（>0.05），不显著；模型的决定系数2为0.929 0。

=-24.152-0.2741+1.622´10-32+3.2763+0.05813-3.240´10-423-0.06332（11）

式中回归模型的<0.000 1，极显著；失拟项的=0.229 5（>0.05），不显著；模型的决定系数2为0.968 9。

2）试验因素影响效应分析

由方差分析表中各试验因素的检验值可知，影响合格率的主次因素依次为：1>22>23>2>32>3；影响漏播率的主次因素依次为：2>1>3>32>23>13。可见，在试验参数范围内，影响排种器合格率、漏播率2大性能评价指标的试验因素显著性顺序有所差异，为更清晰直观地描述各试验因素及其交互作用对试验评价指标的影响效应，依据所建的回归模型，采用降维法将各个试验因素分别置于零水平，绘制等值曲线曲面图，绘制结果如图4、图5所示。

注：因素水平见表2，响应值见表3。下同。

图4和图5分别为试验因素对排种器合格率、漏播率的影响效应等值曲线曲面图。等值曲线的形状可直观的反映因素交互作用对试验评价指标影响的强弱，椭圆形曲线表示两因素间交互作用影响显著，而圆形则与之相反[29-30]。图4a、4b及图5a中，其等值曲线均相互平行，类似同心圆的部分弧段，说明因素交互作用12和13对排种器合格率的影响不显著；12对漏播率的影响不显著。而图4c及图5b、5c中，其等值曲线均不平行，且椭圆形曲线曲率较大，说明因素交互作用23对排种器合格率的影响较为显著；13和23对漏播率的影响较为显著，这与方差分析的结果一致。

综合分析图4a和图5a可知，排种器合格率随着排种滚筒转速的增大而减小；而漏播率随着排种滚筒转速的增大而增大，这是因为当排种滚筒转速增大时，窝眼及吸孔在排种器囊种和吸种弧段的囊种、吸种时间减短，有效囊种、吸种的概率随之降低，导致漏播率增大，合格率减小。排种器合格率随着负压气室真空的增大先上升后略有下降；漏播率则随着负压气室真空度的增大而持续下降，其原因可能为当负压气室真空度增大时，吸孔吸附、稳固芽种的吸附力逐渐增强，有效吸种的概率随之增大，排种器漏播率逐渐降低，合格率逐渐升高，但当负压气室真空度过大时，吸孔的吸附力过于强劲，一孔多吸的概率随之增加，排种器重播率增大，漏播率继续降低，合格率有所降低。综上，低滚筒转速与高负压真空度组合时，排种器的排种性能较佳。

综合分析图4b和图5b可知，当排种滚筒转速处于较低水平值时，排种器在清种气流速度的试验参数范围内均具有较高的合格率和较低的漏播率，清种气流速度较大时，漏播率略有提高，这是因为当排种滚筒转速较低时，窝眼及吸孔在囊种和吸种弧段有充足的囊种、吸种时间，且负压气室真空度较为适宜，有效囊种、吸种的概率随之提高，故排种器漏播率较低，合格较高；当清种气流速度增大时，风嘴气流对窝眼内芽种的绕流阻力增强，存在小部分未被吸孔稳定吸附的芽种被清出窝眼，导致漏播率略有提高。排种器合格率随着清种气流速度的增大先上升后下降，但其幅度均很小；漏播率随着清种气流速度的增大而上升，其原因可能为当清种气流速度增大时，风嘴气流的清种作用力逐渐增大，排种器重播率随之降低，在漏播率没有快速上升时，合格率稍有提高，当清种气流速度继续增大时，漏播率上升明显，重播率继续降低，合格率稍有下降。

综合分析图4c和图5c可知，排种器漏播率随着负压气室真空度的增大而减小；而合格率在清种气流速度处于低水平值时，随着负压气室真空度的增大先小幅上升后大幅下降，其原因可能为当负压气室真空度增大时，吸孔有效吸种的概率逐渐提高，在清种气流速度不大时，气流的清种作用力较小，而吸孔的吸附力有所增强，故漏播率下降，且在重播率未大幅提高时，合格率有小幅上升，当负压气室真空度继续增大，吸孔一孔多吸的概率随之增加，较低的清种气流速度无法有效的清除多吸的芽种，导致重播率大幅提高，合格率大幅下降；在清种气流速度处于高水平值时，合格率随着负压气室真空度的增大而上升，其原因可能为随着负压气室真空度的增大，吸孔有效吸种的概率逐渐提高，漏播率下降，同时较大的清种气流速度能有效的清除一孔多吸并处于弱势吸附状态的芽种，故重播率下降，合格率持续上升。可见，高负压真空度与较高清种气流速度组合时，排种器的排种性能较佳。

3.2.3 工作参数优化与验证

由气力滚筒式水稻直播精量排种器各试验因素的影响效应分析可知：低排种滚筒转速、高负压气室真空度及较高清种气流速度组合时，排种器的排种性能较佳。为明确各工作参数的最佳组合，对所建立的合格率、漏播率2个评价指标的全因子二次回归模型方程进行优化求解，其目标函数和工作参数的约束范围为

运用Design Expert数据分析软件进行优化求解，圆整后得到各工作参数的优化结果为排种滚筒转速10.00 r/min，负压气室真空度4.6 kPa，清种气流速度21.88 m/s；目标函数预测值分别为：合格率87.39%、漏播率2.93%。

为验证回归模型和优化结果的可靠性，采用上述的最佳工作参数组合进行3次重复验证试验，取平均值为其试验验证值，并量取和统计每两穴之间的距离，试验结果分别为：合格率87.73%、漏播率2.93%、空穴率0.53%、重播率9.34%、穴距平均值200.07 mm、穴距变异系数4.75%。可见，排种器合格率、漏播率的试验验证值与回归模型预测值相一致，且在最佳工作参数组合下，排种器的空穴率、穴距平均值、穴距变异系数等试验指标均满足水稻田间精量穴直播对其穴粒数、穴距等的种植要求。

为考察精量排种器在最佳工作参数组合时其他的排种性能，如破损率、总排量稳定性、各行排量一致性等，进行台架排种试验，统计排种器稳定运行时由导种口排出的各行排种量，并从中挑出破损的水稻芽种，称量各行排种量及破损芽种的重量。每次试验排种器稳定运行3 min，各重复5次。试验结果为各行排量一致性变异系数3.07%，总排量稳定性变异系数2.08%，破损率0.91%，满足水稻直播机的一般技术要求[31]。

3.3 田间播种试验

为检验气力滚筒式水稻直播精量排种器田间实际的播种性能，将排种器安装于精量旱直播机上，采用东方红LX-854型拖拉机为牵引动力，于2016年1月2号在华中农业大学现代农业科技试验基地开展田间播种试验。试验前采用旋耕机对田块土壤进行耕整，使其细碎平整，平均耕深为69 mm，耕深稳定性系数为92.35%，田间平均土壤坚实度为404.6 kPa。试验参照NY/T 987-2006《铺膜穴播机作业质量》和GB/T 25418- 2010《水稻覆土直播机》进行，试验时机组的前进速度约为1.79 km/h，排种器的转动由直播机的地轮带动，排种器的正、负压及清种气流由风机提供，风机由拖拉机动力输出轴带动。播种时，排种器的平均转速约为9.32 r/min，负压气室真空度的平均值约为4.6 kPa，清种气流速度平均值约为21.88 m/s。连续统计机组匀速行驶的30 m取样长度内各排每穴粒数和穴距，重复3次，取平均值作为试验值。田间播种试验结果为合格率79.42%、漏播率15.11%、空穴率3.88%、重播率5.47%、穴距平均值175.61 mm、穴距变异系数20.03%，表明气力滚筒式水稻直播精量排种器的田间播种穴距满足水稻种植株距100～250 mm的范围，播种穴距变异系数均低于25%，且各项评价指标能够满足水稻大田精量旱穴直播的一般种植要求。

田间播种试验结果与台架排种试验结果有所差距的主要原因可能为：机组田间无规律的振动，对窝眼和吸孔的囊种和吸种具有一定的影响；风机转速的不稳定，导致排种器正、负压及清种气流速度的波动，影响排种器的吸种、清种及吸孔清堵效果；球形度较低、流动性较差的水稻芽种在导种管中的多次碰撞，造成芽种间落种轨迹差别较大，是影响播种穴距和穴粒数的一个重要因素。

4 结 论

1）单因素试验结果表明：排种滚筒转速、负压气室真空度、清种气流速度对排种器合格率、漏播率和重播率的影响显著；而正压气室清堵正压在试验参数范围内，当达到一定清堵压强后，对排种器合格率、漏播率、重播率均无显著影响，且穿过吸孔的清堵气流对排种器的播种穴距几乎无影响。

2）多因素优化试验结果表明：影响排种器合格率的主次因素依次为：排种滚筒转速>负压气室真空度>清种气流速度；影响漏播率的主次因素依次为：负压气室真空度>排种滚筒转速>清种气流速度。各试验因素的影响效应分析表明：低排种滚筒转速、高负压真空度及较高清种气流速度组合时，排种器的排种性能较佳，通过对评价指标回归方程的综合优化，得出排种器的最佳工作参数组合为：排种滚筒转速10.00 r/min，负压气室真空度4.6 kPa，清种气流速度21.88 m/s，此时，排种器台架试验的合格率为87.73%、漏播率为2.93%、空穴率为0.53%、重播率为9.34%、破损率为0.91%、穴距平均值为200.07 mm、穴距变异系数为4.75%，各行排量一致性变异系数为3.07%，总排量稳定性变异系数为2.08%。

3）田间播种试验结果表明：气力滚筒式水稻直播精量排种器能满足水稻大田精量旱穴直播的一般种植要求，其合格率为79.42%、漏播率为15.11%、空穴率为3.88%、重播率为5.47%、穴距平均值为175.61 mm、穴距变异系数为20.03%。

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Field experiment and seeding performance analysis of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice

Zhang Shun1, Xia Junfang2※, Zhou Yong2, Wu Delin1, Cao Chengmao1, Xia Ping1

(1.230036; 2.430070)

In order to improve the seeding performance of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice, the single factor and central composite experimental experiments were conducted in this paper. The effects of the main working parameters (rotational speed of seeding cylinder, vacuum degree in vacuum gas chamber, air-blowing velocity and clearing blockage positive pressure of chamber) on seeding performance of the direct seed-metering device were analyzed by means of the JPS-12 type performance test rig of metering device. The study object was “Huanghuazhan”, which was pre-germinated and its moisture was 21.65%-23.73% (wet basis). Qualified rate, miss-seeding rate, replay rate, average hole distance and variation coefficient of hole distance were regarded as the performance evaluation indexes. The result of single factor experiments showed that rotational speed of seeding cylinder, vacuum degree in vacuum gas chamber and air-blowing velocity had significant influence on the qualified rate, miss-seeding rate and replay rate of metering device, respectively. The clearing blockage positive pressure of chamber had no significant influence on qualified rate, miss-seeding rate, replay rate, the average hole distance and the variation coefficient of hole distance of metering device, respectively. So, it was only necessary to provide the positive pressure chamber with suitable strength of clearing blockage positive pressure to ensure the suction hole not be blocked during the metering device working. The three-factor and five-level quadratic regression rotation design optimization experiment of the 3 influence significant factors on metering device showed that the order affecting qualified rate was rotational speed of seeding cylinder > vacuum degreein vacuum gas chamber > air-blowing velocity, and the order affecting miss-seeding was vacuum degree in vacuum gas chamber > rotational speed of seeding cylinder > air-blowing velocity. The variance analysis of experimental results had a significant affecting of experimental factors on performance evaluation indexes.Through the analysis of effect of various factors on the metering device, the seeding performance of the metering device was better under the condition of low rotational speed of seeding cylinder, high vacuum degree in vacuum gas chamber and higher air-blowing velocity. The optimal combination working parameters of metering device were seeding cylinder rotational speed with 10 r/min, vacuum degree in vacuum gas chamber with 4.6 kPa and air-blowing velocity with 21.88 m/s. All of those were obtained by optimization solution of all factors by use of quadratic regression model equation of performance evaluation indexes in the range of experimental parameters constraints. The results of verification test were consistent with the results of optimization solution. Under the condition of the optimal combination working parameters, the qualified rate, miss-seeding rate, cavity rate and replay rate were 87.73%, 2.93%, 0.53% and 9.34%, respectively. Meanwhile, the seed breakage rate was 0.91%, the average hole distance was 200.07 mm (theoretical hole distance was 200.00 mm), the variation coefficient of hole distance was 4.75%, the apiece row consistency variation coefficient of seeding quantity was 3.07%, the stability variation coefficient of the full seeding quantity was 2.08%. This seeding quality met the direct seeding requirements of hybrid rice. The field sowing experiment of the direct seed-metering device was carried out in the modern agricultural science and technology experiment base of Huazhong Agricultural University. When the average forward speed was about 1.79 km/h of direct seeder, the average vacuum degree in vacuum gas chamber was about 4.6 kPa and the average air-blowing velocity was about 21.88 m/s, the qualified rate, miss-seeding rate, cavity rate and reseeding rate were 79.42%, 15.11%, 3.88% and 5.47%, respectively. Meanwhile, the average hole distance was 175.61 mm, the variation coefficient of hole distance was 20.03%.The study provided the scientific basis for the structure and working parameter optimization of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice and the improvement of its seeding performance.

agricultural machinery; seed; experiment; performance analysis; direct seed-metering device; pneumatic; cylinder; seed clearing air-blowing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.003

S223.2+

2016-05-24

2016-12-27

“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAD06B01）；公益性行业（农业）科技专项经费项目（201203059）；安徽农业大学青年科学基金重点项目（2016ZR009）

张 顺，男，汉族，安徽绩溪人，讲师，主要从事现代农业装备设计及测控研究。合肥安徽农业大学工学院，230036。 Email：shunzhang@ahau.edu.cn

夏俊芳，女，湖北武汉人，教授，博士生导师，主要从事现代农业装备设计及测控研究。武汉华中农业大学工学院，430070。 Email：xjf@mail.hzau.edu.cn

张 顺，夏俊芳，周 勇，伍德林，曹成茂，夏 萍.气力滚筒式水稻直播精量排种器排种性能分析与田间试验[J]. 农业工程学报，2017，33(3)：14－23. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.003 http://www.tcsae.org

Zhang Shun, Xia Junfang, Zhou Yong, Wu Delin, Cao Chengmao, Xia Ping.Field experiment and seeding performance analysis of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(3): 14－23. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.03.003 http://www.tcsae.org