悬挂式水稻田间育秧播种机设计与试验

袁文胜，姬长英，金诚谦，胡敏娟，张文毅

（1. 南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；2. 农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014；3. 农业部现代农业装备综合实验室，江苏 南京 210014）

悬挂式水稻田间育秧播种机设计与试验

袁文胜1,2,3，姬长英1*，金诚谦2,3，胡敏娟2,3，张文毅2,3

（1. 南京农业大学工学院，江苏 南京 210031；2. 农业部南京农业机械化研究所，江苏 南京 210014；3. 农业部现代农业装备综合实验室，江苏 南京 210014）

为解决现有水稻育秧方式存在的用工多、劳动强度大、生产效率低的问题，设计了一种悬挂式水稻田间育秧播种机，参考水稻工厂化育秧技术要求等相关行业标准开展试验测试，分析育秧播种机的铺土均匀性、播种均匀性和机具的整体作业质量。结果表明，该机在播种作业过程中只需驾驶员和辅助人员两人即可完成，每小时可播种4 000盘以上，具有用工少、生产效率高、播种质量高等特点。该机采用直径为160 mm的大直径外槽轮式排土辊和直径为110 mm的大直径、大窝眼式排种辊，满足了水稻育秧底土量和播种量较大的要求。田间试验结果表明，育秧盘内不同点的底土铺土厚度变异系数均小于6%，每盘播种均匀度和总播种均匀度均在90%以上，按插秧时对应切块位置测得的每格播量合格率均≥85%，作业流畅、性能稳定，各项指标符合相关标准和实际生产要求。研究表明，悬挂式水稻田间育秧播种机挂接在插秧机底盘后，可一次完成在水稻育秧盘内均匀铺底土和播种作业。

水稻；农业机械；播种机；田间育秧；铺土；排种；设计

水稻是我国主要的粮食作物之一,种植面积约占粮食作物总面积的30%左右，产量接近粮食总产量的一半，是占我国60%左右人口的主食[1-4]。水稻种植方式分为直播和育秧移栽两种，目前我国水稻种植的主要方式是移栽[5-7]。在水稻育秧移栽种植方式中，培育秧苗是关键环节之一，秧苗的质量会极大地影响水稻后期长势和最终产量[8]。研究开发高效、便捷的育秧设备，对于水稻种植机械化发展具有重要意义。

世界上水稻种植区域主要分布在亚洲，欧美部分国家也有一定的种植面积。澳大利亚、埃及、巴西、美国、意大利及其他欧美国家水稻主要采用直播种植方式，以中国、日本、韩国等为代表的亚洲国家则以育秧移栽为主[9-11]。育秧移栽方式的前提是必须有规格化的秧苗，目前水稻机械化育秧装备主要有工厂化水稻育秧流水线和水稻田间育秧播种机两种。工厂化育秧方式是在育秧流水线上一次性完成铺底土、播种、覆表土等作业后，人工将播种好的育秧盘摆在田间或育秧工厂内进行培育。田间育秧方式是将秧盘铺放在田间，然后进行铺底土、播种、覆表土等作业。工厂化育秧流水线需要较多的辅助人工，并且播种完成后由人工将带土盘摆放到田间，劳动强度大、作业成本也较高[12-13]。现有轨道式田间育秧播种机也需要由人工完成轨道转移、铺土、辅助播种等工作，作业效率较低。

目前我国水稻种植环节是水稻生产机械化发展的“瓶颈”环节[14-15]，其中缺乏高效、便捷、实用的育秧装备是主要因素之一。田间育秧方式省去了播种后带土秧盘转移环节，减轻了劳动强度，减少了工作量，在我国南方地区得到广泛应用。另据研究表明，田间旱育秧方式对水分的控制更精确，有利于秧苗根系的生长和对苗高的控制，所以秧苗品质好、成秧率高[16]，是一种比较好的育秧方式。本研究旨在开发高效、便捷、省工、省力的田间旱育秧装备，促进水稻移栽机械化技术发展。

1 整机结构、主要技术参数及工作原理

1.1 整机结构及主要技术参数

针对现有工厂化育秧流水线需要较多辅助用工和轨道式田间育秧播种机作业效率低等问题，本研究设计了一种悬挂式水稻田间育秧播种机。该机挂接在四轮乘坐式水稻插秧机底盘上，铺土和播种工作部件由插秧机动力输出轴驱动。

水稻田间育秧播种机整机主要由机架、支撑滑板组件、铺土组件、播种组件、播行位置调整装置等组成（图1）。其中机架上安装有挂接轴、动力输入轴和变速箱。挂接轴与插秧机底盘相连，育秧播种机通过挂接轴在底盘的带动下提升、下降或前进；动力输入轴与底盘的动力输出轴相连，将底盘动力传递到育秧播种机，再通过变速箱变速后驱动铺土组件和播种组件工作。支撑滑板组件的滑板形似船底，在播种作业时在地表滑动，将播种机支撑在固定高度。铺土组件主要由土箱、铺土辊和搅动辊组成，搅动辊搅动土箱里的基质土，强制其流动，防止基质土架空，铺土辊均匀地将基质土播撒到秧盘内。播种组件主要由种箱、排种器、播量调节机构等组成，排种器将种箱中的种子均匀排下，通过播量调节机构可调整播种量大小。播行位置调整装置是一套靠行仿形装置，可以使种子播下的位置与地面上秧盘位置相对应，防止种子被播在秧盘外。

水稻田间育秧播种机主要技术参数为：有效播种幅宽0.9 m；底土厚度调节范围15-23 mm；播种量调节范围80-200 g；生产率大于4 000盘/h。

图1 田间育秧播种机结构图Fig. 1 Structure diagram of seeder for rice seedling raising with tray in field

1.2 工作原理

播种作业前人工将空秧盘沿直线铺在田间，秧盘铺放方式如图2所示。育秧田内挖深度为150 mm、宽200 mm的排水沟，畦面宽度为1 000 mm。使用的育秧盘为普通9寸硬质秧盘，3个秧盘竖向并排铺在畦面中间位置。

工作前，将挂接轴与插秧机底盘连接支架相连，动力输入轴与底盘的PTO相连。在道路上行走时，通过底盘的液压升降机构将育秧播种机提起。田间作业时，液压系统将播种机降下来，支撑滑板组件在地表滑行，支撑播种机在稳定的高度工作。底盘的动力输出轴驱动播种机的动力输入轴，经过变速箱后输出合适的转速，带动铺土辊、搅动辊和排种器转动，完成铺底土和播种作业。

图2 育秧田及秧盘铺放示意图Fig. 2 Schematic diagram of the tray placing in field

2 主要工作部件设计

2.1 铺土组件

铺土组件的功能是在秧盘内均匀地铺上一定厚度的底土，为种子发芽生长提供载体。铺土组件主要由土箱、排土辊、传动机构、搅动辊、土量调节装置和导流板等组成（图3）。其中，排土辊是将土箱中的基质土均匀排出的部件，是铺土组件的核心部分。

图3 铺土组件结构图Fig. 3 Structure diagram of soil spreading assembly

2.1.1 排土辊结构型式选择 目前在水稻育秧播种流水线和田间手推式育秧播种机上使用的排土部件，根据结构及原理的不同可分为平带式、外槽轮式、波纹滚筒式、刮板式等几种类型[17-19]。平带式铺土部件是由一条皮带圈套装在两个在水平面内平行的皮带轴上组成的土壤输送、铺放机构。平带式排土部件铺土厚度均匀，多用在育秧播种流水线上，但是长时间作业后皮带容易松动、打滑，铺土效果变差。另外，平带式结构尺寸相对较大，不适合结构紧凑的悬挂式田间育秧播种机。波纹滚筒式铺土装置采用大直径的波纹滚筒作为排土部件，对不同土壤湿度的适应性较好。但是，波纹滚筒式铺土装置排土能力较低，排土量少，只能适合对土量要求比较少的作业环节。刮板式铺土装置是通过连续运转的多条刮板将一定量的土连续刮落到秧盘完成铺土作业的，铺土厚度均匀性较高，但是连续工作一段时间后，刮板容易变形，铺土均匀性下降。使用外槽轮式铺土部件在工作过程中容易出现土箱中的土壤架空现象，但是整体结构简单、外形紧凑、持续工作稳定性较好。

根据以上分析，结构紧凑的悬挂式育秧播种机宜选用外槽轮式铺土部件。本机的排土部件选择工程塑料管，在表面加工设计排土槽，加工成图3中的排土辊，这种排土辊结构简单、重量小、成本低。另外，为了防止土壤在土箱中下落不及时造成架空现象，在排土辊上方设计搅动辊，强制土壤流动。

2.1.2 排土辊结构参数确定 田间育秧所用的秧盘规格为：600 mm×300 mm×30 mm。现有乘坐式插秧机底盘轮距为1 200 mm，除去轮子本身的宽度，两轮之间可以铺放秧盘的净宽度不足1 200 mm，故只能采用3个秧盘竖向并排铺放的方式（图2），铺放后有效作业幅宽为900 mm。

根据前述分析，本育秧播种机选用外槽轮式排土辊。外槽轮直径的大小与铺土质量直接相关。直径太小，槽轮表面曲率大，同样的排土量情况下还需要加大转速，土壤不易充填入槽内，导致铺土厚度不均匀；外槽轮直径太大，则工作载荷较大，且低转速下排土会断续不均，机具整体外形尺寸也较大。参照相关机具设计经验，综合考虑各相关因素，选定外槽轮直径为160 mm。为便于土壤的填充和排出，槽轮的凹槽横断面形状选择弓形，参考台架试验结果，设计排土辊槽数为15，槽曲面半径为16 mm，槽深8 mm，排土辊截面结构见图4。

图4 排土辊结构图Fig. 4 Structure diagram of soil spreading roller

为确定排土辊转速，首先对排土辊排土量进行计算。根据图5排土辊截面图中的几何关系可知，排土辊单个凹槽的截面积为：

式中：φ为凹槽弧在所在圆上对应的圆心角（°）；α为凹槽弧在排土辊外圆上对应的圆心角（°）；d为排土辊外径（cm）；r为凹槽弧所在圆的半径（cm）；b为凹槽弧两端点对应的直线距离（cm），b的计算方法为：

式中：D为排土辊外圆圆心与凹槽弧所在圆的圆心之间的距离。

参照《农业机械设计手册（上册）》关于槽轮式排种器排量计算方法[20]，可知排土辊每转排土体积q为：

式中：L为排土辊槽轮的有效工作长度（cm）；α0为槽内土壤充满系数，由实验得出，数值参考有关手册，此处选0.97；λ为带动层特性系数，由实验得出，数值参考有关手册，此处选0.43；t为槽轮凹槽节距（cm），t=πd/z，z为槽数。

图5 排土辊截面尺寸示意图Fig. 5 Section sketch map of soil spreading roller

针对本机设计方案，将相关参数数值带入式（1）至式（5），计算得排土辊每转排土体积q为 4 770 cm3。根据农艺要求，设定底土厚度为20 mm。对于600 mm×300 mm×30 mm的标准秧盘，内部尺寸为580 mm×280 mm×25 mm，每盘铺底土体积为3.248×10-3m3。另外已知现有插秧机移栽株距10 cm时，插秧机底盘PTO与插植臂轴转速之比为2∶1。根据以上数据计算出底盘PTO与排土辊转速之比为2.94∶1，设计时采用齿数为13和38的一组传动链轮，实际传动比为2.92，在土量调节装置的辅助调整下，排土量可以满足要求。

2.2 播种组件

播种组件的功能是按一定的播种量均匀地将种子播撒在秧盘内的底土表面。播种组件主要由种箱、排种辊、清种毛刷、毛刷调整机构、护种板、导种板和振动板等组成（图6）。

图6 播种组件结构图Fig. 6 Structure diagram of seeding assembly

2.2.1 排种辊结构参数设计 育秧播种要求在大播量的情况下保持播种均匀，通过对不同型式的排种器结构分析及对比试验，选择窝眼轮式排种部件。为减少伤种，排种辊材料选用PVC材质，采用毛刷清种，同时控制排种量。排种辊直径大小影响充种，直径过小，则曲率过大，不利于种子充入型孔。参考《农业机械设计手册（上册）》所列经验数据，此处选择排种辊直径为110 mm。另外，在同样的排种量下，排种辊上窝眼数越多，排种辊转速越低，窝眼的线速度也就越低，有利于种子充填进窝眼。根据常规稻种子尺寸特性及育秧播种排种量要求，设计直径为14 mm、深度为4 mm的窝眼，窝眼沿圆柱面母线成排布置，每相邻两排型孔均匀交错布置。在前述秧盘铺放方式下，可计算出窝眼辊型孔数Z为：

式中：dw为窝眼辊直径（m）；vm为育秧播种机作业速度（m/s）；W为每个秧盘内播种量（kg）；n为每个窝眼内种子数量；vw为排种辊线速度（m/s）；G为水稻种子千粒重（kg）。

查询有关资料可知，水稻种子的平均尺寸为10 mm×3.2 mm×2.6 mm，每个窝眼内种子数为3-5粒，此处n按4粒计算。水稻种子千粒重按0.025 kg计。对于常规稻品种，每个秧盘内播种量按0.12 kg计。

根据插秧机后输出轴转速与前进速度的传动比初步设计后输出轴与排种辊转速传动比，参考窝眼轮式排种器设计要求，选择传动比为13∶27的减速齿轮传动，据此计算vm与vw的比值为8.54。

将以上数值带入式（6），计算出排种辊表面有效排种窝眼数量为Z=18316。由于采用较软的毛刷作为清种部件，并且为了满足较大播量的要求，护种板和排种辊之间需要设计较大的间隙，所以排种辊外围的带动层运动状态与目前成熟的排种器不同，缺少相关参照，无法获取准确的带动层特性系数，只能依靠大量的试验。根据试验结果，沿排种辊圆周方向共设计24排窝眼孔，每相邻两排窝眼交错排列，沿轴线方向两窝眼间距设计为18 mm。排种辊结构见图7。

图7 排种辊结构示意图Fig. 7 Schematic diagram of seed metering roller

2.2.2 种箱容量参数设计 育秧播种底土厚度约为20 mm，故对于内部尺寸为580 mm×280 mm的9寸育秧盘，每盘底土用量为3.248 L，底土需求量比较大。而对于采用悬挂式的配置方式，播种机整机重量不能过大，以防底盘“翘头”或者抬升力不够无法正常作业。根据试验在正常作业水平下，土箱最大容量约为330 L，能满足约100盘的铺土量需要。所以在播种作业过程中，要定期停机补充基质土。种子的播量相对基质土较少，在考虑操作方便性前提下，种箱容量设计成能满足约500盘播种需求量的大小，即容量约为60 kg，换算为容积约为100 L。为此，种箱设计尺寸为有效高度为450 mm、前后宽度为250 mm，种箱结构及外形见图6和图8。

3 田间试验与结果分析

3.1 试验条件

图8 样机田间试验Fig .8 Field experiment of prototype

以东洋P600乘坐式水稻插秧机底盘作为动力，拆掉插植部分，挂接育秧播种机进行田间试验。底盘发动机功率为5.15 kW，轮距为1.2 m。由于播种时间紧迫，没来得及开沟做畦，育秧田简单平整后直接铺空秧盘。秧盘按一个横向加一个竖向并排铺放的方式布置，铺放后宽度为900 mm。调整播种机高度到合适位置，调整好铺土量和播种量，播种机沿秧盘铺放方向直接播种。试验现场见图8，试验地点为常州溧阳市别桥镇，试验用水稻品种为南粳5055，试验用基质土为江苏科力农业资源科技有限公司生产的科杰牌育秧基质与细砂土按1∶1比例均匀混合物。

3.2 试验方法

3.2.1 铺土均匀性试验 参考水稻工厂化育秧播种流水线相关技术要求和试验方法进行试验、数据采集处理及性能指标评价。参考的农业行业标准主要包括“NY/T 1534—2007水稻工厂化育秧技术要求”和“NY/T 1635—2008水稻工厂化（标准化）育秧设备试验方法”[21-22]。试验时机具平均作业速度0.8 m/s。播种后分别测量并计算底土厚度及均匀性、播种合格率及均匀性等指标值。

测量底土厚度时，随机选取10盘，每盘分别在靠近秧盘4个角和中间位置共选取5个取样点测量底土厚度，记入数据表。

3.2.2 播种均匀性试验 播种均匀性测量方法为：随机选取10盘，每盘按图9选取5个取样点，每个取样点为50 mm×50 mm正方形，检查方框内的种子数。

均匀度（up）计算方法为：

式中：up为播种均匀度（%）；s为样本标准差； 每盘样本框内种子粒数平均值。

3.2.3 格粒数合格率试验 另外，参考“NY/T 1534—2007水稻工厂化育秧技术要求”，检测每次取秧秧块对应矩形格的空格率和每格种子数分布情况，按农艺要求的播种量播种，每格播种粒数合格范围参照表1。取样方法为：随机抽取5盘，每盘随机取样5点，每点各取20格，每格取样面积为12 mm×11 mm，数出每格中种子粒数，分别记入相应表格。

图9 取样点分布示意图Fig. 9 Schematic diagram of sampling point distribution

表1 粒数合格范围参照表Table 1 Reference table of seed number qualified range

3.3 试验结果与分析

3.3.1 铺土均匀性分析 从铺土厚度均匀性试验结果来看，每盘底土厚度稳定在19 mm左右（表2），每盘中4个角和中间位置共5个取样点处厚度变异系数均小于6%，铺土厚度均匀，满足水稻育秧生产需要。

表2 铺土厚度均匀性试验结果Table 2 Results of soil thickness uniformity

3.3.2 播种均匀性分析 按以上方法计算10盘抽样的总播种均匀度为92.4%，每盘播种均匀度和总播种均匀度均在90%以上（表3），播种均匀性高，符合生产要求。

表3 播种均匀度试验结果Table 3 Results of sowing uniformity

3.3.3 格粒数合格率分析 根据当地农艺要求的每盘播量计算出每格目标播种量约为5粒种子，参照表1可知，每格种子粒数在3-7粒之间均为合格，计算出合格的格数占总格数的比率即为格粒数合格率。试验结果表明，格粒数合格率均大于等于85%（表4），符合农业行业标准规定的育秧播种作业质量指标要求。

4 结论

1）设计了一种挂接在插秧机底盘上进行播种作业的水稻悬挂式田间育秧播种机，可一次完成铺底土和播种作业。人工只需将空秧盘摆放整齐，本机完成铺底土和播种作业以后，再单独使用本机的铺土组件调整好铺土量后进行覆表土作业。使用本育秧方式，缩减了工厂化育秧流水线的繁杂工序和用工量，避免了播种后人工再将秧盘转移到育秧田的繁重工序，极大的减轻了劳动强度、提高了生产效率。

2）设计了大直径外槽轮式排土辊，排土量大，排量均匀，满足了大量育秧底土均匀铺播要求；设计了大直径、大窝眼的窝眼轮式排种辊，为了提高种子流动性和充种性，设计了辅助充种机构，另外采用方便调节的毛刷机构调整播量，采用间隙可调的护种板与播量配合调整，满足了水稻育秧大播量均匀播种的要求。

3）田间试验表明，每盘内几个不同点的底土铺土厚度变异系数均小于6%，铺土厚度均匀性满足生产要求；每盘播种均匀度和总播种均匀度均在90%以上，播种均匀性高；按插秧时对应切块位置测得的每块种子数量合格率均大于等于85%，符合农业行业标准“NY/T 1534—2007水稻工厂化育秧技术要求”。

表4 格粒数合格率试验结果Table 4 Qualified rate of seed numbers per grid

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（责任编辑：童成立）

Design and experiment of suspension seeder of rice seedlings nursery in nursery bed

YUAN Wen-sheng1,2,3, JI Chang-ying1, JIN Cheng-qian2,3, HU Min-juan2,3, ZHANG Wen-yi2,3
（1. College of Engineering, Nanjing Agricultural University, Nanjing, Jiangsu 210031, China; 2. Nanjing Research Institute of Agricultural Mechanization, Ministry of Agriculture, Nanjing, Jiangsu 210014, China; 3. Comprehensive Laboratory of modern agricultural equipment, Ministry of Agriculture, Nanjing, Jiangsu 210014, China）

Rice seedling nursery is the work with high labor intensity and low effciency. The existing seedling sowing machine has the above problem. So we design a kind of Suspension seeder of rice nursery seedlings in nursery bed. The seeder is hung on the rice transplanter chassis, which can spread bed soil and sowing rice seeds uniformly at once. This seeder is much better than the rice seedlings nursery sowing line, which have many steps and need a lot of artifcial coordination. Also, it is much better than the semi automatic nursery sowing machine in nursery bed, which need to lay special track and with large labor intensity. This machine can complete the seeding work with only one driver and one auxiliary staff. Sowing effciency can reach more than 4 000 trays per hour. It has the characteristics of less labor, high production effciency and high seeding quality. The machine adopts a 160 mm diameter outer groove wheel as soil spreading roller and a 110 mm diameter seed metering with large cells. This meets the needs of rice seedlings nursing, which require large amount of soil and seed. Field experiments show that coeffcient of variation of subsoil soil thickness at different point of one tray is less than 6% and the sowing uniformity of each tray and the total sowing uniformity are above 90%. Also the sowing amount qualifed rate of each seedling block area correspond to the position of the transplanter cutting is not less than 85%. Each performance indexes of the machine meet the relevant standards and the requirements of actual production. This study provides one new technical approach and reference for rice seedlings nursery.

rice; agricultural machinery; nursing seedlings in nursery bed; soil spreading; seeding; design

JI Chang-ying, E-mail: chyji@njau.edu.cn.

S223.1+3

A

1000-0275（2017）02-0352-08

10.13872/j.1000-0275.2016.0142

袁文胜, 姬长英, 金诚谦, 胡敏娟, 张文毅. 悬挂式水稻田间育秧播种机设计与试验[J]. 农业现代化研究, 2017, 38(2): 352-359.

Yuan W S, Ji C Y, Jin C Q, Hu M J, Zhang W Y. Design and experiment of suspension seeder of rice seedlings nursery in nursery bed[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(2): 352-359.

公益性行业（农业）科研专项（201203059-3）；中国农业科学院科技创新工程项目（种植机械团队）。

袁文胜（1978-），男，山东曹县人，副研究员，主要从事主要农作物种植机械化技术研究，E-mail: ywensheng@sohu.com；通讯作者：姬长英（1957-），男，山东济宁人，教授，博士生导师，主要从事精准农业理论及技术的研究，E-mail: chyji@njau.edu.cn。

2016-08-14，接受日期：2016-12-12

Foundation item: the Fundamental Research Funds for National Nonproft Institute Research (201203059-3); the Agricultural Science and Technology Innovation Program of Chinese Academy of Agricultural Sciences.

Received 14 August, 2016; Accepted 12 December, 2016