水稻内充气力式精量穴直播排种器吸种性能试验

张 顺，杨继涛，李 勇，廖 娟，李兆东，朱德泉，*

(1.安徽农业大学 工学院，安徽 合肥 230036； 2.安徽省智能农机装备工程实验室，安徽 合肥 230036)

水稻直播相比传统的移栽种植省去了育秧、移秧及插秧等繁重工序，是一种轻简高效的种植技术，适宜机械化作业。其中，精量穴直播技术能按水稻品种的种植农艺要求，精量定距成穴地将稻种均布于田间，有利于稻株在后期形成合理的田间群体结构，易获得稳产高产[1-2]。

直播稻的种类主要有常规稻和杂交稻。对于分蘖能力较强的杂交稻，直播时每穴播种量一般为2～4粒，而常规稻的每穴播种量则一般为5～10粒[3-4]。机械化精量穴直播的每穴播种量主要通过控制穴播机上的核心部件——排种器的排种量实现。罗锡文等[5]研制了一种水稻型孔轮式排种器，能适应常规稻的大播量排种；张明华等[6]、王在满等[4]在该排种器的基础上，分别设计了组合型孔轮式排种器和型孔容积无级调节的排种装置，以适应不同排种量的需求；张国忠等[7]研制了一种双腔侧充式水稻精量穴播排种器：上述机械式排种器在满足杂交稻的精确、少量排种性能方面还有待提高。刘彩玲等[8]研制了一种气吸辊式水稻精量直播排种器；邢赫等[9]研究了水稻气力式排种器的分层充种室设计：这二者的单粒排种率偏高，较难满足杂交稻每穴播种2～4粒的直播要求。

排种器的排种过程一般由充(吸)种、清种、携种和投种环节串联而成，其中，充(吸)种、清种环节是实现排种器精量排种的首要环节，直接决定着播种穴粒数。因此，该环节一直是排种器设计与试验研究的重点。王在满等[10]采用高速摄像技术分析了型孔式水稻排种轮的充种过程；王朝辉[11]试验研究了双吸孔孔间距对吸种合格率的影响；张国忠等[12]试验研究了吸室真空度、吸孔直径与清种装置对群布吸孔吸种盘吸种精度的影响；朱德泉等[13]采用离散元方法仿真研究了滑片型孔轮式水稻精量排种器的充种过程：上述文献为研究排种器充(吸)种性能提供了参考。

为适应杂交稻精确少量排种的需求，针对水稻种子形状不规则、流动性差、脆性大等固有的物料特性，提出一种具有多吸孔窝眼结构的内充气力式排种方法，利用窝眼的旋转搅动种群，改善种群流动性，提升充(吸)种效果。同时，为探究内充气力式精量穴直播排种器适宜的吸种工况组合，特开展排种器吸种性能高速摄像试验，以期为排种器的结构设计与优化，及其田间排种提供参考。

1 排种器结构与工作原理

水稻内充气力式精量穴直播排种器主要由吸种滚筒、窝眼环、输种管、导种管、排种器壳体及其上的气室密封组件等组成，结构如图1所示。其核心工作部件为具有群布多吸孔的窝眼滚筒组件，结构如图2所示。

1，支座；2，吸种滚筒；3，窝眼环；4，上隔气块；5，出气口；6，进种管；7，下隔气块；8，导种管；9，盖板；10，气室密封板；11，排种器壳体；12，真空气室。Ⅰ，充种区；Ⅱ，携种区；Ⅲ，充种区吸种弧段；Ⅳ，负压吸种弧段。图a中盖板和气室密封板为透明视图。1， Support; 2， Seed-sucking cylinder; 3， Socket ring; 4， Upper air spacer; 5， Air outlet; 6， Seed-inlet tube; 7， Lower air spacer; 8， Seed spout; 9， Cover plate; 10， Air chamber sealing plate; 11， Seed-metering device shell; 12， Vacuum air chamber. Ⅰ， Filling area; Ⅱ， Carrying area; Ⅲ， Seed-absorbed arc section of filling area; Ⅳ， Vacuum seed-absorbed arc section. The cover plate and air chamber sealing plate in (a) were transparent views.图1 排种器的三维模型图(a)与局部剖视图(b)Fig.1 Three dimensional model (a) and local cutaway view (b) of seed-metering device

a，窝眼滚筒半剖视图；b，窝眼滚筒A向剖视图。1，吸种滚筒；2，窝眼环；3，沉头螺钉。D，窝眼大端直径，mm；H，窝眼环厚度(窝眼深度)，mm；θ，窝眼大端平面与母线的夹角，(°)；S，窝眼大端直径对应的弧长，mm；K，窝眼间隔宽，mm；Ds，窝眼滚筒内径，mm；d，吸孔直径，mm；T，吸孔中心距，mm。a， Cylinder half-cutaway view; b， Cylinder A-direction cutaway view. 1， Seed-sucking cylinder; 2， Socket ring; 3， Countersunk head screw. D， Diameter of socket large end， mm; H， Socket ring thickness (socket depth)， mm; θ， Angle between large end plane of socket and its generatrix， (°); S， Arc length corresponding to diameter of socket large end， mm; K， Spacer thickness between two sockets， mm; Ds， Inner diameter of cylinder， mm; d， Suction hole diameter， mm; T， Center distance between two suction holes， mm.图2 窝眼滚筒结构示意图Fig.2 Structure diagram of cylinder

由于呈圆台状的窝眼大径端朝向滚筒圆心，故窝眼滚筒较难直接由机械加工成型，将其分解为窝眼环和吸种滚筒2部分。窝眼环采用三维打印技术直接成型，材料为ABS(acrylonitrile butadiene styrene copolymer)工程塑料。外围的吸种滚筒需与排种器壳体保持较好的同轴度和垂直度，以确保窝眼滚筒转动无干涉，并提高由排种器壳体，气室密封板，窝眼滚筒，及上、下隔气块构成的真空气室的密封性，故吸种滚筒采用稳定性高、宜车削的金属材料铝经机械加工制成。窝眼环与吸种滚筒通过沉头螺钉紧固连接。

排种器工作时，进种管接播种机上的种箱，排种器壳体上的出气口接风机的进气端，由拖拉机后输出轴给风机提供动力。风机启动后，与排种器出气口连通的真空气室形成一定的吸种负压。播种机地轮驱动排种器的窝眼滚筒组件逆时针旋转，从进种管中进入充种区的种群在窝眼滚筒的转动下形成半月状的环流运动种群，充种区底部稻种首先凭借自身重力、离心惯性力、种群压力及种群运动趋势充入窝眼。充入窝眼的稻种随窝眼转入负压吸种区后被吸孔吸附，当窝眼转离充种区后，窝眼内外未被吸孔稳定吸附的稻种在其自身重力的作用下，掉落回充种区，形成稻种的自重清种与窝眼滚筒的精量吸种。当吸附稻种的窝眼转到排种器正上方时，由于吸孔负压气流被上隔气块切断，失去负压吸附的稻种依靠自身重力落入导种管中，由导种管将每穴稻种导向种床。

1.1 窝眼结构参数

窝眼的充种效果直接影响其内部吸孔的吸种性能。由文献[14-15]可知，呈纺锤体状的稻种在重力场中主要以“平躺”和“侧卧”的姿态充入窝眼，2种姿态的充入概率约为90%。为确保稻种易于以“平躺”和“侧卧”的姿态充入窝眼，圆台状窝眼大端入口直径D应满足2粒稻种同时充入的要求，且窝眼深度H应大于稻种的宽度尺寸，即

(1)

式(1)中：l为稻种最大三轴尺寸的长度尺寸，mm；w为稻种宽度尺寸，mm。依据常见稻种最大长度尺寸不超过10.0 mm、宽度尺寸不超过3.60 mm[14-15]，分别取D为17.0 mm、H为4.0 mm。圆台状窝眼底面与母线的夹角θ应利于将充入窝眼的稻种导向吸孔，且不影响稻种投种时从窝眼内投出，参考前期的试验结果[16]，θ取120°，如图2所示。

1.2 窝眼滚筒内径与窝眼数

窝眼滚筒内径与其周向窝眼数的关系式为

(2)

式(2)中：Ds为窝眼滚筒内径，mm；Z为窝眼滚筒周向窝眼数；S为圆台状窝眼大端直径对应的弧长，mm；K为窝眼间隔宽，mm。直播机在田间作业时，其前进速度与排种器窝眼滚筒转速的关系式为

(3)

式(3)中：n为窝眼滚筒转速，r·min-1；vm为直播机前进速度，m·s-1；L为播种穴距，m。由式(3)可知，当直播机前进速度vm与播种穴距L一定时，窝眼滚筒转速n与窝眼数Z成反比，即增多窝眼滚筒周向窝眼数，在相同排种频率下可降低滚筒转速，提升窝眼的充种效果。由式(2)可知，当窝眼尺寸及其间隔宽一定时，窝眼数Z与窝眼滚筒内径Ds呈正比，增大窝眼滚筒内径，可增加周向窝眼数，降低窝眼滚筒转速，但窝眼滚筒内径不宜过大，以避免排种器整体结构变得庞大笨重。参考当前窝眼滚筒式排种器滚筒直径在80～200 mm的研究与应用经验[17]，确定窝眼滚筒内径Ds为150 mm。依据杂交稻穴直播种植农艺要求，取播种穴距L为0.20 m。根据当前直播机田间最高前进速度为1.2 m·s-1，在已确定窝眼滚筒内径的前提下，在其周向上尽可能多地分布窝眼，因此设定窝眼滚筒周向窝眼数为14，则排种器窝眼滚筒转速为25.71 r·min-1[4]。由圆台状窝眼大端直径D=17 mm可知，其对应的弧长S为17.03 mm，则窝眼间隔宽为16.61 mm，大于稻种的最大长度尺寸l，可避免相邻窝眼充种时的抢种现象。

1.3 群布吸孔数量

文献[18]中对群布多吸孔气流场的计算流体力学仿真分析表明，在一定的气室真空度条件下，群布吸孔间保持适当的距离即可确保单个吸孔独立吸种、相邻吸孔负压气流无干涉串流现象。大量水稻吸种试验表明，稻种具有不规则的纺锤体形状，通过合适的吸种负压获得单个吸孔吸附单粒稻种的概率较大[12，19]。针对杂交稻精量穴直播时每穴播种2～4粒的精度要求，确定每个窝眼内分布3个吸孔，以寻求最大的穴粒数合格指数概率[20-21]。吸孔直径参考前期研究结果，取1.4 mm[22]。为实现排种器投种时每穴多粒稻种的同步性，提升播种成穴效果，3个吸孔沿窝眼滚筒轴向分布，使排种器的上隔气块能同时切断3个吸孔的吸种负压。为提高单个吸孔独自吸种的概率，并避免3个吸孔同时只吸1粒稻种，相邻吸孔中心距应同时满足

(4)

式(4)中：T为相邻吸孔中心距，mm；d为吸孔直径，取1.4 mm；t为稻种厚度尺寸，mm。根据常见稻种的三轴尺寸，l一般为7.79～9.79 mm，t一般为1.88～2.26 mm，考虑每穴多粒稻种的集中投种与导种，取吸孔中心距T为4.3 mm[14-15]。

2 吸种性能试验

由图1可知，水稻内充气力式精量穴直播排种器的排种环节依次为充吸种、清携种和投种。该设备依靠负压吸附携种和稻种自重清种，无需配套清种和携种机构，简化了排种装置，缩短了排种路径。为明确排种器在当前直播机作业速度范围及较高排种频率下适宜的吸种工况组合，采用高速摄像分析技术，开展排种器的吸种性能试验，并探究其对不同外形尺寸稻种的吸种适应性。

2.1 试验材料与装置

试验排种对象选择适宜旱直播种植的中农2008杂交稻，其基本物料特性如表1所示。试验排种前对稻种进行除杂处理。

排种器吸种性能的试验装置如图3所示。

2.2 试验设计与方法

对于气力式排种器，在其结构参数确定的前提下，吸种部件转速、气室真空度、充种区种层厚度等是影响其排种性能的主要工作参数[23-24]。采用正交试验设计方法，以窝眼滚筒转速、气室真

表1 供试水稻种子的物料特性

Table 1 Material characteristics of test rice seeds

品种Variety含水率Moisturecontent/%千粒重Thousand kernelweight/g平均三轴尺寸(长度×宽度×厚度)Average shape size (length×width×thickness)/(mm×mm×mm)球度Sphericity/%中农2008 Zhongnong200811.9626.4248.28×3.04×2.1245.47特三矮2号 Tesanai No. 212.1227.6297.79×3.31×2.2649.77冈优898 Gangyou89811.8327.0108.31×2.89×2.0243.89丰两优3948 Fengliangyou394811.2724.9149.60×2.55×2.0538.42

1，风机；2，变频器；3，减速电机；4，通气管；5，转速传感器；6，U型测压计；7，高速摄像系统；8，排种器。1， Fan; 2， Inverter; 3， Geared motor; 4， Air tube; 5， Speed sensor; 6， U-type pressure gauge; 7， High speed camera; 8， Meter device.图3 吸种性能试验装置Fig.3 Test bench of seed sucking performance

空度和进种口高度(通过改变进种口高度调节进入充种区的种子量)为试验因素，以吸种合格指数、漏吸指数、重吸指数为性能评价指标，探究内充气力式精量穴直播排种器适宜的吸种工况组合。根据直播机作业时一般的前进速度范围及其与排种器窝眼滚筒转速的关系式[式(3)]，分别取窝眼滚筒转速为17.14、25.71、34.29 r·min-1，对应的直播机前进速度分别为0.8、1.2、1.6 m·s-1。依据前期的排种试验，气室真空度与进种口高度的水平选取详见表2。正交试验设计选择L9(34)正交表，一并考查窝眼滚筒转速与气室真空度的交互作用对吸种性能的影响。

根据正交试验得出的排种器较优吸种工作参数组合，选取3种外形尺寸存在明显差异的杂交稻品种(短圆的特三矮2号，中等的冈优898和长细的丰两优3948，具体物料特性参数如表1所示)，开展排种器的吸种适应性试验。

试验时，利用高速摄像系统(i-SPEED 3，日本Olympus公司)拍摄、存储排种器的投种过程，并借助配套视频处理软件i-SPEED Viewer读取每一帧照片，参照NY/T 987—2006《铺膜穴播机作业质量》，连续统计250穴窝眼投种时的每穴粒数，每组试验重复2次，取平均值作为试验值。各性能评价指标的计算公式如下：

表2 试验因素及水平

Table 2 Factors and levels of experiment

水平Levels试验因素 Experiment factorsA窝眼滚筒转速Cylinder rotationalspeed/(r·min-1)B气室真空度Vacuum degree/kPaC进种口高度Seed-inletheight/mm117.141.025225.711.130334.291.235

(5)

式(5)中：M为漏吸指数，%；Q为合格指数，%；RA为重吸指数，%；nM为窝眼内吸种0～1粒的穴数；nQ为窝眼内吸种2～4粒的穴数；nR为窝眼内吸种数超过4粒的穴数；N为每次统计样本的总穴数，N=250。

3 结果与分析

3.1 各试验因素对吸种性能的影响

正交试验方案及结果见表3，采用Minitab软件对正交试验结果进行极差分析，结果见表4。由表4可知，影响排种器漏吸指数、合格指数及重吸指数的主次因素各不相同，且以漏吸指数为性能指标得到的较优水平组合与以合格指数或重吸指数为性能指标得到的较优水平组合不同。

表3 正交试验方案及结果

Table 3 Design and results of orthogonal experiment

试验编号Test number因素和水平Factors and levelsA/(r·min-1)B/kPaA×BC/mm性能指标Experiment indexesM/%Q/%RA/%111112.690.27.2212220.891.67.6313334.684.411.0421233.287.69.2522312.089.68.4623121.487.810.8731324.285.610.2832133.686.210.2933210.686.812.6

表4 正交试验极差分析结果

Table 4 Range analysis of orthogonal experiment

分析项Analysis itemM/%ABA×BCQ/%ABA×BCRA/%ABA×BCK12.6673.3332.5331.73388.73387.80088.06788.8678.6008.8679.4009.400K22.2002.1331.5332.13388.33389.13388.66788.3339.4678.7339.8009.533K32.8002.2003.6003.80086.20086.33386.53386.06711.00011.4679.86710.133R0.6001.2002.0672.0672.5332.8002.1332.8002.4002.7330.4670.733主次因素Primary andsecondary factorsC=A×B>B>AB=C>A>A×BB>A>C>A×B较优水平及组合Optimum leveland combinationA2B2C1A1B2C1A1B2C1

低进种口高度与中等窝眼滚筒转速及中等气室真空度的组合有利于改善排种器的漏吸现象，而低进种口高度与低窝眼滚筒转速及中等气室真空度的组合有利于提高排种器每穴2～4粒的吸种效果。可见，通过降低进种口高度，减少充种区种子量，降低种群分离过程中被吸附稻种所受的种群阻力，可有效提高气吸式排种器的吸种效果，这与文献[9]的研究结论一致。

为进一步明确排种器适宜的吸种工作参数组合，对正交试验的2次重复结果进行方差分析，结果如表5所示。由表5可知，窝眼滚筒转速对排种器吸种合格指数、重吸指数均有显著(P<0.05)影响，但对漏吸指数无显著影响(极差分析结果也显示，漏吸指数受窝眼滚筒转速影响较小)，而气室真空度与进种口高度对漏吸指数、合格指数均有极显著(P<0.01)或显著(P<0.05)影响，故确定排种器适宜的吸种工作参数组合为A1B2C1，即窝眼滚筒转速为17.14 r·min-1，气室真空度为1.1 kPa，进种口高度为25 mm。

表5 正交试验的方差分析结果

Table 5 Variance analysis of orthogonal experiment result

性能指标Experiment index差异源Variation source离差平方和Standard deviation square自由度Degree of freedom均方Mean squareF值F valueP值P valueMA/(r·min-1)1.19120.5963.9410.059B/kPa5.45822.72918.059<0.01A×B12.81826.40942.412<0.01C/mm14.41827.20947.706<0.01误差Error1.36090.151QA/(r·min-1)22.258211.1297.322<0.05B/kPa23.538211.7697.743<0.05A×B14.52427.2624.778<0.05C/mm26.524213.2628.725<0.01误差Error13.68091.520RAA/(r·min-1)17.72428.8625.087<0.05B/kPa28.498214.2498.179<0.01A×B0.76420.3820.2190.807C/mm1.83120.9160.5260.608误差Error15.68091.742

采用A1B2C1的工作参数组合进行2次重复吸种验证试验，试验结果为漏吸指数1.0%、合格指数92.4%、重吸指数6.6%，优于A2B2C1工作参数组合的漏吸指数2.0%、合格指数89.6%、重吸指数8.4%，且无空吸(窝眼内吸种数为0)现象，能较好地满足杂交稻机械化精确少量穴直播对播种穴粒数的农艺要求。

3.2 排种器对不同杂交稻品种的吸种适应性

采用窝眼滚筒转速17.14 r·min-1、气室真空度1.1 kPa、进种口高度25 mm的排种工况，对特三矮2号、冈优898、丰两优3948分别进行吸种效果高速摄像试验，试验结果如表6所示。

由表6可知，排种器在设定的工作参数组合下，对外形尺寸存在明显差异的特三矮2号、冈优898和丰两优3948杂交稻品种均具有良好的吸种效果，漏吸指数均不高于2.4%，合格指数均不低于91.2%，重吸指数均不高于7.8%，基本无空吸现象，各项吸种性能指标均满足杂交稻精确少量穴直播的排种精度要求。试验结果表明，排种器的内充多吸孔窝眼结构对不同杂交稻品种具有较好的吸种适应性。

表6 不同杂交稻品种的吸种试验结果

Table 6 Seed-sucking test results of different hybrid rice varieties

品种VarietyM/%Q/%RA/%特三矮2号 Tesanai No. 21.691.86.6冈优898 Gangyou8981.091.27.8丰两优3948 Fengliangyou39482.492.45.2

4 结论

本研究基于具有多吸孔窝眼结构的内充气力式排种方法，利用稻种的自重清种作用，实现了稻种的精量吸附与种群分离，其精量吸种效果能满足杂交稻田间精确少量穴直播、每穴播种2～4粒的穴粒数农艺要求。

基于排种器窝眼滚筒转速、气室真空度、进种口高度及窝眼滚筒转速与气室真空度交互作用的4因素3水平正交试验表明，影响排种器漏吸指数、合格指数及重吸指数的主次因素各不相同：影响漏吸指数的主次因素依次为进种口高度=窝眼滚筒转速×气室真空度>气室真空度>窝眼滚筒转速；影响合格指数的主次因素依次为气室真空度=进种口高度>窝眼滚筒转速>窝眼滚筒转速×气室真空度；影响重吸指数的主次因素依次为气室真空度>窝眼滚筒转速>进种口高度>窝眼滚筒转速×气室真空度。在当前直播机田间作业前进速度范围内，排种器较优的吸种工作参数组合为窝眼滚筒转速17.14 r·min-1，气室真空度1.1 kPa，进种口高度25 mm。在此条件下的验证结果显示，漏吸指数为1.0%，合格指数为92.4%，重吸指数为6.6%，无空吸现象。排种器的内充多吸孔窝眼结构对种子外形短圆、中等及长细的杂交稻品种均具有良好的吸种适应性。