气吹集排式水稻旱直播机关键部件设计与试验

戴亿政，罗锡文，张明华，兰 峰，周玉姣，王在满

·农业装备工程与机械化·

气吹集排式水稻旱直播机关键部件设计与试验

戴亿政1,2，罗锡文1，张明华1，兰 峰2，周玉姣2，王在满1※

（1. 华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642；2. 江西省农业机械研究所，南昌 330044）

针对中国水稻直播品种不一、高速作业和大播量的要求，该文设计了一种气吹集排式水稻旱地精量直播机，直播机主要由均匀分种装置、定量排种装置、气力输送装置、同步传动装置、大尺寸集成种箱、开沟覆土镇压装置和支撑悬挂装置组成。从直播机的稻种适应性、作业速度、播量调节等方面研究了气吹集排式分种器的分种机理和分种均匀性。根据不同品种水稻种子的物理特性和气流输送原理，分析了不同种子在持续气流作用下，种子在分种器中的运动轨迹。按照大播量可调要求，设计了播量无级可调槽轮式排种器，槽轮槽形为圆弧状，通过双地轮驱动排种器保证播量同步。设计变速传动装置增加定量排种装置高速作业的适应性，气力输送装置使定量排种装置排出的种子在高速作业下连续排入播种沟。分种器的均匀稳定分种提高了直播机播种的均匀性和稳定性，通过减少排种器数量和使用气力输送种子，降低了伤种率。对比不同籼、粳稻品种在直播过程的运动规律和田间播种效果，得到了适应不同稻种的分种器结构及相关参数。试制了气吹集排式直播机并进行田间试验。田间试验结果表明，气吹集排式直播机的播量在75～375 kg/hm2可调，最高作业速度为14 km/h，10行幅宽2 m和20行幅宽4 m的每行播种量变异系数分别为4.89%和5.06%，田间播种的稻种破损率为0.46%。2017年，在宁夏播种富源4号品种的产量为10 372.5 kg/hm2，在广东播种粤农丝苗品种的产量为7 074 kg/hm2，生产试验结果表明，所研制的气吹集排式水稻旱直播机达到了设计目标，满足作业需求。

农业机械；水稻；分种器；直播机；气力输送；旱地

0 引 言

水稻是中国最重要的粮食作物之一，2018年中国水稻种植面积约3019万hm2，产量约2.12亿t，分别占全国谷物种植面积的30.29%和总产量的34.77%[1]。中国三大粮食作物生产中，水稻生产机械化水平最低，2017年水稻耕种收综合机械化水平为80.18%，耕整、收获和种植机械化水平分别为97.75%、88.76%和48.16%[2]。据估计，中国约30%的水稻种植面积采用直播，在中国北方新疆、宁夏和黑龙江等地的水稻田块大、面积广、播量大，但高效适宜大规模应用的机具较少，亟需研究高速大播量和技术先进的播种设备[3-4]。

气吹集排式水稻旱直播技术是指在播种过程中，利用正压气流带动种子运动，根据水稻旱直播农艺要求[5-8]，采用集中排种和分种的方式实现多行播种的技术[9-10]。20世纪60年代，气吹集排式播种机在美国、加拿大、澳大利亚、欧洲等国家开始得到应用，2018年法国农业机械化新技术中心针对传统播种机械幅宽限制、价格较高、结构复杂和气力式播种机均匀性差的问题，对气力式播种机气力输送装置的空气速度、流场浓度和管径3个因素进行了研究[11]，通过试验获得了合理气力输送的最大流场浓度和最小流速，对排种管直径取值提出了参考。2015年日本NARO北陆农业研究中心研发了一种U型气力水稻条播机，幅宽10 m，行距0.3 m，一个排种轮对应4行，并进行了4年的种植方式和施肥田间对比试验，取得了良好的分蘖和产量效果[12]。国内对气吹集排式播种机的研究主要集中在排种器和分种器单体，包括排种器形状结构设计与试验[13-17]、分种器动力学仿真[18]和一阶集排式排种装置等[19]，适用作物范围主要有小麦、大豆、玉米、牧草和油菜，而在水稻种植领域的研究鲜有报道，对水稻分种器的分种机理研究也较少，试验方法以室内台架试验为主[20]。主要研究领域集中在分种器和排种器的设计、力学仿真方面，研究成果主要是对播种机关键部件性能的验证，对分种器和排种器形状结构相关设计参数的优化，对气吹集排式水稻旱直播机（下文简称“直播机”）整机的研究较少，对整机的播种原理研究也较少。

针对这一现状和问题，本文拟分析直播机播种原理，确定设计参数并制造关键部件，试制20行旱直播机并进行田间试验，以期为解决中国北方大田稻区低速和大播量的机械化直播作业问题提供依据。

1 总体方案

1.1 设计依据

为满足多品种、高速和大播量的作业要求，实现均匀高质量的播种功能，结合旱直播农艺要求和田间作业环境，提出了一种气吹集排式水稻旱直播技术，采用拖拉机悬挂式作业，牵引式运输行走，主要包括分种装置、排种装置、气力输送装置和动力底盘装置，其中动力底盘装置分为同步传动装置、大尺寸集成种箱、开沟覆土镇压装置和支撑悬挂装置等。设计目标的定义如下：播量为单位面积播种的水稻种子质量（kg/hm2），大播量范围参考中国田间经验播量240～375 kg/hm2，兼顾75 kg/hm2以上的播量。作业速度是指水稻播种机具随牵引动力的前进速度（km/h），高速作业为10～15 km/h，中速作业为6～9 km/h，低速作业为2～5 km/h，直播机设计目标的最大播量取375 kg/hm2，作业速度大于10 km/h。

稻种和配套拖拉机是直播机设计的重要依据，稻种包括不同稻区籼稻和粳稻直播品种，故整机设计前先对稻种和拖拉机特性进行测量和分析，为直播机的设计与试验提供参考。中国水稻旱直播的主要地区及参考播量如表1所示。

表1 不同地区水稻旱直播播量

直播机与拖拉机的合理匹配包括静止挂接与动力匹配。按照直播机整机质量，选用满足功率要求的拖拉机，根据拖拉机功率确定上下拉杆的尺寸及浮动范围。直播机的三点悬挂挂耳位置在拉杆尺寸范围之内，应尽量使挂接点空间浮动范围大，提升挂接效率。拖拉机悬挂能力按文献[21]方法计算。据此，本文对2BDQJ-20型气吹集排式水稻旱直播机的关键部件进行设计，该机采用双排种分种机构[22]，通过拖拉机PTO（Power Take Off）和直播机地轮分别驱动气源和排种器，保证分种器均匀分种，作业速度可达14 km/h，播种量在75～375 kg/hm2范围内可调，大于中国水稻直播机普遍在3.6～5.4 km/h的作业速度。

1.2 整机结构

气吹集排式水稻旱直播整机结构如图1所示，该机采用双分种和双排种装置，分种装置与排种装置成对配置，每个分种排种装置对应幅宽2 m。直播机幅宽4 m，质量为1.79 t，采用液压悬挂方式挂接，拖拉机提供牵引和驱动动力，参照88.2 kW拖拉机标定功率设计挂接装置和动力传动方案。

1.排种装置 2.动力底盘装置 3.分种装置 4.气力输送装置 5.种箱 6.拖拉机

直播机整机结构左右对称，重心居中且位于底盘主梁上，主要包括如图2所示的排种装置、动力底盘装置、分种装置和气力输送装置4个部分，分种装置后置利于排种管件的布置，位于开沟装置正上方，分种装置与排种装置成对配置。种箱按1 t稻种容量设计，排种装置位于种箱正下方，利用稻种自身重力排种。气力输送装置将排种装置和分种装置联为一体，管道装置风机的动力来自轮式拖拉机PTO输出。动力底盘装置具有开沟覆土镇压等功能，固定和承载分种、排种装置和气力输送装置，并通过悬挂装置将各部分与拖拉机联为一体，直播机设有可拆卸运输行走轮和加种台。整机三维尺寸为4 678 mm´2 826 mm´2 006 mm。

1.3 工作原理

直播机工作原理如图2所示，种箱Ⅲ中的稻种Ⅱ经槽轮式排种装置Ⅳ连续排出，在装置Ⅴ中与风机Ⅰ产生的气流混合并输送到分种装置Ⅵ，在分种器内部气流压差作用下，均匀稳定地分配至各排种管，成条地落入播种行。图中黑色箭头方向表示气流方向，长实线箭头线表示一粒水稻种子的运动轨迹方向。

Ⅰ.风机 Ⅱ.稻种 Ⅲ.种箱 Ⅳ.排种装置 Ⅴ.气力输送装置 Ⅵ.分种装置

Ⅰ.Fan Ⅱ. Rice seeds Ⅲ. Seed box Ⅳ. Seed metering device Ⅴ. Pneumatic conveying device Ⅵ. Seed distributing device

注：“®”表示气流输送方向；“1~10”表示分种装置行号；长实线箭头表示稻种的运动轨迹。下同。

Note: “®” is the direction of airflow, “1-10” is the row No. of the seed distributing device; the long solid arrow indicates the trajectory of the rice seed. The same below.

图2 气吹集排式水稻旱直播机工作原理

Fig.2 Working principle of centralized pneumatic rice dry direct seeding machine

气吹集排式水稻旱直播过程分为流体驱动、排种、混种、分种和投种5个过程，主要工作部件为增速器、风机、中央排种器、导种器、分种器和排种管。驱动过程中，增速器将拖拉机PTO的低转速转化为驱动风机的高转速，风机轴驱动叶轮产生空气流；排种过程中，中央排种器将种箱内的稻种排出并输送给导种器；混种过程中，导种器依据喷射式给料原理[23-24]将排种器排出的稻种与流动的空气混合导向分种器；分种过程中，导种器输出的气种混合流通过分种器输送管进入分种器内外盖形成的流场，在内外压力差作用下气种混合流均分；投种过程中，排种管连接稻种出口与开沟器，将等分的气种混合流导入种沟，完成播种过程。在驱动过程控制气源，在排种过程控制整机播量，在混种过程控制稻种运动方向，在分种过程控制稻种分配均匀性，在投种过程保证排种的顺畅，5个过程联合作用使直播机每行稻种播量近似相等，播种连续均匀，在排种轮作用力、稻种自身重力和风力作用下，稻种依次经过排种器、导种器、分种器和排种管，进入田间种沟。

2 关键参数确定

2.1 管径

管径是直播机的基准结构参数，主要涉及分种装置排种管管径和气力输送装置输送管径，根据稻种的物理特性和在气流输送过程中的悬浮速度，根据375 kg/hm2最大播量和大于10 km/h作业速度，通过计算[25]，确定排种管管径为22 mm，输送管径为58 mm。

2.2 压力与流量

压力和流量是直播机的工作参数，气压计算主要考虑沿程压力损失，气力输送装置由拖拉机PTO提供动力源，属于有能量输入的管道压力流体装置，稻种在高速气流作用下，在管道内形成气种两相流，依据雷诺数大小对管道流体运动状态进行判别，可知气流在管道内主要为湍流运动状态，在管道内由于存在与稻种的相互作用运动更为复杂，稻种受湍流气流作用向前运动，湍流中由于气流输送方向垂直的压力分量，以及稻种自身形状的不规则影响，稻种易产生不规则运动。

假设稻种在输送管道两端的压力差为D（Pa），沿程气压损失h（Pa）包括阻力损失h（Pa）、局部流动损失h（Pa）[26]和输送稻种做功引起的损失h（Pa）。由于对湍流的机理还未充分认识，目前还没有建立完整的理论模型，参考相关研究[27]，管道湍流区域的h根据达西公式（1）计算。

局部流动损失h包括管道入口、三通、阀、突缩和弯管等接口或局部阻碍处的损失，h采用式（2）计算。

稻种输送损失h按文献[28]方法计算，在空气单相流的基础上乘以输送浓度系数，如式（3）。

式（1）、式（2）和式（3）中，为稻气比，无量纲；Q、Q分别为稻种和空气的质量流量，kg/s；为重力加速度，本文取9.8 m/s2；为流体速度，m/s；为达西摩擦因子，根据R值查穆迪表得0.02～0.03，为管长，m；为局部阻力系数，为入口局部阻力系数，取0.5；为三通管局部阻力系数，取1.2；为截止阀局部阻力系数，取3.1，本文中只考虑泄压作用，不经主流通管道；为导种器局部突缩阻力系数；A和A为管道突缩前后的内截面面积，m2；为弯管处局部阻力系数，取0.1；为输送管内径，mm。为保证气力输送装置的正常运行，压力必须满足式（4）。

式中为气力输送装置有效附加系数，经试验数据测算，本文取1.13。

对管道内任意2佣截面位置1、2有：

式中1、2为截面1、2处的空气输送密度，kg/m3；1和2为截面1、2处的截面面积，mm2；1和2为流体速度，m/s；Q为质量流量，kg/s。

由式（4）、式（5）可知，研究稻种在空气中的悬浮速度、最小输送速度和质量流量至关重要，悬浮速度可按气流输送理论公式[29]计算，最小输送速度和质量流量根据压力和分种均匀性试验结果选取较优值。

2.3 稻气比

稻气比影响直播机的播种均匀性，稻气比为稻种与空气质量流量之比，可由式（3）计算。由于在整个管道中，空气稻种两相大多处于湍流运动状态，流动速度计算较复杂，有“混合长度理论”半经验公式和尼古拉兹指数经验公式可供参考，通过理论计算、经验数据和试验测量相结合的方法确定悬浮速度（m/s）。

3 关键部件设计

3.1 分种装置

分种器将稻种均分到各分种口，是分种装置的主体结构。与传统排种管各行独立布置相比，分种器将各行排种管联为一体，提高了分种均匀性。通过结构设计，计算流体动力学仿真和高速摄像等台架试验，直播机采用如图3所示的分种器。一个分种器播种10行，气流和稻种从弯管（图3中7）端进入，从排种管（图3中5）端排出，根据相关文献[21,30]和台架试验结果，分种器各行之间变异系数仅3.58%。

1.外盖 2.内盖 3.泡沫塑料 4.分种盘 5.排种管 6.波纹管 7.弯管 8.管座 9.支架

3.2 排种装置

为适应品种的多样性和满足大播量要求，直播机采用集排式排种方案，1个排种器供应10行的稻种，自制了集排式槽轮排种器，排种器包括槽轮、壳体和播量无级调节机构，并进行了相关试验，确定了壳体、槽轮、半圆弧形槽和毛刷的结构参数[31]。为确定排种器内部结构倾角，对稻种充种过程进行受力分析，如图4所示。稻种从充种区的挡种板处开始充种，为研究充种过程相关角度和设计壳体支撑板和挡种板倾角，对稻种开始进入型槽进行受力分析。槽轮槽体表面光滑，稻种与型槽壁的摩擦力忽略不计，受力平衡方程为

式中为稻种间内摩擦系数，由式（6）~（9）得：

由式（10）可知，与、、有关，而与z有关，z与稻种在充种区的填充状态有关，最终反映到壳体挡种板倾角，为尽量减少稻种在充种区的应力和避免卡种问题，应小于稻种自然休止角，为保证一定的流动性，取=30°。同理，壳体支撑板倾角在排种区，为保证槽轮在极限转速内将稻种充满槽内，应大于稻种自然休止角，取43°。

1.支撑板 2.挡种板 3.稻种

1.Support plate 2.Retaining plate 3.Rice seeds

注：为坐标系；1为稻种质点；为充种起始角，(°)；为型槽倾角，(°)；为挡种板倾角，(°)；为支撑板倾角，(°)；为槽轮转速，r·min-1；为稻种所受重力，N；为上层稻种对下层稻种的压力，N；F为槽轮对稻种的支撑力，N；F为惯性离心力，N；f为槽轮与稻种之间的摩擦力，N；为稻种质量，kg；为重力加速度，m·s-2。

Note:is coordinate system;1is the rice seed particle;is the initial angle of seed filling, (°);is the inclination angle of groove, (°);is the inclination angle of retaining plate, (°);is the inclination angle of support plate, (°);is rotation speed of grooved wheel, r·min-1;is the force of gravity on the rice seed, N;is the pressure of the upper rice seed to the lower rice seed, N;Fis the supporting force of grooved wheel on rice seed, N;Fis the inertial centrifugal force, N;fis the friction force between the grooved wheel and rice seed, N;is the mass of rice seed, kg;is the acceleration of gravity, m·s-2.

图4 稻种充种过程受力分析

Fig.4 Force analysis of rice seeds feeding process

根据受力分析、理论计算和设计经验，确定集排式排种器槽轮直径100 mm，槽深12 mm，槽宽29 mm。因槽轮中排下的稻种由气流集中输送至分种器，减少了槽轮脉动对播种均匀性的影响。1个排种器对应1个分种器，供应10行的稻种，2 m幅宽直播采用单分种和单排种配置，4 m幅宽直播采用双分种和双排种配置。台架试验结果表明，集排式排种器播量在75～375 kg/hm2范围内，播量稳定。可为直播机提供稳定的稻种流。

3.3 气力输送装置

气力输送装置主要包括风机、导种器、管道、气流控制阀体和仪表等零部件，其空间布置设计基于分种装置结构、排种装置结构和机架结构，动力源来自牵引拖拉机，稻种在气力输送装置中的输送流程如图5所示。气压通过图5中压力表1、2测得，风机与分种器通过主管道1、2、3、4联接，1为风机与截止阀之间的连接管，2为截止阀与导种器之间的连接管，3为排种器与导种器之间的连接管，4为导种器与分种器之间的连接管，“N1、N2”为风速测量点。

由图5可知，风机气压依次通过连接管1、2到达导种器，在连接管1和2内属于单纯的空气压力场；稻种从种箱经连接管3到达导种器，导种器中管道截面急剧减小，使进入导种器的压缩空气流速急剧增大，稻种在高速气流作用下，在连接管4内形成气种两相流；两相流经4进入分种器。

注：“l1、l2、l3、l4”表示连接管；“N1和N2”表示风速测量点；PTO为动力输出。下同。

通过自制试验台架进行流速等基本参数的测量，直播机气力输送沿程气压损失s、压力损耗D、稻气比等参数的计算，设计制造的直播机风管回路如图6所示。

1.直管a 2.90°弯管 3.直管b 4.三通 5.直管c 6.变径管 7.导种器 8.软管a 9.软管b

3.4 底盘传动装置

直播机底盘传动装置是直播机其他部分的载体，起到支撑、传动、平整、开沟覆土、挂接运输和消除轮辙等作用，由风机动力驱动机构、排种器驱动机构、机架、三点悬挂和相关支架等组成，对动力底盘的要求是满足功能、有效传递和受力均衡。满足功能是动力底盘装置的基本要求，应根据农业机械作业环境恶劣、作业对象不标准和作业功能复杂等特点考虑功能设计。有效传递是选择最佳传动方案的原则，为稻种运动的输入气压和稻种输送的质量流量提供支撑。受力均衡是选材、结构设计和力学分析的目标。根据上述设计思路，结合分种装置、排种装置和气力输送装置的设计计算结果，设计了如图7所示的直播机动力底盘结构。分种器的排种管（图3中5）末端与开沟器（图7中16）柔性连接。

风机驱动传动路线如图8所示，轮式拖拉机的动力通过PTO输出，万向联轴器将轮式拖拉机的动力同步传递给增速器输入轴，增速器通过内部平行轴齿轮传动增速，增速器输出轴通过联轴器与风机动力轴同轴连接，联轴器按照增速器的输出轴和风机的输入轴尺寸进行选配。增速器传动比为1:5.76，内部齿轮模数为3。当直播机由于田面平整度和震动等影响前进速度时，高传动比可以使风机有较高的转速，从而保证分种气压的相对稳定，风机转速在3 000～5 000 r/min。

1.牵引悬挂 2.机架 3.镇压滚筒 4.变速器定位板 5.地轮 6.三脚架悬挂7.下悬挂 8.风机定位板 9.三脚架 10.挂接器 11.上悬挂 12.种箱支撑架 13.张紧轮 14.行走轮 15.刮土器 16.开沟器 17.加种台 18.锁链器19.台阶 20.合页 21.分种器定位架 22.导种器定位板 23.后梁支点

注：n为PTO输出转速，r·min-1；i为增速器传动比。

为了保证田间播量均匀，排种器的动力传动必须与拖拉机行走同步，且要求传动比准确可靠，据此制定了如图9所示的排种器排种轴驱动方案，图示为整机1/2传动示意图，另1/2通过同一排种轴对称连接。采用双地轮前置对称设计，提高地轮仿形性能和降低滑移率，双地轮中心横截面距离为2 953 mm。通过双侧飞轮设计，解决地轮滑移或滑转造成的传动轴受力不均的问题。

注：i1、i2、i3、i4为传动比；数字表示链轮齿数。

4 试验与结果分析

参照GB/T 9478-2005、NY/T 1143-2006、NY/T 1229-2006等国家技术标准[32-34]，进行整机田间性能试验和生产试验，测试直播机行间播种均匀性和水稻生产效果。

4.1 田间作业性能试验

田间性能试验主要测试直播机的播量调节范围、拖拉机不同行走速度下行间播量均匀性，以及地轮传动滑移率、稻种破损率等，验证整机设计的性能参数并为生产试验提供参考，针对旱直播机在田间作业性能试验过程中出现的问题对直播机进行改进。

2016年12月在广州华南农业大学增城教学基地进行的作业性能试验表明，直播机的播量在75～375 kg/hm2可调，最高作业速度达14 km/h；10行作业幅宽2 m和20行作业幅宽4 m的每行播种量变异系数分别为4.89%和5.06%，田间播种的稻种破损率为0.46%，地轮滑移率平均约为10.21%。性能试验结果验证了总体设计的合理性，可满足大播量、高速作业的直播要求，基于此，2017年4月先后于广州华南农业大学增城教学基地和宁夏灵武农场进行了生产试验。

4.2 生产试验

生产试验根据当地农艺要求，采用气吹集排式水稻旱直播机进行播种，计算播量和作业效率，按照同等田间管理条件管理，对水稻生长情况进行观测并测产，对产量数据进行分析，评价旱直播机的播种效果。

4.2.1 试验机具与材料

试验仪器和设备包括自制直播机1台、88.2 kW拖拉机1台。广州增城的生产试验选用籼粒形水稻品种粤农丝苗2号和华航48号，灵武生产试验选用粳粒形水稻富源4号，都为常规稻品种。

增城试验地点在华南农业大学增城教学基地，田块长约130 m，宽约61 m，土壤质地偏黏性，试验时气温约27.7 ℃，空气湿度约78%，播种时间为2017年4月7日。灵武试验地点在宁夏灵武农场，田块大小约0.33 hm2，土壤细碎，田面平整无杂物，试验时气温约26.2 ℃，空气湿度约10%，播种时间为2017年4月24日。

4.2.2 试验方法与数据

生产试验参照当地常用播量播种，播前处理好稻种。播前测量待播地的土壤物理特性，播种深度2～3 cm。播后调查水稻生长情况，成熟时按照人工取样和机收2种方法测产，同一试验3次重复。

增城生产试验中，播前测定稻种发芽率，浸种约24 h，不催芽晾干加入种箱，试验田土壤坚实度平均值为195.73 kPa，土壤平均含水率为23.03%。灵武生产试验中，播种的富源4号按当地农艺要求，和泥拌药晾干，试验田土壤坚实度平均值为178.17 kPa，土壤平均含水率为10.49%，土壤质地偏沙性，播种过程中开沟不覆土，种沟深2～3 cm。

4.2.3 田间试验与结果分析

增城水稻播种量约120 kg/hm2，2017年8月5日收获，生育期120 d。2017年8月3日取样调查表明，1 m2平均株数为83；8月5日采用井关608收割机收割并测产，粤农丝苗平均产量7 074 kg/hm2，华航48平均产量6 504 kg/hm2，详细产量数据见表2，由表2知，3个水稻品种实际产量与该品种的审定产量接近，实际产量约为理论产量的85%。

表2 2017年广东早稻产量及其构成因素

灵武水稻播种量约300 kg/hm2，2017年9月21日收获，生育期150 d。2017年7月25日调查平均株高97.8 cm，1 m2平均株数为146.6。宁夏灵武生产试验田于9月21日上午采用久保田PRO588收割机收割。试验田块采用测亩仪测量，面积为0.322 hm2，收割前按等距取样法，人工实割3个点，每点1 m2；收割过程中沿田埂先割除四周成熟水稻，随意选取3个割幅长度，3块取样田的面积分别为74.9、70.7和70.7 m2，3块取样田的稻谷分别为89.6 kg、含水率23.8%，83.75 kg、含水率24.8%和82.55 kg、含水率26.5%，按14.5%含水率计算，小区平均产量为10 372.5 kg/hm2。

将表2中数据导入Excel 2007中，采用SPSS Statistics 19.0[35-37]软件进行数据处理和分析，选用SPSS中双变量相关的Pearson相关系数进行分析，分析结果如表3所示，其中粤农丝苗实际产量与其有效穗数显著相关。

表3 产量与产量（Y）构成因素之间的相关性分析

注：1为有效穗数；2为每穗平均总粒数；3为结实率；4为千粒质量；为实际产量；*表示在0.05水平（双侧）上显著相关。

Note:1is effective panicles number;2is grains number of per panicle;3is seed setting rate;4is 1 000-grain weight;is actual yield; * represents he correlation was significant at the 0.05 level (bilateral).

通过增城、灵武2地3种不同籼、粳稻品种生产试验的产量及构成因素分析，说明研制的气吹集排式水稻旱直播机达到了设计目标，满足田间作业要求。

5 结 论

1）研制了气吹集排式水稻旱直播机，机具总质量1.79 t，20行幅宽4 m，三维尺寸4 678 mm´2 826 mm´2 006 mm。田间试验结果表明，气吹集排式直播机的播量在75～375 kg/hm2可调，最高作业速度达14 km/h，10行幅宽2 m和20行幅宽4 m直播机行间播种质量变异系数分别为4.89%和5.06%，田间播种稻种破损率为0.46%。2017年在宁夏采用富源4号品种的产量为10 372.5 kg/hm2，生产试验结果表明，研制的气吹集排式水稻旱直播机满足作业需求。

2）采用双分种和双排种系统方式，优化了分种装置与排种装置成对配置的总体设计方案。分析了整机承载、挂接和传动等功能，设计了直播机动力底盘装置、风机驱动装置和排种器驱动装置，研究了传动比与播量的关系，提高了排种装置高速作业的适应性；采用双地轮和飞轮配置方式，解决了地轮同步和滑移问题。研制了由分种内外盖、迭代波纹输送管和分种盘组成的气吹集排式水稻分种器，设计了一种中央集排式排种器。采用改进的达西公式对稻种湍流状态下的阻力损失进行了计算，根据试验确定了附加因子系数，为气力输送装置的压力选择和管径设计提供了依据。根据文丘里原理，设计了可灵活调节的导种器。

3）研制的气吹集排式水稻旱直播机质量较重，轻量化是下一步开展整机结构优化设计的重点，应在完善功能的前提下不断优化不承受载荷的构件，如镇压滚筒、开沟覆土仿形装置的结构优化；采用密度更小的材料，减小钢材板件厚度，采用直角钢材代替方管材；减小配套动力的功率。气吹集排式水稻旱直播机种箱容积较大，人工加稻种较困难，为实现播种作业机械化，需考虑设计开发自动装载稻种的装置。

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Design and experiments of the key components for centralized pneumatic rice dry direct seeding machine

Dai Yizheng1,2, Luo Xiwen1, Zhang Minghua1, Lan Feng2, Zhou Yujiao2, Wang Zaiman1※

(1.,,,510642,; 2.330044,)

Modern rice drilling needs to meet the increasing requirements of different rice varieties, high speed operation and large seeding rate for direct seeding farmland in China. In this study, a kind of centralized pneumatic rice seeding machine with high precision was developed for dry land, including uniform distributing unit, seeds metering unit, pneumatic tube line conveying unit, synchronous transmission unit, large size integrated seed box, ditching, soil covering and compacting unit, supporting and suspension unit. The distributing mechanism and uniformity of the pneumatic centralized distributor were investigated according to the rice varieties, working speed, and seeding rate of seeding machine. The theory of airflow conveying was utilized to evaluate the movement trajectories of seeds in the distributor under continuous air flow in terms of physical characteristics of different rice varieties. A groove-wheel metering device was designed to adjust the seeding rate, in order to meet the requirement of large tailoring speed of seeding, where the groove shape was arc-shaped, and a dual ground wheels driving was used to ensure the synchronization between seeding rate of seed metering device. Variable speed transmission devices were utilized to increase adaptability of high-speed working for the seeds metering unit. A centralized-pneumatic rice seeding machine was trail-produced and tested, and the comparison study was conducted to explore the movement behavior and field seeding effects by using varieties of indica and japonica rice in the direct seeding process. The test results showed that the seeding rate of rice seeding machine was 75-375 kg/hm2, the maximum working speed was 14 km/h, the working width of the 10 rows was 2 m and 20 rows was 4 m, and the coefficients of variation of sowing quantity per row were 4.89% and 5.06%, respectively. The broken rate of rice seeding in paddy field was 0.46%. In 2017, the rice yield of japonica Fu Yuan No. 4 was 10 372.5 kg/hm2in Ningxia, the rice yield of indica Yue Nong Si Miao was 7 074 kg/hm2in Guangdong. The production results demonstrated that the developed centralized pneumatic rice seeding machine for dry land could reach the design goal and meet the working requirements for direct seeding farmland in China.

agricultural machinery; rice; distributor; seed sowing machine; pneumatic conveying; dry land

戴亿政，罗锡文，张明华，等. 气吹集排式水稻旱直播机关键部件设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：1-8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.001 http://www.tcsae.org

Dai Yizheng, Luo Xiwen, Zhang Minghua, et al. Design and experiments of the key components for centralized pneumatic rice dry direct seeding machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 1-8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.001 http://www.tcsae.org

2020-01-19

2020-04-17

广东省基础与应用基础研究基金项目（2020B1515020034）；现代农业产业技术体系建设专项资金（CARS-01-41）；江西省重点研发计划项目（20192BBF60051）

戴亿政，博士生，主要从事农业生产机械化研究。Email：nc_vip@163.com

王在满，博士，副研究员，主要从事水稻生产机械化研究。Email：wangzaiman@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.10.001

S223.25

A

1002-6819(2020)-10-0001-08