水稻螺旋槽式排种器的设计及优化

潘兴家 董子钰 李骅 李超 白明超 杨松

摘要：针对江淮地区的水稻直播作业要求，为解决播种成穴精度的问题，以外槽轮排种器为基础，设计一款水稻精量直播螺旋槽式排种器。以南粳5055为试验材料，先对槽孔形状、槽孔螺旋角和行进速度进行单因素试验，去掉不理想参数，再通过三因素三水平正交试验得出最优组合，并通过矩阵分析法计算行走速度、槽孔形状、槽孔螺旋角对排种性能影响的大小。结果表明，当机具行走速度为0.4 m/s，槽孔形状为勺形，槽孔螺旋角为20°时合格率最高，穴粒数合格率为95.62%，穴径合格率为91.58%。机具行走速度对排种性能的影响大于槽孔形状，槽孔形状对排种性能的影响大于槽孔螺旋角。说明通过试验得到的最优组合，满足排种器性能要求。

关键词：水稻芽种;直播;螺旋槽式排种器;排种轮;槽孔;试验分析

中图分类号： S223.2  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2020）17-0233-07

水稻是我国的主要粮食作物之一，常年种植面积有3 000万hm2，在耕、收阶段机械化程度已经分别达到99.3%和87.1%，但是在播种阶段机械化程度只有44.5%[1]。美国水稻的播种已经完全实现机械化，日韩等国家也逐渐向水稻直播靠拢[2-3]。对此目前国内各地水稻直播、机插秧、撒播等播种方式，直播水稻虽然有易倒伏、杂草难除等缺点，但是面对如今劳动力人口短缺的问题，其经济效益优势明显[4-8]。

目前水稻的机械直播技术所用排种器主要分为气力式和机械式排种器，气力式排种器虽然能保证成穴精度，但是结构复杂、成本相对较高，若能将机械式排种器优化至满足农艺的要求，将会大大降低成本[9]。华南农业大学设计的组合型孔排种器[10]同时满足对常规稻和杂交稻的播种需求，但大小型孔对不同速度的适应性不一样，且调节量小。田立权等设计了1款弹射式耳勺型精量穴直播排种器[11]，性能满足直播需求，但是结构复杂。为实现播量的快速调节和排种轮的简单实用，本研究选择螺旋槽式排种器进行研究，通过优化槽孔形状、螺旋角大小来确定最优参数。

1 螺旋槽式排种器的结构及工作原理

1.1 螺旋槽式排种器的主要结构

由图1可知，螺旋槽式排种器主要由种箱、外壳、螺旋槽轮、挡圈、清种刷、护种板、阻塞轮等部分组成。

1.2 工作原理

螺旋槽式排种器工作时，稻种充满种箱及充种区域，在自身重力和种子间的相互作用力下进入螺旋槽内，随着排种轮的转动，多余的种子由种刷刷回至充种区域，螺旋槽内的种子则由护种板进行保护，当转过护种区后落下，实现播种。

2 排种轮结构设计

排种轮作为排种器的核心工作部件，其结构设计的好坏直接决定了排种器的性能。本研究根据水稻芽种的物理特性参数及理论分析对排种轮进行设计。

2.1 排种轮的直径及槽孔数设计

排种轮由单片机控制电机驱动，其转速由拖拉机前进速度、排种轮的半径以及槽孔数决定。若排种轮的半径过小，排种轮可以开的槽孔数就会变少，对排种轮转速的要求也会变高，不利于排种器运行时的稳定性，会出现空穴或少种的情况。若排种轮的直径过大，则会影响排种的均匀性，并且会导致排种器的尺寸增大，结构臃肿。参考前人的研究[12-13]，再结合现代农机企业设计的排种轮，本试验的排种轮直径设计为60 mm。

选取槽孔个数时，如果排种轮表面槽孔数分布较少，则会导致穴距的均匀性下降;如果槽孔分布过多，槽孔在排种轮上的间隔就会变小，则影响每穴种子分离的准确性[14]。水稻直播机在水田里的作业速度一般为0.4～0.8 m/s，排种轮的转速一般为20～60 r/min[15]。根据农艺要求，取穴距为 15 cm。槽孔个数、机具行走速度、穴距及排种轮转速的关系如下：

式中：x表示槽孔个数;v表示机具的前进速度，m/s;n表示排种轮转速，r/min;L表示穴距，m。

最大作业速度对应最大转速，将0.8 m/s和60 r/min 分别代入式中可得x=5.33，所以可以考虑设计5个以上槽孔，由于直径只有60 mm，所以选用6个比较适宜，否则太密。

2.2 槽孔形状设计

根据罗锡文等的研究可知，在排种过程中用來装载种子的槽孔形状对排种器的性能有重要影响[13]，但查阅文献资料鲜见关于螺旋槽式排种器的槽孔形状对水稻直播排种性能影响的研究。本研究选取在江淮流域使用较多的南粳5055稻种作为试验用水稻品种，根据南粳5055的三轴尺寸（表1）对市面上最常见的半圆形槽孔进行设计， 并在此基础上设计出其他形状槽孔。

由图2可知，槽孔宽度与水稻芽种的最大长度及最大宽度有关，槽孔深度与水稻芽种最大宽度与最大厚度之中的最大值有关，由于南粳5055稻种的最大宽度大于最大厚度，因此在槽孔的深度设计中只考虑水稻芽种的宽度参数。杂交稻的最小播量为3粒/穴，应保证至少有3粒水稻芽种充入槽孔，参考《农业机械设计手册（上）》[16]可知，种子以2粒横放及1粒竖放的出现形式最多，则槽孔的开口宽度和深度应该满足如下关系式。

式中：lmax表示水稻芽种的最大长度，mm;bmax表示水稻芽种的最大宽度，mm;S表示槽宽，mm;H表示槽孔深度，mm。

将水稻芽种的参数带入，S≥11.6 mm、7.95 mm>H>5.51 mm，所以加工深度（R）取6 mm。在保证槽宽和槽孔深度不变的基础上，设计3种槽孔形状，分别为勺形、半圆弧形和U形，具体如图3所示。

2.3 槽孔螺旋角设计

根据前人对螺旋式排种轮进行的研究[17-18]可知，槽孔的螺旋角会对排种轮的充种性能和穴径产生影响。因此在本试验中增加对螺旋升角θ的试验考虑，分别选择0°、10°、20°、30°作为研究参数（图4）。

3 台架试验

为探究各因素对排种器工作性能的影响，先后进行单因素试验及正交试验，通过处理分析试验结果，得到最优参数组合排种器。

3.1 试验台架及试验材料

试验台架主要由可调速传送带、型材架、排种器、阶梯排种轴、联轴器、调速电机、调速器及卡箍等搭建而成。由图 5可知，传送带由调速电机驱动，传送带的调速范围满足0.4～0.8 m/s的试验要求，排种轴通过联轴器与另一台调速电机连接，其调速范围满足试验20～60 r/min的试验要求，利用亚克力板将电机安装在型材架上，同时将种箱固定在型材架上，为防止排种轮在转动过程中发生轴向移动造成试验误差，在排种轮的两端利用卡箍紧固，试验过程中所用材料为南粳 5055水稻芽种。

试验中所用槽轮因为制造工艺较复杂，本研究通过3D打印技术制造所需排种轮，其加工精度为 0.1 mm，满足试验精度要求。对多种 3D 打印材料进行对比后，决定以光敏树脂为基础材料制造排种轮。采用光敏树脂材料制造的排种轮表面光滑程度高，可以减小芽种与槽轮表面的摩擦，使种子可以顺利排出并且减小对芽种的损伤，提高芽种的成活率，试验用部分排种轮如图6所示。

3.2 试验方法及因素

为模拟稻种落到水田里的状态，在传送带上均匀涂抹1层糯米胶来作为泥土，起到防止种子发生弹跳的作用。在更换不同槽轮时，通过改变槽轮的工作长度始终保持槽孔容纳种子的体积不变。在试验过程中，首先使排种轮转动，手持盒子放在排种区域下方，待排种进入均匀稳定的状态后，启动传送带，同时将盒子撤出排种区域，使种子落在传送带上。为分别探究槽孔形状、螺旋角以及行走速度对排种效果的影响，设计单因素试验，具体见表2。

3.3 试验评价指标

结合文献[18-19]，当穴内有3～8粒种子时视为穴粒数合格穴，将穴粒数合格穴数与总穴数的百分比作为穴粒数合格率（Y1）;当穴径≤60 mm时视作穴径合格穴，将穴径合格穴数与总穴数的百分比作为穴径合格率（Y2）。以Y1、Y2作为考察排种性能的评价指标进行试验。由于试验台架传送带观测长度有限，因此每组试验取99穴作为一个统计样本，每组试验重复3次，取平均值。

3.4 单因素试验结果分析

3.4.1 各因素对穴粒数合格率的影响 由图7-a可知，当机具的行走速度从0.4 m/s增大到0.8 m/s时，穴粒数合格率呈先增加后减小趋势，当行走速度为0.5 m/s时合格率最高。

由图7-b可知，槽孔形状不同时，穴粒数合格率也相应发生变化，其中勺形槽孔表现最佳，U形与半圆形槽孔的穴粒数合格率几乎一致，均较低。

由图7-c可知，当槽孔螺旋角从0°增加到30°时，穴粒数合格率呈先增加后减小趋势，在10°时达到最大值。

3.4.2 各因素对穴径合格率的影响 由图8-a可知，当机具的行走速度从0.4 m/s增加到0.8 m/s时，穴径合格率随着行走速度的增加而减小。由图8-b可知，槽孔形状不同时，穴径合格率也相应发生变化，其中勺形槽孔表现最佳，半圆形、半圆弧形和U形槽孔的穴径合格率相差无几。由图8-c可知，当槽孔螺旋角从0°增加到30°时，穴径合格率呈上下波动下降趋势。

3.5 正交试验及结果

正交试验是一种针对多因素试验条件的试验方法，在全部因素组合中挑选出具有代表性的组合进行试验，大大地节省了试验成本及时间，是一种科学高效的试验设计方法。

从单因素试验分析结果可知，机具的行走速度为0.4～0.6 m/s时排种器的各项评价指标较好;当槽孔形状不同时， 由于U形槽孔与半圆形槽孔试验结果基本一致，因此在2种形状中选择1种与其他2种形状进行正交试验;槽孔螺旋角在0°～20°时排种器的各项评价指标较好，因此进行三因素三水平正交试验，试验安排如表3所示，正交试验结果如表4所示。

3.6 各因素对穴粒数、穴径合格率的影响

根据统计学相关知识可知，方差分析可将试验误差范围的方差与试验条件变化而造成的方差分解出来，本研究通过SPSS软件对穴粒数合格率、穴径合格率正交试验结果进行方差分析，并将2种方差进行F检验，具体如表5、表6所示。

当P<0.001时，表示自变量对因变量有极显著影响;当0.001≤P<0.01时，表示自变量对因变量有高度显著影响;当0.01≤P≤0.05时表示自变量对因变量有显著影响;当P>0.05时，表示自变量对因变量无显著影响。从表5可以看出，行走速度（对应不同槽轮转速）、槽孔形狀、槽孔螺旋角3个因素对应的P值均小于0.05，表明3个因素对穴粒数合格率均有显著影响。从表6可以看出，行走速度和槽孔形状对穴径合格率有高度显著影响，槽孔螺旋角对穴径合格率影响显著。

3.7 正交试验结果与多指标优化分析

因为本研究的排种性能是由穴径合格率与穴粒数合格率2个指标共同评价的，如果对单个指标进行分析具有片面性，所以需要进行多指标参数优化分析，从而获得各因素对整体性能的影响顺序及最优参数组合。本研究采用矩阵分析法[20]对试验进行分析，以试验数据构建3个层次结构模型。

由表7可知，第1层为试验考察指标层，第2层是因素层，第3层为水平层。

依次建立各层矩阵，并给出各层矩阵定义。定义试验考察指标层矩阵：第3层中的每个水平都表示试验指标的平均值，依次填入矩阵M（公式4）;定义因素层矩阵：令Ti=1∑3j=1Aij，从而建立矩阵T（公式5）;定义水平层矩阵：正交试验中因素Ai的极差为si，令Si=si/∑3isi，建立矩阵S（公式6）。

通过乘以各层矩阵得到试验指标的权重矩阵以及各因素水平的权重值，能够很好地简化计算过程，并且准确评价各指标的影响程度。以计算穴粒数合格率的权重矩阵ω1=M1T1S1为例，其中，M1T1表示因素A1（行走速度第1水平的指标值）占所有水平指标值总和的比值;S1表示因素A1的极差占所有因素极差总和的比值。2个部分乘积数值的大小体现了因素A1第一水平指标值对所有水平指标值综合的影响程度。依此类推，可以得到其他因素水平的计算结果，即各因素各水平对评价指标影响的权重，根据权重可得到最优参数组合及影响因素的主次顺序。

通过计算分别得到穴粒数合格率的权重矩阵ω1和穴径合格率的权重矩阵ω2。而正交试验综合评价指标总权重矩阵为2个评价指标权矩阵的平均值，因此总权重矩阵计算公式如下。

由计算结果可知，因素A的3个水平权重值为A1=0.140 438、A2=0.137 456、A3=0.134 636，即A1所占的权重最大;同理可得到在因素B中权重最大值为B3;在因素C中权重最大值为C3。因此，经过多指标参数优化分析可得出，最优参数组合为A1B3C3，即机具行走速度为0.4 m/s，槽孔形状为勺形，槽孔螺旋角为20°，且各因素对排种性能的影响程度排序为A>B>C。由表4可知，最优参数组合的试验结果为穴粒数合格率95.62%，穴径合格率91.58%，优于正交试验中其余各组。

4 讨论与结论

关于水稻螺旋槽式排种器的排种轮，前人已经作过一些研究，例如田立权等用Matlab分析出螺旋升角对水稻芽种轴向速度的影响[18]，但没有将槽孔的形状考虑进去。刘春波等同样也未考虑槽孔形状，而且所做试验都是单因素的试验，可能存在最优组合丢失的情况[21]。本研究虽然在台架试验中也有一些欠缺，在选定最优槽孔形状后未对工作长度对排种器的影响进行研究，也缺乏大田试验，但本试验分析了多种参数对螺旋槽式排种器排种性能的影响权重，可为后面的进一步研究提供理论支持。

对正交试验结果进行方差分析可知，机具行走速度、槽孔形状、槽孔螺旋角3个因素对穴粒数合格率均有显著影响，机具行走速度和槽孔形状对穴径合格率有高度显著影响，槽孔螺旋角对穴径合格率有显著影响。

通过矩阵分析法获得的最优参数组合为A1B3C3，即机具行走速度为0.4 m/s，槽孔形状为勺形，槽孔螺旋角为20°，得到穴粒数合格率为95.62%，穴径合格率为91.58%。各因素对排种性能的影响顺序为A>B>C，即机具行走速度对排种性能的影响大于槽孔形状，槽孔形状对排种性能的影响大于槽孔螺旋角。

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