型孔式排种器的设计与试验

陆伟安　黄世明　冯天玉　程捷　郝文斌　王本义

摘要：排种器是水稻直播机的核心部件，其性能直接影响水稻直播机的作业效果。首先，通过对排种器类型简述从而选定合适的排种器类型，并对排种器主要参数进行计算;其次，对排种器在工作过程中产生的受力进行分析;最后，进行台架试验，验证了排种器设计的合理性。结果表明，该排种器设计符合水稻直播机播种农艺要求。

关键词：水稻直播机;排种器;设计

中图分类号：S23 文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2020） 16-0149-04

DOI： 10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2020.16.034

水稻直播技术省去了育秧、移摘等环节，是一种水稻轻简栽培技术。水稻精量穴直播播种均匀，实现了秧苗成行成穴有序生长，通风性好、采光性好，同时省工、省力、省时，节省秧田，生产效率高，适用性强，便于推广[1-4]。

排种器是水稻直播机的核心部件[5]，其性能直接决定水稻直播机的播种效果，影响水稻生产效益[6-8]。为满足水稻机械播种要求，国内外学者对排种器的结构和工作原理进行了广泛的研究[9]。本研究设计与研究的对象是型孔式排种器，利用Solid-Works软件进行建模，并将三维模型转化为工程图，便于加工制造，通过对排种工作过程进行受力分析以及台架试验，验证排种器设计的合理性，为排种器的结构优化设计提供理论基础。

1排种器类型

国内外有关水稻精密排种器理论研究达到了较高的水平，从机械式到气力式和电磁振动式，均都有成功的机型[10]。在众多的精密排种器中，机械式排种器由于结构简单、制造容易、落种精度高等特点，在实际中应用非常广泛[11]。本研究设计水稻直播机排种器类型采用机械式排种器型孔式，型孔轮式排种器结构简单、制造成本低、调节方便。机械式排种器试验模型结构如图1所示。

2排种器关键参数

排种器的工作原理是用间距相等的型孔，在种子箱内种子群中周而复始地旋转，掘荦粒种子麸种群中分离并囊出，形成等时距邋均匀种子流[12]。排种性能的关键在型孔的囊种性能，故选择合适的型孔型式尤为重要。型孔的形状是确保排种器各项性能的关键[13]。机械式排种器型孔型式经历了圆柱型孔、圆锥型孔、倒角型孔、盆形型孔、前后倒角型孔、多排径向配置型孔、倾角型孔、带种环槽型孔等研究过程。合理地选择水稻排种器型孔的参数是保证水稻直播机作业质量的关键。在已有外槽轮理论研究的基础上，在保证排种轮其他参数不变的情况下，外槽轮排种器槽轮直径和型孔长度的变化将会导致排种轮转速ω和有效工作长度L的变化，排种器的各项性能也会因此产生变化。结合水稻直播机播种农艺要求，水稻直播机槽轮直径d≥30mm，有效工作长度L不小于种子长度的1.5～2.0倍，型孔宽度d为水稻种子长度的1.0～2.0倍，型孔局度H为水稻种子厚度的1.0～3.1倍，否则会影响排种器的性能。本研究所设计排种器排种轮形状为圆盆形型孔，排种轮直径d=56 mm，型孔数3，型孔宽度D=11 mm，有效工作长度L=30 mm，型孔高度 H=4 mm。研究表明，過高的排种轮转速会降低排种轮的充种性能;转速过低，则排种器漏播率增大、排种不均匀，因此排种轮排量稳定的转速在9～60 r/min。

水稻直播机作业一定时，排种轮上分布的型孔数越多，排种轮的线速度就越小，株距就越小，但排种轮上的型孔数过度会导致排种器的加工难度和增加排种器的尺寸。在保证排种器工作性能的条件下，排种轮应设置数量合适的型孔，型孔数的计算公式如下：{S0=2πV0/nωV0=ω0r0

式中，n-型孔数;S0-株距（穴距）;V0-地轮的前进速度;ω0-动力轮工作时的角速度;ω1-排种轮工作时的角速度;r0-动力轮半径;i-动力输出轴与排种装置输入轴的传动比。

当使用电机带动排种器播种时，可由式（1）求出型孔数，根据农艺要求知0.12m

3充种箱设计

休止角是指重力场中粒子在粉体堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子之间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得的最大角，反映了颗粒的内摩擦特性和散落性能。当物料颗粒自身重力的斜面分力不超过种子间的内摩擦力时，则物料颗粒保持静止;反之则物料颗粒掉落。休止角越大的物料颗粒，内摩擦力越大，散落性越小。因此，水稻种子休止角对充种箱的设计具有重要意义。在总结前任设计排种器的经验基础上，水稻种子休止角小于35°。本研究设计取α=38°，β=53°。充种箱示意图如图3所示。

4排种器工作过程分析

排种器的排种过程为水稻种子从落种箱落至排种轮，随着排种轮旋转种子在自身重力下落入型孔内，转至清种区。在清种片作用下，将多余种子清回种箱内，种子进入护种区，在护种片作用下，种子随着排种轮旋转至投种区，种子在离心力和自身重力下完成排种过程。本研究主要对排种器工作的两个阶段——充种阶段和投种阶段进行分析，并寻找出影响排种器排种性能的因素，为对排种器优化提供理论基础。

4.1水稻充种受力分析

型孔排种器是水稻直播较为常用的机械式排种器，充种性能一定程度上影响着排种器工作质量[9]。为简化种子在充种区的受力分析，将种子假设为圆球体并且排列规则，种子所受压力等于其上方所有种子重力的和，侧压力为零。由排种器工作条件可知，水稻种子在充种过程中除了受到自身重力G外，还受到排种轮对种子的支持力F1、种子间的推挤力F2、排种轮边界与种子间的摩擦力f1、种子与种子间的内摩擦力f2以及离心力Fr。种子在这些力的共同作用下充入排种轮的型孔中，沿排种轮截面切向x和法向y做力系分解，如图4所示。

建立力学方程式：

{Fx = max = （F2 + G）sinβ+f1-f2cosβFy = may =（F2+G）cosβ+f2sinβ - Fr - Flf1=μ1F1f2=μ2 F2 （2）Fr = mrω2G = mgω=πn/30

式中，m -水稻种子质量，g;β-水稻种子角位移，（°）; r -水稻种子质心到排种轮中心距离，m m; ω-种子角速度，rad/s;n-排种轮转速，r/min;μ1-排种轮外壁与种子间的摩擦因数;μ2-种子间摩擦因数。

整理式（2）可得：

{ax=（F2+ mg）sinβ + μ1F1-μ2F2cosβ/m ay=（F2 + mg） cosβ+μ2F2sinβ- F1/m -（πn/30）2r

（3）

种子质心在排种轮截面法向上的位移量h（即型孔深度）与种子法向加速度关系为：h = 1/2ayt2 （4）

式中，t-种子落入型孔内时间，s。

当ay<0时，由式（3）和式（4）可知：t =√2hm/F1+mr（πn/30）2+（F2+mg）cosβ-μ2F2sinβ （5）

型孔深度与种子尺寸对应，已知型孔深度h与种子最大尺寸lmax和每穴种子粒数相关，故其尺寸h为：

3a ≥h≥l （6）

式中，a -种子平均宽度，mm;l -种子平均长度，mm。

为保证种子顺利进入到型孔内，提高作业效率，需缩短种子进入型孔的时间t。当充种区夹角β、种子质量m、摩擦因素μ2以及r被确定后，由式（4）和式（5）可知，种子进入型孔的时间与排种轮转速n以及种子尺寸相关。

4.2 种子投种阶段受力分析

种子在离开护种区进行投种时，种子的初速度为V，其在水平方向和竖直方向上的分速度分别为Vx、Vy;种子受到空气阻力f，其在水平和竖直方向上的分力分别为fx、fy;种子的重力为G;离心力为Fr。受力示意图如图5所示。

由图5可得，种子在离开排种轮后的微分方程： {m=d2x/dt2 = fx -Frsinθ （7）m=d2y/dt2= G + Fr COS θ-fy

假设空气阻力忽略不计，此时离开排种轮的种子将做平拋运动。用H表示种子竖直方向上距离田面的垂直距离，S表示种子的位移，则可得：ω=2πnVx=ωr （8）H=1/2gt2S=√（Vx·t）2+H2=√（2πnrt）2+1/4g2t4

由式（8）可知，排种轮的转速、半径以及排种器与田面的高度是影响种子投种运动位移的因素。

5排种器台架试验

对水稻直播机排种器进行台架试验，测定并考察样机的总排量稳定性、各行排量一致性、种子破损率、空穴率、排种均匀性以及工作可靠性、结构设计合理性等技术经济指标。

5.1 评价指标

根据DG/T 083—2017农业机械推广鉴定大纲，水稻直播机评价指标如表1所示。

1） 種子破损率计算。将试验种子平均分成6份，并将试验种子进行原始重量、原始破损率称重，计算百分比。将准备好的试验种子充入至水稻直播机的6个排种器中进行试验，试验结束后将试的6份种子测量其种子破损质量求出试验后种子破损率，再减去种子原始破损率即可得到机具作业生产时的种子破损率。

2） 穴粒数合格率与空穴率。合格率与空穴率计算公式如式（9）所示。mk{K = /M×100% （9）S=Zs/M× 100%

式中，K-为空穴率;mk-为空穴数;M-为总测定穴数;Zs-为粒数合格的总穴数。

5.2 结果分析

5.2.1 穴距一致性 为验证水稻直播机穴距的合理性，选取3种穴距进行验证。播种作业完成后，随机选取一段测定连续5穴之间的距离，测定3组。将测量值取平均值与理论值进行比较求出差值，计算两者之间的误差，以此验证排种器设计的合理性（表2）。由表2可知，3种播种穴距试验测得值与理论值误差在6%以内，表明水稻直播机穴距符合水稻直播农艺要求，设计合理。

5.2.2 种子破损率 由于实地试验和田间试验，播种后种子不易收集，且收集后的种子存在较多杂质，容易对试验数据产生较大的影响。因此，对种子的破损率进行台架试验检测。测定时间为120 s，传送带转速为35 r/min，试验数据如表3所示。水稻直播机种子破损率评价值指标<1.5%，由表3可知，2种清种装置的排种试验所求的的种子破损率均小于水稻直播机种子破损率评价指标。随着排种器排种轮转速的增加，种子的破损率也随之增大。虽然尼龙塑料清种片的破损率符合农艺要求，但尼龙塑料清种片存在漏重现象，容易造成重播现象，且不易加工，因此，在实际生产过程中，清种装置一般选用软毛刷作为清种毛刷。

6小结

通过对排种器类型的选择及主要参数计算，设计出一款型孔式排种器。试验表明，该排种器的排种性能均在评价指标范围内，排种器结构设计较合理，虽满足水稻直播机农艺要求，但在实际的作业生产过程中，该排种器仍有很多地方需要改进。

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收稿日期：2020-03-16

作者简介：陆伟安（ 1988-），男，广西贵港人，在读硕士研究生，研究方向为农业设备，（电话）17878125968（电子信箱）2273060723@qq.com;通信作者，黄世明（1964-），男，湖南汩罗人，高级工程师，主要从事先进制造工艺与设备研究，（电话）13607160835（电子信箱）2028287129@qq.com。