水稻气压滚筒式集中排种器设计与试验

刘礼阳 唐兴月 祝培栩 谭建伟 雷小龙,* 任万军

(1.四川农业大学 机电学院，四川 雅安 625014；2.四川农业大学 作物生理生态及栽培四川省重点实验室，成都 611130)

水稻是我国重要的粮食作物，常年种植面积约3×107hm2。水稻机械化种植是水稻生产全程机械化的关键环节和难点问题。水稻机械化种植包括机插和机直播2种方式，其中机插和机直播分别占93.99%和5.97%。水稻种植过程中采用机械精量穴直播的方式可省工省力，提高生产效率和水稻产量、减小劳动强度[1-4]。

排种器是水稻直播机的核心部件，直播机的播种质量与排种器的排种性能密切相关。气力式排种器具有种子形状适应性好、适应高速作业、通用性好、不易伤种等优点，成为排种器发展方向[5]。罗锡文等[6-8]设计了开沟起垄式水稻精量穴直播机，可实现同步进行开沟、起垄和播种，采用瓢形型孔和2个充种室，改善水稻充种性能和实现精量穴直播；并设计了弹性随动护种带装置，降低了稻种的破损率。张明华等[9]设计了由型孔轮壳、型孔轮和调节机构组成的组合型孔排种器，可满足常规稻与杂交稻的播种要求。田立权等[10]设计了弹射式耳勺型水稻精量穴直播排种器，确定了取种耳勺结构参数和水稻芽种弹射轨迹线。张国忠等[11]研制了一种用于水稻气力式精量穴播排种器的具有群布吸孔的吸种盘，吸附精确性较高，可应用于水稻精量穴播。万霖等[12]为消除摩擦、降低气压损失、提高装置的稳定性，设计了一种嵌入旋转气腔式水稻穴直播排种器。

集中排种器具有装卸方便、结构简单和排种效率高等优点，广泛应用于多种作物。张顺等[13]设计了气力滚筒式水稻穴直播精量排种器，可实现多行排种。李兆东等[14]设计了油菜精量气压式集排器，采用气压清种，降低充种过程中种子的破碎率。祁兵等[15-16]提出玉米中央集排气送式精量排种器，降低充种阻力、提高充种概率和排种效率、优化播种结构。Ismet等[17]设计了大豆和玉米气力式排种器，分析了气流流过吸孔时的状态；Yasir[18]对小麦气力式排种器的工作过程进行理论分析，优化了气力式排种器关键部件。

上述气力式排种器大都采用机械结构完成充种和清种过程，种子损伤率较高；采用气吸充种、气吹清堵的气吸式排种器其结构复杂，排种环节较多，不利于实现轻简化。为适应杂交稻大田精量穴直播的生产需求，降低田间种子损伤率，本研究拟采用正压气流充种、携种和投种原理，设计一种水稻气压滚筒式集中排种器，确定其主要结构参数；试验研究气流孔直径、滚筒转速、气流孔数量对排种性能的影响，并开展集中排种器对杂交稻品种的适应性试验，以期为水稻气压滚筒式集中排种器的设计提供参考。

1 水稻气压滚筒式集中排种器结构与工作原理

水稻气压滚筒式集中排种器主要包括种箱、壳体、充种室、排种滚筒、导种管、分流板、扰种板、充种进气管和扰种进气管等(图1)。充种进气管提供的正压气流在分流板作用下在充种室内将气流分布均匀，使滚筒内外形成气压差；扰种进气管提供扰种气流，使种子成离散状态，以利于充种(图2)；进种导板用于控制种层厚度。排种滚筒轴向和周向均匀布置有型孔，在滚筒内外气压差作用下实现充种，在滚筒匀速转动下形成规律性等间距种子群，实现定量排种。

排种器工作时，种箱内的种子在重力作用下进入充种区形成一定高度的种层，风机产生的正压气流通过充种进气管和扰种进气管进入排种器，在分流板作用下均匀分布在排种器内，使布置在滚筒上的充种型孔内外产生气压差。排种滚筒在传动轴驱动下转动，当滚筒上的型孔经过充种区时，在滚筒内外压差和型孔对种子扰动作用下，种子被压附在型孔上进行充种。携带种子的型孔通过携种区进入投种区，在气流推力、种子自身重力及离心力的共同作用下种群脱离型孔进入导种管，完成排种过程。

Ⅰ.充种区; Ⅱ.携种区; Ⅲ.投种区1.种箱；2.进种导板；3.分流板；4.充种进气管；5.扰种板；6.扰种进气管；7.壳体；8.导种管；9.排种滚筒；10.固定座；11.左端盖；12.右轴承端盖；13.右端盖；14.传动轴；15.左轴承端盖Ⅰ.Seed filling area; Ⅱ.Seed carrying area; Ⅲ.Seed feeding area1.Seed box； 2.Seed feeding catheter； 3.Splitter board； 4.Seed filling intake pipe； 5.Disturbed seed board； 6.Disturbed seed intake pipe； 7.Shell; 8.Seed spout； 9.Metering cylinder； 10.Mount； 11.Left end cover； 12.Right bearing end cover； 13.Right end cover； 14.Transmission shaft； 15.Left bearing end cover图1 水稻气压滚筒式集中排种器正视(a)和A-A剖视(b)示意图Fig.1 Front view(a)and A-A sectional view(b)of pneumatic cylinder-type precision seed-metering device for rice

箭头表示气流流向。Arrows in the figure indicate the direction of the airflow.1.排种滚筒；2.扰种板；3.排种器壳体1.Metering cylinder； 2.Disturbed seed board； 3.Shell图2 未通入扰种气流(a)和通入扰种气流(b)局部图Fig.2 Part view without disturbed air flow (a) and part view with disturbed air flow (b)

2 排种器关键部件设计与参数分析

2.1 型孔结构设计

2.1.1型孔形状及尺寸

种子的机械物理特性参数是设计型孔的重要依据，水稻种子呈纺锤体，种子表面有稃毛，流动性较差[19]。选取常用的3种杂交稻种子，确定其机械物理特性参数，见表1。

为使杂交水稻种子易于充入型孔和排出，型孔形状设计为“碗状”结构，型孔中均匀分布有气流孔(图3)；为方便种子充种和投种，型孔进种斜面与水平方向夹角为20°，使进种处呈“勺状”；出种斜面与水平方向夹角为-60°，呈“斜坡状”，型孔具有一定扰动种群作用。通过型孔与气流配合完成充种、携种和投种过程，提高充种性能。

表1 不同杂交稻种子的三轴尺寸Table 1 Triaxial size of different rice seeds

基于杂交稻种植对穴苗数的要求[20]，要求穴苗数为3～4株，因此确定单穴平均播种量为4粒。根据水稻气压滚筒式集中排种器通过排种滚筒上型孔内气流孔产生的正向压附力进行充种、携种及投种的原理，参照经验公式[13]得到型孔参数：

(1)

式中：d为气流孔直径，mm；Da为型孔入口直径，mm；lmax为试验种子的最大长度尺寸，mm；H为型孔深度，mm；ba为试验种子的平均宽度，mm。

由表1可知，试验水稻种子最大长度尺寸lmax=9.68 mm，平均宽度ba=2.58 mm。由式(1)得：1.68 mm≤d≤1.70 mm；Da≥14.52 mm；H≤0.86 mm。综合考虑排种性能要求，取气流孔直径d=1.7 mm，型孔入口直径Da=15 mm，型孔深度H=0.8 mm。

图3 型孔结构示意图Fig.3 Structure of model-hole

2.1.2型孔数量及型孔排数

根据播种机的播种量及排种性能等因素，并考虑型孔的通用性和穴距要求；型孔数量的计算公式为：

(2)

式中：Z为排种滚筒型孔数量；Qm为排种频率，穴/s；vm为机具的前进速度，m/s；T为孔距，mm；s为播种穴距，m；vp为排种滚筒线速度，m/s；Dd为排种滚筒直径，mm；np为排种滚筒转速，r/min。

根据水稻种植农艺要求，大部分地区常规稻的穴距一般取12～14 cm，杂交稻的穴距一般取16～20 cm[21]，试验水稻种子的平均宽度ba=2.58 mm，结合通用播种机具作业生产效率及播种量等因素，其设计播种机作业速度vm≤5 km/h，滚筒转速np≤50 r/min；由式(2)得：8.3≤Z≤10.4。

综合考虑型孔的充填性能及保证型孔相隔间距，本研究型孔数Z取10，相邻型孔对应的中心角为36°，轴向型孔间距为35 mm，一次播种 6行，选择型孔排数为6列。

2.2 滚筒结构设计

排种滚筒是实现水稻精量排种的关键部件，滚筒为一空心贯通圆柱体，圆柱体表面均匀分布若干排型孔；根据工作原理可知，排种器工作时滚筒内部空间与大气连通，与壳体形成的外部空间充有气流，因此充种型孔内外具有压差。

若滚筒直径过小，其曲率大，阻碍种子充填；直径过大，会使整机尺寸偏大，结构臃肿。根据现有参考文献[22]，滚筒直径Dd取80～140 mm，综合考虑水稻种子尺寸，选择排种滚筒直径Dd为100 mm，排种滚筒壁厚为 3 mm，材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(Acrylonitrile-butadine-styrene，简称 ABS塑料)，由 3D 打印机制成。滚筒结构见图4。

1.支撑柱；2.气流孔；3.型孔1.Supporting； 2.Suction nozzle； 3.Hole图4 滚筒结构示意图Fig.4 Structure of metering cylinder

2.3 充种和投种过程种子的力学分析

水稻种子充入型孔是实现精量播种的首要环节；种子在充种区时，可视作处于以气流孔中心为中心的半球体气流场中，根据气流孔与滚筒的尺寸比例大小，将气流孔理想化为直孔板，为便于分析，将水稻种子简化为规则的椭球体，其几何中心为稻种的质心。种子在重力G、浮力Fb、绕流阻力FD和种群移动阻力Fv、Fh的共同作用下充入型孔，种子充种过程受力分析如图5所示。

1.排种滚筒；2.种子1.Metering cylinder； 2.SeedFb为种子所受浮力，N；G为种子重力，N；FD为绕流阻力，N；Fh为充种区种群水平移动阻力，N；Fv为充种区种群竖直移动阻力，N；θ为压附力与水平方向的夹角，(°)；R为型孔的气流场半径，mm；ds为种子宽度，mm；c为种子质心；ω为滚筒转速，rad/s，O为滚筒的旋转中心；d为气流孔直径，mm。Ⅰ为滚筒内侧区域；Ⅱ为充种区。Fb is the buoyancy of seed, N; G is the gravity of seed, N; FD is the resistance of air flow, N; Fh is the horizontal movement resistance of population in seed filling area, N;Fv is the vertical movement resistance of population in seed filling area, N; θ the angle between FD direction and horizontal direction, (°)；R is the radius of air flow field in the hole,mm; ds is seed width,mm; c is the centroid of a seed; ω is the rotational speed of the cylinder, rad/s; O is the center of rotation of cylinder； d is the diameter of the air flow hole.Ⅰ is the inside of the metering cylinder; Ⅱ is the Seed filling area.图5 充种过程种子受力图Fig.5 Force diagram of seed at filling seed

满足充种的条件为绕流阻力FD和种子所受浮力Fb的合力足以克服种群移动阻力Fv、Fh和种子重力G。根据球体绕流阻力理论，充种过程种子受力方程为：

(3)

式中：Fh为充种区种群水平移动阻力，N；Fv为充种区种群竖直移动阻力，N；θ为压附力与水平方向的夹角，(°)；Cd为阻力系数；S为气流作用面积，m；ρ为流体密度，kg/m3；v为流体速度，m/s。

分析式(3)可知，在一定状态的气流场中，种子重力G、浮力Fb为定量，因此适当增大绕流阻力FD和减小种群移动阻力Fv、Fh有利于充种；对于绕流阻力FD，阻力系数Cd和流体密度ρ为定量，气流作用面积S与型孔内气流孔直径及个数相关，而气流速度v与FD呈2次方正比关系，故适当增大气流速度v以及气流孔直径和个数可提高充种效果；对于种群移动阻力Fv、Fh，其主要由种子的接触压力及种群内摩擦力引起，通过适当增大扰种进气管气压，增强扰种气流，可减小种群移动阻力Fv、Fh，使种子更易于压附于型孔上，提高充种效果。

当种子进入投种区后，为保证种子顺利排出还应满足充种后稳定投种的条件，在投种区，种子在压附力Fd、重力G、滚筒离心力Fc、滚筒支撑力Fn、摩擦阻力Ff的共同作用下离开型孔，种子投种过程受力分析见图6。

1.排种滚筒；2.种子1.Metering cylinder； 2.SeedFc为惯性离心力，N；Fn为型孔对种子的支撑力，N；Fd为型孔对种子的压附力，N；Ff为型孔与种子间的摩擦力，N；φ为压附力Fd与垂直方向的夹角，(°)；其他量符号同图5。Fc is inertial centrifugal force, N; Fn is the supporting force required for seeds (pointing to the center of spoon), N; Fd is the pressure of the hole on the seed, N; Ff is the friction between the seed and the hole, N； φ is the angle between Fd direction and vertical direction, (°)；Other quantity symbols are the same as in Fig.5.图6 投种过程种子受力图Fig.6 Force diagram of seed at throwing seed

投种过程中，型孔对种子的支撑力Fn和种子惯性离心力Fc的合力大于重力G和型孔对种子的压附力Fd，重力G分量与摩擦力Ff合力大于0，投种过程种子受力方程为：

(4)

式中：μ为型孔与种子间的摩擦因数；φ为压附力Fd与垂直方向的夹角，N；m为种子质量，kg；Δp为型孔两侧压差，Pa；si为种子i在气流孔上占据面积，mm2；sh为气流孔截面积，mm2。

分析式(4)可知，投种过程种子的惯性离心力Fc与滚筒转速np呈2次方正比关系，说明适当提高滚筒转速np有利于增大种子的惯性离心力Fc。型孔对种子的压附力Fd与型孔内气流孔直径d也呈2次方正比关系，投种阶段压附力Fd适当减小可提高投种性能，i在气流孔上占据面积si在充种后变化范围很小，考虑充种性能，型孔两侧压差Δp不易过低，故一定范围内适当增大滚筒转速或减小型孔内气流孔直径有利于完成投种过程。

3 集中排种器排种性能试验

3.1 试验材料与装置

以繁优609为供试材料，试验在JPS-12 型排种器性能检测试验台上进行(图7)。

1.控制台；2.水稻气压式排种装置；3.种箱；4.油带；5.JPS-12检测系统；6.减速电机1.Control platform； 2.Pneumatic metering device of rice； 3.Seed box； 4.Oil belt； 5.JPS-12 testing system； 6.Reduction motor图7 气压滚筒式排种器试验台Fig.7 Test platform of cylinder-type seed metering device

3.2 试验设计与方法

为选择适宜的排种滚筒转速范围及最佳的充种进气管和扰种进气管气压值，进行转速和气压对排种性能影响的单因素试验。滚筒转速为10～60 r/min，增量10 r/min。根据前期预试验，将充种进气管气压确定为1.9～3.1 kPa，扰种进气管气压确定为1.7～2.9 kPa，增量0.3 kPa。为优化排种型孔结构参数，进行排种性能试验，确定影响排种器排种性能的因素为气流孔数量、滚筒转速、气流孔直径；采用三因素三水平正交试验设计，试验因素和水平见表2。为进一步分析集中排种器对水稻品种的播种适应性，研究了繁优609、F优498和天优华占3 个杂交稻品种的适应性。

表2 排种器性能试验因素与水平Table 2 Factors and levels of seed meteringdevice performance

试验参照 GB/T 6973—2005《单粒(精密)播种机试验方法》[23]标准，排种器稳定工作时，在试验台连续记录油带上排出的300穴种子的粒数，各处理重复3次。各试验指标的计算公式为：

空穴率

漏播率

合格率

重播率

式中：n0为每穴含有0粒稻种的穴数；n1为每穴含有<2粒稻种的穴数；n2为含有2～6粒稻种的穴数；n3为每穴含有>6粒稻种的穴数；N为样本穴数。

3.3 试验结果与分析

3.3.1转速和气压对排种性能的影响

当排种滚筒转速为20 r/min，充种气压为 1.9～3.1 kPa，扰种气压为1.7～2.9 kPa时，重播率随充种气压增大而增加，漏播率随之降低，合格率呈先增后降趋势(图8)。充种气压为1.9～2.5 kPa时，排种合格率逐渐增加，充种气压为2.5 kPa排种合格率最高；充种气压高于2.5 kPa时，重播率快速增加，合格率逐渐降低，排种效果变差，故确定较优充种气压为2.5 kPa。重播率随扰种气压增大而增加，合格率呈先增后降趋势，扰种气压为1.7～2.3 kPa 时，气流扰种效果逐渐明显，排种合格率逐渐增加；扰种气压高于2.3 kPa时，扰种气流过大导致充种室内种群受气流作用无序运动，重播率快速增加，排种效果变差，故扰种较优气压确定为2.3 kPa。

图8 气压对排种性能的影响Fig.8 Effects of air pressure on seeding performance

排种滚筒转速对排种性能影响结果见图9：漏播率随排种滚筒转速增加而增加；重播率随之降低，合格率呈先增后降趋势。转速为10 r/min 时，排种滚筒线速度较小，与充种区杂交稻种群接触时间过长，型孔吸附种子过多，重播率较大，降低了合格率。转速为50～60 r/min 时，排种滚筒线速度过大，与充种区杂交稻种群接触时间过短，且离心力较大，增加漏播率，合格率也较低。转速为20～40 r/min 时，排种合格率较高。

图9 排种滚筒转速对排种性能的影响Fig.9 Effects of rotational speed on seeding performance

3.3.2型孔结构参数对排种性能的影响

排种器性能试验结果及方差分析结果见表3和表4：充种和扰种气压分别为2.5和2.3 kPa时，气流孔数量、直径、排种滚筒转速对合格率影响均达显著或极显著水平；气流孔数量对漏播率有显著影响，其余项影响不显著。极差分析结果表明，影响排种器合格率的主次因素为：气流孔数量>气流孔直径>排种滚筒转速；影响漏播率的次序为：气流孔数量>排种滚筒转速>气流孔直径(表5)。合格率和漏播率的最优方案分别为A1B2C2和A1B2C3。结合水稻直播的实际生产要求，排种器在田间工作时应在降低漏播率的同时，保证其合格率，因此确定较为适合的直播条件为A1B2C2，即排种滚筒转速为20 r/min，气流孔数量7，直径1.7 mm。

表3 排种器性能试验结果Table 3 Experiment results of seed metering device performance

3.3.3集中排种器对水稻品种的播种适应性

当转速为20 r/min，气流孔数量为7，直径为1.7 mm时，台架试验验证集中排种器对3种杂交稻品种的品种适应性(图10)。试验结果表明：繁优609、F优498和天优华占3种杂交稻品种的合格率均达到90.00%，漏播率和重播率均低于 6.00%和5.00%，种子破碎率均低于0.20%，各行排量一致性变异系数均低于3.00%(表6)。表明该集中排种器对外形尺寸有一定差异的水稻种子具有较好的播种适应性。

表4 排种器性能指标试验结果方差分析Table 4 Results of variance analysis of the test results of seed metering device performance

表5 排种器性能指标试验结果极差分析Table 5 Results of range analysis of the test results of seed metering device performance

表6 集中排种器对3种杂交稻品种适应性试验结果Table 6 Results of the adaptability test of the seed divider to three hybrid rice varieties

1.种子；2.试验台1.Seed； 2.Test platform图10 杂交稻种子群在排种器试验台上的分布Fig.10 Distributions of rice seed population on test platform

4 田间试验

为检验水稻气压滚筒式集中排种器田间播种效果，于2019年12月在四川省雅安市四川农业大学教学科研园区进行水稻直播试验。前茬为小麦，土壤平均含水率34.33%；试验供试品种为繁优609，排种滚筒转速为20 r/min。试验装置见图11(a)。

试验以自制水稻精量直播装置为平台，牵引动力为洋马VP6D插秧机机头，播种前进速度为2.3 km/h，试验中采用12 V蓄电池提供直流电机的动力源，通过直流电机调速器改变减速直流电机转速，控制水稻气压滚筒式集中排种器转动。汽油机驱动高压旋涡风泵为水稻气压滚筒式集中排种器提供正压气流，风泵的功率为2.2 kW。水稻穴播精量直播机一次性完成精量播种和封闭除草等功能，机组幅宽1.8 m，播种6行，行距为300 mm，播种效果见图11(b)。播种试验结束连续统计机组匀速行驶的10 m，测定各行单穴粒数和穴距，重复3次，取平均值。结果表明单穴平均播种量为3.56粒/穴，播种合格率为89.33%，穴距为190.3 mm，满足水稻精量直播的技术要求。

1.双圆盘开沟器；2.导种管；3.精量穴播集中排种装置；4.种箱；5.电机驱动系统；6.药箱；7.封闭除草装置；8.插秧机机头；9.种子1.Double disc ditcher； 2.Seed spout； 3.Centralized seed-metering device for precise hole seeding； 4.Seed box； 5.Motor drive system； 6.Medical box； 7.Closed weeding device； 8.Transplanter head； 9.Seed图11 水稻直播田间试验与播种效果Fig.11 Field experiment and seeding performance

5 结 论

本研究基于杂交稻的机械物理特性参数和精量穴直播农艺要求，应用正压气流充种、携种和投种原理，设计了水稻气压滚筒式集中排种器，确定了型孔结构与关键参数，建立了种子在充种和投种过程中的力学模型，进行了排种器结构和工作参数对排种性能影响试验及排种器对杂交稻品种的适应性试验。主要结论如下:

1)排种器结构和工作参数对排种性能影响结果表明，影响排种器合格率的顺序为：气流孔数量>气流孔直径>排种滚筒转速。当排种滚筒转速为20 r/min，气流孔数量为7个，直径为1.7 mm时，排种器的合格率为 93.33%，漏播率为 2.50%，重播率为 4.17%，空穴率为 0.58%，各行排量一致性变异系数为2.08%。

2)品种适应性试验结果表明，繁优609、F优498和天优华占3 个杂交稻品种进行的排种合格率均达到90.00%，漏播率和重播率均低于 6.00%和5.00%，种子破碎率均低于0.20%，各行排量一致性变异系数均低于3.00%，具有较好的品种适应性。田间播种试验的单穴平均播种量为3.56粒/穴，播种合格率为89.33%，穴距为190.3 mm，满足水稻精量穴播排种技术要求。