水稻螺旋槽式排種器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

潘興家 董子鈺 李驊 李超 白明超 楊松

摘要：針對江淮地區(qū)的水稻直播作業(yè)要求，為解決播種成穴精度的問題，以外槽輪排種器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一款水稻精量直播螺旋槽式排種器。以南粳5055為試驗(yàn)材料，先對槽孔形狀、槽孔螺旋角和行進(jìn)速度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，去掉不理想?yún)?shù)，再通過三因素三水平正交試驗(yàn)得出最優(yōu)組合，并通過矩陣分析法計(jì)算行走速度、槽孔形狀、槽孔螺旋角對排種性能影響的大小。結(jié)果表明，當(dāng)機(jī)具行走速度為0.4 m/s，槽孔形狀為勺形，槽孔螺旋角為20°時(shí)合格率最高，穴粒數(shù)合格率為95.62%，穴徑合格率為91.58%。機(jī)具行走速度對排種性能的影響大于槽孔形狀，槽孔形狀對排種性能的影響大于槽孔螺旋角。說明通過試驗(yàn)得到的最優(yōu)組合，滿足排種器性能要求。

關(guān)鍵詞：水稻芽種;直播;螺旋槽式排種器;排種輪;槽孔;試驗(yàn)分析

中圖分類號： S223.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）17-0233-07

水稻是我國的主要糧食作物之一，常年種植面積有3 000萬hm2，在耕、收階段機(jī)械化程度已經(jīng)分別達(dá)到99.3%和87.1%，但是在播種階段機(jī)械化程度只有44.5%[1]。美國水稻的播種已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，日韓等國家也逐漸向水稻直播靠攏[2-3]。對此目前國內(nèi)各地水稻直播、機(jī)插秧、撒播等播種方式，直播水稻雖然有易倒伏、雜草難除等缺點(diǎn)，但是面對如今勞動(dòng)力人口短缺的問題，其經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢明顯[4-8]。

目前水稻的機(jī)械直播技術(shù)所用排種器主要分為氣力式和機(jī)械式排種器，氣力式排種器雖然能保證成穴精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高，若能將機(jī)械式排種器優(yōu)化至滿足農(nóng)藝的要求，將會(huì)大大降低成本[9]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的組合型孔排種器[10]同時(shí)滿足對常規(guī)稻和雜交稻的播種需求，但大小型孔對不同速度的適應(yīng)性不一樣，且調(diào)節(jié)量小。田立權(quán)等設(shè)計(jì)了1款彈射式耳勺型精量穴直播排種器[11]，性能滿足直播需求，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為實(shí)現(xiàn)播量的快速調(diào)節(jié)和排種輪的簡單實(shí)用，本研究選擇螺旋槽式排種器進(jìn)行研究，通過優(yōu)化槽孔形狀、螺旋角大小來確定最優(yōu)參數(shù)。

1 螺旋槽式排種器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 螺旋槽式排種器的主要結(jié)構(gòu)

由圖1可知，螺旋槽式排種器主要由種箱、外殼、螺旋槽輪、擋圈、清種刷、護(hù)種板、阻塞輪等部分組成。

1.2 工作原理

螺旋槽式排種器工作時(shí)，稻種充滿種箱及充種區(qū)域，在自身重力和種子間的相互作用力下進(jìn)入螺旋槽內(nèi)，隨著排種輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，多余的種子由種刷刷回至充種區(qū)域，螺旋槽內(nèi)的種子則由護(hù)種板進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)轉(zhuǎn)過護(hù)種區(qū)后落下，實(shí)現(xiàn)播種。

2 排種輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

排種輪作為排種器的核心工作部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接決定了排種器的性能。本研究根據(jù)水稻芽種的物理特性參數(shù)及理論分析對排種輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 排種輪的直徑及槽孔數(shù)設(shè)計(jì)

排種輪由單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速由拖拉機(jī)前進(jìn)速度、排種輪的半徑以及槽孔數(shù)決定。若排種輪的半徑過小，排種輪可以開的槽孔數(shù)就會(huì)變少，對排種輪轉(zhuǎn)速的要求也會(huì)變高，不利于排種器運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性，會(huì)出現(xiàn)空穴或少種的情況。若排種輪的直徑過大，則會(huì)影響排種的均勻性，并且會(huì)導(dǎo)致排種器的尺寸增大，結(jié)構(gòu)臃腫。參考前人的研究[12-13]，再結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)機(jī)企業(yè)設(shè)計(jì)的排種輪，本試驗(yàn)的排種輪直徑設(shè)計(jì)為60 mm。

選取槽孔個(gè)數(shù)時(shí)，如果排種輪表面槽孔數(shù)分布較少，則會(huì)導(dǎo)致穴距的均勻性下降;如果槽孔分布過多，槽孔在排種輪上的間隔就會(huì)變小，則影響每穴種子分離的準(zhǔn)確性[14]。水稻直播機(jī)在水田里的作業(yè)速度一般為0.4～0.8 m/s，排種輪的轉(zhuǎn)速一般為20～60 r/min[15]。根據(jù)農(nóng)藝要求，取穴距為 15 cm。槽孔個(gè)數(shù)、機(jī)具行走速度、穴距及排種輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

式中：x表示槽孔個(gè)數(shù);v表示機(jī)具的前進(jìn)速度，m/s;n表示排種輪轉(zhuǎn)速，r/min;L表示穴距，m。

最大作業(yè)速度對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速，將0.8 m/s和60 r/min 分別代入式中可得x=5.33，所以可以考慮設(shè)計(jì)5個(gè)以上槽孔，由于直徑只有60 mm，所以選用6個(gè)比較適宜，否則太密。

2.2 槽孔形狀設(shè)計(jì)

根據(jù)羅錫文等的研究可知，在排種過程中用來裝載種子的槽孔形狀對排種器的性能有重要影響[13]，但查閱文獻(xiàn)資料鮮見關(guān)于螺旋槽式排種器的槽孔形狀對水稻直播排種性能影響的研究。本研究選取在江淮流域使用較多的南粳5055稻種作為試驗(yàn)用水稻品種，根據(jù)南粳5055的三軸尺寸（表1）對市面上最常見的半圓形槽孔進(jìn)行設(shè)計(jì)， 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出其他形狀槽孔。

由圖2可知，槽孔寬度與水稻芽種的最大長度及最大寬度有關(guān)，槽孔深度與水稻芽種最大寬度與最大厚度之中的最大值有關(guān)，由于南粳5055稻種的最大寬度大于最大厚度，因此在槽孔的深度設(shè)計(jì)中只考慮水稻芽種的寬度參數(shù)。雜交稻的最小播量為3粒/穴，應(yīng)保證至少有3粒水稻芽種充入槽孔，參考《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（上）》[16]可知，種子以2粒橫放及1粒豎放的出現(xiàn)形式最多，則槽孔的開口寬度和深度應(yīng)該滿足如下關(guān)系式。

式中：lmax表示水稻芽種的最大長度，mm;bmax表示水稻芽種的最大寬度，mm;S表示槽寬，mm;H表示槽孔深度，mm。

將水稻芽種的參數(shù)帶入，S≥11.6 mm、7.95 mm>H>5.51 mm，所以加工深度（R）取6 mm。在保證槽寬和槽孔深度不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)3種槽孔形狀，分別為勺形、半圓弧形和U形，具體如圖3所示。

2.3 槽孔螺旋角設(shè)計(jì)

根據(jù)前人對螺旋式排種輪進(jìn)行的研究[17-18]可知，槽孔的螺旋角會(huì)對排種輪的充種性能和穴徑產(chǎn)生影響。因此在本試驗(yàn)中增加對螺旋升角θ的試驗(yàn)考慮，分別選擇0°、10°、20°、30°作為研究參數(shù)（圖4）。

3 臺架試驗(yàn)

為探究各因素對排種器工作性能的影響，先后進(jìn)行單因素試驗(yàn)及正交試驗(yàn)，通過處理分析試驗(yàn)結(jié)果，得到最優(yōu)參數(shù)組合排種器。

3.1 試驗(yàn)臺架及試驗(yàn)材料

試驗(yàn)臺架主要由可調(diào)速傳送帶、型材架、排種器、階梯排種軸、聯(lián)軸器、調(diào)速電機(jī)、調(diào)速器及卡箍等搭建而成。由圖 5可知，傳送帶由調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，傳送帶的調(diào)速范圍滿足0.4～0.8 m/s的試驗(yàn)要求，排種軸通過聯(lián)軸器與另一臺調(diào)速電機(jī)連接，其調(diào)速范圍滿足試驗(yàn)20～60 r/min的試驗(yàn)要求，利用亞克力板將電機(jī)安裝在型材架上，同時(shí)將種箱固定在型材架上，為防止排種輪在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中發(fā)生軸向移動(dòng)造成試驗(yàn)誤差，在排種輪的兩端利用卡箍緊固，試驗(yàn)過程中所用材料為南粳 5055水稻芽種。

試驗(yàn)中所用槽輪因?yàn)橹圃旃に囕^復(fù)雜，本研究通過3D打印技術(shù)制造所需排種輪，其加工精度為 0.1 mm，滿足試驗(yàn)精度要求。對多種 3D 打印材料進(jìn)行對比后，決定以光敏樹脂為基礎(chǔ)材料制造排種輪。采用光敏樹脂材料制造的排種輪表面光滑程度高，可以減小芽種與槽輪表面的摩擦，使種子可以順利排出并且減小對芽種的損傷，提高芽種的成活率，試驗(yàn)用部分排種輪如圖6所示。

3.2 試驗(yàn)方法及因素

為模擬稻種落到水田里的狀態(tài)，在傳送帶上均勻涂抹1層糯米膠來作為泥土，起到防止種子發(fā)生彈跳的作用。在更換不同槽輪時(shí)，通過改變槽輪的工作長度始終保持槽孔容納種子的體積不變。在試驗(yàn)過程中，首先使排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，手持盒子放在排種區(qū)域下方，待排種進(jìn)入均勻穩(wěn)定的狀態(tài)后，啟動(dòng)傳送帶，同時(shí)將盒子撤出排種區(qū)域，使種子落在傳送帶上。為分別探究槽孔形狀、螺旋角以及行走速度對排種效果的影響，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，具體見表2。

3.3 試驗(yàn)評價(jià)指標(biāo)

結(jié)合文獻(xiàn)[18-19]，當(dāng)穴內(nèi)有3～8粒種子時(shí)視為穴粒數(shù)合格穴，將穴粒數(shù)合格穴數(shù)與總穴數(shù)的百分比作為穴粒數(shù)合格率（Y1）;當(dāng)穴徑≤60 mm時(shí)視作穴徑合格穴，將穴徑合格穴數(shù)與總穴數(shù)的百分比作為穴徑合格率（Y2）。以Y1、Y2作為考察排種性能的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)。由于試驗(yàn)臺架傳送帶觀測長度有限，因此每組試驗(yàn)取99穴作為一個(gè)統(tǒng)計(jì)樣本，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，取平均值。

3.4 單因素試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 各因素對穴粒數(shù)合格率的影響 由圖7-a可知，當(dāng)機(jī)具的行走速度從0.4 m/s增大到0.8 m/s時(shí)，穴粒數(shù)合格率呈先增加后減小趨勢，當(dāng)行走速度為0.5 m/s時(shí)合格率最高。

由圖7-b可知，槽孔形狀不同時(shí)，穴粒數(shù)合格率也相應(yīng)發(fā)生變化，其中勺形槽孔表現(xiàn)最佳，U形與半圓形槽孔的穴粒數(shù)合格率幾乎一致，均較低。

由圖7-c可知，當(dāng)槽孔螺旋角從0°增加到30°時(shí)，穴粒數(shù)合格率呈先增加后減小趨勢，在10°時(shí)達(dá)到最大值。

3.4.2 各因素對穴徑合格率的影響 由圖8-a可知，當(dāng)機(jī)具的行走速度從0.4 m/s增加到0.8 m/s時(shí)，穴徑合格率隨著行走速度的增加而減小。由圖8-b可知，槽孔形狀不同時(shí)，穴徑合格率也相應(yīng)發(fā)生變化，其中勺形槽孔表現(xiàn)最佳，半圓形、半圓弧形和U形槽孔的穴徑合格率相差無幾。由圖8-c可知，當(dāng)槽孔螺旋角從0°增加到30°時(shí)，穴徑合格率呈上下波動(dòng)下降趨勢。

3.5 正交試驗(yàn)及結(jié)果

正交試驗(yàn)是一種針對多因素試驗(yàn)條件的試驗(yàn)方法，在全部因素組合中挑選出具有代表性的組合進(jìn)行試驗(yàn)，大大地節(jié)省了試驗(yàn)成本及時(shí)間，是一種科學(xué)高效的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。

從單因素試驗(yàn)分析結(jié)果可知，機(jī)具的行走速度為0.4～0.6 m/s時(shí)排種器的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)較好;當(dāng)槽孔形狀不同時(shí)， 由于U形槽孔與半圓形槽孔試驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此在2種形狀中選擇1種與其他2種形狀進(jìn)行正交試驗(yàn);槽孔螺旋角在0°～20°時(shí)排種器的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)較好，因此進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)安排如表3所示，正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

3.6 各因素對穴粒數(shù)、穴徑合格率的影響

根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)相關(guān)知識可知，方差分析可將試驗(yàn)誤差范圍的方差與試驗(yàn)條件變化而造成的方差分解出來，本研究通過SPSS軟件對穴粒數(shù)合格率、穴徑合格率正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，并將2種方差進(jìn)行F檢驗(yàn)，具體如表5、表6所示。

當(dāng)P<0.001時(shí)，表示自變量對因變量有極顯著影響;當(dāng)0.001≤P<0.01時(shí)，表示自變量對因變量有高度顯著影響;當(dāng)0.01≤P≤0.05時(shí)表示自變量對因變量有顯著影響;當(dāng)P>0.05時(shí)，表示自變量對因變量無顯著影響。從表5可以看出，行走速度（對應(yīng)不同槽輪轉(zhuǎn)速）、槽孔形狀、槽孔螺旋角3個(gè)因素對應(yīng)的P值均小于0.05，表明3個(gè)因素對穴粒數(shù)合格率均有顯著影響。從表6可以看出，行走速度和槽孔形狀對穴徑合格率有高度顯著影響，槽孔螺旋角對穴徑合格率影響顯著。

3.7 正交試驗(yàn)結(jié)果與多指標(biāo)優(yōu)化分析

因?yàn)楸狙芯康呐欧N性能是由穴徑合格率與穴粒數(shù)合格率2個(gè)指標(biāo)共同評價(jià)的，如果對單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析具有片面性，所以需要進(jìn)行多指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化分析，從而獲得各因素對整體性能的影響順序及最優(yōu)參數(shù)組合。本研究采用矩陣分析法[20]對試驗(yàn)進(jìn)行分析，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)建3個(gè)層次結(jié)構(gòu)模型。

由表7可知，第1層為試驗(yàn)考察指標(biāo)層，第2層是因素層，第3層為水平層。

依次建立各層矩陣，并給出各層矩陣定義。定義試驗(yàn)考察指標(biāo)層矩陣：第3層中的每個(gè)水平都表示試驗(yàn)指標(biāo)的平均值，依次填入矩陣M（公式4）;定義因素層矩陣：令Ti=1∑3j=1Aij，從而建立矩陣T（公式5）;定義水平層矩陣：正交試驗(yàn)中因素Ai的極差為si，令Si=si/∑3isi，建立矩陣S（公式6）。

通過乘以各層矩陣得到試驗(yàn)指標(biāo)的權(quán)重矩陣以及各因素水平的權(quán)重值，能夠很好地簡化計(jì)算過程，并且準(zhǔn)確評價(jià)各指標(biāo)的影響程度。以計(jì)算穴粒數(shù)合格率的權(quán)重矩陣ω1=M1T1S1為例，其中，M1T1表示因素A1（行走速度第1水平的指標(biāo)值）占所有水平指標(biāo)值總和的比值;S1表示因素A1的極差占所有因素極差總和的比值。2個(gè)部分乘積數(shù)值的大小體現(xiàn)了因素A1第一水平指標(biāo)值對所有水平指標(biāo)值綜合的影響程度。依此類推，可以得到其他因素水平的計(jì)算結(jié)果，即各因素各水平對評價(jià)指標(biāo)影響的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重可得到最優(yōu)參數(shù)組合及影響因素的主次順序。

通過計(jì)算分別得到穴粒數(shù)合格率的權(quán)重矩陣ω1和穴徑合格率的權(quán)重矩陣ω2。而正交試驗(yàn)綜合評價(jià)指標(biāo)總權(quán)重矩陣為2個(gè)評價(jià)指標(biāo)權(quán)矩陣的平均值，因此總權(quán)重矩陣計(jì)算公式如下。

由計(jì)算結(jié)果可知，因素A的3個(gè)水平權(quán)重值為A1=0.140 438、A2=0.137 456、A3=0.134 636，即A1所占的權(quán)重最大;同理可得到在因素B中權(quán)重最大值為B3;在因素C中權(quán)重最大值為C3。因此，經(jīng)過多指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化分析可得出，最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C3，即機(jī)具行走速度為0.4 m/s，槽孔形狀為勺形，槽孔螺旋角為20°，且各因素對排種性能的影響程度排序?yàn)锳>B>C。由表4可知，最優(yōu)參數(shù)組合的試驗(yàn)結(jié)果為穴粒數(shù)合格率95.62%，穴徑合格率91.58%，優(yōu)于正交試驗(yàn)中其余各組。

4 討論與結(jié)論

關(guān)于水稻螺旋槽式排種器的排種輪，前人已經(jīng)作過一些研究，例如田立權(quán)等用Matlab分析出螺旋升角對水稻芽種軸向速度的影響[18]，但沒有將槽孔的形狀考慮進(jìn)去。劉春波等同樣也未考慮槽孔形狀，而且所做試驗(yàn)都是單因素的試驗(yàn)，可能存在最優(yōu)組合丟失的情況[21]。本研究雖然在臺架試驗(yàn)中也有一些欠缺，在選定最優(yōu)槽孔形狀后未對工作長度對排種器的影響進(jìn)行研究，也缺乏大田試驗(yàn)，但本試驗(yàn)分析了多種參數(shù)對螺旋槽式排種器排種性能的影響權(quán)重，可為后面的進(jìn)一步研究提供理論支持。

對正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析可知，機(jī)具行走速度、槽孔形狀、槽孔螺旋角3個(gè)因素對穴粒數(shù)合格率均有顯著影響，機(jī)具行走速度和槽孔形狀對穴徑合格率有高度顯著影響，槽孔螺旋角對穴徑合格率有顯著影響。

通過矩陣分析法獲得的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C3，即機(jī)具行走速度為0.4 m/s，槽孔形狀為勺形，槽孔螺旋角為20°，得到穴粒數(shù)合格率為95.62%，穴徑合格率為91.58%。各因素對排種性能的影響順序?yàn)锳>B>C，即機(jī)具行走速度對排種性能的影響大于槽孔形狀，槽孔形狀對排種性能的影響大于槽孔螺旋角。

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