導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器孔-槽組合型孔設(shè)計與試驗

張順，何海龍，苑嚴(yán)偉，況福明，熊瑋，李兆東，朱德泉※

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，合肥 230036；2. 安徽省智能農(nóng)機裝備工程實驗室，合肥 230036；3. 中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院集團有限公司，北京 100083；4. 土壤植物機器系統(tǒng)技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083）

0 引言

水稻精量穴直播技術(shù)具有省工省時、生產(chǎn)效益高等優(yōu)點，已成為中國水稻主要的種植模式之一，并在常規(guī)稻和雜交稻種植中均廣泛應(yīng)用[1-3]。由于常規(guī)稻、雜交稻的分蘗能力差異大，精量穴直播種植的穴播量迥異[4-6]。因此，穴播量精確調(diào)節(jié)技術(shù)及裝備成為水稻輕簡高效機械化栽培模式應(yīng)用的迫切需求。

水稻可調(diào)精量穴直播技術(shù)的關(guān)鍵部件是排種器。機械式排種器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，能適應(yīng)田間振動多塵，甚至高濕的作業(yè)環(huán)境，在當(dāng)前水稻輕簡型精量穴直播機上普遍應(yīng)用[7-10]。為滿足常規(guī)稻和雜交稻精量穴直播種植不同穴播量的農(nóng)藝要求，張國忠等[11]提出了一種雙腔側(cè)充式排種器，單腔排種時滿足雜交稻的穴播量，雙腔排種時滿足常規(guī)稻的穴播量。張明華等[12]研制了一種組合型孔輪式排種器，試驗明確了適應(yīng)常規(guī)稻和雜交稻不同穴播量的型孔容積。王在滿等[13]在組合型孔輪式排種器的基礎(chǔ)上提出了穴播量無極調(diào)節(jié)方法，通過控制電機轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)內(nèi)輪與外輪的相對角度從而改變型孔容積，實現(xiàn)一穴3～10 粒稻種的無極調(diào)節(jié)。由于稻種外形細(xì)長，表殼粗糙，滾動摩擦阻力大，易在充種區(qū)雜亂無序堆疊[14-16]。上述播量可選或可調(diào)水稻穴直播排種器充種型孔的設(shè)計均未考慮稻種充填型孔的姿態(tài)，使得一穴多粒稻種在型孔中無序堆疊，導(dǎo)致穴播量的穩(wěn)定性及其調(diào)節(jié)的精確性有待提升。而憑借稻種的橢球狀外形，利用V 型槽兩側(cè)壁限制稻種的自由轉(zhuǎn)動，并對稻種進行機械梳導(dǎo)或激振勻種，實現(xiàn)稻種在V 型槽底定向排列是可行途徑[17-19]。

本文基于稻種定向有序充種型孔的思路，及常規(guī)稻每穴5～10 粒、雜交稻每穴2～5 粒精量穴直播的種植農(nóng)藝要求[20]，擬在明確盤齒擾動下充種區(qū)域稻種分布姿態(tài)的基礎(chǔ)上，開展可調(diào)孔-槽（進種孔-V 型槽）組合型孔設(shè)計與試驗，以期實現(xiàn)水稻不同品種不同穴播量的精量穴播排種。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器主要由左殼體、排種軸、腔道盤、型孔盤、緊固螺釘、右殼體等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中腔道盤、型孔盤組成具有輸種腔道的排種盤，輸種腔道由傾斜腔道和徑向腔道交匯構(gòu)成，并連通型孔盤面上的進種孔與腔道盤外圓周上的投種口。傾斜腔道起始處設(shè)有V 型槽，型孔盤可相對于腔道盤轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)其上大、小進種孔的切換，以及進種孔有效進種長度的調(diào)整。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of seed-metering device

排種器的排種過程主要包括充種、攜種和投種3個主要環(huán)節(jié)，如圖2 所示。排種前，先根據(jù)水稻種類將型孔盤切換至適宜的進種孔，種箱裝入稻種后，稻種在重力作用下通過右殼體上的進種管流入充種區(qū)。排種盤轉(zhuǎn)動后，貼近排種盤面的種群在疏導(dǎo)齒的疏松引導(dǎo)作用下，型孔運動區(qū)域的稻種長軸方向與排種盤的轉(zhuǎn)動方向逐漸趨于一致，定向后的稻種在進種孔前進方向上引種槽的進一步引導(dǎo)下定向充入型孔，并沿著V 型槽順勢地導(dǎo)向堆疊在槽中。

圖2 排種過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of seeding process

當(dāng)攜有種子的組合型孔轉(zhuǎn)離充種區(qū)后，未完全充入型孔的稻種在自身重力的作用下滑出型孔，并落回充種區(qū)，型孔內(nèi)剩余定量稻種隨著排種盤的轉(zhuǎn)動，流經(jīng)傾斜腔道，并在傾斜腔道與徑向腔道的交匯處匯集。隨著排種盤的繼續(xù)轉(zhuǎn)動，匯集在兩腔道交匯處的稻種沿徑向腔道運動至投種口。當(dāng)投種口轉(zhuǎn)至投種區(qū)時，稻種失去殼體的圍護，并在自身重力與離心力的作用下落入由直播機開溝器開出的種溝內(nèi)，完成水稻的精量穴直播作業(yè)。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

2.1 疏導(dǎo)齒

型孔盤上疏導(dǎo)齒是疏松盤齒轉(zhuǎn)動路徑周邊種群，實現(xiàn)進種孔充種區(qū)域稻種定向分布的主要部件。為探究疏導(dǎo)齒對稻種的疏導(dǎo)定向作用，開展稻種疏導(dǎo)定向過程的動力學(xué)分析與姿態(tài)轉(zhuǎn)變追蹤。

2.1.1 稻種疏導(dǎo)動力學(xué)分析

稻種外形類似橢球，其簡化橢球模型如圖3 所示。

圖3 水稻種子三軸尺寸示意圖Fig.3 Triaxial size diagram of rice seed

其參數(shù)方程為

則稻種繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動慣量IX、IY、IZ（kg·m2）分別為

式中m為單粒稻種質(zhì)量，kg。由于常見稻種的寬度和厚度尺寸接近，且較小于長度尺寸，故稻種在Y軸和Z軸上的轉(zhuǎn)動慣量較大，即稻種較難繞其短軸改變原有的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。

排種器工作時，充種區(qū)稻種處于不斷變化的復(fù)雜力鏈系統(tǒng)中。對與疏導(dǎo)齒接觸的任意姿態(tài)稻種開展受力分析。如圖4 所示。由圖4 可知稻種的力學(xué)平衡方程為

圖4 稻種受力示意圖Fig.4 Force analysis diagram of rice seed

式中mi為稻種i的質(zhì)量，kg；xi為稻種i的質(zhì)心位移，m；t為稻種運動時間，s；Ii為稻種i的轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；ωi為稻種i的轉(zhuǎn)動角速度，rad/s；M0為稻種所受力對其與疏導(dǎo)齒接觸點的力矩，N·m。

由式（3）可知，若采用無疏導(dǎo)齒的型孔盤，稻種易在自身重力、離心慣性力、型孔盤摩擦力及周圍種群作用力下保持平衡，即稻種所受的型孔盤摩擦力和離心慣性力不足以克服稻種所受的周圍種群阻滯作用力及重力，使得稻種難以打破靜止的無序堆疊狀態(tài)，導(dǎo)致種群流動性差。而若型孔盤上設(shè)有疏導(dǎo)齒，則疏導(dǎo)齒隨盤轉(zhuǎn)動過程中對種群施加一個持續(xù)穩(wěn)定，足以打破疏導(dǎo)齒轉(zhuǎn)動路徑周圍種群靜止?fàn)顟B(tài)的作用力，使得疏導(dǎo)齒轉(zhuǎn)動路徑周圍種群間隙增大，稻種在疏導(dǎo)齒和外圍種群阻滯的共同作用下轉(zhuǎn)動。當(dāng)?shù)痉N轉(zhuǎn)動至其長軸與徑向近似垂直時，即稻種長軸方向與轉(zhuǎn)動切線方向近似一致時，稻種躺臥于下層種群之上，此時，若疏導(dǎo)齒無法直接作用于躺臥的稻種，則因稻種短軸轉(zhuǎn)動慣量較大而不易轉(zhuǎn)動，使得稻種近似定向分布，這與重力場下最小勢能原理吻合，故盤齒持續(xù)疏導(dǎo)作用下，疏導(dǎo)齒下方稻種可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動定向。故將疏導(dǎo)齒設(shè)置于進種孔內(nèi)側(cè)約一粒稻種長度的距離，為8 mm，且疏導(dǎo)齒齒長方向指向圓心。為避免疏導(dǎo)齒拖帶稻種，設(shè)計疏導(dǎo)齒齒長Lj約為常見稻種長度的一半，齒高Hj略大于常見稻種的寬度尺寸，齒寬Wj應(yīng)確保其工程塑料材質(zhì)具有足夠的強度。故疏導(dǎo)齒長、高、寬分別設(shè)計為5、3、3 mm，并對齒厚貼近型孔盤一端兩側(cè)進行倒圓角Rj處理，圓角尺寸為1.6 mm，如圖4 所示。

2.1.2 稻種疏導(dǎo)姿態(tài)分析

為便于觀察疏導(dǎo)齒擾動下進種孔充種區(qū)域稻種的分布姿態(tài)，將與充種區(qū)稻種接觸的型孔盤改用透明材質(zhì)制成，并采用高速攝像技術(shù)觀測充種區(qū)域稻種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變過程[21-22]。試驗稻種為黃華占，為便于觀測，將五分之一試驗稻種染色處理。將未染色稻種和染色稻種均勻混合后由進種管裝入排種器中，啟動電機并調(diào)至一般工作轉(zhuǎn)速17.1 r/min，高速攝像拍攝速率為75 幀/s，像素為1 280×1 024。通過逐幀圖像分析觀測區(qū)稻種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，圖5 為不同時刻進種孔運移路徑區(qū)域（白色虛線腰圓環(huán)）內(nèi)染色示蹤稻種的分布姿態(tài)變化圖。

圖5 稻種定向過程Fig.5 Orientation process of rice seeds

由圖5a 可知，型孔盤轉(zhuǎn)動前，稻種在重力作用下充入充種區(qū)，并在充種區(qū)無序堆疊。由圖5b～5 d 可知，型孔盤轉(zhuǎn)動后，觀測區(qū)稻種遷移過程中，在疏導(dǎo)齒的疏導(dǎo)及周圍種群阻滯作用下，觀測稻種繞其短軸發(fā)生轉(zhuǎn)動，其長軸逐漸與其質(zhì)心所在位置的盤面轉(zhuǎn)動切線方向近似一致，并穩(wěn)定于該姿態(tài)，如圖5e～5f 所示。

為定量分析觀測區(qū)域染色示蹤稻種的姿態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律，記錄型孔盤轉(zhuǎn)動后49 s 的連續(xù)幀圖像，對應(yīng)排種器連續(xù)排種350 穴，從連續(xù)幀圖像中每隔7 s 選出觀測圖像，以圖像默認(rèn)的像素坐標(biāo)系，即圖像左上角像素點為坐標(biāo)系原點o1，水平向右為x1軸，鉛錘向下為y1軸，如圖5a所示，并將觀測稻種長軸與其質(zhì)心所在盤面轉(zhuǎn)動切線方向的夾角定義為稻種姿態(tài)角θi，令di為單粒稻種定向率，以表征觀測稻種長軸方向與其質(zhì)心所在盤面轉(zhuǎn)動切線方向的一致程度，D為觀測區(qū)示蹤稻種（總數(shù)為N）平均定向率，各指標(biāo)計算式分別如下：

上述坐標(biāo)值借助高速攝像儀配套軟件i-SPEED Software Suite 逐個標(biāo)記稻種長軸兩端端點和盤面圓心像素坐標(biāo)獲取。

觀測區(qū)染色稻種平均定向率與姿態(tài)角頻數(shù)分布統(tǒng)計結(jié)果分別如圖6、圖7 所示。綜合分析圖6、圖7 可知，型孔盤轉(zhuǎn)動前，稻種分布姿態(tài)無規(guī)律，平均定向率較低，稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布分散。型孔盤轉(zhuǎn)動后，稻種的平均定向率先急劇增大后緩慢增大，35 s 后趨于穩(wěn)定，平均定向率趨于85%，稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布集中于30°以內(nèi)。當(dāng)型孔盤轉(zhuǎn)動7 s 后，即疏導(dǎo)齒對種群疏導(dǎo)兩圈后，稻種平均定向率已達80%，稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布已趨于集中在30°以內(nèi)，且20°以下居多，表明型孔盤轉(zhuǎn)動兩圈后，進種孔運移區(qū)域稻種已具有較好的定向效果，為稻種定向穩(wěn)定充種創(chuàng)造有利條件。

圖6 稻種平均定向率Fig.6 Average orientation rate of rice seeds

圖7 不同時刻稻種姿態(tài)角頻數(shù)分布Fig.7 Frequency distribution of rice seed attitude angle at different moments

2.1.3 不同排種轉(zhuǎn)速下稻種疏導(dǎo)姿態(tài)分析

為明確不同排種轉(zhuǎn)速對觀測區(qū)稻種姿態(tài)變化規(guī)律的影響，設(shè)置排種盤轉(zhuǎn)速分別為10.3、13.7、17.1、20.6、24.0 r/min，對應(yīng)直播機前進速度分別為0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/s 共5個常規(guī)作業(yè)速度，各轉(zhuǎn)速下不同時刻稻種平均定向率統(tǒng)計結(jié)果如圖8 所示。

圖8 不同轉(zhuǎn)速下稻種平均定向率Fig.8 Average orientation rate of rice seeds at different rotational speeds

由圖8 可知，不同排種轉(zhuǎn)速下，觀測區(qū)種群平均定向率的變化規(guī)律基本一致，且相同時刻，各排種轉(zhuǎn)速的平均定向率差異不大，表明常規(guī)作業(yè)速度下，排種轉(zhuǎn)速對進種孔充種區(qū)域稻種分布姿態(tài)的變化規(guī)律基本無影響。

2.2 組合型孔

2.2.1 進種孔

由充種區(qū)域稻種分布姿態(tài)規(guī)律可知，稻種主要以其長軸與型孔盤轉(zhuǎn)動切線方向近似一致的姿態(tài)充種，綜合考慮稻種的橢球狀外形，大、小進種孔形狀均設(shè)計為腰圓形，并使其長軸沿型孔盤圓周切線方向分布。由文獻[23-24]可知，腰圓形進種孔的充種性能主要受其寬度尺寸影響，故設(shè)計兩進種孔的長度尺寸L相等，并滿足L＞lmax(lmax為常見稻種長度尺寸的最大值)。因常規(guī)稻與雜交稻的穴播量存在差異，故對大、小進種孔的寬度尺寸分別分析。將紡錘形稻種簡化為規(guī)則的橢球體，依據(jù)常規(guī)稻與雜交稻的穴播量，大、小進種孔能同時分別充入3 粒和2 粒稻種為宜，其結(jié)構(gòu)尺寸示意圖分別如圖9 所示。

圖9 進種孔尺寸示意圖Fig.9 Size dragram of seed orifices

由圖9a、9b 的幾何關(guān)系可得大、小進種孔的寬度尺寸與稻種三軸尺寸中值及其充種姿態(tài)角的關(guān)系式為

式中m1=0.5(w1+d1)，w1、d1分別為常見稻種的寬度、厚度尺寸中值，mm。經(jīng)統(tǒng)計，常見稻種的長度尺寸l1中值為9.18 mm，寬度尺寸w1中值為2.48 mm，厚度尺寸d1中值為2.02 mm，最大長度尺寸lmax為11.29 mm，代入式（7），并分別繪制大、小進種孔的寬度尺寸與充種稻種姿態(tài)角的關(guān)系曲線，如圖10 所示。

圖10 進種孔寬度尺寸與稻種充種姿態(tài)角的關(guān)系曲線圖Fig.10 Relation diagram of seed attitude angle and orifice width

依據(jù)排種器穩(wěn)定排種后，型孔運移路徑區(qū)域內(nèi)稻種姿態(tài)角集中在30°以內(nèi)的統(tǒng)計結(jié)果，則適宜的大、小進種孔寬度應(yīng)分別位于6.75～9.00 mm、4.5～7.00 mm。而大、小進種孔的長度均設(shè)計為11.50 mm。

2.2.2 V 型槽

1）V 型槽傾角

為使橢球狀稻種在組合型孔內(nèi)有序堆疊，尋求型孔定量充種與播量精確調(diào)節(jié)的實現(xiàn)途徑，參考已有研究經(jīng)驗，綜合考慮排種器傾斜腔道結(jié)構(gòu)特征，將組合型孔的容種槽設(shè)計成便于進種和出種的與排種盤徑向?qū)ΨQ的V型槽[25]。稻種以其長軸與進種孔長邊近似一致的姿態(tài)先后充入V 型槽后，便受到V 型槽兩壁面的限向與引導(dǎo)作用，使其順勢地以長軸沿V 型槽縱向定向地堆疊在槽內(nèi)。因田間播種機的振動環(huán)境，使V 型槽底平躺1 粒稻種較為穩(wěn)定，則底層稻種上方左右兩側(cè)配合槽壁面，各可容納1 粒平躺稻種，故V 型槽開闊處應(yīng)能容納腔道盤徑向上兩列稻種堆疊為宜，如圖11a 所示，若稻種對壁面無擠壓變形的應(yīng)力作用，則可避免稻種以圖示狀態(tài)或其他狀態(tài)卡種，故按圖中幾何關(guān)系分析V 型槽傾角的最大臨界值[26]。

圖11 三粒及五粒稻種堆疊V 型槽示意圖Fig.11 Diagram of three and five rice seeds stacking V-groove

以底層稻種質(zhì)心為坐標(biāo)原點O1，排種盤軸向和徑向分別為X1軸和Y1軸，建立直角坐標(biāo)系X1O1Y1，則由橢圓O1、O2可得：

由圖11a 可知，M點為直線O1O2的中點，則有：

由式（8）和式（9）可得：

將常見稻種的寬度和厚度尺寸中值代入式（10）可得β=54.5°，故V 型槽傾角不大于54.5°即可有效避免卡種，故本文取V 型槽傾角為54°，且該值大于稻種與腔道材料的滑動摩擦角[27]，確保稻種順暢地充入V 型槽內(nèi)。

2）V 型槽深度

依據(jù)槽內(nèi)徑向兩列稻種的堆疊規(guī)律，播種雜交稻時，V 型槽深度h3應(yīng)至少容納兩層稻種，即h3應(yīng)不低于上層稻種的質(zhì)心高度（h1+h2），如圖11a 所示。

以V 型槽底端為坐標(biāo)原點o2，排種盤軸向、徑向分別為x2、y2軸，建立直角坐標(biāo)系x2o2y2，由稻種O1、O2和槽壁面切點M1、M2所在直線方程與橢圓O1方程：

整理得h1=由前述已知條件求得h1=1.98 mm。

記橢圓O1、O2切點M的坐標(biāo)值為（x0，y0），結(jié)合橢圓O1方程，有如下關(guān)系式：

計算得h3≥3.72 mm，故設(shè)計V 型槽深度h3為3.8 mm。

為滿足常規(guī)稻穴播5～10 粒稻種的農(nóng)藝要求，在適用于雜交稻兩層稻種充填槽深的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計大進種孔外沿邊與V 型槽開口處的相對高度，形成槽內(nèi)3 層稻種，即至少5 粒稻種的有序充填，如圖11b 所示，則大進種孔外沿邊與槽開口處的相對高度h4應(yīng)不低于上層稻種的質(zhì)心，即h4≥d。因常見稻種的平均厚度尺寸d中值接近2.00 mm，故本文h4取2.00 mm，則型孔盤上小進種孔分布在大進種孔的外側(cè)，且兩進種孔的外沿邊徑向上為2.00 mm 的高度差。

為進一步避免V 型槽底部夾持稻種，并提高底層稻種以平躺姿態(tài)堆疊在槽底，依據(jù)底層稻種的堆疊姿態(tài)及橢圓O1短軸端的曲率半徑R對V 型槽底部進行倒圓角處理。橢圓O1短軸端曲率半徑R的計算式為

由稻種的三軸長度中值，可得曲率半徑R為1.52 mm，故設(shè)計V 型槽底部倒圓角半徑R為1.60 mm，如圖11b所示。

3 臺架排種性能試驗

3.1 試驗設(shè)備與材料

試驗裝置如圖12 所示，其中，排種器轉(zhuǎn)速通過調(diào)節(jié)步進電機控制。全功能微電腦控制振動試驗臺為排種器臺架提供不同的振動工況，以模擬播種機田間作業(yè)時排種器的振動環(huán)境。

圖12 臺架排種性能試驗裝置Fig.12 Seeding performance test bench

高速攝像儀用于拍攝記錄排種器排出的每穴稻種粒數(shù)。試驗稻種選用常規(guī)稻品種黃華占和雜交稻品種豐兩優(yōu)3948，兩者的含水率分別為11.85%和11.06%，平均三軸尺寸（長×寬×厚）分別為9.36 mm×2.17 mm×1.90 mm和9.60 mm×2.55 mm×2.05 mm，對稻種進行人工除雜后排種。

3.2 評價指標(biāo)

參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6 973-2005 單粒（精密）播種機試驗方法，結(jié)合水稻精量穴直播的種植農(nóng)藝要求，選擇漏播率、合格率、重播率、破損率為評價指標(biāo)。各評價指標(biāo)的計算方法如下。

式中M為漏播率，%；Q為合格率，%；R為重播率，%；N為每組試驗統(tǒng)計的總穴數(shù)，c代表常規(guī)稻，h代表雜交稻。常規(guī)稻排種試驗時，nMc為一穴小于5 粒稻種的總漏播穴數(shù)，nQc為一穴5～10 粒稻種的總合格穴數(shù)，nRc為一穴大于10 粒稻種的總重播穴數(shù)；雜交稻排種試驗時，nMh為一穴小于2 粒稻種的總漏播穴數(shù)，nQh為一穴2～5 粒稻種的總合格穴數(shù)，nRh為一穴大于5 粒稻種的總重播穴數(shù)；B為種子破損率，%；Mn為排種器穩(wěn)定排種1 min 所排出的種子質(zhì)量，kg；mB為所排出種子中破損種子的質(zhì)量，kg。試驗時，連續(xù)拍攝并統(tǒng)計排種器穩(wěn)定排種時，從排種口排出的250 穴稻種，每組試驗重復(fù)3 次取平均值。

3.3 試驗結(jié)果及分析

依據(jù)前文的理論分析及前期排種預(yù)試驗可知，影響孔-槽組合型孔充種性能的主要因素為進種孔寬度和機組振動，為明確大、小進種孔寬度及機組振動對孔-槽組合型孔充種性能的影響規(guī)律，分別獲得適用于兩類稻種的孔-槽組合型孔，先后開展進種孔寬度與機組振動工況的排種單因素試驗和二因素全因子試驗，并考察組合型孔的品種適應(yīng)性。

3.3.1 單因素試驗

1）進種孔寬度

設(shè)置大進種孔的寬度為6.6、6.8、7.0、7.2、7.4、7.6、7.8 mm 共7個水平，小進種孔的寬度為4.4、4.6、4.8、5.0、5.2、5.4 mm 共6個水平。試驗時，排種盤轉(zhuǎn)速依據(jù)式（16）的計算結(jié)果進行設(shè)置。

式中n為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min，v為播種機前進速度，m/s，取1 m/s[28]；k為腔道個數(shù)，本文排種器腔道個數(shù)為25個；Ls為播種穴距，m，常規(guī)稻與雜交稻的播種穴距分別為0.14 m 和0.20 m，故排種常規(guī)稻和雜交稻的試驗轉(zhuǎn)速不同，分別為17.1 和12.0 r/min。試驗結(jié)果如圖13所示。

圖13 大、小進種孔寬度與各評價指標(biāo)的關(guān)系曲線Fig.13 Relationship between the width of large and small orifice and evaluation indexes

由圖13 可知，大、小進種孔寬度對排種器排種常規(guī)稻和雜交稻的性能影響呈相似的變化規(guī)律，均是隨著進種孔寬度的增大，合格率先緩慢上升后緩慢下降；漏播率均先大幅下降后緩慢降低；重播率先緩慢上升后大幅增大。當(dāng)進種孔寬度較小時，組合型孔囊入稻種局限于定向效果好的稻種，導(dǎo)致型孔充種粒數(shù)偏少，排種器漏播率偏高；隨著進種孔寬度的逐漸增大，定向率較高的稻種均可充入型孔，漏播率大幅下降，重播率略有上升，合格率逐漸升高；當(dāng)進種孔寬度較大時，如對于7.8 mm寬度的大進種孔和5.4 mm 寬度的小進種孔，稻種姿態(tài)角分別低于18°和15°的稻種均易充入型孔，導(dǎo)致型孔充種粒數(shù)偏多，重播率偏大，合格率降低。當(dāng)大進種孔寬度為6.8～7.6 mm、小進種孔寬度為4.6～5.2 mm 時，排種器的合格率均高于85%。

2）振動工況

為明確田間振動對排種器充種性能的影響，設(shè)置寬度為7.2 mm 大進種孔的組合型孔，利用全功能微電腦控制振動試驗臺進行不同振動工況下排種性能試驗。由文獻[29-30]可知，播種機田間作業(yè)的振動特性一般用振動頻率與振動加速度兩個特征參數(shù)表征，且播種機主要受到豎直方向的振動作用。本文排種器裝載的播種機田間作業(yè)時，豎直方向的振動頻率主要分布在0～150 Hz，且低頻振動（≤30 Hz）、中頻振動（40～90 Hz）及高頻振動（100～150 Hz）的振動加速度分別不高于4、12、25 m/s2。因此，本文不同振動工況排種性能試驗頻率選擇0～150 Hz，試驗水平間隔20 Hz，并按低、中、高頻段劃分，對應(yīng)頻段振動加速度分別為4、12 和25 m/s2，試驗結(jié)果如圖14 所示。

圖14 不同振動頻率與各項評價指標(biāo)的關(guān)系Fig.14 Relationship between vibration frequency and each evaluation index

由圖14 可知，不同振動工況下，排種器的排種合格率基本在90%以上小幅波動，漏播率均≤5%，只在低頻振動工況下，排種器的排種合格率偏低，但亦高于85%，說明具有適宜進種孔寬度的孔-槽組合型孔對不同的振動工況均具有較好的適應(yīng)性。在低頻振動條件下，排種合格率和重播率明顯分別低于和高于無振動和中高振頻條件，而漏播率稍有下降，其原因可能為：低頻振動工況下，單個周期振動過程時間長，排種器的振動幅值較大，激勵充種區(qū)稻種跳躍強度大，使得種群松散程度高、間隙大，種間相對移動阻力小，導(dǎo)致稻種易充入型孔，使得重播率大幅增加，合格率明顯下降，漏播率稍有下降。

隨著振動頻率增大至中頻振動或高頻振動，排種器的振動幅值相對減弱，充種區(qū)稻種的跳躍強度較小，使得種群下方進種孔充種區(qū)域的稻種松散程度與無振動工況下相差不大，該區(qū)域種間相對移動阻力改善程度弱，故排種器的充種性能較為穩(wěn)定，各性能評價指標(biāo)均與無振動工況下基本保持一致，無較大的異常波動。振動頻率單因素試驗結(jié)果表明，具有孔-槽組合型孔結(jié)構(gòu)的排種器排種性能主要受低頻振動工況的影響。

3.3.2 二因素全因子試驗

為考察不同進種孔寬度對各振動工況的適應(yīng)性，探尋最優(yōu)的進種孔寬度，明確排種器的排種性能，開展不同進種孔寬度與不同振動工況的二因素全因子試驗。因素水平設(shè)定依據(jù)前文單因素試驗結(jié)果，大進種孔寬度選取6.8、7.0、7.2、7.4、7.6 mm 共5個水平，小進種孔寬度選取4.6、4.8、5.0、5.2 mm 共4個水平，振動工況設(shè)定10、20、30 Hz 共3個低頻振動水平，并與無振動的排種效果作對比，試驗結(jié)果如表1 所示。

表1 全因子試驗方案及結(jié)果Table 1 Full factor test scheme and results %

由表1 可知，無論是大、小進種孔，在同一振動工況下，隨著進種孔寬度的增大，排種器合格率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，漏播率均逐漸減小，重播率均逐漸增大，基本與無振動工況下的變化趨勢相同。

當(dāng)使用大進種孔排種常規(guī)稻時，與無振動條件相比，在較低振頻條件下（≤20 Hz），對于較大寬度的大進種孔（≥7.2 mm），合格率下降，漏播率也稍有降低，重播率明顯增大；對于偏小寬度的大進種孔（≤7.0 mm），合格率、漏播率和重播率相對無太大變化，說明偏寬的大進種孔對低頻振動工況下的種群較為敏感，松散程度大、分離能力強的種群易充入組合型孔，使得重播率增大，合格率下降明顯；而偏窄的大進種孔對低頻振動工況下的種群更為適應(yīng)，松散程度大的種群亦難過多的穿過偏窄的大進種孔，從而確保排種性能與無振動條件相近。

而在較高的振頻條件下（30 Hz），不同大進種孔寬度的排種性能與無振動條件相近，這與中高頻振動工況試驗結(jié)果一致，表明30 Hz 的振動工況對孔-槽組合型孔排種器排種常規(guī)稻的排種性能基本無影響。綜合比較不同大進種孔在各頻振動及無振動工況下的排種性能，確定大進種孔寬度為7.0 mm，其組合型孔的排種合格率Q≥91.07%，漏播率M≤3.87%。

當(dāng)使用小進種孔排種雜交稻時，在不同的低頻振動工況下，同一進種孔寬度的排種性能相近，并與無振動工況相差不大，排種合格率基本一致，僅漏播率略高、重播率稍低，說明小進種孔的各寬度尺寸對低頻振動工況均不敏感，其原因可能為：不同寬度的小進種孔外邊沿均與V 型槽開口齊平，即各組合型孔的實際容種空間保持不變，且為淺槽，容種空間受限，即使種群松散程度大、分離能力強，也難充入更多稻種，已充入組合型孔的稻種也易在振幅明顯的低頻振動工況下清出型孔，故比無振動工況，漏播率略高、重播率稍低。當(dāng)小進種孔寬度為5.0 mm 時，其組合型孔在低頻振動和無振動工況均具有較好的排種性能，合格率基本在90%以上，漏播率≤5.73%，故可確定小進種孔寬度為5.0 mm。

3.3.3 品種適應(yīng)性試驗

為驗證導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器孔-槽組合型孔的品種適應(yīng)性，選取與黃華占（長粒型常規(guī)稻）、豐兩優(yōu)3948（長粒型雜交稻）外形尺寸差異明顯的晶兩優(yōu)1177（中粒型常規(guī)稻）、特三矮2 號（短粒型常規(guī)稻）、中農(nóng)2008（中粒型雜交稻）、Ⅱ優(yōu)346（短粒型雜交稻）為試驗品種。每個品種試驗前，參考各稻種的平均長軸尺寸，轉(zhuǎn)動型孔盤以調(diào)整進種孔的有效長度。并在6 種水稻各自對應(yīng)的排種器排種合格率最高的工況下，分別統(tǒng)計排種器的排種破損率。試驗方案及結(jié)果如表2 所示。

表2 品種適應(yīng)性試驗方案及結(jié)果Table 2 Variety adaptability test scheme and results

由表2 可知，在進種孔寬度不變時，進種孔有效長度亦會對大、小組合型孔的排種性能產(chǎn)生影響，隨著孔-槽組合型孔有效長度的增大，排種器的漏播率下降，重播率升高，合格率先增大后減小，其原因主要為：進種孔有效長度的增大，定向稻種的可充種時間延長，故每穴充種粒數(shù)相對增多，故重播率升高，漏播率下降。在適宜的進種孔有效長度下，排種合格率Q≥88.80%，漏播率M≤3.60%，說明該排種器能夠滿足不同外形尺寸常規(guī)稻與雜交稻的播量要求，具有較好的適應(yīng)性。各品種排種的種子破損率B≤0.16%，表明排種器排種方式較為合理，基本不損傷種子。

4 田間試驗

4.1 試驗設(shè)備及方法

為考察具有孔-槽組合型孔的導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器的田間播種性能，于2022 年6 月8 日在安徽省肥西縣粉坊村開展田間播種試驗。

試驗田塊長70 m，寬20 m，土壤含水率為15.19%，堅實度為360.64 kPa。試驗稻種為黃華占與豐兩優(yōu)3948。將排種器安裝于2BDXZ-2300 型水稻精量播種機上，如圖15 所示。試驗時，采用12 V 直流步進電機驅(qū)動排種器轉(zhuǎn)動，通過電機控制器設(shè)置排種器轉(zhuǎn)速，使其與室內(nèi)臺架排種試驗轉(zhuǎn)速一致，并使播種機前進速度穩(wěn)定在3.6 km/h 左右。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計參照NY/T 1143-2006，連續(xù)統(tǒng)計田塊中段各行播于地表的250 穴稻種的穴粒數(shù)、穴徑和穴距，每個品種重復(fù)三次試驗取平均值。

圖15 田間試驗Fig.15 Field experiment

4.2 試驗結(jié)果

田間試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 田間試驗結(jié)果Table 3 Result of field experiment

由表3 可知，采用大組合型孔播種黃華占時，各行排種性能的平均值為合格率90.21%、漏播率1.07%、重播率8.73%；采用小組合型孔播種豐兩優(yōu)3 948 時，各行排種性能的平均值為合格率86.55%、漏播率5.84%、重播率7.61%。相比室內(nèi)臺架試驗結(jié)果，大組合型孔的排種漏播率和合格率分別下降了約2個百分點和1個百分點，小組合型孔的排種漏播率基本穩(wěn)定，合格率下降了約3個百分點，其原因可能為：相比室內(nèi)臺架單一的振動工況，機組田間隨機的振動工況將使排種器充種區(qū)種群更易流動，稻種更易充入大進種孔，使得大組合型孔的重播率上升，漏播率和合格率下降；雖然小組合型孔的容種空間有限，但若轉(zhuǎn)離種群的型孔處于較弱振動工況時，而無法將組小合型孔多充的1～2 粒稻種及時清出型孔，導(dǎo)致小組合型孔（6～7）粒/穴的概率增大，使得重播率上升約3個百分點，合格率下降約3個百分點，而漏播率基本穩(wěn)定。

田間播種試驗，大組合型孔的各行合格率Q≥89.33%、漏播率M≤1.60%、重播率R≤9.60%、穴徑平均值44.64～54.83 mm、穴距平均值133.21～144.67 mm，各行排量一致性變異系數(shù)3.06%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)2.04%；小組合型孔的各行合格率Q≥85.73%、重播率R≤8.27%、漏播率M≤6.53%、其中空穴率≤1.73%，穴徑平均值39.88～45.59 mm、穴距平均值200.79～205.56 mm，各行排量一致性變異系數(shù)3.01%，總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)2.02%，各項評價指標(biāo)均滿足水稻大田精量旱穴直播的一般種植要求，且播種機各行排種均勻性較好。

5 結(jié)論

基于常規(guī)稻與雜交稻精量穴直播的種植農(nóng)藝要求以及稻種的物理機械特性，利用稻種在疏導(dǎo)齒作用下長軸方向逐漸與其質(zhì)心所在位置盤面運動切線方向近似一致的運動規(guī)律，設(shè)計了一種具有導(dǎo)向充填效果的孔-槽組合型孔，理論分析明確了進種孔的長寬尺寸范圍與V 型槽的傾角和深度，并進行了室內(nèi)臺架排種試驗與田間播種試驗，得到以下結(jié)論。

1）構(gòu)建了疏導(dǎo)齒疏導(dǎo)稻種的動力學(xué)模型，分析了盤齒轉(zhuǎn)動疏導(dǎo)作用下型孔充種區(qū)域稻種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，建立了衡量稻種分布姿態(tài)的評價方法，明確了稻種姿態(tài)隨時間的變化規(guī)律，以及盤齒疏導(dǎo)的定向效果。

2）室內(nèi)臺架排種試驗表明，適宜常規(guī)稻與雜交稻穴播量的大、小組合型孔的進種孔寬度分別為7.0 和5.0 mm，對應(yīng)排種器的排種合格率Q基本≥90%，漏播率M分別≤3.87%和5.73%，并對不同的單一振動工況均具有較好的適應(yīng)性。在適宜的進種孔有效長度下，不同尺寸稻種的排種合格率Q≥88.80%，漏播率M≤3.60%。各品種排種的種子破損率B≤0.16%。

3）田間播種試驗表明，導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器均可滿足常規(guī)稻和雜交稻大田精量旱穴直播的種植要求，其播種常規(guī)稻黃華占時，合格率Q≥89.33%、漏播率M≤1.60%、重播率R≤9.60%、穴徑平均值44.64～54.83 mm、穴距平均值133.21～144.67 mm；播種雜交稻豐兩優(yōu)3 948 時，合格率Q≥85.73%、重播率R≤8.27%、漏播率M≤6.53%、空穴率≤1.73%，穴徑平均值39.88～45.59 mm、穴距平均值200.79～205.56 mm。

所設(shè)計的導(dǎo)向充填式水稻精量穴播排種器可通過大、小組合型孔的切換及其有效進種長度的調(diào)整兼用于常規(guī)稻和雜交稻不同外形尺寸稻種的低損精量穴直播排種。但與稻種外形尺寸對應(yīng)的最佳進種孔有效長度還有待進一步研究。