水稻內充氣力式精量穴播排種器導種管的設計與試驗

　　摘要：為滿足自行研制的水稻內充氣力式精量排種器定距成穴的排種要求，對排種器的投種過程進行運動學分析，構建了稻種的理論投種軌跡，并以此設計了一種具有投種軌跡特征形狀的變截面矩形導種管。運用離散元方法與臺架排種試驗，對影響排種成穴性與均勻性的導種管底板傾角與吸種滾筒轉速進行仿真分析。結果表明，每穴顆粒排出最大時間差與相鄰穴時間間隔變異系數均隨導種管底板傾角減小和吸種滾筒轉速增大而增大;臺架排種試驗表明，穴徑平均值與穴距變異系數均隨導種管底板傾角減小和吸種滾筒轉速增大而增大，與仿真分析結果相吻合，導種管底板傾角取 77°時，能適應不同的排種頻率，穴粒數合格率高于 90.0%，漏播率低于 2.2%，重播率低于 8.0%，穴徑平均值小于 28.33 mm，穴徑合格率高于 91.33%，穴距平均值約為 200.00 mm，穴距變異系數小于 11.10%，可滿足水稻精量穴直播的農藝要求。

　　本文源自湖南農業大學學報(自然科學版)2021-02-02 《湖南農業大學學報》(自然科學版)(雙月刊)創刊于1956年，是由湖南農業大學主辦的農業類學術刊物，系美國CA、俄羅斯AJ、英國CABI、日本JST、中國CSCD、中國生物學文摘、中國農業文摘來源期刊和中國學術期刊(光盤版)、中國期刊網、“萬方”、“維普”等全文上網數據庫收錄期刊;中文核心期刊、中國科技核心期刊、中國農業核心期刊、中國期刊方陣“雙百”期刊。

　　關 鍵 詞：水稻精量排種器;內充種;氣力式;穴直播;導種管

　　隨著農業產業結構的不斷調整，水稻輕簡直播面積逐年擴大[1–3]，其中，精量穴直播技術能按水稻品種種植所需的行株距要求，精準成穴地排布水稻植株，形成合理的稻株群體結構，易獲得穩產、高產[4–5]。

　　排種器是水稻精量穴直播機械的關鍵部件。排種器作業循環由充種(吸種)、清種、攜種和投種 4 個排種環節串聯組成。導種管配合排種部件完成投種環節，并將稻種按其所需穴距間隔導送至種床[6]，因此，導種管直接影響排種器投種后的成穴性與穴距均勻性[7]。趙淑紅等[8]研制了一種可與多種玉米精密排種器配套的“V”形凹槽撥輪式導種部件，其排種粒距變異系數相比傳統的可伸縮塑料導種管和弧形導種管分別提高了 41.87%和 30.55%，提升了玉米播種的粒距均勻性。劉立晶等[9]運用三維逆向工程技術對一種應用于玉米播種的進口導種管進行了虛擬樣機重構與試制，田間播種試驗表明，試制導種管與進口導種管的播種性能相當。丁鐘凱[10]對 2BZJ–10 型大豆窄行密植精密播種機導種管進行了結構設計與試驗研究，明確了良好粒距均勻性所需導種管的結構參數范圍。楊文彩等[11]改進設計了 2BQ–28 型三七精密播種機的導種管，有效提升播種機高速作業時的播種均勻性。

　　玉米、大豆等穴播作物排種器導種管的設計較多，并已較為成熟。筆者前期研制的水稻內充氣力式排種部件在完成充種、吸種、清種及投種環節時對雜交水稻具有較高的吸種合格率(2~4 粒/ 穴) [12]，后續為實現排種器的定距成穴精量排種，對投種后稻種的運動軌跡進行了理論分析與構建，設計了排種器的導種管，并開展仿真分析與試驗研究，以期為水稻穴播排種器導種部件的設計提供參考。

　　1 導種管設計

　　1.1 整體結構

　　由水稻內充氣力式精量穴播排種器的結構與工作原理可知，每穴稻種需借助導種管壁面的引導從吸種滾筒內部導出，稻種與導種管不可避免地會發生碰撞[12]。稻種外形球度低，與導種管壁面的碰撞姿態及碰撞后的彈跳運動軌跡存在差異。為確保排種器投種后稻種及時順暢地從導種管排出，并提高每穴多粒稻種排出的時間一致性與相鄰穴排出時間間隔的穩定性，提升精量穴直播的定距成穴效果，應減少導種過程中稻種與導種管各壁面的隨機碰撞，故宜按投種后稻種的運動軌跡設計導種管的結構，確定其參數，以適應排種器吸種滾筒緊湊的內部空間。

　　由文獻[12]可知，排種器在窩眼運動至最高點時投種，每穴稻種呈水平拋物線運動，離開吸種滾筒，因此，導種管的前、后側板根據稻種的拋物線投種軌跡設計，如圖 1 所示。

　　1.2 導種管側板

　　稻種從投種瞬間到導種管排出的運動過程，可分解為自身脫離吸種滾筒后的平拋下落與導種管使其從排種器內部排出的橫向運移。

　　由排種器吸種滾筒上的吸孔分布方式可知，排種器投種瞬間，窩眼內被吸附的多粒稻種所受負壓氣流均被上隔氣塊同時阻斷，且窩眼內稻種較少，故可忽略稻種間的相互作用力，此時投種處稻種僅受自身重力作用。以單粒任意吸附姿態稻種為分析對象，以吸種滾筒內壁面中間吸孔的圓心為原點(O)，稻種的水平切速度方向為 X 軸，稻種重力鉛錘方向為 Y 軸，吸種滾筒軸線方向為 Z 軸，建立空間直角坐標系 O–XYZ，如圖 2 所示。

　　由排種器吸種滾筒上的吸孔分布方式可知，排種器投種瞬間，窩眼內被吸附的多粒稻種所受負壓氣流均被上隔氣塊同時阻斷，且窩眼內稻種較少，故可忽略稻種間的相互作用力，此時投種處稻種僅受自身重力作用。以單粒任意吸附姿態稻種為分析對象，以吸種滾筒內壁面中間吸孔的圓心為原點(O)，稻種的水平切速度方向為 X 軸，稻種重力鉛錘方向為 Y 軸，吸種滾筒軸線方向為 Z 軸，建立空間直角坐標系 O–XYZ，如圖 2 所示。

　　(1) 式中：x、y 分別為稻種質心在 X 軸、Y 軸方向上的位移;v0 為稻種質心脫離吸種滾筒時的水平初速度;t 為稻種脫離吸種滾筒后的時間;g 為重力加速度;r為稻種質心到吸種滾筒內壁面的徑向距離。

　　由于稻種為非理想剛體，其與導種管的碰撞存在能量損失[13]，勢必減小稻種與導種管碰撞后的彈跳速度。為減少或避免稻種與導種管的碰撞，宜將稻種與導種管的碰撞簡化為完全彈性碰撞，使設計的導種管空間更為寬裕。稻種投種后與導種管底板碰撞彈跳時，其水平速度分量不變，則其在 XOY 投影面內的運動軌跡依然為平拋運動軌跡。為避免稻種與導種管的前、后側板發生碰撞，導種管前、后側板形狀應依據稻種的平拋運動軌跡設計。

　　平拋運動軌跡主要由水平初速度 v0決定。 v0=2πn(R–r) (2) 式中：R 為吸種滾筒內半徑;n 為吸種滾筒轉速，其與水稻直播機作業前進速度 V 的關系式 V= 60 nTS (3) 式中： T 為排種器周向窩眼數;S 為水稻播種穴距。將式(3)代入式(2)可得， v0= TS 120πV (R–r) (4) 由于投種瞬間窩眼內稻種的吸附姿態是隨機的，則稻種質心到吸種滾筒內壁面的徑向距離 rs 可按文獻[4,14–15] 簡化為當量半徑，即 3 r = abc (5) 式中：a、b、c 分別為稻種的三軸尺寸。

　　隨機選取適宜在長江中下游地區直播種植的 ‘岡優 898’雜交稻品種 100 粒稻種，測量其外形三軸尺寸。結果，稻種平均三軸尺寸為 8.31 mm × 2.89 mm×2.02 mm，長度最大尺寸 lmax為 9.11 mm。根據式(5)可知，稻種當量半徑 r 為 3.65 mm。此外，排種器周向窩眼數 T 為 14，吸種滾筒內半徑 R 為 79 mm。參考當前水稻直播機作業前進速度 0.6~1.2 m/s 及雜交水稻種植株距 0.20 m 的農藝要求[16–19]，由式(4)可得稻種平拋投種時的水平初速度為 0.10~0.20 m/s。根據式(1)得出稻種在 XOY 投影面內不同排種頻率的軌跡方程。

　　依據稻種的平拋運動軌跡，綜合考慮外形不規則稻種投種后運動姿態的隨機性及碰撞彈跳過程的隨意性，設計導種管后側板壁面軌跡按照水平初速度為 0.10 m/s 的平拋運動軌跡向后平移 l1，導種管前側板壁面軌跡則按照水平初速度為 0.20 m/s 的平拋運動軌跡向前平移 l2，則前、后側板壁面在 XOY 面上的投影軌跡方程為(6) 式中，i=1，2。v01、v02 分別為稻種 0.10 m/s 和 0.20 m/s 的水平初速度。

　　導種管入口縱向尺寸應滿足窩眼內稻種投種時以任意姿態落入，則前、后側板壁面軌跡上端點與吸孔投種點的距離 li應大于窩眼入口直徑尺寸的一半。

　　排種器的窩眼入口直徑為 17.00 mm，綜合考慮稻種投種瞬間其質心與吸孔中心存在的偏距、短暫的投種提前或滯后現象以及吸種滾筒的內部空間尺寸，取 l1=l2=12.00 mm。根據式(1)和式 (6)，利用三維建模軟件 Pro/Engineering 中的曲線命令，在 XOY 面上分別繪制出水平初速度為 0.10 m/s 和 0.20 m/s 的投種軌跡及導種管前、后側板壁面投影軌跡，設計導種管總高 H 為 200 mm，徑向高出氣室密封板 h 為 11.00 mm，用以連接播種機的種溝開溝器。

　　1.3 導種管底板

　　導種管底板的曲面影響每穴多粒稻種排出的時間一致性，即著床成穴性。根據完全彈性碰撞理論，稻種橫向移出的運動過程，在 YOZ 投影面上類似自由落體與底板曲面的碰撞過程，如圖 3 所示。為減少稻種在橫向移出過程中與導種管底板和頂板的碰撞，應盡量降低稻種與導種管底板碰撞時在底板法向速度分量，并設計合適的導種管底板與頂板間距。

　　稻種與導種管底板碰撞前后的速度方向與碰撞點曲面切線夾角相等，即 α=α'，β=β'，γ=γ'，則影響稻種在底板法向速度分量的因素主要是稻種與底板的碰撞速度和碰撞夾角。為使不同投種位置的稻種與底板碰撞夾角均最小，需使 α=β=γ，即底板應為固定斜率的平面。為確保窩眼內任意姿態被吸附的稻種能無阻礙地運動到導種管上方的投種處，導種管入口端面至吸孔端面的徑向距離 s 應大于稻種的最大長度尺寸，因此取 s 為 10.00 mm。為確保窩眼內稻種落入導種管，則導種管底板在 YOZ 面上的投影軌跡上端點 B 與中間吸孔軸線的距離|zB|應超過 1/2 的窩眼入口直徑，取 B 點的空間坐標為(0，10，zB)。設坐標點 C(0，yC，zC) 為導種管底板投影軌跡與窩眼環外端面的交點，如圖 3 和圖 4 所示，由吸種滾筒尺寸可知 zC=17.00 mm，則由底板投影軌跡上 B、C 點的坐標，可知其軌跡斜率|k|為 B C z y k -- 17.00 10.00 = (7) 由式(7)可知，yC、zB 取值越大，導種管底板傾斜角度越大，則稻種與底板的碰撞夾角越小，但底板傾角會受到吸種滾筒結構尺寸的限制。已知，吸種滾筒上窩眼環內徑圓在 XOY 面上的軌跡方程為

　　(8) 式中，r1 為窩眼環內半徑，75.00 mm。聯立式 (6)和式(8)，可得導種管前、后側板壁面軌跡與窩眼環內徑圓交點坐標分別為 A1(45.22，138.84，0) 和 A2(5.50，153.80，0)。A1 點在窩眼環外端面上的投影點 A3(45.22，138.84，17.00)是導種管底板與窩眼環旋轉運動的干涉點，如圖 4 所示。

　　由導種管底板與窩眼環外端面在 YOZ 面上的尺寸關系(圖 4)可知，yC 與導種管邊寬 t 存在如下關系

　　(9) 式中：θ 為導種管底板傾角;t 為導種管底板邊寬。由于導種管前、后側板為拋物線軌跡曲面，機械加工成型較難，故采用 3D 打印技術制造導種管，材料為 ABS 塑料。為確保導種管強度，設計其底板邊寬 t 為 1.50 mm。zB取−10.00 mm。聯立式 (7)和式(9)可得 yC=132.06 mm，對應底板傾角 θ 為 77.52°，此為導種管底板傾角的最大極限值。

　　根據底板傾角 θ 與 B 點坐標，可得導種管底板在 YOZ 面上的投影軌跡方程為

　　(10) 當導種管底板傾角 θ 確定后，在 YOZ 的投影面上稻種與底板碰撞后的彈跳方向即可確定，根據式(11)計算稻種在底板法向上的彈跳高度。

　　(11) 式中：h1j為第 j 個吸孔投種處稻種第 1 次與底板碰撞后在底板法向上的彈跳高度;v1j為第 j 個吸孔投種處稻種第 1 次彈跳速度在 YOZ 投影面上的分量。

　　(12) 式中：h0j為第 j 個吸孔投種處稻種第 1 次與底板碰撞前的下落高度。聯立式(11)和式(12)，得

　　由文獻[20]可知，稻種與導種管底板碰撞后的彈跳高度隨碰撞次數增加而顯著降低，說明首次碰撞后的彈跳高度最大，由 3 個吸孔與導種管的相對位置可知，吸種滾筒上靠外側的吸孔處所投稻種與導種管底板碰撞前下落高度最大。為避免稻種碰撞彈跳后撞擊導種管頂板，頂板與底板的法向垂直距離 L 應滿足 L>h13+lmax。

　　為檢驗導種管設計方法的合理性，確定導種管底板的適宜傾角，進行排種器不同排種頻率下導種管導種過程仿真分析與臺架排種試驗。由于導種管底板傾角理論最大極限值為 77.52°，綜合考慮排種器整體軸向尺寸，并避免部件運動干涉，導種管底板試驗傾角 θ 選擇 77°和 73°。由式(7)和式(9)可知，導種管底板與窩眼環外端面的最低交點 Y 軸坐標值分別為 133.45 mm 和 104.81 mm，能滿足導種管的打印與安裝誤差及窩眼環的圓跳動誤差，避免導種管與旋轉的窩眼環干涉;由式(10) 和式(13)可得導種管頂板與底板的法向垂直距離 L 分別不小于 15.89+lmax、16.31+lmax，根據稻種長度最大尺寸，統一取 L 為 28 mm。

　　2 導種過程的仿真

　　2.1 模型構建與參數設置

　　由于投種與導種過程中稻種僅與吸種滾筒、窩眼環和導種管相互作用，故將排種器的三維模型省去與投種和導種過程無關的部件，并以.stp 的格式導入離散元 EDEM 仿真軟件中。紡錘體狀稻種類似橢球體，因此，仿真中將稻種顆粒簡化為硬質橢球體，簡化后的仿真裝置與稻種顆粒模型如圖 5 所示。

　　觀察投種處的高速攝像可知，投種瞬間窩眼內稻種的隨機吸附姿態可概括為平躺、斜臥和直立 3 種狀態，如圖 6 所示。在窩眼內部建立高度為種子平均寬度尺寸的圓錐體顆粒工廠，并設置顆粒隨機生成，以讓平躺生成的顆粒盡量貼附吸種滾筒內表面，并依靠吸種滾筒內表面和窩眼壁面對顆粒生成進行空間約束，以隨機產生斜臥或直立吸附狀態的顆粒。由于排種器投種點位置不變，投種后稻種與窩眼不再接觸，故可將顆粒工廠位置設為固定，通過添加多個顆粒工廠的方式模擬每穴稻種，并按直播機不同作業速度對應的投種頻率和投種水平初速度設定顆粒工廠間的時間間隔與顆粒生成的水平初速度(表 1)。稻種表面粗糙無黏附力，因此，顆粒接觸模型選擇 Hertz– Mindlin 無滑動接觸模型。根據吸種滾筒、窩眼環和導種管的加工材質，參照文獻[21–22]設定其仿真材料參數(表 2)。

　　2.2 仿真試驗

　　參考 JPS–12 型排種器性能檢測試驗臺利用油帶穩固地黏附由導種管排出種子的試驗方法，即連續統計種子從導種管排出的時間間隔，以間接反映種子在油帶上的分布情況。對于具有多粒成穴播種特征的水稻，每穴稻種排出導種管的最大時間差決定著排種器的排種成穴性。每穴稻種最大時間差越大，則多粒稻種從導種管排出的一致性越差，對應落在油帶上的穴徑越大。相鄰穴稻種排出時間間隔影響穴距穩定性，即排種均勻性，因此，設置每穴顆粒排出導種管最大時間差的平均值 T1 和相鄰穴顆粒排出導種管時間間隔的變異系數 C 分別作為排種成穴性和均勻性的考核指標，計算方法如式(14)。每組試驗連續統計 50 穴顆粒排出導種管的時間，重復 2 次。

　　(15) 式中：T2 為相鄰穴顆粒排出時間間隔平均值;k 為每穴序號，k=1，2，3，···，50;tkmax、 tkmin 分別為第 k 穴顆粒排出時間最大值與最小值;tk1、tk2、tk3分別為第 k 穴第 1、2、3 個顆粒排出時間;N 為總穴數，N=50。

　　仿真試驗結果列于表 3。在相同的排種器吸種滾筒轉速下，T1 與 C 均因導種管底板傾角的減小而增大，說明導種管底板傾角減小，對應底板長度增加，且顆粒沿底板法線方向的分速度增大，而沿底板平面向下的分速度與加速度均減小，延長了每穴 3 個顆粒從導種管排出的先后時間，增大了橢球形顆粒與底板無規律的碰撞概率和次數，導致 T1和 C 均增大。

　　在相同的導種管底板傾角時，T1 與 C 均隨著吸種滾筒轉速的增大而增大，表明排種器的排種成穴性與均勻性不僅與導種管的底板傾角有關，而且與其排種頻率有關。排種頻率提升，吸種滾筒轉速增大，則顆粒初始水平投種速度增大。橢球形顆粒與底板無規律的碰撞越激烈，增大了顆粒排出時間個體間的差異，T1和 C 均增大。

　　綜上，導種管底板傾角越大，排種頻率越低，T1 和 C 均越小，排種器的排種成穴性與均勻性越好。

　　7 是導種過程仿真顆粒運動軌跡。由圖 7 可知，每穴 3 個顆粒在 XY 平面上的投種軌跡基本為平滑的拋物線(紅色線條)，由于各個顆粒初始投種點不都集中在最高點，故其運動軌跡分布在理論投種軌跡(藍色線條)前后的區間內，且各顆粒的運動軌跡均與理論投種軌跡近似平行，表明在水稻內充氣力式排種器導種管的設計中，將稻種與導種管底板的碰撞假設為完全彈性碰撞的簡化方法具有可行性;仿真中顆粒與導種管前側板、后側板、頂板基本無碰撞現象，表明導種管的結構參數較為合理。

　　3 臺架排種試驗

　　驗證仿真試驗結果，對比導種管不同底板傾角時，排種器的穴粒數合格率、漏播率、重播率、穴距平均值等排種性能指標，參照文獻[23–24]的方法，進行排種器臺架試驗。

　　參考 GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，利用 JPS–12 型排種器性能檢測試驗臺，連續統計排種器穩定排種時油帶上 250 穴稻種的穴粒數、穴徑及穴距。試驗時，設置排種器的吸種負壓均為 1.0 kPa，吸種滾筒轉速分別為 12.86、19.29、25.71 r/min，對應油帶運行速度分別為 0.6、0.9、1.2 m/s。每組試驗重復 2 次。

　　試驗結果如表 4 和圖 8 所示。由表 4 可知，在相同的排種器吸種滾筒轉速下，穴徑平均值與穴距變異系數均因導種管底板傾角的減小而增大，說明導種管底板傾角減小，擴大了每穴稻種從導種管排出的時間差，導致落在油帶上的每穴稻種穴徑增大，穴徑合格率降低，穴距穩定性變差;在相同的導種管底板傾角時，穴徑平均值與穴距變異系數均隨吸種滾筒轉速的增大而增大，表明投種速度增大，稻種與底板的碰撞越激烈，每穴多粒稻種排出時間一致性變差。臺架試驗結果與仿真結果相吻合。

　　雖然采用不同底板傾角的導種管排種時，穴徑平均值均小于 50 mm 的穴徑評價指標[23]，但 73°底板傾角導種管的穴徑合格率較低，均低于 90%; 77°底板傾角導種管在不同吸種滾筒轉速下的穴徑合格率均不小于 91.33%，且其穴距平均值保持在理論穴距 200.00 mm 左右，穴距變異系數均不大于 11.10%，優于 73°導種管的穴徑和穴距效果，并能滿足水稻內充氣力式排種器的定距成穴導種要求。由表 4 還可知，當排種器的吸種滾筒轉速一定時，采用不同底板傾角的導種管排種，排種器的穴粒數合格率、漏播率及重播率存在差異。隨著導種管底板傾角的減小，穴粒數合格率下降;漏播率和重播率均上升，可能是因為導種管底板傾角減小，每穴多粒稻種從導種管中排出時間差異增大，使得每穴稻種粘附在試驗臺油帶上的間隔過大，依據《單粒(精密)播種機試驗方法》中穴粒數合格率、漏播率及重播率的統計方法，相鄰穴稻種出現串穴現象，串穴區域穴粒數統計出現油帶上一穴內有吸種滾筒排出兩穴稻種的粒數而導致重播，而另一穴為漏播，故重播率上升的同時，漏播率也上升，穴粒數合格率下降[24]。

　　此外，隨著吸種滾筒轉速的增大，不同底板傾角導種管的排種穴粒數合格率、漏播率及重播率的差異逐漸增大。73°底板傾角的導種管，其穴粒數合格率隨著吸種滾筒轉速的增大而大幅下降;漏播率和重播率均隨著吸種滾筒轉速的增大而大幅上升。而采用 77°的導種管排種時，隨著吸種滾筒轉速的增大，排種器的穴粒數合格率稍有下降，但均高于 90.0%，漏播率和重播率略有波動，分別小于 2.2%和 8.0%。可見，較大底板傾角的導種管能大幅降低稻種投種速度增大對排種器排種性能的影響，對不同排種頻率具有較好的適應性。

　　綜上，采用 77°底板傾角的導種管，所得穴粒數合格率、漏播率、重播率、穴徑平均值、穴徑合格率及穴距變異系數等均優于 73°的導種管，其優勢隨著吸種滾筒轉速的增大而愈發明顯，且排種效果在不同排種頻率下均較為穩定，各性能指標均滿足雜交稻精量穴直播的種植農藝要求。

　　由圖 8 可知，水稻內充氣力式排種器在試驗參數范圍內穴粒數頻數基本呈以每穴 3 粒稻種為中心的正態分布，每穴 3 粒稻種的頻數接近統計樣本總穴數 250 穴的一半，且統計樣本穴粒數平均值為 3.21，說明導種過程仿真分析中每穴 3 個顆粒的設置具有一定的合理性。

　　4 結論

　　根據水稻內充氣力式精量穴播排種器“內充內投”的結構特點，通過對稻種投種過程的運動學分析與理論投種軌跡構建，設計的具有投種軌跡特征形狀的導種管，滿足排種器的精量定距成穴導種要求。

　　導種過程仿真分析表明，每穴顆粒排出最大時間差與相鄰穴時間間隔變異系數均隨導種管底 板傾角減小和吸種滾筒轉速增大而增大;臺架排種試驗表明，穴徑平均值與穴距變異系數均隨導種管底板傾角減小和吸種滾筒轉速增大而增大，與仿真試驗結果相吻合，皆表現為導種管底板傾角越大、吸種滾筒轉速越小，排種器的排種成穴性與均勻性越好。當導種管底板傾角為 77°時，排種性能穩定性較好，穴粒數合格率大于 90.0%，漏播率低于 2.2%，重播率小于 8.0%，穴徑平均值小于 28.33 mm，穴徑合格率均值大于 91.33%，穴距平均值在理論穴距 200.00 mm 左右小幅波動，穴距變異系數小于 11.10%，可適應當前水稻穴直播機的一般前進速度與播種性能要求。