导向充填式水稻精量穴播排种器孔-槽组合型孔设计与试验.pdf

导向充填式水稻精量穴播排种器孔-槽组合型孔设计与试验张顺1,2，何海龙1，苑严伟3,4，况福明1，熊玮1，李兆东1，朱德泉1（1.安徽农业大学工学院，合肥230036；2.安徽省智能农机装备工程实验室，合肥230036；3.中国农业机械化科学研究院集团有限公司，北京100083；4.土壤植物机器系统技术国家重点实验室，北京100083）摘要：针对水稻轻简型机械式排种器因稻种无序充填型孔，导致种群精量分离效果不佳，播量精确调节困难等问题，该研究基于稻种在齿盘疏导下的分布姿态规律，设计了一种具有导向充填效果的孔-槽组合型孔。构建了衡量型孔充种区域稻种分布姿态的评价方法，明确了该区域稻种姿态随时间的变化规律，分别确定了适宜于常规稻和杂交稻排种的大、小组合型孔的结构参数。以常规稻黄华占与杂交稻丰两优 3948 稻种为排种对象，以大、小进种孔宽度和振动频率为试验因素，依次开展了单因素、二因素全因子和品种适应性试验。单因素试验表明，当大进种孔宽度为 6.87.6mm、小进种孔宽度为 4.65.2mm 时，排种器排种常规稻和杂交稻的合格率均大于 85%；低频振动是影响排种器排种性能的主要振动工况。全因子试验表明，当大进种孔宽度为 7.0mm、小进种孔宽度为 5.0mm 时，排种器的合格率基本不低于90%，并能适应不同的振动工况；品种适应性试验表明，在适宜的进种孔有效长度下，不同尺寸稻种的排种合格率不低于 88.80%、漏播率不高于 3.60%、破损率不高于 0.16%。田间播种试验表明，大组合型孔播种黄华占时，各行合格率不低于 89.33%、漏播率不高于 1.60%、重播率不高于 9.60%、穴径平均值 44.6454.83mm、穴距平均值 133.21144.67mm；小组合型孔播种丰两优 3948 时，合格率不低于 85.73%、重播率不高于 8.27%、漏播率不高于 6.53%、空穴率不高于 1.73%，穴径平均值 39.8845.59mm、穴距平均值 200.79205.56mm，均满足常规稻和杂交稻大田精量旱穴直播的种植要求。该研究通过组合型孔不同大小进种孔的切换及进种孔有效长度的调整兼用于不同水稻品种不同穴播量的低损精量排种，为水稻可调播量排种器设计提供理论参考依据。关键词：水稻；试验；精量穴直播；排种器；组合型孔；V 型槽；可调播量doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202302154中图分类号：S223.2+3文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-12-0039-12张顺，何海龙，苑严伟，等.导向充填式水稻精量穴播排种器孔-槽组合型孔设计与试验J.农业工程学报，2023，39（12）：39-50.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202302154http:/www.tcsae.orgZHANGShun,HEHailong,YUANYanwei,etal.Designandexperimentoftheorifice-groovecombinedholeoftheorientedfillingtypeprecisionhill-dropseed-meteringdeviceforriceJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2023,39(12):39-50.(in Chinese with English abstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202302154http:/www.tcsae.org0引言水稻精量穴直播技术具有省工省时、生产效益高等优点，已成为中国水稻主要的种植模式之一，并在常规稻和杂交稻种植中均广泛应用1-3。由于常规稻、杂交稻的分蘖能力差异大，精量穴直播种植的穴播量迥异4-6。因此，穴播量精确调节技术及装备成为水稻轻简高效机械化栽培模式应用的迫切需求。水稻可调精量穴直播技术的关键部件是排种器。机械式排种器结构简单、工作可靠，能适应田间振动多尘，甚至高湿的作业环境，在当前水稻轻简型精量穴直播机上普遍应用7-10。为满足常规稻和杂交稻精量穴直播种植不同穴播量的农艺要求，张国忠等11提出了一种双腔侧充式排种器，单腔排种时满足杂交稻的穴播量，双腔排种时满足常规稻的穴播量。张明华等12研制了一种组合型孔轮式排种器，试验明确了适应常规稻和杂交稻不同穴播量的型孔容积。王在满等13在组合型孔轮式排种器的基础上提出了穴播量无极调节方法，通过控制电机转动调节内轮与外轮的相对角度从而改变型孔容积，实现一穴 310 粒稻种的无极调节。由于稻种外形细长，表壳粗糙，滚动摩擦阻力大，易在充种区杂乱无序堆叠14-16。上述播量可选或可调水稻穴直播排种器充种型孔的设计均未考虑稻种充填型孔的姿态，使得一穴多粒稻种在型孔中无序堆叠，导致穴播量的稳定性及其调节的精确性有待提升。而凭借稻种的椭球状外形，利用 V 型槽两侧壁限制稻种的自由转动，并对稻种进行机械梳导或激振匀种，实现稻种在 V 型槽底定向排列是可行途径17-19。本文基于稻种定向有序充种型孔的思路，及常规稻每穴 510 粒、杂交稻每穴 25 粒精量穴直播的种植农艺要求20，拟在明确盘齿扰动下充种区域稻种分布姿态的基础上，开展可调孔-槽（进种孔-V 型槽）组合型孔设计与试验，以期实现水稻不同品种不同穴播量的精量穴播排种。收稿日期：2023-02-25修订日期：2023-05-03基金项目：国家自然科学基金项目(51805005)；安徽省重点研究与开发计划 项目(202204c06020024)；安 徽 省 高 校 自 然 科 学 研 究 项 目(KJ2021ZD0012)和安徽省高校优秀青年人才支持项目(gxyqZD2022016)作者简介：张顺，博士，副教授，研究方向为大田作物生产机械化技术与装备。Email：通信作者：朱德泉，教授，博士生导师，研究方向为大田作物生产机械化技术与装备。Email:第39卷第12期农 业 工 程 学 报 Vol.39No.122023年6月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJune2023391排种器结构与工作原理导向充填式水稻精量穴播排种器主要由左壳体、排种轴、腔道盘、型孔盘、紧固螺钉、右壳体等组成，其结构如图 1 所示。其中腔道盘、型孔盘组成具有输种腔道的排种盘，输种腔道由倾斜腔道和径向腔道交汇构成，并连通型孔盘面上的进种孔与腔道盘外圆周上的投种口。倾斜腔道起始处设有 V 型槽，型孔盘可相对于腔道盘转动，实现其上大、小进种孔的切换，以及进种孔有效进种长度的调整。a.结构爆炸示意图a.Structure explosion diagram654321 b.排种盘半剖局部示意图b.Semi-sectional partial diagram of seeding-plate10118791.右壳体2.排种轴3.腔道盘4.型孔盘5.紧固螺钉6.左壳体7.进种孔8.V 型槽9.倾斜腔道10.径向腔道11.投种口1.Rightshell2.Shaft3.Cavityplate4.Orificeplate5.Fasteningscrew6.Leftshell7.Seedorifice8.V-groove9.Inclinedcavity10.Radialcavity11.Seedingorifice图 1排种器结构示意图Fig.1Structuraldiagramofseed-meteringdevice排种器的排种过程主要包括充种、携种和投种 3 个主要环节，如图 2 所示。排种前，先根据水稻种类将型孔盘切换至适宜的进种孔，种箱装入稻种后，稻种在重力作用下通过右壳体上的进种管流入充种区。排种盘转动后，贴近排种盘面的种群在疏导齿的疏松引导作用下，型孔运动区域的稻种长轴方向与排种盘的转动方向逐渐趋于一致，定向后的稻种在进种孔前进方向上引种槽的进一步引导下定向充入型孔，并沿着 V 型槽顺势地导向堆叠在槽中。4567IV2:1IIIII321I1.右壳体2.腔道盘3.型孔盘4.引种槽5.大进种孔6.小进种孔7.疏导齿1.Right shell 2.Cavity plate 3.Orifice plate 4.Guiding groove 5.Large orifice6.Smallorifice7.Cardingteeth.充种区.携种区.投种区.局部放大图.Seedfillingarea.Seedcarryingarea.Seedingarea.Partialenlargeddetail注：为排种盘旋转角速度，rads1。Note：istherotationalangularvelocityofseeding-plate,rads1.图 2排种过程示意图Fig.2Schematicdiagramofseedingprocess当携有种子的组合型孔转离充种区后，未完全充入型孔的稻种在自身重力的作用下滑出型孔，并落回充种区，型孔内剩余定量稻种随着排种盘的转动，流经倾斜腔道，并在倾斜腔道与径向腔道的交汇处汇集。随着排种盘的继续转动，汇集在两腔道交汇处的稻种沿径向腔道运动至投种口。当投种口转至投种区时，稻种失去壳体的围护，并在自身重力与离心力的作用下落入由直播机开沟器开出的种沟内，完成水稻的精量穴直播作业。2关键结构参数设计2.1疏导齿型孔盘上疏导齿是疏松盘齿转动路径周边种群，实现进种孔充种区域稻种定向分布的主要部件。为探究疏导齿对稻种的疏导定向作用，开展稻种疏导定向过程的动力学分析与姿态转变追踪。2.1.1稻种疏导动力学分析稻种外形类似椭球，其简化椭球模型如图 3 所示。其参数方程为4x2l2+4y2w2+4z2d2=1（1）则稻种绕 X、Y、Z 轴的转动惯量 IX、IY、IZ（kgm2）分别为IX=120m(w2+d2)IY=120m(l2+d2)IZ=120m(l2+w2)（2）式中 m 为单粒稻种质量，kg。由于常见稻种的宽度和厚度尺寸接近，且较小于长度尺寸，故稻种在 Y 轴和 Z 轴上的转动惯量较大，即稻种较难绕其短轴改变原有的转动状态。lZYwOXd注：O 为椭球体的几何中心，X、Y、Z 分别为椭球体的长轴、中轴、短轴方向。l、w、d 分别为稻种的长度、宽度和厚度，mm。Note：Oisthegeometriccenterofellipsoid,X,YandZarethelongaxis,middleaxisandshortaxisdirectionoftheellipsoidrespectively.l,wanddarethelength,widthandthicknessofthericeseedrespectively，mm.图 3水稻种子三轴尺寸示意图Fig.3Triaxialsizediagramofriceseed排种器工作时，充种区稻种处于不断变化的复杂力链系统中。对与疏导齿接触的任意姿态稻种开展受力分析。如图 4 所示。由图 4 可知稻种的力学平衡方程为mig+ni=1Fi+Fp+Fr+Fj=mid2xidtM0(mig)+ni=1M0(Fi)+M0(Fp)+M0(Fr)+M0(Fj)=Iididt（3）40农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年式中 mi为稻种 i 的质量，kg；xi为稻种 i 的质心位移，m；t 为稻种运动时间，s；Ii为稻种 i 的转动惯量，kg/m2；i为稻种 i 的转动角速度，rad/s；M0为稻种所受力对其与疏导齿接触点的力矩，Nm。yFpFjFiFrGx8 mmoWjRjLjHj注：o 为稻种质心，x 为排种盘旋转切线方向，y 为种子质心位置的排种盘径向。Fi为周围稻种对被疏导稻种的作用力，N；Fp为型孔盘对被疏导稻种的摩擦力，N；Fr为稻种所受的离心惯性力，N；Fj为疏导齿对稻种的作用力，N。Lj、Wj、Hj分别为疏导齿的长度、宽度和高度，mm；Rj为疏导齿贴近型孔盘一端齿厚两侧的倒角尺寸，mm。Note：o is the rice seed centroid,x is the rotation tangent direction of theseeding-plate,yistheradialdirectionoftheseeding-plateatthepositionoftheseedcentroid.Fiistheforceexertedbythesurroundingriceseedsonthecardingriceseeds,N;Fpisthefrictionalforceoftheorificeplateonthecardingriceseed,N;Fristhecentrifugalinertialforceonthericeseed,N;Fjistheforceexertedbythecardingtoothonthericeseed,N.Lj,WjandHjarethelength,widthandheightofthecardingteeth,mm;Rjistheroundsizeonbothsidesofthetooththicknessatoneendofthecardingtoothclosetotheorificeplate,mm.图 4稻种受力示意图Fig.4Forceanalysisdiagramofriceseed由式（3）可知，若采用无疏导齿的型孔盘，稻种易在自身重力、离心惯性力、型孔盘摩擦力及周围种群作用力下保持平衡，即稻种所受的型孔盘摩擦力和离心惯性力不足以克服稻种所受的周围种群阻滞作用力及重力，使得稻种难以打破静止的无序堆叠状态，导致种群流动性差。而若型孔盘上设有疏导齿，则疏导齿随盘转动过程中对种群施加一个持续稳定，足以打破疏导齿转动路径周围种群静止状态的作用力，使得疏导齿转动路径周围种群间隙增大，稻种在疏导齿和外围种群阻滞的共同作用下转动。当稻种转动至其长轴与径向近似垂直时，即稻种长轴方向与转动切线方向近似一致时，稻种躺卧于下层种群之上，此时，若疏导齿无法直接作用于躺卧的稻种，则因稻种短轴转动惯量较大而不易转动，使得稻种近似定向分布，这与重力场下最小势能原理吻合，故盘齿持续疏导作用下，疏导齿下方稻种可实现转动定向。故将疏导齿设置于进种孔内侧约一粒稻种长度的距离，为 8mm，且疏导齿齿长方向指向圆心。为避免疏导齿拖带稻种，设计疏导齿齿长 Lj约为常见稻种长度的一半，齿高 Hj略大于常见稻种的宽度尺寸，齿宽 Wj应确保其工程塑料材质具有足够的强度。故疏导齿长、高、宽分别设计为 5、3、3mm，并对齿厚贴近型孔盘一端两侧进行倒圆角 Rj处理，圆角尺寸为 1.6mm，如图 4 所示。2.1.2稻种疏导姿态分析为便于观察疏导齿扰动下进种孔充种区域稻种的分布姿态，将与充种区稻种接触的型孔盘改用透明材质制成，并采用高速摄像技术观测充种区域稻种姿态的转变过程21-22。试验稻种为黄华占，为便于观测，将五分之一试验稻种染色处理。将未染色稻种和染色稻种均匀混合后由进种管装入排种器中，启动电机并调至一般工作转速 17.1r/min，高速摄像拍摄速率为 75 帧/s，像素为12801024。通过逐帧图像分析观测区稻种姿态的转变过程，图 5 为不同时刻进种孔运移路径区域（白色虚线腰圆环）内染色示踪稻种的分布姿态变化图。a.t=0c.t=27.02 se.t=27.08 sb.t=26.09 sd.t=27.05 sf.t=27.11 sx1o1(oi,oj)(xa,xb)(ya,yb)vtivny1注：o1为图像像素坐标系原点，x1为水平向右方向，y1为铅锤向下方向。t为型孔盘转动时刻，s；（oi,oj）为型孔盘面圆心坐标值；（xa,ya）、（xb,yb）分别为染色示踪稻种长轴两端坐标值；i为稻种姿态角，()；vt为观测稻种质心所在盘面转动切线方向，vn为观测稻种质心所在盘面旋转中心方向。Note：o1istheoriginoftheimagepixelcoordinatesystem,x1isthehorizontalrightdirection,y1isthedownwarddirection.tistherotationtimeoftheorificeplate,s;(oi,oj)arethecoordinatevaluesofthecenteroftheorificeplatesurface,(xa,ya),(xb,yb)arethecoordinatevaluesatbothendsofthelongaxisofthedyedtracerseedrespectively,iistheattitudeangleofthericeseed,(),vtisthetangentdirectionoftherotationoftheorificeplatewherethecenterofmassoftheobservedriceseedislocated,vnisthedirectionoftherotationcenteroftheorificeplatewherethecenterofmassoftheobservedriceseedislocated.图 5稻种定向过程Fig.5Orientationprocessofriceseeds由图 5a 可知，型孔盘转动前，稻种在重力作用下充入充种区，并在充种区无序堆叠。由图 5b5d 可知，型孔盘转动后，观测区稻种迁移过程中，在疏导齿的疏导及周围种群阻滞作用下，观测稻种绕其短轴发生转动，其长轴逐渐与其质心所在位置的盘面转动切线方向近似一致，并稳定于该姿态，如图 5e5f 所示。为定量分析观测区域染色示踪稻种的姿态转变规律，记录型孔盘转动后 49s 的连续帧图像，对应排种器连续排种 350 穴，从连续帧图像中每隔 7s 选出观测图像，以图像默认的像素坐标系，即图像左上角像素点为坐标系原点 o1，水平向右为 x1轴，铅锤向下为 y1轴，如图 5a第12期张顺等：导向充填式水稻精量穴播排种器孔-槽组合型孔设计与试验41所示，并将观测稻种长轴与其质心所在盘面转动切线方向的夹角定义为稻种姿态角 i，令 di为单粒稻种定向率，以表征观测稻种长轴方向与其质心所在盘面转动切线方向的一致程度，D 为观测区示踪稻种（总数为 N）平均定向率，各指标计算式分别如下：i=2arctan?ybyaxbxaoj(ya+yb)/2oi(xa+xb)/2?1+(oj(ya+yb)/2oi(xa+xb)/2)(ybyaxbxa)（4）di=90i90100%（5）D=d1+d2+d3+dNN（6）上述坐标值借助高速摄像仪配套软件 i-SPEEDSoftwareSuite 逐个标记稻种长轴两端端点和盘面圆心像素坐标获取。观测区染色稻种平均定向率与姿态角频数分布统计结果分别如图 6、图 7 所示。综合分析图 6、图 7 可知，型孔盘转动前，稻种分布姿态无规律，平均定向率较低，稻种姿态角频数分布分散。型孔盘转动后，稻种的平均定向率先急剧增大后缓慢增大，35s 后趋于稳定，平均定向率趋于 85%，稻种姿态角频数分布集中于 30以内。当型孔盘转动 7s 后，即疏导齿对种群疏导两圈后，稻种平均定向率已达 80%，稻种姿态角频数分布已趋于集中在 30以内，且 20以下居多，表明型孔盘转动两圈后，进种孔运移区域稻种已具有较好的定向效果，为稻种定向稳定充种创造有利条件。1009080平均定向率Average orientation rate/%706050071421时间Time/s28354249图 6稻种平均定向率Fig.6Averageorientationrateofriceseeds0102064203040506070稻种姿态角Attitude angle of rice seed/()频数Frequency8090a.t=0010201210864203040506070稻种姿态角Attitude angle of rice seed/()频数Frequency8090b.t=7 s121086420010203040506070稻种姿态角Attitude angle of rice seed/()频数Frequency8090c.t=35 s图 7不同时刻稻种姿态角频数分布Fig.7Frequencydistributionofriceseedattitudeangleatdifferentmoments2.1.3不同排种转速下稻种疏导姿态分析为明确不同排种转速对观测区稻种姿态变化规律的影响，设置排种盘转速分别为 10.3、13.7、17.1、20.6、24.0r/min，对应直播机前进速度分别为 0.6、0.8、1.0、1.2、1.4m/s 共 5 个常规作业速度，各转速下不同时刻稻种平均定向率统计结果如图 8 所示。0714212835424960708090平均定向率Average orientation rate/%转速Rotational speeds/(rmin1)10.3 13.717.120.624.0时间Time/s图 8不同转速下稻种平均定向率Fig.8Averageorientationrateofriceseedsatdifferentrotationalspeeds由图 8 可知，不同排种转速下，观测区种群平均定向率的变化规律基本一致，且相同时刻，各排种转速的平均定向率差异不大，表明常规作业速度下，排种转速对进种孔充种区域稻种分布姿态的变化规律基本无影响。2.2组合型孔2.2.1进种孔由充种区域稻种分布姿态规律可知，稻种主要以其长轴与型孔盘转动切线方向近似一致的姿态充种，综合考虑稻种的椭球状外形，大、小进种孔形状均设计为腰圆形，并使其长轴沿型孔盘圆周切线方向分布。由文献 23-24可知，腰圆形进种孔的充种性能主要受其宽度尺寸影响，故设计两进种孔的长度尺寸 L 相等，并满足 Llmax(lmax为常见稻种长度尺寸的最大值)。因常规稻与杂交稻的穴播量存在差异，故对大、小进种孔的宽度尺寸分别分析。将纺锤形稻种简化为规则的椭球体，依据常规稻与杂交稻的穴播量，大、小进种孔能同时分别充入 3 粒和 2 粒稻种为宜，其结构尺寸示意图分别如图 9 所示。a.大进种孔a.Large orificeb.小进种孔b.Small orificeLiim1l1iWbm1l1iLiiWs注：Wb、Ws分别为大、小进种孔的宽度尺寸，mm；l1为常见稻种长度尺寸中值，mm；m1为常见稻种宽度尺寸与厚度尺寸中值的算数平均值，mm。L 为大、小进种孔的长度尺寸，mm。Note:Wbiswidthoflargeorifice,mm;Wsiswidthofsamllorifice,mm;l1isthemedian length of common rice seeds,mm;m1 is the arithmetic mean of themedian width and thockness of common rice seeds;mm.L is the lengthdimensionofthelargeandsmallorifice,mm.图 9进种孔尺寸示意图Fig.9Sizedragramofseedorifices42农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年由图 9a、9b 的几何关系可得大、小进种孔的宽度尺寸与稻种三轴尺寸中值及其充种姿态角的关系式为Ws=2(m1+l142tan2(i180)+m12)cos i180Wb=2(2m1+l142tan2(i180)+m12)cos i180（7）式中 m1=0.5(w1+d1)，w1、d1分别为常见稻种的宽度、厚度尺寸中值，mm。经统计，常见稻种的长度尺寸 l1中值为 9.18mm，宽度尺寸 w1中值为 2.48mm，厚度尺寸d1中值为 2.02mm，最大长度尺寸 lmax为 11.29mm，代入式（7），并分别绘制大、小进种孔的宽度尺寸与充种稻种姿态角的关系曲线，如图 10 所示。101198进种孔宽度Width of orifice/mm76540102030405060姿态角Attitude angle/()708090 100小进种孔Small orifice大进种孔Large orifice图 10进种孔宽度尺寸与稻种充种姿态角的关系曲线图Fig.10Relationdiagramofseedattitudeangleandorificewidth依据排种器稳定排种后，型孔运移路径区域内稻种姿态角集中在 30以内的统计结果，则适宜的大、小进种孔宽度应分别位于 6.759.00mm、4.57.00mm。而大、小进种孔的长度均设计为 11.50mm。2.2.2V 型槽1）V 型槽倾角为使椭球状稻种在组合型孔内有序堆叠，寻求型孔定量充种与播量精确调节的实现途径，参考已有研究经验，综合考虑排种器倾斜腔道结构特征，将组合型孔的容种槽设计成便于进种和出种的与排种盘径向对称的 V型槽25。稻种以其长轴与进种孔长边近似一致的姿态先后充入 V 型槽后，便受到 V 型槽两壁面的限向与引导作用，使其顺势地以长轴沿 V 型槽纵向定向地堆叠在槽内。因田间播种机的振动环境，使 V 型槽底平躺 1 粒稻种较为稳定，则底层稻种上方左右两侧配合槽壁面，各可容纳 1 粒平躺稻种，故 V 型槽开阔处应能容纳腔道盘径向上两列稻种堆叠为宜，如图 11a 所示，若稻种对壁面无挤压变形的应力作用，则可避免稻种以图示状态或其他状态卡种，故按图中几何关系分析V 型槽倾角的最大临界值26。以底层稻种质心为坐标原点 O1，排种盘轴向和径向分别为 X1轴和 Y1轴，建立直角坐标系 X1O1Y1，则由椭圆 O1、O2可得：X2w12+Y2d12=14(Xw12)2w12+(Y w12tan)2d12=14（8）y3O4h4R1.6O5O2O1o3x3h3O3Y1(y2)O3h2h1h3O2O1o2M2M1X1x2213Ma.三粒a.Three seedsb.五粒b.Five seeds1.V 型槽2.腔道盘3.型孔盘 1.V-groove2.Cavityplate3.Orificeplate注：O1、O2、O3、O4、O5分别为五粒稻种的截面几何中心；M 点为稻种O1与稻种 O2的切点；M1、M2分别为稻种 O1、O2与 V 型槽壁面的切点；为 V 型槽倾角，()；h1为底层稻种质心与 V 型槽最底端的距离，mm；h2为底层稻种质心与上层稻种质心之间的铅锤距离，mm；h3为 V 型槽深度，mm；h4为大进种孔外沿边与槽开口处的相对高度，mm。R1.6 为 V 型槽底部的倒圆角尺寸，mm。Note:O1、O2、O3、O4andO5arethecenterofcrosssectionoffivericeseedsrespectively;MisthetangentpointofO1andO2,M1andM2arethetangentpointsofriceseedO1,O2andV-groovewall;istheinclinationoftheV-groove,();h1isthedistancebetweenthecentroidofthebottomriceseedandthebottomoftheV-shapedgroove,mm;h2istheplumbdistancebetweenthecentroidofthebottomriceseedandthecentroidoftheupperriceseed,mm;h3isthedepthofV-groove,mm;h4istherelativeheightbetweentheouteredgeofthe large seed hole and the slot opening,mm;R1.6is the round size of thebottomoftheV-shapedgroove,mm.图 11三粒及五粒稻种堆叠 V 型槽示意图Fig.11DiagramofthreeandfivericeseedsstackingV-groove由图 11a 可知，M 点为直线 O1O2的中点，则有：X=w14,Y=w14tan（9）由式（8）和式（9）可得：=arctan3d1w1（10）将常见稻种的宽度和厚度尺寸中值代入式（10）可得=54.5，故 V 型槽倾角不大于 54.5即可有效避免卡种，故本文取 V 型槽倾角为 54，且该值大于稻种与腔道材料的滑动摩擦角27，确保稻种顺畅地充入 V 型槽内。2）V 型槽深度依据槽内径向两列稻种的堆叠规律，播种杂交稻时，V 型槽深度 h3应至少容纳两层稻种，即 h3应不低于上层稻种的质心高度（h1+h2），如图 11a 所示。以 V 型槽底端为坐标原点 o2，排种盘轴向、径向分别为 x2、y2轴，建立直角坐标系 x2o2y2，由稻种 O1、O2和槽壁面切点 M1、M2所在直线方程与椭圆 O1方程：y=xtanx2w12+(y+h1)2d12=14（11）第12期张顺等：导向充填式水稻精量穴播排种器孔-槽组合型孔设计与试验43h1=d12+w12tan2/2整理得，由前述已知条件求得 h1=1.98mm。记椭圆 O1、O2切点 M 的坐标值为（x0，y0），结合椭圆 O1方程，有如下关系式：X2w12+Y2d12=14h2=2y0（12）h2=32d1整理得，由前文分析得h3d12+w12tan2（13）计 算得 h33.72 mm，故 设 计 V 型 槽 深 度 h3为3.8mm。为满足常规稻穴播 510 粒稻种的农艺要求，在适用于杂交稻两层稻种充填槽深的基础上，通过设计大进种孔外沿边与 V 型槽开口处的相对高度，形成槽内 3 层稻种，即至少 5 粒稻种的有序充填，如图 11b 所示，则大进种孔外沿边与槽开口处的相对高度 h4应不低于上层稻种的质心，即 h4d。因常见稻种的平均厚度尺寸 d 中值接近 2.00mm，故本文 h4取 2.00mm，则型孔盘上小进种孔分布在大进种孔的外侧，且两进种孔的外沿边径向上为 2.00mm 的高度差。为进一步避免 V 型槽底部夹持稻种，并提高底层稻种以平躺姿态堆叠在槽底，依据底层稻种的堆叠姿态及椭圆 O1短轴端的曲率半径 R 对 V 型槽底部进行倒圆角处理。椭圆 O1短轴端曲率半径 R 的计算式为R=l122m1（14）由稻种的三轴长度中值，可得曲率半径 R 为 1.52mm，故设计 V 型槽底部倒圆角半径 R 为 1.60mm，如图 11b所示。3台架排种性能试验3.1试验设备与材料试验装置如图 12 所示，其中，排种器转速通过调节步进电机控制。全功能微电脑控制振动试验台为排种器台架提供不同的振动工况，以模拟播种机田间作业时排种器的振动环境。1234561.步进电机2.排种器3.高速摄像仪4.全功能微电脑控制振动试验台5.振动试验台控制器6.高速摄像仪显示器1.Steppermotor2.Seed-meteringdevice3.Highspeedcamera4.Full-functionmicrocomputercontrolledvibrationtestbench5.Vibrationtestbenchcontroller6.Highspeedcameraindicator图 12台架排种性能试验装置Fig.12Seedingperformancetestbench高速摄像仪用于拍摄记录排种器排出的每穴稻种粒数。试验稻种选用常规稻品种黄华占和杂交稻品种丰两优 3948，两者的含水率分别为 11.85%和 11.06%，平均三轴尺寸（长宽厚）分别为 9.36mm2.17mm1.90mm和 9.60mm2.55mm2.05mm，对稻种进行人工除杂后排种。3.2评价指标参考国家标准 GB/T6973-2005 单粒（精密）播种机试验方法，结合水稻精量穴直播的种植农艺要求，选择漏播率、合格率、重播率、破损率为评价指标。各评价指标的计算方法如下。Mc,h=nMc,MhN100%Qc,h=nQc,QhN100%Rc,h=nRc,RhN100%B=mBMn100%（15）式中 M 为漏播率，%；Q 为合格率，%；R 为重播率，%；N 为每组试验统计的总穴数，c 代表常规稻，h代表杂交稻。常规稻排种试验时，nMc为一穴小于 5 粒稻种的总漏播穴数，nQc为一穴 510 粒稻种的总合格穴数，nRc为一穴大于 10 粒稻种的总重播穴数；杂交稻排种试验时，nMh为一穴小于 2 粒稻种的总漏播穴数，nQh为一穴 25 粒稻种的总合格穴数，nRh为一穴大于 5 粒稻种的总重播穴数；B 为种子破损率，%；Mn为排种器稳定排种 1min 所排出的种子质量，kg；mB为所排出种子中破损种子的质量，kg。试验时，连续拍摄并统计排种器稳定排种时，从排种口排出的 250 穴稻种，每组试验重复 3 次取平均值。3.3试验结果及分析依据前文的理论分析及前期排种预试验可知，影响孔-槽组合型孔充种性能的主要因素为进种孔宽度和机组振动，为明确大、小进种孔宽度及机组振动对孔-槽组合型孔充种性能的影响规律，分别获得适用于两类稻种的孔-槽组合型孔，先后开展进种孔宽度与机组振动工况的排种单因素试验和二因素全因子试验，并考察组合型孔的品种适应性。3.3.1单因素试验1）进种孔宽度设置大进种孔的宽度为 6.6、6.8、7.0、7.2、7.4、7.6、7.8mm 共 7 个水平，小进种孔的宽度为 4.4、4.6、4.8、5.0、5.2、5.4mm 共 6 个水平。试验时，排种盘转速依据式（16）的计算结果进行设置。n=60vkLs（16）式中 n 为排种盘转速，r/min，v 为播种机前进速度，m/s，取 1m/s28；k 为腔道个数，本文排种器腔道个数为25 个；Ls为播种穴距，m，常规稻与杂交稻的播种穴距分别为 0.14m 和 0.20m，故排种常规稻和杂交稻的试验44农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年转速不同，分别为 17.1 和 12.0r/min。试验结果如图 13所示。a.大进种孔b.Large orifice 100合格率Qualified rate/%漏播率Miss-seeding rate/%重播率Reseeding rate/%大进种孔宽度Width of large orifice/mm6.66.87.07.27.47.67.8908070603020100合格率Qualified rate漏播率Miss-seeding rate重播率Reseeding rateb.小进种孔b.Small orifice 100合格率Qualified rate/%漏播率Miss-seeding rate/%重播率Reseeding rate/%小进种孔宽度Width of small orifice/mm4.44.64.85.05.25.490807060403020100合格率Qualified rate漏播率Miss-seeding rate重播率Reseeding rate图 13大、小进种孔宽度与各评价指标的关系曲线Fig.13Relationshipbetweenthewidthoflargeandsmallorificeandevaluationindexes由图 13 可知，大、小进种孔宽度对排种器排种常规稻和杂交稻的性能影响呈相似的变化规律，均是随着进种孔宽度的增大，合格率先缓慢上升后缓慢下降；漏播率均先大幅下降后缓慢降低；重播率先缓慢上升后大幅增大。当进种孔宽度较小时，组合型孔囊入稻种局限于定向效果好的稻种，导致型孔充种粒数偏少，排种器漏播率偏高；随着进种孔宽度的逐渐增大，定向率较高的稻