曾令超，馬 旭，陳林濤，陳學(xué)深，陳 濤

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

水稻是我國(guó)主要糧食作物之一，也是全國(guó)單位面積最高的糧食作物。目前，我國(guó)水稻種植機(jī)械化水平較低，是水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化的薄弱環(huán)節(jié)[1]。尤其是雜交稻移栽強(qiáng)調(diào)少本稀植，依靠超強(qiáng)的分蘗能力來(lái)提高產(chǎn)量，移栽時(shí)主要采用人工移栽的方式進(jìn)行作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且在雜交稻育秧環(huán)節(jié)存在播種精度低等問(wèn)題[2]。在水稻機(jī)械化育秧移栽的方式中，主要的應(yīng)用是機(jī)插秧，缽體苗移栽技術(shù)不傷根、不傷苗，解決了傳統(tǒng)機(jī)插秧的不足，增產(chǎn)效果顯著，是育秧移栽的主要發(fā)展方向之一[3]。因此，為提高雜交稻機(jī)移栽自動(dòng)化水平，亟需進(jìn)行缽盤精密穴播播種技術(shù)研究，以有效地提高育秧質(zhì)量[4]。

國(guó)外水稻缽盤育秧設(shè)備以亞洲代表的為多，且日本和韓國(guó)的水平最高，如井關(guān)、實(shí)產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社生產(chǎn)有水稻缽苗育秧的流水線[5]，但這些設(shè)備主要是針對(duì)常規(guī)稻大播量育秧要求所研制。國(guó)內(nèi)的水稻機(jī)械化育秧播種裝置主要有機(jī)械式、振動(dòng)式和氣力式等類型。王立臣[6]等研制的外槽輪式水稻穴盤育秧流水線，通過(guò)調(diào)節(jié)排種板的開度實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)稻的穴播，但對(duì)低播量要求的雜交稻播種空穴率較高。李志偉[7]等研制的電磁振動(dòng)式播種裝置，通過(guò)對(duì)供種裝置和振動(dòng)部件的工作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)雜交稻和常規(guī)稻穴播，但電磁振動(dòng)的工作參數(shù)難以控制。馬旭[8]等人研制的水稻秧盤育秧精密播種流水線，采用定量供種和振動(dòng)勻種相結(jié)合的兩級(jí)雙振動(dòng)式排種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同播量的生產(chǎn)要求，但該播種機(jī)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)秧盤的適用性還存在問(wèn)題。劉彩玲[9]等研制的往復(fù)擺動(dòng)式氣吸式水稻缽盤精量播種裝置，通過(guò)對(duì)吸種部件結(jié)構(gòu)和工作參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了對(duì)雜交稻的精密穴播，但播種器存在吸孔堵塞的問(wèn)題，推廣運(yùn)用受到阻礙。

為此，針對(duì)水稻精密穴播裝置中存在芽種播種穩(wěn)定性差和精度低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種具有交叉導(dǎo)流式種室與穴播窩眼滾筒相結(jié)合的精密穴播裝置，采用離散元仿真和試驗(yàn)研究相結(jié)合方法，對(duì)該裝置展開研究，為今后雜交稻精密穴播裝置的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的雜交稻精密穴播裝置主要由種室和排種裝置兩部分組成，如圖1所示。其中，種室主要包括種箱、3個(gè)導(dǎo)種板(3、5、11)及其對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)螺栓(1、4、12)等。導(dǎo)種板3是最先與進(jìn)入種箱的稻種的接觸部件，稱為輸入導(dǎo)種板；導(dǎo)種板5是在進(jìn)入穴播窩眼滾筒前與稻種接觸的最后一個(gè)導(dǎo)種板，稱為充填導(dǎo)種板；位于兩者間的導(dǎo)種板11，稱為勻種導(dǎo)種板。排種裝置則主要由穴播窩眼滾筒(滾筒上布有方形窩眼共14×19個(gè))、清種刷、推種裝置、護(hù)種裝置及排種裝置殼體等組成。種室通過(guò)種箱固定在排種裝置殼體上，每一導(dǎo)種板都有前后兩個(gè)調(diào)節(jié)螺母和調(diào)節(jié)螺栓，二者和種箱上的長(zhǎng)孔共同組成導(dǎo)種板的調(diào)節(jié)裝置，使得導(dǎo)種板可相對(duì)種箱沿垂直方向上下調(diào)整。

1.導(dǎo)種板調(diào)節(jié)螺栓 2.種箱 3.輸入導(dǎo)種板 4.導(dǎo)種板調(diào)節(jié)螺栓 5.充填導(dǎo)種板 6.清種刷 7.穴播窩眼滾筒 8.推種裝置 9.護(hù)種裝置 10.排種裝置殼體 11.勻種導(dǎo)種板 12.導(dǎo)種板調(diào)節(jié)螺栓

1.2 工作原理

工作時(shí)，穴播窩眼滾筒和清種刷間通過(guò)安裝在排種裝置殼體的皮帶帶動(dòng)下沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，護(hù)種裝置中的護(hù)種帶通過(guò)與穴播窩眼滾筒和穴播窩眼滾筒的窩眼內(nèi)稻種顆粒間摩擦帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)；稻種先后經(jīng)過(guò)輸入導(dǎo)種板、勻種導(dǎo)種板、輸出導(dǎo)種板到達(dá)穴播窩眼滾筒，在種室內(nèi)形成“S”形流動(dòng)，通過(guò)輸出導(dǎo)種板進(jìn)入到排種裝置形成均勻的具有一定厚度的種層；在充填區(qū)的種層與穴播窩眼滾筒相互作用下，稻種進(jìn)入穴播窩眼，完成了充種；在窩眼外多余的稻種顆粒通過(guò)清種刷進(jìn)行清除，清種后的稻種返回充種室，充填到窩眼內(nèi)的種子，在護(hù)種帶的保護(hù)下，在投種點(diǎn)被投出，播在走下下面的缽體盤內(nèi)。輸入導(dǎo)種板的作用是將進(jìn)入的具有隨機(jī)分布性的大量稻種平鋪在輸入導(dǎo)種板末端；勻種導(dǎo)種板的作用是將從輸入導(dǎo)種板進(jìn)入的稻種顆粒流種層變薄并均勻；充填導(dǎo)種板的作用是穩(wěn)定稻種顆粒的流動(dòng)并在穴播裝置的充填區(qū)形成均勻種層。

2 仿真與分析

為了對(duì)比本文設(shè)計(jì)的交叉導(dǎo)流式種室結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)種室結(jié)構(gòu)的穴播裝置充填性差異，本節(jié)將采用離散元軟件EDEM，對(duì)不同種室結(jié)構(gòu)的機(jī)械穴播裝置的充填性能進(jìn)行比較分析。

2.1 仿真方法

本仿真用UG軟件分別建立傳統(tǒng)種室的穴播裝置和交叉導(dǎo)流式種室的穴播裝置三維模型，并對(duì)穴播裝置工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，設(shè)定穴播窩眼滾筒參數(shù)。根據(jù)雜交稻穴播充填要求，以窩眼充填2～6粒稻種為合格標(biāo)準(zhǔn)，低于2粒為漏播，高于6粒為重播。當(dāng)充填區(qū)形成一定厚度的種層后，開始連續(xù)對(duì)窩眼內(nèi)的種子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

為了能更準(zhǔn)確地模擬稻種顆粒在穴播裝置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，雜交稻顆粒模型采用49個(gè)不同半徑的球體替代[10]，顆粒的三軸尺寸為9、2.68、2mm，如圖2所示。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究[11]，對(duì)稻種、幾何體、稻種—稻種、幾何體—稻種的物理參數(shù)設(shè)定如表1所示。

圖2 水稻芽種顆粒離散元模型

項(xiàng)目屬性數(shù)值顆粒(稻種)泊松比0.3彈性模量/Pa1.08×108密度/kg·m-31098幾何體泊松比0.25彈性模量/Pa7.9×1010密度/kg·m-37850顆粒—顆粒靜摩擦因數(shù)0.398滾動(dòng)摩擦系因數(shù)0.01恢復(fù)系數(shù)0.52接觸模型Hertz-Mindlin(no-slip)

續(xù)表1

2.3 顆粒工廠設(shè)置

顆粒工廠位于種箱的頂部入口處，設(shè)置為動(dòng)態(tài)工廠，共生成稻種顆粒7 000粒，每秒生成100 000粒。顆粒生成時(shí)初速度為0，受重力作用在種箱內(nèi)下降，如圖3所示。圖3中，a為穴播窩眼滾筒和清種刷間的鉗形區(qū)域。

圖3 不同種室結(jié)構(gòu)穴播裝置的離散元仿真過(guò)程

2.4 仿真計(jì)算設(shè)置

根據(jù)顆粒的最小單元球體半徑大小，本次仿真設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)為1×10-6s，仿真總時(shí)間為3s， 每間隔0.01s保存1次數(shù)據(jù)，球面與球面的網(wǎng)格尺寸為0.36mm，球面和幾何體的網(wǎng)格尺寸為2.16mm。

2.5 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)離散元仿真軟件EDEM的后處理功能，當(dāng)顆粒在穴播窩眼滾筒表面形成帶動(dòng)層時(shí)，顆粒受壓大小分布如圖4所示。由圖4可以看出：采用交叉導(dǎo)流式種室形成的帶動(dòng)層要比傳統(tǒng)種室的要薄，因而進(jìn)入鉗形區(qū)域的顆粒數(shù)較少，相應(yīng)顆粒受剪切或者碾壓作用也較小。

對(duì)穴播窩眼滾筒表面劃分網(wǎng)格，通過(guò)EDEM的后處理得到其表面受壓分布，如圖5所示。由圖5可以看出：采用傳統(tǒng)種室的穴播窩眼滾筒表面所受的壓力要大于多層導(dǎo)流式的穴播窩眼滾筒，且壓力較大地集中在相鄰排的窩眼間區(qū)域和與清種刷形成的鉗形區(qū)域(圖3中的a)。表面壓力較大和不均勻會(huì)導(dǎo)致位于帶動(dòng)層的顆粒間產(chǎn)生較大相互摩擦且對(duì)顆粒的充填窩眼產(chǎn)生不良影響，而采用交叉導(dǎo)流式的穴播窩眼滾筒表面受到的壓力相對(duì)較均勻。

圖4 顆粒受壓大小分布圖

圖5 穴播窩眼滾筒表面受壓分布圖

為了分析稻種與清種刷間的相互作用，通過(guò)后處理得到顆粒對(duì)清種刷產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩隨時(shí)間變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 充填時(shí)顆粒對(duì)清種刷產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩隨時(shí)間變化圖

由圖6可以看出：種室采用傳統(tǒng)種室的與交叉導(dǎo)流式種室相比，清種刷受到顆粒的作用扭矩幅值較大，且脈沖性較強(qiáng)。因此，顆粒在采用直接式種室的穴播窩眼滾筒上運(yùn)動(dòng)時(shí)，位于窩眼外的顆粒(將被清種刷掃出的顆粒)會(huì)受到較大脈沖清種力，易對(duì)稻種造成損傷，且不利于清種，在清種過(guò)程中清種刷的工作負(fù)荷較大；而采用交叉導(dǎo)流式種室，顆粒在清種區(qū)域所受的清種作用力較小且均勻，清種刷的工作負(fù)荷較小。

滾筒上的窩眼內(nèi)稻種經(jīng)過(guò)清種刷后，充填窩眼情況如圖7所示。從仿真結(jié)果可以看出：采用傳統(tǒng)種室的穴播裝置，由于帶動(dòng)層較厚導(dǎo)致清種不良(圖中7的圈內(nèi)有未被清出的稻種)，會(huì)對(duì)稻種的護(hù)種和投種帶來(lái)不良影響，從而影響穴播窩眼滾筒的充填性能。

下面對(duì)兩種不同種室的充填能力進(jìn)行仿真。穴播窩眼滾筒每次轉(zhuǎn)10圈，計(jì)2 660穴，統(tǒng)計(jì)清種后窩眼內(nèi)充填的種子數(shù)量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖7 采用不同種室的穴播裝置充填效果圖

表2 穴播裝置充種性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

Table 2 Simulation result between hill-drop sowing device with different seed-filling rooms %

通過(guò)仿真分析可知：采用交叉導(dǎo)流式種室的穴播裝置與傳統(tǒng)種室相比，在穴播窩眼滾筒上形成的帶動(dòng)層較薄，穴播窩眼滾筒表面所受正壓力較小，清種刷受到的顆粒的扭矩較小，從而有利于稻種顆粒的充填和對(duì)穴播窩眼滾筒的清種。由表2可以看出：交叉導(dǎo)流式種室的充填合格率為85.10%，與傳統(tǒng)種室相比，合格率提高了5.47%，且變異系數(shù)較小，表明仿真的充填性能較穩(wěn)定。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的穴播裝置的交叉導(dǎo)流式種室設(shè)計(jì)以及仿真分析的可行性，將針對(duì)機(jī)械式穴播裝置，對(duì)交叉導(dǎo)流式種室與傳統(tǒng)種室進(jìn)行播種性能對(duì)比，并將仿真的充填結(jié)果和穴播裝置實(shí)際的播種試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，采用研制的多層導(dǎo)流式種室與傳統(tǒng)種室的穴播裝置進(jìn)行性能對(duì)比，如圖8所示。試驗(yàn)所用水稻品種：雜交稻品種為培雜泰豐，干種的千粒質(zhì)量為21.40 g，含水率為14%～20%，進(jìn)行催芽處理，種芽長(zhǎng)度為1～2mm。

3.2 試驗(yàn)安排

針對(duì)導(dǎo)種板角度確定，參照振動(dòng)流動(dòng)式播種裝置中多層導(dǎo)流式種箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)[12]及稻種的利用重力平衡法得到的滑動(dòng)摩擦角[11]，選取導(dǎo)種板的傾斜角度為θ1=31°、θ2=34°、θ3=29°。根據(jù)稻種在交叉導(dǎo)流區(qū)不發(fā)生結(jié)拱的條件[13]，交叉導(dǎo)流區(qū)域開口間隙為25mm、導(dǎo)種板間垂直間隙為25mm時(shí)，通過(guò)前期預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)導(dǎo)種板過(guò)渡圓弧半徑為40mm時(shí)，稻種在種室內(nèi)流動(dòng)性良好，沒有發(fā)生堵塞，可作為新研制的交叉導(dǎo)流種室的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)缽盤播種裝置的播種性能要求，測(cè)試指標(biāo)包括重播率和漏播率。二者通過(guò)對(duì)14×29的秧盤，按照五點(diǎn)取樣法劃分區(qū)域，統(tǒng)計(jì)劃分域內(nèi)125穴的每穴粒數(shù)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)5盤，計(jì)625穴。重播率Y1、漏播率Y2計(jì)算公式為

(1)

其中，Y1為漏播率；N1為統(tǒng)計(jì)域內(nèi)每穴低于2粒的總穴數(shù)(穴)；N總為統(tǒng)計(jì)的總穴數(shù)(穴)。

(2)

其中，Y2為重播率；N2為統(tǒng)計(jì)域內(nèi)每穴高于6粒的總穴數(shù)(穴)。

合格率Y3(%)可表示為

Y3=1-Y1-Y2

(3)

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

依據(jù)上述統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)采用交叉導(dǎo)流種室和傳統(tǒng)種室分別進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)得到漏播率、重播率和合格率，如表3所示。

表3 穴播裝置性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

Table 3 Test result between hill-drop sowing device with different seed-filling rooms %

由表3可以看出：采用交叉導(dǎo)流種室的穴播裝置播種合格率為82.12%，與傳統(tǒng)種室相比合格率提高了3.88%，表明采用交叉導(dǎo)流種室能有效提高機(jī)械滾筒式穴播裝置的播種性能。交叉導(dǎo)流種室穴播裝置播種性能合格率的試驗(yàn)值與充填合格率仿真值相比，相對(duì)誤差為3.63%，表明仿真結(jié)果與實(shí)際相近，離散元仿真方法對(duì)播穴播裝置的設(shè)計(jì)具有參考意義。

4 結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種交叉導(dǎo)流式種室的雜交稻穴播裝置，通過(guò)仿真對(duì)比分析，與傳統(tǒng)種室相比，在穴播窩眼滾筒表面上形成的帶動(dòng)層較薄、所受正壓力較小，使清種刷受到種子清種的扭矩較小，從而有利于稻種顆粒的充填和清種。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的穴播裝置與傳統(tǒng)種室的穴播裝置合格率分別為82.12%和78.24%，相比提高了3.88%，有效地提高了播種性能。

2)采用離散元軟件EDEM對(duì)設(shè)計(jì)的穴播裝置和傳統(tǒng)種室的穴播裝置的工作過(guò)程進(jìn)行了仿真對(duì)比分析，充填特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的穴播裝置與傳統(tǒng)種室的穴播裝置充填合格率分別為85.10%和79.63%，相比提高了5.47%；仿真的充填合格率與試驗(yàn)的播種合格率相比，相對(duì)誤差最大約為3.63%，表明仿真結(jié)果與實(shí)際相近，仿真分析對(duì)精密穴播裝置的設(shè)計(jì)具有參考意義。