张顺，何海龙，苑严伟，况福明，熊玮，李兆东，朱德泉※

（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）

0 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3～10 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5～10 粒、杂交稻每穴2～5 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。

1 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。

图1 排种器结构示意图Fig.1 Structural diagram of seed-metering device

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。

图2 排种过程示意图Fig.2 Schematic diagram of seeding process

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。

图3 水稻种子三轴尺寸示意图Fig.3 Triaxial size diagram of rice seed

其参数方程为

则稻种绕X、Y、Z轴的转动惯量IX、IY、IZ（kg·m2）分别为

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。

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

图4 稻种受力示意图Fig.4 Force analysis diagram of rice seed

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；ωi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，N·m。

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8 mm，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、3 mm，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1.6 mm，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17.1 r/min，高速摄像拍摄速率为75 帧/s，像素为1 280×1 024。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。

图5 稻种定向过程Fig.5 Orientation process of rice seeds

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5b～5 d 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5e～5f 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49 s 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7 s 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θi，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：

上述坐标值借助高速摄像仪配套软件i-SPEED Software Suite 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，35 s 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7 s 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。

图6 稻种平均定向率Fig.6 Average orientation rate of rice seeds

图7 不同时刻稻种姿态角频数分布Fig.7 Frequency distribution of rice seed attitude angle at different moments

2.1.3 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、24.0 r/min，对应直播机前进速度分别为0.6、0.8、1.0、1.2、1.4 m/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。

图8 不同转速下稻种平均定向率Fig.8 Average orientation rate of rice seeds at different rotational speeds

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L＞lmax(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。

图9 进种孔尺寸示意图Fig.9 Size dragram of seed orifices

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

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9.18 mm，宽度尺寸w1中值为2.48 mm，厚度尺寸d1中值为2.02 mm，最大长度尺寸lmax为11.29 mm，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。

图10 进种孔宽度尺寸与稻种充种姿态角的关系曲线图Fig.10 Relation diagram of seed attitude angle and orifice width

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6.75～9.00 mm、4.5～7.00 mm。而大、小进种孔的长度均设计为11.50 mm。

2.2.2 V 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]。

图11 三粒及五粒稻种堆叠V 型槽示意图Fig.11 Diagram of three and five rice seeds stacking V-groove

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：

由图11a 可知，M点为直线O1O2的中点，则有：

由式（8）和式（9）可得：

将常见稻种的宽度和厚度尺寸中值代入式（10）可得β=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：

整理得h1=由前述已知条件求得h1=1.98 mm。

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：

计算得h3≥3.72 mm，故设计V 型槽深度h3为3.8 mm。

为满足常规稻穴播5～10 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h4≥d。因常见稻种的平均厚度尺寸d中值接近2.00 mm，故本文h4取2.00 mm，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2.00 mm 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

由稻种的三轴长度中值，可得曲率半径R为1.52 mm，故设计V 型槽底部倒圆角半径R为1.60 mm，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。

图12 台架排种性能试验装置Fig.12 Seeding performance test bench

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9.36 mm×2.17 mm×1.90 mm和9.60 mm×2.55 mm×2.05 mm，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/T 6 973-2005 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。

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5～10 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2～5 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1 min 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、7.8 mm 共7个水平，小进种孔的宽度为4.4、4.6、4.8、5.0、5.2、5.4 mm 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。

式中n为排种盘转速，r/min，v为播种机前进速度，m/s，取1 m/s[28]；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0.14 m 和0.20 m，故排种常规稻和杂交稻的试验转速不同，分别为17.1 和12.0 r/min。试验结果如图13所示。

图13 大、小进种孔宽度与各评价指标的关系曲线Fig.13 Relationship between the width of large and small orifice and evaluation indexes

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，定向率较高的稻种均可充入型孔，漏播率大幅下降，重播率略有上升，合格率逐渐升高；当进种孔宽度较大时，如对于7.8 mm宽度的大进种孔和5.4 mm 宽度的小进种孔，稻种姿态角分别低于18°和15°的稻种均易充入型孔，导致型孔充种粒数偏多，重播率偏大，合格率降低。当大进种孔宽度为6.8～7.6 mm、小进种孔宽度为4.6～5.2 mm 时，排种器的合格率均高于85%。

2）振动工况

为明确田间振动对排种器充种性能的影响，设置宽度为7.2 mm 大进种孔的组合型孔，利用全功能微电脑控制振动试验台进行不同振动工况下排种性能试验。由文献[29-30]可知，播种机田间作业的振动特性一般用振动频率与振动加速度两个特征参数表征，且播种机主要受到竖直方向的振动作用。本文排种器装载的播种机田间作业时，竖直方向的振动频率主要分布在0～150 Hz，且低频振动（≤30 Hz）、中频振动（40～90 Hz）及高频振动（100～150 Hz）的振动加速度分别不高于4、12、25 m/s2。因此，本文不同振动工况排种性能试验频率选择0～150 Hz，试验水平间隔20 Hz，并按低、中、高频段划分，对应频段振动加速度分别为4、12 和25 m/s2，试验结果如图14 所示。

图14 不同振动频率与各项评价指标的关系Fig.14 Relationship between vibration frequency and each evaluation index

由图14 可知，不同振动工况下，排种器的排种合格率基本在90%以上小幅波动，漏播率均≤5%，只在低频振动工况下，排种器的排种合格率偏低，但亦高于85%，说明具有适宜进种孔宽度的孔-槽组合型孔对不同的振动工况均具有较好的适应性。在低频振动条件下，排种合格率和重播率明显分别低于和高于无振动和中高振频条件，而漏播率稍有下降，其原因可能为：低频振动工况下，单个周期振动过程时间长，排种器的振动幅值较大，激励充种区稻种跳跃强度大，使得种群松散程度高、间隙大，种间相对移动阻力小，导致稻种易充入型孔，使得重播率大幅增加，合格率明显下降，漏播率稍有下降。

随着振动频率增大至中频振动或高频振动，排种器的振动幅值相对减弱，充种区稻种的跳跃强度较小，使得种群下方进种孔充种区域的稻种松散程度与无振动工况下相差不大，该区域种间相对移动阻力改善程度弱，故排种器的充种性能较为稳定，各性能评价指标均与无振动工况下基本保持一致，无较大的异常波动。振动频率单因素试验结果表明，具有孔-槽组合型孔结构的排种器排种性能主要受低频振动工况的影响。

3.3.2 二因素全因子试验

为考察不同进种孔宽度对各振动工况的适应性，探寻最优的进种孔宽度，明确排种器的排种性能，开展不同进种孔宽度与不同振动工况的二因素全因子试验。因素水平设定依据前文单因素试验结果，大进种孔宽度选取6.8、7.0、7.2、7.4、7.6 mm 共5个水平，小进种孔宽度选取4.6、4.8、5.0、5.2 mm 共4个水平，振动工况设定10、20、30 Hz 共3个低频振动水平，并与无振动的排种效果作对比，试验结果如表1 所示。

表1 全因子试验方案及结果Table 1 Full factor test scheme and results %

由表1 可知，无论是大、小进种孔，在同一振动工况下，随着进种孔宽度的增大，排种器合格率均呈现先增大后减小的趋势，漏播率均逐渐减小，重播率均逐渐增大，基本与无振动工况下的变化趋势相同。

当使用大进种孔排种常规稻时，与无振动条件相比，在较低振频条件下（≤20 Hz），对于较大宽度的大进种孔（≥7.2 mm），合格率下降，漏播率也稍有降低，重播率明显增大；对于偏小宽度的大进种孔（≤7.0 mm），合格率、漏播率和重播率相对无太大变化，说明偏宽的大进种孔对低频振动工况下的种群较为敏感，松散程度大、分离能力强的种群易充入组合型孔，使得重播率增大，合格率下降明显；而偏窄的大进种孔对低频振动工况下的种群更为适应，松散程度大的种群亦难过多的穿过偏窄的大进种孔，从而确保排种性能与无振动条件相近。

而在较高的振频条件下（30 Hz），不同大进种孔宽度的排种性能与无振动条件相近，这与中高频振动工况试验结果一致，表明30 Hz 的振动工况对孔-槽组合型孔排种器排种常规稻的排种性能基本无影响。综合比较不同大进种孔在各频振动及无振动工况下的排种性能，确定大进种孔宽度为7.0 mm，其组合型孔的排种合格率Q≥91.07%，漏播率M≤3.87%。

当使用小进种孔排种杂交稻时，在不同的低频振动工况下，同一进种孔宽度的排种性能相近，并与无振动工况相差不大，排种合格率基本一致，仅漏播率略高、重播率稍低，说明小进种孔的各宽度尺寸对低频振动工况均不敏感，其原因可能为：不同宽度的小进种孔外边沿均与V 型槽开口齐平，即各组合型孔的实际容种空间保持不变，且为浅槽，容种空间受限，即使种群松散程度大、分离能力强，也难充入更多稻种，已充入组合型孔的稻种也易在振幅明显的低频振动工况下清出型孔，故比无振动工况，漏播率略高、重播率稍低。当小进种孔宽度为5.0 mm 时，其组合型孔在低频振动和无振动工况均具有较好的排种性能，合格率基本在90%以上，漏播率≤5.73%，故可确定小进种孔宽度为5.0 mm。

3.3.3 品种适应性试验

为验证导向充填式水稻精量穴播排种器孔-槽组合型孔的品种适应性，选取与黄华占（长粒型常规稻）、丰两优3948（长粒型杂交稻）外形尺寸差异明显的晶两优1177（中粒型常规稻）、特三矮2 号（短粒型常规稻）、中农2008（中粒型杂交稻）、Ⅱ优346（短粒型杂交稻）为试验品种。每个品种试验前，参考各稻种的平均长轴尺寸，转动型孔盘以调整进种孔的有效长度。并在6 种水稻各自对应的排种器排种合格率最高的工况下，分别统计排种器的排种破损率。试验方案及结果如表2 所示。

表2 品种适应性试验方案及结果Table 2 Variety adaptability test scheme and results

由表2 可知，在进种孔宽度不变时，进种孔有效长度亦会对大、小组合型孔的排种性能产生影响，随着孔-槽组合型孔有效长度的增大，排种器的漏播率下降，重播率升高，合格率先增大后减小，其原因主要为：进种孔有效长度的增大，定向稻种的可充种时间延长，故每穴充种粒数相对增多，故重播率升高，漏播率下降。在适宜的进种孔有效长度下，排种合格率Q≥88.80%，漏播率M≤3.60%，说明该排种器能够满足不同外形尺寸常规稻与杂交稻的播量要求，具有较好的适应性。各品种排种的种子破损率B≤0.16%，表明排种器排种方式较为合理，基本不损伤种子。

4 田间试验

4.1 试验设备及方法

为考察具有孔-槽组合型孔的导向充填式水稻精量穴播排种器的田间播种性能，于2022 年6 月8 日在安徽省肥西县粉坊村开展田间播种试验。

试验田块长70 m，宽20 m，土壤含水率为15.19%，坚实度为360.64 kPa。试验稻种为黄华占与丰两优3948。将排种器安装于2BDXZ-2300 型水稻精量播种机上，如图15 所示。试验时，采用12 V 直流步进电机驱动排种器转动，通过电机控制器设置排种器转速，使其与室内台架排种试验转速一致，并使播种机前进速度稳定在3.6 km/h 左右。试验数据统计参照NY/T 1143-2006，连续统计田块中段各行播于地表的250 穴稻种的穴粒数、穴径和穴距，每个品种重复三次试验取平均值。

图15 田间试验Fig.15 Field experiment

4.2 试验结果

田间试验结果如表3 所示。

表3 田间试验结果Table 3 Result of field experiment

由表3 可知，采用大组合型孔播种黄华占时，各行排种性能的平均值为合格率90.21%、漏播率1.07%、重播率8.73%；采用小组合型孔播种丰两优3 948 时，各行排种性能的平均值为合格率86.55%、漏播率5.84%、重播率7.61%。相比室内台架试验结果，大组合型孔的排种漏播率和合格率分别下降了约2个百分点和1个百分点，小组合型孔的排种漏播率基本稳定，合格率下降了约3个百分点，其原因可能为：相比室内台架单一的振动工况，机组田间随机的振动工况将使排种器充种区种群更易流动，稻种更易充入大进种孔，使得大组合型孔的重播率上升，漏播率和合格率下降；虽然小组合型孔的容种空间有限，但若转离种群的型孔处于较弱振动工况时，而无法将组小合型孔多充的1～2 粒稻种及时清出型孔，导致小组合型孔（6～7）粒/穴的概率增大，使得重播率上升约3个百分点，合格率下降约3个百分点，而漏播率基本稳定。

田间播种试验，大组合型孔的各行合格率Q≥89.33%、漏播率M≤1.60%、重播率R≤9.60%、穴径平均值44.64～54.83 mm、穴距平均值133.21～144.67 mm，各行排量一致性变异系数3.06%，总排量稳定性变异系数2.04%；小组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%，穴径平均值39.88～45.59 mm、穴距平均值200.79～205.56 mm，各行排量一致性变异系数3.01%，总排量稳定性变异系数2.02%，各项评价指标均满足水稻大田精量旱穴直播的一般种植要求，且播种机各行排种均匀性较好。

5 结论

基于常规稻与杂交稻精量穴直播的种植农艺要求以及稻种的物理机械特性，利用稻种在疏导齿作用下长轴方向逐渐与其质心所在位置盘面运动切线方向近似一致的运动规律，设计了一种具有导向充填效果的孔-槽组合型孔，理论分析明确了进种孔的长宽尺寸范围与V 型槽的倾角和深度，并进行了室内台架排种试验与田间播种试验，得到以下结论。

1）构建了疏导齿疏导稻种的动力学模型，分析了盘齿转动疏导作用下型孔充种区域稻种姿态的转变过程，建立了衡量稻种分布姿态的评价方法，明确了稻种姿态随时间的变化规律，以及盘齿疏导的定向效果。

2）室内台架排种试验表明，适宜常规稻与杂交稻穴播量的大、小组合型孔的进种孔宽度分别为7.0 和5.0 mm，对应排种器的排种合格率Q基本≥90%，漏播率M分别≤3.87%和5.73%，并对不同的单一振动工况均具有较好的适应性。在适宜的进种孔有效长度下，不同尺寸稻种的排种合格率Q≥88.80%，漏播率M≤3.60%。各品种排种的种子破损率B≤0.16%。

3）田间播种试验表明，导向充填式水稻精量穴播排种器均可满足常规稻和杂交稻大田精量旱穴直播的种植要求，其播种常规稻黄华占时，合格率Q≥89.33%、漏播率M≤1.60%、重播率R≤9.60%、穴径平均值44.64～54.83 mm、穴距平均值133.21～144.67 mm；播种杂交稻丰两优3 948 时，合格率Q≥85.73%、重播率R≤8.27%、漏播率M≤6.53%、空穴率≤1.73%，穴径平均值39.88～45.59 mm、穴距平均值200.79～205.56 mm。

所设计的导向充填式水稻精量穴播排种器可通过大、小组合型孔的切换及其有效进种长度的调整兼用于常规稻和杂交稻不同外形尺寸稻种的低损精量穴直播排种。但与稻种外形尺寸对应的最佳进种孔有效长度还有待进一步研究。