张明华　罗锡文　王在满　戴亿政　王宝龙　郑　乐

(1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室， 广州 510642； 2.南方粮油作物协同创新中心， 长沙 410128)



水稻直播机组合型孔排种器设计与试验

张明华1,2罗锡文1,2王在满1,2戴亿政1,2王宝龙1,2郑乐1,2

(1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室， 广州 510642； 2.南方粮油作物协同创新中心， 长沙 410128)

为同时满足常规稻与杂交稻的播种要求以及实现对播量的快速调节，以型孔轮式排种器为基础，设计了一种由型孔轮壳、型孔轮和调节机构组成的组合型孔排种器。以瓢形孔为组合型孔设计的基础，型孔轮壳上有多个带引种槽的瓢形通孔，可与型孔轮上的大、小型孔对应组合成完整的型孔，调节机构起调节定位作用。以常规稻秀水134和玉香油占以及杂交稻花优14和培杂泰丰为试验材料，对型孔的形状、尺寸和形式以及调节机构进行了设计与试验。通过调节机构的可靠性试验得出，调节机构的可靠性合格，且可5 s内实现播量快速调节。根据已有的理论和模型，计算确定了型孔数量为8个，型孔大端半径为5 mm，小端半径为4.5 mm，长度为11 mm。通过理论计算和三因素两水平试验的结果表明：引种槽的长度为6.5 mm，倒角为60°，型孔轮上大型孔的形式为深度6.5 mm柱形型孔，小型孔的形式为深度4 mm的勺形型孔时试验效果最佳，在转速50 r/min 时播秀水134品种，小型孔的穴粒数合格率达87%，大型孔的穴粒数合格率达87.67%，且变异系数分别为22.60%和20.46%，满足播种要求。相关性分析进一步验证了型孔形式是影响穴粒数合格率的关键，引种槽的长度和倒角对穴粒数合格率与变异系数均有影响。播种适应性试验结果表明，组合型孔排种器能同时满足常规稻(秀水134、玉香油占)与杂交稻(花优14、培杂泰丰)的播量要求，变异系数较小，具有较好的适应性。

水稻； 排种器； 组合型孔； 引种槽； 播量可调

引言

随着人工成本的不断增加和水稻直播过程中水肥管理、除草等配套农艺技术的不断完善，水稻直播面积不断增大。然而人工撒播的种子在田间分布不均匀，用种量偏大，群体结构不合理，导致不能稳产，甚至减产。精量播种采用穴播(点播)方式，将种子成行成穴均匀地播于田间，作物成长群体优势明显，有利于减少病虫害，可节约种子、增加产量[1-5]。近年来，精量播种已成为水稻直播的发展方向。

实现精量播种的关键在于排种器，可实现精量播种的水稻直播机排种器的形式一般有窝眼式、型孔轮式内充式、往复式和气吸式等[6]。王林力等[7]研究的一种水稻芽种偏心顶杆式排种器，罗锡文、张国忠等[8-11]研究的一种稻芽种气力式排种器，张顺等[12]研究的气力滚筒式水稻直播精量排种器(结合窝眼充种、负压吸种)都适用于杂交水稻和超级稻1～3粒的精少量播种，但无法适应常规稻的较大播量播种。MALEKI等[13-14]研制了一种螺旋槽式排种器，播种均匀性好，但是成穴性差。新疆农垦科学院机械装备研究所研制了由鸭嘴滚筒式棉花播种排种器改装的水稻穴播排种器，可满足大播量穴播，田坂幸平等[15]研究的一种枪管式水稻点播机，基本能实现穴播，但是都存在播量调整困难的问题。罗锡文等[16-19]研究了一种型孔轮式排种器，应用效果好，但播量调节范围有限，若要大范围调节播量，则需更换排种轮。汤楚宙等[20]、施祖强等[21]研究了一种变容量型孔轮式排种器，适用于油菜等小粒种子的条播，对较大粒种子的适应性还有待进一步研究。王俊等[22]研究了一种水稻直播机专用排种器，通过内外调节爪的轴向移动实现了播量调节，还能满足条播和穴播转换，但制造成本高[23]，市场上还未见有应用。

由于不同地区的土壤、气候、品种和种植习惯不同，水稻播种农艺要求差异很大，因此，播种量的要求也不同[24]。目前，国内常规稻和杂交稻的种植面积各占一半[25]，现有的排种器很难既能播杂交稻又能播常规稻。为同时满足常规稻与杂交稻的播种要求，以及播量调节方便快捷的目的，本文设计一种组合型孔排种器。

1　排种器总体结构与工作原理

组合型孔排种器主要包括外壳、限种板、卸种板、组合型孔排种轮、排种管、护种装置和清种装置；组合型孔排种轮包括型孔轮壳、调节定位机构、型孔轮、挡圈2、轴和圆头平键等，如图1所示。

图1　组合型孔排种器结构示意图Fig.1　Structure diagram of combined hole-type metering device1.第一充种室　2.限种板　3.卸种板　4.组合型孔排种轮　5.排种管　6.护种装置　7.第二充种室　8.清种装置　9.挡圈1　10.轴承　11.型孔轮壳　12.固定法兰　13.型孔轮　14.复位弹簧　15.挡圈2　16.调节法兰　17.定位端盖　18.沉头螺钉　19.轴　20.平键

组合型孔排种器型孔轮的圆周上间隔均布有大、小两组型孔。工作时，先用专用工具调节定位机构设定所需播量的型孔。组合型孔由型孔轮壳上的外通孔和型孔轮上的型孔(大孔或小孔)配合而成。种子由第一充种室进入型孔，随排种轮逆时针回转至第二充种室，在第二充种室对未充满的型孔进行补种，经过清种机构由清种毛刷将多余稻种刷落至第二充种室；随动护种装置将型孔内的水稻种子护送至排种口随自重落下，完成排种。

2　组合型孔排种器关键部件设计

2.1型孔轮壳与型孔轮

型孔轮与型孔轮壳是组合型孔排种器的关键部件。其关键参数包括型孔的数量以及型孔的大小与形式。根据罗锡文等[16]试验结果可知，与圆柱形型孔、盆形型孔和勺形型孔等相比，瓢形型孔的播种性能最好，因此本文选用瓢形孔为组合型孔设计的基础。

2.1.1型孔轮壳厚度的确定

图2　组合型孔轮示意图Fig.2　Structure diagram of combined hole-type roller1.型孔轮壳　2.型孔轮　3.型孔轮壳上的型孔　4.小型孔　5.大型孔

如图2所示，型孔轮壳上均布n个型孔(通孔)，尺寸与型孔轮上型孔的最外缘尺寸一致，以保证型孔组合处平滑过渡。由于型孔轮壳套设于型孔轮的外围，为保证调节播量的精度，要求型孔轮壳的厚度t越小越好，但是太薄，加工精度难以保证。在试制过程中，选用材料为易切削、可硬质阳极氧化处理的6063铝合金，采用广州市宏通机械有限公司的五轴加工中心加工厚度为3、3.5、4 mm的样品各10个，采用圆度仪检测样品合格率，再采用中值法优化，试验最终确定厚度t为3.2 mm。

2.1.2型孔数量的确定

型孔的数量会影响充种性能。一般型孔越多，型孔排种轮的线速度越小，越有利于充种，但同时又受型孔轮直径和型孔间距的限制[9]。型孔数量

(1)

其中

v0=rω

(2)

式中d——排种轮直径，m

vm——播种机作业速度，m/s

L——穴距，m

v0——排种轮线速度，m/s

r——排种轮半径，m

ω——排种轮角速度，rad/s

该排种器主要用于与乘坐式高速插秧机头配套的水稻精量穴直播机，机头田间最高作业速度大约为0.8 m/s，即vm为0.8 m/s；穴距一般为10～20 cm可调，设计时取最小值10 cm，即L为0.1 m；一般型孔轮式排种器的转速为30～60 r/min，设计的最高转速取60 r/min，即ω为2π rad/s。由公式(1)、(2)可知，型孔数量n取8。

2.1.3型孔形状的设计

本文选用瓢形孔为原型对组合型孔排种器的型孔进行研究设计。考虑不同水稻品种的外形尺寸差异较大，设计的型孔由R1和R2(R1>R2)两段圆弧组成，总长度为S，同时在型孔的外缘设计了引种槽，如图2所示。

为便于充种与投种，型孔的大端直径(2R1)应至少比试验稻种最大长度lmax大10%[26]；其中R1>R2>lmax。

2R1≥1.1lmax

(3)

根据式(3)和表1中试验种子的基本参数可知，R1取5 mm，R2取4.5 mm。

表1　试验种子基本参数Tab.1　Parameters of the tested seeds

当播量为3±1粒时，出现2粒种子平躺、1粒种子竖立的状态进入型孔的概率最大[6]，因此型孔长度S的计算公式为

S≥lmax+wmax

(4)

式中wmax——种子的最大宽度

根据式(4)和表1可知，S取11.5 mm。

型孔轮壳的型孔为充种的入口，其形状尺寸非常重要。为提高组合型孔排种器的充种性能，本文对瓢形型孔的引种槽进行了研究。如图3所示，引种槽长度l取4 mm和6.5 mm两个试验水平；引种槽深度为1.7 mm，倒角β取60°和45°两个试验水平。型孔轮壳上型孔有效深度h0为1.5 mm。

图3　组合型孔简图Fig.3　Structure sketch of combined hole-type

2.2型孔轮设计

型孔轮圆周上均布一组8个大型孔和一组8个小型孔。为与型孔轮壳上的型孔平滑过渡，两种型孔最外尺寸一致；每个型孔两两间隔22.5°，与型孔轮壳上的8个型孔组合成完整型孔，如图2和图3所示。

根据罗锡文等[16]的研究，在充种过程中种子以平躺的姿态进入型孔的概率最大(Pt>Pw>Pl，Pt为平躺状态的概率，Pw为侧卧状态的概率，Pl为竖立状态的概率)。假设种子都以平躺的状态进入型孔，根据种子和型孔的尺寸进行分析，充种时，每层可容纳2或3粒种子，但2粒种子的概率明显高于3粒种子的概率，因此暂定每层充种粒数为2粒。由于大型孔与小型孔共用一个型孔轮壳，且外缘尺寸一致，因此播量的大小关键在于型孔的深度。

不同水稻品种，其种植密度差异较大。精量穴直播时，一般采用某一固定的行距，调节穴距，控制穴粒数。一般常规稻的穴粒数为8粒左右，杂交稻的穴粒数为4粒左右。型孔的深度取决于种子的厚度[16，26]，计算公式为

(5)

式中N——穴粒数，粒

m——每层充种粒数，粒

tmax——试验种子的最大厚度(表1)，mm

根据式(5)和表1可知：大型孔的深度：H1≈10 mm；小型孔的深度：H2≈5.5 mm。型孔轮上大型孔深度：h1=H1-h0，为8.5 mm；型孔轮上小型孔深度：h2=H2-h0，为4 mm。

考虑到计算时都是假设种子以平躺的状态进入型孔，且每层充种粒数m取2粒，计算结果可能会偏大。因此对型孔轮上大型孔的深度h1设计了8.5 mm与6.5 mm两个试验水平；如果型孔过浅，会增加空穴率，因此小型孔的深度h2取4 mm，型孔轮上的型孔为柱形和勺形两种形式，如图3所示，组合型孔的整体形状为瓢形。

2.3调节机构设计

调节机构包括固定法兰、型孔轮、复位弹簧、挡圈2、调节法兰、定位端盖、沉头螺钉等，如图1所示。固定法兰的两根导柱穿过型孔轮上的两个通孔，通过沉头螺钉固定在型孔轮上；两个复位弹簧分别套设于固定法兰的两根导柱上，定位端盖上的定位凸台与定位端盖上的一组定位盲孔配合时，完成定位，此时型孔轮壳上的瓢形型孔与型孔轮上的一组型孔(大型孔或小型孔)配合组成完整的型孔。采用专用调节工具对调节法兰施加压力，套筒压缩复位弹簧，使两个定位凸台脱离定位端盖上的定位盲孔；转动调节法兰使型孔轮旋转22.5°(逆时针或顺时针)，卸载压力，在复位弹簧的作用下定位销滑入另外两个定位盲孔中，此时型孔轮壳上的瓢形型孔与型孔轮上的另一组型孔(大型孔或小型孔)配合，实现大、小型孔的转换，达到调节播量的目的。

3　试验材料与方法

3.1试验仪器与设备

试验仪器：自制霍尔转速记录仪(量程：5～200 r/min，分辨率：0.1 r/min)；电子天平(型号：AR423CN，量程：420 g，精度：0.001 g)；游标卡尺(精度0.02 mm)；手持式水分测试仪(型号：GMK-303，精度：0.1%)。试验设备：南方农业机械与装备教育部重点实验室的播种量试验台、多功能播种试验台。

3.2试验材料与方法

以圆粒形稻种秀水134(粳型常规稻)和花优14(粳型杂交稻)，以及长粒形稻种玉香油占(籼型常规稻)和培杂泰丰(籼型杂交稻)的湿种为材料进行试验。所选品种的稻种类别和外形尺寸具有代表性，能检验组合型孔排种器对不同稻种的适应性。试验前浸泡稻种并预催芽至破胸露白，外形尺寸如表1所示。

调节机构可靠性试验在华南农业大学工程学院的排种量试验台进行。取3个排种器安装于试验台架上，所有排种器调至大孔，将种子加满种箱，并固定工作转速为60 r/min；用塑料盆在每个排种口接种。当种箱内种子被排空时，将型孔调节至小孔，并检测调节机构工作时的顺畅度，观察定位的准确性；然后再将种子加入种箱，驱动排种器继续工作，大孔和小孔交替试验。

实际生产中，一个播种季大约为25 d，工作时长大约为8 h/d，更换杂交稻和常规稻品种的频率为每天0～2次。因此，在一个播种季中排种器工作时长大约为200 h，调节型孔大小次数最多50次。本试验设计排种器A、B、C试验时长为150 h；调节次数为50次。

组合型孔排种器的播种性能试验在多功能播种试验台进行。通过调节试验台的传动带转速模拟机器的地面行走速度；采用DSP调速电机调节排种器转速实现穴距调节。通过人工数种记录每穴粒数。试验选用破胸露白的秀水134湿种进行试验，种子具体参数如表1所示。

为确定引种槽倒角角度、引种槽长度、大小型孔的形式对组合型孔排种器播种性能的影响，取以上3个试验因素的两个水平对排种器的播种性能进行试验。

根据NY/T 1143—2006规定，穴播机主要性能指标中的穴粒数n±3为合格。结合实际生产中的需求，本文对合格率的要求略做提高，大型孔取6～10粒为合格，小型孔取3～6粒为合格。排种器的转速取50 r/min，参考GB/T6973—2005，记录传输带上由排种器稳定工作时排出的300穴种子中的每穴粒数，重复3次，以平均穴粒数、合格率、变异系数和空穴率为试验指标。

为了考察设计较合理的(型孔轮壳上引种槽长度为6.5 mm，引种槽倒角为60°；型孔轮大型孔形式为深度6.5 mm的柱形型孔，小型孔为深度4 mm的勺形型孔)组合型孔排种器对不同水稻品种及不同转速的适应性，选用破胸露白的常规粳稻秀水134、杂交粳稻花优14、常规籼稻玉香油占、杂交籼稻培杂泰丰作为试验对象(如表1)，同时选择不同的排种器转速。排种器转速公式为

(6)

式中nm——转速，r/min

v——机具作业速度，m/s

本文设计的组合型孔排种器主要用于水直播机，动力为乘坐式插秧机头，工作速度约为0.8 m/s。根据水稻机直播生产经验，常规稻穴距一般选择10、12、14 cm，杂交稻穴距一般选择16、18、20 cm，即L为0.1～0.2 m。根据式(6)可知，在田间作业时排种器的转速为30～60 r/min，因此本文设计了4个试验转速，分别为30、40、50、60 r/min。

4　试验结果与分析

4.1调节机构可靠性试验

在工作150 h之后调节机构的性能依旧良好，即调节机构性能可靠。在试验过程中，通过调节机构，可以在5 s之内完成大小孔的转换，即可实现播量的快速调节，试验结果如表2所示。

表2　调节机构可靠性试验结果Tab.2　Result of reliability test for adjusting device

4.2试验因素对排种器播种性能的影响试验

试验的因素与水平如表3所示；试验分小型孔和大型孔两个试验组，即小型孔形式和和大型孔形式分别与其他两个试验因素进行试验。引种槽及型孔形式对穴粒数的合格率及变异系数的影响试验结果如图4所示；字母a～d表示在p<0.05水平差异显著。各试验因素与试验指标(变量)之间的相关性分析结果如表4所示。

根据图4和表4可知，各组处理5～8的合格率明显高于处理1～4的合格率；型孔的形式与合格率极显著相关，说明型孔形式是影响合格率的关键，因此型孔轮上大型孔的形式取深度6.5 mm柱形型孔以及小型孔的形式取深度为4 mm的勺形型孔更合理。

表3　试验因素水平Tab.3　Factors and levels in experiments

倒角对合格率虽无显著影响，但图4显示，与45°倒角相比，60°倒角的播种变异系数相对较低。大型孔的引种槽长度与播种变异系数显著相关，且长度为6.5 mm明显优于4.5 mm；小型孔的引种槽长度对播种变异系数虽无显著相关，但影响较大，且长度为6.5 mm亦优于4.5 mm。小型孔和大型孔两组试验处理8效果最佳，合格率均达到85%以上，且变异系数亦均为各试验组最低。故综合认为引种槽的长度取6.5 mm，其倒角取60°，型孔轮上大型孔的形式取深度6.5 mm柱形型孔，小型孔的形式取深度为4 mm的勺形型孔最合理。

图4　引种槽及型孔形式对穴粒数合格率及变异系数的影响Fig.4　Effects of guiding groove and type of hole-type on the qualified rate and variable coefficient of the seed number per hill

试验因素试验结果小型孔大型孔引种槽长度倒角型孔形式合格率变异系数合格率变异系数引种槽长度1000.1612-0.93770.2957-0.8512**倒角100.01785-0.20910.03279-0.4188型孔形式10.9857**0.21470.9429**0.0099合格率11变异系数11

注：**表示p<0.01显著水平。

4.3组合型孔排种器对不同水稻品种的适应性试验

根据表5可知，平均穴粒数随着转速的增加而减小。小型孔在较高转速下(50～60 r/min)的合格率比在较低转速下的合格率更高(30 r/min)，大型孔在较高转速下(50～60 r/min)的合格率比在较低转速下的合格率更低(30 r/min)，由表5不难得出，小型孔在低转速下的播量偏大而大型孔在较高转速下的播量偏小。

组合型孔排种器在试验条件下空穴率均为零。小型孔播籼稻品种玉香油占和培杂泰(转速为40、50、60 r/min时)以及播粳稻品种秀水134和花优14(转速为50、60 r/min时)的合格率都达到85%以上，且变异系数较小。大型孔播秀水134和花优14(转速为30、40、50 r/min时)，播玉香油占(转速为30、40 r/min时)和培杂泰丰(转速为40、50 r/min时)的合格率都达到85%以上。可见该组合型孔排种器能满足常规稻(秀水134、玉香油占)与杂交稻(花优14、培杂泰丰)的播量要求，且变异系数较小，具有良好的适应性。

表5　4个品种和4个转速的适应性试验结果Tab.5　Experiment results of four varieties and four rotational speed levels

注：品种的因素水平1、2、3、4分别代表秀水134、花优14、玉香油占和培杂泰丰；转速的因素水平1、2、3、4分别代表30、40、50、60 r/min。

5　讨论

(1)组合型孔排种器小型孔在较低转速下的合格率较低，播量偏大；大型孔在较高转速下的合格率较低，播量偏小，对型孔有待进一步优化。

(2)组合型孔排种器是一个系统，其播种性能与型孔、充种角度、限种机构、清种机构、护种机构等都有关联。本文只针对组合型孔的主要参数进行设计与试验，其他机构与部件的最佳参数组合有待进一步研究。

(3)由于组合型孔排种器的大、小型孔需要共用型孔轮壳，因此型孔轮壳上的型孔是一定的，且具有一定的容种能力，组合型孔排种器对目前需要1或2粒精少量播种的超级杂交稻还很难适应。

6　结论

(1)设计了一种组合型孔排种器，可同时满足常规稻(秀水134、玉香油占)与杂交稻(花优14、培杂泰丰)的播种要求，有较好的适应性；且可在5 s内实现大、小型孔转换，实现播量快速调节；同时调节机构定位准确，且可靠性好。

(2)设计的组合型孔排种器型孔数量为8，型孔大端半径为5 mm，小端半径为4.5 mm，长度为11 mm。以秀水134为试验对象对组合型孔排种器的型孔进一步试验，确定了组合型孔的关键尺寸与形式，引种槽长度取6.5 mm，倒角取60°，型孔轮上大型孔取深度6.5 mm柱形型孔，小型孔取深度为4 mm的勺形型孔时排种器播种性能相对最佳。在转速50 r/min 时，小孔的穴粒数合格率达87%，大孔的穴粒数合格率达87.67%，且空穴率均为零。

(3)型孔形式是影响播种合格率的关键因素，无论是大孔还是小孔，与合格率之间皆表现出极显著的相关性。

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Design and Experiment of Combined Hole-type Metering Device of Rice Hill-drop Drilling Machine

Zhang Minghua1,2Luo Xiwen1,2Wang Zaiman1,2Dai Yizheng1,2Wang Baolong1,2Zheng Le1,2

(1.KeyLaboratoryofKeyTechnologyonAgriculturalMachineandEquipment,MinistryofEducation,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China2.SouthernRegionalCollaborativeInnovationCenterforGrainandOilCropsinChina,Changsha410128,China)

Due to the differences of soil, climate, varieties in different regions and different planting habits, the rice planting agronomic requirements are different. In order to meet the seeding requirement of conventional rice and hybrid rice simultaneously and to adjust the seeding rate quickly, a combined hole-type metering device was designed based on a simple hole-type metering device which was developed by South China Agricultural University. The device included hole-type shell, hole-type roller and adjusting mechanism. A complete hole-type was comprised by the label through holes which were uniformly distributed on the hole-type shell and the small/big hole-type which were uniformly distributed on hole-type roller. The shape, size and style of the hole-type and the adjusting mechanism were designed and optimized. The reliability experiments of the adjusting mechanism were carried out and the result showed that its structure was reasonable and the seeding rate adjusting process could be completed in 5 s. According to the existed model and theory, the outline dimensions of the hole-type were calculated and the results confirmed that the number of the hole-type was 8, the big radius was 5 mm, the small radius was 4.5 mm and the length was 11 mm. To further study on the main impact factors of the seeding performance of the metering device, the length and the chamfering angle of the guiding groove and the type of the hole-type were selected as the factors of the performance experiment while the conventional rice pre-germinated seed Yuxiangyouzhan was selected as the experimental material. The results indicated that the optimal combination parameters were the length of the guiding groove of 6.5 mm, the chamfering angle of 60°, the big hole-type on the hole-type roller with 6.5 mm cylindrical hole and the small hole-type with 4 mm spoon-shaped hole. The test results with rotational speed of 50 r/min showed that the qualified rate of the seed number per hole of the small hole-type was 87%, the seeding qualified rate of the big hole-type was 87.67%, and the seeding variable coefficients of these towed hole-type were 22.60% and 20.46% which could meet the rice seeding requirement. The correlation analysis showed that the main effect on the qualified rate was the type of the hole-type, and the length and the chamfering angle of the guiding groove had effects on the seeding variable coefficients as well. Furthermore, the adaptability experiment was designed by 4 varieties pre-germinated rice seeds and 4 rotational speeds (30 r/min, 40 r/min, 50 r/min and 60 r/min). The results showed that the combined hole-type metering device had good adaptability of seeding conventional rice seeds such as Xiushui 134 and Yuxiangyouzhan, and hybrid rice seeds such as Huayou 14 and Peizataifeng.

rice; metering device; combined hole-type; guiding groove; adjusting seeding rate

10.6041/j.issn.1000-1298.2016.09.005

2016-06-10

2016-07-12

公益性行业(农业)科研专项经费项目(201203059)、国家引进国际先进农业科学技术(948)计划项目(2011-G18(2))和国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2012AA10A501-2)

张明华(1987—)，男，博士生，主要从事水稻生产机械化研究，E-mail： zhangminghuascau@163.com

罗锡文(1945—)，男，教授，博士生导师，主要从事农业机械化研究，E-mail： xwluo@scau.edu.cn

S223.2+3

A

1000-1298(2016)09-0029-08