張超龍，全臘珍，鄒運梅，姚祖玉，代振維，李 健，尹益文

（湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，湖南 長沙 410128）

0 引言

隨著水稻直播以及水稻大田育秧的技術(shù)成熟，人們又把目光轉(zhuǎn)移到直播技術(shù)上來，特別是水稻芽種直播，能有效的解決發(fā)芽率和成苗率偏低的問題[1～4]。水稻芽種具有含水率較高，內(nèi)摩擦角大，流動性能差等物料特點，出芽處相互纏繞，使用傳統(tǒng)的機(jī)械方式強(qiáng)行分離排種容易造成芽種機(jī)械損傷，而單純依靠種子自身重力在種箱內(nèi)自由流動過程中又容易出現(xiàn)架空現(xiàn)象，使得部分種子層靜止，出現(xiàn)斷層。而播種對象以水稻芽種為主的振動式播種機(jī)體積較大[5,6]。

作者在結(jié)合小型機(jī)械式直播機(jī)的結(jié)構(gòu)特點與振動排種原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種小型的振動式水稻芽種排種裝置，基于振動排種和振動改善散粒體物料流動性的原理，很好的解決了排種過程中傷芽的問題，并且參照GB/T9478-2005 進(jìn)行播臺試驗研究與分析找出最優(yōu)的振動參數(shù)。

1 振動式水稻芽種直播裝置的結(jié)構(gòu)

振動式水稻芽種直播裝置主要是由螺旋振動料斗，振動排種裝置兩部分組成，螺旋振動料斗末端與振動排種裝置相連處設(shè)有分流槽，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

種箱內(nèi)的種子由進(jìn)種口進(jìn)入振動螺旋料斗，種子在無振動狀態(tài)下沿著螺旋鋪開，呈現(xiàn)自由休止?fàn)顟B(tài)，種子層的厚度也隨著螺旋斜面向下而遞減。工作時，種桶以及斜面開始振動，休止?fàn)顟B(tài)被打破，種子呈流態(tài)沿著螺旋斜面向下流動，種子流由厚變薄，最后種子流以接近單層的狀態(tài)進(jìn)入分流槽。

種子在分流槽上分成若干流，進(jìn)入振動V 型槽。在高頻振動下，種子在槽內(nèi)均勻沿著槽壁排成單列，勻速的向前跳動，掉入V 型槽末端的排種管，實現(xiàn)排種。

圖1 小型振動式排種裝置Fig.1 Small vibrated seeding apparatus

2 振動式水稻芽種直播裝置的關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 振動螺旋料斗裝置

振動螺旋料斗裝置是種箱下面可振動的種桶，內(nèi)帶有螺旋導(dǎo)種板。螺旋導(dǎo)種板的材料為鋁片1060，厚度為0.3mm，螺旋升角為15°。螺旋斜面的使用可以保證導(dǎo)種面連續(xù)的同時又節(jié)約空間，螺旋升角小于芽種在該材料上的摩擦角，使得種在無振動狀態(tài)下沿著螺旋鋪開，呈現(xiàn)自由休止?fàn)顟B(tài)。振動時，種子層的厚度也隨著螺旋斜面向下而遞減，最后以單層的種子流進(jìn)入分流槽，實現(xiàn)定量供種的同時，大大降低了對水稻種芽的損傷。

2.2 分流槽

分流槽是連接振動螺旋料斗和V 型槽的過度裝置，內(nèi)有三塊擋種板，它將一定量的單層種子分成若干種子流，分別流入相對應(yīng)的V 型槽。如圖2 所示，種子經(jīng)過振動螺旋料斗掉入圖中所示區(qū)域，在振動的作用下，小股種子沿著底面散開，在三塊檔種板的作用用下，分成4 股種子流，然后掉入V 型槽。

圖2 分流槽Fig.2 The distributing cavity

3 振動排種裝置排種原理以及種子的受力分析

3.1 振動排種裝置排種原理

振動式水稻芽種直播裝置是一種基于振動改變種子物料特性從而實現(xiàn)無損傷直播的裝置[7]。為了改善水稻芽種流動性和均勻排出問題，采用特定的振動技術(shù)使得種子達(dá)到“沸騰”的狀態(tài)，種子物料之間的接觸面積的大小由于振動而不斷變化，種子物料的內(nèi)摩擦力變小，自然休止角也接近于零，完全避免了架空的出現(xiàn)，使得種子物料能均勻的排出。

3.2 種子受力分析

工作時，種子在高頻振動作用下，被連續(xù)拋起并沿著V 型導(dǎo)軌向前運動。單粒種子物料在V 型槽上的受力情況如圖3 所示。

圖3 種子在V 型槽上的受力圖Fig.3 The force diagram of bud seeds

導(dǎo)軌在可調(diào)振動器的作用下，沿著S 方向做周期性的振動。V 型槽沿y 方向的位移：

式中：A—V 型槽的振幅（mm）；ω—振動角頻率（rad/s）；t—時間（s）；α—振動角度（°）。對式（1）中的時間二次求導(dǎo)得到V 型槽沿y 方向的加速度：

種子物料對V 型槽的壓力：

式中：t0—種子物料對V 型槽的壓力變?yōu)? 的臨界時刻：

式中：K—振動指數(shù)。通過計算得知，可以找到適當(dāng)?shù)摩?和α 保證K≤1，使得t0時刻存在。當(dāng)振動相位角達(dá)到t0時刻所對應(yīng)的位置，種子被拋棄，沿拋物線軌跡向前跳動后落入V 槽內(nèi)，在下一個t0時刻又被拋棄，繼續(xù)向前運動。

4 芽種傷芽率因素試驗

為了分析直播裝置振動參數(shù)對傷芽率的影響，以振動頻率、振幅、V 槽傾角為試驗因素進(jìn)行單排條播試驗。

4.1 試驗設(shè)備及試驗材料

試驗設(shè)備包括：多功能排種器試驗臺；MP200B 電子天平，稱量范圍為200g，精度為0.01g；振動分析儀VM-6360，測量范圍：位移0.01～1.99mm，頻率1～20kHz；秒表，精度為0.1s。

實驗對象選擇淮稻6 號（原代號“淮6329”），浸種48h后催芽至芽長2～3 mm ，出芽的種子晾干至表面水分不沾手[8]，物料特性如表1 所示。

表1水稻種子的物料Tab.1Physicalpropertiesofriceseed

4.2 試驗方法

實驗前先將振動式水稻芽種直播裝置固定在排種試驗臺上，固定好檢測儀器，試驗方法參照GB/T9478-2005 進(jìn)行。試驗時，啟動直播裝置，待直播裝置工作穩(wěn)定后啟動輸送帶，帶上鋪有取樣紙。取樣紙沿長度方向按每100mm 分段，當(dāng)有效播種長度達(dá)到取樣長度后停機(jī)；隨機(jī)取樣20 段，重復(fù)5 次。分別記錄各行每段種子的粒數(shù)和種芽損傷的種子粒數(shù)，然后調(diào)整振動參數(shù)，重復(fù)上述實驗。

4.3 試驗結(jié)果與分析

實驗結(jié)果表明，振幅的改變對傷芽率影響較大，在0.2～0.6mm 區(qū)間內(nèi)振幅與傷芽率成正比，0.6～0.8mm 沒有變化，0.8mm 后急劇上升。

振動頻率的改變對傷芽率有一定影響，頻率在增大70Hz 以前，傷芽率呈線性增長，70Hz 以后傷芽率隨著頻率的增加而減小，在70Hz 處出現(xiàn)最大值 （出現(xiàn)峰值的原因是由于頻率過高時，振動V 型槽自身慣性，使得不能隨著振動器的幅度變化而變化，振幅會有相應(yīng)的衰減，而振幅又是影響該指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)，所以傷芽率出現(xiàn)下降趨勢）。

V 槽傾角對其影響較小，傾角為2°時傷芽率最低，4°～6°時傷芽率最高，但是兩者之差不大于1.2%。

5 結(jié)論

圖4 振動參數(shù)與傷芽率的關(guān)系Fig.4 Relationship between vibration parameter and the bud damage rate

（1）小型振動式水稻芽種直播裝置通過振動的方式，改變水稻芽種的流動性，實現(xiàn)整個排種過程種子的自由流動，很好的控制了傷芽率。

（2）播臺試驗的結(jié)果表明，傷芽率的主要影響因素是振幅，次要影響因素是振動頻率，V 型槽的安放角度對傷芽率基本無影響。

（3）振幅越大，播種均勻性越好，頻率在40～60Hz 內(nèi)傾角在4°時播種均勻性最佳，綜合考量，選擇振動頻率為50Hz，振幅為0.8mm，振動傾角為4°為該機(jī)器的振動參數(shù)，此時播種均勻性較好，且傷芽率控制在5%以下。

[1] 羅錫文，李錫煉，劉濤，等. 水稻機(jī)械直播的現(xiàn)狀及發(fā)展前景[F].中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會2005年學(xué)術(shù)年會論文集,2005.

[2] 于吉淼，趙冰，田新慶.水稻直播機(jī)械的發(fā)展?fàn)顩r及前景展望[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2006，2.

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[6] 楊堅，韋林，覃振友，等.2BD-8 自走型分流式小型水稻直播機(jī)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，1998，4.

[7] 張波屏.播種機(jī)設(shè)計原理[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[8] 劉劍鋒，謝方平，梅婷.煙草包衣種子的物理特性研究[J].湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2011，10.