王在滿，黃逸春，王寶龍，張明華，馬曰鑫，可欣榮，羅錫文

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642）

0 引 言

水稻是中國的主要糧食作物之一，近年來，隨著水稻品種選育、配套農(nóng)藝和機(jī)械化技術(shù)的不斷進(jìn)步，水稻機(jī)械化直播技術(shù)發(fā)展迅速。相比于傳統(tǒng)移栽技術(shù)，機(jī)械直播節(jié)省了育秧和插秧環(huán)節(jié)，節(jié)本增效，可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度，逐漸被越來越多農(nóng)戶所接受[1-4]。

歐美、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家的水稻種植以機(jī)械直播為主并實(shí)現(xiàn)了全程機(jī)械化[5-6]。中國水稻生產(chǎn)機(jī)械化總體水平不高，其中水稻機(jī)械化種植是水稻生產(chǎn)全程機(jī)械化最薄弱環(huán)節(jié)[7]，2016年水稻機(jī)械化種植水平僅約為44.45%，嚴(yán)重制約了水稻生產(chǎn)機(jī)械化的發(fā)展。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)基于農(nóng)機(jī)與農(nóng)藝相結(jié)合，研制成功了同步開溝起壟水稻精量穴直播機(jī)[8-11]。

排種器是水稻直播機(jī)的核心部件，主要有氣力式和機(jī)械式2種。氣力式排種器具有種子適應(yīng)性強(qiáng)、傷種小等優(yōu)點(diǎn)，適合精少量的精密播種，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)和成本要求高；機(jī)械式排種器通過種子自重充種和排種[12-13]，結(jié)構(gòu)簡單、故障率低，適合中等播量或大播量的精量播種。

適宜播種量控制是水稻機(jī)械化直播技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵要點(diǎn)。在不同地區(qū)、茬口、品種、氣候和管理習(xí)慣等水稻種植條件下，播種量差異很大[14-16]。目前常用的機(jī)械式排種器多采用型孔式或外槽輪式，通過改變型孔、槽輪尺寸或穴距進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對播量的控制[17]。日本水稻直播機(jī)排種器[18]一般采用外槽輪式排種器，并采用滑塊橫向調(diào)節(jié)槽寬尺寸控制播量，主要適用于播量較大和短粒型的稻種（如粳稻）。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)根據(jù)常規(guī)稻品種和部分雜交稻品種播種量30～75 kg/hm2的播量要求，發(fā)明了一種播量可調(diào)的組合型孔排種器[19]，采用“瓢形型孔+雙充種室”充種方式[20]和彈性隨動(dòng)護(hù)種方式，實(shí)現(xiàn)了在同一臺機(jī)器上有 2檔播量快速調(diào)節(jié)，適用于長粒型和短粒型稻種的精量播種。

目前常用的水稻精量直播排種器存在稻種適應(yīng)性和作業(yè)效率問題[21]，播量可調(diào)外槽輪式排種器[22]雖可實(shí)現(xiàn)播量調(diào)節(jié)，但仍需要通過停止機(jī)器作業(yè)后人工調(diào)節(jié)，播量調(diào)節(jié)難以精準(zhǔn)控制。播量可調(diào)組合型孔式排種器播量采用人工方式預(yù)先調(diào)節(jié)型孔大小，播量調(diào)節(jié)前必須停機(jī)，采用調(diào)節(jié)扳手完成 2種型孔的相互轉(zhuǎn)換后才能進(jìn)行播種作業(yè)，而且無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)[19]。

常規(guī)稻和雜交稻品種的播種量差異較大，長粒型秈稻和短粒型粳稻的種子外形尺寸差異大。根據(jù)不同水稻品種的物理特性和種植特點(diǎn)，現(xiàn)有的排種器難以同時(shí)滿足不同品種的播量要求，因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制的播量無級調(diào)節(jié)水稻精量穴直播排種裝置，即在播量可調(diào)組合型孔式排種器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了無級調(diào)節(jié)型孔結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對型孔大小進(jìn)行了理論計(jì)算和分析，擬改善排種器的播量調(diào)節(jié)精度，提高排種器的適應(yīng)性和作業(yè)效率。

1 播量無級調(diào)節(jié)水稻排種裝置

1.1 總體結(jié)構(gòu)

播量無級調(diào)節(jié)型孔式排種器由排種器殼體、排種輪、清種機(jī)構(gòu)、護(hù)種機(jī)構(gòu)和電機(jī)控制系統(tǒng)組成，如圖1a所示。排種輪通過傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)使種子進(jìn)入排種輪圓周上的型孔，排種輪主要由排種輪外輪、排種輪內(nèi)輪、步進(jìn)電機(jī)、電池、限位開關(guān)等零部件組成，如圖1b所示；清種毛刷位于排種輪的上方，與排種輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)以清除型孔上方多余的種子；護(hù)種機(jī)構(gòu)由護(hù)種帶和支架組成，與排種輪貼合安裝，使種子在排種前不會從型孔中掉出。

圖1 排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of metering device

1.2 工作原理

播量無級調(diào)節(jié)型孔式排種裝置工作時(shí)，通過電機(jī)控制排種輪轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)充種室的種子不斷進(jìn)入排種輪的型孔內(nèi)，清種毛刷清除型孔上方多余的種子；彈性護(hù)種帶將種子護(hù)送到排種管出口，型孔內(nèi)的種子因自身重力而掉落[23]，從而實(shí)現(xiàn)種子的定量間歇性排種。

排種器的型孔由內(nèi)輪型孔和外輪型孔組成。排種器的外輪上固定安裝了步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)軸上有小齒輪；內(nèi)輪內(nèi)圈上設(shè)置了與小齒輪配合的內(nèi)齒圈，并與外輪同軸安裝；控制系統(tǒng)可控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)齒輪傳動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)輪與外輪的相對角度，從而改變外輪型孔和內(nèi)輪型孔之間的容積，實(shí)現(xiàn)播量無級調(diào)節(jié)。排種輪內(nèi)輪上安裝了擋塊和限位開關(guān)，限位開關(guān)能夠限制型孔調(diào)節(jié)范圍。為了避免在工作過程中排種輪內(nèi)輪與外輪發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)而影響播量調(diào)節(jié)精度，采用帶有自鎖功能的步進(jìn)電機(jī)，調(diào)節(jié)完畢時(shí)可自動(dòng)鎖定排種輪內(nèi)輪，以固定內(nèi)輪和外輪的相對角度。采用STM32F103輸入定量脈沖控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，控制電路由排種輪內(nèi)部鋰電池供電，結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)節(jié)效果好。

2 排種輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 稻種物理特性分析

稻種的物理特性直接影響排種器充種性能，本文分別選用4種有代表性的水稻品種，進(jìn)行特性分析和試驗(yàn)，為排種器播量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，包括常規(guī)粳稻秀水 134、雜交粳稻花優(yōu) 14、常規(guī)秈稻黃華占和雜交秈稻晶兩優(yōu)1212。測定參數(shù)和方法如下：

1）測定種子三軸尺寸：每個(gè)品種選取飽滿無損的種子50粒，選用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺對種子的長軸、短軸和厚度方向進(jìn)行測量并取平均值。

2）測定含水率：選用若干飽滿種子放至 GMK-303水分測量儀的托盤，對種子的水分進(jìn)行測量，重復(fù) 3次取平均值。

3）測定千粒質(zhì)量：選用 BAXIT全自動(dòng)數(shù)粒儀隨機(jī)挑選1 000粒種子，采用精度為0.001 g的AR423CN電子天平對千粒種子進(jìn)行質(zhì)量稱量，取平均值。

4）測定種子體積：采用去鹽法，隨機(jī)挑選500粒種子倒入50 mL的燒杯，加入一定量的鹽使燒杯內(nèi)的混合物達(dá)到一定體積，用燒杯體積減去鹽的體積得到 500粒種子的體積，重復(fù) 3次取平均值，稻種物理特性如表 1所示。

2.2 型孔參數(shù)與播種量的關(guān)系

1）無級調(diào)節(jié)型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無級調(diào)節(jié)型孔由外輪和內(nèi)輪圓周上的型孔組成，根據(jù)高速攝影分析結(jié)果可知[24]，稻種進(jìn)入充種室后沿限種板下端缺口向下流入型孔，在進(jìn)入型孔的過程中稻種主要存在豎立、斜立和平躺3種姿態(tài)，稻種首先是以豎立或者斜立姿態(tài)充入型孔中，其余稻種再以平躺姿態(tài)填充到型孔上部，豎立或者斜立可減少卡種現(xiàn)象。本文設(shè)計(jì)的排種輪采用瓢形型孔式，根據(jù)羅錫文等[25]研究可知，與圓柱形、勺形型孔相比，瓢形型孔的充種效果最好。瓢形型孔的小端半徑為R1，大端半徑為R2，型孔的外邊緣設(shè)計(jì)了引種倒角（斜線陰影部分），有利于種子進(jìn)入型孔，引種倒角均勻分布在型孔圓周邊緣，有效長度c=3 mm，有效深度h=2 mm，方形陰影部分為型孔內(nèi)輪表面，如圖2所示。

表1 水稻的物理特性Table 1 Material characteristic of seed

圖2 型孔容積調(diào)節(jié)范圍Fig.2 Adjusting range of hole-type volume

因?yàn)樾涂渍{(diào)節(jié)時(shí)型孔的大端為了使稻種能夠順利進(jìn)入型孔，最小充種型孔大端半徑（R2）應(yīng)至少比選取試驗(yàn)的稻種的最大長軸 lmax大 10%[26]。由于粳稻粒短寬厚，橫斷面近圓形，而秈稻粒長扁平，所以粳稻在相同型孔的播量大于秈稻，對型孔小端半徑（R1）設(shè)計(jì)以粳稻的長軸l作為研究依據(jù)。由表1列舉南方地區(qū)常用品種的物理特性可知，粳稻種子的最大長軸尺寸為7.87 mm，秈稻種子的最大長軸尺寸為9.40 mm，型孔的大小端半徑分別按式（1）～（2）計(jì)算。

式中l(wèi)1為粳稻最大長軸，l2為秈稻最大長軸。

代入式（1）和式（2）可得，R1≥4.2 mm，R2≥5.2 mm此處型孔設(shè)計(jì)取R1=4.2 mm，R2=5.2 mm。建立SolidWorks模型經(jīng)測量（圖2），d1=9.4 mm、d3=9 mm、d2=10 mm、d4=10.4 mm。

當(dāng)播量n=3±1時(shí)，稻種從充種室進(jìn)入型孔出現(xiàn)2粒種子平躺、1粒種子豎立的概率最大[27]。因此型孔的長軸尺寸L（從L1到L3的變化過程）的調(diào)節(jié)量計(jì)算如式（3）。

式中L為型孔長軸，mm；l3為稻種最小長軸，mm；Bmax為種子最大寬度，mm。

根據(jù)式（3）和表1花優(yōu)14厚度Bmax，2.14mm，長軸尺寸，7.06 mm?？芍涂鬃钚￠L軸小型孔長軸L1=9.2 mm。為滿足 10粒最大播量和同一平面上稻種排列的隨機(jī)性，最大型孔的長軸要滿足秀水134長軸尺寸的2倍，則大型孔長軸L3=15.6 mm。取中等型孔長軸尺寸L2=12.4 mm。型孔長軸與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角關(guān)系見式（4）。

式中 θ為排種內(nèi)輪型孔和外輪型孔中心夾角，(°)；R0為排種輪外輪半徑，mm；k1為型孔長軸與排種輪內(nèi)外輪夾角轉(zhuǎn)換系數(shù)。

代入數(shù)據(jù)可知k1=1.8，通過調(diào)節(jié)排種內(nèi)輪型孔和外輪型孔中心夾角，改變型孔長軸尺寸，實(shí)現(xiàn)播量調(diào)節(jié)。

型孔最大截面和容積是排種輪充種量和排種器最終播量的主要影響因素，本文基于SolidWorks軟件建立三維模型，采用分割法將合成型孔從模型中分離出來，在評估-質(zhì)量屬性選項(xiàng)生成質(zhì)心，從屬性參數(shù)中對型孔截面（圖 3）和容積參數(shù)進(jìn)行測量和計(jì)算，具體數(shù)據(jù)如表 2所示。

圖3 型孔最大截面Fig.3 Maximum section of type-hole

表2 型孔截面和容積參數(shù)Table 2 Parameter of area and volume of type-hole

2）無級調(diào)節(jié)型孔深度

型孔形狀選取的是瓢形型孔，稻種進(jìn)入型孔時(shí)先接觸瓢形孔的小端圓弧。當(dāng)型孔長軸調(diào)節(jié)至最大型孔時(shí)，稻種在充種室快速進(jìn)入型孔時(shí)多以豎立或斜立姿態(tài)充入型孔后，在重力作用下，滑入型孔底部，最終以平躺和斜立的姿態(tài)留在型孔內(nèi)，此時(shí)與普通型孔的充種方式相同。為了滿足每穴播種量在 3～10粒之間無級可調(diào)，需控制充種穴粒數(shù)，穴粒數(shù)由每層充種粒數(shù)和層數(shù)決定（式（5））。

式中m為每層充種粒數(shù)；d為型孔最大寬度d2和最小寬度d3的平均值，9.5 mm；Dmax為試驗(yàn)種子的最大短軸尺寸，3.17 mm。

由式（5）可得出每層充種粒數(shù)m=3。

根據(jù)實(shí)際作業(yè)需求，粳稻品種平均播量可達(dá)10粒。小型孔的深度為大型孔深度與排種輪外輪槽孔壁厚之差，排種輪外輪槽孔壁厚b=0.5 mm；由式（6）可知[24]

式中T為型孔深度，mm；M為穴粒數(shù)，10粒；m為每層充種粒數(shù)，3粒；Bmax為試驗(yàn)種子的最大厚度，2.3 mm。

根據(jù)式（6）可知大型孔的深度T1=7.5 mm；小型孔的深度 T2=T1–b=7 mm；有效型孔深度 t1=T1–h=5 mm，t2=T2–h=4.5 mm。

當(dāng)調(diào)節(jié)至最小型孔時(shí)，此時(shí)種子的長度大于底部的長軸尺寸，種子以豎立或斜立姿態(tài)充入型孔后，由于型孔尺寸的限制，不能滑入底部。由于型孔壁的支撐，種子保持斜立的姿態(tài)容納于型孔中，如圖 4所示。此時(shí)，要求種子不能高出型孔，否則種子會受到護(hù)種帶的擠壓，造成傷種率提高，護(hù)種帶的壽命降低。根據(jù)種子和型孔之間的位置關(guān)系，采用式（7）對式（6）得出的型孔深度T進(jìn)行驗(yàn)證。要求式（7）得出的型孔深度應(yīng)略小于式（6）得出的型孔深度，即TT′＜為合格。

式中T′為型孔深度，mm；α為種子在型孔內(nèi)的傾斜角，(°)；lmax為種子的最大長軸尺寸，9.4 mm；L1為最小型孔的長軸尺寸，9.2 mm；T為式（6）得出的型孔深度，7 mm。

由式（8）得出，θ為 37.2°，代入式（7）得出型孔的深度為T′=5.7 mm＜ T=7 mm，型孔深度T設(shè)計(jì)合理。

圖4 稻種充入最小型孔的姿態(tài)Fig.4 Attitude of rice seed filled into minimum type-hole

式中n′為型孔數(shù)量；vm為作業(yè)速度，m/s；p為穴距，m；ωm為排種輪角速度，rad/s。

該排種器作業(yè)動(dòng)力由乘坐式插秧機(jī)提供，目前直播機(jī)田間作業(yè)最高前進(jìn)速度約vm=1.2 m/s；播種穴距10～25 cm可調(diào)，根據(jù)農(nóng)藝要求可知，機(jī)械穴播的常用穴距為12～18 cm[28]；型孔式排種器的最高設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速約75 r/min，即排種輪最高角速度約 7.85 rad/s。由式（9）可得 n′=8可滿足實(shí)際播種要求。

2.3 無級調(diào)節(jié)排種輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

播量無級調(diào)節(jié)排種輪的結(jié)構(gòu)（圖5）主要包括型孔輪內(nèi)輪和外輪、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)、鋰電池、限位開關(guān)、擋塊、電路板和藍(lán)牙模塊組成。

圖 5為排種輪外輪，作為排種輪的殼體，與排種輪內(nèi)輪嵌套配合，排種輪外輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括外形尺寸及厚度、型孔槽孔、電機(jī)支架等。

圖5 排種內(nèi)外輪結(jié)構(gòu)Fig.5 Main structure of seed metering wheel

排種輪安裝在排種器殼體內(nèi)，保證加工精度優(yōu)先選用采用基孔制。排種輪外輪的內(nèi)徑Φ106 mm，考慮到排種輪內(nèi)輪的外徑應(yīng)小于排種輪外輪的內(nèi)徑，采用基孔制公差配合，公差帶基本偏差采用H9/d9（優(yōu)先配合，d級，適用于松的轉(zhuǎn)動(dòng)配合），查表優(yōu)先配合種軸的極限偏差可知基本尺寸在100～120 mm的范圍內(nèi)d級的公差范圍是–120～–207 μm，選擇公差 200 μm[29]。設(shè)計(jì)排種輪內(nèi)輪外徑105.8 mm，內(nèi)徑92 mm，保證排種輪能夠順利完成型孔的調(diào)節(jié)。

排種輪內(nèi)輪內(nèi)徑邊緣裝有內(nèi)齒輪，齒數(shù)為105，模數(shù)0.7。在排種輪外輪內(nèi)部兩側(cè)安裝步進(jìn)電機(jī)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)改變排種輪外輪和排種輪內(nèi)輪的相對位置，從而改變型孔容積的大小。選用型號為GM12-15BY電機(jī)，輸出扭矩0.12 N·m，步距角度為0.03°，性能穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。電機(jī)齒輪模數(shù)0.7，齒數(shù)為15，轉(zhuǎn)速10 r/min，與內(nèi)齒輪傳動(dòng)比為1∶7，最大相對角度為7°。

3 無級調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

播種量主要由排種輪型孔大小所決定，無級調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的控制原理如圖6所示：在手機(jī)端根據(jù)不同品種、地區(qū)和播種要求設(shè)置初始播量，通信設(shè)備通過藍(lán)牙控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)空轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)頻率為1 000 Hz，即每秒輸出1 000個(gè)脈沖，即轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為30°，電機(jī)齒輪最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度為 70°，步距角為 0.03°，需要輸出脈沖數(shù)量為2 300個(gè)，則最小型孔轉(zhuǎn)化最大型孔所需理論時(shí)間為2.3 s，實(shí)際測試的時(shí)間為2.85 s。所以輸入定量脈沖可調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而調(diào)整型孔大小。當(dāng)作業(yè)的播量需要再次調(diào)整時(shí)，控制系統(tǒng)則會根據(jù)反饋信息再次調(diào)節(jié)型孔的大小，實(shí)現(xiàn)播量可調(diào)的無級可調(diào)，滿足作業(yè)需求。

無級調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)選用 STM32F103C8T6作為主控制器，鋰電池供電，通過藍(lán)牙通信控制步進(jìn)電機(jī)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)動(dòng)，改變排種輪外輪和排種輪內(nèi)輪的相對位置，從而調(diào)節(jié)型孔容積大小。在排種輪外輪內(nèi)裝限位開關(guān)，保證排種輪內(nèi)輪不會偏轉(zhuǎn)出型孔需求范圍。選用Hc05藍(lán)牙模塊，克服有線傳輸?shù)牟蛔?。選用電源的供電電壓11.1 V，容量550 mA·h，能夠滿足電機(jī)正常工作需求。

圖6 排種器控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 Control process diagram of rice metering device

4 性能試驗(yàn)與結(jié)果分析

為檢驗(yàn)播量無級調(diào)節(jié)排種裝置的工作性能，在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)視覺排種器試驗(yàn)臺進(jìn)行臺架性能試驗(yàn)[28]。本文研究的排種器可在最大播量和最小播量之間實(shí)現(xiàn)無級調(diào)節(jié)，重點(diǎn)試驗(yàn)分析水稻品種類型、型孔大小和排種輪轉(zhuǎn)速 3個(gè)因素下排種裝置的平均穴粒數(shù)的變化趨勢以及對變異系數(shù)的影響。

4.1 試驗(yàn)材料與儀器設(shè)備

1）試驗(yàn)儀器：霍爾轉(zhuǎn)速記錄儀（量程范圍：5～200 r/min，分度值：0.1 r/min）；電子天平（型號：AR423CN，量程：420 g，精度：0.001 g）；游標(biāo)卡尺（精度：0.02 mm）。

2）試驗(yàn)設(shè)備：計(jì)算機(jī)視覺排種器試驗(yàn)臺，型號：JPS-12（如圖7所示），排種軸轉(zhuǎn)速為15～120 r/min；輸送帶速度為1.5～12 km/h。

圖7 計(jì)算機(jī)視覺排種器試驗(yàn)臺Fig.7 Test-bed of metering device based on computer vision

3）試驗(yàn)品種：試驗(yàn)選取的稻種為秀水 134（常規(guī)粳稻）、花優(yōu) 14（雜交粳稻）、黃華占（常規(guī)秈稻）和晶兩優(yōu)1212（雜交秈稻）。

4.2 試驗(yàn)方法

由于目前水稻精量穴直播技術(shù)尚未有試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)水稻機(jī)械化直播實(shí)際生產(chǎn)的播種量技術(shù)要求，一般情況下，粳稻品種平均每穴粒數(shù)為 5～10粒，秈稻品種平均每穴粒數(shù)為3～8粒。

平均穴粒數(shù)、合格率和變異系數(shù)是評價(jià)排種器性能的重要指標(biāo)，若試驗(yàn)結(jié)果由于穴粒數(shù)整體偏大或者偏小而引起的合格率降低時(shí)，本文研究的播量無級調(diào)節(jié)型孔式排種器可以通過調(diào)節(jié)型孔大小來提高合格率，此時(shí)合格率并不能反映該排種器的排種性能；若由于播量不均勻（播量既有偏大又有偏?。┒鸷细衤式档停瑒t直接影響標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，此時(shí)變異系數(shù)即可評價(jià)其播種性能。因此，本文主要以平均穴粒數(shù)和變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，對該排種器的播種性能進(jìn)行評價(jià)。

試驗(yàn)因素主要包括水稻品種、型孔長軸（用于表示型孔容積大?。┖团欧N輪轉(zhuǎn)速，型孔長軸分別為9.2、12.4、15.6 mm；排種輪轉(zhuǎn)速分別是30、40、50和60 r/min；品種分別是秀水134、花優(yōu)14、黃華占和晶兩優(yōu)1212。試驗(yàn)調(diào)查每穴排種粒數(shù)，每次試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)250穴，重復(fù)3次，以平均穴粒數(shù)和變異系數(shù)作為試驗(yàn)分析考核指標(biāo)。

4.3 播量無級調(diào)節(jié)排種器性能試驗(yàn)結(jié)果

表 3為播量無級調(diào)節(jié)排種器性能試驗(yàn)結(jié)果可知，調(diào)至最小型孔時(shí)，粳稻每穴播量為 4.99～7.02粒，秈稻每穴播量為 3.36～5.58粒；調(diào)至中間型孔時(shí)，粳稻每穴播量為6.45～8.02粒，秈稻每穴播量為3.49～6.70粒；調(diào)至最大型孔時(shí)，粳稻每穴播量為 8.20～9.70粒，秈稻每穴播量為 4.77～8.36粒?？梢姡涂兹莘e調(diào)節(jié)變化時(shí)，每穴排種粒數(shù)變化趨勢明顯，從而能達(dá)到播量無級調(diào)節(jié)的效果。

通過Matlab得到轉(zhuǎn)速、型孔長軸對不同品種平均穴粒數(shù)影響的曲面圖[30]（圖8），秀水134和花優(yōu)14為粳稻品種，兩者每穴播量分布相近，黃華占和晶兩優(yōu)1212優(yōu)為秈稻品種，兩者每穴播量相近；粳稻的播量范圍大于秈稻范圍，粳稻變異系數(shù)低于秈稻，成穴的均勻性更佳。

在其他條件不變時(shí)，每穴播量會隨排種輪轉(zhuǎn)速的升高而減小，當(dāng)型孔長軸變大即型孔容積增大時(shí)，播量增加。小型孔的播種量變異系數(shù)明顯略高于中型孔和大型孔，對粳稻品種而言，每穴播量為 5～10粒的變異系數(shù)在15%～20%之間，具有較好的適應(yīng)性；對于秈稻品種而言，每穴播量為3～8粒時(shí)，小型孔的變異系數(shù)較高，平均達(dá)到30%以上，而中型孔和大型孔的變異系數(shù)在 25%左右。當(dāng)秈稻在小型孔和轉(zhuǎn)速高于40 r/min時(shí)，平均播量3～4粒，能夠滿足穴播量為3粒的設(shè)計(jì)要求的最小值。當(dāng)粳稻在大型孔低轉(zhuǎn)速時(shí)，每穴平均播量可達(dá)9.7粒。在同等型孔容積大小條件下，秈稻品種的每穴播量比粳稻品種減少2～3粒?？梢?，該排種裝置可滿足不同品種每穴播種量3～10粒的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

對表3穴粒數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果的極差分析[31]顯示（表4），由表 4可知，對平均穴粒數(shù)的影響主次關(guān)系分別為型孔長軸＞水稻品種＞排種輪轉(zhuǎn)速。

表3 穴粒數(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experiment results of seeds number per hole

圖8 轉(zhuǎn)速和型孔長軸對穴粒數(shù)曲面圖Fig.8 Surface diagram of seeding amount depend on long axis of type-hole and rotating rate

表4 平均穴粒數(shù)的極差分析Table 4 Range analysis of average seeds number per hole

5 結(jié) 論

為了改善水稻精量穴直播排種器的適應(yīng)性和成穴性，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的播量無級調(diào)節(jié)水稻精量穴直播排種裝置，在播量可調(diào)組合型孔式排種器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了無級調(diào)節(jié)型孔結(jié)構(gòu)，型孔的容積調(diào)節(jié)范圍271.91～485.79 mm3，以瓢形形狀可變?nèi)莘e型孔設(shè)計(jì)的排種輪為主體，在排種輪內(nèi)部安裝步進(jìn)電機(jī)和控制電路，實(shí)現(xiàn)每穴播量在3～10粒范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍較大，可滿足不同水稻品種的不同播種量要求。

1）采用播量無級調(diào)節(jié)排種裝置，粳稻每穴播種量為5～10粒，變異系數(shù)在15%～20%；秈稻每穴播種量為3～8粒，秈稻小型孔變異系數(shù)大于30%，而在調(diào)大型孔后的播種量變異系數(shù)約 25%。型孔容積調(diào)節(jié)變化時(shí)，每穴排種粒數(shù)變化趨勢明顯，從而能達(dá)到播量無級調(diào)節(jié)的效果。

2）不同水稻品種、排種輪轉(zhuǎn)速和型孔容積對播量影響主次為型孔容積、水稻品種和排種輪轉(zhuǎn)速。播量會隨排種輪轉(zhuǎn)速的升高而減小，當(dāng)型孔容積增大時(shí)，播量成線性增加。粳稻的播量范圍大于秈稻范圍，粳稻變異系數(shù)低于秈稻，成穴的均勻性更佳。

3）水稻精量穴直播技術(shù)是水稻種植機(jī)械化的重要發(fā)展方向，由于不同品種和不同種植條件下要求不同的播種量，因此，精準(zhǔn)控制播種量是水稻機(jī)械化直播技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵要點(diǎn)。本文對播量無級調(diào)節(jié)水稻精量排種裝置進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能試驗(yàn)研究，初步研究出一種適用水稻精量直播的無級調(diào)節(jié)排種器結(jié)構(gòu)，下一步還需進(jìn)一步對整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行樣機(jī)性能考核及田間試驗(yàn)，最終研發(fā)一種播量無級調(diào)節(jié)水稻精量穴直播機(jī)具，為實(shí)現(xiàn)水稻直播機(jī)智能作業(yè)打下基礎(chǔ)。

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