雷小龍 楊文浩 楊龍君 劉禮陽 廖慶喜 任萬軍

(1.四川農業(yè)大學機電學院， 雅安 625014； 2.四川農業(yè)大學作物生理生態(tài)及栽培四川省重點實驗室， 成都 611130；3.華中農業(yè)大學工學院， 武漢 430070)

0 引言

油菜是中國重要的油料作物，也是冬季長江流域稻田和旱地主要種植作物[1]。受限于粘重土壤、播種季節(jié)正值連續(xù)陰雨天氣、田塊小而分散、存在一定坡度等客觀條件，輕簡化、精量化和集成化的油菜精量直播機成為解決丘陵山區(qū)油菜機械化播種水平低問題的重要途徑[2]。

排種器是影響播種質量的核心部件，可分為單體式排種器和集中排種器。吳福通[3]、田波平等[4]采用“負壓吸種、正壓吹種”的原理，研制了正負氣壓組合式油菜精量排種器，屬單體式油菜排種器，實現(xiàn)了油菜等小粒徑種子精量排種，排種器的合格指數(shù)高于90%[5]。以正負氣壓組合式油菜精量排種器為核心的2BFQ系列油菜精量聯(lián)合直播機在湖北、湖南、江西和新疆等地區(qū)進行了大面積示范和推廣。

集中排種器具有播種機結構和傳動系統(tǒng)簡單，裝卸種便捷、高速，作業(yè)高效等優(yōu)點，已廣泛應用于國內外播種機[6]。為解決油菜集中排種的問題，廖慶喜等[7]設計了油菜槽孔輪式排種器，提出了清種軸清種、護種帶護種和鋼絲推種的排種技術；還研制了機械離心式油菜排種器[8]，其核心部件為倒置內錐筒，依靠種子離心力實現(xiàn)一器多行排種，可同時排種6～10行，結構簡單；應用EDEM軟件對離心式排種過程進行仿真，優(yōu)化型孔結構和工作參數(shù)[9-10]，并設計枝狀閥式分流裝置，將單個型孔的排出種子分成2行，提高了田間作業(yè)適應性[11]。李明等[12-13]設計了氣力滾筒式油菜精量集排器，可實現(xiàn)6行精量播種，并建立了負壓值、正壓值與結構參數(shù)、運行參數(shù)的關系模型。李兆東等[14-15]采用氣流清種與氣壓護種組合技術，設計了一種油菜精量氣壓式集排器。除了針對油菜的集中排種器，應用于小麥、玉米、水稻的氣力式集中排種器也成為排種器的研究熱點[16-21]。

筆者前期基于油菜、小麥的物料特性和單位面積播種量，研制了油麥兼用型氣送式集中排種器[22-26]；采用傾斜錐柱狀排種輪機械供種和氣流輸送分配成行的排種方式，實現(xiàn)了油菜小麥兼用排種，并開展了較大面積生產性試驗示范[27]。為進一步提高播種精度和精簡排種環(huán)節(jié)，實現(xiàn)油菜成穴或株距均勻播種，提出一種油菜精量穴播集中排種裝置，確定穴播集中排種裝置的漸開線型孔結構參數(shù)，進行排種過程的EDEM仿真和油菜成行成穴排種性能試驗，以適應長江流域的油菜播種輕簡化作業(yè)。

1 排種裝置結構與工作原理

1.1 油菜精量穴直播機工作原理

油菜精量穴直播機包括自走式驅動底盤、穴播排種裝置、電機、導種管、雙圓盤開溝器和封閉除草裝置等，如圖1所示。油菜精量穴直播機以自走式驅動底盤作為動力源帶動油菜精量集排器和雙圓盤開溝器等裝置前進，自走式驅動底盤的驅動輪為實心窄橡膠輪，可適應較高含水率條件下的黏重土壤。穴播集中排種裝置和雙圓盤開溝器分別安裝于自走式驅動底盤上方和后端。

圖1 油菜精量穴直播機結構示意圖

油菜精量穴直播機工作時，穴播集中排種裝置在電機和變速控制器的作用下排出6行成穴種子流進入導種管中，在雙圓盤開溝器作用下種子進入適當深度的土壤中，完成開溝覆土；同步地，封閉除草裝置打開噴藥泵進行施藥，完成封閉除草，從而提高生產效率。油菜精量穴直播機通過精簡傳動系統(tǒng)和結構，屬油菜輕簡型直播機械，其主要技術參數(shù)如表1所示。

1.2 油菜穴播集中排種裝置結構與工作過程

油菜穴播集中排種裝置主要包括種箱、殼體、種層調節(jié)板[23]、成穴排種機構、護種帶和分配管等，如圖2所示。種層調節(jié)板位于殼體與成穴排種機構形成的充種室內，調節(jié)種層高度控制充種量。油菜穴播集中排種裝置包括充種、攜種、護種和投種4個過程，成穴排種機構在充種室完成單穴1～3粒精量充種，攜種至由硅膠板形成的護種帶護送種子進入投種區(qū)，完成投種過程。其中，由6個成穴排種輪組成的排種機構對應6行排種，是實現(xiàn)集中精量穴播的核心。

表1 油菜精量穴直播機主要技術參數(shù)

圖2 油菜精量成穴集中排種裝置結構示意圖

油菜穴播集中排種裝置工作時，油菜種子由種箱進入充種室，在種層調節(jié)板作用下保持穩(wěn)定的種層厚度，種子在重力和成穴排種輪擾動作用下充入型孔，充入種子的型孔經過攜種區(qū)進入護種區(qū)，種子持續(xù)停留在型孔中進入投種區(qū)，在重力和離心力作用下完成投種。6行成穴排種輪型孔排出6行種子進入分配管，成穴地將種子輸送至導種管，完成集中排種過程。

2 排種裝置結構設計

2.1 排種輪型孔設計

油菜種子具有粒徑小、球形度高和流動性好的特征，選取了常用的蓉油11、中雙11和華油雜62共3個品種為測試對象，三軸尺寸如表2所示。不同類型油菜種子的外形尺寸、千粒質量具有一定差異，油菜種子的長度范圍為1.6～2.5 mm(圖3)；當量直徑集中于1.9～2.1 mm，球形度高于94%。由于油菜種子粒徑范圍較大，為實現(xiàn)精量穴播排種，考慮農藝技術的成苗率等因素，確定單穴(2±1)粒為播種量。油菜充種、投種和排種性能受排種輪型孔結構與尺寸的影響。

表2 不同油菜種子的參數(shù)

圖3 油菜種子長度概率分布

為實現(xiàn)油菜單穴(2±1)粒精量排種，主要體現(xiàn)為大粒種子單粒排種，中小粒種子2或3粒排種。設計型孔應滿足型孔不堵塞，基于前期研究[22,28]，錐柱狀和漸開線狀型孔均能有效提高充種性能。為提高充種性能且精量排種，采用的漸開線狀型孔結構如圖4所示。參照經驗公式[28]，得到型孔關鍵參數(shù)的公式為

(1)

式中a——型孔下沿寬度，mm

ka——下沿寬度系數(shù)，范圍為1.1～1.3

b——型孔上沿寬度，mm

kb——上沿寬度系數(shù)，范圍為1.7～2.0

c——型孔下沿長度，mm

kc——下沿長度增量，取0.1～0.4 mm

d——型孔上沿長度，mm

kd——上沿長度系數(shù)，取1.2～1.5

h——型孔深度，mm

kh——孔深系數(shù)，取1.1～1.3

Lmax——油菜種子最大長度，mm

Lmean——油菜種子平均長度，mm

圖4 型孔結構

根據(jù)圖3中油菜種子的最大尺寸和油菜種子的粒徑范圍為1.6～2.5 mm，取ka和kh均為1.2，確定a和h分別為3.0 mm和2.6 mm；取kb、kd分別為2.0、1.4，b和d分別為4.9、3.5 mm；kc取0.25 mm，c為2.25 mm。

為滿足型孔尺寸，型孔左壁面和右壁面需滿足漸開線方程[28]，漸開線結構如圖5所示。圖5中，A為左壁面漸開線始點；B為左壁面漸開線與排種輪交點；C為右壁面漸開線始點；D為右壁面漸開線與型孔的初始交點；F為右壁面漸開線與排種輪交點。

其中

(2)

式中x——漸開線橫坐標，mm

y——漸開線縱坐標，mm

x0——漸開線初始橫坐標，mm

y0——漸開線初始縱坐標，mm

s——調節(jié)參數(shù)，mm

r0——基圓半徑，mm

t——時間，s

θ——漸開線極角，(°)

圖5 漸開線狀型孔結構圖

點A和D的坐標分別為(-3，37.4)和(0，37.4)。根據(jù)文獻[28]的方法，確定r0為8 mm，則B的坐標為(-2.8，39.9)。根據(jù)型孔尺寸，F(xiàn)的坐標為(2.1，39.95)，則確定C坐標為(-3，28)、r0為8 mm。型孔側面呈弧形，圓弧半徑R為40 mm。同時對各邊沿倒圓0.5 mm，形成的油菜排種輪型孔如圖5所示。

2.2 成穴排種輪結構設計

根據(jù)農藝要求，油菜種植密度45～60萬株/hm2，可有效增加產量[29]。田間播種時，農藝要求的種植密度為

(3)

式中k——單穴植株數(shù)量，株

m——行距，mw——株距，m

田間作業(yè)的播種速率為

(4)

式中v——播種機前進速度，m/s

B——幅寬，m

成穴排種機構的排種速率為

(5)

式中kp——型孔充種數(shù)量，粒

Z——成穴排種輪數(shù)量

N——成穴排種輪上型孔數(shù)量

n——成穴排種輪轉速，r/min

農藝要求的種植密度與播種速率的關系為

Qf=pvBQb

(6)

式中p——出苗率

由式(3)～(6)可知，農藝要求的播種速率應與成穴排種機構的排種速率相同，則

(7)

式(7)表明，當播種幅寬B、前進速度v一定時，油菜田間種植密度與型孔充種數(shù)量kp、成穴排種輪數(shù)量Z、成穴排種輪上型孔數(shù)量N、成穴排種輪轉速n呈正相關關系。本研究針對6行排種，則成穴排種輪數(shù)量Z為6個。成穴排種輪轉速n具有適宜的區(qū)間，轉速n和排種輪型孔數(shù)量N均受成穴排種輪直徑的影響。增加成穴排種輪直徑可增加型孔數(shù)量N，在相同排種穴數(shù)條件下降低轉速，提高油菜種子充種性能；但增加成穴排種輪直徑增大排種器尺寸，不利于實現(xiàn)輕簡化。因此，結合窩眼輪排種器和降低排種器尺寸的設計要求，確定成穴排種輪直徑D為80 mm。

由于型孔數(shù)量N受成穴排種輪直徑D的限制，即

(8)

根據(jù)型孔尺寸和滿足強度要求，型孔數(shù)量應滿足N<25。

在播種幅寬B和前進速度v分別為2 m和2.5～5.0 km/h時，要求單位種植密度為45株/m2條件下，根據(jù)式(7)分析，排種排種輪轉速n一般為10～50 r/min，出苗率p為0.8，則型孔數(shù)量應滿足N≥12。為更好地實現(xiàn)油菜種子成穴，應適當增大型孔間距，取型孔數(shù)量N為15個。成穴排種輪應用3D打印技術加工，材料為ABS工程塑料。

3 排種過程仿真分析

油菜成穴集中排種裝置工作時，在種群壓力和重力作用下，油菜種子以散粒體的形式充入漸開線狀型孔，當油菜種子經過攜種過程進入護種區(qū)，在護種區(qū)種子在型孔內移動，直至進入投種區(qū)。排種過程中種子與種群、壁面間相互作用難以準確描述，本研究采用EDEM仿真定量分析排種過程。

3.1 仿真試驗方法

EDEM仿真中將穴播集中排種裝置幾何體模型簡化為外殼和成穴排種機構2部分，根據(jù)穴播集中排種裝置加工所用材料，外殼設定為鋁合金，成穴排種機構的成穴排種輪設為工程塑料ABS。油菜種子設為球形，仿真中顆粒模型設為硬球模型，接觸模型選取Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，仿真模型如圖6所示，材料特性及其相互間的力學特性參數(shù)[23]見表3。

圖6 EDEM仿真模型

為更好地獲取型孔結構參數(shù)，開展型孔結構參數(shù)仿真試驗，試驗設計如表4所示。確定影響型孔充種性能的因素為型孔長度d、型孔截面和型孔深度h，型孔長度設3.0、3.5、4.0 mm共3個水平；型孔深度設2.2、2.6、3.0 mm共3個水平；型孔截面設3種尺寸截面，型孔截面通過改變漸開線的位置改變型孔寬度，其結構如圖7所示。應用EDEM軟件仿真時，排種輪轉速為20 r/min，后處理器統(tǒng)計不同處理的30穴的型孔充種量，計算1～3粒/穴的合格率、漏播率、重播率和各行排種量一致性變異系數(shù)。

表3 種子與材料特性參數(shù)

注：種子與橡膠相互間力學特性參數(shù)是為方便固定種子落點設定，非真實值。

3.2 型孔結構參數(shù)優(yōu)化結果與分析

試驗結果如表5所示，表中A、B、C分別為型孔長度、型孔截面和型孔深度水平值。型孔截面對充種合格率、漏播率和各行排種量一致性變異系數(shù)均顯著或極顯著影響，型孔截面Ⅰ處理的漏播率和各行排種量一致性變異系數(shù)均高于其他型孔截面，說明型孔截面Ⅰ的充種性能較差。隨型孔長度和深度增加，型孔充種2～3粒的概率增加；型孔截面Ⅲ出現(xiàn)單個型孔充種數(shù)量大于3粒的現(xiàn)象。

表4 試驗因素及水平

極差分析結果表明：影響充種合格率和各行排種量一致性變異系數(shù)的主次因素為：型孔截面、型孔長度、型孔深度，型孔截面Ⅱ的充種合格率最高，單個型孔充種1～3粒的概率達100%(表6)。綜合考慮充種合格率和各行排種量一致性變異系數(shù)，以B2A2C2較優(yōu)，即型孔長度和深度分別為3.5 mm和2.6 mm的型孔截面Ⅱ。

圖7 不同漸開線狀型孔截面尺寸

表5 型孔結構參數(shù)對充種性能的影響

注：** 和*分別表示方差分析在0.01和0.05水平上顯著，下同。

表6 試驗結果極差分析

3.3 護種過程分析

圖8 護種過程分析

以B2A2C2排種型孔的排種裝置為對象，分析種子在護種過程的運動狀態(tài)，其受力及運動狀態(tài)如圖8所示。油菜種子充種完成后進入攜種區(qū)，2粒種子在型孔內的受力穩(wěn)定，種子在5.05 s進入護種區(qū)。油菜種子受力和轉速顯著增加，種子隨排種機構轉動出現(xiàn)移動，在5.25 s合力和轉速達到較大值，此時油菜種子脫離型孔底部運動到與護種帶接觸。位于上方的油菜顆粒2的受力和轉速高于油菜顆粒1，這是由于油菜顆粒2具有較大活動空間所致。種子在護種初始階段保持穩(wěn)定，但隨著排種機構轉動，種子在漸開線狀型孔的位置超過休止角，種子向護種帶方向移動，在護種帶的作用下存在一定的滾動，直至投種區(qū)。護種過程保證投種時間一致，提高了成穴性能；而漸開線狀型孔右壁面和傾斜側邊確保未出現(xiàn)型孔堵塞。

為分析護種帶與排種輪的合理間隙，分析了間隙為0～0.6 mm對型孔排種性能的影響，間隙對排種數(shù)量影響不明顯，其合格率均達到100%，其中單個型孔1粒和2粒的概率分別約為80%和20%(圖9)；但間隙為0.2 mm時，穴徑最小，說明種子落點一致性較好。

圖9 間隙對排種性能的影響

3.4 漸開線狀型孔的作用機理

分析種子充種過程發(fā)現(xiàn)(圖10)，進入充種室后種子受種群擠壓、擾動的作用，不斷靠近排種機構型孔的位置；漸開線型孔結構左壁面在充種區(qū)形成向上“挖取”的姿態(tài)，種子在種群壓力、排種機構作用力和重力等綜合作用下，種子充入型孔并隨排種機構轉動。型孔漸開線狀的左壁面提升了充種性能，加之適宜的尺寸保證充種數(shù)量，從而保證了充種質量。

圖10 種子充入型孔受力與狀態(tài)

型孔在護種過程中因其弧形側面使種子與型孔間接觸為點接觸，使型孔不易發(fā)生堵塞；同時型孔漸開線狀的右壁面使投種時刻基本一致，從而保證了成穴性能。

4 穴播集中排種裝置排種性能試驗

4.1 試驗材料與裝置

試驗以華油雜62、中雙11和蓉油11共3個油菜品種為試驗材料，油菜穴播集中排種裝置在JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺上開展排種性能試驗。

4.2 試驗設計與方法

為檢測油菜穴播集中排種裝置的排種性能，選用1個成穴排種輪開展了供試品種與排種輪轉速的雙因素試驗，供試品種為蓉油11、中雙11和華油雜62共3個品種，排種輪轉速設10～50 r/min共5個水平，增量為10 r/min。為進一步檢驗集中多行排種質量，采用6行同時排種，分析油菜穴播集中排種裝置的品種與轉速適應性。試驗中每個處理重復3次，每次測定50穴，測定單穴排種數(shù)量、穴距，計算排種合格率、漏播率、重播率、穴距和穴距變異系數(shù)，并分析6行的排種量一致性變異系數(shù)。測定合格率為1～3粒/穴的概率，漏播率為0粒/穴的概率和重播率為大于3粒/穴的概率。

4.3 試驗結果與分析

4.3.1品種與排種輪轉速對排種性能的影響

品種和排種輪轉速對排種性能的影響結果表明(表7)，品種、排種輪轉速及其二者的交互作用對排種合格率均有顯著影響(P<0.05)，華油雜62和蓉油11的排種合格率均隨轉速增加呈先增加后降低的趨勢，在轉速為20～40 r/min時合格率較高；中雙11排種合格率隨轉速增加而增加，在20～40 r/min時合格率高于95%，這與油菜種子的粒徑有關，中雙11的粒徑明顯小于華油雜62和蓉油11。在轉速較低時，油菜種子有充足時間進入型孔，因此導致小粒種子的重播率較高；當轉速達到50 r/min時，充種時間縮短，華油雜62和蓉油11的漏播率增加。

從穴距變異系數(shù)來看，穴距設定為10 cm時，品種、排種輪轉速及其二者的交互作用對穴距變異系數(shù)影響顯著(P<0.05)，華油雜62的穴距變異系數(shù)隨轉速增加而增加；中雙11和蓉油11隨轉速增加呈先降后升的趨勢，轉速為20～40 r/min時穴距變異系數(shù)均低于16%。通過觀察種子在排種器試驗臺的分布狀態(tài)(圖11)，發(fā)現(xiàn)各品種的成穴性能和穴距均勻性均較好，中雙11以2粒/穴較多；華油雜62和蓉油11以1粒/穴較多，符合油菜種植要求和集排器設計目標。

4.3.2油菜穴播集中排種性能分析

在6個成穴排種輪條件下，集中排種性能如表8所示，品種、成穴排種輪轉速及其交互作用對1粒率、2粒率和3粒率均有極顯著影響(P<0.01)，影響規(guī)律與單行排種結果一致。轉速為20～40 r/min時，3個品種的合格率高于94%。以50穴的排種數(shù)量來看，中雙11的排種數(shù)量顯著高于華油雜62和蓉油11，這與中雙11的3粒率較高一致；排種數(shù)量隨轉速增加而降低，說明轉速增加降低了充種數(shù)量；但50穴的總粒數(shù)標準誤差在10粒范圍內，各行排種量一致性變異系數(shù)低于10.0%。不同品種的穴距差異不顯著(P>0.1)，說明穴距穩(wěn)定性較好，且轉速為20～40 r/min范圍內的穴距變異系數(shù)在12%范圍內，油菜種子分布的成穴性和均勻性均較好。

6行油菜種子分布如圖12所示，種子的分布成行成穴效果明顯，不同行間的種子位置略有差異，這與投種時間的隨機性有關；但行內的種子分布均勻，具有較好的種子落點分布。

表7 供試品種與排種輪轉速對排種性能的影響

圖11 油菜排種分布

5 田間試驗

為驗證油菜精量穴播集中排種裝置的排種性能，于2019年10月在四川省崇州市和南部縣等地開展了油菜播種試驗(圖13)，供試品種為蓉油11、德新油88和中雙11，土壤平均濕基含水率為31.33%。試驗以插秧機機頭為動力，油菜穴播精量直播機一次性完成精量播種和封閉除草等功能，機組幅寬1.8 m，一次播種6行，行距為300 mm。試驗中應用12 V蓄電池提供直流電機的動力源，通過直流電機調速器驅動油菜穴播排種裝置轉動。

通過測定苗期的油菜田間分布情況，測定每廂6行的穴苗數(shù)和穴距，每個品種選取3個點，試驗結果如表9所示。油菜的平均株數(shù)為2.05株/穴，穴苗數(shù)合格率平均值為89.51%；穴距平均值為10.50 cm，穴距變異系數(shù)平均值為9.79%。相比臺架試驗，油菜種子在導種管下，穴距均勻性有所降低，但單穴苗數(shù)均勻性和穴距可滿足油菜田間種植要求。

6 結論

(1)基于油菜種子的機械物理特性和精量播種要求，設計了一種油菜精量穴播集中排種裝置，提出了1～3粒/穴的漸開線狀型孔，確定了主要結構參數(shù)。完成油菜種子充種、攜種和護種環(huán)節(jié)，可實現(xiàn)6行成行成穴精量排種。

表8 油菜穴播集中排種裝置排種性能

圖12 油菜集中排種分布

圖13 油菜播種田間試驗

(2)應用EDEM軟件構建了穴播集中排種裝置仿真模型，分析了型孔長度、截面尺寸和型孔深度對充種性能的影響，發(fā)現(xiàn)漸開線狀型孔有助于充種，且型孔長度和深度分別為3.5 mm和2.6 mm的型孔截面Ⅱ的單個型孔均充種1?；?粒；攜種過程受力穩(wěn)定，護種帶提高了投種一致性，當排種輪與護種帶間隙為0.2 mm時，成穴較優(yōu)。

表9 油菜穴播田間試驗結果

(3)穴播排種性能臺架試驗表明，品種、排種輪轉速及其二者的交互作用對排種合格率均有顯著影響，排種合格率隨轉速增加呈先增大、后減小的趨勢，在轉速為20～40 r/min時，排種合格率(1～3粒)高于94%，穴距變異系數(shù)低于12%；50穴的總粒數(shù)標準誤差在10粒范圍之內，排種量一致性變異系數(shù)低于10.0%。田間試驗結果表明，油菜平均株數(shù)為2.05株/穴，穴距及其變異系數(shù)平均值分別為10.50 cm和9.79%，滿足油菜種植要求。