潘興家 董子鈺 李驊 李超 白明超 楊松

摘要：針對江淮地區(qū)的水稻直播作業(yè)要求，為解決播種成穴精度的問題，以外槽輪排種器為基礎(chǔ)，設(shè)計一款水稻精量直播螺旋槽式排種器。以南粳5055為試驗材料，先對槽孔形狀、槽孔螺旋角和行進速度進行單因素試驗，去掉不理想?yún)?shù)，再通過三因素三水平正交試驗得出最優(yōu)組合，并通過矩陣分析法計算行走速度、槽孔形狀、槽孔螺旋角對排種性能影響的大小。結(jié)果表明，當(dāng)機具行走速度為0.4 m/s，槽孔形狀為勺形，槽孔螺旋角為20°時合格率最高，穴粒數(shù)合格率為95.62%，穴徑合格率為91.58%。機具行走速度對排種性能的影響大于槽孔形狀，槽孔形狀對排種性能的影響大于槽孔螺旋角。說明通過試驗得到的最優(yōu)組合，滿足排種器性能要求。

關(guān)鍵詞：水稻芽種;直播;螺旋槽式排種器;排種輪;槽孔;試驗分析

中圖分類號： S223.2 ?文獻標(biāo)志碼： A ?文章編號：1002-1302（2020）17-0233-07

水稻是我國的主要糧食作物之一，常年種植面積有3 000萬hm2，在耕、收階段機械化程度已經(jīng)分別達到99.3%和87.1%，但是在播種階段機械化程度只有44.5%[1]。美國水稻的播種已經(jīng)完全實現(xiàn)機械化，日韓等國家也逐漸向水稻直播靠攏[2-3]。對此目前國內(nèi)各地水稻直播、機插秧、撒播等播種方式，直播水稻雖然有易倒伏、雜草難除等缺點，但是面對如今勞動力人口短缺的問題，其經(jīng)濟效益優(yōu)勢明顯[4-8]。

目前水稻的機械直播技術(shù)所用排種器主要分為氣力式和機械式排種器，氣力式排種器雖然能保證成穴精度，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本相對較高，若能將機械式排種器優(yōu)化至滿足農(nóng)藝的要求，將會大大降低成本[9]。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)計的組合型孔排種器[10]同時滿足對常規(guī)稻和雜交稻的播種需求，但大小型孔對不同速度的適應(yīng)性不一樣，且調(diào)節(jié)量小。田立權(quán)等設(shè)計了1款彈射式耳勺型精量穴直播排種器[11]，性能滿足直播需求，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為實現(xiàn)播量的快速調(diào)節(jié)和排種輪的簡單實用，本研究選擇螺旋槽式排種器進行研究，通過優(yōu)化槽孔形狀、螺旋角大小來確定最優(yōu)參數(shù)。

1 螺旋槽式排種器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 螺旋槽式排種器的主要結(jié)構(gòu)

由圖1可知，螺旋槽式排種器主要由種箱、外殼、螺旋槽輪、擋圈、清種刷、護種板、阻塞輪等部分組成。

1.2 工作原理

螺旋槽式排種器工作時，稻種充滿種箱及充種區(qū)域，在自身重力和種子間的相互作用力下進入螺旋槽內(nèi)，隨著排種輪的轉(zhuǎn)動，多余的種子由種刷刷回至充種區(qū)域，螺旋槽內(nèi)的種子則由護種板進行保護，當(dāng)轉(zhuǎn)過護種區(qū)后落下，實現(xiàn)播種。

2 排種輪結(jié)構(gòu)設(shè)計

排種輪作為排種器的核心工作部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接決定了排種器的性能。本研究根據(jù)水稻芽種的物理特性參數(shù)及理論分析對排種輪進行設(shè)計。

2.1 排種輪的直徑及槽孔數(shù)設(shè)計

排種輪由單片機控制電機驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速由拖拉機前進速度、排種輪的半徑以及槽孔數(shù)決定。若排種輪的半徑過小，排種輪可以開的槽孔數(shù)就會變少，對排種輪轉(zhuǎn)速的要求也會變高，不利于排種器運行時的穩(wěn)定性，會出現(xiàn)空穴或少種的情況。若排種輪的直徑過大，則會影響排種的均勻性，并且會導(dǎo)致排種器的尺寸增大，結(jié)構(gòu)臃腫。參考前人的研究[12-13]，再結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)機企業(yè)設(shè)計的排種輪，本試驗的排種輪直徑設(shè)計為60 mm。

選取槽孔個數(shù)時，如果排種輪表面槽孔數(shù)分布較少，則會導(dǎo)致穴距的均勻性下降;如果槽孔分布過多，槽孔在排種輪上的間隔就會變小，則影響每穴種子分離的準(zhǔn)確性[14]。水稻直播機在水田里的作業(yè)速度一般為0.4～0.8 m/s，排種輪的轉(zhuǎn)速一般為20～60 r/min[15]。根據(jù)農(nóng)藝要求，取穴距為 15 cm。槽孔個數(shù)、機具行走速度、穴距及排種輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系如下：

式中：x表示槽孔個數(shù);v表示機具的前進速度，m/s;n表示排種輪轉(zhuǎn)速，r/min;L表示穴距，m。

最大作業(yè)速度對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速，將0.8 m/s和60 r/min 分別代入式中可得x=5.33，所以可以考慮設(shè)計5個以上槽孔，由于直徑只有60 mm，所以選用6個比較適宜，否則太密。

2.2 槽孔形狀設(shè)計

根據(jù)羅錫文等的研究可知，在排種過程中用來裝載種子的槽孔形狀對排種器的性能有重要影響[13]，但查閱文獻資料鮮見關(guān)于螺旋槽式排種器的槽孔形狀對水稻直播排種性能影響的研究。本研究選取在江淮流域使用較多的南粳5055稻種作為試驗用水稻品種，根據(jù)南粳5055的三軸尺寸（表1）對市面上最常見的半圓形槽孔進行設(shè)計， 并在此基礎(chǔ)上設(shè)計出其他形狀槽孔。

由圖2可知，槽孔寬度與水稻芽種的最大長度及最大寬度有關(guān)，槽孔深度與水稻芽種最大寬度與最大厚度之中的最大值有關(guān)，由于南粳5055稻種的最大寬度大于最大厚度，因此在槽孔的深度設(shè)計中只考慮水稻芽種的寬度參數(shù)。雜交稻的最小播量為3粒/穴，應(yīng)保證至少有3粒水稻芽種充入槽孔，參考《農(nóng)業(yè)機械設(shè)計手冊（上）》[16]可知，種子以2粒橫放及1粒豎放的出現(xiàn)形式最多，則槽孔的開口寬度和深度應(yīng)該滿足如下關(guān)系式。

式中：lmax表示水稻芽種的最大長度，mm;bmax表示水稻芽種的最大寬度，mm;S表示槽寬，mm;H表示槽孔深度，mm。

將水稻芽種的參數(shù)帶入，S≥11.6 mm、7.95 mm>H>5.51 mm，所以加工深度（R）取6 mm。在保證槽寬和槽孔深度不變的基礎(chǔ)上，設(shè)計3種槽孔形狀，分別為勺形、半圓弧形和U形，具體如圖3所示。

2.3 槽孔螺旋角設(shè)計

根據(jù)前人對螺旋式排種輪進行的研究[17-18]可知，槽孔的螺旋角會對排種輪的充種性能和穴徑產(chǎn)生影響。因此在本試驗中增加對螺旋升角θ的試驗考慮，分別選擇0°、10°、20°、30°作為研究參數(shù)（圖4）。

3 臺架試驗

為探究各因素對排種器工作性能的影響，先后進行單因素試驗及正交試驗，通過處理分析試驗結(jié)果，得到最優(yōu)參數(shù)組合排種器。

3.1 試驗臺架及試驗材料

試驗臺架主要由可調(diào)速傳送帶、型材架、排種器、階梯排種軸、聯(lián)軸器、調(diào)速電機、調(diào)速器及卡箍等搭建而成。由圖 5可知，傳送帶由調(diào)速電機驅(qū)動，傳送帶的調(diào)速范圍滿足0.4～0.8 m/s的試驗要求，排種軸通過聯(lián)軸器與另一臺調(diào)速電機連接，其調(diào)速范圍滿足試驗20～60 r/min的試驗要求，利用亞克力板將電機安裝在型材架上，同時將種箱固定在型材架上，為防止排種輪在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生軸向移動造成試驗誤差，在排種輪的兩端利用卡箍緊固，試驗過程中所用材料為南粳 5055水稻芽種。

試驗中所用槽輪因為制造工藝較復(fù)雜，本研究通過3D打印技術(shù)制造所需排種輪，其加工精度為 0.1 mm，滿足試驗精度要求。對多種 3D 打印材料進行對比后，決定以光敏樹脂為基礎(chǔ)材料制造排種輪。采用光敏樹脂材料制造的排種輪表面光滑程度高，可以減小芽種與槽輪表面的摩擦，使種子可以順利排出并且減小對芽種的損傷，提高芽種的成活率，試驗用部分排種輪如圖6所示。

3.2 試驗方法及因素

為模擬稻種落到水田里的狀態(tài)，在傳送帶上均勻涂抹1層糯米膠來作為泥土，起到防止種子發(fā)生彈跳的作用。在更換不同槽輪時，通過改變槽輪的工作長度始終保持槽孔容納種子的體積不變。在試驗過程中，首先使排種輪轉(zhuǎn)動，手持盒子放在排種區(qū)域下方，待排種進入均勻穩(wěn)定的狀態(tài)后，啟動傳送帶，同時將盒子撤出排種區(qū)域，使種子落在傳送帶上。為分別探究槽孔形狀、螺旋角以及行走速度對排種效果的影響，設(shè)計單因素試驗，具體見表2。

3.3 試驗評價指標(biāo)

結(jié)合文獻[18-19]，當(dāng)穴內(nèi)有3～8粒種子時視為穴粒數(shù)合格穴，將穴粒數(shù)合格穴數(shù)與總穴數(shù)的百分比作為穴粒數(shù)合格率（Y1）;當(dāng)穴徑≤60 mm時視作穴徑合格穴，將穴徑合格穴數(shù)與總穴數(shù)的百分比作為穴徑合格率（Y2）。以Y1、Y2作為考察排種性能的評價指標(biāo)進行試驗。由于試驗臺架傳送帶觀測長度有限，因此每組試驗取99穴作為一個統(tǒng)計樣本，每組試驗重復(fù)3次，取平均值。

3.4 單因素試驗結(jié)果分析

3.4.1 各因素對穴粒數(shù)合格率的影響 由圖7-a可知，當(dāng)機具的行走速度從0.4 m/s增大到0.8 m/s時，穴粒數(shù)合格率呈先增加后減小趨勢，當(dāng)行走速度為0.5 m/s時合格率最高。

由圖7-b可知，槽孔形狀不同時，穴粒數(shù)合格率也相應(yīng)發(fā)生變化，其中勺形槽孔表現(xiàn)最佳，U形與半圓形槽孔的穴粒數(shù)合格率幾乎一致，均較低。

由圖7-c可知，當(dāng)槽孔螺旋角從0°增加到30°時，穴粒數(shù)合格率呈先增加后減小趨勢，在10°時達到最大值。

3.4.2 各因素對穴徑合格率的影響 由圖8-a可知，當(dāng)機具的行走速度從0.4 m/s增加到0.8 m/s時，穴徑合格率隨著行走速度的增加而減小。由圖8-b可知，槽孔形狀不同時，穴徑合格率也相應(yīng)發(fā)生變化，其中勺形槽孔表現(xiàn)最佳，半圓形、半圓弧形和U形槽孔的穴徑合格率相差無幾。由圖8-c可知，當(dāng)槽孔螺旋角從0°增加到30°時，穴徑合格率呈上下波動下降趨勢。

3.5 正交試驗及結(jié)果

正交試驗是一種針對多因素試驗條件的試驗方法，在全部因素組合中挑選出具有代表性的組合進行試驗，大大地節(jié)省了試驗成本及時間，是一種科學(xué)高效的試驗設(shè)計方法。

從單因素試驗分析結(jié)果可知，機具的行走速度為0.4～0.6 m/s時排種器的各項評價指標(biāo)較好;當(dāng)槽孔形狀不同時， 由于U形槽孔與半圓形槽孔試驗結(jié)果基本一致，因此在2種形狀中選擇1種與其他2種形狀進行正交試驗;槽孔螺旋角在0°～20°時排種器的各項評價指標(biāo)較好，因此進行三因素三水平正交試驗，試驗安排如表3所示，正交試驗結(jié)果如表4所示。

3.6 各因素對穴粒數(shù)、穴徑合格率的影響

根據(jù)統(tǒng)計學(xué)相關(guān)知識可知，方差分析可將試驗誤差范圍的方差與試驗條件變化而造成的方差分解出來，本研究通過SPSS軟件對穴粒數(shù)合格率、穴徑合格率正交試驗結(jié)果進行方差分析，并將2種方差進行F檢驗，具體如表5、表6所示。

當(dāng)P<0.001時，表示自變量對因變量有極顯著影響;當(dāng)0.001≤P<0.01時，表示自變量對因變量有高度顯著影響;當(dāng)0.01≤P≤0.05時表示自變量對因變量有顯著影響;當(dāng)P>0.05時，表示自變量對因變量無顯著影響。從表5可以看出，行走速度（對應(yīng)不同槽輪轉(zhuǎn)速）、槽孔形狀、槽孔螺旋角3個因素對應(yīng)的P值均小于0.05，表明3個因素對穴粒數(shù)合格率均有顯著影響。從表6可以看出，行走速度和槽孔形狀對穴徑合格率有高度顯著影響，槽孔螺旋角對穴徑合格率影響顯著。

3.7 正交試驗結(jié)果與多指標(biāo)優(yōu)化分析

因為本研究的排種性能是由穴徑合格率與穴粒數(shù)合格率2個指標(biāo)共同評價的，如果對單個指標(biāo)進行分析具有片面性，所以需要進行多指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化分析，從而獲得各因素對整體性能的影響順序及最優(yōu)參數(shù)組合。本研究采用矩陣分析法[20]對試驗進行分析，以試驗數(shù)據(jù)構(gòu)建3個層次結(jié)構(gòu)模型。

由表7可知，第1層為試驗考察指標(biāo)層，第2層是因素層，第3層為水平層。

依次建立各層矩陣，并給出各層矩陣定義。定義試驗考察指標(biāo)層矩陣：第3層中的每個水平都表示試驗指標(biāo)的平均值，依次填入矩陣M（公式4）;定義因素層矩陣：令Ti=1∑3j=1Aij，從而建立矩陣T（公式5）;定義水平層矩陣：正交試驗中因素Ai的極差為si，令Si=si/∑3isi，建立矩陣S（公式6）。

通過乘以各層矩陣得到試驗指標(biāo)的權(quán)重矩陣以及各因素水平的權(quán)重值，能夠很好地簡化計算過程，并且準(zhǔn)確評價各指標(biāo)的影響程度。以計算穴粒數(shù)合格率的權(quán)重矩陣ω1=M1T1S1為例，其中，M1T1表示因素A1（行走速度第1水平的指標(biāo)值）占所有水平指標(biāo)值總和的比值;S1表示因素A1的極差占所有因素極差總和的比值。2個部分乘積數(shù)值的大小體現(xiàn)了因素A1第一水平指標(biāo)值對所有水平指標(biāo)值綜合的影響程度。依此類推，可以得到其他因素水平的計算結(jié)果，即各因素各水平對評價指標(biāo)影響的權(quán)重，根據(jù)權(quán)重可得到最優(yōu)參數(shù)組合及影響因素的主次順序。

通過計算分別得到穴粒數(shù)合格率的權(quán)重矩陣ω1和穴徑合格率的權(quán)重矩陣ω2。而正交試驗綜合評價指標(biāo)總權(quán)重矩陣為2個評價指標(biāo)權(quán)矩陣的平均值，因此總權(quán)重矩陣計算公式如下。

由計算結(jié)果可知，因素A的3個水平權(quán)重值為A1=0.140 438、A2=0.137 456、A3=0.134 636，即A1所占的權(quán)重最大;同理可得到在因素B中權(quán)重最大值為B3;在因素C中權(quán)重最大值為C3。因此，經(jīng)過多指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化分析可得出，最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C3，即機具行走速度為0.4 m/s，槽孔形狀為勺形，槽孔螺旋角為20°，且各因素對排種性能的影響程度排序為A>B>C。由表4可知，最優(yōu)參數(shù)組合的試驗結(jié)果為穴粒數(shù)合格率95.62%，穴徑合格率91.58%，優(yōu)于正交試驗中其余各組。

4 討論與結(jié)論

關(guān)于水稻螺旋槽式排種器的排種輪，前人已經(jīng)作過一些研究，例如田立權(quán)等用Matlab分析出螺旋升角對水稻芽種軸向速度的影響[18]，但沒有將槽孔的形狀考慮進去。劉春波等同樣也未考慮槽孔形狀，而且所做試驗都是單因素的試驗，可能存在最優(yōu)組合丟失的情況[21]。本研究雖然在臺架試驗中也有一些欠缺，在選定最優(yōu)槽孔形狀后未對工作長度對排種器的影響進行研究，也缺乏大田試驗，但本試驗分析了多種參數(shù)對螺旋槽式排種器排種性能的影響權(quán)重，可為后面的進一步研究提供理論支持。

對正交試驗結(jié)果進行方差分析可知，機具行走速度、槽孔形狀、槽孔螺旋角3個因素對穴粒數(shù)合格率均有顯著影響，機具行走速度和槽孔形狀對穴徑合格率有高度顯著影響，槽孔螺旋角對穴徑合格率有顯著影響。

通過矩陣分析法獲得的最優(yōu)參數(shù)組合為A1B3C3，即機具行走速度為0.4 m/s，槽孔形狀為勺形，槽孔螺旋角為20°，得到穴粒數(shù)合格率為95.62%，穴徑合格率為91.58%。各因素對排種性能的影響順序為A>B>C，即機具行走速度對排種性能的影響大于槽孔形狀，槽孔形狀對排種性能的影響大于槽孔螺旋角。

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