陳林濤，薛俊祥，馬旭，劉兆祥，楊文濤，廖建旺

(1.廣西師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院,廣西桂林,541004;2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣州市,510642;3.廣東省水稻移栽機(jī)械裝備工程技術(shù)研究中心,廣州市,510642)

0 引言

現(xiàn)有的水稻機(jī)械化播種技術(shù)難于滿足雜交稻低播量精密播種的農(nóng)藝要求,優(yōu)良品種與高產(chǎn)栽培技術(shù)不配套,雜交稻高產(chǎn)優(yōu)勢無法充分發(fā)揮,導(dǎo)致雜交稻種植目前主要以人工栽插為主[1-5],制約了我國水稻種植機(jī)械化的發(fā)展,亟需進(jìn)行雜交稻精密播種技術(shù)機(jī)理研究,以實(shí)現(xiàn)雜交稻精密播種,提高雜交稻機(jī)械化種植水平。水稻機(jī)械化種植方式主要包括機(jī)栽植和機(jī)直播。美國、澳大利亞等國家主要采用機(jī)直播方式種植水稻[6]。亞洲國家水稻秧盤育秧設(shè)備較多,日本和韓國的技術(shù)水平較高,如日本久保田、洋馬、井關(guān)等株式會社都有育秧機(jī),主要適用于常規(guī)稻4～8粒/格的撒播或3～6粒/穴的穴播作業(yè),不適用于雜交稻1～3粒/穴的精密播種需要。

缽苗育秧移栽近年來已成為我國水稻種植的主要發(fā)展方向。為培育適于機(jī)械化移栽的缽體壯秧苗,我國研制了多種缽盤育秧機(jī)(機(jī)械式、氣力式、振動式等),但這些育秧機(jī)的播種器作業(yè)時存在播種量大、種芽堵塞吸孔、作業(yè)精度和穩(wěn)定性等問題還有待解決[7-9]。機(jī)械式播種器優(yōu)點(diǎn)是適用性強(qiáng)、制造成本低,但目前仍存在播種精度低、種子破損率高、漏播指數(shù)高等缺點(diǎn)。對于雜交稻低播量精密播種,充種過程復(fù)雜、隨機(jī)性強(qiáng),提高播種器每穴的充填能力、降低漏播指數(shù),實(shí)現(xiàn)精量播種仍是目前研究的難點(diǎn)[7-9]?，F(xiàn)有的缽盤育秧機(jī)精密播種器通常采用型孔填充原理進(jìn)行作業(yè),優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)節(jié)方便;但存在用種量大、稻種在充種室內(nèi)流動性差、作業(yè)精度低、種子破碎指數(shù)高等問題,受種子發(fā)芽率和插秧傷秧率的影響,還嚴(yán)重影響成秧率,所以需進(jìn)一步提高播種精度、減少種子破碎,保證缽盤育秧的播種質(zhì)量。為提高播種器的每穴充填性能、保證播種精度、降低種子破損指數(shù),解決型孔堵塞等問題,國內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)研究機(jī)構(gòu)做了很多研究工作。東北農(nóng)業(yè)大學(xué)韓豹等[10]針對氣力式播種器吸孔堵塞的問題,研制了自動清堵排種器,進(jìn)行播種器性能改進(jìn);華南農(nóng)業(yè)大學(xué)鹿芳媛等[11]利用交叉導(dǎo)流式種箱結(jié)構(gòu),提高了種子流動性和充種效果;中國農(nóng)業(yè)大學(xué)劉彩玲等[12]基于型孔輪式排種器提出一種振動定向供種機(jī)構(gòu),為降低每穴種子粒數(shù)、提高單粒充填率提供了可能;王沖等[13]提出一種同步柔性皮帶護(hù)種器,提高了播種精度,降低了種子破損指數(shù)。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)馬旭等[14]研制了一種智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器,采用第一充種室空穴光電檢測預(yù)報與第二充種室智能振動復(fù)充填相結(jié)合的原理,實(shí)現(xiàn)了可靠充種、達(dá)到雜交稻低播量精密播種的技術(shù)指標(biāo),但通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),播種器受護(hù)種機(jī)構(gòu)、種子條件等因素影響,還存在兩次充種后重播指數(shù)偏高、種子破碎指數(shù)高和每穴播種粒數(shù)不均等問題,且作業(yè)穩(wěn)定性還需提高。

本文以原設(shè)計(jì)的智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器為研究對象,對其作業(yè)中尚存的問題進(jìn)行分析,通過增加二次清種區(qū)、改進(jìn)護(hù)種部件結(jié)構(gòu)等措施,進(jìn)一步優(yōu)化播種器作業(yè)性能。開展生產(chǎn)率、清種輪安裝間隙和護(hù)種部件入口開度對改進(jìn)后播種器作業(yè)性能(播種合格指數(shù)、重播指數(shù)和種子破損指數(shù))的試驗(yàn),探尋上述試驗(yàn)因素間最佳參數(shù)組合,以期完善智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研究結(jié)果為輕簡型水稻缽苗育秧機(jī)播種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提高提供參考。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 改進(jìn)后的播種器整機(jī)結(jié)構(gòu)

改進(jìn)后的智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。播種器主要由種箱、疊式導(dǎo)種板構(gòu)成的第一充種機(jī)構(gòu)、振流式V型槽板構(gòu)成的第二充種機(jī)構(gòu)(含電磁振動器、V型槽板)、充種性能檢測與控制系統(tǒng)(兩排對射式光電傳感器、PLC控制器)、型孔滾筒、清種輪、包護(hù)式護(hù)種部件、落種盒、心軸、鋼絲推種機(jī)構(gòu)、投種擋片等組成。

圖1 改進(jìn)后的智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器Fig.1 Improved intelligent double-filling hole roller hybrid rice precision seeder1.缽盤 2.第二充種機(jī)構(gòu) 3.電磁振動器 4.第一充種機(jī)構(gòu) 5.種箱 6.稻種 7.清種輪 8.充種性能檢測與控制系統(tǒng) 9.心軸 10.側(cè)板 11.支撐桿 12.接種盒 13.包護(hù)式護(hù)種部件 14.鋼絲推種機(jī)構(gòu) 15.投種擋片 16.端蓋 17.型孔滾筒

1.2 工作原理

改進(jìn)后的智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器工作過程為一次型孔充種、智能監(jiān)測反饋、二次充種、清種輪清種、自重力清種、同步護(hù)種和對穴投種7個過程,如圖2所示。

圖2 智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器工作原理Fig.2 Working principle of the improved intelligent double-filling hole roller hybrid rice precision seeder

工作時,型孔滾筒在鏈輪驅(qū)動下繞定軸轉(zhuǎn)動,心軸固定不動。首先,稻種到達(dá)第一充種區(qū),稻種在種間摩擦力、壓力、稻種與型孔表面摩擦力、自身重力的共同作用下充入滾筒型孔,第一充種區(qū)完成主要的充種過程。此時位于第二充種區(qū)V型槽板上的稻種不流動(電磁振動器不振動)。接著,隨著型孔滾筒不斷轉(zhuǎn)動,型孔充種性能檢測與控制系統(tǒng)開始工作,位于清種輪后方的光電傳感器檢測對應(yīng)型孔之中是否充入稻種,并進(jìn)行清種作業(yè)后的稻種填充空穴數(shù)統(tǒng)計(jì),當(dāng)統(tǒng)計(jì)出的漏充數(shù)超過系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值(≥3%),反饋稻種填充信息到控制系統(tǒng),此時位于第二充種機(jī)構(gòu)下方的電磁振動器立即啟動振動,使第二充種機(jī)構(gòu)形成均勻少量的種子流,起到后續(xù)輔助性補(bǔ)填種的作用,實(shí)現(xiàn)稻種的“二次填充”,進(jìn)一步保證后續(xù)播種過程的可靠充種。光電檢測傳感器會一直繼續(xù)檢測填充的空穴數(shù),當(dāng)漏充數(shù)低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)值,電磁振動器停止振動,第二充種機(jī)構(gòu)不會一直進(jìn)行補(bǔ)種作業(yè)。

型孔滾筒上方清種輪將一部分稻種清落回第二充種區(qū),完成一次清種Ⅲ(主要清除型孔中的多余芽種,由于毛刷較軟,仍有部分芽種隨滾筒轉(zhuǎn)過毛刷),滾筒繼續(xù)轉(zhuǎn)動,在未進(jìn)入護(hù)種機(jī)構(gòu)前,略高于型孔表面的稻種依靠重力落入接種盒,完成二次重力自清種過程Ⅳ,保證型孔僅留1～3粒稻種,型孔內(nèi)芽種順利進(jìn)入護(hù)種區(qū)Ⅴ。最后,當(dāng)型孔到達(dá)排種區(qū)Ⅵ,在鋼絲推種機(jī)構(gòu)和芽種自身重力作用下,稻種落入育秧穴盤內(nèi);包護(hù)式護(hù)種部件下方設(shè)有投種擋片,防止投種偏差、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制對穴投種。

2 關(guān)鍵部件改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 增設(shè)第二清種區(qū)

根據(jù)雜交稻低播量精密播種農(nóng)藝要求,為使?jié)L筒上的每個型孔內(nèi)有1～3粒稻種(最多不超過3粒),這一比較理想的充填效果[15-17],原播種器僅在型孔滾筒上方設(shè)有清種輪去清除多余稻種,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)清種輪與型孔滾筒表面安裝間隙≤0時,清種輪不僅將型孔內(nèi)多余芽種清出,而且局部高出型孔表面的芽種也會被清種輪帶出或碾壓,造成型孔內(nèi)種子粒數(shù)不足、空穴及碎種。清種輪的刷毛嵌入型孔內(nèi)越深,漏播指數(shù)越高且隨清種輪帶出的芽種越多。此外,由于播種器“雙充種”作業(yè),稻種在清種輪前易堆積較厚的種層,清種輪與這些稻種過度擠壓、摩擦,會造成芽種在進(jìn)入護(hù)種機(jī)構(gòu)前脫皮、剪切、傷種、斷芽等現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)清種輪與型孔滾筒表面安裝間隙>0時,清種作業(yè)不徹底、種子數(shù)量多,達(dá)不到播種精度,進(jìn)入護(hù)種機(jī)構(gòu)后會過度擠壓,造成傷芽、磕種和種皮脫落,這也是原播種器種子破碎指數(shù)高的原因之一。

針對上述問題進(jìn)行深入分析,在原播種器清種輪的后方增設(shè)第二清種區(qū)(位于清種輪和充種性能檢測與控制系統(tǒng)后方);作業(yè)時,將清種輪調(diào)到適當(dāng)高度,一部分稻種回流至第一充種區(qū),另一部分多余稻種受滾筒和型孔內(nèi)芽種表面摩擦力及清種輪推、帶作用下隨滾筒繼續(xù)逆時針作勻速圓周運(yùn)動,在進(jìn)入包護(hù)式護(hù)種部件之前,高于型孔表面的多余稻種依靠自身重力落入接種盒,完成二次重力自清種過程,保證型孔僅留1～3粒稻種,避免稻種過多,造成磕種。

如圖3所示,設(shè)芽種在進(jìn)入護(hù)種部件之前,其剛要脫離滾筒表面臨界狀態(tài)與鉛錘方向的夾角為α。建立力學(xué)模型前作如下假設(shè)：稻種為尺寸均勻一致的紡錘體,受到的所有力均作用于質(zhì)心;稻種填入型孔時,空氣阻力相對稻種自身的重力較小,忽略空氣阻力對填充過程的影響[15]。設(shè)型孔滾筒半徑為r,運(yùn)動角速度為ω,單粒芽種質(zhì)量為m0。

圖3 第二清種區(qū)芽種受力分析Fig.3 Force analysis chart of rice seeds in the second seed cleaning process

處于臨界狀態(tài)的芽種受到重力G、離心慣性力F離及滾筒對種子的支持力N和摩擦力f達(dá)到平衡。

在x方向

N+F離-G·cosα=0

(1)

在y方向

f-G·sinα=0

(2)

f=μ·N=tanθ·N

(3)

F離=m0·r·ω2

(4)

式中：G——芽種重力,N;

F離——芽種離心慣性力,N;

N——滾筒對芽種支持力,N;

f——滾筒對芽種摩擦力,N;

μ——芽種與滾筒摩擦系數(shù);

θ——芽種與滾筒表面靜摩擦角,(°)。

聯(lián)立式(1)～式(4),得出

(5)

根據(jù)前期對雜交稻芽種物理特性的測定研究[18],當(dāng)含水率為25%的特優(yōu)2068雜交稻芽種與型孔滾筒(鋁合金)表面的摩擦角θ為37°,故取芽種脫離滾筒表面的臨界狀態(tài)與鉛錘方向的夾角α為35°。

2.2 護(hù)種部件結(jié)構(gòu)改進(jìn)

護(hù)種部件是播種器上的重要部件之一,它的作業(yè)效果的好壞直接影響播種質(zhì)量。目前護(hù)種部件的形式一般都是固定板式,固定板式存在的問題是護(hù)種板與播種輪配合不理想,護(hù)種板與播種輪間的距離應(yīng)設(shè)計(jì)合理,并且安裝要求嚴(yán)格。由于雜交稻芽種形狀為紡錘體,容易被摩擦力帶入護(hù)種板與播種輪的縫隙中,間隙過大或不均,種子會竄出,夾在縫隙中,擦傷種子,甚至導(dǎo)致種子脫殼、折斷[13]。

為避免這些問題,起初設(shè)計(jì)智能雙充種型孔滾筒水稻育秧精密播種器的護(hù)種部件采用了同步柔性護(hù)種皮帶進(jìn)行護(hù)種作業(yè),位于清種輪的后方,如圖4所示,其主要由3根轉(zhuǎn)軸、柔性皮帶和皮帶張緊調(diào)節(jié)裝置組成,通過皮帶張緊調(diào)節(jié)裝置使柔性皮帶與型孔滾筒緊密接觸,當(dāng)型孔滾筒轉(zhuǎn)動,柔性皮帶通過與滾筒間的靜摩擦力作用,與滾筒同步轉(zhuǎn)動,以完成護(hù)種作業(yè)。但實(shí)際試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),由于播種器“雙充種”作業(yè),播種量較大,在柔性皮帶的前方易堆積較厚種層,稻種進(jìn)入護(hù)種皮帶時易產(chǎn)生卡種、剪切、碎芽的現(xiàn)象;并且皮帶與型孔滾筒接觸,長時間作業(yè)導(dǎo)致皮帶磨損嚴(yán)重。

圖4 原播種器的同步柔性皮帶護(hù)種器Fig.4 Synchronous flexible belt seed protector of the original seeder1.轉(zhuǎn)軸 2.柔性皮帶 3.皮帶張緊調(diào)節(jié)裝置

因此,改進(jìn)護(hù)種部件結(jié)構(gòu),現(xiàn)采用包護(hù)式護(hù)種部件(圖1)進(jìn)行護(hù)種作業(yè)。包護(hù)式護(hù)種部件采用不銹鋼(內(nèi)含耐磨材料聚氯乙烯)材料制作,安裝在第二清種區(qū)的后方,改進(jìn)后的護(hù)種部件上端種子入口處加工成光滑圓弧,為防止稻種夾在護(hù)種部件與滾筒的縫隙中,使護(hù)種部件入口處變形,護(hù)種部件后方設(shè)有支撐桿;下端設(shè)有與滾筒上型孔對應(yīng)的投種孔,并且每個投種孔兩側(cè)設(shè)有擋片,防止投種偏差、實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)制對穴精播。

采用包護(hù)式護(hù)種部件,在護(hù)種過程中對種子進(jìn)行受力分析,包護(hù)式護(hù)種部件起到了支撐的作用。當(dāng)種子高出型孔時,護(hù)種部件入口處對種子產(chǎn)生一個壓力,用來克服種間摩擦力使種子進(jìn)入型孔內(nèi)。護(hù)種部件的包角過大,相對減少了清種角和投種角;若包角過小,護(hù)種作用降低,影響投種質(zhì)量;綜合考慮后,護(hù)種部件作業(yè)包角φ=135°,投種角取β為10°,稻種即將脫離護(hù)種部件瞬間受力分析,如圖5所示。

F1=m0ω2r

(6)

F2=m0ω2r+Gcosβ

(7)

式中：F1——芽種離心慣性力,N;

F2——芽種離心慣性力F1和重力G在徑向的分力和,N。

特優(yōu)2068催芽雜交稻種每粒為3.28×10-5kg,型孔滾筒半徑為130 mm,滾筒轉(zhuǎn)速n=6.1 r/min(生產(chǎn)率500盤/h),則包護(hù)式護(hù)種部件對芽種的最大支撐力F2為2.98×10-4N。通過參考文獻(xiàn)[19]可知,水稻的最小破壞力為58.53×10-3N,最大支撐力對種子的破壞忽略不計(jì)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

以播種合格指數(shù)Y1、重播指數(shù)Y2與種子破碎指數(shù)Y3為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行性能試驗(yàn)。首先,采用三因素三水平正交試驗(yàn),以催芽雜交稻特優(yōu)2068為試驗(yàn)材料,研究生產(chǎn)率、清種輪安裝間隙和護(hù)種部件入口開度對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律,找到影響試驗(yàn)指標(biāo)的最優(yōu)組合;其次,在最優(yōu)的試驗(yàn)因素組合下,對改進(jìn)前、后播種器進(jìn)行對比試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為特優(yōu)2068、五優(yōu)1179和恒豐優(yōu)1179稻種,經(jīng)除雜、催芽露白后,為判定播種器芽種的損傷,試驗(yàn)用芽種均通過人工挑選,將沒有出芽及芽長大于2 mm的芽種剔除,含水率控制在25%左右,芽長≤2 mm,每個樣品隨機(jī)選取200粒,試驗(yàn)稻種如圖6所示,利用軸向尺寸法[20-21],用精度為0.01的游標(biāo)卡尺測定芽種的三軸尺寸,結(jié)果見表1所示。

表1 3種典型雜交稻芽種三軸尺寸Tab.1 Triaxial dimensions of bud seeds of three commonly used hybrid rice

(a) 催芽處理

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)地點(diǎn)在廣州華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室,改進(jìn)后的智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器安裝在育秧生產(chǎn)線上,生產(chǎn)線采用鋼絲鏈條的傳動方式同步定位輸送秧盤,如圖7所示。

圖7 精密播種器試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.7 Precision seeding test site1.鋼絲鏈條送盤機(jī)構(gòu) 2.電控箱 3.底土鋪放裝置 4.底土壓實(shí)裝置 5.精密播種器 6.表土鋪放裝置

第一充種室充種位置角為35°,振動器振動頻率為23 Hz,改進(jìn)后的第二清種區(qū)和包護(hù)式護(hù)種部件的實(shí)物如圖8所示。

圖8 護(hù)種機(jī)構(gòu)改進(jìn)實(shí)物圖Fig.8 Improved physical drawing of seed protection mechanism1.接種盒 2.支撐桿 3.包護(hù)式護(hù)種部件 4.型孔滾筒 5.充種性能檢測與控制系統(tǒng) 6.投種孔 7.耐磨材料

使用缽體軟塑秧盤,長為590 mm,寬為285 mm,上、下穴直徑分別為20 mm和15 mm,行列間距為20 mm,穴孔深度為18 mm,穴孔橫縱成行排列,每盤共14行×29列均勻分布(406穴)。播種器型孔滾筒的直徑為260 mm,型孔間距為20 mm,滾筒圓周方向分布著41排型孔;滾筒寬度為285 mm,每排均布14個型孔,型孔間距為20 mm,滾筒外表面分布574個型孔,型孔寬度取7 mm,長度取12 mm,深度為4.5 mm。

3.3 試驗(yàn)性能評價指標(biāo)

根據(jù)雜交稻低播量精密播種的農(nóng)藝要求[22-25],參考《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》(GB/T 6973—2005),播種性能指標(biāo)確定為所測秧盤內(nèi)含1～3粒芽種的穴數(shù)占總穴數(shù)的百分比,記為播種合格指數(shù)Y1(1～3粒種子穴數(shù)/總穴數(shù)×100%);所測秧盤內(nèi)含0粒芽種的穴數(shù)占總穴數(shù)的百分比,記為重播指數(shù)Y2(大于3粒種子穴數(shù)/總穴數(shù)×100%);種子破碎指數(shù)Y3為所測秧盤內(nèi)隨機(jī)取出的稻種中被損傷的稻種個數(shù)占取出稻種數(shù)的百分比,對于稻種損傷的判定參考文獻(xiàn)的判定方法,在所測秧盤內(nèi)隨機(jī)取出100粒芽種,在同樣環(huán)境下使之繼續(xù)生長,觀察發(fā)芽情況,將不能繼續(xù)發(fā)芽的稻種判為破損。計(jì)算沒有繼續(xù)發(fā)芽的稻種個數(shù)所占百分?jǐn)?shù)記為種子破碎指數(shù),3次重復(fù),取平均值。

3.4 試驗(yàn)因素

選擇生產(chǎn)率、清種輪安裝間隙和護(hù)種部件入口開度為試驗(yàn)因素進(jìn)行性能試驗(yàn)。

1) 生產(chǎn)率：根據(jù)實(shí)際育秧生產(chǎn)需要,選擇400盤/h、500盤/h、600盤/h三個水平,對應(yīng)型孔滾筒轉(zhuǎn)速為4.9 r/min、6.1 r/min、7.3 r/min。

2) 清種輪安裝間隙：當(dāng)清種輪安裝間隙l(與滾筒接觸位置)≤0時,清種輪不僅將型孔內(nèi)多余芽種清出,且高出型孔的芽種會被清種輪帶出或碾壓,造成空穴和碎種。當(dāng)清種輪安裝間隙>0時,清種不徹底,種子多,進(jìn)入護(hù)種部件后傷芽、碎種,如圖9所示。

圖9 清種輪安裝間隙示意圖Fig.9 Installation clearance diagram of seed cleaning wheel1.型孔滾筒 2.清種輪

結(jié)合原播種器清種輪安裝間隙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(取2～10 mm),針對清種輪安裝間隙對播種性能的影響做單因素試驗(yàn),即當(dāng)生產(chǎn)率和護(hù)種部件入口開度恒定不變,取生產(chǎn)率為500盤/h,護(hù)種部件入口開度取5 mm,清種輪安裝間隙取2～10 mm,試驗(yàn)稻種為特優(yōu)2068,結(jié)果如圖10所示,可以看出,隨著清種輪安裝間隙的增大,播種合格指數(shù)下降,重播指數(shù)上升,種子破碎指數(shù)上升。因此,為保證一定的播種合格指數(shù)和降低種子破碎指數(shù),清種輪安裝間隙在2～6 mm,作業(yè)效果良好,選擇2 mm、4 mm、6 mm三個水平進(jìn)行試驗(yàn)。

圖10 清種輪安裝間隙對播種性能的影響Fig.10 Effect of clearance of seed cleaning wheel on seeding performance

3) 護(hù)種部件入口開度：通過調(diào)整護(hù)種部件喂入口的開度的大小,可控制一部分進(jìn)入護(hù)種機(jī)構(gòu)的芽種厚度,若開度太大,經(jīng)過二次清種區(qū)的稻種易落入護(hù)種區(qū),夾在開口處,擦傷種子、造成芽種過多,甚至導(dǎo)致稻種脫殼、折斷;若開度太小,滾筒與護(hù)種機(jī)構(gòu)配合不理想,也會造成型孔內(nèi)稻種擠壓、傷種。針對護(hù)種部件入口開度對播種性能的影響做單因素試驗(yàn),即當(dāng)生產(chǎn)率和清種輪安裝間隙恒定不變,取生產(chǎn)率為500盤/h,清種輪安裝間隙取4 mm,護(hù)種部件入口開度取1～9 mm,試驗(yàn)稻種為特優(yōu)2068,結(jié)果如圖11所示?？梢钥闯?隨著護(hù)種部件入口開度的增大,播種合格指數(shù)下降,重播指數(shù)上升,種子破碎指數(shù)增加。因此,為保證一定的播種合格指數(shù)和降低種子破碎指數(shù),本文護(hù)種部件入口開度在3～7 mm之間,作業(yè)效果良好,因此,選擇3 mm、5 mm、7 mm三個水平進(jìn)行試驗(yàn)。

圖11 護(hù)種部件入口開度對播種性能的影響Fig.11 Influence of the entrance opening of seed protecting parts on the performance of seeding operation

基于上述單因素試驗(yàn),建立試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平Tab.2 Factors and levels of test

3.5 試驗(yàn)結(jié)果

3.5.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

為判斷試驗(yàn)的結(jié)果是否由誤差引起,在設(shè)計(jì)正交設(shè)計(jì)表時中添加一列空白列。按照L9(34)建立正交試驗(yàn)表,試驗(yàn)方案及結(jié)果如表3所示,A、B、C為因素水平值。每組試驗(yàn)重復(fù)3次,取平均值為試驗(yàn)結(jié)果,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析和方差分析。為進(jìn)一步探究各試驗(yàn)因素對評價指標(biāo)的顯著性影響,運(yùn)用SPSS20.0數(shù)據(jù)分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表4所示。

表3 試驗(yàn)方案及結(jié)果Tab.3 Design and results of test

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

由試驗(yàn)結(jié)果可知,影響播種合格指數(shù)與重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋荷a(chǎn)率、清種輪安裝間隙、護(hù)種部件入口開度;影響種子破損指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋荷a(chǎn)率、護(hù)種部件入口開度>清種輪安裝間隙。播種合格指數(shù)最佳參數(shù)組合：清種輪安裝間隙為2 mm、生產(chǎn)率為400盤/h、護(hù)種部件入口開度為7 mm。重播指數(shù)最佳參數(shù)組合為：清種輪安裝間隙為2 mm、生產(chǎn)率為600盤/h、護(hù)種部件入口開度為5 mm。種子破損指數(shù)最佳參數(shù)組合為：清種輪安裝間隙為2 mm、生產(chǎn)率為400盤/h、護(hù)種部件入口開度為3 mm。

分析結(jié)果表明：生產(chǎn)率在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)對播種合格指數(shù)、重播指數(shù)和種子破碎指數(shù)的影響最大,為保證較高的播種合格指數(shù)和降低種子破碎指數(shù),生產(chǎn)率優(yōu)選400盤/h;在同一生產(chǎn)率下,隨著清種輪安裝間隙的增大,播種合格指數(shù)減小,重播指數(shù)增加,所以在參數(shù)所選范圍內(nèi),清種輪安裝間隙取2 mm較為合適。護(hù)種部件入口開度對種子破損指數(shù)影響次之,為了防止種子破損,在參數(shù)所選范圍內(nèi),護(hù)種部件入口開度取3 mm較為合適。

3.5.2 播種性能對比試驗(yàn)

選用三軸尺寸與特優(yōu)2068相近的五優(yōu)1179及有一定差異的恒豐優(yōu)1179稻種為試驗(yàn)對象,生產(chǎn)率為400盤/h,對改進(jìn)前、后播種器進(jìn)行播種性能試驗(yàn)。改進(jìn)前播種器采用同步柔性護(hù)種皮帶進(jìn)行護(hù)種作業(yè),將清種輪安裝間隙調(diào)整為2 mm,如圖12所示。改進(jìn)后的播種器清種輪安裝間隙取2 mm,護(hù)種部件入口開度取3 mm,如圖13所示(滾筒型孔下方投種孔設(shè)有投種擋片,防止投種偏差)。每種試驗(yàn)隨機(jī)抽取5盤,重復(fù)3次,取平均值,試驗(yàn)對比結(jié)果如表5所示。

表5 改進(jìn)前后播種器性能對比Tab.5 Performance comparison of seeder before and after improvement

圖12 同步柔性護(hù)種皮帶的原播種器Fig.12 Original seeder of synchronous flexible seed protecting belt

圖13 改進(jìn)后的播種器關(guān)鍵部件實(shí)物圖Fig.13 Figure of key components of improved seeder1.第二清種區(qū) 2.包護(hù)式護(hù)種部件 3.投種擋片

由表5可知,對于三軸尺寸相近的特優(yōu)2068和五優(yōu)1179,與改進(jìn)前播種器播種性能相比：改進(jìn)后的排種器具有較好的適應(yīng)性,播種合格指數(shù)分別達(dá)到94.8%和94.6%,較改進(jìn)前分別提高了2.6%和2.9%,重播指數(shù)分別降低了1.7%和2.2%,種子破損指數(shù)分別降低了2.9%和3.6%。對比試驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的播種器對于外形尺寸相近的特優(yōu)2068和五優(yōu)1179具有較好的適應(yīng)性能,種子破碎現(xiàn)象減少,播種合格指數(shù)提高,試驗(yàn)指標(biāo)滿足雜交稻低播量精密育秧播種的農(nóng)藝要求。

對于外形尺寸與試驗(yàn)品種有差異的恒豐優(yōu)1179芽種,改進(jìn)后播種器播種合格指數(shù)為92.1%,重播指數(shù)為4.3%,種子破碎指數(shù)為3.9%,較改進(jìn)前播種合格指數(shù)上升了1.5%,重播指數(shù)降低了2.4%,種子破碎指數(shù)下降了2.5%。根據(jù)前期研究,播種合格指數(shù)與滾筒上的型孔深度有關(guān)系,有待通過進(jìn)一步優(yōu)化型孔研究來提高播種作業(yè)的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

1) 為提高雜交稻缽苗育秧播種精度,針對原智能雙充種型孔滾筒雜交稻育秧精密播種器作業(yè)過程中存在的問題,重新改進(jìn)播種器結(jié)構(gòu),以提高播種作業(yè)精度。原播種器存在兩次充種后重播指數(shù)偏高、種子破碎指數(shù)高和每穴播種粒數(shù)不均等問題,本文改進(jìn)護(hù)種部件結(jié)構(gòu),增加二次清種區(qū);芽種剛好脫離滾筒表面的臨界狀態(tài)與鉛錘方向的夾角α應(yīng)小于芽種與滾筒表面靜摩擦角θ,取芽種脫離滾筒表面的臨界狀態(tài)與鉛錘方向的夾角α為35°。改進(jìn)后的播種器依靠智能雙充種機(jī)構(gòu)完成滾筒型孔充種、通過2次清種、護(hù)種及強(qiáng)制對穴投種的措施,提高了每穴1～3粒的播種精度,以特優(yōu)2068催芽雜交稻種為例,包護(hù)式護(hù)種部件對芽種的最大支撐力為2.98×10-4N,水稻的最小破壞力為58.53×10-3N。

2) 試制改進(jìn)后的原理樣機(jī),進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明影響播種合格指數(shù)與重播指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋荷a(chǎn)率、清種輪安裝間隙、護(hù)種部件入口開度;影響種子破損指數(shù)的因素主次順序?yàn)椋荷a(chǎn)率、護(hù)種部件入口開度、清種輪安裝間隙;當(dāng)生產(chǎn)率為400盤/h,清種輪安裝間隙為2 mm、護(hù)種部件入口開度為3 mm的較優(yōu)參數(shù)組合下,改進(jìn)前、后播種器對三軸尺寸相近的特優(yōu)2068和五優(yōu)1179及有差異的恒豐優(yōu)1179稻種進(jìn)行播種對比試驗(yàn),尺寸相近的特優(yōu)2068和五優(yōu)1179,改進(jìn)后的播種器具有較好的適應(yīng)性,播種合格指數(shù)較改進(jìn)前分別提高2.6%和2.9%,重播指數(shù)分別降低1.7%和2.2%,種子破損指數(shù)分別降低2.9%和3.6%,試驗(yàn)指標(biāo)滿足雜交稻低播量精密播種的技術(shù)要求。對于外形尺寸與試驗(yàn)品種有差異的恒豐優(yōu)1179芽種,較改進(jìn)前播種合格指數(shù)上升1.5%,重播指數(shù)降低2.4%,種子破碎指數(shù)下降2.5%,表明原播種器進(jìn)一步采用合理的優(yōu)化設(shè)計(jì),有效地提升了播種精度。研究結(jié)果為輕簡型水稻缽苗育秧機(jī)播種器結(jié)構(gòu)優(yōu)化與性能提高提供參考。