水稻內(nèi)充氣力式精量穴播排種器導(dǎo)種管的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

　　摘要：為滿(mǎn)足自行研制的水稻內(nèi)充氣力式精量排種器定距成穴的排種要求，對(duì)排種器的投種過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，構(gòu)建了稻種的理論投種軌跡，并以此設(shè)計(jì)了一種具有投種軌跡特征形狀的變截面矩形導(dǎo)種管。運(yùn)用離散元方法與臺(tái)架排種試驗(yàn)，對(duì)影響排種成穴性與均勻性的導(dǎo)種管底板傾角與吸種滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，每穴顆粒排出最大時(shí)間差與相鄰穴時(shí)間間隔變異系數(shù)均隨導(dǎo)種管底板傾角減小和吸種滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大;臺(tái)架排種試驗(yàn)表明，穴徑平均值與穴距變異系數(shù)均隨導(dǎo)種管底板傾角減小和吸種滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大，與仿真分析結(jié)果相吻合，導(dǎo)種管底板傾角取 77°時(shí)，能適應(yīng)不同的排種頻率，穴粒數(shù)合格率高于 90.0%，漏播率低于 2.2%，重播率低于 8.0%，穴徑平均值小于 28.33 mm，穴徑合格率高于 91.33%，穴距平均值約為 200.00 mm，穴距變異系數(shù)小于 11.10%，可滿(mǎn)足水稻精量穴直播的農(nóng)藝要求。

　　本文源自湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021-02-02 《湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》(自然科學(xué)版)(雙月刊)創(chuàng)刊于1956年，是由湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)主辦的農(nóng)業(yè)類(lèi)學(xué)術(shù)刊物，系美國(guó)CA、俄羅斯AJ、英國(guó)CABI、日本JST、中國(guó)CSCD、中國(guó)生物學(xué)文摘、中國(guó)農(nóng)業(yè)文摘來(lái)源期刊和中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)、中國(guó)期刊網(wǎng)、“萬(wàn)方”、“維普”等全文上網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)收錄期刊;中文核心期刊、中國(guó)科技核心期刊、中國(guó)農(nóng)業(yè)核心期刊、中國(guó)期刊方陣“雙百”期刊。

　　關(guān) 鍵 詞：水稻精量排種器;內(nèi)充種;氣力式;穴直播;導(dǎo)種管

　　隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，水稻輕簡(jiǎn)直播面積逐年擴(kuò)大[1–3]，其中，精量穴直播技術(shù)能按水稻品種種植所需的行株距要求，精準(zhǔn)成穴地排布水稻植株，形成合理的稻株群體結(jié)構(gòu)，易獲得穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)[4–5]。

　　排種器是水稻精量穴直播機(jī)械的關(guān)鍵部件。排種器作業(yè)循環(huán)由充種(吸種)、清種、攜種和投種 4 個(gè)排種環(huán)節(jié)串聯(lián)組成。導(dǎo)種管配合排種部件完成投種環(huán)節(jié)，并將稻種按其所需穴距間隔導(dǎo)送至種床[6]，因此，導(dǎo)種管直接影響排種器投種后的成穴性與穴距均勻性[7]。趙淑紅等[8]研制了一種可與多種玉米精密排種器配套的“V”形凹槽撥輪式導(dǎo)種部件，其排種粒距變異系數(shù)相比傳統(tǒng)的可伸縮塑料導(dǎo)種管和弧形導(dǎo)種管分別提高了 41.87%和 30.55%，提升了玉米播種的粒距均勻性。劉立晶等[9]運(yùn)用三維逆向工程技術(shù)對(duì)一種應(yīng)用于玉米播種的進(jìn)口導(dǎo)種管進(jìn)行了虛擬樣機(jī)重構(gòu)與試制，田間播種試驗(yàn)表明，試制導(dǎo)種管與進(jìn)口導(dǎo)種管的播種性能相當(dāng)。丁鐘凱[10]對(duì) 2BZJ–10 型大豆窄行密植精密播種機(jī)導(dǎo)種管進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究，明確了良好粒距均勻性所需導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍。楊文彩等[11]改進(jìn)設(shè)計(jì)了 2BQ–28 型三七精密播種機(jī)的導(dǎo)種管，有效提升播種機(jī)高速作業(yè)時(shí)的播種均勻性。

　　玉米、大豆等穴播作物排種器導(dǎo)種管的設(shè)計(jì)較多，并已較為成熟。筆者前期研制的水稻內(nèi)充氣力式排種部件在完成充種、吸種、清種及投種環(huán)節(jié)時(shí)對(duì)雜交水稻具有較高的吸種合格率(2~4 粒/ 穴) [12]，后續(xù)為實(shí)現(xiàn)排種器的定距成穴精量排種，對(duì)投種后稻種的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了理論分析與構(gòu)建，設(shè)計(jì)了排種器的導(dǎo)種管，并開(kāi)展仿真分析與試驗(yàn)研究，以期為水稻穴播排種器導(dǎo)種部件的設(shè)計(jì)提供參考。

　　1 導(dǎo)種管設(shè)計(jì)

　　1.1 整體結(jié)構(gòu)

　　由水稻內(nèi)充氣力式精量穴播排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理可知，每穴稻種需借助導(dǎo)種管壁面的引導(dǎo)從吸種滾筒內(nèi)部導(dǎo)出，稻種與導(dǎo)種管不可避免地會(huì)發(fā)生碰撞[12]。稻種外形球度低，與導(dǎo)種管壁面的碰撞姿態(tài)及碰撞后的彈跳運(yùn)動(dòng)軌跡存在差異。為確保排種器投種后稻種及時(shí)順暢地從導(dǎo)種管排出，并提高每穴多粒稻種排出的時(shí)間一致性與相鄰穴排出時(shí)間間隔的穩(wěn)定性，提升精量穴直播的定距成穴效果，應(yīng)減少導(dǎo)種過(guò)程中稻種與導(dǎo)種管各壁面的隨機(jī)碰撞，故宜按投種后稻種的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)，確定其參數(shù)，以適應(yīng)排種器吸種滾筒緊湊的內(nèi)部空間。

　　由文獻(xiàn)[12]可知，排種器在窩眼運(yùn)動(dòng)至最高點(diǎn)時(shí)投種，每穴稻種呈水平拋物線運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)吸種滾筒，因此，導(dǎo)種管的前、后側(cè)板根據(jù)稻種的拋物線投種軌跡設(shè)計(jì)，如圖 1 所示。

　　1.2 導(dǎo)種管側(cè)板

　　稻種從投種瞬間到導(dǎo)種管排出的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，可分解為自身脫離吸種滾筒后的平拋下落與導(dǎo)種管使其從排種器內(nèi)部排出的橫向運(yùn)移。

　　由排種器吸種滾筒上的吸孔分布方式可知，排種器投種瞬間，窩眼內(nèi)被吸附的多粒稻種所受負(fù)壓氣流均被上隔氣塊同時(shí)阻斷，且窩眼內(nèi)稻種較少，故可忽略稻種間的相互作用力，此時(shí)投種處稻種僅受自身重力作用。以單粒任意吸附姿態(tài)稻種為分析對(duì)象，以吸種滾筒內(nèi)壁面中間吸孔的圓心為原點(diǎn)(O)，稻種的水平切速度方向?yàn)?X 軸，稻種重力鉛錘方向?yàn)?Y 軸，吸種滾筒軸線方向?yàn)?Z 軸，建立空間直角坐標(biāo)系 O–XYZ，如圖 2 所示。

　　由排種器吸種滾筒上的吸孔分布方式可知，排種器投種瞬間，窩眼內(nèi)被吸附的多粒稻種所受負(fù)壓氣流均被上隔氣塊同時(shí)阻斷，且窩眼內(nèi)稻種較少，故可忽略稻種間的相互作用力，此時(shí)投種處稻種僅受自身重力作用。以單粒任意吸附姿態(tài)稻種為分析對(duì)象，以吸種滾筒內(nèi)壁面中間吸孔的圓心為原點(diǎn)(O)，稻種的水平切速度方向?yàn)?X 軸，稻種重力鉛錘方向?yàn)?Y 軸，吸種滾筒軸線方向?yàn)?Z 軸，建立空間直角坐標(biāo)系 O–XYZ，如圖 2 所示。

　　(1) 式中：x、y 分別為稻種質(zhì)心在 X 軸、Y 軸方向上的位移;v0 為稻種質(zhì)心脫離吸種滾筒時(shí)的水平初速度;t 為稻種脫離吸種滾筒后的時(shí)間;g 為重力加速度;r為稻種質(zhì)心到吸種滾筒內(nèi)壁面的徑向距離。

　　由于稻種為非理想剛體，其與導(dǎo)種管的碰撞存在能量損失[13]，勢(shì)必減小稻種與導(dǎo)種管碰撞后的彈跳速度。為減少或避免稻種與導(dǎo)種管的碰撞，宜將稻種與導(dǎo)種管的碰撞簡(jiǎn)化為完全彈性碰撞，使設(shè)計(jì)的導(dǎo)種管空間更為寬裕。稻種投種后與導(dǎo)種管底板碰撞彈跳時(shí)，其水平速度分量不變，則其在 XOY 投影面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡依然為平拋運(yùn)動(dòng)軌跡。為避免稻種與導(dǎo)種管的前、后側(cè)板發(fā)生碰撞，導(dǎo)種管前、后側(cè)板形狀應(yīng)依據(jù)稻種的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)。

　　平拋運(yùn)動(dòng)軌跡主要由水平初速度 v0決定。 v0=2πn(R–r) (2) 式中：R 為吸種滾筒內(nèi)半徑;n 為吸種滾筒轉(zhuǎn)速，其與水稻直播機(jī)作業(yè)前進(jìn)速度 V 的關(guān)系式 V= 60 nTS (3) 式中： T 為排種器周向窩眼數(shù);S 為水稻播種穴距。將式(3)代入式(2)可得， v0= TS 120πV (R–r) (4) 由于投種瞬間窩眼內(nèi)稻種的吸附姿態(tài)是隨機(jī)的，則稻種質(zhì)心到吸種滾筒內(nèi)壁面的徑向距離 rs 可按文獻(xiàn)[4,14–15] 簡(jiǎn)化為當(dāng)量半徑，即 3 r = abc (5) 式中：a、b、c 分別為稻種的三軸尺寸。

　　隨機(jī)選取適宜在長(zhǎng)江中下游地區(qū)直播種植的 ‘岡優(yōu) 898’雜交稻品種 100 粒稻種，測(cè)量其外形三軸尺寸。結(jié)果，稻種平均三軸尺寸為 8.31 mm × 2.89 mm×2.02 mm，長(zhǎng)度最大尺寸 lmax為 9.11 mm。根據(jù)式(5)可知，稻種當(dāng)量半徑 r 為 3.65 mm。此外，排種器周向窩眼數(shù) T 為 14，吸種滾筒內(nèi)半徑 R 為 79 mm。參考當(dāng)前水稻直播機(jī)作業(yè)前進(jìn)速度 0.6~1.2 m/s 及雜交水稻種植株距 0.20 m 的農(nóng)藝要求[16–19]，由式(4)可得稻種平拋投種時(shí)的水平初速度為 0.10~0.20 m/s。根據(jù)式(1)得出稻種在 XOY 投影面內(nèi)不同排種頻率的軌跡方程。

　　依據(jù)稻種的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡，綜合考慮外形不規(guī)則稻種投種后運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的隨機(jī)性及碰撞彈跳過(guò)程的隨意性，設(shè)計(jì)導(dǎo)種管后側(cè)板壁面軌跡按照水平初速度為 0.10 m/s 的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡向后平移 l1，導(dǎo)種管前側(cè)板壁面軌跡則按照水平初速度為 0.20 m/s 的平拋運(yùn)動(dòng)軌跡向前平移 l2，則前、后側(cè)板壁面在 XOY 面上的投影軌跡方程為(6) 式中，i=1，2。v01、v02 分別為稻種 0.10 m/s 和 0.20 m/s 的水平初速度。

　　導(dǎo)種管入口縱向尺寸應(yīng)滿(mǎn)足窩眼內(nèi)稻種投種時(shí)以任意姿態(tài)落入，則前、后側(cè)板壁面軌跡上端點(diǎn)與吸孔投種點(diǎn)的距離 li應(yīng)大于窩眼入口直徑尺寸的一半。

　　排種器的窩眼入口直徑為 17.00 mm，綜合考慮稻種投種瞬間其質(zhì)心與吸孔中心存在的偏距、短暫的投種提前或滯后現(xiàn)象以及吸種滾筒的內(nèi)部空間尺寸，取 l1=l2=12.00 mm。根據(jù)式(1)和式 (6)，利用三維建模軟件 Pro/Engineering 中的曲線命令，在 XOY 面上分別繪制出水平初速度為 0.10 m/s 和 0.20 m/s 的投種軌跡及導(dǎo)種管前、后側(cè)板壁面投影軌跡，設(shè)計(jì)導(dǎo)種管總高 H 為 200 mm，徑向高出氣室密封板 h 為 11.00 mm，用以連接播種機(jī)的種溝開(kāi)溝器。

　　1.3 導(dǎo)種管底板

　　導(dǎo)種管底板的曲面影響每穴多粒稻種排出的時(shí)間一致性，即著床成穴性。根據(jù)完全彈性碰撞理論，稻種橫向移出的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在 YOZ 投影面上類(lèi)似自由落體與底板曲面的碰撞過(guò)程，如圖 3 所示。為減少稻種在橫向移出過(guò)程中與導(dǎo)種管底板和頂板的碰撞，應(yīng)盡量降低稻種與導(dǎo)種管底板碰撞時(shí)在底板法向速度分量，并設(shè)計(jì)合適的導(dǎo)種管底板與頂板間距。

　　稻種與導(dǎo)種管底板碰撞前后的速度方向與碰撞點(diǎn)曲面切線夾角相等，即 α=α'，β=β'，γ=γ'，則影響稻種在底板法向速度分量的因素主要是稻種與底板的碰撞速度和碰撞夾角。為使不同投種位置的稻種與底板碰撞夾角均最小，需使 α=β=γ，即底板應(yīng)為固定斜率的平面。為確保窩眼內(nèi)任意姿態(tài)被吸附的稻種能無(wú)阻礙地運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)種管上方的投種處，導(dǎo)種管入口端面至吸孔端面的徑向距離 s 應(yīng)大于稻種的最大長(zhǎng)度尺寸，因此取 s 為 10.00 mm。為確保窩眼內(nèi)稻種落入導(dǎo)種管，則導(dǎo)種管底板在 YOZ 面上的投影軌跡上端點(diǎn) B 與中間吸孔軸線的距離|zB|應(yīng)超過(guò) 1/2 的窩眼入口直徑，取 B 點(diǎn)的空間坐標(biāo)為(0，10，zB)。設(shè)坐標(biāo)點(diǎn) C(0，yC，zC) 為導(dǎo)種管底板投影軌跡與窩眼環(huán)外端面的交點(diǎn)，如圖 3 和圖 4 所示，由吸種滾筒尺寸可知 zC=17.00 mm，則由底板投影軌跡上 B、C 點(diǎn)的坐標(biāo)，可知其軌跡斜率|k|為 B C z y k -- 17.00 10.00 = (7) 由式(7)可知，yC、zB 取值越大，導(dǎo)種管底板傾斜角度越大，則稻種與底板的碰撞夾角越小，但底板傾角會(huì)受到吸種滾筒結(jié)構(gòu)尺寸的限制。已知，吸種滾筒上窩眼環(huán)內(nèi)徑圓在 XOY 面上的軌跡方程為

　　(8) 式中，r1 為窩眼環(huán)內(nèi)半徑，75.00 mm。聯(lián)立式 (6)和式(8)，可得導(dǎo)種管前、后側(cè)板壁面軌跡與窩眼環(huán)內(nèi)徑圓交點(diǎn)坐標(biāo)分別為 A1(45.22，138.84，0) 和 A2(5.50，153.80，0)。A1 點(diǎn)在窩眼環(huán)外端面上的投影點(diǎn) A3(45.22，138.84，17.00)是導(dǎo)種管底板與窩眼環(huán)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的干涉點(diǎn)，如圖 4 所示。

　　由導(dǎo)種管底板與窩眼環(huán)外端面在 YOZ 面上的尺寸關(guān)系(圖 4)可知，yC 與導(dǎo)種管邊寬 t 存在如下關(guān)系

　　(9) 式中：θ 為導(dǎo)種管底板傾角;t 為導(dǎo)種管底板邊寬。由于導(dǎo)種管前、后側(cè)板為拋物線軌跡曲面，機(jī)械加工成型較難，故采用 3D 打印技術(shù)制造導(dǎo)種管，材料為 ABS 塑料。為確保導(dǎo)種管強(qiáng)度，設(shè)計(jì)其底板邊寬 t 為 1.50 mm。zB取−10.00 mm。聯(lián)立式 (7)和式(9)可得 yC=132.06 mm，對(duì)應(yīng)底板傾角 θ 為 77.52°，此為導(dǎo)種管底板傾角的最大極限值。

　　根據(jù)底板傾角 θ 與 B 點(diǎn)坐標(biāo)，可得導(dǎo)種管底板在 YOZ 面上的投影軌跡方程為

　　(10) 當(dāng)導(dǎo)種管底板傾角 θ 確定后，在 YOZ 的投影面上稻種與底板碰撞后的彈跳方向即可確定，根據(jù)式(11)計(jì)算稻種在底板法向上的彈跳高度。

　　(11) 式中：h1j為第 j 個(gè)吸孔投種處稻種第 1 次與底板碰撞后在底板法向上的彈跳高度;v1j為第 j 個(gè)吸孔投種處稻種第 1 次彈跳速度在 YOZ 投影面上的分量。

　　(12) 式中：h0j為第 j 個(gè)吸孔投種處稻種第 1 次與底板碰撞前的下落高度。聯(lián)立式(11)和式(12)，得

　　由文獻(xiàn)[20]可知，稻種與導(dǎo)種管底板碰撞后的彈跳高度隨碰撞次數(shù)增加而顯著降低，說(shuō)明首次碰撞后的彈跳高度最大，由 3 個(gè)吸孔與導(dǎo)種管的相對(duì)位置可知，吸種滾筒上靠外側(cè)的吸孔處所投稻種與導(dǎo)種管底板碰撞前下落高度最大。為避免稻種碰撞彈跳后撞擊導(dǎo)種管頂板，頂板與底板的法向垂直距離 L 應(yīng)滿(mǎn)足 L>h13+lmax。

　　為檢驗(yàn)導(dǎo)種管設(shè)計(jì)方法的合理性，確定導(dǎo)種管底板的適宜傾角，進(jìn)行排種器不同排種頻率下導(dǎo)種管導(dǎo)種過(guò)程仿真分析與臺(tái)架排種試驗(yàn)。由于導(dǎo)種管底板傾角理論最大極限值為 77.52°，綜合考慮排種器整體軸向尺寸，并避免部件運(yùn)動(dòng)干涉，導(dǎo)種管底板試驗(yàn)傾角 θ 選擇 77°和 73°。由式(7)和式(9)可知，導(dǎo)種管底板與窩眼環(huán)外端面的最低交點(diǎn) Y 軸坐標(biāo)值分別為 133.45 mm 和 104.81 mm，能滿(mǎn)足導(dǎo)種管的打印與安裝誤差及窩眼環(huán)的圓跳動(dòng)誤差，避免導(dǎo)種管與旋轉(zhuǎn)的窩眼環(huán)干涉;由式(10) 和式(13)可得導(dǎo)種管頂板與底板的法向垂直距離 L 分別不小于 15.89+lmax、16.31+lmax，根據(jù)稻種長(zhǎng)度最大尺寸，統(tǒng)一取 L 為 28 mm。

　　2 導(dǎo)種過(guò)程的仿真

　　2.1 模型構(gòu)建與參數(shù)設(shè)置

　　由于投種與導(dǎo)種過(guò)程中稻種僅與吸種滾筒、窩眼環(huán)和導(dǎo)種管相互作用，故將排種器的三維模型省去與投種和導(dǎo)種過(guò)程無(wú)關(guān)的部件，并以.stp 的格式導(dǎo)入離散元 EDEM 仿真軟件中。紡錘體狀稻種類(lèi)似橢球體，因此，仿真中將稻種顆粒簡(jiǎn)化為硬質(zhì)橢球體，簡(jiǎn)化后的仿真裝置與稻種顆粒模型如圖 5 所示。

　　觀察投種處的高速攝像可知，投種瞬間窩眼內(nèi)稻種的隨機(jī)吸附姿態(tài)可概括為平躺、斜臥和直立 3 種狀態(tài)，如圖 6 所示。在窩眼內(nèi)部建立高度為種子平均寬度尺寸的圓錐體顆粒工廠，并設(shè)置顆粒隨機(jī)生成，以讓平躺生成的顆粒盡量貼附吸種滾筒內(nèi)表面，并依靠吸種滾筒內(nèi)表面和窩眼壁面對(duì)顆粒生成進(jìn)行空間約束，以隨機(jī)產(chǎn)生斜臥或直立吸附狀態(tài)的顆粒。由于排種器投種點(diǎn)位置不變，投種后稻種與窩眼不再接觸，故可將顆粒工廠位置設(shè)為固定，通過(guò)添加多個(gè)顆粒工廠的方式模擬每穴稻種，并按直播機(jī)不同作業(yè)速度對(duì)應(yīng)的投種頻率和投種水平初速度設(shè)定顆粒工廠間的時(shí)間間隔與顆粒生成的水平初速度(表 1)。稻種表面粗糙無(wú)黏附力，因此，顆粒接觸模型選擇 Hertz– Mindlin 無(wú)滑動(dòng)接觸模型。根據(jù)吸種滾筒、窩眼環(huán)和導(dǎo)種管的加工材質(zhì)，參照文獻(xiàn)[21–22]設(shè)定其仿真材料參數(shù)(表 2)。

　　2.2 仿真試驗(yàn)

　　參考 JPS–12 型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)利用油帶穩(wěn)固地黏附由導(dǎo)種管排出種子的試驗(yàn)方法，即連續(xù)統(tǒng)計(jì)種子從導(dǎo)種管排出的時(shí)間間隔，以間接反映種子在油帶上的分布情況。對(duì)于具有多粒成穴播種特征的水稻，每穴稻種排出導(dǎo)種管的最大時(shí)間差決定著排種器的排種成穴性。每穴稻種最大時(shí)間差越大，則多粒稻種從導(dǎo)種管排出的一致性越差，對(duì)應(yīng)落在油帶上的穴徑越大。相鄰穴稻種排出時(shí)間間隔影響穴距穩(wěn)定性，即排種均勻性，因此，設(shè)置每穴顆粒排出導(dǎo)種管最大時(shí)間差的平均值 T1 和相鄰穴顆粒排出導(dǎo)種管時(shí)間間隔的變異系數(shù) C 分別作為排種成穴性和均勻性的考核指標(biāo)，計(jì)算方法如式(14)。每組試驗(yàn)連續(xù)統(tǒng)計(jì) 50 穴顆粒排出導(dǎo)種管的時(shí)間，重復(fù) 2 次。

　　(15) 式中：T2 為相鄰穴顆粒排出時(shí)間間隔平均值;k 為每穴序號(hào)，k=1，2，3，···，50;tkmax、 tkmin 分別為第 k 穴顆粒排出時(shí)間最大值與最小值;tk1、tk2、tk3分別為第 k 穴第 1、2、3 個(gè)顆粒排出時(shí)間;N 為總穴數(shù)，N=50。

　　仿真試驗(yàn)結(jié)果列于表 3。在相同的排種器吸種滾筒轉(zhuǎn)速下，T1 與 C 均因?qū)ХN管底板傾角的減小而增大，說(shuō)明導(dǎo)種管底板傾角減小，對(duì)應(yīng)底板長(zhǎng)度增加，且顆粒沿底板法線方向的分速度增大，而沿底板平面向下的分速度與加速度均減小，延長(zhǎng)了每穴 3 個(gè)顆粒從導(dǎo)種管排出的先后時(shí)間，增大了橢球形顆粒與底板無(wú)規(guī)律的碰撞概率和次數(shù)，導(dǎo)致 T1和 C 均增大。

　　在相同的導(dǎo)種管底板傾角時(shí)，T1 與 C 均隨著吸種滾筒轉(zhuǎn)速的增大而增大，表明排種器的排種成穴性與均勻性不僅與導(dǎo)種管的底板傾角有關(guān)，而且與其排種頻率有關(guān)。排種頻率提升，吸種滾筒轉(zhuǎn)速增大，則顆粒初始水平投種速度增大。橢球形顆粒與底板無(wú)規(guī)律的碰撞越激烈，增大了顆粒排出時(shí)間個(gè)體間的差異，T1和 C 均增大。

　　綜上，導(dǎo)種管底板傾角越大，排種頻率越低，T1 和 C 均越小，排種器的排種成穴性與均勻性越好。

　　7 是導(dǎo)種過(guò)程仿真顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖 7 可知，每穴 3 個(gè)顆粒在 XY 平面上的投種軌跡基本為平滑的拋物線(紅色線條)，由于各個(gè)顆粒初始投種點(diǎn)不都集中在最高點(diǎn)，故其運(yùn)動(dòng)軌跡分布在理論投種軌跡(藍(lán)色線條)前后的區(qū)間內(nèi)，且各顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡均與理論投種軌跡近似平行，表明在水稻內(nèi)充氣力式排種器導(dǎo)種管的設(shè)計(jì)中，將稻種與導(dǎo)種管底板的碰撞假設(shè)為完全彈性碰撞的簡(jiǎn)化方法具有可行性;仿真中顆粒與導(dǎo)種管前側(cè)板、后側(cè)板、頂板基本無(wú)碰撞現(xiàn)象，表明導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)參數(shù)較為合理。

　　3 臺(tái)架排種試驗(yàn)

　　驗(yàn)證仿真試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比導(dǎo)種管不同底板傾角時(shí)，排種器的穴粒數(shù)合格率、漏播率、重播率、穴距平均值等排種性能指標(biāo)，參照文獻(xiàn)[23–24]的方法，進(jìn)行排種器臺(tái)架試驗(yàn)。

　　參考 GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，利用 JPS–12 型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，連續(xù)統(tǒng)計(jì)排種器穩(wěn)定排種時(shí)油帶上 250 穴稻種的穴粒數(shù)、穴徑及穴距。試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置排種器的吸種負(fù)壓均為 1.0 kPa，吸種滾筒轉(zhuǎn)速分別為 12.86、19.29、25.71 r/min，對(duì)應(yīng)油帶運(yùn)行速度分別為 0.6、0.9、1.2 m/s。每組試驗(yàn)重復(fù) 2 次。

　　試驗(yàn)結(jié)果如表 4 和圖 8 所示。由表 4 可知，在相同的排種器吸種滾筒轉(zhuǎn)速下，穴徑平均值與穴距變異系數(shù)均因?qū)ХN管底板傾角的減小而增大，說(shuō)明導(dǎo)種管底板傾角減小，擴(kuò)大了每穴稻種從導(dǎo)種管排出的時(shí)間差，導(dǎo)致落在油帶上的每穴稻種穴徑增大，穴徑合格率降低，穴距穩(wěn)定性變差;在相同的導(dǎo)種管底板傾角時(shí)，穴徑平均值與穴距變異系數(shù)均隨吸種滾筒轉(zhuǎn)速的增大而增大，表明投種速度增大，稻種與底板的碰撞越激烈，每穴多粒稻種排出時(shí)間一致性變差。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相吻合。

　　雖然采用不同底板傾角的導(dǎo)種管排種時(shí)，穴徑平均值均小于 50 mm 的穴徑評(píng)價(jià)指標(biāo)[23]，但 73°底板傾角導(dǎo)種管的穴徑合格率較低，均低于 90%; 77°底板傾角導(dǎo)種管在不同吸種滾筒轉(zhuǎn)速下的穴徑合格率均不小于 91.33%，且其穴距平均值保持在理論穴距 200.00 mm 左右，穴距變異系數(shù)均不大于 11.10%，優(yōu)于 73°導(dǎo)種管的穴徑和穴距效果，并能滿(mǎn)足水稻內(nèi)充氣力式排種器的定距成穴導(dǎo)種要求。由表 4 還可知，當(dāng)排種器的吸種滾筒轉(zhuǎn)速一定時(shí)，采用不同底板傾角的導(dǎo)種管排種，排種器的穴粒數(shù)合格率、漏播率及重播率存在差異。隨著導(dǎo)種管底板傾角的減小，穴粒數(shù)合格率下降;漏播率和重播率均上升，可能是因?yàn)閷?dǎo)種管底板傾角減小，每穴多粒稻種從導(dǎo)種管中排出時(shí)間差異增大，使得每穴稻種粘附在試驗(yàn)臺(tái)油帶上的間隔過(guò)大，依據(jù)《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》中穴粒數(shù)合格率、漏播率及重播率的統(tǒng)計(jì)方法，相鄰穴稻種出現(xiàn)串穴現(xiàn)象，串穴區(qū)域穴粒數(shù)統(tǒng)計(jì)出現(xiàn)油帶上一穴內(nèi)有吸種滾筒排出兩穴稻種的粒數(shù)而導(dǎo)致重播，而另一穴為漏播，故重播率上升的同時(shí)，漏播率也上升，穴粒數(shù)合格率下降[24]。

　　此外，隨著吸種滾筒轉(zhuǎn)速的增大，不同底板傾角導(dǎo)種管的排種穴粒數(shù)合格率、漏播率及重播率的差異逐漸增大。73°底板傾角的導(dǎo)種管，其穴粒數(shù)合格率隨著吸種滾筒轉(zhuǎn)速的增大而大幅下降;漏播率和重播率均隨著吸種滾筒轉(zhuǎn)速的增大而大幅上升。而采用 77°的導(dǎo)種管排種時(shí)，隨著吸種滾筒轉(zhuǎn)速的增大，排種器的穴粒數(shù)合格率稍有下降，但均高于 90.0%，漏播率和重播率略有波動(dòng)，分別小于 2.2%和 8.0%。可見(jiàn)，較大底板傾角的導(dǎo)種管能大幅降低稻種投種速度增大對(duì)排種器排種性能的影響，對(duì)不同排種頻率具有較好的適應(yīng)性。

　　綜上，采用 77°底板傾角的導(dǎo)種管，所得穴粒數(shù)合格率、漏播率、重播率、穴徑平均值、穴徑合格率及穴距變異系數(shù)等均優(yōu)于 73°的導(dǎo)種管，其優(yōu)勢(shì)隨著吸種滾筒轉(zhuǎn)速的增大而愈發(fā)明顯，且排種效果在不同排種頻率下均較為穩(wěn)定，各性能指標(biāo)均滿(mǎn)足雜交稻精量穴直播的種植農(nóng)藝要求。

　　由圖 8 可知，水稻內(nèi)充氣力式排種器在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)穴粒數(shù)頻數(shù)基本呈以每穴 3 粒稻種為中心的正態(tài)分布，每穴 3 粒稻種的頻數(shù)接近統(tǒng)計(jì)樣本總穴數(shù) 250 穴的一半，且統(tǒng)計(jì)樣本穴粒數(shù)平均值為 3.21，說(shuō)明導(dǎo)種過(guò)程仿真分析中每穴 3 個(gè)顆粒的設(shè)置具有一定的合理性。

　　4 結(jié)論

　　根據(jù)水稻內(nèi)充氣力式精量穴播排種器“內(nèi)充內(nèi)投”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)稻種投種過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與理論投種軌跡構(gòu)建，設(shè)計(jì)的具有投種軌跡特征形狀的導(dǎo)種管，滿(mǎn)足排種器的精量定距成穴導(dǎo)種要求。

　　導(dǎo)種過(guò)程仿真分析表明，每穴顆粒排出最大時(shí)間差與相鄰穴時(shí)間間隔變異系數(shù)均隨導(dǎo)種管底 板傾角減小和吸種滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大;臺(tái)架排種試驗(yàn)表明，穴徑平均值與穴距變異系數(shù)均隨導(dǎo)種管底板傾角減小和吸種滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大，與仿真試驗(yàn)結(jié)果相吻合，皆表現(xiàn)為導(dǎo)種管底板傾角越大、吸種滾筒轉(zhuǎn)速越小，排種器的排種成穴性與均勻性越好。當(dāng)導(dǎo)種管底板傾角為 77°時(shí)，排種性能穩(wěn)定性較好，穴粒數(shù)合格率大于 90.0%，漏播率低于 2.2%，重播率小于 8.0%，穴徑平均值小于 28.33 mm，穴徑合格率均值大于 91.33%，穴距平均值在理論穴距 200.00 mm 左右小幅波動(dòng)，穴距變異系數(shù)小于 11.10%，可適應(yīng)當(dāng)前水稻穴直播機(jī)的一般前進(jìn)速度與播種性能要求。