作者简介:齐龙(1979),男,副研究员,博士.研究方向:现代农业技术与智能装备.E-mail:qilong@scau.edu.cn
为了提高杂交稻在低播种量时的播种性能,对水稻秧盘育秧精密播种机气动振动匀种装置进行了理论分析和试验研究。通过振动分析确定了振动匀种装置稳定均匀排种的条件。采用正交试验方法,研究了播种量分别为45 g/盘、65 g/盘和85 g/盘时,气源排储比
A precision seeder for tray nursing seedlings of rice was developed using a new-type pneumatic vibration uniform-seeds device to promote the sowing performance of hybrid rice in low seeding rate. First, steady and uniform seeding condition with different working parameters of the uniform-seeds device was determined, including displacement-storage capacity ratio of air supply,
水稻育秧播种质量直接决定了插秧机的插秧质量。由于播种不均匀,在杂交稻播种育秧时,通常采用增大播种量来提高秧块盘结力和减小插秧机漏插率[ 1, 2, 3],由于杂交稻依靠强分蘖能力获得高产,播种量的提高会导致秧苗素质下降[ 1, 4, 5, 6],使移栽缓苗期延长,同时每穴秧苗过多,影响分蘖能力,导致产量降低。目前,杂交稻在中国的种植面积约为2000万公顷[ 7],因此亟需研究适用于杂交稻低播种量均匀播种的精密播种装置。精密播种设备主要有机械式[ 8]、振动式[ 9, 10]和气力式[ 11, 12, 13, 14, 15, 16]3种,其中机械式播种装置主要采用撒播,在低播种量时播种均匀性较差[ 8];气力式播种装置能实现精确少量播种,但吸孔易堵塞[ 15, 16],目前还处在研究阶段,没有应用;电磁振动式播种的装置需要调节的参数较多,性能稳定性还有待提高[ 17, 18]。
为了提高杂交稻在低播种量时播种均匀性,本文研制了一种水稻秧盘育秧精密播种器,它采用对行对穴精密条播方法,实现了低播种量下的精密播种。该播种器主要由定量供种和气动振动匀种装置两部分构成。本文对振动匀种装置进行理论分析和试验,探明不同参数对不同播种量时播种性能的影响,并试图找到适合不同播种量的最佳参数组合。
水稻秧盘育秧精密播种机的播种器主要由定量供种装置和振动匀种装置两部分构成,振动匀种装置主要由气动振动器和V-T型振盘(下部为V型槽板、上部为T型筛分板(以下简称筛分板)等组成,如 图1所示。工作时,由电机带动螺旋勺轮定量供种,种子在自身重力作用下落入到V-T振盘上部的T型筛分板上,在振动作用下种子在筛分板上均匀分布,并逐渐进入到V-T气动振动匀种盘下部的V型槽板内,V型槽板内的种子在振动作用下有序排队,最后落入下面匀速行走的秧盘中,且通过更换不同的V型槽板,可实现不同行数的对行对穴精密播种。
振动匀种装置采用气动振动器作为振源,与电磁振动器相比,具有结构简单、振幅和频率调节方便等优点[ 19]。可把气动振动器和V-T振盘看成一个整体,在振动作用下作简谐直线运动,而T型筛分板上种子的运动形式和方向则根据装置振动参数的不同发生改变,因此若要使振动匀种装置能进行稳定均匀排种,其T型筛分板的安装角(筛分板与水平面之间的夹角)、振动频率和振幅以及振动器的振动方向角(筛分板与振动器振方向之间的夹角)等工作参数均需要满足一定的条件。
为了进行分析,建立坐标系 xoy如 图2所示,其中 x轴正向指向种子运动方向, y轴向上,V-T型振盘的筛分板安装角 β有2种安装方式, 图2(a)为筛分板下倾安装,安装角 β为正角度; 图2(b)为筛分板后仰安装,安装角 β为负角度。
无振动不工作时,筛分板上的种子需满足不自然下滑的条件,即种子与筛分板之间的静摩擦角 σ0大于筛分板的安装角 β,种子不运动。
振动工作时,根据物料在振动输送板上的运动分析[ 17, 18, 19],可知在筛分板下倾安装时(见 图2(a)),种子能向下运动的条件为:
式中: H为振幅,m; ω为振动角频率,rad/s; σ为种子与筛分板之间的动摩擦角,(°); α1为筛分板下倾安装时振动器振动方向角,(°); g为重力加速度,9.8 m/s2。
当筛分板后仰安装时,则在振动作用下种子爬坡前进的条件为:
式中: α2为筛分板后仰安装时振动器振动方向角,(°), α2 =α1 -2 β。
筛分板下倾安装时,在振动作用下保证种子能够稳定均匀流动,避免在筛分板上跳动的条件为(若筛分板后仰安装,则式(3)中 α1替换为 α2):
振动器振动方向角直接决定排种的速度和均匀度,为了确保种子在筛分板上稳定均匀滑行,需选择合适的振动方向角。由文献[17]和[19]可知,振动方向角 α1和 α2的计算公式为:
式中: Dk为正向滑行指数,一般选取2~3; Dq为反向滑行指数,通常选择1;根据种子静摩擦角和筛分板安装角的不同,振动方向角 α的取值范围为20~50°,结合试验研究选取 α1 =35 °[17 - 18],则相应的 α2 =27 °。
试验采用由瑞士Findeva公司生产的FP-18-M型气动振动器作为振源。通过调节振动器气压调节阀,测得当进气压强为0.22~0.26 MPa时,种子可在筛分板上稳定运动,故可初步作为振动器的工作压力范围。此时,采用AWA6290A型8通道振动分析仪(杭州爱华仪器有限公司)进行振动分析,得到筛分板中间位置的振动频率 f为63.8~68.36 Hz,振动幅度 H为86.5~135.6 μm。设定筛分板的安装角 β为-4°~+4°;气动振动器振动方向角下倾时 α1=35°(后仰时 α2=27°);试验的稻种为超级杂交稻五优308号、杂交稻粤两优805号和常规稻华航31号,试验测得其静摩擦角 σ0为41.1°~42.4°,动摩擦角 σ为40.2°~41.3°。
按上述条件,经式(1)(2)(3)计算,种子在V-T振盘上均能稳定前进,且无跳跃,故此组参数可满足播种要求。
试验在华南农业大学工程实验室进行,将研制的播种器(定量供种装置和振动匀种装置)安装到水稻秧盘育秧精密播种流水线上,如 图3所示,工作时种子经振动匀种装置稳定均匀排出后落入下方匀速行走的秧盘中,完成精密播种。
试验时播种生产率为500 盘/h(这是目前水稻秧盘育秧精密播种流水线的最高生产率,生产率越低,性能越好),气动振动器进气压强固定为0.22 MPa;振动方向角 α1为35 °( α2 =27 °);试验的稻种分别为超级杂交稻五优308号、杂交稻粤两优805号和常规稻华航31号,种子经过浸种催芽处理,芽长为1~3 mm,播种前晾至表面无明显水分,千粒重为31.4~33.2 g,含水率为29.8%~30.9%;使用的振盘为18行的V-T振盘,对应的秧盘为36行×18列钵体毯状秧盘(见 图4(a))和播种后秧盘(见 图4(b))。
水稻秧盘育秧精密播种器的定量供种装置确定后,其振动匀种装置直接决定播种的均匀性,如何确定不同参数下装置的播种性能,尤其是不同播种量时采用何种V-T振盘参数来提高播种性能,是实现低播种量均匀播种的关键。为此本文选择了气动振动器的气源排储比、筛分板安装角和梯形半差值作为影响因素,采用正交试验确定了在3种不同水稻播种量下的最佳参数组合,并分析了最佳参数组合下的播种性能。
3.1.1 气源参数
采用空压机作为气动振动器的气源,当储气罐的气压低于0.4 MPa时,空压机自动启动,且在其启动瞬间及启动过程中,气动振动器会发生变化,播种性能也会随之改变,即空压机频繁启动,会导致播种性能不稳定。提高空压机的功率和储气罐容量,可以确保播种均匀性和合格率,但大功率和大容量的空压机价格较高、重量较大,且空压机启动功率通常为额定功率的3倍左右,在室外工作时,需要更大功率的发电机,极大地增加了成本,更不利于实际生产中的使用。因此,需要选择功率和储气罐容量合适的空压机,在确保播种性能的同时减少生产成本。选择市场上常见的3种空压机(排气压力均为0.8 MPa),选择排储比 A作为气源参数,排储比 A=排气量/储气容量,具体参数如 表1所示。
3.1.2 筛分板安装角
由于水稻种子为椭圆体,当筛分板下倾安装时,种子在振动力和重力的共同作用下,主要以滚动和滑动向下运动为主,流速较快,种子在筛分板上运动不够稳定;在低播种量时筛分板上易出现空隙,从而导致种子进入V型槽板时发生断流,进而在育秧时发生漏播。为此,提出筛分板采用后仰安装,如 图2(b)所示,此时种子在振动力作用下克服重力和摩擦力向上爬行前进,且在爬行前进过程中种子会进行排队,即一个挨着一个运动,这能有效地减少在低播种量播种时筛分板上出现的空隙,进而提高播种均匀性并减少漏播。所以为了更有效地分析筛分板安装角下倾和后仰时的播种效果,选定筛分板的安装角 β为3个水平,即-4°(后仰)、0°、+4°(下倾),以期获得最佳参数,提高播种均匀性。
3.1.3 筛分板梯形半差
筛分板最初为矩形,即 D=d(见 图5)。试验发现采用矩形的筛分板进行播种时,左、右两侧V型槽板的播种量总是少于中间V型槽板的播种量。通过振动分析发现,在进气压强为0.26 MPa时,筛分板中间的振动位移要比两侧大,故中间种子的流动更快;还有筛分板的两侧壁与种子之间有摩擦力,也影响了两侧种子的流动速度,如 图6所示。 图6(a)为中部振动位移测试图, 图6(b)为筛分板右、左两侧边振动位移测试图。进一步的试验发现,当筛分板的安装角 β=+4°时,种子从进入筛分板到流进V型槽板,两侧的平均时间为19.8 s,而中间的仅为16.1 s。为了增加筛分板左、右两侧的种子量,保证筛分板上的种子流量一致,提高播种的均匀性,研制了梯形(T)筛分板,即 D>d。并选定筛分板的梯形半差值 C作为筛分板的形状参数,作为播种均匀性的影响因素,梯形半差值 C=( D-d) /2,选定的梯形半差值 C为3个水平,分别为0、5和10 mm。
根据确定的影响因素,采用三因素3个水平的试验安排,如 表2所示。
因为水稻品种较多,它们的育秧播种技术以及播种量和均匀性要求均不同,根据超级杂交稻、杂交稻及常规稻播种的要求,设定播种量为45、65和85 g/盘时的播种合格区间分别为1~4粒/穴、4±2粒/穴、6±2粒/穴,大于每穴最大粒数为重播,无种子时为空穴,具体如 表3所示。
根据 表3,以播种空穴率 Y1和播种合格率 Y2作为指标,则有:
式中: N0为秧盘中空穴或格的数量; N1为满足播种合格区间(见 表3)的穴或格的数量; Nz为试验秧盘的穴或格总数量。
为了探究秧盘两侧与中间播种量的差异,在每个秧盘(36行×18列)中间同样位置横向选取两行(2行×18列)作为样本,每次试验重复10次,10盘样本数共360穴(每穴面积为15.6 mm×16.1 mm)。根据3种水稻种子的播种量要求,每个正交试验进行9次,共计27次试验,每个试验重复10次。以播种空穴率 Y1和播种合格率 Y2作为性能指标,考查各参数对不同播种量播种性能的影响。
正交试验方案及结果如 表4所示。
对试验结果进行直观极差分析,结果如 表5所示。
从 表5可以看出:播种量为45 g/盘时播种空穴率和合格率最佳组合方案分别为 A2 β2 C2或 A2 β1 C3,即气源的排储比 A=0 .036 /40、筛分板的安装角 β=0 °、筛分板的梯形半差值 C=5 mm和气源的排储比 A=0.036/40、筛分板的安装角 β=-4°、筛分板的梯形半差值 C=10 mm。播种量65 g/盘时播种空穴率和合格率最佳组合方案均为 A2 β2 C2,即气源的排储比 A=0.036/40、筛分板的安装角 β=0°、筛分板的梯形半差值 C=5 mm。播种量85 g/盘时播种空穴率和合格率最佳组合参数均为 A2 β3 C2,即气源的排储比 A=0.036/40、筛分板的安装角 β=+4°、筛分板的梯形半差值 C=5 mm。
3.3.1 气源参数对播种性能的影响
从 表5可以得出,气源的排储比对播种空穴率的影响较大,尤其是低播种量时,而对合格率的影响相对较小,且以45 g/盘、65 g/盘和85 g/盘3种播种量进行播种时,气源的排储比对播种空穴率和合格率影响的最优水平均为 A2,即气源的排储比为0.036/40。综合考虑购买成本、运输方便性、田间作业环境以及启动频繁带来等因素,选择额定功率为0.75 kW、体积相对较小的气源的排储比 A=0.036/40型空压机作为振动气源。
3.3.2 筛分板的安装角对播种性能的影响
筛分板的安装角 β对不同播种量的播种合格率和空穴率有重要的影响。
在播种量45 g/盘时,由于供种量少,筛分板上的种量相应较少,种子分布不均匀,导致空穴、重播和漏播较多。此时,通过调节使筛分板安装角后仰( β=-4°),种子就会在振动和摩擦力作用下向上有序排队爬坡前进,并一个挨着一个直到挤满整个筛分板才开始进入下面的V型槽中进行播种,能有效地减少空穴率,提高播种合格率。随着播种量的增大,达到65 g/盘,在振动作用下种子只需要水平前进就能满足有序排队的播种要求( β=0°)。随着播种量的进一步增大,筛分板后仰反而阻碍种子流动,不利于下种,进而影响播种性能。因此当播种量为85 g/盘时,筛分板下倾( β=+4°)有利于减少空穴,提高播种合格率。故在播种量为65 g/盘和85 g/盘时,筛分板的安装角 β分别选择0°和+4°最为合适;而播种量为45 g/盘时,安装角 β=-4°时较适合,虽然安装角 β=0°时空穴率较小,但影响较小,而 β=-4°时播种合格率明显提高。
所以,为保证不同播种量时均具有良好的播种性能,V-T振盘筛分板的安装角应随机调节,以适应不同播种量的要求。
3.3.3 筛分板的梯形半差对播种性能的影响
筛分板的梯形半差值对播种合格率和空穴率有重要影响, C取值过小,导致两侧种量不足,易出现漏播和空穴;反之,取值过大,易导致两侧种量过多,而产生重播。根据 表5,除播种量为45 g/盘时梯形半差对播种合格率影响的最优参数为 C3( C=10 mm),其他播种量下筛分板的梯形半差值最优参数均为 C2,即 C=5 mm。
由于低播种量播种时,秧盘每穴种子数较少,空穴多,将使秧苗成毯性变差,不利于插秧。虽然当播种量为45 g/盘时梯形半差对播种合格率影响的最优参数为 C3( C=10 mm),但是考虑到对空穴率影响的最佳参数为 C2,以及V-T振盘对不同播种量的适用性,为减小空穴、提高成毯性,选择筛分板的梯形半差值 C=5 mm较为合适。
3.3.4 最佳参数播种试验
根据对试验结果的分析,在3种播种量下因素的最佳参数组合为:气源的排储比 A=0.036/40,筛分板的梯形半差值 C=5 mm,以及播种量分别在45、65和85 g/盘时筛分板的安装角分别是 β=-4 °、 β=0和 β=+4 °。完成了最佳参数的组合试验,得到了3种播种量下精密播种装置的播种合格率分别为88.33%、90.83%和93.06%,而空穴率分别为1.67%、0.56%和0%,播种性能能够满足超级杂交稻和杂交稻在低播种量精密播种育秧的技术要求。
(1)对种子在气动振动匀种装置的V-T振盘筛分板上的振动理论进行了分析,得到了在振动作用下种子能稳定均匀前进播种的条件;通过分析和试验,确定了在振动器进气压强为0.22 MPa、筛分板的安装角为-4°~+4°、振动器振动方向角下倾时为35°(后仰时为27°)时,种子能进行稳定均匀播种的基本参数,为气动振动匀种装置的研究奠定了理论基础。
(2)对水稻秧盘育秧精密播种生产线的气动振动匀种装置进行了不同播种量的正交试验研究,通过试验结果分析,得出了3种播种量播种合格率和空穴率影响因素的主次顺序,以及在3种播种量下因素的最佳参数组合,即气源的排储比 A=0.036/40,筛分板的梯形半差值 C=5 mm以及播种量分别在45、65和85 g/盘时筛分板的安装角分别为 β=-4 °、 β=0和 β=+4 °。
(3)通过试验研究,使气动振动匀种装置的播种性能得到了有效的提高。在最佳参数组合条件下,在播种生产率为500 盘/h、播种量分别为45、65和85 g/盘时,播种合格率分别为88.33%、90.83%和93.06%;空穴率分别为1.67%、0.56%和0,播种性能满足超级杂交稻和杂交稻低播种量精密播种育秧的技术要求。
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