超级稻精量穴盘播种机排土器设计与试验研究.pdf

第 28 卷第 3 期农 业 工 程 学 报Vol.27No.382012 年2 月Transactions of the CSAEFeb.2011超级稻精量穴盘播种机排土器设计与试验研究马瑞峻，马 旭，张亚莉，贾瑞昌，杨文武（华南农业大学工程学院华南农业大学南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642）摘要：针对新型超级稻精量穴盘育秧播种机对穴盘穴孔排覆土的要求，设计了 2 种排土器，双向 4 螺旋外槽轮式排土器和带式排土器。在保证每小时 450 盘（相应的秧盘输送速度为 0.075 m/s）的生产率情况下，做了不同土壤含水率、不同土壤颗粒尺寸、不同排土间隙对排土效果影响的试验研究。结果表明，对于双向 4 螺旋外槽轮式排土器，播过 5 mm筛和过 3 mm 筛的土壤颗粒时，排土间隙分别为 3 和 1 mm 为宜；对于带式排土器则分别为 67 和 5 mm 左右为宜。2种排土器，均是播过 3 mm 筛的小颗粒土壤的播土均匀性和播土质量要好于播过 5 mm 筛的大颗粒土壤。对于相同颗粒尺寸的土壤，高含水率（13%左右，湿基）的土壤播土质量要好于低含水率（5.72%，湿基）的播土质量，更主要的是可以改善工作环境。在保证不增加高湿土壤处理难度的前提下，建议采用小颗粒湿土进行播土作业。所设计的 2 种排土器均能满足超级稻穴盘育秧的播土要求，但需要注意对带式排土器的张紧平衡调节，且要避免大于排土间隙的土壤颗粒进入带式排土器中。排土器的播土均匀性可以采用播土高度均值的多重比较检验方法进行评价。关键词：农业机械，设计，试验，超级稻，播种机，排土器doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.03.002中图分类号：S223.2，S233.71文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-03-0008-06马瑞峻，马旭，张亚莉，等.超级稻精量穴盘播种机排土器设计与试验研究J.农业工程学报，2012，28(03)：813.Ma Ruijun,Ma Xu,Zhang Yali,et al.Design and experiments on soil spreading devices of plastic cell-tray type planter for raisingsuper hybrid rice seedlingsJ.Transactions of the CSAE,2012,28(03):813.(in Chinese with English abstract)0引言近年中国超级稻育种研究和推广工作取得了巨大进展，全国已有 80 个超级稻品种得到确认，2010 年推广种植面积达 6733 千 hm2，占全国水稻种植面积的近 1/41-2。因此针对超级稻工厂化穴盘育秧研制新的播种机是十分必要的3-5。向穴盘穴孔中播营养土是工厂化育秧穴盘播种机流水生产线的重要环节之一，通常包括两个工序，播底土和覆表土，分别由播底土器和覆表土器完成。播底土量一般为穴孔容积的 1/22/3，覆表土量为播种后剩余的穴孔容积量，多余穴孔容积的土量则通过后序清土装置清除。目前主要有 3 种常用的播覆土排土器，分别是带式排土器、外槽轮式排土器以及滚筒式排土器，以适应不同条件下的播土要求。带式排土器有传统滚筒（轴）驱动的橡胶输送带式结构6和弯板链条带式结构7，后者的结构相对复杂，但是会避免传统滚筒驱动带式结构中皮带的打滑以及侧偏等现象。外槽轮式排土器通常有传统收稿日期：2011-04-13修订日期：2011-05-29基金项目：国家“十二五”支撑计划项目（2011BAD20B08）；广东省高等学校人才引进科研资助项目。作者简介：马瑞峻（1970），男，内蒙古人，副教授，博士，中国农业工程学会高级会员（E041200177S），主要从事农业机械化及其自动化方面的研究。广州华南农业大学工程学院，510642。Email:maruijun_通信作者：马旭（1959），男，教授，博士生导师，主要从事农业机械设计理论与检测技术方面的研究。广州华南农业大学工程学院，510642。Email:的沿滚轮轴方向加工出不同凹槽形状的水平直外槽轮；此外，文献7给出了一种垂直于滚轮轴方向的矩形凹槽外槽轮结构，在排（覆）土轴上开了八道与穴盘孔相对应的矩形凹槽，工作时把已落在凹槽内的营养床土随槽轮一起转动，并带到排土口排出；排土量可利用排土口上的刮土板进行调整控制；文献8给出了一种螺旋外槽轮播土器，是在圆柱体的播土轮表面轴向加工出等距离的左右双头螺旋槽，螺旋槽的间距与育秧盘穴孔行距相对应，在播土轮的前方和后面设有控制播土量的前闸板和旋转闸板。滚筒式排土器则有波纹滚筒式排土器9-11和 V 形推土片滚筒式排土器12。针对超级稻精量穴盘播种机对穴盘水稻秧苗播覆土作业的要求，本文研究设计了 2 种排土器，双向 4 螺旋外槽轮式排土器和带式排土器，并对这两种排土器进行了播底土的试验研究。1超级稻精密穴盘播种机排土器超级稻所用的育秧秧盘规格为：长宽=600 mm350 mm，穴孔孔型为倒梯形圆台孔，上部孔开口直径为19 mm，下部直径为 11 mm，高 18 mm。每盘秧盘为 25行、15 列，共 375 穴，每穴穴孔容积为 3.256 mL，所以每盘秧盘总需土量为 1 221.098 mL。1.1双向 4 螺旋外槽轮式排土器双向 4 螺旋外槽轮式排土器整体结构如图 1 所示，主要由双向 4 螺旋外槽轮、入土口调节板、箱体和排土出口间隙调节板等组成。其主要工作部件双向 4 螺旋外农业装备工程与机械化第 3 期马瑞峻等：超级稻精量穴盘播种机排土器设计与试验研究9槽排土轮的结构如图 2 所示，长度为 400 mm，直径为80 mm。在排土轮整个圆周面上共加工 4 条 2 组螺旋槽，同一组螺旋槽分别为左右螺旋槽，加工起始点相同，2 组螺旋槽加工起始点相隔 180，槽型为半径 5 mm 的半圆形槽，其它设计参数见表 1。1.双向 4 螺旋外槽排土轮2.入土口调节板3.箱体4.排土出口间隙调节板图 1双向 4 螺旋外槽轮式排土器结构Fig.1Structure diagram of soil spreading device with4-spiral-groove cylinder图 2双向 4 螺旋外槽排土轮Fig.2Soil spreading cylinder with 4-spiral-groove in twodirections表 1双向 4 螺旋排土轮结构参数Table 1Structure parameters of soil spreading cylinder with4-spiral-groove参数名称半圆形槽型半径/mm螺旋升角/螺距/mm螺旋线总长度/mm螺旋槽旋转一周的理论排土量/mL双向 4 螺旋排土轮58.38372539.1398.841注：螺旋槽旋转一周的理论排土量按螺旋槽的容积总量计算。双向 4 螺旋外槽轮式排土器土箱容积为 33 050 mL，一箱土大约可以播 4054 盘秧盘底土，排土量可以通过调节入土口调节板和排土出口间隙调节板进行调节。生产实践中，主要是通过后者调节。1.2带式排土器带式排土器的整体结构如图 3 所示，主要由排土箱体、皮带张紧机构、排土量出口调节板和皮带排土部件等组成。排土箱直接安装在皮带轴支架上，土箱中的土直接落在皮带上，依靠摩擦力在皮带的带动下从土箱出1箱体2皮带张紧机构3排土量出口调节板4皮带排土部件图 3带式排土器结构图Fig.3Structure diagram of belt soil-spreading device口排出，落入育秧秧盘的穴孔中。设计中秧盘进给传动链的驱动链轮与驱动皮带轴的驱动链轮相同（即传动比为 11），其分度圆直径均为 65 mm，而驱动皮带的滚筒轴直径为 60 mm，加上皮带厚度，因此，保证了输送秧盘前行的速度与皮带的线速度相同，实现了同步播覆土。带式排土器排土箱体积为 91 176 mL，一箱土大约可以播 111149 盘秧盘底土，因此用带式排土器播底土时，不需要一次性将土箱全部加满。2排土器性能试验2.1试验台排土器试验台主要由机架、变频调速电机、秧盘输送传动链和排土器等组成。秧盘输送传动链和排土器排土轮均由变频调速电机驱动，而且两者的驱动链轮（转速）相同，既两者之间的传动比为 11。2.2试验因素的选择与确定2.2.1秧盘输送速度与排土轮转速的确定秧盘输送链条的速度是由实际生产中的生产率来决定的，现确定生产率每小时不低于 450 盘，因此可以得到秧盘的线速度至少为 0.075 m/s。通过试验标定得到调频电机变频器频率与秧盘输送速度之间的拟合方程为20.00420.00210.9999vfR（1）式中，v 为秧盘输送速度，m/s；f 为调速电机变频器频率，Hz；R2为相关系数。当变频器频率为 18.5 Hz 时，对应的秧盘速度约为0.0756 m/s，故所有试验中，维持电机变频器频率为18.5 Hz，此频率下对应的排土轮转速为 22.2 r/min。2.2.2土壤颗粒尺寸的确定土壤颗粒尺寸的大小和均匀性不仅影响种子的生长，而且影响土壤的播土性能。试验土壤选用南方水稻田土，根据育秧盘穴孔尺寸的大小和精密播土的要求，经过粉碎后，分别过 3 和 5 mm 的筛。土壤颗粒过大，容易在育秧盘穴孔中形成架空，使土壤无法填实穴孔，从而影响种子的生长发育；土壤颗粒过细，首先会增加土壤处理的劳动强度和难度，其次土壤的流动性变差也不利于排土器的排土。2.2.3土壤含水率的确定试验中选择 2 种含水率的土壤作对比试验，干土和湿土。外槽轮式排土器试验时，过筛后的干、湿土含水率分别是 5.72%（湿基）和 13.88%（湿基，另一组重复试验时，含水率为 12.02%）；带式排土器试验时，过筛后的干、湿土含水率分别测得为 5.72%（湿基）和 12.71%（湿基）。含水率的测定采用传统的烘干法测定。2.2.4排土器排土间隙的确定对于双向 4 螺旋外槽轮式排土器，排土间隙在 010mm 之间可调，排土间隙为 0，意味着排土间隙调节板与排土轮表面接触，排土轮仅依靠其凹槽排土。对于带式排土器，排土间隙同样在 10 mm 以内可调。农业工程学报2012 年102.2.5播土量的确定和测定播土量和播土均匀性是试验最终的检测指标。由于直接测定穴盘每穴穴孔中的土壤容积量费时且难以操作，通过穴盘穴孔尺寸，计算可得播土量为 1/21/3 穴孔体积的播土量对应的穴孔中播土量高度为 11.25913.768 mm，因此，通过测量每穴穴孔中播土量的高度来评定播土量的多少以及排土器排土性能的好与坏。2.3试验结果与分析2.3.1排土间隙试验对于双向 4 螺旋外槽轮排土器，首先作了播过 5 mm筛孔的土壤颗粒的干土试验，排土轮与排土箱之间的出口间隙分别为 0，3.7 和 7.4 mm 时，播土试验结果见图 4所示。通过测量每穴中所播土壤的高度，计算得相应的播土高度平均值分别为 8.4，14.7 和 18.5 mm。最后，经过进一步试验确定，排土间隙在 3 mm 左右，得到的播土量是适宜的。a.排土间隙 0 mmb.排土间隙 3.7 mmc.排土间隙 7.4 mm图 4双向 4 螺旋外槽轮排土器在不同排土间隙下的播土情况（过 5 mm 筛孔的干土、含水率为 5.72%）Fig.4Soil spreading results for 4-spiral-groove soil spreadingdevice with different soil spreading gaps其次，作了过 3 mm 筛的干土试验，结果排土间隙应小于 1.2 mm 为宜。而对于过 3 mm 筛的湿土试验，含水率分别为 13.88%和 12.02%时，试验结果表明，当排土间隙为 0 时，两种含水率下排土量的高度平均值分别为11.05 和 11.18 mm；当排土间隙为 1.2 mm 时，排土量高度均值分别为 15.22 和 15.86 mm，偏大，因此排土间隙应小于 1 mm 为宜。对于带式排土器，播过 5 mm 筛孔的干土试验时，结果表明，排土间隙必须要大于土壤颗粒尺寸，否则过大的土壤颗粒滞留在土壤排出口处，排土过程中会出现断条现象，从而影响播土质量，当排土间隙调整到 67 mm时，则满足播底土要求。带式排土器播过 3 mm 筛孔的湿土试验时，排土间隙 5 mm 是合适的。图 5带式排土器排土间隙小于土壤颗粒尺寸时出现的断条现象Fig.5Bad spreading soil result for belt soil spreading devicewhen soil spreading gap is smaller than size of some soil granules图 6排土间隙大于土壤颗粒尺寸时带式排土器的正常排土情况Fig.6Normal spreading soil result for belt soil spreading devicewhen soil spreading gap is larger than size of soil granules而在双向 4 螺旋外槽轮排土器试验中，则没有出现上述（断条）现象。在通常的情况下，即使极个别的土壤颗粒（或石粒），恰好卡在了排土间隙和槽轮槽中，也会在排土轮的螺旋旋转外力的挤压下，被挤碎或强制排出。更大一些的土壤颗粒则等到土箱中所有土排完后，留在了排土箱底部和排土轮上，这与螺旋外槽轮的螺旋排土性有关。在整个排土过程中，大土壤颗粒一直处于浮动运动中，而不会像在带式排土器中停留在某处，因此，没有影响到排土性能。2.3.2排土均匀性通过上述试验结果，可以明显的观察到，整盘秧盘所播底土的均匀性，不仅与播土器本身的播土性能有关，还与土壤本身的颗粒尺寸大小和含水率有关。通过播过 3 mm筛孔的土壤颗粒与播过 5 mm筛孔的土壤颗粒试验对比，显然播小尺寸的土壤颗粒的播土均第 3 期马瑞峻等：超级稻精量穴盘播种机排土器设计与试验研究11匀性要好。图 7 所示为双向 4 螺旋外槽轮排土器在排土间隙为 1.2 和 5.3 mm 时，播过 3 mm 筛孔的干土试验结果，整盘秧盘穴孔的播土高度平均为 15.3 和 16.5 mm，可与图 4 对照。原因是小尺寸的土壤颗粒，其本身的均匀性就好。a.排土间隙 1.2 mmb.排土间隙 5.3 mm图7双向4螺旋外槽轮排土器播过3 mm筛孔的干土试验结果Fig.7Soil spreading results for 4-spiral-groove soil spreadingdevice with soil passing through 3 mm sieve pore.对于相同尺寸的土壤颗粒，播湿土的均匀性要好于播干土的均匀性，尤其是对于过大尺寸筛孔的土壤颗粒，其结果更明显。主要原因是含水率高的土壤（湿土），经过粉碎过筛处理后，土壤颗粒的均匀性要好于过相同筛孔尺寸的干土，因而使得播土均匀性更好。另外，播干土的一个最大弊端是作业过程中尘土飞扬，严重地影响到了作业环境，因此播土作业时，选用适当含水率的湿土为好。但如果土壤含水率过高，会增加土壤的处理难度，导致土壤过筛处理变难，筛下的出土量变少，要需要更多的备用土量。图 8 为带式排土器，在排土间隙为 5 mm 情况下，播过 3 mm 筛的湿土的试验结果。试验中明显出现秧盘两边行的播土量多余中间行的播土量。经过分析发现造成此现象的主要原因是由于原设计中排土口开口宽度尺寸过大（大于秧盘宽度），并在两侧布置了挡土板（参见图 5），结果挡土板边缘聚集了更多的土壤，使秧盘两边行的播土量增大，从而不能够满足对超级稻高精度的播土要求。通过撤除挡土板，改进设计了土箱排土口出口宽度，则所设计的带式排土器完全能够满足排土要求。另外，在带式排土器试验中发现了另一个问题，如果皮带两边的张紧力未调节平衡，将导致皮带跑偏，从而使得皮带上的土壤向皮带松的一侧聚集，造成该侧秧盘穴孔中的播土量增加。因此，在带式排土器播土作业前，需要反复调节皮带左右两侧的张紧力，达到平衡，才能保证播土性能。图 8带式排土器播过 3 mm 筛的湿土试验结果（排土间隙为 5 mm）Fig.8Soil spreading result for belt soil spreading device(wet soil,passing through 3 mm sieve pore,5 mm gap)对于穴盘播土均匀性评价，可以采用方差分析方法13。例如，对于图 8 的试验结果，通过测量，可以得到 15 行（图示方向，从上到下）375 穴穴孔的底土高度。以不同穴孔行的位置为试验因素，共有 15 个变动水平，每个水平有 25 个穴孔底土高度的重复测量值，则每个穴盘共有375 个观测数据，对这些数据（穴孔底土高度）使用 SPSS统计软件进行单因素方差分析（one-way ANOVA），其结果见表 2。表 2ANOVA 方差分析结果Table 2Analysis result of one-way ANOVA离差平方和自由度均方差F显著性概率组间差异2 977.42414212.673375.3060组内差异204.000360.567总差异3 181.424374如表 2 所示，组间差异的显著性概率达到 0，远远小于 0.05 的显著性检验水平，因此，穴盘的 15 行穴孔其底土高度之间是有显著差异的，该次播土均匀性偏低。为了进一步研究在 15 行穴孔的底土高度数值中，究竟哪几行的差异造成了播土均匀性低，可使用 SPSS 软件中提供的 Student-Newmnan-Keuls（q 检验）和 Duncan 新复极差法（SSR 检验）进行均值的多重比较（multiple comparisons）检验，两种方法得到的检验结果是一致的，见表 3。表 3多重比较检验结果Table 3Result of multiple comparisons test显著性检验水平 =0.05 时的分组行号 重复1234567891011102510.5282510.84 10.8492511.20 11.20122511.36112511.48 11.4872511.88 11.8862512.0052513.08132513.88农业工程学报2012 年12续表显著性检验水平 a=0.05 时的分组行号 重复123456789101142514.28142515.3632515.76152516.6022517.1612520.76显著性概率0.134 0.092 0.388 0.061.573 1.000.061.061 1.000 1.000 1.000从表 3 可知，检验结果把每行的底土高度平均值依照从小到大的顺序排列，最小值为第 10 行 10.52 mm，最大值为第 1 行 20.76 mm，并从最小的平均数开始逐个进行比较，任何两相邻平均数差异未达显著水准（本例中取 =0.05）的划为同一组，反之划为不同组，结果将 15个平均值（15 行）划分了 11 个组别，可见该次播土试验均匀性较差。具体来讲，位于穴盘边缘的第 1、2 行和第15 行的平均值不但大大超过了 1114 mm（粗略值）的合格播土范围，并且两两之间差异显著，而位于穴盘中部的第 9、11、12 行之间差异不显著，与目测的穴盘播土结果完全一致。同理，可以进行列方向播土均匀性差异的评价。2.3.3播土高度与播土量测量了双向 4 螺旋外槽轮排土器所有试验中每盘穴孔每穴的底土高度以及该盘整盘的土壤重量，得到整盘穴孔播土量平均高度值与播土量总重的关系见图 9。图 9穴盘穴孔平均播土量高度与整盘秧盘播土量总重量间的关系Fig.9Relationship between average height of the spreading soilin all cells and total soil weigh in the whole plastic cell-tray对以上所有数据进行拟合回归，可得两者之间相关性较好的是指数函数和多项式函数，其关系分别为0.113720.16350.9645hWeR（2）220.00960.16941.23550.9594WhhR（3）式中，W 为整盘穴盘播土量总重量，kg；h为穴盘所有穴孔播土量高度的平均值，mm。3结论1）针对超级稻工厂化育秧精密穴盘播种机，设计了2 种排土器，双向 4 螺旋外槽轮式排土器及带式排土器。试验表明，在适宜的排土间隙下，2 种排土器均能满足超级稻穴盘育秧精密播覆土的要求。2）通过试验并考虑对作业环境的影响，建议采用含水率适宜的湿土进行播土作业，可以降低尘土扬起，改善操作环境。但是过高的土壤含水率将会导致土壤过筛处理变难，会导致筛下出土量（率）减少（小）。3）颗粒细小均匀的营养土壤，可以明显提高播土作业质量，但是获得过细的土壤颗粒，会增加土壤处理难度，也会增加备用营养土的总量。对于超级稻工厂化穴盘育秧，建议优先选用不超过过 5 mm 筛的土壤。4）对于带式排土器，要避免或想办法排除大于排土间隙的土壤颗粒进入排土箱中，否则会出现断条（漏播土）现象；相同条件下，双向 4 螺旋外槽轮式排土器由于旋转驱动力的作用则相对可以避免此现象的发生。5）对于带式排土器，要保证皮带张紧的均匀性，否则会造成皮带跑偏，导致播土量不均匀，造成播土质量下降。6）穴盘播土均匀性可以采用方差分析和播土高度均值的多重比较检验的方法进行评价。穴盘穴孔播底土的平均高度与其总播土量之间的关系可以用指数或多项式拟合方程来表示。参考文献1袁隆平主编.超级杂交稻研究M.上海：上海科学技术出版社，2006.2含巧.我国超级稻今年推广超1亿亩，实现大面积丰产EB/OL.中国粮油信息网，http:/ 型水稻秧盘育秧播种流水线的研制J.农机化研究，2008(11)：9597.Zhou Haibo,Ma Xu,Yu Dalue,et al.Rice seeding fornursing seedlings pipeline of 2CYL-450 type designJ.Journal of Agricultural Mechanization Research,2008(11):9597.(in Chinese with English abstract)5周海波，马旭，姚亚利.水稻秧盘育秧播种技术与装备的研究现状及发展趋势J.农业工程学报，2008，24(4)：301306.Zhou Haibo,MaXu,Yao Yali.Research advancesand prospectsin the seeding technology and equipment for tray nursingseedlings of riceJ.Transactions of the CSAE,2008,24(4):301306.(in Chinese with English abstract)6梁远，陈英，乔春蓉，等.2BYLS-320 型水稻秧盘联合播种机的研制J.黑龙江八一农垦大学学报，2003，15(1)：5860.第 3 期马瑞峻等：超级稻精量穴盘播种机排土器设计与试验研究13Liang Yuan,Chen Ying,Qiao Chunrong,et al.A design ofthe 2BYLS-320 model united sowing machine for paddyseedling on traysJ.Journal of Heilongjiang August 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Ruichang,Yang Wenwu(College of Engineering,South China Agriculture University,Guangzhou 510642,China;Key Laboratory of Key Technology onAgricultural Machine and Equipment,Ministry of Education,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China)Abstract:Two types of soil spreading devices were designed for the planter used in raising super hybrid rice seedlingsin the plastic cell-tray,as well as the soil spreading device with the cylinder of 4-spiral-groove and the belt type ofsoil-spreading device were designed.Under the productivity of 450 trays/h(the corresponding speed of cell-tray is 0.075m/s),the experiments were carried out with different soil water contents,soil granule sizes and soil spreading gaps.Results show the soil spreading gap of 3 and 1mm are appropriated for the soil spreading device with the cylinder of4-spiral-groove while spreading soil granules after passing through 5 and 3 mm sieve pore,respectively.For the belt typeof soil-spreading device,the soil spreading gaps are 6-7 and 5 mm,respectively.Both soil spreading devices quality anduniformity performed better for wet small soil granules than dry large soil granules.It is more important that the workingcondition can be improved while spreading wet soil granules.Soil spreading devices can meet soil spreadingrequirements of super hybrid rice seedlings raised in plastic cell-tray.However,the belt type of soil-spreading deviceshow more problems in the experiments.The uniformity performance of spreading soil can be evaluated by using thevariance analysis and the multiple comparisons test.Key words:agricultural machinery,design,experiments super hybrid rice,planter,soil spreading devices