基于高速摄像技术的水稻芽播精密排种器研究

水稻是世界上主要的粮食作物，全世界水稻种植面积约占谷物总面积的23%，稻谷总产量约占谷物总产29%。我国是水稻生产大国。2002年，我国种植水稻面积占全国粮食作物总面积的27%以上，总产量占各类粮食总产量的38%以上，居第一位；占世界水稻种植面积的19%，总产量占世界的31%。世界水稻平均单产约为3750公斤/公顷，我国则为6300公斤/公顷，单产高出世界平均水平68%。进一步提高我国水稻的单产及总产量将对全球水稻生产的持续发展和世界粮食的安全问题，具有十分重要的意义。 提高水稻单产的一项重要措施是提高水稻种植机械化水平，采用先进的种植技术。目前，我国水稻种植机械化水平比较低。从1995年开始，我国水稻种植机械化水平有了一定的提高，2002年达到了5.64%，但是这与其它作物种植机械化相比有明显的差距，如玉米机械化程度达46.64%、小麦72.99%；与发达国家相比差距更大。 水稻种植机械化包含水稻栽植机械化和直播机械化两种方式。亚洲地区以育秧移栽为主，机械化水平以日本、韩国为代表，韩国是继日本之后，率先实现了农业精细化种植和农业机械化的国家；美国、澳大利亚以及一些欧洲国家普遍采用直播种植方式，美国、澳大利亚等国目前已经100%实现了水稻机械化直播。水稻直播技术具有作业效率高，劳动强度低，作业机具简单，生产成本低等特点。近年来，随着社会经济的发展，劳动力成本在逐渐提高，尤其是淡水资源的缺乏，亚洲一些水稻生产国，如马来西亚、泰国、菲律宾、韩国、日本等国家的种植方式有从传统移栽转向直播种植的趋势。水稻直播以其特有的优越性受到各国农民的欢迎，现已成为国际上水稻种植机械化的一种主要种植方式。 国内外水稻直播机械化大多采用条播或撒播技术，精密直播尚处于起步阶段，目前还没有较理想的排种器，究其原因一是种植方式与其它作物不同，基本上都是水田作业；二是水稻种子几何形状不规则，催芽后种子含水率高、流动性差，精播难度较大。 精密播种技术在发达国家得到大力推广，精密播种机广泛地应用到农业生产当中。气力式精密播种是一种先进的播种技术，具较多的优点，适合高速精密播种，在国内外已广泛应用，因此我们提出采用垂直圆盘气吸式排种器进行 水稻精密芽播。本文建立了排种器性能检测试验台和高速CCD摄像系统，通过高速摄像对排种器的一些结构参数进行优化，建立了排种盘吸孔孔径、孔数与性能指标间等的数学模型，讨论影响排种器性能的主要因素，找出影响清种、投种的因素，等等。主要研究工作和结论概括如下： 1、通过对种子在充种区的受力分析，建立了在该区域的受力模型，推出了真空度计算公式，试验结果与理论计算值基本一致； 2、通过正交试验找出影响排种器性能的主要因素，在真空度一定的情况下，主次因素依次是排种盘吸孔孔径、转速以及吸孔孔数； 3、在真空度一定的条件下，随着吸孔孔径的增大，排种性能提高，当孔径达到一定值后，因漏气量的增加而使排种性能下降。通过孔径合格指数、漏播指数的回归方程 η=87.3087-3.7963x-0.7437x2+0.1913x3 与 Ψ=3.4483+0.6178x +0.1867x2-0.0328x3 的计算，适合于农大10号水稻种子的孔径d取2.3mm比较合适； 4、在机速一定的条件下，随着吸孔孔数的增加，排种盘转速降低，充种时间增加，排种性能逐渐提高，当孔数增加到一定值后，因孔与孔之间的间距较短而出现相互干扰现象，排种盘上种子排列出现混乱现象，使得投种后种子着地分布的均匀性降低。通过孔数的合格指数、漏播指数回归方程 η=84.198+1.024x-0.02x2-0.003x3 与 Ψ=5.542-0.545x +0.02x2 计算，适合本次设计的排种盘的吸孔孔数选择54比较合适； 5、真空度是种子能顺利吸附到吸孔上的最重要保证，其过大或过小都严重影响排种性能。如过小，吸力不足，漏播指数增大；如过大，每孔吸附不止一粒的数量增加； 6、通过高速摄像检测与实测结果对比可知，前者的性能指标要比后者高一些，这说明在种子投种阶段种子的均匀性发生了变化，如果对投种阶段能进行有效的控制，那么排种器性能将有很大的提高潜力，播种机的效率也将得到提高； 7、从断芽与没断芽种子的出苗对比情况来看，都基本出全苗，但断芽对种子出苗要晚1-2天，说明还是有一定的影响，因此需要控制断芽损伤，其中 最好的方法就是控制胚芽的长度，种子催芽露白，一般芽长1-3mm，最好控制在1.5mm以下为宜，此时胚芽较粗壮，不易损伤。 8、种子飞出现象：通过高速摄像分析，种子飞出的原因是排种盘转速较高，种子经过清种器时被清掉的种子中有少量种子没有回落到种室内，进入排种通道；对种子飞出现象提出改善措施。 9、通过高速摄像分析，对不能靠重力完成投种的种子采取推种板强制投种；投种后种子的翻转是造成分布不均的主要原因之一。