自擾動(dòng)內(nèi)充型孔輪式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

都 鑫，劉彩玲，姜萌，張福印，袁 昊，楊洪雪

自擾動(dòng)內(nèi)充型孔輪式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

都 鑫，劉彩玲※，姜萌，張福印，袁 昊，楊洪雪

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

為提高機(jī)械式排種器的工作性能，該文從增加充種區(qū)種群活躍度、降低種群內(nèi)摩擦力的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種自擾動(dòng)內(nèi)充型孔輪式玉米精量排種器，分析了種子在擾種條上運(yùn)動(dòng)情況和充種原理，完成排種盤的參數(shù)設(shè)計(jì)。采用離散元軟件EDEM對排種器進(jìn)行仿真試驗(yàn)，以排種盤轉(zhuǎn)速、擾種條形式、排種盤圓臺錐角、擾種條半徑為試驗(yàn)因素，以排種單粒率、重播率、漏播率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行單因素試驗(yàn)和二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)。應(yīng)用Design-Expert8.0.6對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了單粒率、重播率、漏播率和試驗(yàn)指標(biāo)之間的數(shù)學(xué)模型，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，得出最佳參數(shù)為：排種盤轉(zhuǎn)速8.4 r/min，螺旋擾種條，排種盤圓臺錐角38.6°，擾種條半徑1.24 mm，此時(shí)排種單粒率為96.29%，重播率為2.55%，漏播率為1.15%。在最優(yōu)參數(shù)組合下進(jìn)行臺架試驗(yàn)，排種器的單粒率、重播率和漏播率分別為95.4%、1.6%和3.0%；且當(dāng)排種盤轉(zhuǎn)速在8.40～16.67 r/min（對應(yīng)工作速度為4.94～9.75 km/h）時(shí)，排種單粒率大于91.4%，重播率小于1.6%，漏播率小于7.3%，傷種率小于0.44%，排種效果優(yōu)于勺輪式排種器，滿足玉米單粒精播的農(nóng)藝要求，對播種機(jī)作業(yè)速度適應(yīng)范圍廣?；贓DEM離散元法的排種器仿真試驗(yàn)為排種器性能參數(shù)的確定提供參考且縮短設(shè)計(jì)周期，該研究可為提高機(jī)械式排種器充種性能提供參考，為玉米精量播種機(jī)的設(shè)計(jì)提供研究基礎(chǔ)。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；精量排種器；擾種；參數(shù)優(yōu)化；內(nèi)充種；離散單元法

0 引 言

玉米精量播種技術(shù)是依據(jù)農(nóng)藝要求按照一致的行距、株距、深度將種子精確播入土壤，省去間苗等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的高效種植技術(shù)，因其具有顯著的節(jié)本增效優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[1-2]。精量排種器是實(shí)現(xiàn)精量播種的關(guān)鍵部件，因此成為國內(nèi)外學(xué)者研究精量播種的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[3]。

精量排種器按充種方式主要有內(nèi)充、側(cè)充、外充、側(cè)充與外充相結(jié)合等形式，其中內(nèi)充充種可利用種子重力、離心力、種群擠壓力等，充種合力更大，有利于種子充入型孔[4]。鑒于內(nèi)充種方式良好的充種性能，馬連元等[5-6]設(shè)計(jì)了 “大孔”充種、“小孔”定量的敞口復(fù)式型孔內(nèi)充排種器，由于充種合力和型孔容積增大，充種效果較一般機(jī)械式排種器得到了提高，但單粒率不高；Singh等[7-8]發(fā)現(xiàn)種子的幾何尺寸決定排種器型孔形狀、尺寸等參數(shù)，直接影響排種精度；廖慶喜等[9]設(shè)計(jì)的內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器，內(nèi)充種方式達(dá)到了優(yōu)良的充種效果，但氣吹投種增加能耗；劉佳等[10]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械氣力組合式玉米精密排種器，采取內(nèi)充種方式和氣吹單粒留種原理，空穴率低，單粒率受工作壓強(qiáng)影響大；崔濤等[4]設(shè)計(jì)了清種和壓種2個(gè)氣嘴對穴孔內(nèi)種子分別進(jìn)行清種和壓種，單粒率得到提高。

上述研究對玉米內(nèi)充精量排種器進(jìn)行了改進(jìn)或優(yōu)化，取得了一定的研究成果，但多為輔助氣力式排種方式，存在排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、能耗大、價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)[11-14]。機(jī)械式排種器結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價(jià)格低廉，目前在中國仍大量使用[15-16]。同時(shí)史嵩等[11]研究發(fā)現(xiàn)，對種群施加擾動(dòng)會(huì)降低種子間內(nèi)摩擦力，進(jìn)而提高充種效果。陳進(jìn)等[17]利用電磁激振的方法，擾動(dòng)種群，使種群產(chǎn)生“沸騰”，提高了排種器充種性能[18]。

為提高機(jī)械式排種器的充種率和對速度的適應(yīng)性，本文基于內(nèi)充式排種器的研究基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種自擾動(dòng)內(nèi)充型孔輪式玉米精量排種器。以鄭單958為研究對象，對排種器充種原理和擾種條擾種原理進(jìn)行理論分析，利用離散元仿真軟件EDEM優(yōu)化關(guān)鍵參數(shù)，自制排種器并通過臺架試驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果，以期為機(jī)械式玉米精量排種器的設(shè)計(jì)與研究提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

排種器結(jié)構(gòu)如圖1a所示，由種箱1、殼體2、護(hù)種環(huán)3、軟毛條帶4、傳動(dòng)盤5、毛刷6、強(qiáng)制清種輪7、排種盤8、傳動(dòng)軸9等組成。按功能和作業(yè)順序工作區(qū)可分為初充種區(qū)、復(fù)充種區(qū)、清種區(qū)、護(hù)種區(qū)和投種區(qū)，如圖1b所示。

1.種箱 2.殼體 3.護(hù)種環(huán) 4.軟毛條帶 5.傳動(dòng)盤 6.毛刷 7.強(qiáng)制清種輪 8.排種盤 9.傳動(dòng)軸

1. Seed box 2. Shell 3. Seed-protecting device 4. Soft stripe 5. Drive disc 6. Brush 7. Forced clearing wheel 8. Seed-metering disc 9. Transmission shaft

a. 排種器結(jié)構(gòu)

a. Structure of seed-metering device

I.初充種區(qū) II.復(fù)充種區(qū) III.清種區(qū) IV.護(hù)種區(qū) V.投種區(qū) 1.殼體 2.排種帶 3.軟毛條帶 4.護(hù)種環(huán)

I. Initial filling area II. Second filling area III. Clear seed IV. Seed protection zone V. Seed feeding area 1. Shell 2. Seed-metering disc 3. Soft stripe 4. Seed-protecting device

b. 排種器工作區(qū)域

b. Seed-metering device working area

圖1 排種器結(jié)構(gòu)及工作區(qū)域

Fig.1 Seed-metering structure and working area

如圖1b可以看出，排種器工作過程分為初次充種、復(fù)充種、重力清種、毛刷護(hù)種和重力投種5個(gè)過程。排種盤內(nèi)錐面上設(shè)置擾種條，工作時(shí)種箱內(nèi)種子由殼體上部開口進(jìn)入初充種區(qū)I和復(fù)充種區(qū)II內(nèi)，初充種區(qū)I內(nèi)種子在排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)被囊入型孔，即初次充種。重心偏低的側(cè)臥種子被毛刷梳理成平躺姿態(tài)，重心偏高的豎立種子大多被清出型孔。未充種的型孔在復(fù)充種區(qū)II進(jìn)行第二次充種。型孔內(nèi)充入多于1粒種子時(shí)，在清種區(qū)III受重力作用掉出型孔。軟毛條帶柔韌性強(qiáng)，可避免側(cè)臥或豎立狀態(tài)的種子和排種盤壁直接接觸，降低種子損傷[19]。種子受重力作用在投種區(qū)V掉落，否則被強(qiáng)制清種輪頂出型孔。

該排種器通過增加擾種裝置和2次充種改善了充種效果，提高了對播種速度的適應(yīng)性，軟毛條帶形式的柔性護(hù)種裝置降低了對種子的損傷。

2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 排種盤

排種盤是影響充種性能的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)如圖2所示。排種盤為圓環(huán)和圓臺的組合體，圓環(huán)上有通透的型孔，實(shí)現(xiàn)囊種與排種；圓臺內(nèi)表面有擾種條，攪動(dòng)種群，避免種子“結(jié)拱”以提高充種效果。

1. 擾種條 2. 型孔 3. 圓臺 4. 圓環(huán)

1. Seed-disturbing strips 2. Hole 3. Round table 4. Ring

注：為圓臺錐角，（°）；為圓環(huán)直徑，mm；1為螺旋線底徑，mm；為排種盤寬度，mm；1為圓環(huán)寬度，mm；為型孔深度，mm；0為型孔直徑，mm。

Note:represents angle of the round table,（°）；represents diameter of the ring, mm；1represents bottom-diameter of the helical line, mm；represents width of the seed-metering plate, mm；1represents width of the ring, mm；represents depth of the hole, mm；0represents diameter of the hole, mm.

圖2 排種盤結(jié)構(gòu)與參數(shù)

Fig.2 Structure and parameters of seed-metering disc

根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[20]，排種盤直徑一般為80～200 mm，直徑不宜過小，否則高速播種時(shí)排種盤轉(zhuǎn)速很高，不利于種子充入型孔造成漏播；排種盤直徑過大，導(dǎo)致排種器尺寸、質(zhì)量、加工難度和成本增加，參考市場上常用的機(jī)械式排種器如水平圓盤式排種器、勺輪式排種器和指夾式排種器，排種盤直徑多為180～220 mm。因此，選取排種盤圓環(huán)直徑為200 mm。排種盤圓臺錐角為待優(yōu)化參數(shù)。排種盤寬度為，型孔所在圓環(huán)寬度1，參考下文鄭單958玉米種子長度確定1為14 mm；排種盤寬度參考現(xiàn)有內(nèi)充排種器確定為42 mm。

2.1.1 型孔參數(shù)確定

型孔參數(shù)直接影響排種器的充種、攜種和投種過程，是排種器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。型孔的結(jié)構(gòu)形式、容積、種子趨近型孔的姿態(tài)、種子在型孔中的排列狀態(tài)和穩(wěn)定程度都直接影響排種精確性。本文以河南大成種業(yè)有限公司生產(chǎn)的“豐樂”牌鄭單958玉米扁平馬齒形雜交種為研究對象，隨機(jī)選取100粒玉米種子，對其長d、寬d、厚h進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中：種子長度d正態(tài)分布均值為10.67 mm；種子寬度d正態(tài)分布均值為8.92 mm；種子厚度h正態(tài)分布均值為5.73 mm。

扁平種子充種姿態(tài)有“平躺”、“側(cè)臥”和“豎立”3種[21]，依據(jù)概率法進(jìn)行計(jì)算得“平躺”、“側(cè)臥”和 “豎立”3種姿態(tài)的充種概率分別為61%、23%、16%，“平躺”和“側(cè)臥”姿態(tài)最穩(wěn)定。機(jī)械式單粒囊種型孔結(jié)構(gòu)形式有長方孔、半圓孔和圓孔，對于長方孔和半圓孔充種時(shí)需確保種子長軸和型孔長軸方向一致，但充種區(qū)的種子分布雜亂無序，難以順利充入型孔。圓形型孔對充種姿態(tài)的適應(yīng)性提高，種子充填幾率變大，所以設(shè)計(jì)型孔結(jié)構(gòu)為圓形。

為確保型孔充入單粒種子，根據(jù)種子的充種姿態(tài)對型孔的極限尺寸進(jìn)行分析，如圖3所示。

注：dl為種子長度，mm；d0為型孔直徑，mm；dw為種子寬度，mm；Δd為型孔直徑間隙，mm；ht為種子厚度，mm；1為型孔；2為平躺種子；3為側(cè)臥種子；4為豎立種子。

圖3a為種子平躺充入型孔時(shí)型孔最小直徑尺寸分析，此時(shí)種子沿長度方向上對稱軸與型孔直徑重合，間隙Δ為種子長度d與型孔直徑0的差值，型孔直徑和種子尺寸滿足下述關(guān)系

由式（1）計(jì)算得出，種子平躺充入型孔時(shí)型孔直徑0最小為12.53 mm。

圖3b為種子側(cè)臥充入型孔時(shí)容納2粒側(cè)臥種子的最小尺寸分析，極限條件為半個(gè)型孔可容納1粒側(cè)臥種子，型孔直徑和種子尺寸滿足下述關(guān)系：

由式（2）計(jì)算得出，型孔容納單粒側(cè)臥種子時(shí)直徑0不能超過14.19 mm。

圖3c為種子側(cè)臥充入型孔時(shí)型孔容納1粒側(cè)臥種子和1粒豎立姿態(tài)種子的型孔最小尺寸分析，型孔直徑和種子尺寸滿足下述關(guān)系：

由式（3）計(jì)算得出，種子同時(shí)充入側(cè)臥和豎立姿態(tài)種子時(shí)型孔最小直徑0為14.34 mm?；谏鲜龇治觯_保型孔只充入單粒種子當(dāng)型孔直徑應(yīng)滿足12.53 mm<0<14.19 mm，考慮玉米種子尺寸不一致，為減小重播率確定型孔直徑0為12.7 mm。

型孔深度的設(shè)計(jì)需考慮種子重心在型孔內(nèi)，確保種子不會(huì)被毛刷清理掉，由圖2可得型孔深度和種子尺寸關(guān)系為

式中D為型孔深度間隙，1.5 mm；Δ為軟毛條帶可收縮高度，4 mm，計(jì)算得型孔深度為5.2 mm。

由式（4）計(jì)算得出型孔深度為5.2 mm。為提高充種概率，型孔上表面設(shè)計(jì)0.8 mm的45°倒角；型孔下表面設(shè)計(jì)0.8 mm寬的80°倒角，便于種子順利投落。

排種盤直徑一定時(shí)，型孔數(shù)量越多排種盤旋轉(zhuǎn)一周落下的種子越多；株距一定時(shí)，排種盤轉(zhuǎn)速越低，有利于提高充種性能。排種盤圓環(huán)直徑為200 mm，按照型孔直徑0為12.5 mm，均布型孔個(gè)數(shù)最多為44 個(gè)。機(jī)械式玉米排種器作業(yè)速度一般為3～9 km/h，根據(jù)《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》，排種盤線速度v一般不大于0.2 m/s，玉米播種株距為25 cm，排種盤圓環(huán)上型孔的個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足

式中為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min；v為播種機(jī)作業(yè)速度，m/s；為株距，m。

2.1.2 擾種條

散粒體種子在重力作用下相互堆積[22]，種群底部易形成準(zhǔn)直線形的力鏈，力鏈相互鏈接結(jié)拱[23]，使種群活躍度降低造成漏充。為提高種群活躍度，在排種盤內(nèi)表面設(shè)置擾種條，通過擾種條刮動(dòng)充種區(qū)的種子使型孔上方種群力鏈斷開，使型孔上方種子產(chǎn)生跳動(dòng)。為探索擾種條形式對擾種效果的影響，共設(shè)計(jì)3種形式的擾種條。

擾種條在排種盤圓臺內(nèi)表面，起于圓臺內(nèi)表面近型孔側(cè)，終于圓臺內(nèi)表面小徑端，依據(jù)型孔個(gè)數(shù)設(shè)計(jì)擾種條數(shù)量為39條，擾種條和型孔交錯(cuò)排布，擾種條末端指向2個(gè)相鄰型孔隔墻的中間，截面為半圓形。擾種條半徑影響擾種條對種群的擾動(dòng)強(qiáng)度，過小則對種群擾動(dòng)效果不明顯，過大種群跳動(dòng)量大充種效果差，為待優(yōu)化參數(shù)。

根據(jù)種子在擾種條上所受切向力方向設(shè)計(jì)3種擾種條的軌跡線方向：1）直擾種條：種子受切向力方向與圓臺母線夾角為0；2）斜擾種條：種子受切向力方向與圓臺母線夾角為12°；3）螺旋擾種條：種子受切向力方向與圓臺母線夾角在0～32°范圍內(nèi)變化，螺旋方向和排種盤轉(zhuǎn)向相反，根據(jù)2.1確定的排種盤參數(shù)得到螺旋線參數(shù)為：螺旋線參數(shù)底徑1為149 mm，錐頂半角為90°-（為圓臺錐角，（°）），螺旋線高度為18 mm，螺距為500 mm。

2.2 充種過程理論分析

種子充入型孔是一個(gè)復(fù)雜的受力過程，為便于分析種子的充填過程，將種子充入型孔的過程簡化為2個(gè)步驟：首先為種子隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)沿?cái)_種條向型孔的運(yùn)動(dòng)，需對種子在擾種條上的受力情況進(jìn)行分析，保證種子沿?cái)_種條平穩(wěn)滑向型孔；其次為種子與型孔之間的相對運(yùn)動(dòng)，種子順利充入型孔需要一定的充種時(shí)間，在型孔尺寸確定的前提下轉(zhuǎn)化為分析種子與型孔間相對運(yùn)動(dòng)的極限速度。

2.2.1 種子在擾種條上的受力分析

種子在擾種條上的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜的不斷變化的動(dòng)態(tài)力學(xué)系統(tǒng)。為便于分析種子的運(yùn)動(dòng)過程，以單粒玉米種子為研究對象，假定其為一剛性質(zhì)點(diǎn)，以種子質(zhì)心為原點(diǎn)，建立如圖4所示的坐標(biāo)系，軸方向通過種子與擾種條側(cè)面接觸點(diǎn)并沿切線方向與圓臺母線平行，軸垂直于擾種條側(cè)面且與圓臺母線平行，軸通過種子與圓臺內(nèi)表面的接觸點(diǎn)且垂直于圓臺內(nèi)表面，圖5為力系投影圖。

注：x、y、z為坐標(biāo)軸；O為種子質(zhì)心、坐標(biāo)系原點(diǎn)；G為種子重力，N；Fc為離心力，N；f1為種子與圓臺內(nèi)表面摩擦力，N； f2為種子與擾種條表面摩擦力，N； Fk為科氏力，N；N1為圓臺內(nèi)表面對種子的支持力，N；N2為擾種條表面對種子的支持力，N。

為使種子沿?cái)_種條向型孔方向運(yùn)動(dòng)，種子沿?cái)_種條所受切向力應(yīng)大于種子與排種盤的摩擦力

式中G為以錐角分解而得的切向力，N；G為以擾種條切線角分解而得的切向力，N；1為種子與圓臺內(nèi)表面摩擦力，N；2為種子與擾種條表面摩擦力，N。

注： 1為正視方向的排種盤錐面；2為側(cè)視方向的排種盤錐面；3為擾種條；為種子質(zhì)心；為充種角，(°)；為錐角，(°)；為擾種條切線角，(°)；G為重力以充種角分解而得的法向力，N；G為以充種角分解而得的切向力，N；G為G以錐角分解而得的法向力，N；G為G以錐角分解而得的切向力，N；G為G以錐角分解而得的法向力，N；G為G以錐角分解而得的切向力，N；F為F以擾種條切線角分解而得的法向力，N；F為F以擾種條切線角分解而得的切向力，N；G為G以擾種條切線角分解而得的法向力，N；G為G以擾種條切線角分解而得的切向力，N；F為F以擾種條切線角分解而得的法向力，N；F為F以擾種條切線角分解而得的切向力，N。

Note:1 represents cone of eye view; 2 represents cone of side view; 3 represents disturbing strip;represents seed centroid;represents the filling angle，(°)；represents the angle of cone(°)；represents the tangential angle of the helical strip(°)；Grepresents the normal force ofdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofdecomposed by the angle，N；Grepresents the normal force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the normal force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofGdecomposed by the angle，N；Frepresents the normal force ofFdecomposed by the angle，N；Frepresents the tangential force ofFdecomposed by the angle，N；Grepresents the normal force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofGdecomposed by the angle，N；Frepresents the normal force ofFdecomposed by the angle，N；Frepresents the tangential force ofFdecomposed by the angle，N.

圖5 力系投影圖

Fig.5 Force system projection

由圖4所示、、軸上的各力建立平衡方程可得

如圖5所示，將重力、離心力F依次正交分解可得

其中

式中為種子質(zhì)量，kg；為重力加速度，9.81kg/m2；為角速度，rad/s；為種子所在位置半徑，m；為種子與排種盤靜摩擦系數(shù)，0.482；1為種子受圓臺內(nèi)表面的支持力，N；2為種子受導(dǎo)種條的支持力，N；為種子相對速度，m/s。由式(6)～(9)整理并計(jì)算得

上式中，影響種子與擾種條間相對運(yùn)動(dòng)的參數(shù)只有排種盤轉(zhuǎn)速、錐盤錐角和擾種條切線角，其中擾種條切線角由擾種條形式?jīng)Q定。多數(shù)種子在充種角為-10°～30°進(jìn)入型孔。當(dāng)充種角為-10°（以種子在排種盤所處位置最低點(diǎn)為0°，與排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反為負(fù)），錐盤錐角為38.4°，擾種條切線角為32°，得到種子沿?cái)_種條順利滑向型孔所需排種盤轉(zhuǎn)速不小于3.98 r/min。

2.2.2 種子相對極限速度的分析

種子與型孔間存在相對速度是種子充入型孔的必要條件，為分析種子與型孔間的相對運(yùn)動(dòng)對種子充種過程的影響，受力分析[24]如圖6所示，軸通過種子質(zhì)心與排種盤相切，軸垂直于軸且過排種盤圓心。

注：1為排種盤；為坐標(biāo)軸；為坐標(biāo)系原點(diǎn)；為種子重力，N；F為支持力，N；為種子與圓環(huán)內(nèi)表面摩擦力，N；F為上層種群給種子壓力，N；F為離心力，N；為種子所在充種區(qū)充種角度，(°)；為排種盤角速度，（rad·s-1）。

Note:1 represents disc;represents axis of coordinates；represents origin of coordinate system；represents seed gravity, N；Frepresents support power, N；represents friction between seed and ring inner surface, N; Frepresents seed pressure from upper population, N; Frepresents centrifugal force, N;representsfilling angle of seed filling area,(°);represents angular velocity of seed metering plate, (rad·s-1).

圖6 充種過程力學(xué)分析

Fig.6 Force analysis of filling process

根據(jù)圖6建立單粒玉米種子在排種盤上的運(yùn)動(dòng)方程

得到即將充入型孔的種子方向加速度為

＞0時(shí)種子和排種盤相對運(yùn)動(dòng)速度較大不利于種子充填；≤0種子和種盤相對運(yùn)動(dòng)速度較小可以延長種子充入型孔時(shí)間。分析臨界狀態(tài)=0時(shí)種子進(jìn)入型孔時(shí)的種子運(yùn)動(dòng)學(xué)分析如圖7所示，v為種子相對排種盤的運(yùn)動(dòng)速度。

注：d0為型孔直徑，mm；dwo為種子重心相對排種盤高度，mm；dl0為種子重心與胚芽端距離，mm；ht0為種子重心與型孔壁距離，mm；vr為種子運(yùn)動(dòng)速度，（m·s-1）； c為倒角長度，mm； n為排種盤轉(zhuǎn)速，（r·min-1）。

為使種子順利充入型孔，排種盤極限轉(zhuǎn)速max需滿足

式中為種子充入型孔所需時(shí)間，mm；為上倒角寬度，mm。由上式得出排種盤極限轉(zhuǎn)速max需小于25.65 r/min。

基于種子在擾種條上的力學(xué)和種子充入型孔的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得出：影響種子與擾種條間相對運(yùn)動(dòng)的參數(shù)有排種盤轉(zhuǎn)速、錐盤錐角和擾種條切線角，其中擾種條切線角由擾種條形式?jīng)Q定；影響種子充入型孔的參數(shù)為排種盤轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速越大越不利于種子充入型孔。

3 排種器工作性能的離散元仿真分析

3.1 仿真平臺的搭建

將SolidWorks軟件創(chuàng)建的排種器三維模型精簡后導(dǎo)入仿真軟件EDEM，如圖8所示。根據(jù)前述鄭單958玉米種子的三軸尺寸，通過多球面組合填充方式建立顆粒模型，顆粒間及顆粒與排種器間接觸模型選擇Hertz-Mindlin無滑動(dòng)模型。排種盤為ABS工程材料注模加工，毛刷材料尼龍，玉米種子、排種盤和毛刷在仿真中的具體參數(shù)如表1所示[25-27]。為驗(yàn)證模型和仿真邊界參數(shù)的正確性進(jìn)行了玉米種子的堆積角驗(yàn)證試驗(yàn)，實(shí)測休止角與仿真測定休止角相差6.07%，誤差較小，建模精度較高，可用于仿真試驗(yàn)研究[28]。

1. 排種盤 2. 種子

表1 材料的物理特性參數(shù)

在EDEM軟件中根據(jù)種子的三軸尺寸分布，設(shè)置顆粒工廠顆粒尺寸按正態(tài)分布產(chǎn)生，標(biāo)準(zhǔn)差Std Dev設(shè)置為0.1，生成顆粒的尺寸極限最小為平均值的0.7倍，最大為平均值的1.17倍，仿真中種子顆粒數(shù)量定為800，生成速率為5 000粒/s，時(shí)間步長為3.91′10-6s 。

3.2 種層擾動(dòng)對充種性能的影響

3.2.1 擾種條形式對充種性能的影響

對圖4所示4種不同形式排種盤進(jìn)行充種過程仿真分析，探討擾動(dòng)對充種性能的影響。試驗(yàn)參照GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，測定251粒種子，計(jì)算單粒率（1粒/穴）、重播率（大于等于2粒/穴）、漏播率（0粒/穴）。

為分析不同擾種條對種群擾動(dòng)的影響，基于前期仿真試驗(yàn)，在擾種條截面半徑1 mm、圓臺錐角40°、排種盤轉(zhuǎn)速5 r/min時(shí)得到4種排種盤種群動(dòng)能瞬時(shí)變化規(guī)律如圖9所示。種群動(dòng)能為仿真區(qū)域中所有種子顆粒在時(shí)間步內(nèi)所具有的動(dòng)能總和，反應(yīng)種群的活躍程度。

由圖9可以看出：有無擾種條對種群動(dòng)能影響顯著，無擾種條時(shí)，種群動(dòng)能小于1.0×10-8J，說明種群在充種時(shí)很不活躍；有擾種條時(shí)，動(dòng)能最小為2.0×10-7J，比無擾種條大一個(gè)數(shù)量級，動(dòng)能呈現(xiàn)波動(dòng)變化，說明擾種條能有效帶動(dòng)種群使其活躍起來；不同擾種條對種群動(dòng)能影響程度也不同，螺旋擾種條對種群動(dòng)能最大且波動(dòng)明顯，最大為2.0×10-6J，說明螺旋擾種條能更大程度擾動(dòng)種群，因?yàn)槁菪龜_種條的切線角是不斷變化的，充種角變大種子也能沿?cái)_種條運(yùn)動(dòng)，擾動(dòng)種群范圍大，即種群動(dòng)能大；直、斜擾種條種群動(dòng)能變化量為2.0×10-7~1.7×10-6J，因?yàn)殡S著充種角的增大，擾種條的切線角是定值，分別為0、12°，種子難以沿?cái)_種條運(yùn)動(dòng)，擾動(dòng)種群范圍較小。

圖9 排種盤形式和種群動(dòng)能關(guān)系

3.2.2 擾種條半徑對充種性能的影響

種群擾動(dòng)量過小，種群間易相互堆積易形成力鏈；相反，種群擾動(dòng)過大導(dǎo)致充種合力降低，亦不利于種子充入型孔，因此合適的種群擾動(dòng)量和擾動(dòng)形式對充種性能影響重大。其中，擾種條半徑和種群擾動(dòng)量緊密相關(guān)。為探索擾種條半徑對充種性能的影響，在排種盤轉(zhuǎn)速為15 r/min，圓臺錐角為40°時(shí)分析了3種形式擾種條半徑分別為0.25、0.5、1、1.5、2 mm時(shí)排種器的充種情況，結(jié)果如表2所示。

表2 不同擾種條半徑、擾種條形式和充種性能的關(guān)系

結(jié)果表明擾種條半徑大小影響排種盤充種性能，其中單粒率隨的增大先增大后減小，說明擾種條半徑增大，種群擾動(dòng)量隨之增大，單粒率得到提高，當(dāng)擾種條半徑為1.00 mm時(shí)充種效果最好，直擾種條、斜擾種條、螺旋擾種條的單粒率分別為94.80%、94.00%、95.20%，擾種條半徑繼續(xù)增大，導(dǎo)致種群擾動(dòng)量過大使種群受較大的法向力，降低了充種合力，所以充種效果變差；各擾種條半徑下，螺旋式擾種條充種效果都優(yōu)于直擾種條和斜擾種條，因?yàn)榉N群擾動(dòng)務(wù)必會(huì)使種子產(chǎn)生與充種力方向相反的法向跳動(dòng)，導(dǎo)致充種力減小。說明螺旋式擾種條在擾動(dòng)種群的同時(shí)對種子充種合力的影響最小，是最有利于種群充種的擾種條形式。最終確定螺旋擾種條結(jié)構(gòu)形式為本文研究對象。

3.3 圓臺錐角對充種性能的影響

由2.2.1分析可知，排種盤圓臺錐角對種子在擾種條上的運(yùn)動(dòng)有影響。為明確圓臺錐角對充種性能的影響情況，在排種盤轉(zhuǎn)速為15 r/min，擾種條半徑為1 mm，圓臺錐角分別為35°、40°、45°、50°條件下分析螺旋擾種條的充種情況，結(jié)果如表3所示。

表3 不同圓臺錐角對充種性能的影響

結(jié)果表明圓臺錐角影響排種盤充種性能，隨圓臺錐角增大，單粒率先增大后減小，重播率和漏播率先減小后增大；圓臺錐角為40°時(shí)，充種單粒率最高為95.2%，重播率、漏播率最低分別為1.2%、3.6%。因?yàn)閳A臺錐角小，排種盤寬度不變，擾種條有效長度變大，對種群擾種效果增強(qiáng)，種群極其活躍，充種合力降低，因此充種效果較差；圓臺錐角變大，擾種條有效長度小，對種群擾動(dòng)效果不明顯，種群活躍度差，不利于種子充填。

3.4 響應(yīng)曲面試驗(yàn)分析

基于前述分析和已有研究[23-25]，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以螺旋擾種條為研究對象，以排種盤轉(zhuǎn)速1、圓臺錐角2和擾種條半徑3為試驗(yàn)因素，單粒率1、重播率2和漏播率3為試驗(yàn)指標(biāo)，設(shè)計(jì)三因素五水平二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)，設(shè)計(jì)因素與水平如表4所示。

二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表5所示,1、2、3分別為1、2、3的因素編碼值。

表4 設(shè)計(jì)因素與水平

利用Design-Expert8.0.6軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合分析，表6為單粒率、重播率、漏播率的回歸模型方差分析?？梢钥闯?，單粒率、重播率、漏播率的二次回歸模型均高度顯著，失擬項(xiàng)均不顯著，回歸方程不失擬。

表5 設(shè)計(jì)方案與結(jié)果

注：1、2、3分別為排種盤轉(zhuǎn)速1、圓臺錐角2和擾種條半徑3的因素編碼值。

Note：1,2, and3are the factor code values of the disc rotation speed1, the cone angle2, and the disturbance strip radius3, respectively.

依據(jù)系數(shù)間不存在線性相關(guān)性，經(jīng)逐步回歸法剔除不顯著因素得各因素與單粒率1、重播率2、漏播率3回歸響應(yīng)面方程分別為

方差分析表明，三因素對單粒率影響的主次順序依次為排種盤轉(zhuǎn)速>圓臺錐角>擾種條半徑；對重播率影響的主次順序依次為排種盤轉(zhuǎn)速>擾種條半徑>圓臺錐角；對漏播率影響的主次順序依次為排種盤轉(zhuǎn)速>圓臺錐角>擾種條半徑。圓臺錐角和擾種條半徑的交互項(xiàng)23對單粒率、重播率和漏播率影響均極顯著。

為分析交互項(xiàng)對試驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律，應(yīng)用Design- expert 8.0.6 軟件得到在排種盤轉(zhuǎn)速為8.40 r/min，圓臺錐角和擾種條半徑交互作用對單粒率、重播率和漏播率的響應(yīng)曲面，在擾種條半徑為1.24 mm，排種盤轉(zhuǎn)速和圓臺錐角交互作用對漏播率的響應(yīng)曲面如圖10所示。

表6 單粒率、重播率和漏播率回歸模型的方差分析

注： MSE 為均方差，<0.01表示極顯著；0.01<<0.05表示顯著；>0.05表示不顯著。

Note：MSE means mean square error,<0.01means highly significant; 0.01<<0.05 means significant;>0.05 means nosignificant.

圖10 試驗(yàn)因素對各指標(biāo)的響應(yīng)面圖

圖10a說明單粒率隨擾種條半徑和錐盤錐角的增大先增大后減小，分別在1.20～2.00 mm和38°～45°到達(dá)最大值。圖10b說明重播率隨擾種條半徑和錐盤錐角的增大先減小后增大，分別在0.40～1.20 mm和39°～46°達(dá)到最小值。圖10c說明漏播率隨擾種條半徑和錐盤錐角的增大先減小后增大，分別在1.20～1.90 mm和37°～47°達(dá)到最小值。

分析其原因可知：擾種條半徑大，種群法向跳動(dòng)量大，擾動(dòng)劇烈，充種合力被削弱；擾種條半徑小，擾動(dòng)效果不明顯，種子間相對運(yùn)動(dòng)較少。錐盤錐角大，種群受徑向擾動(dòng)小，不利于種子沿?cái)_種條下滑；錐盤錐角??；種群受軸向擾動(dòng)力小，種子擾動(dòng)量小。

為尋求約束條件范圍內(nèi)各因素最優(yōu)組合，以排種器單粒率最大，重播率和漏播率最小為評價(jià)指標(biāo)。對充種性能指標(biāo)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件如下：

利用Design-expert 8.0.6軟件對回歸方程進(jìn)行優(yōu)化求解后得到，排種盤轉(zhuǎn)速8.4 r/min，排種盤圓臺錐角38.6°，排種盤擾種條半徑1.24 mm時(shí)，單粒率、重播率和漏播率分別為96.29%、2.55%和1.15%。在此條件下重復(fù)3次仿真試驗(yàn)，得排種器單粒率、重播率和漏播率分別為96.76%、2.15%和1.09%，單粒率、重播率和漏播率與仿真試驗(yàn)誤差分別為0.49%、15.69%和5.22%，誤差較小，表明回歸方程可靠性較高。

4 臺架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證實(shí)際工作中排種盤的工作性能，利用美國Stratasys公司生產(chǎn)的Dimension Elite三維打印機(jī)（精度為0.178 mm，打印材料為ABS）注塑成型不同參數(shù)的排種盤，在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院JPS-12多功能排種試驗(yàn)臺上進(jìn)行不同速度下的排種性能試驗(yàn)，如圖11所示。試驗(yàn)用玉米種子為河南大成種業(yè)有限公司生產(chǎn)的“豐樂”牌鄭單958玉米雜交種，千粒質(zhì)量307 g，含水率11.5%。

1. 排種器 2. 安裝架 3. 種床帶 4. 控制電機(jī)

4.2 試驗(yàn)方法和指標(biāo)

為對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證：1）在排種盤轉(zhuǎn)速15.00 r/min、錐角40.0°、擾種條半徑1.00 mm 條件下不同形式擾種條排種盤的充種性能；2）在最優(yōu)參數(shù)（排種盤轉(zhuǎn)速8.40 r/min、錐角38.6°、螺旋擾種條、擾種條半徑1.24 mm）下的充種性能，并進(jìn)一步將排種盤轉(zhuǎn)速分為8.40、10.00、13.33、16.67、20.00 r/min共5個(gè)梯度（對應(yīng)的機(jī)器前進(jìn)速度分別為4.94、5.85、7.80、9.75、11.7 km/h），與黑龍江省雙福機(jī)械有限公司生產(chǎn)的TS-IV型勺輪式排種器（長′寬′高為310 mm′200 mm′264 mm，勺數(shù)為18個(gè)）進(jìn)行對比，以單粒率、漏播率和破損率為試驗(yàn)指標(biāo)，每個(gè)速度水平進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)。每次試驗(yàn)參照GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》[29]，測定251粒種子，其他條件保持一致。各性能指標(biāo)計(jì)算公式如式(17)所示。

式中為單粒率，%;為漏播率，%；為破損率，%；1為單粒種子穴數(shù)，穴；2為空穴數(shù)，穴；￠為試驗(yàn)種子總穴數(shù)，穴；為破碎種子質(zhì)量，g；為種子總質(zhì)量，g。

4.3 結(jié)果與分析

1）不同形式擾種條的排種性能臺架試驗(yàn)結(jié)果如表7所示?？梢钥吹?，對于充種單粒率，螺旋式擾種條＞直擾種條>斜擾種條，與仿真結(jié)果一致，誤差分別為1.0%、1.6%、1.2%；對于漏播率，直擾種條>斜擾種條>螺旋式擾種條，誤差分別為11.1%、2.8%、11.1%。以上結(jié)果可以看出，臺架試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2）本排種器和勺輪式排種器在不同作業(yè)速度下的對照試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。本排種器在作業(yè)速度4.94 km/h（對應(yīng)轉(zhuǎn)速8.40 r/min），錐角38.6°，擾種條半徑1.24 mm的最優(yōu)參數(shù)組合下，單粒率、重播率、漏播率分別為95.4%、1.6%和3.0%，單粒率與仿真試驗(yàn)誤差為1.4%，單粒率誤差較小，重播率和漏播率誤差較大，因?yàn)槠浠鶖?shù)小，些許的變化都會(huì)導(dǎo)致較大的誤差，實(shí)際上都在允許范圍內(nèi)，加之仿真條件較為理想，并未考慮振動(dòng)的影響，實(shí)際中振動(dòng)來源較多，鏈條傳動(dòng)、安裝架等都會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。

在作業(yè)速度為4.94～9.75 km/h時(shí)，螺旋擾種條式排種器單粒率最低為91.4%，重播率1.6%，漏播率7.3%，滿足玉米精密作業(yè)的農(nóng)藝要求。相比于對照的勺輪式排種器，在作業(yè)速度低于7.80 km/h時(shí)螺旋擾種條式排種器單粒率提高有限；作業(yè)速度為7.80 km/h時(shí)，單粒率提高1.1%；作業(yè)速度9.75 km/h時(shí)，單粒率提高3.2%。高速作業(yè)時(shí)螺旋擾種條式排種器優(yōu)于勺輪式排種器，說明增加種群的擾動(dòng)提高了排種器對作業(yè)速度的適應(yīng)性。

表7 不同形式擾種條和充種性能的關(guān)系

表8 臺架試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

1）為提高機(jī)械式排種器的工作性能，設(shè)計(jì)了一種自擾動(dòng)內(nèi)充型孔輪式玉米精量排種器，增加擾種裝置，提高充種性能和對作業(yè)速度的適應(yīng)性，通過柔性護(hù)種降低了對種子的損傷。對排種盤關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過EDEM對排種盤擾種結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定排種盤直徑200 mm，型孔結(jié)構(gòu)為圓形通孔，型孔個(gè)數(shù)39，螺旋擾種條的排種盤結(jié)構(gòu)。

2）以排種盤轉(zhuǎn)速、圓臺錐角和擾種條半徑為試驗(yàn)因素進(jìn)行三因素五水平二次正交回歸旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗(yàn)建立了單粒率、重播率、漏播率指標(biāo)的回歸方程，分析了各因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響關(guān)系，確定了排種器較優(yōu)組合參數(shù)為排種盤轉(zhuǎn)速8.4 r/min，圓臺錐角38.6°，擾種條半徑1.24 mm時(shí)，排種器單粒率為96.29%，重播率為2.55%，漏播率為1.15%。

3）最優(yōu)組合參數(shù)下的臺架試驗(yàn)表明，排種盤轉(zhuǎn)速為8.4 r/min時(shí)，單粒率95.4%，重播率1.6%，漏播率3%，與仿真結(jié)果相吻合。排種盤轉(zhuǎn)速8.4～16.67 r/min（對應(yīng)的機(jī)器前進(jìn)速度為4.94～9.75 km/h）時(shí)，單粒率不小于91.4%，重播率不大于1.6%，漏播率不大于7.3%，傷種率不大于0.44%，滿足玉米精密播種的農(nóng)藝要求，且在同等作業(yè)速度下充種效果優(yōu)于勺輪式排種器，說明增加種群的擾動(dòng)提高了種子充填性能和對作業(yè)速度的適應(yīng)性。本文只針對鄭單958進(jìn)行了臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，研究成果只適用于鄭單958玉米種子。本研究為機(jī)械式玉米精量排種器的設(shè)計(jì)與研究提供了研究基礎(chǔ)。

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Design and experiment of self-disturbance inner-filling cell wheel maize precision seed-metering device

Du Xin, Liu Cailing※, Jiang Meng, Zhang Fuyin, Yuan Hao, Yang Hongxue

(100083,)

In order to increase the rate of single seed and reduce the missing and multiple rate of the mechanical precision seed-metering device, and from the perspective of reducing the seeds friction in the filling area and increasing the seeds activity, a kind of self-disturbance inner-filling cell wheel maize precision seed metering device was designed. For the mechanical metering device, the process of seeds filling into hole depends more on gravity, because of seed layer thickness is limited, the size of filling gravity will not change too much, and disturbing the seed to a certain extent will cause the seed to produce normal beating, which is not conducive to fill. So a seed disturbing strip on the inner surface of a certain inclined cone disc was designed. The advantage is that the seed on the top of the hole gets a small normal jump to decrease the seed friction, simultaneously it can ensure that the seed gets enough filling force to be filled into the hole. The movement of the seed on the disturbing strip and the principle of seed filling were analyzed, and then the parameter design of the seed metering device was completed. The hole parameters of seed metering disc were calculated, and the optimum hole size for seed filling was determined. Different types of disturbing strip are set on the conical surface of the seed metering disc, which are non-disturbing strip, direct disturbing strip, decline disturbing strip and spiral disturbing strip. The force acting on the seed disturbing strip and the relative limit velocity of the seed filling into hole were analyzed. It was determined that the radius of the seed disturbing strip, the cone angle of the cone and the rotation speed of the seed disc all affected the filling process. In order to determine the optimal seed metering parameters of the seed metering device, a discrete element software EDEM was used to simulate the seed metering device. The single factor test and the multiple quadratic rotation orthogonal combination test were carried out with the test factors of the rotation speed of the seed plate, the strip form of disturbing the seed, the cone angle of the seeding plate and the radius of the disturbing strip. Using Design-Expert 8.0.6 to analyze the test data, the mathematical model between the rate of single seed, missing , multiple sowing and the test index was obtained. The optimum parameters were as follows: The speed of the seed disc was 8.40 r/min, the disturbing strip form was spiral, the cone angle of the seed plate was 38.6°, and the radius of the disturbing strip is 1.24 mm, respectively. The single, multiple and missing rate were 96.29%, 2.55% and 1.15%, respectively. Under the optimal parameter combination, the bench test proved that the of single、multiple and missing rate were 95.4%, 2.55% and 1.15%, respectively. When the speed of the seed disc during 8.40~16.67 r/min, the single rate was more than 91.4%, multiple and missing rate were less than 2.55% and 1.15%, the seed damage rate was less than 0.44%, respectively, and the seeding effect is 3.2% higher than the scoop wheel type metering device. which could meet the agronomic requirements of the precision sowing of maize. The simulation test of the seed metering device based on EDEM discrete element method has provided references for determining the performance parameters of the seed metering device and shortens the design period. This study can provide references for improving the performance of the mechanical seed metering device.

agricultural machinery; design; precision metering device; disturbing strip; parameter optimization; inner-filling; discrete element method

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.003

S223.2

A

1002-6819(2019)-13-0023-12

2019-02-11

2019-03-21

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFD0300907）

都 鑫，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：dx2017on@163.com

劉彩玲，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械與農(nóng)業(yè)裝備研究。Email：cailingliu@163.com

都 鑫，劉彩玲，姜萌，張福印，袁 昊，楊洪雪.自擾動(dòng)內(nèi)充型孔輪式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(13)：23－34. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.003 http://www.tcsae.org

Du Xin, Liu Cailing, Jiang Meng, Zhang Fuyin, Yuan Hao, Yang Hongxue.Design and experiment of self-disturbance inner-filling cell wheel maize precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 23－34. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.003 http://www.tcsae.org