雜交稻氣力滾筒集排式排種器楔形攪種裝置設計與試驗

王寶龍，王在滿，羅錫文，張明華，方龍羽，劉順財，許 鵬

雜交稻氣力滾筒集排式排種器楔形攪種裝置設計與試驗

王寶龍1,2，王在滿1※，羅錫文1，張明華1，方龍羽1，劉順財1，許 鵬1

（1. 華南農業大學南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 海南大學園藝學院，?？?570228）

為提高雜交稻氣力滾筒集排式精量排種器的排種精度，該文設計了一種楔形攪種裝置，以解決滾筒型排種器由于充種時間短和吸種區稻種架空造成吸種精度低的問題。以厚度1、2和1～2 mm（帶有坡度，其最薄處厚度為1 mm、最大厚度處為2 mm）3種楔形攪種裝置為研究對象，簡化排種器模型，進行了攪種過程離散元仿真模擬，以吸孔附近稻種層的平均法向接觸力和平均三軸合速度為評價指標，分析了不同攪種裝置對種群內摩擦力變化的影響，得出1～2 mm帶有坡度的攪種裝置對稻種種群的攪動效果較好；以雜交稻種晶兩優1212為研究對象，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗，研究在1～2 mm帶有坡度的楔形攪種裝置下吸種負壓、滾筒轉速、清種距離（清種指到吸孔邊緣距離）對滾筒型排種器排種性能的影響。結果表明：以漏吸率（1）、合格率（2）、重吸率（3）為評價指標，預測最優組合為吸種負壓為1.60 kPa、滾筒轉速為10 r/min、清種距離為1.94 mm，其合格率為84.67%，重吸率為7.92%，漏吸率為7.41%，試驗驗證上述最優組合：合格率為86.00%，重吸率為8.47%，漏吸率為5.53%。該研究結果表明，安裝1～2 mm帶有坡度楔形攪種裝置對稻種的分離、攪動和助吸有明顯作用，可提高排種器吸種性能，為進一步優化雜交稻氣力滾筒集排式精量直播機排種性能提供依據。

作物；農業機械；試驗；雜交水稻；氣力滾筒；攪種；離散元

0 引 言

水稻種植機械化是水稻生產全程機械化中難度實現的環節，水稻種植機械化主要有機直播、機拋秧和機插秧3種模式。近年來，中國水稻機械直播技術發展很快，其中水稻精量穴直播技術省工省時、稻田通風透氣性好、病蟲害少、水稻分蘗節位低和長勢均勻等優勢，近年來推廣面積逐年增大[1-4]。

雜交水稻具有分蘗能力強和產量高等特點，已在中國廣泛推廣，2013年雜交水稻種植面積為1 617.87萬hm2，占水稻種植面積的53.37%[5-6]。現有機械式排種器主要適合中等或大播量要求，不適應雜交稻精少播量的要求。氣力式排種器具有對芽種損傷少、對稻種外形尺寸適應能力強等特點，適合精少量播種。為提高氣力式排種器排種性能，國內外近年來對氣力式排種器吸種過程中物料顆粒的分布及吸取機理進行了研究。張國忠等[7-10]設計了一種垂直圓盤式氣力排種器，對直線型和導向型攪種裝置進行了試驗研究，結果表明：攪種裝置對垂直圓盤型氣力排種器的吸種性能具有顯著影響。雷小龍等[11]設計了一種油菜小麥兼用氣送式集排器攪種裝置，分析了攪種裝置影響充種性能的主要因素，確定了攪種裝置與攪種軸的主要結構參數，采用DEM（discrete element method）方法仿真分析和臺架試驗研究了攪種裝置結構及其排布對充種性能的影響。劉月琴等[12]通過離散元法對排種器內種群的離散度、種子間的作用力和種子速度進行仿真分析。國內外對滾筒型排種器吸種過程工作參數進行了廣泛研究，但對氣力滾筒型排種器的研究都未涉及雜交稻稻種[13-19]。

氣力滾筒式排種器可實現連續轉動過程中吸種和排種，具有結構簡單、高效排種的特點，是氣力式排種器的主要類型之一。為提高雜交稻氣力滾筒集排式排種器的吸種精度，本文設計了一種帶有楔形攪種裝置的氣力滾筒集排式排種器。采用離散元法，以晶兩優1212種子為研究對象，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗，研究了吸種負壓、滾筒轉速、清種距離（清種指到吸孔邊緣距離）及不同類型攪種裝置對滾筒型排種器吸種性能的影響，進行了排種性能試驗，為氣力滾筒集排水稻精量穴直播機排種器的優化設計提供依據。

1 排種器結構及原理

1.1 總體結構

本文根據雜交稻精少量穴播的要求，設計了一種氣力滾筒集排式水稻排種器及直播機[20-22]。

如圖1a、1b所示，氣力滾筒集排式排種器主要由種箱1、外滾筒2、換氣殼體3、排種管4、送種管5、毛刷6、攪種裝置7、清種指8等組成，內外滾筒與換氣殼體3同軸安裝，在彈簧和螺桿的作用下固定的換氣殼體3與旋轉的內外滾筒貼合，攪種裝置7安裝于外滾筒表面上，換氣殼內3有正負壓腔體，處于負壓區的滾筒上的吸孔吸取種箱內稻種，多余的稻種在清種裝置的作用下返回種箱1中，余下吸附的稻種隨著滾筒的轉動轉入正壓區，在自重和正壓的作用下落入排種管4和送種管5中，在自重與正壓氣流的作用下落入播種溝中。

1.種箱 2.外滾筒 3.換氣殼體 4.排種管 5.送種管 6.毛刷7.攪種裝置 8.清種指

1.2 楔形攪種裝置的設計

稻種形狀呈現細、長、尖，有棱、有芒和絨毛、流動性差，并且滾筒類型排種器存在著吸種時間短，易在吸種區域形成架空不能吸取稻種等問題[23-25]，不利于稻種的吸附，前期試驗結果表明：在種箱下部安裝一種電磁激振裝置可有助于滾筒排種器吸種，但其不適合在田間使用。張國忠等在垂直圓盤水稻氣力排種器上設計了導向型攪種裝置與直線型攪種裝置，試驗結果顯示導向型攪種裝置對秈稻種子有分離、導向、摩擦和支撐等助吸作用，可提高排種器的排種精度。

本文在垂直圓盤導向型和直線型攪種裝置對其吸種性能影響試驗的基礎上，設計了一種楔形攪種裝置，緊固于滾筒外壁，尖端兩側分布2個吸孔，軸向5組，周向8組，貼近外徑直徑135 mm圓柱外表面，其兩端直線距離為10 mm，攪種裝置采用3D快速成型機制作，材質為ABS塑料，布置如圖1b所示，其結構如圖2所示。根據常見雜交稻種的三軸尺寸統計數據分析（如表1所示），圖2a、2b分別為厚度為1、2 mm的攪種裝置；2c為一種帶有坡度楔形攪種裝置，其最薄處厚度為1 mm、最大厚度處為2 mm。

圖2 攪種裝置示意圖

表1 6種典型雜交稻品種主要三軸尺寸平均值

2 基于離散元的攪種過程仿真與分析

2.1 顆粒模型構建

試驗選取雜交稻晶兩優1212為模型，經測量其千粒質量為21.2 g，采用滑動摩擦因數測定儀測定其滑動摩擦角為24.5°，平均三軸尺寸8.94 mm×2.30 mm×1.94 mm。按照平均三軸尺寸，采用半徑0.2 mm至1 mm的多球面顆粒堆積填充，采用EDEM模型自動計算稻種顆粒模型質量、體積和轉動慣量[26]，顆粒模型如圖3所示。

圖3 稻種模型示意圖

離散元素法是把分析對象看作充分多的離散單元，每個顆?；驂K體為一個單元，根據仿真過程中的每一個時間步長，計算各個顆粒之間的接觸力，再運用牛頓運動定律計算單元的運動參數。顆粒模型的計算方法一般分為硬球模型和軟球模型2種類型，軟球模型主要用來模擬2個顆粒之間的碰撞過程，其碰撞發生在一定時間范圍內，利用牛頓第二定律，根據球體之間的重疊量計算顆粒之間的接觸力，本文稻種之間的碰撞屬于軟球模型。

EDEM常用的接觸模型有Hertz-Mindlin無滑動接觸模型、Hertz-Mindlin黏結接觸模型、線性黏附接觸模型、運動表面接觸模型、線彈性接觸模型和摩擦帶電接觸模型[27-29]，考慮到稻種表面無黏附力，選取Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為稻種與稻種、稻種與攪種裝置之間的接觸模型。

2.2 排種器模型構建與仿真參數設定

為研究不同厚度攪種裝置對滾筒型排種器吸孔附近稻種攪動作用及其變化規律，以獲較佳的攪種裝置設計參數，在建立稻種顆粒模型和數值分析的基礎上，進行EDEM離散元仿真試驗研究。

氣力式排種器在研究對象的擾動與充種過程中，普遍采用的是CFD-EDEM氣固兩相流的耦合，現有相關文獻中[25-27]多采用正壓與離散元物料相運動相耦合，負壓吸孔式排種器與正壓氣送式排種器不同的是負壓區與物料堆積區不處于同一區域，如果用正壓模擬負壓會對種群造成不相關的擾動，影響攪動效果，故本文在離散元仿真的過程中只考慮攪種裝置對稻種的攪動作用，在試驗環節控制不同試驗的相同負壓條件，以研究不同攪種裝置對稻種的攪種性能的影響。

影響滾筒型排種器攪種效果（以稻種種群受到的法向應力表征）的主要因素是滾筒轉速、攪種裝置厚度與類型，根據前期預試驗，選取滾筒轉速為30 r/min，攪種裝置厚度分別為1、2和1～2 mm（帶有坡度）。

2.2.1 排種器模型構建

為了對攪種裝置的攪動作用進行離散元仿真，簡化模型，縮減一器五行集排式排種器為一行，去除排種裝置與接觸模型不相關的零件，將排種滾筒、攪種裝置與種箱三維模型導入EDEM軟件中，仿真結構模型如圖4所示。

1.種箱 2.攪種裝置 3.外滾筒

2.2.2 參數設定

根據相關文獻報道[30-31]，排種器材料參數及稻種與排種器材料接觸參數如表2和表3所示。

表2 材料參數

2.2.3 攪種效果評價指標

攪種裝置效果評價的重要指標是稻種的擾動效果，稻種向排種器吸孔一側運動的趨勢，產生運動的重要原因是受力，本文以稻種種群在不同參數攪種裝置下所受到垂直于排種滾筒的法向接觸力和種群整體三軸合速度為指標，對3種參數攪種裝置進行評價。

2.2.4 仿真結果分析

對3種不同類型攪種裝置在滾筒轉速30 r/min（直播機前進速度約為0.5～0.6 m/s）條件下進行仿真研究，設置仿真步長為20%，時間間隔為0.05 s，總仿真時間為2 s，前1 s填充稻種，后1秒進行攪種。稻種顆粒數目為1 000粒，創建顆粒速度為1 500粒/s，尺寸分布為正態分布，標準差為0.05，半徑自動縮放。

吸種口附近是否產生架空是影響吸種效果的重要因素，攪種裝置的作用是攪動吸孔附近的稻種，使稻種種群內摩擦力產生變化，因此針對吸孔附近層稻種展開討論，滾筒垂直切線作為區域邊界，使用手動方式框選吸孔附近層區域，區域內稻種數目約350粒，輸出每個時間步長內的接觸平均法向應力。

1～2 s時間內對吸孔附近稻種層的平均法向接觸力變化曲線與時間關系如圖5所示。

圖5 各種攪種裝置稻種平均法向應力隨時間變化曲線

其中以1 s為界，稻種顆粒在重力的作用下下落至種箱底部，并且逐漸堆積，1 s后為攪種過程，貼近攪種裝置的稻種在其作用下接觸力與速度逐漸變化，可以看出：1～2 mm厚帶有坡度攪種裝置對稻種種群產生的平均法向接觸力為正值7.54×10-6N，與垂直于滾筒法向（）正方向相同，說明在攪種裝置的作用下種群內摩擦力增大；2 mm攪種裝置對稻種種群產生的平均法向接觸力為?1.42×10-5N，與軸正方向相反，說明在2 mm攪種裝置的作用下向軸負方向運動，內摩擦力減??；同理1 mm攪種裝置對稻種種群產生的平均法向接觸力為負值?1.37×10-5N，與軸正方向相反，內摩擦力減小。表4為攪種過程時間內種箱稻種種群的三軸合速度（絕對值），從中可以看出1～2 mm厚帶有坡度攪種裝置稻種種群在擾動作用大于1和2 mm厚攪種裝置，綜上，3種攪種裝置對稻種種群攪種效果大小依次為1～2 mm厚帶有坡度攪種裝置>2 mm攪種裝置>1 mm攪種裝置。

前期預試驗研究發現：由于厚度為2 mm的攪種裝置大于稻種平均厚度，其在吸附水稻種子過程種易存在攜種現象，然而厚度為1 mm攪種裝置過薄攪種效果不佳，綜合離散元仿真選取1～2 mm帶有坡度攪種裝置為研究對象進行排種性能試驗。

表4 稻種種群平均三軸合速度

3 排種性能臺架試驗

根據上述離散元仿真結果，為驗證1～2 mm帶有坡度的攪種裝置的攪種效果，進行三因素五水平二次正交旋轉組合試驗，驗證設計的合理性。

3.1 試驗材料

試驗時間2018年1月，試驗條件：JPS-12機器視覺排種器試驗平臺，試驗材料為秈型雜交水稻品種晶兩優1212，除雜后清水浸種至破胸露白、晾干[32-33]。試驗在JPS-12機器視覺排種器試驗平臺上進行，采用高速攝像機對滾筒排種器的吸種情況進行連續拍攝記錄并統計分析。

3.2 試驗條件

如圖6所示，試驗裝置為雜交稻氣力滾筒集排式精量排種器，根據機具田間行走速度，取試驗轉速范圍為3.18～36.82 r/min；根據預試驗吸附效果，設定負壓范圍為0.82～4.18 kPa，清種距離為1.16～2.82 mm。

1.種箱 2.外滾筒 3.攪種裝置 4.試驗平臺 5.負壓管 6.換氣殼體

3.3 試驗指標與計算方法

1）評價指標

根據雜交稻精少量播種要求，本文以每組吸孔吸附稻種2±1粒為標準，提出氣力式滾筒式排種器排種性能綜合評價標準為：0定為漏吸，1～3粒/穴為合格，≥4粒/穴定義為重吸。以漏吸率、合格率和重吸率作為評價指標。

2）計算方法

同時記錄每組每群吸孔吸附0、1、2、3、4、5及以上粒數出現的次數x，則氣力滾筒排種器吸附不同粒數稻種頻率()的表達如下：

=0,1,2,3,4,5,6,…;=1,2,3

3）試驗方案

以吸種負壓、滾筒轉速、清種距離（清種指與吸孔距離）為試驗因素，進行進行高速攝像試驗，通過正交試驗分析三因素在有1～2 mm帶坡度的攪種裝置下對稻種的吸附精度的影響，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉組合試驗，以吸種負壓、滾筒轉速和清種距離為試驗因素，進行氣力滾筒式水稻排種器性能試驗，因素水平見表5，試驗結果見表6。

表5 試驗因素與水平

4 結果與分析

試驗結果如表6所示，安裝有1～2 mm的攪種裝置的排種器，排種器的排量集中于（1～3）粒/穴，采用試驗設計與分析軟件Design expert軟件[35]預測最優解，預測最優組合為吸種負壓為1.60 kPa、滾筒轉速為10 r/min、清種距離為1.94 mm，合格率為84.67%，重吸率為7.92%，漏吸率為7.41%。

4.1 最佳參數組合模型預測與驗證試驗

根據最優解組合，以真空負壓1.60 kPa、滾筒轉速10 r/min、清種距離2 mm為因素組合，以晶兩優1212為試驗材料，進行驗證試驗，統計750穴稻種吸種情況，試驗結果表明：在此因素組合下合格率為86.00%，重吸率為8.47%，漏吸率為5.53%，與預測模型結果相近。

4.2 方差分析

排種器設計的核心目是提高合格率減少漏播的產生，根據表6試驗結果，進行了排種量的合格率和空穴率方差分析，研究在安裝有1～2 mm厚帶坡度攪種裝置的排種器的情況下，排種器吸種負壓、滾筒轉速、清種距離三者對排種器影響的主次因素，結果如表7所示。

表6 試驗結果

表7 方差分析表

從表7中合格率方差分析可以看出1、2、3、交互項12和13對吸種合格率影響顯著，其余項影響不顯著。3種試驗因素對合格率的影響順序依次為1＞2＞3，其中吸種負壓對排種合格率影響最顯著。

從表7中漏吸率方差分析所示，對漏吸率有顯著性影響的有1、2、3、交互項12，其余項影響不顯著。3種試驗因素對漏吸率的影響順序依次為2＞1＞3，其中排種轉速對漏吸率影響最顯著。

5 結 論

針對水稻稻種流動性差、易架空等問題，本文設計了一種帶有楔形攪種裝置的雜交稻氣力滾筒集排式精量排種器，給出主要設計參數及工作原理，對稻種種群建立了接觸模型、進行了接觸力學分析。

1）通過離散元仿真軟件EDEM對不同厚度參數的楔形攪種裝置對稻種的攪動作用進行了仿真模擬，通過對吸孔附近層稻種種群所受到的平均法向接觸力和平均三軸合速度進行比較，厚度1、2、1～2 mm（帶有坡度）的楔形攪種裝置，對吸孔附近稻種種群攪動的法向接觸力分別為?1.37×10-5、?1.42×10-5、7.54×10-6N，1～2 mm帶有坡度的楔形攪種裝置對稻種種群運動方向為正向（趨向吸孔），其效果優于其他2種攪種裝置。

2）1～2 mm厚帶坡度攪種裝置的design expert優選試驗結果：在吸種負壓1.60 kPa、滾筒轉速為10 r/min、清種距離為1.94 mm下，合格率為84.67%，重吸率為7.92%，漏吸率為7.41%。在此參數下進行試驗，合格率為86.00%，重吸率為8.47%，漏吸率為5.53%，楔形攪種裝置對稻種的分離、攪動、助吸作用，為進一步優化滾筒集排式水稻精量穴直播機的排種性能提供依據。

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Design and experiment of wedge churning device for pneumatic cylinder-type seed metering device for hybrid rice

Wang Baolong1,2, Wang Zaiman1※, Luo Xiwen1, Zhang Minghua1, Fang Longyu1, Liu Shuncai1, Xu Peng1

(1.,,,510642,; 2.,570228,)

To meet the requirement of the precise direct-seeding for hybrid rice, the study aimed to designthe wedge type churning device, which on the basic of pneumatic cylinder-type seed metering device. As the shape of rice seed is slender, long and sharp, with edges, villus, and poor fluidity, the wedge-shaped churning device was designed to improve suction accuracy. The previous experimental results show that the installation of an electromagnetic vibration device at the bottom of the seed box can help the cylinder metering device to suck seeds, but it is not suitable for field use. A directional churning device and a linear churning device for a vertical disc rice pneumatic metering device was designed, the experimental results show that the directional churning device can improve the seed suction precision of the metering device according the previous research of the author’s team. According to the triaxial size of typical hybrid rice varieties, three kinds of churning devices with thickness of 1 mm, 2 mm and arc-shaped churning device with slope thickness from 1mm to 2 mm were designed, which was made of ABS plastic and fixed on the outer surface of the cylinder, with two suction holes on both sides of the churning device. The straight-line distance between the two ends of churning device is 10mm, and five groups in the cylinder axial direction, eight groups in the cylinder circumference In order to test the churning performance, the virtual simulation was investigated by means of discrete element method, the model of the seed metering device was drawing out by 3D cad design software. According to the average triaxial size, the rice seed model made by multi-spherical particles with radius from 0.2 mm to 1 mm were packed and filled in EDEM software. The mass, volume and moment of inertia were calculated automatically by EDEM model. The average normal contact force and triaxial resultant velocity towards to the cylinder of the rice seed near suction holes were compared. The average normal contact forces produced by seed agitator on rice population were respectively -1.37×10-5, -1.42×10-5and 7.54×10-6N. The results showed that the churning effect of arc-shaped churning device with slope thickness from 1mm to 2 mm was better than the others. Taking the Jingliangyou 1212 rice seeds as the experiment material, using three factors and five level orthogonal rotatory experiment for arc-shaped churning device, the influence of negative pressure of the suction chamber, rotation velocity of cylinder, and cleaning distance (distance between the cleaning device and the hole edge) on the suction performance were studied. The results showed that the prediction optimal parameters of the regression model were as follows: the negative pressure was 1.60 kPa, rotation velocity of cylinder was 10 r·min-1, the cleaning distance was 1.94 mm, with the qualified rate of 84.67%, the over sucked rate of 7.92% and rate of seed empty of 7.41%. The test results showed that the qualified rate was 86.00%, the over sucked rate was 8.47%, and the rate of seed empty was 5.53% under condition with optimal parameters. The results showed that thearc-shaped churning device with slope thickness from 1 mm to 2 mm for cylinder-type seed metering device had a significant effect on the separation, agitation and suction for the hybridrice, which could improve the seed suction performance, and provide a reference for the further optimization.

crops; agricultural machinery; experiments; hybrid rice; cylinder-type pneumatic seeder; churning; discrete element method

王寶龍，王在滿，羅錫文，張明華，方龍羽，劉順財，許 鵬. 雜交稻氣力滾筒集排式排種器楔形攪種裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，2019，35(23)：1－8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.001 http://www.tcsae.org

Wang Baolong, Wang Zaiman, Luo Xiwen, Zhang Minghua, Fang Longyu, Liu Shuncai, Xu Peng. Design and experiment of wedge churning device for pneumatic cylinder-type seed metering device for hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 1－8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.001 http://www.tcsae.org

2018-11-08

2019-02-16

國家重點研發計劃項目（2018YFD0100800）;現代農業產業技術體系建設專項資金（CARS-01-41）

王寶龍，博士，主要從設施農業智能化生產裝備技術研究。Email：wangbaolong0205@163.com

王在滿，副研究員，主要從事農業機械化研究。Email：wangzaiman@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.001

S223.2

A

1002-6819(2019)-23-0001-08