自擾動內充型孔輪式玉米精量排種器設計與試驗

都 鑫，劉彩玲，姜萌，張福印，袁 昊，楊洪雪

自擾動內充型孔輪式玉米精量排種器設計與試驗

都 鑫，劉彩玲※，姜萌，張福印，袁 昊，楊洪雪

（中國農業大學工學院，北京 100083）

為提高機械式排種器的工作性能，該文從增加充種區種群活躍度、降低種群內摩擦力的角度出發，設計一種自擾動內充型孔輪式玉米精量排種器，分析了種子在擾種條上運動情況和充種原理，完成排種盤的參數設計。采用離散元軟件EDEM對排種器進行仿真試驗，以排種盤轉速、擾種條形式、排種盤圓臺錐角、擾種條半徑為試驗因素，以排種單粒率、重播率、漏播率為試驗指標進行單因素試驗和二次正交回歸旋轉組合試驗。應用Design-Expert8.0.6對試驗數據進行分析，得到了單粒率、重播率、漏播率和試驗指標之間的數學模型，對試驗結果進行多目標優化，得出最佳參數為：排種盤轉速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，此時排種單粒率為96.29%，重播率為2.55%，漏播率為1.15%。在最優參數組合下進行臺架試驗，排種器的單粒率、重播率和漏播率分別為95.4%、1.6%和3.0%；且當排種盤轉速在8.40～16.67 r/min（對應工作速度為4.94～9.75 km/h）時，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%，排種效果優于勺輪式排種器，滿足玉米單粒精播的農藝要求，對播種機作業速度適應范圍廣。基于EDEM離散元法的排種器仿真試驗為排種器性能參數的確定提供參考且縮短設計周期，該研究可為提高機械式排種器充種性能提供參考，為玉米精量播種機的設計提供研究基礎。

農業機械；設計；精量排種器；擾種；參數優化；內充種；離散單元法

0 引 言

玉米精量播種技術是依據農藝要求按照一致的行距、株距、深度將種子精確播入土壤，省去間苗等生產環節的高效種植技術，因其具有顯著的節本增效優點得到廣泛應用[1-2]。精量排種器是實現精量播種的關鍵部件，因此成為國內外學者研究精量播種的重點和熱點[3]。

精量排種器按充種方式主要有內充、側充、外充、側充與外充相結合等形式，其中內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]。鑒于內充種方式良好的充種性能，馬連元等[5-6]設計了 “大孔”充種、“小孔”定量的敞口復式型孔內充排種器，由于充種合力和型孔容積增大，充種效果較一般機械式排種器得到了提高，但單粒率不高；Singh等[7-8]發現種子的幾何尺寸決定排種器型孔形狀、尺寸等參數，直接影響排種精度；廖慶喜等[9]設計的內充氣吹式油菜精量排種器，內充種方式達到了優良的充種效果，但氣吹投種增加能耗；劉佳等[10]設計了一種機械氣力組合式玉米精密排種器，采取內充種方式和氣吹單粒留種原理，空穴率低，單粒率受工作壓強影響大；崔濤等[4]設計了清種和壓種2個氣嘴對穴孔內種子分別進行清種和壓種，單粒率得到提高。

上述研究對玉米內充精量排種器進行了改進或優化，取得了一定的研究成果，但多為輔助氣力式排種方式，存在排種器結構復雜、能耗大、價格昂貴等缺點[11-14]。機械式排種器結構簡單、可靠性高、價格低廉，目前在中國仍大量使用[15-16]。同時史嵩等[11]研究發現，對種群施加擾動會降低種子間內摩擦力，進而提高充種效果。陳進等[17]利用電磁激振的方法，擾動種群，使種群產生“沸騰”，提高了排種器充種性能[18]。

為提高機械式排種器的充種率和對速度的適應性，本文基于內充式排種器的研究基礎設計了一種自擾動內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行理論分析，利用離散元仿真軟件EDEM優化關鍵參數，自制排種器并通過臺架試驗驗證仿真結果，以期為機械式玉米精量排種器的設計與研究提供參考。

1 總體結構與工作原理

排種器結構如圖1a所示，由種箱1、殼體2、護種環3、軟毛條帶4、傳動盤5、毛刷6、強制清種輪7、排種盤8、傳動軸9等組成。按功能和作業順序工作區可分為初充種區、復充種區、清種區、護種區和投種區，如圖1b所示。

1.種箱 2.殼體 3.護種環 4.軟毛條帶 5.傳動盤 6.毛刷 7.強制清種輪 8.排種盤 9.傳動軸

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. 排種器結構

a. Structure of seed-metering device

I.初充種區 II.復充種區 III.清種區 IV.護種區 V.投種區 1.殼體 2.排種帶 3.軟毛條帶 4.護種環

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. 排種器工作區域

b. Seed-metering device working area

圖1 排種器結構及工作區域

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、復充種、重力清種、毛刷護種和重力投種5個過程。排種盤內錐面上設置擾種條，工作時種箱內種子由殼體上部開口進入初充種區I和復充種區II內，初充種區I內種子在排種盤轉動時被囊入型孔，即初次充種。重心偏低的側臥種子被毛刷梳理成平躺姿態，重心偏高的豎立種子大多被清出型孔。未充種的型孔在復充種區II進行第二次充種。型孔內充入多于1粒種子時，在清種區III受重力作用掉出型孔。軟毛條帶柔韌性強，可避免側臥或豎立狀態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V掉落，否則被強制清種輪頂出型孔。

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性，軟毛條帶形式的柔性護種裝置降低了對種子的損傷。

2 關鍵結構與參數設計

2.1 排種盤

排種盤是影響充種性能的關鍵部件，結構如圖2所示。排種盤為圓環和圓臺的組合體，圓環上有通透的型孔，實現囊種與排種；圓臺內表面有擾種條，攪動種群，避免種子“結拱”以提高充種效果。

1. 擾種條 2. 型孔 3. 圓臺 4. 圓環

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

注：為圓臺錐角，（°）；為圓環直徑，mm；1為螺旋線底徑，mm；為排種盤寬度，mm；1為圓環寬度，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 排種盤結構與參數

Fig.2 Structure and parameters of seed-metering disc

根據農業機械設計手冊[20]，排種盤直徑一般為80～200 mm，直徑不宜過小，否則高速播種時排種盤轉速很高，不利于種子充入型孔造成漏播；排種盤直徑過大，導致排種器尺寸、質量、加工難度和成本增加，參考市場上常用的機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，選取排種盤圓環直徑為200 mm。排種盤圓臺錐角為待優化參數。排種盤寬度為，型孔所在圓環寬度1，參考下文鄭單958玉米種子長度確定1為14 mm；排種盤寬度參考現有內充排種器確定為42 mm。

2.1.1 型孔參數確定

型孔參數直接影響排種器的充種、攜種和投種過程，是排種器設計的關鍵。型孔的結構形式、容積、種子趨近型孔的姿態、種子在型孔中的排列狀態和穩定程度都直接影響排種精確性。本文以河南大成種業有限公司生產的“豐樂”牌鄭單958玉米扁平馬齒形雜交種為研究對象，隨機選取100粒玉米種子，對其長d、寬d、厚h進行統計，其中：種子長度d正態分布均值為10.67 mm；種子寬度d正態分布均值為8.92 mm；種子厚度h正態分布均值為5.73 mm。

扁平種子充種姿態有“平躺”、“側臥”和“豎立”3種[21]，依據概率法進行計算得“平躺”、“側臥”和 “豎立”3種姿態的充種概率分別為61%、23%、16%，“平躺”和“側臥”姿態最穩定。機械式單粒囊種型孔結構形式有長方孔、半圓孔和圓孔，對于長方孔和半圓孔充種時需確保種子長軸和型孔長軸方向一致，但充種區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的適應性提高，種子充填幾率變大，所以設計型孔結構為圓形。

為確保型孔充入單粒種子，根據種子的充種姿態對型孔的極限尺寸進行分析，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為側臥種子；4為豎立種子。

圖3a為種子平躺充入型孔時型孔最小直徑尺寸分析，此時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系

由式（1）計算得出，種子平躺充入型孔時型孔直徑0最小為12.53 mm。

圖3b為種子側臥充入型孔時容納2粒側臥種子的最小尺寸分析，極限條件為半個型孔可容納1粒側臥種子，型孔直徑和種子尺寸滿足下述關系：

由式（2）計算得出，型孔容納單粒側臥種子時直徑0不能超過14.19 mm。

圖3c為種子側臥充入型孔時型孔容納1粒側臥種子和1粒豎立姿態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系：

由式（3）計算得出，種子同時充入側臥和豎立姿態種子時型孔最小直徑0為14.34 mm。基于上述分析，確保型孔只充入單粒種子當型孔直徑應滿足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。

型孔深度的設計需考慮種子重心在型孔內，確保種子不會被毛刷清理掉，由圖2可得型孔深度和種子尺寸關系為

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，計算得型孔深度為5.2 mm。

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

排種盤直徑一定時，型孔數量越多排種盤旋轉一周落下的種子越多；株距一定時，排種盤轉速越低，有利于提高充種性能。排種盤圓環直徑為200 mm，按照型孔直徑0為12.5 mm，均布型孔個數最多為44 個。機械式玉米排種器作業速度一般為3～9 km/h，根據《農業機械設計手冊》，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，排種盤圓環上型孔的個數設計應滿足

式中為排種盤轉速，r/min；v為播種機作業速度，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]，種群底部易形成準直線形的力鏈，力鏈相互鏈接結拱[23]，使種群活躍度降低造成漏充。為提高種群活躍度，在排種盤內表面設置擾種條，通過擾種條刮動充種區的種子使型孔上方種群力鏈斷開，使型孔上方種子產生跳動。為探索擾種條形式對擾種效果的影響，共設計3種形式的擾種條。

擾種條在排種盤圓臺內表面，起于圓臺內表面近型孔側，終于圓臺內表面小徑端，依據型孔個數設計擾種條數量為39條，擾種條和型孔交錯排布，擾種條末端指向2個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強度，過小則對種群擾動效果不明顯，過大種群跳動量大充種效果差，為待優化參數。

根據種子在擾種條上所受切向力方向設計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°范圍內變化，螺旋方向和排種盤轉向相反，根據2.1確定的排種盤參數得到螺旋線參數為：螺旋線參數底徑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復雜的受力過程，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個步驟：首先為種子隨排種盤轉動時沿擾種條向型孔的運動，需對種子在擾種條上的受力情況進行分析，保證種子沿擾種條平穩滑向型孔；其次為種子與型孔之間的相對運動，種子順利充入型孔需要一定的充種時間，在型孔尺寸確定的前提下轉化為分析種子與型孔間相對運動的極限速度。

2.2.1 種子在擾種條上的受力分析

種子在擾種條上的運動是一個復雜的不斷變化的動態力學系統。為便于分析種子的運動過程，以單粒玉米種子為研究對象，假定其為一剛性質點，以種子質心為原點，建立如圖4所示的坐標系，軸方向通過種子與擾種條側面接觸點并沿切線方向與圓臺母線平行，軸垂直于擾種條側面且與圓臺母線平行，軸通過種子與圓臺內表面的接觸點且垂直于圓臺內表面，圖5為力系投影圖。

注：x、y、z為坐標軸；O為種子質心、坐標系原點；G為種子重力，N；Fc為離心力，N；f1為種子與圓臺內表面摩擦力，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。

為使種子沿擾種條向型孔方向運動，種子沿擾種條所受切向力應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為側視方向的排種盤錐面；3為擾種條；為種子質心；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，0.482；1為種子受圓臺內表面的支持力，N；2為種子受導種條的支持力，N；為種子相對速度，m/s。由式(6)～(9)整理并計算得

上式中，影響種子與擾種條間相對運動的參數只有排種盤轉速、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決定。多數種子在充種角為-10°～30°進入型孔。當充種角為-10°（以種子在排種盤所處位置最低點為0°，與排種盤轉動方向相反為負），錐盤錐角為38.4°，擾種條切線角為32°，得到種子沿擾種條順利滑向型孔所需排種盤轉速不小于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動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；為坐標軸；為坐標系原點；為種子重力，N；F為支持力，N；為種子與圓環內表面摩擦力，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 充種過程力學分析

Fig.6 Force analysis of filling process

根據圖6建立單粒玉米種子在排種盤上的運動方程

得到即將充入型孔的種子方向加速度為

＞0時種子和排種盤相對運動速度較大不利于種子充填；≤0種子和種盤相對運動速度較小可以延長種子充入型孔時間。分析臨界狀態=0時種子進入型孔時的種子運動學分析如圖7所示，v為種子相對排種盤的運動速度。

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為種子運動速度，（m·s-1）； c為倒角長度，mm； n為排種盤轉速，（r·min-1）。

為使種子順利充入型孔，排種盤極限轉速max需滿足

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

基于種子在擾種條上的力學和種子充入型孔的運動學分析得出：影響種子與擾種條間相對運動的參數有排種盤轉速、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決定；影響種子充入型孔的參數為排種盤轉速，轉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軟件創建的排種器三維模型精簡后導入仿真軟件EDEM，如圖8所示。根據前述鄭單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如表1所示[25-27]。為驗證模型和仿真邊界參數的正確性進行了玉米種子的堆積角驗證試驗，實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，可用于仿真試驗研究[28]。

1. 排種盤 2. 種子

表1 材料的物理特性參數

在EDEM軟件中根據種子的三軸尺寸分布，設置顆粒工廠顆粒尺寸按正態分布產生，標準差Std Dev設置為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，仿真中種子顆粒數量定為800，生成速率為5 000粒/s，時間步長為3.91′10-6s 。

3.2 種層擾動對充種性能的影響

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行充種過程仿真分析，探討擾動對充種性能的影響。試驗參照GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，測定251粒種子，計算單粒率（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的影響，基于前期仿真試驗，在擾種條截面半徑1 mm、圓臺錐角40°、排種盤轉速5 r/min時得到4種排種盤種群動能瞬時變化規律如圖9所示。種群動能為仿真區域中所有種子顆粒在時間步內所具有的動能總和，反應種群的活躍程度。

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

圖9 排種盤形式和種群動能關系

3.2.2 擾種條半徑對充種性能的影響

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

表2 不同擾種條半徑、擾種條形式和充種性能的關系

結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，種群擾動量隨之增大，單粒率得到提高，當擾種條半徑為1.00 mm時充種效果最好，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%，擾種條半徑繼續增大，導致種群擾動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于直擾種條和斜擾種條，因為種群擾動務必會使種子產生與充種力方向相反的法向跳動，導致充種力減小。說明螺旋式擾種條在擾動種群的同時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構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動有影響。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，結果如表3所示。

表3 不同圓臺錐角對充種性能的影響

結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，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%。因為圓臺錐角小，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，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，對種群擾動效果不明顯，種群活躍度差，不利于種子充填。

3.4 響應曲面試驗分析

基于前述分析和已有研究[23-25]，為進一步優化設計參數，以螺旋擾種條為研究對象，以排種盤轉速1、圓臺錐角2和擾種條半徑3為試驗因素，單粒率1、重播率2和漏播率3為試驗指標，設計三因素五水平二次正交回歸旋轉組合仿真試驗，設計因素與水平如表4所示。

二次正交回歸旋轉組合試驗方案與試驗結果如表5所示,1、2、3分別為1、2、3的因素編碼值。

表4 設計因素與水平

利用Design-Expert8.0.6軟件對試驗結果進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。可以看出，單粒率、重播率、漏播率的二次回歸模型均高度顯著，失擬項均不顯著，回歸方程不失擬。

表5 設計方案與結果

注：1、2、3分別為排種盤轉速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.

依據系數間不存在線性相關性，經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速>圓臺錐角>擾種條半徑。圓臺錐角和擾種條半徑的交互項23對單粒率、重播率和漏播率影響均極顯著。

為分析交互項對試驗指標的影響規律，應用Design- expert 8.0.6 軟件得到在排種盤轉速為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曲面，在擾種條半徑為1.24 mm，排種盤轉速和圓臺錐角交互作用對漏播率的響應曲面如圖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 試驗因素對各指標的響應面圖

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°達到最小值。

分析其原因可知：擾種條半徑大，種群法向跳動量大，擾動劇烈，充種合力被削弱；擾種條半徑小，擾動效果不明顯，種子間相對運動較少。錐盤錐角大，種群受徑向擾動小，不利于種子沿擾種條下滑；錐盤錐角小；種群受軸向擾動力小，種子擾動量小。

為尋求約束條件范圍內各因素最優組合，以排種器單粒率最大，重播率和漏播率最小為評價指標。對充種性能指標回歸模型進行多目標優化求解，優化目標函數和約束條件如下：

利用Design-expert 8.0.6軟件對回歸方程進行優化求解后得到，排種盤轉速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，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3次仿真試驗，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

4.1 試驗條件

為驗證實際工作中排種盤的工作性能，利用美國Stratasys公司生產的Dimension Elite三維打印機（精度為0.178 mm，打印材料為ABS）注塑成型不同參數的排種盤，在中國農業大學工學院JPS-12多功能排種試驗臺上進行不同速度下的排種性能試驗，如圖11所示。試驗用玉米種子為河南大成種業有限公司生產的“豐樂”牌鄭單958玉米雜交種，千粒質量307 g，含水率11.5%。

1. 排種器 2. 安裝架 3. 種床帶 4. 控制電機

4.2 試驗方法和指標

為對仿真結果進行驗證：1）在排種盤轉速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）在最優參數（排種盤轉速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，并進一步將排種盤轉速分為8.40、10.00、13.33、16.67、20.00 r/min共5個梯度（對應的機器前進速度分別為4.94、5.85、7.80、9.75、11.7 km/h），與黑龍江省雙福機械有限公司生產的TS-IV型勺輪式排種器（長′寬′高為310 mm′200 mm′264 mm，勺數為18個）進行對比，以單粒率、漏播率和破損率為試驗指標，每個速度水平進行3次重復試驗。每次試驗參照GB/T 6973-2005《單粒(精密)播種機試驗方法》[29]，測定251粒種子，其他條件保持一致。各性能指標計算公式如式(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，穴；2為空穴數，穴；￠為試驗種子總穴數，穴；為破碎種子質量，g；為種子總質量，g。

4.3 結果與分析

1）不同形式擾種條的排種性能臺架試驗結果如表7所示。可以看到，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%。以上結果可以看出，臺架試驗和仿真試驗結果基本吻合，驗證了仿真結果的準確性。

2）本排種器和勺輪式排種器在不同作業速度下的對照試驗結果如表8所示。本排種器在作業速度4.94 km/h（對應轉速8.40 r/min），錐角38.6°，擾種條半徑1.24 mm的最優參數組合下，單粒率、重播率、漏播率分別為95.4%、1.6%和3.0%，單粒率與仿真試驗誤差為1.4%，單粒率誤差較小，重播率和漏播率誤差較大，因為其基數小，些許的變化都會導致較大的誤差，實際上都在允許范圍內，加之仿真條件較為理想，并未考慮振動的影響，實際中振動來源較多，鏈條傳動、安裝架等都會產生振動。

在作業速度為4.94～9.75 km/h時，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%，滿足玉米精密作業的農藝要求。相比于對照的勺輪式排種器，在作業速度低于7.80 km/h時螺旋擾種條式排種器單粒率提高有限；作業速度為7.80 km/h時，單粒率提高1.1%；作業速度9.75 km/h時，單粒率提高3.2%。高速作業時螺旋擾種條式排種器優于勺輪式排種器，說明增加種群的擾動提高了排種器對作業速度的適應性。

表7 不同形式擾種條和充種性能的關系

表8 臺架試驗結果

5 結 論

1）為提高機械式排種器的工作性能，設計了一種自擾動內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速度的適應性，通過柔性護種降低了對種子的損傷。對排種盤關鍵參數進行設計，通過EDEM對排種盤擾種結構參數進行了優化，確定排種盤直徑200 mm，型孔結構為圓形通孔，型孔個數39，螺旋擾種條的排種盤結構。

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

3）最優組合參數下的臺架試驗表明，排種盤轉速為8.4 r/min時，單粒率95.4%，重播率1.6%，漏播率3%，與仿真結果相吻合。排種盤轉速8.4～16.67 r/min（對應的機器前進速度為4.94～9.75 km/h）時，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藝要求，且在同等作業速度下充種效果優于勺輪式排種器，說明增加種群的擾動提高了種子充填性能和對作業速度的適應性。本文只針對鄭單958進行了臺架試驗驗證，研究成果只適用于鄭單958玉米種子。本研究為機械式玉米精量排種器的設計與研究提供了研究基礎。

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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

國家重點研發計劃項目（2017YFD0300907）

都 鑫，博士生，主要從事農業機械與農業裝備研究。Email：dx2017on@163.com

劉彩玲，博士，副教授，主要從事農業機械與農業裝備研究。Email：cailingliu@163.com

都 鑫，劉彩玲，姜萌，張福印，袁 昊，楊洪雪.自擾動內充型孔輪式玉米精量排種器設計與試驗[J]. 農業工程學報，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