轉軸型孔式精量排種器充種性能仿真分析與試驗

李娟娟，張和平，畢新勝，王 劍，胡 斌，李姝卓

轉軸型孔式精量排種器充種性能仿真分析與試驗

李娟娟1，張和平2，畢新勝1※，王 劍1，胡 斌1，李姝卓1

（1. 石河子大學機械電氣工程學院，石河子 832000；2. 新疆科農機械制造有限責任公司，奎屯 834000）

針對轉軸型孔式棉花精量排種器在充種過程中由于型孔未囊取種子而造成漏播的問題，該研究通過建立棉種充填過程的運動學模型對相互搶位的棉種進行力學分析，研究取種輪運動參數與排種器轉速對充種性能的影響。應用離散元仿真軟件分析落入型孔的棉種速度的變化趨勢，并分析取種輪振動頻率對種群擾動的影響，以取種輪振動頻率、取種輪振動偏移角、排種器轉速為試驗因素，以排種粒距合格率、重播率、漏播率為試驗指標，進行三因素五水平的正交通用旋轉組合試驗，探究各因素對排種性能的影響，運用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結果進行分析，并對回歸模型進行優化驗證。仿真分析結果表明，棉種瞬時速度隨著排種輪轉速的提高而增加，仿真標記的棉種在充入型孔時的瞬時速度小于取種輪速度，而相對取種輪速度較小的棉種具有更好的充種性能；在7 Hz時，種群法向力平均值最小，即種群的內摩擦力最小，棉種易于被型孔囊取；當排種器轉速為12.59 r/min，取種輪振動偏移角度為8.06°，振動頻率為6.08 Hz時，排種器的排種粒距合格率達到最大值94.5%。在此基礎上，以新陸早61號棉花種子為試驗對象進行臺架驗證試驗，試驗結果表明，當排種器轉速為12 r/min時，排種器的排種粒距合格率達到最大值94.65%，漏播指數隨著排種器轉速的增加呈上升趨勢，重播率隨著轉速的增加呈現下降趨勢，與優化結果基本吻合，驗證了仿真結果的準確性。該研究可為轉軸型孔式棉花精量排種器關鍵部件結構優化設計提供參考。

農業機械；優化；試驗；EDEM；精量排種器；充種性能

0 引 言

機械式棉花精量排種器因具有結構簡單、排種均勻等優點被廣泛應用于精密播種技術，其充種過程是整個排種器工作過程中關鍵的環節[1-3]，而型孔附件的種子的運動參數和作業參數設置對排種器的作業質量有重要影響[4-7]。

隨著計算機技術發展的迅速，近年來許多學者應用離散元法及數值模擬軟件（EDEM）對排種器工作性能進行研究分析[8-10]。李政權等[11]以內充種式排種器和小麥種子為研究對象，采用EDEM分析內充種式排種器工作過程和性能。于建群等[12]運用離散元法分析排種器工作時種子的運動過程和排種器的清種性能。廖慶喜等[13]通過離散元法，對離心式排種器的充種過程進行研究，分析了內錐筒種量與臨界轉速的關系、排種器轉速與總排種量的關系。劉濤等[14]借助離散元分析軟件對3種型孔結構的窩眼輪式油菜排種器進行模擬分析，并進行試驗驗證，結果表明型孔結構對種子群擾動影響明顯，且種子群擾動量越大充種性能越好。韓丹丹等[15-16]以離散元法為基礎，采用鍵合顆粒模型對玉米進行建模，并采用EDEM-CFD耦合分析方法模擬不同吸孔安裝位置對充填工作性能的影響。孫裕晶等[17]基于CAD邊界模型的離散元設計分析方法，建立精密排種器部件和種子群聯合模型，對常壓下大豆精密排種過程進行動態仿真分析。丁力等[18]運用離散元軟件研究不同種盤對種群的擾動情況，通過仿真試驗分析得出設計種盤能夠有效增強種群離散程度。張昆等[19]采用離散元分析的方法，對種層高度、振動頻率、振動角度分別進行數值模擬，結果表明：通過減小內摩擦、增強種群擾動性、提高供種高度措施可提高排種器充種性能。賴慶輝等[20]基于離散元法，對排種器充種過程進行仿真分析，結果表明：增加振動頻率和振動幅度可以增大種子平均法向力方差，增強對種子的擾動性，從而提高充種性能。上述研究表明，種群的運動特性對排種器的充種性能具有較為重要的影響，提高充種區充種性能是提高排種器的排種性能的有效方法，但在充種過程中種子間會出現擠壓、碰撞和拖帶等現象，如果處理不當會使得種子無法充入型孔，造成重播或者漏播現象，嚴重影響排種器的工作性能。

鑒于此，本文以項目組前期研制的轉軸型孔式棉花精量排種器為研究對象，建立棉種充種過程的動力學模型，分析充種過程中取種輪的運動參數及排種器轉速對充種性能的影響。在此基礎上，利用EDEM軟件進行充種性能的數值模擬，研究型孔在囊取棉種的過程中種子的運動規律，并利用Expert 8.0.6軟件對數值模擬結果進行分析。最后通過臺架試驗驗證結果的合理性，以期獲得利于充種的最佳工作參數，降低漏播率。

1 排種器結構與工作原理

1.1 排種器結構

如圖1所示，轉軸型孔式棉花精量排種器主要由進料筒、透視蓋、左定盤、擋盤、模塊夾圈、取種模塊（包括殼體、拐臂、清種刷、取種輪和彈簧）、齒板、排種軸、鴨嘴、腰帶、右定盤等組成。其中取種模塊7安裝在模塊夾圈6的卡槽內，取種輪通過拐臂與彈簧安裝于取種模塊7，齒板5與擋盤4通過螺釘進行固定。其中腰帶直徑321 mm，模塊夾圈外圈直徑317 mm，內圈直徑313 mm。

1.進料筒 2.透視蓋 3.左定盤 4.擋盤 5.齒板 6.模塊夾圈 7.取種模塊 8.鴨嘴 9.排種軸 10.腰帶 11.右定盤

1.2 工作原理

如圖2a所示，轉軸型孔式棉花精量排種器按工作區域劃分為充種區、清種區、攜種區、一次投種區、二次投種區。其作業原理如圖2b所示，棉種由進料口進入充種區后形成種子群，在動力驅動下取種模塊跟隨夾圈進行回轉運動，取種模塊內拐臂與齒板上齒形的滾動接觸帶動取種輪進行旋轉運動，棉種與取種輪間產生相對運動，棉種在重力、離心力及種子間相互作用力下充入取種輪上的型孔（非通孔）；當拐臂與齒板上的齒形滾動接觸運動結束時，取種輪在彈簧恢復力的作用下進行旋轉運動，型孔周圍多余棉種在重力與清種刷的作用下回到充種區；隨型孔運動到一次投種區的棉種在重力、離心力、摩擦力及型孔面支持力的作用下落入儲種腔，儲種腔內的棉種在取種模塊的回轉運動下被運送至二次投種區，棉種落入鴨嘴內，并在重力作用下完成投種作業；如此循環完成連續播種過程。

注：ω1為排種器的角速度，rad·s-1；τ為取種輪振動運動區域對應的圓心角度數，(°)。

2 棉種充種過程分析

充種區內的種子群運動受多種因素的影響，各層種子的運動復雜多變，種子能否充入型孔取決于種群與取種輪的相對運動情況，因此對取種輪運動特性的研究尤為重要[21]。充種區內取種輪的運動軌跡方程為

式中為取種輪簡諧運動位移，mm；為取種輪振動幅值，mm；為排種器轉速，r/min；為齒板齒數；為取種輪振動頻率，Hz；為時間，min。

2.1 棉種充入型孔的運動學分析

型孔參數是排種器設計的關鍵，本文設計的型孔形狀為長圓柱形，型孔前緣有引種倒角有利于種子充入型孔，型孔后緣有退種倒角，有利于棉種退出型孔。其直徑為9.94 mm，深度為8.47 mm，型孔前端與后端倒角寬度為5 mm。

種子能否充入型孔取決于其相對于型孔的速度，為便于分析棉種充入型孔時的速度變化情況，以單粒棉種為研究對象，以棉種長軸方向為軸，垂直于軸為軸，忽略空氣阻力影響[22]。棉種落入型孔瞬間的運動狀態如圖3所示。

注：D為型孔直徑，mm；H為型孔深度，mm；B為倒角寬度，mm；l為棉種長軸半徑，mm；h為棉種短軸半徑，mm。

對取種輪的運動軌跡求時間的一階導數得到取種輪的速度：

當棉種以極限速度max充入型孔時，其質心沿軸方向做勻速運動，沿軸方向做自由落體運動，其運動軌跡方程為

取種輪的速度0為其正弦運動速度與圓周運動速度v的矢量和：

1=2π（8）

棉種相對于取種輪的速度等于棉種速度1與取種輪速度0矢量和[23]。保證播種精度的條件是：棉種相對于取種輪的速度必須小于囊取棉種所需要棉種的極限速度，即

式（4）~（10）中，為取種輪的振動幅值，mm；為棉種質心落到取種面的時間，s；為重力加速度，m/s2，1為排種器的圓周運動角速度，rad/s；為夾圈半徑，mm。

通過對棉種充種過程的運動學分析可知：當型孔直徑、倒角寬度、棉種幾何參數、夾圈半徑、排種器圓周運動的角速度和取種輪振動幅值等參數已知時，棉種的瞬時充種概率與取種輪振動頻率及排種器轉速有關。

2.2 搶位棉種的受力分析

棉種充入型孔的過程是一個復雜的受力過程，種子間、種子與型孔表面的滑動摩擦、滾動摩擦、正壓力、重力等共同作用構成一個不斷變化的動態力學系統[24]。在充種過程中，造成空穴的一個主要原因是棉種在充種區起拱、相互搶位[25]。為便于從理論角度分析棉種的搶位現象，以單粒棉種為分析對象，忽略種群上層棉種的作用力，瞬時平衡狀態下相互占位的2粒棉種在取種輪上的受力情況如圖4所示，對棉種1進行受力分析，以其與取種輪的切線方向為軸，垂直于切線方向為軸。

注：Nf為取種輪對棉種1的支持力，N；Fi為取種輪對棉種1的摩擦力，N；Fr為棉種的離心力，N；G為棉種的重力，N；N為棉種2對棉種1的支持力，N；Ff為棉種2對棉種1的摩擦力，N；α為棉種2對棉種1的支持力與x軸的夾角，(°)；β為取種輪振動偏移角（棉種1的重力方向與y軸的夾角），(°)。

由圖4可知：

式中，1為取種輪與棉種之間的摩擦系數；2為棉種與棉種之間的摩擦系數。

當棉種2的加速度a沿軸正方向時，棉種2搶位成功，落入型孔，棉種1落回到充種室，此時棉種2在軸方向產生加速度，該棉種的受力如公式（16）所示。

相互搶位棉種的力學分析表明，當取種輪振動偏移角發生變化時，棉種將獲得沿軸方向的加速度，增加棉種充入型孔的概率。

2.3 一次投種區的棉種受力分析

圖5為棉種在一次投種區的受力分析圖。當取種輪跟隨夾圈運動至一次投種區時，型孔內的棉種在重力、摩擦力、離心力、支持力的共同作用下落入儲種腔。若棉種在一次投種區未能掉入儲種腔，隨著取種輪的轉動位于型孔內的棉種會再次落回充種室而無法落入儲種室，從而造成漏播現象。

注：FN為型孔面對棉種的支持力，N；θ為與棉種接觸的型孔面與水平面的夾角，(°)；γ為棉種質心與排種器中心連線與水平面之間的夾角，(°)。

根據圖5可知：

=（21）

式中為單個棉種的質量，g；1為棉種質心與排種器中心的距離，mm。

棉種完成一次投種的必要條件為

由以上分析可知，當棉種質量、排種器圓周運動角速度、棉種質心到排種器的中心距離、棉種與型孔之間的摩擦系數一定時，棉種質心與水平面的夾角和型孔面與水平方向的夾角決定了棉種能否下落到儲種腔。當棉種在一次投種區不能落入儲種腔時，在進入二次投種區后將沒有棉種落入鴨嘴，從而造成漏播現象。

3 排種器仿真模型建立

EDEM仿真軟件在農業工程領域得到廣泛應用，可模擬排種機構與顆粒物料間相互作用后種子的運動狀態和機械特性[26]，為探究排種器轉速、取種輪振動頻率、取種輪振動偏移角度對排種性能的影響，本文應用EDEM軟件開展二次回歸通用旋轉組合仿真試驗，探討取種輪運動參數與排種器轉速對排種器排鐘性能的影響。

3.1 仿真參數確定

排種器的殼體材料為45#鋼板，取種部件的材料為尼龍塑料，其物理參數與材料間的接觸參數如表1、表2所示。

表1 材料的物理特性參數

表2 材料間的接觸參數

3.2 棉種三軸尺寸的測定

本文以100粒新陸早61號棉種為研究對象，分別測量其三軸尺寸，結果如表3所示。由表3可知，新陸早61號棉種的長度尺寸大于寬度和厚度尺寸，棉種在厚度尺寸上的差異性要大于其在長度和寬度尺寸上的差異性。對棉種的三軸尺寸進行KS檢驗，結果表明棉種的長、寬、厚的顯著性指標值均大于0.05，因此可認為棉種三軸尺寸近似服從正態分布。

表3 棉種三軸尺寸

采用Hangdyscan型掃描儀對棉種進行三維掃描[27]，將獲得的棉種三維模型另存為X-T格式，并導入EDEM中，如圖6所示。

注：u為棉種厚度，mm。

3.3 仿真參數設置

為提高仿真精度、縮短計算周期，將排種器零部件簡化為前擋盤、模塊夾圈、取種輪、后擋盤和進料筒，設定顆粒工廠生產顆粒總數為2 000個。為保證仿真的連續性，設置固定時間步長為1.95×10-2ms，Rayleith時間步長百分比設置為15%，仿真時間為15 s。排種器仿真模型如圖7所示。

圖7 排種器仿真模型

4 仿真試驗結果與分析

4.1 單因素仿真試驗與結果分析

4.1.1 取種輪振動頻率對種群法向力的影響

取種輪振動頻率對種群具有擾動作用，在一定范圍內隨著振動頻率的增加，種群的擾動強度增大，導致棉種間的瞬時法向應力降低，其中棉種間的法向應力可以衡量棉種間的內摩擦力，而較小的內摩擦力有利于棉種充入型孔，但隨著振動頻率持續增加會增加棉種間的拖帶與碰撞作用，造成棉種的充填性能降低，因此研究不同振動頻率下種群法向力變化趨勢對提高排種器充種性能具有重要意義[28]。為降低排種器轉速對種群平均法向力的影響，將排種器轉速設置為較低的轉速，確定排種器轉速在8～15 r/min；選取齒板齒數在3～10個范圍內，計算出相應的取種輪振動頻率為2～12 Hz，為提高種群的擾動強度，降低種子間的拖帶和碰撞作用，選用小于10 Hz的振動頻率[29]。最終確定以取種輪的振動頻率3、7和10 Hz，排種器轉速為8、10和15 r/min進行單因素試驗。圖8為棉種所受的平均法向力隨時間的變化趨勢。

注：取種輪振動偏移角為8°；排種器轉速為10 r·min-1。

Note: Vibration deviation angle of seed wheel is 8°; the speed of the seed-metering device is 10 r·min-1.

圖8 不同取種輪振動頻率下的種群法向力

Fig.8 Normal force of seeds under different vibration frequency of seed wheel

由圖8可知，棉種所受的法向力隨時間變化呈現無規律狀態，且隨著取種輪振動頻率的增大，法向力波動范圍增大，相鄰法向力峰值的時間間隔縮短。取種輪振動頻率為3 Hz時，其對應的法向力方差平均值為0.19，取種輪振動頻率為7 Hz時，其對應的法向力方差平均值為0.22，取種輪振動頻率為10 Hz時，其對應的法向力方差平均值為0.24，方差越大表明其種群離散程度越大，對種群擾動性越大，使棉種處于有利充種狀態。種群法向力減小，其內摩擦力減小，棉種容易從種群中脫離，而被型孔囊取。由圖8e可知，當取種輪振動頻率由3 Hz增加到7 Hz時，種群法向力平均值由0.77 N降低至0.75 N，當取種輪振動頻率由7 Hz增加到10 Hz時，種群法向力平均值由0.75 N提高至0.87 N，因此當取種輪振動頻率為7 Hz時，種群法向力平均值最小為0.75 N，即種群的內摩擦力最小，棉種易于被型孔囊取，排種器的充種性能提高。

4.1.2 充入型孔的棉種速度分析

為探究棉種在充入型孔時的速度變化趨勢，將取種輪振動偏移角設置為8°，取種輪振動頻率設置為7 Hz，分別以排種器轉速8、10和15 r/min進行仿真試驗。當排種器轉速為8 r/min時，標記該試驗條件下具有充入型孔趨勢的棉種，編號分別為376、842和855。當排種器轉速為10 r/min時編號分別為96、132和345。當排種器轉速為15 r/min時編號為624、910和967。依次獲取棉種與取種輪速度數據，將其導入Origin中進行繪圖，不同轉速下3粒棉種的速度變化趨勢如圖9所示。其中A點與B點的橫坐標值表示棉種充入型孔的時刻，縱坐標值表示該時刻取種輪與棉種的速度值。

由圖9a可知，排種器轉速為8 r/min時，376，842和855號棉種充入型孔的時間分別為14.7、12.88和12.27 s，其速度分別為0.058、0.063和0.048 m/s，取種輪的速度分別為0.069、0.086和0.070 m/s。在該轉速下，棉種的速度波動范圍（0.005～0.339 m/s）較小，且在大部分時間內小于取種輪速度。

由圖9b可知，排種器轉速為10 r/min時，396，132和345號棉種充入型孔的時間分別為2.27、2.42和7.88 s，其速度別為0.073、0.085和0.093 m/s，取種輪的速度分別為0.096、0.092和0.113 m/s。與8 r/min的轉速相比，該轉速下棉種的速度波動范圍（0.012～0.384 m/s）增大，且小于取種輪速度的時間減少。

由圖9c可知，排種器轉速為15 r/min時，624，910和967號棉種充入型孔的時間分別為12.88、8.03和9.55 s，其速度別為0.070、0.139和0.114 m/s，此時取種輪的速度分別為0.139、0.153和0.129 m/s。與前2種排種器轉速相比，該轉速下棉種的速度波動范圍（0.014～0.619 m/s）呈現持續增大趨勢，且棉種速度小于取種輪速度的時間進一步減少。

注：取種輪的振動偏移角為8°，振動頻率為7 Hz。

通過上述分析可知，在同一排種器轉速下棉種的速度變化雜亂無章，但隨著排種器轉速的提高，棉種瞬時速度呈現增加趨勢，仿真所標記的棉種在充入型孔時的瞬時速度小于取種輪的瞬時速度，且棉種在充入型孔前后，速度波動較大。此外，具有較小相對速度的棉種表現出更好的充種效果，這與王業成的研究結果相符[30]。因此可以通過改變排種器轉速，進而改變棉種的相對速度，獲取較小的棉種相對于取種輪的速度，從而提高棉種的充填概率，為排種器工作參數的確定提供依據。

4.2 二次通用旋轉組合仿真試驗與結果分析

通過上述分析可知，取種輪的振動頻率、排種器轉速、取種輪振動偏移角影響排種器的排種性能。為探究各影響因素對排種性能的影響規律，設計二次回歸通用旋轉組合試驗（星號臂長度=1.682、試驗次數為20次），通過仿真試驗，確定獲得最優排種性能下的最優參數組合。根據單因素試驗結果，結合前期田間試驗和參考文獻[1-4]，選取齒板齒數范圍為3～10 個，計算出相應的取種輪振動頻率范圍為2～12 Hz，同時為提高種群的擾動強度，降低種子間的拖帶和碰撞作用，選用小于10 Hz的振動頻率，最終確定取種輪的振動頻率范圍為3～10 Hz。為降低排種器轉速對種群的影響，因此將排種器轉速設置為低速，確定排種器的轉速范圍為8～15 r/min，確定取種輪振動偏移角為5°≤2≤12°，因素水平編碼如表4所示。

表4 因素水平編碼

根據GB/T 6973-2005單粒（精密）播種機試驗方法，選取排種粒距合格率1、重播率2、漏播率3為仿真試驗指標，其計算公式如下：

式中為試驗所統計的棉種總數；1為相鄰種子粒距小于0.5倍理論粒距的種子數；2為相鄰種子粒距大于1.5倍理論粒距的種子數。試驗結果如表5所示，方差分析結果如表6所示。

表5 試驗結果

根據表5試驗結果，運用Design expert 8.0.6對試驗數據進行分析，得出排種粒距合格率1、重播率2、漏播率3與試驗因素的編碼值回歸方程：

決定系數2是判定線性回歸直線擬合度的重要指標，通過分析表5可知，排種粒距合格率方程的決定系數為0.97，說明在1的變異中，97%是由1，2，3引起的，重播率的決定系數為0.94，說明在2的變異中，94%是由1，2，3引起的，漏播率的決定系數為0.98，說明在3的變異中，98%是由1，2，3引起的，因此回歸方程的預測值與實際值有較高的相關性。

值表示回歸參數的影響顯著性，由回歸模型方差分析表可知，回歸項系數1，12，32，22對于排種粒距合格率影響極為顯著（<0.01），回歸系數2，3，12，23，13對于排種粒距合格率影響不顯著（>0.05）。回歸系數1，2，12，22，32對于漏播率影響極為顯著（<0.01），回歸系數3，13，23對于漏播率的影響不顯著（>0.05）。回歸系數1，12，13，12，22，32對于重播率影響極為顯著（<0.01），回歸系數2，3，23對于重播率影響不顯著（>0.05）。分別剔除模型中的不顯著項，回歸方程簡化為

剔除不顯著項后，排種粒距合格率的回歸模型中，<0.000 1，決定系數2=0.97，模型極顯著，回歸方程的預測值與實際值有較高的相關性。漏播率的回歸模型中，<0.01，決定系數2=0.94，模型極顯著，回歸方程的預測值與實際值由較高的相關性。重播率的回歸模型中，<0.000 1，決定系數2=0.98，模型極顯著，回歸方程的預測值與實際值有較高相關性。

響應曲面可以更清晰地反應排種器的排種性能與各因素之間的關系，因此利用Design-Expert 8.0.6軟件得到排種器轉速、取種輪振動頻率、取種輪振動偏移角度對排種器排種粒距合格率、漏播率和重播率的影響曲面，如圖10所示。

表6 方差分析結果

注：<0.01(極顯著)，<0.05(顯著)。

Note:<0.01 (highly significant),<0.05 (significant).

圖10 交互因素對排種粒距合格率的影響

由圖10a可知，排種器轉速在10～13 r/min、取種輪振動偏移角在7°～10°時，排種粒距合格率較高。當排種器轉速一定時，隨著取種輪振動偏移角度的增加，排種粒距合格率出現先增加后減小的趨勢。當取種輪振動偏移角度一定時，隨著排種器轉速的增加，排種粒距合格率同樣出現先增加后降低的趨勢。排種器轉速11.5 r/min、取種輪振動偏移角度8.5°時，排種器排種粒距合格率達到最大值。

由圖10b可知，當取種輪振動頻率為6～9 Hz、取種輪振動偏移角為7°～9°時，排種粒距合格率較高。當取種輪振動頻率一定時，隨著取種輪振動偏移角的增加，排種粒距合格率出現先增加后降低的趨勢。當取種輪振動偏移角一定時，隨著取種輪振動頻率的增加，排種粒距合格率同樣出現先增加后降低的趨勢。取種輪振動頻率為6.5 Hz、取種輪振動偏移角為8.5°時，排種器排種粒距合格率達到最大值。

由圖10a可知，排種器轉速在11～13 r/min、取種輪振動頻率6～9 Hz時，單粒排種粒距合格率較高。當排種器轉速一定時，隨著取種輪振動頻率增加，單粒排種粒距合格率出現先增加后減小的趨勢。當取種輪振動頻率一定時，隨著排種器轉速的增加，單粒排種粒距合格率同樣出現先增加后降低的趨勢。排種器轉速為11.5 r/min、取種輪振動頻率6.5 Hz時，排種器的排種粒距合格率達到最大值。

為尋求各因素的最優組合，以排種器排種粒距合格率最大、漏播率與重播率最小為評價指標[31]。對充種性能指標回歸模型進行多目標優化求解，優化目標函數與約束條件如下：

將數據帶入Design-Expert軟件，得到最優工作參數為排種器轉速12.59 r/min，取種輪振動偏移角度8.06°，取種輪振動頻率6.08 Hz，此時排種器排種粒距合格率達到最高值94.5%，漏播率為2.9%，重播率為3.3%。

5 臺架驗證試驗

為驗證優化結果的準確性，根據仿真優化結果所得出的最優工作參數（取種輪振動頻率為6.08 Hz，取種輪振動偏移角度8.06°）試制絆齒板，并安裝在排種器上進行不同轉速下的臺架試驗。

5.1 試驗材料與方法

選取新陸早61號脫絨包衣棉花種子為樣本，其千粒質量為90.4 g，含水率為6.3%。試驗裝置為JPS-12多功能排種試驗臺，該試驗臺主要由圖像采集裝置、傳動系統、轉軸型孔式棉花精量排種器、排種器固定裝置與試驗臺架等組成（如圖11所示）。在試驗過程中，取種輪振動頻率（6.08 Hz），取種輪振動偏移角度（8.06°）固定不變，分別以8、10、12、13和15 r/min轉速進行工作，保證每組試驗所測定的取種量為600 粒。

1.圖像采集裝置 2.傳動系統 3.轉軸型孔式棉花精量排種器 4.排種器固定裝置 5.試驗臺架

5.2 評價指標

參照GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機試驗方法，以轉軸型孔式棉花精量排種器的排種粒距合格率、漏播率、重播率為性能評價指標，以排種器轉速為試驗因素，開展單因素試驗，排種器轉速與仿真試驗相同，排種器性能指標及計算方法與仿真試驗相同。

5.3 試驗結果與分析

為提高試驗結果可靠性，對每種轉速下的棉種進行3次重復試驗，取平均值作為試驗結果，如表7所示。

表7 臺架試驗結果

綜上可知，排種器漏播指數隨著排種器轉速增加呈上升趨勢，重播率隨著轉速增加呈現下降趨勢，當排種器轉速為12 r/min時，排種器的排種粒距合格率最大值為94.65%，漏播率為2.75%，重播率為2.6%。當排種器排種粒距合格率達到最大值時，臺架試驗排種器轉速（12 r/min）與仿真試驗結果（12.59 r/min）誤差為5.4%，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。

6 結 論

1）以轉軸型孔式棉花精量排種器為研究對象，建立棉種充種過程的動力學模型，分析得出在型孔結構參數、排種器結構參數、棉種物理參數已知時，排種器的轉速與取種輪的振動頻率影響充種概率；對充種區相互搶位的棉種進行力學分析，結果表明，取種輪振動偏移角發生變化時，棉種將獲得一定的加速度，增加棉種充入型孔的概率，減少其由于相互搶位造成漏播的概率。

2）采用EDEM仿真軟件分析取種輪振動頻率對種群法向力的影響，并對充入型孔的棉種速度變化趨勢進行分析，結果表明，隨著取種輪振動頻率增加，種群的平均法向力波動范圍增大，相鄰法向力峰值的時間間隔縮短，種群擾動增加；相對速度較小的棉種具有更好的充種效果。

3）開展二次回歸通用旋轉組合試驗進行排種器排種性能仿真分析，并對仿真試驗結果進行分析與優化，確定排種器的最優工作參數組合為排種器轉速12.59 r/min，取種輪振動偏移角度8.06°，取種輪振動頻率6.08 Hz。

4）當取種輪振動頻率為6.08 Hz、取種輪振動偏移角度為8.06°時，以排種器轉速為試驗因素開展臺架試驗，試驗結果表明，當排種器轉速為12 r/min，排種器的排種粒距合格率達到最大值94.65%，此時漏播率為2.75%，重播率為2.6%，與仿真試驗誤差為5.4%，漏播率隨著排種器轉速的增加呈上升趨勢，重播率隨著轉速的增加呈現下降趨勢。

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Simulation analysis and test on the filling performance of rotary type-hole precision seed-metering device for cotton

Li Juanjuan1, Zhang Heping2, Bi Xinsheng1※, Wang Jian1, Hu Bin1, Li Shuzhuo1

(1.832000;2.833200,)

Mechanical precision seedmetering device is widely used in precision seeding technology because of its simple structure and uniform seed metering. Seed filling process is the key link of the whole operation process of seed metering device. The precision metering device is mainly divided into internal filling, side filling, external filling, and the combination of side filling and external filling according to the seed filling mode. In the operation process, the internal filling mode mainly completes the seeding operation through the process of type-hole filling and gravity clearing, and the seed motion parameters close to the type-hole directly affect the seeding quality of the machine. The rotary type-hole cotton precision seedmetering device is a kind of mechanical precision seed metering device. In order to solve the problem of missing seed in the process of filling, the influence of the motion parameters of rotary type-hole cotton precision seedmetering device on the filling performance by establishing the kinematic model of the seed filling process in this paper. Using the discrete element simulation software to analyze the speed change trend of cotton seed falling into the type-hole and the influence of seed wheel vibration frequency on seed group disturbance. Taking the vibration frequency of seed wheel, vibration offset angle of seed wheel and rotating speed of metering device as the test factors, and taking the qualified rate of seed spacing , replaying rate and missing rate as the test indexes, three factors and five levels of positive traffic rotation combined test are carried out to explore the influence of each factor on seed metering performance. Design expert 8.0.6 software is used to analyze the test resultsand optimize the regression model. Single factor simulation test results show that the instantaneous speed of cotton seed increases with the increase of the rotating speed of the seed wheel, the instantaneous speed of the cotton seed is less than that of the seed wheel when it is filled into the type-hole, the cotton seeds with lower relative speed have better filling effect. When the vibration frequency of the seed wheel is 7 Hz, the average value of the normal force of the seed group is the smallest, which is 0.75 N, at this time, the internal friction of the seed goup is the smallest, the cotton seed is easy to be taken by the type-hole, and the seed filling performance of the seed metering device is improved. The simulation results of quadratic regression general rotation combination show that when the rotating speed of the seed metering device is 12.59 r/min, the vibration offset angle of seed wheel is 8.06°and the vibration frequency of seed wheel is 6.08 Hz, the qualified rate of seed spacing reaches the maximum of 94.5%, and the leak seeding rate is 2.9%, the repaly rate is 3.3%. On this basis, the platform validation test was carried out with Xinluzao No.61 cotton seed as the test object. The test results showed thatwhen the rotating speed of the seed metering device was 12 r/min, the maximum qualified rate of the seed spacing was 94.65%, the error between the rotating speed of the seed metering device and the simulation test is 5.4%, which verifies the accuracy of the simulation results. This study can provide a reference for the structural optimizationof the key components of the rotarytype-hole cotton precision metering device.

agricultural machinery; optimization; experiment; EDEM; precision seed metering device; filling performance

2019-9-28

2020-02-26

國家自然科學基金資助項目（51665050）

李娟娟，研究方向為農業機械裝備研究。Email：1322314511@qq.com

畢新勝，教授，主要從事現代農業機械設計及理論。Email：bxs_mac@shzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.005

S223.2

A

1002-6819(2020)-05-0038-12

李娟娟，張和平，畢新勝，王 劍，胡 斌，李姝卓. 轉軸型孔式精量排種器充種性能仿真分析與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(5)：38－49. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.005 http://www.tcsae.org

Li Juanjuan, Zhang Heping, Bi Xinsheng, Wang Jian, Hu Bin, Li Shuzhuo. Simulation analysis and test on the filling performance of rotary type-hole precision seed-metering device for cotton[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(5): 38－49. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.05.005 http://www.tcsae.org