棉花氣吸滾筒式穴播器二次投種機構設計與試驗

張春艷 康建明 彭強吉 張寧寧 王小瑜 薦世春

(山東省農業機械科學研究院， 濟南 250010)

0 引言

膜上精量播種具有增溫、保墑、免放苗的優勢，在棉花種植區得到了大規模推廣應用[1-3]。氣吸滾筒式穴播器是實現膜上精量播種的主要部件，種子可直接播在成穴器破膜后開出的種穴內，省去人工放苗，從而降低了生產成本、提高了作業效率[4-6]。

氣吸滾筒式穴播器靠壓差將種子吸附在取種盤上，種子隨取種盤運動到臨界落種角即排種位置時，壓差消失，種子靠自重進入鴨嘴，完成投種。氣吸式取種方式因具有不傷種、對種子外形尺寸要求低等特點而被廣泛使用[6-8]。陳學庚等[9-10]對氣吸滾筒式棉花精量穴播器的排種性能進行了試驗研究，得到充種負壓和吸孔線速度的最優作業參數；李猛等[11]通過試驗研究了氣吸滾筒式穴播器的吸附精度，發現種孔組合形式對排種性能影響最顯著；王磊[12]基于有限元理論對吸種孔進行了流場分析，獲得吸種孔形狀、氣室負壓、吸種孔孔徑對吸種性能的影響規律。文獻[13-16]基于離散元法對排種器進行了工作參數仿真優化和排種性能分析，研究表明，采用離散元法可以進一步優化排種器結構參數。目前，對氣吸滾筒式穴播器的研究主要集中在吸種和排種性能的試驗優化及成穴機構的運動仿真上[16-23]，而對投種性能的研究較少。在種子從取種盤下落的過程中，由于投種位置與鴨嘴距離較遠，且氣吸滾筒式穴播器處于轉動狀態，故種子不能準確落入對應的鴨嘴中，造成穴粒數不一致，從而導致排種質量下降。因此，研究投種性能對保證氣吸滾筒式穴播器作業質量尤為重要。

針對氣吸滾筒式穴播器投種性能不穩定的問題，本文設計一種適用于棉花氣吸滾筒式穴播器的二次投種機構，采用EDEM離散元計算方法模擬排種過程，分析排種性能，通過三因素二次旋轉正交組合仿真試驗優化二次投種機構的主要參數，并進行田間試驗驗證。

1 氣吸滾筒式穴播器結構與技術特點

1.1 氣吸滾筒式穴播器結構

氣吸滾筒式穴播器結構如圖1所示，主要由取種盤、分種盤、中空穴播器軸、腰帶、成穴器等組成。工作時，風機在取種盤兩側產生壓差，將種子吸附在取種盤上，經清種器連續輕微碰撞敲打清除多余種子，通過斷氣塊消除壓差，種子落入鴨嘴中，隨著鴨嘴破膜開穴，種子落進種穴里，完成排種。

1.2 技術特點

單粒播種應保證穴粒數一致，按照設計要求，取種盤型孔應僅吸附1粒種子，且該粒種子投種后精確播入種穴中。然而，在種子下落過程中由于投種位置與鴨嘴距離較遠，且氣吸滾筒式穴播器沿種床不停滾動，造成種子不能準確落入對應的鴨嘴中，造成漏播現象，當種子落入臨近鴨嘴中時則會造成重播現象。為消除漏播、重播現象，在取種盤和鴨嘴之間設置二次投種機構，當種子從取種盤落下后經分種盤進入二次投種機構中，并隨氣吸滾筒式穴播器繼續轉動，到特定位置時種子進入鴨嘴，等待排種。二次投種機構如同一個紐帶，將取種盤與鴨嘴連接起來，賦予種子一定的運動軌跡，確保種子落入對應的種穴內，降低了投種點高度，延長了投種時間，提高了穴粒數的準確度。

2 二次投種機構設計

二次投種機構是提高播種精度的重要部件，如圖2所示，主要包括種道和種道出入口，種道又分為外種道和內種道，外種道由2個側板組成，兩側板由內緣至外緣方向逐漸靠近，形成V型圓環結構，內部均勻設置A個擋籽板，將外種道分割成A個獨立空間；內種道由2個側板和內、外圈組成，兩側板關于中間面對稱，且由內緣至外緣方向逐漸遠離，形成梯形圓環結構，內部均勻設置B個隔板，將內種道分割成B個相對封閉的空間區域，擋籽板和隔板交錯分布，被分割后的外種道和內種道交叉布置。擋籽板和隔板數量應與鴨嘴數量M相等。由文獻[9-12]得知，常用鴨嘴數量M=15，因此，本文中A=B=15。

2.1 二次投種機構安裝位置

二次投種環節應在一次投種結束后，保證種子能夠順利從外殼開口進入二次投種機構中，并從種道出口順利進入鴨嘴，具體位置如圖3所示。

氣吸滾筒式穴播器逆時針轉動，由圖3可知，要保證種子順利進入二次投種機構，需滿足

(1)

式中α——外殼開口下邊緣和旋轉中心連線與豎直方向的夾角，(°)

β——二次投種機構下擋籽板和旋轉中心連線與豎直方向的夾角，即安裝角，(°)

γ——二次投種機構上下擋籽板和旋轉中心連線之間的夾角，(°)

經前期試驗研究可知，α=20°時，投種效果最好，本文中α取20°。二次投種機構種道數量與鴨嘴數量相同，可知γ=2π/M=24°，因此，二次投種機構安裝位置應滿足γ-α<β<α,即4°<β<20°。

2.2 種道輪廓設計

種道輪廓決定了種道的結構參數，如圖4所示，種道輪廓由3個側板組成，為保證投種效果，逐一設定側板傾斜角φ、側板圓弧半徑R及內種道高度h等參數。

2.2.1側板傾斜角

為保證種子能順利進入內種道，種子由外殼開口進入外種道后，需在側板2上滾動，則側板2傾斜角φ需滿足

φ>φm

(2)

式中φm——種子與鋼板平面間的滾動穩定角，(°)

由文獻[24]得知，種子滾動穩定角的取值范圍為12.6°～21.3°，另外，包衣后種子的滾動穩定角將增大1°～3°，由此可知φ>24.3°，本文中φ取28°。

2.2.2側板圓弧半徑

氣吸滾筒式穴播器在工作過程中如遇地面不平或種床有硬物等情況，氣吸滾筒式穴播器會顛簸振動，造成種子脫離側板2，落在側板3上，為保證種子完好，并能順利進入內種道，外側板設計成圓弧結構，如圖4所示。半徑R需大于種子最大曲率半徑ρmax，即

R>ρmax

(3)

種子最大曲率半徑取值參考橢圓最大曲率半徑，其計算公式為

(4)

式中ρ——橢圓最大曲率半徑

L′——種子長度，mm

W′——種子寬度，mm

由于種子最大曲率半徑比橢圓最大曲率半徑小，引入修正系數k(k為0.8～0.9)。由文獻[24]知，種子的長度L′介于4.31～13.21 mm之間，寬度W′介于3.57～6.33 mm之間。為保證數據可靠，L′、W′、k取最大值，則

(5)

得R>24.8 mm，結合前期試驗結果，本文中R取26 mm。

2.2.3內種道高度

種子可能以不同的姿態進入內種道，進而產生不同的運動狀態，經分析，種子的主要運動狀態有縱向、橫向和斜向3種滾動方式，如圖5所示，其中H′為種子的高度。

橫向和斜向是種子運動的主要姿態，縱向則大多出現在種子縱向進入并在內種道內初始滾動時，通過自身調整后將變為橫向或斜向。因此，要保證種子順利從內種道出口排出，內種道輪廓尺寸需滿足種子在內種道內能夠無障礙運動。當種子縱向滾動時，種子長度決定了內種道高度h；而當橫向和斜向滾動時，種子的寬度和厚度尺寸決定了內種道高度h，綜合考慮，內種道高度h需大于等于種子幾何尺寸的最大值，同時，內種道高度直接影響氣吸滾筒式穴播器整體尺寸，不能過高，因此，內種道高度h需滿足

L′max

(6)

將L′max=13.21 mm代入公式(6)，得13.21 mm

2.3 內種道出入口設計

2.3.1內種道入口設計

氣吸滾筒式穴播器逆時針轉動，內種道入口設置于外種道后方，靠近后側擋籽板，如圖6所示，內種道入口采用類似平行四邊形結構，前、后邊分別與擋籽板平行，長度為L1，后邊與擋籽板間距為后邊距e1，另外兩條邊為圓弧，兩圓弧的圓心分別與外圈圓心重合，兩條圓弧的徑向間距為L2，外圓弧與外圈的邊距為外邊距e2。

為保證種子能以任意姿態順利進入內種道，并防止種子在內種道滾動過程中從入口處掉落，內種道入口需滿足

(7)

式中R1——氣吸滾筒式穴播器外殼外徑，mm

依據本文選取的氣吸滾筒式穴播器和種子特征，將M=15、L′max=13.21 mm、W′max=6.33 mm、H′max=5.52 mm、φ=28°代入公式(7)得

(8)

參數e1、e2的取值與其余參數無關，結合前期試驗結果，本文中e1、e2取1.5 mm，L1和L2的取值與R1和h有直接關系，R1與h的取值又相互制約，因此，L1、L2和R1的取值由h確定。

2.3.2內種道出口設計

內種道出口設置于內種道前方，靠近前側隔板，與鴨嘴端部對應，如圖7所示，內種道出口采用矩形結構，為保證種子以任意姿態順利經過內種道出口，且避開內種道入口，內種道出口結構參數應滿足

(9)

式中L——出口長度，mm

e——出口邊距，mm

R2——腰帶外圈半徑，mm

依據本文選取的氣吸滾筒式穴播器和種子特征，將M=15、L′max=13.21 mm、W′max=6.33 mm、H′max=5.52 mm代入公式(9)得

(10)

參數e的取值與其余參數無關，結合前述e1、e2的取值，本文中e取1.5 mm，L的取值范圍由R2和L1決定，而R2和L1的取值受h影響，L的取值由h確定。

綜上所述，安裝角對種子能否進入二次投種機構影響較大，二次投種機構的結構參數L、L1、L2取值都和內種道高度h有關，另外，經前期研究，氣吸滾筒式穴播器作業速度對排種性能影響較大[8-9]，因此，安裝角、內種道高度和作業速度作為二次投種機構優化的目標參數。

3 二次投種機構仿真與排種過程分析

由于種子在氣吸滾筒式穴播器二次投種機構中的運動較為復雜，采用EDEM虛擬仿真方法可以準確分析二次投種機構中種子顆粒的速度，模擬和記錄任一種子顆粒在任意位置的運動軌跡和參數，即能夠精確地模擬排種過程，并分析二次投種機構的排種性能。

3.1 模型建立

根據對二次投種機構的設計結果，在SolidWorks中建立二次投種機構三維模型，連同氣吸滾筒式穴播器簡化模型一起導入EDEM中，EDEM中的簡化模型如圖8所示，模擬所需相關參數如表1所示[13,25]。為減少取種、清種和一次投種對排種性能的影響，對模型進行簡化，特將顆粒工廠設置在取種盤投種孔處，并按固定時間間隔產生顆粒，保證單粒種子顆粒進入分種盤內，并在氣吸滾筒式穴播器下方設置600 mm×300 mm×200 mm的長方形接種箱，上方開口，可存儲鴨嘴釋放的種子顆粒。

表1 模擬所需物理和力學特性參數

設置氣吸滾筒式穴播器作業速度為3.46 km/h，內種道高度為16.5 mm，仿真步長為0.01 s，仿真總時長10 s。

3.2 仿真結果分析

3.2.1種子運動軌跡分析

為分析種子運動軌跡，在EDEM后處理模塊添加Manual selection 01，選取1號種子顆粒，并選用Stream格式顯示，即可得到1號種子顆粒從投種到入土的軌跡曲線，如圖9所示。

該曲線共分為4個階段：一次投種區Ⅰ、種子徘徊區Ⅱ、種子跟隨區Ⅲ、二次投種區Ⅳ，除第Ⅰ階段曲線有波動外，其余階段軌跡曲線較順滑。其中第Ⅰ階段軌跡曲線存在波動是因為氣吸滾筒式穴播器的取種盤與外殼間距較大，種子靠自重下落與外殼發生碰撞被彈起，經過2～3次碰撞后接近穩定狀態，然后經分種盤撥動至外殼出口處，落入外種道；第Ⅱ階段軌跡曲線存在重疊，種子滾動到外種道底部時進入對應的內種道中，由前述分析可知，內、外種道部分重合，內種道位于外種道后側，因此，種子進入內種道后，先落入內種道底部，隨后再跟隨氣吸滾筒式穴播器轉動，造成軌跡曲線部分重疊的現象；種子在第Ⅲ階段整體處于內種道中，隨著氣吸滾筒式穴播器轉動，種子重力G與x軸方向的夾角θ先減小后增大，造成重力G在x軸的分量Gx先增大后減小，種子進入內種道時，GxF，徑向力指向內側，至此種子由外壁向內壁運動，隨后貼近內壁轉動，當種子運動到最高點時，θ減小為0，而后θ開始增大，Gx開始減小，直至運動到區域A時，Gx

3.2.2種子運動速度分析

為保證種子在二次投種機構中運動速度分析的有效性，選取上述1號種子顆粒，將Selection設置為Manual selection 01，x軸時間設置為0～5.0 s，y軸主屬性選取速度，生成1號種子速度曲線，如圖10所示。

圖中前4個階段與種子運動軌跡相對應，0.3 s時種子顆粒產生，0.3～0.9 s種子處于一次投種區Ⅰ，速度呈先增大后減小，后續波動狀態，由圖9可知，這一現象是由于種子脫離取種盤后僅受重力作用，做自由落體運動，速度迅速升高，當與外殼或分種盤接觸時速度迅速減小，發生碰撞后種子被彈起，速度出現小幅升高后回落，與種子運動軌跡曲線相吻合；0.9～1.1 s時處于種子徘徊區Ⅱ，種子速度先減小后增大，該階段的速度波動是因為種子隨氣吸滾筒式穴播器運動速度與種子進入內種道速度相抵消，出現速度減小的情況，當落至內種道底部后速度開始增大，直到與氣吸滾筒式穴播器的線速度相同；1.1～2.6 s時進入種子跟隨區Ⅲ，種子速度整體平穩，在2.25 s時出現速度峰值，是因為種子到達區域A(圖9)時，受重力影響，種子從內種道底部運動到頂部，出現一個加速過程，到達頂部后回落到與氣吸滾筒式穴播器同步；2.6～2.9 s進入二次投種區Ⅳ，此時速度較跟隨區有所增大，是因為種子從二次投種機構進入鴨嘴中，種子所處的半徑增大，速度隨之增加；2.9 s后進入自由落體區Ⅴ，該階段速度出現2個峰值，原因在于氣吸滾筒式穴播器下方設置接種箱，如圖8所示，種子從鴨嘴處排出后落入接種箱，出現第1個峰值，發生碰撞后彈起，出現第2個峰值。正常播種時種子從鴨嘴排出直接進種穴，不會出現第Ⅴ階段的兩次速度變化，本文中之所以出現第Ⅴ階段，是為后續仿真試驗做準備工作。

3.2.3排種性能分析

漏播和重播現象是造成排種質量下降的主要因素，觀察氣吸滾筒式穴播器工作過程中種子的分布位置，可以看出是否有漏播和重播現象的發生，如圖11所示。

從圖11中可以看出，種子所在位置與上述種子運動軌跡相吻合，除A和B處外，其余每穴滿足單粒播種要求。由圖11可知，該時刻A處存在重播和漏播現象，B處存在漏播現象，究其原因，主要是二次投種機構安裝角問題，安裝角較大或較小，種子將會掉入前或后的外種道中，造成漏播和重播，當安裝角較大時，由于外殼開口與前外種道擋籽板距離較近，較易造成前種穴重播，相反，安裝角較小時，外殼開口距離后外種道擋籽板較近，易造成后種穴重播，如A1所示。另外，當氣吸滾筒式穴播器作業速度較大時，分種盤撥動種子的沖擊力較大，造成種子飛進前外種道中，造成該種穴漏播，前種穴重播，如A2所示。

基于仿真結果對氣吸滾筒式穴播器的排種性能進行分析，在氣吸滾筒式穴播器下方設置與接種箱大小相同的Grid Bin Group，記錄任意時刻排出的顆粒數量并導出數據，繪制成如圖12所示的折線圖來分析重播和漏播數量。從圖12中可以看出，整體呈線性上升趨勢，分析7.4～8.0 s(框選區域)的局部放大圖可知，折線存在上升突變和水平現象，分析數據可知，折線突變上升是由于該穴種子超過1粒，確定為重播，而折線水平則表示該穴無種子，為漏播。另外圖中3.95、5.45、6.25 s時出現漏播，在4.45 s時出現重播。基于此，可對仿真周期進行排種性能分析，得到漏播指數Y1、重播指數Y2、合格指數Y0。

4 仿真試驗

4.1 試驗方案

為了對二次投種機構結構參數進行優化，利用離散元仿真方法對不同參數的氣吸滾筒式穴播器進行三因素二次旋轉正交組合試驗，以安裝角、作業速度、內種道高度為試驗因素，以合格指數、漏播指數、重播指數為評價指標。以理論分析和仿真分析結果為依據，設定各因素零水平值，試驗因素編碼如表2所示。

表2 試驗因素編碼

通過Design-Expert數據處理軟件進行三因素二次旋轉正交組合試驗設計，如表3所示。按照每個試驗序號的參數要求，調整安裝角、作業速度和內種道高度，在SolidWorks中完成二次投種機構的建模，在EDEM中設定作業速度，并設定種子顆粒產生總數為200個，仿真總時間10 s。每組試驗分別提取顆粒數量數據，繪制圖12所示的排種性能分析曲線，計算漏播指數、重播指數和合格指數，并記入試驗結果，如表3所示(X1、X2、X3為因素編碼值)。

表3 試驗方案與試驗結果

4.2 試驗結果分析

通過Design-Expert軟件對仿真試驗結果進行二次回歸分析，確定了各因素對試驗指標的影響規律，分別建立合格指數Y0、漏播指數Y1、重播指數Y2的回歸方程為

(11)

(12)

(13)

回歸方程方差和顯著性分析結果如表4所示。由方差和顯著性分析結果可知，合格指數、漏播指數和重播指數模型的擬合度極顯著(P<0.01)，安裝角、作業速度和內種道高度對3個指標的影響顯著，且部分因素存在兩兩交互作用，3個指標的回歸方程失擬不顯著(P>0.05)，與試驗數據擬合良好。影響合格指數和漏播指數的主次順序為安裝角、作業速度、內種道高度，影響重播指數的主次順序為安裝角、內種道高度、作業速度。

表4 回歸方程顯著性分析

通過Design-Expert軟件對數據進行處理，得到安裝角、作業速度和內種道高度之間的顯著和極顯著交互作用對3個指標影響的響應曲面，如圖13所示。

由圖13a可知，當安裝角一定時，合格指數隨內種道高度增加呈先升高后降低的趨勢，是因為內種道高度過小容易造成種子卡在內種道，不能翻滾進入鴨嘴中，造成漏播指數增大，而內種道高度過大則會增大氣吸滾筒式穴播器整體尺寸，種子的活動區域增大，不能保證種子按照預定軌跡運動，造成合格指數降低。內種道高度一定時，隨著安裝角的增大，合格指數同樣呈先升高后降低的趨勢，且安裝角較大時，合格指數快速降低，是由于此時外殼開口與前外種道擋籽板距離較近，較易造成漏播指數和重播指數增大。由圖13b可知，當安裝角一定時，隨著作業速度的增大，漏播指數先緩慢降低后迅速升高，反之亦然，安裝角和作業速度對漏播指數的影響基本一致，在安裝角和作業速度都偏小時出現漏播指數最小值。由圖13c可知，當安裝角一定時，隨著內種道高度的增大，重播指數先降低后升高，反之亦然，從圖中可看出安裝角對重播指數的影響較內種道高度大，安裝角和內種道高度取中間值時出現漏播指數最小值。

4.3 參數優化

各因素以及因素間的交互作用對氣吸滾筒式穴播器排種性能影響較大，為了獲得最佳排種性能，以較低的漏播指數、重播指數和較高的合格指數為優化目標，對氣吸滾筒式穴播器作業速度、二次投種機構安裝角和內種道高度進行多目標優化分析，其目標函數和約束條件為

(14)

通過計算得到最優結果為：安裝角10.95°、作業速度3.29 km/h、內種道高度16.68 mm，此時合格指數為98.40%，漏播指數為0.85%，重播指數為0.75%。

5 田間試驗

為驗證仿真試驗優化后參數的準確性，同時考察二次投種機構的工作性能，在山東省農業科學院濟陽試驗基地進行田間試驗，如圖14所示。根據GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，以作業速度、安裝角、內種道高度為試驗因素，以合格指數、重播指數、漏播指數為排種性能評價指標，設置5組重復試驗，如表5所示。其中A、B、C、D組為對照樣本，A組為普通穴播器；B組的主要參數接近表2的零水平，C組和D組的參數選擇表2中各因素的±1.682水平，E組為裝有優化后二次投種機構的氣吸滾筒式穴播器。

表5 田間試驗參數設置

為減小不同種子對試驗的影響，所有試驗均采用新陸早42號，吸種負壓為-3 kPa，試驗效果如圖14所示。每次試驗選取播種行的4個測量段進行數據采集，每段測量20個種子，每兩段相距30 m，并重復試驗3次，記錄3次測量平均值，計算出合格指數、漏播指數和重播指數，如圖15所示。

圖15中均為各組試驗指標的均值，并統計了標準偏差。從試驗結果可以看出，E組合格指數最高，與B組較為接近，C組合格指數最低，漏播指數和重播指數最高，同時標準偏差較大，排種性能不穩定。D組重播指數與B組相近，但漏播指數較高，造成合格指數較低。E組合格指數為98.06%，但也小于仿真分析的最優結果98.40%，是因為氣吸滾筒式穴播器工作過程中受振動及取種、清種過程影響，使合格指數有所下降。

由圖15可知，裝有優化后二次投種機構的氣吸滾筒式穴播器的合格指數98.06%，較普通穴播器合格指數95.85%提升了2.21個百分點，同時還可以看出，C、D、E組的3個指標相差較大，說明二次投種機構的結構參數對氣吸滾筒式穴播器的排種性能影響較大。

6 結論

(1)設計了氣吸滾筒式穴播器的二次投種機構，通過分析影響二次投種機構投種性能的主要因素，確定了二次投種機構優化目標參數為安裝角、內種道高度和作業速度。二次投種機構如同一個紐帶，將取種盤與鴨嘴連接起來，賦予了種子一定的運動軌跡，從而確保種子落入對應的種穴內，在降低投種點高度的同時延長了投種時間，提高了穴粒數的準確度。

(2)通過EDEM分析了二次投種機構的排種過程和重播、漏播的產生原因，得到種子在二次投種機構中的運動軌跡和速度變化曲線。以合格指數、漏播指數和重播指數為評價指標，進行了三因素二次旋轉正交組合仿真試驗和多目標優化分析，確定了影響評價指標的主要因素，并得到二次投種機構最優的結構參數和工作參數為：安裝角10.95°、作業速度3.29 km/h、內種道高度16.68 mm。

(3)進行了氣吸滾筒式穴播器田間對比試驗，結果表明，二次投種機構的結構參數對排種性能影響較大，優化后的穴播器合格指數為98.06%，比普通穴播器提升了2.21個百分點。