導引式水平圓盤大豆精密排種器的設計與試驗

摘要：針對河南地區地塊小且分散的特點，改善大豆人工播種的勞動強度，基于引導多粒種子充種的設計思路，提高種子在排種器內的充種性能，設計了一種適用于小地塊大豆播種機的導引式水平圓盤精密排種器。充分利用水平圓盤排種器充種行程長的優勢，在型孔外側設計了導引板形成的導引槽，實現多粒種子有序充種。依據種子的幾何尺寸，對排種器的型孔、導引板、清種板等關鍵結構和參數進行了理論分析，確定了其基本參數：排種盤直徑為200 mm、型孔數量為18個；型孔長、寬、高均為8 mm；導引板長度為13 mm、高度為2.5 mm；護種板圓心角為40°。為得到排種器的最佳工作轉速，運用EDEM軟件進行仿真試驗，結果表明：排種器最佳工作轉速為40 r/min，排種合格率、重播率和漏播率分別為97.53%、1.02%和1.45%。結合仿真試驗結果，縮小排種器轉速范圍進行臺架試驗，結果表明：排種器最佳轉速為38 r/min，排種合格率、重播率、漏播率分別為97.69%、1.09%、1.22%，與仿真試驗結果差異性較小，能夠滿足大豆精密播種的農藝要求。

關鍵詞：農業機械；導引式；水平圓盤排種器；有序充種；大豆；EDEM仿真

中圖分類號：S223.2 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）22-0200-06

在大豆生產過程中，播種機是實現農作物機械化生產的重要方式之一，而排種器作為播種機械的核心部件，是保證播種質量的主要手段［1］。從工作原理上主要分為兩大類：機械式和氣力式，其中機械式排種器憑借結構簡單、成本低廉、易于維修等優勢，在國內仍然作為主流排種器安裝在播種機上使用［2］。機械式排種器主要分為立式圓盤和水平圓盤2類，其中水平圓盤排種器具有充種行程長、囊種率高等特有優勢［3-4］。Garcia通過對水平圓盤排種器進行播種試驗研究分析中發現，型孔的參數直接影響播種質量［5］。石林榕等為提高水平圓盤式精量排種器的工作性能，利用離散元軟件進行數值模擬分析，確定了排種盤轉速為17 r/min［6］。梁天也等針對玉米水平圓盤排種器作業過程中破碎率較高的問題，對清種裝置進行了優化［7］。廖慶喜等根據玉米種子形狀將其分為4類，通過建立型孔的數學模型和試驗驗證，得到不同類別的種子所需的型孔參數不同［8］。劉艷芬等為提高水平圓盤排種器的工作效率，依據玉米種子尺寸對型孔進行了優化，提高了充種性能［9］。趙武云等為解決干旱地區玉米播種的作業要求，將水平圓盤排種器安裝在播種機上進行試驗，取得了良好的效果［10］。楊丹等針對馬鈴薯播種過程中種皮易損傷的問題，對現有的水平圓盤排種器進行了優化改進，降低了傷種率［11］。李帥奇等針對丘陵地區玉米播種技術，設計了一種水平圓盤玉米排種器，利用EDEM仿真試驗對其進行了驗證［12］。

為提高機械式排種器的充種性能，劉宏新等在現有排種器的基礎上增加排種器傾角，通過提高充種頻率，從而提升充種性能［2］。李玉環等通過在排種器內增加擾動機構降低了種子群在排種器內結拱堆積問題，提高了充種性能［13］。頓國強等結合種子的幾何尺寸對窩眼輪式排種器的型孔進行優化，從而提升排種器的充種性能［14］。黃玉祥等為提高排種器充種性能、增加排種合格率，針對立式圓盤排種器設計了側置導引式大豆精量排種器［15］。

針對河南地區地塊小且分散的特點，充分利用水平圓盤式排種器充種行程長的優勢，設計了導引式水平圓盤大豆精密排種器，在排種盤上設置導引板，由導引板形成的導引槽引導多粒大豆種子進行有序充種，提升充種性能，從而提高大豆播種機的播種質量。

1 結構與工作原理

1.1 整體結構

導引式水平圓盤大豆精密排種器整體結構見圖1，主要由上種斗、排種盤、排種器殼體、投種接頭、強制排種板、護種板和清種板等組成。

1.2 工作原理

由圖2可見，排種器開始工作時，排種器存種室內的種子群受到慣性離心力作用向排種盤外徑邊緣方向運動進入充種過程（Ⅰ）。隨著排種盤的轉動，靠近排種盤外徑邊緣的多粒種子優先進入導引槽和型孔內，完成有序充種；在排種盤的轉動下，型孔和導引槽攜帶種子開始逐漸進入清種區域（Ⅱ），在清種板的刮種作用下將導引槽內的種子清出，僅保留型孔內一粒種子；清種后的攜種型孔在排種盤的轉動下進入護種區域（Ⅲ），在護種板的護持作用下，種子被運送至排種口；當攜種型孔內運動至排種口時，在強制排種板和慣性離心力的共同作用下將型孔內的種子強制排出，進入投種接頭內，完成投種（Ⅳ）。

2 關鍵部件設計

2.1 排種盤設計

排種盤是導引式水平圓盤大豆精密排種器的核心工作部件（圖3）。根據《農業機械設計手冊》可知，排種盤直徑過大，不易加工和安裝，過小易導致型孔數量少產生過高轉速，一般直徑為200 mm左右。根據文獻［12-15］，選取排種盤的直徑D為200 mm，厚度B為10 mm，排種導槽寬度為2 mm。

2.1.1 型孔結構

型孔結構與尺寸參數是排種盤最關鍵的參數，能夠直接影響排種性能。本研究所設計的導引式取種結構包括導引板組成的導種槽、下陷式型孔共同組成。為保證型孔結構單粒導引充種，取種結構應滿足一定的要求， 圖3中，如取種導引槽寬度L2過大使開口過大，會導致型孔入口及內部易卡種，影響充種質量，過小容易導致部分種子無法充入。取種導引板高度L4不易過高使型孔上部種子過多，導致清種速度較慢及卡種，過低容易導致充種時種子在機器的振動下脫離導引槽，造成型孔空穴漏播。取種導引板L5不宜過長使種子無法進入導引槽，影響充種質量，過短則無法起到導引作用。型孔長度L1、型孔高度L3應保證能且僅能容下1粒種子，確保結構能充種，不卡種。為確保充種過程順利，多余種子在清種區域能夠順利清種，各尺寸應滿足：

式中：dmax表示種子最大尺寸，mm；dmin表示種子最小尺寸，mm。

試驗選取河南地區種植的皖豆35大豆種子作為研究對象，隨機選取100粒，對其三軸尺寸進行測量統計，得到：種子長、寬和厚均值分別為7.62、7.18、5.87 mm。將種子的最大尺寸dmax=7.62 mm和最小尺寸dmin=5.87 mm帶入公式（1）計算得：L1、L2與L3范圍為7.62～11.43 mm，L4范圍為1.905～2.935 mm，L5范圍為11.43～15.24 mm，結合前期研究，選取L1、L2、L3均為8 mm，L4為2.5 mm、L5為13 mm。

2.1.2 型孔分布

播種機作業速度、株距要求不變的條件下，若提高型孔數量，則排種盤所需轉速會隨之降低，在一定程度上能適當提高充種效果［16］。為簡化種子受力分析，以單粒種子為研究對象，忽略種子群之間的影響，種子在水平圓盤上發生運動的臨界轉速下，種子受力狀態應滿足：

式中：F為種子受到的離心力，N；Ff為種子在水平圓盤上的摩擦力，N；m為大豆質量，kg；μ為大豆與排種盤之間的摩擦系數，0.01；ω為排種盤角速度，rad/s；r為排種盤半徑，m。

排種器轉速需高于臨界轉速，此時種子才能在排種盤上向其外徑邊緣運動（圖4），計算得到排種器最低臨界工作轉速為9.5 r/min。根據GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》［17］設定播種機作業速度3.6 km/h、理論株距10 cm帶入公式：

v=6Zhn/10 000。

式中：v表示播種機前進速度，km/h；Z表示株距，cm；n表示排種器轉速，r/min；h表示型孔數量，個。

計算得到hgt;16.35個，為降低轉速、保證充種質量，型孔間能容2～3粒種子，單粒種子最大直徑為7.62 mm，型孔間距不應小于22.86 mm，設計型孔數量為18個，此時2個型孔間距為34.89 mm，可計算得排種器在3.6 km/h條件下轉速為33.33 r/min，滿足要求。

2.2 其他部件設計

2.2.1 清種板設計

種子在排種器內充種后，需要對型孔以外多余的種子進行清種，是保證單粒精密播種的關鍵環節之一。根據文獻可知，不同排種器內清種結構的形式不同，丁力等針對氣吸式排種器設計了圓弧形鋸齒清種機構［18］；頓國強等對窩眼輪式排種器參數優化時采用了清種毛刷與排種盤反轉結構［14］；李曉紅等設計了內充種式大豆排種器，通過種子自重進行清種［19］。以上文獻都是為了將型孔部位多于1粒的種子清出，保證每個型孔只保留1粒種子。由排種盤結構可知，在充種過程中為提高充種效果，導引槽內多于2粒種子，為保證在排種時型孔內只有1粒種子，故需在清種區域通過清種板將導引槽內多余的種子清出，清種板結構見圖5。

清種過程見圖6，當攜種型孔經過弧形清種板時，由于型孔是凹陷型設計，使單粒種子充入型孔，而導引槽仍存在多于2粒種子，此時弧形清種板底部邊緣首先與導引槽內遠離型孔的種子接觸，且最底部低于種子的質心（圖6-a）；隨著排種盤繼續轉動，清種板將導引槽內多余的種子逐個清出，保證型孔內只保留1粒種子（圖6-b～圖6-d）。

2.2.2 護種板設計

根據排種器結構，將護種板設計為弧形護種板，便于將其一側固定安裝在排種器殼體，同時另一側也能夠與排種盤相貼合。根據文獻可知，水平圓盤式排種器具有充種行程長的優勢，在護種板結構設計時不宜過長，過長降低充種行程長度。由上述可知，排種盤上設置有18個型孔，故在護種板設計時選取2個型孔所占的圓心角作為參數，即護種板的圓心角為40°。

2.2.3 強制排種板設計

當攜種型孔運動至排種口時，種子受到排種盤的離心力和強制排種板的共同作用，將型孔內的種子強制排出（圖7）。為防止在強制排種過程中種子被排種盤型孔和排種板相互擠壓造成損傷，故將強制排種板設計為弧形結構，使種子能夠順利排出。

3 離散元模擬試驗

3.1 參數設置

用三維設計軟件建立模型并將文件導入到EDEM中，根據前述的大豆種子尺寸參數，通過多球拼合建立大豆種子模型，顆粒間的接觸模型選擇Hertz-Mindlin無滑動模型［20-23］。排種器參數見表1。

以皖豆35大豆種子的三軸尺寸均值作為模型參數，采用多球面填充的方法，使種子顆粒與實際種子的輪廓相吻合。同時簡化排種器的結構，將不必要的零件去除，保留核心零件，并對其進行重新命名和參數設定。在仿真過程中設置顆粒生成數為500個，生成速度為5 000個/s，顆粒類型為正態分布。

3.2 仿真過程與結果分析

3.2.1 仿真過程分析

以排種器轉速為試驗條件，在仿真后處理過程中，為便于觀察種子在排種器內的運動過程，將排種器模型不同部件進行不同程度的透明化，并用不同顏色進行區分（圖8）。

對單粒種子在排種器內的主要4個運動過程進行分析。充種過程（圖9-a）：排種器工作時，靠近排種盤外徑邊緣的種子（紅色標記）優先進入導引槽；隨著排種盤的繼續轉動，多于1粒種子陸續進入導引槽，并且第1粒進入導引槽的種子開始進入型孔，完成充種。清種過程（圖9-b）：當攜種型孔進入清種區域時，在清種板的作用下，遠離型孔的種子優先被清種板底部挑起（圖9-b1），并開始推擠與其相接觸的種子（圖9-b2、9-b3），隨著排種盤的轉動，直至將導引槽內的種子全部清出（圖9-b4），完成清種。護種過程（圖9-c）：攜種型孔在護種板的護持作用下，隨著排種盤的轉動將種子運送至投種口；投種過程（圖9-d）：攜種型孔在排種盤的轉動下種子開始與弧形強制排種板接觸，在排種板的作用下種子逐漸脫離型孔，完成投種。

3.2.2 仿真結果分析

導引式水平圓盤大豆精密排種器的最佳性能為每個型孔內只保留1粒種子，即每次排種為單粒排種。以排種盤轉速為試驗因素，排種合格率、重播率和漏播率為試驗指標進行試驗。仿真試驗過程中選取排種器轉速范圍為 30～50 r/min。每組參數下重復3次試驗，計算其平均值作為試驗結果，計算方法如下：

式中：P表示合格率；U表示重播率；Q表示漏播率；n1表示型孔單粒排種次數；n2表示型孔多粒排種次數；n3表示型孔漏播次數；N′表示理論排種次數。

對仿真試驗的結果進行統計分析（圖10）。結合對仿真過程觀察可知，在排種盤轉動時，種子群在受到排種盤的慣性離心力的作用力下，向排種盤邊緣處運動，且在導引板的分流引導作用下有序進入導引槽。排種器轉速在30～40 r/min時，隨著轉速的逐漸增大，排種合格率逐漸升高，且升高速度逐漸降低；重播率和漏播率逐漸降低，且降低速度逐漸變緩。當排種器轉速為40 r/min時，此時排種器工作性能最佳，即排種合格率、重播率和漏播率為97.53%、1.02%和1.45%。排種器轉速在40～50 r/min時，隨著轉速的逐漸增大，排種合格率開始下降，且轉速越高合格率下降速度越快；漏播率開始升高，且轉速越高漏播率升高速度越快；重播率逐漸降低，并逐漸變緩。因此導引式水平圓盤大豆精密排種器的最佳工作轉速為40 r/min，排種性能最佳。

4 臺架試驗

4.1 材料與方法

為驗證EDEM離散元仿真試驗結果的可靠性及工作性能，通過3D打印技術將設計的排種器制作出來，并于2023年1月8日將其安裝在河南農業大學機電工程學院大豆裝備實驗室的STB-700型精密排種器性能工作試驗臺（中國農業大學研制），試驗選取皖豆35作為試驗材料進行臺架性能試驗。

由仿真結果可知，導引式水平圓盤大豆精密排種器的最佳工作參數為40 r/min，為驗證排種器最優參數，將轉速范圍進一步縮小，故在排種器臺架試驗驗證時，設置排種器轉速為36、38、40、42、44 r/min，對試驗結果進行統計分析。

4.2 試驗結果

臺架試驗結果見表2，排種器最佳工作轉速為38 r/min，此時排種合格率、重播率和漏播率分別為97.69%、1.09%、1.22%。其中當排種器轉速為 40 r/min 時，與仿真試驗結果對比分析可知，在相同條件下兩者之間的排種合格率相對誤差為0.11百分點，說明仿真結果具有較高的可靠性，可以用來在排種器設計過程中對其參數選取和優化進行預測，提高研發進度，降低生產成本。

5 結論

本研究設計了1種采用導引板形成的導引槽使多粒種子能夠有序充種的導引式水平圓盤大豆精密[CM（21]排種器，對排種器的結構與工作原理進行了闡述。

以皖豆35大豆種子為研究對象，對排種器的型孔、導引板、清種板等關鍵結構和參數進行了分析，確定了其基本結構參數：排種盤直徑為200 mm、厚度為10 mm；型孔長、寬和高均為8 mm；導引板高度為2.5 mm、長度為13 mm。

利用EDEM軟件對導引式水平圓盤大豆精密排種器進行仿真試驗，以排種器轉速為試驗因素，得到排種器最佳工作轉速為40 r/min，排種合格率、重播率和漏播率分別為97.53%、1.02%和1.45%。臺架驗證試驗結果表明：排種器在38 r/min時，排種合格率、重播率和漏播率分別為97.69%、1.09%和1.22%，能夠滿足實際播種需求。

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收稿日期：2023-02-21

基金項目：國家大豆產業技術體系建設專項（編號：CARS-04）。

作者簡介：蓋苗苗（1987—），女，河南商丘人，碩士，講師，主要從事機械工程研究。E-mail：179809516@qq.com。

通信作者：李曉紅，碩士，副教授，主要從事農業裝備智能控制技術研究。E-mail：294697938@qq.com。