攪種托種型小麥氣吸式精量排種器參數化設計與試驗

李洪昌 高芳

摘要：針對氣吸式小麥排種器因充種效果不佳導致排種性能下降的問題，設計一種輔助托種、攪種種盤的小麥氣吸式精量排種器。該型排種器能夠利用型孔凸臺在充種過程擾動種群，同時利用攪種板增加種群的離散度并提高充種性能；在攜種區種子更易在型孔凸臺的托持作用下穩定吸附，減小種子所需吸附的負壓。運用EDEM對4種不同設計的排種盤進行種群離散元仿真，分析各排種盤的種群平均速度和種群法向應力跳動量的變化規律。以轉速、氣室壓強和攪種板傾斜角為因素，對所設計的最佳排種盤進行正交臺架試驗，通過試驗結果的方差分析，確定各試驗因素對排種性能指標的擬合優度及回歸方程。最后，采用試驗因素的多目標尋優，以合格指數最大，重播、漏播指數最小為尋優條件，得出所設計排種器的最佳性能參數：排種盤轉速為36.7r/min，氣室壓強為-3.6 kPa，攪種板傾斜角為26.2°。對優化后的結果進行試驗驗證，臺架試驗結果與理論計算結果誤差小于5%。該研究可為小麥氣吸式精量排種器優化改進提供參考。

關鍵詞：小麥；氣吸式排種器；離散元法；正交試驗

中圖分類號：S223

文獻標識碼：A

文章編號：20955553 （2023） 07000908

Parametric design and experiment of air suction precision metering device for wheat

Li Hongchang1， 2， Gao Fang1

（1. College of Vehicle Engineering， Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology， Changzhou，

213164， China; 2. Institute of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract： Aiming at the problem of reduced seeding performance of the air-suction wheat seed metering device due to poor seed filling， a wheat air-suction precision seed metering device that assists in seeding and stirring the seed tray is designed. This type of seed metering device can use the hole boss to disturb the population during the seed filling process and at the same time， use the stirring plate to increase the dispersion of the population and improve the filling performance. In the seed-carrying area， the seeds are more easily stabilized and absorbed by the hole boss， reducing the negative pressure required for seed adsorption. EDEM was used to simulate the discrete element population of 4 different design seeding discs， and the variation of the average population velocity and the normal stress beating of the population of each seeding disc was analyzed. Taking the speed， air chamber pressure and the inclination angle of the stirring plate as factors， the orthogonal bench test was carried out on the optimal seeding plate designed. Through the variance analysis of the test results， the goodness of fit and regression equation for each test factor combination of the seeding performance index were determined. Finally， the multi-objective optimization of experimental factors was adopted， with the optimal conditions being the largest qualified index and the smallest replay and missed index. The best performance parameters for the designed seed metering device were obtained： the seed metering disk speed was 36.7 r/min， the air chamber pressure was -3.6 kPa， and the inclination angle of the stirring plate was 26.2°. The optimized results were tested and verified， and the error between the bench test results and the theoretical calculation results was less than 5%. This research can provide a reference for the optimization and improvement of wheat suction precision metering devices.

Keywords： wheat; air suction seed metering device; discrete element method; orthogonal test

0 引言

小麥是一種世界各地廣泛種植的禾本科植物，是歐洲、亞洲各國家以及中國北方地區熟悉的主食，目前產量位于世界糧食作物總產量前三。保證小麥的高產與穩產在提高農民經濟效益、保障糧食安全等方面具有重要意義［14］。近年來，隨著精量播種技術的日趨完善，逐漸將精播技術用于傳統的條播作物，小麥精密播種相較于傳統的密集條播作業可減少基本苗，具有節省良種、降低成本、提高產量和經濟效益的作用，同時可以為后續機械化收割提供相應條件［58］。

精量播種技術的核心部件是排種器［914］。由于小麥具有非圓紡錘狀外形，因此對精密排種器提出了更高要求。目前，我國小麥的播種形式主要為散播、條播和寬苗帶播種，種子間的株距無法統一。市面上的小麥播種機多采用機械式排種器，主要類型為外槽輪式，該型排種器結構相對簡單，維修和制造成本低，但播種均勻性和穩定性受排種器轉速和播量的較大影響，同時屬于機械式排種器，種子破損率也較高，無法滿足小麥生產對精密播種的要求［1519］。

為提高小麥精量排種器的播種精度，本文設計了一種能提高小麥播種機播種質量、減少種子機械損傷、增強種子充種效果、具有輔助充種、托種作用的小麥氣吸式精量排種器。通過對種盤關鍵結構進行數學建模，設計種盤型孔凸臺以擾動種群并起到輔助托種作用，設計攪種板以提高種群的離散度。利用EDEM仿真驗證所設計排種盤的優越性，并采用正交臺架試驗確定各試驗因素對排種性能指標的擬合優度及回歸方程，最后通過多目標優化方法，得出所設計排種器的最佳性能參數，以期為小麥精量播種技術的研究和發展提供參考。

1 整體結構與工作原理

攪種托種型小麥氣吸式精量排種器主要由型孔凸臺、攪種板、排種盤，清種鋸齒、氣室等部件組成，如圖1所示。排種器正常工作時，小麥種子首先通過進種口流入充種室，隨后在氣室負壓和型孔凸臺的共同影響下，克服種群間摩擦力附著在排種盤的型孔上，之后穩定存在于型孔凸臺上多余的種子在清種鋸齒的作用下回落，僅存于型孔上的單粒種子繼續向上轉動，最后，當種子到達氣室末端時，氣流被阻斷，負壓消失，在重力、離心力和型孔凸臺推動力的共同作用下，種子從投種口處投出，落入播種機開溝器形成的穴孔之中，實現精量播種作業。

2 排種盤關鍵結構設計

2.1 型孔凸臺結構設計

為了保證排種器穩定高效的排種性能，排種盤的設計至關重要。創新設計一種輔助托種結構，其設計參數主要有型孔凸臺間距l、型孔直徑d、型孔凸臺厚度δ。為了確定以上參數，測定中國黃淮海地區常種植的小麥種子外形尺寸平均值：小麥長、寬、厚平均尺寸為6.32mm、3.41mm、3.27mm，最大尺寸分別為7.22mm、4.08mm、3.91mm，排種盤型孔凸臺示意圖如圖2所示。

其中型孔凸臺間距l應保證最大尺寸的小麥種子能完全進入托種區，并避免多粒種子同時進入，因此需滿足關系式（1）。

D1≤l≤2D2

（1）

式中：

D1——種子長度最大尺寸，mm；

D2——種子長度最小尺寸，mm。

根據小麥種子測量數據可知，D1為7.22mm，D2為5.56mm，因此，選取型孔凸臺間距l=10mm。

型孔凸臺厚度δ決定種子所受托持力的大小，隨著型孔凸臺厚度δ的增大，排種器對氣室負壓的要求相應減小，但隨著型孔凸臺厚度δ的進一步增大，會造成排種器的清種性能下降，數學分析可得δ最大不能超過小麥種子厚度的50%，因此，設置δ=1.5mm。氣吸式小麥排種器的型孔直徑取種子等效直徑的（0.6～0.7）倍，因此本文中型孔直徑d取3.0mm。

2.2 型孔數和排種盤直徑確定

小麥種植株距為35～50mm，因此氣吸式小麥排種器與其他常用氣力式排種器相比需要有更高的排種頻率，播種機作業速度與排種盤型孔數滿足式（2）。

v=3.6ZSn60×103

（2）

式中：

v——播種機前進速度，km/h；

S——小麥種子種植株距，mm；

Z——型孔數；

n——排種器轉速，r/min。

式（2）表明，當作業速度、株距一定時，型孔數Z與排種器轉速n成反比，即型孔數Z越多轉速n越低，種子所需的吸種負壓越低，但型孔數并非越多越好，應在株距一定的條件下，適當提高其排種頻率。本文結合農業機械設計手冊、小麥種子等效直徑和型孔尺寸并考慮排種器的穩定性和經濟性，最終選定40個型孔作為排種盤型孔數。

排種盤弧長示意圖如圖3所示，排種盤每兩個型孔間夾角θ=360°/40=9°，其中OAB為等腰三角形，lAB由型孔凸臺間距l和型孔凸臺寬度w組成，由于小麥種子的質量很小，因此設定型孔凸臺寬度w為1.2mm，則lAB=11.2mm，通過正弦定理可以求得lOA=71.37mm，即型孔中心所在圓直徑為142.74mm。為了保證型孔處于氣室范圍內且留有足夠的外邊緣，最終選定排種盤直徑為170mm。

2.3 攪種板

在排種器作業過程中，位于充種區的種子速度對排種器的充種率有很大影響，種子運動速度越劇烈，有利于縮短種子的填充時間，在保證較高排種頻率的前提下，型孔越容易吸附種子。如圖4所示，當排種器勻速運動時，排種器充種區的種群呈現半月形的運動軌跡。按照種群顆粒速度的大小和方向可以將其劃分為四個主要區域：上升區、塌陷區、相對靜止區和回流區。在上升區種群的整體速度較高，這是因為型孔凸臺有力地擾動底部種群。在相對靜止區，種群運動速度相對較低且速度方向呈現繞自身轉動的特點。在塌陷區，種群運動到最高點后，由于受力方向發生變化，未被填充的其他種子都將迅速下落。在回流區，回落的種子在自身重力作用下向上升區的相反方向移動，并再一次進入上升區。

型孔凸臺在穿過種群時只與上升區的種子接觸，所以種子的填充過程只發生在上升區。為了提高排種器的充種率，應同時加速上升區和相對靜止區的種群運動。為此，設計一種新型攪拌板結構，該結構與排種盤同步旋轉。攪拌板應安裝在相對靜止區，使該區種子向上運動至上升區，這有助于擴大上升區，縮小相對靜止區，且利于提高上升區的上升速度和回流區的回流速度。通過離散元仿真預試驗發現攪拌板的角度會顯著影響種群的運動狀態，不同的安裝角度會改變攪種板作用在種群上的受力方向，導種上升區種群數量和離散程度的不同，如圖5所示，后續將采用二次正交臺架試驗確定最佳的攪種板角度設計。

3 排種盤輔助充種性能仿真分析

種盤在充種區的擾動強度是決定排種器充種性能的關鍵，小麥種子重量輕，在排種盤轉速較快的情況下，種子與型孔的接觸時間較短，在充種區種子容易漏吸。為解決上述關鍵問題，本文采用離散元法對4種不同設計的小麥氣吸式排種盤進行種群擾動強度分析，研究4種設計的排種盤結構對排種器擾動性能的優劣，分析得出最優的設計結構。

3.1 排種盤結構

鑒于氣室負壓對排種器內種群顆粒有著一定的氣流擾動影響，為了排除該因素，使4種不同排種盤的氣流通過面積和相應的試驗條件保持不變。其中A盤為原始盤，型孔周圍無任何凸起；B盤型孔周邊有圓臺形凸起，凸起高度1mm；C盤型孔周邊有圓形凹槽，凹槽直徑和深度分別為4.5mm和0.75mm；D盤型孔周圍有型孔凸臺，凸臺高度為1.5mm。各排種盤型孔外形如圖6所示。

3.2 小麥顆粒建模及離散元運動仿真

小麥種子的球形率較低，因此本文在EDEM中以多球組合的方式生成小麥種子仿真模型，組成球的數目越多，則仿真模型與實際的小麥種子形狀越接近，相應的計算精度越高［20］。但過多的組成球將顯著提高計算成本，因此，綜合考慮后選擇基于5球建立的小麥顆粒仿真模型，如圖7所示。

為了提高仿真模擬計算速度，將排種器無關仿真精度的相應部件進行簡化并導入EDEM軟件中。仿真采用的材料力學特性如表1所示。

離散元仿真采用Hertz-MindLinbuilt-in無滑動接觸模型，設置生成1200粒種子模型，為保證EDEM仿真連續性，設定時間步長為瑞麗時間步長的16%，仿真計算時間為12s（0～1s用于形成1200個小麥顆粒仿真模型），計算網格尺寸為2R，即最小組成顆粒半徑的2倍，排種盤仿真過程如圖8所示。

3.3 仿真結果分析

通過前期仿真預試驗發現，位于種層上部的種子較種層下部種子更容易隨排種盤脫離種群，因此仿真后處理重點對種層下部區域結果數據進行分析。從不同排種盤種層下部同一位置框選區域，導出每個時間步的種群平均速度和種群平均法向應力，數據從仿真3s后開始導出，在仿真后的8s結束。

以排種盤轉速為52r/min為例進行仿真，用EXCEL繪制各排種盤的種群平均速度v隨時間的變化趨勢，如圖9所示。圖9表明，種群平均速度隨時間的推移出現無規律波動，其中D盤波動最明顯，其次為B盤、C盤和A盤，說明選擇D盤的排種器種群擾動強度最好，種子更容易在自身重力和種子間相互沖擊力的作用下被型孔吸附，從而實現充種過程。

框選區域中每顆種子在任意時刻所受到的平均法向應力為

fτq=Fτq×NcgNag

（3）

式中：

fτq——

q時刻框選區域中每顆種子受到的平均法向應力；

Ncg——q時刻的接觸總數；

Nag——q時刻的種子總數；

Fτq——

q時刻的接觸法向應力平均值。

為了定量描述顆粒間的波動情況設定法向應力跳動量ξ，其函數表達式為

ξ=1U-1∑8q=3fτq-∑8q=3fτqU2

（4）

式中：

U——輸出數據總數。

圖10顯示了4種排種盤在不同速度條件下對種子法向應力跳動量ξ的影響。

從圖10可以看出，隨著排種盤轉速的增大，各個排種盤的種子法向應力跳動量ξ整體呈現不規則變化趨勢。數值上，D盤的種群法向應力跳動量ξ顯著大于其他三種類型的排種盤，4種排種盤的ξ大小關系為：D盤>B盤>C盤>A盤。

排種器的充種性能主要取決于種群的擾動強度，而較大強度的擾動會使種子在豎直方向上出現跳動，種子的法向應力會出現劇烈、無規則的跳動，表征到ξ值上會使該值增大，較大的種子法向應力跳動量ξ使種子更容易被氣流壓力壓附在型孔上，提高其充填的概率，從而驗證了所設計的型孔凸臺結構具有輔助充種的優勢。因此，后續選擇D盤進行排種器臺架優化試驗。

4 臺架試驗與分析

為優化排種器的設計和工作參數，在2020年11月按照仿真試驗所采用的模型參數3D打印試制了所設計的排種盤，如圖11所示。試驗地點在常州機電職業技術學院車輛工程院樓，排種檢測裝置為黑龍江農業科學院研制的JPS-12型多功能排種試驗臺。

4.1 正交試驗設計

采用正交試驗設計，以排種盤轉速、氣室壓強和攪種板角度為正交試驗因素，進行三因素正交試驗，因素水平編碼如表2所示。

4.2 正交試驗結果及相關性分析

試驗性能評價指標參考GB/T 6973—2005《單粒播種機試驗方法》，以小麥籽粒每次從投種口投出的種子數為參照，定義合格指數QUI、重播指數MUL和漏播指數MIS為

MUL=n1N×100%

（5）

MIS=n2N×100%

（6）

QUI=100%-MUL-MIS

（7）

式中：

N——理論排種數；

n1——2粒及以上排種數；

n2——單粒排種數。

根據上述評價指標，每組試驗獨立重復三次，取各項排種性能評價指標平均值作為試驗結果。正交試驗結果如表3所示，A、B、C分別為排種盤轉速、氣室壓強、攪種板角度的編碼值。

采用SPSS 24.0中的方差分析計算各因素及其相互作用對合格指數、重播試指數和漏播指數的影響，以確定各試驗因素對試驗指標的擬合優度及其回歸方程，如表4所示。排種盤轉速、氣室壓強和攪種板傾斜角對排種器的合格指數、重播指數和漏播指數均有顯著影響。此外，排種盤轉速與氣室壓強間的交互作用對合格指數有顯著影響，氣室壓強與攪種板傾斜角間的交互作用對重播指數有顯著影響。

根據表4的方差分析，對各試驗指標進行回歸擬合，將不顯著因素提出后，得到各試驗指標的回歸方程。

QUI=

-77.67+1.77A+6.14B+0.19C-

0.02AB-0.01BC-0.03A2-0.06B2

（8）

MUL=

87.56-0.73A-3.33B-0.04C+

0.01BC+0.02A2+0.03B2

（9）

MIS=

61.67-1.87A-4.79B+0.06C+

0.03AB-0.01BC+0.02A2+0.07C2

（10）

各回歸方程可決系數R2分別為0.979、0.929、0.913，表明回歸方程高度顯著，能夠準確預測合格指數、重播指數和漏播指數的變化規律。

4.3 試驗因素影響效應分析與目標優化

根據試驗分析結果，依據中國小麥排種器田間作業標準要求規定，排種器合格指數大于80%，重播指數小于15%，漏播指數小于8%，并以合格指數最大，漏播和重播指數最小為尋優條件，結合各因素邊界范圍，建立參數化模型如式（11）所示。

根據Matlab的尋優算法優化求解可得最佳性能參數組合排種盤轉速為36.7r/min，氣室壓強為-3.6kPa，攪種板傾斜角為26.2°。對優化后的參數進行臺架試驗驗證，得出在最佳性能參數組合下，臺架試驗合格指數為94.2%，理論合格指數為98.7%，誤差為4.5%；臺架試驗漏播指數為1.5%，理論漏播指數為0.3%，誤差為1.2%，臺架試驗驗證結果與理論計算優化結果基本一致。

Fmax=QUI-MUL-MIS

s.t.

QUI≥80%

MUL<15%

MIS<8%

30r/min≤A≤60r/min

-2kPa≤B≤-4kPa

-30°≤C≤30°

（11）

5 結論

1）? 針對氣吸式小麥排種器因充種效果不佳導致排種性能下降的問題，設計了一種輔助托種、攪種種盤的小麥氣吸式精量排種器。該排種器利用創新設計的型孔凸臺和攪種板擾動種群，增大了種群的離散度，進而提高排種器充種性能。對不同排種盤設計的排種器充種性能進行離散元仿真試驗，驗證了所設計的排種器具有最佳的充種性能。

2）? 對所設計的最佳種盤進行轉速、氣室壓強和攪種板傾斜角的二次正交臺架試驗，并對正交試驗結果進行方差分析，確定了各試驗因素對試驗指標的擬合優度及回歸方程。最后，采用試驗因素的多目標尋優，以合格指數最大，重播、漏播指數最小為尋優條件，得出所設計排種器的最佳性能參數組合：排種盤轉速為36.7r/min，氣室壓強為-3.6kPa，攪種板傾斜角為26.2°，理論計算優化結果與臺架試驗結果誤差均小于5%。

參 考 文 獻

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