小麥小區(qū)條播機(jī)離心分種器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

程修沛，李洪文，盧彩云，何 進(jìn)，王慶杰，王 超，于暢暢，魏忠彩，王春雷

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

小麥小區(qū)條播機(jī)離心分種器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)

程修沛，李洪文※，盧彩云，何 進(jìn)，王慶杰，王 超，于暢暢，魏忠彩，王春雷

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，北京 100083）

為了對(duì)離心分種器進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和參數(shù)優(yōu)化以提高小麥小區(qū)播種機(jī)的分種均勻性，該文對(duì)小麥離心分種過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得出小麥籽粒的運(yùn)動(dòng)受到離心分種器轉(zhuǎn)速、分種面夾角和分種距離的影響；采用離散元仿真軟件，建立仿真模型，以離心分種器轉(zhuǎn)速、分種面夾角和分種距離為試驗(yàn)因素，以分種均勻性變異系數(shù)為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行不同播量下的三因素三水平正交試驗(yàn)，研究各個(gè)因素對(duì)分種均勻性的影響規(guī)律，以獲得較優(yōu)的參數(shù)組合。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，在播量為2 000、3 000粒時(shí)影響分種均勻性的主次因素為離心分種器轉(zhuǎn)速、分種距離和分種面夾角，在播量為1 000粒時(shí)為離心分種器轉(zhuǎn)速、分種面夾角、分種距離；通過(guò)仿真試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，確定離心分種器較優(yōu)參數(shù)組合為離心分種器轉(zhuǎn)速1 250 r/min、分種面夾角120°、分種距離17.5 mm，臺(tái)架試驗(yàn)條件下3種播量的分種均勻性變異系數(shù)分別為5.18%、4.45%和3.98%，與仿真試驗(yàn)結(jié)果相差0.36%、0.14%和0.55%，兩者基本一致，且籽粒破碎率為0.17%、0.13%和0.14%，具有較小的籽粒破碎。該研究可為小麥小區(qū)條播機(jī)的離心分種器優(yōu)化改進(jìn)以及分種性能提升提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；離散元法；小麥；小區(qū)播種；離心分種器；參數(shù)優(yōu)化

0 引 言

小麥?zhǔn)侵袊?guó)的三大糧食作物之一，據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的統(tǒng)計(jì)年鑒顯示，2017年小麥產(chǎn)量為13433.4萬(wàn)t[1]，保持小麥的高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)，對(duì)于維護(hù)國(guó)家糧食安全和國(guó)民生計(jì)穩(wěn)定具有十分重要的意義[2]。優(yōu)良品種對(duì)糧食增產(chǎn)起到非常重要的作用[3]，在發(fā)達(dá)國(guó)家優(yōu)良品種對(duì)于農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的貢獻(xiàn)率能夠達(dá)到50%[4]。而田間育種試驗(yàn)作為培育優(yōu)良品種的有效途徑，播種作業(yè)是其重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)育種試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性有著顯著的影響[5]。

小區(qū)播種機(jī)械是培育新品種、繁殖良種和品種對(duì)比等田間育種試驗(yàn)所用的專(zhuān)用播種機(jī)械，具有定量播種、自動(dòng)清種、間隔播種、連續(xù)播種等特點(diǎn)[6]。小區(qū)條播機(jī)作為小區(qū)播種機(jī)械主要機(jī)型之一，通過(guò)人工供種、錐體充種、格盤(pán)運(yùn)種、排種口排種、離心分種器分種等作業(yè)次序完成一個(gè)小區(qū)的播種[7]。國(guó)外小區(qū)播種機(jī)研發(fā)較早[8-9]，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的發(fā)展，技術(shù)與裝備已經(jīng)趨于成熟，如Wintersteiger，Haldrup， Almaco 等公司生產(chǎn)的小區(qū)播種機(jī)械處于國(guó)際領(lǐng)先，并逐步向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展[10-12]。而國(guó)內(nèi)對(duì)小區(qū)播種機(jī)械研究起步較晚，播種機(jī)械化作業(yè)水平低、發(fā)展速度緩慢[13-16]。

離心分種器的分種作業(yè)是小區(qū)播種最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，是將下落種子均勻分入各種管的最后一個(gè)步驟，其性能的好壞直接影響了小區(qū)播種機(jī)各行播種均勻性[17]。為了提高小區(qū)分種作業(yè)效果，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)不同的離心分種器結(jié)構(gòu)、離心分種器轉(zhuǎn)速等方面展開(kāi)了相應(yīng)研究，如Wael[18]以小麥、扁豆和亞麻為試驗(yàn)對(duì)象，研究了3種作物分別在對(duì)稱(chēng)式離心分種器和對(duì)稱(chēng)分隔式離心分種器下的播種效果，試驗(yàn)結(jié)果顯示，對(duì)稱(chēng)式離心分種器對(duì)于3種作物的分種效果均高于對(duì)稱(chēng)分隔式；劉曙光[19]以油菜為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其分種均勻性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，對(duì)稱(chēng)式離心分種器轉(zhuǎn)速在1 100 r/min時(shí)，油菜種子獲得較佳的分種均勻性。以上研究均為小區(qū)播種機(jī)提高分種性能奠定了基礎(chǔ)，然而，目前離心分種器的分種運(yùn)動(dòng)特性、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及轉(zhuǎn)速等方面對(duì)小麥分種均勻性影響研究不足，尚不能滿(mǎn)足小麥育種人員的作業(yè)需求，離心分種器的分種均勻性仍有待進(jìn)一步提高。

因此，針對(duì)以上問(wèn)題，為了提高小區(qū)播種機(jī)的分種均勻性，本文以小麥小區(qū)條播機(jī)的離心分種器為研究對(duì)象，分析了小麥籽粒落入離心分種器的運(yùn)動(dòng)特性，采用離散元方法開(kāi)展不同播量下的三因素三水平正交試驗(yàn)，探究不同試驗(yàn)因素對(duì)于小麥分種均勻性的影響規(guī)律，優(yōu)化離心分種器結(jié)構(gòu)與作業(yè)參數(shù)并進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為小區(qū)播種機(jī)的研究和發(fā)展提供參考。

1 錐體格盤(pán)式離心排種裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

錐體格盤(pán)式離心排種裝置作為小麥小區(qū)條播機(jī)的主要工作部件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由存種機(jī)構(gòu)、錐體格盤(pán)機(jī)構(gòu)以及離心分種機(jī)構(gòu)組成。其中，存種機(jī)構(gòu)由倒種漏斗、存種筒、提升杠桿等組成，存種筒與錐體頂部緊密貼合組成存種空間；錐體格盤(pán)機(jī)構(gòu)由錐體、格盤(pán)、錐體底座、底板、傳動(dòng)軸、錐齒輪對(duì)以及步進(jìn)電機(jī)等組成，格盤(pán)空間是由多個(gè)隔板將錐體底座與外隔板組成的環(huán)形區(qū)域分割而成，步進(jìn)電機(jī)為格盤(pán)旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，底板上開(kāi)有落種口。

1.離心分種機(jī)構(gòu) 2.落種口 3.外隔板 4.錐體 5.存種筒 6.倒種漏斗 7.提升杠桿 8.錐體底座 9.格盤(pán)隔板 10.底板 11.傳動(dòng)軸 12.步進(jìn)電機(jī) 13.錐齒輪對(duì)

離心分種機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由聚種漏斗、離心分種器、直流電機(jī)、六行分種管等組成。其中，直流無(wú)刷電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、傳動(dòng)軸將動(dòng)力傳遞給離心分種器；將六行分種管透明顯示，離心分種器兩側(cè)對(duì)稱(chēng)分布三角形凸臺(tái)。直流電機(jī)采用PWM控制，可以實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速的設(shè)置。離心分種機(jī)構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.直流電機(jī) 2.固定套管 3.六行分種管 4.聚種漏斗 5.離心分種器

表1 離心分種機(jī)構(gòu)的主要參數(shù)

錐體格盤(pán)式離心排種裝置工作原理：小區(qū)播種為份量型播種，與大田播種不同，每一小區(qū)面積較小，作業(yè)前需要將每一小區(qū)種子備好，作業(yè)時(shí)，按照育種試驗(yàn)要求，將定量小麥籽粒倒入存種筒，進(jìn)入待播狀態(tài)；小區(qū)播種機(jī)到達(dá)指定播種位置時(shí)，人工按下提升杠桿，存種筒向上提升，存種筒底部與錐體出現(xiàn)一定的間隙，此時(shí)種子沿錐體下滑，均勻分配到底部格盤(pán)；種子下落后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)錐體格盤(pán)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，隔板推送種子依次經(jīng)過(guò)落種口，形成均勻種子流；聚種漏斗將落種口落下的種子進(jìn)行收攏，進(jìn)入到離心分種器，直流無(wú)刷電機(jī)帶動(dòng)離心分種器高速旋轉(zhuǎn)，種子在離心力作用下被均勻分配到各行種管內(nèi)，完成排種作業(yè)。

2 小麥籽粒運(yùn)動(dòng)特性分析

通過(guò)對(duì)錐體格盤(pán)式離心排種裝置原理分析可知，離心分種器的分種作業(yè)直接影響了顆粒落入種管的均勻性，關(guān)系到最終各行播量的一致性。本文以較為理想小麥籽粒為研究對(duì)象，建立在離心分種器上運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，對(duì)顆粒進(jìn)行運(yùn)動(dòng)特性分析，做出以下假設(shè)：

1）小麥籽粒為尺寸大小均勻一致的剛體，質(zhì)量為，所受力均作用在小麥籽粒質(zhì)心。

2）種子落入離心分種器后充分分散，沿離心分種器滑動(dòng)，忽略小麥籽粒彈跳。

3）空氣阻力相對(duì)于其他力較小，忽略空氣阻力對(duì)于分種過(guò)程的影響。

以離心分種器水平圓面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立靜坐標(biāo)系，以分種面對(duì)稱(chēng)點(diǎn)′為坐標(biāo)系原點(diǎn)建立動(dòng)坐標(biāo)系′′′，其中分種面法線(xiàn)方向?yàn)椤漭S、沿分種表面方向?yàn)檩S和沿分種面對(duì)稱(chēng)線(xiàn)垂直向上為′軸，小麥籽粒受力如圖3所示。

小麥顆粒在′方向上受力平衡，應(yīng)滿(mǎn)足方程

式中∑F為沿空間坐標(biāo)系方向上合力，N；為，即小麥籽粒沿方向的徑向位移，整個(gè)分種運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，最大為分種面長(zhǎng)度，m；F為小麥籽粒受到離心分種器旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，N，大小為

式中為小麥籽粒在某點(diǎn)時(shí)，離心分種器在該點(diǎn)線(xiàn)速度，m/s；為離心分種器旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

注：A為某時(shí)刻小麥籽粒所處的位置；mg為小麥籽粒所受重力，N；Fc為相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的科氏力，N；F2為離心分種器水平面對(duì)小麥籽粒支持力，N；f1、f2分別為離心分種器分種面、水平面對(duì)小麥籽粒的摩擦作用力，N；Fr為離心分種器產(chǎn)生的離心力，N；α為小麥籽粒在某一位置與O、O'形成的夾角，即OAO'角度，(°)；θ為離心分種器分種面夾角，(°)；h為OO'之間的距離，m；r為小麥籽粒在某一位置與離心分種器圓心之間的距離，即OA，m；l為O'A，即小麥籽粒沿y'方向的徑向位移，m。

小麥籽粒受到離心分種器分種面的摩擦作用力1主要與科氏力c有關(guān)，大小為

式中為小麥顆粒與離心分種器之間摩擦系數(shù)。

小麥籽粒受到離心分種器水平面的摩擦作用力2，大小為

將式（2）～（4）代入式（1）得到小麥籽粒在離心分種器上的運(yùn)動(dòng)方程為

由圖3可得，、、、以及之間的關(guān)系為

將式（6）～（7）代入式（5），得

3 仿真模型建立

3.1 離心分種器離散元模型建立

應(yīng)用Solidworks2013對(duì)離心分種機(jī)構(gòu)工作部件進(jìn)行1:1建模，并另存為.step格式導(dǎo)入到EDEM軟件中，簡(jiǎn)化實(shí)體模型把不必要的部件去除，主要包括顆粒工廠(chǎng)、聚種管、離心分種器和六行分種管，將六行分種管設(shè)置為透明，如圖4a所示。更換不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的離心分種器完成不同的仿真試驗(yàn)，如圖4b為不同分種面夾角的離心分種器，實(shí)際的離心分種器由左右對(duì)稱(chēng)凸臺(tái)和底座組成，兩者通過(guò)螺孔連接，更換凸臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)的離心分種器，凸臺(tái)呈一定夾角并接觸、分離小麥籽粒的面稱(chēng)為分種面；配置材料屬性，離心分種器為碳鋼結(jié)構(gòu)。顆粒工廠(chǎng)設(shè)置于離心分種機(jī)構(gòu)上方，生成小麥籽粒，模擬小麥籽粒落下過(guò)程。

圖4 仿真模型

3.2 小麥籽粒離散元模型建立

為了保證仿真試驗(yàn)對(duì)作業(yè)過(guò)程的真實(shí)模擬，本文試驗(yàn)所用小麥品種為魯墾麥9號(hào)，該品種適于在黃淮冬麥區(qū)種植，隨機(jī)選取100粒小麥籽粒進(jìn)行長(zhǎng)、寬、厚3個(gè)方向上的尺寸測(cè)量，結(jié)果如表2所示，千粒質(zhì)量為39.6 g。

表2 小麥籽粒外形尺寸

通過(guò)測(cè)量，小麥籽粒各方向尺寸具有一定范圍，基本尺寸符合正態(tài)分布；小麥籽粒寬度和厚度方向上尺寸相差僅0.24 mm，小麥籽粒可簡(jiǎn)化為類(lèi)橢球體。因此以小麥籽粒長(zhǎng)度6.1 mm、寬厚3.2 mm，5球面組合方式建立小麥籽粒離散元模型，如圖5所示，并在顆粒工廠(chǎng)設(shè)置以正態(tài)分布形式生成小麥籽粒。

圖5 小麥籽粒仿真模型

3.3 離散元參數(shù)設(shè)定

本文進(jìn)行離心分種器仿真試驗(yàn)，實(shí)際中顆粒與顆粒、顆粒與離心分種器之間接觸均無(wú)黏附力，選擇Hertz-mindlin (no-slip)模型作為接觸模型。參考文獻(xiàn)[20-23]，測(cè)定顆粒密度、小麥籽粒與離心分種器靜摩擦系數(shù)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)[2,24-26]確定其他參數(shù)，確定模型仿真參數(shù)如表3所示，采用堆積角試驗(yàn)方法測(cè)定實(shí)際小麥籽粒堆積角，與仿真小麥籽粒堆積角進(jìn)行比較，得到兩者之間誤差約為4.96%，仿真試驗(yàn)效果基本接近真實(shí)試驗(yàn)。

表3 仿真參數(shù)

4 仿真試驗(yàn)與優(yōu)化

4.1 試驗(yàn)方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

在品種對(duì)比、品種鑒定和區(qū)試等小區(qū)育種試驗(yàn)基本接近實(shí)際生產(chǎn)，因此小區(qū)試驗(yàn)所用播種量根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)播種確定，本文以大田播種量120 kg/hm2，選取小區(qū)面積為6.66 m2，按千粒質(zhì)量折算，小區(qū)播種量取整為2 000粒，同時(shí)為了使得離心分種器能夠適應(yīng)不同面積小區(qū)和不同播量需求，增加1 000粒和3 000粒，共設(shè)置3個(gè)梯度。

顆粒工廠(chǎng)設(shè)置于離心分種機(jī)構(gòu)上方，用于模擬顆粒從錐體格盤(pán)落下過(guò)程，通過(guò)設(shè)置顆粒工廠(chǎng)的生成速率模擬實(shí)際作業(yè)過(guò)程中小麥籽粒經(jīng)過(guò)錐體格盤(pán)下的排種口落下情況，根據(jù)播種量不同，本文設(shè)定小區(qū)播種量分別為1 000、2 000和3 000粒，平均生成速率依次為67、133和200粒/s。仿真試驗(yàn)固定時(shí)間步長(zhǎng)為Rayleigh時(shí)間步長(zhǎng)的20%，仿真總時(shí)間為17 s。

每次試驗(yàn)完成后，應(yīng)用 EDEM 的后處理 Selection 模塊功能，在六行分種管的每個(gè)種管出口處設(shè)置大小為50 mm×50 mm×50 mm的Grid Bin Group，分別統(tǒng)計(jì)通過(guò)每個(gè)Grid Bin Group的顆粒數(shù)目，即為每行播種量。

為了分析離心分種器的分種均勻性，選擇各種行之間的分種均勻性變異系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分種均勻性變異系數(shù)越大，說(shuō)明離心分種器的各種行之間分種均勻性效果越差，播量相差越大，分種均勻性變異系數(shù)越小，說(shuō)明離心分種器的分種均勻性效果越好。分種均勻性變異系數(shù)計(jì)算公式[27]如下：

式中C表示各種行之間的均勻性變異系數(shù)，%；表示粒數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差；表示各行之間平均粒數(shù)；i表示第種行小麥顆粒數(shù)；表示種行數(shù)。

4.2 離心分種運(yùn)動(dòng)軌跡

為了較好的觀察小麥籽粒離心分種運(yùn)動(dòng)，選取一組試驗(yàn)?zāi)骋活w粒為研究對(duì)象，小麥籽粒的運(yùn)動(dòng)軌跡以流線(xiàn)形式表示，如圖6所示。

圖6 小麥籽粒離心運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖6可知，小麥籽粒沿分種面向外運(yùn)動(dòng)，速度逐漸增加，到達(dá)最外側(cè)時(shí)，最大速度達(dá)到5 m/s以上。從小麥籽粒運(yùn)動(dòng)軌跡可以看出，小麥的離心分種有2種比較典型的運(yùn)動(dòng)。如圖6a所示，小麥籽粒被離心加速一次之后即被甩出，碰撞到種管內(nèi)壁后落入到種管內(nèi)，該軌跡為正常的離心分種運(yùn)動(dòng)，有利于把小麥籽粒較快地均勻離心分出，提高離心分種器的分種性能。如圖6b所示，部分小麥籽粒被離心甩出碰撞到外部殼體后被彈回到分種區(qū)域，經(jīng)過(guò)離心甩出-碰撞彈回-再次離心加速甩出的反復(fù)過(guò)程，最終進(jìn)入到分種管內(nèi)，產(chǎn)生多次碰撞主要由于顆粒隨機(jī)彈跳、碰撞造成回彈等引起，增加了分種運(yùn)動(dòng)的不規(guī)律性，小麥籽粒不能實(shí)現(xiàn)有序分離，對(duì)分種均勻性產(chǎn)生不利影響，同時(shí)多次碰撞會(huì)增加籽粒損傷的可能性。

4.3 正交試驗(yàn)

4.3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了探究離心分種器的分種均勻性，以離心分種器轉(zhuǎn)速、分種面夾角以及分種距離（分種面頂端與分種中心之間的距離）為試驗(yàn)因素，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平如表4所示。試驗(yàn)按照L9（33）正交表進(jìn)行設(shè)計(jì)，共9組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)完成后統(tǒng)計(jì)每行種管小麥籽粒數(shù)量，計(jì)算分種均勻性變異系數(shù)。

表4 試驗(yàn)因素水平表

離心分種器轉(zhuǎn)速：離心分種器轉(zhuǎn)速對(duì)于分種均勻性具有重要的影響。根據(jù)前期的單因素試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于1 100 r/min時(shí)，離心分種器不能較好地將落下的種子均勻分配，分種效果不佳，分種均勻性變異系數(shù)較高；離心分種器轉(zhuǎn)速大于1 400 r/min時(shí)，落下的種子尚未充分分散開(kāi)就被離心分出，同樣會(huì)產(chǎn)生分配不均的問(wèn)題，且小麥籽粒破碎率增大，不利于小區(qū)育種試驗(yàn)。因此，根據(jù)前期單因素試驗(yàn)結(jié)果，離心分種器轉(zhuǎn)速選擇1 100、1 250和1 400 r/min。離心分種器的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)通過(guò)改變控制信號(hào)的脈沖占空比實(shí)現(xiàn)。

分種面夾角：不同分種面夾角會(huì)形成不同大小的分種空間區(qū)域。分種面夾角小于90°，分種空間區(qū)域較大，小麥籽粒分散范圍較廣，自上方落下后不能盡快被離心分種器離心分出；分種面夾角大于150°，分種區(qū)域較小，不利于小麥籽粒的充分分散，易多粒一塊被離心甩出。因此，本文選擇90、120和150°進(jìn)行試驗(yàn)。

分種距離：當(dāng)分種距離小于17.5 mm，由于上部聚種漏斗結(jié)構(gòu)限制，會(huì)造成小麥籽粒落入到離心分種器的上表面，不能及時(shí)落入到分種區(qū)域，增加了分種不均勻性；分種距離較大，如大于27.5 mm，落下小麥籽粒分散后不能接觸到分種面，不能及時(shí)沿離心分種器分種面離心分出，影響了離心分種效果。因此，最終確定分種距離為17.5、22.5和27.5 mm進(jìn)行試驗(yàn)。

4.3.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果與分析

每次試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)各行播種粒數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并計(jì)算分種均勻性變異系數(shù)，試驗(yàn)方案與結(jié)果如表5所示。

由表5可知，在9組正交試驗(yàn)中，播種量分別為1 000、2 000和3 000粒時(shí)，分種均勻性變異系數(shù)范圍分別為4.59%～9.13%、4.31%～6.77%、3.21%～5.22%，由此可以看出，該離心分種器在播量為1 000粒時(shí)分種均勻性的穩(wěn)定性較差，較少播量會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

為了確定各試驗(yàn)因素對(duì)于試驗(yàn)指標(biāo)的影響和主次順序，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分行和方差分析，如表6和表7所示。

表5 仿真試驗(yàn)結(jié)果

表6 極差分析表

表7 方差分析表

注：*表示有顯著影響；（*）表示有一定的影響，但不顯著。

Note: * represent significant effect；(*) represent has some effect but not significant.

由表6可知，在播量為2 000、3 000粒時(shí)，對(duì)分種均勻性變異系數(shù)影響的主次順序均為>>，即離心分種器轉(zhuǎn)速對(duì)分種均勻性變異系數(shù)影響最大，分種距離次之，分種面夾角影響較??；而對(duì)于播量1000粒時(shí)，影響分種均勻性變異系數(shù)的主次順序依次是>>。

由表7方差分析可知，在播種量1 000和2 000粒時(shí)，離心分種器轉(zhuǎn)速對(duì)分種均勻性變異系數(shù)具有顯著的影響，在播種量3 000粒時(shí)具有一定的影響；分種面夾角對(duì)播種量1 000粒時(shí)，具有一定的影響，對(duì)其他播種量無(wú)影響；播種量1 000和2 000粒時(shí)，分種距離對(duì)分種均勻性變異系數(shù)具有一定的影響，而在播種量為3 000粒沒(méi)有影響。

播種量為1 000粒時(shí)的較優(yōu)參數(shù)組合為222，播種量為2 000粒時(shí)的較優(yōu)參數(shù)組合為221，播種量3 000粒時(shí)的較優(yōu)參數(shù)組合為321，3種播種量情況下均在分種面夾角120°下具有較好的分種效果。播種量1 000粒、2 000粒時(shí)較優(yōu)的離心分種器轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，播種量3 000粒時(shí)較優(yōu)的離心分種器轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，隨著轉(zhuǎn)速增加，小麥籽粒受到的離心力和分種線(xiàn)速度增大，分種效率提高，但是轉(zhuǎn)速過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生顆粒未及時(shí)分散均勻、碰撞回彈增加等，造成分種不均勻性。同時(shí)，因播種量為3 000粒時(shí)分種區(qū)域內(nèi)的顆粒分布密度明顯要高于其他2個(gè)播種量下，因此為了盡快顆粒分離出去，應(yīng)相應(yīng)提高離心分種器轉(zhuǎn)速，以避免后續(xù)落種的相互干擾，降低分種均勻性；當(dāng)離心分種器轉(zhuǎn)速和分種距離一定時(shí)，一方面分種面夾角增大，分種效率有所增加，有利于分種，另外一方面又降低了分種區(qū)域空間，使得顆粒沒(méi)有足夠的空間進(jìn)行均勻分散，因此分種面夾角有個(gè)合適的平衡值；分種距離在播種量2 000和3 000粒時(shí)17.5 mm效果較好，播種量1 000粒時(shí)22.5 mm效果較佳，由于現(xiàn)有的分種空間結(jié)構(gòu)限制，在播種量較大的情況下，落下小麥籽粒應(yīng)及時(shí)接觸種面進(jìn)而快速分離，降低小麥籽粒在分種區(qū)域的滯留時(shí)間，因此播種量2 000和3 000粒時(shí)，分種距離應(yīng)較小，分種距離對(duì)于分種均勻性的影響要優(yōu)于分種面夾角。

5 臺(tái)架試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)條件與方法

為了驗(yàn)證離心分種器優(yōu)化結(jié)果的可靠性，基于離散元仿真分析結(jié)果，在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院保護(hù)性耕作實(shí)驗(yàn)室搭建試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)臺(tái)包括臺(tái)架、存種機(jī)構(gòu)、錐體格盤(pán)機(jī)構(gòu)、離心分種機(jī)構(gòu)、集種袋以及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖7所示。結(jié)合仿真試驗(yàn)，對(duì)3種播種量下的較優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，因分種面夾角和分種距離作為結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)際生產(chǎn)不能進(jìn)行隨時(shí)更換，需要最終確定唯一值，因此3組播量均進(jìn)行參數(shù)組合為221和222的驗(yàn)證試驗(yàn)，以期能夠得到最適合的分種面夾角和分種距離；離心分種器轉(zhuǎn)速可以進(jìn)行電控調(diào)節(jié)，播種量3 000粒時(shí)的較優(yōu)參數(shù)組合為321，因此增加此參數(shù)組合進(jìn)行驗(yàn)證。

1.臺(tái)架 2.離心分種機(jī)構(gòu) 3.存種機(jī)構(gòu) 4.錐體格盤(pán)機(jī)構(gòu) 5.集種袋

為了保證仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)小麥籽粒落入離心分種器的一致性，首先將倒入存種裝置內(nèi)的種子振平，保證分入格盤(pán)小麥籽粒的均勻性；其次，因采用種子總數(shù)分為1 000粒、2 000粒和3 000粒，利用自行設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)Android終端進(jìn)行錐體格盤(pán)轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)置為4 r/min，可保證種子通過(guò)每秒通過(guò)排種口小麥籽粒數(shù)量基本與仿真試驗(yàn)顆粒工廠(chǎng)每秒生成的小麥籽粒保持相同。六行分種管下方設(shè)置集種袋，將分配后的籽粒進(jìn)行收集，統(tǒng)計(jì)每行的顆粒數(shù)量。每次試驗(yàn)后對(duì)破碎的種子進(jìn)行收集統(tǒng)計(jì)，計(jì)算種子破碎率（破碎籽粒數(shù)/總試驗(yàn)籽粒數(shù)）。試驗(yàn)進(jìn)行3次重復(fù)，取均值，試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行記錄。

5.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。

表8 驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表8可知，臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果基本一致，播種量為1 000粒時(shí)，在參數(shù)組合222下分種效果較好，分種均勻性變異系數(shù)5.07%，與仿真試驗(yàn)結(jié)果相差0.81%，播種量為2 000和3 000粒分別在參數(shù)組合221和321下具有較優(yōu)的分種效果，分種均勻變異系數(shù)分別為4.45%和3.63%，與仿真試驗(yàn)相差分別為0.14%和0.46%，試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差的原因是由于實(shí)際工況下小麥籽粒落下與顆粒工廠(chǎng)隨機(jī)生成過(guò)程存在差別，但臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)所反應(yīng)的變化規(guī)律基本一致。

3種播量下臺(tái)架試驗(yàn)的籽粒破碎均較少，小區(qū)播種機(jī)尚未有專(zhuān)門(mén)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，以目前的播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)規(guī)范為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[28]，種子破碎率均小于0.5%，滿(mǎn)足要求。產(chǎn)生籽粒破碎的原因在于離心分種器的外圓柱面與六行分種管內(nèi)壁存在著一定的間隙，離心甩出的種子會(huì)進(jìn)入到間隙，造成擠壓破碎。由于育種作業(yè)的特殊性，小麥籽粒比較珍貴稀少，應(yīng)盡可能降低籽粒破碎，播種量為3 000粒的321參數(shù)組合試驗(yàn)中破碎籽粒平均為6粒，說(shuō)明轉(zhuǎn)速1 400 r/min易出現(xiàn)較高的破損，因此建議在播種量為3 000粒分種均勻性差異不大的情況下，離心分種器轉(zhuǎn)速為1 250 r/min較為適宜，以保護(hù)小麥籽粒。

綜合分析，為了得到離心分種器較優(yōu)的參數(shù)組合以適應(yīng)不同播種量，在3種播種量下，分種面夾角較優(yōu)參數(shù)均為120°；分種距離在17.5與22.5 mm相比所適應(yīng)的播種量更多，故選擇較優(yōu)的分種距離為17.5 mm；在既能保證分種均勻性的前提下盡可能降低籽粒破損，離心分種器轉(zhuǎn)速選擇1 250 r/min為較優(yōu)參數(shù)。因此，最終確定的較優(yōu)參數(shù)組合為離心分種器轉(zhuǎn)1 250 r/min，分種面夾角120°，分種距離17.5 mm，此時(shí)臺(tái)架試驗(yàn)得到3種播量下分種均勻性變異系數(shù)依次5.18%、4.45%和3.98%，與仿真結(jié)果相差分別為0.36%、0.14%和0.55%，籽粒破碎率分別為0.17%、0.13%和0.14%。

6 討 論

通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，離心分種器要實(shí)現(xiàn)均勻分種，顆粒落入分種區(qū)域后應(yīng)首先均勻分散，并能夠及時(shí)與分種面接觸，盡快依次沿離心分種器表面被離心分離，但顆粒落下的隨機(jī)性、顆粒間相互碰撞、彈跳等，分散過(guò)程離心分種器的結(jié)構(gòu)限制，顆粒量較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)多粒集堆，顆粒量較少時(shí)產(chǎn)生的過(guò)度分散規(guī)律性較差，不能形成依次有序的分離，均會(huì)一定程度上增加分種不均勻；一旦小麥籽粒形成均勻有序分散，離心分種器應(yīng)及時(shí)將小麥籽粒分離，否則繼續(xù)自由運(yùn)動(dòng)和后續(xù)的落種會(huì)沖擊碰撞，影響分離均勻性。

在結(jié)構(gòu)參數(shù)一定的條件下，選擇合適的離心分種器轉(zhuǎn)速對(duì)于分種性能尤為重要，高轉(zhuǎn)速碰撞折回幾率增大，且增加籽粒破損的可能，而低轉(zhuǎn)速分種速率不足，影響后續(xù)分種。在實(shí)際生產(chǎn)中，不同的顆粒品種、不同小區(qū)播種量對(duì)于離心分種器轉(zhuǎn)速需求不同，應(yīng)通過(guò)控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整離心分種器轉(zhuǎn)速以使在較優(yōu)的條件下進(jìn)行分種工作。

本文中的仿真與臺(tái)架試驗(yàn)均在較為理想情況下進(jìn)行，與實(shí)際小區(qū)田間作業(yè)有一定的差別，如田間土壤對(duì)整機(jī)作業(yè)影響，因此后續(xù)田間適應(yīng)性試驗(yàn)有待進(jìn)一步研究。

7 結(jié) 論

為了提高小區(qū)條播機(jī)離心分種器的分種均勻性，本文針對(duì)離心分種器分種過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，并進(jìn)行離散元模擬仿真，設(shè)計(jì)了不同播量下三因素三水平正交試驗(yàn)，分析不同播量下各試驗(yàn)因素對(duì)分種均勻性的影響規(guī)律，得出以下主要結(jié)論：

1）在播種量2 000和3 000粒下影響分種均勻性的主次因素為離心分種器轉(zhuǎn)速>分種距離>分種面夾角，在播種量為1 000粒時(shí)主次因素順序?yàn)殡x心分種器轉(zhuǎn)速>分種面夾角>分種距離。

2）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果與分析，確定較優(yōu)參數(shù)組合為離心分種器轉(zhuǎn)速1 250 r/min，分種面夾角120°，分種距離17.5 mm，3種播量下臺(tái)架試驗(yàn)得到分種均勻性變異系數(shù)依次為5.18%、4.45%和3.98%，與仿真試驗(yàn)結(jié)果相差分別為0.36%、0.14%和0.55%，臺(tái)架試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果基本一致，且小麥籽粒破碎率分別為0.17%、0.13%和0.14%，離心分種器具有較好的分種性能。

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[26] 刁懷龍，張銀平，刁培松，等. 基于EDEM的小麥寬苗帶深松免耕播種機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(1)：58－62.

Diao Huailong, Zhang Yinping, Diao Peisong, et al. Design and experiment of a no-tillage and wide band wheat planter with subsoilers based on EDEM[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(1): 58－62. (in Chinese with English abstract)

[27] 龔麗農(nóng)，員玉良，尚書(shū)旗，等. 小區(qū)播種機(jī)電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(5)：122－126.

Gong Linong, Yuan Yuliang, Shang Shuqi, et al. Design and experiment on electronic control system for plot seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(5): 122－126. (in Chinese with English abstract)

[28] 中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)部. 播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范：NY/T 1143-2006[S]. 北京：全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，2006.

Parameter optimization and experiment of centrifugal seed dispenser in wheat plot drill

Cheng Xiupei, Li Hongwen※, Lu Caiyun, He Jin, Wang Qingjie, Wang Chao, Yu Changchang, Wei Zhongcai, Wang Chunlei

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. Agricultural Science Observation and Experiment Station of Arable Land Conservation (Northern Hebei Province), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100083, China)

Field breeding experiments are small area trials conducted in plots for breeding new crop varieties, which is important to improve crop quality and seed propagation. As a major part of field breeding experiment, plot sowing has a significant impact on the test results. The plot drill machine is a special sowing machine used for field breeding experiment, which can complete supplying, filling, shipping, seeding, and dispensing. Among them, the uniformity of sowing is directly effected by the performance of centrifugal seed dispenser. However, the research of seed dispenser is insufficient, such as the influence of structural parameters, rotational speed and sowing rate on the seeding uniformity, which cannot met the requirements of the breeders and still need to further improved. In order to improve the seeding uniformity of plot seeder, centrifugal seed dispenser was taken as the research object, and motion characteristic was analyzed in the process of centrifugal dispensing seed. According to the analysis of kinematic characteristics, the centrifugal movement of wheat granules was mainly affected by dispenser rotation speed, dispenser angle, and dispenser distance. In this research, the combination of EDEM and experimental verification were used to analyze the influence of various test factors on the uniformity of dispensing seed. When the sowing rate is 1 000, 2 000 and 3 000 seeds, the three-factor and three-level orthogonal test was designed with dispenser rotation speed, dispenser angle, and dispenser distance as test factors, and the variation coefficient of seeding uniformity was used as the test index, to obtain better combination of parameters. Among them, dispenser rotation speed was set at 1 100, 1 250 and 1 400 r/min, dispenser angle was selected 90, 120 and 150°, dispenser distance was choose 17.5, 22.5 and 27.5 mm. The simulation results showed that the order of importance was followed by dispenser rotation speed, dispenser distances and dispenser angle in the case of 2 000 seeds and 3 000 seeds. When the sowing rate was 1 000 seeds, the order of importance was followed by dispenser rotation speed, dispenser angle and dispenser distance. According to the analysis of variance, the dispenser rotation speed has a significant effect on the variation coefficient of seeding uniformity when the sowing rate was 1 000 and 2 000 seeds, and has some effect when the sowing rate was 3 000 seeds. The dispenser angle has a certain significant effect on the variation coefficient of seeding uniformity when the sowing rate was 1 000 and has no effect on other seeding rates. Dispenser distance has a certain effect on the variation coefficient of seeding uniformity when the sowing rate was 1 000 and 2 000 seeds, and has no effect when the sowing rate was 3 000 seeds. The test bench was set up. Under the optimal combination of parameters, test was repeated three times to get the main value of variation coefficient of seeding uniformity. The tests revealed that the better combination of parameters was that the dispenser rotation speed was 1 250 r/min, the dispenser angle was 120° and the dispenser distance was 17.5 mm. When the sowing rate was 1 000, 2 000 and 3 000 seeds, the variation coefficient of seeding uniformity of were 5.18%, 4.45% and 3.98%, respectively, which were 0.36%, 0.14% and 0.55% different from the simulation results, the bench test and simulation test results were basically the same. The grain damage rate were 0.17%, 0.13% and 0.14%, and the grain damage was lower, which reached the requirements of plot sowing. The research results could provide a reference for optimizing structural parameters and improving of seeding performance of centrifugal seed dispenser in plot drill.

agricultural machinery; discrete element method; wheat; plot seeding; centrifugal seed dispenser; parameter optimization

程修沛，李洪文，盧彩云，何 進(jìn)，王慶杰，王 超，于暢暢，魏忠彩，王春雷. 小麥小區(qū)條播機(jī)離心分種器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(20)：1－9.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.001 http://www.tcsae.org

Cheng Xiupei, Li Hongwen, Lu Caiyun, He Jin, Wang Qingjie, Wang Chao, Yu Changchang, Wei Zhongcai, Wang Chunlei. Parameter optimization and experiment of centrifugal seed dispenser in wheat plot drill[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.001 http://www.tcsae.org

2019-06-28

2019-08-15

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目-國(guó)家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-03）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（IRT13039）

程修沛，博士生，主要從事小麥耕播技術(shù)與裝備研究。Email：chengxiupei7088@163.com

李洪文，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事保護(hù)性耕作研究。Email：lhwen@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.001

S223.2+3

A

1002-6819(2019)-20-0001-09