轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000；2. 新疆科農(nóng)機(jī)械制造有限責(zé)任公司，奎屯 834000）

針對轉(zhuǎn)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(xué)模型對相互搶位的棉種進(jìn)行力學(xué)分析，研究取種輪運動參數(shù)與排種器轉(zhuǎn)速對充種性能的影響。應(yīng)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(zhuǎn)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(biāo)，進(jìn)行三因素五水平的正交通用旋轉(zhuǎn)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(jié)果進(jìn)行分析，并對回歸模型進(jìn)行優(yōu)化驗證。仿真分析結(jié)果表明，棉種瞬時速度隨著排種輪轉(zhuǎn)速的提高而增加，仿真標(biāo)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(nèi)摩擦力最小，棉種易于被型孔囊??；當(dāng)排種器轉(zhuǎn)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(dá)到最大值94.5%。在此基礎(chǔ)上，以新陸早61號棉花種子為試驗對象進(jìn)行臺架驗證試驗，試驗結(jié)果表明，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為12 r/min時，排種器的排種粒距合格率達(dá)到最大值94.65%，漏播指數(shù)隨著排種器轉(zhuǎn)速的增加呈上升趨勢，重播率隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)下降趨勢，與優(yōu)化結(jié)果基本吻合，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。該研究可為轉(zhuǎn)軸型孔式棉花精量排種器關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；優(yōu)化；試驗；EDEM；精量排種器；充種性能

0 引 言

機(jī)械式棉花精量排種器因具有結(jié)構(gòu)簡單、排種均勻等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于精密播種技術(shù)，其充種過程是整個排種器工作過程中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)[1-3]，而型孔附件的種子的運動參數(shù)和作業(yè)參數(shù)設(shè)置對排種器的作業(yè)質(zhì)量有重要影響[4-7]。

隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的迅速，近年來許多學(xué)者應(yīng)用離散元法及數(shù)值模擬軟件（EDEM）對排種器工作性能進(jìn)行研究分析[8-10]。李政權(quán)等[11]以內(nèi)充種式排種器和小麥種子為研究對象，采用EDEM分析內(nèi)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(jìn)行研究，分析了內(nèi)錐筒種量與臨界轉(zhuǎn)速的關(guān)系、排種器轉(zhuǎn)速與總排種量的關(guān)系。劉濤等[14]借助離散元分析軟件對3種型孔結(jié)構(gòu)的窩眼輪式油菜排種器進(jìn)行模擬分析，并進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明型孔結(jié)構(gòu)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(chǔ)，采用鍵合顆粒模型對玉米進(jìn)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(shè)計分析方法，建立精密排種器部件和種子群聯(lián)合模型，對常壓下大豆精密排種過程進(jìn)行動態(tài)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(shè)計種盤能夠有效增強(qiáng)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(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：通過減小內(nèi)摩擦、增強(qiáng)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(jìn)行仿真分析，結(jié)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(qiáng)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(qū)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(xiàn)擠壓、碰撞和拖帶等現(xiàn)象，如果處理不當(dāng)會使得種子無法充入型孔，造成重播或者漏播現(xiàn)象，嚴(yán)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(zhuǎn)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(xué)模型，分析充種過程中取種輪的運動參數(shù)及排種器轉(zhuǎn)速對充種性能的影響。在此基礎(chǔ)上，利用EDEM軟件進(jìn)行充種性能的數(shù)值模擬，研究型孔在囊取棉種的過程中種子的運動規(guī)律，并利用Expert 8.0.6軟件對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析。最后通過臺架試驗驗證結(jié)果的合理性，以期獲得利于充種的最佳工作參數(shù)，降低漏播率。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 排種器結(jié)構(gòu)

如圖1所示，轉(zhuǎn)軸型孔式棉花精量排種器主要由進(jìn)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(nèi)，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(jìn)行固定。其中腰帶直徑321 mm，模塊夾圈外圈直徑317 mm，內(nèi)圈直徑313 mm。

1.進(jìn)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(zhuǎn)軸型孔式棉花精量排種器按工作區(qū)域劃分為充種區(qū)、清種區(qū)、攜種區(qū)、一次投種區(qū)、二次投種區(qū)。其作業(yè)原理如圖2b所示，棉種由進(jìn)料口進(jìn)入充種區(qū)后形成種子群，在動力驅(qū)動下取種模塊跟隨夾圈進(jìn)行回轉(zhuǎn)運動，取種模塊內(nèi)拐臂與齒板上齒形的滾動接觸帶動取種輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動，棉種與取種輪間產(chǎn)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(dāng)拐臂與齒板上的齒形滾動接觸運動結(jié)束時，取種輪在彈簧恢復(fù)力的作用下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)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(qū)；隨型孔運動到一次投種區(qū)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(nèi)的棉種在取種模塊的回轉(zhuǎn)運動下被運送至二次投種區(qū)，棉種落入鴨嘴內(nèi)，并在重力作用下完成投種作業(yè)；如此循環(huán)完成連續(xù)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(qū)域?qū)?yīng)的圓心角度數(shù)，(°)。

2 棉種充種過程分析

充種區(qū)內(nèi)的種子群運動受多種因素的影響，各層種子的運動復(fù)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(qū)內(nèi)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(zhuǎn)速，r/min；為齒板齒數(shù)；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(xué)分析

型孔參數(shù)是排種器設(shè)計的關(guān)鍵，本文設(shè)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(tài)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(dǎo)數(shù)得到取種輪的速度：

當(dāng)棉種以極限速度max充入型孔時，其質(zhì)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(zhì)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(xué)分析可知：當(dāng)型孔直徑、倒角寬度、棉種幾何參數(shù)、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(shù)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(zhuǎn)速有關(guān)。

2.2 搶位棉種的受力分析

棉種充入型孔的過程是一個復(fù)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(gòu)成一個不斷變化的動態(tài)力學(xué)系統(tǒng)[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(qū)起拱、相互搶位[25]。為便于從理論角度分析棉種的搶位現(xiàn)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(tài)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(jìn)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(shù)；2為棉種與棉種之間的摩擦系數(shù)。

當(dāng)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(chǎn)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(xué)分析表明，當(dāng)取種輪振動偏移角發(fā)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(qū)的棉種受力分析

圖5為棉種在一次投種區(qū)的受力分析圖。當(dāng)取種輪跟隨夾圈運動至一次投種區(qū)時，型孔內(nèi)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(qū)未能掉入儲種腔，隨著取種輪的轉(zhuǎn)動位于型孔內(nèi)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(xiàn)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(zhì)心與排種器中心連線與水平面之間的夾角，(°)。

根據(jù)圖5可知：

=（21）

式中為單個棉種的質(zhì)量，g；1為棉種質(zhì)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(dāng)棉種質(zhì)量、排種器圓周運動角速度、棉種質(zhì)心到排種器的中心距離、棉種與型孔之間的摩擦系數(shù)一定時，棉種質(zhì)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(dāng)棉種在一次投種區(qū)不能落入儲種腔時，在進(jìn)入二次投種區(qū)后將沒有棉種落入鴨嘴，從而造成漏播現(xiàn)象。

3 排種器仿真模型建立

EDEM仿真軟件在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，可模擬排種機(jī)構(gòu)與顆粒物料間相互作用后種子的運動狀態(tài)和機(jī)械特性[26]，為探究排種器轉(zhuǎn)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(yīng)用EDEM軟件開展二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗，探討取種輪運動參數(shù)與排種器轉(zhuǎn)速對排種器排鐘性能的影響。

3.1 仿真參數(shù)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(shù)與材料間的接觸參數(shù)如表1、表2所示。

表1 材料的物理特性參數(shù)

表2 材料間的接觸參數(shù)

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(jié)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(jìn)行KS檢驗，結(jié)果表明棉種的長、寬、厚的顯著性指標(biāo)值均大于0.05，因此可認(rèn)為棉種三軸尺寸近似服從正態(tài)分布。

表3 棉種三軸尺寸

采用Hangdyscan型掃描儀對棉種進(jìn)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(dǎo)入EDEM中，如圖6所示。

注：u為棉種厚度，mm。

3.3 仿真參數(shù)設(shè)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(jìn)料筒，設(shè)定顆粒工廠生產(chǎn)顆?？倲?shù)為2 000個。為保證仿真的連續(xù)性，設(shè)置固定時間步長為1.95×10-2ms，Rayleith時間步長百分比設(shè)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(jié)果與分析

4.1 單因素仿真試驗與結(jié)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(nèi)隨著振動頻率的增加，種群的擾動強(qiáng)度增大，導(dǎo)致棉種間的瞬時法向應(yīng)力降低，其中棉種間的法向應(yīng)力可以衡量棉種間的內(nèi)摩擦力，而較小的內(nèi)摩擦力有利于棉種充入型孔，但隨著振動頻率持續(xù)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(zhuǎn)速對種群平均法向力的影響，將排種器轉(zhuǎn)速設(shè)置為較低的轉(zhuǎn)速，確定排種器轉(zhuǎn)速在8～15 r/min；選取齒板齒數(shù)在3～10個范圍內(nèi)，計算出相應(yīng)的取種輪振動頻率為2～12 Hz，為提高種群的擾動強(qiáng)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(zhuǎn)速為8、10和15 r/min進(jìn)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(zhuǎn)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(xiàn)無規(guī)律狀態(tài)，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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(tài)。種群法向力減小，其內(nèi)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(nèi)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(shè)置為8°，取種輪振動頻率設(shè)置為7 Hz，分別以排種器轉(zhuǎn)速8、10和15 r/min進(jìn)行仿真試驗。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為8 r/min時，標(biāo)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(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為10 r/min時編號分別為96、132和345。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入Origin中進(jìn)行繪圖，不同轉(zhuǎn)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(biāo)值表示棉種充入型孔的時刻，縱坐標(biāo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)小于取種輪速度。

由圖9b可知，排種器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速相比，該轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速相比，該轉(zhuǎn)速下棉種的速度波動范圍（0.014～0.619 m/s）呈現(xiàn)持續(xù)增大趨勢，且棉種速度小于取種輪速度的時間進(jìn)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(zhuǎn)速下棉種的速度變化雜亂無章，但隨著排種器轉(zhuǎn)速的提高，棉種瞬時速度呈現(xiàn)增加趨勢，仿真所標(biāo)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(xiàn)出更好的充種效果，這與王業(yè)成的研究結(jié)果相符[30]。因此可以通過改變排種器轉(zhuǎn)速，進(jìn)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(shù)的確定提供依據(jù)。

4.2 二次通用旋轉(zhuǎn)組合仿真試驗與結(jié)果分析

通過上述分析可知，取種輪的振動頻率、排種器轉(zhuǎn)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(guī)律，設(shè)計二次回歸通用旋轉(zhuǎn)組合試驗（星號臂長度=1.682、試驗次數(shù)為20次），通過仿真試驗，確定獲得最優(yōu)排種性能下的最優(yōu)參數(shù)組合。根據(jù)單因素試驗結(jié)果，結(jié)合前期田間試驗和參考文獻(xiàn)[1-4]，選取齒板齒數(shù)范圍為3～10 個，計算出相應(yīng)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(qiáng)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(zhuǎn)速對種群的影響，因此將排種器轉(zhuǎn)速設(shè)置為低速，確定排種器的轉(zhuǎn)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(jù)GB/T 6973-2005單粒（精密）播種機(jī)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(biāo)，其計算公式如下：

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

表5 試驗結(jié)果

根據(jù)表5試驗結(jié)果，運用Design expert 8.0.6對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)2是判定線性回歸直線擬合度的重要指標(biāo)，通過分析表5可知，排種粒距合格率方程的決定系數(shù)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(shù)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(shù)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(yù)測值與實際值有較高的相關(guān)性。

值表示回歸參數(shù)的影響顯著性，由回歸模型方差分析表可知，回歸項系數(shù)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(shù)2，3，12，23，13對于排種粒距合格率影響不顯著（>0.05）?；貧w系數(shù)1，2，12，22，32對于漏播率影響極為顯著（<0.01），回歸系數(shù)3，13，23對于漏播率的影響不顯著（>0.05）?；貧w系數(shù)1，12，13，12，22，32對于重播率影響極為顯著（<0.01），回歸系數(shù)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(shù)2=0.97，模型極顯著，回歸方程的預(yù)測值與實際值有較高的相關(guān)性。漏播率的回歸模型中，<0.01，決定系數(shù)2=0.94，模型極顯著，回歸方程的預(yù)測值與實際值由較高的相關(guān)性。重播率的回歸模型中，<0.000 1，決定系數(shù)2=0.98，模型極顯著，回歸方程的預(yù)測值與實際值有較高相關(guān)性。

響應(yīng)曲面可以更清晰地反應(yīng)排種器的排種性能與各因素之間的關(guān)系，因此利用Design-Expert 8.0.6軟件得到排種器轉(zhuǎn)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(jié)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(zhuǎn)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(dāng)排種器轉(zhuǎn)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(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)取種輪振動偏移角度一定時，隨著排種器轉(zhuǎn)速的增加，排種粒距合格率同樣出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。排種器轉(zhuǎn)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(dá)到最大值。

由圖10b可知，當(dāng)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(dāng)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(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)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(xiàn)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(dá)到最大值。

由圖10a可知，排種器轉(zhuǎn)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(dāng)排種器轉(zhuǎn)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(xiàn)先增加后減小的趨勢。當(dāng)取種輪振動頻率一定時，隨著排種器轉(zhuǎn)速的增加，單粒排種粒距合格率同樣出現(xiàn)先增加后降低的趨勢。排種器轉(zhuǎn)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(dá)到最大值。

為尋求各因素的最優(yōu)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(biāo)[31]。對充種性能指標(biāo)回歸模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)與約束條件如下：

將數(shù)據(jù)帶入Design-Expert軟件，得到最優(yōu)工作參數(shù)為排種器轉(zhuǎn)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(dá)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(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果所得出的最優(yōu)工作參數(shù)（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(jìn)行不同轉(zhuǎn)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(zhì)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(tǒng)、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速進(jìn)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(tǒng) 3.轉(zhuǎn)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(biāo)

參照GB/T 6973-2005單粒(精密)播種機(jī)試驗方法，以轉(zhuǎn)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(biāo)，以排種器轉(zhuǎn)速為試驗因素，開展單因素試驗，排種器轉(zhuǎn)速與仿真試驗相同，排種器性能指標(biāo)及計算方法與仿真試驗相同。

5.3 試驗結(jié)果與分析

為提高試驗結(jié)果可靠性，對每種轉(zhuǎn)速下的棉種進(jìn)行3次重復(fù)試驗，取平均值作為試驗結(jié)果，如表7所示。

表7 臺架試驗結(jié)果

綜上可知，排種器漏播指數(shù)隨著排種器轉(zhuǎn)速增加呈上升趨勢，重播率隨著轉(zhuǎn)速增加呈現(xiàn)下降趨勢，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)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(dāng)排種器排種粒距合格率達(dá)到最大值時，臺架試驗排種器轉(zhuǎn)速（12 r/min）與仿真試驗結(jié)果（12.59 r/min）誤差為5.4%，臺架試驗和仿真試驗結(jié)果基本吻合，驗證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 論

1）以轉(zhuǎn)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(xué)模型，分析得出在型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)、排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)、棉種物理參數(shù)已知時，排種器的轉(zhuǎn)速與取種輪的振動頻率影響充種概率；對充種區(qū)相互搶位的棉種進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)果表明，取種輪振動偏移角發(fā)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(jìn)行分析，結(jié)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(zhuǎn)組合試驗進(jìn)行排種器排種性能仿真分析，并對仿真試驗結(jié)果進(jìn)行分析與優(yōu)化，確定排種器的最優(yōu)工作參數(shù)組合為排種器轉(zhuǎn)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(dāng)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(zhuǎn)速為試驗因素開展臺架試驗，試驗結(jié)果表明，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為12 r/min，排種器的排種粒距合格率達(dá)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(zhuǎn)速的增加呈上升趨勢，重播率隨著轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)下降趨勢。

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Shi Linrong, Sun Bugong, Zhao Wuyun, et al. Optimization and verification of performance parameters of elastic air suction type corn roller seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(10): 88－95, 207. (in Chinese with English abstract)

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(xué)基金資助項目（51665050）

李娟娟，研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備研究。Email：1322314511@qq.com

畢新勝，教授，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)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(zhuǎn)軸型孔式精量排種器充種性能仿真分析與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)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