充種托種型小麥氣吸式精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

李洪昌 高芳

摘要：為實(shí)現(xiàn)小麥精量播種，設(shè)計(jì)了一種輔助充種、托種種盤的小麥氣吸式精量排種器，該排種器能夠利用型孔凸臺(tái)在充種過(guò)程擾動(dòng)種群、增加種群的離散度并提高充種性能;在攜種區(qū)種子更易在型孔凸臺(tái)的托持作用下穩(wěn)定吸附，減小種子所需吸附的負(fù)壓。運(yùn)用離散元法仿真分析4種不同排種盤對(duì)種群的擾動(dòng)情況，并加工試制4種排種盤，以轉(zhuǎn)速、氣室壓強(qiáng)和種盤類型為因素，進(jìn)行正交仿真試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的極差和方差分析，確定影響各排種性能指標(biāo)的主次因素，得出帶型孔凸臺(tái)的排種盤其排種性能最佳，驗(yàn)證了離散元仿真的準(zhǔn)確性。最后，采用試驗(yàn)因素的多目標(biāo)尋優(yōu)，以合格指數(shù)最大，重播指數(shù)、漏播指數(shù)最小為尋優(yōu)條件，得出所設(shè)計(jì)排種器的最佳工作參數(shù)：排種盤轉(zhuǎn)速為36.2 r/min，氣室壓強(qiáng)為-3.7 kPa。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相差均小于5。該研究可為小麥氣吸式精量排種器優(yōu)化改進(jìn)及排種性能提升提供參考。

關(guān)鍵詞：小麥;氣吸式排種器;離散元法;正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S223 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）04-0176-05

收稿日期：2021-04-06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：51775246）;江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（編號(hào)：NJ2019-06）。

作者簡(jiǎn)介：李洪昌（1973—），男，山東菏澤人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論研究。E-mail：hcli1973@163.com。

小麥?zhǔn)俏覈?guó)三大糧食作物之一，保證小麥的高產(chǎn)與穩(wěn)產(chǎn)在提高農(nóng)民經(jīng)濟(jì)效益、保障糧食安全等方面具有重要意義[1-2]。小麥的機(jī)械化播種水平是提高小麥產(chǎn)量和降低成本的主要方式，隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)播種技術(shù)的發(fā)展，精量播種技術(shù)成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)[3-4]。精量播種既可以達(dá)到省種增效的目的，同時(shí)又可以保證小麥植株生長(zhǎng)過(guò)程中的養(yǎng)分均衡，并為后續(xù)機(jī)械化收割提供相應(yīng)條件。

精量播種技術(shù)的核心部件是排種器[5-8]。目前，我國(guó)小麥的播種形式主要是散播、條播和寬苗帶播種，種子間的株距無(wú)法統(tǒng)一。市面上的小麥播種機(jī)多采用機(jī)械式排種器，主要類型為外槽輪式，該型排種器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維修和制造成本低，但播種均勻性和穩(wěn)定性受排種器轉(zhuǎn)速和播量的影響較大，同時(shí)屬于機(jī)械式排種器，種子破損率也較高[9-11]。

因此，針對(duì)上述實(shí)際問題，本研究設(shè)計(jì)了一種能提高小麥播種機(jī)播種質(zhì)量，減少種子機(jī)械損傷，增強(qiáng)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(guò)對(duì)種盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，設(shè)計(jì)種盤型孔凸臺(tái)以擾動(dòng)種群，提高種群的離散度并起到輔助、托種作用。利用EDEM仿真與臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)排種盤的優(yōu)越性，并采用正交仿真試驗(yàn)確定了影響排種性能的主次因素，最后通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化方法，得出所設(shè)計(jì)排種器的最佳工作參數(shù)并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為小麥精量播種技術(shù)的研究和發(fā)展提供參考。

1 關(guān)鍵參數(shù)與部件設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)與原理

充種托種型小麥氣吸式精量排種器主要由型孔凸臺(tái)、排種盤、清種鋸齒、氣室等部件組成（圖1）。排種器正常工作時(shí)，小麥種子首先通過(guò)進(jìn)種口流入充種室，隨后在氣室負(fù)壓和型孔凸臺(tái)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(wěn)定在型孔凸臺(tái)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(xù)向上轉(zhuǎn)動(dòng)。最后，當(dāng)種子到達(dá)氣室末端時(shí)，氣流被阻斷，負(fù)壓消失，在重力、離心力和型孔凸臺(tái)推動(dòng)力的共同作用下，種子從投種口處投出，落入播種機(jī)開溝器形成的穴孔之中，實(shí)現(xiàn)精量播種作業(yè)。

1.2 排種盤關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 型孔凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為保證排種器穩(wěn)定高效的排種性能，排種盤的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，其設(shè)計(jì)參數(shù)主要有型孔凸臺(tái)間距、型孔直徑、型孔凸臺(tái)厚度。為確定以上參數(shù)，測(cè)定我國(guó)黃淮海地區(qū)常種植的小麥種子三圍尺寸（長(zhǎng)、寬、厚），平均值分別為 6.32、3.41、3.27 mm，最大值分別為7.22、4.08、3.91 mm，排種盤型孔凸臺(tái)如圖2所示。

型孔凸臺(tái)間距l(xiāng)應(yīng)保證最大尺寸的小麥種子能完全進(jìn)入托種區(qū)，并避免多粒種子同時(shí)進(jìn)入，因此需滿足關(guān)系式

D1≤l≤2D2。（1）

式中：D1為種子最大長(zhǎng)度，mm;D2為種子最小長(zhǎng)度，mm。

根據(jù)小麥種子測(cè)量數(shù)據(jù)可知，D1為7.22 mm，D2為5.56 mm，因此，選取型孔凸臺(tái)間距l(xiāng)=10mm。

型孔凸臺(tái)厚度δ決定種子所受托持力的大小，隨著型孔凸臺(tái)厚度δ的增大，排種器對(duì)氣室負(fù)壓的要求相應(yīng)減小，但隨著型孔凸臺(tái)厚度δ的進(jìn)一步增大，會(huì)造成排種器的清種性能下降，經(jīng)分析，δ最大不能超過(guò)小麥種子厚度的50%，因此，設(shè)置δ=1.5 mm。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，因此本研究的型孔直徑d取3.0 mm。

1.2.2 型孔數(shù)和排種盤直徑確定 小麥種植株距為35～50 mm，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更高的排種頻率，播種機(jī)作業(yè)速度與排種盤型孔數(shù)滿足：

v=3.6NDn60×103。（2）

式中：v為播種機(jī)前進(jìn)速度，km/h;D為小麥種子種植株距，mm;N為型孔數(shù);n為排種器轉(zhuǎn)速，r/min。

式（2）表明，當(dāng)作業(yè)速度、株距一定時(shí)，型孔數(shù)N與排種器轉(zhuǎn)速n成反比，即型孔數(shù)N越多，轉(zhuǎn)速n越低，種子所需的吸種負(fù)壓越低，但型孔數(shù)并非越多越好，應(yīng)在株距一定的條件下，適當(dāng)提高其排種頻率。本研究結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)、小麥種子等效直徑和型孔尺寸，并考慮排種器的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，最終選定40個(gè)型孔作為排種盤型孔數(shù)。

排種盤弧長(zhǎng)示意圖如圖3所示，排種盤每2個(gè)型孔間夾角θ=360°/40=9°。其中，OAB為等腰三角形，lAB由型孔凸臺(tái)間距l(xiāng)和型孔凸臺(tái)寬度w組成，由于小麥種子的質(zhì)量很小，因此設(shè)定型孔凸臺(tái)寬度w為1.2 mm，則lAB=11.2 mm，通過(guò)正弦定理可以求得lOA=71.37 mm，即型孔中心所在圓直徑為142.74 mm。為保證型孔處于氣室范圍內(nèi)且留有足夠的外邊緣，最終選定排種盤直徑為170 mm。

2 排種盤輔助充種性能仿真分析

種盤在充種區(qū)的擾動(dòng)強(qiáng)度是決定排種器充種性能的關(guān)鍵，小麥種子小且輕，在排種盤轉(zhuǎn)速較快的情況下，種子與型孔的接觸時(shí)間較短，在充種區(qū)種子容易漏吸。為解決上述關(guān)鍵問題，本研究采用離散元法對(duì)4種不同設(shè)計(jì)的小麥氣吸式排種盤進(jìn)行種群擾動(dòng)強(qiáng)度分析，并通過(guò)實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，研究4種設(shè)計(jì)的排種盤結(jié)構(gòu)對(duì)排種器擾動(dòng)性能的優(yōu)劣，分析得出最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

2.1 排種盤結(jié)構(gòu)

鑒于氣室負(fù)壓對(duì)排種器內(nèi)種群顆粒有著一定的氣流擾動(dòng)影響，為排除該因素，使4種不同排種盤的氣流通過(guò)面積和相應(yīng)的試驗(yàn)條件保持不變，其型孔外形如圖4所示。

2.2 小麥顆粒建模及離散元運(yùn)動(dòng)仿真

小麥種子的球形率較低，因此本研究在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(shù)目越多，則仿真模型與實(shí)際的小麥種子形狀越接近，相應(yīng)的計(jì)算精度越高。但過(guò)多的組成球?qū)@著提高計(jì)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，具體如圖5所示。

為提高仿真模擬計(jì)算速度，將排種器無(wú)關(guān)仿真精度的相應(yīng)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化并導(dǎo)入EDEM軟件中。根據(jù)EDEM官方材料庫(kù)，仿真采用的材料力學(xué)特性如表1所示。

離散元仿真采用Hertz-MindLin built-in無(wú)滑動(dòng)接觸模型，設(shè)置生成1 200粒種子模型，為保證EDEM仿真連續(xù)性，設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為瑞麗時(shí)間步長(zhǎng)的16%，仿真計(jì)算時(shí)間為12 s（0～1 s用于形成 1 200 個(gè)小麥顆粒仿真模型），計(jì)算網(wǎng)格尺寸為2R，即最小組成顆粒半徑的2倍，排種盤仿真過(guò)程如圖6所示。

2.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)前期仿真預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(diǎn)對(duì)種層下部區(qū)域結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。從不同排種盤種層下部同一位置框選區(qū)域，導(dǎo)出每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)（離散元軟件EDEM中保存數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，這里為0.1 s，即每0.1 s保存一次數(shù)據(jù)）的種群平均速度，數(shù)據(jù)從仿真3 s后開始導(dǎo)出，在仿真后8 s結(jié)束。

以排種盤轉(zhuǎn)速為52 r/min為例進(jìn)行仿真，用Excel繪制各排種盤的種群平均速度v隨時(shí)間推移的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，種群平均速度隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)，其中D盤波動(dòng)最明顯，其次為B盤、C盤和A盤，說(shuō)明選擇D盤的排種器種群擾動(dòng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)充種過(guò)程。

3 臺(tái)架試驗(yàn)與分析

為驗(yàn)證離散元仿真的合理性和優(yōu)化排種器的工作參數(shù)，在2020年11月按照仿真試驗(yàn)所采用的模型參數(shù)加工試制了4種排種盤。試驗(yàn)地點(diǎn)在常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院車輛工程院樓，排種檢測(cè)裝置為黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研制的JPS-12型多功能排種試驗(yàn)臺(tái)（圖8）。

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以排種盤轉(zhuǎn)速、氣室壓強(qiáng)和排種盤類型為正交試驗(yàn)因素，進(jìn)行3因素正交試驗(yàn)，因素水平編碼如表2所示。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)性分析

試驗(yàn)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)參考GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》，以小麥種子每次從投種口投出的種子數(shù)為參照，定義合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)為

重播指數(shù)：MUL=n1N×100

漏播指數(shù)：MIS=n2N×100

合格指數(shù)：QFI=100-MUL-MIS。（3）

式中：N為理論排種數(shù);n1為2粒及以上排種數(shù);n2為單粒排種數(shù)。

根據(jù)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)，每組試驗(yàn)獨(dú)立重復(fù)3次，取各項(xiàng)排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中的極差分析可知，影響排種器合格指數(shù)的主次因素順序?yàn)閆、Y、X，較優(yōu)水平組合為X2Y3Z4;影響重播指數(shù)試驗(yàn)因素的主次順序?yàn)閅、X、Z，較優(yōu)水平組合為X1Y1Z2;影響漏播指數(shù)試驗(yàn)因素的主次順序?yàn)閆、Y、X，較優(yōu)水平組合為X2Y4Z4。根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，在排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中，合格指數(shù)和漏播指數(shù)是影響排種器排種性能的關(guān)鍵，因此結(jié)合合格指數(shù)和漏播指數(shù)的極差分析得出，種盤D可以有效提高排種器排種性能，驗(yàn)證了仿真分析結(jié)果。為進(jìn)一步分析各因素及其相互作用對(duì)排種器排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，采用Design Expert 8.0.6軟件對(duì)表3正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，具體如表4所示。

由表4可知，試驗(yàn)3因素4水平對(duì)合格指數(shù)、重播指數(shù)和漏播指數(shù)的影響程度不同，其中種盤類型對(duì)于重播指數(shù)的影響不顯著，而對(duì)于合格指數(shù)和漏播指數(shù)均有顯著影響，此外氣室壓強(qiáng)對(duì)于排種器合格指數(shù)具有顯著影響。

3.3 試驗(yàn)因素影響效應(yīng)分析與目標(biāo)優(yōu)化

根據(jù)試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果，確定種盤D具有最佳的充種性能和排種性能，為了進(jìn)一步優(yōu)化排種器的工作參數(shù)，選擇速度34、43、52、61 r/min和氣室壓強(qiáng)-2.5、-3、-3.5、-4 kPa進(jìn)行3因素4水平正交試驗(yàn)，繪制合格指數(shù)和漏播指數(shù)隨排種盤轉(zhuǎn)速及氣室壓強(qiáng)的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知，中位時(shí)，漏播指數(shù)隨排種盤轉(zhuǎn)速的增大而上升，隨氣室壓強(qiáng)的增大而下降。合格指數(shù)隨2因素水平的變化呈現(xiàn)不規(guī)則變化，因此為了獲得D盤最佳工作參數(shù)，以合格指數(shù)最大，漏播指數(shù)和重播指數(shù)最小為尋優(yōu)條件，結(jié)合各因素邊界范圍，建立數(shù)學(xué)模型為

Fmax=QUI-MUL-MIS，

s.t.34 r/min≤X≤61 r/min

-4 kPa≤Y≤-2.5 kPa 。（4）

根據(jù)Matlab優(yōu)化求解可得最佳工作參數(shù)：排種盤轉(zhuǎn)速為36.2 r/min，氣室壓強(qiáng)為-3.7 kPa。對(duì)優(yōu)化后的工作參數(shù)分別進(jìn)行仿真和臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示，在最佳工作參數(shù)組合下，臺(tái)架試驗(yàn)合格指數(shù)為95.2，仿真試驗(yàn)合格指數(shù)為99.6，相差4.4;臺(tái)架試驗(yàn)漏播指數(shù)為1.3，仿真試驗(yàn)漏播指數(shù)為0.2，相差1.1，整體上，仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相差均小于5，與理論優(yōu)化結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種具有輔助充種、托種作用種盤的氣力式小麥精量排種器。該排種器利用型孔凸臺(tái)擾動(dòng)種群，增大了種群的離散度，進(jìn)而提高排種器充種性能。對(duì)不同排種盤設(shè)計(jì)的排種器充種性能進(jìn)行離散元仿真試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用型孔凸臺(tái)的排種器具有最佳的充種性能。

對(duì)EDEM采用的4種種盤進(jìn)行轉(zhuǎn)速、氣室壓強(qiáng)和種盤類型正交臺(tái)架試驗(yàn)，并對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，確定了影響各排種性能指標(biāo)的主次因素，得出帶型孔凸臺(tái)排種盤的排種性能最佳，驗(yàn)證了離散元仿真的準(zhǔn)確性。最后，采用試驗(yàn)因素的多目標(biāo)尋優(yōu)，以合格指數(shù)最大，重播指數(shù)、漏播指數(shù)最小為尋優(yōu)條件，得出所設(shè)計(jì)排種器的最佳工作參數(shù)：排種盤轉(zhuǎn)速為36.2 r/min，氣室壓強(qiáng)為-3.7 kPa。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果相差均小于5，與理論優(yōu)化結(jié)果基本一致。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳建國(guó)，李彥明，覃程錦，等. 小麥精量播種機(jī)排種高精度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（1）：66-74.

[2]李永祥，李飛翔，徐雪萌，等. 基于顆粒縮放的小麥粉離散元參數(shù)標(biāo)定[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35（16）：320-327.

[3]叢錦玲，廖慶喜，曹秀英，等. 油菜小麥兼用排種盤的排種器充種性能[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（8）：30-39.

[4]姜 萌，劉彩玲，魏 丹，等. 小麥寬苗帶精量播種施肥機(jī)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（11）：53-62.

[5]Zhou H B，Chen Y，Sadek M A.Modelling of soil-seed contact using the discrete element method （DEM）[J]. Biosystems Engineering，2014，121：56-66.

[6]Baetens K，Nuyttens D，Verboven P，et al. Predicting drift from field spraying by means of a 3D computational fluid dynamics model[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2007，56（2）：161-173.

[7]趙 金，鄭 超，張晉國(guó)，等. 差速充種溝式小麥單粒排種器優(yōu)化設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51（12）：65-74.

[8]丁 力，楊 麗，張東興，等. 基于DEM-CFD的玉米氣吸式排種器種盤設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50（5）：50-60.

[9]王英博，李洪文，何 進(jìn)，等. 機(jī)械式小麥射播排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36（21）：1-10.

[10]梅志雄，夏俊芳，張居敏，等. 稻麥兩用螺旋舀種式排種器排種性能試驗(yàn)[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，39（5）：136-146.

[11]程修沛，李洪文，盧彩云，等. 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.

[12]董 帥，趙滿全，張 旭，等. 氣吸式免耕播種機(jī)排種裝置振動(dòng)測(cè)試及分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2015，37（6）：181-184.

3694501908217