内侧充种式花生精密排种器性能分析与破碎试验

杨红光，杨然兵，尚书旗，倪志伟，刘志深

（青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109）

内侧充种式花生精密排种器性能分析与破碎试验

杨红光，杨然兵*，尚书旗，倪志伟，刘志深

（青岛农业大学机电工程学院，山东 青岛 266109）

为提高用于花生播种机的内侧充种式精密排种器的排种质量，降低排种器对种子破碎率的影响，探寻最佳的排种器工作参数组合。基于JPS-12 型排种器试验台，采用三元二次正交旋转组合试验设计的方法，以排种轮转速、复式型孔充种孔长度、护种板起始角大小为试验因素，破碎率为试验指标，鲁花11号花生种子为试验对象进行了试验研究。运用DPS软件对试验数据进行了方差分析，结果表明，破碎率影响显著性顺序依次为护种板起始角大小、排种轮转速、复式型孔充种孔长度。运用Matlab软件对数学模型进行了参数优化，得出最佳参数组合为:排种轮转速38 r/min、复式型孔充种孔长度35 mm、护种板起始角大小22°，此时的破碎率为0.65%。试验验证结果表明，理论值与试验值差值为0.06%，最佳参数组合下的破碎率低于花生播种要求。

花生；内充式；排种器；破碎率；破碎试验

精密播种作为我国重点推广的农业新技术，具有省种、省工的优点，现已应用于花生播种过程中。花生精密排种器作为花生播种机的核心工作部件，对花生播种质量有很大影响。

花生精密排种器按工作原理不同主要分为机械式和气力式两类[1]，气力式具有适应性强和伤种率低的优点，但结构复杂、造价较高，不宜大量推广应用[2-3]；而机械式特别是内侧充种式排种器具有结构简单、造价低和工作可靠的优点，但在排种过程中易造成种子卡滞和磕碰损伤，影响出芽率。

针对上述问题，在对内侧充种式排种器伤种机理研究分析的基础之上，进行花生种子破碎试验，探寻排种器结构参数和工作参数对种子破碎的影响规律，以期获得排种器最佳工作参数组合，进而减小花生播种过程中的破碎率，提高花生播种质量。

1 排种器结构与工作原理

内侧充种式排种器主要由种箱、进种口调节板、护种板、排种轮、复式型孔、壳体、轴承和轴端挡圈等组成（图1）。通过传动轴带动排种轮转动，种子由种箱进入排种轮内腔，在重力和离心力的作用下充入复式型孔，并随排种轮一起转动，型孔中多余的种子在转动到清种区时在重力作用下滑落，而充入复式型孔中的种子在型孔特殊结构下被安全地送到护种区，在护种板作用下进入投种区，最后在重力和离心力作用下完成排种。

图1 排种器结构Fig. 1 Structural of metering device

2 排种器性能分析

复式型孔每次取种个数与内孔参数、种子大小直接相关，其主要参数为内孔宽度W、有效长度S和内孔的深度h[4]。通过排种器充种试验和种子三轴尺寸大小确定内孔宽度、有效长度和内孔的深度，提高种子的单穴单粒率和减小种子破碎率。

2.1 充种性能分析

2.1.1 单粒种子运动规律分析 设排种轮角速度为ω，种子与排种轮内壁间摩擦力为F，种子重力为G，种子绝对运动角速度为ω1，种子质心到排种轮中心距离为c，种子受到支持力为N，种子受到惯性力为P。如图2所示，假设种子运动到θ时刻，排种轮做匀速运动，种子受力平衡为：

图2 单粒种子受力分析Fig. 2 Force analysis of single seed

排种轮转动过程中，与排种轮内壁直接接触的种子主要集中在充种区和清种区，种子运动范围主要在0-180°内[5-6]。在此范围内种子运动主要分为以下4种情况：1）当N=0时，种子将沿排种轮内壁掉落；2）当N〉0，且F-Gsinθ=0时种子保持匀速运动；3）当N〉0，且F-Gsinθ〉0时种子与排种轮相对滑动，绝对运动为加速运动；4）当N〉0，且F-Gsinθ〈0时种子与排种轮相对滑动，绝对运动为减速运动。2.1.2 排种器充种方式分析 排种器工作过程中，种子在重力、离心力、种子与排种轮摩擦力作用下随排种轮转动，产生环流[7]。在JPS-12 型排种器试验台上做试验并观察，证实了花生种子群在排种轮内腔运动时，存在环流层。从横剖面看整个环流层可划分为上升层Ⅰ、塌落层Ⅱ、相对静止层Ⅲ和回流层Ⅳ。其中只有上升层Ⅰ中的第一层种子直接与排种轮内腔壁接触，充种方式主要有填补空间、相对运动和同向运动。

当复式型孔刚进入环流层种子始端时，型孔产生新空间，种子在重力、离心力和种间作用力联合作用下，迅速以填补空间方式充种。若由于各种原因，复式型孔中尚未充满种子，如图3所示，当型孔转到ef段时与从回流层Ⅳ回流的种子相向运动，回流种子在重力和相向速度的联合作用下完成充种，此时回流种子充入型孔的速度为vsinφ。当型孔进入fg段时，回流种子开始与排种轮内壁接触，速度由v逐渐变为瞬间接触零速，同时迅速改变方向，随排种轮做加速运动。对于gh段上升层Ⅰ中的种子，在排种轮内腔、种间摩擦力作用下，每层种子呈不同角速度随排种轮同向转动，且ω〉ω1〉ω2〉ω3〉…，形成了同向速度差，若此时复式型孔中还未充满种子，则种子将继续以同向运动方式充入型孔。

图3 种子环流层剖面Fig. 3 Circulation layer section of seed

2.2 清种和投种性能分析

2.2.1 清种性能分析 充种完成后进入复式型孔中多余的种子转到清种区时，需要被清除掉，以减小重播率。清种主要是通过种子自重完成的，首先充入复式型孔的种子会进入到复式型孔的内孔中，后来冲入的种子会进入复式型孔的外孔中，并且在清种过程中要保证内孔中的种子不会被清掉，同时外孔中的种子要被清掉。此时种子受力分析如图4所示，假设种子开始进入清种区时的角度为ε，则种子下落条件为：

图4 清种时种子受力分析Fig.4 Force analysis of seed-clearing

2.2.2 投种性能分析 排种器在没有任何导种装置的前提下，种子脱离复式型孔后的运动轨迹为自由落体运动，以排种器中心为坐标原点，机器前进速度反方向为X轴，垂直地面方向为Y轴，建立坐标系。如图5所示，由运动学分析可知，种子在投种点临界位置的速度分别为：

种子在重力作用下的运动轨迹为：

式中：VX为种子在X轴方向上的分速度（m/s）；VY为种子在Y轴方向上的分速度（m/s）；X1为种子在X轴方向上的位移（m）；Y1为种子在Y轴方向上的位移（m）。g为重力加速度（m/s2）；t 为种子运动时间（s）；

图5 投种时种子运动分析Fig. 5 Motion analysis of seed- dropping

2.3 伤种性能分析

内侧充种式排种器没有清种装置，靠重力清种，理论上不会伤种，但在实际工作过程中伤种率仍然较高[8-10]。当排种轮直径、复式型孔形状一定时，影响种子损伤的参数主要有护种板起始角大小、排种轮转速，复式型孔充种口尺寸及其在排种轮上的位置等[11-12]。试验过程中发现种子的损伤主要有剪伤和擦伤两种形式，所占比例分别为95.81%和4.19%。

排种器工作过程中清种和护种交界处，复式型孔大孔内侧棱和护种板斜棱在相对运动作用下形成剪刀式结构。型孔中多余的种子靠自身重力下落一定距离需要时间t，同时复式型孔经过时间t旋转一定角度，若种子来不及完全离开型孔，处于一部分在型孔内另一部分在型孔外的状态，正好此刻复式型孔转动到护种板位置，就在瞬间种子被护种板斜棱和复式型孔大孔内侧棱边剪切而造成伤种。

图6 种子受剪分析Fig. 6 Shear analysis of seed

如图6所示，此时花生种子主要受到复式型孔大孔内侧棱支持力N1、护种板斜棱支持力N2、自身重力G、复式型孔大孔内侧棱与护种板斜棱剪力F1和F2。同时在护种板起始角较小的情况下，型孔携带种子接近护种板时，若种子径向位移量小于排种轮内外径之差，也会出现剪伤现象；而在护种板起始角较大的情况下，内窝孔中种子又极易滑落造成空穴，影响播种质量。如图7a所示，设种子运动到最高点时，在径向上开始做初速度为零的自由落体运动。在时间t内种子水平方向上关系为：

得：

式中：r为排种轮内径尺寸；α为护种板起始角大小。为保证种子不会碰到护种板，在相同时间内，种子在竖直方向上的位移关系为：

图7 护种端种子的运动及受力分析Fig. 7 Motion and force analysis on the seed of protecting board end

即：

得：

式中：R为排种轮外径尺寸。

如图7b所示对复式型孔中处于滑动临界状态的种子进行受力分析，受力平衡关系为：

式中：β为复式型孔底面与排种轮切线的夹角；γ为种子与复式型孔底的摩擦角。得：

由上式可知当排种轮转速ω增加时，α减小，种子破碎率增加，所以在其他条件相同情况下，应选用较低的排种轮转速。又由于：

故： +α β γ〈

综上所述护种板起始角大小关系为：

3 试验分析

3.1 试验仪器与材料

试验仪器为JPS-12型排种器试验台和精度为0. 000 1 g的电子天平。花生品种为鲁花11号，从10 kg花生种子中随机取样3次，每次抽取1 000粒，测得种子相关特性参数为：千粒重926.71 g、平均长度19.28 mm、平均宽度9.86 mm、平均厚度8.74 mm。

3.2 试验因素与指标

根据上述研究分析选取排种轮转速、护种板起始角大小和复式型孔充种孔长度为试验因素。结合排种器的作业特点，排种轮转速变化范围为25-55 r/min，复式型孔充种孔长度变化范围为25-45 mm，护种板起始角大小变化范围为12°-28°。按照JB/T 10293—2013单粒（精密）播种机技术条件[13]和GB/T 6973—2005单粒( 精密) 播种机试验方法[14]对取样的要求，考察经排种器工作后种子的破碎率。破碎的种子采用人工挑拣的方式进行分选。试验前人工预先将破碎花生种子挑拣出，试验后，分别从播过的种子中随机选取300粒，然后人工从选取出的300粒种子中挑拣出破碎种子，破碎种子质量与选取的300粒种子质量的比值为经排种器播种后的破碎率y。破碎率计算式为[15]：

式中：n为每次试验后从选取的种子中挑拣出破碎种子质量（kg）；N为每次试验后选取的种子总质量（kg）。

3.3 试验方案

采用三因素二次正交旋转组合设计进行试验[16]，每次试验重复3次取平均值作为试验指标，试验总数为23次。试验因素与编码见表1，其中z1、z2、z3分别为排种轮转速、复式型孔充种孔长度和护种板起始角大小实际值。

表1 因素水平编码Table 1 Factors and level codes

试验方案与结果见表2。其中x1、x2、x3分别为排种轮转速、复式型孔充种孔长度和护种板起始角大小的编码值。

3.4 试验结果分析

试验数据采用DPS软件进行分析，得出破碎率试验结果方差分析见表3，种子破碎率的回归数学模型为：

表2 试验方案与结果Table 2 Experimental project and results

由式（9）和表3可知破碎率回归方程和试验数据拟合较为理想，并且一次项x1、x3平方项、影响极为显著；其他因素项影响不显著。

取α=0.05显著水平，剔除不显著项后，得到破碎率的无量纲编码值回归方程为：

由无量纲编码值回归方程系数可知试验因素对破碎率影响大小次序为：护种板起始角大小、排种轮转速、复式型孔充种孔长度。

将各因素编码公式代入方程（10）整理后得到破碎率实际值回归方程为：

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

为了更加直观地分析因素交互作用对种子破碎率的影响规律，采用降维法将某一因素置于零水平，如图8所示，利用Matlab软件绘制两因素影响三维曲面和等值线图[17]，研究任意两因素变化对种子破碎率的影响规律。

当护种板起始角大小x3取零水平时，在排种轮转速x1一定的情况下，破碎率y随着复式型孔充种孔长度x2的增加基本不变（图8a）；在复式型孔充种孔长度x2一定的情况下，破碎率y随着排种轮转速x1的增加呈先减少后增加趋势，且变化幅度较大。

图8 两因素对指标的交互作用Fig. 8 Interaction of two factors on index

当复式型孔充种孔长度x2取零水平时，在排种轮转速x1一定的情况下，破碎率y随着护种板起始角大小x3的增加呈先减少后增加的趋势，且变化幅度较大（图8b）；在护种板起始角大小x3一定的情况下，破碎率y随着排种轮转速x1的增加也呈先减少后增加的趋势，且变化幅度较小。

当排种轮转速x1取零水平时，在复式型孔充种孔长度x2一定的情况下，破碎率y随着护种板起始角大小x3的增加呈先减少后增加的趋势，且变化幅度较大（图8c）；在护种板起始角大小x3一定的情况下，破碎率y随着复式型孔充种孔长度x2的增加变化较小。

3.5 性能优化与试验

排种器工作过程中应保证破碎率最小，根据破碎率回归方程，创建目标函数，并进行优化迭代求解。根据JB/T 10293—2013单粒（精密）播种机技术条件，y≤1.5%。规划目标函数和约束条件为：

利用Matlab软件进行优化迭代计算[17-18]，圆整参数优化结果为：排种轮转速38 r/min、复式型孔充种孔长度35 mm、护种板起始角大小22°，此时的破碎率为0.65%

根据以上最佳参数，进行3次重复试验，试验结果见表4。结果表明，平均破碎率为0.71%，理论值与试验值差值为0.06%。

表4 验证试验结果Table 4 Experimental results of verification

4 结论

通过研究分析排种器结构参数和工作参数变化对种子破碎率的影响规律，建立了排种器护种板起始角大小的理论计算公式，并以排种轮转速、复式型孔充种孔长度和护种板起始角大小为试验因素，破碎率为试验指标进行了试验研究。试验结果表明，破碎率影响显著性顺序依次为护种板起始角大小、排种轮转速、复式型孔充种孔长度。优化得出最佳参数组合为：排种轮转速38 r/min、复式型孔充种孔长度35 mm、护种板起始角大小22°，此时的破碎率为0.65%，最佳参数组合下的破碎率低于花生播种要求。该研究可为内侧充种式花生精密排种器的结构优化设计提供参考。

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（责任编辑：童成立）

Performance analysis and damaging experiment in inside-flling peanut precision metering device

YANG Hong-guang，YANG Ran-bing，SHANG Shu-qi，NI Zhi-wei，LIU Zhi-shen
（College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao, Shandong 266109, China）

In order to improve the seeding results of inside-flling precision metering device of peanut seeder, reduce the infuences of metering device on the breaking rate, and fnd the optimal parameters combination of metering device. The quadratic orthogonal rotation combination experiment of three factors were carried out with the rotate speed of seed plate, the length of flling hole and the angle of protecting seed as experimental factors, the breaking rate as experimental index, using Luhua 11 peanut seed as research object, and based on JPS-12 metering apparatus for testing station. The regression equation was obtained and signifcance analysis was carried out by using the DPS software. Results show that the order of their effectiveness to the breaking rate was as follows: the angle of protecting seed, the rotate speed of seed plate and the length of flling hole. The parameter optimization of the mathematical model by using the Matlab software. Results show that the rotate speed of seed plate of 38 r/min, the length of flling hole of 35 mm, angle of protecting seed of 22° were the best combination factors, which leaded to the breaking rate of 0.65%. The experimental results of verifcation showed that the difference between theoretical and experimental were 0.06%, and the breaking rate of optimal parameter combinations is lower than the requirement of peanut precision seeding.

peanut; inside-flling; metering device; breaking rate; damaging experiment

YANG Ran-bing, E-mail: yangranbing@163.com, sqshang@qau.edu.cn.

S223.2

A

1000-0275（2017）02-0360-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0131

杨红光, 杨然兵, 尚书旗, 倪志伟, 刘志深. 内侧充种式花生精密排种器性能分析与破碎试验[J]. 农业现代化研究, 2017, 38(2): 360-366.

Yang H G, Yang R B, Shang S Q, Ni Z W, Liu Z S. Performance analysis and damaging experiment in inside-filling peanut precision metering device[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(2): 360-366.

山东省农机装备研发创新计划项目（2015TS202-1）；山东省协同创新中心资金项目（6682215005）。

杨红光（1991-），男，山东济宁人，硕士研究生，主要从事新型农业机械设计与性能试验研究，E-mail: hgyang2016@163.com；通信作者：杨然兵（1979-），男，山东济宁人，副教授，硕士生导师，主要从事农业机械化技术研究，E-mail: yangranbing@163.com, sqshang@qau.edu.cn。

2016-08-25，接受日期：2016-11-07

Foundation item: Shandong Province Agricultural Equipment Research and Development Innovation Projects (2015TS202-1); Shandong Province Collaborative Innovation Centre Projects (6682215005).

Received 25 August, 2016; Accepted 7 November, 2016