锥面导流水平盘式小麦精量排种器设计与试验

刘彩玲 都 鑫 张福印 马 拓 张皓瑒 黎艳妮

(中国农业大学农业农村部土壤-机器-植物系统技术重点实验室， 北京 100083)

0 引言

小麦是我国主要粮食作物之一，在我国粮食安全生产上占有举足轻重的地位，提高小麦产量意义重大[1]。近年来，随着中耕作物精密播种技术日趋完善，逐渐将精播技术用于传统的条播作物，小麦精密播种高产栽培要求种子株距、行距和播深精确，相对于传统的密集条播作业可减少基本苗，建立合理群体结构，培育壮苗，成穗率高，具有节省良种、降低成本、提高产量和经济效益的作用[2-4]。

小麦精密播种新农艺的出现对精密排种器提出了更高的要求。我国学者从20世纪70年代开始研制小麦精密排种器，先后研制了水平环槽式、双辊式倾斜轮孔式、锥盘式、内充种轮式、倾斜外槽轮上排种式、新型组合吸孔式等多种形式的小麦精密排种器[5-7]，但应用于生产实际的并不多，主要原因在于没有合适的精密排种器，分析其原因，像玉米、大豆等近圆形的大粒种子已基本上实现了单粒精密播种[8-13]，但对于像小麦这种具有极不规则的侧面带“腹沟”的非圆纺锤状外形，充种过程复杂且具有不确定性，精密播种远比球形种子难实现。目前我国小麦精播仍停留在小播量的半精量播种作业，一般采用外槽轮式排种器，存在着因外槽轮式排种器的脉动性导致小麦播种机播种不均匀，幼苗拥挤生长，缺苗断垄或疙瘩苗的现象，无法满足小麦生产对精密播种的要求[14-17]。

为提高小麦精密播种排种器的播种精度，实现低播量精密播种，本文基于小麦精播高产栽培技术，农机与农艺相结合，提出一种在锥盘锥面增加渐开线导条的锥面导流水平盘式小麦排种器，对关键参数进行设计和排种器工作性能的虚拟仿真分析，并通过台架试验优化关键参数，旨在提高充种性能和排种合格指数，降低播量和破碎率，以期为小麦精密播种机的设计提供参考。

1 工作原理与参数设计

1.1 结构与工作原理

锥面导流水平盘式精密排种器结构如图1所示，由种箱、嵌入导条的锥盘、种刷、底座、投种装置、投种盘等组成。锥盘采用中央锥面与周向充种环带组合的结构将型孔区限制在窄小环带上，利用旋转离心力和斜面分力将种箱内种子压力集中在充种区，嵌入渐开线导条的锥盘增加对种子流动层的扰动，降低种子间内摩擦力，利于引导种子沿曲面做定向流动，使种子长轴沿圆周切线方向排列，静、动导向结构使箱内混乱无序的小麦种子完成导向和排序，增加种子主动充填能力和囊种机率，提高充入长圆形型孔的单粒种子充填性能；弹条式投种装置结构简单，工作可靠，通过连接型孔之间的导种槽引导可靠投种，缓解了柱塞式投种器橡胶圈磨损、弹簧弹力对种子破碎的影响。

图1 锥面导流水平盘式排种器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of cone diversion type horizontal plate metering device1.种箱 2.种层厚度控制装置 3.种刷 4.投种装置 5.投种盘 6.底座 7.锥盘

排种器工作原理如下：种箱内装有种子，种子通过种层厚度控制装置控制种子流动，确保种层厚度恒定，在重力、离心力、种间作用力及导条引导作用下，呈纺锤状或“拉长椭球状”小麦种子被水平旋转的排种盘按运动阻力最小的方向进行导流排序，以长轴沿圆周切线方向定向排列并作同心圆运动，顺利囊入周向排列的型孔内；当锥盘转动至种刷位置时清除型孔内多余的种子，最后在弹条式投种装置作用及自身重力作用下排出型孔，实现一器三行的小麦精密排种。

1.2 锥盘设计

1.2.1锥盘直径和锥角

锥盘直径和锥角影响型孔充填性能，直径较小的种子充填性能降低，直径较大的可一定程度改善型孔充填性能；锥盘锥角影响斜面分力进而影响周向充种环带上的种子充填力，参考已有研究锥盘，直径确定为220 mm，设锥角分别为30°、35°、40°、45°进行优化。

1.2.2锥盘导条型式

为提高种子充填性能，锥盘表面嵌入导条，以增加对种群的扰动和对种子进行梳刷、排序及导向，设定导条型式为渐开线导条、直导条和无导条的3种锥盘进行优化，如图2所示。

图2 导条型式Fig.2 Guid bar forms

渐开线导条的轨迹线为渐开螺旋面与旋转锥面的交线，滚动角为φ，其渐开线方程为[18]

(1)

1.2.3型孔设计

型孔参数是排种器设计关键。小麦种子尺寸长度大于宽度，宽度大于厚度，依据概率法计算种子平躺、侧卧概率远大于竖立的概率，同时依据最小势能原则，确定平躺状态为最稳定的充种方式[19]，如图3所示。

图3 型孔尺寸计算示意图Fig.3 Schematic diagram of hole size calculation

型孔内只能囊括一粒种子且不能囊括两粒种子应满足

(2)

bmax

(3)

B

(4)

(5)

B>C

(6)

式中A——型孔长度，mm

B——型孔宽度，mm

C——型孔高度，mm

lmax——小麦长度最大值，mm

bmax——小麦宽度最大值，mm

l——小麦长度平均值，mm

a——小麦厚度平均值，mm

锥盘转动过程中带动种子长轴沿圆周切线方向定向排列并作同心圆运动，因此设计以沿圆周切线方向排列的长圆形型孔，以衡观35小麦种子为研究对象，测得长、宽、厚的平均值分别为6.21、3.42、3.19 mm，型孔宽度固定为5 mm，型孔长度在6.5～11.3 mm范围内变化，对其充种效果进行优化。型孔上表面设有45°倒角利于种子顺利囊入型孔并减小破碎；型孔向下呈喇叭状，以利于种子在投种时顺利投落。采用导种环槽连接型孔，增加种子囊入型孔机率。型孔布置及型孔形状见图4。

图4 型孔布置和型孔形状Fig.4 Distribution and shape of hole1.导种环槽 2.上表面倒角

2 排种器工作过程分析

2.1 种子在锥盘上的力学分析

种子从供种装置落下，在锥盘锥面和导条作用下流向周向充种环带。以种子所在位置为圆心，建立空间直角坐标系，x轴过种子与导条侧面接触点沿切线方向并与锥盘母线垂直，y轴垂直于导条侧面且于锥盘母线平行，z轴方向过种子与锥面的接触点且垂直于锥面，种子在锥盘上受力如图5所示。

图5 小麦种子在锥盘上的受力分析Fig.5 Force analysis of seed on cone disc

由图5可得

f1=μN1

(7)

f2=μN2

(8)

F=2mωVrcosθ

(9)

I=mω2r

(10)

式中f1——导条侧面对种子的摩擦力

N1——导条侧面对种子的支撑力

f2——锥盘盘面对种子的摩擦力

N2——锥盘盘面对种子的支撑力

μ——种子与锥盘的静摩擦力因数

F——科氏力Vr——种子运动速度

m——种子质量θ——锥盘锥角

ω——锥盘角速度

r——种子所在位置半径

I——种子受到的离心力

2.2 种子充入型孔的运动学分析

种子是否落入型孔取决于其沿型孔的相对运动情况。单粒种子即将进入型孔时的运动学分析如图6所示，O为种子质心，以种子长轴方向为X轴方向，则种子充入型孔的相对极限速度Vrmax及锥盘极限转速nmax为[20]

(11)

(12)

式中D——型孔长度，mm

L——种子质量中心与排种盘距离，mm

E——上倒角宽度，mm

P——环槽深度，mm

R——锥盘半径，mm

图6 种子充入型孔时的运动学分析Fig.6 Kinematic analysis of seed filling holes

种子在锥盘上力学分析和种子充入型孔的运动学分析表明，锥盘的转速、锥角、型孔参数均影响种子的充填过程。

2.3 清种过程分析

图7 毛刷清种装置受力分析Fig.7 Force analysis of brush clearance device1.锥盘 2.毛刷 3.种子

采用猪鬃毛刷进行清种。排种器工作时，种子在锥盘带动下沿长轴方向排列，随排种盘一起运动，运动到刮种器前层层叠加，水平种子层的相对速度自下而上递减，最底层种子的拖带速度最大，向型孔钻入的力最大，其受力如图7所示。

毛刷给种子的梳刷力Fg可分解为水平分力Fg2和垂直分力Fg1，Fg2把型孔中露在外部的种子向后梳刷，使其反向从型孔中退出；Fg1则给种子一定的下压力，受到下压力的种子在型孔中稳定地随锥盘一起转动。毛刷质地柔软，适应性好，减少种子损伤率。

2.4 投种过程分析

设计的弹条式投种装置采用刚性较好的钢丝，弹性恢复系数好，耐磨损，对种子损伤小，工作噪声小。投种区种子受力分析如图8所示，种子在重力G和投种推力Ft的作用下完成投种。

图8 投种装置受力分析图Fig.8 Force analysis of seed-dropping device

3 EDEM离散元仿真试验与优化

3.1 排种器仿真模型的建立

为便于仿真并减少计算量，去除与接触无关部件。将SolidWorks软件创建的排种器三维模型导入到仿真软件EDEM中，如图9所示。根据衡观35小麦种子的三轴尺寸，使用多球面填充方式建立小麦颗粒模型。颗粒表面没有粘附力，选择Hertz-Mindlin无滑动接触模型作为颗粒间及颗粒与排种器间接触模型。排种器用ABS工程材料注模加工。为提高仿真精度，颗粒与接触材料间的静摩擦因数与弹性恢复系数通过试验测定确定，其余仿真边界参数参照文献[21-23]，确定仿真参数为：小麦泊松比0.42，剪切模量51 MPa；颗粒与颗粒及颗粒与工程材料间的恢复系数、静摩擦因数、滚动摩擦因数分别为0.42、0.53、0.07和0.25、0.56、0.05。为验证模型和仿真边界参数的正确性进行了小麦种子堆积角验证试验[24]，测量5次求平均值，得仿真休止角为30.7°，与实测休止角差值为0.6°，误差较小，因此所建模型精度较高，可用于仿真。

图9 排种器仿真几何体模型Fig.9 Simulation model of seed-metering device

3.2 单因素仿真试验与结果分析

为便于参数设计，对充种情况进行锥盘导条型式、型孔个数、锥盘转速、锥角的单因素仿真分析，型孔长度为7.5 mm，各因素固定值分别为渐开线导条、50个、15 r/min和30°，试验指标合格为1～2粒/穴，单粒为1粒/穴，漏充为0粒/穴。

3.2.1导条型式对充种性能的影响

导条型式分别为渐开线导条、直导条以及无导条时排种器的充种情况仿真结果如表1所示。

表1 3种导条型式下的仿真结果Tab.1 Simulation results of three different guide bar types %

由表1可知，增加导条利于提高充种性能，渐开线导条优于直导条，直导条优于无导条，为进一步分析导条型式对充种过程的影响，从EDEM中输出不同导条型式下种子速度随时间变化情况如图10所示，可看出无导条时种子速度明显低于2种有导条情况，低于极限相对速度时增大相对速度可提高种子囊种的几率，计算种子速度的波动量由大到小分别为：无导条(0.005 923 m/s)、直导条(0.003 659 m/s)、渐开线导条(0.003 309 m/s)，无导条时种子相对速度低且速度波动量大，种子不利于进入型孔且充填不稳定，因此，嵌入渐开线导条可提高排种器的充填性能。

图10 不同导条型式下种子速度随时间变化曲线Fig.10 Seed velocity changing curves in different guide strip types

3.2.2型孔个数对充种性能的影响

合理配置型孔个数可消除型孔与型孔间种子混乱现象，为研究型孔个数对充种性能的影响，仿真分析了型孔个数分别为39、42、50个时排种器充种情况，结果如表2所示。

由表2可知，50个型孔时充种性能较好，从图11可以看出，50个型孔时种子速度最大，50、42、39个型孔时，种子颗粒平均速度分别为0.061 0、0.053 0、0.058 5 m/s，表明种子速度低于极限速度时，增大种子速度有利于提高充种性能，单粒率和合格率均有所增加，因此确定50个孔的型孔结构。

表2 不同型孔个数的仿真结果Tab.2 Simulation results of different numbers of holes

图11 不同型孔个数下种子速度变化曲线Fig.11 Seed velocity changing curves in different numbers of holes

3.2.3锥盘转速对充种性能的影响

转速对型孔囊种过程有重要的影响。转速为15、20、25、30、35、40 r/min时仿真数据结果如表3所示。

表3 不同转速的仿真结果Tab.3 Simulation results at different speeds

由表3可知，随锥盘转速增加合格率减小，漏播率增加。从图12可以看出，锥盘转速越大，种子的速度与速度的波动量都随之变大，种子速度远远超过极限速度导致合格率显著降低，漏播率显著上升，根据试验情况确定锥盘速度小于30 r/min。

图12 不同转速下种子速度随时间变化曲线Fig.12 Seed velocity changing curves at different speeds

3.2.4锥盘锥角对充种性能的影响

基于前文分析研究锥盘锥角为30°、35°、40°、45°时对充种过程的影响，仿真结果见表4。

表4 不同锥盘锥角的仿真结果Tab.4 Simulation results at different cone angles

由表4可知，随锥盘锥角增加合格率减小，漏播率增加，从图13也可以看出，不同锥盘锥角种子均在0.05 m/s附近波动，但锥角越大，种子速度波动量越大，充种不稳定导致合格率降低，漏播率增加，因此确定锥盘锥角为30°。

图13 不同锥角下种子速度随时间变化曲线Fig.13 Seed velocity changing curves at different cone angles

3.3 正交回归旋转中心仿真试验

基于单因素试验确定部分参数设计，锥盘为渐开线导条型式、型孔个数50个、锥盘锥角30°，为进一步研究关键参数型孔长度、转速、种层厚度和各因素交互作用对排种器工作性能的影响，进行正交回归旋转组合试验，以确定最优参数组合。

3.3.1仿真因素及水平

二次回归正交旋转组合试验因素编码如表5所示。

表5 因素编码Tab.5 Coding of factor levels

3.3.2试验设计方案与结果

采用Design-Expert 8.0.6对试验结果进行多元回归拟合分析，试验方案和结果见表6。漏充率和合格率之和等于100%，试验中没有出现每穴大于2粒及以上的充种情况，故漏充率回归模型检验、因素影响规律与合格率分析结论一致，因此只对合格率做方差分析。

表6 二次回归旋转试验结果Tab.6 Quadratic regression rotary experiment results

3.3.3回归模型的建立与方程显著性检验分析

对数据进行二次多项式逐步回归拟合，依据系数间不存在线性相关性，剔除不显著因素但保留交互作用、高次项有影响的因素，对编码因素进行线性代换得单粒率Y1、合格率Y2回归响应面方程为

(11)

(12)

回归方程方差分析见表7，单粒率、合格率回归模型F检验高度显著(P<0.01)，失拟项均不显著(P>0.1)，回归方程不失拟。依据表7中F值，转速对单粒率影响高度显著，型孔长度影响显著，三因素影响由大到小依次为转速、型孔长度和种层厚度，其中转速和种层厚度、种层厚度和型孔长度间存在交互作用；转速对合格率影响显著，其影响由大到小为转速、种层厚度和型孔长度，转速与种层厚度间交互作用不可忽略。

3.3.4因素间交互作用的响应曲面分析

在试验因素范围内，分析因素间交互作用响应曲面。图14为转速和种层厚度交互作用对单粒率的影响，结果表明，在低转速区单粒率随种层厚度增加而减小，在高转速区呈相反规律，因为低转速时种层厚度增加加大底层种子正向压力，使种子充入型孔子的概率增加，因此单粒率降低；在高转速时种子与种盘相对速度增加，减少了种子与型孔接触机会，因此种层厚度增加时能一定程度上缓解转速带来的不利影响。在高种层厚度区单粒率随转速增加而增加，低种层厚度区随转速增加单粒率先增加后减小，因为高种层厚度时转速越高越利于种子分层流动，正向压力促进种子进入型孔，低种层厚度时增加转速增加种子相对型孔的运动速度，过大的转速易使种子相对运动速度超过极限充种速度导致单粒率反而降低。

表7 单粒率和合格率的方差分析Tab.7 Variance analysis of single rate and qualification rate

图14 种层厚度与转速的交互作用(单粒率)Fig.14 Interaction between seed-layer thickness and speed

图15为种层厚度与型孔长度交互作用对单粒率的影响，结果表明，在低种层厚度区单粒率随型孔长度增加而减小，在高种层厚度区呈相反规律；在低型孔长度区，单粒率随种层厚度增大而减小，在高型孔长度区规律相反。主要原因为较小种层厚度时型孔长度越小，充入2粒种子的概率越小，单粒率增加，较大种层厚度使型孔中种子受到种群压力较大，加之型孔中种间作用力、型孔壁面摩擦力、底座摩擦力等综合力作用使型孔中状态不稳定的种子退出型孔，小范围内提高了单粒率。

图15 种层厚度与型孔长度交互作用(单粒率)Fig.15 Interaction between seed-layer thickness and hole length

转速与种层厚度间交互作用对合格率响应曲面图如图16所示，在低转速区合格率随种层厚度增大而减小，高转速区呈相反规律，因为低转速时种层厚度增加加大底层种子正向压力，使型孔充入种子概率增加，高转速时种子与种盘相对速度增加，减少种子与型孔接触机会，因此种层厚度增加时一定程度上缓解转速带来的不利影响，因此合格率增加；在低种层厚度区合格率随转速增加而减小，高种层厚度区呈相反规律，二者呈现较显著的相关性。

图16 种层厚度与转速交互作用(合格率)Fig.16 Interaction between seed-layer thickness and speed

3.3.5试验结果目标优化

为寻求约束条件范围内各因素最优组合，将合格率作为评价指标，结合因素边界条件建立数学模型，对充种性能指标回归模型进行多目标优化求解，优化目标函数和约束条件为

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求得优化解为转速19.37 r/min、型孔长度为7.90 mm、种层厚度为8.00 mm时，预测得到合格率为89.50%，其中单粒率达到50.60%。

4 排种器性能试验验证

4.1 排种器充种性能试验

为验证优化结果，选择与仿真条件一致的衡观35小麦种子进行试验，小麦千粒质量为45 g，干基含水率为11.3%，种子休止角为31.3°，试验地点为中国农业大学排种试验室，试验装置见图17，排种器组成见图1。粒距合格率为合格粒距数与总粒距数比值，其中粒距小于1.5倍理论粒距为合格粒距，因为当型孔中充入2粒种子时，种子经排种器排出形成的两个粒距或将小于0.5倍理论株距，因此重播对于本文所设计的排种器来说仍满足1～2粒/穴的标准，属于合格粒距的范畴。

图17 试验装置Fig.17 Test device

按照仿真优化参数3D打印嵌入渐开线导条锥盘，排种器参数设为转速19 r/min、型孔长度8 mm，种层厚度为8 mm，锥盘锥角30°，型孔个数50个，锥盘直径220 mm，株距5 cm，利用中国农业大学研制的排种器性能检测仪进行数据统计，对优化后的参数组合进行重复试验，重复5次后得粒距合格率平均值为90.13%，漏充率为9.87%，单粒率达到49.50%，与仿真优化结果相吻合，验证了仿真优化结果的可靠性，但漏播率仍超过5%，根据国家标准[25]，对于单粒精密播种机，当种子粒距不大于10 cm时，漏播指数不大于15%，符合精播要求，因此设计的排种器符合国家标准。目前生产中应用的2BJM型小麦精密播种机粒距合格指数为78.30%～87.94%[26]，因此优化后的锥面导流水平盘式排种器提高了排种精度。

4.2 与原锥盘排种器的对比试验

为对比分析锥面导流水平盘式排种器与现有锥盘排种器的工作性能，3D打印嵌入渐开线导条锥盘，二者试验条件相同，型孔长度7.4 mm，种层厚度为8 mm，其余试验条件同上。

4.2.1合格率对比试验

设定机具前进速度分别为3、4、5 km/h，株距为5 cm，试验测试251粒小麦种子，重复3次试验取平均值，试验结果见表8。

表8 不同机具前进速度单因素试验结果Tab.8 Single factor test results at different advancing speeds

表8表明，随机具前进速度增加，排种器合格率均呈下降趋势，当排种盘型孔数与粒距一定时机具前进速度与排种器转速呈正相关，因此机器前进速度对排种器工作性能的影响与转速对其影响规律一致，与仿真分析所得结论一致，验证了仿真分析的正确性。同时锥面导流水平盘式排种器比原锥盘排种器在前进速度为3、4、5 km/h时合格率分别提高3.4、2.1、1.9个百分点，表明锥面导流水平盘式排种器排种性能指标优于原锥盘排种器，证明导条的设置加强了种群流动性及对种子导向作用，增大了充种机率，从而提高了合格率。

4.2.2排种器破碎率对比试验

根据GB/T 6973—2005破碎率测定试验方法进行破碎率对比试验，试验条件同上，设定机具前进速度为3 km/h。破碎种子采用人工挑拣方法进行筛选，每次试验取样3 000粒测量排出种子质量和破碎种子质量，各重复3次试验求取平均值，计算种子破碎率(破碎种子质量与排出种子质量比值)，结果如表9所示。

从表9可以看出，锥面导流式水平盘排种器破碎率较低，比原锥盘排种器破碎率小0.2个百分点，主要原因为原锥盘排种器限量刮种器在限量通道入口处破损种子甚至造成种子被拦腰折断；柱塞式投种器投种轮与种子接触面积大，摩擦力大，造成种子姿态变化的机会多，无形中加大了种子与型孔壁面及底座的摩擦力，增大种子破碎机率。改进后的毛刷清种装置与种子柔性接触，降低了种子在运动过程中承受的载荷；弹条式投种装置弹性恢复系数较好且弹力适中，与种子接触面积小，种子所受摩擦力较小且不影响种子在型孔中的姿态，种子可稳定地从型孔中被投出。

表9 破碎率试验结果Tab.9 Crushing rate test results

5 结论

(1)为实现小麦低播量精密播种，提高小麦精密排种器播种精度，提出了一种锥面导流水平盘式小麦排种器，完成参数设计和理论分析，并借助离散元单因素仿真试验分析了导条型式、型孔个数、锥盘转速、锥盘锥角对充种性能的影响，确定锥盘为渐开线导条型式、型孔个数50个、锥盘锥角30°。

(2)二次回归正交旋转试验得到单粒率和合格率的回归方程，方差分析结果表明对单粒率影响由大到小依次为转速、型孔长度和种层厚度；对合格率影响由大到小为转速、种层厚度和型孔长度，转速和种层厚度、种层厚度和型孔长度间存在交互作用。对回归方程进行多目标优化求解并对最优组合参数进行排种性能的台架试验验证，得到在转速19 r/min、型孔长度8 mm、种层厚度为8 mm时充种合格率为90.13%，漏充率为9.87%，单粒率为49.50%，与仿真优化结果相吻合，试验结果符合精密播种国家标准。

(3)性能对比试验结果表明，设计的锥面导流水平盘式排种器无论在排种性能还是破碎率指标均优于原锥盘排种器，证明在导条及毛刷清种、弹条式投种装置的综合作用下提升了原锥盘排种器的工作性能。锥面导流水平盘式小麦精量排种器有效提高了充种性能和排种合格指数，降低了播量和破碎率，研究结果可为小麦精量播种机的设计提供参考。