小麦宽苗带撒播器弹籽板结构设计与优化

祝清震，武广伟，陈立平，赵春江，孟志军，史江涛



小麦宽苗带撒播器弹籽板结构设计与优化

祝清震1,2，武广伟1※，陈立平2,3，赵春江1,2，孟志军3，史江涛4

（1. 北京农业信息技术研究中心，北京 100097；2. 西北农林科技大学机械与电子工程学院，杨凌 712100； 3. 北京农业智能装备技术研究中心，北京 100097；4. 西安亚澳农机股份有限公司，西安 710300）

为了对小麦宽苗带撒播器进行结构改进和参数优化，该文以鸭掌型宽苗带撒播器弹籽板为研究对象，建立了以球面半径、安装倾角和跨度作为变量的球面型弹籽板数学结构模型，搭建了离散元仿真平台，以小麦籽粒横向均匀度变异系数作为作业效果评价指标，分析3个变量对宽苗带撒播器工作性能的影响，并根据试验结果对弹籽板的结构进行优化。单因素试验结果表明，球面半径在130~150 mm、安装倾角在30°~40°、跨度在80°~100°区间时，宽苗带撒播器具有较好的横向匀种效果；通过二次回归正交旋转组合试验，建立了3个变量与横向均匀度变异系数的回归方程，结果表明，影响小麦籽粒横向均匀度变异系数的主次因素依次为安装倾角、球面半径、跨度和安装倾角×跨度，其中安装倾角和跨度之间存在一定的交互作用，当球面半径、安装倾角和跨度分别为141.26 mm、35.53°和90.72°时，宽苗带撒播器具有较优的横向匀种效果，此时理论计算和仿真试验的横向均匀度变异系数分别为10.58%和9.21%，两者偏差仅为1.37个百分点，说明建立的回归模型准确；弹籽板最优结构参数组合下宽苗带撒播器台架和田间应用试验结果显示，小麦籽粒的横向均匀度变异系数的平均值分别为13.40%和12.10%，台架和田间应用试验的结果与仿真试验基本吻合，证明应用离散元法对宽苗带撒播器弹籽板结构参数进行优化的结果是可信的。该研究可以为宽苗带撒播器的弹籽板结构参数优化以及提升其横向匀种效果提供理论参考。

机械化；仿真；离散元；宽苗带撒播；数学建模；结构优化；小麦播种

0 引 言

根据2017年中国国家统计局公布的数据，尽管中国粮食总产量已经实现“十四连增”，但是2017年的谷物产量比2016年减少了83万t，减少0.1%[1-2]，小麦作为主要的谷物类粮食作物，如何保证其持续高产和稳产，对维护中国的粮食安全具有重要意义[3-6]。已有研究表明，传统的小麦条播种植技术由于行间裸露，不能充分利用土地资源，以及麦行株间拥挤，麦苗争水、争肥弊病逐渐凸显的原因，已经不太适应高产稳产的要求[7]。宽苗带撒播技术作为一种新型的小麦种植方式，是传统条播和无垄撒播的有机结合，该种植方式可以有效提高小麦对光、热、水、肥和土地的利用率[8-11]，孙中伟通过条播、撒播的对比试验，发现撒播种植有利于增产[12]，翟云龙等研究发现机械化的撒播有利于优化小麦群体质量，提高整体的产量水平，是目前中国华北地区冬小麦较理想的种植方式[13]，陈留根等以扬麦19作为试验对象，研究发现对小麦采用撒播的方式，其茎蘖发生快，叶面积指数高[14]，以上农艺研究结果表明开展机械化的小麦宽苗带撒播技术研究具有重要意义。

机械化的宽苗带撒播与传统的条播不同，需要将小麦种子尽可能均匀的投放在宽度大于6 cm的条带上，为了达到这种播种效果，中国的农业机械装备生产企业参照其农艺要求，设计开发了多种相关装备，如山东大华机械有限公司生产的2BFJ系列小麦宽苗带施肥精量播种机[15]，河北农哈哈机械有限公司生产的2BMGF系列免耕播种机[16]，西安亚澳农机股份有限公司生产的2BFG系列旋播施肥机[17]。尽管这些装备已经被应用到实际生产中，但是关于宽苗带撒播装备核心部件的研发还相对不足，国内的农业装备科研单位，结合实际应用需求，对相关的核心部件进行了结构改进和参数优化[18]，牛琪等对秸秆后覆盖式小麦播种机分种装置的结构参数进行了优化研究[19]，吴海岩等以等深播种为技术指标，设计了小麦等深撒播机[20]，祝清震等提出了土壤后覆盖方式的肥料定深施用方法并设计了相关的装置[21-22]，于佳杨等从宽苗带精量播种的角度出发，设计了气吸窝眼式精量排种器[23]。横向匀种装置作为实施小麦宽苗带撒播的核心部件，目前研究还较少，牛琪等基于籽粒自流打散原理设计了匀种装置，虽然达到了较好的种子横向均布效果，但是其结构过于复杂，易出现堵塞和断条现象[19]，因此开展与该装置相关的改进研究非常必要。

为此，本文以鸭掌型宽苗带撒播器作为对象，建立其核心组件弹籽板的数学结构模型，并应用离散元法对不同结构参数弹籽板的宽苗带撒播工作过程进行模拟，以优化弹籽板的结构参数，并通过台架试验对结构参数仿真优化后的弹籽板作业效果进行验证，以期为宽苗带撒播器的弹籽板结构参数优化设计和提升其横向匀种性能提供参考。

1 小麦宽苗带撒播方法及结构要求

1.1 小麦宽苗带撒播农艺模式

现有的小麦宽苗带播种农艺模式多样，一般要求播幅60～120 mm，幅距70～170 mm，西安亚澳农机股份有限公司经过多年大田试验尝试，提出了一种播幅120 mm，幅距150 mm的冬小麦宽苗带撒播农艺模式[17, 22]，如图1所示，目前该农艺管理模式已经在中国黄淮海地区和陕西进行应用示范，并取得了较好的增产效果。

图1 小麦宽苗带撒播农艺模式

1.2 宽苗带撒播器结构设计

1.2.1 宽苗带撒播器结构组成

宽苗带撒播器是小麦机械化宽苗带撒播种植的关键部件，其中鸭掌型宽苗带撒播器的结构如图2所示，主要由输种管、护种盖板、支撑侧板、弹籽板等组成，输种管上端与排种器相连，小麦籽粒经由输种管到达弹籽板，通过与弹籽板进行碰撞，然后随机抛撒在种床上。为了满足图1所示宽苗带撒播技术要求，撒种口的宽度为120 mm。弹籽板是宽苗带撒播器的关键组件，已有研究表明，弹籽板的结构形式对小麦籽粒的横向均布效果具有重要影响[24]，传统的宽苗带撒播器如图2a所示，其弹籽板是平面结构，撒播后的小麦籽粒分布会呈现“中间多，两侧少”的现象，为了消除或减缓该现象，本文将弹籽板的结构由平面替换为球面，如图2b所示。

1.2.2 弹籽板的数学结构模型

弹籽板取自球面的一部分，其数学结构模型如图3所示，、点表示宽苗带撒播器的撒种口2个边界点，点表示弹籽板的最高点，这里设、、点的空间坐标分别为（A，0，0）、（B，B，0）、（0，0，C），鉴于宽苗带撒播的宽度是固定的，所以、点的空间长度保持不变，取120 mm，同时、点到点的空间距离相等，则、点的坐标满足式（1）。

式中xA表示A点在x轴方向上的坐标值，mm；xB、yB分别表示B点在x轴、y轴方向上的坐标值，mm。

注：Oxyz为空间坐标系，其中O为坐标系的原点；A、B、C分别表示弹籽板的3个角点，其中C点表示弹籽板的安装最高点；D点为直线AB的中点；Ow表示三角形ABC的外接圆心；Oq表示A、B、C点所在球面的球心；α表示直线CD与OD的夹角，（°）；β表示直线OA与OB的夹角，（°）。

图3中点为直线的中点，其空间坐标（D，D，0）满足式（2）。

式中D、D分别表示点在轴、轴方向上的坐标值，mm。

使用、、点所在平面与水平面的夹角表示弹籽板的安装倾角，所以弹籽板的安装倾角可以用图3中∠表示，则点的空间坐标满足式（3）。

式中z表示点在轴方向的坐标值，mm；表示直线与的夹角，（°）。

2个支撑侧板作为弹籽板的边界，因此2个侧板的夹角可以看作弹籽板的跨度，这里弹籽板的跨度用平面和平面的夹角表示，鉴于2个平面都垂直于的水平面，所以弹籽板的跨度可以用∠表示，则、点的空间坐标值满足式（4）。

式中表示直线与的夹角，（°）。

、、点所在球面的球心设为q，、、点所构成三角形的外接圆心设为w，则直线qw垂直于平面，同时q、w、点的空间坐标关系满足式（5）。

式中表示点q、w的空间距离，mm；表示三角形的外接圆半径，mm；表示、、点所在球面的半径，mm；w、w、w分别表示点w的空间坐标值，mm；q、q、q分别表示点q的空间坐标值，mm。

综合式（1）～（5）可知，当宽苗带撒播的作业宽度固定时，弹籽板的结构形式与球面半径、安装倾角、跨度有关，给定这3个值即可以构造出唯一的弹籽板结构，进而可以确定宽苗带撒播器的结构形式。

2 离散元仿真平台搭建

宽苗带撒播器在完成小麦籽粒撒播作业过程中涉及大量颗粒运动，小麦籽粒被撒播到种床上的过程中会受到自身重力、摩擦力、弹籽板给予小麦籽粒的支撑力等多重作用力。离散元仿真分析软件EDEM作为有效的散粒体运动学分析工具，可以降低试验成本和减少研发周期，已经被广泛应用在农业工程领域应用[25-27]。本文运用该软件对宽苗带撒播器的工作过程进行仿真，通过对比分析小麦颗粒在种床上的分布效果，可以对弹籽板的结构参数进行优化。在应用离散元仿真软件EDEM开展宽苗带撒播器的结构参数优化前，需要搭建宽苗带撒播器作业过程的离散元仿真平台，这里主要包括小麦籽粒模型、宽苗带撒播器结构模型以及材料间的接触模型。

2.1 小麦籽粒离散元模型

小麦籽粒的外形类似椭球形，国内外研究人员开展了大量关于其离散元建模的方法研究[28-29]。京冬22是北京杂交小麦工程技术研究中心选育的优良品种，广泛在北京、天津、河北中北部种植[30]，本文选用该小麦品种作为小麦籽粒三维建模的试验材料，参考文献[23, 31]的数据采集方法，使用游标卡尺（桂林广陆数字测控股份有限公司，K15G278418数显卡尺）对随机选取的100粒小麦籽粒的长轴和短轴进行测量，得到其平均长轴和短轴分别为6.24和3.09 mm。鉴于本文主要对弹籽板的结构参数进行优化，小麦籽粒的离散元建模方法不是本文的研究重点，因此在参考文献[31]的基础上，采用5球组合的方式构建小麦籽粒的离散元模型，5球形单元的半径和相对位置关系如图4a所示，构建完成的小麦籽粒三维离散元模型如图4b所示。

注：O1、O2、O3表示3个球体的球心位置。

2.2 宽苗带撒播器工作模型

在图2b的基础上，应用Siemens NX 10.0软件构建完整的宽苗带撒播器工作仿真结构模型，如图5所示，主要包括颗粒工厂、输种管、护种盖板、支撑侧板、弹籽板和种床，其中弹籽板作为宽苗带撒播器的关键组件，其结构形式根据式（1）～（5）构造。

为了便于对宽苗带撒播后小麦籽粒均布效果进行分析，根据文献[27, 32]，在距离弹籽板下侧2 mm的地方设置1个长为1 200 mm，宽为250 mm的平面，用于模拟宽苗带撒播器作业过程中的种床，其中该模拟种床的纵向中轴线与宽苗带撒播器中轴线在同一平面。

图5 宽苗带撒播器仿真工作模型

2.3 材料间的接触模型

EDEM软件内置了多种接触模型，其中Hertz-Mindlin (no slip)模型是EDEM软件中默认接触模型，在力的计算方面精确且高效[33]。鉴于小麦籽粒的撒播过程不涉及小麦籽粒之间的黏结作用，因此本研究采用Hertz-Mindlin(no slip)模型作为小麦籽粒与小麦籽粒，小麦籽粒与宽苗带撒播器（输种管、护种盖板、支撑侧板和弹籽板）、种床之间的接触模型，这里宽苗带撒播器的输种管、护种盖板、支撑侧板和弹籽板均采用铁的材料属性，种床采用土壤的材料属性。通过查阅相关文献，确定小麦籽粒、宽苗带撒播器和地面相关的材料和接触力学参数，相关参数设置如表1所示。

表1 材料间接触模型的参数设置

3 宽苗带撒播过程仿真分析

3.1 仿真试验方法

小麦宽苗带撒播机作业速度一般在2～5 km/h范围内[19]，本文设置宽苗带撒播机的工作速度为3.6 km/h，为了使宽苗带撒播器结构模型的运动过程简化，这里设置宽苗带撒播器结构模型保持静止，模拟种床以-3.6 km/h的速度相对宽苗带撒播器向后方运动，用于模拟宽苗带撒播器的前进速度。

以225 kg/hm2的小麦宽幅播种量作为参考[36]，设置颗粒工厂按6 g/s的速度持续生成小麦籽粒，通过统计不同区域内小麦籽粒数目来评价宽苗带撒播器的作业效果，设置生成小麦籽粒的群体特征一致，并在0.3 s设置种床运动。

3.2 宽苗带撒播效果评价方法

目前还没有针对小麦宽苗带撒播器作业效果的评价标准，为了准确评价在EDEM仿真试验过程中，不同结构参数弹籽板的匀种效果，需制定宽苗带撒播器工作性能的评价标准。依据图1所示的小麦宽苗带撒播农艺要求，应该对宽苗带撒播器作业后，种床上小麦籽粒分布规律进行分析，鉴于仿真过程中小麦籽粒以6 g/s的速度匀速生成，经过宽苗带撒播器排出后，在种床纵向上小麦籽粒的散落也应该是均匀分布，因此不需对小麦籽粒的纵向分布规律进行统计，仅需对小麦籽粒在种床上的横向分布进行统计分析。

选取模拟种床中间1 000 mm长度作为小麦籽粒横向分布数据获取区域，鉴于宽苗带撒播器的作业宽度为120 mm，因此在模拟地面上设置Grid Bin Group，将中间1000 mm×120 mm区域均分为30个网格单元（每个单元网格尺寸200 mm×20 mm×50 mm），如图6所示，然后对抽样网格内的小麦籽粒数目进行统计，其中x表示第行第列网格内的小麦籽粒数目。

注：1~6和1~5分别表示数据采集网格单元行号和列号。下同。

利用式（6），分别求解网格单元内小麦籽粒的平均数目。

根据式（7）计算网格单元内小麦籽粒数目的标准差。

式中表示网格单元内小麦籽粒数目的标准差。

根据式（8）计算小麦籽粒数目的横向均匀度变异系数。

式中表示小麦籽粒的横向均匀度变异系数，%。

这里选择横向均匀度变异系数作为评价宽苗带撒播器工作稳定性和种子横向均布效果的参量，越小，说明宽苗带撒播器工作稳定性和种子横向均布效果越好。应用横向均匀度变异系数也可以对比分析不同结构参数的宽苗带撒播器工作性能。

3.3 单因素试验设计与结果分析

3.3.1 球面半径与种子横向均布效果的关系

弹籽板为球面，球面半径大小会影响弹籽板的结构形式，进而会影响种子的均布效果。根据前期大量预试验结果，仿真试验分别选取球面半径为120、130、140、150、160、170和180 mm的7种弹籽板，进行种子横向均布效果的对比单因素试验，其中7种弹籽板的安装倾角统一取值35°，结构跨度统一取值90°。

图7a为不同球面半径弹籽板的种子横向均匀度变异系数变化趋势，由图7a可知，随着球面半径逐渐增大，种子的横向均布变异系数首先逐渐降低，再逐渐升高，当球面半径为140 mm时，种子的横向均匀度变异系数最小，说明球面半径在140 mm附近时，弹籽板的宽苗带撒播效果较好；图7d中落入不同行单列网格内的平均种子数目也反映了这个趋势，在球面半径小于140 mm时，小麦籽粒数目呈现“凹”形的横向分布趋势，即两侧多，中间少的现象，当球面半径大于140 mm时，小麦籽粒数目呈现“凸”形的横向分布趋势，即中间多，两侧少的现象。

注：图a、d中弹籽板的安装倾角和跨度分别为35°和90°；图b、e中弹籽板的球面半径和跨度分别为140 mm和90°；图c、f中弹籽板的安装倾角和球面半径分别为35°和140 mm；。

3.3.2 安装倾角与种子横向均布效果的关系

弹籽板的安装倾角不同，对种子的均布效果会存在一定的影响，选取25、30、35、40、45、50和55°的7种弹籽板安装倾角进行种子均布效果试验，7种弹籽板结构的球面半径和跨度分别为140 mm和90°，然后对模拟地面上的种子分布规律进行统计。

图7b是7种安装倾角下弹籽板的种子横向均匀度变异系数变化趋势。由图7b可知，随着弹籽板的安装倾角逐渐增大，小麦籽粒的横向均匀度变异系数首先减小，然后逐渐增大，安装倾角为35°时，宽苗带撒播器的种子横向均匀度变异系数最小，说明安装倾角在35°附近时，弹籽板的宽苗带撒播效果较好；图7e中落入不同行单列网格内的平均种子数目也反映了这个趋势，在安装倾角小于35°时，小麦籽粒数目呈现“凹”形的横向分布趋势，即两侧多，中间少的现象，当安装倾角大于35°时，小麦籽粒数目呈现“凸”形的横向分布趋势，即中间多，两侧少的现象。

对弹籽板的安装倾角小于35°时小麦籽粒的横向均匀度变异系数呈现增大趋势的原因进行分析。由图7e可知，安装倾角为25°时，宽苗带撒播器排出的种子量较少，是因为小麦籽粒在弹籽板上出现了积压，使小麦籽粒不能顺利排出宽苗带撒播器。文献[31]对小麦籽粒的休止角范围进行研究发现，小麦籽粒的休止角均值一般在30°左右，而本文在试验过程中设置弹籽板的安装倾角为25°，小于小麦籽粒的休止角，这应该是造成种子横向均匀度变异系数增大的原因，因此设置弹籽板的安装倾角为25°不可取。

3.3.3 跨度与种子横向均布效果的关系

仿真试验分别选取跨度为60、70、80、90、100、110和120°的7种弹籽板，进行小麦籽粒横向均布效果试验，其中7种弹籽板的安装倾角和球面半径分别为35°和140 mm，图7c为不同跨度下弹籽板的小麦籽粒横向均匀度变异系数变化趋势，图7f为不同跨度时，种子落入图6中1～6行单列网格内平均数目。

由图7c可知，随着弹籽板跨度的逐渐增加，宽苗带撒播器的种子横向均匀度变异系数首先逐渐降低，然后再逐渐升高，在结构跨度90°附近时，宽苗带撒播器的种子横向均匀度变异系数最小，说明弹籽板跨度在90°附近时，宽苗带撒播效果较好，图7f中落入不同行单列网格内平均种子数目也反映了这个趋势，在结构跨度小于90°时，小麦籽粒数目呈现“凹”形的横向分布趋势，即两侧多，中间少的现象，当结构跨度大于90°时，小麦籽粒数目呈现“凸”形的横向分布趋势，即中间多，两侧少的现象。

4 正交试验

4.1 试验设计

通过分析弹籽板不同球面半径、安装倾角和跨度对宽苗带撒播器的小麦籽粒横向均布效果，对弹籽板的结构参数进行优化。选用正交旋转组合试验，分析球面半径、安装倾角和跨度对小麦籽粒横向均布效果的影响，以小麦籽粒的横向均匀度变异系数（%）作为评价指标，在单因素仿真试验结果的基础上，选取球面半径的取值区间为130～150 mm，安装倾角的取值区间为30°～40°，结构跨度的取值区间为80°～100°，试验因素水平编码表如表2所示。

表2 试验因素与水平编码

注：1表示球面半径，mm；2表示安装倾角，（°）；3表示跨度，（°）。

Note:1is spherical radius, mm;2is installation angle, (°);3is span, (°).

4.2 结果与分析

应用Design-expert 8.0.6 软件对试验结果进行回归分析，以确定3个试验因素下小麦籽粒横向均匀度变异系数的变化规律，试验方案及结果如表3所示。

表3 试验方案与结果

注：1、2、3分别为球面半径、安装倾角、跨度的编码值；表示横向均匀度变异系数，%。下同。

Note:1、2and3respectively represent coded values of spherical radius installation angle and span;is variation coefficient of lateral uniformity, %. The same below.

设小麦籽粒横向均匀度变异系数的因素编码回归方程为

式中1、2、3分别为球面半径、安装倾角、跨度的编码值，、1、2、3、11、22、33、12、13、23分别为回归模型的系数。

小麦籽粒横向均匀度变异系数回归模型的显著性分析结果如表4所示。由表4可知，1、2和3对小麦籽粒的横向均匀度变异系数影响显著，12、22和32对小麦籽粒的横向均匀度变异系数影响极显著。所建立回归模型的<0.0001，说明该回归模型的因变量与全体自变量之间的关系极显著；失拟项的=0.2051>0.1，说明失拟不显著，回归模型与仿真试验结果拟合的很好。

表4 二次多项式模型方差分析

注：SS表示平方和，df表示自由度，MS表示均方和，*表示该项显著（<0.05），**表示该项极其显著（<0.01）。下同。

Note: SS is sum of squares; df is degree of freedom; MS is mean squares; * shows this term is significant (<0.05); ** shows this term is very significant (<0.01). The same below.

虽然所建立的回归模型达到极显著水平，但是偏回归系数12和13的值大于0.1，说明对小麦籽粒的横向均匀度变异系数影响不显著；23的值大于0.05小于0.1，说明对小麦籽粒的横向均匀度变异系数有一定的影响。因此需要将12和13的平方和归入残差平方和中[27]，在保证回归模型显著、失拟性不显著的情况下，剔除偏回归系数12和13，对回归模型进行优化，得到优化后回归模型如式（10）所示。

优化后回归模型的方差分析如表5所示，对回归模型优化后的结果进行分析，此时1、2、12、22和32对小麦籽粒的横向均匀度变异系数影响极显著，3和23对小麦籽粒的横向均匀度变异系数影响显著。所建立的回归模型的<0.0001，说明该回归模型的因变量与全体自变量之间的关系极显著；失拟项的= 0.3109>0.1，说明失拟不显著，以上结果表明，优化得到的回归模型的各项参数均达到理想水平。

优化后的方差分析结果显示，影响小麦籽粒的横向均匀度变异系数的试验因素主次为安装倾角、球面半径、跨度、安装倾角×跨度，其中安装倾角和跨度之间存在一定的交互作用。对式（10）进行整理，可以得到球面半径、安装倾角、跨度与小麦籽粒横向均匀度变异系数的数学模型，如式（11）所示。

表5 优化后模型的方程分析

4.3 试验因素对评价指标的影响

根据式（11）的小麦籽粒横向均匀度变异系数的数学模型，应用Design-expert 8.0.6软件分析得到3个因素中任意2个因素之间交互影响的响应曲面及等高线图，如图8所示。

由图8a、8b和8c可知，安装倾角和球面半径、安装倾角和跨度、球面半径和跨度在研究区间内都存在一个稳定点，说明球面半径和安装倾角、安装倾角和跨度、球面半径和跨度之间都存在一定的交互作用；随着2个自变量参数的取值增加，小麦籽粒的横向均匀度变异系数都呈现首先降低，然后上升的趋势。

由图8d的等高线的疏密程度，可知安装倾角比球面半径对小麦籽粒横向均匀度变异系数的影响更大；由图8e、8f可知，跨度和球面半径、跨度和安装倾角对小麦籽粒横向均匀度变异系数的影响相差不大，这些分析结果与表5的数据基本一致。

4.4 参数优化及仿真试验验证

为了得到弹籽板的最优结构参数，采用非线性优化理论和方法，结合3个因素的试验范围，即球面半径130～150 mm，安装倾角30～40°，跨度80～100°，对回归模型式（11）进行优化分析，3个因素的最优参数分别为：球面半径141.26 mm，安装倾角35.53°，跨度90.72°，此时小麦籽粒横向均匀度变异系数的理论值为10.58%。

为了检验参数优化的结果，在上述优化组合条件下进行仿真条件下的验证试验，构造最优参数组合下的宽苗带撒播器，小麦籽粒的横向均匀度变异系数为9.21%，与理论值的偏差为1.37个百分点，仿真验证试验值与理论计算值基本一致，证明回归模型准确的。

图8 试验因素对横向均匀度变异系数影响的响应曲面和等高线图

5 验证试验

5.1 试验设计

为了验证仿真优化结果的有效性和准确性，同时为了检验所设计的宽苗带撒播器的工作性能，进行了台架验证试验和大田应用效果试验。台架试验在本研究团队前期设计开发的室内土槽试验平台上开展[37]，如图9所示，大田应用试验依托前期设计的分层定深施用装置[22]在北京小汤山精准农业示范基地开展，如图10a所示，其中机具一个行程可以播种10行（即撒播器并列安装10套）。为了降低实际加工误差，对弹籽板的最优结构参数做取整处理，即球面半径141 mm、安装倾角35°、跨度90°，委托西安亚澳股份有限公司对宽幅撒播器进行加工试制。台架试验选用京冬22号小麦种子，按照仿真试验条件，设置土槽车在轨道上的行驶速度为3.6 km/h，排种量为6 g/s，为了防止小麦籽粒在地表跳动，偏离下落的原始位置，增大试验误差，播种前对土槽车内的土壤进行洒水处理，以增大土壤对小麦籽粒的黏结力。撒种作业完毕后，按照图6所示数据提取方法，对撒落地表的小麦籽粒进行分区收集，重复台架试验3次，取平均值。鉴于宽幅撒播器在大田应用过程中小麦种子已经被播到3~5 cm耕层中，不便于对小麦籽粒的横向分布数据进行获取，这里对返青期阶段的小麦植株地表以上部分进行剪除，对不同区域小麦植株分布数据进行分析。

图9 台架验证试验 Fig.9 Bench verification test

5.2 结果与分析

根据台架试验和大田应用效果试验获取的试验数据，按式（6）～式（8），计算小麦籽粒的横向均匀度变异系数，并与仿真验证试验结果进行对比，台架试验得到小麦籽粒横向均匀度变异系数平均值为13.40%，与仿真试验结果的偏差为4.19%。鉴于仿真过程中小麦籽粒是参考椭球型进行构建的，而实际的小麦籽粒并非标准意义上的椭球型，应用5球构造椭球型小麦籽粒的离散元模型精度相对较低，这些都是造成仿真试验的小麦籽粒横向均匀度变异系数略低于台架试验结果，但是台架试验和仿真试验的偏差小于5%，可以认为仿真试验结果与台架试验结果和大田应用效果试验结果基本吻合。

通过对比台架验证试验、仿真验证试验和回归模型优化的结果可以得出，借助离散元仿真软件开展宽苗带小麦精量播种关键部件结构参数优化的工作是可行的。与传统型宽苗带撒播器相比，在弹籽板结构参数优化设计后，小麦籽粒的横向均匀度变异系数下降到10%左右，考虑到小麦密植和分蘖生产的特性，本研究团队认为可以将该类型宽苗带撒播器应用于实际。

根据本文研究结果，该类型小麦宽苗带撒播器已经被应用在西安亚澳股份有限公司生产的2BFG系列的宽幅施肥播种机上，并在中国黄淮海地区和北京小汤山精准农业示范基地的大田进行实际应用，图10b是应用优化后小麦宽幅撒播器的田间小麦生长情况，另外小麦植株密度较低的局部区域，单株麦苗的分蘖较多，能够弥补局部苗株不均匀的现象。

图10 宽苗带撒播器田间应用效果

6 结 论

1）以鸭掌型宽苗带撒播器作为研究对象，对其核心结构组件弹籽板进行结构创新研究，设计了球面型弹籽板，并建立了以球面半径、安装倾角和跨度作为因变量的弹籽板结构数学模型。

2）应用EDEM仿真软件搭建了可以模拟宽苗带撒播器工作过程的试验平台，以小麦籽粒横向均匀度变异系数作为作业效果的评价标准，进行单因素仿真试验，结果表明，球面半径在130～150 mm，安装倾角在30°～40°，跨度在80°～100°范围时，宽苗带撒播器具有较好的横向匀种效果。

3）通过二次回归正交旋转组合试验，建立了球面半径、安装倾角和跨度3个因素与横向均匀度变异系数的回归方程，结果表明，影响横向均匀度变异系数的主次因素依次为安装倾角、球面半径、跨度和安装倾角×跨度，球面半径、安装倾角和跨度分别为141.26 mm、35.53°和90.72°时，宽苗带撒播器具有较优的横向匀种效果，此时理论计算和仿真试验的横向均匀度变异系数分别为10.58%和9.21%，两者偏差为1.37个百分点，证明建立的回归模型是准确的。

4）通过土槽台架试验和田间应用试验对弹籽板结构参数优化结果进行验证，结果显示，台架试验小麦籽粒的横向均匀度变异系数平均值为13.40%，田间应用试验小麦植株的横向均匀性变异系数为12.10%，台架试验和田间应用试验的结果与仿真试验基本吻合，证明宽苗带撒播器弹籽板结构参数优化的结果可信。

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Structural design and optimization of seed separated plate of wheat wide-boundary sowing device

Zhu Qingzhen1,2, Wu Guangwei1※, Chen Liping2,3, Zhao Chunjiang1,2, Meng Zhijun3, Shi Jiangtao4

(1100097,; 2.712100,; 3100097,; 4,710300,)

Wheat is one of the main grain crops in China. It has a great significance to ensure its sustained high and stable yield for maintenance food security in China. Studies have shown that the traditional wheat drill sowing technology is not suitable for the requirement of high and stable yield due to the bareness between rows, the insufficient utilization of land resources, the crowding between rows and plants, and the competing for water and fertilizer. Wide-boundary sowing was a new planting type of wheat, which can effectively improve the utilization rate of light, heat, water, fertilizer and land, it is meaningful to develop mechanized wide-boundary sowing technology. Wide-boundary sowing device is a core component of the technology. Structure and parameters optimization of wide-boundary sowing device were studyed based on the discrete element simulation technology, soil tank test and orthogonal test in this paper. The mathematical structure model of seed separated plate was established, spherical radius, installation angle and span were 3 key structural parameters of mathematical structure model. The discrete element simulation platform for wide-boundary sowing device, which mainly consists of particle factory, seed tube, cover plate for protect seed, side plate for support, seed separated plate and seedbed was set up. Taking the coefficient variation of wheat transverse uniformity as evaluation index, the influence of 3 key structural parameters on the performance of wide-boundary sowing device was analyzed, and the structure of seed separated plate was optimized according to the simulation results. The results of single factor simulation test showed that wide-boundary sowing device had relatively small coefficient variation of wheat lateral uniformity when spherical radius, installation angle and span at 130-150 mm, 30°-40° and 80°-100° respectively. According to the results of single factor experiment, the quadratic orthogonal rotation combination simulation experiments were conducted, and the regression equations of 3 key structural parameters and coefficient variation of wheat lateral uniformity were established. The orthogonal results showed that the main and secondary factors affecting coefficient variation of wheat lateral uniformity were installation angle, spherical radius, span, interaction between installation angle and span, and there was a certain interaction between installation angle and span. When spherical radius, installation angle and span were 141.26 mm, 35.53° and 90.72° respectively, coefficient variation of wheat lateral uniformity was minimum. in this case, the coefficient variation of wheat lateral uniformity of theoretical calculation value and simulation test value were 10.58% and 9.21%, respectively, and the deviation was only 1.37%, the regression model was accurate and credible. In order to validate the regression model established by simulation test and the optimization effect of structure parameters, a bench test of wide-boundary sowing device with the structure parameters optimization combination of seed separated plate was carried out. The results showed that the average coefficient variation of wheat lateral uniformity was 13.40%, and the deviation with simulation experiment results was 4.19%, which less than 5%, and considering there may be some errors in the bench test, so it was believed that the results of bench test was basically consistent with simulation test. This paper proved that the discrete element method was feasible to optimize the structural parameters of seed separated plate, the research results could provide references for optimizing the structural parameters of seed separated plate of wide-boundary sowing device and improving the performance of the wide-boundary sowing.

mechanization; simulation; discrete element method; wide-boundary sowing; mathematical modeling; structural optimization; wheat sowing

2018-09-06

2018-11-12

国家重点研发计划项目（2016YFD0200600）；国家重点研发计划课题（2016YFD0200601）；北京市农林科学院院级科技创新团队（JNKYT 201607）

祝清震，博士生，主要从事宽幅模式下小麦的精准播种施肥技术和装备研究。Email：zhenforyou@163.com

武广伟，博士，副研究员，主要从事精准农业智能装备研究。Email：wugw@nercita.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.001

S223.2+2

A

1002-6819(2019)-01-0001-11

祝清震，武广伟，陈立平，赵春江，孟志军，史江涛. 小麦宽苗带撒播器弹籽板结构设计与优化[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：1－11. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.001 http://www.tcsae.org

Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, Chen Liping, Zhao Chunjiang, Meng Zhijun, Shi Jiangtao. Structural design and optimization of seed separated plate of wheat wide-boundary sowing device [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 1－11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.001 http://www.tcsae.org