油菜高速精量排种器槽齿组合式吸种盘设计与吸附性能试验

李兆东，杨文超，张 甜，王韦韦，张 顺，陈黎卿



油菜高速精量排种器槽齿组合式吸种盘设计与吸附性能试验

李兆东1,2，杨文超1，张 甜1，王韦韦1，张 顺1,2，陈黎卿1,2※

（1. 安徽农业大学工学院，合肥 230036；2. 安徽省智能农机装备工程实验室，合肥 230036）

针对现有气力式油菜排种器高速工作过程中种子难以从种群中快速分离被吸孔准确吸附产生漏吸降低排种性能的问题，该文设计了一种提高油菜高速直播充种性能的槽齿组合式吸种盘，分析并确定了槽齿组合式吸种盘的关键结构参数，构建了槽齿扰动作用下种子吸附力学模型。应用EDEM数值模拟分析了平面盘、凹槽盘和槽齿盘3种结构形式的吸种盘对种群定向扰动强度的影响，结合台架试验进行了吸种盘结构形式优选，试验结果表明：在传统平面盘上增设凹槽与扰种齿可明显增加种群的扰动强度和降低种子漏吸率；以平均动能总和作为种群扰动强度的量化指标，在同一转速下，平均动能总和数值从大到小顺序为：槽齿盘>凹槽盘>平面盘；以德优矮早油菜品种为对象进行了3个种盘优选试验，当工作负压1.5～2.5 kPa、转速10～150 r/min条件下，槽齿盘的漏吸率和吸附合格率均明显优于凹槽盘和平面盘，3个种盘重吸率无明显变化，工作转速大于90 r/min时，槽齿盘的最大漏吸率为7.4%，凹槽盘最小漏吸率为14.02%，平面盘最小漏吸率为30.4%，与凹槽盘相比漏吸率降低了47.2%，与平面盘相比漏吸率降低了75.7%。槽齿盘吸附性能试验表明：以德优矮早和中双11号为对象，在相同工作负压下，漏吸率随转速的增大呈上升趋势，吸附合格率呈下降趋势，重吸率无明显变化；在同一转速下，吸附合格率随负压的增大呈上升趋势，漏吸率呈下降趋势，重吸率无明显变化；在工作转速10～110 r/min、负压1.5～2.5 kPa条件下，吸附合格率不低于92.0%，漏吸率和重吸率之和不大于8.0%。研究结果可为气力式油菜高速精量排种装置结构改进与优化提供参考。

农业机械；设计；种子；气力式排种器；精量吸附；槽齿扰动；油菜

0 引 言

油菜是中国重要的油料作物，其精量直播技术具有节本增效、倒伏风险小和适合机械化收获等优点[1-3]。随着农村劳动力缺失和发展现代农业需要，农村土地分散经营已向适度规模经营转变，高速精量直播技术是推动油菜产业可持续发展的重要途径之一[4-5]。

油菜高速播种过程中，由于排种机构高速回转，充种时间急剧下降，加上油菜粒径小，导致漏吸率显著上升，对此国内外机构或学者进行了卓有成效的研究。国外油菜精量排种器以气吸式为主，通常应用具有凸起型圆柱孔的吸种盘或吸种平面盘与搅种装置组合提高高速排种过程的吸附性能，但排种器结构较为复杂，制造成本较高。国内油菜精量排种器在机械式和气力式方面均有研究。机械排种器方面，如汤楚宙等[6]在传统吸孔轮式排种器基础上设计了一种容量可调节型孔式油菜排种器，提高了种子充种性能；曹秀英等[7]为解决型孔堵塞导致断条的问题，设计了一种集成式型孔。气力式排种器方面，廖庆喜等[8]设计了一种带有滚针式吸嘴的排种器，可实现种子精量吸附；丛锦玲等[9-10]设计了一种内嵌入导种条的内充种式排种器，可实现油菜和小麦兼用排种；李姗姗等[11]为油菜提高充种性能，设计了一种带有滚花结构的排种滚筒，可实现集中排种；李兆东等[12-13]设计了一种具有倒正方锥型孔的排种滚筒，并采用气压清种与滑槽护种组合技术实现油菜精量排种。上述已有研究表明，油菜机械式排种器难以实现高速精量排种，而在气力式油菜排种器上增设吸嘴、导种条、滚花或改进吸孔形状等在一定程度上提升了吸孔的充种性能，但均由于种子从充种室内种群中快速分离而效果不佳，难以被吸孔准确捕获，漏吸率仍较高。

种子从种群中快速分离，并被吸孔准确吸附是实施油菜高速精量排种的关键。为此，本文融合机构扰动可降低种群内摩擦阻力、气力吸附可实现定量充种和有效降低种子破损率的优点，兼顾简化排种装置结构及缩短排种路径，设计一种用于油菜高速排种的槽齿定向扰动式吸种盘，以期不以增大工作负压来有效降低高速排种下油菜种子的漏吸率。

1 排种器结构及工作原理

气力式油菜精量高速排种器主要由吸种盘、排种轴、吸室壳体、排种壳体、种箱、导种管、卸种筛等组成，如图1所示。吸种盘是核心工作部件，其由凹槽、扰种齿、吸孔和吸种盘本体构成，直线型扰种齿均匀嵌入凹槽内部，凹槽和扰种齿表面均匀分布有多个呈“圆柱形”的吸孔，整个吸种盘分为吸种区、携种区、投种区和过渡区4个区域，如图2所示。

1. 链轮 2. 压轴端盖 3. 吸室壳体 4. 排种轴 5. 吸种盘 6. 排种壳体 7. 种箱盖 8. 种箱 9. 导种管 10. 卸种筛

图2 吸种盘结构及工作环节

工作时，种箱内的种子在重力作用下进入充种室，转动的扰种齿对充种室内种群扰动，打破种群稳定堆积状态，少量种子从种群中快速分离进入一个固定的凹槽通道，通过凹槽内均匀分布的吸孔在吸室负压作用下将分离出来的单粒或多粒种子快速捕获并准确吸附，携有种子的吸孔随吸种盘一起转动，进入投种区。在投种区正压气流作用下种子与吸孔快速分离进入导种管并经由输种管道落入已开好的种沟内，完成一个播种过程。

2 吸种盘关键参数设计

2.1 吸种盘直径确定

吸种盘是实现油菜高速精量排种的关键部件，其直径大小对排种器结构尺寸、吸孔数、吸附压强等参数确定至关重要[14-16]。根据吸种盘转速与充种时间关系可知：

式中为吸孔停留在充种区的时间（以下称“充种时间”），s；C为充种区弧长，m；v为吸种盘线速度，m/s；为充种角，rad；d为吸种盘直径，m；n为吸种盘转速，r/min；r为吸孔中心与吸种盘边沿的径向距离，m。

由式（1）可得

式（2）表明，充种时间仅与充种角和吸种盘转速n有关，增大吸种盘直径并不能延长吸孔在充种区停留时间。现有气力式排种器吸种盘直径一般为0.08～0.26 m，因油菜种子粒径小且兼顾排种器整体设计，本文选取吸种盘直径为0.1 m，厚度2.5´10–3m，材料为铝合金。

2.2 吸孔数与吸孔直径确定

2.2.1 吸孔数

根据油菜大田高速精量直播农艺要求，设计吸种盘转速n≤100 r/min，机组前进速度v≤18 km/h，排种器由电动机驱动，排种频率为

式中f为排种频率，1/s；v为机组前进速度，m/s；T为相邻吸孔间距，m；为播种株距，m，油菜合理株距为0.06～0.08 m；为吸种盘径向吸孔数。

由式（3）得：18.75≤≤25

联立式（2）和式（3）可得

由式（4）得知，充种时间与型孔数呈正比。为提高充种时间及确保加工精度，相邻吸孔中心角取整，本文设计吸孔数为24，相邻吸孔中心角为15°。

2.2.2 吸孔直径

在扰种齿对种群定向扰动下，油菜种子以散体颗粒形式从种群中快速分离并进入凹槽中，吸孔产生的负压气流对种子捕获并吸附在吸孔上，因此吸孔大小和吸附压强对准确捕获种子具有重要作用。以单粒种子被吸孔吸附为研究对象，假定种子为材质均匀的刚体，不考虑振动和种子间碰撞等因素，受力分析如图3所示。根据刚体动力学理论[17]，建立种子受力方程为

1. 种子 2. 吸孔 3. 凹槽 4. 扰种齿 5. 吸种盘

1. Rapeseed 2. Sucking cell 3. Groove 4. Stiring tooth 5. Sucking-seed plate

注：为吸种盘角速度，rad·s–1；为吸孔回转半径，mm；为种子重力，N；F为种子的惯性离心力，N；F为种子间的内摩擦阻力，N；F为、F和F矢量合外力，N；F为种子所受的吸附力，N；1、2为吸孔侧壁对种子的支撑力，N；为种子重心与吸种盘之间距离，m；d为吸孔直径，m。

Note:is angular velocity of sucking-seed plate, rad·s–1;is the turning radius of suction hole, mm;is the gravity of seed, N;Fis centrifugal force of seed, N;Fis the inertial frictional resistance of seeds, N；Fis the vector resultant force ofandFandF, N;Fis the suction force of the seed, N;1、2are the supporting force of the suction side wall to the seed, N;is the distance between the gravity center of the seed and the sucking-seed plate, m;dis diameter of sucking cell, m.

图3 种子吸附状态受力分析示意图

Fig.3 Schematic diagram of force analysis of seed suction state

式中为种子重力，N；F为惯性离心力，N；F为种子间的内摩擦阻力，N；F为、F和F矢量合外力，N；F为吸孔对种子的吸附力，N；N为侧面矢量合外力，N；1、2为吸孔侧壁对种子的支撑力，N；为与F合力，；为与F合力，N；0为通过一个吸孔的吸附压强，Pa；为种子质量，kg；为重力加速度，m/s2；为与F之间的夹角，(°)；为吸种盘角速度，rad/s；为与F之间的夹角，(°)；为吸孔截面面积，m2；为种子重心与吸种盘之间距离，m；为吸孔回转半径，m。

根据式（5），可获得单粒种子被吸孔捕获瞬间所需吸附压强为

排种器实际工作中，受自身条件（充种室种层厚度、种子间碰撞等）和客观条件（振动、冲击等）的影响，需考虑吸种可靠性系数1=1.8～2.0和外界条件系数2=1.6～2.0[18]，由式（6）得

式中0 max为吸附压强临界最大值，Pa；为种子摩擦阻力综合系数。

2.3 槽齿结构设计

2.3.1 定向扰种齿

吸种盘转动时，凹槽内部嵌入式扰种齿从充种室内贴近吸种盘面的种群中穿过，对种子进行推送和分离，利用力的可传性原理[17]，扰种齿对种子的作用力可通过周围种子传递至吸孔处，由此建立扰种齿定向扰动下吸孔吸附种子的力学等效模型，如图4所示。

注：F¢f为槽齿作用下种子间的内摩擦阻力，N；F¢R为槽齿作用下矢量合外力，N；F¢p为槽齿盘吸孔对种子的吸附力，N；FN为扰种齿对种子的等效支持力，N；γ为F¢R与FN间夹角，(°)，γ∈[0°,90°)；C为扰种齿厚度，m。

根据刚体动力学理论[17]，建立扰种齿扰动作用下种子受力方程为

若获取扰种齿作用下吸孔吸附单粒种子瞬间所需吸附压强，由式（9）得

槽齿盘采用扰种齿与凹槽交错布置，且吸孔均匀布置在扰种齿和凹槽中，根据上述设计吸孔数为24，确定扰种齿数为12。本文设计的扰种齿嵌入至凹槽中，故需满足扰种齿高度与凹槽开度相等，即

h=L （13）

式中h为扰种齿高度，m；L为凹槽开度，m。

2.3.2 凹槽结构参数

根据扰动吸附原理，扰种齿对种群具有定向扰动和分离作用，而凹槽对种群分离出来的少量种子自由度具有约束作用，以便被吸孔准确吸附，其结构参数包括凹槽开度和凹槽深度。为实现凹槽对种子的约束，又避免凹槽转动时多颗种子并列卡在凹槽中影响吸孔对种子吸附，凹槽开度应满足

凹槽对种群具有辅助扰动作用，有助于吸孔捕获并吸附种子。设计时，如凹槽深度小于扰种齿厚度，从种群中分离出来的种子不易进入凹槽，以致凹槽中的吸孔难以捕获从种群中分离的种子造成漏充现象；若凹槽深度大于扰种齿厚度，需对扰种齿厚度进行打磨，增加了加工难度。综合上述考虑，本文凹槽深度与扰种齿厚度设计数值相同，即

H=（15）

式中H为凹槽深度，m。根据上述求得扰种齿厚度，确定凹槽深度为1´10–3m。

3 种盘辅助充种数值模拟

EDEM仿真软件在农业工程领域得到广泛应用，可模拟排种机构与颗粒物料间相互作用后种子的运动状态和机械特性[22-24]。已有研究表明，减小种子间相互作用力，激发种群内种子的活跃度，有助于提高充种率[25-26]。雷小龙等[27]采用EDEM数值模拟与高速摄像相结合的方法研究了小麦和油菜兼用性能试验，提出的具有圆柱形扰种齿且采用双螺旋排列的搅种机构可明显增大对种群扰动，提高了小麦和油菜的充种性能；丁力等[28]借助EDEM软件设计了一种具有型孔凸台的吸种盘，利用型孔凸台扰动种群和托附种子，可提高吸附性能；史嵩等[29]通过EDEM数值模拟和性能试验验证得出增大种群扰动可在瞬间降低种子的内摩擦阻力，优选出了组合孔式排种盘。为提高油菜高速充种性能，本文应用EDEM仿真软件进行了传统平面盘（工作面为光面圆盘）、凹槽盘（光面圆盘上增设1个环槽）和槽齿盘（环槽中增设若干个扰种齿）3种结构型式种盘对种群扰动的对比仿真试验，吸种盘结构形状如图5所示。

图5 3种结构形式吸种盘示意图

3.1 模型建立

进行EDEM数值模拟的几何模型简化为吸室壳体、排种壳体和吸种盘3部分，根据排种器实际加工材料，吸室壳体、排种壳体和吸种盘均设定为铝合金。油菜种子球形度高，仿真中将颗粒简化为直径为2 mm的硬球模型[31]。油菜种子表面光滑，颗粒表面无粘附力，仿真中选取Hertz-Mindlin无滑动接触模型[30-32]，EDEM仿真模型如图6所示。根据文献[30-32]，种子和吸种盘材料特性以及种子与种子、种子与吸种盘相互作用相关力学特性参数，见表1。

图6 3种型式吸种盘的EDEM仿真模型

3.2 仿真试验方法

为探明平面盘、凹槽盘和槽齿盘3种结构型式的吸种盘对种群定向扰动强度，以种群内各时刻种子颗粒的动能平均值作为量化指标（种子颗粒动能平均值越大表明种群扰动强度越大）进行仿真试验，本试验以传统光面吸种盘作为对照组。因油菜机械化直播技术多应用于平原或丘陵地区，平原地区田块较大机组前进速度可达8～10 km/h，丘陵地区地块较小机组前进速度一般不超过5 km/h，根据设计要求，本文所设计的排种器主要应用于油菜电控播种机上，试验时吸种盘工作转速范围设定10～150 r/min，具体有10、30、50、70、90、110、130和150 r/min共8个梯度，分别开展3种吸种盘在各速度梯度下的仿真试验，并获取每个速度梯度下种子颗粒的平均动能。仿真中2 s内产生5 000颗油菜种子，从第2 s吸种盘开始转动，应用EDEM 软件中Analyst 后处理模块直接提取第3～10 s吸种盘与种群相互作用时种子在各时刻下的平均动能。

表1 油菜种子与吸种盘物理和力学特性仿真参数

3.3 仿真结果分析

本文设计的排种器吸种盘由电机驱动，播种机高速作业速度在8～10 km/h，可通过编码器实时测量机组前进速度，利用嵌入单片机上的反馈控制技术对驱动吸种盘的电机实时控制以实现定量排种。本文以种盘转速 70 r/min工作条件为例进行仿真，图7为3种吸种盘平均动能随时间变化趋势图。从图7中可看出：不同种盘作用下种子平均动能波动差异较大，槽齿盘的波动最明显，凹槽盘的波动次之，平面盘无明显波动。图7a中可以看出平面盘平均动能在4 s到5 s突然增大，其原因在于在较高转速下，平面盘工作面对贴近盘面的种群具有一定的拖带作用，局部种群有一定跳跃迁移导致种子平均动能在某一时刻存在突变。较高的瞬时平均动能反应较大的瞬时扰动强度，在不同时间下可用种子平均动能定量描述种盘对种群定向扰动特性。

图7 3种吸种盘的种子平均动能随时间变化曲线

根据文献[18]，本文用种子在不同时刻下的平均动能累加求和（即平均动能总和）量化不同扰种机构作用下的种群扰动强度。图8为3种吸种盘在不同转速下平均动能总和数值变化规律情况。结果表明：当吸种盘转速由10 r/min增加至150 r/min时，槽齿盘对种群扰动强度呈明显上升趋势，而平面盘和凹槽盘对种群扰动强度不大；在相同转速下，槽齿盘对种群扰动强度明显优于平面盘和凹槽盘。平均动能总和波动趋势与平均动能波动趋势一致，其数值大小关系依次为槽齿盘>凹槽盘>平面盘。从仿真结果中可得到以下推论：合理的种盘可有效提高种群的扰动强度，打破种群稳定堆积状态，有利于少量种子从种群中快速分离并进入凹槽被吸孔准确吸附，从而改善油菜高速精播下的漏充问题。

图8 吸种盘转速与种子平均动能总和关系

4 台架试验

以仿真分析用的3种型式吸种盘为载体设计了油菜气力式精量排种器，借助高速摄像技术进行种盘优选试验和较优种盘吸附性能试验，探寻种盘扰动强度对油菜种子吸附性能的影响，优选出较优种盘以实现不以增大工作负压来提高油菜高速精量排种过程中吸附性能。

4.1 试验设备

主要试验设备有：槽齿组合气力盘式精量排种器、TB86BL120-430型步进电机（常州远控有限公司）、自制电机驱动控制器、HG-250型漩涡式气泵（浙江森森集团股份有限公司）、气力管道、U型压力计、i-SPEED 3高速摄像系统（日本OLYMPUS公司）和排种装置试验台开展排种性能试验，相关试验装置及设备如图9所示。

1. 驱动电机 2. 排种器 3. 气力管道 4. 排种支架 5. U型压力计 6. 高速摄像系统

4.2 试验设计与方法

根据仿真模型相关参数试制了槽齿盘、凹槽盘和平面盘3种型式吸种盘，将其安装在油菜气力式高速精量排种器上，以漏吸率、吸附合格率、重吸率和堵孔率为试验指标，开展了种盘优选试验和较优种盘吸附性能试验，排种器外壳利用3D技术进行透明化设计。种盘优选试验中，种盘转速选取与仿真试验相同的8个转速梯度，工作负压为1.5、2.0和2.5 kPa 3个梯度。较优吸种盘吸附性能试验以工作转速和负压为试验因素，进行双因素试验，吸种盘转速设定与仿真试验相同的8个转速梯度，工作负压设定0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 kPa共5个梯度。采用高速摄像系统拍摄吸种盘与种群作用状态及种子吸附状态，如图10所示。

图10 吸种盘与种群作用状态及种子吸附状态的高速摄像图片

吸附性能检测区以吸孔离开充种区的位置为始点，以携种区最高位置为终点；吸孔堵塞检测区以种子离开投种区为始点，以过渡区的最低位置为终点。利用高速摄像系统获取这2个区域的影像，每组试验记录并获取240个吸孔的影像进行统计，每组重复3次取平均值作为试验结果加以分析。参照GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》，各试验指标计算公式为

4.3 结果与分析

4.3.1 种盘优选试验

试验选用德优矮早未分级油菜种子，其三轴尺寸为（1.91×1.84×1.77）mm，千粒质量为4.25 g，球形度为96.34%，含水率为7.40%。图11为吸种盘转速70 r/min时负压对油菜种子吸附性能影响。由图11a和图11b可知，不同种盘的漏吸率均随负压的增大呈下降趋势，各种盘的吸附合格率均随负压的增大呈上升趋势。图中显示，槽齿盘的漏吸率和吸附合格率均优于其他2个种盘，当负压小于1.5 kPa时，各种盘漏吸率和吸附合格率均有明显差异，负压大于1.5 kPa时，各种盘的吸附性能差异不明显。图11c显示，各种盘重吸率无明显差异，且均小于0.1%。结合上述试验结果分析：增大负压是提高吸附合格率、降低漏吸率的可行手段，当负压在较低范围时，扰动强度大的种盘吸附性能较优，表明增大扰动强度可以辅助充种。

图12~图14分别为负压1.5、2.0 和2.5 kPa工况下吸种盘转速对油菜种子吸附性能影响。由图12a、13a和14a可知，各种盘的漏吸率均随转速的提高呈上升趋势，其中平面盘和凹槽盘的漏吸率呈近似指数性增长趋势，槽齿盘的漏吸率增长速度较为缓慢。当转速n≤50 r/min时，3种吸种盘的漏吸率差异不大；转速50 r/min<n< 150 r/min时，槽齿盘的漏吸率明显低于凹槽盘和平面盘，平面盘和凹槽盘漏吸率不低于18%，槽齿盘漏吸率不大于8.0%。

从图12b、13b和14b可看出，不同种盘吸附合格率均随转速的增加呈降低趋势，当种盘转速50 r/min<n< 150 r/min时，平面盘和凹槽盘吸附合格率下降趋势加快，其吸附合格率不大于80%，槽齿盘的吸附合格率下降趋势较为缓慢，吸附合格率不低于90%。

从图12c、13c和14c中看出，槽齿盘、凹槽盘和平面盘3种结构型式吸种盘的重吸率无明显差异，重吸率不大于1.%。高速摄像试验观察得知，这3种结构型式吸种盘试验过程中型孔均未出现堵塞情况，结果表明通过吸孔合理设计，可有效控制重吸率和堵孔率。

根据上述试验结果可知，当转速n≤50 r/min时，3种吸种盘漏吸率和吸附合格率无明显差异，其原因在于此时各种盘对种群定向扰动的强度差异不大，吸孔处同一负压对种子捕获能力相同，故漏吸率和吸附合格率无明显差异；转速50 r/min<n< 150 r/min时，槽齿盘漏吸率和吸附合格率明显优于其他2个种盘，结合仿真分析其原因在于：与平面盘和凹槽盘相比，槽齿盘的扰种强度随转速的增加呈明显增大趋势，随转速明显变化的扰种强度可有效打破种群内摩擦阻力，有利于少量种子从种群中快速分离被吸孔捕获而吸附，而扰种强度较小的平面盘和凹槽盘只能依靠提高工作负压来改善油菜种子吸附性能。

从图12～图14中还可看出，在负压1.5～2.5 kPa条件下，转速为50 r/min是平面盘与其他2个种盘对种子吸附性能的分界值，转速为90 r/min是槽齿盘与其他2个种盘对种子吸附性能的分界值。由此得知，实际工作中当排种器工作转速不大于50 r/min时，3个种盘对油菜种子吸附性能差异不明显，3个种盘可互选；在排种器工作转速不大于90 r/min时，槽齿盘和凹槽盘对油菜种子吸附性能差异不明显，这2个种盘可互选；当排种器工作转速大于90 r/min时，需优先选择槽齿盘。在工作转速110～150 r/min、负压1.5～2.5 kPa条件下，槽齿盘最大漏吸率为7.4%，凹槽盘最小漏吸率为14.02%，平面盘最小漏吸率为30.4%，与凹槽盘相比漏吸率降低了47.2%，与平面盘相比漏吸率降低了75.7%。

图11 转速为70 r/min时负压对吸附性能的影响

图12 负压为1.5 kPa时转速对吸附性能的影响

图13 负压为2.0 kPa时转速对吸附性能的影响

图14 负压为2.5 kPa时转速对吸附性能的影响

综上分析，扰种强度越大的吸种盘，漏吸率越低、吸附合格率越高，该值较大的槽齿盘对应的吸附性能明显优于其他2个吸种盘。由此可知：吸孔直径确定条件下，适当增大扰种强度可辅助充种，以改善油菜高速排种过程中的吸附性能。

4.3.2 槽齿盘吸附性能试验

试验选用德优矮早和中双11号2个未分级处理的油菜品种，其中双11号三轴尺寸为（1.98×1.94×1.89）mm，千粒质量为4.66 g，球形度为97.79%，含水率为7.64%。表2为安装有槽齿盘的油菜气力式精量排种器在不同工作转速和负压下直播千粒质量偏小的德优矮早和千粒质量偏大的中双11号2个品种的试验结果。从整体上看：相同工作负压下，漏吸率随转速的增大呈上升趋势，吸附合格率呈下降趋势，重吸率无明显变化；在同一转速下，吸附合格率随负压的增大呈上升趋势，漏吸率呈下降趋势，重吸率无明显变化。

工作转速10～110 r/min、负压1.5～2.5 kPa条件下，吸附合格率不低于92.0%，漏吸率和重吸率之和不大于8.0%，试验中未发生吸孔堵塞情况；当负压小于1.5kPa、转速不低于110 r/min时，吸附合格率均小于85.0%，漏吸率和重吸率大于15.0%。结合上述数据分析：转速10～110 r/min、负压1.5～2.5 kPa时，扰种齿对种群定向扰动可打破种子层堆积状态，使少量种子从种群中分离出来有序跳动进入凹槽通道被凹槽内部吸孔处产生的负压气流快速捕获并牢牢吸附；当负压小于1.5kPa、转速不低于110 r/min时，扰种齿对种群扰动强度增大，从种群中分离出来的少量种子存在无序跳动且开始脱离凹槽通道，由于负压气流不大，使得凹槽内部吸孔处产生的负压气流捕获种子能力下降，进而导致吸附合格率较低、漏吸率较高。

从表2中可看出，高转速n∈[110,150] r/min区间内，当负压为1.5～2.5 kPa时，德优矮早品种吸附合格率整体要好于中双11号品种，结合式（8）分析其原因在于：当吸种盘结构确定时，吸孔瞬间捕获种子所需负压与种子质量和吸种盘转速呈正比，高转速下可通过增大负压提高吸附合格率，由于德优矮早品种种子质量小于中双11号品种种子质量，因此高转速下，提高中双11号品种吸附合格率所需负压应大于德优矮早品种所需负压。

表2 工作负压和转速对吸附性能影响

注：为吸附合格率，%；为漏吸率，%；为重吸率，%；为堵孔率，%；n为吸种盘转速，r·min-1。

Note:is suction qualification rate;is leakage suction rate;is multi suction rate;is blocking rate;nis rotation speed of sucking-seed plate.

5 结 论

本文设计了一种可改善油菜气力式排种器高速直播条件下充种性能的槽齿组合式吸种盘，阐述了其结构组成和工作原理，分析并确定了扰种齿和凹槽关键结构参数，及种群在扰种齿作用下种子吸附状态的力学模型，并通过EDEM与台架试验对平面盘、凹槽盘和槽齿盘进行优选和吸附性能对比，结果表明：

1）在传统平面盘上增设凹槽与扰种齿可明显增加种群的扰动强度和降低种子漏吸率。以平均动能总和作为种群扰动强度的量化指标，在同一转速下，平均动能总和数值从大到小顺序为：槽齿盘>凹槽盘>平面盘。以德优矮早油菜品种为对象，工作负压1.5～2.5 kPa、转速10～150 r/min条件下，槽齿盘的漏吸率和吸附合格率均明显优于凹槽盘和平面盘，而重吸率无明显差异，当转速大于90 r/min时，槽齿盘最大漏吸率为7.4%，凹槽盘最小漏吸率为14.02%，平面盘最小漏吸率为30.4%，与凹槽盘相比漏吸率降低了47.2%，与平面盘相比漏吸率降低了75.7%。

2）对于德优矮早和中双11号，在相同工作负压下，漏吸率随转速的增大呈上升趋势，吸附合格率呈下降趋势，重吸率无明显变化；在同一转速下，吸附合格率随负压的增大呈上升趋势，漏吸率呈下降趋势，重吸率无明显变化；在工作转速10～110 r/min、负压1.5～2.5 kPa条件下，吸附合格率不低于92.0%，漏吸率和重吸率之和不大于8.0%。

尽管常用油菜种子品种多样，但其球形度和平均粒径差异不大，安装槽齿盘、凹槽盘和平面盘的油菜高速精量排种器台架试验中均未出现吸孔堵塞的情况，通过吸孔直径合理设计可较好地控制重吸率和堵孔率，增大扰种强度可辅助充种，进而改善油菜高速排种过程的吸附性能，下一步需开展复杂工况下槽齿盘结构优化及播种单元作业速度匹配研究。

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Design and suction performance test of sucking-seed plate combined with groove-tooth structure on high speed precision metering device of rapeseed

Li Zhaodong1,2, Yang Wenchao1, Zhang Tian1, Wang Weiwei1, Zhang Shun1,2, Chen Liqing1,2※

(1.230036,; 2.230036,)

Rapeseed is an important oil crop in China. High-speed precision direct-seeding technology, which has the advantages of cost saving and efficiency increasing, low lodging risk and suitable for mechanized harvest, is one of the important ways to promote the sustainable development of rapeseed industry.Aiming at the problems that the seeds of the existing pneumatic rape seed metering device are difficult to be separated quickly and sucked accurately from the seed-group during the high-speed working process, which result in leakage suction, and reducing the performance of seed metering, a sucking-seed plate combined with groove-tooth to improve the filling performance of rape high-speed direct seeding was designed in this paper, and the key structures of sucking-seed plate combined with groove-tooth were analysed and determined, the mechanical model of the seed suction for groove-tooth interference was constructed, EDEM numerical simulation was used to analyze the effects of 3 kinds of sucking-seed plates: smooth plate, groove plate and groove-tooth plate on the intensity of directional disturbance for seed-group. Combined with bench test, the optimum selection of seed sucking plate structure was carried out. The test results showed that adding of grooves and disturbing teeth on the traditional smooth plate could significantly increase the disturbance intensity of the seed-group and reduce the seed leakage suction rate. Taking the sum of average kinetic energy as the quantitative index of the seed-group disturbance intensity, the order of the sum of average kinetic energy at the same speed from large to small was: grooved tooth plate, grooved plate and smooth plate. Taking Deyouaizao as the experimental variety, suction performance tests of groove-tooth plate, groove plate and smooth plate were carried out under the work condition that negative pressure of 1.5-2.5 kPa, rotation speed in 10-150 r/min. The test results showed that leakage suction rate and the suction qualification rate of groove-tooth plate were obviously better than those of groove plate and smooth plate. There was no obvious change in the multiple suction rate of groove-tooth plate, groove plate and smooth plate. When rotation speed was greater than 90 r/min, the maximum leakage suction rate of groove-tooth plate was 7.4%, and the minimum leakage suction rate of groove plate was 14.02%, the minimum leakage suction rate of smooth plate was 30.4%, leakage suction rate was reduced by 47.2% compared with groove plate, and leakage suction rate was reduced by 75.7% compared with smooth plate. The performance test of directional disturbance suction showed that with the variety of rapeseed named Deyouaizao and Zhong Shuang 11, under the same work negative pressure, leakage suction rate was increasing, suction qualified rate was decreasing, and multiple suction rate had no obvious change with plate speed increasing. Under the same plate speed, suction qualified rate increased, and leakage suction rate decreased with the increase of negative pressure. Under the plate speed in 10-110 r/min and negative pressure in 1.5-2.5 kPa, suction qualified rate was not less than 92.0%, and the sum of leakage and re-suction rate was not more than 8.0%. Despite the variety of commonly used rapeseed seeds, the difference in sphericity and average grain size is not large, there was no suction hole blockage in the test of the high-speed precision seed metering rack of the rapeseed with groove plate, groove-tooth plate and smooth plate. Through the reasonable design of the diameter of the suction cell, the multiple suction rate and the blocking rate could be well controlled, increasing the average kinetic energy of the seed-group (the disturbance intensity) could significantly improve the filling performance, thereby improving the suction performance of the rapeseed pneumatic high-speed seed metering device and reduce the leakage suction rate. The research results showed that groove and tooth composition plate had a high suction precision and could be provide reference for structural improvement and optimization of pneumatic rapeseed high speed precision seed metering device.

agricultural machinery; design; seeds; pneumatic seed metering device; precision suction; disturbance of groove- tooth; rapeseed

2018-07-06

2018-11-20

国家自然科学基金资助项目（51805004）；安徽省自然科学基金资助项目（1808085QE170）；安徽省教育厅科学研究项目（KJ2018A0135）

李兆东，博士，讲师，主要从事旱作农业装备设计与智能测控研究。Email：Lizd@ahau.edu.cn

陈黎卿，博士，教授，主要从事玉米机械与秸秆处理机械、智能农机装备研究。Email：lqchen@ahau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.002

S223.2+3

A

1002-6819(2019)-01-0012-11

李兆东，杨文超，张 甜，王韦韦，张 顺，陈黎卿. 油菜高速精量排种器槽齿组合式吸种盘设计与吸附性能试验[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：12－22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.002 http://www.tcsae.org

Li Zhaodong, Yang Wenchao, Zhang Tian, Wang Weiwei, Zhang Shun, Chen Liqing.Design and suction performance test of sucking-seed plate combined with groove-tooth structure on high speed precision metering device of rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 12－22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.002 http://www.tcsae.org