油菜气力盘式精量排种器槽齿辅助充种性能分析与试验

李兆东，杨文超，武尧尧，何 顺，王韦韦，陈黎卿

·农业装备工程与机械化·

油菜气力盘式精量排种器槽齿辅助充种性能分析与试验

李兆东1,2，杨文超1,3，武尧尧1，何 顺1，王韦韦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；3. 中国农业大学工学院，北京 100083）

针对油菜气力盘式精量排种器高速排种过程中存在漏播严重和工作负压需求大的问题，该研究提出了一种槽齿定向扰动辅助充种种盘，采用质点动力学分析、EDEM软件、高速摄像技术和正交试验相结合的方法，对不同槽齿型式和槽齿厚度的种群流动性与辅助充种性能进行了研究。使用EDEM软件模拟分析了不同槽齿型式和槽齿厚度对种群流动性的影响，以种群平均动能和种群平均动能总和为量化指标，得出齿厚0.5～1.5 mm的直线型槽齿具有较好的辅助充种作用，有助于改善种子流动性和抑制种群拖带。选用华油杂62为试验材料，进行了槽齿型式优选试验，并以优选出的槽齿型式为对象开展了槽齿厚度、种盘转速和工作负压对充种性能影响的试验研究。结果表明：在工作负压不小于1 500 Pa条件下，作业速度小于6.0 km/h时，3种槽齿型式种盘的充种性能差异较小，当作业速度为6.0～9.5 km/h时，直线型槽齿辅助充种性能优于圆弧型槽齿和无槽齿的平面盘；三因素四水平正交试验优选出槽齿厚度为1.0 mm时充种性能最优，并明确了槽齿厚度、工作负压和作业速度对充种性能的影响规律；在槽齿厚度为1.0 mm、工作负压1 500～2 500 Pa、作业速度2.6～9.5 km/h条件下，种子吸附合格率不低于96%，漏吸率不大于4%。研究结果可为油菜气力盘式高速精量排种器结构优化设计提供参考。

农业机械；种子；试验；气力式排种器；充种性能；油菜

0 引 言

油菜是重要的油料作物，其用途日趋多样化，兼具蔬菜、能源、绿肥、饲料、蜜源、旅游等[1]。长江流域是油菜主产区，机直播合理密植是提高油菜生产效益与肥料利用效率的重要途径[2]。

油菜精量排种器是调控直播机播种量的核心部件，其工作性能决定了种植质量[3-4]。气力式排种技术具有伤种率低、种子适应性好、播量可调范围大等优点[5-7]。国内外学者从不同角度进行了排种器充种性能相关研究。Anantachar等[8]通过优化充种室结构提高了充种性能。邢赫等[9]为改善不同种类水稻精量直播，基于多流道吸室结构设计了水稻播量可调气力式排种器。贾洪雷等[10-12]根据理论分析在种盘增设辅助装置可提高充种性能。Gaikwad等[13]采用振动扰种与针孔吸附组合技术为蔬菜育秧开发了一种气力式排种器。崔涛等[14]为解决低功耗下玉米充种效果差等问题，研制了一种内充气吹式玉米精量排种器。Li等[15-17]应用EDEM软件仿真了油菜、大豆、玉米等排种装置工作过程中种子颗粒的运动特性，为排种装置结构优化提供依据。Arzu等[18-19]对气吸式精量排种器的工作负压和吸孔直径进行了优化，旨在提高播种粒距的均匀性。Yazgi等[20-21]研究了气力式排种器吸室真空度、吸孔直径、吸孔数量和种盘转速对排种性能影响试验，建立了参数之间的数学模型。丛锦玲等[22]运用高速摄像技术对充种区油菜和小麦种子层的流动特性进行了研究。Wang等[23]结合高速摄像与图像目标追踪技术分析了玉米种子落种轨迹运移规律。廖宜涛等[24]运用高速摄像技术拍摄连续运移的型孔，进行了吸种效果影响因素研究。上述研究表明，在种盘上增设辅助充种装置或优化充种室结构可有效提高不同作物气力式排种器的排种性能，理论分析、数值模拟、高速摄像和试验优化等手段寻求提高排种性能的关键要素取得了较佳的试验效果。然而，针对现有油菜气力盘式精量排种器高速排种过程中种子难以从无序堆积的种群中快速分离被吸孔精准捕获并稳固吸附、易产生漏吸降低排种性能的问题仍是需要解决的技术难点。

作者团队基于辅助充种原理，采用种盘自扰动与吸孔吸附组合技术设计了一种油菜气力槽齿盘式精量排种器[25]，但槽齿结构对充种性能的影响尚不清楚。本文采用质点动力学理论、EDEM数值模拟、高速摄像技术和正交试验相结合的方法，进行油菜气力盘式精量排种器槽齿辅助充种性能分析与试验研究，以明确槽齿辅助充种的关键要素和各试验因素对试验指标的影响规律，旨在为油菜气力盘式精量排种器结构优化提供依据。

1 油菜气力式精量排种器结构与工作原理

1.1 排种器结构组成

油菜气力槽齿盘式高速精量排种器采用多行并联组合的方式实施播种，主要由气力槽齿盘式排种器、气流分配器、气力管道、输种管道、旋涡风泵和种沟开沟器等组成，如图1a所示。其中气力槽齿盘式排种器是实施精量播种的核心工作部件，如图1b所示。

1. 气流分配器 2.气流主管道 3.气流支管道 4.旋涡风泵 5.排种器 6.输种管道 7.种沟开沟器 8.种箱 9.充种室 10.排种壳体 11.种盘 12.正压管 13.导种管 14.负压管 15.传动轴 16.吸室壳体 17卸种筛 18.种箱盖 I.吸种区 II.投种区 III.过渡区

表1 气力槽齿盘式精量排种器主要技术参数

1.2 槽齿辅助充种原理

排种器工作时，种箱内无序堆积的种群在重力作用下流入充种室，传动轴带动种盘转动，种盘上的槽齿对充种室内的种群定向扰动，打破种群在重力作用下形成挤压堆积的稳定状态，与种盘接触的薄层种子在槽齿的作用下快速从种群中分离出来，被种盘上均匀分布的型孔精确捕获并吸附随种盘转动，进入投种区时，在正压气流作用下种子与型孔分离进入导种管并经由输种管道落出，完成排种过程。假定油菜种子为材质均匀的刚体，以吸附单颗种子为对象，不考虑种子之间碰撞以及振动等因素影响，建立槽齿与种子相互作用下吸孔吸附种子的力学模型，如图2所示。

注：G为种子重力，N；Fl为种子离心力，N；F¢f为槽齿作用下种子间的内摩擦力，N；T¢为槽齿作用下Fl、G与F¢f矢量合外力，N；F¢s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；N为侧面矢量合外力，N；θ为T¢与FN作用线间夹角，(°)，θ∈[0°,90°)；B为种子重心到种盘吸种面的距离，m；C为扰种齿厚度，m；ω为种盘角速度，rad·s-1；R为吸孔回转半径，m；d为吸孔直径，m。

根据质点动力学理论，槽齿定向扰动作用下种子受力方程为

由式（1）可得：

式中0为无辅助扰种作用下吸孔捕获单颗种子所需吸附压强，Pa；F为无辅助扰种下种子间的内摩擦力，N；

2 槽齿辅助充种数值模拟

槽齿辅助充种增大了种群的扰动强度，改善充种室内种群的流动性，利于种子从种群中分离被吸附[11,26-28]。

根据上文槽齿定向扰动下吸孔吸附单粒种子瞬间所需最小吸附压强可知，当吸孔直径一定时，在种盘上增设一定厚度的槽齿比无槽齿条件下吸孔吸附种子所需的吸附压强要小。本文以油菜气力盘式精量排种器为对象，借助离散元软件EDEM进行槽齿结构对种群定向扰动的仿真分析，并通过台架高速摄像试验验证，探寻不同槽齿扰动下种群流动性对排种器充种性能的影响。

2.1 种盘结构

仿真试验采用的3种种盘结构型式如图3所示。为较好地约束变量，各种盘型孔数量、型孔位置、型孔直径均一致，圆弧型槽齿盘和直线型槽齿盘的齿数、齿厚、齿槽宽和齿高均相同。

图3 种盘结构示意图

种盘辅助充种是依靠槽齿厚度对种群实施定向扰动，使少量种子快速脱离种群束缚，有助于少量种子与吸孔紧密接触，实现精确吸附。由于槽齿仅对贴近种盘的薄层种群进行扰动，因此槽齿厚度应不大于油菜种子的最大直径，即

h≤max（5）

式中max为油菜种子的最大直径，m。一般油菜种子最大直径不大于2.5×10-3m[29]，故槽齿厚度的取值范围h∈(0,2.5] ×10-3m。

皖江地区油菜机械化种植多集中在丘陵和平原地域，稻-油轮作是该区域最为典型的大田种植模式，丘陵区机组前进速度一般不超过5 km/h，平原区机组前进速度可达6～8 km/h[30-31]。为适应该区域油菜精量播种需要，本文设定理论株距为0.06 m[31]，一次性实现开畦沟、施肥、旋耕、开种沟、播种等联合作业，配套动力一般在58.8 kW以上，选用东方红拖拉机动力底盘和该排种器常用作业速度进行匹配，将作业速度设定为4个梯度，根据设定的理论株距换算出不同作业速度对应的种盘角速度对应关系，如表2所示。

表2 作业速度对应种盘角速度

2.2 数值模型建立

为提高仿真过程的运算速度，将排种器简化为排种壳体、种箱和种盘，并将其三维模型导入EDEM软件，根据实际加工的排种器，排种壳体和种盘材料为铝合金。由于油菜种子球形度高且粒径范围差异小，仿真中油菜颗粒模型设为2 mm的硬球模型[29]。

考虑到油菜种子表面光滑且无黏附力，仿真采用Hertz-Mindlin接触模型，种子和种盘材料参数及种子与种盘接触参数设置参考文献[32-33]。

2.3 EDEM仿真试验方法

为明确槽齿定向扰动对种群流动性的影响，开展了带有圆弧型槽齿、直线型槽齿和无槽齿3种型式种盘对种群扰动的仿真试验，以种群平均动能量化不同种盘与种群相互作用后种子的流动程度，获得较优槽齿型式，再以较优的槽齿型式为对象，探究不同槽齿厚度对种群流动性的影响，槽齿厚度设为0、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mm共6个梯度。设置5 000颗油菜种子，时间步长为1.72×10-5s，总仿真时间为10 s，提取3～10 s种子颗粒的平均动能。

2.4 EDEM仿真结果与分析

2.4.1 种盘型式对种群扰动强度的影响

本研究设计的排种器由电机驱动，所研制的播种机应同时适应丘陵区和平原区，其作业速度为3～8 km/h，本文以种盘常用角速度5.23 rad/s为例进行仿真，图4为3种不同结构型式种盘辅助扰动下种群平均动能随时间变化趋势图。从图中可知：平面盘的种群平均动能在(0～0.2)×10-9J，仿真曲线几乎没有波动，说明无辅助扰动下种子的流动性较差；圆弧型槽齿盘的种群平均动能在(0.3～1.3)×10-9J，仿真曲线波动较为明显，说明在圆弧型槽齿盘扰动下种子的流动性较好；直线型槽齿盘的种群平均动能为(0.5～1.3)×10-9J，仿真曲线波动明显且波动强度比圆弧型槽齿盘更为剧烈，说明直线型槽齿盘对种群的扰动强度更大。由此得出3种种盘对种子流动性扰动强度从大到小顺序为直线型槽齿盘、圆弧型槽齿盘、平面盘。

根据图5仿真结果可知，当种盘角速度增大时，3种种盘的种群平均动能总和均呈明显上升趋势，而平面盘的种群平均动能总和波动很小且远低于圆弧型槽齿盘和直线型槽齿盘；相同角速度下，直线型槽齿盘对种群辅助扰动特性明显优于平面盘和圆弧型槽齿盘，其数值从大到小排序为直线型槽齿盘、圆弧型槽齿盘、平面盘。直线型槽齿盘与种群相互作用时种子的瞬时流动性最为剧烈，且可以提供持续有效扰动，更容易在相互碰撞和负压吸附等外力作用下进入型孔完成充种。由此看出，直线型槽齿盘具有辅助充种优势。

图4 不同种盘的种子平均动能随时间变化曲线

图5 种盘转速与种子平均动能总和之间的关系

2.4.2 槽齿厚度对种群扰动强度的影响

为进一步研究种盘辅助扰动装置结构对种群流动性的影响，开展了槽齿厚度对种群扰动强度影响的仿真试验。以种群平均动能作为量化种群扰动强度的指标，种盘角速度选取7.33和11.51 rad/s用于匹配中、高速作业工况，分别进行这2个速度下的仿真试验，并获取不同齿厚下种子颗粒的平均动能，结果如图6所示。

从图6a和6b可以看出，不同齿厚条件下种群平均动能曲线有明显差异，随着种盘齿厚的增加其种群平均动能曲线整体呈台阶式增长趋势。转速为7.33 rad/s时，齿厚从0增至1.0 mm时，平均动能曲线增幅较快，齿厚从1.0 mm增至2.5 mm时，平均动能曲线增幅相对较慢；11.51 rad/s下，不同齿厚下平均动能曲线增幅较为明显，齿厚越大，种群平均动能越明显。仿真结果说明槽齿厚度是打破种群堆积状态的关键要素，增加齿厚可显著改善种子的流动特性，利于少量种子从种群中快速分离并被吸孔捕获后稳固吸附。

根据上述分析，齿厚对种群拖带有助于改善充种性能，但槽齿上易带种导致排种精度下降，本文对齿厚1.5、2.0和2.5 mm的种盘带种情况进行数值模拟。利用EDEM软件中Analyst后处理模块随机捕获3.25、5.25、7.25和9.25 s共4个时刻3种齿厚的种盘带种情况，如图7所示。根据4个瞬时时刻的仿真结果，齿厚1.5 mm的槽齿在充种区带种不明显，而齿厚2.0和2.5 mm的槽齿在充种区域上均存在明显带种现象（图中黑色方框），随着种盘转动槽齿上的种子被直接拖带至导种管中，造成重播。而对于无扰动的平面盘，增大种盘转速对其平均动能影响不明显，且数值在最低位徘徊，表明平面盘对种群扰动强度最小，难以将少量种子从种群中分离出来，影响种盘高速作业下的充种性能。通过EDEM仿真分析可知，扰种齿厚度0.5～1.5 mm时具有较好辅助充种优势，为进行台架试验提供依据。

图6 不同转速下齿厚对种子平均动能的影响

图7 不同齿厚条件下充种区的种盘带种情况仿真结果

3 台架试验

3.1 试验设备

充种试验在自主设计的排种器闭环控制性能检测装置上进行，该装置主要由气力槽齿盘式精量排种器、F-86BYG步进电机、控制器、旋转编码器、漩涡风泵（浙江森森牌HG-250型）、正负压气力管道、U型测压计和i-velocity 3高速摄像系统（日本OLYMPUS 公司）等，试验装置如图 8所示。试验中，根据文献[31]设定播种理论株距为0.06 m，由旋转编码器模拟油菜精量直播机行驶速度，再由控制器采集编码器模拟车速的脉冲信号，控制排种步进电动机转速。

3.2 试验材料与方法

选用湖北国科高新技术有限公司生产的华油杂62成品种子为试验材料，其千粒质量4.4 g，球形度91.5%，含水率7.6%。借助高速摄像技术进行槽齿优选试验和槽齿辅助充种性能试验。根据仿真模型参数试制了无槽齿的平面种盘、圆弧型槽齿式种盘和直线型槽齿式种盘，试验时将其分别安装在油菜气力式精量排种器上，为方便观察，排种壳体采用透明材料加工。以优选出的种盘为对象，以槽齿厚度、作业速度和工作负压为试验因素，以漏吸率和吸附合格率为试验指标，进行三因素四水平正交试验，探究各因素对充种性能的影响。

1.高速摄像 2.排种器 3.控制器 4.步进电机 5.旋转编码器 6.气力管道 7.U型测压计 8.旋涡风泵

利用高速摄像系统拍摄吸种区和过渡区2个区域的种子吸附和种子堵孔情况，吸种区种子吸附检测是以种盘上的吸孔随轴转动离开充种室为观察起始点，以吸孔转至种盘最高点为观察终点；过渡区种子堵孔检测以吸孔随种盘转动离开投种区为观察起始点，以吸孔转至种盘最低点为观察终点。每组试验获取并统计240个连续运移的吸孔影像，每组重复3次取平均值作为试验结果。以GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》为参照，各试验指标计算公式为

NP组患者的TTP为1.4～23个月，中位进展时间为8.2个月；TP组患者的TTP为1.6～22.3个月，中位进展时间为6.5个月；GP组患者的TTP为1.7～21.3个月，中位进展时间为7.9个月。3组患者的TTP比较，差异无统计学意义(P>0.05)。1年生存率的比较分析结果显示，NP、TP以及GP组患者分别为72.22%，65.79%以及77.78%，3组比较，差异无统计学意义(P>0.05)。

式中为漏吸率，%；为吸附合格率，%；为堵孔率，%；为型孔理论吸附种子数；1为型孔吸附0粒种子穴数；2为1～2 粒种子穴数；3为种子堵孔穴数。

3.3 槽齿优选试验

表3为不同负压条件下种盘优选试验结果。根据表3可知，在工作负压为1 000～2 000 Pa条件下，种子漏吸率随作业速度增大而上升，吸附合格率随作业速度增大而降低；工作负压小于1 500 Pa时，作业速度在4.3～9.5 km/h工况下，种盘型式对充种性能影响明显，直线型槽齿盘最大漏吸率不大于20%，圆弧型槽齿盘最大漏吸率高于30%，平面盘最大漏吸率高于45%；工作负压不低于1 500 Pa情况下，作业速度小于6 km/h时，各种盘漏吸率和吸附合格率差异不大，当作业速度超过6 km/h时，各种盘的漏吸率和吸附合格率差异明显，直线型槽齿盘最大漏吸率小于8%，圆弧型槽齿盘最大漏吸率高于13%，平面盘最大漏吸率高于20%，直线型槽齿盘的充种性能均优于其他2个种盘。

工作负压1 000～2 000 Pa、作业速度为4.3～9.5 km/h范围内，平面盘漏吸率超过45%、吸附合格率低于55%，圆弧型槽齿盘漏吸率超过30%，吸附合格率低于70%，直线型槽齿盘漏吸率低于20%、吸附合格率超过80%，高速摄像显示，这3 种型式的种盘在试验过程中均未出现吸孔堵塞情况，堵孔率为0。

结合仿真和台架试验，直线型槽齿盘对种群扰动强度最大且种子流动性最好，有助于少量种子从种群中快速分离被吸孔吸附，有效改善种盘在高速作业的充种性能。

表3 不同负压条件下种盘型式对充种性能的影响

3.4 正交试验

3.4.1 试验因素水平

以优选出的直线型槽齿盘为研究对象，选取仿真所用的4个作业速度4.3、6.0、7.8和9.5 km/h，工作负压选取1 000、1 500、2 000和2 500 Pa，槽齿厚度选取0、0.5、1.0和1.5 mm，试验因素水平如表4所示。

表4 试验因素水平

为确定各试验因素对试验指标的影响，利用Design-Expert软件进行试验方案设计，并进行了极差和方差分析，如表5和表6所示。

由表5极差分析结果可知，种盘漏吸率越低、吸附合格率越高，其充种性能越好。影响漏吸率的主次顺序为、、，影响吸附合格率的主次因素为、、；种盘漏吸率较优组合为342，种盘吸附合格率较优组合为34C1。根据吸附合格率和漏吸率的最优参数组合可知，槽齿厚度为1.0 mm可有效提高吸附合格率、降低漏吸率。

由表6方差分析结果可知，槽齿厚度、工作负压和作业速度对漏吸率均有显著影响；槽齿厚度和工作负压对吸附合格率影响显著，作业速度对吸附合格率影响不显著。槽齿厚度对漏吸率和吸附合格率均有显著影响，由此看出，合理的种盘结构设计有助于改善充种室种群扰动强度，进而提高油菜籽粒精量充种性能。

表5 试验方案及结果

注：、、分别为槽齿厚度、工作负压和作业速度3个因素的编码值，下同。

Note:,, andare the factor code values of the groove-tooth thickness, the negative pressure, and the velocity, the same as below.

实际工作时，工作负压由旋涡风泵提供，正常作业时工作负压一般在合理区间波动，作业速度由拖拉机档位控制，需根据实际工况实时切换档位，而高速作业时种盘漏吸率高降低了排种性能，导致油菜出苗效果不佳，这是制约油菜高速精播的瓶颈。结合高速摄像分析可知，在固定工作负压条件下，当槽齿厚度较小时，种盘对种群辅助扰动小，种子流动性差，不利于种子从种群中分离，以致高速作业时吸孔难以在短暂时间捕获并稳固吸附种子，导致漏吸率升高（见图 9a）；当槽齿厚度较大时，种盘对种群辅助扰动大，种子流动性好，较多的种子被从种群中分离出来，但此时槽齿上会带有少量的种子，导致部分吸孔有一定比例的重吸，降低了充种性能（见图9b）；当槽齿厚度选择适当时，种盘对种群定向扰动过程中，少量种子从种群中快速分离并被吸孔精准吸附（见图9c）。解决了前期依靠更换大功率旋涡风泵增大工作负压改善高速作业条件下油菜充种性能的问题。

表6 方差分析

注：**表示极显著（< 0.01），*表示显著（0.01 << 0.05）。

Note:** is very significant (< 0.01), * is significant (0.01 << 0.05).

图9 高速摄像捕获不同齿厚条件下的种子吸附状态

3.5 因素交互对充种性能影响分析

根据仿真和台架试验结果，为考查试验因素对充种性能的影响规律，选取作业速度2.6、4.3、6.0、7.8、9.5 km/h和工作负压1 000、1 500、2 000、2 500 Pa进行两因素的不同槽齿厚度对充种性能影响的全因子对比试验，如图10所示。由试验结果可知：当工作负压一定时，随着作业速度的增加，漏吸率逐渐上升、吸附合格率下降；在同一作业速度下，漏吸率随工作负压的增大逐渐降低，吸附合格率随工作负压的增大逐渐升高。当槽齿厚度为1.0 mm、工作负压1 500～2 500 Pa、作业速度2.6～9.5 km/h条件下，吸附合格率不低于96%，漏吸率不大于4%。

3.6 多路排种性能试验验证

为进一步检验前述优选试验和正交试验确定的较优齿厚1.0 mm直线型槽齿盘对排种性能的影响，以4行串联集中排种为例进行多路排种性能试验，作用速度设定2.6～9.5 km/h共9个梯度，工作负压2 200 Pa由HG-550型漩涡气泵提供，气力管路连接方式与田间播种保持一致。试验时，待多路排种性能检测试验台进入稳定工作状态后，采用集种筒收集4个排种器出种口排出的油菜种子，并用天秤称出收集的油菜种子净质量，收集过程以3 min为时间间隔，每组试验重复5次。试验结果如图11所示，排种量随作业速度的增加呈直线上升趋势，排种速率可调范围13～53 g/min，各行排量一致性变异系数低于3.5%，试验过程中未发现种子破损现象，试验结果满足NY/T 1143—2006《播种机质量评价技术规范》和皖江地区油菜种植需要。

图10 因素交互对吸附合格率和漏吸率的影响

图11 作业速度对排种性能的影响

4 结 论

针对油菜气力盘式精量排种器高速排种过程中因充种效果不佳导致漏播严重和工作负压需求大的问题，提出了一种槽齿定向扰动辅助充种种盘，进行了槽齿辅助充种性能分析与试验研究，主要结论如下：

1）不同槽齿型式和槽齿厚度对种子扰动强度的仿真分析结果表明，齿厚0.5～1.5 mm的直线型槽齿具有较好的辅助充种作用，有助于改善种子流动性和抑制种群拖带。

2）工作负压不低于1 500 Pa条件下，作业速度小于6.0 km/h时，3种型式种盘的充种性能差异较小，作业速度在6.0～9.5 km/h范围内，直线型槽齿盘最大漏吸率小于8%，圆弧型槽齿盘最大漏吸率高于13%，平面盘最大漏吸率高于20%，表明直线型槽齿辅助充种性能优于圆弧型槽齿和无槽齿的平面盘。

3）以直线型槽齿型式为对象进行了三因素四水平正交试验，明确了槽齿厚度、工作负压和作业速度对充种性能的影响规律；充种性能试验结果表明，在槽齿厚度为1.0 mm、工作负压1 500～2 500 Pa、作业速度2.6～9.5 km/h条件下，吸附合格率不低于96%，漏吸率不大于4%。

本文试验过程中均未发现有种子破损，其原因在于：圆弧型槽齿和直线型槽齿对种群定向扰动过程中，贴近槽齿的薄层种子随槽齿侧向移动，由于油菜种子的球形度高、流动性好，种群随机流动性大，槽齿与种子、种子与种子之间的相互作用力小；优选出槽齿厚度为1.0 mm，仅为油菜种子平均直径的一半，槽齿仅与贴近种盘表面的薄层种子相互作用，槽齿对种子的剪切作用很小，不足以使种子破损。影响该气力式排种器充种性能的因素较多，如充种室结构型式、型孔结构型式与参数、种盘材料、充种高度、辅助充种机构型式与参数以及排种器振动等，后期将深入探讨与种群有作用关系的排种器结构对充种性能的影响机理。

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Performance analysis and experiments of seed filling assisted by groove-tooth of pneumatic disc precision metering device for rapeseed

Li Zhaodong1,2, Yang Wenchao1,3, Wu Yaoyao1, He Shun1, Wang Weiwei1,2, Chen Liqing1,2※

(1.,,230036,; 2.,230036,; 3.,,100083,)

High precision of seed metering device is becoming essential to regulate the seeding amount of a direct seeding machine, and to enhance the quality of planting density. A pneumatic seeding technology can be highly expected, due to its low injury rate, good seed adaptability, and large adjustable range of sowing volume. In planting rapeseed, the filling problem can occur during the seeding process with a high velocity using the pneumatic precision metering device, easy to cause serious missed seeding and large working negative pressure. Therefore, an assistant filling plate with groove-tooth directional disturbance was proposed to deal with the filling problem. This study aims to investigate the effects of groove-tooth structure on filling performance in a plate-type pneumatic seed metering device with high velocity and precision for planting rapeseed. An EDEM software, high velocity camera technology and orthogonal test were combined to explore the assisted filling performance, the seed-group mobility under different types and thickness of groove-tooth. This method can be used to alleviate the serious leakage and large demanding for wind pressure power in the seeding process. The EDEM numerical simulation was performed to analyze the influence of different thickness and types of groove-tooth on seed-group mobility during planting. The average kinetic energy and its sum were selected as the quantitative indicators. The results showed that there was a better assistant filling effect in a seed churning device with a linear groove-tooth structure in the thickness from 0.5 mm to 1.5 mm, which helped to improve the seed mobility and inhibit the seed-group drag. In the bench test, the Huayouza 62 was selected, where its 1000-grain weight was 4.4 g, the sphericity was 91.5 %, and the water content was 7.6 %. With the help of high-velocity camera technology, the groove-tooth optimization and assistant filling performance test were carried out to explore the influence of experimental factors on assistant suction performance. According to the model parameters, the smooth plate, arc-shaped and linear seed plate with groove-tooth were produced by the optimized experiment of seed churning device, and thereby they were installed on the top surface of pneumatic precision metering devices during planting rapeseed. It is noted that the seed casing was made of transparent materials for the convenience of observation. Optimized type of groove-tooth was taken as the object, and the thickness of groove-tooth, velocity and negative pressure were taken as experiment factors, while, the leakage absorption rate and the absorption qualification rate were taken as experiment indicators. A three-factor four-level orthogonal experiment was carried out using Design-Expert software. The results showed that when the negative pressure was not less than 1 500 Pa, and the velocity was less than 6.0 km/h, the filling performance for three types of seed plates had little difference. When the velocity was 6.0-9.5 km/h, the assistant filling performance of seed plate with the linear groove-tooth was better than that with the arc groove-tooth and smooth plate. In three factors and four horizontal orthogonal experiments, the optimal was achieved for the filling performance of 1.0 mm thickness, further to clarify the influences of thickness of groove-tooth, negative pressure and velocity on suction performance. The optimal conditions of groove-tooth can be obtained: the thickness of 1.0 mm, the negative pressure of 1 500-2 500 Pa, the velocity of 2.6-9.5 km/h, the adsorption qualification rate was not less than 96 %, and leakage rate was not more than 4 %. The findings can provide a sound reference for the optimal design of pneumatic seed metering device in plate type with high velocity and high precision for planting rapeseed.

agricultural machinery; seeds; experiments; pneumatic seed metering device; filling performance; rape

李兆东，杨文超，武尧尧，等. 油菜气力盘式精量排种器槽齿辅助充种性能分析与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(20)：57-66.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.008 http://www.tcsae.org

Li Zhaodong, Yang Wenchao, Wu Yaoyao, et al. Performance analysis and experiments of seed filling assisted by groove-tooth of pneumatic disc precision metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(20): 57-66. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.008 http://www.tcsae.org

2020-05-05

2020-09-25

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，副教授，主要从事智能化农业装备关键技术及应用研究。Email：Lizd@ahau.edu.cn

陈黎卿，教授，博士生导师，主要从事智能农机装备设计理论与技术研究。Email：lqchen@ahau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.008

S223.2+3

A

1002-6819(2020)-20-0057-10