舀勺型孔轮式水稻精量排种器设计与试验

刘 俊，朱德泉，2，*，于从羊，薛 康，张 顺，廖 娟

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

水稻精量穴直播技术是一种省水省工、节本增效的轻简化种植技术[1-2]。穴直播是根据农艺要求，将水稻种子按照所需的穴粒数、穴距、行距精准地播到种沟中[3]。近年来，随着水稻栽培技术的发展，水稻精量穴直播面积逐年增大，2016年水稻机直播面积为93.47万hm2，2017年水稻机直播面积为110.27万hm2[4-5]。

排种器是精量穴直播机核心部件，其性能好坏直接影响播种质量[6-7]。排种器分为机械式排种器与气力式排种器，气力式排种器结构复杂、造价高，播种成本较高[8]。因此，生产上多使用机械式排种器[9]。国内外学者对水稻机械式排种器结构和工作原理开展了大量研究。Maleki等[10-11]设计了一种螺旋槽式排种器，排种器排种均匀性稳定，但成穴效果差；刘彩玲等[12]提出了一种摩擦复充种型孔带式精量排种器，通过增大开放式充种区、利用摩擦复充种原理提高了充种性能，并利用柔性型孔带和重力清种降低种子破碎率；李兰兰等[13]设计了一种滑片型孔轮式水稻精量穴直播排种器，采用滑片护种方式，减少了种子摩擦损伤；王在满等[14]设计了一种播量无级调节水稻精量排种装置，通过调节瓢形形状可变容积型孔来满足不同水稻品种尺寸要求；张国忠等[15]设计了一种双腔侧充式水稻精量穴播排种器，采用弧形清种毛刷和护种装置，能同时满足常规稻和杂交稻播种要求。但上述排种器多采用被动充种，因水稻种子流动性差，充种性能不佳，漏播率偏高，在高速情况下表现得尤为明显。

因此，针对杂交稻旱穴直播精量播种的农艺要求，设计一种舀勺型孔轮式水稻精量排种器，采用舀勺扰动种子层，增加水稻种子之间的流动性，从而增强充种性能。为评价排种器排种性能，采用离散元方法，选取排种轮转速与型孔倾角为试验因素，以排种合格率、重播率、漏播率为评价指标，进行单因素试验、对比试验与二因素五水平正交旋转组合试验，确定最佳参数组合。通过台架试验验证了仿真结果的可靠性，并通过田间播种试验检验了排种器的工作性能，为舀勺型孔轮式水稻精量排种器结构优化与性能提升提供理论依据。

1 排种器结构与工作原理

舀勺型孔轮式水稻精量排种器主要由法兰盘、排种轴、排种轮、限种板、壳体、清种毛刷、护种板、阻种毛刷等部件组成，如图1所示。工作时，种子在重力作用下落入排种器壳体与限种板构成的种室内，由于阻种毛刷的作用，种子不能直接从排种器排出，而在排种器左侧种室内堆积。当排种轮转动时，型孔随着排种轮一起转动，在充种区A5～A1，舀勺将一定数量的种子舀入型孔中；随着排种轮转动到清种区A1～A2，清种毛刷把舀勺上多余的种子刷回充种区，进行二次充种，保留型孔中的种子；当种子随排种轮转动到护种区A2～A3，在护种板的作用下，种子不会提前掉落；最后种子由排种轮转动到排种区A3～A4，在重力和离心力的作用下，落入种沟中，完成一次精量排种作业。

a，排种器轴侧图；b，工作原理与排种过程。1，法兰盘；2，排种轴；3，排种轮；4，限种板；5，壳体；6，清种毛刷；7，型孔；8，护种板；9，阻种毛刷；10，舀勺。a， Isometric view of seed-metering device; b， Working principle and seed-metering process. 1， Flange; 2， Seeding shaft; 3， Seeding wheel; 4， Limit plate; 5， Shield shell; 6， Cleaning brush; 7， Shaped hole; 8， Protection guard; 9， Resist brush; 10， Scoop.图1 排种器结构与工作原理图Fig.1 Diagram of structure and working principle of seed-metering device

2 关键零部件设计

2.1 排种轮设计

2.1.1 排种轮直径设计

In the ancient times,because of historical and social restrictions,the morality principle and philosophical thoughts is also different.Therefore some remarks in the drama may cause misunderstanding,confusion or even disputes.Here takes a libretto from scene six of the drama《风流土司》:

2.1.2 排种轮型孔个数设计

一般型孔个数越多，排种轮线速度越慢，型孔充种性能越好；但型孔数受排种轮直径与型孔间距的限制[16]。型孔个数可由式(1)、(2)、(3)计算得出。

临床上，冠心病具有比较高的发病率，通常将冠脉造影检查的结果作为患者病情诊断的金标准，但冠脉造影具有有创性，且患者耐受性低[1] ，为此，临床医师有必要为冠心病患者寻找一种可行性更高的诊断方法。冠脉粥样硬化为冠心病的一个重要病因[2] ，相关资料中提及，冠脉粥样硬化受炎症因素的影响会逐渐进展[3] ，通过对患者机体中的相关炎症因子水平进行检验，可对其病情程度以及发展情况作出准确的判断。此研究，笔者将着重分析超敏CRP、LP（a）与D二聚体联合检验法在冠心病中的诊断价值，总结如下。

(1)

vω=ωr;

(2)

ω=2πn。

(3)

式(1)、(2)、(3)中：Z为型孔个数；D为排种轮直径，m；vm为播种机前进速度，m·s-1；vω为排种轮线速度，m·s-1；L为株距，m；ω为排种轮角速度，rad·s-1；r为排种轮半径，m；n为排种轮转速，r·s-1。

那时侯的郑军里，意气飞扬，风华正茂，借取了80年代求新于西风与寻根于本土并举的文化大潮，开始了自己从工笔到写意人物的一个转型。后来就更直接地立足于本土，把兴趣、情感和笔头对准了广西桂西少数民族的风情人物，至今这条道路没有改变。

播种机工作时前进速度一般为0.5～1.5 m·s-1，取1.2 m·s-1；水稻穴距为0.1～0.3 m，取穴距为0.2 m；根据播种机工作时的前进速度和播种要求，选择排种轮转速为0.5 r·s-1。由式(1)、(2)、(3)计算得出，排种轮型孔个数为12。

2.1.3 舀勺结构参数设计

水稻种子在重力作用下堆积在排种器充种区，充种区底部的种子易形成准直线的力链，力链之间相互结拱，使种子活跃度降低，造成漏播[17]。同时，种子表面存在毛刺，毛刺导致种子之间摩擦力增大，造成充种困难。为了提高充种性能，在型孔表面设计一个舀勺，破坏种子之间的力链，增强种子流动性，提高充种性能。但舀勺结构过大，易导致重播率增加；舀勺结构过小，达不到增强充种性能。因此，必须设计一个合适的舀勺尺寸。水稻种子为纺锤体，中部宽厚，两短尖狭，为更好地起到舀种效果，将舀勺内壁形状设置为纺锤形，水稻种子宽度为2 mm左右，为方便舀种，设计舀勺宽度w1为2 mm，舀勺厚度t1为0.5 mm，舀勺内长度l1为10 mm。舀勺结构如图2所示。

2.1.4 型孔结构参数设计

为保障型孔充种性能和排种器适应性，选取大、中、小不同种子尺寸的丰两优3948、冈优898和冈优3551水稻种子，每个水稻品种随机取1 000粒，测量其长度、宽度、厚度，取平均值。水稻种子球度可由式(4)计算得出[18]。

a，排种轮局部剖视图；b，舀勺示意图。1，舀勺；2，型孔；3，排种轮。w1为舀勺宽度，mm；t1为舀勺厚度，mm；l1为舀勺内长度，mm。a， Partial sectional view of seeding wheel; b， Schematic diagram of scoop. 1， Scoop; 2， Shaped hole; 3， Seeding wheel. w1 was the width of scoop， mm; t1 was the thickness of scoop， mm; l1 was the length of scoop， mm.图2 舀勺结构示意图Fig.2 Schematic diagram of scoop structure

(4)

式中：Sp为种子球度，%；l为水稻种子的长度，mm；w为水稻种子的宽度，mm；t为水稻种子的厚度，mm。

丰两优3948、冈优898、冈优3551的水稻种子三轴尺寸和球度如表1所示。

在充种过程中，充入型孔内的种子存在平躺、侧卧、竖立3种姿态。水稻种子近似椭球体，其平躺、侧卧或竖立投影可近似看成椭圆形，投影面积为[13]

甲洛洛找话：怎么生这么多孩子啊？登子苦笑：我们也不想要啊，可我这个老婆，像头母猪，怎么都挡不住。甲洛洛：医院里不是有药买的吗？登子任然苦笑：填饱肚子都难，还买什么药啊。甲洛洛更加担心：你这么生下去，估计塔公村都装不下了？

(5)

式(5)中，St、Sω、Sl分别为水稻种子平躺、侧卧、竖立状态截面积，mm2。

充入型孔内的水稻种子稳定存在的状态概率与其本身平躺、侧卧、竖立状态的截面积成正相关，其概率为

(6)

式(6)中，Pt、Pw、Pl分别为水稻种子平躺、侧卧、竖立状态下的概率，%。

充入型孔内的水稻种子3种姿态概率总和为1，即

Pt+Pw+Pl=1。

(7)

将种子力系沿排种轮切向x与法向y进行分解，建立力学平衡方程式：

相对于其他类型的型孔，椭圆形型孔充种性能较好[9]，故采用椭圆形型孔。由表2可知，绝大部分水稻种子以平躺或侧卧的姿态充入型孔中，充入型孔内的种子大部分都是两粒平躺，一粒竖立。因此，型孔结构参数应满足式(8)要求。

PA6粒子以及自制的PAPP在使用前均在100 °C烘箱中干燥12 h。随后将PAPP和PA6按照不同的比例混合，加入密炼机中。每次加料70 g，转子转速为40 转/min，密炼温度为230 °C，密炼时间为10 min。将所得样品在平板硫化机压板成型，模压温度为240 °C，模压时间为10 min。最后按照测试需要制备成标准样条，测试结果取5次测试结果的平均值。各组分比例见表1。

(8)

式(8)中：d为长轴长度，mm；h为型孔深度，mm；b为短轴长度，mm。

型孔轮式排种器直径一般为80～200 mm，排种轮直径过小会导致曲率增大，不利于种子充入型孔中而造成漏播，直径过大会导致整个排种器尺寸增大，造成不必要的浪费[16]。综合考虑水稻种子三轴尺寸和水稻精量穴直播农艺要求，确定排种轮直径为140 mm，厚度为32 mm。

综合考虑3个水稻品种种子三轴尺寸和舀勺高度，设计的椭圆型孔长轴长为10 mm，短轴长为5 mm，深度为8 mm。为了保证充种性能，将型孔倾斜一定的角度。

2.2 护种板设计

护种板可防止种子提前下落，保障种子在排种区进行排种，同时护种板不能伤种。为了获得较好的护种性能，设计了3种护种板：(1)弧形护种板，安装于舀勺的外边沿；(2)开有槽口的弧形护种板，槽口刚好与舀勺吻合，舀勺位于护种板内；(3)槽口内装毡毛的弧形护种板。3种护种板结构如图3所示。

【中医解读】“凌波微步”与太极拳的太极步很相似。太极步因酷似猫的行走姿态，又称“猫行步”，在练习时讲究“两脚宜分虚实，起落犹似猫行，迈步如临深渊，腰胯带领下肢。”一方面，由于双腿不断地进行虚实交替，使单腿需要短暂支撑，有助于锻炼腿部肌肉力量，预防下肢静脉曲张。另一方面，腰脊的转动会带动腰、腹、腿、脚、踝等各部位，使肌肉、关节和韧带得到充分锻炼。此外，通过有节奏感的刺激，可促进气血循环，增强肌肉力量，预防腰腿疼痛等。

表1 三个水稻品种种子尺寸和球度

表2 水稻种子充入型孔姿态概率

3种护种板厚度H均为32 mm，槽口宽度H1长度应满足式(9)要求。

当夕阳拉长身影时，我知道，离开家乡的时刻到了。坐在车上，我忍不住又回头遥望家乡，她如同一位慈祥的老人站在路口送别。她盼望着子女们再次回到她的怀抱，倾听她的思念，感受她的温存……

H1≥l1+2t1。

(9)

a，弧形护种板；b，开有槽口的弧形护种板；c，槽口内装毡毛的弧形护种板。H为护种板宽度，单位mm；H1为槽口宽度，单位mm。a， Curved seed protection belt; b， Curved seed protection belt with notch; c，Curved seed protection belt with felted hair in large notch. H was the width of seed protection belt， mm; H1 was the width of notch， mm.图3 护种板结构Fig.3 Structure of protection guard

式(9)中：H1为槽口宽度，mm；l1为舀勺内部长度，mm；t1为舀勺厚度，mm。由式(9)计算可得，H1应大于等于11 mm，最终确定槽口宽度H1为12 mm。

将3种护种板分别安装于排种器上，在排种轮转速25.00 r·min-1、型孔倾角为35.00°的条件下进行试验，连续统计250穴种子的穴粒数和穴距变异系数，每组试验重复3次，取平均值，试验结果如表3所示。由表3可知，安装槽口内装毡毛的弧形护种板的排种器排种合格率最高，穴距变异系数最小，分别为84.00%和8.57%，故选择槽口内装毡毛的弧形护种板。

2.3 充种过程受力分析

为了提高排种器充种性能，并探究舀勺对充种过程的促进作用，对水稻种子充入型孔时进行受力分析。为简化分析，将水稻种子视为规则的圆球体[19]。水稻种子所受压力为其上方所有种子作用力之和，其他种子对受力种子的侧压力合力为0。水稻种子进入型孔时，种子受到自身的重力G、舀勺对种子的支持力F1、离心力Fr、种子群的挤压力F2、舀勺内壁对种子的摩擦力f1、种子群内摩擦力f2，种子在这些力的作用下充入型孔，种子受力分析如图4所示。

3个水稻品种种子充入型孔姿态概率如表2所示。

(10)

表3 试验结果

Fr为种子的离心力，单位N；F1为舀勺对种子的支持力，单位N；F2为种子群的挤压力，单位N；G为种子自身的重力，单位N；f1为舀勺内壁对种子的摩擦力，单位N；f2为种子群内摩擦力，单位N；α为重力方向与x轴方向的夹角，单位(°)；β为F1方向与x轴方向的夹角，单位(°)。Fr was centrifugal force of seed， N; F1 was support force of scoop to seed， N; F2 was pushing force among seed groups， N; G was gravity of seed， N; f1 was friction force between inner surface of scoop and seed， N; f2 was friction force in seed groups， N; α was the angle between direction of gravity and x axis， (°); β was the angle between direction of F1 and x axis， (°).图4 水稻种子充种过程受力分析Fig.4 Stress analysis of rice seed in seed-filling process

式(10)中：Fx为水稻种子所受切向合力，N；Fy为水稻种子所受法向合力，N；ax为水稻种子切向加速度，m·s-2；ay为水稻种子法向加速度，m·s-2；α为重力与x轴方向的夹角，(°)；β为F1与x轴方向的夹角，(°)；m为水稻种子的质量，kg；R为种子质心与排种轮中心距离，m；μ1为舀勺内壁与种子之间的摩擦因素；μ2为种子间摩擦因素；ω为种子角速度，rad·s-1；n为排种轮转速，r·s-1。

整理式(10)得

(11)

由图10-a所知，当型孔倾角一定时，随着排种轮转速增大，排种合格率呈先增大后减小趋势。当排种轮转速一定时，随着型孔倾角的增大，排种合格率也呈先增大后减小趋势。在排种轮转速为26.11 r·min-1，型孔倾角为35.30°时，排种合格率最高。

(12)

式(12)中，T为种子质心下落到型孔底部的时间，s。

由式(11)和式(12)求得种子下落时间T为

T=

(13)

由式(13)分析可知，在位移量c、种子质量m相同的情况下，种子下落时间T与排种轮转速n和舀勺对种子的支持力F1有关。为探究具体关系，对式(13)中影响因素n与F1分别进行一阶求导，得到下列关系式：

(14)

式(14)中，Z=(G+F2)sinα+μ2F2cosα。

由式(14)分析可知，种子下落时间T是关于排种轮转速n的增函数、舀勺对种子支持力F1的减函数。因此，可通过降低排种轮转速n和增加舀勺对型孔支持力F1来缩短种子充入型孔的时间。

whereand each entry of Tk equals(under the assumption that the angular distributed functions are Gaussian function)20

3 排种性能仿真与分析

3.1 仿真模型构建

3.1.1 排种器模型建立

在SolidWorks软件中将各部件装配后，导入EDEM软件中，为了简化模型，与种子无接触的排种轴未导入EDEM软件中。将零部件和水稻种子定义材料属性，排种器外壳为不锈钢，限种板、排种轮、卸种板为塑料，护种板、清种毛刷、阻种毛刷为毡毛，材料属性如表4所示[20]。

3.1.2 种子模型建立

选取球度适中的冈优898种子为试验材料，冈优898种子的三轴尺寸为8.29 mm×2.96 mm×2.10 mm。为了更真实地反映水稻种子的形状，在SolidWork软件中绘制种子模型，另存为.stl格式导入EDEM软件中。在EDEM软件中采用多组合球面构建冈优898种子模型，中间采用13左右对称的双组和球面，两端采用一个球面的填充方式，总共28个球面。构建的水稻种子模型与实际水稻种子的三轴尺寸完全吻合，种子模型如图5所示。

3.1.3 仿真参数设定

由于水稻种子之间没有黏附力，故选择仿真接触模型为无滑动模型(Hertz-Mindlin)，重力加速度大小为9.80 m·s-2，方向为Y轴负方向，整个排种器模型只有排种轮转动，其他零部件固定不动。种子-种子、种子-塑料、种子-不锈钢、种子-毡毛的恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数如表5所示[21]。

响应曲线能更加直观地反应试验因素X1、X2对评价指标Y1、Y2、Y3的影响，利用Design-expert 10.0.4软件分析，得到试验因素X1、X2与评价指标Y1、Y2、Y3的响应曲线图，如图10所示。

表4 材料属性

a，三轴尺寸；b，EDEM模型。l为水稻种子长度，单位mm；w为水稻种子宽度，单位mm；t为水稻种子厚度，单位mm。a， Triaxial size; b， EDEM model. l was length of rice seeds， mm; w was width of rice seeds， mm; t was thickness of rice seeds， mm.图5 水稻模型Fig.5 Rice model

表5 材料接触系数

3.2 排种虚拟仿真

为提高排种器的排种性能，运用EDEM软件进行单因素试验、对比试验和二因素五水平正交旋转组合试验。仿真试验过程中，将排种器以网格模型(Mesh=0.2)显示，如图6所示。图6中颜色变化表示种子运动速度变化，其中蓝色表示种子速度最低，红色表示种子速度最高，通过仿真观察，种子在充种区边缘处和在排种轮型孔中速度较大，与实际情况相符合。种子在充种和排种过程的速度变化分别如图6-a、图6-b所示。

a，充种过程；b，排种过程。a. Process of seed-filling; b. Process of seed-metering.图6 EDEM排种过程种子运动仿真Fig.6 EDEM simulation of seed motion of seed-metering process

由图10-b所知，当型孔倾角一定时，随着排种轮转速增大，排种重播率呈减小趋势。当排种轮转速一定时，随着型孔倾角的增大，排种重播率也呈减小趋势。在排种轮转速28.97 r·min-1，型孔倾角48.18°时，排种重播率最低。

(1)排种轮转速对排种性能的影响。

为探究排种轮转速对排种性能的影响，在型孔倾角为35.00°的条件下，将排种轮转速分别设置12.50、18.75、25.00、31.25、37.50 r·min-1这5个水平。待仿真结束后，计算出连续250穴排种的合格率、重播率、漏播率，得到评价指标随排种轮转速的变化曲线，如图7所示。

由图7可知，工作转速为12.50 r·min-1时，排种重播率较高、漏播率较低，这是由于排种轮转速较低时，型孔在充种区的停留时间较长，并且型孔倾斜35.00°，种子更易充孔。随着排种轮转速增加，排种合格率呈先增加后减小的趋势，重播率整体呈下降趋势，而且下降幅度越来越小。在舀勺作用下，排种轮转速越快，种子流动性越大，种子充孔的概率增大，从而减小了排种轮转速快带来的影响。随着排种轮转速增加，排种漏播率整体呈上升趋势。这是由于排种轮转速增加，型孔在充种区的停留时间变短，部分种子未能充入型孔，导致漏播。在排种轮转速为25.00 r·min-1时，排种合格率最高，排种合格率为88.00%。

(2)型孔倾角对排种性能的影响。

为探究型孔倾角对排种性能的影响，在排种轮转速为25.00 r·min-1的条件下，将型孔倾角分别设置20.00°、27.50°、35.00°、42.50°、50.00°等5个水平。待仿真结束后，计算出连续250穴排种的合格率、重播率、漏播率，得到评价指标随型孔倾角的变化曲线，如图8所示。

图7 评价指标与排种轮转速的关系Fig.7 Relationship between evaluation index and rotating speed of seeding wheel

由图8可知，随着型孔倾角增大，排种合格率先增大后减小，排种重播率整体呈减小趋势。由于型孔倾角增大，种子充入型孔的概率减小，重播率呈减小趋势。排种漏播率呈先减小后增大的趋势，当型孔倾角过小时，种子不易充入型孔，漏播率较大，随着型孔倾角增大，种子更易充入型孔，漏播率减小；但当型孔角度过大时，型孔会阻碍部分种子充入型孔，漏播率增大。在型孔倾角为35.00°时，排种合格率最高，排种合格率为88.40%。

小学语文教材所选文章文质兼美，体裁多样。如果从“文学文体”和“实用文体”两个维度进行划分，前者包括童话、寓言、神话、诗歌（儿童诗、古诗）、文言文、散文、小说、剧本、人物传记、文包诗等；后者包括记叙文、说明文、议论文等。文体不同，教什么怎么教也应该有明显的不同。在课堂教学中，我们应从文体出发，从大处把握好文本语言特点及人文内涵，精心进行教学设计，合理安排教学内容，加强对学生阅读的指导、引领和点拨。下面以小说、剧本、人物传记三种文体为例，谈一谈不同文体的特点及教学策略。

3.2.2 性能对比试验

为检验舀勺型孔轮式水稻精量排种器充种性能，进行舀勺型孔轮式水稻精量排种器与无舀勺的型孔轮式水稻精量排种器的仿真对比试验。在型孔倾角为35.00°时，将排种轮转速分别设置12.50、18.75、25.00、31.25、37.50 r·min-1这5个水平，得到2种排种器排种性能与排种轮转速的变化曲线图，如图9所示。由图9可知，排种轮转速从12.50 r·min-1到37.50 r·min-1时，2种排种器的排种合格率均呈先上升、后下降的趋势，漏播率均呈上升趋势，无舀勺型孔轮式水稻精量排种器在25.00 r·min-1到37.50 r·min-1时，合格率下降非常明显，漏播率上升非常明显。在37.50 r·min-1时，舀勺型孔轮式水稻精量排种器的排种合格率为84.00%、漏播率为7.60%；无舀勺型孔轮式水稻精量排种器的排种合格率为68.40%、漏播率为26.80%，表明舀勺型孔轮式水稻精量排种器较无舀勺型孔轮式水稻精量排种器充种效果好，高速排种精度高，更适合高速工作。

图8 评价指标与型孔倾角的关系Fig.8 Relationship between evaluation index and hole inclination of seeding wheel

a.不同转速下2种排种器的合格率；b.不同转速下2种排种器的漏播率。a， Qualified rate of the two seed-metering devices at different speeds; b， Missing rate of the two seed-metering devices at different speeds.图9 不同转速下2种排种器的排种性能Fig.9 Seeding performance of the two seed-metering devices at different speeds

3.2.3 二因素五水平正交旋转组合试验

通过单因素试验，得到排种合格率、重播率、漏播率随排种轮转速、型孔倾角的变化规律。为进一步探究排种轮转速、型孔倾角对排种性能的影响，开展二因素五水平正交旋转组合试验，试验因素编码与水平设置如表6所示，试验结果如表7所示。

表6 试验因素编码与水平设置

3.3 旋转组合仿真结果分析

根据表7的试验结果，运用Design-Expert 10.0.4软件对试验数据进行回归分析，分别得到试验因素X1、X2与评价指标Y1、Y2、Y3之间的回归方程。

(15)

对所得到的回归方程进行显著性分析，结果如表8所示。由表8可知，评价指标的模型均极显著，失拟项均不显著，证明仿真的可行性。排种合格率Y1、重播率Y2、漏播率Y3的决定系数R2分别为0.928、0.933、0.930，证明实际值与回归方程的预测值相关性较高。因此，合格率Y1、重播率Y2、漏播率Y3可使用回归模型对排种性能进行分析与预测。

由表8中P值分析可得，X12、X22对排种合格率的影响极显著，X1的影响显著，X1X2、X2的影响不显著；X1、X2、X12对排种重播率的影响极显著，X1X2、X22的影响不显著；X1、X2、X12、X22对排种漏播率的影响极显著，X1X2的影响显著。在剔除失拟项的情况下对回归方程重新拟合，得到新的回归方程为：

(16)

表7 仿真试验结果

表8 回归方程方差分析结果

为保证连续充种，充种区应有一定数量的种子，故颗粒工厂共生成5 000颗水稻种子模型，1.5 s生成完毕，待种子完全落入充种区，排种轮开始转动，为了保证每次仿真都能排出250穴种子，根据不同转速设置不同的仿真时间，为了减少仿真运行时间，提高仿真的稳定性，设置固定时间步长为3.41×10-6s，为Rayleith时间步长的20%[22-23]。

假设水稻种子质心沿y轴方向的位移量为c，位移量c与种子法向加速度ay的关系为

3.2.1 单因素试验

各级政府及农业科技部门继续加强农民科技培训力度，提高农民科技种植意识，切实掌握马铃薯高产栽培技术，加强马铃薯的产前、产中、产后科技服务，从育种、选种、病害防治到储藏诸环节给予指导，加强信息网络建设，多措施、多渠道帮助农民解决生产销售中出现的问题，提高马铃薯生产中的科技含量，大力推广马铃薯丰产保优栽培技术。

基于传统的五阶恒流充电法[15],在锂离子电池前4个充电阶段的末尾分别添加逆向放电脉冲电流以及充电间歇,实现锂离子电池的快速充电以及减小充电过程中的极化效应。将锂离子电池的充电过程分为I1～I5 5个阶段,快速充电方法的原理如图2所示。

由图10-c所知，当型孔倾角一定时，随着排种轮转速增大，排种漏播率呈增大趋势。当排种轮转速一定时，随着型孔倾角的增大，排种漏播率呈先减小后增大的趋势，且排种轮转速与型孔倾角之间存在交互作用。在排种轮转速19.87 r·min-1，型孔倾角31.67°时，排种漏播率最低。

图10 排种轮转速与型孔倾角对排种性能指标的影响Fig.10 Response surface of rotation speed and hole inclination of seeding wheel on seeding performance index

3.4 仿真结果优化

为获取排种器最佳参数组合，以最大排种合格率、最小重播率、漏播率为评价指标，建立优化模型为：

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通过Design-Expert 10.0.4软件中Optimization模块进行优化求解，当排种轮转速为25.94 r·min-1、型孔倾角为34.75°时，排种器排种效果最佳，排种合格率为87.55%，重播率为9.79%，漏播率为2.66%。

位置在刀具尺寸>φ7×40mm时发生了突变。刀具的安装位置也会影响换能器谐振频率，刀具夹持长度越短，换能器的谐振频率越小，但对位移节点位置影响可以忽略。

4 性能验证试验

4.1 台架试验

4.1.1 试验装置

为检验仿真结果参数优化的可靠性，于2020年5月12日至14日进行排种器台架性能验证试验，试验设备为黑龙江省农业机械工程科学研究院生产的JPS-12型排种器性能检测试验台。试验前，将排种器安装在试验台上，工作时电机带动传动轴转动，传动轴上的齿轮通过链条带动排种器上的链条转动，种子从落种口落入一定宽度的粘种油中，种床带运动将粘油层与种子传送到后方的收集装置，待试验结束后，通过控制台的电脑检测统计各项性能指标，如图11所示。

图示1中所示横坐标12个名称显示为调查内容，纵坐标显示为两个群体的不同评价，其中实线标识为企业员工，虚线标识为到访游客。调查问卷最后题目问及“是否乐意向朋友推荐其到本园区旅游观光”，其中企业员工的均值为3.63，而到访游客的均值为4.26，这个结果能够与前面的调查内容保持一致性。

4.1.2 试验设计与结果

根据仿真优化参数结果，将排种器在最优条件下进行工作，并根据排种器转速调节相应的种床带速度，让排种器下落的种子落入种床带的粘种油中。依次选取丰两优3948、冈优898、冈优3551种子为试验材料，待排种器转速稳定后，连续统计250穴种子穴粒数，重复3次，取平均值，试验结果如表9所示。由表9可知，排种合格率由高到低的水稻品种依次为冈优898、丰两优3948、冈优3551。冈优898排种合格率为84.53%，冈优3551排种合格率为83.74%，排种器更适合播冈优898尺寸的水稻种子。由于丰两优3948种子的种子球度较小，充种较为困难，造成漏播率最高，其漏播率为7.33%；冈优3551的种子球度较大，易充入型孔，导致重播率最高，其重播率为12.13%。与仿真结果对比分析可知，冈优898种子台架试验结果与仿真优化结果相差小于5%，故说明仿真优化结果可靠。

1，种床带；2，油泵；3，固定支架；4，控制台；5，照明装置；6，电机；7，排种器。1， Seed bed belt; 2， Oil pump; 3， Fixed bracket; 4， Control console; 5， Lighting installation; 6， Motor; 7， Seed-metering device.图11 台架试验图Fig.11 Diagram of bench test

4.2 田间试验

为检验舀勺型孔轮式水稻精量排种器的田间播种性能，将排种器安装于旱直播机的固定支架上，于2020年5月25日在安徽农业大学农萃园试验地开展田间性能试验。试验选取长60 m、宽20 m的麦茬田块，试验前对试验地进行旋耕，使其表面平整，达到水稻机械直播土壤农艺要求。播种地的平均耕深为18.4 cm，平均土壤含水率为8.99%，平均土壤坚实度为399.6 kPa。试验过程中依次选取丰两优3948、冈优898、冈优3551种子进行播种试验。试验参照国家标准进行[24-25]，试验时旱直播机前进速度约为3.65 km·h-1，排种器由电机驱动，排种器结构参数与工作参数为最优参数。待旱直播机停止后，统计连续机组匀速行驶播种250穴的穴粒数和穴距，重复3次，取其平均值作为试验值，试验结果如表10所示。

由表10可知，冈优898种子的播种合格率最高，其合格率为82.13%；冈优3551种子的播种合格率最低，其合格率为80.67%，均低于台架试验的结果。由于田间试验机组振动增加了种子的流动性，种子无规则运动使播种重播率、漏播率均高于台架试验结果，同时导致穴距与穴距变异系数也高于台架试验。3个水稻品种种子的排种合格率均大于80%，重播率均低于15%，漏播率均低于10%，满足水稻精量直播田间作业要求，且排种器对不同尺寸水稻种子具有良好的适应性。

表9 台架试验结果

表10 田间试验结果

5 结论

本研究设计了一种舀勺型孔轮式水稻精量排种器，根据排种器工作性能要求，确定了排种器关键零部件参数，并对排种器充种过程进行受力分析，建立了排种器充种过程的动力学模型，确定了种子下落时间与排种轮转速和舀勺对种子支持力的关系。

选取冈优898种子为试验材料，利用EDEM软件进行排种器排种过程数值模拟。单因素试验结果表明，当型孔倾角为35.00°时，排种轮转速为25.00 r·min-1的排种合格率最高。性能仿真对比结果表明：在排种轮转速增加时，舀勺型孔轮式水稻精量排种器较无舀勺型孔轮式水稻精量排种器充种效果更好，更适合高速工作。二因素五水平正交旋转组合试验结果表明，排种轮转速为25.94 r·min-1、型孔倾角为34.75°时，排种器排种性能最佳，排种合格率、重播率、漏播率分别为87.55%、9.79%、2.66%。

对排种器分别进行台架验证试验与田间播种试验，试验结果表明，3个水稻品种在台架验证试验与田间播种试验中排种合格率均大于80%，重播率均低于15%，漏播率均低于10%，符合杂交水稻精量穴直播的农艺要求；且排种器对不同尺寸水稻种子均具有良好的适用性，漏播率较低，有利于提高产量。