小粒径种子精量穴播集排器型孔轮设计与试验

王宝山 王 磊 廖宜涛 吴 崇 曹 梅 廖庆喜

(1.华中农业大学工学院，武汉 430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070)

0 引言

油菜、芝麻、小白菜是广泛种植的小粒径种子作物，其中油菜是第一大国产植物油来源和第二大饲用蛋白来源[1]，芝麻、小白菜是重要的特色油料作物和蔬菜。油菜、芝麻、小白菜等小粒径种子球形度差异大、粒径小、质量轻，品种兼用及播种粒数精量控制难度大且易卡种。油菜、芝麻、小白菜中油菜机播率相对较高，截至2020年油菜机播率仅为35.65%，油菜、芝麻、小白菜机械化播种水平亟待提高。因此，开展适用于油菜、芝麻、小白菜的兼用、精量、集排播种关键技术研究是提高播种机具利用率、改善播种质量、提升作业效率和机播率的有效途径[2]。

小粒径种子精量排种器主要分为气吸式排种器和型孔轮式排种器。气吸式排种器排种性能主要受型孔结构、吸种负压、转速等因素影响[3-5]，通过增设搅种结构能够提高其高速作业性能[6-7]，气力集排器能够实现多行排种，作业效率较高，广泛用于育苗播种[8-9]。气吸式排种器具有吸种稳定、播种精度高等优点，现有的气吸式排种器多针对单一作物种子或单行排种；气力滚筒式集排器对芝麻等非球性小粒径种子的适应性及不同种子兼用性有待进一步提高。型孔轮式排种器可依据不同种类种子设计不同结构型孔轮，更换型孔轮易于实现兼用与精量排种；采用并列配置多个型孔轮可简化传动和整体结构、实现多行集排播种。型孔轮结构是影响排种性能的关键因素，通过优化型孔轮型孔结构参数[10]、设置搅种结构[11]或采用组合型孔[12-13]，能够实现对水稻、大豆和人参等中大粒径种子精量及兼用排种，排种性能良好。适用于油菜、芝麻、小白菜等小粒径种子的型孔轮式精量集排器研究较少[14]，主要原因为：小粒径种子千粒质量小，型孔设计不合理时种子难以依靠自重顺畅投种、易卡种；同时，因小粒径种子易破损，中大粒径种子排种器常用的卸种结构易导致种子破损率增加。通过合理设计型孔轮结构实现对油菜、芝麻、小白菜等小粒径种子稳定充种、无卸种装置条件下顺畅投种，是提高小粒径种子型孔轮式排种器排种性能的关键。

针对油菜、芝麻、小白菜精量穴播排种过程中充种稳定性差、易卡种的问题，设计一种采用倾斜抛物线型孔充种、环槽凸台搅种结构的型孔轮和精量穴播集排器，利用力学计算、EDEM仿真与高速摄影技术分析型孔轮结构参数对充种性能的影响规律及其较优值，确定种子物料特性与型孔轮较优结构参数的量化关系，通过台架试验与田间试验验证集排器的排种性能，以期为小粒径种子型孔轮式集排器关键部件的设计提供参考。

1 总体结构与工作过程

1.1 总体结构

小粒径种子精量直播机结构如图1所示，由地轮驱动装置、排种电机、集排器、导种管、开种沟装置、排肥装置、旋耕装置、机架、开畦沟装置等组成，可实现旋耕、开沟、施肥、6或8行播种等功能。

图1 小粒径种子精量直播机结构示意图

型孔轮式集排器是直播机的核心装置，集排器结构如图2所示，主要由种箱、型孔轮、储种室、排种轴、卸种集种槽、集排器壳体、落种口、风机等组成。型孔轮是决定集排器排种性能的关键部件，其主要结构为抛物线型孔和环槽凸台。

图2 型孔轮式集排器与型孔轮结构示意图

1.2 集排器工作过程

集排器工作过程及原理见图3，种子由种箱进入储种室，形成具有一定种层高度的种群，排种轴带动型孔轮转动扰动储种室种群，种子因种群作用力、自身重力、型孔作用力充入型孔，型孔轮携带种子转过一定角度后，种子因重力及离心力脱离型孔，种子沿切向进入落种口引导槽，在引导槽的约束下进入导种管，经导种管落入种沟完成排种过程。落种口由圆弧形导槽和气流通道构成，当排种芝麻等球形度低、流动性差种子时，风机输送气流能够提高种子在导种管内的运移速度，避免种子滞留导种管。集排器壳体与种箱连接处设置槽口，通过调整种箱安装高度可以调节储种室种层高度，以改善充种性能；种箱出种口与储种室隔板使型孔轮对应种群相互独立，依据不同作物行距要求拆装行数调节堵头，实现6～8行排种。

图3 集排器排种原理图

2 型孔轮设计与参数分析

2.1 型孔轮结构

型孔轮是决定集排器排种性能的重要部件，其主要设计参数包括型孔数、型孔与环槽凸台搅种结构参数等，型孔数受种植农艺、机具作业速度等影响；型孔结构由径向截面和轴向截面确定，合理设计型孔结构是实现稳定充种和避免型孔卡种的关键；环槽凸台搅种结构有利于增加种群流动，改善充种性能。

2.1.1型孔数确定

农艺种植参数是型孔轮设计的重要依据，油菜、芝麻、小白菜种植农艺参数[15-17]见表1。

表1 种植农艺参数

排种频率由农艺种植密度要求及出苗率决定，穴距及型孔数计算式为

(1)

(2)

式中lh——穴距，mm

k——每个型孔平均充种数量，取2

N——播种行数

u——出苗率，%

B——播种机幅宽，取1.8 m

Qf——种植密度，株/hm2

Z——单个型孔轮型孔数

vm——播种机前进速度，取3.5 km/h

n——型孔轮转速，取25 r/min

机具前进速度为2～5 km/h，型孔轮转速为 10～40 r/min，型孔轮直径为120 mm[18]，直播机幅宽为1.8 m，可采用225 mm等行距播种8行油菜、小白菜或300 mm等行距种植6行芝麻。油菜出苗率取43%[15,19]，田间预试验得出芝麻、小白菜出苗率分别为38%、50%，采用(2±1)粒/穴精量穴播，取表1种植密度范围均值，计算得平均穴距为84.94、135.11、118.52 mm，计算并圆整得油菜、芝麻、小白菜型孔轮型孔数Z为27、17、20。

2.1.2型孔径向截面结构

抛物线各点斜率连续均匀变化并在最低点处斜率为零，有利于保证充种、投种过程种子平稳运移及将种子稳定在型孔底部；通过设置倒角、引种槽或采用倾斜型孔可以提高充种时间、改善充种效果[10,13,20-21]，因此设计一种径向截面为倾斜抛物线结构的型孔，以抛物线对称轴和顶点分别为y轴和原点建立直角坐标系，(0，-H)为型孔轮圆心，见 图4，抛物线倾斜前后与圆交点坐标关系满足

图4 型孔径向截面示意图

(3)

式中x、y——未旋转抛物线与圆交点坐标，mm

x1、y1——抛物线旋转后与圆交点坐标，mm

p——抛物线焦准距，mm

H——抛物线顶点至圆心距离(顶心距)，mm

R——型孔轮半径，取60 mm

r——环槽凸台深度，mm

θ1——抛物线倾斜角，(°)

种子物料特性是型孔设计的依据，每种作物随机选取250粒种子，统计结果见表2。种子三轴尺寸最大和最小值可依据“3σ”原理用均值和3倍标准差近似表示[8]。

表2 种子物料参数

为保证型孔深度能够有效约束种子、型孔长度应能够至少容纳一粒最大粒径种子并避免充入3粒以上种子，型孔深度及长度应满足

(4)

式中h1——抛物线倾角为θ1时型孔深度，mm

xA1、yA1——点A1横、纵坐标，mm

xB1、yB1——点B1横、纵坐标，mm

xC1、yC1——最低点C1横、纵坐标，mm

σa——种子长度标准差，mm

lA1B1——抛物线旋转后型孔长度，mm

当抛物线倾斜角θ1为0时，满足

(5)

式中h——抛物线倾斜角为0时型孔深度，mm

lAB——抛物线倾角为0时型孔长度，mm

由式(3)～(5)知，当型孔轮半径R一定时，型孔长lA1B1由环槽凸台深度r、抛物线顶点至圆心距离(顶心距)H、焦准距p及抛物线倾斜角θ1确定，随H增大而减小，随p和θ1增大而增大。当r取仿真较优值0.5、0.2、0.4 mm时，依据式(4)、(5)及表2中种子三轴尺寸计算得型孔长度lA1B1及抛物线顶点至圆心距离(顶心距)H，并借助SolidWorks软件抛物线参数化设计方法分析确定焦准距p和抛物线倾斜角θ1取值范围，各参数取值范围见表3。

表3 型孔径向截面参数范围

2.1.3型孔轴向截面结构

型孔宽度和侧边倾斜角是影响卡种的主要因素，当型孔宽度小于种子最大长度时，型孔易出现单粒卡种及漏充；因此，型孔宽度应略大于种子最大长度以便于充种并控制充种数量；型孔轴向截面以单粒充种为主，结构如图5所示。增大型孔侧边倾斜角有利于顺利卸种，华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢与ABS型孔轮静摩擦角分别为16.7°、26.1°、14.7°，侧边倾角系数Kζ初始值取1.0。为保证型孔两侧种子因翻转力矩进入型孔，型孔两侧环槽宽度应不大于种子最大长度一半，当环槽凸台宽度取较大值有利于将更多种子引导进入型孔，因此取型孔两侧环槽宽度为种子最大长度一半；当宽度系数Kw初始值取1.1时，华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢型孔顶宽L1分别为3.39、4.02、2.33 mm，环槽凸台宽度L分别为6.47、7.67、4.45 mm，型孔轴向截面结构参数几何关系为

图5 型孔轴向截面示意图

(6)

式中amax——种子长度最大值，mm

L2——型孔底宽，mm

ζ——型孔侧边倾角，(°)

φ——种子与型孔轮静摩擦角，(°)

2.1.4搅种结构设计

增大环槽凸台深度r(图4)可以增强搅种效果，但r不应过大，以避免环槽凸台拖带种子造成重播率增加，r应不大于种子最小高度一半，华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢对应环槽凸台深度r上限分别为0.61、0.30、0.56 mm。两型孔中间位置设置凸台，凸台长度l(图4)取两型孔中间弦长的1/3，型孔数Z分别取27、17、20，当取表3型孔长度均值时，由

(7)

计算并圆整得华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢凸台长度l分别为3、6、5 mm。

2.2 充投种过程力学分析

2.2.1充种过程

充种是排种过程首要环节，采用穴播方式每次囊取(2±1)粒种子，为简化分析过程将被囊取种子视为整体，并且以型孔长度方向分布2粒种子、宽度方向1粒种子为例进行分析，充种过程种子受力示意图如图6所示，受力平衡方程为

图6 充种过程受力分析

(8)

式中Ff——型孔与被囊取种子的摩擦力，N

Fc——被囊取种子的惯性离心力，N

FZ——被囊取种子受种群垂直压力[22]，N

G——被囊取种子重量，N

α——起始充填角，(°)

FN——型孔对被囊取种子的支持力，N

δ——抛物线型孔右侧壁切线角(型孔和环槽底部圆弧右侧交点(参照图4中点A1)处抛物线切线与被囊取种子质心和型孔轮圆心连线夹角)，(°)

FH——被囊取种子受到种群水平压力，N

μ——型孔与被囊取种子的摩擦因数

m0——种子千粒质量，g

S——被囊取种子截面积，m2

γ——物料重度，N/m3

Rh——被囊取种子液力半径，m

K——侧压系数

fs——种子与储种室静滑动摩擦因数

Hs——被囊取种子与种层上表面距离，m

φi——物料的内摩擦角，(°)

g——重力加速度，取9.81 m/s2

整理式(8)得

(9)

根据受力平衡方程可知，起始充填角α受被囊取种子截面积S、重度γ、千粒质量m0、内摩擦角φi、种子与储种室系静滑动摩擦因数fs、种子与型孔轮摩擦因数μ、型孔轮半径R和转速n、储种室种层高度hs及抛物线型孔右侧壁切线角δ共同影响。当种子类别、型孔轮与储种室材质、型孔轮转速n确定后，起始充填角α主要受型孔右侧壁切线角δ影响，对α关于δ求导，并借助SolidWorks软件抛物线参数化设计方法分析确定δ随焦准距p、抛物线倾斜角θ1变化规律及取值范围，可知型孔长度一定时，适当减小焦准距p，增大θ1能够增大右侧壁切线角δ及起始充填角α，延长充种时间，有利于改善充种性能[23]，但增大δ同时会降低种群扰动量，有降低充种性能趋势[24]，拟借助仿真和试验确定上述因素对充种性能的影响规律。

2.2.2投种过程

被囊取种子转过一定角度进入投种区，种子应能顺利投种，种子脱离型孔瞬间受力如图7所示。

图7 投种过程受力分析

投种过程受力方程为

(10)

式中β——初始投种角，(°)

F′N——投种时被囊取种子受型孔支持力，N

ε——型孔左侧壁切线角(型孔与环槽底部圆弧左侧交点(参照图4中点B1)处抛物线切线与被囊取种子质心和型孔轮圆心连线夹角)，(°)

F′f——投种时被囊取种子受型孔摩擦力，N

由式(8)、(10)整理可得

(11)

(12)

由式(11)可知，当型孔左侧壁切线角ε一定时，初始投种角β随惯性离心力Fc增大而增大，随型孔与被囊取种子摩擦因数μ增大而减小；由式(12)可知，当型孔轮转速n一定时，初始投种角β随型孔左侧壁切线角ε增大而增大；借助SolidWorks软件抛物线参数化设计方法分析得出，在表3设计参数范围内，当型孔长度一定时，随焦准距p减小和抛物线倾斜角θ1增大，型孔左侧壁切线角ε呈增大趋势，因此增大转速n、抛物线旋转角θ1或者减小型孔与种子摩擦因数μ、焦准距p，使初始投种角β增大，增加投种时间，促进顺利投种。

由充种和投种过程力学理论分析可知，起始充填角α、初始投种角β受焦准距p和抛物线倾角θ1共同影响，型孔长度一定时，适当减小p、增大θ1，有利于增大起始充填角和初始投种角，改善充种和投种性能；但减小p、增大θ1使型孔右侧壁切线角δ增大，型孔对种子约束能力增加，充种粒数及重充率有增大趋势，拟借助EDEM离散元仿真分析得出焦准距p和抛物线倾角θ1较优值。

3 充种性能仿真

3.1 仿真模型建立

利用EDEM软件仿真分析型孔轮结构参数对充种性能的影响规律，采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型，油菜、小白菜种子粒径分布选用“normal”正态分布模型，使用均值和3倍标准差计算粒径上下限；芝麻采用“fixed”模型，由14个半径0.45 mm小球填充，三轴尺寸参照表2设置。充种过程种子仅与ABS工程塑料材质的储种室、型孔轮、落种口接触，ABS密度为1 060 kg/m3、泊松比为0.394、剪切模量为8.96×108Pa。油菜、芝麻、小白菜分别选用华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢，芝麻、小白菜仿真参数参照文献[25-26]试验方法，借助卓精BSM-520.3型电子天平、游标卡尺、TMS-PRO型质构仪、Phantom v1840型高速摄影仪等测定，油菜[14]、芝麻、小白菜仿真参数见表4，芝麻仿真模型见图8。

表4 仿真参数

图8 芝麻充种性能EDEM仿真模型

3.2 型孔结构对充种性能影响

型孔结构包括型孔径向截面与轴向截面，开展EDEM仿真以确定型孔径向截面与轴向截面结构尺寸对充种性能与卡种的影响规律及其较优值。仿真预试验得适宜种层高度hs(图3)为20～40 mm，取均值30 mm；创建颗粒工厂分别生成华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢种子80 000、80 000、180 000粒；转速取25 r/min，每次统计60个型孔的充种粒数，(2±1)粒/穴为合格，0粒/穴为漏充，超过3粒/穴为重充，计算充种合格率、重充率、漏充率。

3.2.1型孔径向截面结构对充种性能影响

由表5可知，顶心距H、焦准距p对充种性能影响因品种不同存在差异：顶心距H对华油杂62充种合格率影响极显著(P<0.01)、对重充率影响显著(P<0.05)，焦准距p对华油杂62漏充率影响极显著(P<0.01)；顶心距H对航天新芝T31-8充种性能指标影响均极显著(P<0.01)；焦准距p对五月慢漏充率与充种合格率影响极显著(P<0.01)，对重充率影响显著(P<0.05)；其余各项不显著。

表5 顶心距和焦准距对充种性能影响规律

由试验数据可知，当顶心距H取最小值、焦准距p取最大值时重充率或漏充率普遍较高，合格率较低，由充种过程理论分析可知，当型孔长度为定值，减小顶心距H或增大焦准距p时抛物线倾角θ1取值变小，使型孔右侧壁切线角δ和起始充填角α减小，充种时间和支持力FN沿型孔轮圆心方向分力减小(图6)，充种性能降低；当焦准距p较小，如华油杂62焦准距p分别为0.78、1.04、1.30 mm时，型孔右侧壁能够有效约束种子实现顺利充种，此时型孔充种性能主要受顶心距H影响，顶心距H减小使型孔深度及容积增大，重充率增加；当焦准距p为1.56 mm时，型孔右侧壁切线角δ过小，型孔无法有效约束种子实现顺利充种，当顶心距H减小型孔右侧壁切线角δ进一步减小，充种性能降低，漏充率较高。由极差分析确定华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢顶心距H较优水平值为58.0、58.0、58.6 mm,焦准距p较优值为0.78、0.93、0.81 mm，结合式(5)得出顶心距H较优值为

(13)

当顶心距H、焦准距p取上述较优值时，进一步分析抛物线倾角θ1对充种性能影响规律。华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢抛物线倾角θ1上限值分别为50.41°、41.07°、53.43°。因抛物线倾角θ1过小时，型孔对种子约束能力降低，充种性能下降；仿真预试验得出为实现良好充种，抛物线倾角θ1下限值可取0.75倍上限值，并将抛物线倾角θ1范围4等分，仿真结果见表6。由表6可知，当顶心距H、焦准距p取定值时，随抛物线倾角θ1增大，型孔长度和容积增大，且型孔右侧壁对种子约束能力增强，充种时间延长，重充率有升高趋势、漏充率有降低趋势。以充种合格率最高、漏充率与重充率均较低为标准，华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢型孔抛物线倾角θ1较优值分别为46.21°、37.65°、48.98°。

表6 型孔抛物线倾角θ1对充种合格率影响规律

3.2.2型孔轴向截面结构对充种性能影响

为研究型孔轴向截面参数对充种性能及卡种的影响规律，参照式(6)宽度系数Kw分别取1.1、1.2、1.3，侧边倾角系数Kζ分别取0、0.5、1.0；型孔径向截面参数取3.2.1节较优值，仿真结果见表7。由结果可知，随宽度系数Kw增大和侧边倾角系数Kζ减小，因型孔容积增大，充种粒数及重充率有增大趋势；当侧边倾角系数Kζ为0、宽度系数Kw取1.3时华油杂62和五月慢型孔均因卡种造成漏充；主要原因为：设计参数范围内随宽度系数Kw增大、侧边倾角系数Kζ减小，型孔宽度增大，充种时粒径较小的两粒种子并排充入型孔概率增大，因充种时种群作用力、种子重力及惯性力使种子产生微小形变卡入型孔，投种过程当离心力与重力无法克服型孔侧边的摩擦力阻碍作用时产生卡种现象；当宽度系数Kw取1.1、侧边倾角系数Kζ取1.0时，充种合格率较高，此时，宽度方向种子以单粒形式充入型孔，因型孔宽度略大于种子粒径，型孔侧边对种子挤压及摩擦作用较小，且型孔倾斜侧边对种子支持力的径向分力有利于种子脱离型孔，避免卡种。因此宽度系数Kw、侧边倾角系数Kζ较优值分别为1.1、1.0，此时型孔能够实现(2±1)粒/穴精量充种，且能够避免卡种。

表7 型孔轴向截面参数对充种性能影响规律

3.3 搅种结构对充种性能影响

合理设计型孔轮搅种结构能够促进种群扰动、改善充种性能，为探究搅种结构参数对充种性能的影响规律及其较优值，以华油杂62型孔轮为例开展分析。选取3.2节较优型孔结构，保证型孔结构不变的前提下，研究无搅种、仅环槽且r为0.5 mm以及环槽凸台深度r分别为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm 时充种性能，充种性能统计结果见表8，充种效果及充种区种子平均速度见图9、10。

表8 不同搅种结构时充种性能

图9 充种效果仿真图

由表8可知，当采用无搅种、仅环槽且r为 0.5 mm 及环槽凸台深度r分别为0.1、0.2、0.3、0.4 mm 时漏充率较高，结合图10可知，此时型孔轮搅种能力不足，充种区种群平均速度较小，种子与型孔相对速度较大，充种时间短导致漏充率偏高；当环槽凸台深度r为0.6 mm时，充种区种子平均速度最大，型孔平均充种粒数增大且存在种子被环槽凸台拖带现象，造成重充率增大；华油杂62型孔环槽凸台适宜深度r为0.5 mm，此时充种合格率为98.33%。采用相同方法得出航天新芝T31-8、五月慢的环槽凸台深度r分别为0.2、0.4 mm时充种合格率较高，均为96.67%。

图10 搅种结构对充种区种子平均速度影响规律

分析可知，环槽凸台结构参数主要受种子三轴尺寸及球形度影响，避免环槽凸台拖带种子的前提下，环槽凸台深度r取较大值能够改善充种性能。结合表2可知，环槽凸台深度r较优值计算式为

(14)

ψ——球度，%

3品种预测值依次为0.47、0.24、0.39 mm，与仿真结果基本一致。

3.4 种层高度和转速对充种性能影响

种层高度和转速是影响充种性能的重要因素，在确定型孔轮结构较优参数基础上，选取排种轮转速n、种层高度hs(图3)为试验因素，转速取值范围10～40 r/min，种层高度20～40 mm，两因素均等间隔设置4个水平；以充种合格率、重充率、漏充率为试验指标，开展双因素全面仿真试验，每组试验统计60穴，试验方案与仿真结果见表9。

表9 种层高度和转速对充种性能影响仿真结果

在试验条件下排种轮转速n、种层高度对充种合格率影响均不显著(P>0.05)，集排器充种性能稳定。转速对3种作物漏充率影响均极显著(P<0.01),对华油杂62、航天新芝T31-8重充率影响显著(P<0.05)，对五月慢重充率影响极显著(P<0.01)；种层高度对3种作物漏充率影响均极显著(P<0.01)，对华油杂62、五月慢品种的重充率影响极显著(P<0.01)，对航天新芝T31-8重充率影响显著(P<0.05)；较优参数为转速20～30 r/min，种层高度26.7～33.4 mm，3品种合格率为95.00%～98.33%。

4 集排器性能台架试验

4.1 充种性能台架试验

为验证EDEM仿真的准确性及台架试验条件下实际充种效果，根据华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢较优结构参数：顶心距分别为58.0、58.0、58.6 mm，焦准距p分别取0.78、0.93、0.81 mm，抛物线倾角θ1分别为46.21°、37.65°、48.98°，型孔宽度系数Kw取1.1、侧边倾角系数Kζ取1.0，环槽凸台深度r分别为0.5、0.2、0.4 mm，3D打印各型孔轮；参照表9取华油杂62、航天新芝T31-8排种轮转速n为30 r/min、种层高度hs为33.4 mm，五月慢排种轮转速n为20 r/min、种层高度hs为26.7 mm；借助Phantom v1840型高速摄影仪拍摄充种过程，每个型孔轮统计60型孔，每个品种统计8个型孔轮共计480型孔，试验过程见图11，试验结果见表10。由结果可知，华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢仿真与台架充种合格率相差分别为1.45、2.09、2.50个百分点，实际充种性能与仿真基本一致，仿真结果可用于预测实际充种效果，集排器充种性能良好。

图11 充种性能验证试验

表10 各品种较优型孔充种性能试验

4.2 排种性能台架试验

为验证集排器排种性能，使用JPS-12型排种性能试验台开展排种性能试验，以破损率、漏播率、穴粒数合格率、重播率与穴距合格率为评价指标。统计破损率时，试验前人工剔除破损种子，以25 r/min排种5 min，取样不少于50 g，人工挑选出破碎种子并称量，每组重复3次，统计得出各品种平均破损率分别为0.31%、0.41%、0.34%，均满足国标要求。穴粒数合格率与穴距合格率每次统计120穴，均重复测试5次取均值，(2±1)粒/穴为合格，华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢理论穴距分别为100、135、100 mm，排种性能试验台种带速度vm计算式为

(15)

试验效果见图12，试验结果见表11。分析可知，因种子投种时间存在差异，落种过程种子与落种口、导种管碰撞等，造成穴粒数合格率均低于4.1节高速摄影得出的充种合格率，差值分别为4.88、4.58、5.16个百分点，穴距合格率分别为83.67%、81.83%、82.50%。

图12 排种性能试验种子分布

表11 排种性能试验结果

5 田间试验

为验证小粒径种子精量直播机田间作业性能，分别于2021年6月2日、9月27日在华中农业大学现代农业科技试验田开展芝麻、油菜播种试验，选用航天新芝T31-8、华油杂62品种，种层高度30 mm，直播机牵引动力为东方红LX-954型拖拉机，采用慢2挡，额定速度3.36 km/h，分别采用300、225 mm等行距播种6行芝麻和8行油菜，理论穴距分别为135、100 mm，试验过程及出苗效果见图13。

图13 田间播种试验

参照NY/T1143—2006《播种机质量评价技术规范》、NY/T2709—2015《油菜播种机作业标准》，在播种20 d后随机选取5厢，每厢随机选取1 m，测得航天新芝T31-8平均出苗数为1.15株/穴，穴株数合格率85.77%((2±1)株/穴)，穴距合格率75.51%(68～203 mm)；华油杂62平均出苗数为1.16株/穴，穴株数合格率89.67%((2±1)株/穴)，穴距合格率81.54%(50～150 mm)，满足芝麻、油菜精量穴播要求。

6 结论

(1)基于华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢种子物料特性与(2±1)粒/穴精量穴播农艺要求，设计一种采用倾斜抛物线型孔充种、环槽凸台搅种型孔轮，完成精量穴播集排器和直播机整机结构设计。

(2)EDEM仿真分析了型孔和搅种结构参数对充种性能的影响规律，确定了型孔轮主要结构参数的较优值，得出了依据种子物料特性确定抛物线顶点至型孔轮中心距离、型孔侧边倾角及环槽凸台深度较优值的计算方法。借助高速摄影仪与JPS-12型排种性能试验台开展台架验证试验，得出较优结构和运行参数条件下华油杂62、航天新芝T31-8、五月慢充种合格率分别为96.88%、94.58%、95.83%，穴粒数合格率分别为92.00%、90.00%、90.67%，穴距合格率分别为83.67%、81.83%、82.50%。

(3)田间试验表明，航天新芝T31-8平均出苗数为1.15株/穴，穴株数合格率85.77%((2±1)株/穴)，穴距合格率75.51%(68～203 mm)；华油杂62平均出苗数为1.16株/穴，穴株数合格率89.67%((2±1)株/穴)，穴距合格率81.54%(50～150 mm)，满足芝麻、油菜精量穴播要求。