李兆東，楊文超，武堯堯，何 順，王韋韋，陳黎卿

·農業(yè)裝備工程與機械化·

油菜氣力盤式精量排種器槽齒輔助充種性能分析與試驗

李兆東1,2，楊文超1,3，武堯堯1，何 順1，王韋韋1,2，陳黎卿1,2※

（1. 安徽農業(yè)大學工學院，合肥 230036；2. 安徽省智能農機裝備工程實驗室，合肥 230036；3. 中國農業(yè)大學工學院，北京 100083）

針對油菜氣力盤式精量排種器高速排種過程中存在漏播嚴重和工作負壓需求大的問題，該研究提出了一種槽齒定向擾動輔助充種種盤，采用質點動力學分析、EDEM軟件、高速攝像技術和正交試驗相結合的方法，對不同槽齒型式和槽齒厚度的種群流動性與輔助充種性能進行了研究。使用EDEM軟件模擬分析了不同槽齒型式和槽齒厚度對種群流動性的影響，以種群平均動能和種群平均動能總和為量化指標，得出齒厚0.5～1.5 mm的直線型槽齒具有較好的輔助充種作用，有助于改善種子流動性和抑制種群拖帶。選用華油雜62為試驗材料，進行了槽齒型式優(yōu)選試驗，并以優(yōu)選出的槽齒型式為對象開展了槽齒厚度、種盤轉速和工作負壓對充種性能影響的試驗研究。結果表明：在工作負壓不小于1 500 Pa條件下，作業(yè)速度小于6.0 km/h時，3種槽齒型式種盤的充種性能差異較小，當作業(yè)速度為6.0～9.5 km/h時，直線型槽齒輔助充種性能優(yōu)于圓弧型槽齒和無槽齒的平面盤；三因素四水平正交試驗優(yōu)選出槽齒厚度為1.0 mm時充種性能最優(yōu)，并明確了槽齒厚度、工作負壓和作業(yè)速度對充種性能的影響規(guī)律；在槽齒厚度為1.0 mm、工作負壓1 500～2 500 Pa、作業(yè)速度2.6～9.5 km/h條件下，種子吸附合格率不低于96%，漏吸率不大于4%。研究結果可為油菜氣力盤式高速精量排種器結構優(yōu)化設計提供參考。

農業(yè)機械；種子；試驗；氣力式排種器；充種性能；油菜

0 引 言

油菜是重要的油料作物，其用途日趨多樣化，兼具蔬菜、能源、綠肥、飼料、蜜源、旅游等[1]。長江流域是油菜主產區(qū)，機直播合理密植是提高油菜生產效益與肥料利用效率的重要途徑[2]。

油菜精量排種器是調控直播機播種量的核心部件，其工作性能決定了種植質量[3-4]。氣力式排種技術具有傷種率低、種子適應性好、播量可調范圍大等優(yōu)點[5-7]。國內外學者從不同角度進行了排種器充種性能相關研究。Anantachar等[8]通過優(yōu)化充種室結構提高了充種性能。邢赫等[9]為改善不同種類水稻精量直播，基于多流道吸室結構設計了水稻播量可調氣力式排種器。賈洪雷等[10-12]根據(jù)理論分析在種盤增設輔助裝置可提高充種性能。Gaikwad等[13]采用振動擾種與針孔吸附組合技術為蔬菜育秧開發(fā)了一種氣力式排種器。崔濤等[14]為解決低功耗下玉米充種效果差等問題，研制了一種內充氣吹式玉米精量排種器。Li等[15-17]應用EDEM軟件仿真了油菜、大豆、玉米等排種裝置工作過程中種子顆粒的運動特性，為排種裝置結構優(yōu)化提供依據(jù)。Arzu等[18-19]對氣吸式精量排種器的工作負壓和吸孔直徑進行了優(yōu)化，旨在提高播種粒距的均勻性。Yazgi等[20-21]研究了氣力式排種器吸室真空度、吸孔直徑、吸孔數(shù)量和種盤轉速對排種性能影響試驗，建立了參數(shù)之間的數(shù)學模型。叢錦玲等[22]運用高速攝像技術對充種區(qū)油菜和小麥種子層的流動特性進行了研究。Wang等[23]結合高速攝像與圖像目標追蹤技術分析了玉米種子落種軌跡運移規(guī)律。廖宜濤等[24]運用高速攝像技術拍攝連續(xù)運移的型孔，進行了吸種效果影響因素研究。上述研究表明，在種盤上增設輔助充種裝置或優(yōu)化充種室結構可有效提高不同作物氣力式排種器的排種性能，理論分析、數(shù)值模擬、高速攝像和試驗優(yōu)化等手段尋求提高排種性能的關鍵要素取得了較佳的試驗效果。然而，針對現(xiàn)有油菜氣力盤式精量排種器高速排種過程中種子難以從無序堆積的種群中快速分離被吸孔精準捕獲并穩(wěn)固吸附、易產生漏吸降低排種性能的問題仍是需要解決的技術難點。

作者團隊基于輔助充種原理，采用種盤自擾動與吸孔吸附組合技術設計了一種油菜氣力槽齒盤式精量排種器[25]，但槽齒結構對充種性能的影響尚不清楚。本文采用質點動力學理論、EDEM數(shù)值模擬、高速攝像技術和正交試驗相結合的方法，進行油菜氣力盤式精量排種器槽齒輔助充種性能分析與試驗研究，以明確槽齒輔助充種的關鍵要素和各試驗因素對試驗指標的影響規(guī)律，旨在為油菜氣力盤式精量排種器結構優(yōu)化提供依據(jù)。

1 油菜氣力式精量排種器結構與工作原理

1.1 排種器結構組成

油菜氣力槽齒盤式高速精量排種器采用多行并聯(lián)組合的方式實施播種，主要由氣力槽齒盤式排種器、氣流分配器、氣力管道、輸種管道、旋渦風泵和種溝開溝器等組成，如圖1a所示。其中氣力槽齒盤式排種器是實施精量播種的核心工作部件，如圖1b所示。

1. 氣流分配器 2.氣流主管道 3.氣流支管道 4.旋渦風泵 5.排種器 6.輸種管道 7.種溝開溝器 8.種箱 9.充種室 10.排種殼體 11.種盤 12.正壓管 13.導種管 14.負壓管 15.傳動軸 16.吸室殼體 17卸種篩 18.種箱蓋 I.吸種區(qū) II.投種區(qū) III.過渡區(qū)

表1 氣力槽齒盤式精量排種器主要技術參數(shù)

1.2 槽齒輔助充種原理

排種器工作時，種箱內無序堆積的種群在重力作用下流入充種室，傳動軸帶動種盤轉動，種盤上的槽齒對充種室內的種群定向擾動，打破種群在重力作用下形成擠壓堆積的穩(wěn)定狀態(tài)，與種盤接觸的薄層種子在槽齒的作用下快速從種群中分離出來，被種盤上均勻分布的型孔精確捕獲并吸附隨種盤轉動，進入投種區(qū)時，在正壓氣流作用下種子與型孔分離進入導種管并經由輸種管道落出，完成排種過程。假定油菜種子為材質均勻的剛體，以吸附單顆種子為對象，不考慮種子之間碰撞以及振動等因素影響，建立槽齒與種子相互作用下吸孔吸附種子的力學模型，如圖2所示。

注：G為種子重力，N；Fl為種子離心力，N；F￠f為槽齒作用下種子間的內摩擦力，N；T￠為槽齒作用下Fl、G與F￠f矢量合外力，N；F￠s為槽齒盤吸孔對種子的吸附力，N；FN為擾種齒對種子的等效支持力，N；N為側面矢量合外力，N；θ為T￠與FN作用線間夾角，(°)，θ∈[0°,90°)；B為種子重心到種盤吸種面的距離，m；C為擾種齒厚度，m；ω為種盤角速度，rad·s-1；R為吸孔回轉半徑，m；d為吸孔直徑，m。

根據(jù)質點動力學理論，槽齒定向擾動作用下種子受力方程為

由式（1）可得：

式中0為無輔助擾種作用下吸孔捕獲單顆種子所需吸附壓強，Pa；F為無輔助擾種下種子間的內摩擦力，N；

2 槽齒輔助充種數(shù)值模擬

槽齒輔助充種增大了種群的擾動強度，改善充種室內種群的流動性，利于種子從種群中分離被吸附[11,26-28]。

根據(jù)上文槽齒定向擾動下吸孔吸附單粒種子瞬間所需最小吸附壓強可知，當吸孔直徑一定時，在種盤上增設一定厚度的槽齒比無槽齒條件下吸孔吸附種子所需的吸附壓強要小。本文以油菜氣力盤式精量排種器為對象，借助離散元軟件EDEM進行槽齒結構對種群定向擾動的仿真分析，并通過臺架高速攝像試驗驗證，探尋不同槽齒擾動下種群流動性對排種器充種性能的影響。

2.1 種盤結構

仿真試驗采用的3種種盤結構型式如圖3所示。為較好地約束變量，各種盤型孔數(shù)量、型孔位置、型孔直徑均一致，圓弧型槽齒盤和直線型槽齒盤的齒數(shù)、齒厚、齒槽寬和齒高均相同。

圖3 種盤結構示意圖

種盤輔助充種是依靠槽齒厚度對種群實施定向擾動，使少量種子快速脫離種群束縛，有助于少量種子與吸孔緊密接觸，實現(xiàn)精確吸附。由于槽齒僅對貼近種盤的薄層種群進行擾動，因此槽齒厚度應不大于油菜種子的最大直徑，即

h≤max（5）

式中max為油菜種子的最大直徑，m。一般油菜種子最大直徑不大于2.5×10-3m[29]，故槽齒厚度的取值范圍h∈(0,2.5] ×10-3m。

皖江地區(qū)油菜機械化種植多集中在丘陵和平原地域，稻-油輪作是該區(qū)域最為典型的大田種植模式，丘陵區(qū)機組前進速度一般不超過5 km/h，平原區(qū)機組前進速度可達6～8 km/h[30-31]。為適應該區(qū)域油菜精量播種需要，本文設定理論株距為0.06 m[31]，一次性實現(xiàn)開畦溝、施肥、旋耕、開種溝、播種等聯(lián)合作業(yè)，配套動力一般在58.8 kW以上，選用東方紅拖拉機動力底盤和該排種器常用作業(yè)速度進行匹配，將作業(yè)速度設定為4個梯度，根據(jù)設定的理論株距換算出不同作業(yè)速度對應的種盤角速度對應關系，如表2所示。

表2 作業(yè)速度對應種盤角速度

2.2 數(shù)值模型建立

為提高仿真過程的運算速度，將排種器簡化為排種殼體、種箱和種盤，并將其三維模型導入EDEM軟件，根據(jù)實際加工的排種器，排種殼體和種盤材料為鋁合金。由于油菜種子球形度高且粒徑范圍差異小，仿真中油菜顆粒模型設為2 mm的硬球模型[29]。

考慮到油菜種子表面光滑且無黏附力，仿真采用Hertz-Mindlin接觸模型，種子和種盤材料參數(shù)及種子與種盤接觸參數(shù)設置參考文獻[32-33]。

2.3 EDEM仿真試驗方法

為明確槽齒定向擾動對種群流動性的影響，開展了帶有圓弧型槽齒、直線型槽齒和無槽齒3種型式種盤對種群擾動的仿真試驗，以種群平均動能量化不同種盤與種群相互作用后種子的流動程度，獲得較優(yōu)槽齒型式，再以較優(yōu)的槽齒型式為對象，探究不同槽齒厚度對種群流動性的影響，槽齒厚度設為0、0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 mm共6個梯度。設置5 000顆油菜種子，時間步長為1.72×10-5s，總仿真時間為10 s，提取3～10 s種子顆粒的平均動能。

2.4 EDEM仿真結果與分析

2.4.1 種盤型式對種群擾動強度的影響

本研究設計的排種器由電機驅動，所研制的播種機應同時適應丘陵區(qū)和平原區(qū)，其作業(yè)速度為3～8 km/h，本文以種盤常用角速度5.23 rad/s為例進行仿真，圖4為3種不同結構型式種盤輔助擾動下種群平均動能隨時間變化趨勢圖。從圖中可知：平面盤的種群平均動能在(0～0.2)×10-9J，仿真曲線幾乎沒有波動，說明無輔助擾動下種子的流動性較差；圓弧型槽齒盤的種群平均動能在(0.3～1.3)×10-9J，仿真曲線波動較為明顯，說明在圓弧型槽齒盤擾動下種子的流動性較好；直線型槽齒盤的種群平均動能為(0.5～1.3)×10-9J，仿真曲線波動明顯且波動強度比圓弧型槽齒盤更為劇烈，說明直線型槽齒盤對種群的擾動強度更大。由此得出3種種盤對種子流動性擾動強度從大到小順序為直線型槽齒盤、圓弧型槽齒盤、平面盤。

根據(jù)圖5仿真結果可知，當種盤角速度增大時，3種種盤的種群平均動能總和均呈明顯上升趨勢，而平面盤的種群平均動能總和波動很小且遠低于圓弧型槽齒盤和直線型槽齒盤；相同角速度下，直線型槽齒盤對種群輔助擾動特性明顯優(yōu)于平面盤和圓弧型槽齒盤，其數(shù)值從大到小排序為直線型槽齒盤、圓弧型槽齒盤、平面盤。直線型槽齒盤與種群相互作用時種子的瞬時流動性最為劇烈，且可以提供持續(xù)有效擾動，更容易在相互碰撞和負壓吸附等外力作用下進入型孔完成充種。由此看出，直線型槽齒盤具有輔助充種優(yōu)勢。

圖4 不同種盤的種子平均動能隨時間變化曲線

圖5 種盤轉速與種子平均動能總和之間的關系

2.4.2 槽齒厚度對種群擾動強度的影響

為進一步研究種盤輔助擾動裝置結構對種群流動性的影響，開展了槽齒厚度對種群擾動強度影響的仿真試驗。以種群平均動能作為量化種群擾動強度的指標，種盤角速度選取7.33和11.51 rad/s用于匹配中、高速作業(yè)工況，分別進行這2個速度下的仿真試驗，并獲取不同齒厚下種子顆粒的平均動能，結果如圖6所示。

從圖6a和6b可以看出，不同齒厚條件下種群平均動能曲線有明顯差異，隨著種盤齒厚的增加其種群平均動能曲線整體呈臺階式增長趨勢。轉速為7.33 rad/s時，齒厚從0增至1.0 mm時，平均動能曲線增幅較快，齒厚從1.0 mm增至2.5 mm時，平均動能曲線增幅相對較慢；11.51 rad/s下，不同齒厚下平均動能曲線增幅較為明顯，齒厚越大，種群平均動能越明顯。仿真結果說明槽齒厚度是打破種群堆積狀態(tài)的關鍵要素，增加齒厚可顯著改善種子的流動特性，利于少量種子從種群中快速分離并被吸孔捕獲后穩(wěn)固吸附。

根據(jù)上述分析，齒厚對種群拖帶有助于改善充種性能，但槽齒上易帶種導致排種精度下降，本文對齒厚1.5、2.0和2.5 mm的種盤帶種情況進行數(shù)值模擬。利用EDEM軟件中Analyst后處理模塊隨機捕獲3.25、5.25、7.25和9.25 s共4個時刻3種齒厚的種盤帶種情況，如圖7所示。根據(jù)4個瞬時時刻的仿真結果，齒厚1.5 mm的槽齒在充種區(qū)帶種不明顯，而齒厚2.0和2.5 mm的槽齒在充種區(qū)域上均存在明顯帶種現(xiàn)象（圖中黑色方框），隨著種盤轉動槽齒上的種子被直接拖帶至導種管中，造成重播。而對于無擾動的平面盤，增大種盤轉速對其平均動能影響不明顯，且數(shù)值在最低位徘徊，表明平面盤對種群擾動強度最小，難以將少量種子從種群中分離出來，影響種盤高速作業(yè)下的充種性能。通過EDEM仿真分析可知，擾種齒厚度0.5～1.5 mm時具有較好輔助充種優(yōu)勢，為進行臺架試驗提供依據(jù)。

圖6 不同轉速下齒厚對種子平均動能的影響

圖7 不同齒厚條件下充種區(qū)的種盤帶種情況仿真結果

3 臺架試驗

3.1 試驗設備

充種試驗在自主設計的排種器閉環(huán)控制性能檢測裝置上進行，該裝置主要由氣力槽齒盤式精量排種器、F-86BYG步進電機、控制器、旋轉編碼器、漩渦風泵（浙江森森牌HG-250型）、正負壓氣力管道、U型測壓計和i-velocity 3高速攝像系統(tǒng)（日本OLYMPUS 公司）等，試驗裝置如圖 8所示。試驗中，根據(jù)文獻[31]設定播種理論株距為0.06 m，由旋轉編碼器模擬油菜精量直播機行駛速度，再由控制器采集編碼器模擬車速的脈沖信號，控制排種步進電動機轉速。

3.2 試驗材料與方法

選用湖北國科高新技術有限公司生產的華油雜62成品種子為試驗材料，其千粒質量4.4 g，球形度91.5%，含水率7.6%。借助高速攝像技術進行槽齒優(yōu)選試驗和槽齒輔助充種性能試驗。根據(jù)仿真模型參數(shù)試制了無槽齒的平面種盤、圓弧型槽齒式種盤和直線型槽齒式種盤，試驗時將其分別安裝在油菜氣力式精量排種器上，為方便觀察，排種殼體采用透明材料加工。以優(yōu)選出的種盤為對象，以槽齒厚度、作業(yè)速度和工作負壓為試驗因素，以漏吸率和吸附合格率為試驗指標，進行三因素四水平正交試驗，探究各因素對充種性能的影響。

1.高速攝像 2.排種器 3.控制器 4.步進電機 5.旋轉編碼器 6.氣力管道 7.U型測壓計 8.旋渦風泵

利用高速攝像系統(tǒng)拍攝吸種區(qū)和過渡區(qū)2個區(qū)域的種子吸附和種子堵孔情況，吸種區(qū)種子吸附檢測是以種盤上的吸孔隨軸轉動離開充種室為觀察起始點，以吸孔轉至種盤最高點為觀察終點；過渡區(qū)種子堵孔檢測以吸孔隨種盤轉動離開投種區(qū)為觀察起始點，以吸孔轉至種盤最低點為觀察終點。每組試驗獲取并統(tǒng)計240個連續(xù)運移的吸孔影像，每組重復3次取平均值作為試驗結果。以GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》為參照，各試驗指標計算公式為

NP組患者的TTP為1.4～23個月，中位進展時間為8.2個月；TP組患者的TTP為1.6～22.3個月，中位進展時間為6.5個月；GP組患者的TTP為1.7～21.3個月，中位進展時間為7.9個月。3組患者的TTP比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。1年生存率的比較分析結果顯示，NP、TP以及GP組患者分別為72.22%，65.79%以及77.78%，3組比較，差異無統(tǒng)計學意義(P>0.05)。

式中為漏吸率，%；為吸附合格率，%；為堵孔率，%；為型孔理論吸附種子數(shù)；1為型孔吸附0粒種子穴數(shù)；2為1～2 粒種子穴數(shù)；3為種子堵孔穴數(shù)。

3.3 槽齒優(yōu)選試驗

表3為不同負壓條件下種盤優(yōu)選試驗結果。根據(jù)表3可知，在工作負壓為1 000～2 000 Pa條件下，種子漏吸率隨作業(yè)速度增大而上升，吸附合格率隨作業(yè)速度增大而降低；工作負壓小于1 500 Pa時，作業(yè)速度在4.3～9.5 km/h工況下，種盤型式對充種性能影響明顯，直線型槽齒盤最大漏吸率不大于20%，圓弧型槽齒盤最大漏吸率高于30%，平面盤最大漏吸率高于45%；工作負壓不低于1 500 Pa情況下，作業(yè)速度小于6 km/h時，各種盤漏吸率和吸附合格率差異不大，當作業(yè)速度超過6 km/h時，各種盤的漏吸率和吸附合格率差異明顯，直線型槽齒盤最大漏吸率小于8%，圓弧型槽齒盤最大漏吸率高于13%，平面盤最大漏吸率高于20%，直線型槽齒盤的充種性能均優(yōu)于其他2個種盤。

工作負壓1 000～2 000 Pa、作業(yè)速度為4.3～9.5 km/h范圍內，平面盤漏吸率超過45%、吸附合格率低于55%，圓弧型槽齒盤漏吸率超過30%，吸附合格率低于70%，直線型槽齒盤漏吸率低于20%、吸附合格率超過80%，高速攝像顯示，這3 種型式的種盤在試驗過程中均未出現(xiàn)吸孔堵塞情況，堵孔率為0。

結合仿真和臺架試驗，直線型槽齒盤對種群擾動強度最大且種子流動性最好，有助于少量種子從種群中快速分離被吸孔吸附，有效改善種盤在高速作業(yè)的充種性能。

表3 不同負壓條件下種盤型式對充種性能的影響

3.4 正交試驗

3.4.1 試驗因素水平

以優(yōu)選出的直線型槽齒盤為研究對象，選取仿真所用的4個作業(yè)速度4.3、6.0、7.8和9.5 km/h，工作負壓選取1 000、1 500、2 000和2 500 Pa，槽齒厚度選取0、0.5、1.0和1.5 mm，試驗因素水平如表4所示。

表4 試驗因素水平

為確定各試驗因素對試驗指標的影響，利用Design-Expert軟件進行試驗方案設計，并進行了極差和方差分析，如表5和表6所示。

由表5極差分析結果可知，種盤漏吸率越低、吸附合格率越高，其充種性能越好。影響漏吸率的主次順序為、、，影響吸附合格率的主次因素為、、；種盤漏吸率較優(yōu)組合為342，種盤吸附合格率較優(yōu)組合為34C1。根據(jù)吸附合格率和漏吸率的最優(yōu)參數(shù)組合可知，槽齒厚度為1.0 mm可有效提高吸附合格率、降低漏吸率。

由表6方差分析結果可知，槽齒厚度、工作負壓和作業(yè)速度對漏吸率均有顯著影響；槽齒厚度和工作負壓對吸附合格率影響顯著，作業(yè)速度對吸附合格率影響不顯著。槽齒厚度對漏吸率和吸附合格率均有顯著影響，由此看出，合理的種盤結構設計有助于改善充種室種群擾動強度，進而提高油菜籽粒精量充種性能。

表5 試驗方案及結果

注：、、分別為槽齒厚度、工作負壓和作業(yè)速度3個因素的編碼值，下同。

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

實際工作時，工作負壓由旋渦風泵提供，正常作業(yè)時工作負壓一般在合理區(qū)間波動，作業(yè)速度由拖拉機檔位控制，需根據(jù)實際工況實時切換檔位，而高速作業(yè)時種盤漏吸率高降低了排種性能，導致油菜出苗效果不佳，這是制約油菜高速精播的瓶頸。結合高速攝像分析可知，在固定工作負壓條件下，當槽齒厚度較小時，種盤對種群輔助擾動小，種子流動性差，不利于種子從種群中分離，以致高速作業(yè)時吸孔難以在短暫時間捕獲并穩(wěn)固吸附種子，導致漏吸率升高（見圖 9a）；當槽齒厚度較大時，種盤對種群輔助擾動大，種子流動性好，較多的種子被從種群中分離出來，但此時槽齒上會帶有少量的種子，導致部分吸孔有一定比例的重吸，降低了充種性能（見圖9b）；當槽齒厚度選擇適當時，種盤對種群定向擾動過程中，少量種子從種群中快速分離并被吸孔精準吸附（見圖9c）。解決了前期依靠更換大功率旋渦風泵增大工作負壓改善高速作業(yè)條件下油菜充種性能的問題。

表6 方差分析

注：**表示極顯著（< 0.01），*表示顯著（0.01 << 0.05）。

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

圖9 高速攝像捕獲不同齒厚條件下的種子吸附狀態(tài)

3.5 因素交互對充種性能影響分析

根據(jù)仿真和臺架試驗結果，為考查試驗因素對充種性能的影響規(guī)律，選取作業(yè)速度2.6、4.3、6.0、7.8、9.5 km/h和工作負壓1 000、1 500、2 000、2 500 Pa進行兩因素的不同槽齒厚度對充種性能影響的全因子對比試驗，如圖10所示。由試驗結果可知：當工作負壓一定時，隨著作業(yè)速度的增加，漏吸率逐漸上升、吸附合格率下降；在同一作業(yè)速度下，漏吸率隨工作負壓的增大逐漸降低，吸附合格率隨工作負壓的增大逐漸升高。當槽齒厚度為1.0 mm、工作負壓1 500～2 500 Pa、作業(yè)速度2.6～9.5 km/h條件下，吸附合格率不低于96%，漏吸率不大于4%。

3.6 多路排種性能試驗驗證

為進一步檢驗前述優(yōu)選試驗和正交試驗確定的較優(yōu)齒厚1.0 mm直線型槽齒盤對排種性能的影響，以4行串聯(lián)集中排種為例進行多路排種性能試驗，作用速度設定2.6～9.5 km/h共9個梯度，工作負壓2 200 Pa由HG-550型漩渦氣泵提供，氣力管路連接方式與田間播種保持一致。試驗時，待多路排種性能檢測試驗臺進入穩(wěn)定工作狀態(tài)后，采用集種筒收集4個排種器出種口排出的油菜種子，并用天秤稱出收集的油菜種子凈質量，收集過程以3 min為時間間隔，每組試驗重復5次。試驗結果如圖11所示，排種量隨作業(yè)速度的增加呈直線上升趨勢，排種速率可調范圍13～53 g/min，各行排量一致性變異系數(shù)低于3.5%，試驗過程中未發(fā)現(xiàn)種子破損現(xiàn)象，試驗結果滿足NY/T 1143—2006《播種機質量評價技術規(guī)范》和皖江地區(qū)油菜種植需要。

圖10 因素交互對吸附合格率和漏吸率的影響

圖11 作業(yè)速度對排種性能的影響

4 結 論

針對油菜氣力盤式精量排種器高速排種過程中因充種效果不佳導致漏播嚴重和工作負壓需求大的問題，提出了一種槽齒定向擾動輔助充種種盤，進行了槽齒輔助充種性能分析與試驗研究，主要結論如下：

1）不同槽齒型式和槽齒厚度對種子擾動強度的仿真分析結果表明，齒厚0.5～1.5 mm的直線型槽齒具有較好的輔助充種作用，有助于改善種子流動性和抑制種群拖帶。

2）工作負壓不低于1 500 Pa條件下，作業(yè)速度小于6.0 km/h時，3種型式種盤的充種性能差異較小，作業(yè)速度在6.0～9.5 km/h范圍內，直線型槽齒盤最大漏吸率小于8%，圓弧型槽齒盤最大漏吸率高于13%，平面盤最大漏吸率高于20%，表明直線型槽齒輔助充種性能優(yōu)于圓弧型槽齒和無槽齒的平面盤。

3）以直線型槽齒型式為對象進行了三因素四水平正交試驗，明確了槽齒厚度、工作負壓和作業(yè)速度對充種性能的影響規(guī)律；充種性能試驗結果表明，在槽齒厚度為1.0 mm、工作負壓1 500～2 500 Pa、作業(yè)速度2.6～9.5 km/h條件下，吸附合格率不低于96%，漏吸率不大于4%。

本文試驗過程中均未發(fā)現(xiàn)有種子破損，其原因在于：圓弧型槽齒和直線型槽齒對種群定向擾動過程中，貼近槽齒的薄層種子隨槽齒側向移動，由于油菜種子的球形度高、流動性好，種群隨機流動性大，槽齒與種子、種子與種子之間的相互作用力??；優(yōu)選出槽齒厚度為1.0 mm，僅為油菜種子平均直徑的一半，槽齒僅與貼近種盤表面的薄層種子相互作用，槽齒對種子的剪切作用很小，不足以使種子破損。影響該氣力式排種器充種性能的因素較多，如充種室結構型式、型孔結構型式與參數(shù)、種盤材料、充種高度、輔助充種機構型式與參數(shù)以及排種器振動等，后期將深入探討與種群有作用關系的排種器結構對充種性能的影響機理。

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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

李兆東，楊文超，武堯堯，等. 油菜氣力盤式精量排種器槽齒輔助充種性能分析與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，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

國家自然科學基金資助項目（51805004）；安徽省自然科學基金資助項目（1808085QE170）；安徽省教育廳科學研究項目（KJ2018A0135）

李兆東，博士，副教授，主要從事智能化農業(yè)裝備關鍵技術及應用研究。Email：Lizd@ahau.edu.cn

陳黎卿，教授，博士生導師，主要從事智能農機裝備設計理論與技術研究。Email：lqchen@ahau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.20.008

S223.2+3

A

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