王英博，李洪文，何 進(jìn)，王慶杰，盧彩云，劉 鵬，楊慶璐

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機械化·

機械式小麥射播排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗

王英博，李洪文※，何 進(jìn)，王慶杰，盧彩云，劉 鵬，楊慶璐

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部河北北部耕地保育農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測試驗站，北京 100083；3. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備優(yōu)化設(shè)計北京市重點實驗室，北京 100083）

針對機械式小麥射播排種器作業(yè)過程中存在的種子碰撞力較大、破損率高的問題，該研究采用TRIZ（Theory of the Solution of Inventive Problems）理論對小麥機械式射播排種器的關(guān)鍵部件參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過對種子在排種器內(nèi)部的運動學(xué)分析，確定了影響小麥種子與排種器內(nèi)部碰撞程度的因素為排種器轉(zhuǎn)速、葉片后傾部分曲率半徑與葉片安裝角度，采用EDEM軟件模擬小麥種子在排種器內(nèi)部的運動情況，以種子破損率、平均排種速度與播種深度變異系數(shù)為試驗指標(biāo)，進(jìn)行臺架試驗，結(jié)果表明，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，葉片后傾部分曲率半徑為40 mm，葉片安裝角度為15°時，種子破損率為1.1%，平均排種速度為32.5 m/s，播種深度變異系數(shù)為8.9%，滿足小麥播種作業(yè)要求。

機械化；優(yōu)化；小麥；排種器；射播；TRIZ；EDEM仿真；種子破損率

0 引 言

小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物，生產(chǎn)歷史悠久，種植面積廣泛[1-2]；播種是小麥生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定小麥個體在田間的分布狀況，進(jìn)而影響小麥的個體發(fā)育和群體質(zhì)量，對小麥的產(chǎn)量產(chǎn)生重要影響[3-5]。

現(xiàn)階段國外的小麥排種器主要為氣力式排種器，采用垂直圓盤內(nèi)充種形式，種子在內(nèi)部氣壓的作用下，壓附在型孔上，通用性較好，且傷種率較低，小區(qū)播種作業(yè)效率較高，但大田播種作業(yè)時播種均勻性較差，傷種率較高[5-6]；國內(nèi)主要采用傳統(tǒng)的機械式小麥播種機，結(jié)構(gòu)簡單，主要采用條播形式，槽輪式與窩眼式排種器的應(yīng)用較多，取種、清種、攜種作業(yè)過程中存在傷種現(xiàn)象，應(yīng)用較少[7-8]。此外，上述小麥播種機均采用排種器與開溝器配合作業(yè)的接觸式播種，由于開溝器、鎮(zhèn)壓輪等觸土部件影響播種后種子的位置，從而導(dǎo)致種子覆土深度穩(wěn)定性較差，種子也易與開溝器碰撞造成損傷。因此，部分學(xué)者進(jìn)行了氣力式非接觸小麥射播的研究，分析了不同土壤含水率、加速氣壓條件下的小麥播種效果，并研制了氣力式射播裝置，但目前并未進(jìn)行田間試驗和推廣應(yīng)用[9-11]。氣動式裝置采用高速氣流將小麥種子精準(zhǔn)投置于清潔土壤內(nèi)，作業(yè)時穩(wěn)態(tài)高速氣流可達(dá)到524 m/s，在稻麥輪作區(qū)可實現(xiàn)小麥種子精準(zhǔn)射播[12-13]。但由于華北地區(qū)壤土含水率與堅實度均低于稻麥輪作區(qū)黏濕土壤，高速氣流作業(yè)時易擾動土壤，氣動射播形式不適用于華北地區(qū)冬小麥播種。

發(fā)明問題解決理論（Theory of the Solution of Inventive Problems）主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，能夠提高設(shè)計研發(fā)效率，同時對機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新也具有重要的意義。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也有相關(guān)應(yīng)用。李金鳳等[14]基于TRIZ理論進(jìn)行豌豆割曬機功能分析，并采用“沖突解決原理”解決割曬系統(tǒng)中裝置可操作性與可靠性的關(guān)鍵技術(shù)難點；權(quán)龍哲等[15]采用TRIZ方法研究了根茬鏟挖與脫土過程的“物-場模型”，并采用“沖突解決原理”對鏟挖推送機構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，解決了系統(tǒng)執(zhí)行過程中低效、可靠性不足的問題；郝興玉等[16]應(yīng)用ARIZ（Algorithm for Inventive-Problem Solving）與TRIZ方法，對方草捆收集車及關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提升了機具作業(yè)效率與穩(wěn)定性。

針對上述接觸式播種覆土對種子深度影響的問題，本研究采用機械射播方式，以減少播種機觸土部件與土壤的接觸，減小土壤擾動與傷種情況；并針對機械式小麥射播排種器作業(yè)時種子破損率較高的問題，采用TRIZ理論的“沖突解決原理”，對葉片進(jìn)行優(yōu)化。通過對種子與排種器葉片接觸的動力學(xué)與運動學(xué)分析，得出影響種子碰撞受力的因素，采用EDEM仿真及臺架試驗分析種子在排種器中的運動受力，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化驗證。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由輸種管1、排種器殼體2、轉(zhuǎn)軸3、定向送種輪4、分種輪5、葉片6、轉(zhuǎn)盤7、投種出口8組成。種子在重力的作用下由輸種管進(jìn)入排種器內(nèi)部，轉(zhuǎn)軸帶動轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，與轉(zhuǎn)盤固定連接的分種輪與葉片同步轉(zhuǎn)動，將小麥種子從分種輪內(nèi)部甩出，種子通過定向送種輪開口，進(jìn)入葉片攜種區(qū)域，高速旋轉(zhuǎn)的葉片對小麥種子進(jìn)行加速，當(dāng)種子加速運動至排種器殼體投種口位置時脫離排種器，射入土壤中。排種器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.輸種管 2.排種器殼體 3.轉(zhuǎn)軸 4.定向送種輪 5.分種輪 6.葉片 7.轉(zhuǎn)盤 8.投種口

表1 機械式射播排種器技術(shù)參數(shù)

2 基于“沖突解決原理”的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

葉片高速旋轉(zhuǎn)對小麥種子進(jìn)行加速，在離心力的作用下，小麥種子加速離開排種器投種口，射入土壤中，因此葉片參數(shù)對種子的運動形式至關(guān)重要。

根據(jù)前期預(yù)試驗與文獻(xiàn)[17]可知，小麥種子在排種器內(nèi)運動時，與葉片發(fā)生碰撞時受力最大，容易造成損傷，因此，為了獲得種子與葉片碰撞時受力狀態(tài)，需對葉片與種子間接觸過程和種子與葉片間的碰撞力進(jìn)行分析。以種子運動軌跡的切線和法線方向建立坐標(biāo)系，種子受到的支持力1沿葉片后傾弧線的法線方向。將種子簡化為質(zhì)點，種子與葉片接觸后沿著葉片運動，其摩擦力F的方向與運動方向相反，如圖2所示。根據(jù)圖2建立種子與葉片接觸點所在弧線的法向和切向2個方向的受力平衡關(guān)系式：

式中F為種子在方向的受力，即種子在葉片上所受到的向心力，N；F為種子在方向的受力，N。

根據(jù)式（1）與圖2的幾何關(guān)系可知，支持力1與重力共同為種子提供了碰撞時的向心力F，因此在相同作業(yè)條件下，即種子所需向心力F相同時，相較于前傾葉片，后傾葉片的支持力1較小。種子與葉片間的作用力減小，會降低種子與葉片間的碰撞力度，從而減小葉片對種子的損傷。因此，可將種子與葉片碰撞點所在弧線設(shè)置為后傾形式，以減小碰撞力。而葉片為后傾形式時，會影響種子的運動速度，需要增加葉片轉(zhuǎn)速以增加種子速度，以達(dá)到30 mm的播種深度[17]，但種子破損率會隨之增加。

上述矛盾沖突可歸納為力與能量損失、速度與力的技術(shù)矛盾，即葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對多個作業(yè)效果產(chǎn)生相互制約，形成相應(yīng)的矛盾沖突。因此本研究采用TRIZ理論中“沖突解決原理”解決機械式射播排種器中的物理結(jié)構(gòu)矛盾和技術(shù)沖突，對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。需要改善的參數(shù)為種子受力，即減小種子受力，惡化的參數(shù)為能量損失，即盡量降低轉(zhuǎn)速減少動力輸入。

注：O1為小麥種子的質(zhì)心；N1為葉片對種子的支持力，N；Ff為種子所受的摩擦力，N；m為種子的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m·s-2；φ1為種子重力方向與葉片弧線法線間夾角，(°)；vτ為種子在切線方向的速度，m·s-1；vn為種子在法線方向的速度，m·s-1；δ為葉片根部與定向送種輪徑向的夾角，(°)；ρ0為葉片后傾部分曲率半徑，mm。

通過矛盾矩陣表[18]選取優(yōu)化“力與能量損失”的原理，綜合考慮葉片結(jié)構(gòu)，采用曲面法和反向作用原理對葉片進(jìn)行優(yōu)化。將葉片進(jìn)行曲面化分段設(shè)計，種子與葉片根部接觸時為葉片后傾部分，其曲率半徑為0（mm），外部為葉片前傾部分，曲率半徑為1（mm），2部分葉片平滑連接，優(yōu)化前、后葉片結(jié)構(gòu)如圖3所示，葉片均布在定向送種輪外表面。為使優(yōu)化后葉片在高速旋轉(zhuǎn)時不與定向送種輪外表面碰撞，同時不發(fā)生卡種現(xiàn)象，參考小麥種子的平均尺寸，設(shè)置定向送種輪與葉片間的間距為5 mm。排種器種分種輪與定向送種輪的結(jié)構(gòu)與優(yōu)化前相同，同軸安裝，為減少種子間的碰撞，分種輪的內(nèi)、外徑分別為135與155 mm，定向送種輪內(nèi)、外徑分別為160與175 mm。

結(jié)合排種器殼體尺寸，為防止優(yōu)化后葉片與殼體干涉，設(shè)置葉片前傾部分的半徑為800 mm，葉片回轉(zhuǎn)半徑為250 mm。葉片后傾部分曲率半徑0通過EDEM排種仿真試驗與臺架試驗，根據(jù)排種器作業(yè)時種子的受力情況及播種效果進(jìn)行確定。

圖3 葉片結(jié)構(gòu)

對優(yōu)化后葉片與種子碰撞過程進(jìn)行動力學(xué)分析，以獲悉種子與葉片碰撞的受力情況。種子從分種輪中運動至定向輪外部后，其運動速度和方向保持不變，種子與葉片碰撞時的動力學(xué)方程為

式中1為種子在切線方向的加速度，m/s2；2為種子在法線方向的加速度，m/s2；為單位時間。

根據(jù)圖3中幾何關(guān)系可得：

式中v表示分種輪中飛出的種子絕對速度，m/s。

整理可得：

分析式（4）可知，影響種子與葉片碰撞接觸過程摩擦力F、支持力1的因素為種子從分種輪中飛出的絕對速度v、葉片后傾部分曲率半徑0和葉片安裝角度。

3 種子與葉片后傾部分接觸時的運動學(xué)分析

通過對種子與葉片后傾部分接觸進(jìn)行運動學(xué)分析，可對葉片參數(shù)確定提供依據(jù)。根據(jù)式（1）和前述分析可知，種子與葉片后傾部分接觸可減小碰撞力，因此，當(dāng)種子從定向送種輪飛出與葉片碰撞時，應(yīng)最先與葉片后傾部分接觸。而小麥種子在進(jìn)入加速區(qū)域與葉片接觸前的運動狀態(tài)和種子與葉片接觸時所運動的距離均影響種子與葉片間的接觸位置[19-20]，從而影響種子受力，故而對小麥種子的加速過程，種子與葉片的接觸過程進(jìn)行分析。種子進(jìn)入到分種輪開口內(nèi)，在分種輪的帶動下繞回轉(zhuǎn)中心做旋轉(zhuǎn)運動，并在離心力作用下沿分種輪開口徑向方向做加速運動，然后通過定向送種輪運動至加速區(qū)域，并與葉片接觸。如圖4所示，以分種輪開口壁的徑向方向為軸，建立種子在分種輪開口內(nèi)部的變加速度直線運動微分方程。

注：D為分種輪內(nèi)徑，D=80 mm；s為分種輪開口的厚度，mm；dx為種子在分種輪開口側(cè)壁單位時間內(nèi)的位移，mm；va為種子絕對速度，m·s-1；v2為種子切向速度，m·s-1；v1為種子法向速度，m·s-1。

種子在開口內(nèi)壁徑向向外運動的加速度為

式中為排種器轉(zhuǎn)速，rad/s。

種子從排種器回轉(zhuǎn)中心運動到分種輪邊界時的徑向速度為

種子飛出分種輪時的絕對速度v為

當(dāng)種子與葉片接觸時，接觸位置對種子的受力與后續(xù)運動狀態(tài)有很大影響，根據(jù)式（1）及前述分析，為減小種子與葉片碰撞力，應(yīng)使小麥種子與葉片后傾部分，即葉片根部最先接觸，因此，對種子與葉片接觸過程進(jìn)行運動學(xué)分析。將種子與葉片的接觸位置分為3類[21]：開口右側(cè)壁種子與葉片接觸點、開口左側(cè)壁種子與葉片接觸點1及左側(cè)壁與右側(cè)壁之間種子與葉片的接觸點2，其中與1為種子與葉片接觸的2個極限位置[20]，種子被葉片承接的過程如圖5所示。由于位于點的種子最先飛出，此時種子與葉片的接觸位置為所有在分種輪中飛出的種子所能運動的最外沿，運動距離最大。種子位于點時葉片位于位置1，根據(jù)相撞前葉片與種子的運動時間相同可得：

定向送種輪與分種輪安裝位置與結(jié)構(gòu)確定后，代入排種器轉(zhuǎn)速等參數(shù)，可得種子與葉片碰撞時運動的最長距離，1約為160 mm，因此，要使開口右側(cè)壁位于點的種子飛出分種輪后與葉片后傾部分碰撞，應(yīng)使接觸點所在的葉片后傾部分半徑不超過80 mm。

同理，從開口左側(cè)壁種子離開分種輪的位置1點向外運動的小麥種子，與葉片碰撞時的接觸點為1，此時葉片運動至位置3，2即為種子與葉片接觸時所能運動的最內(nèi)沿，運動距離最短。代入排種器轉(zhuǎn)速的最大值1 200 r/min，得到出口左側(cè)壁飛出的種子與葉片接觸時的運動距離最小值（2）為40 mm，因此，要使開口左側(cè)壁位于1點的種子飛出分種輪后與葉片后傾部分碰撞，應(yīng)使接觸點所在的葉片后傾部分半徑大于20 mm。上述2種情況為小麥種子與葉片接觸時運動距離的2個極限值，而當(dāng)種子從分種輪開口無接觸飛出時，即從左側(cè)壁與右側(cè)壁之間飛出，種子運動至與葉片接觸時的運動距離在40～160 mm之間，為使所有種子均與葉片后傾部分接觸，結(jié)合式（8），需使葉片后傾部分曲率半徑0滿足公式（9）：

根據(jù)式（9），并結(jié)合排種器轉(zhuǎn)速范圍800～1 200 r/min，初步選取葉片后傾部分曲率半徑范圍為20～80 mm。

注：為與葉片接觸時種子所轉(zhuǎn)過的圓心角，(°)；為葉片與分種輪開口所形成的夾角，(°)；表示開口右側(cè)壁種子離開分種輪的位置；1表示開口左側(cè)壁種子離開分種輪的位置；2表示開口左側(cè)壁與右側(cè)壁間種子離開分種輪的位置；表示開口右側(cè)壁種子與葉片相撞的接觸點；1表示開口左側(cè)種子與葉片相撞的接觸點；2表示開口右側(cè)與左側(cè)間種子與葉片相撞的接觸點；為開口右側(cè)種子絕對速度與徑向速度的夾角，(°)；1為開口左側(cè)種子絕對速度與徑向速度的夾角，(°)；為從開口中離開分種輪的種子與接觸點間距離，mm；1為開口右側(cè)壁種子離開分種輪時的位置與接觸點之間距離，mm。

Note:is central angle of seed turned before contact blade, (°);is angle between blade and opening of seed distribution wheel, (°);is the position of seed flew out of right sidewall of opening;1is the position of seed flew out of left sidewall of opening;2is the position of seed between right and left sidewall when flew out of opening;is the contact point of seed and blade collision on the right side of the opening;1is the contact point of seed and blade collision on the left side of the opening;2is the contact point of seed and blade collision between the right side and the left side of the opening;is angle between absolute speed and radial speed of seed on right sidewall of opening, (°);1is angle between absolute speed and radial speed of seed on left sidewall of opening, (°).is distance between seed flew out of seed distribution wheel from opening and contact point, mm;1is distance between the position of seed on the right side of the opening flew out of seed distribution wheel and the contact point, mm.

圖5 種子與葉片接觸過程分析

Fig.5 Analysis of contact process of seeds and blade

結(jié)合式（4）、式（7）和式（9）可知，在分種輪直徑、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)固定的條件下，影響分種輪中飛出的種子絕對速度v的因素為排種器轉(zhuǎn)速。因此，影響種子與葉片碰撞接觸過程摩擦力F、支持力1的因素為排種器轉(zhuǎn)速、葉片后傾部分曲率半徑0和葉片安裝角度。

4 優(yōu)化后排種器射播作業(yè)仿真試驗

為研究優(yōu)化后排種器的作業(yè)效果，種子與優(yōu)化后葉片間的碰撞力，采用仿真試驗對優(yōu)化后的排種器進(jìn)行射播作業(yè)分析。

4.1 仿真模型

采用EDEM軟件分別建立優(yōu)化后不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的排種器三維模型。為避免分種輪中飛出的種子通過定向送種輪后直接擊打在葉片根部，減少葉片磨損，分種輪與葉片安裝存在一定的角度，初步選取分種輪與葉片之間的安裝角度為10°～30°[17]。

將模型導(dǎo)入到EDEM軟件中。種子在排種器中運動，由葉片對種子進(jìn)行加速。為此，種子與排種器、種子與種子間均采用Herzt-Mindlin接觸力學(xué)模型[21]。選取的小麥種子為鄭麥9023，測量小麥籽粒三軸尺寸為5.1 mm× 2.3 mm×2.1 mm，近似橢圓形狀，采用粘結(jié)球形式組合生成小麥顆粒模型（圖6）。模擬田間最大播種量200 kg/hm2，設(shè)置顆粒生成速率為5 000個/s。在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)涿州試驗區(qū)選取旋耕后土壤表層0～100 mm土壤進(jìn)行物理參數(shù)標(biāo)定，并建立100 mm的土層顆粒模型，設(shè)置仿真過程中土壤與種子間的靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)分別為0.4、0.4、0.1[22-24]。

圖6 種子顆粒模型

排種器材料設(shè)置為steel，密度為7.8 g/cm3，泊松比為0.25，剪切模量為8×104MPa，種子與種子間的靜摩擦系數(shù)、滾動摩擦系數(shù)和恢復(fù)系數(shù)分別為0.7、0.5和0.2[25]。為簡化計算過程，模型省略安裝螺母、轉(zhuǎn)軸、軸承等零件。在排種器分種輪內(nèi)部建立顆粒工廠。

通過前處理模塊設(shè)置排種器葉片的轉(zhuǎn)速與排種器整體前進(jìn)速度，設(shè)置時間步長為1×10-4s，仿真時間為2 s。采用EDEM后處理模塊對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，隨機選取100個種子，對其與葉片的碰撞力、平均排種速度和播種深度進(jìn)行統(tǒng)計并計算平均值，平均排種速度通過后處理器檢測排種口處飛出種子的瞬時速度獲得[17,26]，通過測量種子進(jìn)入土層的深度進(jìn)行播種深度計算。作業(yè)后隨機選取并測量土槽長度方向100粒種子的播種深度，根據(jù)公式（14）計算播種深度變異系數(shù)。

式中表示播種深度變異系數(shù)，%；x為第次測量的種子深度，mm；為播種深度的算術(shù)平均值，mm；為試驗次數(shù)，=100。

4.2 試驗方案與結(jié)果分析

4.2.1 試驗方案

根據(jù)前文理論分析，選取試驗因素編碼水平如表2所示，試驗方案與結(jié)果如表3所示。根據(jù)前期預(yù)試驗與文獻(xiàn)[17]，選取排種器轉(zhuǎn)速的范圍為800~1 200 r/min，葉片安裝角度為10°～30°，根據(jù)前文種子與葉片碰撞受力分析，選取葉片后傾部分曲率半徑為20~80 mm。

表2 試驗因素水平及編碼表

注：中心點的試驗次數(shù)為9次。

<

Note: Number of tests for the center point is 9 times.

表3 試驗方案與結(jié)果

根據(jù)前期預(yù)試驗，排種速度低于30 m/s時，種子入土深度小于30 mm，不能滿足華北地區(qū)小麥播種要求[17]，根據(jù)相關(guān)小麥種子碰撞破碎試驗，受力不高于10.2 N時，小麥種子不出現(xiàn)損傷；受力在10.2～78 N間時，種子出現(xiàn)裂紋，受力大于78 N時，種子破碎[27]。圖7a為1 s時刻的仿真結(jié)果，仿真過程中，最大碰撞力為種子飛出定向送種輪后與葉片接觸時所產(chǎn)生的力（圖7b）。種子在分種輪與定向送種輪區(qū)域運動時，存在接觸碰撞的情況，種子在與定向送種輪、分種輪2個結(jié)構(gòu)接觸過程中，受力較小，最大碰撞力不超過3.5 N（圖7c），因此僅統(tǒng)計葉片與種子接觸時的力。在23次正交試驗仿真過程中，平均僅有9.5%的種子與排種器內(nèi)殼碰撞，90.5%的種子均在葉片加速下直接飛出排種器。

4.2.2 試驗結(jié)果分析與回歸模型建立

利用Design Expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進(jìn)行二次回歸分析，并進(jìn)行多元回歸擬合，得到最大碰撞力1、平均排種速度2和播種深度變異系數(shù)3的回歸方程，并檢驗其顯著性。

1）最大碰撞力

最大碰撞力的方差分析如表4。由表4可知，回歸模型顯著（<0.01），排種器轉(zhuǎn)速對指標(biāo)影響顯著，葉片后傾部分曲率半徑與葉片安裝角度的交互作用項對指標(biāo)影響最大。各因素對試驗指標(biāo)影響的主次順序為1，2，3，各因素與指標(biāo)的回歸方程如式（11）所示：

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗，證明不存在其他因素與試驗指標(biāo)間具有顯著的二次關(guān)系（P>0.1）。

表4 最大碰撞力方差分析結(jié)果

注：“***”表示極顯著（<0.01）；“**”表示顯著（0.01<<0.05）；“*”表示較顯著（0.05<<0.1）。下同。

Note: “***” means highly significant (<0.01), “**” means significant (0.01<<0.05), “*” means relatively significant (0.05<<0.1). The same below.

2）平均排種速度

平均排種速度的方差分析結(jié)果如表5。由表5可知，回歸模型顯著（＜0.01），排種器轉(zhuǎn)速對指標(biāo)影響顯著，排種器轉(zhuǎn)速與葉片安裝角度的交互項對指標(biāo)影響最大。各因素對試驗指標(biāo)影響的主次順序為1，3，2，各因素與指標(biāo)的回歸方程如式（12）所示：

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗，證明不存在其他因素與試驗指標(biāo)間具有顯著的二次關(guān)系（>0.1）。

表5 平均排種速度方差分析結(jié)果

3）播種深度變異系數(shù)

播種深度變異系數(shù)的方差分析結(jié)果如表6。由表6可知，回歸模型顯著（＜0.05），排種器轉(zhuǎn)速對指標(biāo)影響顯著，無交互項對指標(biāo)存在影響。各因素對試驗指標(biāo)影響的主次順序為1，3，2，各因素與指標(biāo)的回歸方程如式（13）所示：

對上述回歸方程進(jìn)行失擬性檢驗，證明不存在其他因素與試驗指標(biāo)間具有顯著的二次關(guān)系（>0.1）。

表6 播種深度變異系數(shù)方差分析結(jié)果

4.2.3 響應(yīng)曲面分析

通過Design-Expert 8.0.6 軟件對數(shù)據(jù)處理，得出各因素對試驗指標(biāo)影響的響應(yīng)曲面，如圖8所示。

圖8 雙因素響應(yīng)曲面

由圖8a可知，在排種器轉(zhuǎn)速固定在1 000 r/min的情況下，最大碰撞應(yīng)力與葉片安裝角度和葉片后傾部分曲率半徑均呈負(fù)相關(guān)，其中葉片后傾部分曲率半徑為主要影響因素。較優(yōu)的葉片后傾部分曲率半徑為32～68 mm，較優(yōu)的葉片安裝角度為14°～24°。

由圖8b可知，在葉片后傾部分曲率半徑固定為50 mm時，平均排種速度與排種器轉(zhuǎn)速、葉片安裝角度均呈正相關(guān)，其中排種器轉(zhuǎn)速為主要影響因素。較優(yōu)的排種器轉(zhuǎn)速度為928～1 120 r/min，較優(yōu)的葉片安裝角度為14°～24°。

根據(jù)相應(yīng)曲面分析結(jié)果，應(yīng)用Design Expert 8.0.6優(yōu)化模塊[28]，對2個試驗指標(biāo)的回歸模型進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)合實際排種器加工及作業(yè)的要求，選取約束條件如式（14）所示：

對各個參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終得出較優(yōu)的參數(shù)組合為，排種器轉(zhuǎn)速1 000 r/min、葉片后傾部分曲率半徑40 mm，葉片安裝角度為20°時，此時種子與葉片間的最大碰撞力為6.5 N，平均排種速度為32.4 m/s，播種深度變異系數(shù)為8.6%。

4.3 驗證試驗

4.3.1 仿真驗證試驗

將優(yōu)化后的排種器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真與臺架驗證試驗，仿真試驗采用優(yōu)化前后2種葉片的排種器，在同一參數(shù)組合條件下進(jìn)行種子與葉片接觸受力的對比仿真試驗，結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，優(yōu)化前后種子與葉片的最大碰撞力為11.4與7.3 N，排出種子的速度分別為33.7與34.2 m/s。種子從排種器投種口飛出時的運動速度基本保持一致。

圖9 優(yōu)化前后種子受力與速度仿真驗證試驗

4.3.2 臺架驗證試驗

臺架試驗（圖10）以種子破損率、平均排種速度與播種深度變異系數(shù)為試驗指標(biāo)，對優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行驗證。試驗前對土槽內(nèi)的土壤進(jìn)行松土平整，土壤平均含水率為19.4%，土壤緊實度為29.8 kPa。試驗所用小麥為鄭麥9023，其外形尺寸與仿真一致。由于實際試驗中種子在排種器中運動速度較快，無法采用直接測量方式對種子受力進(jìn)行統(tǒng)計。因此，以播種后的種子破損率作為衡量種子所受碰撞力的指標(biāo)，種子表面產(chǎn)生裂紋即算為破碎，每次試驗選取1 000粒小麥種子，試驗后隨機選取入土后的100粒種子，觀察每個種粒表面是否有裂紋，或種子是否產(chǎn)生破碎，以統(tǒng)計射入土壤中種子的破損率。參照GB/T 9478-2005《谷物條播機試驗方法》[29]與GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[30]進(jìn)行種子破損率的計算：

式中Ps為試驗中破碎的小麥種子數(shù)量；Pz為單次試驗中小麥種子總數(shù)量；Py為小麥種子初始破碎量。

試驗所用排種器采用尼龍材料3D打印，按照1:1比例進(jìn)行加工，試驗在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)保護(hù)性耕作研究中心實驗室進(jìn)行，在試驗前對土槽內(nèi)的土壤進(jìn)行平整，傳送帶及排種器均由調(diào)速電機調(diào)節(jié)，臺架試驗如圖10a所示，試驗共重復(fù)20次。種子的運動過程通過高速攝像進(jìn)行捕捉，如圖10b所示，設(shè)置高速攝像捕捉時間間隔為0.001 s，每組試驗隨機選取10粒種子，通過Matlab采集小麥種子在不同時刻對應(yīng)的坐標(biāo)，以排種器底部端點為原點，進(jìn)行小麥排種速度計算，圖片與實際排種器尺寸比例為1:10，平均排種速度v根據(jù)式（16）計算。

式中sa表示平均排種速度，m/s；v表示單個種子的排種速度，m/s；x，x分別表示種子在、2點的橫坐標(biāo)；y，y分別表示種子在、2點的縱坐標(biāo)。

通過分析臺架試驗數(shù)據(jù)，并對相同作業(yè)條件下20次試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，試驗結(jié)果如圖10c、10d所示。由圖10c可知，平均排種速度為30～34 m/s，與優(yōu)化后仿真結(jié)果基本一致。試驗中種子破損率為0.8%～1.5%，均小于2%，表明種子在排種器內(nèi)運動時受力較小。

臺架試驗結(jié)果表明：在排種器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，葉片后傾部分曲率半徑為40 mm，葉片安裝角度為15°時，種子平均破損率為1.1%，平均排種速度為32.5 m/s，播種深度變異系數(shù)為8.9%，試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，滿足華北地區(qū)冬小麥播種要求。相較于仿真試驗，臺架試驗過程中由于安裝誤差，導(dǎo)致部分種子靠近排種器內(nèi)部殼體壁面射出，并未沿著葉片加速射出，影響了播種后的作業(yè)效果，導(dǎo)致其播種深度變異系數(shù)為8.9%，略高于仿真結(jié)果。

5 結(jié) 論

本文采用TRIZ理論對機械式小麥射播排種器葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過對小麥種子與排種器葉片接觸的動力學(xué)分析，得出影響小麥種子與葉片接觸受力的因素為排種器轉(zhuǎn)速、葉片后傾部分曲率半徑及葉片安裝角度。

采用旋轉(zhuǎn)正交組合的EDEM仿真試驗，分析各個因素對種子與葉片最大碰撞力、平均排種速度及播種深度變異系數(shù)的影響，得出各因素與指標(biāo)間的回歸模型及較優(yōu)的參數(shù)組合，并采用臺架試驗進(jìn)行驗證。試驗結(jié)果表明：在排種器轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，葉片后傾部分曲率半徑為40 mm，葉片安裝角度為15°時，種子破損率為1.1%，平均排種速度為32.5 m/s，播種深度變異系數(shù)為8.9%，滿足華北地區(qū)小麥播種作業(yè)要求。

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Parameters optimization and experiment of mechanical wheat shooting seed-metering device

Wang Yingbo, Li Hongwen※, He Jin, Wang Qingjie, Lu Caiyun, Liu Peng, Yang Qinglu

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

This study aims to optimize the key component and blade in a shooting mechanism using the conflict matrix method of TRIZ, in order to improve the emergence rate of seeding, while, to reduce the seed breaking rate, during planting wheat in a mechanical shooting seed-metering device. The structure of blade was designed as a combined blade using the surface and reverse force method in TRIZ, where the backward blade served as an initial part, while the forward blade as an accelerate part. Compared with the previous blades, a combined parameters of optimal structure was achieved to decrease the wheat breaking rate, where the radius of backward and forwardbladeswere4 mm and 800mm, respectively. The kinematics analysis can be used to clarify the influencing factors related to the internal collision force of wheat seed and shooting performance during the movement of wheat seed inside the shooting device. The specific factors included the rotation speed of seed-metering device, the radius of backward blade, and the install angle of blades. There was also great influence of structural parameters of blades on the movement of wheat seed in the contact process between wheat seed and blades. EDEM software was used to simulate the movement of wheat seed inside the seed-metering device, where the wheat seeds were constructed by a bonding sphere. In a simulation experiment, five blades were designed to explore the shooting performance at different structures and motion parameters. The maximum collision force between wheat seed and blade were determined for the breaking rate of seeds. An orthogonal simulation test was designed to evaluate the experiment indicators, including the average shooting speed, the maximum collision force, and the coefficient of variation for the shooting depth. The test results showed the primary and secondary order of influencing factors for each index. In the maximum collision force, the significance order was the rotation speed of seed-metering device, the radius of backward blade and install angle of blades, whereas, the significance order for the average shooting speed was the rotation speed of seed-metering device, the install angle of blade, and radius of backward blade. Furthermore, the significance order for the coefficient of variation of shooting depth was the rotation speed of seed-metering device, the install angle of blade, and radius of backward blades. The verification bench experiment was performed on the Conservation Tillage Research Center of China Agricultural University, in 2019, where the average shooting speed, seed breaking rate, coefficient of variation of seeding depth were selected as experiment indicators. The power of seed-metering device and forward speed of conveyor belt were provided by an electric motor directly, where the speed was adjusted at five different levels. In the shooting experiment, the average size of wheat seed (Zheng Mai 9023) was 4.1 mm×3.2 mm×2.1 mm, and the average water content was 19.4%. A SF501 high speed camera was used to collect the average shooting speed of wheat seed, with the spotlight and capture frequency was 50 mm and 1000 r/min, respectively. The results show that the maximum collision force, seed breaking rate, average shooting speed, and coefficient of variation of shooting depth were 7.3 N, 1.1%, 32.5 m/s and 8.9%, respectively, while the rotation speed of seed-metering device, radius of backward blade, and install angle of blade were 1 000 r/min, 40 mm and 15°, respectively. This findings can provide new promising techniques and approaches for the optimization design of seed-metering device in mechanical shooting of wheat.

mechanization; optimization; wheat; shooting seed metering device; TRIZ; EDEM simulation; breaking rate

王英博，李洪文，何進(jìn)，等. 機械式小麥射播排種器參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(21)：1-10.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.001 http://www.tcsae.org

Wang Yingbo, Li Hongwen, He Jin, et al. Parameters optimization and experiment of mechanical wheat shooting seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(21): 1-10. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.001 http://www.tcsae.org

2020-06-09

2020-07-13

公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503136）；教育部創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目（IRT13039）

王英博，博士生，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與計算機測控技術(shù)研。Email：wangyingbocau@163.com

李洪文，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與計算機測控技術(shù)研究。Email：lhwen@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.21.001

S223.2+5

A

1002-6819(2020)-21-0001-10