孟華　李曉紅　屈哲　李赫　余永昌　劉龍

摘要：為提高大豆種子在排種器的活躍度和充種性能，改善大豆播種過(guò)程中機(jī)械式排種器的工作性能，設(shè)計(jì)一種自擾動(dòng)內(nèi)充種式大豆精量排種器。闡述排種器的結(jié)構(gòu)和工作原理，依據(jù)大豆種子的外形特征及主要物理參數(shù)，對(duì)單粒種子在型孔內(nèi)的3種主要不同姿態(tài)進(jìn)行分析，確定了排種盤(pán)直徑為140 mm、寬度為23 mm，型孔長(zhǎng)度為7～11 mm、寬度和深度均為8 mm；根據(jù)工作原理與結(jié)構(gòu)，分析排種器在充種、清種過(guò)程中種子受到擾種片的主要作用以及對(duì)排種性能的影響，并與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的排種盤(pán)進(jìn)行對(duì)比分析。為確定排種器的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)與轉(zhuǎn)速，運(yùn)用EDEM仿真軟件，以排種器轉(zhuǎn)速、型孔長(zhǎng)度和擾種片長(zhǎng)度為研究對(duì)象、以排種合格率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響排種質(zhì)量的因素大小依次為排種器轉(zhuǎn)速、型孔長(zhǎng)度、擾種片長(zhǎng)度；排種器最佳結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)為轉(zhuǎn)速33.8 r/min，型孔長(zhǎng)度7.3 mm，擾種片長(zhǎng)度7.7 mm，排種合格率為95.3%。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)參數(shù)組合下排種合格率為94.8%，與預(yù)測(cè)值基本一致，相對(duì)誤差較小僅為0.5百分點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足大豆單粒播種農(nóng)藝需求。

關(guān)鍵詞：自擾動(dòng)；內(nèi)充種式；大豆；排種器；EDEM；試驗(yàn)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：S223.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1002-1302（2023）11-0179-06

大豆富含大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，是我國(guó)重要的糧食作物、油料作物和飼料來(lái)源之一［1-2］。在大豆生產(chǎn)全程機(jī)械化過(guò)程中，播種機(jī)作為其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，直接影響播種質(zhì)量和產(chǎn)量［3-5］。目前，播種機(jī)上配套使用的排種器主要分為機(jī)械式和氣力式兩大類(lèi)，機(jī)械式相對(duì)于氣力式具有加工制造簡(jiǎn)單、成本低、易于維修與更換等優(yōu)勢(shì)，在播種機(jī)上應(yīng)用最早，也最為廣泛。凌軒等為提高花生播種質(zhì)量，降低傳統(tǒng)排種器漏播率，設(shè)計(jì)了一種花生內(nèi)側(cè)充種式排種器［6］。陳欣等為提高不同尺寸種子的適應(yīng)性，對(duì)現(xiàn)有排種器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使排種器型孔的長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)可調(diào)［7］。李曉紅等為提高大豆播種質(zhì)量，節(jié)約種子用量，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充種式大豆排種器［8］。曾心玥等針對(duì)三七播種，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充式三七精密排種器，得到最佳工作轉(zhuǎn)速范圍為31.1～37.8 r/min［9］。楊紅光等為提高花生播種機(jī)播種質(zhì)量，對(duì)內(nèi)充種式排種器進(jìn)行性能分析，得出排種器轉(zhuǎn)速最佳參數(shù)為38 r/min［10］。李政權(quán)等為提高播種質(zhì)量，對(duì)小麥種子在內(nèi)充種式排種器工作過(guò)程中的排種性能進(jìn)行了分析［11］。李智采用氣流對(duì)排種器內(nèi)種子群進(jìn)行擾動(dòng)，增大種子活躍程度，使其更易進(jìn)入型孔［12］。謝東波等以大蒜種子為研究對(duì)象，在現(xiàn)有的氣吸排種器上增加了擾種齒，提高了排種器單粒取種性能［13］。都鑫等以玉米種子為研究對(duì)象，在內(nèi)充式排種器的基礎(chǔ)上增加擾種條，提高了種子在排種器內(nèi)的充種性能［14］。

上述研究表明，內(nèi)充種式排種器在多種作物播種過(guò)程中均有所使用，因此本研究設(shè)計(jì)了一種自擾動(dòng)內(nèi)充種式大豆精量排種器，通過(guò)在排種盤(pán)型孔徑向方向設(shè)置擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，起到對(duì)種子群進(jìn)行攪動(dòng)的作用，使種子能更好地充入型孔，提高播種質(zhì)量。

1總體結(jié)構(gòu)與工作原理

自擾動(dòng)內(nèi)充種式大豆精量排種器主要由排種盤(pán)、外殼、護(hù)種板、進(jìn)種口、軸套和強(qiáng)制排種板等組成，具體如圖1所示。

由圖2可知，排種盤(pán)外緣處設(shè)置有均布的型孔，靠近型孔處有相應(yīng)的擾種片。以其中一個(gè)型孔作為研究對(duì)象，隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，型孔首先經(jīng)過(guò)種子群底層，在種子自重、種子間的擠壓力和離心力的共同作用下，最底層種子脫離種子群開(kāi)始進(jìn)入型孔的囊種空間。當(dāng)攜種型孔運(yùn)動(dòng)至清種區(qū)時(shí)，由于該排種器結(jié)構(gòu)的原理，型孔外的種子受到自重掉落至種子群，從而使型孔內(nèi)只保留1粒種子。當(dāng)型孔運(yùn)動(dòng)至護(hù)種區(qū)時(shí)，種子在護(hù)種板的作用下只在相鄰的2個(gè)型孔之間運(yùn)動(dòng)，直到運(yùn)動(dòng)至投種口上方。當(dāng)型孔運(yùn)動(dòng)至投種區(qū)時(shí)（排種口上部），種子在自身重力、離心力以及強(qiáng)制排種板的共同作用下脫離型孔開(kāi)始投種。

2關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1排種盤(pán)

排種盤(pán)直接影響充種性能，其結(jié)構(gòu)尺寸的合理設(shè)計(jì)和參數(shù)是提高播種質(zhì)量的必要條件，結(jié)構(gòu)如圖3所示。排種盤(pán)由圓盤(pán)、型孔和擾種片組成，型孔均勻分布在排種盤(pán)的外緣處，實(shí)現(xiàn)囊種與排種；型孔四周沿排種盤(pán)徑向方向設(shè)置有相同數(shù)量的擾種片，與每個(gè)型孔位置一一對(duì)應(yīng)，起到攪動(dòng)種群，避免種子結(jié)拱的同時(shí)，使靠近型孔的種子在擾種片和離心力的共同作用下進(jìn)一步充種，以提高充種效果。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，排種盤(pán)直徑一般為80～200 mm［14-15］。 在相同作業(yè)速度條件下， 當(dāng)排種盤(pán)直徑過(guò)小時(shí)，排種器轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，型孔經(jīng)過(guò)種子群時(shí)間過(guò)短，不利于種子進(jìn)入型孔；當(dāng)排種盤(pán)直徑過(guò)大時(shí)，排種器的加工成本、質(zhì)量以及排種器的安裝空間要求較大，使播種機(jī)的生產(chǎn)成本過(guò)高。參考目前市場(chǎng)上常用的大豆排種器的尺寸［8］，窩眼輪式排種器排種盤(pán)直徑范圍為100～140 mm，根據(jù)實(shí)際需求確定排種盤(pán)的直徑D為140 mm，寬度W為23 mm。

2.2型孔參數(shù)確定

型孔結(jié)構(gòu)和參數(shù)是排種盤(pán)的關(guān)鍵參數(shù)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中具有重要作用，直接影響充種和清種質(zhì)量［6］。以皖豆35大豆種子為研究對(duì)象，在確定排種器型孔參數(shù)前隨機(jī)選取100粒種子作為尺寸參考樣本，對(duì)其長(zhǎng)度（d_l）、寬度（d_w）、厚度（d_h）進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)。根據(jù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果計(jì)算得到，長(zhǎng)度（d_l）均值為 7.62 mm，寬度（d_w）均值為7.18 mm，厚度（d_h）均值為5.87 mm。

由于大豆種子在形態(tài)上屬于橢球類(lèi)，與球類(lèi)種子在排種器內(nèi)的充種姿態(tài)有一定的差異性。大豆種子在排種器內(nèi)的充種姿態(tài)有切向、徑向和軸向3種［16-17］，在排種工作時(shí)，種子主要以切向姿態(tài)存在［14］，且穩(wěn)定程度最高。以單粒種子為研究對(duì)象，種子在型孔內(nèi)的3種主要姿態(tài)如圖4所示。根據(jù)相關(guān)研究［7］，型孔的長(zhǎng)度（l）、寬度（w）和深度（h）應(yīng)為 0.8d_ll，d_wh，d_wh。通過(guò)計(jì)算可得：型孔長(zhǎng)度（l）、寬度（w）、深度（h）取值范圍分別為6.096～11.43、7.18～8.805、7.18～8.805 mm，故選取l=7～11 mm、w=8 mm、h=8 mm進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

2.3擾種片分析

相關(guān)研究表明，排種器作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)種子群底層與排種存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)才能充入型孔［18-19］。

作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速較高時(shí)，型孔經(jīng)過(guò)種子群的時(shí)間相對(duì)較短，即種子充入型孔的有效時(shí)間變短，使種子未能及時(shí)充種或充種效果較差，易造成型孔空穴形成漏播。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速較低時(shí)，種子群受到的運(yùn)動(dòng)程度隨之降低，即種子群活躍程度較低，易導(dǎo)致充種效果差，造成空穴漏播。故根據(jù)相關(guān)研究，對(duì)現(xiàn)有的內(nèi)充種式排種器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在排種盤(pán)上設(shè)置均勻分布的擾種片。由圖5可知，當(dāng)型孔運(yùn)動(dòng)至種子群底層時(shí)，種子開(kāi)始進(jìn)入型孔囊種空間，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的排種器和擾動(dòng)排種器進(jìn)行對(duì)比分析可知，擾種片對(duì)型孔周?chē)姆N子群具有支撐和擾動(dòng)作用。為便于分析，以單粒種子為研究對(duì)象，種子在排種器轉(zhuǎn)速較高時(shí)，有無(wú)擾種片對(duì)充種過(guò)程的影響如圖5-a和圖5-b所示。排種盤(pán)加裝擾種片后，在相同參數(shù)條件下，種子除了受到排種盤(pán)的離心力之外，同時(shí)還受到擾種片的支撐和攪動(dòng)作用，提高了種子群的活躍度和充種效果。

根據(jù)大豆播種農(nóng)藝要求，每次只播1粒種子，即1粒/穴。由上述分析可知，擾種片在充種過(guò)程中能夠提高排種盤(pán)型孔充種質(zhì)量，但同時(shí)對(duì)清種過(guò)程造成一定影響。排種盤(pán)有無(wú)擾種片、擾種片的尺寸均對(duì)清種有著重要影響，具體如圖6所示。排種盤(pán)無(wú)擾種片時(shí)，在清種過(guò)程中，多余的種子依靠自重從型孔及周邊脫離，完成清種（圖6-a）；當(dāng)排種盤(pán)設(shè)置有擾種片時(shí)，在清種初期擾種片對(duì)多余的種子提供支撐力，使清種時(shí)間相對(duì)加長(zhǎng)（圖6-b）。其中，擾種片的尺寸（長(zhǎng)度）對(duì)清種效果有著重要影響，在實(shí)際工作過(guò)程中，當(dāng)擾種片過(guò)長(zhǎng)時(shí)，充種過(guò)程中在擾種片的作用下，脫離種子群進(jìn)入型孔囊種空間的種子相對(duì)增加；當(dāng)擾種片過(guò)長(zhǎng)，使種子脫離較慢，直接影響緊靠型孔或囊種空間的多余種子，易造成重播。

3排種器工作性能的離散元仿真分析

3.1仿真平臺(tái)的搭建

首先利用SolidWorks軟件對(duì)設(shè)計(jì)排種器進(jìn)行三維建模，并將模型進(jìn)行簡(jiǎn)化后導(dǎo)入仿真軟件EDEM 2.6中（圖7）。根據(jù)皖豆35大豆種子的實(shí)際幾何尺寸建模后在EDEM中利用球形顆粒進(jìn)行填充，并設(shè)置顆粒間及顆粒與排種器間的接觸模型為 Hertz-Mindlin無(wú)滑動(dòng)模型［20］。

3.2仿真參數(shù)設(shè)置

在離散元仿真計(jì)算時(shí)，對(duì)排種器材料進(jìn)行設(shè)置，參數(shù)選取見(jiàn)表1。

3.3仿真試驗(yàn)

3.3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)該排種器的最佳性能為每個(gè)型孔內(nèi)保留1粒種子，即每次排種時(shí)只排1粒。根據(jù)相關(guān)研究，選取排種器的轉(zhuǎn)速、擾種片的長(zhǎng)度和型孔長(zhǎng)度為試驗(yàn)因素，以排種合格率為試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行三因素三水平正交試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)研究［9］，內(nèi)充種式排種器的最佳轉(zhuǎn)速為30～35 r/min，故選取排種器轉(zhuǎn)速分別為25、35、45 r/min；根據(jù)大豆種子實(shí)際長(zhǎng)度，選取擾種片長(zhǎng)度為0、5、10 mm；排種器型孔長(zhǎng)度選取為7、9、11 mm（表2），寬度和深度均選取為 8 mm。在仿真試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)參數(shù)重復(fù)3次，計(jì)算其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，可以得到在不同參數(shù)下排種器的排種合格率，計(jì)算公式如下：

Y=n/N×100%。

式中：Y為排種合格率；n為型孔單粒排種次數(shù)；N為理論排種次數(shù)。

3.3.2試驗(yàn)結(jié)果按照表2的試驗(yàn)因素編碼在Design-Expert軟件中進(jìn)行試驗(yàn)方案制定，并對(duì)每個(gè)試驗(yàn)方案進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)指標(biāo)（Y）的結(jié)果，具體見(jiàn)表3。

3.3.3排種合格率的回歸結(jié)果分析利用Design-Expert軟件對(duì)表3中的試驗(yàn)結(jié)果（排種合格率）進(jìn)行方差分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得到其在不同試驗(yàn)因素下的回歸方程，即

Y=97.400-1.560A-0.095B+1.080C-0.445AB-0.680AC+0.295BC-1.900A²-0.716B²-1.280C²。

式中：A、B、C分別為排種器轉(zhuǎn)速、擾種片長(zhǎng)度、型孔長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的編碼值。

由表4方差分析結(jié)果可知，模型的P值極顯著（P<0.000 1），失擬項(xiàng)不顯著（P=0.099 9），模型的調(diào)整決定系數(shù)R²=0.996 7，說(shuō)明所得回歸數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果擬合精度高，即此仿真模型的結(jié)果可用于排種器性能的分析和預(yù)測(cè)。根據(jù)系數(shù)的絕對(duì)值大小可知各因素對(duì)排種合格率的影響大小次序?yàn)锳、C、B。

3.3.4排種合格率與各參數(shù)響應(yīng)曲面分析由表3中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得不同因素之間對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的二維和三維等高曲面圖，如圖8至圖10所示。

由圖8可知，排種器轉(zhuǎn)速（A）和擾種片長(zhǎng)度（B）的二維等高曲線(xiàn)呈橢球形，說(shuō)明這2個(gè)因素間的交互作用顯著。由三維等高曲線(xiàn)圖可知，排種合格率隨排種器轉(zhuǎn)速（A）變化的曲面變化相對(duì)明顯，而隨擾種片長(zhǎng)度（B）變化的曲面變化相對(duì)平緩。當(dāng)型孔長(zhǎng)度（C）處于0水平、擾種片長(zhǎng)度（B）為定值時(shí)，排種合格率隨著排種器轉(zhuǎn)速（A）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，這是因?yàn)榉N子群進(jìn)入型孔過(guò)程中，隨著排種器轉(zhuǎn)速（A）的增大，擾種片對(duì)種子群的擾動(dòng)作用加大，種子群的活躍度增大，提高了種子進(jìn)入型孔的概率，使排種合格率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，排種合格率存在一個(gè)最優(yōu)值；隨著排種器轉(zhuǎn)速（A）的繼續(xù)增大，型孔經(jīng)過(guò)種子群底部時(shí)速度較快，使種子不能及時(shí)充入型孔而造成空穴，形成漏播。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速（A）為定值時(shí)，排種合格率隨著擾種片長(zhǎng)度（B）的增大呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但曲面變化相對(duì)平緩，同樣也存在最優(yōu)值。

由圖9可知，排種器轉(zhuǎn)速（A）和型孔長(zhǎng)度（C）的二維等高曲線(xiàn)呈橢球形，說(shuō)明這2個(gè)因素間的交互作用顯著。由三維等高曲線(xiàn)圖可以看出，排種合格率隨型孔長(zhǎng)度（C）和排種器轉(zhuǎn)速（A）變化的曲面變化均明顯。當(dāng)擾種片長(zhǎng)度（B）處于0水平、型孔長(zhǎng)度（C）為定值時(shí)，排種合格率隨排種器轉(zhuǎn)速（A）的增大呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，出現(xiàn)這樣趨勢(shì)的主要原因與上述分析相似。當(dāng)擾種片長(zhǎng)度（B）處于0水平、排種器轉(zhuǎn)速（A）為定值時(shí)，隨著型孔長(zhǎng)度（C）的逐漸增大，型孔囊種空間也隨之增大，排種合格率逐漸升高，存在最優(yōu)值；當(dāng)型孔長(zhǎng)度（C）的繼續(xù)增大，種子進(jìn)入型孔以及清種時(shí)逐漸排種合格率先呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，當(dāng)型孔長(zhǎng)度（C）為7.3 mm時(shí)，排種合格率達(dá)到最優(yōu)值；隨著型孔長(zhǎng)度（C）繼續(xù)增大，型孔囊種空間大于單粒種子，在充種時(shí)型孔內(nèi)超過(guò)1粒種子，且在清種時(shí)多余的種子不易被清出，出現(xiàn)重播現(xiàn)象，造成排種合格率降低。

由圖10可知，擾種片長(zhǎng)度（B）和型孔長(zhǎng)度（C）的二維等高線(xiàn)呈橢球形，說(shuō)明擾種片長(zhǎng)度（B）和型孔長(zhǎng)度（C）這2個(gè)因素間的交互作用顯著。由三維等高曲線(xiàn)圖可以看出，排種合格率隨型孔長(zhǎng)度（C）變化的曲面變化相對(duì)明顯，而隨擾種片長(zhǎng)度（B）變化的曲面變化相對(duì)平緩。當(dāng)排種器轉(zhuǎn)速（A）處于0水平、擾種片長(zhǎng)度（B）為定值時(shí)，排種合格率隨著型孔長(zhǎng)度（C）的增大呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，型孔內(nèi)容種空間相對(duì)較大，種子進(jìn)入型孔后在清種過(guò)程中可更好地保護(hù)種子不脫離型孔，使漏播的概率降低，排種合格率提高；隨著型孔長(zhǎng)度（C）繼續(xù)增大，排種合格率存在最大值，即最優(yōu)值；當(dāng)型孔長(zhǎng)度（C）繼續(xù)增大，型孔尺寸過(guò)大，重播概率增大，排種合格率逐漸降低。

由響應(yīng)面BBD模型優(yōu)化得到自擾動(dòng)內(nèi)充種式大豆精量排種器的排種性能試驗(yàn)最佳參數(shù)：排種器轉(zhuǎn)速為33.8 r/min，擾種片長(zhǎng)度為7.7 mm，型孔長(zhǎng)度為7.3 mm，此時(shí)排種合格率最大（95.3%）。

4驗(yàn)證試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)該排種器的排種性能，根據(jù)仿真試驗(yàn)得到最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用3D打印技術(shù)將排種器進(jìn)

行加工制造，并于2022年5月13日在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院農(nóng)機(jī)試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)，將排種器搭建在STB-700排種器性能試驗(yàn)臺(tái)上（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制）。

根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果，在試驗(yàn)前將排種器轉(zhuǎn)速設(shè)定為33.8 r/min。待排種器和排種試驗(yàn)臺(tái)油膜輸送帶工作穩(wěn)定后，統(tǒng)計(jì)100粒大豆種子（皖豆35）的排種合格率，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)并取平均值，得到排種合格率為94.8%。與仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比可知，在相同條件下兩者之間的相對(duì)誤差僅為0.5百分點(diǎn)，即說(shuō)明該參數(shù)條件下的排種效果較好（圖11）。

5結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種自擾動(dòng)內(nèi)充種式大豆精量排種器，通過(guò)對(duì)排種器的結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行分析；根據(jù)皖豆35大豆種子幾何尺寸和相關(guān)研究，初步確定了排種器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和參數(shù)：排種盤(pán)直徑為 140 mm，寬度為 23 mm，型孔長(zhǎng)度為7～11 mm，寬度和深度均為 8 mm。

利用EDEM軟件對(duì)排種器的轉(zhuǎn)速、擾種片長(zhǎng)度和型孔長(zhǎng)度在不同參數(shù)下進(jìn)行仿真，采用響應(yīng)曲面分析法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到最佳組合參數(shù)為排種器轉(zhuǎn)速33.8 r/min，擾種片長(zhǎng)度7.7 mm，型孔長(zhǎng)度7.3 mm，排種合格率為95.3%。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，在最佳參數(shù)組合下排種合格率為94.8%，能夠滿(mǎn)足實(shí)際播種要求。

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