自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器设计与试验

都 鑫，刘彩玲，姜萌，张福印，袁 昊，杨洪雪

自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器设计与试验

都 鑫，刘彩玲※，姜萌，张福印，袁 昊，杨洪雪

（中国农业大学工学院，北京 100083）

为提高机械式排种器的工作性能，该文从增加充种区种群活跃度、降低种群内摩擦力的角度出发，设计一种自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器，分析了种子在扰种条上运动情况和充种原理，完成排种盘的参数设计。采用离散元软件EDEM对排种器进行仿真试验，以排种盘转速、扰种条形式、排种盘圆台锥角、扰种条半径为试验因素，以排种单粒率、重播率、漏播率为试验指标进行单因素试验和二次正交回归旋转组合试验。应用Design-Expert8.0.6对试验数据进行分析，得到了单粒率、重播率、漏播率和试验指标之间的数学模型，对试验结果进行多目标优化，得出最佳参数为：排种盘转速8.4 r/min，螺旋扰种条，排种盘圆台锥角38.6°，扰种条半径1.24 mm，此时排种单粒率为96.29%，重播率为2.55%，漏播率为1.15%。在最优参数组合下进行台架试验，排种器的单粒率、重播率和漏播率分别为95.4%、1.6%和3.0%；且当排种盘转速在8.40～16.67 r/min（对应工作速度为4.94～9.75 km/h）时，排种单粒率大于91.4%，重播率小于1.6%，漏播率小于7.3%，伤种率小于0.44%，排种效果优于勺轮式排种器，满足玉米单粒精播的农艺要求，对播种机作业速度适应范围广。基于EDEM离散元法的排种器仿真试验为排种器性能参数的确定提供参考且缩短设计周期，该研究可为提高机械式排种器充种性能提供参考，为玉米精量播种机的设计提供研究基础。

农业机械；设计；精量排种器；扰种；参数优化；内充种；离散单元法

0 引 言

玉米精量播种技术是依据农艺要求按照一致的行距、株距、深度将种子精确播入土壤，省去间苗等生产环节的高效种植技术，因其具有显著的节本增效优点得到广泛应用[1-2]。精量排种器是实现精量播种的关键部件，因此成为国内外学者研究精量播种的重点和热点[3]。

精量排种器按充种方式主要有内充、侧充、外充、侧充与外充相结合等形式，其中内充充种可利用种子重力、离心力、种群挤压力等，充种合力更大，有利于种子充入型孔[4]。鉴于内充种方式良好的充种性能，马连元等[5-6]设计了 “大孔”充种、“小孔”定量的敞口复式型孔内充排种器，由于充种合力和型孔容积增大，充种效果较一般机械式排种器得到了提高，但单粒率不高；Singh等[7-8]发现种子的几何尺寸决定排种器型孔形状、尺寸等参数，直接影响排种精度；廖庆喜等[9]设计的内充气吹式油菜精量排种器，内充种方式达到了优良的充种效果，但气吹投种增加能耗；刘佳等[10]设计了一种机械气力组合式玉米精密排种器，采取内充种方式和气吹单粒留种原理，空穴率低，单粒率受工作压强影响大；崔涛等[4]设计了清种和压种2个气嘴对穴孔内种子分别进行清种和压种，单粒率得到提高。

上述研究对玉米内充精量排种器进行了改进或优化，取得了一定的研究成果，但多为辅助气力式排种方式，存在排种器结构复杂、能耗大、价格昂贵等缺点[11-14]。机械式排种器结构简单、可靠性高、价格低廉，目前在中国仍大量使用[15-16]。同时史嵩等[11]研究发现，对种群施加扰动会降低种子间内摩擦力，进而提高充种效果。陈进等[17]利用电磁激振的方法，扰动种群，使种群产生“沸腾”，提高了排种器充种性能[18]。

为提高机械式排种器的充种率和对速度的适应性，本文基于内充式排种器的研究基础设计了一种自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器。以郑单958为研究对象，对排种器充种原理和扰种条扰种原理进行理论分析，利用离散元仿真软件EDEM优化关键参数，自制排种器并通过台架试验验证仿真结果，以期为机械式玉米精量排种器的设计与研究提供参考。

1 总体结构与工作原理

排种器结构如图1a所示，由种箱1、壳体2、护种环3、软毛条带4、传动盘5、毛刷6、强制清种轮7、排种盘8、传动轴9等组成。按功能和作业顺序工作区可分为初充种区、复充种区、清种区、护种区和投种区，如图1b所示。

1.种箱 2.壳体 3.护种环 4.软毛条带 5.传动盘 6.毛刷 7.强制清种轮 8.排种盘 9.传动轴

1. Seed box 2. Shell 3. Seed-protecting device 4. Soft stripe 5. Drive disc 6. Brush 7. Forced clearing wheel 8. Seed-metering disc 9. Transmission shaft

a. 排种器结构

a. Structure of seed-metering device

I.初充种区 II.复充种区 III.清种区 IV.护种区 V.投种区 1.壳体 2.排种带 3.软毛条带 4.护种环

I. Initial filling area II. Second filling area III. Clear seed IV. Seed protection zone V. Seed feeding area 1. Shell 2. Seed-metering disc 3. Soft stripe 4. Seed-protecting device

b. 排种器工作区域

b. Seed-metering device working area

图1 排种器结构及工作区域

Fig.1 Seed-metering structure and working area

如图1b可以看出，排种器工作过程分为初次充种、复充种、重力清种、毛刷护种和重力投种5个过程。排种盘内锥面上设置扰种条，工作时种箱内种子由壳体上部开口进入初充种区I和复充种区II内，初充种区I内种子在排种盘转动时被囊入型孔，即初次充种。重心偏低的侧卧种子被毛刷梳理成平躺姿态，重心偏高的竖立种子大多被清出型孔。未充种的型孔在复充种区II进行第二次充种。型孔内充入多于1粒种子时，在清种区III受重力作用掉出型孔。软毛条带柔韧性强，可避免侧卧或竖立状态的种子和排种盘壁直接接触，降低种子损伤[19]。种子受重力作用在投种区V掉落，否则被强制清种轮顶出型孔。

该排种器通过增加扰种装置和2次充种改善了充种效果，提高了对播种速度的适应性，软毛条带形式的柔性护种装置降低了对种子的损伤。

2 关键结构与参数设计

2.1 排种盘

排种盘是影响充种性能的关键部件，结构如图2所示。排种盘为圆环和圆台的组合体，圆环上有通透的型孔，实现囊种与排种；圆台内表面有扰种条，搅动种群，避免种子“结拱”以提高充种效果。

1. 扰种条 2. 型孔 3. 圆台 4. 圆环

1. Seed-disturbing strips 2. Hole 3. Round table 4. Ring

注：为圆台锥角，（°）；为圆环直径，mm；1为螺旋线底径，mm；为排种盘宽度，mm；1为圆环宽度，mm；为型孔深度，mm；0为型孔直径，mm。

Note:represents angle of the round table,（°）；represents diameter of the ring, mm；1represents bottom-diameter of the helical line, mm；represents width of the seed-metering plate, mm；1represents width of the ring, mm；represents depth of the hole, mm；0represents diameter of the hole, mm.

图2 排种盘结构与参数

Fig.2 Structure and parameters of seed-metering disc

根据农业机械设计手册[20]，排种盘直径一般为80～200 mm，直径不宜过小，否则高速播种时排种盘转速很高，不利于种子充入型孔造成漏播；排种盘直径过大，导致排种器尺寸、质量、加工难度和成本增加，参考市场上常用的机械式排种器如水平圆盘式排种器、勺轮式排种器和指夹式排种器，排种盘直径多为180～220 mm。因此，选取排种盘圆环直径为200 mm。排种盘圆台锥角为待优化参数。排种盘宽度为，型孔所在圆环宽度1，参考下文郑单958玉米种子长度确定1为14 mm；排种盘宽度参考现有内充排种器确定为42 mm。

2.1.1 型孔参数确定

型孔参数直接影响排种器的充种、携种和投种过程，是排种器设计的关键。型孔的结构形式、容积、种子趋近型孔的姿态、种子在型孔中的排列状态和稳定程度都直接影响排种精确性。本文以河南大成种业有限公司生产的“丰乐”牌郑单958玉米扁平马齿形杂交种为研究对象，随机选取100粒玉米种子，对其长d、宽d、厚h进行统计，其中：种子长度d正态分布均值为10.67 mm；种子宽度d正态分布均值为8.92 mm；种子厚度h正态分布均值为5.73 mm。

扁平种子充种姿态有“平躺”、“侧卧”和“竖立”3种[21]，依据概率法进行计算得“平躺”、“侧卧”和 “竖立”3种姿态的充种概率分别为61%、23%、16%，“平躺”和“侧卧”姿态最稳定。机械式单粒囊种型孔结构形式有长方孔、半圆孔和圆孔，对于长方孔和半圆孔充种时需确保种子长轴和型孔长轴方向一致，但充种区的种子分布杂乱无序，难以顺利充入型孔。圆形型孔对充种姿态的适应性提高，种子充填几率变大，所以设计型孔结构为圆形。

为确保型孔充入单粒种子，根据种子的充种姿态对型孔的极限尺寸进行分析，如图3所示。

注：dl为种子长度，mm；d0为型孔直径，mm；dw为种子宽度，mm；Δd为型孔直径间隙，mm；ht为种子厚度，mm；1为型孔；2为平躺种子；3为侧卧种子；4为竖立种子。

图3a为种子平躺充入型孔时型孔最小直径尺寸分析，此时种子沿长度方向上对称轴与型孔直径重合，间隙Δ为种子长度d与型孔直径0的差值，型孔直径和种子尺寸满足下述关系

由式（1）计算得出，种子平躺充入型孔时型孔直径0最小为12.53 mm。

图3b为种子侧卧充入型孔时容纳2粒侧卧种子的最小尺寸分析，极限条件为半个型孔可容纳1粒侧卧种子，型孔直径和种子尺寸满足下述关系：

由式（2）计算得出，型孔容纳单粒侧卧种子时直径0不能超过14.19 mm。

图3c为种子侧卧充入型孔时型孔容纳1粒侧卧种子和1粒竖立姿态种子的型孔最小尺寸分析，型孔直径和种子尺寸满足下述关系：

由式（3）计算得出，种子同时充入侧卧和竖立姿态种子时型孔最小直径0为14.34 mm。基于上述分析，确保型孔只充入单粒种子当型孔直径应满足12.53 mm<0<14.19 mm，考虑玉米种子尺寸不一致，为减小重播率确定型孔直径0为12.7 mm。

型孔深度的设计需考虑种子重心在型孔内，确保种子不会被毛刷清理掉，由图2可得型孔深度和种子尺寸关系为

式中D为型孔深度间隙，1.5 mm；Δ为软毛条带可收缩高度，4 mm，计算得型孔深度为5.2 mm。

由式（4）计算得出型孔深度为5.2 mm。为提高充种概率，型孔上表面设计0.8 mm的45°倒角；型孔下表面设计0.8 mm宽的80°倒角，便于种子顺利投落。

排种盘直径一定时，型孔数量越多排种盘旋转一周落下的种子越多；株距一定时，排种盘转速越低，有利于提高充种性能。排种盘圆环直径为200 mm，按照型孔直径0为12.5 mm，均布型孔个数最多为44 个。机械式玉米排种器作业速度一般为3～9 km/h，根据《农业机械设计手册》，排种盘线速度v一般不大于0.2 m/s，玉米播种株距为25 cm，排种盘圆环上型孔的个数设计应满足

式中为排种盘转速，r/min；v为播种机作业速度，m/s；为株距，m。

2.1.2 扰种条

散粒体种子在重力作用下相互堆积[22]，种群底部易形成准直线形的力链，力链相互链接结拱[23]，使种群活跃度降低造成漏充。为提高种群活跃度，在排种盘内表面设置扰种条，通过扰种条刮动充种区的种子使型孔上方种群力链断开，使型孔上方种子产生跳动。为探索扰种条形式对扰种效果的影响，共设计3种形式的扰种条。

扰种条在排种盘圆台内表面，起于圆台内表面近型孔侧，终于圆台内表面小径端，依据型孔个数设计扰种条数量为39条，扰种条和型孔交错排布，扰种条末端指向2个相邻型孔隔墙的中间，截面为半圆形。扰种条半径影响扰种条对种群的扰动强度，过小则对种群扰动效果不明显，过大种群跳动量大充种效果差，为待优化参数。

根据种子在扰种条上所受切向力方向设计3种扰种条的轨迹线方向：1）直扰种条：种子受切向力方向与圆台母线夹角为0；2）斜扰种条：种子受切向力方向与圆台母线夹角为12°；3）螺旋扰种条：种子受切向力方向与圆台母线夹角在0～32°范围内变化，螺旋方向和排种盘转向相反，根据2.1确定的排种盘参数得到螺旋线参数为：螺旋线参数底径1为149 mm，锥顶半角为90°-（为圆台锥角，（°）），螺旋线高度为18 mm，螺距为500 mm。

2.2 充种过程理论分析

种子充入型孔是一个复杂的受力过程，为便于分析种子的充填过程，将种子充入型孔的过程简化为2个步骤：首先为种子随排种盘转动时沿扰种条向型孔的运动，需对种子在扰种条上的受力情况进行分析，保证种子沿扰种条平稳滑向型孔；其次为种子与型孔之间的相对运动，种子顺利充入型孔需要一定的充种时间，在型孔尺寸确定的前提下转化为分析种子与型孔间相对运动的极限速度。

2.2.1 种子在扰种条上的受力分析

种子在扰种条上的运动是一个复杂的不断变化的动态力学系统。为便于分析种子的运动过程，以单粒玉米种子为研究对象，假定其为一刚性质点，以种子质心为原点，建立如图4所示的坐标系，轴方向通过种子与扰种条侧面接触点并沿切线方向与圆台母线平行，轴垂直于扰种条侧面且与圆台母线平行，轴通过种子与圆台内表面的接触点且垂直于圆台内表面，图5为力系投影图。

注：x、y、z为坐标轴；O为种子质心、坐标系原点；G为种子重力，N；Fc为离心力，N；f1为种子与圆台内表面摩擦力，N； f2为种子与扰种条表面摩擦力，N； Fk为科氏力，N；N1为圆台内表面对种子的支持力，N；N2为扰种条表面对种子的支持力，N。

为使种子沿扰种条向型孔方向运动，种子沿扰种条所受切向力应大于种子与排种盘的摩擦力

式中G为以锥角分解而得的切向力，N；G为以扰种条切线角分解而得的切向力，N；1为种子与圆台内表面摩擦力，N；2为种子与扰种条表面摩擦力，N。

注： 1为正视方向的排种盘锥面；2为侧视方向的排种盘锥面；3为扰种条；为种子质心；为充种角，(°)；为锥角，(°)；为扰种条切线角，(°)；G为重力以充种角分解而得的法向力，N；G为以充种角分解而得的切向力，N；G为G以锥角分解而得的法向力，N；G为G以锥角分解而得的切向力，N；G为G以锥角分解而得的法向力，N；G为G以锥角分解而得的切向力，N；F为F以扰种条切线角分解而得的法向力，N；F为F以扰种条切线角分解而得的切向力，N；G为G以扰种条切线角分解而得的法向力，N；G为G以扰种条切线角分解而得的切向力，N；F为F以扰种条切线角分解而得的法向力，N；F为F以扰种条切线角分解而得的切向力，N。

Note:1 represents cone of eye view; 2 represents cone of side view; 3 represents disturbing strip;represents seed centroid;represents the filling angle，(°)；represents the angle of cone(°)；represents the tangential angle of the helical strip(°)；Grepresents the normal force ofdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofdecomposed by the angle，N；Grepresents the normal force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the normal force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofGdecomposed by the angle，N；Frepresents the normal force ofFdecomposed by the angle，N；Frepresents the tangential force ofFdecomposed by the angle，N；Grepresents the normal force ofGdecomposed by the angle，N；Grepresents the tangential force ofGdecomposed by the angle，N；Frepresents the normal force ofFdecomposed by the angle，N；Frepresents the tangential force ofFdecomposed by the angle，N.

图5 力系投影图

Fig.5 Force system projection

由图4所示、、轴上的各力建立平衡方程可得

如图5所示，将重力、离心力F依次正交分解可得

其中

式中为种子质量，kg；为重力加速度，9.81kg/m2；为角速度，rad/s；为种子所在位置半径，m；为种子与排种盘静摩擦系数，0.482；1为种子受圆台内表面的支持力，N；2为种子受导种条的支持力，N；为种子相对速度，m/s。由式(6)～(9)整理并计算得

上式中，影响种子与扰种条间相对运动的参数只有排种盘转速、锥盘锥角和扰种条切线角，其中扰种条切线角由扰种条形式决定。多数种子在充种角为-10°～30°进入型孔。当充种角为-10°（以种子在排种盘所处位置最低点为0°，与排种盘转动方向相反为负），锥盘锥角为38.4°，扰种条切线角为32°，得到种子沿扰种条顺利滑向型孔所需排种盘转速不小于3.98 r/min。

2.2.2 种子相对极限速度的分析

种子与型孔间存在相对速度是种子充入型孔的必要条件，为分析种子与型孔间的相对运动对种子充种过程的影响，受力分析[24]如图6所示，轴通过种子质心与排种盘相切，轴垂直于轴且过排种盘圆心。

注：1为排种盘；为坐标轴；为坐标系原点；为种子重力，N；F为支持力，N；为种子与圆环内表面摩擦力，N；F为上层种群给种子压力，N；F为离心力，N；为种子所在充种区充种角度，(°)；为排种盘角速度，（rad·s-1）。

Note:1 represents disc;represents axis of coordinates；represents origin of coordinate system；represents seed gravity, N；Frepresents support power, N；represents friction between seed and ring inner surface, N; Frepresents seed pressure from upper population, N; Frepresents centrifugal force, N;representsfilling angle of seed filling area,(°);represents angular velocity of seed metering plate, (rad·s-1).

图6 充种过程力学分析

Fig.6 Force analysis of filling process

根据图6建立单粒玉米种子在排种盘上的运动方程

得到即将充入型孔的种子方向加速度为

＞0时种子和排种盘相对运动速度较大不利于种子充填；≤0种子和种盘相对运动速度较小可以延长种子充入型孔时间。分析临界状态=0时种子进入型孔时的种子运动学分析如图7所示，v为种子相对排种盘的运动速度。

注：d0为型孔直径，mm；dwo为种子重心相对排种盘高度，mm；dl0为种子重心与胚芽端距离，mm；ht0为种子重心与型孔壁距离，mm；vr为种子运动速度，（m·s-1）； c为倒角长度，mm； n为排种盘转速，（r·min-1）。

为使种子顺利充入型孔，排种盘极限转速max需满足

式中为种子充入型孔所需时间，mm；为上倒角宽度，mm。由上式得出排种盘极限转速max需小于25.65 r/min。

基于种子在扰种条上的力学和种子充入型孔的运动学分析得出：影响种子与扰种条间相对运动的参数有排种盘转速、锥盘锥角和扰种条切线角，其中扰种条切线角由扰种条形式决定；影响种子充入型孔的参数为排种盘转速，转速越大越不利于种子充入型孔。

3 排种器工作性能的离散元仿真分析

3.1 仿真平台的搭建

将SolidWorks软件创建的排种器三维模型精简后导入仿真软件EDEM，如图8所示。根据前述郑单958玉米种子的三轴尺寸，通过多球面组合填充方式建立颗粒模型，颗粒间及颗粒与排种器间接触模型选择Hertz-Mindlin无滑动模型。排种盘为ABS工程材料注模加工，毛刷材料尼龙，玉米种子、排种盘和毛刷在仿真中的具体参数如表1所示[25-27]。为验证模型和仿真边界参数的正确性进行了玉米种子的堆积角验证试验，实测休止角与仿真测定休止角相差6.07%，误差较小，建模精度较高，可用于仿真试验研究[28]。

1. 排种盘 2. 种子

表1 材料的物理特性参数

在EDEM软件中根据种子的三轴尺寸分布，设置颗粒工厂颗粒尺寸按正态分布产生，标准差Std Dev设置为0.1，生成颗粒的尺寸极限最小为平均值的0.7倍，最大为平均值的1.17倍，仿真中种子颗粒数量定为800，生成速率为5 000粒/s，时间步长为3.91´10-6s 。

3.2 种层扰动对充种性能的影响

3.2.1 扰种条形式对充种性能的影响

对图4所示4种不同形式排种盘进行充种过程仿真分析，探讨扰动对充种性能的影响。试验参照GB/T 6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》，测定251粒种子，计算单粒率（1粒/穴）、重播率（大于等于2粒/穴）、漏播率（0粒/穴）。

为分析不同扰种条对种群扰动的影响，基于前期仿真试验，在扰种条截面半径1 mm、圆台锥角40°、排种盘转速5 r/min时得到4种排种盘种群动能瞬时变化规律如图9所示。种群动能为仿真区域中所有种子颗粒在时间步内所具有的动能总和，反应种群的活跃程度。

由图9可以看出：有无扰种条对种群动能影响显著，无扰种条时，种群动能小于1.0×10-8J，说明种群在充种时很不活跃；有扰种条时，动能最小为2.0×10-7J，比无扰种条大一个数量级，动能呈现波动变化，说明扰种条能有效带动种群使其活跃起来；不同扰种条对种群动能影响程度也不同，螺旋扰种条对种群动能最大且波动明显，最大为2.0×10-6J，说明螺旋扰种条能更大程度扰动种群，因为螺旋扰种条的切线角是不断变化的，充种角变大种子也能沿扰种条运动，扰动种群范围大，即种群动能大；直、斜扰种条种群动能变化量为2.0×10-7~1.7×10-6J，因为随着充种角的增大，扰种条的切线角是定值，分别为0、12°，种子难以沿扰种条运动，扰动种群范围较小。

图9 排种盘形式和种群动能关系

3.2.2 扰种条半径对充种性能的影响

种群扰动量过小，种群间易相互堆积易形成力链；相反，种群扰动过大导致充种合力降低，亦不利于种子充入型孔，因此合适的种群扰动量和扰动形式对充种性能影响重大。其中，扰种条半径和种群扰动量紧密相关。为探索扰种条半径对充种性能的影响，在排种盘转速为15 r/min，圆台锥角为40°时分析了3种形式扰种条半径分别为0.25、0.5、1、1.5、2 mm时排种器的充种情况，结果如表2所示。

表2 不同扰种条半径、扰种条形式和充种性能的关系

结果表明扰种条半径大小影响排种盘充种性能，其中单粒率随的增大先增大后减小，说明扰种条半径增大，种群扰动量随之增大，单粒率得到提高，当扰种条半径为1.00 mm时充种效果最好，直扰种条、斜扰种条、螺旋扰种条的单粒率分别为94.80%、94.00%、95.20%，扰种条半径继续增大，导致种群扰动量过大使种群受较大的法向力，降低了充种合力，所以充种效果变差；各扰种条半径下，螺旋式扰种条充种效果都优于直扰种条和斜扰种条，因为种群扰动务必会使种子产生与充种力方向相反的法向跳动，导致充种力减小。说明螺旋式扰种条在扰动种群的同时对种子充种合力的影响最小，是最有利于种群充种的扰种条形式。最终确定螺旋扰种条结构形式为本文研究对象。

3.3 圆台锥角对充种性能的影响

由2.2.1分析可知，排种盘圆台锥角对种子在扰种条上的运动有影响。为明确圆台锥角对充种性能的影响情况，在排种盘转速为15 r/min，扰种条半径为1 mm，圆台锥角分别为35°、40°、45°、50°条件下分析螺旋扰种条的充种情况，结果如表3所示。

表3 不同圆台锥角对充种性能的影响

结果表明圆台锥角影响排种盘充种性能，随圆台锥角增大，单粒率先增大后减小，重播率和漏播率先减小后增大；圆台锥角为40°时，充种单粒率最高为95.2%，重播率、漏播率最低分别为1.2%、3.6%。因为圆台锥角小，排种盘宽度不变，扰种条有效长度变大，对种群扰种效果增强，种群极其活跃，充种合力降低，因此充种效果较差；圆台锥角变大，扰种条有效长度小，对种群扰动效果不明显，种群活跃度差，不利于种子充填。

3.4 响应曲面试验分析

基于前述分析和已有研究[23-25]，为进一步优化设计参数，以螺旋扰种条为研究对象，以排种盘转速1、圆台锥角2和扰种条半径3为试验因素，单粒率1、重播率2和漏播率3为试验指标，设计三因素五水平二次正交回归旋转组合仿真试验，设计因素与水平如表4所示。

二次正交回归旋转组合试验方案与试验结果如表5所示,1、2、3分别为1、2、3的因素编码值。

表4 设计因素与水平

利用Design-Expert8.0.6软件对试验结果进行多元回归拟合分析，表6为单粒率、重播率、漏播率的回归模型方差分析。可以看出，单粒率、重播率、漏播率的二次回归模型均高度显著，失拟项均不显著，回归方程不失拟。

表5 设计方案与结果

注：1、2、3分别为排种盘转速1、圆台锥角2和扰种条半径3的因素编码值。

Note：1,2, and3are the factor code values of the disc rotation speed1, the cone angle2, and the disturbance strip radius3, respectively.

依据系数间不存在线性相关性，经逐步回归法剔除不显著因素得各因素与单粒率1、重播率2、漏播率3回归响应面方程分别为

方差分析表明，三因素对单粒率影响的主次顺序依次为排种盘转速>圆台锥角>扰种条半径；对重播率影响的主次顺序依次为排种盘转速>扰种条半径>圆台锥角；对漏播率影响的主次顺序依次为排种盘转速>圆台锥角>扰种条半径。圆台锥角和扰种条半径的交互项23对单粒率、重播率和漏播率影响均极显著。

为分析交互项对试验指标的影响规律，应用Design- expert 8.0.6 软件得到在排种盘转速为8.40 r/min，圆台锥角和扰种条半径交互作用对单粒率、重播率和漏播率的响应曲面，在扰种条半径为1.24 mm，排种盘转速和圆台锥角交互作用对漏播率的响应曲面如图10所示。

表6 单粒率、重播率和漏播率回归模型的方差分析

注： MSE 为均方差，<0.01表示极显著；0.01<<0.05表示显著；>0.05表示不显著。

Note：MSE means mean square error,<0.01means highly significant; 0.01<<0.05 means significant;>0.05 means nosignificant.

图10 试验因素对各指标的响应面图

图10a说明单粒率随扰种条半径和锥盘锥角的增大先增大后减小，分别在1.20～2.00 mm和38°～45°到达最大值。图10b说明重播率随扰种条半径和锥盘锥角的增大先减小后增大，分别在0.40～1.20 mm和39°～46°达到最小值。图10c说明漏播率随扰种条半径和锥盘锥角的增大先减小后增大，分别在1.20～1.90 mm和37°～47°达到最小值。

分析其原因可知：扰种条半径大，种群法向跳动量大，扰动剧烈，充种合力被削弱；扰种条半径小，扰动效果不明显，种子间相对运动较少。锥盘锥角大，种群受径向扰动小，不利于种子沿扰种条下滑；锥盘锥角小；种群受轴向扰动力小，种子扰动量小。

为寻求约束条件范围内各因素最优组合，以排种器单粒率最大，重播率和漏播率最小为评价指标。对充种性能指标回归模型进行多目标优化求解，优化目标函数和约束条件如下：

利用Design-expert 8.0.6软件对回归方程进行优化求解后得到，排种盘转速8.4 r/min，排种盘圆台锥角38.6°，排种盘扰种条半径1.24 mm时，单粒率、重播率和漏播率分别为96.29%、2.55%和1.15%。在此条件下重复3次仿真试验，得排种器单粒率、重播率和漏播率分别为96.76%、2.15%和1.09%，单粒率、重播率和漏播率与仿真试验误差分别为0.49%、15.69%和5.22%，误差较小，表明回归方程可靠性较高。

4 台架试验

4.1 试验条件

为验证实际工作中排种盘的工作性能，利用美国Stratasys公司生产的Dimension Elite三维打印机（精度为0.178 mm，打印材料为ABS）注塑成型不同参数的排种盘，在中国农业大学工学院JPS-12多功能排种试验台上进行不同速度下的排种性能试验，如图11所示。试验用玉米种子为河南大成种业有限公司生产的“丰乐”牌郑单958玉米杂交种，千粒质量307 g，含水率11.5%。

1. 排种器 2. 安装架 3. 种床带 4. 控制电机

4.2 试验方法和指标

为对仿真结果进行验证：1）在排种盘转速15.00 r/min、锥角40.0°、扰种条半径1.00 mm 条件下不同形式扰种条排种盘的充种性能；2）在最优参数（排种盘转速8.40 r/min、锥角38.6°、螺旋扰种条、扰种条半径1.24 mm）下的充种性能，并进一步将排种盘转速分为8.40、10.00、13.33、16.67、20.00 r/min共5个梯度（对应的机器前进速度分别为4.94、5.85、7.80、9.75、11.7 km/h），与黑龙江省双福机械有限公司生产的TS-IV型勺轮式排种器（长´宽´高为310 mm´200 mm´264 mm，勺数为18个）进行对比，以单粒率、漏播率和破损率为试验指标，每个速度水平进行3次重复试验。每次试验参照GB/T 6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》[29]，测定251粒种子，其他条件保持一致。各性能指标计算公式如式(17)所示。

式中为单粒率，%;为漏播率，%；为破损率，%；1为单粒种子穴数，穴；2为空穴数，穴；¢为试验种子总穴数，穴；为破碎种子质量，g；为种子总质量，g。

4.3 结果与分析

1）不同形式扰种条的排种性能台架试验结果如表7所示。可以看到，对于充种单粒率，螺旋式扰种条＞直扰种条>斜扰种条，与仿真结果一致，误差分别为1.0%、1.6%、1.2%；对于漏播率，直扰种条>斜扰种条>螺旋式扰种条，误差分别为11.1%、2.8%、11.1%。以上结果可以看出，台架试验和仿真试验结果基本吻合，验证了仿真结果的准确性。

2）本排种器和勺轮式排种器在不同作业速度下的对照试验结果如表8所示。本排种器在作业速度4.94 km/h（对应转速8.40 r/min），锥角38.6°，扰种条半径1.24 mm的最优参数组合下，单粒率、重播率、漏播率分别为95.4%、1.6%和3.0%，单粒率与仿真试验误差为1.4%，单粒率误差较小，重播率和漏播率误差较大，因为其基数小，些许的变化都会导致较大的误差，实际上都在允许范围内，加之仿真条件较为理想，并未考虑振动的影响，实际中振动来源较多，链条传动、安装架等都会产生振动。

在作业速度为4.94～9.75 km/h时，螺旋扰种条式排种器单粒率最低为91.4%，重播率1.6%，漏播率7.3%，满足玉米精密作业的农艺要求。相比于对照的勺轮式排种器，在作业速度低于7.80 km/h时螺旋扰种条式排种器单粒率提高有限；作业速度为7.80 km/h时，单粒率提高1.1%；作业速度9.75 km/h时，单粒率提高3.2%。高速作业时螺旋扰种条式排种器优于勺轮式排种器，说明增加种群的扰动提高了排种器对作业速度的适应性。

表7 不同形式扰种条和充种性能的关系

表8 台架试验结果

5 结 论

1）为提高机械式排种器的工作性能，设计了一种自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器，增加扰种装置，提高充种性能和对作业速度的适应性，通过柔性护种降低了对种子的损伤。对排种盘关键参数进行设计，通过EDEM对排种盘扰种结构参数进行了优化，确定排种盘直径200 mm，型孔结构为圆形通孔，型孔个数39，螺旋扰种条的排种盘结构。

2）以排种盘转速、圆台锥角和扰种条半径为试验因素进行三因素五水平二次正交回归旋转组合仿真试验建立了单粒率、重播率、漏播率指标的回归方程，分析了各因素对试验指标的影响关系，确定了排种器较优组合参数为排种盘转速8.4 r/min，圆台锥角38.6°，扰种条半径1.24 mm时，排种器单粒率为96.29%，重播率为2.55%，漏播率为1.15%。

3）最优组合参数下的台架试验表明，排种盘转速为8.4 r/min时，单粒率95.4%，重播率1.6%，漏播率3%，与仿真结果相吻合。排种盘转速8.4～16.67 r/min（对应的机器前进速度为4.94～9.75 km/h）时，单粒率不小于91.4%，重播率不大于1.6%，漏播率不大于7.3%，伤种率不大于0.44%，满足玉米精密播种的农艺要求，且在同等作业速度下充种效果优于勺轮式排种器，说明增加种群的扰动提高了种子充填性能和对作业速度的适应性。本文只针对郑单958进行了台架试验验证，研究成果只适用于郑单958玉米种子。本研究为机械式玉米精量排种器的设计与研究提供了研究基础。

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Design and experiment of self-disturbance inner-filling cell wheel maize precision seed-metering device

Du Xin, Liu Cailing※, Jiang Meng, Zhang Fuyin, Yuan Hao, Yang Hongxue

(100083,)

In order to increase the rate of single seed and reduce the missing and multiple rate of the mechanical precision seed-metering device, and from the perspective of reducing the seeds friction in the filling area and increasing the seeds activity, a kind of self-disturbance inner-filling cell wheel maize precision seed metering device was designed. For the mechanical metering device, the process of seeds filling into hole depends more on gravity, because of seed layer thickness is limited, the size of filling gravity will not change too much, and disturbing the seed to a certain extent will cause the seed to produce normal beating, which is not conducive to fill. So a seed disturbing strip on the inner surface of a certain inclined cone disc was designed. The advantage is that the seed on the top of the hole gets a small normal jump to decrease the seed friction, simultaneously it can ensure that the seed gets enough filling force to be filled into the hole. The movement of the seed on the disturbing strip and the principle of seed filling were analyzed, and then the parameter design of the seed metering device was completed. The hole parameters of seed metering disc were calculated, and the optimum hole size for seed filling was determined. Different types of disturbing strip are set on the conical surface of the seed metering disc, which are non-disturbing strip, direct disturbing strip, decline disturbing strip and spiral disturbing strip. The force acting on the seed disturbing strip and the relative limit velocity of the seed filling into hole were analyzed. It was determined that the radius of the seed disturbing strip, the cone angle of the cone and the rotation speed of the seed disc all affected the filling process. In order to determine the optimal seed metering parameters of the seed metering device, a discrete element software EDEM was used to simulate the seed metering device. The single factor test and the multiple quadratic rotation orthogonal combination test were carried out with the test factors of the rotation speed of the seed plate, the strip form of disturbing the seed, the cone angle of the seeding plate and the radius of the disturbing strip. Using Design-Expert 8.0.6 to analyze the test data, the mathematical model between the rate of single seed, missing , multiple sowing and the test index was obtained. The optimum parameters were as follows: The speed of the seed disc was 8.40 r/min, the disturbing strip form was spiral, the cone angle of the seed plate was 38.6°, and the radius of the disturbing strip is 1.24 mm, respectively. The single, multiple and missing rate were 96.29%, 2.55% and 1.15%, respectively. Under the optimal parameter combination, the bench test proved that the of single、multiple and missing rate were 95.4%, 2.55% and 1.15%, respectively. When the speed of the seed disc during 8.40~16.67 r/min, the single rate was more than 91.4%, multiple and missing rate were less than 2.55% and 1.15%, the seed damage rate was less than 0.44%, respectively, and the seeding effect is 3.2% higher than the scoop wheel type metering device. which could meet the agronomic requirements of the precision sowing of maize. The simulation test of the seed metering device based on EDEM discrete element method has provided references for determining the performance parameters of the seed metering device and shortens the design period. This study can provide references for improving the performance of the mechanical seed metering device.

agricultural machinery; design; precision metering device; disturbing strip; parameter optimization; inner-filling; discrete element method

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.003

S223.2

A

1002-6819(2019)-13-0023-12

2019-02-11

2019-03-21

国家重点研发计划项目（2017YFD0300907）

都 鑫，博士生，主要从事农业机械与农业装备研究。Email：dx2017on@163.com

刘彩玲，博士，副教授，主要从事农业机械与农业装备研究。Email：cailingliu@163.com

都 鑫，刘彩玲，姜萌，张福印，袁 昊，杨洪雪.自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2019，35(13)：23－34. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.003 http://www.tcsae.org

Du Xin, Liu Cailing, Jiang Meng, Zhang Fuyin, Yuan Hao, Yang Hongxue.Design and experiment of self-disturbance inner-filling cell wheel maize precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 23－34. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.13.003 http://www.tcsae.org