小麦小区条播机离心分种器参数优化与试验

程修沛，李洪文，卢彩云，何 进，王庆杰，王 超，于畅畅，魏忠彩，王春雷

·农业装备工程与机械化·

小麦小区条播机离心分种器参数优化与试验

程修沛，李洪文※，卢彩云，何 进，王庆杰，王 超，于畅畅，魏忠彩，王春雷

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083； 2. 农业农村部河北北部耕地保育农业科学观测实验站，北京 100083）

为了对离心分种器进行结构改进和参数优化以提高小麦小区播种机的分种均匀性，该文对小麦离心分种过程进行运动分析，得出小麦籽粒的运动受到离心分种器转速、分种面夹角和分种距离的影响；采用离散元仿真软件，建立仿真模型，以离心分种器转速、分种面夹角和分种距离为试验因素，以分种均匀性变异系数为试验指标，进行不同播量下的三因素三水平正交试验，研究各个因素对分种均匀性的影响规律，以获得较优的参数组合。仿真试验结果表明，在播量为2 000、3 000粒时影响分种均匀性的主次因素为离心分种器转速、分种距离和分种面夹角，在播量为1 000粒时为离心分种器转速、分种面夹角、分种距离；通过仿真试验和台架试验，确定离心分种器较优参数组合为离心分种器转速1 250 r/min、分种面夹角120°、分种距离17.5 mm，台架试验条件下3种播量的分种均匀性变异系数分别为5.18%、4.45%和3.98%，与仿真试验结果相差0.36%、0.14%和0.55%，两者基本一致，且籽粒破碎率为0.17%、0.13%和0.14%，具有较小的籽粒破碎。该研究可为小麦小区条播机的离心分种器优化改进以及分种性能提升提供参考。

农业机械；离散元法；小麦；小区播种；离心分种器；参数优化

0 引 言

小麦是中国的三大粮食作物之一，据国家统计局的统计年鉴显示，2017年小麦产量为13433.4万t[1]，保持小麦的高产与稳产，对于维护国家粮食安全和国民生计稳定具有十分重要的意义[2]。优良品种对粮食增产起到非常重要的作用[3]，在发达国家优良品种对于农业增产的贡献率能够达到50%[4]。而田间育种试验作为培育优良品种的有效途径，播种作业是其重要的一个环节，对育种试验结果的准确性有着显著的影响[5]。

小区播种机械是培育新品种、繁殖良种和品种对比等田间育种试验所用的专用播种机械，具有定量播种、自动清种、间隔播种、连续播种等特点[6]。小区条播机作为小区播种机械主要机型之一，通过人工供种、锥体充种、格盘运种、排种口排种、离心分种器分种等作业次序完成一个小区的播种[7]。国外小区播种机研发较早[8-9]，经过了长期的发展，技术与装备已经趋于成熟，如Wintersteiger，Haldrup， Almaco 等公司生产的小区播种机械处于国际领先，并逐步向自动化、智能化方向发展[10-12]。而国内对小区播种机械研究起步较晚，播种机械化作业水平低、发展速度缓慢[13-16]。

离心分种器的分种作业是小区播种最为关键的环节之一，是将下落种子均匀分入各种管的最后一个步骤，其性能的好坏直接影响了小区播种机各行播种均匀性[17]。为了提高小区分种作业效果，国内外专家学者针对不同的离心分种器结构、离心分种器转速等方面展开了相应研究，如Wael[18]以小麦、扁豆和亚麻为试验对象，研究了3种作物分别在对称式离心分种器和对称分隔式离心分种器下的播种效果，试验结果显示，对称式离心分种器对于3种作物的分种效果均高于对称分隔式；刘曙光[19]以油菜为试验对象，对其分种均匀性进行了试验研究，结果表明，对称式离心分种器转速在1 100 r/min时，油菜种子获得较佳的分种均匀性。以上研究均为小区播种机提高分种性能奠定了基础，然而，目前离心分种器的分种运动特性、结构参数以及转速等方面对小麦分种均匀性影响研究不足，尚不能满足小麦育种人员的作业需求，离心分种器的分种均匀性仍有待进一步提高。

因此，针对以上问题，为了提高小区播种机的分种均匀性，本文以小麦小区条播机的离心分种器为研究对象，分析了小麦籽粒落入离心分种器的运动特性，采用离散元方法开展不同播量下的三因素三水平正交试验，探究不同试验因素对于小麦分种均匀性的影响规律，优化离心分种器结构与作业参数并进行台架试验验证，以期为小区播种机的研究和发展提供参考。

1 锥体格盘式离心排种装置结构与工作原理

锥体格盘式离心排种装置作为小麦小区条播机的主要工作部件，其结构如图1所示，主要由存种机构、锥体格盘机构以及离心分种机构组成。其中，存种机构由倒种漏斗、存种筒、提升杠杆等组成，存种筒与锥体顶部紧密贴合组成存种空间；锥体格盘机构由锥体、格盘、锥体底座、底板、传动轴、锥齿轮对以及步进电机等组成，格盘空间是由多个隔板将锥体底座与外隔板组成的环形区域分割而成，步进电机为格盘旋转提供动力，底板上开有落种口。

1.离心分种机构 2.落种口 3.外隔板 4.锥体 5.存种筒 6.倒种漏斗 7.提升杠杆 8.锥体底座 9.格盘隔板 10.底板 11.传动轴 12.步进电机 13.锥齿轮对

离心分种机构如图2所示，主要由聚种漏斗、离心分种器、直流电机、六行分种管等组成。其中，直流无刷电机通过联轴器、传动轴将动力传递给离心分种器；将六行分种管透明显示，离心分种器两侧对称分布三角形凸台。直流电机采用PWM控制，可以实现不同转速的设置。离心分种机构主要技术参数如表1所示。

1.直流电机 2.固定套管 3.六行分种管 4.聚种漏斗 5.离心分种器

表1 离心分种机构的主要参数

锥体格盘式离心排种装置工作原理：小区播种为份量型播种，与大田播种不同，每一小区面积较小，作业前需要将每一小区种子备好，作业时，按照育种试验要求，将定量小麦籽粒倒入存种筒，进入待播状态；小区播种机到达指定播种位置时，人工按下提升杠杆，存种筒向上提升，存种筒底部与锥体出现一定的间隙，此时种子沿锥体下滑，均匀分配到底部格盘；种子下落后，步进电机带动锥体格盘进行旋转，隔板推送种子依次经过落种口，形成均匀种子流；聚种漏斗将落种口落下的种子进行收拢，进入到离心分种器，直流无刷电机带动离心分种器高速旋转，种子在离心力作用下被均匀分配到各行种管内，完成排种作业。

2 小麦籽粒运动特性分析

通过对锥体格盘式离心排种装置原理分析可知，离心分种器的分种作业直接影响了颗粒落入种管的均匀性，关系到最终各行播量的一致性。本文以较为理想小麦籽粒为研究对象，建立在离心分种器上运动学分析模型，对颗粒进行运动特性分析，做出以下假设：

1）小麦籽粒为尺寸大小均匀一致的刚体，质量为，所受力均作用在小麦籽粒质心。

2）种子落入离心分种器后充分分散，沿离心分种器滑动，忽略小麦籽粒弹跳。

3）空气阻力相对于其他力较小，忽略空气阻力对于分种过程的影响。

以离心分种器水平圆面中心为坐标原点建立静坐标系，以分种面对称点′为坐标系原点建立动坐标系′′′，其中分种面法线方向为′轴、沿分种表面方向为轴和沿分种面对称线垂直向上为′轴，小麦籽粒受力如图3所示。

小麦颗粒在′方向上受力平衡，应满足方程

式中∑F为沿空间坐标系方向上合力，N；为，即小麦籽粒沿方向的径向位移，整个分种运动结束时，最大为分种面长度，m；F为小麦籽粒受到离心分种器旋转产生的离心力，N，大小为

式中为小麦籽粒在某点时，离心分种器在该点线速度，m/s；为离心分种器旋转角速度，rad/s。

注：A为某时刻小麦籽粒所处的位置；mg为小麦籽粒所受重力，N；Fc为相对运动产生的科氏力，N；F2为离心分种器水平面对小麦籽粒支持力，N；f1、f2分别为离心分种器分种面、水平面对小麦籽粒的摩擦作用力，N；Fr为离心分种器产生的离心力，N；α为小麦籽粒在某一位置与O、O'形成的夹角，即OAO'角度，(°)；θ为离心分种器分种面夹角，(°)；h为OO'之间的距离，m；r为小麦籽粒在某一位置与离心分种器圆心之间的距离，即OA，m；l为O'A，即小麦籽粒沿y'方向的径向位移，m。

小麦籽粒受到离心分种器分种面的摩擦作用力1主要与科氏力c有关，大小为

式中为小麦颗粒与离心分种器之间摩擦系数。

小麦籽粒受到离心分种器水平面的摩擦作用力2，大小为

将式（2）～（4）代入式（1）得到小麦籽粒在离心分种器上的运动方程为

由图3可得，、、、以及之间的关系为

将式（6）～（7）代入式（5），得

3 仿真模型建立

3.1 离心分种器离散元模型建立

应用Solidworks2013对离心分种机构工作部件进行1:1建模，并另存为.step格式导入到EDEM软件中，简化实体模型把不必要的部件去除，主要包括颗粒工厂、聚种管、离心分种器和六行分种管，将六行分种管设置为透明，如图4a所示。更换不同结构参数的离心分种器完成不同的仿真试验，如图4b为不同分种面夹角的离心分种器，实际的离心分种器由左右对称凸台和底座组成，两者通过螺孔连接，更换凸台实现不同参数的离心分种器，凸台呈一定夹角并接触、分离小麦籽粒的面称为分种面；配置材料属性，离心分种器为碳钢结构。颗粒工厂设置于离心分种机构上方，生成小麦籽粒，模拟小麦籽粒落下过程。

图4 仿真模型

3.2 小麦籽粒离散元模型建立

为了保证仿真试验对作业过程的真实模拟，本文试验所用小麦品种为鲁垦麦9号，该品种适于在黄淮冬麦区种植，随机选取100粒小麦籽粒进行长、宽、厚3个方向上的尺寸测量，结果如表2所示，千粒质量为39.6 g。

表2 小麦籽粒外形尺寸

通过测量，小麦籽粒各方向尺寸具有一定范围，基本尺寸符合正态分布；小麦籽粒宽度和厚度方向上尺寸相差仅0.24 mm，小麦籽粒可简化为类椭球体。因此以小麦籽粒长度6.1 mm、宽厚3.2 mm，5球面组合方式建立小麦籽粒离散元模型，如图5所示，并在颗粒工厂设置以正态分布形式生成小麦籽粒。

图5 小麦籽粒仿真模型

3.3 离散元参数设定

本文进行离心分种器仿真试验，实际中颗粒与颗粒、颗粒与离心分种器之间接触均无黏附力，选择Hertz-mindlin (no-slip)模型作为接触模型。参考文献[20-23]，测定颗粒密度、小麦籽粒与离心分种器静摩擦系数，查阅相关文献[2,24-26]确定其他参数，确定模型仿真参数如表3所示，采用堆积角试验方法测定实际小麦籽粒堆积角，与仿真小麦籽粒堆积角进行比较，得到两者之间误差约为4.96%，仿真试验效果基本接近真实试验。

表3 仿真参数

4 仿真试验与优化

4.1 试验方法与评价指标

在品种对比、品种鉴定和区试等小区育种试验基本接近实际生产，因此小区试验所用播种量根据实际生产播种确定，本文以大田播种量120 kg/hm2，选取小区面积为6.66 m2，按千粒质量折算，小区播种量取整为2 000粒，同时为了使得离心分种器能够适应不同面积小区和不同播量需求，增加1 000粒和3 000粒，共设置3个梯度。

颗粒工厂设置于离心分种机构上方，用于模拟颗粒从锥体格盘落下过程，通过设置颗粒工厂的生成速率模拟实际作业过程中小麦籽粒经过锥体格盘下的排种口落下情况，根据播种量不同，本文设定小区播种量分别为1 000、2 000和3 000粒，平均生成速率依次为67、133和200粒/s。仿真试验固定时间步长为Rayleigh时间步长的20%，仿真总时间为17 s。

每次试验完成后，应用 EDEM 的后处理 Selection 模块功能，在六行分种管的每个种管出口处设置大小为50 mm×50 mm×50 mm的Grid Bin Group，分别统计通过每个Grid Bin Group的颗粒数目，即为每行播种量。

为了分析离心分种器的分种均匀性，选择各种行之间的分种均匀性变异系数作为评价指标，分种均匀性变异系数越大，说明离心分种器的各种行之间分种均匀性效果越差，播量相差越大，分种均匀性变异系数越小，说明离心分种器的分种均匀性效果越好。分种均匀性变异系数计算公式[27]如下：

式中C表示各种行之间的均匀性变异系数，%；表示粒数标准差；表示各行之间平均粒数；i表示第种行小麦颗粒数；表示种行数。

4.2 离心分种运动轨迹

为了较好的观察小麦籽粒离心分种运动，选取一组试验某一颗粒为研究对象，小麦籽粒的运动轨迹以流线形式表示，如图6所示。

图6 小麦籽粒离心运动轨迹

由图6可知，小麦籽粒沿分种面向外运动，速度逐渐增加，到达最外侧时，最大速度达到5 m/s以上。从小麦籽粒运动轨迹可以看出，小麦的离心分种有2种比较典型的运动。如图6a所示，小麦籽粒被离心加速一次之后即被甩出，碰撞到种管内壁后落入到种管内，该轨迹为正常的离心分种运动，有利于把小麦籽粒较快地均匀离心分出，提高离心分种器的分种性能。如图6b所示，部分小麦籽粒被离心甩出碰撞到外部壳体后被弹回到分种区域，经过离心甩出-碰撞弹回-再次离心加速甩出的反复过程，最终进入到分种管内，产生多次碰撞主要由于颗粒随机弹跳、碰撞造成回弹等引起，增加了分种运动的不规律性，小麦籽粒不能实现有序分离，对分种均匀性产生不利影响，同时多次碰撞会增加籽粒损伤的可能性。

4.3 正交试验

4.3.1 正交试验设计

为了探究离心分种器的分种均匀性，以离心分种器转速、分种面夹角以及分种距离（分种面顶端与分种中心之间的距离）为试验因素，设计三因素三水平正交试验，试验因素水平如表4所示。试验按照L9（33）正交表进行设计，共9组试验，每组试验完成后统计每行种管小麦籽粒数量，计算分种均匀性变异系数。

表4 试验因素水平表

离心分种器转速：离心分种器转速对于分种均匀性具有重要的影响。根据前期的单因素试验结果，当转速小于1 100 r/min时，离心分种器不能较好地将落下的种子均匀分配，分种效果不佳，分种均匀性变异系数较高；离心分种器转速大于1 400 r/min时，落下的种子尚未充分分散开就被离心分出，同样会产生分配不均的问题，且小麦籽粒破碎率增大，不利于小区育种试验。因此，根据前期单因素试验结果，离心分种器转速选择1 100、1 250和1 400 r/min。离心分种器的转速调节通过改变控制信号的脉冲占空比实现。

分种面夹角：不同分种面夹角会形成不同大小的分种空间区域。分种面夹角小于90°，分种空间区域较大，小麦籽粒分散范围较广，自上方落下后不能尽快被离心分种器离心分出；分种面夹角大于150°，分种区域较小，不利于小麦籽粒的充分分散，易多粒一块被离心甩出。因此，本文选择90、120和150°进行试验。

分种距离：当分种距离小于17.5 mm，由于上部聚种漏斗结构限制，会造成小麦籽粒落入到离心分种器的上表面，不能及时落入到分种区域，增加了分种不均匀性；分种距离较大，如大于27.5 mm，落下小麦籽粒分散后不能接触到分种面，不能及时沿离心分种器分种面离心分出，影响了离心分种效果。因此，最终确定分种距离为17.5、22.5和27.5 mm进行试验。

4.3.2 仿真试验结果与分析

每次试验结束后，对各行播种粒数进行统计并计算分种均匀性变异系数，试验方案与结果如表5所示。

由表5可知，在9组正交试验中，播种量分别为1 000、2 000和3 000粒时，分种均匀性变异系数范围分别为4.59%～9.13%、4.31%～6.77%、3.21%～5.22%，由此可以看出，该离心分种器在播量为1 000粒时分种均匀性的稳定性较差，较少播量会出现较大的波动。

为了确定各试验因素对于试验指标的影响和主次顺序，对试验结果进行极差分行和方差分析，如表6和表7所示。

表5 仿真试验结果

表6 极差分析表

表7 方差分析表

注：*表示有显著影响；（*）表示有一定的影响，但不显著。

Note: * represent significant effect；(*) represent has some effect but not significant.

由表6可知，在播量为2 000、3 000粒时，对分种均匀性变异系数影响的主次顺序均为>>，即离心分种器转速对分种均匀性变异系数影响最大，分种距离次之，分种面夹角影响较小；而对于播量1000粒时，影响分种均匀性变异系数的主次顺序依次是>>。

由表7方差分析可知，在播种量1 000和2 000粒时，离心分种器转速对分种均匀性变异系数具有显著的影响，在播种量3 000粒时具有一定的影响；分种面夹角对播种量1 000粒时，具有一定的影响，对其他播种量无影响；播种量1 000和2 000粒时，分种距离对分种均匀性变异系数具有一定的影响，而在播种量为3 000粒没有影响。

播种量为1 000粒时的较优参数组合为222，播种量为2 000粒时的较优参数组合为221，播种量3 000粒时的较优参数组合为321，3种播种量情况下均在分种面夹角120°下具有较好的分种效果。播种量1 000粒、2 000粒时较优的离心分种器转速为1 250 r/min，播种量3 000粒时较优的离心分种器转速为1 400 r/min，随着转速增加，小麦籽粒受到的离心力和分种线速度增大，分种效率提高，但是转速过大，会产生颗粒未及时分散均匀、碰撞回弹增加等，造成分种不均匀性。同时，因播种量为3 000粒时分种区域内的颗粒分布密度明显要高于其他2个播种量下，因此为了尽快颗粒分离出去，应相应提高离心分种器转速，以避免后续落种的相互干扰，降低分种均匀性；当离心分种器转速和分种距离一定时，一方面分种面夹角增大，分种效率有所增加，有利于分种，另外一方面又降低了分种区域空间，使得颗粒没有足够的空间进行均匀分散，因此分种面夹角有个合适的平衡值；分种距离在播种量2 000和3 000粒时17.5 mm效果较好，播种量1 000粒时22.5 mm效果较佳，由于现有的分种空间结构限制，在播种量较大的情况下，落下小麦籽粒应及时接触种面进而快速分离，降低小麦籽粒在分种区域的滞留时间，因此播种量2 000和3 000粒时，分种距离应较小，分种距离对于分种均匀性的影响要优于分种面夹角。

5 台架试验

5.1 试验条件与方法

为了验证离心分种器优化结果的可靠性，基于离散元仿真分析结果，在中国农业大学工学院保护性耕作实验室搭建试验台进行验证试验。试验台包括台架、存种机构、锥体格盘机构、离心分种机构、集种袋以及相应的控制系统，试验台架如图7所示。结合仿真试验，对3种播种量下的较优参数组合进行试验验证，因分种面夹角和分种距离作为结构参数，实际生产不能进行随时更换，需要最终确定唯一值，因此3组播量均进行参数组合为221和222的验证试验，以期能够得到最适合的分种面夹角和分种距离；离心分种器转速可以进行电控调节，播种量3 000粒时的较优参数组合为321，因此增加此参数组合进行验证。

1.台架 2.离心分种机构 3.存种机构 4.锥体格盘机构 5.集种袋

为了保证仿真试验与台架试验小麦籽粒落入离心分种器的一致性，首先将倒入存种装置内的种子振平，保证分入格盘小麦籽粒的均匀性；其次，因采用种子总数分为1 000粒、2 000粒和3 000粒，利用自行设计的控制系统Android终端进行锥体格盘转速参数设置为4 r/min，可保证种子通过每秒通过排种口小麦籽粒数量基本与仿真试验颗粒工厂每秒生成的小麦籽粒保持相同。六行分种管下方设置集种袋，将分配后的籽粒进行收集，统计每行的颗粒数量。每次试验后对破碎的种子进行收集统计，计算种子破碎率（破碎籽粒数/总试验籽粒数）。试验进行3次重复，取均值，试验结果进行记录。

5.2 试验结果与分析

台架验证试验结果如表8所示。

表8 验证试验结果

由表8可知，台架试验与仿真试验结果基本一致，播种量为1 000粒时，在参数组合222下分种效果较好，分种均匀性变异系数5.07%，与仿真试验结果相差0.81%，播种量为2 000和3 000粒分别在参数组合221和321下具有较优的分种效果，分种均匀变异系数分别为4.45%和3.63%，与仿真试验相差分别为0.14%和0.46%，试验结果出现误差的原因是由于实际工况下小麦籽粒落下与颗粒工厂随机生成过程存在差别，但台架试验与仿真试验所反应的变化规律基本一致。

3种播量下台架试验的籽粒破碎均较少，小区播种机尚未有专门的行业标准与规范，以目前的播种机质量评价规范为评价标准[28]，种子破碎率均小于0.5%，满足要求。产生籽粒破碎的原因在于离心分种器的外圆柱面与六行分种管内壁存在着一定的间隙，离心甩出的种子会进入到间隙，造成挤压破碎。由于育种作业的特殊性，小麦籽粒比较珍贵稀少，应尽可能降低籽粒破碎，播种量为3 000粒的321参数组合试验中破碎籽粒平均为6粒，说明转速1 400 r/min易出现较高的破损，因此建议在播种量为3 000粒分种均匀性差异不大的情况下，离心分种器转速为1 250 r/min较为适宜，以保护小麦籽粒。

综合分析，为了得到离心分种器较优的参数组合以适应不同播种量，在3种播种量下，分种面夹角较优参数均为120°；分种距离在17.5与22.5 mm相比所适应的播种量更多，故选择较优的分种距离为17.5 mm；在既能保证分种均匀性的前提下尽可能降低籽粒破损，离心分种器转速选择1 250 r/min为较优参数。因此，最终确定的较优参数组合为离心分种器转1 250 r/min，分种面夹角120°，分种距离17.5 mm，此时台架试验得到3种播量下分种均匀性变异系数依次5.18%、4.45%和3.98%，与仿真结果相差分别为0.36%、0.14%和0.55%，籽粒破碎率分别为0.17%、0.13%和0.14%。

6 讨 论

通过分析发现，离心分种器要实现均匀分种，颗粒落入分种区域后应首先均匀分散，并能够及时与分种面接触，尽快依次沿离心分种器表面被离心分离，但颗粒落下的随机性、颗粒间相互碰撞、弹跳等，分散过程离心分种器的结构限制，颗粒量较大时会出现多粒集堆，颗粒量较少时产生的过度分散规律性较差，不能形成依次有序的分离，均会一定程度上增加分种不均匀；一旦小麦籽粒形成均匀有序分散，离心分种器应及时将小麦籽粒分离，否则继续自由运动和后续的落种会冲击碰撞，影响分离均匀性。

在结构参数一定的条件下，选择合适的离心分种器转速对于分种性能尤为重要，高转速碰撞折回几率增大，且增加籽粒破损的可能，而低转速分种速率不足，影响后续分种。在实际生产中，不同的颗粒品种、不同小区播种量对于离心分种器转速需求不同，应通过控制系统及时调整离心分种器转速以使在较优的条件下进行分种工作。

本文中的仿真与台架试验均在较为理想情况下进行，与实际小区田间作业有一定的差别，如田间土壤对整机作业影响，因此后续田间适应性试验有待进一步研究。

7 结 论

为了提高小区条播机离心分种器的分种均匀性，本文针对离心分种器分种过程进行运动分析，并进行离散元模拟仿真，设计了不同播量下三因素三水平正交试验，分析不同播量下各试验因素对分种均匀性的影响规律，得出以下主要结论：

1）在播种量2 000和3 000粒下影响分种均匀性的主次因素为离心分种器转速>分种距离>分种面夹角，在播种量为1 000粒时主次因素顺序为离心分种器转速>分种面夹角>分种距离。

2）根据试验结果与分析，确定较优参数组合为离心分种器转速1 250 r/min，分种面夹角120°，分种距离17.5 mm，3种播量下台架试验得到分种均匀性变异系数依次为5.18%、4.45%和3.98%，与仿真试验结果相差分别为0.36%、0.14%和0.55%，台架试验与仿真试验结果基本一致，且小麦籽粒破碎率分别为0.17%、0.13%和0.14%，离心分种器具有较好的分种性能。

[1] 国家统计局. 2018中国统计年鉴[M]. 北京：中国统计出版社，2018.

[2] 祝清震，武广伟，陈立平，等. 小麦宽苗带撒播器弹籽板结构设计与优化[J]. 农业工程学报，2019，35(1)：1－11.

Zhu Qingzhen, Wu Guangwei, Chen Liping, et al. Structural design and optimization of seed separated plate of wheat wide-boundary sowing device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 1－11. (in Chinese with English abstract)

[3] 常建国，刘兴博，叶彤，等. 农业小区田间育种试验机械的现状及发展[J]. 农机化研究，2011，33(2)：238－241.

Chang Jianguo, Liu Xingbo, Ye Tong, et al. Agricultural plot field trial breeding status and development of machinery[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(2): 238－241. (in Chinese with English abstract)

[4] 尚书旗，杨然兵，殷元元，等. 国际田间试验机械的发展现状及展望[J]. 农业工程学报，2010，26(增刊1)：5－8.

Shang Shuqi, Yang Ranbing, Yin Yuanyuan, et al. Current situation and development trend of mechanization of field experiments[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(Supp.1): 5－8. (in Chinese with English abstract)

[5] Yang Song, Zhang Shumin, Yi Jintao, et al. Development and experiment of seed metering for grass plot seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.2): 72－77.

杨松，张淑敏，易金涛，等. 牧草小区播种机排种器的设计与试验[J]. 农业工程学报，2012，28(增刊2)：72－77.(in English with Chinese abstract)

[6] Lian Zhengguo, Wang Jiangang, Yang Zhaohui, et al. Development of plot-sowing mechanization in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(Supp.2): 140－145.

连政国，王建刚，杨兆慧，等. 小区播种机械化在中国的发展[J]. 农业工程学报，2012，28(增刊2)：140－145. (in English with Chinese abstract)

[7] 朱明，陈海军，李永磊. 中国种业机械化现状调研与发展分析[J]. 农业工程学报，2015，31(14)：1－7.

Zhu Ming, Chen Haijun, Li Yonglei. Investigation and development analysis of seed industry mechanization in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(14): 1－7. (in Chinese with English abstract)

[8] Admin. The first Oyjord plot seeder [EB/OL]. (2017-09-29) [2018-12-21]. http://www.oyjord.org/2017/08/29/the-first-oyjord-plot-seeder/.html.

[9] COPP L G L, Lawson J M. Cone seeders for small plots[J]. New Zealand Journal of Agricultural Research, 1970, 13: 204－207.

[10] In the field research equipment , Wintersteiger [EB/OL]. [2018-1-21]. https://www.wintersteiger.com/en/Plant-Breeding- and-Research/Products/Product-Range.html.

[11] Product overview-Haldrup seeder, Haldrup [EB/OL]. [2018-12-21]. https://www.haldrup.net/en/seeders/overview.html.

[12] Planting systems, Almaco [EB/OL]. [2018-12-21]. https: //www.almaco .com/store/c2/planting-systems/.html.

[13] 刘曙光，尚书旗，杨然兵，等. 小区播种机的发展分析[J]. 农机化研究，2011，33(3)：237－241.

Liu Shuguang, Shang Shuqi, Yang Ranbing, et al. Analysis of plot seeder development[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 33(3): 237－241. (in Chinese with English abstract)

[14] 佟超. 我国农业试验区播种机械的研究与发展[J]. 农业机械学报，1995，26(1)：125－126.

[15] 杨然兵，张翔，李建东，等. 锥体帆布带式排种器参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(3)：6－13.

Yang Ranbing, Zhang Xiang, Li Jiandong, et al. Parameter optimization and experiment on cone canvas belt type seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 6－13. (in Chinese with English abstract)

[16] 陶鑫，徐祝欣，李建东，等. 小麦田间育种机械化研究现状及应用[J]. 农业工程，2013，3(4)：12－15.

Tao Xin, Xu Zhuxin, Li Jiandong, et al. Research situation and application of wheat breeding field Experiments mechanization[J]. Agricultural Engineering, 2013, 3(4): 12－15. (in Chinese with English abstract)

[17] 李国梁，尚书旗，王东伟，等. 小区条播机离心分种装置的试验研究[J]. 农机化研究，2016，38(3)：213－217.

Li Guoliang, Shang Shuqi, Wang Dongwei, et al. Test study on centrifugal distribution device of plot drill[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2016, 38(3): 213－217. (in Chinese with English abstract)

[18] Wael M F. Development and Performance Evaluation of a Plot Seeder to Suit Some Different Certified Seed Production[D]. Egypt: Tanta University, 2017.

[19] 刘曙光. 小区育种播种机关键装置的设计与机理分析[D]. 沈阳：沈阳农业大学．2011.

Liu Shuguang. Study on Design and Mechanism Analysis of Main Parts of Plot Seeder[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[20] 王云霞，梁志杰，张东兴，等. 基于离散元的玉米种子颗粒模型种间接触参数标定[J]. 农业工程学报，2016，32(22)：36－42.

Wang Yunxia, Liang Zhijie, Zhang Dongxing, et al. Calibration method of contact characteristic parameters for corn seeds based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(22): 36－42. (in Chinese with English abstract)

[21] 刘文政，何进，李洪文，等. 基于离散元的微型马铃薯仿真参数标定[J]. 农业机械学报，2018，49(5)：125－135，142.

Liu Wenzheng, He Jin, Li Hongwen, et al. Calibration of simulation parameters for potato minituber based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(5): 125－135, 142. (in Chinese with English abstract)

[22] 王宪良，胡红，王庆杰，等. 基于离散元的土壤模型参数标定方法[J]. 农业机械学报，2017，48(12)：78－85. Wang Xianliang, Hu Hong, Wang Qingjie, et al. Calibration method of soil contact characteristic parameters based on DEM theory[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(12): 78－85. (in Chinese with English abstract)

[23] 吕金庆，孙贺，兑瀚，等. 锥形撒肥圆盘中肥料颗粒运动模型优化与试验[J]. 农业机械学报，2018，49(6)：85－91，111.

Lü Jinqing, Sun He, Dui Han, et al. Optimization and experiment of fertilizer particle motion modelin conical spreading disk[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(6): 85－91, 111. (in Chinese with English abstract)

[24] 刘凡一，张舰，李博，等. 基于堆积试验的小麦离散元参数分析及标定[J]. 农业工程学报，2016，32(12)：247－253.

Liu Fanyi, Zhang Jian, Li Bo, et al. Calibration of parameters of wheat required in discrete element method simulation based on repose angle of particle heap[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(12): 247－253. (in Chinese with English abstract)

[25] 李兴凯，韩正晟，戴飞，等. 基于EDEM的小区育种小麦脱粒装置作业参数仿真研究[J]. 干旱地区农业研究，2016，34(4)：292－298.

Li Xingkai, Han Zhengsheng, Dai Fei, et al. Simulation research on working parameters of threshing device on plot-bred wheat based on EDEM[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2016, 34(4): 292－298. (in Chinese with English abstract)

[26] 刁怀龙，张银平，刁培松，等. 基于EDEM的小麦宽苗带深松免耕播种机设计与试验[J]. 农机化研究，2017，39(1)：58－62.

Diao Huailong, Zhang Yinping, Diao Peisong, et al. Design and experiment of a no-tillage and wide band wheat planter with subsoilers based on EDEM[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2017, 39(1): 58－62. (in Chinese with English abstract)

[27] 龚丽农，员玉良，尚书旗，等. 小区播种机电控系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2011，27(5)：122－126.

Gong Linong, Yuan Yuliang, Shang Shuqi, et al. Design and experiment on electronic control system for plot seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(5): 122－126. (in Chinese with English abstract)

[28] 中华人民共和国农业部. 播种机质量评价技术规范：NY/T 1143-2006[S]. 北京：全国农业机械标准化技术委员会，2006.

Parameter optimization and experiment of centrifugal seed dispenser in wheat plot drill

Cheng Xiupei, Li Hongwen※, Lu Caiyun, He Jin, Wang Qingjie, Wang Chao, Yu Changchang, Wei Zhongcai, Wang Chunlei

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. Agricultural Science Observation and Experiment Station of Arable Land Conservation (Northern Hebei Province), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Beijing 100083, China)

Field breeding experiments are small area trials conducted in plots for breeding new crop varieties, which is important to improve crop quality and seed propagation. As a major part of field breeding experiment, plot sowing has a significant impact on the test results. The plot drill machine is a special sowing machine used for field breeding experiment, which can complete supplying, filling, shipping, seeding, and dispensing. Among them, the uniformity of sowing is directly effected by the performance of centrifugal seed dispenser. However, the research of seed dispenser is insufficient, such as the influence of structural parameters, rotational speed and sowing rate on the seeding uniformity, which cannot met the requirements of the breeders and still need to further improved. In order to improve the seeding uniformity of plot seeder, centrifugal seed dispenser was taken as the research object, and motion characteristic was analyzed in the process of centrifugal dispensing seed. According to the analysis of kinematic characteristics, the centrifugal movement of wheat granules was mainly affected by dispenser rotation speed, dispenser angle, and dispenser distance. In this research, the combination of EDEM and experimental verification were used to analyze the influence of various test factors on the uniformity of dispensing seed. When the sowing rate is 1 000, 2 000 and 3 000 seeds, the three-factor and three-level orthogonal test was designed with dispenser rotation speed, dispenser angle, and dispenser distance as test factors, and the variation coefficient of seeding uniformity was used as the test index, to obtain better combination of parameters. Among them, dispenser rotation speed was set at 1 100, 1 250 and 1 400 r/min, dispenser angle was selected 90, 120 and 150°, dispenser distance was choose 17.5, 22.5 and 27.5 mm. The simulation results showed that the order of importance was followed by dispenser rotation speed, dispenser distances and dispenser angle in the case of 2 000 seeds and 3 000 seeds. When the sowing rate was 1 000 seeds, the order of importance was followed by dispenser rotation speed, dispenser angle and dispenser distance. According to the analysis of variance, the dispenser rotation speed has a significant effect on the variation coefficient of seeding uniformity when the sowing rate was 1 000 and 2 000 seeds, and has some effect when the sowing rate was 3 000 seeds. The dispenser angle has a certain significant effect on the variation coefficient of seeding uniformity when the sowing rate was 1 000 and has no effect on other seeding rates. Dispenser distance has a certain effect on the variation coefficient of seeding uniformity when the sowing rate was 1 000 and 2 000 seeds, and has no effect when the sowing rate was 3 000 seeds. The test bench was set up. Under the optimal combination of parameters, test was repeated three times to get the main value of variation coefficient of seeding uniformity. The tests revealed that the better combination of parameters was that the dispenser rotation speed was 1 250 r/min, the dispenser angle was 120° and the dispenser distance was 17.5 mm. When the sowing rate was 1 000, 2 000 and 3 000 seeds, the variation coefficient of seeding uniformity of were 5.18%, 4.45% and 3.98%, respectively, which were 0.36%, 0.14% and 0.55% different from the simulation results, the bench test and simulation test results were basically the same. The grain damage rate were 0.17%, 0.13% and 0.14%, and the grain damage was lower, which reached the requirements of plot sowing. The research results could provide a reference for optimizing structural parameters and improving of seeding performance of centrifugal seed dispenser in plot drill.

agricultural machinery; discrete element method; wheat; plot seeding; centrifugal seed dispenser; parameter optimization

程修沛，李洪文，卢彩云，何 进，王庆杰，王 超，于畅畅，魏忠彩，王春雷. 小麦小区条播机离心分种器参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2019，35(20)：1－9.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.001 http://www.tcsae.org

Cheng Xiupei, Li Hongwen, Lu Caiyun, He Jin, Wang Qingjie, Wang Chao, Yu Changchang, Wei Zhongcai, Wang Chunlei. Parameter optimization and experiment of centrifugal seed dispenser in wheat plot drill[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(20): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.001 http://www.tcsae.org

2019-06-28

2019-08-15

现代农业产业技术体系建设项目-国家小麦产业技术体系（CARS-03）；教育部创新团队发展计划项目（IRT13039）

程修沛，博士生，主要从事小麦耕播技术与装备研究。Email：chengxiupei7088@163.com

李洪文，教授，博士生导师，主要从事保护性耕作研究。Email：lhwen@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.001

S223.2+3

A

1002-6819(2019)-20-0001-09