稻麦兼用排种器振动供种装置性能试验

梁玉玥，郑 侃，杜 俊，罗承铭，夏俊芳

（1.华中农业大学工学院，武汉430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点试验室，武汉430070；3.恩施职业技术学院，湖北恩施445000）

我国长江中下游农业区大田主要种植作物有水稻和小麦，其种植面积分别占全国的50.8%和26.9%[1]，现有的播种机具以单一的专用机具为主[2-7]，存在播种适应性差、机械闲置利用率低及资源分配不合理等问题，难以满足大规模、高效率的轮作区多作物播种作业，因此开展稻麦兼用精量播种技术与装备的研究，符合现代农业发展高效的现实需求[8]。

目前开展稻麦兼用排种器研究较少，梅志雄等[9]设计一种螺旋舀种式排种器，该装置虽可实现小麦的精量高效播种性能，但因水稻流动性差，合格率不高。杜俊等[10]设计了一种稻麦通用型气力滚筒式精量排种器，因稻麦种子两侧曲率变化较大，对型孔和窝眼的适应性存在一定差异，造成吸种性能不佳。由此可知稻麦种子物理机械特性不同，是导致供种质量差的根本原因，也是排种器难以实现稻麦兼用的重要因素。近年来国内外学者针对提高单一物料供种性能开展了广泛研究，MALEKI等[11]设计了一种螺旋搅种装置，有效提高充种均匀性；张国忠等[12]设计了一种由2个形状相同但安装位置不同的搅种齿组成的导向型搅种装置，降低重吸发生的机率，排种性能得到改善；罗锡文等[13]通过采用2个充种室结构改善排种轮型孔的充种性能；丛锦玲等[14]在内表面上设计了嵌入式导种条，增强种子流动性；邢赫等[15]采用分层充种室提高了水稻气力式精量排种器吸种质量。上述研究表明通过安装搅种装置主要改善种群供种性能，没有涉及到种子排序供种。袁昊等[16]设计了一种导流振动板提高种子单列供种，有效提高供种效率；邓伟健等[17]在种箱下部设计倾斜导流板降低种群流动阻力，改善振动供种性能；韩豹等[18]设计了一种离心式供种机构，首先将种子分离出来，再连续供种到精量排种器上的各个进种口，有效提高供种效果。上述研究表明采用振动方式可提高种子流动性，且可以控制种子运动姿态，使种子有序排列有助于提高种子精量填充，显著提高作物单产[19]。

为实现稻麦兼用供种通畅的效果，本研究采用一种稻麦兼用振动供种装置，拟将种箱内的种子通过振动输送形成均匀连续单列种子流，分析影响稻麦供种性能的关键因素，基于离散元法采用响应面分析得到最优参数组合，并进行台架试验验证，通过调节工作电压改变振幅的方式实现稻麦种子单列连续供种，提高供种性能，为稻麦兼用排种器的优化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用无催芽杂交水稻黄华占、鄂麦11各1000粒作为研究对象，测量物料的长、宽、厚方向上的几何尺寸取平均值（表1）。水稻种子呈现长椭圆形，相关研究得出平躺和侧卧姿态概率85%[23]，大于竖立的姿态概率，根据最小势能法，确定水稻种子“平躺”状态为最有可能的平稳状态；小麦种子呈类椭球型，腹部有脐沟，种子排列多以腹沟面平躺[14]，稻麦种子均呈无序状态分布于种箱中。

表1 水稻和小麦的几何尺寸Table 1 Geometry sizes of rice seed and wheat seed

1.2 试验装置

稻麦兼用排种器结构如图1，主要由振动供种装置、电磁阀、排序管、光电传感器、吹种喷嘴阀、上排种盘、下排种盘等组成。

图1 稻麦兼用排种器结构图Figure 1 Structure diagram of metering device for rice and wheat seed

供种时，种箱里的种子在电磁激振作用下进行分散运动，然后沿着螺旋导轨向上排序输送进入排序管，经过排序管时形成单列连续种子流。种子下落时被光电传感器检测，将光电传感器信号连接至单片机外部中断I/O口，作为单片机外部中断源，外部中断触发时，单片机驱动电磁阀打开吹种喷嘴阀，由风泵提供的连续正压气流通过吹种喷嘴阀形成高速气流将种子吹进充种管并落入上排种盘的窝眼中，同时单片机对种子数量累加，计数到达设定值(水稻3粒、小麦1粒)时，单片机关闭外部中断且将电磁阀复位。

排种器工作时，上排种盘由拖拉机地轮驱动并带动种子做旋转运动，种子经过固定不动的下排种盘空隙处时随自重进入排种管，经排种管落入已开好沟的沟槽里，完成一次播种作业。单片机再次打开外部中断请求的间隔时间t，取决于上排种盘的转速n，即t=f(n)。

振动供种装置是排种器的关键部件，参照水稻和小麦农艺种植要求[14，23]，精量播种合理株距分别为20cm和6cm，工作效率为0.36～0.72hm2·h-1，由此确定振动供种参数。本研究的供种装置基本结构参数为：直径为260mm，高度为230mm，螺距为65mm，设置4列供种通道；螺旋导轨为V形槽，V形深边槽深为6mm，低边槽深为3mm，宽度为3.6mm。

1.3 种子运动特性分析

在圆周激振作用下，使种箱中的种子快速向周围运动，然后按顺序进入螺旋导轨开始向上排序输送，为确保种子在导种V形槽上稳定向前滑动，不产生跃起现象，在螺旋轨道上随机取单粒种子G为研究对象，以螺旋导轨前进方向为x轴正方向，以垂直于螺旋导轨向上的方向为y轴正方向建立平面坐标系，对此进行受力分析如图2。为了实现螺旋导轨只允许出现一粒种子向上运行，所以与种子G相连的只有前后2粒种子，于是种子在运动时受到的作用力有：激振力，可将其分解由沿x轴的正方向运动的分力FT和沿y方向运动分力FN；沿螺旋轨道方向的摩擦力Ff；来自前后种子碰撞产生的力F1′、F2′；以及种子重力mg。

图2 轨道上种子G的受力分析Figure 2 Force analysis of seed G on orbit

由此可建立种子质点G的动力学方程为：

式中：F为种子质点受到电磁振动的激振力（N）；FN为种子质点受到激振力沿y方向上的分力（N）；FT为种子质点受到激振力沿x方向上的分力（N）；Ff为种子质点G沿螺旋轨道的摩擦力（N）；α为料槽升角(°)；β为振动方向角（°）；μ为种子与工作面间动摩擦系数取0.5；m为种子质点G的质量（kg）；a1为种子沿x轴方向的输送加速度（m·s-2）；F1′和F2′分别为前后两粒种子对种子质点G的碰撞力（N）。

种子质点G在激振力F的作用下沿x轴正方向运动，由文献[21]和[22]可知，β=tan-1μ，若增大激振力F，则两个方向的激振力将同时增大，由式（2）可知，沿x方向上的分力FT大于沿y方向上的分力FN，造成种子质点G沿x轴方向的输送加速度a1增大，从而提高种子的排序输送速度v。激振力F的大小与供种装置的振幅成正比，且可将其振幅分解为垂直振幅A和角振幅θ。实际过程中供种装置的振幅由工作电压U提供[23]。

料槽升角α是料槽工作面与水平面之间的夹角，与圆柱形振动盘的直径D、螺旋轨道的螺距L有关，其关系式为：

若增加料槽升角α，种子质点沿x轴方向的输送加速度a1减小，种子滑移越困难，降低种子的排序输送速度，甚至会出现输送加速度a1小于0，导致种子不能向上输送。同时料槽升角α太小，会使得料斗直径增大，而且料槽升角α越小，料槽间距减小，物料越容易卡在料槽中，不利于种子向上输送，所以料槽升角对种子在螺旋导轨上排序输送速度v的影响比较复杂。

控制种子运动姿态，使种子单列连续输出是提高排种合格率的有效途径[24]，为使种子从螺旋导轨上能够顺利向上排序输送，通过对种子在螺旋导轨上的受力分析，得到影响种子供种性能的主要因素是供种装置的垂直振幅、角振幅和料槽升角。垂直振幅、角振幅增大，有利于提高种子的排序输送速度；料槽升角对种子排序输送的影响比较复杂。

2 离散元仿真试验与分析

2.1 仿真试验设计

根据上述理论分析，故选取垂直振幅A、角振幅θ和料槽升角α为试验因素，供种速率、供种速率变异系数、单列率[16]是该装置供种性能的重要评价指标。根据Box-Benhnken Design（BBD）设计原理，分别进行水稻和小麦供种响应面设计，分析各因素及交互作用对供种性能的影响，从而寻求最优因素组合，为后续稻麦兼用排种器的优化奠定了基础。在前期研究和预实验基础上，确定试验因素编码如表2。

表2 试验因素水平编码Table 2 Test factor level coding

依据前述稻麦种子的尺寸建立模型，运用三维软件Creo同比例创建振动供种装置模型导入EDEM软件进行仿真，仿真模型如图3。

图3 仿真试验示意图Figure 3 Schematic diagram of simulation test process

为了合理有效模拟供种装置的振动激励，在仿真过程中通过运动函数来代替，分别给供种装置添加垂直方向和圆周方向的正弦运动函数。颗粒间及颗粒与装置之间的接触模型均采用Hertz-Mindlin无滑动接触力学模型，参考李兆东等[25-28]研究确定相关仿真参数（表3），离散元仿真的颗粒工厂设置于种箱底部的一个圆柱虚拟几何体，生成速度为5000粒·s-1，所有颗粒生成完成之后进行仿真试验，为保证振动供种时颗粒连续运动，设定固定时间步长1×10-5s，Rayleigh时间步长的20%，总仿真时间为22s，网格单元尺寸为最小颗粒半径的3.5倍。

表3 种子和排序装置之间物理和力学特性仿真参数Table 3 Simulation parameters of physical and mechanical characteristics between seed and sorting device

2.2 性能评价指标

为了准确评价试验中振动供种装置重要参数对供种速率、供种速率变异系数、单列率的影响，各指标的测量方法为：统计5s内导种轨道排出的种子数量，各组试验重复5次，通过式（3），统计种子供种速率即单位时间内排出的种子数量的平均值和供种速率变异系数。

单列率的测量方法是选取某时刻单列V形槽内的种子，分别统计长轴方向重叠小于50%的种子和全部种子数量，计算公式为：

式中：vi为第i次供种速率（粒·s-1）；n为试验次数；nc为V形槽内重叠长度小于50%种子数量（粒）；na为V形槽内种子总数量（粒）。

2.3 结果与分析

2.3.1 回归模型建立与显著性检验 通过EDEM软件分别对稻麦供种性能指标的影响进行试验，分别进行了15组试验，其中有12个析因点和3个零点，试验方案与结果如表4，表中X1、X2、X3为因素编码值。利用Design-Expert分析软件对试验结果进行回归拟合分析和方差分析，并对回归模型和试验因素进行显著性检验，其结果如表5。稻麦回归模型检验p值均为极显著或显著，且回归方程失拟性p值不显著，模型的决定性系数R2分别为0.9681，0.9175，0.9963，0.9868，0.9879，0.9650，说明模型拟合良好，试验方案合理可用于试验预测与分析。

表4 试验方案与结果Table 4 Test plan and results

表5 试验结果统计分析p值Table 5 Statistical analysis of test results P value

（1）当水稻供种时，方差分析结果表明，垂直振幅对供种速率y1、供种速率变异系数y2、单列率y3的影响极显著；角振幅对供种速率变异系数y2的影响极显著，对供种速率y1和单列率y3的影响显著；料槽升角对单列率y3的影响极显著，对供种速率y1和供种速率变异系数y2的影响显著，剔除不显著的二次项，可得到水稻供种时供种速率y1、供种速率变异系数y2、单列率y3的回归方程为：

（2）当小麦供种时，方差分析结果表明，垂直振幅对供种速率y3、供种速率变异系数y4、单列率y5的影响极显著；角振幅对供种速率y3的影响极显著；料槽升角对供种速率变异系数y4的影响显著；剔除不显著的二次项，可得到小麦供种时供种速率y4、供种速率变异系数y5、单列率y6的回归方程为：

2.3.2 响应面分析 为探讨各试验因素与各性能指标关系，分别建立稻麦各因素交互影响曲面见（图4、图5）。

对水稻进行供种时，由图4a可知，在垂直振幅固定在0.5mm的情况时，当料槽升角一定时，供种速率变异系数随着角振幅增加呈先减少后增大的趋势，其原因为角振幅过小，种箱内的种子流动能力较弱，致使种子进入V形槽流动的数量不稳定（图6a），从而造成供种不均匀；角振幅过大，种子与V形槽深边产生碰撞，造成种子从V形槽掉下来；当角振幅一定时，供种速率变异系数随着料槽升角增加呈增大的趋势，且变化不明显；由图4b可知，在垂直振幅固定在0.5mm的情况时，当角振幅低频段且料槽升角高频段时，该供种装置的单列率较高。在角振幅一定时，单列率随料槽升角增加呈逐渐减小的趋势，原因为种子流产生了堆积（图6b），阻碍种子形成单列的种子流；在料槽升角较大且一定时，单列率随角振幅增加呈增加的趋势，且变化关系不明显，在料槽升角较小且一定时，单列率随角振幅增加呈减少的趋势，原因为料槽升角变大，使得螺旋导轨的斜率增大，角振幅有助于种子形成单列的种子流，从而提高单列率。料槽升角较小，角振幅增大容易使种子形成堵塞降低单列率。对小麦进行供种时，由图5a可知，在垂直振幅固定在0.5mm的情况时，在料槽升角高频段且角振幅高频段时，供种速率变异系数较低。在料槽升角较小且一定时，供种速率变异系数随角振幅增加呈增大的趋势；在料槽升角较大且一定时，供种速率变异系数随角振幅增加呈减小的趋势；在角振幅较小且一定时，供种速率变异系数随料槽升角增加呈增大的趋势，原因在于种子向上运动的输送加速度a1减小，阻碍种子流的形成，在角振幅较大且一定时，供种速率变异系数随角振幅增加呈减小的趋势，原因为种子向上运动的输送加速度a1增大，有效形成种子流；由图5b可知，在料槽升角α固定在10°的情况下，当角振幅一定时，单列率随着垂直振幅增加呈减小的趋势，原因为向上输送加速度a1增大，造成种子流形成堵塞，单列率下降；当垂直振幅较小且一定时，单列率随着角振幅增加呈增加的趋势，当垂直振幅较大且一定时，单列率随着角振幅增加呈减小的趋势，其原因为垂直振幅和角振幅的增大，都会使种箱内的种子流动能力加大，明显提高种子的输送能力，导致V形槽内的种子出现拥挤的现象。

图4 水稻供种时交互作用对供种性能影响Figure 4 Effects of interaction on seed-supply performance during rice seed-supply

图5 小麦供种时交互作用对供种性能影响Figure 5 Effects of interaction on seed-supply performance during wheat seed-supply

图6 因素交互作用解析Figure 6 Analysis of factor interaction

2.4 最优参数求解

为得到供种装置最优工作参数组合，对试验因素进行优化设计，根据稻麦农艺种植要求，水稻株距为200mm，每穴3粒换算成单列供种速率范围为12～18粒·s-1，小麦株距为50～70mm，每穴1粒换算成单列供种速度范围为12～20粒·s-1，遵循满足稻麦供种速率条件下，提高单列率降低供种速率变异系数并兼用稻麦供种的原则，采用Design-Expert软件进行多目标优化求解，分别建立稻麦供种时非线性规划参数模型为：

求得水稻供种时垂直振幅为0.477mm，角振幅为0.007rad，料槽升角11°时，供种速率最优为18.0粒·s-1，变异系数4.05%，单列率为84.0%，考虑到垂直振幅A为0.477mm时不易设置，因此垂直振幅取为0.5mm；为了满足水稻小麦兼用供种功用，水稻和小麦可兼用料槽升角为11°的供种装置，求得小麦供种时垂直振幅为0.7mm，角振幅为0.006rad，料槽升角11°时，供种速率最优为16.4粒·s-1，变异系数3.01%，单列率为79.95%；因此确定料槽升角为11°，水稻供种时垂直振幅为0.5mm，角振幅为0.007rad；小麦供种时振幅为0.7mm，角振幅为0.006rad，根据回归模型式（5）～式（10），预测稻麦供种性能，供种速率分别为18.7粒·s-1和15.4粒·s-1，供种速率变异系数分别3.87%和3.23%，单列率分别为82.97%和81.24%。

3 供种装置性能试验

3.1 单列供种性能试验

本研究采用台架试验的方式进行试验研究，振动供种装置由不锈钢材料焊接而成、电磁振动器、数字稳压控制器用来调节电磁振动器的工作电压（图7）。

图7 供种装置性能试验示意图Figure 7 Schematic diagram of performance test of seeding device

利用位移传感器与PC设备配合测出工作电压所对应的垂直振幅和角振幅，台架试验时可通过调节工作电压实现垂直振幅和角振幅的调整[29]。稻麦单列供种时，进行5次重复供种试验，统计5s内单列导种轨道内种子的供种速率、变异系数及某时刻的单列率。

通过前期预试验发现只有当工作电压大于95V才能使种子向上有效运动，于是设定工作电压为范围为100V～150V，对应测出符合垂直振幅和角振幅的配合关系，得出垂直振幅为0.5mm，角振幅为0.007rad，对应工作电压为110V；垂直振幅为0.7mm，角振幅为0.006rad，对应工作电压为130V。

为进一步验证振动供种装置不同参数下的供种性能，采用响应曲面分析所得到的组合，即料槽升角为11°，水稻供种时工作电压为110V，小麦供种时工作电压为130V。对该参数组合下分别进行试验验证，试验结果表明，该条件下，水稻和小麦的供率速率分别为19.6粒·s-1和13.9粒·s-1，均满足播种农艺要求，供种速率变异系数分别为4.11%和2.98%，变异系数较小，则表明供种均匀性较小，单列率分别为78.59%和80.32%，对比回归模型预测范围表明，供种速率误差分别为4.81%和9.74%，供种速率变异系数误差分别为6.20%和7.74%，单列率误差分别为5.23%和1.14%，表明建立的回归模型较为准确，水稻和小麦可兼用料槽升角为11°的供种装置，调节工作电压改变振幅的大小即可满足水稻小麦兼用排种器供种功能，且供种性能适应性好。

3.2 排种器振动供种性能试验

为检验稻麦兼用排用器振动供种装置的播种效果，构建振动供种排种器试验装置如图8，参考国家标准《单粒（精密）播种机试验方法》（GB/T6973-2005）进行排种试验，对于水稻种子以每穴3～5粒为合格，对于小麦种子以每穴为1～2粒为合格，本试验以合格率为排种效果评价指标。试验选用前述的黄华占和鄂麦11作为研究对象，利用数字调压控制器调节供种装置工作电压，排种轴旋转5圈，重复试验5次，统计合格率求平均值，得到当排种轴转速20r·min-1时，水稻和小麦的合格率分别90.7%和93.2%，满足稻麦兼用播种要求。

图8 振动供种效果试验装置Figure 8 Test device of vibrating seed feeder effect

4 讨论与结论

台架试验与仿真结果对比可知，水稻的仿真供种速率略小于台架试验结果，小麦的仿真供种速率略大于台架试验结果，分析原因为：仿真试验过程比较理想，实际试验时，由于两种物料的流动性不一样，在振动过程中水稻的流动性要比小麦要好，造成供种速率的误差，仿真基本能反映供种性能。从以上研究结果中可以发现，传统气力滚筒式精量排种器在精量排种时，由于种子对型孔和窝眼的适应性存在一定差异，从性能上难以突破瓶颈，导致吸种性能不佳。与之相比，该装置合格率显著提高，说明该装置对稻麦供种适应能力好。

对供种装置进行理论分析，确定影响稻麦供种性能的关键因素为垂直振幅、角振幅和料槽升角。采用离散元仿真技术，结合响应面试验分别建立稻麦种子供种时，垂直振幅、角振幅和料槽升角与供种速率、供种速率变异系数、单列率间的回归模型，满足稻麦供种速率条件下，提高单列率降低供种速率变异系数并兼用稻麦供种的原则，初步确定水稻供种时垂直振幅为0.5mm、角振幅为0.007rad、料槽升角为11°时，获得预测供种速率为18.7粒·s-1、供种速率变异系数为3.87%、单列率分别为82.97%；小麦供种时垂直振幅为0.7mm、角振幅为0.006rad、料槽升角为11°时，获得预测供种速率为15.4粒·s-1、供种速率变异系数为3.23%、单列率分别为81.24%。试验结果表明该装置能够实现稻麦种子形成连续单列种子流，供种性能满足稻麦兼用排种器作业要求。

通过台架试验表明，水稻供种时控制工作电压为110V时，供种速率19.6粒·s-1、供种速率变异系数4.11%、单列率78.59%；供种速率、供种速率变异系数、单列率误差分别4.81%、6.20%、5.23%，小麦供种时控制工作电压为130V时，供种速率为13.9粒·s-1、供种速率变异系数为2.98%、单列率为80.32%，供种速率、供种速率变异系数、单列率误差分别为9.74%、7.74%、1.14%，验证了预测模型，说明试验结果具有实用性，在此工作电压下，当排种轴转速20r·min-1时，水稻和小麦的合格率分别90.7%和93.2%，满足稻麦兼用播种要求。仅通过调节工作电压改变振幅的大小即可达到供种性能要求，操作简单，且稻麦供种适应性好，可为稻麦兼用精量排种器的优化设计提供参考和理论依据。