油菜扰动气力盘式穴播排种器参数优化与试验

李兆东，何 顺，钟继宇，韩建锋，陈永新，宋 宇※

（1. 安徽农业大学工学院，合肥 230036； 2. 安徽省智能农机装备工程实验室，合肥 230036）

满足油菜农艺种植要求。该研究可为皖江地区油菜机械化穴播技术及装备研究提供参考。

0 引 言

油菜是重要的油料作物，兼具蔬菜、饲料等多种功用，其广泛种植于中国长江中下游和新疆、内蒙古等地区[1]。油菜精量直播技术具有省种省时、节本增效和适宜机械化收获等优点，是提高油菜生产效益的有效手段之一[2]。

油菜排种器是直播机的核心部件，排种器排种质量直接影响播种质量。排种器按工作原理可分为机械式和气力式2种型式[3-4]。其中气力式排种器依靠气流作用将种子吸附且对种子形状适应性好，可显著降低种子破损率，排种质量可靠，国内外学者进行了广泛研究[5-7]。在结构设计上，Gaikward等[8]设计了一种柱塞托盘气力式蔬菜排种器，使成本降低到原来的15.27%；Arzu等[9]以棉花和玉米种子等为研究对象，进行了播种机作业的速度和圆盘吸孔的数目对圆盘气吸式排种器排种性能的影响规律的试验，得出2种作物最合适的种盘型孔数目；丛锦玲等[10-11]针对气力式排种器播不同作物时需更换种盘的缺陷，研制了一种兼用型内嵌入导种条式种盘及其型孔，以实现油菜和小麦兼用；尹文庆等[12]设计了一种气力槽轮组合式蔬菜精量排种器，采用两级排种并进行了台架试验，结果满足播种指标要求；李兆东等[13]设计了一种槽齿组合式吸种盘，通过在传统平面吸种盘上增加凹槽与扰种齿来增强种群扰动强度，试验结果表明该种盘可明显改善高速排种过程中种子的漏充率。在研究方法上，Önal等[14]对排种器的工作性能进行了试验，并以粒距变异系数为指标，得出了影响排种器排种均匀性的主要因素；Yatskul等[15-16]对气力式排种器的气力输送系统进行了研究，建立了一种测量加载气流速度的方法，提出了一种能耗评估方法，得出了最佳管道直径，并对气力式播种机的分配器进行研究，分析了空气速度和物料流速对种子分布精度的影响研究，研究了出口管长度、分配头密封性和分配头位置角度对排种均匀性的影响，并利用高速摄像得出了较优参数；雷小龙等[17]运用EDEM软件与高速摄像技术，对不同种层调节板倾角和种层厚度的种群运动与供种性能进行了仿真与试验研究，明确了种层厚度影响充种性能的原因。上述通过对气力式排种器结构改进或采用可行的试验方法，可有效提高其充种性能，但对于油菜气力式排种器作业速度提高易产生漏充影响穴播性能研究尚且不多。

作者团队前期采用扰动吸附组合技术设计的气力槽齿盘式精量排种器可有效解决高速排种过程中油菜种子漏充率高的难题[13]，但该排种器的穴播性能有待研究。本文对扰动充种过程进行动力学分析，借助EDEM数值模拟、高速摄像和正交试验相结合，建立扰动充种力学模型，构建种盘与种子运动接触仿真模型，获得影响漏充率的关键结构参数，并进行油菜穴播排种性能优化试验，以期为皖江地区油菜机械化穴播技术及装备研究提供参考。

1 排种器结构及工作原理

1.1 排种器结构

油菜气力槽齿盘式穴播排种器主要由种箱、种盘、吸室壳体、导种管、卸种筛等部件组成，如图1所示。其中，种盘是排种器的核心工作部件。

排种器工作过程如图2所示。首先将油菜种子加入种箱，种子在重力的作用下进入充种区Ⅰ，步进电机驱动排种轴顺时针旋转，种盘上的扰种齿能够打破充种室中种子的堆积状态，使得种子在负压的作用下能够精准吸附在种盘型孔上，随着种盘旋转进入携种区Ⅱ，当种盘上的型孔到达卸种区Ⅲ的时候，种子在重力和正压吹送共同作用下从型孔上脱离出来，落入导种管完成排种过程，刚卸完种子的型孔随即进入过渡区Ⅳ，为下一次排种过程做准备。

1.2 槽齿辅助扰动充种机理

假设油菜种子为材质均匀的刚体，根据刚体动力学理论[18]，建立种子充种过程的动力学模型，如图3所示。充种区的种子初始速度为v0，与扰种齿进行碰撞后速度发生了变化，并向型孔处移动，到达型孔捕获区域时速度为v1，种子在吸附力Fs的作用下被吸附在型孔上随种盘运动。种子初始阶段在种盘表面运动，其表面与种盘表面相切，种子被型孔处吸附力捕获，并随种盘运动，其表面与型孔轮廓线相切，其纵向位移为s。根据动能定理，在种子被型孔吸附力捕获并最终吸附在种盘上随种盘运动的过程中，吸附力对种子做功使得种子速度增大到与种盘型孔处速度相同。

根据动能定理可得：

由式（1）可得：

式中m为种子质量，kg；ω为种盘转动角速度，rad/s；R为型孔中心到种盘中心的距离，m；p为型孔处压强，Pa。

由式（2）可知，其他条件不变时，p随v1的增大而减小，扰种齿对种群有扰动推送作用，可增大种子运移的初速度，有助于贴近种盘表面区域的种群获取与型孔一致的初速度，提高种子与型孔接触时间，使得贴近种盘的种子易被吸孔捕获。为满足油菜高速精量排种需要，种盘高速转动时，与传统无扰动式种盘相比，扰动式种盘可减小种子被型孔吸附所需负压，从而降低漏充率。

2 种盘辅助扰种数值模拟

种盘是气力式精量排种器实施精量排种的核心部件，当增大种盘转动速度时，型孔捕获并吸附种子所需时间急剧下降，容易造成大量漏充，而利用种盘辅助扰动可有效打破充种室内无序种群的堆积状态，有利于增加种子与型孔接触时间，进而易被吸孔吸附[19-20]，因此为探究种盘结构对种群的扰动性能，找出具有较强扰种作用的种盘结构，开展种盘辅助扰种数值模拟。

2.1 种盘结构

为研究不同种盘结构对种群扰动强度的影响，仿真中采用不同的种盘型式来进行仿真，种盘结构包括槽齿数目与槽齿厚度，所设计种盘直径为0.14 m，其上均匀分布36个型孔，凹槽与扰种齿交错分布构成槽齿结构，遵循槽齿均匀分布的原则，同时便于加工，设计槽齿数目分别为6、12、18共3种，如图4a所示，3个图中种盘槽齿数目依次为6、12、18。槽齿盘靠槽齿对种群薄层进行扰动，根据前期研究扰种齿的厚度为种子厚度的一半为宜[21-22]，为保证不同的扰动强度，设计0.5、1.0、1.5 mm共3种不同槽齿厚度，如图4b所示，3个图中扰种齿的厚度依次为0.5、1.0、1.5 mm。3种槽齿数目与3种槽齿厚度两两组合，得到9种不同型式的种盘。

2.2 仿真模型与参数

为提高运算速度，EDEM仿真时将整个排种器模型简化为种箱、种盘、吸室壳体、油菜种子和导种管5个部分，如图5a所示。油菜种子球型度高，统计确定种子粒径范围呈正态分布且差异小，发生碰撞不考虑颗粒变形，仿真中设置油菜种子直径为2 mm，种子颗粒简化为硬球模型[21]，如图5b所示。

根据排种器材料，参考文献[22]将种盘的材料设定为铝合金，其泊松比为0.3，剪切模量为2.7×1010Pa，密度为2.7×103kg/m3。油菜种子泊松比为0.25，剪切模量为1.1×107，密度为6.8×102kg/m3。油菜种子之间恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数分别为0.6，0.5，0.01；油菜种子与种盘之间恢复系数、静摩擦系数、动摩擦系数分别为0.6，0.3，0.01。由于油菜种子近似球形，种子表面光滑且无粘附力，仿真中选用Hertz-Mindlin无滑动接触模型作为种子与排种器、种子与种子之间的接触模型。

2.3 试验方法

选取上述9种种盘进行仿真。排种器应满足油菜直播种植要求，理论穴距为0.05～0.08 m，一般机组前进速度为3～8 km/h，种盘转速选取40、60、80 r/min可满足实际需要，分别进行这3个速度梯度下的仿真试验[13]。为保证种子将充种室填满并有多余的种子在充种口，种子总数设定为30 000颗，种子在第1 s内生成完毕，种盘从第2 s开始旋转，此时种子已经生成完毕，处于静止状态，仿真到10 s结束，固定时间步长为瑞利时间步长的25%[23-24]。

仿真完成后，进入EDEM的Analyst模块，根据充种室的种子速度分布发现，种盘转动时靠近种盘的种群速度加剧，远离种盘的种群速度则没有太大变化。为了便于观察，使用EDEM中的Clipping工具将仿真模型沿种盘表面进行剖开。按照种群速度将充种室中的种群分成2个区域：强制扰动区与摩擦扰动区，强制扰动区为靠近种盘的种群区域，厚约3层种子的平均直径，主要依靠种盘上的槽齿进行强制扰动；摩擦扰动区为充种室中强制扰动区以外的种群区域，主要靠种子之间的摩擦进行扰动，如图6所示。结合前期试验与仿真发现，种子被吸附主要集中在强制扰动区，强制扰动区中的种子被槽齿定向扰动后速度增大，同时打破了种群的堆积状态，降低了种群间的内摩擦阻力，更易于被种盘上型孔吸附，因此本文重点针对强制扰动区的种子进行研究。根据前述辅助扰种原理，适当增大种子的在被型孔吸附前的初速度能够减小负压可降低功耗，并结合文献[25]，提取强制扰动区种子种群平均速度（下文皆用vq代指）作为扰动强度的评价指标。

2.4 仿真结果与分析

图7为不同种盘在80 r/min转速下vq的变化趋势。在同一槽齿数目、不同槽齿厚度条件下，种群平均速度vq随槽齿厚度增加呈现先增加后降低的趋势，分析其原因在于：槽齿厚度从0.5增大到1.0 mm时，槽齿厚度的增加使得种盘对种群扰动加剧，槽齿对种群有拖带但种子未被带出充种室（图8a和8b），强制扰动区种群受到较大扰动，即存在vq呈现增大趋势；1.0增大到1.5 mm时，槽齿厚度的增加使部分种子被槽齿带出充种室，摩擦扰动区补充进来的种子尚未受到槽齿结构的扰动（图8c），因此出现vq的下降。随着仿真时间的推移，尽管vq出现了波动，但总体趋势不变，这表明适当增大槽齿厚度可提高对强制扰动区种群的扰动强度，但槽齿厚度过大时会有相反的效果。

在相同槽齿厚度、不同槽齿数目条件下，随着槽齿数目的增加，种群平均速度vq随之上升，槽齿数目由6增加到12时，vq增长明显，槽齿数目由12增加到18时，vq增长趋势放缓。槽齿数目的增加使得种群与种盘上槽齿的接触更加频繁，种群受到槽齿定向扰动的频率增加，从而导致vq的增大。

上述分析表明，槽齿数目为18的种盘对强制扰动区种群的扰动强度最大，图9为槽齿数目为18、不同槽齿厚度的种盘在3种转速下vq的变化。从图中可看出，随着种盘转速的提高，各种盘的vq均增大，表明所设计的种盘皆有辅助扰种作用。在3种转速下，槽齿厚度为1.0 mm时vq均是最大，表明槽齿厚度为1.0 mm的种盘对强制扰动区种群具有最强的扰种作用。综上所述，槽齿数目18、槽齿厚度1.0 mm的种盘具有较强的扰种作用。

3 台架试验

为探寻种盘辅助扰动对漏充率的影响，使用仿真分析的9种种盘进行充种性能试验，优选出充种性能最佳的种盘，并将最佳槽齿结构参数的种盘安装在油菜气力槽齿盘式排种器上进行排种性能试验，验证具有辅助扰种结构的种盘对提高气力式排种器精量穴播排种性能的效果。

3.1 试验设备

台架试验包括2部分：充种性能试验与排种性能试验。充种性能试验台主要包括HG-250型旋涡风泵（浙江森森集团）、U型压力计（量程0～12 000 Pa)、TB86BL120-430型步进电机（常州远控有限公司）、油菜气力槽齿盘式穴播排种器、i-SPEED 3高速摄像系统（日本Olympus公司）等，如图10a所示。排种性能试验台以JPS-12型排种性能检测试验台（黑龙江省农业机械化工程科学院）为平台，包括HG-250型旋涡风泵（浙江森森集团）、油菜气力槽齿盘式穴播排种器等，如图10b所示。

3.2 试验方法

3.2.1 充种性能试验

充种性能试验以湖北国科高新技术有限公司生产的袋装华油杂62油菜种子为试验材料，其千粒质量为4.45 g，种子平均粒径为1.8 mm，含水率为7.8%，球形度为91.5%。根据仿真模型参数加工试制种盘，将其装在油菜气力槽齿盘式穴播排种器上，排种器的壳体采用透明外壳，方便通过高速摄像系统进行拍摄。为获得较优的种盘型式，并验证EDEM仿真的合理性，开展不同转速下种盘型式对排种性能影响的试验。参照GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》，采用高速摄像对排种器的正面进行拍摄，拍摄种盘转动12圈的视频，共432个型孔的图像，从中随机选出360个连续型孔的图像进行统计，每组试验重复3次，取平均值作为试验结果进行记录，按式（3）～（4）计算种盘的漏充率与充种合格率。

式中L为漏充率，%；Q为充种合格率，%；n1为没有充上种子的型孔数；n2为充入1粒或2粒种子的型孔数；N1为统计的总型孔数，本文N1=360。

选取槽齿数目A、槽齿厚度B、种盘转速C和工作负压D为试验因素，以漏充率和充种合格率为试验指标，根据上述仿真分析，槽齿数目选择6、12、18 共3个水平；由前期试验可知，槽齿厚度过小，无法对种群提供有效扰动，槽齿厚度过大则会出现槽齿带种现象，本文选择0.5、1.0、1.5 mm 3个水平进行试验；种盘转速选取40、60、80 r/min 3个水平可满足田间作业速度为3～8 km/h的油菜种植农艺要求；负压过大过小均不利于油菜精量充种性能，负压较小时，型孔吸附力较小则漏充率增加，负压较大时易造成型孔吸附多粒种子，前期试验得出负压范围1 500～2 500 Pa可满足实际需要，故选择负压1 500、2 000、2 500 Pa进行正交试验。试验按照四因素三水平L9（34）正交表进行试验设计，共9组试验，每组重复3次取平均值进行数据记录。试验因素水平如表1所示。

表1 充种性能试验因素水平表Table 1 Factor level table of seed filling performance test

3.2.2 穴播排种性能试验

排种性能试验以中国深圳创世纪有限公司选育的袋装创杂油17号油菜种子为试验材料，其材料特性如下：千粒质量为4.5 g，种子平均粒径为2.0 mm，球形度为97.7%。将排种器安装在JPS-12型排种性能检测试验台上，设定油菜穴距为0.05 m，根据种盘转速与种带速度转换公式（5）得到种盘转速与种带速度的对应关系，如表2所示。

表2 种盘转速与种带速度的对应关系Table 2 Matching table of seed plate rotational speed and seed belt speed

式中n为种盘转速，r/min；l为油菜穴距，m；Vm为种带速度，km/h。试验因素为种盘转速C与工作负压D，因素水平如表3所示，进行三水平析因试验。参照国家标准GB/T6973-2005，试验时每个条件下重复3次取平均值，每次试验选取750穴，统计空穴数与合格的穴数。相关试验指标计算公式如式（6）与式（7）所示。

表3 排种性能试验因素水平表Table 3 Factor level table of seeding performance test

式中Xk为空穴率，%；Xh为穴粒数合格率，%；x1为穴中无种子的穴数；x2为穴种子数目为1或2的穴数；xn为总穴数。

3.3 充种性能试验结果与分析

充种性能试验结果如表4所示。漏充率越低，充种合格率越高，排种器的排种性能越好[26-27]，为分析不同试验因素对排种器排种性能的影响大小，对试验结果进行极差分析，结果如表4所示。

表4 充种性能试验结果Table 4 Seed filling performance results

试验表明，影响漏充率的主次因素分别为种盘转速C、槽齿数目A、槽齿厚度B、工作负压D。影响充种合格率的主次因素分别为种盘转速C、槽齿数目A、槽齿厚度B、工作负压D。根据表4极差分析结果，按照A3B2C1D2进行试验，重复3次，得到与仿真结果一致的A3B2种盘组合，即槽齿数目为18、槽齿厚度为1.0 mm的种盘组合具有较强的扰种作用，能够显著降低种子漏充率，提高种子充种合格率。

根据EDEM数值模拟与充种性能试验可知：随着槽齿数目的增加，vq不断增大，漏充率随之降低；随着槽齿厚度的增加，vq先增大后减小，漏充率先降低后升高，vq与漏充率呈负相关。结合前述理论分析知台架试验结果增大vq可降低漏充率。丁力等[25]在种盘上设计了一种型孔凸台进行辅助充种，可在不增大工作负压的情况下实现玉米高速播种；张国忠等[28]设计了一种导向型搅种装置并进行了试验，结果表明安装导向型搅种装置后工作气流真空度要求降低，水稻充种性能得到改善；贾洪雷等[29]通过在种盘上增设导种槽等改善了大豆排种器在高速情况下负压骤降情况下的排种性能。以上学者在玉米、水稻、大豆等多种作物气力盘式排种器方面的研究可看出，在种盘上增设扰种装置可有效改善充种性能，其本质均是利用扰种装置给充种室中贴近种盘区域种群提供与种盘转动方向一致的初速度，降低种子被型孔吸附所需负压，进而降低漏充率。因此，对于气力盘式排种器，利用辅助扰种增大强制扰动区种群的平均速度是降低漏充率的有效措施。

为检验扰动式种盘与无扰动式种盘在低负压条件下的充种性能，选用槽齿数为18、槽齿厚度为1.0mm的种盘与传统平面盘进行对比，给定负压为1 500 Pa时，种盘转速以20 r/min为间隔，分别选取40、60、80 r/min进行台架试验，以漏充率为评价指标，结果如图11所示。

2种种盘的漏充率变化趋势相似，扰动式种盘的漏充率明显比无扰动式种盘低，随着种盘转速的增加，2种种盘的漏充率差距加大：种盘转速为40 r/min时，槽齿盘比平面盘漏充率低2.85个百分点；种盘转速增大到80 r/min时，槽齿盘比平面盘漏充率低10.95个百分点。

由上述试验结果可知：无扰动式平面盘在种盘转速为40 r/min时漏充率为3.5%，当种盘转速达到60 r/min时漏充率达到6.85%；扰动式槽齿盘在种盘转速80 r/min时漏充率低于4.0%，参照NY/T 1143-2006《播种机质量评价技术规范》，无扰动式平面盘在种盘转速达到60 r/min时不易满足油菜精量穴播的要求，而扰动式槽齿盘在种盘转速80 r/min时仍然可满足油菜穴播的要求。结合上述理论和仿真分析其原因在于：种盘转速增大时，种子与型孔接触时间变短，对种群具有定向扰动的槽齿盘可有效打破充种室内种群堆积状态，利于贴近种盘表面的种子获得与种盘转动方向一致的初速度，与无扰动式平面盘相比，延长了种子与型孔的接触时间，在相同负压下更易被型孔吸附，从而缓解了因排种器作业速度提高时漏充率高导致穴播排种性能下降的难题。

3.4 穴播排种性能试验结果与分析

试验结果如表5所示，将表中试验数据使用Design-Expert软件进行拟合，得到空穴率与穴粒数合格率的响应面图，如图12与图13所示。

表5 排种性能试验结果Table 5 The test results of seeding performance

由图12可知，工作负压固定时，随着种盘转速的提高，空穴率不断增大，这是因为转速提高时，种盘上的型孔不能及时吸附种子，造成空穴率增加；种盘转速固定时，随着工作负压的增大，空穴率不断减小，这是因为种盘型孔吸附种子需要风机提供工作负压，当风机提供的工作负压增大时，由于接触面积不变，吸力增大，克服了种子重力与种子间相互作用力的作用，使种子更易被型孔吸附住，空穴率降低。

图13 为穴粒数合格率响应面图。从图13中可以看出，工作负压固定时，随着种盘转速的增加，穴粒数合格率整体呈现下降趋势，工作负压较小时，穴粒数合格率随种盘的增加而下降的趋势更明显，这是因为随着种盘转速的增加，种盘型孔漏充率也在增加，因此造成穴粒数合格率下降，工作负压较小的时候，低转速的情况下种盘型孔漏充率低，转速升高后，提供的工作负压不足以将种子及时从种群中分离出来并吸附，因此型孔出现漏充率急剧升高，穴粒数合格率则出现急剧下降。工作转速固定时，随着工作负压的增加，穴粒数合格率整体呈上升趋势，高转速的情况下上升趋势更加明显，这是由于随着工作负压的增加，型孔对种子的吸附力在增大，种子漏充率降低，因此穴粒数合格率逐渐增大，高转速的情况下，低工作负压时，由于型孔对种子吸附力不足，型孔漏充率升高，导致穴粒数合格率低。经方差分析，去掉不显著的因素，获得空穴率Xk、穴粒数合格率Xh与种盘转速n和工作负压p之间的拟合方程如下：空穴率越低，穴粒数合格率越高，排种器排种性能越好。使用Design-Expert软件对以上2个评价指标进行优化，优化目标公式如下：

使用Design-Expert软件对目标函数进行求解，并对优化结果进行试验，重复3次，结果如表6所示。

由表6可知，在种盘转速为40～80 r/min条件下，空穴率均低于3%，穴粒数合格率均大于96%，与理论优化结果之间误差较小，表明拟合模型可靠性较高。

表6 优化结果与试验验证Table 6 Optimization results and test verification

4 田间试验

为进一步验证油菜气力槽齿盘式穴播排种器的大田作业性能，2020年10月30日至11月3日在安徽省枞阳县进行油菜播种试验，如图14所示。试验材料为排种性能试验所用的创杂油17号，播种前茬作物为太湖糯稻，留茬高度为0.35～0.45 m，油菜直播机由湖北桦磊农机制造有限公司生产，机具幅宽为2.3 m，可播种8行，行距0.25 m，牵引动力为东方红LY1104轮式拖拉机，机组前进速度为3.24 km/h。由于在田间作业时机组受地表不平和发动机工作而引起一定程度上的振动影响，故田间试验和台架试验研究存在一定的误差。利用SG-312风压风速风量仪实际测得平均工作负压为2 400 Pa（球头调节阀控制风压），利用VC6236P转速仪实际测得种盘平均转速为32 r/min，播种面积约3.4 hm2。播种90 d后，对油菜长势进行测量，在同一块田中随机选取5厢，每厢中随机选取一块长为1 m，宽为2 m的区域，测量区域内穴数及穴株数，统计得平均空穴率为4.6%（0株为空穴），平均穴株数合格率为90.54%（1～2株为合格穴），油菜平均株距为0.053 m，平均种植密度为（70±4）株/m2。

5 结 论

1）针对气力式油菜穴播排种器作业速度提高易产生漏充影响穴播排种性能的问题，设计了一种具有槽齿定向扰种式种盘的气吸式油菜穴播排种器，运用EDEM软件进行了种盘扰种数值模拟，建立了可划分强制扰动区与摩擦扰动区的种子与种盘运动接触仿真模型，提出了充种室强制扰动区种群平均速度作为扰种性能的评价指标，得出槽齿数目为18、槽齿厚度为1.0 mm的扰动式种盘为较优种盘。

2）利用仿真所用的9种种盘进行充种性能试验，以槽齿厚度、槽齿数目、种盘转速和工作负压为试验因素，以漏充率与充种合格率为评价指标开展四因素三水平正交试验，通过极差分析得到了充种性能最佳并与仿真结果一致的扰动式槽齿盘，通过台架对比试验明确了对种群具有定向扰动的种盘可有效改善充种性能。

3）进行了油菜扰动气吸式穴播排种器排种性能试验，以种盘转速与工作负压为试验因素，以空穴率与穴粒数合格率为试验指标进行三水平析因设计试验，并对试验结果进行回归分析，结果表明在种盘转速为40～80 r/min，工作负压在2 392～2 500 Pa的条件下，空穴率均低于3%，穴粒数合格率均高于96%，田间试验油菜平均种植密度（70±4）株/m2，平均空穴率为4.6%，平均穴粒数合格率为90.54%，满足油菜农艺种植要求。