搅种托种型小麦气吸式精量排种器参数化设计与试验

李洪昌 高芳

摘要：針对气吸式小麦排种器因充种效果不佳导致排种性能下降的问题，设计一种辅助托种、搅种种盘的小麦气吸式精量排种器。该型排种器能够利用型孔凸台在充种过程扰动种群，同时利用搅种板增加种群的离散度并提高充种性能；在携种区种子更易在型孔凸台的托持作用下稳定吸附，减小种子所需吸附的负压。运用EDEM对4种不同设计的排种盘进行种群离散元仿真，分析各排种盘的种群平均速度和种群法向应力跳动量的变化规律。以转速、气室压强和搅种板倾斜角为因素，对所设计的最佳排种盘进行正交台架试验，通过试验结果的方差分析，确定各试验因素对排种性能指标的拟合优度及回归方程。最后，采用试验因素的多目标寻优，以合格指数最大，重播、漏播指数最小为寻优条件，得出所设计排种器的最佳性能参数：排种盘转速为36.7r/min，气室压强为-3.6 kPa，搅种板倾斜角为26.2°。对优化后的结果进行试验验证，台架试验结果与理论计算结果误差小于5%。该研究可为小麦气吸式精量排种器优化改进提供参考。

关键词：小麦；气吸式排种器；离散元法；正交试验

中图分类号：S223

文献标识码：A

文章编号：20955553 （2023） 07000908

Parametric design and experiment of air suction precision metering device for wheat

Li Hongchang1， 2， Gao Fang1

（1. College of Vehicle Engineering， Changzhou Vocational Institute of Mechatronic Technology， Changzhou，

213164， China; 2. Institute of Agricultural Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， 212013， China）

Abstract： Aiming at the problem of reduced seeding performance of the air-suction wheat seed metering device due to poor seed filling， a wheat air-suction precision seed metering device that assists in seeding and stirring the seed tray is designed. This type of seed metering device can use the hole boss to disturb the population during the seed filling process and at the same time， use the stirring plate to increase the dispersion of the population and improve the filling performance. In the seed-carrying area， the seeds are more easily stabilized and absorbed by the hole boss， reducing the negative pressure required for seed adsorption. EDEM was used to simulate the discrete element population of 4 different design seeding discs， and the variation of the average population velocity and the normal stress beating of the population of each seeding disc was analyzed. Taking the speed， air chamber pressure and the inclination angle of the stirring plate as factors， the orthogonal bench test was carried out on the optimal seeding plate designed. Through the variance analysis of the test results， the goodness of fit and regression equation for each test factor combination of the seeding performance index were determined. Finally， the multi-objective optimization of experimental factors was adopted， with the optimal conditions being the largest qualified index and the smallest replay and missed index. The best performance parameters for the designed seed metering device were obtained： the seed metering disk speed was 36.7 r/min， the air chamber pressure was -3.6 kPa， and the inclination angle of the stirring plate was 26.2°. The optimized results were tested and verified， and the error between the bench test results and the theoretical calculation results was less than 5%. This research can provide a reference for the optimization and improvement of wheat suction precision metering devices.

Keywords： wheat; air suction seed metering device; discrete element method; orthogonal test

0 引言

小麦是一种世界各地广泛种植的禾本科植物，是欧洲、亚洲各国家以及中国北方地区熟悉的主食，目前产量位于世界粮食作物总产量前三。保证小麦的高产与稳产在提高农民经济效益、保障粮食安全等方面具有重要意义［14］。近年来，随着精量播种技术的日趋完善，逐漸将精播技术用于传统的条播作物，小麦精密播种相较于传统的密集条播作业可减少基本苗，具有节省良种、降低成本、提高产量和经济效益的作用，同时可以为后续机械化收割提供相应条件［58］。

精量播种技术的核心部件是排种器［914］。由于小麦具有非圆纺锤状外形，因此对精密排种器提出了更高要求。目前，我国小麦的播种形式主要为散播、条播和宽苗带播种，种子间的株距无法统一。市面上的小麦播种机多采用机械式排种器，主要类型为外槽轮式，该型排种器结构相对简单，维修和制造成本低，但播种均匀性和稳定性受排种器转速和播量的较大影响，同时属于机械式排种器，种子破损率也较高，无法满足小麦生产对精密播种的要求［1519］。

为提高小麦精量排种器的播种精度，本文设计了一种能提高小麦播种机播种质量、减少种子机械损伤、增强种子充种效果、具有辅助充种、托种作用的小麦气吸式精量排种器。通过对种盘关键结构进行数学建模，设计种盘型孔凸台以扰动种群并起到辅助托种作用，设计搅种板以提高种群的离散度。利用EDEM仿真验证所设计排种盘的优越性，并采用正交台架试验确定各试验因素对排种性能指标的拟合优度及回归方程，最后通过多目标优化方法，得出所设计排种器的最佳性能参数，以期为小麦精量播种技术的研究和发展提供参考。

1 整体结构与工作原理

搅种托种型小麦气吸式精量排种器主要由型孔凸台、搅种板、排种盘，清种锯齿、气室等部件组成，如图1所示。排种器正常工作时，小麦种子首先通过进种口流入充种室，随后在气室负压和型孔凸台的共同影响下，克服种群间摩擦力附着在排种盘的型孔上，之后稳定存在于型孔凸台上多余的种子在清种锯齿的作用下回落，仅存于型孔上的单粒种子继续向上转动，最后，当种子到达气室末端时，气流被阻断，负压消失，在重力、离心力和型孔凸台推动力的共同作用下，种子从投种口处投出，落入播种机开沟器形成的穴孔之中，实现精量播种作业。

2 排种盘关键结构设计

2.1 型孔凸台结构设计

为了保证排种器稳定高效的排种性能，排种盘的设计至关重要。创新设计一种辅助托种结构，其设计参数主要有型孔凸台间距l、型孔直径d、型孔凸台厚度δ。为了确定以上参数，测定中国黄淮海地区常种植的小麦种子外形尺寸平均值：小麦长、宽、厚平均尺寸为6.32mm、3.41mm、3.27mm，最大尺寸分别为7.22mm、4.08mm、3.91mm，排种盘型孔凸台示意图如图2所示。

其中型孔凸台间距l应保证最大尺寸的小麦种子能完全进入托种区，并避免多粒种子同时进入，因此需满足关系式（1）。

D1≤l≤2D2

（1）

式中：

D1——种子长度最大尺寸，mm；

D2——种子长度最小尺寸，mm。

根据小麦种子测量数据可知，D1为7.22mm，D2为5.56mm，因此，选取型孔凸台间距l=10mm。

型孔凸台厚度δ决定种子所受托持力的大小，随着型孔凸台厚度δ的增大，排种器对气室负压的要求相应减小，但随着型孔凸台厚度δ的进一步增大，会造成排种器的清种性能下降，数学分析可得δ最大不能超过小麦种子厚度的50%，因此，设置δ=1.5mm。气吸式小麦排种器的型孔直径取种子等效直径的（0.6～0.7）倍，因此本文中型孔直径d取3.0mm。

2.2 型孔数和排种盘直径确定

小麦种植株距为35～50mm，因此气吸式小麦排种器与其他常用气力式排种器相比需要有更高的排种频率，播种机作业速度与排种盘型孔数满足式（2）。

v=3.6ZSn60×103

（2）

式中：

v——播种机前进速度，km/h；

S——小麦种子种植株距，mm；

Z——型孔数；

n——排种器转速，r/min。

式（2）表明，当作业速度、株距一定时，型孔数Z与排种器转速n成反比，即型孔数Z越多转速n越低，种子所需的吸种负压越低，但型孔数并非越多越好，应在株距一定的条件下，适当提高其排种频率。本文结合农业机械设计手册、小麦种子等效直径和型孔尺寸并考虑排种器的稳定性和经济性，最终选定40个型孔作为排种盘型孔数。

排种盘弧长示意图如图3所示，排种盘每两个型孔间夹角θ=360°/40=9°，其中OAB为等腰三角形，lAB由型孔凸台间距l和型孔凸台宽度w组成，由于小麦种子的质量很小，因此设定型孔凸台宽度w为1.2mm，则lAB=11.2mm，通过正弦定理可以求得lOA=71.37mm，即型孔中心所在圆直径为142.74mm。为了保证型孔处于气室范围内且留有足够的外边缘，最终选定排种盘直径为170mm。

2.3 搅种板

在排种器作业过程中，位于充种区的种子速度对排种器的充种率有很大影响，种子运动速度越剧烈，有利于缩短种子的填充时间，在保证较高排种频率的前提下，型孔越容易吸附种子。如图4所示，当排种器匀速运动时，排种器充种区的种群呈现半月形的运动轨迹。按照种群颗粒速度的大小和方向可以将其划分为四个主要区域：上升区、塌陷区、相对静止区和回流区。在上升区种群的整体速度较高，这是因为型孔凸台有力地扰动底部种群。在相对静止区，种群运动速度相对较低且速度方向呈现绕自身转动的特点。在塌陷区，种群运动到最高点后，由于受力方向发生变化，未被填充的其他种子都将迅速下落。在回流区，回落的种子在自身重力作用下向上升区的相反方向移动，并再一次进入上升区。

型孔凸台在穿过种群时只与上升区的种子接触，所以种子的填充过程只发生在上升区。为了提高排种器的充种率，应同时加速上升区和相对静止区的种群运动。为此，设计一种新型搅拌板结构，该结构与排种盘同步旋转。搅拌板应安装在相对静止区，使该区种子向上运动至上升区，这有助于扩大上升区，缩小相对静止区，且利于提高上升区的上升速度和回流区的回流速度。通过离散元仿真预试验发现搅拌板的角度会显著影响种群的运动状态，不同的安装角度会改变搅种板作用在种群上的受力方向，导种上升区种群数量和离散程度的不同，如图5所示，后续将采用二次正交台架试验确定最佳的搅种板角度设计。

3 排种盘辅助充种性能仿真分析

种盘在充种区的扰动强度是决定排种器充种性能的关键，小麦种子重量轻，在排种盘转速较快的情况下，种子与型孔的接触时间较短，在充种区种子容易漏吸。为解决上述关键问题，本文采用离散元法对4种不同设计的小麦气吸式排种盘进行种群扰动强度分析，研究4种设计的排种盘结构对排种器扰动性能的优劣，分析得出最优的设计结构。

3.1 排种盘结构

鉴于气室负压对排种器内种群颗粒有着一定的气流扰动影响，为了排除该因素，使4种不同排种盘的气流通过面积和相应的试验条件保持不变。其中A盘为原始盘，型孔周围无任何凸起；B盘型孔周边有圆台形凸起，凸起高度1mm；C盘型孔周边有圆形凹槽，凹槽直径和深度分别为4.5mm和0.75mm；D盘型孔周围有型孔凸台，凸台高度为1.5mm。各排种盘型孔外形如图6所示。

3.2 小麦颗粒建模及离散元运动仿真

小麦种子的球形率较低，因此本文在EDEM中以多球组合的方式生成小麦种子仿真模型，组成球的数目越多，则仿真模型与实际的小麦种子形状越接近，相应的计算精度越高［20］。但过多的组成球将显著提高计算成本，因此，综合考虑后选择基于5球建立的小麦颗粒仿真模型，如图7所示。

为了提高仿真模拟计算速度，将排种器无关仿真精度的相应部件进行简化并导入EDEM软件中。仿真采用的材料力学特性如表1所示。

离散元仿真采用Hertz-MindLinbuilt-in无滑动接触模型，设置生成1200粒种子模型，为保证EDEM仿真连续性，设定时间步长为瑞丽时间步长的16%，仿真计算时间为12s（0～1s用于形成1200个小麦颗粒仿真模型），计算网格尺寸为2R，即最小组成颗粒半径的2倍，排种盘仿真过程如图8所示。

3.3 仿真结果分析

通过前期仿真预试验发现，位于种层上部的种子较种层下部种子更容易随排种盘脱离种群，因此仿真后处理重点对种层下部区域结果数据进行分析。从不同排种盘种层下部同一位置框选区域，导出每个时间步的种群平均速度和种群平均法向应力，数据从仿真3s后开始导出，在仿真后的8s结束。

以排种盘转速为52r/min为例进行仿真，用EXCEL绘制各排种盘的种群平均速度v随时间的变化趋势，如图9所示。图9表明，种群平均速度随时间的推移出现无规律波动，其中D盘波动最明显，其次为B盘、C盘和A盘，说明选择D盘的排种器种群扰动强度最好，种子更容易在自身重力和种子间相互冲击力的作用下被型孔吸附，从而实现充种过程。

框选区域中每颗种子在任意时刻所受到的平均法向应力为

fτq=Fτq×NcgNag

（3）

式中：

fτq——

q时刻框选区域中每颗种子受到的平均法向应力；

Ncg——q时刻的接触总数；

Nag——q时刻的种子总数；

Fτq——

q时刻的接触法向应力平均值。

为了定量描述颗粒间的波动情况设定法向应力跳动量ξ，其函数表达式为

ξ=1U-1∑8q=3fτq-∑8q=3fτqU2

（4）

式中：

U——输出数据总数。

图10显示了4种排种盘在不同速度条件下对种子法向应力跳动量ξ的影响。

从图10可以看出，随着排种盘转速的增大，各个排种盘的种子法向应力跳动量ξ整体呈现不规则变化趋势。数值上，D盘的种群法向应力跳动量ξ显著大于其他三种类型的排种盘，4种排种盘的ξ大小关系为：D盘>B盘>C盘>A盘。

排种器的充种性能主要取决于种群的扰动强度，而较大强度的扰动会使种子在竖直方向上出现跳动，种子的法向应力会出现剧烈、无规则的跳动，表征到ξ值上会使该值增大，较大的种子法向应力跳动量ξ使种子更容易被气流压力压附在型孔上，提高其充填的概率，从而验证了所设计的型孔凸台结构具有辅助充种的优势。因此，后续选择D盘进行排种器台架优化试验。

4 台架试验与分析

为优化排种器的设计和工作参数，在2020年11月按照仿真试验所采用的模型参数3D打印试制了所设计的排种盘，如图11所示。试验地点在常州机电职业技术学院车辆工程院楼，排种检测装置为黑龙江农业科学院研制的JPS-12型多功能排种试验台。

4.1 正交试验设计

采用正交试验设计，以排种盘转速、气室压强和搅种板角度为正交试验因素，进行三因素正交试验，因素水平编码如表2所示。

4.2 正交试验结果及相关性分析

试验性能评價指标参考GB/T 6973—2005《单粒播种机试验方法》，以小麦籽粒每次从投种口投出的种子数为参照，定义合格指数QUI、重播指数MUL和漏播指数MIS为

MUL=n1N×100%

（5）

MIS=n2N×100%

（6）

QUI=100%-MUL-MIS

（7）

式中：

N——理論排种数；

n1——2粒及以上排种数；

n2——单粒排种数。

根据上述评价指标，每组试验独立重复三次，取各项排种性能评价指标平均值作为试验结果。正交试验结果如表3所示，A、B、C分别为排种盘转速、气室压强、搅种板角度的编码值。

采用SPSS 24.0中的方差分析计算各因素及其相互作用对合格指数、重播试指数和漏播指数的影响，以确定各试验因素对试验指标的拟合优度及其回归方程，如表4所示。排种盘转速、气室压强和搅种板倾斜角对排种器的合格指数、重播指数和漏播指数均有显著影响。此外，排种盘转速与气室压强间的交互作用对合格指数有显著影响，气室压强与搅种板倾斜角间的交互作用对重播指数有显著影响。

根据表4的方差分析，对各试验指标进行回归拟合，将不显著因素提出后，得到各试验指标的回归方程。

QUI=

-77.67+1.77A+6.14B+0.19C-

0.02AB-0.01BC-0.03A2-0.06B2

（8）

MUL=

87.56-0.73A-3.33B-0.04C+

0.01BC+0.02A2+0.03B2

（9）

MIS=

61.67-1.87A-4.79B+0.06C+

0.03AB-0.01BC+0.02A2+0.07C2

（10）

各回归方程可决系数R2分别为0.979、0.929、0.913，表明回归方程高度显著，能够准确预测合格指数、重播指数和漏播指数的变化规律。

4.3 试验因素影响效应分析与目标优化

根据试验分析结果，依据中国小麦排种器田间作业标准要求规定，排种器合格指数大于80%，重播指数小于15%，漏播指数小于8%，并以合格指数最大，漏播和重播指数最小为寻优条件，结合各因素边界范围，建立参数化模型如式（11）所示。

根据Matlab的寻优算法优化求解可得最佳性能参数组合排种盘转速为36.7r/min，气室压强为-3.6kPa，搅种板倾斜角为26.2°。对优化后的参数进行台架试验验证，得出在最佳性能参数组合下，台架试验合格指数为94.2%，理论合格指数为98.7%，误差为4.5%；台架试验漏播指数为1.5%，理论漏播指数为0.3%，误差为1.2%，台架试验验证结果与理论计算优化结果基本一致。

Fmax=QUI-MUL-MIS

s.t.

QUI≥80%

MUL<15%

MIS<8%

30r/min≤A≤60r/min

-2kPa≤B≤-4kPa

-30°≤C≤30°

（11）

5 结论

1）  针对气吸式小麦排种器因充种效果不佳导致排种性能下降的问题，设计了一种辅助托种、搅种种盘的小麦气吸式精量排种器。该排种器利用创新设计的型孔凸台和搅种板扰动种群，增大了种群的离散度，进而提高排种器充种性能。对不同排种盘设计的排种器充种性能进行离散元仿真试验，验证了所设计的排种器具有最佳的充种性能。

2）  对所设计的最佳种盘进行转速、气室压强和搅种板倾斜角的二次正交台架试验，并对正交试验结果进行方差分析，确定了各试验因素对试验指标的拟合优度及回归方程。最后，采用试验因素的多目标寻优，以合格指数最大，重播、漏播指数最小为寻优条件，得出所设计排种器的最佳性能参数组合：排种盘转速为36.7r/min，气室压强为-3.6kPa，搅种板倾斜角为26.2°，理论计算优化结果与台架试验结果误差均小于5%。

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