楊紅光，楊然兵，尚書旗，倪志偉，劉志深

（青島農業(yè)大學機電工程學院，山東 青島 266109）

內側充種式花生精密排種器性能分析與破碎試驗

楊紅光，楊然兵*，尚書旗，倪志偉，劉志深

（青島農業(yè)大學機電工程學院，山東 青島 266109）

為提高用于花生播種機的內側充種式精密排種器的排種質量，降低排種器對種子破碎率的影響，探尋最佳的排種器工作參數組合。基于JPS-12 型排種器試驗臺，采用三元二次正交旋轉組合試驗設計的方法，以排種輪轉速、復式型孔充種孔長度、護種板起始角大小為試驗因素，破碎率為試驗指標，魯花11號花生種子為試驗對象進行了試驗研究。運用DPS軟件對試驗數據進行了方差分析，結果表明，破碎率影響顯著性順序依次為護種板起始角大小、排種輪轉速、復式型孔充種孔長度。運用Matlab軟件對數學模型進行了參數優(yōu)化，得出最佳參數組合為:排種輪轉速38 r/min、復式型孔充種孔長度35 mm、護種板起始角大小22°，此時的破碎率為0.65%。試驗驗證結果表明，理論值與試驗值差值為0.06%，最佳參數組合下的破碎率低于花生播種要求。

花生；內充式；排種器；破碎率；破碎試驗

精密播種作為我國重點推廣的農業(yè)新技術，具有省種、省工的優(yōu)點，現已應用于花生播種過程中?；ㄉ芘欧N器作為花生播種機的核心工作部件，對花生播種質量有很大影響。

花生精密排種器按工作原理不同主要分為機械式和氣力式兩類[1]，氣力式具有適應性強和傷種率低的優(yōu)點，但結構復雜、造價較高，不宜大量推廣應用[2-3]；而機械式特別是內側充種式排種器具有結構簡單、造價低和工作可靠的優(yōu)點，但在排種過程中易造成種子卡滯和磕碰損傷，影響出芽率。

針對上述問題，在對內側充種式排種器傷種機理研究分析的基礎之上，進行花生種子破碎試驗，探尋排種器結構參數和工作參數對種子破碎的影響規(guī)律，以期獲得排種器最佳工作參數組合，進而減小花生播種過程中的破碎率，提高花生播種質量。

1 排種器結構與工作原理

內側充種式排種器主要由種箱、進種口調節(jié)板、護種板、排種輪、復式型孔、殼體、軸承和軸端擋圈等組成（圖1）。通過傳動軸帶動排種輪轉動，種子由種箱進入排種輪內腔，在重力和離心力的作用下充入復式型孔，并隨排種輪一起轉動，型孔中多余的種子在轉動到清種區(qū)時在重力作用下滑落，而充入復式型孔中的種子在型孔特殊結構下被安全地送到護種區(qū)，在護種板作用下進入投種區(qū)，最后在重力和離心力作用下完成排種。

圖1 排種器結構Fig. 1 Structural of metering device

2 排種器性能分析

復式型孔每次取種個數與內孔參數、種子大小直接相關，其主要參數為內孔寬度W、有效長度S和內孔的深度h[4]。通過排種器充種試驗和種子三軸尺寸大小確定內孔寬度、有效長度和內孔的深度，提高種子的單穴單粒率和減小種子破碎率。

2.1 充種性能分析

2.1.1 單粒種子運動規(guī)律分析 設排種輪角速度為ω，種子與排種輪內壁間摩擦力為F，種子重力為G，種子絕對運動角速度為ω1，種子質心到排種輪中心距離為c，種子受到支持力為N，種子受到慣性力為P。如圖2所示，假設種子運動到θ時刻，排種輪做勻速運動，種子受力平衡為：

圖2 單粒種子受力分析Fig. 2 Force analysis of single seed

排種輪轉動過程中，與排種輪內壁直接接觸的種子主要集中在充種區(qū)和清種區(qū)，種子運動范圍主要在0-180°內[5-6]。在此范圍內種子運動主要分為以下4種情況：1）當N=0時，種子將沿排種輪內壁掉落；2）當N〉0，且F-Gsinθ=0時種子保持勻速運動；3）當N〉0，且F-Gsinθ〉0時種子與排種輪相對滑動，絕對運動為加速運動；4）當N〉0，且F-Gsinθ〈0時種子與排種輪相對滑動，絕對運動為減速運動。2.1.2 排種器充種方式分析 排種器工作過程中，種子在重力、離心力、種子與排種輪摩擦力作用下隨排種輪轉動，產生環(huán)流[7]。在JPS-12 型排種器試驗臺上做試驗并觀察，證實了花生種子群在排種輪內腔運動時，存在環(huán)流層。從橫剖面看整個環(huán)流層可劃分為上升層Ⅰ、塌落層Ⅱ、相對靜止層Ⅲ和回流層Ⅳ。其中只有上升層Ⅰ中的第一層種子直接與排種輪內腔壁接觸，充種方式主要有填補空間、相對運動和同向運動。

當復式型孔剛進入環(huán)流層種子始端時，型孔產生新空間，種子在重力、離心力和種間作用力聯合作用下，迅速以填補空間方式充種。若由于各種原因，復式型孔中尚未充滿種子，如圖3所示，當型孔轉到ef段時與從回流層Ⅳ回流的種子相向運動，回流種子在重力和相向速度的聯合作用下完成充種，此時回流種子充入型孔的速度為vsinφ。當型孔進入fg段時，回流種子開始與排種輪內壁接觸，速度由v逐漸變?yōu)樗查g接觸零速，同時迅速改變方向，隨排種輪做加速運動。對于gh段上升層Ⅰ中的種子，在排種輪內腔、種間摩擦力作用下，每層種子呈不同角速度隨排種輪同向轉動，且ω〉ω1〉ω2〉ω3〉…，形成了同向速度差，若此時復式型孔中還未充滿種子，則種子將繼續(xù)以同向運動方式充入型孔。

圖3 種子環(huán)流層剖面Fig. 3 Circulation layer section of seed

2.2 清種和投種性能分析

2.2.1 清種性能分析 充種完成后進入復式型孔中多余的種子轉到清種區(qū)時，需要被清除掉，以減小重播率。清種主要是通過種子自重完成的，首先充入復式型孔的種子會進入到復式型孔的內孔中，后來沖入的種子會進入復式型孔的外孔中，并且在清種過程中要保證內孔中的種子不會被清掉，同時外孔中的種子要被清掉。此時種子受力分析如圖4所示，假設種子開始進入清種區(qū)時的角度為ε，則種子下落條件為：

圖4 清種時種子受力分析Fig.4 Force analysis of seed-clearing

2.2.2 投種性能分析 排種器在沒有任何導種裝置的前提下，種子脫離復式型孔后的運動軌跡為自由落體運動，以排種器中心為坐標原點，機器前進速度反方向為X軸，垂直地面方向為Y軸，建立坐標系。如圖5所示，由運動學分析可知，種子在投種點臨界位置的速度分別為：

種子在重力作用下的運動軌跡為：

式中：VX為種子在X軸方向上的分速度（m/s）；VY為種子在Y軸方向上的分速度（m/s）；X1為種子在X軸方向上的位移（m）；Y1為種子在Y軸方向上的位移（m）。g為重力加速度（m/s2）；t 為種子運動時間（s）；

圖5 投種時種子運動分析Fig. 5 Motion analysis of seed- dropping

2.3 傷種性能分析

內側充種式排種器沒有清種裝置，靠重力清種，理論上不會傷種，但在實際工作過程中傷種率仍然較高[8-10]。當排種輪直徑、復式型孔形狀一定時，影響種子損傷的參數主要有護種板起始角大小、排種輪轉速，復式型孔充種口尺寸及其在排種輪上的位置等[11-12]。試驗過程中發(fā)現種子的損傷主要有剪傷和擦傷兩種形式，所占比例分別為95.81%和4.19%。

排種器工作過程中清種和護種交界處，復式型孔大孔內側棱和護種板斜棱在相對運動作用下形成剪刀式結構。型孔中多余的種子靠自身重力下落一定距離需要時間t，同時復式型孔經過時間t旋轉一定角度，若種子來不及完全離開型孔，處于一部分在型孔內另一部分在型孔外的狀態(tài)，正好此刻復式型孔轉動到護種板位置，就在瞬間種子被護種板斜棱和復式型孔大孔內側棱邊剪切而造成傷種。

圖6 種子受剪分析Fig. 6 Shear analysis of seed

如圖6所示，此時花生種子主要受到復式型孔大孔內側棱支持力N1、護種板斜棱支持力N2、自身重力G、復式型孔大孔內側棱與護種板斜棱剪力F1和F2。同時在護種板起始角較小的情況下，型孔攜帶種子接近護種板時，若種子徑向位移量小于排種輪內外徑之差，也會出現剪傷現象；而在護種板起始角較大的情況下，內窩孔中種子又極易滑落造成空穴，影響播種質量。如圖7a所示，設種子運動到最高點時，在徑向上開始做初速度為零的自由落體運動。在時間t內種子水平方向上關系為：

得：

式中：r為排種輪內徑尺寸；α為護種板起始角大小。為保證種子不會碰到護種板，在相同時間內，種子在豎直方向上的位移關系為：

圖7 護種端種子的運動及受力分析Fig. 7 Motion and force analysis on the seed of protecting board end

即：

得：

式中：R為排種輪外徑尺寸。

如圖7b所示對復式型孔中處于滑動臨界狀態(tài)的種子進行受力分析，受力平衡關系為：

式中：β為復式型孔底面與排種輪切線的夾角；γ為種子與復式型孔底的摩擦角。得：

由上式可知當排種輪轉速ω增加時，α減小，種子破碎率增加，所以在其他條件相同情況下，應選用較低的排種輪轉速。又由于：

故： +α β γ〈

綜上所述護種板起始角大小關系為：

3 試驗分析

3.1 試驗儀器與材料

試驗儀器為JPS-12型排種器試驗臺和精度為0. 000 1 g的電子天平?；ㄉ贩N為魯花11號，從10 kg花生種子中隨機取樣3次，每次抽取1 000粒，測得種子相關特性參數為：千粒重926.71 g、平均長度19.28 mm、平均寬度9.86 mm、平均厚度8.74 mm。

3.2 試驗因素與指標

根據上述研究分析選取排種輪轉速、護種板起始角大小和復式型孔充種孔長度為試驗因素。結合排種器的作業(yè)特點，排種輪轉速變化范圍為25-55 r/min，復式型孔充種孔長度變化范圍為25-45 mm，護種板起始角大小變化范圍為12°-28°。按照JB/T 10293—2013單粒（精密）播種機技術條件[13]和GB/T 6973—2005單粒( 精密) 播種機試驗方法[14]對取樣的要求，考察經排種器工作后種子的破碎率。破碎的種子采用人工挑揀的方式進行分選。試驗前人工預先將破碎花生種子挑揀出，試驗后，分別從播過的種子中隨機選取300粒，然后人工從選取出的300粒種子中挑揀出破碎種子，破碎種子質量與選取的300粒種子質量的比值為經排種器播種后的破碎率y。破碎率計算式為[15]：

式中：n為每次試驗后從選取的種子中挑揀出破碎種子質量（kg）；N為每次試驗后選取的種子總質量（kg）。

3.3 試驗方案

采用三因素二次正交旋轉組合設計進行試驗[16]，每次試驗重復3次取平均值作為試驗指標，試驗總數為23次。試驗因素與編碼見表1，其中z1、z2、z3分別為排種輪轉速、復式型孔充種孔長度和護種板起始角大小實際值。

表1 因素水平編碼Table 1 Factors and level codes

試驗方案與結果見表2。其中x1、x2、x3分別為排種輪轉速、復式型孔充種孔長度和護種板起始角大小的編碼值。

3.4 試驗結果分析

試驗數據采用DPS軟件進行分析，得出破碎率試驗結果方差分析見表3，種子破碎率的回歸數學模型為：

表2 試驗方案與結果Table 2 Experimental project and results

由式（9）和表3可知破碎率回歸方程和試驗數據擬合較為理想，并且一次項x1、x3平方項、影響極為顯著；其他因素項影響不顯著。

取α=0.05顯著水平，剔除不顯著項后，得到破碎率的無量綱編碼值回歸方程為：

由無量綱編碼值回歸方程系數可知試驗因素對破碎率影響大小次序為：護種板起始角大小、排種輪轉速、復式型孔充種孔長度。

將各因素編碼公式代入方程（10）整理后得到破碎率實際值回歸方程為：

表3 方差分析Table 3 Variance analysis

為了更加直觀地分析因素交互作用對種子破碎率的影響規(guī)律，采用降維法將某一因素置于零水平，如圖8所示，利用Matlab軟件繪制兩因素影響三維曲面和等值線圖[17]，研究任意兩因素變化對種子破碎率的影響規(guī)律。

當護種板起始角大小x3取零水平時，在排種輪轉速x1一定的情況下，破碎率y隨著復式型孔充種孔長度x2的增加基本不變（圖8a）；在復式型孔充種孔長度x2一定的情況下，破碎率y隨著排種輪轉速x1的增加呈先減少后增加趨勢，且變化幅度較大。

圖8 兩因素對指標的交互作用Fig. 8 Interaction of two factors on index

當復式型孔充種孔長度x2取零水平時，在排種輪轉速x1一定的情況下，破碎率y隨著護種板起始角大小x3的增加呈先減少后增加的趨勢，且變化幅度較大（圖8b）；在護種板起始角大小x3一定的情況下，破碎率y隨著排種輪轉速x1的增加也呈先減少后增加的趨勢，且變化幅度較小。

當排種輪轉速x1取零水平時，在復式型孔充種孔長度x2一定的情況下，破碎率y隨著護種板起始角大小x3的增加呈先減少后增加的趨勢，且變化幅度較大（圖8c）；在護種板起始角大小x3一定的情況下，破碎率y隨著復式型孔充種孔長度x2的增加變化較小。

3.5 性能優(yōu)化與試驗

排種器工作過程中應保證破碎率最小，根據破碎率回歸方程，創(chuàng)建目標函數，并進行優(yōu)化迭代求解。根據JB/T 10293—2013單粒（精密）播種機技術條件，y≤1.5%。規(guī)劃目標函數和約束條件為：

利用Matlab軟件進行優(yōu)化迭代計算[17-18]，圓整參數優(yōu)化結果為：排種輪轉速38 r/min、復式型孔充種孔長度35 mm、護種板起始角大小22°，此時的破碎率為0.65%

根據以上最佳參數，進行3次重復試驗，試驗結果見表4。結果表明，平均破碎率為0.71%，理論值與試驗值差值為0.06%。

表4 驗證試驗結果Table 4 Experimental results of verification

4 結論

通過研究分析排種器結構參數和工作參數變化對種子破碎率的影響規(guī)律，建立了排種器護種板起始角大小的理論計算公式，并以排種輪轉速、復式型孔充種孔長度和護種板起始角大小為試驗因素，破碎率為試驗指標進行了試驗研究。試驗結果表明，破碎率影響顯著性順序依次為護種板起始角大小、排種輪轉速、復式型孔充種孔長度。優(yōu)化得出最佳參數組合為：排種輪轉速38 r/min、復式型孔充種孔長度35 mm、護種板起始角大小22°，此時的破碎率為0.65%，最佳參數組合下的破碎率低于花生播種要求。該研究可為內側充種式花生精密排種器的結構優(yōu)化設計提供參考。

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（責任編輯：童成立）

Performance analysis and damaging experiment in inside-flling peanut precision metering device

YANG Hong-guang，YANG Ran-bing，SHANG Shu-qi，NI Zhi-wei，LIU Zhi-shen
（College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao, Shandong 266109, China）

In order to improve the seeding results of inside-flling precision metering device of peanut seeder, reduce the infuences of metering device on the breaking rate, and fnd the optimal parameters combination of metering device. The quadratic orthogonal rotation combination experiment of three factors were carried out with the rotate speed of seed plate, the length of flling hole and the angle of protecting seed as experimental factors, the breaking rate as experimental index, using Luhua 11 peanut seed as research object, and based on JPS-12 metering apparatus for testing station. The regression equation was obtained and signifcance analysis was carried out by using the DPS software. Results show that the order of their effectiveness to the breaking rate was as follows: the angle of protecting seed, the rotate speed of seed plate and the length of flling hole. The parameter optimization of the mathematical model by using the Matlab software. Results show that the rotate speed of seed plate of 38 r/min, the length of flling hole of 35 mm, angle of protecting seed of 22° were the best combination factors, which leaded to the breaking rate of 0.65%. The experimental results of verifcation showed that the difference between theoretical and experimental were 0.06%, and the breaking rate of optimal parameter combinations is lower than the requirement of peanut precision seeding.

peanut; inside-flling; metering device; breaking rate; damaging experiment

YANG Ran-bing, E-mail: yangranbing@163.com, sqshang@qau.edu.cn.

S223.2

A

1000-0275（2017）02-0360-07

10.13872/j.1000-0275.2016.0131

楊紅光, 楊然兵, 尚書旗, 倪志偉, 劉志深. 內側充種式花生精密排種器性能分析與破碎試驗[J]. 農業(yè)現代化研究, 2017, 38(2): 360-366.

Yang H G, Yang R B, Shang S Q, Ni Z W, Liu Z S. Performance analysis and damaging experiment in inside-filling peanut precision metering device[J]. Research of Agricultural Modernization, 2017, 38(2): 360-366.

山東省農機裝備研發(fā)創(chuàng)新計劃項目（2015TS202-1）；山東省協(xié)同創(chuàng)新中心資金項目（6682215005）。

楊紅光（1991-），男，山東濟寧人，碩士研究生，主要從事新型農業(yè)機械設計與性能試驗研究，E-mail: hgyang2016@163.com；通信作者：楊然兵（1979-），男，山東濟寧人，副教授，碩士生導師，主要從事農業(yè)機械化技術研究，E-mail: yangranbing@163.com, sqshang@qau.edu.cn。

2016-08-25，接受日期：2016-11-07

Foundation item: Shandong Province Agricultural Equipment Research and Development Innovation Projects (2015TS202-1); Shandong Province Collaborative Innovation Centre Projects (6682215005).

Received 25 August, 2016; Accepted 7 November, 2016