李兆東，楊文超，張 甜，王韋韋，張 順，陳黎卿

?

油菜高速精量排種器槽齒組合式吸種盤設計與吸附性能試驗

李兆東1,2，楊文超1，張 甜1，王韋韋1，張 順1,2，陳黎卿1,2※

（1. 安徽農業(yè)大學工學院，合肥 230036；2. 安徽省智能農機裝備工程實驗室，合肥 230036）

針對現有氣力式油菜排種器高速工作過程中種子難以從種群中快速分離被吸孔準確吸附產生漏吸降低排種性能的問題，該文設計了一種提高油菜高速直播充種性能的槽齒組合式吸種盤，分析并確定了槽齒組合式吸種盤的關鍵結構參數，構建了槽齒擾動作用下種子吸附力學模型。應用EDEM數值模擬分析了平面盤、凹槽盤和槽齒盤3種結構形式的吸種盤對種群定向擾動強度的影響，結合臺架試驗進行了吸種盤結構形式優(yōu)選，試驗結果表明：在傳統(tǒng)平面盤上增設凹槽與擾種齒可明顯增加種群的擾動強度和降低種子漏吸率；以平均動能總和作為種群擾動強度的量化指標，在同一轉速下，平均動能總和數值從大到小順序為：槽齒盤>凹槽盤>平面盤；以德優(yōu)矮早油菜品種為對象進行了3個種盤優(yōu)選試驗，當工作負壓1.5～2.5 kPa、轉速10～150 r/min條件下，槽齒盤的漏吸率和吸附合格率均明顯優(yōu)于凹槽盤和平面盤，3個種盤重吸率無明顯變化，工作轉速大于90 r/min時，槽齒盤的最大漏吸率為7.4%，凹槽盤最小漏吸率為14.02%，平面盤最小漏吸率為30.4%，與凹槽盤相比漏吸率降低了47.2%，與平面盤相比漏吸率降低了75.7%。槽齒盤吸附性能試驗表明：以德優(yōu)矮早和中雙11號為對象，在相同工作負壓下，漏吸率隨轉速的增大呈上升趨勢，吸附合格率呈下降趨勢，重吸率無明顯變化；在同一轉速下，吸附合格率隨負壓的增大呈上升趨勢，漏吸率呈下降趨勢，重吸率無明顯變化；在工作轉速10～110 r/min、負壓1.5～2.5 kPa條件下，吸附合格率不低于92.0%，漏吸率和重吸率之和不大于8.0%。研究結果可為氣力式油菜高速精量排種裝置結構改進與優(yōu)化提供參考。

農業(yè)機械；設計；種子；氣力式排種器；精量吸附；槽齒擾動；油菜

0 引 言

油菜是中國重要的油料作物，其精量直播技術具有節(jié)本增效、倒伏風險小和適合機械化收獲等優(yōu)點[1-3]。隨著農村勞動力缺失和發(fā)展現代農業(yè)需要，農村土地分散經營已向適度規(guī)模經營轉變，高速精量直播技術是推動油菜產業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑之一[4-5]。

油菜高速播種過程中，由于排種機構高速回轉，充種時間急劇下降，加上油菜粒徑小，導致漏吸率顯著上升，對此國內外機構或學者進行了卓有成效的研究。國外油菜精量排種器以氣吸式為主，通常應用具有凸起型圓柱孔的吸種盤或吸種平面盤與攪種裝置組合提高高速排種過程的吸附性能，但排種器結構較為復雜，制造成本較高。國內油菜精量排種器在機械式和氣力式方面均有研究。機械排種器方面，如湯楚宙等[6]在傳統(tǒng)吸孔輪式排種器基礎上設計了一種容量可調節(jié)型孔式油菜排種器，提高了種子充種性能；曹秀英等[7]為解決型孔堵塞導致斷條的問題，設計了一種集成式型孔。氣力式排種器方面，廖慶喜等[8]設計了一種帶有滾針式吸嘴的排種器，可實現種子精量吸附；叢錦玲等[9-10]設計了一種內嵌入導種條的內充種式排種器，可實現油菜和小麥兼用排種；李姍姍等[11]為油菜提高充種性能，設計了一種帶有滾花結構的排種滾筒，可實現集中排種；李兆東等[12-13]設計了一種具有倒正方錐型孔的排種滾筒，并采用氣壓清種與滑槽護種組合技術實現油菜精量排種。上述已有研究表明，油菜機械式排種器難以實現高速精量排種，而在氣力式油菜排種器上增設吸嘴、導種條、滾花或改進吸孔形狀等在一定程度上提升了吸孔的充種性能，但均由于種子從充種室內種群中快速分離而效果不佳，難以被吸孔準確捕獲，漏吸率仍較高。

種子從種群中快速分離，并被吸孔準確吸附是實施油菜高速精量排種的關鍵。為此，本文融合機構擾動可降低種群內摩擦阻力、氣力吸附可實現定量充種和有效降低種子破損率的優(yōu)點，兼顧簡化排種裝置結構及縮短排種路徑，設計一種用于油菜高速排種的槽齒定向擾動式吸種盤，以期不以增大工作負壓來有效降低高速排種下油菜種子的漏吸率。

1 排種器結構及工作原理

氣力式油菜精量高速排種器主要由吸種盤、排種軸、吸室殼體、排種殼體、種箱、導種管、卸種篩等組成，如圖1所示。吸種盤是核心工作部件，其由凹槽、擾種齒、吸孔和吸種盤本體構成，直線型擾種齒均勻嵌入凹槽內部，凹槽和擾種齒表面均勻分布有多個呈“圓柱形”的吸孔，整個吸種盤分為吸種區(qū)、攜種區(qū)、投種區(qū)和過渡區(qū)4個區(qū)域，如圖2所示。

1. 鏈輪 2. 壓軸端蓋 3. 吸室殼體 4. 排種軸 5. 吸種盤 6. 排種殼體 7. 種箱蓋 8. 種箱 9. 導種管 10. 卸種篩

圖2 吸種盤結構及工作環(huán)節(jié)

工作時，種箱內的種子在重力作用下進入充種室，轉動的擾種齒對充種室內種群擾動，打破種群穩(wěn)定堆積狀態(tài)，少量種子從種群中快速分離進入一個固定的凹槽通道，通過凹槽內均勻分布的吸孔在吸室負壓作用下將分離出來的單?；蚨嗔７N子快速捕獲并準確吸附，攜有種子的吸孔隨吸種盤一起轉動，進入投種區(qū)。在投種區(qū)正壓氣流作用下種子與吸孔快速分離進入導種管并經由輸種管道落入已開好的種溝內，完成一個播種過程。

2 吸種盤關鍵參數設計

2.1 吸種盤直徑確定

吸種盤是實現油菜高速精量排種的關鍵部件，其直徑大小對排種器結構尺寸、吸孔數、吸附壓強等參數確定至關重要[14-16]。根據吸種盤轉速與充種時間關系可知：

式中為吸孔停留在充種區(qū)的時間（以下稱“充種時間”），s；C為充種區(qū)弧長，m；v為吸種盤線速度，m/s；為充種角，rad；d為吸種盤直徑，m；n為吸種盤轉速，r/min；r為吸孔中心與吸種盤邊沿的徑向距離，m。

由式（1）可得

式（2）表明，充種時間僅與充種角和吸種盤轉速n有關，增大吸種盤直徑并不能延長吸孔在充種區(qū)停留時間。現有氣力式排種器吸種盤直徑一般為0.08～0.26 m，因油菜種子粒徑小且兼顧排種器整體設計，本文選取吸種盤直徑為0.1 m，厚度2.5′10–3m，材料為鋁合金。

2.2 吸孔數與吸孔直徑確定

2.2.1 吸孔數

根據油菜大田高速精量直播農藝要求，設計吸種盤轉速n≤100 r/min，機組前進速度v≤18 km/h，排種器由電動機驅動，排種頻率為

式中f為排種頻率，1/s；v為機組前進速度，m/s；T為相鄰吸孔間距，m；為播種株距，m，油菜合理株距為0.06～0.08 m；為吸種盤徑向吸孔數。

由式（3）得：18.75≤≤25

聯立式（2）和式（3）可得

由式（4）得知，充種時間與型孔數呈正比。為提高充種時間及確保加工精度，相鄰吸孔中心角取整，本文設計吸孔數為24，相鄰吸孔中心角為15°。

2.2.2 吸孔直徑

在擾種齒對種群定向擾動下，油菜種子以散體顆粒形式從種群中快速分離并進入凹槽中，吸孔產生的負壓氣流對種子捕獲并吸附在吸孔上，因此吸孔大小和吸附壓強對準確捕獲種子具有重要作用。以單粒種子被吸孔吸附為研究對象，假定種子為材質均勻的剛體，不考慮振動和種子間碰撞等因素，受力分析如圖3所示。根據剛體動力學理論[17]，建立種子受力方程為

1. 種子 2. 吸孔 3. 凹槽 4. 擾種齒 5. 吸種盤

1. Rapeseed 2. Sucking cell 3. Groove 4. Stiring tooth 5. Sucking-seed plate

注：為吸種盤角速度，rad·s–1；為吸孔回轉半徑，mm；為種子重力，N；F為種子的慣性離心力，N；F為種子間的內摩擦阻力，N；F為、F和F矢量合外力，N；F為種子所受的吸附力，N；1、2為吸孔側壁對種子的支撐力，N；為種子重心與吸種盤之間距離，m；d為吸孔直徑，m。

Note:is angular velocity of sucking-seed plate, rad·s–1;is the turning radius of suction hole, mm;is the gravity of seed, N;Fis centrifugal force of seed, N;Fis the inertial frictional resistance of seeds, N；Fis the vector resultant force ofandFandF, N;Fis the suction force of the seed, N;1、2are the supporting force of the suction side wall to the seed, N;is the distance between the gravity center of the seed and the sucking-seed plate, m;dis diameter of sucking cell, m.

圖3 種子吸附狀態(tài)受力分析示意圖

Fig.3 Schematic diagram of force analysis of seed suction state

式中為種子重力，N；F為慣性離心力，N；F為種子間的內摩擦阻力，N；F為、F和F矢量合外力，N；F為吸孔對種子的吸附力，N；N為側面矢量合外力，N；1、2為吸孔側壁對種子的支撐力，N；為與F合力，；為與F合力，N；0為通過一個吸孔的吸附壓強，Pa；為種子質量，kg；為重力加速度，m/s2；為與F之間的夾角，(°)；為吸種盤角速度，rad/s；為與F之間的夾角，(°)；為吸孔截面面積，m2；為種子重心與吸種盤之間距離，m；為吸孔回轉半徑，m。

根據式（5），可獲得單粒種子被吸孔捕獲瞬間所需吸附壓強為

排種器實際工作中，受自身條件（充種室種層厚度、種子間碰撞等）和客觀條件（振動、沖擊等）的影響，需考慮吸種可靠性系數1=1.8～2.0和外界條件系數2=1.6～2.0[18]，由式（6）得

式中0 max為吸附壓強臨界最大值，Pa；為種子摩擦阻力綜合系數。

2.3 槽齒結構設計

2.3.1 定向擾種齒

吸種盤轉動時，凹槽內部嵌入式擾種齒從充種室內貼近吸種盤面的種群中穿過，對種子進行推送和分離，利用力的可傳性原理[17]，擾種齒對種子的作用力可通過周圍種子傳遞至吸孔處，由此建立擾種齒定向擾動下吸孔吸附種子的力學等效模型，如圖4所示。

注：F￠f為槽齒作用下種子間的內摩擦阻力，N；F￠R為槽齒作用下矢量合外力，N；F￠p為槽齒盤吸孔對種子的吸附力，N；FN為擾種齒對種子的等效支持力，N；γ為F￠R與FN間夾角，(°)，γ∈[0°,90°)；C為擾種齒厚度，m。

根據剛體動力學理論[17]，建立擾種齒擾動作用下種子受力方程為

若獲取擾種齒作用下吸孔吸附單粒種子瞬間所需吸附壓強，由式（9）得

槽齒盤采用擾種齒與凹槽交錯布置，且吸孔均勻布置在擾種齒和凹槽中，根據上述設計吸孔數為24，確定擾種齒數為12。本文設計的擾種齒嵌入至凹槽中，故需滿足擾種齒高度與凹槽開度相等，即

h=L （13）

式中h為擾種齒高度，m；L為凹槽開度，m。

2.3.2 凹槽結構參數

根據擾動吸附原理，擾種齒對種群具有定向擾動和分離作用，而凹槽對種群分離出來的少量種子自由度具有約束作用，以便被吸孔準確吸附，其結構參數包括凹槽開度和凹槽深度。為實現凹槽對種子的約束，又避免凹槽轉動時多顆種子并列卡在凹槽中影響吸孔對種子吸附，凹槽開度應滿足

凹槽對種群具有輔助擾動作用，有助于吸孔捕獲并吸附種子。設計時，如凹槽深度小于擾種齒厚度，從種群中分離出來的種子不易進入凹槽，以致凹槽中的吸孔難以捕獲從種群中分離的種子造成漏充現象；若凹槽深度大于擾種齒厚度，需對擾種齒厚度進行打磨，增加了加工難度。綜合上述考慮，本文凹槽深度與擾種齒厚度設計數值相同，即

H=（15）

式中H為凹槽深度，m。根據上述求得擾種齒厚度，確定凹槽深度為1′10–3m。

3 種盤輔助充種數值模擬

EDEM仿真軟件在農業(yè)工程領域得到廣泛應用，可模擬排種機構與顆粒物料間相互作用后種子的運動狀態(tài)和機械特性[22-24]。已有研究表明，減小種子間相互作用力，激發(fā)種群內種子的活躍度，有助于提高充種率[25-26]。雷小龍等[27]采用EDEM數值模擬與高速攝像相結合的方法研究了小麥和油菜兼用性能試驗，提出的具有圓柱形擾種齒且采用雙螺旋排列的攪種機構可明顯增大對種群擾動，提高了小麥和油菜的充種性能；丁力等[28]借助EDEM軟件設計了一種具有型孔凸臺的吸種盤，利用型孔凸臺擾動種群和托附種子，可提高吸附性能；史嵩等[29]通過EDEM數值模擬和性能試驗驗證得出增大種群擾動可在瞬間降低種子的內摩擦阻力，優(yōu)選出了組合孔式排種盤。為提高油菜高速充種性能，本文應用EDEM仿真軟件進行了傳統(tǒng)平面盤（工作面為光面圓盤）、凹槽盤（光面圓盤上增設1個環(huán)槽）和槽齒盤（環(huán)槽中增設若干個擾種齒）3種結構型式種盤對種群擾動的對比仿真試驗，吸種盤結構形狀如圖5所示。

圖5 3種結構形式吸種盤示意圖

3.1 模型建立

進行EDEM數值模擬的幾何模型簡化為吸室殼體、排種殼體和吸種盤3部分，根據排種器實際加工材料，吸室殼體、排種殼體和吸種盤均設定為鋁合金。油菜種子球形度高，仿真中將顆粒簡化為直徑為2 mm的硬球模型[31]。油菜種子表面光滑，顆粒表面無粘附力，仿真中選取Hertz-Mindlin無滑動接觸模型[30-32]，EDEM仿真模型如圖6所示。根據文獻[30-32]，種子和吸種盤材料特性以及種子與種子、種子與吸種盤相互作用相關力學特性參數，見表1。

圖6 3種型式吸種盤的EDEM仿真模型

3.2 仿真試驗方法

為探明平面盤、凹槽盤和槽齒盤3種結構型式的吸種盤對種群定向擾動強度，以種群內各時刻種子顆粒的動能平均值作為量化指標（種子顆粒動能平均值越大表明種群擾動強度越大）進行仿真試驗，本試驗以傳統(tǒng)光面吸種盤作為對照組。因油菜機械化直播技術多應用于平原或丘陵地區(qū)，平原地區(qū)田塊較大機組前進速度可達8～10 km/h，丘陵地區(qū)地塊較小機組前進速度一般不超過5 km/h，根據設計要求，本文所設計的排種器主要應用于油菜電控播種機上，試驗時吸種盤工作轉速范圍設定10～150 r/min，具體有10、30、50、70、90、110、130和150 r/min共8個梯度，分別開展3種吸種盤在各速度梯度下的仿真試驗，并獲取每個速度梯度下種子顆粒的平均動能。仿真中2 s內產生5 000顆油菜種子，從第2 s吸種盤開始轉動，應用EDEM 軟件中Analyst 后處理模塊直接提取第3～10 s吸種盤與種群相互作用時種子在各時刻下的平均動能。

表1 油菜種子與吸種盤物理和力學特性仿真參數

3.3 仿真結果分析

本文設計的排種器吸種盤由電機驅動，播種機高速作業(yè)速度在8～10 km/h，可通過編碼器實時測量機組前進速度，利用嵌入單片機上的反饋控制技術對驅動吸種盤的電機實時控制以實現定量排種。本文以種盤轉速 70 r/min工作條件為例進行仿真，圖7為3種吸種盤平均動能隨時間變化趨勢圖。從圖7中可看出：不同種盤作用下種子平均動能波動差異較大，槽齒盤的波動最明顯，凹槽盤的波動次之，平面盤無明顯波動。圖7a中可以看出平面盤平均動能在4 s到5 s突然增大，其原因在于在較高轉速下，平面盤工作面對貼近盤面的種群具有一定的拖帶作用，局部種群有一定跳躍遷移導致種子平均動能在某一時刻存在突變。較高的瞬時平均動能反應較大的瞬時擾動強度，在不同時間下可用種子平均動能定量描述種盤對種群定向擾動特性。

圖7 3種吸種盤的種子平均動能隨時間變化曲線

根據文獻[18]，本文用種子在不同時刻下的平均動能累加求和（即平均動能總和）量化不同擾種機構作用下的種群擾動強度。圖8為3種吸種盤在不同轉速下平均動能總和數值變化規(guī)律情況。結果表明：當吸種盤轉速由10 r/min增加至150 r/min時，槽齒盤對種群擾動強度呈明顯上升趨勢，而平面盤和凹槽盤對種群擾動強度不大；在相同轉速下，槽齒盤對種群擾動強度明顯優(yōu)于平面盤和凹槽盤。平均動能總和波動趨勢與平均動能波動趨勢一致，其數值大小關系依次為槽齒盤>凹槽盤>平面盤。從仿真結果中可得到以下推論：合理的種盤可有效提高種群的擾動強度，打破種群穩(wěn)定堆積狀態(tài)，有利于少量種子從種群中快速分離并進入凹槽被吸孔準確吸附，從而改善油菜高速精播下的漏充問題。

圖8 吸種盤轉速與種子平均動能總和關系

4 臺架試驗

以仿真分析用的3種型式吸種盤為載體設計了油菜氣力式精量排種器，借助高速攝像技術進行種盤優(yōu)選試驗和較優(yōu)種盤吸附性能試驗，探尋種盤擾動強度對油菜種子吸附性能的影響，優(yōu)選出較優(yōu)種盤以實現不以增大工作負壓來提高油菜高速精量排種過程中吸附性能。

4.1 試驗設備

主要試驗設備有：槽齒組合氣力盤式精量排種器、TB86BL120-430型步進電機（常州遠控有限公司）、自制電機驅動控制器、HG-250型漩渦式氣泵（浙江森森集團股份有限公司）、氣力管道、U型壓力計、i-SPEED 3高速攝像系統(tǒng)（日本OLYMPUS公司）和排種裝置試驗臺開展排種性能試驗，相關試驗裝置及設備如圖9所示。

1. 驅動電機 2. 排種器 3. 氣力管道 4. 排種支架 5. U型壓力計 6. 高速攝像系統(tǒng)

4.2 試驗設計與方法

根據仿真模型相關參數試制了槽齒盤、凹槽盤和平面盤3種型式吸種盤，將其安裝在油菜氣力式高速精量排種器上，以漏吸率、吸附合格率、重吸率和堵孔率為試驗指標，開展了種盤優(yōu)選試驗和較優(yōu)種盤吸附性能試驗，排種器外殼利用3D技術進行透明化設計。種盤優(yōu)選試驗中，種盤轉速選取與仿真試驗相同的8個轉速梯度，工作負壓為1.5、2.0和2.5 kPa 3個梯度。較優(yōu)吸種盤吸附性能試驗以工作轉速和負壓為試驗因素，進行雙因素試驗，吸種盤轉速設定與仿真試驗相同的8個轉速梯度，工作負壓設定0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 kPa共5個梯度。采用高速攝像系統(tǒng)拍攝吸種盤與種群作用狀態(tài)及種子吸附狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 吸種盤與種群作用狀態(tài)及種子吸附狀態(tài)的高速攝像圖片

吸附性能檢測區(qū)以吸孔離開充種區(qū)的位置為始點，以攜種區(qū)最高位置為終點；吸孔堵塞檢測區(qū)以種子離開投種區(qū)為始點，以過渡區(qū)的最低位置為終點。利用高速攝像系統(tǒng)獲取這2個區(qū)域的影像，每組試驗記錄并獲取240個吸孔的影像進行統(tǒng)計，每組重復3次取平均值作為試驗結果加以分析。參照GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，各試驗指標計算公式為

4.3 結果與分析

4.3.1 種盤優(yōu)選試驗

試驗選用德優(yōu)矮早未分級油菜種子，其三軸尺寸為（1.91×1.84×1.77）mm，千粒質量為4.25 g，球形度為96.34%，含水率為7.40%。圖11為吸種盤轉速70 r/min時負壓對油菜種子吸附性能影響。由圖11a和圖11b可知，不同種盤的漏吸率均隨負壓的增大呈下降趨勢，各種盤的吸附合格率均隨負壓的增大呈上升趨勢。圖中顯示，槽齒盤的漏吸率和吸附合格率均優(yōu)于其他2個種盤，當負壓小于1.5 kPa時，各種盤漏吸率和吸附合格率均有明顯差異，負壓大于1.5 kPa時，各種盤的吸附性能差異不明顯。圖11c顯示，各種盤重吸率無明顯差異，且均小于0.1%。結合上述試驗結果分析：增大負壓是提高吸附合格率、降低漏吸率的可行手段，當負壓在較低范圍時，擾動強度大的種盤吸附性能較優(yōu)，表明增大擾動強度可以輔助充種。

圖12~圖14分別為負壓1.5、2.0 和2.5 kPa工況下吸種盤轉速對油菜種子吸附性能影響。由圖12a、13a和14a可知，各種盤的漏吸率均隨轉速的提高呈上升趨勢，其中平面盤和凹槽盤的漏吸率呈近似指數性增長趨勢，槽齒盤的漏吸率增長速度較為緩慢。當轉速n≤50 r/min時，3種吸種盤的漏吸率差異不大；轉速50 r/min<n< 150 r/min時，槽齒盤的漏吸率明顯低于凹槽盤和平面盤，平面盤和凹槽盤漏吸率不低于18%，槽齒盤漏吸率不大于8.0%。

從圖12b、13b和14b可看出，不同種盤吸附合格率均隨轉速的增加呈降低趨勢，當種盤轉速50 r/min<n< 150 r/min時，平面盤和凹槽盤吸附合格率下降趨勢加快，其吸附合格率不大于80%，槽齒盤的吸附合格率下降趨勢較為緩慢，吸附合格率不低于90%。

從圖12c、13c和14c中看出，槽齒盤、凹槽盤和平面盤3種結構型式吸種盤的重吸率無明顯差異，重吸率不大于1.%。高速攝像試驗觀察得知，這3種結構型式吸種盤試驗過程中型孔均未出現堵塞情況，結果表明通過吸孔合理設計，可有效控制重吸率和堵孔率。

根據上述試驗結果可知，當轉速n≤50 r/min時，3種吸種盤漏吸率和吸附合格率無明顯差異，其原因在于此時各種盤對種群定向擾動的強度差異不大，吸孔處同一負壓對種子捕獲能力相同，故漏吸率和吸附合格率無明顯差異；轉速50 r/min<n< 150 r/min時，槽齒盤漏吸率和吸附合格率明顯優(yōu)于其他2個種盤，結合仿真分析其原因在于：與平面盤和凹槽盤相比，槽齒盤的擾種強度隨轉速的增加呈明顯增大趨勢，隨轉速明顯變化的擾種強度可有效打破種群內摩擦阻力，有利于少量種子從種群中快速分離被吸孔捕獲而吸附，而擾種強度較小的平面盤和凹槽盤只能依靠提高工作負壓來改善油菜種子吸附性能。

從圖12～圖14中還可看出，在負壓1.5～2.5 kPa條件下，轉速為50 r/min是平面盤與其他2個種盤對種子吸附性能的分界值，轉速為90 r/min是槽齒盤與其他2個種盤對種子吸附性能的分界值。由此得知，實際工作中當排種器工作轉速不大于50 r/min時，3個種盤對油菜種子吸附性能差異不明顯，3個種盤可互選；在排種器工作轉速不大于90 r/min時，槽齒盤和凹槽盤對油菜種子吸附性能差異不明顯，這2個種盤可互選；當排種器工作轉速大于90 r/min時，需優(yōu)先選擇槽齒盤。在工作轉速110～150 r/min、負壓1.5～2.5 kPa條件下，槽齒盤最大漏吸率為7.4%，凹槽盤最小漏吸率為14.02%，平面盤最小漏吸率為30.4%，與凹槽盤相比漏吸率降低了47.2%，與平面盤相比漏吸率降低了75.7%。

圖11 轉速為70 r/min時負壓對吸附性能的影響

圖12 負壓為1.5 kPa時轉速對吸附性能的影響

圖13 負壓為2.0 kPa時轉速對吸附性能的影響

圖14 負壓為2.5 kPa時轉速對吸附性能的影響

綜上分析，擾種強度越大的吸種盤，漏吸率越低、吸附合格率越高，該值較大的槽齒盤對應的吸附性能明顯優(yōu)于其他2個吸種盤。由此可知：吸孔直徑確定條件下，適當增大擾種強度可輔助充種，以改善油菜高速排種過程中的吸附性能。

4.3.2 槽齒盤吸附性能試驗

試驗選用德優(yōu)矮早和中雙11號2個未分級處理的油菜品種，其中雙11號三軸尺寸為（1.98×1.94×1.89）mm，千粒質量為4.66 g，球形度為97.79%，含水率為7.64%。表2為安裝有槽齒盤的油菜氣力式精量排種器在不同工作轉速和負壓下直播千粒質量偏小的德優(yōu)矮早和千粒質量偏大的中雙11號2個品種的試驗結果。從整體上看：相同工作負壓下，漏吸率隨轉速的增大呈上升趨勢，吸附合格率呈下降趨勢，重吸率無明顯變化；在同一轉速下，吸附合格率隨負壓的增大呈上升趨勢，漏吸率呈下降趨勢，重吸率無明顯變化。

工作轉速10～110 r/min、負壓1.5～2.5 kPa條件下，吸附合格率不低于92.0%，漏吸率和重吸率之和不大于8.0%，試驗中未發(fā)生吸孔堵塞情況；當負壓小于1.5kPa、轉速不低于110 r/min時，吸附合格率均小于85.0%，漏吸率和重吸率大于15.0%。結合上述數據分析：轉速10～110 r/min、負壓1.5～2.5 kPa時，擾種齒對種群定向擾動可打破種子層堆積狀態(tài)，使少量種子從種群中分離出來有序跳動進入凹槽通道被凹槽內部吸孔處產生的負壓氣流快速捕獲并牢牢吸附；當負壓小于1.5kPa、轉速不低于110 r/min時，擾種齒對種群擾動強度增大，從種群中分離出來的少量種子存在無序跳動且開始脫離凹槽通道，由于負壓氣流不大，使得凹槽內部吸孔處產生的負壓氣流捕獲種子能力下降，進而導致吸附合格率較低、漏吸率較高。

從表2中可看出，高轉速n∈[110,150] r/min區(qū)間內，當負壓為1.5～2.5 kPa時，德優(yōu)矮早品種吸附合格率整體要好于中雙11號品種，結合式（8）分析其原因在于：當吸種盤結構確定時，吸孔瞬間捕獲種子所需負壓與種子質量和吸種盤轉速呈正比，高轉速下可通過增大負壓提高吸附合格率，由于德優(yōu)矮早品種種子質量小于中雙11號品種種子質量，因此高轉速下，提高中雙11號品種吸附合格率所需負壓應大于德優(yōu)矮早品種所需負壓。

表2 工作負壓和轉速對吸附性能影響

注：為吸附合格率，%；為漏吸率，%；為重吸率，%；為堵孔率，%；n為吸種盤轉速，r·min-1。

Note:is suction qualification rate;is leakage suction rate;is multi suction rate;is blocking rate;nis rotation speed of sucking-seed plate.

5 結 論

本文設計了一種可改善油菜氣力式排種器高速直播條件下充種性能的槽齒組合式吸種盤，闡述了其結構組成和工作原理，分析并確定了擾種齒和凹槽關鍵結構參數，及種群在擾種齒作用下種子吸附狀態(tài)的力學模型，并通過EDEM與臺架試驗對平面盤、凹槽盤和槽齒盤進行優(yōu)選和吸附性能對比，結果表明：

1）在傳統(tǒng)平面盤上增設凹槽與擾種齒可明顯增加種群的擾動強度和降低種子漏吸率。以平均動能總和作為種群擾動強度的量化指標，在同一轉速下，平均動能總和數值從大到小順序為：槽齒盤>凹槽盤>平面盤。以德優(yōu)矮早油菜品種為對象，工作負壓1.5～2.5 kPa、轉速10～150 r/min條件下，槽齒盤的漏吸率和吸附合格率均明顯優(yōu)于凹槽盤和平面盤，而重吸率無明顯差異，當轉速大于90 r/min時，槽齒盤最大漏吸率為7.4%，凹槽盤最小漏吸率為14.02%，平面盤最小漏吸率為30.4%，與凹槽盤相比漏吸率降低了47.2%，與平面盤相比漏吸率降低了75.7%。

2）對于德優(yōu)矮早和中雙11號，在相同工作負壓下，漏吸率隨轉速的增大呈上升趨勢，吸附合格率呈下降趨勢，重吸率無明顯變化；在同一轉速下，吸附合格率隨負壓的增大呈上升趨勢，漏吸率呈下降趨勢，重吸率無明顯變化；在工作轉速10～110 r/min、負壓1.5～2.5 kPa條件下，吸附合格率不低于92.0%，漏吸率和重吸率之和不大于8.0%。

盡管常用油菜種子品種多樣，但其球形度和平均粒徑差異不大，安裝槽齒盤、凹槽盤和平面盤的油菜高速精量排種器臺架試驗中均未出現吸孔堵塞的情況，通過吸孔直徑合理設計可較好地控制重吸率和堵孔率，增大擾種強度可輔助充種，進而改善油菜高速排種過程的吸附性能，下一步需開展復雜工況下槽齒盤結構優(yōu)化及播種單元作業(yè)速度匹配研究。

[1] 官春云. 改變冬油菜栽培方式，提高和發(fā)展油茶生產[J]. 中國油料作物學報，2006，28(1)：83－85. Guan Chunyun. The cultivation pattern change of winter rapeseed to increase and develop production[J]. Chinese Journal of Oil Crop Science, 2006, 28(1): 83－85. (in Chinese with English abstract)

[2] 王寅. 直播和移栽冬油菜氮磷鉀肥施用效果的差異與機理研究[D]. 武漢：華中農業(yè)大學，2014. Wang Yin. Study on the Different Responses to Nitrogen，Phosphorus，and Potassium Fertilizers and The Mechanisms Between Direct Sown and Transplanted Winter Oilseed Rape[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[3] 田波平，廖慶喜，黃海東，等. 2BFQ-6 型油菜精量聯合直播機的設計[J]. 農業(yè)機械學報，2008，39(10)：211－213. Tian Boping, Liao Qingxi, Huang Haidong, et al. Design of 2BFQ-6 precision planter for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2008, 39(10): 211－213. (in Chinese with English abstract)

[4] 廖慶喜，雷小龍，廖宜濤，等. 油菜精量播種技術研究進展[J]. 農業(yè)機械學報，2017，48(9)：1－16.Liao Qingxi, Lei Xiaolong, Liao Yitao, et al. Research progress of precision seeding for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 1－16. (in Chinese with English abstract)

[5] 李兆東. 油菜氣壓式精量集排器排種技術及其工作機理解析[D]. 武漢：華中農業(yè)大學，2016. Li Zhaodong. Study on Seeding Technology and Working Mechanism of Pneumatic-typed Precision Centralized Metering Device for Rapeseed[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2016. (in Chinese with English abstract)

[6] 湯楚宙，羅海峰，吳明亮，等. 變容量型孔輪式排種器設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2010，26(12)：114—119. Tang Chuzhou, Luo Haifeng, Wu Mingliang, et al. Design and test on seed metering device with variable capacity model-hole roller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(12): 114－119. (in Chinese with English abstract)

[7] 曹秀英，廖慶喜，叢錦玲，等. 離心式油菜精量排種器型孔結構設計與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2014，45(增刊)：40－46. Cao Xiuying, Liao Qingxi, Cong Jinling, et al. Design and experiment on metering hole structure of centrifugal precision metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(S1): 40－46. (in Chinese with English abstract)

[8] 廖慶喜，張猛，余佳佳，等. 氣力集排式油菜精量排種器[J].農業(yè)機械學報，2011，42(8)：30－34. Liao Qingxi, Zhang Meng, Yu Jiajia, et al. Pneumatic centralized metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(8): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[9] 叢錦玲，余佳佳，曹秀英，等. 油菜小麥兼用型氣力式精量排種器[J]. 農業(yè)機械學報，2014，45(1)：46－52. Cong Jinling, Yu Jiajia, Cao Xiuying, et al. Design of dual-purpose pneumatic precision metering device for rape and wheat[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(1): 46－52. (in Chinese with English abstract)

[10] 叢錦玲，廖慶喜，曹秀英，等. 油菜小麥兼用吸種盤的排種器充種性能[J]. 農業(yè)工程學報，2014，30(8)：30－39. Cong Jinling, Liao Qingxi, Cao Xiuying, et al. Seed filling performance of dual-purpose seed plate in metering device for both rapeseed & wheat seed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(8): 30－39. (in Chinese with English abstract)

[11] 李姍姍，廖慶喜，王都，等. 油菜氣力滾花滾筒式精量集排器充種性能仿真分析與試驗[J]. 華中農業(yè)大學學報，2017，36(5)：99－107. Li Shanshan, Liao Qingxi, Wang du, et al. Simulation analyses and experiments of seed filling performance of pneumatic knurled cylinder-type centralized precision metering device for rapeseed[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2017, 36(5): 99－107. (in Chinese with English abstract)

[12] 李兆東，雷小龍，曹秀英，等. 油菜精量氣壓式集排器的設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(7)：9－17. Li Zhaodong, Lei Xiaolong, Cao Xiuying, et al. Design and experiment of pneumatic-typed precision centralized metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(7): 9－17. (in Chinese with English abstract)

[13] 李兆東，李姍姍，曹秀英，等. 油菜精量氣壓式集排器排種性能試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(18)：17－25. Li Zhaodong, Li Shanshan, Cao Xiuying, et al. Seeding performance experimentof pneumatic-typed precision centralized metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(18): 17－25. (in Chinese with English abstract)

[14] 劉佳，崔濤，張東興，等. 機械氣力組合式玉米精密排種器[J]. 農業(yè)機械學報，2012，43(2)：43－47.Liu Jia, Cui Tao, Zhang Dongxing, et al. Mechanical-pneumatic combined corn precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(2): 43－47. (in Chinese with English abstract)

[15] 王芳，呂冰，王洪明，等. 氣吸式谷子排種裝置吸種孔的結構設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(8)：30－36. Wang Fang, Lü Bing, Wang Hongming, et al. Structural design and test of seed-suction hole air-sucking seed- metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 30－36. (in Chinese with English abstract)

[16] 李明，劉曉輝，廖宜濤，等. 氣力滾筒式油菜精量集排器[J]. 農業(yè)機械學報，2013，44(12)：68－73.Li Ming, Liu Xiaohui, Liao Yitao, et al. Pneumatic cylinder-type centralized precision metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(12): 68－73. (in Chinese with English abstract)

[17] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室. 理論力學(Ⅰ)：第8版[M].北京：高等教育出版社，2016.

[18] 顏丙新，張東興，崔濤，等. 吸種盤和負壓腔室同步旋轉氣吸式玉米精量排種器設計[J]. 農業(yè)工程學報，2017，33(23)：15－23. Yan Bingxin, Zhang Dongxing, Cui Tao, et al. Design of pneumatic maize precision seed-metering device with synchronous rotating seed plate and vacuum chamber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 15－23. (in Chinese with English abstract)

[19] 中國農業(yè)機械科學研究院. 農業(yè)機械手冊：上冊[M]. 北京：中國農業(yè)科學技術出版社，2007.

[20] 劉曉輝. 小粒徑作物氣力滾筒式精量集排器設計與試驗研究[D]. 武漢：華中農業(yè)大學，2013. Liu Xiaohui. Design and Experiment of Pneumatic Cylinder-type Centralized Precision Metering Device for Small Seeds[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[21] Van liedekerke P, Tijskens E, Dintwa E, et al. DEM simulations of the particle flow on a centrifugal fertilizer spreader[J]. Powder Technology, 2009, 190(3): 348－360.

[22] Li J, Webb C, Pandiella S S, et al. Discrete particle motion on sieves-a numerical study using the DEM simulation[J]. Powder Technology, 2003(133): 190－202.

[23] Zhao Zhan, Li Yaoming, Liang Zhenwei, et al. DEM simulation and physical testing of rice seed impact against agrain loss sensor[J]. Biosystem Engineering, 2013(116): 410－419.

[24] Lenaerts B, Aertsen T, Tijskens E, et al. Simulation of grain-straw separation by discrete element modeling with bendable straw particles[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2014(101): 24－33.

[25] 賴慶輝，高筱鈞，張智泓. 三七氣吸滾筒式排種器充種性能模擬與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2016，47(5)：27—37. Lai Qinghui, Gao Xiaojun, Zhang Zhihong. Simulation and experiment of seed-filling performance of pneumatic cylinder seed-metering device for panax notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 27—37. (in Chinese with English abstract)

[26] 李耀明，趙湛，陳進，等. 氣吸振動式排種器種盤內種群運動的離散元分析[J]. 農業(yè)機械學報，2009，40(3)：56－59. Li Yaoming, Zhao Zhan, Chen Jin, et al. Discrete element method simulation of seeds motion in vibrated bed of precision vacuum seeder[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(3): 56－59. (in Chinese with English abstract)

[27] 雷小龍，廖宜濤，李兆東，等. 油菜小麥兼用氣送式集排器攪種裝置設計及充種性能試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2016，32(18)：26－34. Lei Xiaolong, Liao Yitao, Li Zhaodong, et al. Design of seed churning device in air-assisted centralized metering device for rapeseed and wheat and experiment on seed filling performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 26－34. (in Chinese with English abstract)

[28] 丁力，楊麗，劉守榮，等. 輔助充種種盤玉米氣吸式高速精量排種器設計[J]. 農業(yè)工程學報，2018，34(22)：1－11. Ding Li, Yang Li, Liu Shourong, et al. Design of air suction high speed precision maize seed metering device with assistant seed filling plate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(22): 1－11. (in Chinese with English abstract)

[29] 史嵩，張東興，楊麗，等. 基于EDEM 軟件的氣壓組合孔式排種器充種性能模擬與驗證[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31(3)：62－69. Shi Song, Zhang Dongxing, Yang Li, et al. Simulation and verification of seed-filling performance of pneumatic-combined holes maize precision seed-metering device based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(3): 62－69. (in Chinese with English abstract)

[30] 廖慶喜，張朋玲，廖宜濤，等. 基于EDEM的離心式排種器排種性能數值仿真[J]. 農業(yè)機械學報，2014，45(2)：109－114. Liao Qingxi, Zhang Pengling, Liao Yitao, et al. Numerical simulation on seeding performance of centrifugal rape-seed metering device based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2014, 45(2): 109－114. (in Chinese with English abstract)

[31] 曹秀英，廖宜濤，廖慶喜，等. 油菜離心式精量集排器枝狀閥式分流裝置設計與試驗[J]. 農業(yè)機械學報，2015，46(9)：77－84. Cao Xiuying, Liao Yitao, Liao Qingxi, et al. Design and experiment on value-branch distributor of centrifugal precision metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 77－84. (in Chinese with English abstract)

[32] 雷小龍. 油麥兼用型氣送式集排器設計及其工作機理[D]. 武漢：華中農業(yè)大學，2017.Lei Xiaolong. Design and Working Mechanism of Air-assisted Centralized Metering Device for Rapeseed and Wheat[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2017. (in Chinese with English abstract)

Design and suction performance test of sucking-seed plate combined with groove-tooth structure on high speed precision metering device of rapeseed

Li Zhaodong1,2, Yang Wenchao1, Zhang Tian1, Wang Weiwei1, Zhang Shun1,2, Chen Liqing1,2※

(1.230036,; 2.230036,)

Rapeseed is an important oil crop in China. High-speed precision direct-seeding technology, which has the advantages of cost saving and efficiency increasing, low lodging risk and suitable for mechanized harvest, is one of the important ways to promote the sustainable development of rapeseed industry.Aiming at the problems that the seeds of the existing pneumatic rape seed metering device are difficult to be separated quickly and sucked accurately from the seed-group during the high-speed working process, which result in leakage suction, and reducing the performance of seed metering, a sucking-seed plate combined with groove-tooth to improve the filling performance of rape high-speed direct seeding was designed in this paper, and the key structures of sucking-seed plate combined with groove-tooth were analysed and determined, the mechanical model of the seed suction for groove-tooth interference was constructed, EDEM numerical simulation was used to analyze the effects of 3 kinds of sucking-seed plates: smooth plate, groove plate and groove-tooth plate on the intensity of directional disturbance for seed-group. Combined with bench test, the optimum selection of seed sucking plate structure was carried out. The test results showed that adding of grooves and disturbing teeth on the traditional smooth plate could significantly increase the disturbance intensity of the seed-group and reduce the seed leakage suction rate. Taking the sum of average kinetic energy as the quantitative index of the seed-group disturbance intensity, the order of the sum of average kinetic energy at the same speed from large to small was: grooved tooth plate, grooved plate and smooth plate. Taking Deyouaizao as the experimental variety, suction performance tests of groove-tooth plate, groove plate and smooth plate were carried out under the work condition that negative pressure of 1.5-2.5 kPa, rotation speed in 10-150 r/min. The test results showed that leakage suction rate and the suction qualification rate of groove-tooth plate were obviously better than those of groove plate and smooth plate. There was no obvious change in the multiple suction rate of groove-tooth plate, groove plate and smooth plate. When rotation speed was greater than 90 r/min, the maximum leakage suction rate of groove-tooth plate was 7.4%, and the minimum leakage suction rate of groove plate was 14.02%, the minimum leakage suction rate of smooth plate was 30.4%, leakage suction rate was reduced by 47.2% compared with groove plate, and leakage suction rate was reduced by 75.7% compared with smooth plate. The performance test of directional disturbance suction showed that with the variety of rapeseed named Deyouaizao and Zhong Shuang 11, under the same work negative pressure, leakage suction rate was increasing, suction qualified rate was decreasing, and multiple suction rate had no obvious change with plate speed increasing. Under the same plate speed, suction qualified rate increased, and leakage suction rate decreased with the increase of negative pressure. Under the plate speed in 10-110 r/min and negative pressure in 1.5-2.5 kPa, suction qualified rate was not less than 92.0%, and the sum of leakage and re-suction rate was not more than 8.0%. Despite the variety of commonly used rapeseed seeds, the difference in sphericity and average grain size is not large, there was no suction hole blockage in the test of the high-speed precision seed metering rack of the rapeseed with groove plate, groove-tooth plate and smooth plate. Through the reasonable design of the diameter of the suction cell, the multiple suction rate and the blocking rate could be well controlled, increasing the average kinetic energy of the seed-group (the disturbance intensity) could significantly improve the filling performance, thereby improving the suction performance of the rapeseed pneumatic high-speed seed metering device and reduce the leakage suction rate. The research results showed that groove and tooth composition plate had a high suction precision and could be provide reference for structural improvement and optimization of pneumatic rapeseed high speed precision seed metering device.

agricultural machinery; design; seeds; pneumatic seed metering device; precision suction; disturbance of groove- tooth; rapeseed

2018-07-06

2018-11-20

國家自然科學基金資助項目（51805004）；安徽省自然科學基金資助項目（1808085QE170）；安徽省教育廳科學研究項目（KJ2018A0135）

李兆東，博士，講師，主要從事旱作農業(yè)裝備設計與智能測控研究。Email：Lizd@ahau.edu.cn

陳黎卿，博士，教授，主要從事玉米機械與秸稈處理機械、智能農機裝備研究。Email：lqchen@ahau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.002

S223.2+3

A

1002-6819(2019)-01-0012-11

李兆東，楊文超，張 甜，王韋韋，張 順，陳黎卿. 油菜高速精量排種器槽齒組合式吸種盤設計與吸附性能試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2019，35(1)：12－22. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.002 http://www.tcsae.org

Li Zhaodong, Yang Wenchao, Zhang Tian, Wang Weiwei, Zhang Shun, Chen Liqing.Design and suction performance test of sucking-seed plate combined with groove-tooth structure on high speed precision metering device of rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(1): 12－22. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.01.002 http://www.tcsae.org