陳玉龍，劉澤琪，韓　杰，趙露強，隋新輝，張敬文，蘭玉彬

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

氣吸式排種器扁平種子吸附姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗

陳玉龍，劉澤琪，韓杰，趙露強，隋新輝，張敬文，蘭玉彬※

（1. 山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000； 2. 山東理工大學(xué)生態(tài)無人農(nóng)場研究院，淄博 255000；3. 山東省旱作智能農(nóng)機(jī)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，淄博 255000）

針對氣吸式排種器在進(jìn)行扁平形狀種子排種時，充種性能不穩(wěn)定，排種效果不佳的問題，該研究以扁平玉米種子為作業(yè)對象，從種子的吸附姿態(tài)調(diào)節(jié)入手，設(shè)計一種具有傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)的氣吸式排種器。對排種器的傾斜凸臺作業(yè)過程進(jìn)行理論分析和設(shè)計計算，針對平面盤、凹槽盤和凸臺盤3種排種盤的作業(yè)過程進(jìn)行離散元仿真分析，結(jié)果表明：凸臺盤對種群的擾動能力、離散程度和扭矩高于其他排種盤，傾斜凸臺在取種過程中能夠改變種子的姿態(tài)，實現(xiàn)種子扁平面與吸孔表面間的平行吸附。臺架試驗結(jié)果表明，凸臺盤的單粒吸附率優(yōu)于凹槽盤和平面盤，隨著前進(jìn)速度升高，單粒吸附率先增大后減小，8 km/h時達(dá)到最高值91.70%；隨著負(fù)壓增大，單粒吸附率變化趨勢相同，3 kPa時達(dá)到最高值90.84%；凸臺盤的穩(wěn)定吸附率和平行吸附率隨速度增大出現(xiàn)小幅降低，隨負(fù)壓增大逐漸升高并在3 kPa趨于穩(wěn)定，凸臺盤的吸附性能優(yōu)于其他兩種排種盤，同時3種排種盤在取種時的平行吸附率與投種位置的穩(wěn)定吸附率呈正比。前進(jìn)速度4～8 km/h時，凸臺盤的排種合格率穩(wěn)定在98%以上，隨后逐漸下降，12 km/h時降至93.18%；田間試驗結(jié)果表明，排種器作業(yè)性能隨前進(jìn)速度升高而降低，12 km/h時，凸臺盤的合格率降為90.34%，漏播率升高至6.52%，滿足精密播種要求。傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)能夠?qū)Ρ馄椒N子吸附姿態(tài)進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，提高吸附穩(wěn)定性和排種器作業(yè)性能，研究結(jié)果可為扁平種子高速精量取種提供技術(shù)參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；離散元；氣吸式排種器；扁平種子；吸附姿態(tài)；高速攝像

0 引 言

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，精量播種是將種子按照農(nóng)藝要求的播量、播深和粒距播入土壤中的種植方法，研究表明，精量播種可以在節(jié)約種子、減少間苗的同時有效提高作物產(chǎn)量[1]，是國內(nèi)外主流的播種模式。精密排種器[2]是實現(xiàn)精量播種的核心裝備，按作業(yè)原理可分為機(jī)械式（指夾式[3-4]、圓盤式[5-7]、型孔輪式[8-9]）、氣力式（氣吸式[10-11]、氣吹式[12-13]、氣壓式[14-15]）等多種形式，其中氣吸式排種器具有種子適應(yīng)性強、顆粒損傷小、作業(yè)速度高等多種優(yōu)勢，被國內(nèi)外廣泛應(yīng)用。

相比于大豆類圓形種子，打瓜、玉米等形狀不規(guī)則的扁平種子在氣吸排種過程中，由于種群流動性差、充種效果和吸附穩(wěn)定性差等，高速精密排種的作業(yè)難度更大[16]。國內(nèi)外研究學(xué)者針對扁平種子的氣吸式排種性能開展了大量研究。

Karayel等[17]利用3種不同吸孔結(jié)構(gòu)的排種盤分別對西瓜和甜瓜種子進(jìn)行投種均勻性試驗，發(fā)現(xiàn)前進(jìn)速度和排種盤對投種平均粒距沒有影響，但是每穴的種子數(shù)量有變化，隨著前進(jìn)速度增加，粒距變異系數(shù)和每穴種子數(shù)增加，同時開發(fā)了一種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型估計精密播種機(jī)氣吸式排種器的最佳負(fù)壓值，其中玉米為4.0 kPa，打瓜為2.5 kPa，計算成功率超過99%[18]。Celik等[19]對比了4種不同形式排種器的葵花種子播種性能，其中免耕播種機(jī)的粒距一致性和出苗率最高，氣吸式精密播種機(jī)的播深一致性最優(yōu)。Yazgi等[20]研究了扁平和圓形玉米種子排種器在不同排種速率和機(jī)器傾角時的作業(yè)性能以及投種軌跡范圍，結(jié)果顯示扁平種子的投種軌跡范圍略大于圓形種子，在排種速率為800粒/min，傾角為?2.6°時，扁平種子作業(yè)性能最佳，而圓形種子的最佳作業(yè)性能則出現(xiàn)在排種速率409.4粒/min，傾角為0°時。Abdolahzare等[21]基于遺傳規(guī)劃和高速攝像方法構(gòu)建氣吸排種器作業(yè)參數(shù)（前進(jìn)速度和負(fù)壓）與種子物理特性間的數(shù)學(xué)模型，得到玉米的最佳工作速度在2.5～4 km/h之間，負(fù)壓為4.0 kPa，西瓜為6～8.5 km/h和4.5 kPa。

國外研究重點關(guān)注排種器結(jié)構(gòu)和作業(yè)參數(shù)對玉米、打瓜、葵花等扁平種子排種作業(yè)性能的影響，對吸附姿態(tài)的研究較少。國內(nèi)袁月明等[22]采用高速攝像技術(shù)分析水稻芽種的氣吸排種工作過程，芽種在排種盤上有3種吸附姿態(tài)，種子沿長軸方向被吸附為正常吸附姿態(tài)，吸附姿態(tài)是影響排種均勻性的主要因素，而吸附姿態(tài)與吸孔數(shù)量和負(fù)壓有關(guān)。李鳳麗等[23-24]借助高速攝像機(jī)對食葵種子的氣吸取種過程進(jìn)行記錄，結(jié)果顯示種子離開種群后的吸附姿態(tài)對落種精度有影響，最佳吸附姿態(tài)是種子中部被吸附且長軸方向與排種盤吸孔的切線方向重合，吸附姿態(tài)與作業(yè)速度及負(fù)壓有關(guān)，且吸附姿態(tài)會改變投種時機(jī)造成提前或延遲投種。臧英等[25]設(shè)計一種雜交稻單粒氣力式排種器，通過排種盤上的導(dǎo)流槽對吸孔處稻種的姿態(tài)進(jìn)行改變，同時結(jié)合吸孔外側(cè)的輔助吸種裝置對稻種進(jìn)行提速并對吸種位置限制，提高了稻種的吸附精度。丁力等[26]研究了扁平玉米種子吸附姿態(tài)對氣吸排種作業(yè)性能的影響，分析得出，平躺吸附比例與合格指數(shù)成正比；側(cè)躺吸附比例與重播指數(shù)成正比；豎直吸附比例對漏播有顯著影響。李玉環(huán)等[27-28]在氣吸排種器的投種位置設(shè)計直線投種裝置，改變投種階段種子的吸附姿態(tài)實現(xiàn)直線投種，并提出一種末端撥離+直線投種方法，解決投種位置不一致和橫向飛種問題。

以上研究僅關(guān)注吸附姿態(tài)對投種性能的影響，并未對吸附姿態(tài)的調(diào)節(jié)方法開展研究。本文選取扁平玉米種子為對象，以氣吸式排種器充種過程中玉米種子的吸附姿態(tài)調(diào)節(jié)為目的，設(shè)計一種在吸附瞬間調(diào)整種子與吸孔相對位置關(guān)系的傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)，構(gòu)建充種過程中種子在傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)作用下的運動模型，通過離散元仿真試驗和物理試驗相結(jié)合，探究吸附姿態(tài)對排種性能的影響。

1 扁平種子氣吸取種吸附姿態(tài)分析

傳統(tǒng)氣吸式排種器在播種玉米時，主要有2種吸附姿態(tài)（圖1），種子扁平面與吸孔表面平行吸附（圖1a），此時，被吸附種子與種群接觸面積小，與吸孔的迎風(fēng)面接觸面積大，受種群內(nèi)摩擦阻力較小，吸孔吸附力F較大，所以在隨著排種盤做攜種運動的過程中不易滑落；另一種姿態(tài)為種子扁平面與吸孔表面垂直吸附（圖1b），此時，被吸附種子與種群接觸面大，但是和吸孔的迎風(fēng)面積小，受到種群內(nèi)摩擦阻力較大，受到吸孔吸附力F較小，導(dǎo)致在隨著排種盤做攜種運動的過程中易滑落。

由于玉米種子尺寸的差異性，種子吸附姿態(tài)對排種器的排種性能具有顯著影響[26]。利用格蘭垂直圓盤排種器進(jìn)行扁平玉米種子排種預(yù)試驗，利用高速攝像機(jī)采集取種及攜種過程的吸附姿態(tài)及投種狀態(tài)，統(tǒng)計離開種群瞬間吸孔上單粒種子的吸附狀態(tài)，分別統(tǒng)計100粒平行吸附和垂直吸附的吸孔，觀察種子從離開種群到脫離排種盤這段時間內(nèi)的狀態(tài)變化。預(yù)試驗在前進(jìn)速度4、6、8、10、12 km/h下進(jìn)行，以穩(wěn)定吸附率（吸孔在投種位置時仍有單粒種子吸附）、漏吸率（吸孔在達(dá)到投種位置過程中吸附的種子提前掉落）為試驗指標(biāo)，結(jié)果如圖2所示。

注：v為吸孔處線速度，m·s-1；Ff為種群內(nèi)摩擦阻力，N；Fp為吸孔吸附力，N；G為重力，N。

圖2 吸附姿態(tài)對排種性能的影響

由圖2可知，平行吸附時的穩(wěn)定吸附率明顯大于垂直吸附，且隨著速度的增大，穩(wěn)定吸附率變化較小，始終保持在97%以上，而垂直吸附時的穩(wěn)定吸附率在4 km/h時為96.16%，12 km/h時為84.16%，下降了12.00個百分點。平行吸附和垂直吸附的漏吸率與穩(wěn)定吸附率呈現(xiàn)完全相反的變化，平行吸附時的漏吸率始終小于3%且變化較?。淮怪蔽綍r的漏吸率較高，在4 km/h時為3.84%，12 km/h時為15.84%，上升了12.00個百分點。

2 吸附姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)及其工作原理

通過對扁平種子取種過程的受力分析和預(yù)試驗結(jié)果可知，扁平種子的平行吸附是較優(yōu)吸附姿態(tài)。氣吸式排種器的種子吸附大多數(shù)發(fā)生在種群表面附近，吸附姿態(tài)在吸附瞬間確定。本文從吸附瞬間的姿態(tài)調(diào)節(jié)入手，設(shè)計氣吸式扁平種子排種器，如圖3所示。相較于傳統(tǒng)氣吸式排種器，該排種器在排種盤上設(shè)有沿圓周均勻分布的傾斜凸臺，凸臺與吸孔一一對應(yīng)，吸孔對應(yīng)每個凸臺的中間位置。凸臺上表面的傾斜方向平行于排種盤切線方向。傾斜凸臺在取種過程中調(diào)節(jié)種子的吸附姿態(tài)，實現(xiàn)平行吸附。

1.排種蓋 2.排種盤 3.排種軸 4.負(fù)壓殼 5.傾斜凸臺

在氣吸取種過程中，傾斜凸臺在經(jīng)過種群時，靠近排種盤表面的扁平種子與傾斜凸臺發(fā)生碰撞，種子以凸臺邊緣為支撐點翻轉(zhuǎn)貼合在凸臺上表面，種子扁平面的中間部位與負(fù)壓吸孔重合，形成平行吸附。

3 關(guān)鍵部件設(shè)計

3.1 扁平玉米種子三軸尺寸測量

種子的三軸尺寸是凸臺和吸孔等參數(shù)設(shè)計的重要依據(jù)，本文以純玉958玉米種子為作業(yè)對象，經(jīng)過分級處理篩選出厚度小于6 mm且寬厚比大于1.6的扁平玉米種子，隨機(jī)選取100粒測量長、寬、厚尺寸，按照長寬比將扁平玉米種子分為圓扁型和長扁型，定義長寬比小于1.2為圓扁形，其余為長扁形。如表1所示。

表1 扁平玉米種子三軸尺寸

3.2 排種盤及傾斜凸臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

排種盤作為氣吸式排種器的核心部件，其尺寸影響排種器的整體尺寸、吸孔數(shù)目、氣室負(fù)壓等。研究表明[29]，吸孔的充種時間為

式中為充種時間，s；為充種角，rad；為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可知，充種時間與充種角和排種盤轉(zhuǎn)速有直接關(guān)系，而排種盤直徑與吸孔在充種區(qū)的滯留時間無關(guān)，增大排種盤直徑并不能增加吸孔的充種時間。傳統(tǒng)氣吸式排種器的排種盤直徑一般在140～260 mm，本文選取排種盤直徑為170 mm，玉米氣吸式排種器的吸孔直徑一般在4～5.5 mm，本文選取吸孔直徑為5 mm。

作業(yè)過程中，凸臺與種子的接觸主要有4種情況：種子長軸方向平行于排種盤表面、種子短軸方向平行于排種盤表面、種子長軸方向垂直于排種盤表面、種子短軸方向垂直于排種盤表面。合理的凸臺結(jié)構(gòu)是扁平種子姿態(tài)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，傾斜凸臺的主要設(shè)計參數(shù)包括傾斜凸臺底圓半徑、傾斜凸臺上表面高度和傾斜凸臺表面與排種盤切向夾角。

為使種子能夠翻轉(zhuǎn)至凸臺表面，傾斜凸臺上表面高度應(yīng)不大于玉米種子最大厚度max的一半，太大，種子無法翻轉(zhuǎn)至凸臺表面，反之則無法使種子發(fā)生翻轉(zhuǎn)。為使翻轉(zhuǎn)后的種子扁平面與吸孔表面平行吸附，種子翻轉(zhuǎn)至凸臺表面后，種子扁平面與凸臺表面的重疊范圍應(yīng)包含吸孔，種子在凸臺表面可翻轉(zhuǎn)的最小長度1應(yīng)不小于種子最小厚度max的一半，保證種子扁平面足以覆蓋吸孔。由于排種盤轉(zhuǎn)動會帶動種子翻滾滑落，種子扁平面與吸孔重疊的最小長度2應(yīng)不大于種子最大寬度min的1.5倍。同時為了防止漏吸和重吸，傾斜面長應(yīng)大于種子最大長度max而小于種子最小寬度min的2倍。

因此傾斜凸臺的尺寸應(yīng)滿足：

根據(jù)表1的種子的尺寸計算得到傾斜凸臺上表面高度<2.7 mm，傾斜凸臺底圓半徑為5～9 mm，傾斜凸臺表面與排種盤切向夾角為0°～20°。為保證傾斜凸臺的適應(yīng)性，本文取=2 mm，=7.5 mm，=10°。

3.3 種子與凸臺碰撞過程的受力分析

種子與傾斜凸臺的碰撞運動過程如圖4所示，將運動過程簡化為姿態(tài)1、姿態(tài)2、姿態(tài)3。姿態(tài)1時種子受凸臺上表面支持力F1和自身重力；姿態(tài)2時下種子受傾斜凸臺支持力F2、摩擦力F2和力、吸孔吸附力以及種群內(nèi)摩擦力合力1；姿態(tài)3時種子受傾斜凸臺支持力F、吸孔吸附力F、重力、離心力以及種群內(nèi)摩擦力合力。

姿態(tài)1發(fā)生翻滾是傾斜凸臺調(diào)節(jié)種子姿態(tài)變化的基礎(chǔ)，由于凸臺高度小于種子厚度的一半，所以支持力F1和重力作用點不同，因此產(chǎn)生一個使種子發(fā)生轉(zhuǎn)動的力矩0：

由姿態(tài)1到姿態(tài)2的過程中，將種子看作材質(zhì)均勻的剛體，以點為轉(zhuǎn)動中心，以過點且與平行于排種盤表面方向為軸，以種子的轉(zhuǎn)動方向為正，建立剛體轉(zhuǎn)動微分方程：

式中J為轉(zhuǎn)動慣量，kg/m2；1為姿態(tài)1到姿態(tài)2所用時間，s。

注：Fn1為姿態(tài)1時種子受凸臺上表面支持力，N；Fn2為姿態(tài)2時種子受傾斜凸臺支持力，N；Ff2為姿態(tài)2時種子受摩擦力，N；Q1為姿態(tài)2時種子受力G、吸孔吸附力以及種群內(nèi)摩擦力合力，N；Fn為姿態(tài)3時種子受傾斜凸臺支持力，N；Q為姿態(tài)3時種子受力G、離心力以及種群內(nèi)摩擦力合力，N；A為力Fn1作用點，B為種子質(zhì)心，a為力Fn1作用點A到種子質(zhì)心B的距離，mm；O為姿態(tài)1到姿態(tài)2的轉(zhuǎn)動中心點，M0為姿態(tài)1時產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動力矩，N·m, ω1為種子由姿態(tài)1到姿態(tài)2過程中角速度，rad·s-1；ω2為由種子姿態(tài)2到姿態(tài)3過程中角速度，rad·s-1。

將式（3）代入式（4）可得

對式（5）積分，解得：

同理，設(shè)姿態(tài)2到姿態(tài)3所用時間為2，角速度為2，可得：

解得：

則姿態(tài)1到姿態(tài)3的整個過程所用時間為

由式（9）可知，種子翻轉(zhuǎn)至吸附所用的時間與支持力F1作用點到種子質(zhì)心的距離和合外力1有關(guān)，增大以及負(fù)壓吸附力F可以有效降低種子翻轉(zhuǎn)所用時間，提高充種效率。

通過對姿態(tài)3的種子受力分析可知，要保證種子吸附后于掉落，需滿足：

式中0為吸孔兩側(cè)壓差，Pa；為吸孔橫截面積，mm2；為種子厚度，mm。

整理得：

由式（11）可知，隨著的增大，0變小，傾斜凸臺式取種孔結(jié)構(gòu)可有效降低充種負(fù)壓。

4 吸附姿態(tài)調(diào)節(jié)過程仿真分析

排種盤對種群的擾動能力對充種性能有重要影響，因此應(yīng)用EDEM仿真軟件對排種器的工作過程進(jìn)行仿真，探尋排種盤對種群的擾動特性。

4.1 仿真模型構(gòu)建

為了明確傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)的工作性能，另外選取2種常見的吸孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，如圖5所示，一種為目前應(yīng)用最為廣泛的吸孔表面與排種盤處于同一平面的平面盤，記為A盤；另一種為吸孔表面與排種盤面處于同一平面，但吸孔所在圓周上存在深度2 mm、寬度15 mm的環(huán)形凹槽，吸孔相對于凹槽底面有2 mm凸起，記為B盤，稱為凹槽盤；本文傾斜凸臺式排種盤記為C盤，稱為凸臺盤。為了減少其他變量對試驗結(jié)果的影響，3種排種盤吸孔直徑、吸孔位置和吸孔數(shù)量都保持一致。

圖5 3種排種盤

在Solidworks中建立玉米種子三維模型，并將三維模型作為顆粒模板導(dǎo)入到EDEM中。在EDEM中利用多球面填充方式堆積成與種子外形輪廓相似的顆粒體。

4.2 仿真參數(shù)設(shè)定

因為玉米種子間及種子與排種器間無黏附作用，所以仿真采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，根據(jù)文獻(xiàn)[30-31]設(shè)置離散元仿真參數(shù)，如表2所示。

表2 玉米種子與排種盤仿真參數(shù)

排種盤轉(zhuǎn)速設(shè)為46.3 r/min，此時對應(yīng)的作業(yè)速度為8 km/h。在前處理中創(chuàng)建2個顆粒工廠，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的種子比例分別生成218個長扁形顆粒和382個圓扁形顆粒，共計600個顆粒。

4.3 仿真結(jié)果分析

在EDEM后處理模塊中，利用Imported Geometry Bin Group功能，在排種器充種區(qū)內(nèi)導(dǎo)入外圓半徑78 mm、內(nèi)圓半徑60 mm、圓心角為90°、厚度15 mm的弧形區(qū)作為檢測區(qū)域，用來獲取充種區(qū)內(nèi)種群運動狀態(tài)隨時間的變化趨勢，檢測從種群運動穩(wěn)定階段開始，本文取3～10 s時間內(nèi)的檢測數(shù)據(jù)。

4.3.1 排種盤結(jié)構(gòu)對充種區(qū)種群擾動性能的影響

充種區(qū)內(nèi)種群的流動速度與排種盤對充種區(qū)種群擾動強度有直接關(guān)系，種群速度越高，排種盤的擾動強度越大，排種盤的有效取種轉(zhuǎn)速越快。各排種盤在充種區(qū)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)種群平均速度隨時間的變化如圖6所示。在3～10 s時間范圍內(nèi)，平面盤的平均速度在6.0×10-5～8.0×10-4m/s之間波動，所有采樣點的平均速度為2.7×10-4m/s；凹槽盤的平均速度在2.8×10-3～2.8×10-2m/s之間波動，所有采樣點的平均速度為1.2×10-2m/s；凸臺盤的平均速度在0.04～0.20 m/s之間波動，所有采樣點的平均速度為0.13 m/s。凸臺盤對種子的擾動能力最強，凹槽盤次之，平面盤對種子的擾動能力較低。

圖6 各排種盤的種群平均速度

4.3.2 排種盤結(jié)構(gòu)對充種區(qū)種子姿態(tài)調(diào)節(jié)性能的影響

在EDEM后處理模塊中，通過Manual Selection功能，標(biāo)記單粒種子，研究不同姿態(tài)種子在充種區(qū)與排種盤碰撞后的運動狀態(tài)。在仿真試驗過程中可以觀察到，傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)可以調(diào)節(jié)種子的運動狀態(tài)，扁平種子分別以不同的姿態(tài)與傾斜凸臺相遇：種子扁平面分別平行和垂直于排種盤表面，2種姿態(tài)的種子在與凸臺邊緣碰撞后沿邊緣發(fā)生翻轉(zhuǎn)，形成平行吸附。而平面盤和凹槽盤都未觀察到明顯且規(guī)律性的種子運動狀態(tài)。

充種區(qū)種子的密度反應(yīng)排種盤對種群離散程度的影響，如圖7所示，凹槽盤在充種區(qū)檢測區(qū)域種子數(shù)最大，為38.48粒；其次為平面盤，為31.28粒，凸臺盤的種子數(shù)最少，為26.52粒，通過傾斜凸臺對種子的擾動，提高了充種區(qū)種群離散程度，降低了吸附種子受到的種群內(nèi)摩擦阻力，提高了充種性能。

注：不同字母代表差異顯著（P<0.05）。

充種區(qū)種子的扭矩反應(yīng)排種盤對單個種子翻轉(zhuǎn)程度的影響，扭矩越大種子在吸孔周圍越容易改變姿態(tài)，進(jìn)一步反應(yīng)排種盤結(jié)構(gòu)對種子姿態(tài)的調(diào)節(jié)性能。各種盤檢測區(qū)內(nèi)種子的扭矩如圖8所示，平面盤和凹槽盤的種子扭矩在1.0×10-5N·m以下波動，凹槽盤的種子扭矩略大于平面盤，但二者之間差異不顯著。凸臺盤的扭矩最高，在2.9×10-5～2.5×10-4N·m之間波動，說明傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)能夠有效實現(xiàn)種子的翻轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)種子在充種區(qū)的吸附姿態(tài)。

圖8 各排種盤種群扭矩

5 樣機(jī)試驗與分析

5.1 試驗材料與方法

5.1.1 試驗臺架

試驗采用分級選出具有扁平特征的純玉958玉米種子，其千粒質(zhì)量為340g，含水率為12.6%，試驗分為臺架試驗和田間驗證試驗，其中臺架試驗在山東理工大學(xué)排種試驗室JPS-12型排種性能試驗臺上進(jìn)行，排種試驗系統(tǒng)還包括高速攝像系統(tǒng)、U型氣壓計（量程為6 kPa），如圖9所示，其中高速攝像系統(tǒng)包含攝像機(jī)（FASTCAM Mini AX）、筆記本電腦、補光燈。

1.高速攝像機(jī) 2.補光燈 3.排種器 4.筆記本電腦 5.JPS-12型排種性能試驗臺 6.U型氣壓計

利用3D打印制作仿真試驗所采用的3種排種盤，通過臺架試驗驗證不同排種盤結(jié)構(gòu)的作業(yè)性能。以速度、負(fù)壓為試驗因素，作業(yè)速度選取4、6、8、10和12 km/h共5個水平，負(fù)壓選取2、2.5、3、3.5和4 kPa共5個水平。利用高速攝像系統(tǒng)采集充種、攜種和投種過程影像，統(tǒng)計并分析充種性能、吸附穩(wěn)定性和排種性能。

5.1.2 取種性能試驗方法

利用高速攝像機(jī)對準(zhǔn)充種位置，記錄離開種群瞬間吸孔上的種子數(shù)量，每組試驗記錄連續(xù)251個吸孔影像進(jìn)行統(tǒng)計，每組重復(fù)3次取平均值作為試驗結(jié)果。參照GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗方法》，以單粒吸附率、重吸率和漏吸率作為充種性能的評價指標(biāo)。

式中為單粒吸附率，%；為重吸率，%；為漏吸率，%；1為吸附單粒種子的吸孔數(shù)；2為吸附多粒種子的吸孔數(shù)；3為未吸附種子的吸孔數(shù)；為統(tǒng)計的吸孔數(shù)。

5.1.3 吸附姿態(tài)調(diào)節(jié)性能試驗方法

利用高速攝像機(jī)同時拍攝種群上邊緣和投種區(qū)域影像。在種群上邊緣記錄吸孔離開種群瞬間的吸附狀態(tài)，統(tǒng)計吸孔上單粒吸附的情況并計算平行吸附的幾率，跟蹤單粒吸附的吸孔至投種區(qū)域并統(tǒng)計投種時的穩(wěn)定吸附率。在統(tǒng)計過程中沒有統(tǒng)計重吸的吸孔，因此最終姿態(tài)僅有單粒吸附和漏吸2種情況，所以僅以單粒吸附的種子在排種過程的穩(wěn)定吸附率作為吸附穩(wěn)定性評價指標(biāo)，同時記錄種子離開種群瞬間的平行吸附率。

式中為穩(wěn)定吸附率，%；4為脫離排種盤時為單粒吸附的種子至投種區(qū)域仍為單粒吸附的種子數(shù)；為平行吸附率，%；5為離開種群瞬間種子扁平面與吸孔表面平行吸附的吸孔數(shù)。

5.1.4 排種性能試驗方法

根據(jù)取種性能試驗和吸附穩(wěn)定性試驗結(jié)果選出工作性能最佳的排種器，利用試驗臺檢測排種器的排種性能，同時在相同作業(yè)參數(shù)下進(jìn)行田間驗證試驗。試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法參照上文，以合格率和漏播率為試驗指標(biāo)。

田間驗證試驗于2022年6月20 - 21日在山東省淄博市臨淄區(qū)朱臺鎮(zhèn)山東理工大學(xué)生態(tài)無人農(nóng)場進(jìn)行，播種前茬作物為小麥，留茬高度約為0.15 m，土壤含水率14.6%，采用DEBONT（德邦大為）1505型免耕精量播種機(jī)，機(jī)具幅寬3 m，播種行數(shù)5行，動力采用發(fā)動機(jī)額定功率156 kW的DEUTZ-FAHR（道依茨法爾）2104輪式拖拉機(jī)，如圖10所示。

圖10 田間試驗

5.2 結(jié)果與分析

5.2.1 取種性能試驗結(jié)果

取種性能試驗時，分別在負(fù)壓為3 kPa時進(jìn)行作業(yè)速度單因素試驗，在作業(yè)速度為8 km/h時進(jìn)行負(fù)壓單因素試驗。

作業(yè)速度單因素試驗結(jié)果如圖11所示，3種排種盤在不同作業(yè)速度下的單粒吸附率均呈現(xiàn)顯著差異。在4 km/h時，凸臺盤的單粒吸附率為86.73%，與凹槽盤差異不顯著，但是顯著優(yōu)于平面盤的80.48%；在6 km/h時，凸臺盤與凹槽盤的差異顯著，且隨著作業(yè)速度的增大，3個排種盤間的差異逐漸增大，在12 km/h時，凸臺盤為88.18%，凹槽盤為79.28%，平面盤為61.88%；凸臺盤的單粒吸附率由4 km/h時的86.73%達(dá)到8 km/h時的最大91.70%，上升了4.97個百分點；凹槽盤的單粒吸附率逐漸降低，4～12 km/h下降了4.65個百分點；平面盤的單粒吸附率下降幅度最大，從4 km/h的80.48%，下降到12 km/h的61.88%，降低了18.60個百分點。

注：同一因素水平下不同字母代表差異顯著（P<0.05）。下同。

在4 km/h時，3種排種盤的重吸率差異不顯著，維持在13.41%～14.48%；隨著作業(yè)速度的增大，各排種盤的重吸率均呈現(xiàn)降低趨勢。在6～12 km/h時，平面盤重吸率下降了8.99個百分點，凸臺盤下降了5.18個百分點，凹槽盤下降了1.77個百分點。

在各作業(yè)速度下，凸臺盤的漏吸率最低，平面盤最高。隨著速度的增大，3種排種盤的漏吸率均逐漸升高，其中平面盤的漏吸率上升幅度顯著高于凹槽盤和凸臺盤，在4 km/h時為5.05%，12 km/h時達(dá)到34.79%，凸臺盤的漏吸率變化幅度最小，12 km/h時為7.04%。隨著作業(yè)速度的增加，排種盤轉(zhuǎn)速升高，吸孔在充種區(qū)停留時間縮短，種子與吸孔接觸時間減少，造成漏吸率升高，試驗證明，僅靠吸孔的負(fù)壓不足以使扁平種子在速度較高時吸附成功，使得平面盤的充種性能明顯低于凹槽盤和凸臺盤。負(fù)壓不變的情況下，在4～12 km/h范圍內(nèi)，凸臺盤的各項指標(biāo)明顯優(yōu)于平面盤和凹槽盤。

負(fù)壓單因素試驗結(jié)果如圖12所示。各排種盤在不同負(fù)壓下的單粒吸附率均呈現(xiàn)出顯著差異。在2 kPa時，凸臺盤的單粒吸附率為85.92%，凹槽盤為72.24%，平面盤為61.22%，不同排種盤的單粒吸附率之間差異顯著，而且此時的單粒吸附率相比于其他負(fù)壓處于最低水平；隨著負(fù)壓的增大，3個排種盤間的差異逐漸減小，在4 kPa時，凸臺盤的單粒吸附率為83.80%，凹槽盤為77.69%，平面盤為73.78%；在2～4 kPa時，凸臺盤的單粒吸附率呈先增大后減小的趨勢，在3 kPa時達(dá)到最大，為90.84%；凹槽盤和平面盤同樣是先增大后減小，凹槽盤在3 kPa時最大，為82.07%，平面盤在3.5kPa時最大，為74.50%。

圖12 負(fù)壓對取種性能的影響

隨著負(fù)壓的增大，各排種盤的重吸率均呈現(xiàn)明顯的增大趨勢，且3個排種盤之間差異不顯著。在2 kPa時，凸臺盤的重吸率為5.18%，凹槽盤為2.46%，平面盤為2.72%。在4 kPa時，凸臺盤為15.27%，凹槽盤為18.59%，平面盤為17.13%。

隨著負(fù)壓的增大，各排種盤的漏吸率均顯著降低，且3個排種盤之間存在顯著差異。平面盤的漏吸率始終維持較高水平，凸臺盤始終保持較低水平。在2 kPa時，凸臺盤的漏吸率為8.90%，凹槽盤為25.30%，平面盤為36.06%。在4 kPa時，凸臺盤的漏吸率為0.93%，凹槽盤為3.72%，平面盤為10.09%，與2 kPa時相比，平面盤下降了25.97個百分點，凹槽盤下降了21.58個百分點，而凸臺盤下降了7.97個百分點。且在3～4 kPa之間，凸臺盤的漏吸率趨于穩(wěn)定，保持較低水平。

5.2.2 吸附姿態(tài)對取種性能影響

利用高速攝像機(jī)記錄吸孔離開種群時單粒平行吸附及投種瞬間的吸附情況，統(tǒng)計結(jié)果如圖13所示。

圖13 各排種盤的吸附特性

當(dāng)負(fù)壓穩(wěn)定在3 kPa時，在不同作業(yè)速度下，凸臺盤的平行吸附率始終高于其他2個排種盤，在4 km/h時，平行吸附率為84.21%，隨著作業(yè)速度增大，平行吸附率逐漸下降，在12 km/h時為76.72%，下降了7.49個百分點。凹槽盤和平面盤的平行吸附率較低，在4～6 km/h時，二者之間差異不顯著，都在55%左右，當(dāng)速度增加到8～12 km/h后，平面盤的平行吸附率逐漸減低，在12 km/h時降低到41.28%。

隨著作業(yè)速度的增大，各盤在投種位置的穩(wěn)定吸附率都呈降低趨勢。凸臺盤的穩(wěn)定吸附率保持在較高的穩(wěn)定水平，隨作業(yè)速度變化不顯著，在4 km/h時最大，為98.64%，在12 km/h時最小，為95.59%。凹槽盤的穩(wěn)定吸附率隨速度變化不顯著，穩(wěn)定在93%左右。平面盤的穩(wěn)定吸附率隨著作業(yè)速度增大穩(wěn)定吸附率出現(xiàn)顯著降低，在4 km/h時最大，為94.34%，在12 km/h時最小，為85.56%。

隨著作業(yè)速度的增大，排種盤轉(zhuǎn)速升高，種子受到的離心力逐漸增大，垂直吸附的種子發(fā)生轉(zhuǎn)動，部分發(fā)生掉落，導(dǎo)致投種位置的穩(wěn)定吸附率降低。而平行吸附的種子在跟隨吸孔快速轉(zhuǎn)動過程中穩(wěn)定吸附在吸孔上，在投種位置仍然保持較高的穩(wěn)定吸附率。

當(dāng)作業(yè)速度為8 km/h時，隨著負(fù)壓的增大，各盤的平行吸附率都呈先升高并逐漸穩(wěn)定的趨勢。在每個負(fù)壓水平下，凸臺盤的平行吸附率維持較高水平，且大幅高于其他2排種盤，最大值為在3 kPa時的84.68%，在2 kPa時最低為77.36%。在2～2.5 kPa時，凹槽盤的平行吸附率高于平面盤，但是在3～3.5 kPa時，平面盤和凹槽盤平行吸附率差異不明顯，均保持在55%附近。

隨著負(fù)壓的增大，各盤在投種位置的穩(wěn)定吸附率同樣是先升高并保持穩(wěn)定。在每個負(fù)壓水平下，各盤的穩(wěn)定吸附率有顯著差異，凸臺盤顯著高于凹槽盤，凹槽盤顯著高于平面盤。在2 kPa時，各盤的穩(wěn)定吸附率最低，凸臺盤、凹槽盤和平面盤分別為94.36%、90.25%、84.28%，負(fù)壓達(dá)到3 kPa后，各盤的穩(wěn)定吸附率保持穩(wěn)定，凸臺盤、凹槽盤和平面盤分別為98.74%、93.84%、89.11%。

平行吸附的種子所受到的吸附力最高，所以吸附穩(wěn)定性較高，尤其是在負(fù)壓較低時，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定吸附。

5.2.3 排種性能試驗結(jié)果

分別在JPS-12型排種性能試驗臺和田間對傾斜凸臺式排種器進(jìn)行種性能試驗。田間試驗設(shè)定播種行距60 cm，株距20 cm，深度4 cm，工作負(fù)壓3.0 kPa，誤差為±0.5 kPa，試驗地長約100 m，前后各留10 m啟動和停止緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法參照臺架試驗，排種性能試驗結(jié)果如圖14所示。

圖14 作業(yè)速度對排種性能的影響

當(dāng)負(fù)壓穩(wěn)定在3 kPa時，隨著作業(yè)速度的增加，臺架試驗的排種合格率在4～8 km/h范圍內(nèi)變化不大，維持在98%以上，當(dāng)作業(yè)速度大于到8 km/h時，排種合格率逐漸下降，12 km/h最低，為93.18%。漏播率隨作業(yè)速度的增加呈上升趨勢，在4～8 km/h范圍內(nèi)變化不大，均小于1%，當(dāng)作業(yè)速度大于8 km/h時，漏播率逐漸上升，12 km/h時最高，為5.90%。

田間試驗的排種性能相比于臺架試驗有所降低，排種合格率隨作業(yè)速度增大逐漸降低，在4 km/h時為96.65%，12 km/h時降低至90.34%；而漏播率逐漸增大，4 km/h時為2.12%；12 km/h時增加到6.52%。原因在于田間作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，機(jī)具振動、落地彈跳等導(dǎo)致作業(yè)性能下降。

通過臺架和田間試驗，參照NY/T 1143-2006《播種機(jī)質(zhì)量評價技術(shù)規(guī)范》，傾斜凸臺式排種器能夠滿足12 km/h的精密播種作業(yè)要求。

6 結(jié) 論

1）為提高扁平種子的氣吸取種性能，設(shè)計了一種傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)，通過對充種過程分析，明確了傾斜凸臺結(jié)構(gòu)對種子吸附姿態(tài)的調(diào)節(jié)原理，對傾斜凸臺的主要參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，確定凸臺高度為2 mm、半徑為7.5 mm，凸臺表面與排種盤切向夾角為10°。

2）運用離散元軟件對3種排種盤充種過程進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，傾斜凸臺式取種結(jié)構(gòu)可以改變種子的充種姿態(tài)對種群擾動能力最大，且充種區(qū)種群離散程度最好，可實現(xiàn)種子扁平面平行吸附。

3）搭建試驗臺架，以作業(yè)速度和負(fù)壓為因素進(jìn)行臺架試驗，利用高速攝像對取種和投種過程進(jìn)行記錄分析，結(jié)果顯示，凸臺盤在不同的試驗因素水平下，其充種性能均優(yōu)于其他2種排種盤，單粒吸附率保持在83.80%～91.70%；種子在取種瞬間的平行吸附率與投種時的單粒吸附率正相關(guān)，凸臺盤的平行吸附率最高，在76.72%～84.68%之間。

4）分別在臺架和田間進(jìn)行凸臺盤的排種性能試驗，結(jié)果表明，排種性能隨作業(yè)速度增加逐漸下降，12 km/h時臺架試驗合格率為93.18%，漏播率為5.90%，田間試驗結(jié)果略有降低，合格率90.34%，漏播率6.52%，但仍滿足精密播種要求。

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Design and experiments of the flat seed-adsorbing posture adjustment mechanism for the air-suction metering device

Chen Yulong, Liu Zeqi, Han Jie, Zhao Luqiang, Sui Xinhui, Zhang Jingwen, Lan Yubin※

(1.,,255000,; 2.,,255000,; 3.,25500,)

An air-suction metering device has been widely used to improve the performance of large-size seed crop planting. Among them, the flat seeds cannot fit with the suction hole in an air-suction metering device, due to the irregular structure and large difference in size. The low stability of adsorption can lead to low seeding performance in this case. There are the horizontal and vertical adsorption postures of the flat corn seeds and the suction surface in the traditional air suction seed metering device in the pre-test. The adsorption posture of the seeds has also posed an important influence on the filling and seeding performance. Specifically, the higher the horizontal adsorption ratio is, the better the filling and seeding performance is. In this study, a new air-suction metering device was designed with an inclined convex structure for the seed picking, in order to adjust the adsorption posture of flat corn seeds. A stable adsorption posture was then reached to separate from the population for high seeding accuracy. The corn seeds were first graded, according to the triaxial dimensions. The flat seeds were then selected to divide into circle and length flat forms. A theoretical analysis was also carried out for the operation process of the inclined convex seed metering device. A force analysis was performed on the flat seeds and convex collision, in order to clarify the influence mechanism of the inclined convex on the posture of the flat seeds during the filling process. Three types (plane, groove, and convex) of discs were utilized for the discrete element simulation. Simulation results showed that the convex disc was achieved in the maximum disturbance ability, dispersion degree, and torque, compared with the rest. The tilted convex plate was used to change the attitude of the seed during the seed picking. The parallel adsorption was then realized between the flat surface of the seed and the suction surface. A bench test was carried out under different operating parameters. The results showed that the single adsorption rate of the convex disc was significantly better than that of the groove and plane disc. Moreover, the single adsorption rate first increased, and then decreased with the increase of forward speed and negative pressure, reaching the highest value of 91.70% at 8 km/h, and 90.84% at 3kPa, respectively. The stable and parallel adsorption rate of the convex disc decreased slightly with the increase of the speed, whereas, increased gradually with the increase of negative pressure, where was tended to be stable at 3kPa. The adsorption performance of the convex disc was better than the rest. At the same time, the parallel adsorption rate of the three seed discs was also proportional to the stable adsorption rate. Specifically, the qualified rate of the convex disc was stable at 98%, and then gradually decreased to 93.18% at 12 km/h, particularly at the forward speed of 4-8 km/h. The field tests showed that the lowest qualified rate of the convex disc was 90.34%, and the highest missing rate was 6.52% at the speed of 12 km/h. The convex-type seed metering device can fully meet the requirements of precision sowing. The inclined convex seed-picking structure can be expected to effectively adjust the adsorption posture of flat seeds for better adsorption stability and the working performance of the seed-metering device. This finding can also provide the technical reference for the high-speed and accurate seed-picking of flat seeds.

agricultural machinery; discrete element; air-suction metering device; flat seeds; adsorption posture; high-speed photography

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.001

S223.2

A

1002-6819(2022)-23-0001-11

陳玉龍，劉澤琪，韓杰，等. 氣吸式排種器扁平種子吸附姿態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2022，38(23)：1-11.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.001 http://www.tcsae.org

Chen Yulong, Liu Zeqi, Han Jie, et al. Design and experiments of the flat seed-adsorbing posture adjustment mechanism for the air-suction metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(23): 1-11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.001 http://www.tcsae.org

2022-09-09

2022-11-11

國家自然科學(xué)基金項目（51905318）；山東省引進(jìn)頂尖人才“一事一議”專項（魯政辦字[2018]27號）

陳玉龍，博士，副教授，研究方向為智能農(nóng)業(yè)裝備。Email：cyl06471@sdut.edu.cn

蘭玉彬，博士，教授，研究方向為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)航空及無人農(nóng)場應(yīng)用技術(shù)。Email：ylan@sdut.edu.cn

中國農(nóng)業(yè)工程學(xué)會高級會員：蘭玉彬（E041200725S）