陳玉龍，韓 杰，蘭玉彬，張 猛，金亞琛，張 正，王文君

精密排種器組合式導(dǎo)種管設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳玉龍，韓 杰，蘭玉彬，張 猛，金亞琛，張 正，王文君※

（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(wú)人農(nóng)場(chǎng)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(duì)不同排種速度下，種子投送軌跡的水平偏移量差異導(dǎo)致種子與導(dǎo)種管壁碰撞接觸點(diǎn)不同，造成粒距一致性降低的問(wèn)題，該研究在傳統(tǒng)一體式固定導(dǎo)種管的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一種由結(jié)合段和投送段兩段管體構(gòu)成的組合式導(dǎo)種管，兩段管體由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，在驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)作用下，可進(jìn)行整體平移和繞轉(zhuǎn)動(dòng)副的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。對(duì)組合式導(dǎo)種管工作原理和投種過(guò)程進(jìn)行理論分析，構(gòu)建投種過(guò)程的種子動(dòng)力學(xué)模型。運(yùn)用離散元軟件EDEM建立種子—管體仿真模型，以作業(yè)速度和投送段末端傾角為因素進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到不同速度下兩管體的最佳姿態(tài)，構(gòu)建作業(yè)速度與組合式導(dǎo)種管運(yùn)動(dòng)關(guān)系數(shù)學(xué)模型。搭建導(dǎo)種性能試驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)組合式導(dǎo)種管運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，進(jìn)行導(dǎo)種性能驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明，組合式導(dǎo)種管在2～12 km/h作業(yè)速度下的姿態(tài)對(duì)種子具有較好的引導(dǎo)效果，與導(dǎo)種管初次接觸后發(fā)生二次彈跳的種子占比小于 2.39%；組合式導(dǎo)種管在不同作業(yè)速度下的排種粒距合格率均高于傳統(tǒng)導(dǎo)種管，能夠準(zhǔn)確還原排種器的本征排種性能，在作業(yè)速度為2～6 km/h時(shí)排種粒距合格率在96.35%左右，在12 km/h時(shí)降至84.17%；組合式導(dǎo)種管各速度下的排種粒距變異系數(shù)較傳統(tǒng)導(dǎo)種管平均降低24.65個(gè)百分點(diǎn)；在作業(yè)速度為2～12 km/h的變速過(guò)程中，組合式導(dǎo)種管的排種粒距合格率較傳統(tǒng)導(dǎo)種管平均提高15.10個(gè)百分點(diǎn)。組合式導(dǎo)種管均能夠適配多種工作速度，保證粒距均勻性，為播種機(jī)的高速導(dǎo)種提供新思路和技術(shù)參考。

離散元；高速攝像；組合式導(dǎo)種管；導(dǎo)種性能；投種軌跡

0 引 言

播種是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，精密播種是指將種子按照農(nóng)藝要求的行距、粒距和播深播到種溝內(nèi)，粒距的合格率與一致性是播種性能的重要指標(biāo)，研究表明符合農(nóng)藝要求的一致粒距能夠提高作物產(chǎn)量[1-2]?，F(xiàn)有精密排種器多采用高位投種方式，在排種器投種口和種溝間通過(guò)導(dǎo)種裝置過(guò)渡[3]。粒距分布規(guī)律與排種器的排種性能和導(dǎo)種管的引導(dǎo)效果具有直接關(guān)系。在排種性能可靠的情況下[4-5]，種子從離開排種器至落在種溝過(guò)程中的導(dǎo)種效果對(duì)播種性能具有顯著影響。

導(dǎo)種裝置[6]有多種形式，毛刷帶式、隔板帶式等強(qiáng)制輸送的導(dǎo)種裝置[7-9]，播種精度高，適應(yīng)高速作業(yè)，但機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本較高；氣流輸送式導(dǎo)種裝置[10]利用正壓氣流輸送種子，多應(yīng)用于氣流輸送式播種機(jī)；導(dǎo)種管式欠約束導(dǎo)種裝置[11-13]，管體采用一體化設(shè)計(jì)，管道前壁由傾斜直線段加曲線段的兩段式曲線組成，利用導(dǎo)種管的曲線構(gòu)造來(lái)約束種子運(yùn)移自由度，使種子在導(dǎo)種過(guò)程中具有相對(duì)固定的運(yùn)移軌跡，提高播種性能。導(dǎo)種管是應(yīng)用最為廣泛的一種導(dǎo)種裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，但是對(duì)種子的約束效果較差，難以保證準(zhǔn)確的導(dǎo)種效果。

為了提高導(dǎo)種管的導(dǎo)種效果，國(guó)內(nèi)外研究人員展開了大量研究。Kocher等[14-15]研究不同磨損程度的導(dǎo)種管對(duì)播種性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明磨損后的導(dǎo)種管播種性能明顯下降。Yazgi[16]對(duì)4種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)種管進(jìn)行研究，結(jié)果表明導(dǎo)種管形狀、排種速度、種子粒距對(duì)播種性能的影響顯著。同時(shí)，利用CFD模擬和物理試驗(yàn)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)種管進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明種子釋放點(diǎn)對(duì)落種軌跡和粒距具有顯著影響[17]。Carpes等[18]利用兩種不同原理排種器對(duì)六種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)種管導(dǎo)種性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明拋物線形截面和出口角接近30°的導(dǎo)管播種效果最好。Savi等[19]對(duì)比了截面形狀分別為直線和曲線的兩種導(dǎo)種管作業(yè)性能，結(jié)果表明曲線截面導(dǎo)種作業(yè)效果優(yōu)于直線截面。劉孝民等[20]對(duì)導(dǎo)種管的合理形狀進(jìn)行理論分析，導(dǎo)出了導(dǎo)種曲線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。王樂(lè)等[21]利用高速攝像對(duì)玉米種子的導(dǎo)種過(guò)程進(jìn)行研究，結(jié)果表明種子落入導(dǎo)種管口的位置對(duì)播種均勻性具有重要因素。趙淑紅等[22]將導(dǎo)種管前壁設(shè)計(jì)成V型，結(jié)合柔性撥種輪，有效提高播種性能。李玉環(huán)等[23]在投種位置設(shè)計(jì)直線引導(dǎo)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)直線投種，提高了播種性能。張順等[24]針對(duì)水稻內(nèi)充氣力式精量排種器，設(shè)計(jì)了一種具有投種軌跡特征形狀的變截面矩形導(dǎo)種管。楊文彩等[25]以三七播種機(jī)為對(duì)象，通過(guò)擬合曲線設(shè)計(jì)了一種新型導(dǎo)種管。

綜上所述，研究人員利用理論分析、離散元仿真和高速攝像等方法，對(duì)多種作物的導(dǎo)種管進(jìn)行研究分析，導(dǎo)種管投種過(guò)程分析是導(dǎo)種性能優(yōu)化的重要依據(jù)[26]。研究重點(diǎn)集中在導(dǎo)種管形狀的優(yōu)化，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的導(dǎo)種曲線可以實(shí)現(xiàn)某一特定作業(yè)速度的種子下落軌跡，但是很難適應(yīng)不同的作業(yè)速度變化，當(dāng)作業(yè)速度較小或較大時(shí)導(dǎo)種效果欠佳，播種性能降低。

為了提高導(dǎo)種管在不同作業(yè)速度下的導(dǎo)種性能，本文設(shè)計(jì)一種組合式導(dǎo)種管，該導(dǎo)種管分為上下2段管體，兩管體由轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，可進(jìn)行整體平移和繞轉(zhuǎn)動(dòng)副的圓周運(yùn)動(dòng)。通過(guò)管體的組合運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)不同作業(yè)速度下種子的投種軌跡，提高播種效果。

1 組合式導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)

組合式導(dǎo)種管將傳統(tǒng)導(dǎo)種管一體化的直線段與圓弧段變?yōu)榉蛛x的2段管體，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，

1.機(jī)架 2.轉(zhuǎn)速傳感器 3.排種器 4.結(jié)合段 5.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅱ 6.投送段 7.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅰ 8.過(guò)渡壁面 9.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅲ

組合式導(dǎo)種管由結(jié)合段、投送段、速度傳感器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等組成。其中結(jié)合段為傳統(tǒng)導(dǎo)種管的直線段，投送段結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)導(dǎo)種管的圓弧段保持一致，采用過(guò)渡壁面降低導(dǎo)種管結(jié)合段與投送段在動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的不光滑曲面對(duì)種子運(yùn)動(dòng)的影響；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作改變管體姿態(tài)是改善種子運(yùn)動(dòng)軌跡的關(guān)鍵，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅰ改變結(jié)合段的傾斜角度，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅱ控制整個(gè)導(dǎo)種管的水平移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅲ改變投送段的末端傾斜角度。

1.2 工作原理

排種器在不同作業(yè)速度下投出的種子下落軌跡存在較大的偏移，利用轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)排種速度，通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下導(dǎo)種管的水平移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。作業(yè)過(guò)程分為3個(gè)階段：入射階段、平穩(wěn)運(yùn)移階段和投送階段。入射階段時(shí)，導(dǎo)種管進(jìn)行水平移動(dòng)和結(jié)合段的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可以使不同作業(yè)速度的種子與導(dǎo)種管在同一投種高度接觸時(shí)保持較小的入射角度，減小種子與管壁的碰撞彈跳。種子與導(dǎo)種管前壁接觸后進(jìn)入平穩(wěn)運(yùn)移階段，種子貼合管壁向下滑動(dòng)，經(jīng)過(guò)連接處進(jìn)入投送段，在投種階段，改變投送段管體的傾斜角度，調(diào)整種子離開導(dǎo)種管的角度，可保證不同作業(yè)速度下種子落入種床的相對(duì)位置保持一致。

2 導(dǎo)種過(guò)程分析

為分析大豆種子在導(dǎo)種管內(nèi)的運(yùn)移情況，采用平面解析方法對(duì)組合式導(dǎo)種管前壁曲線進(jìn)行分析。組合式導(dǎo)種管在傳統(tǒng)導(dǎo)種管的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，以直線段和圓弧段兩部分交點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，如圖2所示。

注：B1、B2為傳統(tǒng)導(dǎo)種管前壁曲線起始、終止位置；y1、y2為傾斜直線段、圓弧段曲線。

傾斜直線段1的作用是迎合種子運(yùn)動(dòng)軌跡并為后續(xù)投種運(yùn)動(dòng)提供一定初速度，導(dǎo)種管直線段的水平傾角在75°～80°時(shí)，種子在導(dǎo)種管滑動(dòng)順暢并對(duì)管壁產(chǎn)生足夠壓力，其傾斜角度與排種器配置相關(guān)[20]，此處設(shè)定水平傾角為80°；曲線段2為一段半徑為460 mm的圓弧，對(duì)管體前壁1、2坐標(biāo)位置進(jìn)行分析，得到管體傾斜直線段和圓弧曲線方程為

將種子自脫離排種盤至落入種床的運(yùn)動(dòng)分為3個(gè)階段：種子脫離排種盤進(jìn)入導(dǎo)種管的入射階段、種子在導(dǎo)種管結(jié)合段運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)運(yùn)移階段以及種子進(jìn)入導(dǎo)種管投送段后滑落至種床的投送階段，分別對(duì)3個(gè)階段的導(dǎo)種過(guò)程進(jìn)行分析。

2.1 入射階段動(dòng)力學(xué)分析

為保證不同作業(yè)速度的種子平穩(wěn)有序射入導(dǎo)種管，投種軌跡與導(dǎo)種管接觸時(shí)應(yīng)具有較小的入射角度，從而減小接觸時(shí)的彈跳現(xiàn)象。入射階段及平穩(wěn)運(yùn)移階段種子的運(yùn)動(dòng)及受力情況如圖3所示。導(dǎo)種管的上表面與投種點(diǎn)的豎直距離1由排種器及導(dǎo)種管的結(jié)構(gòu)決定，本文中1為60 mm。

注：P’為投種點(diǎn)下方h處種子質(zhì)心投種軌跡與導(dǎo)種管接觸的坐標(biāo)位置；P為投種點(diǎn)下方h處導(dǎo)種管直線方程的坐標(biāo)位置，100 mm；q為管體前壁與種子質(zhì)心投種軌跡在點(diǎn)P處切線的夾角，（°）；a為結(jié)合段管體的傾角，（°）；A為結(jié)合段和投送段轉(zhuǎn)動(dòng)中心；g為投種位置水平角度，（°）；w為排種盤角速度，rad·s-1；G為種子自身重力，N；FS1為種子在結(jié)合段所受摩擦力，N；FN為種子所受支持力，N；v0、vx、vy為排種瞬間種子的合速度、水平、豎直分速度，m·s-1；v1、v2為種子在結(jié)合段的初始、最終滑移速度，m·s-1；H1為導(dǎo)種管上表面與投種點(diǎn)的豎直高度,mm；H2為設(shè)定的種子與導(dǎo)種管接觸的豎直高度,mm；H3為種子與導(dǎo)種管接觸后運(yùn)動(dòng)的豎直高度,mm；H0為入射階段豎直高度，347 mm；S0為入射階段種子水平運(yùn)移距離,mm。

種子脫離排種盤的瞬間速度為

式中為種子脫離排種器瞬間的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；1為排種盤吸孔分布半徑，本文中為100 mm；為排種軸轉(zhuǎn)速，r/min，排種軸轉(zhuǎn)速與機(jī)具前進(jìn)速度關(guān)系如下：

式中為機(jī)具作業(yè)速度，km/h；為作物株距，m，本文中取大豆株距為0.1 m；為排種盤孔數(shù)，本文取32個(gè)。

則不同作業(yè)速度下排種瞬間種子的水平、豎直分速度為

式中v為種子脫離排種器瞬間水平方向的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；v為種子脫離排種器瞬間豎直方向的運(yùn)動(dòng)速度，m/s；為投種位置水平夾角，（°）。

種子排出后在重力作用做拋物運(yùn)動(dòng)[27]，運(yùn)動(dòng)軌跡為

式中為重力加速度，m/s2；為種子運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s。

為減小不同作業(yè)速度種子與管壁接觸碰撞差異，假設(shè)各作業(yè)速度下種子的投種運(yùn)動(dòng)曲線與管壁初始接觸點(diǎn)在豎直方向上保持相同高度，即（x，-）。根據(jù)式（5）～（6）和接觸點(diǎn)坐標(biāo)可以計(jì)算出此時(shí)的傾角，記為。為避免投種軌跡與導(dǎo)種管頂部碰撞，結(jié)合段管體以點(diǎn)為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度，的大小應(yīng)剛好避免種子與管體頂部碰撞，同時(shí)保持種子與管壁碰撞角度維持較低水平，結(jié)合前期試驗(yàn)確定=5°，則結(jié)合段管體的傾角為

以上下管體轉(zhuǎn)動(dòng)中心所在水平線作為導(dǎo)種管運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)軸線，將該數(shù)值和不同作業(yè)速度下計(jì)算得到的管體前壁傾角代入式（7），可得到不同作業(yè)速度種子的水平運(yùn)移距離0。以作業(yè)速度為2 km/h時(shí)的結(jié)合段管體水平傾角及位置作為基準(zhǔn)值，計(jì)算得到不同作業(yè)速度的水平運(yùn)移距離差值即為組合式導(dǎo)種管水平移動(dòng)距離，如表1所示。

表1 不同速度下結(jié)合段管體的理想位置姿態(tài)

2.2 平穩(wěn)運(yùn)移階段動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)圖3，種子在平穩(wěn)運(yùn)移階段的受力關(guān)系為

式中為種子質(zhì)量，g；為種子與管壁間的摩擦系數(shù)。

根據(jù)能量守恒定律，種子在結(jié)合段前壁上的滑移過(guò)程中有

式中1為種子在結(jié)合段的初始滑移速度，m/s；2為種子在結(jié)合段的最終滑移速度，m/s。

將公式（8）～（9）聯(lián)立后得到種子離開結(jié)合段時(shí)的速度為

由上述分析可知，種子在離開結(jié)合段時(shí)的最終滑移速度主要由排種器工作轉(zhuǎn)速、導(dǎo)種管前壁傾角等參數(shù)決定。根據(jù)結(jié)合段前壁傾角，可計(jì)算出種子在平穩(wěn)運(yùn)移階段的最終滑移速度，該速度為種子進(jìn)入投送階段的初始速度。

2.3 過(guò)渡壁面分析

在作業(yè)速度發(fā)生變化時(shí)，結(jié)合段繞轉(zhuǎn)動(dòng)中心進(jìn)行一定幅度的轉(zhuǎn)動(dòng)，受組合式導(dǎo)種管組合結(jié)構(gòu)影響，轉(zhuǎn)動(dòng)中心未在結(jié)合段與投送段管體的前壁面上，致使管體動(dòng)作時(shí)兩段管體的前壁面連接處存在不平滑或不連續(xù)曲面，在連接位置通過(guò)一長(zhǎng)度為20 mm、厚度為1 mm的柔性薄壁進(jìn)行過(guò)渡，過(guò)渡壁面的上半部分與結(jié)合段固定連接，下半部分與投送段管體滑動(dòng)接觸，確保種子平穩(wěn)運(yùn)移，如圖4所示。

注：E、F為柔性薄壁起始、終止位置。

在管體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曲線方程對(duì)應(yīng)發(fā)生變化，為保證導(dǎo)種運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性，對(duì)薄壁曲線進(jìn)行分析。將兩段管體連接薄壁的曲線簡(jiǎn)化為一段圓弧，建立直角坐標(biāo)系，曲線點(diǎn)、點(diǎn)分別位于坐標(biāo)系軸、軸上，則該曲線方程為2，其中為方程系數(shù)，弧段的曲率計(jì)算公式為

則薄壁曲線的曲率為

由式（12）可知，曲線斜率與曲線方程系數(shù)相關(guān)，而曲線方程變動(dòng)與管體一定角度后的位置有關(guān)，經(jīng)前述分析可知結(jié)合段管體的水平傾角為72.8°～82.8°，考慮投送段管體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，以傳統(tǒng)導(dǎo)種管曲線段為初始位置前后各轉(zhuǎn)動(dòng)5°，對(duì)曲線方程參數(shù)、曲線曲率進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)計(jì)算得知在兩段管體配合的極限位置曲率變化幅度小于0.010 9，曲線弧長(zhǎng)差值D小于1.5 mm，對(duì)種子運(yùn)移過(guò)程的影響極小，可保證種子在該位置的平穩(wěn)運(yùn)移，使種子由結(jié)合段管體順利滑移至投送段管體。

2.4 投送階段動(dòng)力學(xué)分析

在投送階段種子沿投送段管體運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖5所示。

注：FS2為種子在投送段所受摩擦力，N；vD為種子在投送段的速度, m·s-1；vQ為種子離開投送段的速度，m·s-1；vQx、vQy為種子離開投送段的水平、豎直分速度，m·s-1；Q為種子離開投送段的位置；b為投送段末端傾角，（°）；H4為投送段的豎直高度，mm；H5為種子離開投送段的位置Q到種床的豎直高度，mm；HD為投送階段豎直高度，mm；S1為投送段的水平投影距離，mm；S2為種子離開投送段的位置Q到種子落地的水平投影距離，mm。

當(dāng)種子離開結(jié)合段進(jìn)入投送段時(shí)，沿圓弧管體依靠重力下滑，種子進(jìn)入投送段的初始速度為離開結(jié)合段的最終速度，種子的受力方程為

由微分方程可知：

聯(lián)立（13）～（14）得種子離開投送段的速度為

則種子離開投送段管體的水平、豎直分速度為

由式（16）得到種子離開導(dǎo)種管的運(yùn)動(dòng)軌跡為

由式（17）可計(jì)算得到種子離開投送段管體位置到種子落地的投種運(yùn)動(dòng)時(shí)間為

則投送階段種子水平運(yùn)移距離S為

通過(guò)上述分析可知，對(duì)投送段管體末端傾角以及高度等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，可得到種子經(jīng)過(guò)投送階段下落后的水平移動(dòng)距離，該距離與排種器工作轉(zhuǎn)速、結(jié)合段管體的水平位置和傾角及投送段管體的末端傾角有關(guān)。

3 投種過(guò)程離散元仿真試驗(yàn)

3.1 仿真模型與參數(shù)

因?yàn)榇蠖狗N子及導(dǎo)種管表面無(wú)粘附作用，所以選擇Hertz-Mindlin（no slip）模型作為離散元仿真試驗(yàn)中大豆與管壁間的接觸模型，導(dǎo)種管材料設(shè)為Somos8000樹脂，為探尋導(dǎo)種運(yùn)移的基本規(guī)律，選擇半徑為3.75 mm的單球顆粒作為大豆種子模型，暫不考慮種子外形對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，仿真參數(shù)設(shè)置如表2[28]所示。

表2 離散元仿真參數(shù)

利用Solidworks軟件建立導(dǎo)種管幾何模型，保存為.stl格式并導(dǎo)入離散元軟件EDEM中。為了簡(jiǎn)化仿真系統(tǒng)，省略排種器的取種和投種過(guò)程，在排種器的投種口處設(shè)置顆粒工廠，模擬排種器的投種環(huán)節(jié)。在距離導(dǎo)種管下邊緣10 cm處設(shè)置檢測(cè)單元（圖6），測(cè)定種子在經(jīng)過(guò)檢測(cè)單元時(shí)的水平投影位置，模擬種子離開導(dǎo)種管落入種溝內(nèi)的落點(diǎn)分布情況。

根據(jù)理論分析，得到不同排種速度下種子離開投種口瞬間的水平分速度和豎直分速度（表3），將水平和豎直分速度作為顆粒工廠生成顆粒的初始速度，準(zhǔn)確模擬不同排種速度下的投種狀態(tài)。

圖6 排種過(guò)程EDEM仿真

表3 顆粒工廠初始條件

3.2 試驗(yàn)方法與指標(biāo)

在排種器不同作業(yè)速度下，分別對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)種管和組合式導(dǎo)種管進(jìn)行導(dǎo)種性能仿真試驗(yàn)。以作業(yè)速度和投送段末端傾角作為試驗(yàn)因素，具體因素水平如表4所示。

表4 仿真試驗(yàn)因素水平

仿真時(shí)，在不同作業(yè)速度下，改變投送段末端傾角，利用檢測(cè)單元記錄得到種子落點(diǎn)水平投影距離，每個(gè)速度下檢測(cè)5粒種子，對(duì)水平投影距離進(jìn)行均值處理，當(dāng)不同速度下種子在種床內(nèi)與投種點(diǎn)豎直投影的水平距離變異系數(shù)小于5%時(shí)，認(rèn)為落點(diǎn)具有較高的一致性。水平投影距離變異系數(shù)計(jì)算公式為

3.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Origin軟件對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理得到不同速度下末端傾角與落點(diǎn)位置的關(guān)系，如圖7所示，并擬合得到兩者間的回歸方程，如式（21）。

圖7 末端傾角與落點(diǎn)位置關(guān)系

式中為機(jī)具前進(jìn)速度，km/h。

種子落點(diǎn)的水平投影距離與管體末端傾角成線性反比關(guān)系，角度越大種子投出的距離越小。末端傾角一定時(shí)，落點(diǎn)水平投影距離隨速度增加而增大。各速度下傾角與投影距離擬合方程的斜率差異較小，保持相似的變化規(guī)律。

根據(jù)各速度下種子落點(diǎn)水平投影距離的交集區(qū)域，以排種速度12 km/h，投送段傾角55.0°時(shí)的落點(diǎn)水平投影距離作為基準(zhǔn)，由12 km/h時(shí)的擬合方程得到基準(zhǔn)值為234.6 mm，將該值代入各速度下的擬合方程式（21），求出2～10 km/h時(shí)水平投影距離為234.6 mm時(shí)，各速度對(duì)應(yīng)的投送段末端傾角分別為42.8°、45.5°、48.0°、50.4°、52.3°。

根據(jù)擬合方程式（21）求得的各速度下投送段末端傾角值修正仿真模型，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，同時(shí)以傳統(tǒng)導(dǎo)種管作為對(duì)照組試驗(yàn)。在EDEM軟件后處理模塊查看各仿真過(guò)程中種子的位置坐標(biāo)并記錄，利用Origin軟件對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到傳統(tǒng)導(dǎo)種管和組合式導(dǎo)種管排種仿真導(dǎo)種軌跡，如圖8所示。

由圖8a可知傳統(tǒng)導(dǎo)種管導(dǎo)種彎曲變化明顯處為種子與導(dǎo)種管內(nèi)壁的碰撞點(diǎn)，在2～4 km/h時(shí)排種器投出種子主要與導(dǎo)種管上半部分發(fā)生首次碰撞，種子落點(diǎn)的水平投影距離為153.8～161.8 mm，在6～10 km/h時(shí)，位于同一投種高度的種子水平偏移量明顯增加，首次碰撞主要發(fā)生在導(dǎo)種管曲線段，種子落點(diǎn)的水平投影距離為173.4～192.3 mm，在12 km/h時(shí)，種子與導(dǎo)種管后壁發(fā)生碰撞并反彈到前壁曲線段，種子落點(diǎn)的水平投影距離為179.5 mm。在2～12 km/h速度變化范圍內(nèi)，落點(diǎn)的水平投影距離變異系數(shù)為12.6%。種子在不同作業(yè)速度下與導(dǎo)種管碰撞異位對(duì)后續(xù)的投種運(yùn)動(dòng)影響較大，種子落點(diǎn)位置較為分散。

圖8 傳統(tǒng)導(dǎo)種管與組合式導(dǎo)種管投種軌跡對(duì)比

組合式導(dǎo)種管的導(dǎo)種仿真軌跡較為平滑，在投種高度350 mm附近處軌跡出現(xiàn)小曲率變化，此時(shí)種子由結(jié)合段進(jìn)入投送段圓弧管體。各速度下的軌跡同時(shí)出現(xiàn)小范圍彎曲，表明種子在導(dǎo)種管內(nèi)均沿管體前壁運(yùn)動(dòng)，種子落點(diǎn)位于極近區(qū)域內(nèi)。通過(guò)組合式導(dǎo)種管各部分協(xié)同動(dòng)作，使種子在管內(nèi)的運(yùn)動(dòng)較傳統(tǒng)導(dǎo)種管得到明顯改善，在2～12 km/h速度變化范圍內(nèi)，落點(diǎn)的水平投影距離在236.3～238.2 mm，落點(diǎn)變異系數(shù)小于1%，提高了播種的粒距一致性。

3.4 管體與速度運(yùn)動(dòng)關(guān)系模型

為明確組合式導(dǎo)種管動(dòng)作幅度與作業(yè)速度變化之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系，在離散元仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)作業(yè)速度對(duì)組合式導(dǎo)種管的位置姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，首先建立組合式導(dǎo)種管與作業(yè)速度的運(yùn)動(dòng)關(guān)系數(shù)學(xué)模型。

將組合式導(dǎo)種管在作業(yè)速度為2 km/h時(shí)的管體位置、水平傾角、末端傾角作為初始值，管體的位置姿態(tài)變化時(shí)根據(jù)初始值進(jìn)行動(dòng)作調(diào)整。由理論分析得到結(jié)合段管體在不同作業(yè)速度下的結(jié)合段水平傾角、不同作業(yè)速度下管體位置相對(duì)于初始位置的水平移動(dòng)量；由虛擬仿真試驗(yàn)得到投送段在不同作業(yè)速度下的末端傾角，確定組合式導(dǎo)種管在不同作業(yè)速度的水平位置、水平傾角及末端傾角。利用Matlab軟件將該3個(gè)變化量與速度間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行擬合，得到組合式導(dǎo)種管水平位置、水平傾角、末端傾角與作業(yè)速度間的函數(shù)變化關(guān)系模型

式中f() 為水平位置函數(shù)，mm；()為管體水平傾角函數(shù)，（°）；()為投送段管體末端傾角函數(shù)，（°）。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)條件與方法

為驗(yàn)證仿真試驗(yàn)結(jié)果及組合式導(dǎo)種管運(yùn)動(dòng)模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)架如圖9所示。選用未分級(jí)的中黃37大豆種子為試驗(yàn)對(duì)象，千粒質(zhì)量為273.2 g，含水率為8%。通過(guò)3D打印加工導(dǎo)種管的上下管體，材料選用Somos8000，為便于觀察導(dǎo)種運(yùn)動(dòng)過(guò)程，利用透明亞克力玻璃加工導(dǎo)種管側(cè)壁。

1.計(jì)算機(jī) 2.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 3.高速攝像機(jī) 4.氣吸式排種器 5.組合式導(dǎo)種管

控制系統(tǒng)包括微控制器、轉(zhuǎn)速傳感器、驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行元件。微控制器采用STM32F103C8T6單片機(jī)，轉(zhuǎn)速傳感器為OMRON E6B2-CWZ6C旋轉(zhuǎn)編碼器，線數(shù)2 000，安裝在排種試驗(yàn)臺(tái)架驅(qū)動(dòng)軸的一側(cè)，與驅(qū)動(dòng)排種器的鏈輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，間接測(cè)量得到排種器工作的實(shí)際轉(zhuǎn)速；執(zhí)行元件為3個(gè)電動(dòng)推桿（其中2個(gè)21 mm行程推桿分別控制上下導(dǎo)管的旋轉(zhuǎn)、1個(gè)75 mm行程推桿控制水平移動(dòng)），電壓為12 V、電流為0.3 A、最大推力為32 N/m、速度為30 mm/s；驅(qū)動(dòng)器采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，功率為25 W。單片機(jī)首先利用定時(shí)器的編碼器功能，解析轉(zhuǎn)速傳感器輸出的脈沖信號(hào)，得到排種器的工作轉(zhuǎn)速，然后根據(jù)播種機(jī)作業(yè)速度與電動(dòng)推桿位移的數(shù)學(xué)模型，得到排種器不同工作轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)電動(dòng)推桿的位移量，最后單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的控制信號(hào)給L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)推桿的伸縮控制，完成導(dǎo)種管姿態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整（圖10）。

試驗(yàn)在山東理工大學(xué)農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室JPS-12型排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，利用高速攝像機(jī)（FASTCAM Mini AX）對(duì)導(dǎo)種過(guò)程進(jìn)行記錄并分析。

圖10 組合式導(dǎo)種管控制流程

根據(jù) GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》，以合格率、重播率、漏播率、粒距變異系數(shù)為排種性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，根據(jù)大豆種植株距要求，確定試驗(yàn)株距為10 cm。在定速排種效果對(duì)比試驗(yàn)中，在機(jī)具前進(jìn)速度為2、4、6、8、10、12 km/h，對(duì)比研究組合式導(dǎo)種管與傳統(tǒng)導(dǎo)種管的作業(yè)質(zhì)量，每組試驗(yàn)采集 251 粒種子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，試驗(yàn)重復(fù)3次。在變速排種效果對(duì)比試驗(yàn)中，設(shè)定機(jī)具前進(jìn)速度由2 km/h加速到12 km/h，對(duì)比組合式導(dǎo)種管與傳統(tǒng)導(dǎo)種管在加速時(shí)間分別為10、20和30 s時(shí)的作業(yè)質(zhì)量，每組試驗(yàn)重復(fù)3次。利用JPS-12試驗(yàn)臺(tái)自身的數(shù)字圖像處理系統(tǒng)得到種子經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管后落在種床帶上的合格率、重播漏、漏播率和粒距變異系數(shù)。同時(shí)利用高速攝像機(jī)拍攝種子離開排種盤瞬間的取種情況，吸孔上只有1粒種子記為合格，吸孔上沒(méi)有種子記為漏播，吸孔上多于1粒種子記為重播。統(tǒng)計(jì)得到相應(yīng)的合格率、重播漏和漏播率，此時(shí)的結(jié)果記作排種器的本征排種性能，通過(guò)和種床帶上的排種性能對(duì)比，分析導(dǎo)種管的導(dǎo)種效果。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 導(dǎo)種軌跡測(cè)定

調(diào)整機(jī)具前進(jìn)速度分別為2、4、6、8、10、12 km/h（排種器對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速為10.41、20.83、31.25、41.66、52.08、62.50 r/min），利用高速攝像對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)種管、組合式導(dǎo)種管導(dǎo)種情況進(jìn)行分析。

不同排種速度時(shí)，種子進(jìn)入導(dǎo)種管的入射角度存在較大差異，速度越大入射角度越大，導(dǎo)致種子與傳統(tǒng)導(dǎo)種管接觸的位置差異性大，如圖11a所示，種子流與導(dǎo)種管內(nèi)壁發(fā)生碰撞，破壞原本有序的投種軌跡，對(duì)種子經(jīng)過(guò)導(dǎo)種管后投出運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生較大影響。同時(shí)，因?yàn)榉N子外形尺寸、吸附位置等的差異、所以在相同速度下的投種軌跡亦存在波動(dòng)，且軌跡的波動(dòng)區(qū)域大小隨速度增加而變大，對(duì)種子的粒距一致性造成負(fù)面影響。利用高速攝像在每個(gè)速度下記錄251粒種子在投種管內(nèi)的二次彈跳情況，發(fā)現(xiàn)在2、4、6 km/h時(shí)發(fā)生二次彈跳的種子占比分別為26.29%、31.87%、16.33%；當(dāng)速度在6～10 km/h時(shí)，種子越過(guò)導(dǎo)種管的直線段，直接與圓弧段發(fā)生接觸碰撞，并且絕大部分種子在第一次接觸后彈出導(dǎo)種管；當(dāng)速度為12 km/h時(shí)，種子直接與導(dǎo)種管后壁發(fā)生碰撞，反彈回前壁后離開導(dǎo)種管。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果與仿真保持一致。

組合式導(dǎo)種管作業(yè)時(shí)，種子與導(dǎo)種管前壁的接觸點(diǎn)在豎直方向上高度保持一致，且排種軌跡與前壁面準(zhǔn)確對(duì)接，如圖11b所示。隨著速度增加，組合管體在水平移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)耦合作用下，種子與導(dǎo)種管接觸位置相對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)種管一致性更高，降低投種軌跡波動(dòng)對(duì)種子管內(nèi)運(yùn)動(dòng)及后續(xù)投種運(yùn)動(dòng)的影響；種子與導(dǎo)種管初次接觸后，在2～12 km/h發(fā)生二次彈跳的種子占比小于2.39%，種子彈跳起伏小，后續(xù)運(yùn)動(dòng)均沿導(dǎo)種管前壁進(jìn)行滾動(dòng)或滑動(dòng)，降低彈跳對(duì)種子運(yùn)動(dòng)的影響。

4.2.2 定速排種性能對(duì)比

在排種器下分別安裝組合式導(dǎo)種管和傳統(tǒng)導(dǎo)種管，進(jìn)行排種性能試驗(yàn)，并利用高速攝像機(jī)統(tǒng)計(jì)排種器的本征排種性能，結(jié)果如圖12所示。

由圖12a可知，排種器本征排種性能的排種粒距合格率與組合式導(dǎo)種管基本保持一致，隨著速度的增大二者的合排種粒距格率均出現(xiàn)小幅下降，二者差異較小。在2～6 km/h時(shí)，排種粒距合格率保持在96.35%上下浮動(dòng)，速度大于6 km/h后，排種粒距合格率下滑，在12 km/h時(shí)，本征性能的排種粒距合格率降至89.18%，組合式導(dǎo)種管降至84.17%。

圖11 不同作業(yè)速度下導(dǎo)種軌跡對(duì)比

圖12 定速排種試驗(yàn)結(jié)果

傳統(tǒng)導(dǎo)種管的排種粒距合格率隨速度增大呈先小幅增大后劇烈下降的趨勢(shì)，2 km/h時(shí)為88.46%，6 km/h時(shí)達(dá)到峰值93.70%，在12 km/h時(shí)降到55.28%，在高速時(shí)難以滿足精密播種要求。

由圖12b可知，排種器本征排種性能的漏播率與組合式導(dǎo)種管的漏播率基本保持一致，二者差異不明顯。在2～6 km/h時(shí)，漏播率在1.76%附近，隨著速度的增大二者的漏播率均出現(xiàn)小幅增大，在12 km/h時(shí)，排種器本征性能的漏播率增加至6.23%，組合式導(dǎo)種管的漏播率升至8.92%。

傳統(tǒng)導(dǎo)種管的漏播率隨速度增大呈先降低后增大的趨勢(shì)，2 km/h時(shí)為8.07%，6 km/h時(shí)達(dá)到最低值3.30%，隨后出現(xiàn)大幅增加，在12 km/h時(shí)達(dá)到26.07%。

如圖12c所示，排種器本征排種性能的重播率與組合式導(dǎo)種管的重播率在2～8 km/h時(shí)基本保持一致，重播率在2.21%附近。速度大于8 km/h時(shí)，組合式導(dǎo)種管的重播率逐漸上升，在12 km/h時(shí)達(dá)到6.86%，排種器本征性能的重播率穩(wěn)定在4.59%。

傳統(tǒng)導(dǎo)種管的重播率在2～6 km/h時(shí)保持穩(wěn)定在3.33%，當(dāng)速度大于6 km/h時(shí)重播率出現(xiàn)較大幅度增大。在6 km/h時(shí)傳統(tǒng)導(dǎo)種管的重播率與本征性能較為接近，低速和高速時(shí)傳統(tǒng)導(dǎo)種管的重播率大于本征性能。

如圖12d所示，組合式導(dǎo)種管在2～6 km/h時(shí)排種粒距變異系數(shù)變化較小，在14.13%上下波動(dòng)，當(dāng)速度大于6 km/h時(shí)排種粒距變異系數(shù)逐漸增大，在12 km/h時(shí)達(dá)到20.50%。傳統(tǒng)導(dǎo)種管的排種粒距變異系數(shù)隨作業(yè)速度增加首先下降，在6 km/h時(shí)達(dá)到最小值16.61%后逐漸上升，在10 km/h以后保持在26.00%左右。組合式導(dǎo)種管的排種粒距變異系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)導(dǎo)種管，不同速度下的排種粒距變異系數(shù)平均降低24.65個(gè)百分點(diǎn)。

4.2.3 變速排種性能對(duì)比

為研究機(jī)具速度變化時(shí)導(dǎo)種管對(duì)排種性能的影響，綜合播種機(jī)大田作業(yè)時(shí)的加速過(guò)程，確定速度變化區(qū)間為2～12 km/h，選取加速時(shí)間為10 、20 、30 s進(jìn)行變速過(guò)程排種試驗(yàn)。當(dāng)加速時(shí)間為10 s時(shí)加速度為0.278 m/s2，增量式編碼器每20 ms采集一次轉(zhuǎn)速，在采集時(shí)間內(nèi)速度變化0.02 km/h，編碼器再次采集到速度信號(hào)傳遞給控制器，控制器解析轉(zhuǎn)速后傳遞指令給驅(qū)動(dòng)控制推桿動(dòng)作，動(dòng)作結(jié)束即為完成機(jī)構(gòu)對(duì)速度變化的響應(yīng)；采集時(shí)間較短、速度變化小，整個(gè)過(guò)程機(jī)構(gòu)響應(yīng)時(shí)間≤26 ms。兩種導(dǎo)種部件作業(yè)效果如圖13所示。

如圖13a所示，隨變速時(shí)間增加，組合式導(dǎo)種管與傳統(tǒng)導(dǎo)種管在變速過(guò)程中的排種粒距合格率均出現(xiàn)小幅升高。通過(guò)觀察管內(nèi)種子運(yùn)移狀態(tài)可知，低速投下的種子射入導(dǎo)種管后沿管壁滑移，隨著作業(yè)速度不斷增加，組合式導(dǎo)種管響應(yīng)速度變化進(jìn)行動(dòng)作后，使低速投下的種子在運(yùn)移過(guò)程中產(chǎn)生微小波動(dòng)；當(dāng)加速度減小，組合式導(dǎo)種管動(dòng)作頻率、幅度降低，使種子滑移狀態(tài)波動(dòng)性減小，排種粒距合格率小幅升高。組合式導(dǎo)種管在加速時(shí)間為10～30 s內(nèi)的排種粒距合格率明顯高于傳統(tǒng)導(dǎo)種管，排種粒距合格率平均提高15.10個(gè)百分點(diǎn)。

如圖13b所示，兩種導(dǎo)種管的排種粒距變異系數(shù)隨加速時(shí)間增加無(wú)明顯變化，但組合式導(dǎo)種管的排種粒距變異系數(shù)明顯低于傳統(tǒng)導(dǎo)種管。在變速過(guò)程中，傳統(tǒng)導(dǎo)種管的排種粒距變異系數(shù)在20.30%左右，組合式導(dǎo)種管的排種粒距變異系數(shù)在16.54%上下浮動(dòng)，平均降低3.76個(gè)百分點(diǎn)。

圖13 變速排種試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

1）對(duì)傳統(tǒng)導(dǎo)種管進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種組合式導(dǎo)種管，通過(guò)管體間協(xié)同動(dòng)作提高不同作業(yè)速度下種子投種軌跡的一致性，對(duì)其工作原理和投種過(guò)程進(jìn)行理論分析，確定結(jié)合段管體的調(diào)節(jié)規(guī)律。

2）借助離散元仿真試驗(yàn)，研究組合式導(dǎo)種管投送段的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，以排種器工作轉(zhuǎn)速和管體末端傾角作為因素，投種落點(diǎn)的水平投影距離為指標(biāo)，試驗(yàn)得到不同作業(yè)速度下的投送段管體最佳姿態(tài)，并進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：組合式導(dǎo)種管的導(dǎo)種效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)導(dǎo)種管，落點(diǎn)的變異系數(shù)小于1%。

3）設(shè)計(jì)組合式導(dǎo)種管運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，搭建導(dǎo)種性能物理試驗(yàn)臺(tái)，高速攝像分析顯示，種子與組合導(dǎo)種管管壁接觸過(guò)程中發(fā)生二次彈跳的種子占比小于2.39%，管壁與投種軌跡準(zhǔn)確契合；臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：組合式導(dǎo)種管能夠在各個(gè)排種速度下準(zhǔn)確的還原排種器本身的排種性能，對(duì)投種軌跡的干擾較小；而傳統(tǒng)導(dǎo)種管僅能在設(shè)計(jì)速度時(shí)保持較優(yōu)的排種效果，當(dāng)速度小于或大于設(shè)計(jì)速度時(shí)，排種性能明顯下降；在相同變速條件下，組合式導(dǎo)種管的排種粒距合格率較傳統(tǒng)導(dǎo)種管平均提高15.10個(gè)百分點(diǎn)。排種效果明顯提高。

[1] Egli D B, Rucker M. Seed vigor and the uniformity of emergence of corn seedlings[J]. Crop Science, 2012, 52(6): 2774-2782.

[2] Celik A, Ozturk I, Way T R. Effects of various planters on emergence and seed distribution uniformity of sunflower[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2007, 23(1): 57-61.

[3] 顏丙新，付衛(wèi)強(qiáng)，武廣偉，等. 基于衛(wèi)星定位的玉米高位精播種子著床位置預(yù)測(cè)方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52(2)：44-54.

Yan Bingxin, Fu Weiqiang, Wu Guangwei, et al. Seed location prediction method of maize high-height precision planting based on satellite positioning[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(2): 44-54. (in Chinese with English abstract)

[4] Yang L, Yan B X, Cui T, et al. Global overview of research progress and development of precision maize planters[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2016, 9(1): 9-26.

[5] 李玉環(huán)，楊麗，張東興，等. 氣吸式玉米高速精量排種器投種性能分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(8)：1-11.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Performance analysis and structure optimization of the maize precision metering device with air suction at high-speed condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(8): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[6] 廖宜濤，李成良，廖慶喜，等. 播種機(jī)導(dǎo)種技術(shù)與裝置研究進(jìn)展分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51(12)：1-14.

Liao Yitao, Li Chengliang, Liao Qingxi, et al. Research progress of seed guiding technology and device of planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(12): 1-14. (in Chinese with English abstract)

[7] 康建明，向陽(yáng)，張春艷，等. 氣吸滾筒式花生穴播器投種性能分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(14)：1-11.

Kang Jianming, Xiang Yang, Zhang Chunyan, et al. Analysis and experiments of the seed feeding performance of air-suction roller dibble for peanuts[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(14): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[8] 康建明，溫浩軍，王士國(guó)，等. 帶式導(dǎo)種裝置對(duì)排種均勻性影響的試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2015，36(5)：42-45.

Kang Jianming, Wen Haojun, Wang Shiguo, et al. Experimental study on impact of belt type conductor delivery on seeding uniformity[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(5): 42-45. (in Chinese with English abstract)

[9] Tang H, Xu C, Wang Z, et al. Optimized design, monitoring system development and experiment for a long-belt finger-clip precision corn seed metering device[J]. Frontiers in Plant Science, 2022, 13: 814747.

[10] 齊慶征，倪向東，康施為，等. 集排式排種器棉種氣流輸送排種性能試驗(yàn)[J]. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，56(2)：187-192，200.

Qi Qingzheng, Ni Xiangdong, Kang Shiwei, et al. Test on cotton seed pneumatic delivery performance of centralized seed-metering device[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2021, 56(2): 187-192, 200. (in Chinese with English abstract)

[11] 余佳佳，丁幼春，廖宜濤，等. 基于高速攝像的氣力式油菜精量排種器投種軌跡分析[J]. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，33(3)：103-108.

Yu Jiajia, Ding Youchun, Liao Yitao, et al. High-speed photography analysis of dropping trajectory on pneumatic metering device for rapeseed[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2014, 33(3): 103-108. (in Chinese with English abstract)

[12] 王泰恩，張寶庫(kù). 零速投種導(dǎo)種筒工作面曲線設(shè)計(jì)的理論探討[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，7(1)：46-50.

Wang Taien, Zhang Baoku. The theoretical exploration on working surface curve design of zero-speed seeding tube[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 1993, 7(1): 46-50. (in Chinese with English abstract)

[13] 張寶庫(kù)，郝恒昌，李延華. 精密播種機(jī)導(dǎo)種筒的理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算[J]. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，1988(2)：41-47.

Zhang Baoku, Hao Hengchang, Li Yanhua. Theoretical analysis and design of seed spout of the precision drill[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 1988(2): 41-47. (in Chinese with English abstract)

[14] Kocher M F, Coleman J M, Smith J A, et al. Corn seed spacing uniformity as affected by seed tube condition[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2011, 27(2): 177-183.

[15] Smith J A, Kocher M F. Evaluate Planter Meter and Seed Tube Systems for Seed Spacing Performance of Confection Sunflower Seed to Improve Plant Spacing in the Field[C]//2008 National Sunflower Workshop–national Sunflower Association, Mandan, ND, USA. 2008.

[16] Yazgi A. Effect of seed tubes on corn planter performance[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2016, 32(26): 73-790.

[17] Yazgi A, Demir V, Deirmenciolu A. Comparison of computational fluid dynamics-based simulations and visualized seed[J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 2020, 44(6): 599-611.

[18] Carpes D P, Alono A S, Rossato F P, et al. Effect of different conductor tubes on the longitudinal distribution of corn seeds[J]. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 2017, 21: 657-662.

[19] Savi D, Kmiecik L L, Strapasson Neto L S, et al. Influence of seed tube curvature on seed longitudinal distribution[J]. Engenharia Agrícola, 2020, 40: 732-739.

[20] 劉孝民，鄧江玉. 高速精密播種機(jī)導(dǎo)種管合理形狀的理論分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，1987(4)：35-39.

[21] 王樂(lè)，邱立春，李永奎. 玉米種子在導(dǎo)種管中運(yùn)動(dòng)過(guò)程的高速攝像分析[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(10)：130-132.

Wang Le, Qiu Lichun, Li Yongkui. High-speed photography analysis on process of corn seeds moving in seed tube[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(10): 130-132. (in Chinese with English abstract)

[22] 趙淑紅，陳君執(zhí)，王加一，等. 精量播種機(jī)V型凹槽撥輪式導(dǎo)種部件設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49(6)：146-158.

Zhao Shuhong, Chen Junzhi, Wang Jiayi, et al. Design and experiment on V-groove dialing round type guiding-seed device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(6): 146-158. (in Chinese with English abstract)

[23] 李玉環(huán)，楊麗，張東興，等. 氣吸式玉米高速精量排種器直線投種過(guò)程分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(9)：26-35.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Analysis and test of linear seeding process of maize high speed precision metering device with air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 26-35. (in Chinese with English abstract)

[24] 張順，李勇，王浩宇，等. 水稻內(nèi)充氣力式精量穴播排種器導(dǎo)種管的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2021，47(1)：71-80.

Zhang Shun, Li Yong, Wang Haoyu, et al. Design and experiment on the seed spout of inside-filling pneumatic type precision hole-seeding meter device for rice[J]. Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences), 2021, 47(1): 71-80. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊文彩，張效偉，仲?gòu)V遠(yuǎn)，等. 三七育苗播種機(jī)導(dǎo)種管設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，43(1)：120-132.

Yang Wencai, Zhang Xiaowei, Zhong Guangyuan, et al. Design and experiment of seed tube of seedling planter for Panax notoginseng[J]. Journal of South China Agricultural University, 2022, 43(1): 120-132. (in Chinese with English abstract)

[26] 丁幼春，王凱陽(yáng)，劉曉東，等. 中小粒徑種子播種檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(8)：30-41.

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, et al. Research progress on seed sowing detection technology for small and medium particle Size[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 30-41. (in Chinese with English abstract)

[27] 劉文忠，趙滿全，王文明，等. 氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9)：133-138.

Liu Wenzhong, Zhao Manquan, Wang Wenming, et al. Theoretical analysis and experiments of metering performance of the pneumatic seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(9): 133-138. (in Chinese with English abstract)

[28] 張濤，劉飛，趙滿全，等. 大豆種子與排種器接觸物理參數(shù)的測(cè)定與離散元仿真標(biāo)定[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，22(9)：86-92.

Zhang Tao, Liu Fei, Zhao Manquan, et al. Measurement of physical parameters of contact between soybean seed and seed metering device and discerte element simulation calibration[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(9): 86-92. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of the combined seed guiding tube for precision metering device

Chen Yulong, Han Jie, Lan Yubin, Zhang Meng, Jin Yachen, Zhang Zheng, Wang Wenjun※

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

High-speed seed guiding is of great significance to developing the precision metering seeder. Among them, the different horizontal offsets can be observed at the collision contact points between the seeds and the wall of the seed tube in the seeding trajectory at different seeding speeds. The resulting seed spacing cannot fully meet the agronomic requirements at present. In this study, a combined seed guiding tube was designed for the precision metering device, according to the traditional integrated fixed one. Two bodies were composed of the joint and delivery sections. A revolute pair was selected to connect the two bodies. The overall translation and rotation around the rotating pair were carried out under the action of the driving mechanism. A systematic analysis was made to determine the working principle of the combined seed guiding tube and the motion process of the seed discharging. The seed discharging process was also divided into the incident stage, the stable migration, and the delivery stage. The influencing factors were clarified using the dynamic analysis of the seed movement in the seed guiding tube during discharging. The seed-tube simulation model was then established using discrete element method (DEM) EDEM software. The simulation experiment was carried out with the working speed and the inclination angle of the end of the delivery section as the test factors, while the variation coefficient of the horizontal projection distance of the seed front point as the test index. The optimal attitude was obtained for the two tubes at different speeds. The mathematical model was constructed for the relationship between the working speed and the movement of the combined seed guiding tube. The test platform was built to design the motion control system of the combined seed guiding tube. Taking the Zhonghuang 37 soybean as the research object, the field test of seed guiding trajectory was carried out to verify the performance of seed guiding. The results showed that the better guiding performance of the seeds was achieved in the optimal attitude of the combined seed guiding tube at the working speed of 2-12 km/h. The seed-guiding trajectory was outstandingly better than the traditional one. Less than 2.39% proportion of seeds were found with the secondary bounce after the first contact with the seed guiding tube. A reduced impact was observed in the seed discharging trajectory on the movement of the seed guiding tube and the subsequent seed discharging movement. The comparative test was carried out at constant speed seeding. The results showed a higher qualified rate of seeding spacing was obtained in the combined seed guiding tube at different working speeds, compared with the traditional. The intrinsic seeding performance was also accurately restored in the seed metering device. Specifically, the qualified rate of seeding spacing was about 96.53%, when the working speed was 2-6 km/h, and then decreased to 84.17% at 12 km/h. The coefficient of variation of seed spacing of the combined seed guiding tube at each speed was 24.65 percentage points averages lower than before. Furthermore, the qualified rate of seeding spacing in the combined seed guiding tube was 15.10 percentage points average higher than before, whereas, the coefficient of variation of seeding spacing was 3.76 percentage points average lower than before, during the speed change of 2-12 km/h. Anyway, the combined seed tube can be expected to serve as a variety of working speeds for uniform seed spacing. The finding can provide new ideas and technical references for the high-speed seed guiding in the precision metering seeder.

discrete element; high-speed camera; combined seed guiding tube; seed guiding performance; seed discharging trajectory

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.002

S223.2

A

1002-6819(2022)-24-0014-11

陳玉龍，韓杰，蘭玉彬，等. 精密排種器組合式導(dǎo)種管設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(24)：14-24.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.002 http://www.tcsae.org

Chen Yulong, Han Jie, Lan Yubin, et al. Design and experiment of the combined seed guiding tube for precision metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 14-24. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.002 http://www.tcsae.org

2022-09-09

2022-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金（51905318、52005307）；山東省引進(jìn)頂尖人才“一事一議”專項(xiàng)（魯政辦字[2018]27號(hào)）

陳玉龍，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備。Email：cyl06471@sdut.edu.cn

王文君，博士，副教授，研究方向?yàn)橹悄苻r(nóng)業(yè)裝備。Email：wjwang2016@163.com

中國(guó)農(nóng)業(yè)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員：蘭玉彬（E041200725S）