王寶山 王 磊 廖宜濤 吳 崇 曹 梅 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室，武漢 430070)

0 引言

油菜、芝麻、小白菜是廣泛種植的小粒徑種子作物，其中油菜是第一大國產(chǎn)植物油來源和第二大飼用蛋白來源[1]，芝麻、小白菜是重要的特色油料作物和蔬菜。油菜、芝麻、小白菜等小粒徑種子球形度差異大、粒徑小、質量輕，品種兼用及播種粒數(shù)精量控制難度大且易卡種。油菜、芝麻、小白菜中油菜機播率相對較高，截至2020年油菜機播率僅為35.65%，油菜、芝麻、小白菜機械化播種水平亟待提高。因此，開展適用于油菜、芝麻、小白菜的兼用、精量、集排播種關鍵技術研究是提高播種機具利用率、改善播種質量、提升作業(yè)效率和機播率的有效途徑[2]。

小粒徑種子精量排種器主要分為氣吸式排種器和型孔輪式排種器。氣吸式排種器排種性能主要受型孔結構、吸種負壓、轉速等因素影響[3-5]，通過增設攪種結構能夠提高其高速作業(yè)性能[6-7]，氣力集排器能夠實現(xiàn)多行排種，作業(yè)效率較高，廣泛用于育苗播種[8-9]。氣吸式排種器具有吸種穩(wěn)定、播種精度高等優(yōu)點，現(xiàn)有的氣吸式排種器多針對單一作物種子或單行排種；氣力滾筒式集排器對芝麻等非球性小粒徑種子的適應性及不同種子兼用性有待進一步提高。型孔輪式排種器可依據(jù)不同種類種子設計不同結構型孔輪，更換型孔輪易于實現(xiàn)兼用與精量排種；采用并列配置多個型孔輪可簡化傳動和整體結構、實現(xiàn)多行集排播種。型孔輪結構是影響排種性能的關鍵因素，通過優(yōu)化型孔輪型孔結構參數(shù)[10]、設置攪種結構[11]或采用組合型孔[12-13]，能夠實現(xiàn)對水稻、大豆和人參等中大粒徑種子精量及兼用排種，排種性能良好。適用于油菜、芝麻、小白菜等小粒徑種子的型孔輪式精量集排器研究較少[14]，主要原因為：小粒徑種子千粒質量小，型孔設計不合理時種子難以依靠自重順暢投種、易卡種；同時，因小粒徑種子易破損，中大粒徑種子排種器常用的卸種結構易導致種子破損率增加。通過合理設計型孔輪結構實現(xiàn)對油菜、芝麻、小白菜等小粒徑種子穩(wěn)定充種、無卸種裝置條件下順暢投種，是提高小粒徑種子型孔輪式排種器排種性能的關鍵。

針對油菜、芝麻、小白菜精量穴播排種過程中充種穩(wěn)定性差、易卡種的問題，設計一種采用傾斜拋物線型孔充種、環(huán)槽凸臺攪種結構的型孔輪和精量穴播集排器，利用力學計算、EDEM仿真與高速攝影技術分析型孔輪結構參數(shù)對充種性能的影響規(guī)律及其較優(yōu)值，確定種子物料特性與型孔輪較優(yōu)結構參數(shù)的量化關系，通過臺架試驗與田間試驗驗證集排器的排種性能，以期為小粒徑種子型孔輪式集排器關鍵部件的設計提供參考。

1 總體結構與工作過程

1.1 總體結構

小粒徑種子精量直播機結構如圖1所示，由地輪驅動裝置、排種電機、集排器、導種管、開種溝裝置、排肥裝置、旋耕裝置、機架、開畦溝裝置等組成，可實現(xiàn)旋耕、開溝、施肥、6或8行播種等功能。

圖1 小粒徑種子精量直播機結構示意圖

型孔輪式集排器是直播機的核心裝置，集排器結構如圖2所示，主要由種箱、型孔輪、儲種室、排種軸、卸種集種槽、集排器殼體、落種口、風機等組成。型孔輪是決定集排器排種性能的關鍵部件，其主要結構為拋物線型孔和環(huán)槽凸臺。

圖2 型孔輪式集排器與型孔輪結構示意圖

1.2 集排器工作過程

集排器工作過程及原理見圖3，種子由種箱進入儲種室，形成具有一定種層高度的種群，排種軸帶動型孔輪轉動擾動儲種室種群，種子因種群作用力、自身重力、型孔作用力充入型孔，型孔輪攜帶種子轉過一定角度后，種子因重力及離心力脫離型孔，種子沿切向進入落種口引導槽，在引導槽的約束下進入導種管，經(jīng)導種管落入種溝完成排種過程。落種口由圓弧形導槽和氣流通道構成，當排種芝麻等球形度低、流動性差種子時，風機輸送氣流能夠提高種子在導種管內(nèi)的運移速度，避免種子滯留導種管。集排器殼體與種箱連接處設置槽口，通過調整種箱安裝高度可以調節(jié)儲種室種層高度，以改善充種性能；種箱出種口與儲種室隔板使型孔輪對應種群相互獨立，依據(jù)不同作物行距要求拆裝行數(shù)調節(jié)堵頭，實現(xiàn)6～8行排種。

圖3 集排器排種原理圖

2 型孔輪設計與參數(shù)分析

2.1 型孔輪結構

型孔輪是決定集排器排種性能的重要部件，其主要設計參數(shù)包括型孔數(shù)、型孔與環(huán)槽凸臺攪種結構參數(shù)等，型孔數(shù)受種植農(nóng)藝、機具作業(yè)速度等影響；型孔結構由徑向截面和軸向截面確定，合理設計型孔結構是實現(xiàn)穩(wěn)定充種和避免型孔卡種的關鍵；環(huán)槽凸臺攪種結構有利于增加種群流動，改善充種性能。

2.1.1型孔數(shù)確定

農(nóng)藝種植參數(shù)是型孔輪設計的重要依據(jù)，油菜、芝麻、小白菜種植農(nóng)藝參數(shù)[15-17]見表1。

表1 種植農(nóng)藝參數(shù)

排種頻率由農(nóng)藝種植密度要求及出苗率決定，穴距及型孔數(shù)計算式為

(1)

(2)

式中l(wèi)h——穴距，mm

k——每個型孔平均充種數(shù)量，取2

N——播種行數(shù)

u——出苗率，%

B——播種機幅寬，取1.8 m

Qf——種植密度，株/hm2

Z——單個型孔輪型孔數(shù)

vm——播種機前進速度，取3.5 km/h

n——型孔輪轉速，取25 r/min

機具前進速度為2～5 km/h，型孔輪轉速為 10～40 r/min，型孔輪直徑為120 mm[18]，直播機幅寬為1.8 m，可采用225 mm等行距播種8行油菜、小白菜或300 mm等行距種植6行芝麻。油菜出苗率取43%[15,19]，田間預試驗得出芝麻、小白菜出苗率分別為38%、50%，采用(2±1)粒/穴精量穴播，取表1種植密度范圍均值，計算得平均穴距為84.94、135.11、118.52 mm，計算并圓整得油菜、芝麻、小白菜型孔輪型孔數(shù)Z為27、17、20。

2.1.2型孔徑向截面結構

拋物線各點斜率連續(xù)均勻變化并在最低點處斜率為零，有利于保證充種、投種過程種子平穩(wěn)運移及將種子穩(wěn)定在型孔底部；通過設置倒角、引種槽或采用傾斜型孔可以提高充種時間、改善充種效果[10,13,20-21]，因此設計一種徑向截面為傾斜拋物線結構的型孔，以拋物線對稱軸和頂點分別為y軸和原點建立直角坐標系，(0，-H)為型孔輪圓心，見 圖4，拋物線傾斜前后與圓交點坐標關系滿足

圖4 型孔徑向截面示意圖

(3)

式中x、y——未旋轉拋物線與圓交點坐標，mm

x1、y1——拋物線旋轉后與圓交點坐標，mm

p——拋物線焦準距，mm

H——拋物線頂點至圓心距離(頂心距)，mm

R——型孔輪半徑，取60 mm

r——環(huán)槽凸臺深度，mm

θ1——拋物線傾斜角，(°)

種子物料特性是型孔設計的依據(jù)，每種作物隨機選取250粒種子，統(tǒng)計結果見表2。種子三軸尺寸最大和最小值可依據(jù)“3σ”原理用均值和3倍標準差近似表示[8]。

表2 種子物料參數(shù)

為保證型孔深度能夠有效約束種子、型孔長度應能夠至少容納一粒最大粒徑種子并避免充入3粒以上種子，型孔深度及長度應滿足

(4)

式中h1——拋物線傾角為θ1時型孔深度，mm

xA1、yA1——點A1橫、縱坐標，mm

xB1、yB1——點B1橫、縱坐標，mm

xC1、yC1——最低點C1橫、縱坐標，mm

σa——種子長度標準差，mm

lA1B1——拋物線旋轉后型孔長度，mm

當拋物線傾斜角θ1為0時，滿足

(5)

式中h——拋物線傾斜角為0時型孔深度，mm

lAB——拋物線傾角為0時型孔長度，mm

由式(3)～(5)知，當型孔輪半徑R一定時，型孔長lA1B1由環(huán)槽凸臺深度r、拋物線頂點至圓心距離(頂心距)H、焦準距p及拋物線傾斜角θ1確定，隨H增大而減小，隨p和θ1增大而增大。當r取仿真較優(yōu)值0.5、0.2、0.4 mm時，依據(jù)式(4)、(5)及表2中種子三軸尺寸計算得型孔長度lA1B1及拋物線頂點至圓心距離(頂心距)H，并借助SolidWorks軟件拋物線參數(shù)化設計方法分析確定焦準距p和拋物線傾斜角θ1取值范圍，各參數(shù)取值范圍見表3。

表3 型孔徑向截面參數(shù)范圍

2.1.3型孔軸向截面結構

型孔寬度和側邊傾斜角是影響卡種的主要因素，當型孔寬度小于種子最大長度時，型孔易出現(xiàn)單?？ǚN及漏充；因此，型孔寬度應略大于種子最大長度以便于充種并控制充種數(shù)量；型孔軸向截面以單粒充種為主，結構如圖5所示。增大型孔側邊傾斜角有利于順利卸種，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢與ABS型孔輪靜摩擦角分別為16.7°、26.1°、14.7°，側邊傾角系數(shù)Kζ初始值取1.0。為保證型孔兩側種子因翻轉力矩進入型孔，型孔兩側環(huán)槽寬度應不大于種子最大長度一半，當環(huán)槽凸臺寬度取較大值有利于將更多種子引導進入型孔，因此取型孔兩側環(huán)槽寬度為種子最大長度一半；當寬度系數(shù)Kw初始值取1.1時，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢型孔頂寬L1分別為3.39、4.02、2.33 mm，環(huán)槽凸臺寬度L分別為6.47、7.67、4.45 mm，型孔軸向截面結構參數(shù)幾何關系為

圖5 型孔軸向截面示意圖

(6)

式中amax——種子長度最大值，mm

L2——型孔底寬，mm

ζ——型孔側邊傾角，(°)

φ——種子與型孔輪靜摩擦角，(°)

2.1.4攪種結構設計

增大環(huán)槽凸臺深度r(圖4)可以增強攪種效果，但r不應過大，以避免環(huán)槽凸臺拖帶種子造成重播率增加，r應不大于種子最小高度一半，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢對應環(huán)槽凸臺深度r上限分別為0.61、0.30、0.56 mm。兩型孔中間位置設置凸臺，凸臺長度l(圖4)取兩型孔中間弦長的1/3，型孔數(shù)Z分別取27、17、20，當取表3型孔長度均值時，由

(7)

計算并圓整得華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢凸臺長度l分別為3、6、5 mm。

2.2 充投種過程力學分析

2.2.1充種過程

充種是排種過程首要環(huán)節(jié)，采用穴播方式每次囊取(2±1)粒種子，為簡化分析過程將被囊取種子視為整體，并且以型孔長度方向分布2粒種子、寬度方向1粒種子為例進行分析，充種過程種子受力示意圖如圖6所示，受力平衡方程為

圖6 充種過程受力分析

(8)

式中Ff——型孔與被囊取種子的摩擦力，N

Fc——被囊取種子的慣性離心力，N

FZ——被囊取種子受種群垂直壓力[22]，N

G——被囊取種子重量，N

α——起始充填角，(°)

FN——型孔對被囊取種子的支持力，N

δ——拋物線型孔右側壁切線角(型孔和環(huán)槽底部圓弧右側交點(參照圖4中點A1)處拋物線切線與被囊取種子質心和型孔輪圓心連線夾角)，(°)

FH——被囊取種子受到種群水平壓力，N

μ——型孔與被囊取種子的摩擦因數(shù)

m0——種子千粒質量，g

S——被囊取種子截面積，m2

γ——物料重度，N/m3

Rh——被囊取種子液力半徑，m

K——側壓系數(shù)

fs——種子與儲種室靜滑動摩擦因數(shù)

Hs——被囊取種子與種層上表面距離，m

φi——物料的內(nèi)摩擦角，(°)

g——重力加速度，取9.81 m/s2

整理式(8)得

(9)

根據(jù)受力平衡方程可知，起始充填角α受被囊取種子截面積S、重度γ、千粒質量m0、內(nèi)摩擦角φi、種子與儲種室系靜滑動摩擦因數(shù)fs、種子與型孔輪摩擦因數(shù)μ、型孔輪半徑R和轉速n、儲種室種層高度hs及拋物線型孔右側壁切線角δ共同影響。當種子類別、型孔輪與儲種室材質、型孔輪轉速n確定后，起始充填角α主要受型孔右側壁切線角δ影響，對α關于δ求導，并借助SolidWorks軟件拋物線參數(shù)化設計方法分析確定δ隨焦準距p、拋物線傾斜角θ1變化規(guī)律及取值范圍，可知型孔長度一定時，適當減小焦準距p，增大θ1能夠增大右側壁切線角δ及起始充填角α，延長充種時間，有利于改善充種性能[23]，但增大δ同時會降低種群擾動量，有降低充種性能趨勢[24]，擬借助仿真和試驗確定上述因素對充種性能的影響規(guī)律。

2.2.2投種過程

被囊取種子轉過一定角度進入投種區(qū)，種子應能順利投種，種子脫離型孔瞬間受力如圖7所示。

圖7 投種過程受力分析

投種過程受力方程為

(10)

式中β——初始投種角，(°)

F′N——投種時被囊取種子受型孔支持力，N

ε——型孔左側壁切線角(型孔與環(huán)槽底部圓弧左側交點(參照圖4中點B1)處拋物線切線與被囊取種子質心和型孔輪圓心連線夾角)，(°)

F′f——投種時被囊取種子受型孔摩擦力，N

由式(8)、(10)整理可得

(11)

(12)

由式(11)可知，當型孔左側壁切線角ε一定時，初始投種角β隨慣性離心力Fc增大而增大，隨型孔與被囊取種子摩擦因數(shù)μ增大而減小；由式(12)可知，當型孔輪轉速n一定時，初始投種角β隨型孔左側壁切線角ε增大而增大；借助SolidWorks軟件拋物線參數(shù)化設計方法分析得出，在表3設計參數(shù)范圍內(nèi)，當型孔長度一定時，隨焦準距p減小和拋物線傾斜角θ1增大，型孔左側壁切線角ε呈增大趨勢，因此增大轉速n、拋物線旋轉角θ1或者減小型孔與種子摩擦因數(shù)μ、焦準距p，使初始投種角β增大，增加投種時間，促進順利投種。

由充種和投種過程力學理論分析可知，起始充填角α、初始投種角β受焦準距p和拋物線傾角θ1共同影響，型孔長度一定時，適當減小p、增大θ1，有利于增大起始充填角和初始投種角，改善充種和投種性能；但減小p、增大θ1使型孔右側壁切線角δ增大，型孔對種子約束能力增加，充種粒數(shù)及重充率有增大趨勢，擬借助EDEM離散元仿真分析得出焦準距p和拋物線傾角θ1較優(yōu)值。

3 充種性能仿真

3.1 仿真模型建立

利用EDEM軟件仿真分析型孔輪結構參數(shù)對充種性能的影響規(guī)律，采用Hertz-Mindlin無滑動接觸模型，油菜、小白菜種子粒徑分布選用“normal”正態(tài)分布模型，使用均值和3倍標準差計算粒徑上下限；芝麻采用“fixed”模型，由14個半徑0.45 mm小球填充，三軸尺寸參照表2設置。充種過程種子僅與ABS工程塑料材質的儲種室、型孔輪、落種口接觸，ABS密度為1 060 kg/m3、泊松比為0.394、剪切模量為8.96×108Pa。油菜、芝麻、小白菜分別選用華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢，芝麻、小白菜仿真參數(shù)參照文獻[25-26]試驗方法，借助卓精BSM-520.3型電子天平、游標卡尺、TMS-PRO型質構儀、Phantom v1840型高速攝影儀等測定，油菜[14]、芝麻、小白菜仿真參數(shù)見表4，芝麻仿真模型見圖8。

表4 仿真參數(shù)

圖8 芝麻充種性能EDEM仿真模型

3.2 型孔結構對充種性能影響

型孔結構包括型孔徑向截面與軸向截面，開展EDEM仿真以確定型孔徑向截面與軸向截面結構尺寸對充種性能與卡種的影響規(guī)律及其較優(yōu)值。仿真預試驗得適宜種層高度hs(圖3)為20～40 mm，取均值30 mm；創(chuàng)建顆粒工廠分別生成華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢種子80 000、80 000、180 000粒；轉速取25 r/min，每次統(tǒng)計60個型孔的充種粒數(shù)，(2±1)粒/穴為合格，0粒/穴為漏充，超過3粒/穴為重充，計算充種合格率、重充率、漏充率。

3.2.1型孔徑向截面結構對充種性能影響

由表5可知，頂心距H、焦準距p對充種性能影響因品種不同存在差異：頂心距H對華油雜62充種合格率影響極顯著(P<0.01)、對重充率影響顯著(P<0.05)，焦準距p對華油雜62漏充率影響極顯著(P<0.01)；頂心距H對航天新芝T31-8充種性能指標影響均極顯著(P<0.01)；焦準距p對五月慢漏充率與充種合格率影響極顯著(P<0.01)，對重充率影響顯著(P<0.05)；其余各項不顯著。

表5 頂心距和焦準距對充種性能影響規(guī)律

由試驗數(shù)據(jù)可知，當頂心距H取最小值、焦準距p取最大值時重充率或漏充率普遍較高，合格率較低，由充種過程理論分析可知，當型孔長度為定值，減小頂心距H或增大焦準距p時拋物線傾角θ1取值變小，使型孔右側壁切線角δ和起始充填角α減小，充種時間和支持力FN沿型孔輪圓心方向分力減小(圖6)，充種性能降低；當焦準距p較小，如華油雜62焦準距p分別為0.78、1.04、1.30 mm時，型孔右側壁能夠有效約束種子實現(xiàn)順利充種，此時型孔充種性能主要受頂心距H影響，頂心距H減小使型孔深度及容積增大，重充率增加；當焦準距p為1.56 mm時，型孔右側壁切線角δ過小，型孔無法有效約束種子實現(xiàn)順利充種，當頂心距H減小型孔右側壁切線角δ進一步減小，充種性能降低，漏充率較高。由極差分析確定華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢頂心距H較優(yōu)水平值為58.0、58.0、58.6 mm,焦準距p較優(yōu)值為0.78、0.93、0.81 mm，結合式(5)得出頂心距H較優(yōu)值為

(13)

當頂心距H、焦準距p取上述較優(yōu)值時，進一步分析拋物線傾角θ1對充種性能影響規(guī)律。華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢拋物線傾角θ1上限值分別為50.41°、41.07°、53.43°。因拋物線傾角θ1過小時，型孔對種子約束能力降低，充種性能下降；仿真預試驗得出為實現(xiàn)良好充種，拋物線傾角θ1下限值可取0.75倍上限值，并將拋物線傾角θ1范圍4等分，仿真結果見表6。由表6可知，當頂心距H、焦準距p取定值時，隨拋物線傾角θ1增大，型孔長度和容積增大，且型孔右側壁對種子約束能力增強，充種時間延長，重充率有升高趨勢、漏充率有降低趨勢。以充種合格率最高、漏充率與重充率均較低為標準，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢型孔拋物線傾角θ1較優(yōu)值分別為46.21°、37.65°、48.98°。

表6 型孔拋物線傾角θ1對充種合格率影響規(guī)律

3.2.2型孔軸向截面結構對充種性能影響

為研究型孔軸向截面參數(shù)對充種性能及卡種的影響規(guī)律，參照式(6)寬度系數(shù)Kw分別取1.1、1.2、1.3，側邊傾角系數(shù)Kζ分別取0、0.5、1.0；型孔徑向截面參數(shù)取3.2.1節(jié)較優(yōu)值，仿真結果見表7。由結果可知，隨寬度系數(shù)Kw增大和側邊傾角系數(shù)Kζ減小，因型孔容積增大，充種粒數(shù)及重充率有增大趨勢；當側邊傾角系數(shù)Kζ為0、寬度系數(shù)Kw取1.3時華油雜62和五月慢型孔均因卡種造成漏充；主要原因為：設計參數(shù)范圍內(nèi)隨寬度系數(shù)Kw增大、側邊傾角系數(shù)Kζ減小，型孔寬度增大，充種時粒徑較小的兩粒種子并排充入型孔概率增大，因充種時種群作用力、種子重力及慣性力使種子產(chǎn)生微小形變卡入型孔，投種過程當離心力與重力無法克服型孔側邊的摩擦力阻礙作用時產(chǎn)生卡種現(xiàn)象；當寬度系數(shù)Kw取1.1、側邊傾角系數(shù)Kζ取1.0時，充種合格率較高，此時，寬度方向種子以單粒形式充入型孔，因型孔寬度略大于種子粒徑，型孔側邊對種子擠壓及摩擦作用較小，且型孔傾斜側邊對種子支持力的徑向分力有利于種子脫離型孔，避免卡種。因此寬度系數(shù)Kw、側邊傾角系數(shù)Kζ較優(yōu)值分別為1.1、1.0，此時型孔能夠實現(xiàn)(2±1)粒/穴精量充種，且能夠避免卡種。

表7 型孔軸向截面參數(shù)對充種性能影響規(guī)律

3.3 攪種結構對充種性能影響

合理設計型孔輪攪種結構能夠促進種群擾動、改善充種性能，為探究攪種結構參數(shù)對充種性能的影響規(guī)律及其較優(yōu)值，以華油雜62型孔輪為例開展分析。選取3.2節(jié)較優(yōu)型孔結構，保證型孔結構不變的前提下，研究無攪種、僅環(huán)槽且r為0.5 mm以及環(huán)槽凸臺深度r分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm 時充種性能，充種性能統(tǒng)計結果見表8，充種效果及充種區(qū)種子平均速度見圖9、10。

表8 不同攪種結構時充種性能

圖9 充種效果仿真圖

由表8可知，當采用無攪種、僅環(huán)槽且r為 0.5 mm 及環(huán)槽凸臺深度r分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mm 時漏充率較高，結合圖10可知，此時型孔輪攪種能力不足，充種區(qū)種群平均速度較小，種子與型孔相對速度較大，充種時間短導致漏充率偏高；當環(huán)槽凸臺深度r為0.6 mm時，充種區(qū)種子平均速度最大，型孔平均充種粒數(shù)增大且存在種子被環(huán)槽凸臺拖帶現(xiàn)象，造成重充率增大；華油雜62型孔環(huán)槽凸臺適宜深度r為0.5 mm，此時充種合格率為98.33%。采用相同方法得出航天新芝T31-8、五月慢的環(huán)槽凸臺深度r分別為0.2、0.4 mm時充種合格率較高，均為96.67%。

圖10 攪種結構對充種區(qū)種子平均速度影響規(guī)律

分析可知，環(huán)槽凸臺結構參數(shù)主要受種子三軸尺寸及球形度影響，避免環(huán)槽凸臺拖帶種子的前提下，環(huán)槽凸臺深度r取較大值能夠改善充種性能。結合表2可知，環(huán)槽凸臺深度r較優(yōu)值計算式為

(14)

ψ——球度，%

3品種預測值依次為0.47、0.24、0.39 mm，與仿真結果基本一致。

3.4 種層高度和轉速對充種性能影響

種層高度和轉速是影響充種性能的重要因素，在確定型孔輪結構較優(yōu)參數(shù)基礎上，選取排種輪轉速n、種層高度hs(圖3)為試驗因素，轉速取值范圍10～40 r/min，種層高度20～40 mm，兩因素均等間隔設置4個水平；以充種合格率、重充率、漏充率為試驗指標，開展雙因素全面仿真試驗，每組試驗統(tǒng)計60穴，試驗方案與仿真結果見表9。

表9 種層高度和轉速對充種性能影響仿真結果

在試驗條件下排種輪轉速n、種層高度對充種合格率影響均不顯著(P>0.05)，集排器充種性能穩(wěn)定。轉速對3種作物漏充率影響均極顯著(P<0.01),對華油雜62、航天新芝T31-8重充率影響顯著(P<0.05)，對五月慢重充率影響極顯著(P<0.01)；種層高度對3種作物漏充率影響均極顯著(P<0.01)，對華油雜62、五月慢品種的重充率影響極顯著(P<0.01)，對航天新芝T31-8重充率影響顯著(P<0.05)；較優(yōu)參數(shù)為轉速20～30 r/min，種層高度26.7～33.4 mm，3品種合格率為95.00%～98.33%。

4 集排器性能臺架試驗

4.1 充種性能臺架試驗

為驗證EDEM仿真的準確性及臺架試驗條件下實際充種效果，根據(jù)華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢較優(yōu)結構參數(shù)：頂心距分別為58.0、58.0、58.6 mm，焦準距p分別取0.78、0.93、0.81 mm，拋物線傾角θ1分別為46.21°、37.65°、48.98°，型孔寬度系數(shù)Kw取1.1、側邊傾角系數(shù)Kζ取1.0，環(huán)槽凸臺深度r分別為0.5、0.2、0.4 mm，3D打印各型孔輪；參照表9取華油雜62、航天新芝T31-8排種輪轉速n為30 r/min、種層高度hs為33.4 mm，五月慢排種輪轉速n為20 r/min、種層高度hs為26.7 mm；借助Phantom v1840型高速攝影儀拍攝充種過程，每個型孔輪統(tǒng)計60型孔，每個品種統(tǒng)計8個型孔輪共計480型孔，試驗過程見圖11，試驗結果見表10。由結果可知，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢仿真與臺架充種合格率相差分別為1.45、2.09、2.50個百分點，實際充種性能與仿真基本一致，仿真結果可用于預測實際充種效果，集排器充種性能良好。

圖11 充種性能驗證試驗

表10 各品種較優(yōu)型孔充種性能試驗

4.2 排種性能臺架試驗

為驗證集排器排種性能，使用JPS-12型排種性能試驗臺開展排種性能試驗，以破損率、漏播率、穴粒數(shù)合格率、重播率與穴距合格率為評價指標。統(tǒng)計破損率時，試驗前人工剔除破損種子，以25 r/min排種5 min，取樣不少于50 g，人工挑選出破碎種子并稱量，每組重復3次，統(tǒng)計得出各品種平均破損率分別為0.31%、0.41%、0.34%，均滿足國標要求。穴粒數(shù)合格率與穴距合格率每次統(tǒng)計120穴，均重復測試5次取均值，(2±1)粒/穴為合格，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢理論穴距分別為100、135、100 mm，排種性能試驗臺種帶速度vm計算式為

(15)

試驗效果見圖12，試驗結果見表11。分析可知，因種子投種時間存在差異，落種過程種子與落種口、導種管碰撞等，造成穴粒數(shù)合格率均低于4.1節(jié)高速攝影得出的充種合格率，差值分別為4.88、4.58、5.16個百分點，穴距合格率分別為83.67%、81.83%、82.50%。

圖12 排種性能試驗種子分布

表11 排種性能試驗結果

5 田間試驗

為驗證小粒徑種子精量直播機田間作業(yè)性能，分別于2021年6月2日、9月27日在華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗田開展芝麻、油菜播種試驗，選用航天新芝T31-8、華油雜62品種，種層高度30 mm，直播機牽引動力為東方紅LX-954型拖拉機，采用慢2擋，額定速度3.36 km/h，分別采用300、225 mm等行距播種6行芝麻和8行油菜，理論穴距分別為135、100 mm，試驗過程及出苗效果見圖13。

圖13 田間播種試驗

參照NY/T1143—2006《播種機質量評價技術規(guī)范》、NY/T2709—2015《油菜播種機作業(yè)標準》，在播種20 d后隨機選取5廂，每廂隨機選取1 m，測得航天新芝T31-8平均出苗數(shù)為1.15株/穴，穴株數(shù)合格率85.77%((2±1)株/穴)，穴距合格率75.51%(68～203 mm)；華油雜62平均出苗數(shù)為1.16株/穴，穴株數(shù)合格率89.67%((2±1)株/穴)，穴距合格率81.54%(50～150 mm)，滿足芝麻、油菜精量穴播要求。

6 結論

(1)基于華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢種子物料特性與(2±1)粒/穴精量穴播農(nóng)藝要求，設計一種采用傾斜拋物線型孔充種、環(huán)槽凸臺攪種型孔輪，完成精量穴播集排器和直播機整機結構設計。

(2)EDEM仿真分析了型孔和攪種結構參數(shù)對充種性能的影響規(guī)律，確定了型孔輪主要結構參數(shù)的較優(yōu)值，得出了依據(jù)種子物料特性確定拋物線頂點至型孔輪中心距離、型孔側邊傾角及環(huán)槽凸臺深度較優(yōu)值的計算方法。借助高速攝影儀與JPS-12型排種性能試驗臺開展臺架驗證試驗，得出較優(yōu)結構和運行參數(shù)條件下華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢充種合格率分別為96.88%、94.58%、95.83%，穴粒數(shù)合格率分別為92.00%、90.00%、90.67%，穴距合格率分別為83.67%、81.83%、82.50%。

(3)田間試驗表明，航天新芝T31-8平均出苗數(shù)為1.15株/穴，穴株數(shù)合格率85.77%((2±1)株/穴)，穴距合格率75.51%(68～203 mm)；華油雜62平均出苗數(shù)為1.16株/穴，穴株數(shù)合格率89.67%((2±1)株/穴)，穴距合格率81.54%(50～150 mm)，滿足芝麻、油菜精量穴播要求。