韓建鋒 ，杜娟慧 ，顧 昕 ，劉立超 ,2，李兆東 ,2※，劉 超

（1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院, 合肥 230036；2. 安徽省智能農(nóng)機(jī)裝備工程實(shí)驗(yàn)室, 合肥 230036；3. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院,廣州 510642；4. 安徽宏翔農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司, 馬鞍山 238100）

0 引 言

小麥?zhǔn)侵匾募Z食作物之一，種植面積占糧食作物種植總面積的35%以上[1]。小麥種植區(qū)域分布廣泛，北方以麥玉旱地輪作為主，南方以稻麥水旱輪作為主。當(dāng)前小麥播種機(jī)械化水平較高，但在稻茬黏重土壤條件下播種質(zhì)量仍有待提高[2]。

小麥播種分為撒播、條播和穴播3 種方式，其中條播技術(shù)被廣泛應(yīng)用，而條播又分為窄行條播和寬行條播2 種[3]。小麥播種過(guò)程主要由排種、輸種和導(dǎo)種3 個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)組成，工作中除受排種裝置、輸種裝置影響外，導(dǎo)種裝置對(duì)播種效果及后續(xù)苗情長(zhǎng)勢(shì)有重要影響[4]?，F(xiàn)有稻茬小麥窄行條播主要是通過(guò)排種器從種箱里拾取連續(xù)種子流，大都利用雙圓盤開溝器與導(dǎo)種管組合將種子流運(yùn)送至種溝內(nèi)。上述技術(shù)在矮留茬秸稈還田條件下作業(yè)效果較佳，但遇高留茬秸稈還田時(shí)受黏壤土與還田秸稈?cǎi)詈现萍s易存在導(dǎo)種裝置管口壅堵導(dǎo)致漏播斷條。余松烈[5]提出了旱地“增大播幅、籽粒分散”寬幅條播式導(dǎo)種技術(shù)并成功進(jìn)行了小麥高產(chǎn)栽培試驗(yàn)，在借鑒已有旱地小麥寬幅條播技術(shù)基礎(chǔ)上，開展稻茬小麥導(dǎo)種新技術(shù)研究顯得尤為重要。

小麥寬幅條播的優(yōu)點(diǎn)主要是合理密植、通風(fēng)透光、方便管理，其關(guān)鍵在于提供一種性能優(yōu)良的導(dǎo)種裝置。導(dǎo)種技術(shù)是一種將種子流連續(xù)導(dǎo)入種床表面的調(diào)控手段[6]，現(xiàn)有導(dǎo)種裝置主要有帶式導(dǎo)種[7-9]、管式導(dǎo)種[10-12]、氣送式導(dǎo)種[13-16]等3 種形式。帶式導(dǎo)種裝置一般應(yīng)用于穴播技術(shù)領(lǐng)域，John Deere 公司研制了一種毛刷帶式導(dǎo)種裝置用于將種子有序運(yùn)移至種床[17]；康建明等[18]設(shè)計(jì)了一種隔板帶式導(dǎo)種裝置，在輸送帶上增設(shè)隔板和種道護(hù)板護(hù)送種子定位投種；陳學(xué)庚等[19]設(shè)計(jì)了與氣吸式排種器組配且傳動(dòng)與投種機(jī)構(gòu)一體的帶式導(dǎo)種裝置。管式導(dǎo)種應(yīng)用較為廣泛，對(duì)穴播、條播均適應(yīng)，陳玉龍等[20]為提高玉米排種合格率，設(shè)計(jì)了一種固動(dòng)組合式導(dǎo)種管；張順等[21]為解決水稻內(nèi)充氣力式排種器種子成穴性能，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析建立了種子理論導(dǎo)送軌跡，并結(jié)合離散元法開展了導(dǎo)種管底板傾角與滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)成穴性能影響；YAZGI[22]進(jìn)行了不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)種管對(duì)播種性能影響研究，結(jié)果表明排種速度、導(dǎo)種管形狀對(duì)播種性能有顯著影響；KOCHER 等[23]開展了導(dǎo)種管不同磨損程度下的播種性能試驗(yàn)，結(jié)果得出受磨損的導(dǎo)種管播種性能顯著下降。氣送導(dǎo)種多應(yīng)用于條播，TANG 等[24]為提高玉米播種質(zhì)量，設(shè)計(jì)了用于內(nèi)充式玉米排種器氣流輔助種子導(dǎo)送裝置，分析了玉米種子在導(dǎo)種管中的運(yùn)動(dòng)機(jī)理；利用數(shù)值模擬分析了導(dǎo)種管不同結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，分析了種子在氣流作用下運(yùn)移機(jī)理；LIU 等[25]設(shè)計(jì)一種新型的玉米高速氣送導(dǎo)種裝置，數(shù)值分析了輸送裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)種子運(yùn)動(dòng)的影響，探討了進(jìn)氣氣流速度與播種機(jī)運(yùn)行速度的匹配關(guān)系；黃小毛等[26]設(shè)計(jì)了一種可折疊式導(dǎo)種裝置，應(yīng)用數(shù)值模擬與正交試驗(yàn)相結(jié)合的方法開展了輸送氣流速度、投種管長(zhǎng)度、投種管內(nèi)徑對(duì)排種性能影響規(guī)律研究；雷小龍等[27]運(yùn)用EDEM 軟件研究了導(dǎo)種管類型、導(dǎo)種管直徑、落種高度和作業(yè)速度4 因素對(duì)種子運(yùn)動(dòng)特性和播種性能影響試驗(yàn)。綜上所述，研究人員通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬仿真、正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法對(duì)不同形式的導(dǎo)種裝置進(jìn)行了卓有成效的研究，提高了不同作物的播種性能，但上述研究主要集中在對(duì)不同作物穴播或窄行條播導(dǎo)種技術(shù)上，對(duì)于寬行條帶導(dǎo)種技術(shù)方面的研究較少。

本文以寬條帶小麥導(dǎo)種裝置為研究對(duì)象，建立種子導(dǎo)種過(guò)程力學(xué)模型，應(yīng)用離散元法對(duì)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)種裝置寬條帶播種過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合單因素和正交試驗(yàn)優(yōu)化關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)行臺(tái)架和田間試驗(yàn)驗(yàn)證，旨在提升小麥寬條帶播種均勻性，為研制高性能稻茬黏壤土環(huán)境下小麥均勻播種裝備提供參考。

1 小麥寬條帶播種模式和導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)組成與工作原理

1.1 小麥寬條帶播種模式

小麥的寬條帶播種模式多種多樣，常見的播種幅寬為 60～120 mm，幅距為 70～170 mm，為解決小麥播種時(shí)前茬稻秸稈量大、土壤黏重板結(jié)導(dǎo)種裝置纏草、壅泥的問(wèn)題，提出一種寬條帶播種模式，播幅為 80 mm，播距為 100 mm，如圖 1 所示。

1.2 導(dǎo)種裝置總體結(jié)構(gòu)

導(dǎo)種裝置主要結(jié)構(gòu)有Y 型匯種管、剛性垂直輸種管、球面彈籽部件、斜面底板部件和殼體組成，整個(gè)導(dǎo)種裝置均為鐵質(zhì)材料。Y 型匯種管與分配器支管通過(guò)軟管連接，設(shè)計(jì)與分配器支管直徑相同為25 mm；Y 型匯種管與剛性垂直輸種管圓滑連接形成三通，設(shè)計(jì)直徑為35 mm；分引組合式導(dǎo)種裝置主要有分種結(jié)構(gòu)和引種結(jié)構(gòu)兩大關(guān)鍵部件，為均勻分布剛性垂直輸種管中隨機(jī)區(qū)域豎直掉落的小麥種子，因與球面碰撞后可均勻向四周分散，設(shè)計(jì)球面彈籽部件（球面彈籽部件內(nèi)嵌于殼體與底板部件相固結(jié)，其圓心位于剛性垂直輸種管中心位置正下方；為小麥種子在行內(nèi)橫向均勻分布，因斜面具有引流效果，設(shè)計(jì)斜面底板部件由內(nèi)向外傾斜。導(dǎo)種裝置導(dǎo)種分為分種和引種兩個(gè)重要過(guò)程。球面彈籽部件對(duì)從剛性垂直輸種管中連續(xù)下落的種子流均勻分配成2 行，利用斜面底板引種部件實(shí)現(xiàn)行內(nèi)寬條帶播種。結(jié)合寬條帶播種農(nóng)藝要求，針對(duì)小田塊常應(yīng)用幅寬2.3 m 的小麥氣送式精量聯(lián)合播種機(jī)，設(shè)計(jì)播種行數(shù)10 行，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 氣送式小麥播種機(jī)主要參數(shù)與性能指標(biāo)Table 1 Main parameters and performance indicators of pneumatic wheat seeder

1.3 工作原理

氣送式小麥播種機(jī)工作原理示意圖如圖2 所示。

圖3 為播種機(jī)的工作原理示意圖。根據(jù)圖3a，播種機(jī)在田間工作時(shí)，大量秸稈和土壤被旋耕刀組切碎拋向后方，通過(guò)擋泥板平整壟面，少量秸稈和土壤通過(guò)擋泥板下方間隙拋蓋由導(dǎo)種裝置導(dǎo)入播種條帶內(nèi)的種子，同時(shí)鏵式犁完成開廂溝。

根據(jù)圖3b，種箱內(nèi)的小麥種子在重力作用下充入供種裝置，多排錯(cuò)置式傾斜拋物線型孔將種子定量運(yùn)移至文丘里管，風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的高速氣流將文丘里管內(nèi)的種子運(yùn)移至分配器進(jìn)行多管路均勻分配，各管路內(nèi)種子流經(jīng)柔性輸種管輸入導(dǎo)種裝置，連續(xù)運(yùn)移的種子流在導(dǎo)種裝置中經(jīng)過(guò)匯種管匯聚并由剛性垂直輸種管輸送至球面彈籽部件（分種結(jié)構(gòu)）碰撞后形成2 行均勻的種子流，并通過(guò)斜面底板部件（引種結(jié)構(gòu)）形成寬行內(nèi)的橫向均勻種子流，最終從導(dǎo)種裝置導(dǎo)種口導(dǎo)至土壤，完成播種。

1.4 關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1 農(nóng)藝要求，同時(shí)為減少稻麥輪作區(qū)前茬稻秸稈量大導(dǎo)種裝置纏草、壅泥甚至堵塞而出現(xiàn)斷條現(xiàn)象，導(dǎo)種裝置設(shè)計(jì)為一分為二的寬條帶型式，主要部件為球面彈籽部件和斜面底板，種子流經(jīng)導(dǎo)種裝置匯聚后由球面彈籽部件均勻分種，最后通過(guò)斜面底板進(jìn)行橫向均勻引種并導(dǎo)入種床，提高導(dǎo)種均勻性。根據(jù)圖3 氣送式小麥播種機(jī)工作原理，散粒體種群在自身重力作用下與分種部件頂部接觸碰撞后向左右分流，為使下落種群均勻分行，設(shè)計(jì)分種部件結(jié)構(gòu)形狀為球面；分成兩行的種子流在合外力作用下沿各行內(nèi)壁運(yùn)動(dòng)至導(dǎo)種口，具有一定坡度的斜面可使種子在行內(nèi)橫向上受到一定分力作用，實(shí)現(xiàn)種子流由內(nèi)向外偏移，故引種部件設(shè)計(jì)為斜面底板。由此看出，球面彈籽部件和斜面底板部件對(duì)下落種群的分種和引種起到至關(guān)重要作用。

圖1 小麥寬苗帶撒播農(nóng)藝模式Fig.1 Agronomic mode of wheat wide-boundary sowing

圖2 氣送式小麥播種機(jī)整機(jī)及導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of air-fed wheat seeder and seed guiding device

圖3 氣送式小麥播種機(jī)工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of working principle of pneumatic wheat seeder

1.4.1 小麥導(dǎo)種裝置分種過(guò)程分析

根據(jù)播種機(jī)的工作原理可知，分引組合式雙行寬條帶導(dǎo)種裝置導(dǎo)種主要分為分種和引種兩個(gè)過(guò)程，為研究導(dǎo)種裝置導(dǎo)種效果，確定球面彈籽部件（分種結(jié)構(gòu)）對(duì)各行排量的影響和斜面底板部件（引種結(jié)構(gòu)）對(duì)行內(nèi)橫向均勻度的影響，對(duì)分種結(jié)構(gòu)分種和引種結(jié)構(gòu)引種兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行分析。分種過(guò)程中，小麥種子在重力作用下沿剛性垂直輸種管垂直下落，并最終與球面彈籽部件碰撞。碰撞時(shí)，由于種子速度較快，兩者無(wú)明顯形變且碰撞沖力遠(yuǎn)大于其他的力，可近似看做完全彈性碰撞，碰撞過(guò)程中小麥種子的受力情況（忽略小麥種子形狀的影響）如圖4 所示。

圖4 小麥種子與彈籽部件碰撞受力分析圖Fig.4 Collision force analysis diagram of wheat seed and elastic seed component

已知球面彈籽部件的半徑為R，為研究剛性垂直輸種管中小麥種子如何均勻分為2 行寬條帶，對(duì)空間中小麥種子與球面彈籽部件的碰撞區(qū)域進(jìn)行分析，將分流區(qū)域沿垂直方向剖開，如圖5 所示，其中箭頭為種子運(yùn)動(dòng)方向及軌跡，碰撞區(qū)域分為3 部分：小麥種子與球面彈籽部件能夠直接接觸的區(qū)域，或者說(shuō)能夠發(fā)揮分流效果的區(qū)域（Sa和Sb）；小麥種子很少與球面彈籽部件接觸的區(qū)域，或者說(shuō)無(wú)法發(fā)揮分流效果的區(qū)域（Sc）。在Sa和Sb區(qū)域，根據(jù)種子流相對(duì)球面彈籽部件碰撞形成的入射角大小，將小麥種子與球面彈籽部件碰撞的型式分為3 種：

圖5 種子與彈籽部件的碰撞運(yùn)動(dòng)模型Fig.5 Collision motion model of seed and collision seed part

1）小麥種子與球面彈籽部件的碰撞點(diǎn)位于Sa和Sb區(qū)域的交界處，連接球面彈籽部件圓心與碰撞點(diǎn)做法線，可知入射角無(wú)論多大反射角都會(huì)向指向四周，此時(shí)，無(wú)論小麥種子碰撞前的速度方向如何，碰撞后小麥種子的運(yùn)動(dòng)方向最終均朝向兩側(cè)。

2）小麥種子與球面彈籽部件的碰撞點(diǎn)位于Sb區(qū)域內(nèi)時(shí)，同樣連接球面彈籽部件圓心與碰撞點(diǎn)做法線，由于碰撞時(shí)入射方向不明確且入射角小，導(dǎo)致反射方向不明確，存在左半球Sb區(qū)域碰撞點(diǎn)的種子彈向右側(cè)，同理也存在右半球Sb區(qū)域碰撞點(diǎn)的種子彈向左側(cè)，故Sb區(qū)域碰撞的小麥種子分流效果影響整體分流效果。

3）小麥種子與球面彈籽部件的碰撞點(diǎn)位于Sa和Sc區(qū)域時(shí)， 此時(shí)，碰撞后小麥種子的運(yùn)動(dòng)軌跡與分流效果同 1)。

根據(jù)圖5 小麥種子碰撞后的運(yùn)動(dòng)軌跡，離開球面彈籽部件表面時(shí)，忽略空氣阻力影響，小麥種子僅受到自身重力FG作用，此時(shí)小麥種子的運(yùn)動(dòng)可近似看作類平拋運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖5 有如下關(guān)系：

式中vx為水平分速度，m/s；vy為豎直分速度，m/s；g為重力加速度，9.8 m/s2；X1為無(wú)球面彈籽部件時(shí)總水平距離，mm；X2為有球面彈籽部件時(shí)總水平距離，mm；γ為種子碰撞時(shí)種子的入射角，γ∈（0，π/4），rad；為沿l2運(yùn)動(dòng)上升時(shí)間，s；為平拋時(shí)間，s。解得小麥種子降落的時(shí)間為

根據(jù)式（1）～（3），當(dāng)小麥種子速度v0不變時(shí)，球面彈籽部件半徑R影響碰撞后運(yùn)動(dòng)軌跡l2、高度H2和運(yùn)動(dòng)時(shí)間t2，進(jìn)而對(duì)種子的水平位移造成影響，最終對(duì)種子分流效果造成影響。因此球面彈籽部件半徑R是影響種子均勻分流的重要因素。研究球面彈籽部件旨在探究導(dǎo)種裝置各行排量一致性，提高播種均勻性。

1.4.2 斜面底板部件引種過(guò)程分析

斜面底板部件是關(guān)鍵的引種結(jié)構(gòu)，為保證寬條帶播種達(dá)到種子行內(nèi)橫向均勻性要求，對(duì)導(dǎo)種裝置的斜面底板進(jìn)行分析。斜面底板是一個(gè)空間三維斜面，三維斜面相對(duì)于水平面的夾角β不同，對(duì)種子行內(nèi)橫向均勻度的影響不同，故對(duì)引種過(guò)程進(jìn)行分析，分析小麥種子在三維斜面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，求解三維斜面與水平面的夾角β，以及β同三維斜面正視圖（YOZ平面）與水平面的夾角θ、三維斜面右視圖（XOZ平面）與水平面的夾角α三者之間的關(guān)系。為抑制種子在斜面靜止，根據(jù)前期試驗(yàn)小麥種子的滑動(dòng)摩擦角為32°，為防止種子重力沿斜面的分力小于摩擦力導(dǎo)致種子在三維斜面上滯留、壅堵，本文確定α=35°。為使小麥種子在出口處左右兩側(cè)均勻分流，需確定θ角的大小。

以三維斜面最低點(diǎn)作為原點(diǎn)，建立三維直角坐標(biāo)系，如圖6 所示，各點(diǎn)坐標(biāo)為O（0，0，0）、A（0，-1，tanθ）、B（-1，0，tanα）；AOB三點(diǎn)構(gòu)成空間三維斜面，根據(jù)空間向量法有：

圖6 斜面底板空間角度關(guān)系Fig.6 Beveled bottom plate slope spatial angle relation

解得：

根據(jù)圖6 和式（5）可知，β取決于α和θ，β越大，三維斜面由內(nèi)向外的傾斜程度越大，種子的行內(nèi)橫向水平位移就越大，越易于聚集在導(dǎo)種口外側(cè)；β越小，三維斜面由內(nèi)向外的傾斜程度越小，種子的行內(nèi)橫向水平位移就越小，越易于聚集在導(dǎo)種口內(nèi)側(cè)，故β是影響種子行內(nèi)橫向均勻性的主要因素。又由于α為定值，β與θ正相關(guān)，因此θ也是影響行內(nèi)橫向均勻性的主要因素。

2 離散元仿真分析

離散元仿真是解決顆粒運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的有效途徑，不僅降低試驗(yàn)成本，還可減少試驗(yàn)周期，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域。分引組合式導(dǎo)種裝置設(shè)計(jì)的核心是球面彈籽部件和斜面底板，根據(jù)前述分析，球面彈籽部件直徑影響分種均勻性，斜面底板坡度影響行內(nèi)橫向播種均勻性。為探究球面彈籽部件直徑和斜面底板坡度對(duì)導(dǎo)種性能的影響，尋出較優(yōu)導(dǎo)種性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，開展離散元仿真試驗(yàn)，對(duì)比分析小麥種子經(jīng)導(dǎo)種裝置導(dǎo)種后在種床帶上的分布，優(yōu)化關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 小麥種子離散元顆粒模型

根據(jù)前期研究及相關(guān)文獻(xiàn)[28-30]，小麥種子顆粒形狀不規(guī)則，可看作橢球體。本文選取許科1 號(hào)小麥種子為研究對(duì)象，利用游標(biāo)卡尺對(duì)隨機(jī)選取的100 粒種子進(jìn)行測(cè)定，三軸尺寸如圖7a 所示，求得三軸平均尺寸為長(zhǎng)6.30 mm，寬3.09 mm，厚2.75 mm，選取4 球組合構(gòu)建小麥種子離散元顆粒模型，如圖7b 所示。

2.2 導(dǎo)種裝置離散元仿真模型

利用Creo 三維繪圖軟件結(jié)合EDEM 離散元仿真軟件建立導(dǎo)種裝置離散元仿真模型，種床帶縱向?qū)ΨQ面與導(dǎo)種裝置對(duì)稱面重合，尺寸為1 500 mm×600 mm，根據(jù)田間播種時(shí)落種口距地面30～50 mm，設(shè)計(jì)導(dǎo)種裝置出種口距種床帶表面40 mm，便于觀察種床帶上的種子分布情況。如圖8 所示。

圖8 導(dǎo)種裝置離散元仿真模型Fig.8 Discrete element simulation model of seed guiding device

本文主要研究小麥籽粒與小麥籽粒間的接觸和小麥籽粒與導(dǎo)種裝置（主要包括Y型匯種管，輸種管，球面彈籽部件、斜面底板）接觸，以及種子與種床帶間的接觸，為更好模擬田間環(huán)境，設(shè)置種床帶的接觸參數(shù)為土壤接觸參數(shù)[31-32]，如表2 所示。

表2 材料接觸模型參數(shù)設(shè)置Table 2 Factor level table of seeding performance test

設(shè)計(jì)仿真總時(shí)間為10 s，根據(jù)農(nóng)戶提供的不同播種時(shí)期播量，設(shè)計(jì)顆粒工廠的落種量為150、300 和450 kg/hm2。根據(jù)2.3 m 幅寬機(jī)型小麥播種行數(shù)（10 行）設(shè)計(jì)每個(gè)顆粒工廠的種子生成速度為78、155 和234 顆/s。由于稻茬田秸稈量大，土壤板結(jié)黏重，為達(dá)到最佳播種效果，根據(jù)農(nóng)戶經(jīng)驗(yàn)（常用的拖拉機(jī)田間作業(yè)速度為3.6 km/h），設(shè)置種床帶相對(duì)導(dǎo)種裝置的運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s。

2.3 試驗(yàn)方案

仿真結(jié)束后，進(jìn)入EDEM 軟件的Analyst 模塊，對(duì)導(dǎo)種裝置導(dǎo)出口處的種子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，每個(gè)導(dǎo)種口設(shè)置一個(gè)網(wǎng)格單元（1 000 mm×80 mm×50 mm)，計(jì)算各行排量一致性變異系數(shù)，如圖9a 所示。對(duì)種床帶上的種子進(jìn)行區(qū)域劃分，每側(cè)導(dǎo)種口對(duì)應(yīng)的種床帶劃分為2×5 的單元網(wǎng)格（每個(gè)單元網(wǎng)格為200 mm×40 mm×50 mm），計(jì)算種子行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)，如圖9b 所示。

圖9 仿真試驗(yàn)排量統(tǒng)計(jì)方法Fig.9 Statistical method of seed number in simulation test

2.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)與計(jì)算方法

各行種子排量一致性變異系數(shù)δ1與行內(nèi)種子橫向均勻度變異系數(shù)δ2越小，說(shuō)明排種均勻性和行內(nèi)種子分布均勻度越高。

各指標(biāo)計(jì)算式如下：

式中為2 行5 次測(cè)量的排種量均值；sc為2 行5 次測(cè)量的平均排種量標(biāo)準(zhǔn)差；為機(jī)具前進(jìn)方向左側(cè)排種量；為左側(cè)排種量平均值；j為重復(fù)次數(shù)，j=5；x右為機(jī)具前進(jìn)方向右側(cè)排種量；為右側(cè)排種量平均值。

式中為行小麥平均籽粒數(shù)；xi為第i行的小麥籽粒數(shù)；xij為第i行第j列網(wǎng)格單位的小麥籽粒數(shù)；m為行數(shù)，m=2；n為列數(shù)，n=5；e為每行內(nèi)小麥籽粒數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；δ2為行內(nèi)小麥的橫向均勻度變異系數(shù)，%

3 仿真試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 單因素試驗(yàn)

3.1.1 球面彈籽部件直徑對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

根據(jù)剛性垂直輸種管直徑為30 mm，設(shè)置球面彈籽部件直徑分別為0 、10 、20 、30 、40 、50 和 60 mm共7 個(gè)梯度進(jìn)行單因素試驗(yàn)，不同球面彈籽部件直徑下的斜面底板坡度傾角均為10°，材料為鐵質(zhì)。

圖10a 為不同球面彈籽部件直徑對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)的影響。從圖10a 可看出，各行排量一致性變異系數(shù)隨球面彈籽部件直徑的增大呈先減小后增大趨勢(shì)，當(dāng)球面彈籽部件直徑為40 mm 時(shí)，播量為150 kg / hm2的各行排量一致性變異系數(shù)δ1最佳，為0.98%。由圖10b可知，球面彈籽部件直徑對(duì)行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)無(wú)明顯影響，隨著球面彈籽部件直徑不斷增大，行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)基本保持在8%～12%。

圖10 主要試驗(yàn)因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響Fig.10 Effects of main experimental factors on evaluation index

3.1.2 斜面坡度對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響

試驗(yàn)固定球面彈籽部件直徑為40 mm，種子經(jīng)球面彈籽部件碰撞后一分為二呈“八字形”引流，為達(dá)到寬幅均勻播種，設(shè)定一定的斜面坡度傾角，根據(jù)小麥種子的滑動(dòng)摩擦角為32°并結(jié)合依據(jù)理論分析圖6，設(shè)定斜面右視圖（XOZ平面）與水平面的夾角α為35°。坡度傾角選取0°、5°、10°、15°、20°共5 個(gè)梯度進(jìn)行試驗(yàn)。

不同斜面底板坡度對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響曲線如圖10c 所示。根據(jù)圖10c 可知，隨著斜面底板部件的坡度不斷增大，各行排量一致性變異系數(shù)始終保持在1.1%～1.7%，表明斜面底板坡度對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)的影響不大，與理論分析相符。由圖10d可知，隨著斜面底板部件的坡度不斷增大，行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)斜面底板坡度為10°時(shí)，播量為150 kg / hm2行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)最佳為8.45%。

3.2 正交試驗(yàn)

3.2.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為優(yōu)化導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果選取球面彈籽部件直徑26～54 mm，斜面底板部件的坡度傾角3 °～17 °，進(jìn)行二次正交旋轉(zhuǎn)組合正交試驗(yàn)，正交試驗(yàn)因素與水平如表3 所示。

表3 正交試驗(yàn)因素與水平Table 3 Orthogonal test factors and levels

3.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

利用Design-Expert 分析軟件對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸分析.試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal test scheme and results

方差分析如表5 所示。

表5 方差分析Table 5 Analysis of variance

由表5 可知，球面彈籽部件直徑對(duì)各行排量一致性變異系數(shù)影響顯著，斜面坡度對(duì)行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)影響顯著，且失擬項(xiàng)均不顯著，回歸方程如下：

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知，優(yōu)化后導(dǎo)種裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)球面彈籽部件直徑為40 mm，斜面底板坡度為10°；通過(guò)計(jì)算可得預(yù)期結(jié)果各行排量一致性變異系數(shù)為2.17%、行內(nèi)橫向均勻的變異系數(shù)為22.73%。

3.3 不同導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)的導(dǎo)種性能對(duì)比

根據(jù)市場(chǎng)現(xiàn)有的寬苗帶導(dǎo)種裝置，利用三維建模軟件建立仿真模型并導(dǎo)入離散元仿真軟件進(jìn)行對(duì)比分析。其中分種結(jié)構(gòu)的球面彈籽件直徑均設(shè)置為40 mm，引種結(jié)構(gòu)分別為斜面底板型坡度10°、波浪底板型放射均布6 凹槽、弧面底板型半徑500 mm、平面底板型，如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 不同播量下各導(dǎo)種裝置型式導(dǎo)種性能仿真結(jié)果Table 6 Simulation results of different seeding guiding device types on the performance of seeding

圖11 不同導(dǎo)種裝置型式Fig.11 Different types of seed guides

由表6 可知，4 種雙行寬條帶分引組合式導(dǎo)種裝置模型在3 種不同播量下的各行排量一致性變異系數(shù)和行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)由大到小排列均為平面底板型、弧面底板型、波浪底板型、斜面底板型， 結(jié)果顯示斜面底板型導(dǎo)種裝置結(jié)構(gòu)最優(yōu)。當(dāng)播量為450 kg / hm2時(shí)，斜面底板型導(dǎo)種裝置播種效果最佳，各行排量一致性變異系數(shù)為2.92%、行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)為14.19%，優(yōu)化后球面彈籽部件直徑40 mm，斜面坡度10°的斜面底板型導(dǎo)種裝置的排種性能與預(yù)期結(jié)果基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

4.1 臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)使用JPS-12 試驗(yàn)臺(tái)，搭建氣送式小麥播種機(jī)工作的核心部件，如圖12 所示。取球面彈籽部件直徑為40 mm，斜面坡度為10°，對(duì)4 種導(dǎo)種裝置模型分別進(jìn)行不同播量下的臺(tái)架試驗(yàn)，小麥品種為許科1 號(hào)。使用風(fēng)機(jī)將種箱的種子經(jīng)供種裝置集中氣送至排種分配器并將種子均勻分配至10 條管路，其中2 條管路接入導(dǎo)種裝置，其余管路接入收集袋。為與仿真試驗(yàn)保持一致，設(shè)置JPS-12 試驗(yàn)臺(tái)傳送帶速度為3.6 km/h，通過(guò)控制排種轉(zhuǎn)速旋鈕將排種量設(shè)為3 個(gè)檔，分別為150 、300 和450 kg/hm2，為防止小麥種子在傳送帶上發(fā)生彈跳，在被測(cè)區(qū)涂覆3 mm 厚、300 mm 寬的的桐油，以增大傳送帶對(duì)小麥種子的黏附力，降低試驗(yàn)誤差。制作一個(gè)2×5（每個(gè)單元網(wǎng)格為200 mm×40 mm×50 mm）的簡(jiǎn)易框架，隨機(jī)選取縱向1 m 長(zhǎng)的傳送帶，均勻分成5 段，橫向分為2 行，統(tǒng)計(jì)各單元格內(nèi)的小麥種子數(shù)量，計(jì)算行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)。測(cè)量收集袋內(nèi)小麥種子質(zhì)量，計(jì)算各行排量一致性變異系數(shù)。每項(xiàng)試驗(yàn)時(shí)間為3 min，重復(fù)6 次，結(jié)果取平均值。

圖12 臺(tái)架試驗(yàn)Fig.12 Bench experiment

不同播量下4 種導(dǎo)種裝置各行排量一致性變異系數(shù)和行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)如圖13 所示。

圖13 導(dǎo)種裝置性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Performance comparison test results of seed guiding device

當(dāng)球面彈籽部件直徑為40 mm 時(shí)，不同播量下均有斜面底板型坡度10 °導(dǎo)種裝置各行排量一致性變異系數(shù)和行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)最小，當(dāng)播量為450 kg/hm2時(shí)，平均各行排量一致性變異系數(shù)為2.31%，平均行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)為14.21%，與仿真結(jié)果基本吻合，驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的可靠性和合理性。

由圖13a 可知，4 種導(dǎo)種裝置各行排量一致性變異系數(shù)隨播量的增大而減小，斜面底板型變異系數(shù)最??；從圖13b 看出，4 種導(dǎo)種裝置的行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)隨播量的增大變化不明顯，同一播量下行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)由高到低的順序?yàn)槠矫娴装逍汀⒒∶娴装逍?、波浪底板型和斜面底板型，且均不大?5%，分析其原因在于：臺(tái)架播種性能試驗(yàn)播量為150～450 kg/hm2，盡管播量差異較大，但各導(dǎo)種裝置的單行播種幅寬較小，單位面積內(nèi)種子密度相對(duì)較大，因此播量變化時(shí)，導(dǎo)種裝置行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)無(wú)明顯變化；相同播量條件下，4 種導(dǎo)種裝置行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)變化明顯，原因是導(dǎo)種裝置的引種結(jié)構(gòu)不同，與其他型式導(dǎo)種裝置相比，同一播量下，斜面底板型導(dǎo)種裝置的各行排量一致性變異系數(shù)最低下降了0.45 個(gè)百分點(diǎn)；行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)最低下降了13 個(gè)百分點(diǎn)，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

4.2 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的小麥導(dǎo)種裝置工作性能，于2022 年11 月27 日在安徽省馬鞍山市含山縣清溪鎮(zhèn)馬橋行政村開展田間驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)田土壤類型為黃棕壤，耕層土壤堅(jiān)實(shí)度為736～815 kPa，稻茬高度為150～400 mm，稻秸稈覆蓋量為0.74～1.32 kg/m2，土壤干基含水率為27.56%～35.12%。試驗(yàn)時(shí)2BQMG-10/12 型小麥集排氣送式定量播種機(jī)由常發(fā)農(nóng)機(jī)CFF1004-H 型輪式拖拉機(jī)提供動(dòng)力，將播種機(jī)調(diào)整至正常工作狀態(tài)，控制拖拉機(jī)的行走速度為3.6 km/h，播種量設(shè)為3 檔，分別為150 、300 和450 kg/hm2，拖拉機(jī)在田間行進(jìn)100 m，將每個(gè)導(dǎo)種口用收集袋套住，用電子天平稱量排種量，田間試驗(yàn)及出苗效果圖14 所示。播種65 d 后，將每行小麥隨機(jī)選取5 段，每段長(zhǎng)度為1 m，測(cè)定區(qū)域內(nèi)的小麥株數(shù)，每行內(nèi)的小麥分成2 窄行，測(cè)定每行內(nèi)株數(shù)，計(jì)算行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 田間試驗(yàn)結(jié)果Table 7 Field test results

圖14 田間試驗(yàn)Fig.14 Field test

由表7 可知，與其他3 種寬條帶導(dǎo)種裝置相比，所設(shè)計(jì)的導(dǎo)種裝置的各行排量一致性變異系數(shù)最低下降了2.73 個(gè)百分點(diǎn)，行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)最低下降了10.61 個(gè)百分點(diǎn)；各播量下斜面底板型導(dǎo)種裝置各行排量一致性變異系數(shù)和行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)均最小，各行排量一致性變異系數(shù)在2.0%～4.0%范圍內(nèi)波動(dòng)，行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)在14%～16%范圍內(nèi)波動(dòng)，作業(yè)穩(wěn)定性較高，與臺(tái)架試驗(yàn)和仿真結(jié)果的誤差均不超過(guò)5%，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

1）為解決稻茬田小麥機(jī)械化帶狀播種時(shí)受黏重土壤與秸稈還田耦合作用制約存在導(dǎo)種裝置壅堵導(dǎo)致斷條的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種非觸土播種小麥分引組合式雙行寬條帶導(dǎo)種裝置，闡述了導(dǎo)種裝置的工作原理，構(gòu)建了小麥在分種和引種過(guò)程的力學(xué)模型，理論分析了影響導(dǎo)種均勻性的關(guān)鍵要素。

2）應(yīng)用EDEM 離散元仿真，通過(guò)單因素和正交試驗(yàn)，建立了球面彈籽部件直徑和斜面坡度與分引組合式導(dǎo)種裝置各行排量一致性變異系數(shù)和行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)的二次回歸數(shù)學(xué)模型，分析了各因素對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，得出較優(yōu)參數(shù)組合為球面彈籽部件直徑40 mm，斜面坡度10°，并在該參數(shù)組合下開展3 種播量仿真試驗(yàn)，在播量 450 kg/hm2下，播種效果最佳，各行排量一致性變異系數(shù)為2.92%，行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)為14.19%，導(dǎo)種裝置可有效實(shí)現(xiàn)均勻分種及行內(nèi)均勻播種。

3）通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)參數(shù)組合下不同播量的播種性能，試驗(yàn)表明斜面底板型導(dǎo)種裝置的平均各行排量一致性變異系數(shù)為2.31% ，平均行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)為14.21%；田間試驗(yàn)表明，不同播量下，斜面底板型導(dǎo)種裝置的各行排量一致性變異系數(shù)均在2.0%～4.0%，行內(nèi)橫向均勻度變異系數(shù)均在14%～16%范圍內(nèi)，與仿真和臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果誤差不超過(guò)5%，滿足小麥寬條帶種植農(nóng)藝要求。