摘要：為改善小麥寬苗帶播種與玉米輪作種植質(zhì)量，開發(fā)一種與輪作種植相配套的寬苗帶小麥播種農(nóng)藝，并根據(jù)新開發(fā)農(nóng)藝的要求，設(shè)計(jì)一種小麥寬苗帶高速排種器。對(duì)其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行理論分析，建立確定排種器參數(shù)所需的理論數(shù)學(xué)模型。借助離散元仿真軟件，確定該排種器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。對(duì)所設(shè)計(jì)的小麥寬苗帶播種系統(tǒng)進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，結(jié)果表明，其播種總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)和種子破碎率均滿足國家要求，試驗(yàn)測(cè)得苗帶平均寬度為12 cm，與理論設(shè)計(jì)寬度相符合。開展田間試驗(yàn)并利用Design-Expert對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸建模與方差分析，利用建立的優(yōu)化模型對(duì)回歸方程進(jìn)行分析。當(dāng)排種輪轉(zhuǎn)速為40 r/min、機(jī)具作業(yè)速度為10 km/h時(shí)，樣機(jī)的行間排量一致性變異系數(shù)最小為1.69%，苗帶分布合格率達(dá)到95.1%。

關(guān)鍵詞：小麥；寬苗帶；高速；排種；離散元

中圖分類號(hào)：S223.2" " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：2095?5553 （2024） 10?0017?08

Design and test of high speed seeding system for wheat wide seedling belt

Geng Duanyang1， Kang Yunyou2， Wang Wenli3， Zhang Yangmeng3， Zhu Junke1， Wang Xianliang1

（ 1. School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255000， China;

2. Shandong Agricultural Machinery Technology Extension Station， Jinan， 274399， China;

3. Zibo Institute of Agricultural Machinery Research， Zibo， 255000， China）

Abstract： In order to improve the quality of wheat wide seedling belt sowing and corn rotation planting， a new agronomy of wide seedling belt wheat sowing matching with corn rotation planting was developed， and a high?speed metering device of wheat wide seedling belt was designed according to the requirements of newly developed agronomy. The key structural parameters were analyzed theoretically， and the theoretical model of parameter determination was established. With the help of discrete element simulation software， the structural parameters of the seed metering device were determined. The bench test of the designed wheat wide seedling belt sowing system was carried out. The results showed that the coefficient of variation of the total seeding displacement stability， the coefficient of variation of each row displacement consistency and the seed breakage rate all met the national requirements. The average width of the seedling belt measured in the test was 12 cm， which was consistent with the theoretical design width. The field experiment was carried out， and the regression modeling and variance analysis of the experimental data were carried out by Design-Expert. The regression equation was analyzed by using the established optimization model. The results showed that when the rotation speed of the metering wheel was 40 r/min and the operation speed of the machine was 10 km/h， the minimum coefficient of variation of the inter?row displacement consistency of the prototype was 1.69% and the qualified rate of the seedling belt distribution reached 95.1%.

Keywords： wheat; wide seeding belt; high speed; seeding; discrete element

0 引言

小麥作為我國北方地區(qū)主要糧食作物，其產(chǎn)量對(duì)國家糧食安全戰(zhàn)略具有舉足輕重的影響。近年來，雖然其種植面積有所下降（約為2.4×107 hm2左右），但其單產(chǎn)有所增加，年產(chǎn)量基本穩(wěn)定在（1.28～1.30）×109 t左右[1]。由于我國人口基數(shù)較大導(dǎo)致小麥缺口有增大的趨勢(shì)，如2022年累計(jì)進(jìn)口9.96×106 t，較2020年增長(zhǎng)15%以上，所以在擴(kuò)大小麥種植面積潛力有限的條件下，提高小麥單產(chǎn)就成為保證小麥產(chǎn)量，保障國家糧食安全的主要手段。國外小麥播種機(jī)多為氣力式，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)力需求大、成本高[2]。2009年，中國工程院院士余松烈院士提出小麥寬苗帶播種技術(shù)，并證實(shí)了小麥寬苗帶種植農(nóng)藝可以提高小麥產(chǎn)量375～600 kg/hm2；但是由于寬苗帶涉及播種、開溝、種子分布等諸多問題，所以目前大多采用接近寬苗帶播種的小雙行播種農(nóng)藝。

在小麥寬苗帶相關(guān)研究方面，劉彩玲等[3， 4]設(shè)計(jì)了寬苗帶勾型窩眼輪式小麥精量播種器，在單個(gè)苗帶上可實(shí)現(xiàn)4行種子均勻交替排布，提高了排種均勻性；牛琪等[5]基于籽粒自流打散原理設(shè)計(jì)了斜置三角式分種裝置，提高了種子分布均勻性；翟萌萌[6]開發(fā)了燕尾槽播種鏟，種子通過兩次分散分布進(jìn)入布種器，實(shí)現(xiàn)小麥寬幅精量播種；于興瑞[7]、張銀平[8]等設(shè)計(jì)了小麥離心分種器，種子在離心力作用下被均勻分配到導(dǎo)種管，提高了分種均勻性、降低了籽粒破碎率。目前雖然黃淮海地區(qū)出現(xiàn)了類寬苗帶效果的小雙行播種，但對(duì)種子在該區(qū)域的分布規(guī)律研究不夠，制約了小麥產(chǎn)量提高的潛力；其次，由于小雙行的播種，也影響了小麥玉米輪作種植模式的配套性，增加了玉米播種的難度。

針對(duì)上述問題，本文以山東省小麥玉米輪作的種植制度為基礎(chǔ)，結(jié)合小麥寬苗帶播種的農(nóng)藝要求，開發(fā)雙排斜外槽輪式排種器以及呈中間凸起的燕尾槽式寬苗帶布種器，建立排種器確定參數(shù)所需的理論數(shù)學(xué)模型，并通過EDEM仿真分析及試驗(yàn)，獲得最優(yōu)工作參數(shù)，以期提高作業(yè)效果、充分發(fā)揮小麥增產(chǎn)潛力。

1 小麥寬苗帶種植農(nóng)藝的確定

山東地區(qū)糧食生產(chǎn)多為小麥玉米輪作種植，所以在確定小麥的寬苗帶播種農(nóng)藝時(shí)必須綜合考慮玉米的種植模式，以減少玉米/小麥根茬對(duì)小麥/玉米播種作業(yè)的影響，即在小麥/玉米播種時(shí)，其種植帶盡量避開玉米/小麥根茬。根據(jù)余松烈院士推薦的作業(yè)規(guī)范，小麥寬苗帶寬度與苗帶間距的比例為1∶（1.5～2）為佳，最終確定的小麥寬苗帶播種與玉米種植配套模式，如圖1所示。

考慮小麥行距較窄，田間秸稈容易擁堵開溝器，所以盡量選擇較寬的小麥行距，從而形成一個(gè)玉米行播種兩行小麥思想；進(jìn)一步為了減少玉米根茬、秸稈對(duì)小麥播種的影響，則選在小麥播種的起始行緊貼玉米種植帶，如圖1所示。設(shè)玉米播種行距為l1，小麥苗帶寬度為[2l2]，按照余松烈院士推薦的高產(chǎn)小麥種植模式達(dá)到小麥播種寬度與苗帶間距比例為1∶（1.5～2）的要求，則可選小麥苗帶間距為[4l2]，從而有

[2l2+4l2+2l2=l1] （1）

[l1=8l2] （2）

在本設(shè)計(jì)中，玉米播種行距為60 cm，則小麥苗帶寬度[2l2=15] cm；兩苗帶間距[4l2=30] cm。

2 寬苗帶高速排種系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)當(dāng)前小麥播種機(jī)外槽輪式排種器存在的諸多問題，結(jié)合當(dāng)前土地集約化經(jīng)營模式的逐漸普及以及大馬力拖拉機(jī)的快速發(fā)展，開發(fā)適合大播量、高速作業(yè)、且對(duì)種子損傷小的小麥寬苗帶排種器已成為實(shí)現(xiàn)上述播種農(nóng)藝、提高小麥播種機(jī)械化技術(shù)水平的關(guān)鍵，所以首先對(duì)小麥寬苗帶高速播種系統(tǒng)進(jìn)行研究。

2.1 排種輪結(jié)構(gòu)與排種器結(jié)構(gòu)的確定

一般來說，小麥排種輪多為直外槽輪式排種輪結(jié)構(gòu)，該排種器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整方便、且制造成本低廉，但由于結(jié)構(gòu)限制，在播種過程由于齒脊阻隔出現(xiàn)種子流的脈動(dòng)以及齒脊作用導(dǎo)致種子的損傷，從而使其多定位在低速、對(duì)播種質(zhì)量要求不嚴(yán)格的條件下使用。針對(duì)上述問題，為了消除傳統(tǒng)小麥播種存在的種子流脈動(dòng)問題，本排種器將直外槽式排種輪改為斜外槽式排種輪結(jié)構(gòu)，有效消除了播種過程種子流的脈動(dòng)問題，提高了排種器播種的均勻性；進(jìn)一步考慮斜外槽式排種輪作業(yè)過程會(huì)帶來軸向力影響軸承壽命的問題，所以又將單排斜槽改為雙排斜槽，且兩排斜槽成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了排種器作業(yè)過程軸向力的自平衡；又考慮種子流動(dòng)的順暢性以及分種過程種子向排種輪中部聚流而使種子出現(xiàn)擁堵、甚至擠傷的問題，所以兩排斜槽采用斷開錯(cuò)位的方式進(jìn)行分布，從而保證回流到中部的種子能轉(zhuǎn)向流入另一排的排種槽，既保證了外槽排種的均勻性，又避免了種子在此受到的損傷。斜槽的方向主要是考慮如果向外傾斜，則在排種過程會(huì)出現(xiàn)向兩邊聚流，而兩邊正好與排種盒側(cè)壁形成封閉空間，從而出現(xiàn)種子在此的擁堵和損傷現(xiàn)象，所以其外槽旋向確定為使種子向中部聚流的結(jié)構(gòu)，具體如圖2所示。

在上述研究基礎(chǔ)上，借助傳統(tǒng)排種器結(jié)構(gòu)比較成熟的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了基于寬苗帶播種的小麥排種器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該排種器主要由排種輪、排種盒、排種軸、回轉(zhuǎn)軸、排種舌和調(diào)節(jié)銷組成。工作時(shí)，排種輪在排種軸的驅(qū)動(dòng)下沿著逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而小麥種子沿著排種盒后壁流向排種輪，并充滿排種輪外槽腔體，借助排種輪與排種舌的定容約束，使得位于排種輪外的種子被逐漸向排種輪中部匯聚，而多余的種子通過中部錯(cuò)位間隙進(jìn)入下一排種輪外槽腔體，從而保證了每個(gè)排種輪腔體分出種子數(shù)量的一致性，也避免了傳統(tǒng)外排種輪種子必須通過排種舌和排種輪強(qiáng)制作用進(jìn)入下一外槽腔體出現(xiàn)的種子損傷問題。

2.2 排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.2.1 齒脊數(shù)的確定

齒脊數(shù)對(duì)有效充種容積比[k0]有很大的影響。如果齒脊數(shù)過少，則會(huì)影響排種的穩(wěn)定性；如果齒脊數(shù)過多，則又降低了充種的有效容積，所以本排種器的齒脊數(shù)根據(jù)影響排種均勻性最大的排種舌最小包角、種子的自然堆放角以及圓柱齒輪最少齒數(shù)來確定。由于種子的自然堆放角為[α0]（小麥種子堆放角為23°～38°），如圖3所示，所以其排種舌的最小包角

[βmin=2（90°-α0）] （3）

考慮在該包角內(nèi)，必須有3個(gè)齒脊才能形成2個(gè)相鄰、完整的封閉空間，完成對(duì)種子的精量排送，所以排種輪最少齒脊數(shù)

[Zmin=int360°βmin×2+1=int180°90°-α0×2+1] （4）

分別將小麥種子的堆放角最大及最小值代入式（4）中，則Zmin的取值應(yīng)為5或者7。借助圓柱齒輪的設(shè)計(jì)理論，當(dāng)齒數(shù)太少時(shí)，需要加快排種器轉(zhuǎn)速，齒頂部分才能獲得相同的線速度，由此帶來排量穩(wěn)定性會(huì)變差，所以排種器齒脊數(shù)的初值確定為7。

2.2.2 排種輪直徑的確定

排種輪直徑對(duì)播種均勻性和種子損傷率影響較為明顯。一般來說，當(dāng)排種輪直徑增大時(shí)，排種器轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)降低，但是由此會(huì)造成排種均勻性的下降；反之，如果排種輪直徑減小，又會(huì)因轉(zhuǎn)速過高加劇種子損傷率。所以雖然《農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦播麥類為主的排種輪直徑為40～51 mm，且以40 mm為多，但該理論值更適合低速播種，難以滿足高速作業(yè)的需求[9， 10]。

設(shè)外排種輪基圓直徑為d，槽深為h，則排種輪外徑為[D=d+2h]，如圖4所示，排種輪寬度為l，種子的容重為γ，圓環(huán)面積

[A0=π4[（d+2h）2-d2]=π4（h2+2dh）2] （5）

排種輪工作區(qū)容積

[V=A0l=πl(wèi)4（h2+2dh）] （6）

假設(shè)齒槽工作區(qū)的有效容積比為k0，充種率為η，種子容重為γ，則排種器每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，其排種量

[q=γVkη=π4γlk（h2+2dh）η] （7）

設(shè)排種器最大轉(zhuǎn)速為nmax，則最大理論排種量

[Q=qn=π4γlkn（h2+2dh）η] （8）

按照農(nóng)藝要求，小麥播種量一般為300～420 kg/hm2之間[11]，取最大播量[Qn=420] kg/hm2，代入上述公式，則排種輪直徑[D≈60] mm。

進(jìn)一步，考慮該排種器在工作過程，需要多余的種子能在斜槽面推動(dòng)下向排種輪中部聚流，再多的種子必須由第一個(gè)斜槽滑入下一排的錯(cuò)位斜槽，所以根據(jù)可靠性理論中種子流動(dòng)過程自動(dòng)沿著阻力最小的方向運(yùn)動(dòng)，即沿著長(zhǎng)軸方向穿過兩錯(cuò)位分布的斜槽間隙，所以要求這兩個(gè)斜槽在此的間隙必須大于3倍的種子厚度[b']，由此確定了排種輪基圓直徑為

[πd≥Zmin?3b?2] （9）

代入相關(guān)數(shù)據(jù)可知，排種輪基圓直徑[d≥42.8] mm。

綜合考慮排量需要和斜外槽排種器螺旋面的厚度，最終取[D=60] mm。

2.2.3 斜排種輪角度確定

為了消除直外槽排種器存在的脈動(dòng)問題，該排種輪的外槽設(shè)計(jì)為斜槽結(jié)構(gòu)；為了消除分種過程的軸向力，將其斜槽設(shè)計(jì)為螺旋角相等的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖5所示，設(shè)排種輪寬度l=2δ，斜槽與排種輪軸線夾角為α1。顯然，斜槽與排種輪軸線夾角為α1越大，則越有利于種子在分種過程向中部聚流，但是該角度過大，又容易出現(xiàn)自流，影響斜槽腔體的充滿度，故以臨界狀態(tài)為例，種子的受力情況如圖6所示。小麥種子受到前方種子對(duì)其的阻力N0、斜槽面對(duì)其支撐力N3以及阻止種子沿斜槽面滑向中部摩擦力F，記φ為種子與排種器材料之間的摩擦角，顯然，要保證種子受到前方阻力作用下向排種輪中部聚流，則小麥種子受到的阻力N0沿斜槽面的分力N1必須大于種子受到斜槽面的摩擦力。

[N1≥F] （10）

[N1=N0sinα1F=tanφN3] （11）

[N3=N2=N0cosα1] （12）

將式（11）、式（12）代入式（10）中，可以得出[α1≥φ]。結(jié)合對(duì)小麥種子與尼龍材料摩擦系數(shù)（本排種輪采用尼龍注塑而成）的測(cè)定，[φ=19°～28°]。故斜槽與排種輪軸線夾角[α1]的初值確定為30°。

2.2.4 排種輪寬度確定

排種槽寬度對(duì)排種量的調(diào)節(jié)范圍影響很大，如果該寬度過大，則對(duì)小播量的控制精度影響較大；如果該寬度過小，則在播量要求較大時(shí)，排種輪必須在較高轉(zhuǎn)速下工作，從而加大了種子損傷的風(fēng)險(xiǎn)；考慮本排種器要兼顧高低速播種的要求，以及其播量主要采用改變排種器轉(zhuǎn)速的方式來實(shí)現(xiàn)，所以該排種器只要滿足最小排量穩(wěn)定性要求即可。設(shè)種子的長(zhǎng)度為[lz]，變異系數(shù)為[clz]，槽寬為δ，其變異系數(shù)為[cb]，故根據(jù)滿足種子順暢進(jìn)入種槽的可靠性要求，有

[?（δ-lz（cbδ）2+（clzlz）2）≈1] （13）

查正態(tài)分布表可得

[δ-lz（cbδ）2+（clzlz）2=3.8] （14）

參考山東省種植最為廣泛的小麥為濟(jì)麥22，其種子長(zhǎng)度均值為8 mm，變異系數(shù)0.1；槽寬的變異系數(shù)也為0.03，則計(jì)算可得[δ=11.3] mm，即排種器槽寬[δmin≥11.3] mm，即可在理論上保證種子順暢地充入種槽。

當(dāng)然，也可以按照農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的方法，即外排種輪排種器的δ≥（1.5～2）lz來確定，即δ≥12～16 mm。

由于該排種輪為兩邊完全對(duì)稱，結(jié)構(gòu)相互錯(cuò)位的螺旋槽結(jié)構(gòu)組成，所以排種輪寬度為2δ。最終確定排種輪寬度為30 mm。

2.3 導(dǎo)種管結(jié)構(gòu)確定

寬苗帶播種不是簡(jiǎn)單的加寬小麥的播種寬度，而是需要考慮小麥生長(zhǎng)過程的采光、通風(fēng)以及土壤中水、肥供給的均衡性，根據(jù)小麥生長(zhǎng)的邊際效應(yīng)，即苗帶兩邊的植株有著比較充足的光、水、肥條件，而苗帶中部的植株水肥供給相對(duì)受限，最終決定了苗帶植株分布最佳為中疏邊密結(jié)構(gòu)[12?14]，從而對(duì)導(dǎo)種提出了新的要求。

2.3.1 布種口結(jié)構(gòu)

如前所述，排種器出來的種子力求分布均勻，而苗帶布種要求中疏邊密，所以要實(shí)現(xiàn)該農(nóng)藝，則必須對(duì)排種管結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將燕尾槽式布種器設(shè)計(jì)為中間凸起。

2.3.2 種子在苗帶截面的分布模型

為了實(shí)現(xiàn)中疏邊密的播種要求，首先確定了種子在苗帶寬度的分布規(guī)律，取單位長(zhǎng)度的苗帶進(jìn)行布種量統(tǒng)計(jì)，設(shè)苗帶中部的種植密度為[q0]，兩邊的種植密度的增長(zhǎng)率為[k']倍，則在苗帶寬度為[2l2]的邊際種植密度為[k'q0]，確定種子分布模型。如本研究考慮種子分布的連續(xù)性和降低布種口的制造工藝，選用了二次函數(shù)模型進(jìn)行回歸，即以布種口中部為O點(diǎn)，建立如圖7所示的坐標(biāo)系，則有

[y=a1x2+b1x+c1] （15）

由上所述，該二次函數(shù)通過點(diǎn)（-b，k'q0），（0，q0）和（b，k'q0），代入式（15）有

[a1=k'q0/b2b1=0c1=q0] （16）

即種子在苗帶寬度的分布模型為

[y=k'q0b2x2+q0] （17）

進(jìn)一步，按照種子在布種口斜面均勻分布，要滿足上述農(nóng)藝布種要求，則布種口的曲線應(yīng)該與上述種子分布模型正好相反。即

[y=-k'q0b2x2-q0] （18）

2.3.3 布種口角度的確定

為了保證從導(dǎo)種管出來的種子沿著布種口能穩(wěn)定滑落，要求布種口最高處與導(dǎo)種管的連線與水平面的夾角[?]大于種子與導(dǎo)種管之間的摩擦角[φ']以及種子的休止角[ζ]。

根據(jù)相關(guān)資料查閱，小麥種子與排種管的摩擦角為28.5°～36.8°，其休止角為23°～38°，結(jié)合該角度過大，則種子在水平方向的分速度越小，即作業(yè)速度對(duì)播種均勻性影響較大，故本研究將其確定為40°～45°。

根據(jù)理論分析并結(jié)合EDEM仿真優(yōu)化，得出當(dāng)布種器的下種角[?=45°]，中間凸起的高度[h'=5] mm時(shí)，既能實(shí)現(xiàn)分種要求，又能保證排種順暢。其最終排種效果如圖8所示，苗帶兩邊密、中間疏，滿足新農(nóng)藝要求。對(duì)苗帶上種子分布情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和處理，得到苗帶種子分布曲線如圖9所示，陰影部分總面積為s，曲線為倒正態(tài)分布，函數(shù)表達(dá)式為

[fx=-12π?σe-x-μ22σ2+k] （19）

式中： k——調(diào)節(jié)系數(shù)。

其中[μ=0]；[σ=1]。

根據(jù)邊行優(yōu)勢(shì)和新農(nóng)藝要求，對(duì)苗帶種子分布合格率進(jìn)行評(píng)定，若每組統(tǒng)計(jì)苗帶長(zhǎng)度過長(zhǎng)則影響評(píng)測(cè)準(zhǔn)確性，確定為每1 m為一組檢測(cè)單位，分別記錄統(tǒng)計(jì)每組分布在[Q1]、[Q2]、[Q3]、[Q4]的種子數(shù)量，當(dāng)[（Q3+Q4）/S≥0.7]時(shí)，即為合格。

3 離散元仿真

考慮到高速排種對(duì)種子的損傷較高，為降低種子的機(jī)械損傷，進(jìn)一步優(yōu)化排種輪齒參數(shù)，在理論分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用EDEM仿真軟件，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)排種輪齒脊數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析并探索斜槽角度對(duì)排種效果的影響。

本研究所用小麥籽粒選用種植面積較廣、品質(zhì)較優(yōu)的濟(jì)麥22，隨機(jī)選取100粒籽粒，采用游標(biāo)卡尺重復(fù)測(cè)量小麥籽粒長(zhǎng)、寬、厚的尺寸參數(shù)取平均值。小麥籽粒模型的建立過程如圖10所示，小麥籽粒粘結(jié)模型由208個(gè)直徑為0.3 mm的球體顆粒粘結(jié)而成，其模型參數(shù)參考文獻(xiàn)[20]。

仿真過程采用顆粒替換實(shí)現(xiàn)在EDEM軟件中生成小麥籽粒離散元模型，之后立即給顆粒添BPM黏結(jié)模型以便牢固黏結(jié)，并通過改變排種輪齒脊數(shù)Z和斜槽角度ɑ1進(jìn)行兩因素三水平仿真試驗(yàn)，試驗(yàn)指標(biāo)為籽粒破碎率和排種均勻性，并將建立的排種器三維結(jié)構(gòu)導(dǎo)入EDEM，得到排種器仿真模型，其仿真環(huán)境如圖11所示。

仿真試驗(yàn)共分為9組，每組生成1 200粒小麥籽粒離散元模型進(jìn)行試驗(yàn)（表1），每組試驗(yàn)重復(fù)5次找出發(fā)生破碎的籽粒（圖12（a）），統(tǒng)計(jì)其發(fā)生破碎籽粒的數(shù)量并取平均值，根據(jù)高速排種要求，排種輪轉(zhuǎn)速選為45 r/min，各組排種效果情況如圖12（b）所示。

從圖12（a）可以看出，籽粒最易在上下兩端較細(xì)處以及中間腹溝處斷裂破碎，符合小麥籽粒自身力學(xué)特性。從圖12（b）可以看出，在排種輪轉(zhuǎn)速相同的情況下，排種速度隨排種輪齒脊數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，原因是由于齒脊數(shù)的增加占據(jù)了排種空間；排種速度隨斜槽角度的增加呈緩慢下降趨勢(shì)，原因是由于角度變大，斜槽對(duì)種子摩擦力變小，滑移增加。籽粒破碎率隨排種輪齒脊數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸升高趨勢(shì)，原因是齒脊數(shù)增多，排種輪每轉(zhuǎn)一周齒脊與籽粒碰撞的次數(shù)增大；斜槽角度為10°時(shí)，籽粒破碎率急劇上升，原因是籽粒在相間齒槽內(nèi)流動(dòng)性差，擠壓嚴(yán)重，斜槽角度為30°和50°時(shí)，籽粒破碎率相近且較低。綜合考慮最優(yōu)參數(shù)組合為：齒脊數(shù)為7，斜槽角度為30°，可在滿足高速排種的同時(shí)降低籽粒破碎。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

依據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，研發(fā)了相應(yīng)的試驗(yàn)樣機(jī)，如圖13所示。本次試驗(yàn)在臨淄富群農(nóng)機(jī)合作社進(jìn)行，試驗(yàn)田上茬作物為玉米，秸稈經(jīng)1次還田和2次旋耕處理，處理后秸稈較為細(xì)碎，且與土壤混合均勻。試驗(yàn)條件為：耕層土壤深度為10 cm、20 cm、30 cm，土壤含水率分別為11.8%、19.7%、23.2%，土壤堅(jiān)實(shí)度分別為1.1 MPa、3.7 MPa、4.6 MPa。試驗(yàn)材料為濟(jì)麥22號(hào)，其物理特性為千粒質(zhì)量44.6 g，容重773.2 g/L，含水率11.2%，凈度99.2%以上，試驗(yàn)用拖拉機(jī)為約翰迪爾-1204型拖拉機(jī)，作業(yè)速度為8 km/h以上。主要的試驗(yàn)內(nèi)容包括：排種器性能試驗(yàn)、總排量穩(wěn)定性試驗(yàn)、各行排量一致性試驗(yàn)、苗帶種子分布合格率試驗(yàn)等。

4.2 性能試驗(yàn)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》及機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6274.1—2013《谷物播種機(jī)第1部分：技術(shù)條件》中規(guī)定的總排量穩(wěn)定性測(cè)試方法進(jìn)行試驗(yàn)。

1） 排種軸轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min 、45 r/min、50 r/min。

2） 每次試驗(yàn)的排種時(shí)間設(shè)置為30 s。

3） 分別測(cè)量排種輪在不同轉(zhuǎn)速情況下排種器排出的種子質(zhì)量，每組試驗(yàn)重復(fù)5次。

4） 計(jì)算平均排種量[x]、標(biāo)準(zhǔn)差S和變異系數(shù)φ、種子破碎率τ。為方便各行小麥種子的收集，試驗(yàn)開始前需要用收集袋將排種口套住。

[x=1ni=1nxi] （20）

[S=1n-1（xi-x）2" " nlt;301n（xi-x）2" " " " " " "n≥30] （21）

其中，當(dāng)[nlt;30]時(shí)，分母為[n-1]；當(dāng)[n≥30]，分母為[n]。

[φ=100Sx] （22）

[Sp=Sin] （23）

[τ=τ1-τ0=Spx×100%-τ0] （24）

式中： Sp——平均破碎量，g；

Si——第i次破碎量，g；

n——試驗(yàn)次數(shù)；

τ1——試驗(yàn)后平均破碎率，%；

τ0——原始平均破碎率，%。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，在排種輪不同的轉(zhuǎn)速下，試驗(yàn)過程中所測(cè)得的變異系數(shù)最大為0.59%，籽粒破碎率最大為0.35%，與離散元仿真試驗(yàn)結(jié)果一致。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中總排量變異系數(shù)值不大于1.3%，籽粒破碎率均小于0.4%，符合排種器的性能要求，且對(duì)高低速作業(yè)具有較為穩(wěn)定的作業(yè)性能。

4.3 各行排量一致性、苗帶種子分布合格率及播種密度試驗(yàn)

各行排量一致性測(cè)試是考核不同行間排種器作業(yè)性能穩(wěn)定性的重要參數(shù)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī) 試驗(yàn)方法》規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行。

1） 機(jī)組前進(jìn)速度分別取8 km/h、10 km/h、12 km/h，三個(gè)水平；排種軸轉(zhuǎn)速取30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min、50 r/min，三個(gè)水平。

2） 分別測(cè)定在不同水平組合下各行的排量一致性情況，每組測(cè)量時(shí)間為30 s。

3） 每次測(cè)量時(shí)從12行中任取6行進(jìn)行稱重測(cè)量。

4） 計(jì)算各行平均排種量、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、播種密度和分布合格率。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

分布合格率

[ψ=Ax] （25）

式中： A——符合寬苗帶正態(tài)分布的排種量，g。

由表3可以看出，在上述試驗(yàn)條件下，樣機(jī)各行排量一致性變異系數(shù)[≤3.06%]，試驗(yàn)測(cè)定值小于JB/T 6274.1—2013《谷物播種機(jī)第1部分：技術(shù)條件》中規(guī)定的各行排量一致性變異系數(shù)值3.9%，因此，氣力輸送式小麥排種系統(tǒng)的各行排量一致性符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

經(jīng)過排種器性能試驗(yàn)、總排量穩(wěn)定性試驗(yàn)、各行排量一致性試驗(yàn)、苗帶種子分布合格率試驗(yàn)，得到排種器的各項(xiàng)指標(biāo)皆滿足國家技術(shù)要求。但是若機(jī)組前進(jìn)速度過慢，排種輪轉(zhuǎn)速過快，就會(huì)造成播種密度過高，不僅浪費(fèi)苗種還會(huì)降低小麥的抗倒伏能力，且不利于采光、通風(fēng)；若機(jī)組前進(jìn)速度過快，排種輪轉(zhuǎn)速過慢，就會(huì)造成播種密度過低，減產(chǎn)嚴(yán)重。所以根據(jù)文獻(xiàn)可知，小麥最佳播種密度在10.5～13.5 g/m2，且最低不低于9 g/m2，最高不超過15 g/m2。最佳的機(jī)組前進(jìn)速度與排種輪轉(zhuǎn)速配比：機(jī)組前進(jìn)速度為8 km/h，排種輪最佳轉(zhuǎn)速范圍為30～40 r/min；機(jī)組前進(jìn)速度為10 km/h，排種輪最佳轉(zhuǎn)速范圍為35～45 r/min；機(jī)組前進(jìn)速度為12 km/h，排種輪最佳轉(zhuǎn)速范圍為40～50 r/min。

5 結(jié)論

1） 針對(duì)山東省小麥玉米輪作的種植制度，結(jié)合小麥寬苗帶播種的農(nóng)藝要求，開發(fā)與玉米種植配套小麥寬苗帶播種新農(nóng)藝。

2） 設(shè)計(jì)小麥寬苗帶高速排種器，對(duì)排種器的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行理論分析和離散元仿真研究，確定齒脊數(shù)為7，排種輪直徑為60 mm，排種輪寬度為26 mm。

3） 基于寬苗帶播種和邊際效應(yīng)的要求，建立布種器結(jié)構(gòu)和苗帶種子分布的數(shù)學(xué)模型，為不同地區(qū)、不同要求下的寬苗帶布種器設(shè)計(jì)提供理論參考。

4） 對(duì)小麥排種器進(jìn)行排種器性能試驗(yàn)，籽粒破碎率最大為0.35%；總排量穩(wěn)定性試驗(yàn)，最大變異系數(shù)為0.59%；各行排量一致性試驗(yàn)，最大變異系數(shù)為3.06%；苗帶種子分布合格率試驗(yàn)，合格率均大于92%。各項(xiàng)指標(biāo)皆滿足國家技術(shù)要求。

5） 對(duì)依據(jù)小麥寬苗帶播種新農(nóng)藝所設(shè)計(jì)的寬苗帶播種系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，該排種器對(duì)高低速有著良好的作業(yè)適應(yīng)性，且在作業(yè)速度為12 km/h、排種輪轉(zhuǎn)速為45 r/min時(shí)，行間變異系數(shù)為1.83%，性能穩(wěn)定；在上述條件下，通過寬苗帶布種器形成的苗帶中種子分布合格率達(dá)到95.2%，實(shí)現(xiàn)小麥寬苗帶播種的農(nóng)藝要求；試驗(yàn)測(cè)得苗帶平均寬度為12 cm，與理論設(shè)計(jì)寬度相符合。

參 考 文 獻(xiàn)

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