杨然兵，张　翔，李建东，尚书旗※，柴恒辉（.青岛农业大学机电工程学院，青岛 6609；.济南二机床集团有限公司，济南 500）



锥体帆布带式排种器参数优化与试验

杨然兵1，张翔1，李建东1，尚书旗1※，柴恒辉2
（1.青岛农业大学机电工程学院，青岛 266109；2.济南二机床集团有限公司，济南 250022）

摘要：为使锥体帆布带式排种器性能达到育种试验播种要求，该文对设计的锥体帆布带式排种器相关结构进行了分析与参数优化试验。通过对该排种器的泄种、分种、携种环节中种子的力学、运动学及空间排布情况分析，选取出对锥体帆布带式排种器作业性能有显著影响的参数，通过单因素试验和图表分析将参数影响程度进行量化，确定了影响排种性能的主要参数有：锥体转速、锥体倾角和楔形环域单位排布量。通过三因素二次正交旋转设计试验，建立了因素与试验指标（排种均匀性变异系数）的回归方程；经优化计算得出：当锥体转速为3.46 rad/s，锥体倾角为45.8°，楔形环域单位排布量为7粒/cm时，排种器的性能综合评价指标达到育种试验最佳水平。该排种技术在2BZH-6型株行育种条播机上进行了推广应用，经田间试验验证，最佳参数组合下锥体帆布带式排种器不存在伤种和存种现象，作业性能与锥体格盘式排种器相比提升明显。该研究为现有育种条播机排种部件的改进设计提供了参考。

关键词：农业机械；优化；种子；排种器；结构参数；试验

杨然兵，张翔，李建东，尚书旗，柴恒辉. 锥体帆布带式排种器参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2016，32（3）：6－13.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.002http://www.tcsae.org

Yang Ranbing, Zhang Xiang, Li Jiandong, Shang Shuqi, Chai Henghui. Parameter optimization and experiment on cone canvas belt type seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(3): 6－13. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.002http://www.tcsae.org

0　引　言

株行育种试验是新品种进入区试和品种检测前的重要环节；要求播种后行间品种无混杂，种子无损伤且在种沟排布均匀。目前，国内株行育种试验播种过程主要采用人工播种，不仅劳动强度大，而且试验精确性难以保证，急需实现机械化作业[1-2]。

国外对小区育种条播机的专用排种器研究较早，Egil Oyjord[3]最早研发出用于育种机械的锥体格盘式排种器并被国外农机企业广泛应用，奥地利WINTERSTEIGER在此基础上设计了锥体离心格盘式排种器。该类型排种器中种子通过锥体分种后，在格盘上形成数段种子流，通过离心式分种器（锥体离心式格盘式）或直接经输种管（锥体格盘式）进入开沟器[4-6]。但格盘式排种器均布的隔板会使种子流断裂，造成排种不均匀；格盘携种时与底板接触面之间相对滑动，极易磨损种子[7-8]。中国当前尝试研发的小区播种机多是在国外锥体格盘排种器的基础上，采用斜置格盘方式，使种子缓慢进入投种区以提高播种均匀性；或者提高加工精度，缩小接触面间隙降低对种子的磨损；由于工作原理未做改变，种子流周期性断裂现象等问题未得到根本性解决[9-11]。

针对上述问题，本文设计了一种锥体帆布带式排种器，使种子流在携种过程中排出均匀，并减少种子的机械损伤；为获得满足株行育种排种器播种要求的参数组合，本文对排种器内部结构进行了力学分析、参数优化与性能试验，

以期为现有育种条播机排种部件的研究提供参考。

1　锥体帆布带式排种器结构及排种原理

1.1总体结构

锥体帆布带式排种器主要由存种漏斗、存种筒、泄种手柄、滚动销轴、张紧销轴、帆布带、排种底板、接种漏斗、传动锥齿轮、锥体等组成，结构如图1所示。

图1　锥体帆布带式排种器结构简图Fig.1　Cone canvas belt type seed-metering device structure diagram

锥体12下部的锥体底座成圆柱体，3个销轴安装在排种底座9上，帆布带7围绕在锥体底座与两个滚动销轴5，保证帆布带紧贴在锥体底座圆柱体表面，使帆布带7与锥体12之间形成楔角。通过调整张紧销轴6实现帆布带7张紧度的调节，保证锥体12与帆布带7同步转动。

1.2工作特性与机理分析

表1为锥体帆布带式排种器主要结构参数，该排种器作业前，需将种子倒入存种漏斗1中，种子经存种漏斗1滑落到存种套筒2内，并均匀落在存种套筒2与锥体12形成的存种空间内。播种时，下压泄种手柄3，种子沿光滑锥面滑落，并均匀连续的散布在锥体12与帆布带7形成的环状楔形空间内。锥体底座、锥体、帆布带及其楔形空间内的种子同步转动，种子经接种漏斗10，实现均匀排种。

金属结构对种子的损伤是育种播种机械亟待解决的难题，保护种子生理特性不被破坏最直接的方法是降低接触材料刚度至种子抗变形能力（谷物种子平均刚度：1.2×103N/mm）适应范围内。在锥体帆布带式排种器设计中采用了柔性帆布材料（刚度接近于0）与刚性锥体（铁质材料刚度：1×105N/mm）相互贴合的结构方式，为待播种子构造出一个相对稳定的楔形环域携种空间，种子受帆布材料包裹与锥体同步运动，克服了锥体格盘式排种器磨损种子，携种不稳定的缺陷，从而实现了种子流形态下的均匀排种。

表1　锥体帆布带式排种器的主要结构参数Table 1　Main structural parameters of cone canvas belt type seed-metering device

2　排种器关键性能参数的分析与确定

排种过程中，种子在短时间内通过多个部件，分离出对排种器性能影响较大的核心参数需将泄种、分种、携种3个环节[12]种子的运动和受力情况进行逐个分析。

2.1泄种环节影响因素分析

2.1.1泄种环节种子运动状态要求

在泄种环节中种子会发生塌落现象，即失去存种筒外壁束缚的种子流在重力作用下向周围扩散塌落。泄种环节如图2所示。提升存种筒时，首先应保证存种筒直线运动，以防存种筒侧倾影响锥体的分种均匀性；其次还应尽可能减少泄种时间∆t[13-14]。在排种器结构尺寸确定的情况下，相同播量的种子泄种时间主要由泄种口的大小（存种筒提升高度h）决定。

图2　泄种环节Fig.2　Process of seeds’ release

2.1.2高度因素对泄种时间的影响试验

本文借助高速摄影机进行等分量麦种子泄种测速试验，如图2剖面所示，在倒锥形存种空间内，种子量与存种高度H为平方根相关；存种高度只影响种子下落总高度（顶层种子到锥体底部高度）且在总高度中占的比例小于10%，故种子量对泄种时间偏差影响很小，为便于分析统计，本文取200粒，统计结果如图3所示。试验发现，当提升高度h<32 mm时，泄种环节易出现种子卡滞结拱现象。图4为结拱区单粒种子受力图，上部静止区种子流通受阻，在机械振动影响下形成分层断续泄种，导致泄种时间∆t增长，也使种子在后续沿锥面下滑环节中出现二次分种的情况，即“前少后多”，最终导致排种不均匀。

图3　泄种时间与提升高度的关系曲线Fig.3　Release time and cylinder’s move-up height

图4　结拱区单粒种子受力分析图Fig.4　Stress analysis of stagrant-zone single seed

式中G为种子自身重力，N；FN1为上方种子挤压力，N；FN2为筒壁挤压力，N；FN为锥体反向支持力，N；q为目标种水平面上方种堆总粒数，粒；s为与目标种处在同水平面的种子粒数，粒；µ为锥体摩擦系数，取0.1；θ为泄种倾角，(°)；F合为外力合力，N。

而当提升高度h较大时（h>36 mm），预备泄种区和已泄区种子只受到重力和上方种堆压力，流通顺畅，但种子受力方向与锥体滚动方向不一致，出现滚落冲击与涌动现象，种子极易跳出排种装置，甚至导致混种现象。综上分析，提升高度在32 mm时，泄种效果较好。

2.2分种环节种子力学模型的建立

分种环节是指提升存种套筒后，种子沿着锥体斜面呈放射状下滑至帆布带与锥体形成的环域楔形空间的环节[15]。种子下滑的同时，锥体一直处于转动状态，以锥体斜面上任意下滑的种子做为观测对象，对其进行空间受力分析，如图5所示。

图5　分种环节种子受力分析Fig.5　Seed force analysis on cone

种子下滑过程受到重力G，锥体表面对种子的支撑力FN，锥面对种子的摩擦阻力Ff，种子离心惯性力FB。因泄种环节会将种子颗粒充分离散，沿锥体滑落的种子之间几乎无相互作用力P；图5a中看出种子在水平方向位移极小，在分析时空气阻力Fw对分种运动的干扰应忽略不计。要使种子均匀排布在楔形环域内，即确保种子始终沿锥体表面均匀分种的条件是保证种子在重力作用下，沿锥体表面加速下滑，应满足以下条件式中∑X为x方向合力，N；∑Y为y方向合力，N；Ff为锥面摩擦阻力，N；FB为种子离心惯性力，N；ω为锥体转速，r/min；r为种子距锥体中心轴的水平半径，mm；FN为锥体反向支持力，N；α为锥体倾角，(°)；m为质量，kg；g为重力加速度，m/s2。

由式（2）推出

由式（3）可知：在排种装置结构尺寸确定的情况下，锥体转速对分种的效果有很大影响；种子在锥体上顺利完成分种的最低转速主要与锥体底面半径R、锥体倾角α、锥体动摩擦系数有关，不脱离锥面的最高转速与存漏斗内圆半径和倾角有关。

2.3携种环节影响因素分析

2.3.1携种环节种子动力学分析

携种环节是指均匀连续排布在帆布带与锥体形成的楔形空间内的种子在摩擦力作用下，随着锥体、帆布带转动；锥体与帆布带同步转动是排种装置实现自动清种的前提，图6为携种动作分析图。

图6　携种动作分析Fig.6　Analysis of carrying seeds movement

帆布带打滑时，帆布带转速为ω1<ω，锥体与帆布带相对运动。假设锥体不动，分析帆布带摩擦力对种子运动的影响，即帆布带以相对速度ω-ω1反向转动，种子在帆布带摩擦力作用下不能保持与锥体的同步转动，使种子不能在规定长度内播完，影响排种装置的自净能力和排种均匀性。非打滑状态下受力情况如图6b所示，种子在垂直向和周向上受力平衡，稳定的携种环节保证了排种器的自净能力和排种均匀性。由非打滑状态下种子的受力分析可知

式中F1为帆布带对种子挤压力，N；f1为帆布带对种子的摩擦阻力，N；f2为锥体对种子的摩擦推力，N；F向为种子在排种器径向受到的合力，N；µ1为锥体静摩擦系数。

为此，需选用拉伸强度好、表面摩擦系数大的帆布带（夹线带），可有效减小所需张紧力，避免打滑现象[16]。此外，在锥体和帆布带材质确定的情况下，锥体的结构尺寸（锥体倾角α）对帆布带的携种动作有重要影响，过大会大幅增加径向与周向的应力，过小无法在径向束缚种子，综合分析，将45.8°上下各跨5°作为锥体倾角范围。

2.3.2种子环域排布情况的参数化分析

携种环节中，锥体底面半径与排种器单次携种总量匀为排种均匀性影响因素，两者共同反映种子在楔形环域内排布的密集程度，不能忽略任意一项进行独立分析。为此，本文对两因素进行组合，引入楔形环域单位排布量W（楔形环域内单位长度种子排布的密集程度，粒/cm）组合公式见（5），并对新参数的特性进行了试验分析。图7为1、4、9粒/cm 3种密度状态下将携种空间内种子由环形排布展开成直线排布所得。种子在排布中出现的分布不均情况均通过偏差波动的形式记录在对应坐标区域中，振幅为偏差上下限之差。

式中W为楔形环域单位排布量，粒/cm；K为试验单体一次落种籽粒总量，粒/cm；R为试验单体锥体底面半径，cm。

分析图7a偏差波动可知，当楔形环域单位排布量为1粒/cm时，种子之间不存在堆叠现象，运送的稳定性变差，其次，种子排布稀疏，在分段计数状态下对偏差和干扰较为敏感，进一步增加了不均匀性，所以在3种排布情况中变异系数最高。图7b可知，当楔形环域单位排布量为4粒/cm时，种子之间有堆叠，抗干扰能力适中，全排布段不存在趋势性偏差改变情况。

图7　不同环域排布量分段偏差波动Fig.7　Ring domain configuration fluctuations

图7c可知，当楔形环域单位排布量为9粒/cm时，种子堆叠紧密，抗干扰能力最强，但起始端与末端出现了趋势性的偏差波动，主要原因与锥体帆布带排种器落种口形态有关，帆布带在绕接锥体时需要在起始端和末端啮入啮出，不可避免的形成2条渐开的缝隙，密叠的籽粒在缝隙处没有支撑会出现斜坡型塌落现象，导致整体变异系数升高。

为了进一步降低环域种子初始端和末端的偏差波动，本文首先采用排种末端加装挡种板的方法，可防止该端的种子塌落，试验发现该方法对降低整体变异系数效果不明显，并且易出现碎种、伤种现象。为此，下文进行了环域种子排布量试验优化，以求不引入负面影响的情况下解决偏差波动问题。

综合上述排种关键环节分析可知：锥体转速ω、锥体倾角α及楔形环域单位排布量W，在不同程度上影响排种装置性能，需通过试验研究确定该装置最佳的结构性能参数。

3　试验材料及方法

3.1试验材料

本试验在JPS-12型排种器试验台上进行，每组试验筛选1 000粒无破损、大小均匀的“济麦20”小麦种子为试验材料，物理特性如表2所示。

表2　小麦种子物理机械特性Table 2　Mechanical character of physics of wheat

3.2试验参数及评价指标

锥体转速与两楔形环域单位排布量是锥体帆布带式排种器重要的作业参数，影响排种器分种、投种效果；锥体倾角是重要的结构参数，对种子的运动状态有重要影响[17-18]。根据锥体帆布带式排种器作业特点，锥体转速变化范围为2.45～5.23 r/min，锥体倾角变化范围为40.8°～50.8°，楔形环域单位排布量变化范围为1～9粒/cm。根据株行育种试验对播种机具有自净能力、不伤种和排种均匀的作业要求，以存种率、伤种率和排种均匀性变异系数作为排种器性能指标[19-21]。试验采用稀条播播种方式，以减小非试验因素对小麦种子成长影响，指标测量段长度为大田播种的1/2，严格程度接近单粒穴播排种器，所得变异性系数用于育种排种器（锥体格盘式排种器稀条播情况下变异性系数41%～49%）间的对比。

式中Yc为存种率，%；Ys为伤种率，%；Yz为排种均匀性变异系数；Nc为规定播种行长内的排种数量，粒；Ns为损伤的种子数量，粒；N为总播量，粒；Xi为每100 mm测量段种子数量，粒；x为每测量段平均分配种子数量，粒；n为试验总取样数。

3.3试验方案及试验结果

自制5种不同倾角的锥体，通过更换锥体实现锥体倾角的调整；锥体主轴由步进电动机驱动，可实现转速调整；通过改变种量的多少可实现楔形环域单位排布量的变化。

为全面分析试验因素对排种器性能指标的影响，试验采用三因素二次回归正交旋转组合设计，试验共进行23组，每组试验重复3次取平均值[22-24]。试验因素的变化范围及其编码表如表3所示，试验方案及结果如表3所示试验中无存种、伤种现象，表4中只列出排种均匀性变异系数。

表3　因素水平编码表Table 3　Factors and level codes

表4　试验方案与结果Table 4　Experimental project and results

4　试验结果分析

4.1回归分析

为确定各试验因素对试验指标（排种均匀性变异系数）影响的显著性，进行方差分析[25-26]，结果表5所示。

F检验表明：回归方程较为显著，拟合效果较好；其中一次项x1、x3，交互项x1x3，平方项x12、x22、x32对排种均匀性影响较为显著。剔除影响不显著及回归系数较小的变量x2、x2x3、x1x2、x2x3，得到排种装置排种均匀性与锥体转速x1、锥体倾角x2、楔形环域单位排布量x3的无量纲回归方程

表5　试验结果方差分析表Table 5　Analysis of variance of test results

4.2因素效应分析

采用降维法将其他两因素置于0水平，研究单一因素对试验指标的影响，分别得出锥体转速x1、锥体倾角x2、楔形环域单位排布量x3与排种均匀性变异系数yz的关系方程

通过式（11）～式（13）可看出，排种均匀性变异系数与各因素保持较好的二次关系。由式（12）可知：当x2=0，即X2=45.8°时，排种均匀性较好。为获得排种装置最佳排种均匀性能，寻求排种装置主要影响因素最佳参数组合，将x2置于0水平，编码公式带入方程（10）可得

式中X1为锥体转速，r/min；X2为锥体倾角，（°）；X3楔形环域单位排布量，粒/cm。

借助Matlab绘制式（14）的响应曲线[27-28]，从图8可知：当锥体转速为3.46 rad/s，楔形环域单位排布量为7 粒/cm时，yz最小，即锥体帆布带式排种器最佳性能参数为：锥体转速为3.46 rad/s，锥体倾角为45.8°，楔形环域单位排布量为7粒/cm。

图8　试验因素对排种均匀性的影响Fig.8　Influence of experimental factors on seed-metering uniformity

将排种器置于最佳结构性能参数进行3次重复排种试验以验证参数优化准确性，验证试验结果为：破碎率和存种率为0与正交试验吻合，排种均匀性变异系数30.18%与理论排种均匀性变异系数29.5%相差0.68%，比锥体格盘式排种器排种均匀性变异系数41%低10.82%。结果表明，在最佳试验参数作用下，验证试验结果与理论优化结果相近，且排种均匀性在同类排种器中处于较优水平。图9为试验用锥体帆布带式排种器实物图。

图9　锥体帆布带式排种器组外观Fig.9　Classis appearance of cone canvas belt type seed-metering device group

4.3田间播种试验

根据株行育种播种的农艺要求，设计了2BZH-6 型株行育种播种机，主要由机架、泄种自动控制装置、行长控制装置、开沟装置、覆土镇压以及6个锥体帆布带式排种器组成，可用于不同小区面积的播种作业。该机于2014 年11月12日在中机美诺科技股份有限公司试验田进行小麦株行育种播种试验，播种小区面积有1.25、2.5、3.75 m23种不同规格，每小区播种3次，总计播种9个小区。待小麦出苗后进行田间苗情株距测定，田间试验统计结果：该排种器播种小麦田间平均播种均匀性变异系数为27.43%，小麦出苗平均株距为51 mm。图10为田间播种试验现场图。

图10　田间播种试验Fig.10　Field test of seeder

5　结　论

1）通过对锥体帆布带式排种器的泄种、分种、携种作业环节分析研究，确定出3项对锥排种器影响最大且在试验中易检测、可控制的因素为锥体转速、锥体倾角和环域排布量。

2）以锥体转速、锥体倾角、环域排布量作为自变量，存种率、破碎率和排种均匀性变异系数为目标函数进行了二次正交旋转组合试验，确定了该装置的最佳结构性能参数：锥体转速为3.46 rad/s，锥体倾角为45.8°，楔形环域单位排布量为7粒/cm。

3）该排种器进行的田间试验播种均匀性变异系数为27.43%，小麦出苗平均株距为51 mm，参数优化试验与田间试验中均未出现存种、碎种现象，性能上满足了育种试验中稀条播这一精密播种方式的要求。

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Parameter optimization and experiment on cone canvas belt type seed-metering device

Yang Ranbing1, Zhang Xiang1, Li Jiandong1, Shang Shuqi1※, Chai Henghui2
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China; 2. Jier Machine-tool Group Co., Ltd., Ji′nan 250022, China)

Abstract:The seed-metering link plays an important role in the process of plot sowing, and mechanized seed metering can reduce the labor intensity, improve the production efficiency and ensure the work quality. The seed-breeding seed-metering technology has been vigorously developed in China. However, at present, there are many disadvantages in the existing seed-breeding seed-metering device. In order to make plot sowing seed-metering device meet the requirements of high level test in plot sowing, this paper designed a cone canvas belt type metering device which applied a new type of structural material, analyzed the characteristics of the structure, and furthermore, optimized the parameters by means of composite test. This seed-metering device could avoid the serious defects that the cone grid plate type seed-metering device has, i.e. uneven seeding and seed injury. The mechanism consisted of a seed hopper, a seed-dispersing hand shank, a canvas belt type metering mechanism, a lever mechanism of adjusting tension, a base plate of seeding device, a receiving funnel and a spiral bevel gear. The structure parameters of the cone grid plate type metering device were not easy to distinguish and appraise. Some of them directly affected the performance of seed-metering device. Before further studying the parameter, the working process was divided into 3 links, which were discharging seeds, dispersing seeds and carrying seeds. By analyzing the seed mechanics, the seed kinematics and the conditions of space configuration about discharging seeds, dispersing seeds and carrying seeds, this paper found that a number of parameters had significant impact on the operation performance of the machine, and at the same time there was internal relationship between these parameters. Aiming at comparatively evaluating these parameters, this paper conducted the single factor experiment on discharging seeds. Through the above methods, the main parameters which influenced the performances of seed metering were identified: cone rotational speed, cone angle, and unit configuration amount in wedge-shaped ring domain. Through three-factor quadratic orthogonal rotation design, the regression equation of factors and test index (coefficient of variation of seed-metering uniformity) was established; the optimization of calculation showed that when the cone speed was 3.46 rad/s, the body bottom angle was 45.8°, and the unit configuration amount in wedge-shaped ring domain was 7 grains per centimeter, the comprehensive performance evaluation index reached the best level in the breeding test. Implementing the reproducibility test showed that the result of parameter optimization was accurate. The seed-metering technology was applied by 2BZH-6 type wheat nursery seeder for planting operation in different plot area. Under the condition of wheat seedling emergence, the statistical results were obtained by measuring the distance of the wheat plants: the average plant spacing was 51 cm for the cone grid plate type seed-metering device; and the coefficient of variation of uniformity distribution was 27.43%, which was relatively low. In addition, there was no phenomenon of residual seeds or broken seeds. The research results provide the reference for improving the design of the existing wheat nursery seeder’s seed-metering component.

Keywords:agricultural machinery; optimization; seed; seed-metering device; structure parameter; experiment

通信作者：※尚书旗，男（汉），山东青州，教授，博士，农业机械装备研制与开发研究。青岛山东省青岛市青岛农业大学机电工程学院，266109。Email：sqshang@qau.edu.cn

作者简介：杨然兵，男（汉），山东微山县，副教授，博士，农业机械装备研制与开发研究。青岛山东省青岛市青岛农业大学机电工程学院，266109。Email：yangranbing@163.com

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项经费资助项目（201203 028.4）；农业科技成果转化资金资助项目（2012GB2C600257）；山东省农业良种工程项目（2014053）

收稿日期：2015-08-20

修订日期：2015-12-23

中图分类号：S223.2+6

文献标志码：A

文章编号：1002-6819(2016)-03-0006-08

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.03.002