王都，舒彩霞，廖宜涛，廖庆喜,2，郑娟，张恺

(1.华中农业大学工学院，湖北 武汉 430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，湖北 武汉 430070)

油菜是我国主要的油料作物，机械化种植对油菜产业的发展具有重要意义[1].排种器是油菜播种机开发的关键装置.相对于“一器一行”的排种器，集排器能提高排种效率，简化播种机的整体结构，满足直播机的高速宽幅作业要求[2-3].

根据结构原理和应用范围，集排器可分为气力输送式、气力式和机械式3大类[4].气力输送式集排器主要采用机械定量供种，以气流为输送动力，并通过气流分配系统完成分配排种，具有播种行数多、幅宽大、作业速度高等优点[5-8].气力式排种器主要利用气流场的作用效果，对种子进行单粒吹压或吸附，使种子按照预期的规律运动，对种子形状尺寸要求不高，适应性强[9-14].与气力输送式和气力式集排器相比，机械式集排器具有结构简单、成本低廉等优点[15-16].集排离心式油菜精量排种器，工作时依靠机械离心力实现一器多行排种，排种环节少，种子损伤率低，播量调节便利，适用于各种播种时段与地区的农艺要求[17-18].

前期研究中，针对该排种器型孔堵塞会导致漏播断条的问题，通过排种过程仿真分析和台架试验，得出其最佳型孔直径为3.8 mm[19]；针对机组振动、倾斜可能引起的各行排种均匀性差的问题，设计了一种枝状阀式分流装置[20].本研究在已有工作基础上，针对集排离心式油菜精量排种器在田间工作时充种状态种子流不稳定的问题，开展充种控制方法研究，拟提出一种可实现充排均衡的充种控制方法，通过充种过程仿真分析、排种过程台架试验，来确定控制充排环节的充种管和内锥筒的最佳结构参数，并通过田间试验对排种器性能进行验证.本研究旨在为集排离心式油菜精量排种器的性能提升提供参考.

1 离心式集排器工作原理

集排离心式油菜精量排种器主要由种箱、充种管、锥筒盖、外锥筒、内锥筒、枝状阀等组成，其结构如图1所示.

1：种箱；2：充种管；3：限位螺母；4：锥筒盖；5：外锥筒；6：枝状阀式分流装置；7：内锥筒；8：凸台.1：Seed box；2：Seed-filling duct；3：Stop nut；4：Lid of cone；5：Outer cone；6：Valve-branch distributor；7：Inner cone；8：Convex plate.图1 集排离心式油菜精量排种器结构Figure 1 Structure of centralized centrifugal precision seed-metering device for rapeseed

根据种子运动轨迹，集排离心式油菜精量排种器工作过程可以分为4个环节：充种环节，种子自种箱在重力作用下经充种管流入锥筒内；携种环节，随着内锥筒旋转，种子在离心力作用下沿着内锥筒内壁向锥筒上端运动，并沿着锥筒内壁做圆周运动；投种环节，当种子运动到排种口时，随机地从外锥筒型孔投出；导种环节，从外锥筒型孔外侧投出的种子经枝状阀的“分-分-合”分流作用和输种管道的导流作用运动至种沟内.

1.1 排种过程分析

排种器工作前，种箱内的种子在重力作用下经充种管流入内锥筒，在内锥筒的支持力和种子群内摩擦力作用下，形成静平衡状态.此状态下内锥筒内种子群在竖直方向上所受外力如图2所示.内锥筒内种子群在竖直方向上受力平衡方程为：

Ny+fy=σ1A+mg

(1)

式中，Ny为内锥筒和凸台对种子群的支持力在竖直方向上的分力，N；fy为内锥筒和凸台对种子群的摩擦力在竖直方向上的分力，N；σ1为上方种子群对内锥筒内种子群的压应力，Pa；A为充种管通道下底面面积，m2；m为内锥筒内种子群质量(kg)；g为重力加速度，g=9.8 m/s2.

图2 内锥筒内种子群竖直方向受力分析图Figure 2 Sketch of vertical force analysis on rapeseeds in the cone

根据“粮仓效应”，底部的压力在箱体内种子群高度大于底部直径的2倍后不再增加[21]，因此设计充种管时，保证充种管长度大于充种管下端面内径的2倍，此时充种管下端面上部的种子对内锥筒内种子的压应力σ1不随种箱内种子量变化而变化，种子群最大有效高度为hmax≤2D，其中D为充种管下底面内径.

排种器工作时，内锥筒转动，内锥筒内的种子随着内锥筒的旋转而运动，在离心力作用下由锥筒中心向圆周扩散，静平衡状态被破坏，种子由充种管持续流入；种子扩散到锥筒边缘后，沿锥筒爬升至内锥筒上端，随机的由排种型孔中排出，未排出的种子随着种群继续运动或回落到筒壁上后再次爬升，重复上述过程直至被排出.

1.2 播量稳定性影响要素分析

根据种子充种与排种过程，集排离心式油菜精量排种器工作过程可分为3个阶段：

1) 趋稳阶段：排种器开始工作时，种子自种箱经充种管自由流入内锥筒，此时v充>v排，内锥筒内种子逐渐增多，总排量逐渐增大，排种器工作逐渐趋于稳定；

2) 稳定阶段：内锥筒内种子增加到一定量后，形成“沸腾”状态，对充种管下端出口有一定作用力，限制充种量，此时v充=v排，内锥筒内种子量略少于其有效容量，并保持动态平衡，总排量较稳定；

3) 结束阶段：种箱内种子流尽后，v充=0，此时v充

随着排种器继续工作，内锥筒内种子逐渐减少，总排量随之逐渐减小，直至内锥筒内种子趋近于零.

式中，v充为充种管单位时间内的充种质量，即充种量，g/min；v排为内锥筒单位时间内所有型孔排种总质量，即总排量，g/min.

根据工作过程分析可知，在排种器转速一定的条件下，排种器总排量稳定性主要影响因素有充种量和内锥筒容积.

2 关键部件设计

2.1 充种管设计

2.1.1 充种管结构设计 集排离心式油菜精量排种器的充种管是种子由种箱流向内锥筒的通道，其充种性能对排种器的排种精度与作业效率有重要影响.油菜种子为小粒径散粒体，从种箱中流出的流动形态为漏斗流，只有种箱中心的种子在流动，其流动状态不稳定，易产生“结拱”现象，使种子堵塞在充种管内.针对此现象，设计了一种“沙漏”结构的充种管，其上下两端内径较大，并向中间逐渐缩小，内径最小处横截面为控流截面，结构如图3所示.

充种管通过螺纹连接方式安装在锥筒盖上，选定充种管下端面内径D=12 mm，根据“粮仓效应”，为使种子对充种管下端面压应力恒定，不随种箱内种子量变化而改变，需满足h1≥2D，即h1≥24 mm，选定h1=28 mm.根据锥筒盖和限位螺母厚度，确定充种管总长为40 mm，则h2=12 mm.根据油菜种子流动特性，确定充种管通道上部倾角α=60°.

种子自种箱流入充种管，在下落过程中，充种管内径缓慢减小，充种量主要取决于控流截面内径d，种子继续下落过程中，充种管内径逐渐增大，种子可顺利流入内锥筒内.

图3 充种管结构图Figure 3 Structure of seed-filling duct

2.1.2 充种性能EDEM仿真分析 为确定“沙漏”型充种管控流截面内径d，开展集排离心式油菜精量排种器EDEM模拟仿真.油菜种子表面光滑，球形度高，流动性好，仿真中颗粒接触模型设为硬球接触模型，选用Hertz-Mindlin无滑动接触模型，油菜种子仿真模型设置为直径2 mm的球形.充种管和锥筒盖采用3D打印加工，材料为工程塑料ABS，排种器内、外锥筒采用机加工方式，材料为铝合金.油菜种子、工程塑料ABS和铝合金的机械物理特性参数和仿真模型参考文献[18].种子数量设为100 000粒，颗粒工厂为种箱上部一个边长为300 mm的水平正方形，种子在颗粒工厂生成后在重力作用下下落，经充种管流入内锥筒，仿真时长为5 s.充种管控流截面内径d设定4个水平，分别为6、7、8、9 mm，开展充种性能仿真试验.由仿真结果，得出充种粒子数量随时间的变化曲线，见图4.

通过EDEM仿真发现：当d=6 mm时，种子在充种管内会结拱导致堵塞，种子无法顺利落下；当d=7 mm时，充种不稳定，易形成断条；当d≥8 mm时，充种较稳定.

图4 充种管控流截面直径对充种性能的影响Figure 4 Effects of different flow control section’s diameters of seed-filling duct on seed filling performance

根据EDEM仿真结果，使用3D打印技术加工了控流截面内径d分别为7 mm和8 mm的充种管，开展静充种试验，如图5所示.试验发现d=7 mm时，充种管被堵塞；d=8 mm时，充种较流畅，充种量约为332 g/min.表明上述EDEM仿真结果合理.

图5 静平衡状态图Figure 5 State diagram of static balance

根据长江中下游地区油菜播种农艺要求，油菜播量Q一般为2 250～6 000 g/hm2，排种器配套机具播种幅宽B为2 m，机具前进速度v一般为1.63～4.88 km/h，根据公式(2)计算得排种器总排量q约为12～98 g/min，小于332 g/min.充种管的充种量与控流截面直径d正相关，故选用可保证充种流畅的最小直径d=8 mm.为实现充排平衡，需合理设计内锥筒结构，使充种量与总排量相等.

(2)

2.2 内锥筒设计

种子自种箱经充种管流入内锥筒后，在离心力作用下经投种口排出，总排量与转速和内锥筒内种子量有关.为提高田间播种过程中的播量稳定性，减小内锥筒工作容积可缩短排种器工作达到平衡所需时间，同时可减小播种完成后内锥筒内剩余种子量.

Mi=γVi

(3)

(4)

3 排种性能试验

3.1 试验装置与方法

集排离心式油菜精量排种器试验台如图6所示，主要由集排离心式油菜精量排种器、直流电机与调速仪、时控开关、开关电源和铝型材台架等组成.试验时，开关电源将220 V交流电转化为稳定的12 V直流电，通过时控开关工作时为直流电机调速仪提供稳定的12 V直流电源，直流电机调速仪可调节电机转速，从而控制排种器内锥筒转速.田间播种时，一般每厢播种8行，集排离心式油菜精量排种器工作时，枝状阀将排种器每个出种口可分为2个，故台架试验将排种器4个出种口与导种管相连，其他出种口堵住.

为了探究集排离心式油菜精量排种器的工作性能，对其开展了模拟田间播种全程的排种性能试验.通过直流电机调速仪将内锥筒转速调至试验值，断开直流开关，向种箱内加入1 000 g‘华油杂62’种子，使其自然流入内锥筒，待稳定后取出种箱内剩余种子，称质量，再将种子倒回种箱内，启动电机，使排种器工作，利用时控开关使排种器每次工作1 min，并测量排出种子质量和种箱内剩余种子质量，多次排种，测量排出种子质量与种箱内剩余种子质量.

3.2 单因素试验

根据离心式排种器工作过程理论分析，内锥筒有效容积可能影响总排量稳定性和各行排量一致性等排种性能.根据预试验结果，确定内锥筒转速为140 r/min,内锥筒有效容积选取1～8号内锥筒的有效容积8个水平，开展单因素试验，每个水平下开展3次试验，计算平均值，离心式排种器工作参数见图7.

由图7可知，转速一定时，排种器总排量与内锥筒内种子质量变化趋势基本一致.排种器稳定工作时长与内锥筒有效容积有关，初始加入种箱内种子量一定时，内锥筒有效容积越小，稳定工作时间越长.在稳定阶段，内锥筒内种子质量略小于内锥筒有效容量，与理论分析结果一致.根据试验数据，绘制稳定阶段内锥筒内种子质量和结束阶段时长与内锥筒有效容积的关系图，见图8～9.

由图8～9可知，稳定阶段内锥筒内种子质量和结束阶段时长与内锥筒有效容积均呈线性关系(式5、6)，其决定系数分别为0.996和0.979.因此，减小内锥筒有效容积可减小不稳定工作阶段播种量，缩短不稳定工作时间.

y1=631.5x1-10.34

(5)

y2=14.88x1-0.074

(6)

图7 离心式排种器工作参数Figure 7 Working parameter of centrifugal precision metering device for rapeseed

图8 内锥筒有效容积对稳定阶段内锥筒种子质量的影响Figure 8 Effects of inner cone’s effective volume on the mass of rapeseeds in the inner cone in stable stage

图9 内锥筒有效容积对结束阶段时长的影响Figure 9 Effects of inner cone’s effective volume on the time period of end stage

s.t.x1∈ [0.201，0.733]

式中，x1为内锥筒有效容积，L；y1为稳定阶段内锥筒内种子质量，g；y2为结束阶段时长，min.

根据试验数据，计算各内锥筒对应的排种器结束阶段之前的总排量稳定性变异系数和各行排量一致性变异系数，得到不同内锥筒有效容积对应的排种器性能参数，见图10.由图10可知，随着内锥筒有效容积减小，排种器总排量稳定性变异系数逐渐减小，内锥筒容积小于0.505 L后，总排量稳定性变异系数减小趋势不明显；各行排量一致性变异系数先减小后增大，内锥筒容积为0.429 L时，排种器各行排量一致性变异系数最低，为4.63%.因此，5号凸台安装在内锥筒内，对应的内锥筒有效容积为0.429 L时，排种器工作性能最优，其总排量稳定性变异系数为5.53%，各行一致性变异系数为4.63%.

图10 内锥筒有效容积对排种性能的影响Figure 10 Effects of inner cone’s effective volume on seeding performance

3.3 总排量与转速匹配试验

根据单因素试验选型5号内锥筒，其有效容积为0.429 L，将内锥筒5安装在排种器内，开展排种器播量与转速匹配试验，根据试验结果作出总排量与转速关系曲线图(图11).试验表明：内锥筒最小临界转速为90 r/min；随着内锥筒转速增大，总排量逐渐增大；当内锥筒转速大于160 r/min时，总排量趋于平稳.集排离心式油菜精量排种器总排量在25～69 g/min内可调，总排量与转速匹配关系为.

y3=-0.008x22+2.857x2-159.5

(10)

式中，x2为排种器内锥筒转速，x2∈[90，180]，r/min；y3为排种器总排量，g/min.

图11 转速对总排量的影响Figure 11 Effects of rotational speed on the full seeding quantity

4 田间播种试验

为了验证台架试验结果，检验集排离心式油菜精量排种器的工作性能，在华中农业大学校内现代农业科技园开展了油菜播种试验.试验以2BYMQ-8型油菜精量联合直播机为平台，机组前进速度为3.36 km/h，内锥筒转速为160 r/min，测得实际播量为6430 g/hm2，田间试验与出苗效果如图12所示.

播种30 d后对播种区域进行测苗，测量方法为：在播种田块上随机选取5厢，在每厢随机选取1块2 m×1 m的区域，分别记录每个样本区域中各行出苗数，见表1.根据出苗数据，计算田间幼苗平均株距为48.04 mm，株距均匀性变异系数为20.75%，各行植株分布变异系数为21.35%，符合油菜种植农艺要求.

图12 田间试验与出苗效果Figure 12 Field experiment and emergence performance

表1 各区域出苗数统计表

5 结论

1) 为提高集排离心式油菜精量排种器充种性能，设计了一种“沙漏”型充种管，通过EDEM仿真分析，确定了充种管最小内径为8 mm，并通过台架试验验证其充种性能良好.

2) 为提高集排离心式油菜精量排种器排种性能，针对种子在排种过程中的流动状态，开展了排种性能试验.单因素试验表明：随着内锥筒有效容积减小，各行排量一致性变异系数先减小后增大，在内锥筒有效容积为0.429 L时，达到极小值4.63%；排种器总排量稳定性变异系数逐渐减小，内锥筒容积小于0.505 L后，总排量稳定性变异系数减小趋势不明显.试验表明：内锥筒最佳有效容积为0.429 L，最佳转速为140 r/min，此时排种器各行排量一致性变异系数为4.631%，总排量稳定性系数为5.525%.总排量与转速匹配试验表明：内锥筒最小临界转速为90 r/min；随着内锥筒转速增大，总排量逐渐增大；当内锥筒转速大于160 r/min时，总排量趋于平稳；排种器总排量在25～69 g/min内可调.

3) 田间试验的油菜幼苗平均株距为48.04 mm，株距均匀性变异系数为20.75%，各行植株分布变异系数为21.35%，符合油菜种植农艺要求.