李洪昌 高芳

摘要：为实现小麦精量播种，设计了一种辅助充种、托种种盘的小麦气吸式精量排种器，该排种器能够利用型孔凸台在充种过程扰动种群、增加种群的离散度并提高充种性能;在携种区种子更易在型孔凸台的托持作用下稳定吸附，减小种子所需吸附的负压。运用离散元法仿真分析4种不同排种盘对种群的扰动情况，并加工试制4种排种盘，以转速、气室压强和种盘类型为因素，进行正交仿真试验。通过试验结果的极差和方差分析，确定影响各排种性能指标的主次因素，得出带型孔凸台的排种盘其排种性能最佳，验证了离散元仿真的准确性。最后，采用试验因素的多目标寻优，以合格指数最大，重播指数、漏播指数最小为寻优条件，得出所设计排种器的最佳工作参数：排种盘转速为36.2 r/min，气室压强为-3.7 kPa。对优化后的结果进行相应的试验验证，仿真与台架试验结果相差均小于5。该研究可为小麦气吸式精量排种器优化改进及排种性能提升提供参考。

关键词：小麦;气吸式排种器;离散元法;正交试验

中图分类号：S223 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）04-0176-05

收稿日期：2021-04-06

基金项目：国家自然科学基金（编号：51775246）;江苏省现代农机装备与技术示范推广项目（编号：NJ2019-06）。

作者简介：李洪昌（1973—），男，山东菏泽人，博士，副教授，主要从事农业机械设计及理论研究。E-mail：hcli1973@163.com。

小麦是我国三大粮食作物之一，保证小麦的高产与稳产在提高农民经济效益、保障粮食安全等方面具有重要意义[1-2]。小麦的机械化播种水平是提高小麦产量和降低成本的主要方式，随着现代农业播种技术的发展，精量播种技术成为近年来国内外学者研究的热点[3-4]。精量播种既可以达到省种增效的目的，同时又可以保证小麦植株生长过程中的养分均衡，并为后续机械化收割提供相应条件。

精量播种技术的核心部件是排种器[5-8]。目前，我国小麦的播种形式主要是散播、条播和宽苗带播种，种子间的株距无法统一。市面上的小麦播种机多采用机械式排种器，主要类型为外槽轮式，该型排种器结构相对简单，维修和制造成本低，但播种均匀性和稳定性受排种器转速和播量的影响较大，同时属于机械式排种器，种子破损率也较高[9-11]。

因此，针对上述实际问题，本研究设计了一种能提高小麦播种机播种质量，减少种子机械损伤，增强种子充种效果，具有辅助充种、托种作用的小麦气吸式精量排种器。通过对种盘关键结构进行数学建模，设计种盘型孔凸台以扰动种群，提高种群的离散度并起到辅助、托种作用。利用EDEM仿真与台架试验验证所设计排种盘的优越性，并采用正交仿真试验确定了影响排种性能的主次因素，最后通过多目标优化方法，得出所设计排种器的最佳工作参数并进行试验验证，以期为小麦精量播种技术的研究和发展提供参考。

1 关键参数与部件设计

1.1 整体结构与原理

充种托种型小麦气吸式精量排种器主要由型孔凸台、排种盘、清种锯齿、气室等部件組成（图1）。排种器正常工作时，小麦种子首先通过进种口流入充种室，随后在气室负压和型孔凸台的共同影响下，克服种群间摩擦力附着在排种盘的型孔上，之后稳定在型孔凸台上多余的种子在清种锯齿的作用下回落，仅存于型孔上的单粒种子继续向上转动。最后，当种子到达气室末端时，气流被阻断，负压消失，在重力、离心力和型孔凸台推动力的共同作用下，种子从投种口处投出，落入播种机开沟器形成的穴孔之中，实现精量播种作业。

1.2 排种盘关键结构设计

1.2.1 型孔凸台结构设计 为保证排种器稳定高效的排种性能，排种盘的设计至关重要，其设计参数主要有型孔凸台间距、型孔直径、型孔凸台厚度。为确定以上参数，测定我国黄淮海地区常种植的小麦种子三围尺寸（长、宽、厚），平均值分别为 6.32、3.41、3.27 mm，最大值分别为7.22、4.08、3.91 mm，排种盘型孔凸台如图2所示。

型孔凸台间距l应保证最大尺寸的小麦种子能完全进入托种区，并避免多粒种子同时进入，因此需满足关系式

D1≤l≤2D2。（1）

式中：D1为种子最大长度，mm;D2为种子最小长度，mm。

根据小麦种子测量数据可知，D1为7.22 mm，D2为5.56 mm，因此，选取型孔凸台间距l=10mm。

型孔凸台厚度δ决定种子所受托持力的大小，随着型孔凸台厚度δ的增大，排种器对气室负压的要求相应减小，但随着型孔凸台厚度δ的进一步增大，会造成排种器的清种性能下降，经分析，δ最大不能超过小麦种子厚度的50%，因此，设置δ=1.5 mm。气吸式小麦排种器的型孔直径取种子等效直径的 0.6～0.7倍，因此本研究的型孔直径d取3.0 mm。

1.2.2 型孔数和排种盘直径确定 小麦种植株距为35～50 mm，因此气吸式小麦排种器与其他常用气力式排种器相比需要更高的排种频率，播种机作业速度与排种盘型孔数满足：

v=3.6NDn60×103。（2）

式中：v为播种机前进速度，km/h;D为小麦种子种植株距，mm;N为型孔数;n为排种器转速，r/min。

式（2）表明，当作业速度、株距一定时，型孔数N与排种器转速n成反比，即型孔数N越多，转速n越低，种子所需的吸种负压越低，但型孔数并非越多越好，应在株距一定的条件下，适当提高其排种频率。本研究结合农业机械设计手册、小麦种子等效直径和型孔尺寸，并考虑排种器的稳定性和经济性，最终选定40个型孔作为排种盘型孔数。

排种盘弧长示意图如图3所示，排种盘每2个型孔间夹角θ=360°/40=9°。其中，OAB为等腰三角形，lAB由型孔凸台间距l和型孔凸台宽度w组成，由于小麦种子的质量很小，因此设定型孔凸台宽度w为1.2 mm，则lAB=11.2 mm，通过正弦定理可以求得lOA=71.37 mm，即型孔中心所在圆直径为142.74 mm。为保证型孔处于气室范围内且留有足够的外边缘，最终选定排种盘直径为170 mm。

2 排种盘辅助充种性能仿真分析

种盘在充种区的扰动强度是决定排种器充种性能的关键，小麦种子小且轻，在排种盘转速较快的情况下，种子与型孔的接触时间较短，在充种区种子容易漏吸。为解决上述关键问题，本研究采用离散元法对4种不同设计的小麦气吸式排种盘进行种群扰动强度分析，并通过实际台架试验验证，研究4种设计的排种盘结构对排种器扰动性能的优劣，分析得出最优的设计结构。

2.1 排种盘结构

鉴于气室负压对排种器内种群颗粒有着一定的气流扰动影响，为排除该因素，使4种不同排种盘的气流通过面积和相应的试验条件保持不变，其型孔外形如图4所示。

2.2 小麦颗粒建模及离散元运动仿真

小麦种子的球形率较低，因此本研究在EDEM中以多球组合的方式生成小麦种子仿真模型，组成球的数目越多，则仿真模型与实际的小麦种子形状越接近，相应的计算精度越高。但过多的组成球将显著提高计算成本，因此，综合考虑后选择基于5球建立的小麦颗粒仿真模型，具体如图5所示。

为提高仿真模拟计算速度，将排种器无关仿真精度的相应部件进行简化并导入EDEM软件中。根据EDEM官方材料库，仿真采用的材料力学特性如表1所示。

离散元仿真采用Hertz-MindLin built-in无滑动接触模型，设置生成1 200粒种子模型，为保证EDEM仿真连续性，设定时间步长为瑞丽时间步长的16%，仿真计算时间为12 s（0～1 s用于形成 1 200 个小麦颗粒仿真模型），计算网格尺寸为2R，即最小组成颗粒半径的2倍，排种盘仿真过程如图6所示。

2.3 仿真结果分析

通过前期仿真预试验发现，位于种层上部的种子较种层下部种子更容易随排种盘脱离种群，因此仿真后处理重点对种层下部区域结果数据进行分析。从不同排种盘种层下部同一位置框选区域，导出每个时间步长（离散元软件EDEM中保存数据的时间间隔，这里为0.1 s，即每0.1 s保存一次数据）的种群平均速度，数据从仿真3 s后开始导出，在仿真后8 s结束。

以排种盘转速为52 r/min为例进行仿真，用Excel绘制各排种盘的种群平均速度v随时间推移的变化趋势，结果如图7所示。从图7可以看出，种群平均速度随时间的推移呈现无规律波动，其中D盘波动最明显，其次为B盘、C盘和A盘，说明选择D盘的排种器种群扰动强度最好，种子更容易在自身重力和种子间相互冲击力的作用下被型孔吸附，从而实现充种过程。

3 台架试验与分析

为验证离散元仿真的合理性和优化排种器的工作参数，在2020年11月按照仿真试验所采用的模型参数加工试制了4种排种盘。试验地点在常州机电职业技术学院车辆工程院楼，排种检测装置为黑龙江省农业科学院研制的JPS-12型多功能排种试验台（图8）。

3.1 正交试验设计

采用正交试验设计，以排种盘转速、气室压强和排种盘类型为正交试验因素，进行3因素正交试验，因素水平编码如表2所示。

3.2 正交试验结果及相關性分析

试验性能评价指标参考GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》，以小麦种子每次从投种口投出的种子数为参照，定义合格指数、重播指数和漏播指数为

重播指数：MUL=n1N×100

漏播指数：MIS=n2N×100

合格指数：QFI=100-MUL-MIS。（3）

式中：N为理论排种数;n1为2粒及以上排种数;n2为单粒排种数。

根据上述评价指标，每组试验独立重复3次，取各项排种性能评价指标平均值作为试验结果。正交试验结果如表3所示。

根据表3中的极差分析可知，影响排种器合格指数的主次因素顺序为Z、Y、X，较优水平组合为X2Y3Z4;影响重播指数试验因素的主次顺序为Y、X、Z，较优水平组合为X1Y1Z2;影响漏播指数试验因素的主次顺序为Z、Y、X，较优水平组合为X2Y4Z4。根据文献[12]可知，在排种性能评价指标中，合格指数和漏播指数是影响排种器排种性能的关键，因此结合合格指数和漏播指数的极差分析得出，种盘D可以有效提高排种器排种性能，验证了仿真分析结果。为进一步分析各因素及其相互作用对排种器排种性能评价指标的影响，采用Design Expert 8.0.6软件对表3正交试验结果进行方差分析，具体如表4所示。

由表4可知，试验3因素4水平对合格指数、重播指数和漏播指数的影响程度不同，其中种盘类型对于重播指数的影响不显著，而对于合格指数和漏播指数均有显著影响，此外气室压强对于排种器合格指数具有显著影响。

3.3 试验因素影响效应分析与目标优化

根据试验和仿真分析结果，确定种盘D具有最佳的充种性能和排种性能，为了进一步优化排种器的工作参数，选择速度34、43、52、61 r/min和气室压强-2.5、-3、-3.5、-4 kPa进行3因素4水平正交试验，绘制合格指数和漏播指数随排种盘转速及气室压强的变化趋势，结果如图9所示。

由图9可知，中位时，漏播指数随排种盘转速的增大而上升，随气室压强的增大而下降。合格指数随2因素水平的变化呈现不规则变化，因此为了获得D盘最佳工作参数，以合格指数最大，漏播指数和重播指数最小为寻优条件，结合各因素边界范围，建立数学模型为

Fmax=QUI-MUL-MIS，

s.t.34 r/min≤X≤61 r/min

-4 kPa≤Y≤-2.5 kPa 。（4）

根据Matlab优化求解可得最佳工作参数：排种盘转速为36.2 r/min，气室压强为-3.7 kPa。对优化后的工作参数分别进行仿真和台架试验验证，结果显示，在最佳工作参数组合下，台架试验合格指数为95.2，仿真试验合格指数为99.6，相差4.4;台架试验漏播指数为1.3，仿真试验漏播指数为0.2，相差1.1，整体上，仿真与台架试验结果相差均小于5，与理论优化结果基本一致。

4 结论

本试验设计了一种具有辅助充种、托种作用种盘的气力式小麦精量排种器。该排种器利用型孔凸台扰动种群，增大了种群的离散度，进而提高排种器充种性能。对不同排种盘设计的排种器充种性能进行离散元仿真试验，验证了采用型孔凸台的排种器具有最佳的充种性能。

对EDEM采用的4种种盘进行转速、气室压强和种盘类型正交台架试验，并对正交试验结果进行极差和方差分析，确定了影响各排种性能指标的主次因素，得出带型孔凸台排种盘的排种性能最佳，验证了离散元仿真的准确性。最后，采用试验因素的多目标寻优，以合格指数最大，重播指数、漏播指数最小为寻优条件，得出所设计排种器的最佳工作参数：排种盘转速为36.2 r/min，气室压强为-3.7 kPa。对优化后的结果进行试验验证，仿真与台架试验结果相差均小于5，与理论优化结果基本一致。

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