王寶龍，王在滿，羅錫文，張明華，方龍羽，劉順財，許 鵬

雜交稻氣力滾筒集排式排種器楔形攪種裝置設(shè)計與試驗

王寶龍1,2，王在滿1※，羅錫文1，張明華1，方龍羽1，劉順財1，許 鵬1

（1. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點實驗室，廣州 510642；2. 海南大學(xué)園藝學(xué)院，海口 570228）

為提高雜交稻氣力滾筒集排式精量排種器的排種精度，該文設(shè)計了一種楔形攪種裝置，以解決滾筒型排種器由于充種時間短和吸種區(qū)稻種架空造成吸種精度低的問題。以厚度1、2和1～2 mm（帶有坡度，其最薄處厚度為1 mm、最大厚度處為2 mm）3種楔形攪種裝置為研究對象，簡化排種器模型，進(jìn)行了攪種過程離散元仿真模擬，以吸孔附近稻種層的平均法向接觸力和平均三軸合速度為評價指標(biāo)，分析了不同攪種裝置對種群內(nèi)摩擦力變化的影響，得出1～2 mm帶有坡度的攪種裝置對稻種種群的攪動效果較好；以雜交稻種晶兩優(yōu)1212為研究對象，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，研究在1～2 mm帶有坡度的楔形攪種裝置下吸種負(fù)壓、滾筒轉(zhuǎn)速、清種距離（清種指到吸孔邊緣距離）對滾筒型排種器排種性能的影響。結(jié)果表明：以漏吸率（1）、合格率（2）、重吸率（3）為評價指標(biāo)，預(yù)測最優(yōu)組合為吸種負(fù)壓為1.60 kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為10 r/min、清種距離為1.94 mm，其合格率為84.67%，重吸率為7.92%，漏吸率為7.41%，試驗驗證上述最優(yōu)組合：合格率為86.00%，重吸率為8.47%，漏吸率為5.53%。該研究結(jié)果表明，安裝1～2 mm帶有坡度楔形攪種裝置對稻種的分離、攪動和助吸有明顯作用，可提高排種器吸種性能，為進(jìn)一步優(yōu)化雜交稻氣力滾筒集排式精量直播機排種性能提供依據(jù)。

作物；農(nóng)業(yè)機械；試驗；雜交水稻；氣力滾筒；攪種；離散元

0 引 言

水稻種植機械化是水稻生產(chǎn)全程機械化中難度實現(xiàn)的環(huán)節(jié)，水稻種植機械化主要有機直播、機拋秧和機插秧3種模式。近年來，中國水稻機械直播技術(shù)發(fā)展很快，其中水稻精量穴直播技術(shù)省工省時、稻田通風(fēng)透氣性好、病蟲害少、水稻分蘗節(jié)位低和長勢均勻等優(yōu)勢，近年來推廣面積逐年增大[1-4]。

雜交水稻具有分蘗能力強和產(chǎn)量高等特點，已在中國廣泛推廣，2013年雜交水稻種植面積為1 617.87萬hm2，占水稻種植面積的53.37%[5-6]。現(xiàn)有機械式排種器主要適合中等或大播量要求，不適應(yīng)雜交稻精少播量的要求。氣力式排種器具有對芽種損傷少、對稻種外形尺寸適應(yīng)能力強等特點，適合精少量播種。為提高氣力式排種器排種性能，國內(nèi)外近年來對氣力式排種器吸種過程中物料顆粒的分布及吸取機理進(jìn)行了研究。張國忠等[7-10]設(shè)計了一種垂直圓盤式氣力排種器，對直線型和導(dǎo)向型攪種裝置進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明：攪種裝置對垂直圓盤型氣力排種器的吸種性能具有顯著影響。雷小龍等[11]設(shè)計了一種油菜小麥兼用氣送式集排器攪種裝置，分析了攪種裝置影響充種性能的主要因素，確定了攪種裝置與攪種軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用DEM（discrete element method）方法仿真分析和臺架試驗研究了攪種裝置結(jié)構(gòu)及其排布對充種性能的影響。劉月琴等[12]通過離散元法對排種器內(nèi)種群的離散度、種子間的作用力和種子速度進(jìn)行仿真分析。國內(nèi)外對滾筒型排種器吸種過程工作參數(shù)進(jìn)行了廣泛研究，但對氣力滾筒型排種器的研究都未涉及雜交稻稻種[13-19]。

氣力滾筒式排種器可實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中吸種和排種，具有結(jié)構(gòu)簡單、高效排種的特點，是氣力式排種器的主要類型之一。為提高雜交稻氣力滾筒集排式排種器的吸種精度，本文設(shè)計了一種帶有楔形攪種裝置的氣力滾筒集排式排種器。采用離散元法，以晶兩優(yōu)1212種子為研究對象，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，研究了吸種負(fù)壓、滾筒轉(zhuǎn)速、清種距離（清種指到吸孔邊緣距離）及不同類型攪種裝置對滾筒型排種器吸種性能的影響，進(jìn)行了排種性能試驗，為氣力滾筒集排水稻精量穴直播機排種器的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

1 排種器結(jié)構(gòu)及原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本文根據(jù)雜交稻精少量穴播的要求，設(shè)計了一種氣力滾筒集排式水稻排種器及直播機[20-22]。

如圖1a、1b所示，氣力滾筒集排式排種器主要由種箱1、外滾筒2、換氣殼體3、排種管4、送種管5、毛刷6、攪種裝置7、清種指8等組成，內(nèi)外滾筒與換氣殼體3同軸安裝，在彈簧和螺桿的作用下固定的換氣殼體3與旋轉(zhuǎn)的內(nèi)外滾筒貼合，攪種裝置7安裝于外滾筒表面上，換氣殼內(nèi)3有正負(fù)壓腔體，處于負(fù)壓區(qū)的滾筒上的吸孔吸取種箱內(nèi)稻種，多余的稻種在清種裝置的作用下返回種箱1中，余下吸附的稻種隨著滾筒的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)入正壓區(qū)，在自重和正壓的作用下落入排種管4和送種管5中，在自重與正壓氣流的作用下落入播種溝中。

1.種箱 2.外滾筒 3.換氣殼體 4.排種管 5.送種管 6.毛刷7.攪種裝置 8.清種指

1.2 楔形攪種裝置的設(shè)計

稻種形狀呈現(xiàn)細(xì)、長、尖，有棱、有芒和絨毛、流動性差，并且滾筒類型排種器存在著吸種時間短，易在吸種區(qū)域形成架空不能吸取稻種等問題[23-25]，不利于稻種的吸附，前期試驗結(jié)果表明：在種箱下部安裝一種電磁激振裝置可有助于滾筒排種器吸種，但其不適合在田間使用。張國忠等在垂直圓盤水稻氣力排種器上設(shè)計了導(dǎo)向型攪種裝置與直線型攪種裝置，試驗結(jié)果顯示導(dǎo)向型攪種裝置對秈稻種子有分離、導(dǎo)向、摩擦和支撐等助吸作用，可提高排種器的排種精度。

本文在垂直圓盤導(dǎo)向型和直線型攪種裝置對其吸種性能影響試驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種楔形攪種裝置，緊固于滾筒外壁，尖端兩側(cè)分布2個吸孔，軸向5組，周向8組，貼近外徑直徑135 mm圓柱外表面，其兩端直線距離為10 mm，攪種裝置采用3D快速成型機制作，材質(zhì)為ABS塑料，布置如圖1b所示，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)常見雜交稻種的三軸尺寸統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析（如表1所示），圖2a、2b分別為厚度為1、2 mm的攪種裝置；2c為一種帶有坡度楔形攪種裝置，其最薄處厚度為1 mm、最大厚度處為2 mm。

圖2 攪種裝置示意圖

表1 6種典型雜交稻品種主要三軸尺寸平均值

2 基于離散元的攪種過程仿真與分析

2.1 顆粒模型構(gòu)建

試驗選取雜交稻晶兩優(yōu)1212為模型，經(jīng)測量其千粒質(zhì)量為21.2 g，采用滑動摩擦因數(shù)測定儀測定其滑動摩擦角為24.5°，平均三軸尺寸8.94 mm×2.30 mm×1.94 mm。按照平均三軸尺寸，采用半徑0.2 mm至1 mm的多球面顆粒堆積填充，采用EDEM模型自動計算稻種顆粒模型質(zhì)量、體積和轉(zhuǎn)動慣量[26]，顆粒模型如圖3所示。

圖3 稻種模型示意圖

離散元素法是把分析對象看作充分多的離散單元，每個顆?；驂K體為一個單元，根據(jù)仿真過程中的每一個時間步長，計算各個顆粒之間的接觸力，再運用牛頓運動定律計算單元的運動參數(shù)。顆粒模型的計算方法一般分為硬球模型和軟球模型2種類型，軟球模型主要用來模擬2個顆粒之間的碰撞過程，其碰撞發(fā)生在一定時間范圍內(nèi)，利用牛頓第二定律，根據(jù)球體之間的重疊量計算顆粒之間的接觸力，本文稻種之間的碰撞屬于軟球模型。

EDEM常用的接觸模型有Hertz-Mindlin無滑動接觸模型、Hertz-Mindlin黏結(jié)接觸模型、線性黏附接觸模型、運動表面接觸模型、線彈性接觸模型和摩擦帶電接觸模型[27-29]，考慮到稻種表面無黏附力，選取Hertz-Mindlin無滑動接觸模型作為稻種與稻種、稻種與攪種裝置之間的接觸模型。

2.2 排種器模型構(gòu)建與仿真參數(shù)設(shè)定

為研究不同厚度攪種裝置對滾筒型排種器吸孔附近稻種攪動作用及其變化規(guī)律，以獲較佳的攪種裝置設(shè)計參數(shù)，在建立稻種顆粒模型和數(shù)值分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行EDEM離散元仿真試驗研究。

氣力式排種器在研究對象的擾動與充種過程中，普遍采用的是CFD-EDEM氣固兩相流的耦合，現(xiàn)有相關(guān)文獻(xiàn)中[25-27]多采用正壓與離散元物料相運動相耦合，負(fù)壓吸孔式排種器與正壓氣送式排種器不同的是負(fù)壓區(qū)與物料堆積區(qū)不處于同一區(qū)域，如果用正壓模擬負(fù)壓會對種群造成不相關(guān)的擾動，影響攪動效果，故本文在離散元仿真的過程中只考慮攪種裝置對稻種的攪動作用，在試驗環(huán)節(jié)控制不同試驗的相同負(fù)壓條件，以研究不同攪種裝置對稻種的攪種性能的影響。

影響滾筒型排種器攪種效果（以稻種種群受到的法向應(yīng)力表征）的主要因素是滾筒轉(zhuǎn)速、攪種裝置厚度與類型，根據(jù)前期預(yù)試驗，選取滾筒轉(zhuǎn)速為30 r/min，攪種裝置厚度分別為1、2和1～2 mm（帶有坡度）。

2.2.1 排種器模型構(gòu)建

為了對攪種裝置的攪動作用進(jìn)行離散元仿真，簡化模型，縮減一器五行集排式排種器為一行，去除排種裝置與接觸模型不相關(guān)的零件，將排種滾筒、攪種裝置與種箱三維模型導(dǎo)入EDEM軟件中，仿真結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

1.種箱 2.攪種裝置 3.外滾筒

2.2.2 參數(shù)設(shè)定

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報道[30-31]，排種器材料參數(shù)及稻種與排種器材料接觸參數(shù)如表2和表3所示。

表2 材料參數(shù)

2.2.3 攪種效果評價指標(biāo)

攪種裝置效果評價的重要指標(biāo)是稻種的擾動效果，稻種向排種器吸孔一側(cè)運動的趨勢，產(chǎn)生運動的重要原因是受力，本文以稻種種群在不同參數(shù)攪種裝置下所受到垂直于排種滾筒的法向接觸力和種群整體三軸合速度為指標(biāo)，對3種參數(shù)攪種裝置進(jìn)行評價。

2.2.4 仿真結(jié)果分析

對3種不同類型攪種裝置在滾筒轉(zhuǎn)速30 r/min（直播機前進(jìn)速度約為0.5～0.6 m/s）條件下進(jìn)行仿真研究，設(shè)置仿真步長為20%，時間間隔為0.05 s，總仿真時間為2 s，前1 s填充稻種，后1秒進(jìn)行攪種。稻種顆粒數(shù)目為1 000粒，創(chuàng)建顆粒速度為1 500粒/s，尺寸分布為正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)差為0.05，半徑自動縮放。

吸種口附近是否產(chǎn)生架空是影響吸種效果的重要因素，攪種裝置的作用是攪動吸孔附近的稻種，使稻種種群內(nèi)摩擦力產(chǎn)生變化，因此針對吸孔附近層稻種展開討論，滾筒垂直切線作為區(qū)域邊界，使用手動方式框選吸孔附近層區(qū)域，區(qū)域內(nèi)稻種數(shù)目約350粒，輸出每個時間步長內(nèi)的接觸平均法向應(yīng)力。

1～2 s時間內(nèi)對吸孔附近稻種層的平均法向接觸力變化曲線與時間關(guān)系如圖5所示。

圖5 各種攪種裝置稻種平均法向應(yīng)力隨時間變化曲線

其中以1 s為界，稻種顆粒在重力的作用下下落至種箱底部，并且逐漸堆積，1 s后為攪種過程，貼近攪種裝置的稻種在其作用下接觸力與速度逐漸變化，可以看出：1～2 mm厚帶有坡度攪種裝置對稻種種群產(chǎn)生的平均法向接觸力為正值7.54×10-6N，與垂直于滾筒法向（）正方向相同，說明在攪種裝置的作用下種群內(nèi)摩擦力增大；2 mm攪種裝置對稻種種群產(chǎn)生的平均法向接觸力為?1.42×10-5N，與軸正方向相反，說明在2 mm攪種裝置的作用下向軸負(fù)方向運動，內(nèi)摩擦力減??；同理1 mm攪種裝置對稻種種群產(chǎn)生的平均法向接觸力為負(fù)值?1.37×10-5N，與軸正方向相反，內(nèi)摩擦力減小。表4為攪種過程時間內(nèi)種箱稻種種群的三軸合速度（絕對值），從中可以看出1～2 mm厚帶有坡度攪種裝置稻種種群在擾動作用大于1和2 mm厚攪種裝置，綜上，3種攪種裝置對稻種種群攪種效果大小依次為1～2 mm厚帶有坡度攪種裝置>2 mm攪種裝置>1 mm攪種裝置。

前期預(yù)試驗研究發(fā)現(xiàn)：由于厚度為2 mm的攪種裝置大于稻種平均厚度，其在吸附水稻種子過程種易存在攜種現(xiàn)象，然而厚度為1 mm攪種裝置過薄攪種效果不佳，綜合離散元仿真選取1～2 mm帶有坡度攪種裝置為研究對象進(jìn)行排種性能試驗。

表4 稻種種群平均三軸合速度

3 排種性能臺架試驗

根據(jù)上述離散元仿真結(jié)果，為驗證1～2 mm帶有坡度的攪種裝置的攪種效果，進(jìn)行三因素五水平二次正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，驗證設(shè)計的合理性。

3.1 試驗材料

試驗時間2018年1月，試驗條件：JPS-12機器視覺排種器試驗平臺，試驗材料為秈型雜交水稻品種晶兩優(yōu)1212，除雜后清水浸種至破胸露白、晾干[32-33]。試驗在JPS-12機器視覺排種器試驗平臺上進(jìn)行，采用高速攝像機對滾筒排種器的吸種情況進(jìn)行連續(xù)拍攝記錄并統(tǒng)計分析。

3.2 試驗條件

如圖6所示，試驗裝置為雜交稻氣力滾筒集排式精量排種器，根據(jù)機具田間行走速度，取試驗轉(zhuǎn)速范圍為3.18～36.82 r/min；根據(jù)預(yù)試驗吸附效果，設(shè)定負(fù)壓范圍為0.82～4.18 kPa，清種距離為1.16～2.82 mm。

1.種箱 2.外滾筒 3.攪種裝置 4.試驗平臺 5.負(fù)壓管 6.換氣殼體

3.3 試驗指標(biāo)與計算方法

1）評價指標(biāo)

根據(jù)雜交稻精少量播種要求，本文以每組吸孔吸附稻種2±1粒為標(biāo)準(zhǔn)，提出氣力式滾筒式排種器排種性能綜合評價標(biāo)準(zhǔn)為：0定為漏吸，1～3粒/穴為合格，≥4粒/穴定義為重吸。以漏吸率、合格率和重吸率作為評價指標(biāo)。

2）計算方法

同時記錄每組每群吸孔吸附0、1、2、3、4、5及以上粒數(shù)出現(xiàn)的次數(shù)x，則氣力滾筒排種器吸附不同粒數(shù)稻種頻率()的表達(dá)如下：

=0,1,2,3,4,5,6,…;=1,2,3

3）試驗方案

以吸種負(fù)壓、滾筒轉(zhuǎn)速、清種距離（清種指與吸孔距離）為試驗因素，進(jìn)行進(jìn)行高速攝像試驗，通過正交試驗分析三因素在有1～2 mm帶坡度的攪種裝置下對稻種的吸附精度的影響，采用三因素五水平二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，以吸種負(fù)壓、滾筒轉(zhuǎn)速和清種距離為試驗因素，進(jìn)行氣力滾筒式水稻排種器性能試驗，因素水平見表5，試驗結(jié)果見表6。

表5 試驗因素與水平

4 結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如表6所示，安裝有1～2 mm的攪種裝置的排種器，排種器的排量集中于（1～3）粒/穴，采用試驗設(shè)計與分析軟件Design expert軟件[35]預(yù)測最優(yōu)解，預(yù)測最優(yōu)組合為吸種負(fù)壓為1.60 kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為10 r/min、清種距離為1.94 mm，合格率為84.67%，重吸率為7.92%，漏吸率為7.41%。

4.1 最佳參數(shù)組合模型預(yù)測與驗證試驗

根據(jù)最優(yōu)解組合，以真空負(fù)壓1.60 kPa、滾筒轉(zhuǎn)速10 r/min、清種距離2 mm為因素組合，以晶兩優(yōu)1212為試驗材料，進(jìn)行驗證試驗，統(tǒng)計750穴稻種吸種情況，試驗結(jié)果表明：在此因素組合下合格率為86.00%，重吸率為8.47%，漏吸率為5.53%，與預(yù)測模型結(jié)果相近。

4.2 方差分析

排種器設(shè)計的核心目是提高合格率減少漏播的產(chǎn)生，根據(jù)表6試驗結(jié)果，進(jìn)行了排種量的合格率和空穴率方差分析，研究在安裝有1～2 mm厚帶坡度攪種裝置的排種器的情況下，排種器吸種負(fù)壓、滾筒轉(zhuǎn)速、清種距離三者對排種器影響的主次因素，結(jié)果如表7所示。

表6 試驗結(jié)果

表7 方差分析表

從表7中合格率方差分析可以看出1、2、3、交互項12和13對吸種合格率影響顯著，其余項影響不顯著。3種試驗因素對合格率的影響順序依次為1＞2＞3，其中吸種負(fù)壓對排種合格率影響最顯著。

從表7中漏吸率方差分析所示，對漏吸率有顯著性影響的有1、2、3、交互項12，其余項影響不顯著。3種試驗因素對漏吸率的影響順序依次為2＞1＞3，其中排種轉(zhuǎn)速對漏吸率影響最顯著。

5 結(jié) 論

針對水稻稻種流動性差、易架空等問題，本文設(shè)計了一種帶有楔形攪種裝置的雜交稻氣力滾筒集排式精量排種器，給出主要設(shè)計參數(shù)及工作原理，對稻種種群建立了接觸模型、進(jìn)行了接觸力學(xué)分析。

1）通過離散元仿真軟件EDEM對不同厚度參數(shù)的楔形攪種裝置對稻種的攪動作用進(jìn)行了仿真模擬，通過對吸孔附近層稻種種群所受到的平均法向接觸力和平均三軸合速度進(jìn)行比較，厚度1、2、1～2 mm（帶有坡度）的楔形攪種裝置，對吸孔附近稻種種群攪動的法向接觸力分別為?1.37×10-5、?1.42×10-5、7.54×10-6N，1～2 mm帶有坡度的楔形攪種裝置對稻種種群運動方向為正向（趨向吸孔），其效果優(yōu)于其他2種攪種裝置。

2）1～2 mm厚帶坡度攪種裝置的design expert優(yōu)選試驗結(jié)果：在吸種負(fù)壓1.60 kPa、滾筒轉(zhuǎn)速為10 r/min、清種距離為1.94 mm下，合格率為84.67%，重吸率為7.92%，漏吸率為7.41%。在此參數(shù)下進(jìn)行試驗，合格率為86.00%，重吸率為8.47%，漏吸率為5.53%，楔形攪種裝置對稻種的分離、攪動、助吸作用，為進(jìn)一步優(yōu)化滾筒集排式水稻精量穴直播機的排種性能提供依據(jù)。

[1] 羅錫文，蔣恩臣，王在滿，等. 開溝起壟式水稻精量穴直播機的研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2008，24(12)：52－56.

Luo Xiwen, Jiang Enchen, Wang Zaiman, et al. Precision rice hill-drop drilling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2008, 24(12): 52－56. (in Chinese with English abstract)

[2] 曾山，湯海濤，羅錫文，等. 同步開溝起壟施肥水稻精量旱穴直播機設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2012，28(20)：12－19.

Zeng Shan, Tang Haitao, Luo Xiwen, et al. Design and experiment of precision rice hill-drop drilling machine for dry land with synchronous fertilizing[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(20): 12－19. (in Chinese with English abstract)

[3] Singh R S, Gite L P. Technological change in paddy production: A comparative analysis of traditional and direct seeding methods of cultivation[J]. AMA-Agricultural Mechanization in Asia Africa and Latin America, 2012, 43(3): 41－46.

[4] Dixit A, Manes G S, Singh A, et al. Evaluation of direct-seeded rice drill against Japanese manual transplanter for higher productivity in rice[J]. Indian Journal of Agricultural Sciences, 2010, 80(10): 884－887.

[5] National Bureau of Statistics of the People’s Republic of China. Annual data, Rice sown area (thousand hectareas) [Z/OL]. [2018-11-10]http://data.stats.gov.cn/easyquery.htm?cn=C01.

[6] Hu Z X, Tian Y, Xu Q S. Review of extension and analysis on current status of hybrid rice in China[J]. Hybrid Rice 2016, 31(2): 1－8.

[7] 張國忠，臧英，羅錫文，等. 粳稻穴播排種器直線型攪種裝置設(shè)計及排種精度試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(17)：1－9.

Zhang Guozhong, Zang Ying, Luo Xiwen, et al. Line- churning tooth design and metering accuracy experiment of rice pneumatic precision hill- drop seed metering device on pregnant Japonica rice seed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(17): 1－9. (in Chinese with English abstract)

[8] 張國忠，臧英，羅錫文，等. 水稻氣力式排種器導(dǎo)向型攪種裝置的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(12)：1－8.

Zhang Guozhong, Zang Ying, Luo Xiwen, et al. Design and experiment of oriented seed churning device on pneumatic seed metering device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(12): 1－8. (in Chinese with English abstract)

[9] 張國忠，羅錫文，臧英，等. 水稻氣力式排種器群布吸孔吸種盤吸種精度試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2013，29(6)：13－20.

Zhang Guozhong, Luo Xiwen, Zang Ying, et al. Experiment of sucking precision of sucking plate with group holes on rice pneumatic metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(6): 13－20. (in Chinese with English abstract)

[10] 邢赫，臧英，王在滿，等. 水稻氣力式排種器分層充種室設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(4)：42－48.

Xing He, Zang Ying, Wang Zaiman, et al. Design and experiment of stratified seed- filling room on rice pneumatic metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(4): 42－48. (in Chinese with English abstract)

[11] 雷小龍，廖宜濤，李兆東，等. 油菜小麥兼用氣送式集排器攪種裝置設(shè)計及充種性能試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(18)：26－34.

Lei Xiaolong, Liao Yitao, Li Zhaodong, et al. Design of seed churning device in air-assisted centralized metering devicefor rapeseed and wheat and experiment on seed filling performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(18): 26－34. (in Chinese with English abstract)

[12] 劉月琴，趙滿全，劉飛，等. 基于離散元的氣吸式排種器工作參數(shù)仿真優(yōu)化[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(7)：65－72.

Liu Yueqin, Zhao Manquan, Liu Fei, et al. Simulation and optimization of working parameters of airsuction metering device based on discrete element[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 65－72. (in Chinese with English abstract)

[13] 趙湛，李耀明，陳進(jìn)，等. 氣吸滾筒式排種器吸種過程的動力學(xué)分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(7)：112－116.

Zhao Zhan, Li Yaoming, Chen Jin, et al. Dynamic analysis on seeds pick-up process for vacuum-cylinder seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(7): 112－116. (in Chinese with English abstract)

[14] 左彥軍，馬旭，齊龍，等. 窩眼窄縫式氣吸滾筒排種裝置的試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26(11)：141－144.

Zuo Yanjun, Ma Xu, Qi Long, et al. Seeding experiments of suction cylinder- seeder with socket- slot[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(11): 141－144. (in Chinese with English abstract)

[15] 左彥軍，馬旭，玉大略，等. 水稻芽種窩眼窄縫式氣吸滾筒排種器流場模擬與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2011，42(2)：58－62.

Zuo Yanjun, Ma Xu, Yu Dalue, et al. Flow field numerical simulation of suction cylinder-seeder for rice bud seed with socket slot[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(2): 58－62. (in Chinese with English abstract)

[16] 高筱鈞，周金華，賴慶輝. 中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器的設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(2)：20－28.

Gao Xiaojun, Zhou Jinhua, Lai Qinghui. Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed- metering device for panax notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(2): 20－28. (in Chinese with English abstract)

[17] 胡建平，鄭賽男，劉文東. 磁吸滾筒式精密排種器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2009，40(3)：60－63.

Hu Jianping, Zheng Sainan, Liu Wendong. Design and experiment of precision magnetic cylinder-seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2009, 40(3): 60－63. (in Chinese with English abstract)

[18] Karayela D, Wiesehoffb M, ?zmerzia A, et al. Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-velocity camera system[J]. Computers and Electronics in Agriculture, 2006, 50(2): 89－96.

[19] Singh R C, Singh G, Saraswat D C. Optimisation of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting cotton seeds[J]. Biosystems Engineering, 2005, 92(4): 429－438.

[20] 羅錫文. 一種同步開溝起壟的滾筒氣力水稻穴直播機： 107852904A[P].2018-03-30.

[21] 羅錫文. 一種氣力雙層滾筒式排種裝置：105993319A [P]. 2016-10-12.

[22] 羅錫文. 一種氣力滾筒式排種器：105659998B [P]. 2016-06-15.

[23] 張波屏. 播種機械設(shè)計原理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1992.

[24] 陳卓如，王洪杰，劉全忠. 工程流體力學(xué)[M]. （第3版）.北京：高等教育出版社，2013.

[25] 張德良. 計算流體力學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2010.

[26] 劉彩玲，王亞麗，宋建農(nóng)，等. 基于三維激光掃描的水稻種子離散元建模及試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(15)：294－300.

Liu Cailing, Wang Yali, Song Jiannong, et al. Experiment and discrete element model of rice seed based on 3D laser scanning[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(15): 294－300. (in Chinese with English abstract)

[27] 高筱鈞，徐楊，楊麗，等. 基于DEM-CFD耦合的文丘里供種管供種均勻性仿真與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2018，49(S1)：99－107.

Gao Xiaojun, Xu Yang, Yang Li, et al. Simulation and experiment of uniformity of venturi feeding tube based on DEM-CFD coupling[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(S1): 99－107. (in Chinese with English abstract)

[28] 鹿芳媛，馬旭，齊龍，等.基于離散元法的雜交稻振動勻種裝置參數(shù)優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(10)：17－25.

Lu Fangyuan, Ma Xu, Qi Long, et al. Parameter optimization and experiment of vibration seed-uniforming device for hybrid rice based on discrete element method [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(10): 17－25. (in Chinese with English abstract)

[29] 周韓. 超級稻精密播種機離散元分析與試驗研究[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2011.

Zhou Han. Discrete Element Analysis and Experimental Study of Precision Seeder for Super Rice[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2011. (in Chinese with English abstract)

[30] 韓丹丹，張東興，楊麗，等. 基于EDEM-CFD耦合的內(nèi)充氣吹式排種器優(yōu)化與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2017，48(11)：43－51.

Han Dandan, Zhang Dongxing, Yang Li, et al. Optimization and experiment of inside-filling air-blowing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017，48(11)：43－51. (in Chinese with English abstract)

[31] 心男. 基于EDEM-FLUENT耦合的氣吹式排種器工作過程仿真分析[D]. 長春：吉林大學(xué)，2013.

Xin Nan. Simulation Analysis of Working Process of Air-blowing Seed-metering Device Based on Coupled EDEM-FLUENT[D]. Changchun:Jilin University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[32] 陳坤杰，徐偉梁. 含水率對稻谷機械特性的影響[J]. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2005，36(11)：171－172，175.

[33] 於海明. 特種稻谷（秈稻）物理特性的實驗測定[D]. 南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

Yu Haiming. The Experimental Measurement of Physical Characteristics for Special Grain (Xiandao)[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2006. (in Chinese with English abstract)

[34] 單粒（精密）播種機試驗方法：GB-T 6973-2005[S]. 2005.

[35] 葛宜元. 試驗設(shè)計方法與Design-Expert軟件應(yīng)用[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2015.

Design and experiment of wedge churning device for pneumatic cylinder-type seed metering device for hybrid rice

Wang Baolong1,2, Wang Zaiman1※, Luo Xiwen1, Zhang Minghua1, Fang Longyu1, Liu Shuncai1, Xu Peng1

(1.,,,510642,; 2.,570228,)

To meet the requirement of the precise direct-seeding for hybrid rice, the study aimed to designthe wedge type churning device, which on the basic of pneumatic cylinder-type seed metering device. As the shape of rice seed is slender, long and sharp, with edges, villus, and poor fluidity, the wedge-shaped churning device was designed to improve suction accuracy. The previous experimental results show that the installation of an electromagnetic vibration device at the bottom of the seed box can help the cylinder metering device to suck seeds, but it is not suitable for field use. A directional churning device and a linear churning device for a vertical disc rice pneumatic metering device was designed, the experimental results show that the directional churning device can improve the seed suction precision of the metering device according the previous research of the author’s team. According to the triaxial size of typical hybrid rice varieties, three kinds of churning devices with thickness of 1 mm, 2 mm and arc-shaped churning device with slope thickness from 1mm to 2 mm were designed, which was made of ABS plastic and fixed on the outer surface of the cylinder, with two suction holes on both sides of the churning device. The straight-line distance between the two ends of churning device is 10mm, and five groups in the cylinder axial direction, eight groups in the cylinder circumference In order to test the churning performance, the virtual simulation was investigated by means of discrete element method, the model of the seed metering device was drawing out by 3D cad design software. According to the average triaxial size, the rice seed model made by multi-spherical particles with radius from 0.2 mm to 1 mm were packed and filled in EDEM software. The mass, volume and moment of inertia were calculated automatically by EDEM model. The average normal contact force and triaxial resultant velocity towards to the cylinder of the rice seed near suction holes were compared. The average normal contact forces produced by seed agitator on rice population were respectively -1.37×10-5, -1.42×10-5and 7.54×10-6N. The results showed that the churning effect of arc-shaped churning device with slope thickness from 1mm to 2 mm was better than the others. Taking the Jingliangyou 1212 rice seeds as the experiment material, using three factors and five level orthogonal rotatory experiment for arc-shaped churning device, the influence of negative pressure of the suction chamber, rotation velocity of cylinder, and cleaning distance (distance between the cleaning device and the hole edge) on the suction performance were studied. The results showed that the prediction optimal parameters of the regression model were as follows: the negative pressure was 1.60 kPa, rotation velocity of cylinder was 10 r·min-1, the cleaning distance was 1.94 mm, with the qualified rate of 84.67%, the over sucked rate of 7.92% and rate of seed empty of 7.41%. The test results showed that the qualified rate was 86.00%, the over sucked rate was 8.47%, and the rate of seed empty was 5.53% under condition with optimal parameters. The results showed that thearc-shaped churning device with slope thickness from 1 mm to 2 mm for cylinder-type seed metering device had a significant effect on the separation, agitation and suction for the hybridrice, which could improve the seed suction performance, and provide a reference for the further optimization.

crops; agricultural machinery; experiments; hybrid rice; cylinder-type pneumatic seeder; churning; discrete element method

王寶龍，王在滿，羅錫文，張明華，方龍羽，劉順財，許 鵬. 雜交稻氣力滾筒集排式排種器楔形攪種裝置設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(23)：1－8.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.001 http://www.tcsae.org

Wang Baolong, Wang Zaiman, Luo Xiwen, Zhang Minghua, Fang Longyu, Liu Shuncai, Xu Peng. Design and experiment of wedge churning device for pneumatic cylinder-type seed metering device for hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 1－8. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.001 http://www.tcsae.org

2018-11-08

2019-02-16

國家重點研發(fā)計劃項目（2018YFD0100800）;現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（CARS-01-41）

王寶龍，博士，主要從設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)裝備技術(shù)研究。Email：wangbaolong0205@163.com

王在滿，副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)機械化研究。Email：wangzaiman@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.001

S223.2

A

1002-6819(2019)-23-0001-08