王寶山 王 磊 廖宜濤 吳 崇 曹 梅 廖慶喜

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070)

0 引言

油菜、芝麻、小白菜是廣泛種植的小粒徑種子作物，其中油菜是第一大國產(chǎn)植物油來源和第二大飼用蛋白來源[1]，芝麻、小白菜是重要的特色油料作物和蔬菜。油菜、芝麻、小白菜等小粒徑種子球形度差異大、粒徑小、質(zhì)量輕，品種兼用及播種粒數(shù)精量控制難度大且易卡種。油菜、芝麻、小白菜中油菜機(jī)播率相對(duì)較高，截至2020年油菜機(jī)播率僅為35.65%，油菜、芝麻、小白菜機(jī)械化播種水平亟待提高。因此，開展適用于油菜、芝麻、小白菜的兼用、精量、集排播種關(guān)鍵技術(shù)研究是提高播種機(jī)具利用率、改善播種質(zhì)量、提升作業(yè)效率和機(jī)播率的有效途徑[2]。

小粒徑種子精量排種器主要分為氣吸式排種器和型孔輪式排種器。氣吸式排種器排種性能主要受型孔結(jié)構(gòu)、吸種負(fù)壓、轉(zhuǎn)速等因素影響[3-5]，通過增設(shè)攪種結(jié)構(gòu)能夠提高其高速作業(yè)性能[6-7]，氣力集排器能夠?qū)崿F(xiàn)多行排種，作業(yè)效率較高，廣泛用于育苗播種[8-9]。氣吸式排種器具有吸種穩(wěn)定、播種精度高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)有的氣吸式排種器多針對(duì)單一作物種子或單行排種；氣力滾筒式集排器對(duì)芝麻等非球性小粒徑種子的適應(yīng)性及不同種子兼用性有待進(jìn)一步提高。型孔輪式排種器可依據(jù)不同種類種子設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)型孔輪，更換型孔輪易于實(shí)現(xiàn)兼用與精量排種；采用并列配置多個(gè)型孔輪可簡化傳動(dòng)和整體結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)多行集排播種。型孔輪結(jié)構(gòu)是影響排種性能的關(guān)鍵因素，通過優(yōu)化型孔輪型孔結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]、設(shè)置攪種結(jié)構(gòu)[11]或采用組合型孔[12-13]，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水稻、大豆和人參等中大粒徑種子精量及兼用排種，排種性能良好。適用于油菜、芝麻、小白菜等小粒徑種子的型孔輪式精量集排器研究較少[14]，主要原因?yàn)椋盒×椒N子千粒質(zhì)量小，型孔設(shè)計(jì)不合理時(shí)種子難以依靠自重順暢投種、易卡種；同時(shí)，因小粒徑種子易破損，中大粒徑種子排種器常用的卸種結(jié)構(gòu)易導(dǎo)致種子破損率增加。通過合理設(shè)計(jì)型孔輪結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)油菜、芝麻、小白菜等小粒徑種子穩(wěn)定充種、無卸種裝置條件下順暢投種，是提高小粒徑種子型孔輪式排種器排種性能的關(guān)鍵。

針對(duì)油菜、芝麻、小白菜精量穴播排種過程中充種穩(wěn)定性差、易卡種的問題，設(shè)計(jì)一種采用傾斜拋物線型孔充種、環(huán)槽凸臺(tái)攪種結(jié)構(gòu)的型孔輪和精量穴播集排器，利用力學(xué)計(jì)算、EDEM仿真與高速攝影技術(shù)分析型孔輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充種性能的影響規(guī)律及其較優(yōu)值，確定種子物料特性與型孔輪較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)的量化關(guān)系，通過臺(tái)架試驗(yàn)與田間試驗(yàn)驗(yàn)證集排器的排種性能，以期為小粒徑種子型孔輪式集排器關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)提供參考。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 總體結(jié)構(gòu)

小粒徑種子精量直播機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由地輪驅(qū)動(dòng)裝置、排種電機(jī)、集排器、導(dǎo)種管、開種溝裝置、排肥裝置、旋耕裝置、機(jī)架、開畦溝裝置等組成，可實(shí)現(xiàn)旋耕、開溝、施肥、6或8行播種等功能。

圖1 小粒徑種子精量直播機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

型孔輪式集排器是直播機(jī)的核心裝置，集排器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由種箱、型孔輪、儲(chǔ)種室、排種軸、卸種集種槽、集排器殼體、落種口、風(fēng)機(jī)等組成。型孔輪是決定集排器排種性能的關(guān)鍵部件，其主要結(jié)構(gòu)為拋物線型孔和環(huán)槽凸臺(tái)。

圖2 型孔輪式集排器與型孔輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 集排器工作過程

集排器工作過程及原理見圖3，種子由種箱進(jìn)入儲(chǔ)種室，形成具有一定種層高度的種群，排種軸帶動(dòng)型孔輪轉(zhuǎn)動(dòng)擾動(dòng)儲(chǔ)種室種群，種子因種群作用力、自身重力、型孔作用力充入型孔，型孔輪攜帶種子轉(zhuǎn)過一定角度后，種子因重力及離心力脫離型孔，種子沿切向進(jìn)入落種口引導(dǎo)槽，在引導(dǎo)槽的約束下進(jìn)入導(dǎo)種管，經(jīng)導(dǎo)種管落入種溝完成排種過程。落種口由圓弧形導(dǎo)槽和氣流通道構(gòu)成，當(dāng)排種芝麻等球形度低、流動(dòng)性差種子時(shí)，風(fēng)機(jī)輸送氣流能夠提高種子在導(dǎo)種管內(nèi)的運(yùn)移速度，避免種子滯留導(dǎo)種管。集排器殼體與種箱連接處設(shè)置槽口，通過調(diào)整種箱安裝高度可以調(diào)節(jié)儲(chǔ)種室種層高度，以改善充種性能；種箱出種口與儲(chǔ)種室隔板使型孔輪對(duì)應(yīng)種群相互獨(dú)立，依據(jù)不同作物行距要求拆裝行數(shù)調(diào)節(jié)堵頭，實(shí)現(xiàn)6～8行排種。

圖3 集排器排種原理圖

2 型孔輪設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

2.1 型孔輪結(jié)構(gòu)

型孔輪是決定集排器排種性能的重要部件，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括型孔數(shù)、型孔與環(huán)槽凸臺(tái)攪種結(jié)構(gòu)參數(shù)等，型孔數(shù)受種植農(nóng)藝、機(jī)具作業(yè)速度等影響；型孔結(jié)構(gòu)由徑向截面和軸向截面確定，合理設(shè)計(jì)型孔結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定充種和避免型孔卡種的關(guān)鍵；環(huán)槽凸臺(tái)攪種結(jié)構(gòu)有利于增加種群流動(dòng)，改善充種性能。

2.1.1型孔數(shù)確定

農(nóng)藝種植參數(shù)是型孔輪設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，油菜、芝麻、小白菜種植農(nóng)藝參數(shù)[15-17]見表1。

表1 種植農(nóng)藝參數(shù)

排種頻率由農(nóng)藝種植密度要求及出苗率決定，穴距及型孔數(shù)計(jì)算式為

(1)

(2)

式中l(wèi)h——穴距，mm

k——每個(gè)型孔平均充種數(shù)量，取2

N——播種行數(shù)

u——出苗率，%

B——播種機(jī)幅寬，取1.8 m

Qf——種植密度，株/hm2

Z——單個(gè)型孔輪型孔數(shù)

vm——播種機(jī)前進(jìn)速度，取3.5 km/h

n——型孔輪轉(zhuǎn)速，取25 r/min

機(jī)具前進(jìn)速度為2～5 km/h，型孔輪轉(zhuǎn)速為 10～40 r/min，型孔輪直徑為120 mm[18]，直播機(jī)幅寬為1.8 m，可采用225 mm等行距播種8行油菜、小白菜或300 mm等行距種植6行芝麻。油菜出苗率取43%[15,19]，田間預(yù)試驗(yàn)得出芝麻、小白菜出苗率分別為38%、50%，采用(2±1)粒/穴精量穴播，取表1種植密度范圍均值，計(jì)算得平均穴距為84.94、135.11、118.52 mm，計(jì)算并圓整得油菜、芝麻、小白菜型孔輪型孔數(shù)Z為27、17、20。

2.1.2型孔徑向截面結(jié)構(gòu)

拋物線各點(diǎn)斜率連續(xù)均勻變化并在最低點(diǎn)處斜率為零，有利于保證充種、投種過程種子平穩(wěn)運(yùn)移及將種子穩(wěn)定在型孔底部；通過設(shè)置倒角、引種槽或采用傾斜型孔可以提高充種時(shí)間、改善充種效果[10,13,20-21]，因此設(shè)計(jì)一種徑向截面為傾斜拋物線結(jié)構(gòu)的型孔，以拋物線對(duì)稱軸和頂點(diǎn)分別為y軸和原點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，(0，-H)為型孔輪圓心，見 圖4，拋物線傾斜前后與圓交點(diǎn)坐標(biāo)關(guān)系滿足

圖4 型孔徑向截面示意圖

(3)

式中x、y——未旋轉(zhuǎn)拋物線與圓交點(diǎn)坐標(biāo)，mm

x1、y1——拋物線旋轉(zhuǎn)后與圓交點(diǎn)坐標(biāo)，mm

p——拋物線焦準(zhǔn)距，mm

H——拋物線頂點(diǎn)至圓心距離(頂心距)，mm

R——型孔輪半徑，取60 mm

r——環(huán)槽凸臺(tái)深度，mm

θ1——拋物線傾斜角，(°)

種子物料特性是型孔設(shè)計(jì)的依據(jù)，每種作物隨機(jī)選取250粒種子，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。種子三軸尺寸最大和最小值可依據(jù)“3σ”原理用均值和3倍標(biāo)準(zhǔn)差近似表示[8]。

表2 種子物料參數(shù)

為保證型孔深度能夠有效約束種子、型孔長度應(yīng)能夠至少容納一粒最大粒徑種子并避免充入3粒以上種子，型孔深度及長度應(yīng)滿足

(4)

式中h1——拋物線傾角為θ1時(shí)型孔深度，mm

xA1、yA1——點(diǎn)A1橫、縱坐標(biāo)，mm

xB1、yB1——點(diǎn)B1橫、縱坐標(biāo)，mm

xC1、yC1——最低點(diǎn)C1橫、縱坐標(biāo)，mm

σa——種子長度標(biāo)準(zhǔn)差，mm

lA1B1——拋物線旋轉(zhuǎn)后型孔長度，mm

當(dāng)拋物線傾斜角θ1為0時(shí)，滿足

(5)

式中h——拋物線傾斜角為0時(shí)型孔深度，mm

lAB——拋物線傾角為0時(shí)型孔長度，mm

由式(3)～(5)知，當(dāng)型孔輪半徑R一定時(shí)，型孔長lA1B1由環(huán)槽凸臺(tái)深度r、拋物線頂點(diǎn)至圓心距離(頂心距)H、焦準(zhǔn)距p及拋物線傾斜角θ1確定，隨H增大而減小，隨p和θ1增大而增大。當(dāng)r取仿真較優(yōu)值0.5、0.2、0.4 mm時(shí)，依據(jù)式(4)、(5)及表2中種子三軸尺寸計(jì)算得型孔長度lA1B1及拋物線頂點(diǎn)至圓心距離(頂心距)H，并借助SolidWorks軟件拋物線參數(shù)化設(shè)計(jì)方法分析確定焦準(zhǔn)距p和拋物線傾斜角θ1取值范圍，各參數(shù)取值范圍見表3。

表3 型孔徑向截面參數(shù)范圍

2.1.3型孔軸向截面結(jié)構(gòu)

型孔寬度和側(cè)邊傾斜角是影響卡種的主要因素，當(dāng)型孔寬度小于種子最大長度時(shí)，型孔易出現(xiàn)單?？ǚN及漏充；因此，型孔寬度應(yīng)略大于種子最大長度以便于充種并控制充種數(shù)量；型孔軸向截面以單粒充種為主，結(jié)構(gòu)如圖5所示。增大型孔側(cè)邊傾斜角有利于順利卸種，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢與ABS型孔輪靜摩擦角分別為16.7°、26.1°、14.7°，側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ初始值取1.0。為保證型孔兩側(cè)種子因翻轉(zhuǎn)力矩進(jìn)入型孔，型孔兩側(cè)環(huán)槽寬度應(yīng)不大于種子最大長度一半，當(dāng)環(huán)槽凸臺(tái)寬度取較大值有利于將更多種子引導(dǎo)進(jìn)入型孔，因此取型孔兩側(cè)環(huán)槽寬度為種子最大長度一半；當(dāng)寬度系數(shù)Kw初始值取1.1時(shí)，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢型孔頂寬L1分別為3.39、4.02、2.33 mm，環(huán)槽凸臺(tái)寬度L分別為6.47、7.67、4.45 mm，型孔軸向截面結(jié)構(gòu)參數(shù)幾何關(guān)系為

圖5 型孔軸向截面示意圖

(6)

式中amax——種子長度最大值，mm

L2——型孔底寬，mm

ζ——型孔側(cè)邊傾角，(°)

φ——種子與型孔輪靜摩擦角，(°)

2.1.4攪種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

增大環(huán)槽凸臺(tái)深度r(圖4)可以增強(qiáng)攪種效果，但r不應(yīng)過大，以避免環(huán)槽凸臺(tái)拖帶種子造成重播率增加，r應(yīng)不大于種子最小高度一半，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢對(duì)應(yīng)環(huán)槽凸臺(tái)深度r上限分別為0.61、0.30、0.56 mm。兩型孔中間位置設(shè)置凸臺(tái)，凸臺(tái)長度l(圖4)取兩型孔中間弦長的1/3，型孔數(shù)Z分別取27、17、20，當(dāng)取表3型孔長度均值時(shí)，由

(7)

計(jì)算并圓整得華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢凸臺(tái)長度l分別為3、6、5 mm。

2.2 充投種過程力學(xué)分析

2.2.1充種過程

充種是排種過程首要環(huán)節(jié)，采用穴播方式每次囊取(2±1)粒種子，為簡化分析過程將被囊取種子視為整體，并且以型孔長度方向分布2粒種子、寬度方向1粒種子為例進(jìn)行分析，充種過程種子受力示意圖如圖6所示，受力平衡方程為

圖6 充種過程受力分析

(8)

式中Ff——型孔與被囊取種子的摩擦力，N

Fc——被囊取種子的慣性離心力，N

FZ——被囊取種子受種群垂直壓力[22]，N

G——被囊取種子重量，N

α——起始充填角，(°)

FN——型孔對(duì)被囊取種子的支持力，N

δ——拋物線型孔右側(cè)壁切線角(型孔和環(huán)槽底部圓弧右側(cè)交點(diǎn)(參照圖4中點(diǎn)A1)處拋物線切線與被囊取種子質(zhì)心和型孔輪圓心連線夾角)，(°)

FH——被囊取種子受到種群水平壓力，N

μ——型孔與被囊取種子的摩擦因數(shù)

m0——種子千粒質(zhì)量，g

S——被囊取種子截面積，m2

γ——物料重度，N/m3

Rh——被囊取種子液力半徑，m

K——側(cè)壓系數(shù)

fs——種子與儲(chǔ)種室靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)

Hs——被囊取種子與種層上表面距離，m

φi——物料的內(nèi)摩擦角，(°)

g——重力加速度，取9.81 m/s2

整理式(8)得

(9)

根據(jù)受力平衡方程可知，起始充填角α受被囊取種子截面積S、重度γ、千粒質(zhì)量m0、內(nèi)摩擦角φi、種子與儲(chǔ)種室系靜滑動(dòng)摩擦因數(shù)fs、種子與型孔輪摩擦因數(shù)μ、型孔輪半徑R和轉(zhuǎn)速n、儲(chǔ)種室種層高度hs及拋物線型孔右側(cè)壁切線角δ共同影響。當(dāng)種子類別、型孔輪與儲(chǔ)種室材質(zhì)、型孔輪轉(zhuǎn)速n確定后，起始充填角α主要受型孔右側(cè)壁切線角δ影響，對(duì)α關(guān)于δ求導(dǎo)，并借助SolidWorks軟件拋物線參數(shù)化設(shè)計(jì)方法分析確定δ隨焦準(zhǔn)距p、拋物線傾斜角θ1變化規(guī)律及取值范圍，可知型孔長度一定時(shí)，適當(dāng)減小焦準(zhǔn)距p，增大θ1能夠增大右側(cè)壁切線角δ及起始充填角α，延長充種時(shí)間，有利于改善充種性能[23]，但增大δ同時(shí)會(huì)降低種群擾動(dòng)量，有降低充種性能趨勢[24]，擬借助仿真和試驗(yàn)確定上述因素對(duì)充種性能的影響規(guī)律。

2.2.2投種過程

被囊取種子轉(zhuǎn)過一定角度進(jìn)入投種區(qū)，種子應(yīng)能順利投種，種子脫離型孔瞬間受力如圖7所示。

圖7 投種過程受力分析

投種過程受力方程為

(10)

式中β——初始投種角，(°)

F′N——投種時(shí)被囊取種子受型孔支持力，N

ε——型孔左側(cè)壁切線角(型孔與環(huán)槽底部圓弧左側(cè)交點(diǎn)(參照圖4中點(diǎn)B1)處拋物線切線與被囊取種子質(zhì)心和型孔輪圓心連線夾角)，(°)

F′f——投種時(shí)被囊取種子受型孔摩擦力，N

由式(8)、(10)整理可得

(11)

(12)

由式(11)可知，當(dāng)型孔左側(cè)壁切線角ε一定時(shí)，初始投種角β隨慣性離心力Fc增大而增大，隨型孔與被囊取種子摩擦因數(shù)μ增大而減?。挥墒?12)可知，當(dāng)型孔輪轉(zhuǎn)速n一定時(shí)，初始投種角β隨型孔左側(cè)壁切線角ε增大而增大；借助SolidWorks軟件拋物線參數(shù)化設(shè)計(jì)方法分析得出，在表3設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)型孔長度一定時(shí)，隨焦準(zhǔn)距p減小和拋物線傾斜角θ1增大，型孔左側(cè)壁切線角ε呈增大趨勢，因此增大轉(zhuǎn)速n、拋物線旋轉(zhuǎn)角θ1或者減小型孔與種子摩擦因數(shù)μ、焦準(zhǔn)距p，使初始投種角β增大，增加投種時(shí)間，促進(jìn)順利投種。

由充種和投種過程力學(xué)理論分析可知，起始充填角α、初始投種角β受焦準(zhǔn)距p和拋物線傾角θ1共同影響，型孔長度一定時(shí)，適當(dāng)減小p、增大θ1，有利于增大起始充填角和初始投種角，改善充種和投種性能；但減小p、增大θ1使型孔右側(cè)壁切線角δ增大，型孔對(duì)種子約束能力增加，充種粒數(shù)及重充率有增大趨勢，擬借助EDEM離散元仿真分析得出焦準(zhǔn)距p和拋物線傾角θ1較優(yōu)值。

3 充種性能仿真

3.1 仿真模型建立

利用EDEM軟件仿真分析型孔輪結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充種性能的影響規(guī)律，采用Hertz-Mindlin無滑動(dòng)接觸模型，油菜、小白菜種子粒徑分布選用“normal”正態(tài)分布模型，使用均值和3倍標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算粒徑上下限；芝麻采用“fixed”模型，由14個(gè)半徑0.45 mm小球填充，三軸尺寸參照表2設(shè)置。充種過程種子僅與ABS工程塑料材質(zhì)的儲(chǔ)種室、型孔輪、落種口接觸，ABS密度為1 060 kg/m3、泊松比為0.394、剪切模量為8.96×108Pa。油菜、芝麻、小白菜分別選用華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢，芝麻、小白菜仿真參數(shù)參照文獻(xiàn)[25-26]試驗(yàn)方法，借助卓精BSM-520.3型電子天平、游標(biāo)卡尺、TMS-PRO型質(zhì)構(gòu)儀、Phantom v1840型高速攝影儀等測定，油菜[14]、芝麻、小白菜仿真參數(shù)見表4，芝麻仿真模型見圖8。

表4 仿真參數(shù)

圖8 芝麻充種性能EDEM仿真模型

3.2 型孔結(jié)構(gòu)對(duì)充種性能影響

型孔結(jié)構(gòu)包括型孔徑向截面與軸向截面，開展EDEM仿真以確定型孔徑向截面與軸向截面結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)充種性能與卡種的影響規(guī)律及其較優(yōu)值。仿真預(yù)試驗(yàn)得適宜種層高度hs(圖3)為20～40 mm，取均值30 mm；創(chuàng)建顆粒工廠分別生成華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢種子80 000、80 000、180 000粒；轉(zhuǎn)速取25 r/min，每次統(tǒng)計(jì)60個(gè)型孔的充種粒數(shù)，(2±1)粒/穴為合格，0粒/穴為漏充，超過3粒/穴為重充，計(jì)算充種合格率、重充率、漏充率。

3.2.1型孔徑向截面結(jié)構(gòu)對(duì)充種性能影響

由表5可知，頂心距H、焦準(zhǔn)距p對(duì)充種性能影響因品種不同存在差異：頂心距H對(duì)華油雜62充種合格率影響極顯著(P<0.01)、對(duì)重充率影響顯著(P<0.05)，焦準(zhǔn)距p對(duì)華油雜62漏充率影響極顯著(P<0.01)；頂心距H對(duì)航天新芝T31-8充種性能指標(biāo)影響均極顯著(P<0.01)；焦準(zhǔn)距p對(duì)五月慢漏充率與充種合格率影響極顯著(P<0.01)，對(duì)重充率影響顯著(P<0.05)；其余各項(xiàng)不顯著。

表5 頂心距和焦準(zhǔn)距對(duì)充種性能影響規(guī)律

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)頂心距H取最小值、焦準(zhǔn)距p取最大值時(shí)重充率或漏充率普遍較高，合格率較低，由充種過程理論分析可知，當(dāng)型孔長度為定值，減小頂心距H或增大焦準(zhǔn)距p時(shí)拋物線傾角θ1取值變小，使型孔右側(cè)壁切線角δ和起始充填角α減小，充種時(shí)間和支持力FN沿型孔輪圓心方向分力減小(圖6)，充種性能降低；當(dāng)焦準(zhǔn)距p較小，如華油雜62焦準(zhǔn)距p分別為0.78、1.04、1.30 mm時(shí)，型孔右側(cè)壁能夠有效約束種子實(shí)現(xiàn)順利充種，此時(shí)型孔充種性能主要受頂心距H影響，頂心距H減小使型孔深度及容積增大，重充率增加；當(dāng)焦準(zhǔn)距p為1.56 mm時(shí)，型孔右側(cè)壁切線角δ過小，型孔無法有效約束種子實(shí)現(xiàn)順利充種，當(dāng)頂心距H減小型孔右側(cè)壁切線角δ進(jìn)一步減小，充種性能降低，漏充率較高。由極差分析確定華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢頂心距H較優(yōu)水平值為58.0、58.0、58.6 mm,焦準(zhǔn)距p較優(yōu)值為0.78、0.93、0.81 mm，結(jié)合式(5)得出頂心距H較優(yōu)值為

(13)

當(dāng)頂心距H、焦準(zhǔn)距p取上述較優(yōu)值時(shí)，進(jìn)一步分析拋物線傾角θ1對(duì)充種性能影響規(guī)律。華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢拋物線傾角θ1上限值分別為50.41°、41.07°、53.43°。因拋物線傾角θ1過小時(shí)，型孔對(duì)種子約束能力降低，充種性能下降；仿真預(yù)試驗(yàn)得出為實(shí)現(xiàn)良好充種，拋物線傾角θ1下限值可取0.75倍上限值，并將拋物線傾角θ1范圍4等分，仿真結(jié)果見表6。由表6可知，當(dāng)頂心距H、焦準(zhǔn)距p取定值時(shí)，隨拋物線傾角θ1增大，型孔長度和容積增大，且型孔右側(cè)壁對(duì)種子約束能力增強(qiáng)，充種時(shí)間延長，重充率有升高趨勢、漏充率有降低趨勢。以充種合格率最高、漏充率與重充率均較低為標(biāo)準(zhǔn)，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢型孔拋物線傾角θ1較優(yōu)值分別為46.21°、37.65°、48.98°。

表6 型孔拋物線傾角θ1對(duì)充種合格率影響規(guī)律

3.2.2型孔軸向截面結(jié)構(gòu)對(duì)充種性能影響

為研究型孔軸向截面參數(shù)對(duì)充種性能及卡種的影響規(guī)律，參照式(6)寬度系數(shù)Kw分別取1.1、1.2、1.3，側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ分別取0、0.5、1.0；型孔徑向截面參數(shù)取3.2.1節(jié)較優(yōu)值，仿真結(jié)果見表7。由結(jié)果可知，隨寬度系數(shù)Kw增大和側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ減小，因型孔容積增大，充種粒數(shù)及重充率有增大趨勢；當(dāng)側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ為0、寬度系數(shù)Kw取1.3時(shí)華油雜62和五月慢型孔均因卡種造成漏充；主要原因?yàn)椋涸O(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)隨寬度系數(shù)Kw增大、側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ減小，型孔寬度增大，充種時(shí)粒徑較小的兩粒種子并排充入型孔概率增大，因充種時(shí)種群作用力、種子重力及慣性力使種子產(chǎn)生微小形變卡入型孔，投種過程當(dāng)離心力與重力無法克服型孔側(cè)邊的摩擦力阻礙作用時(shí)產(chǎn)生卡種現(xiàn)象；當(dāng)寬度系數(shù)Kw取1.1、側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ取1.0時(shí)，充種合格率較高，此時(shí)，寬度方向種子以單粒形式充入型孔，因型孔寬度略大于種子粒徑，型孔側(cè)邊對(duì)種子擠壓及摩擦作用較小，且型孔傾斜側(cè)邊對(duì)種子支持力的徑向分力有利于種子脫離型孔，避免卡種。因此寬度系數(shù)Kw、側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ較優(yōu)值分別為1.1、1.0，此時(shí)型孔能夠?qū)崿F(xiàn)(2±1)粒/穴精量充種，且能夠避免卡種。

表7 型孔軸向截面參數(shù)對(duì)充種性能影響規(guī)律

3.3 攪種結(jié)構(gòu)對(duì)充種性能影響

合理設(shè)計(jì)型孔輪攪種結(jié)構(gòu)能夠促進(jìn)種群擾動(dòng)、改善充種性能，為探究攪種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充種性能的影響規(guī)律及其較優(yōu)值，以華油雜62型孔輪為例開展分析。選取3.2節(jié)較優(yōu)型孔結(jié)構(gòu)，保證型孔結(jié)構(gòu)不變的前提下，研究無攪種、僅環(huán)槽且r為0.5 mm以及環(huán)槽凸臺(tái)深度r分別為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6 mm 時(shí)充種性能，充種性能統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表8，充種效果及充種區(qū)種子平均速度見圖9、10。

表8 不同攪種結(jié)構(gòu)時(shí)充種性能

圖9 充種效果仿真圖

由表8可知，當(dāng)采用無攪種、僅環(huán)槽且r為 0.5 mm 及環(huán)槽凸臺(tái)深度r分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mm 時(shí)漏充率較高，結(jié)合圖10可知，此時(shí)型孔輪攪種能力不足，充種區(qū)種群平均速度較小，種子與型孔相對(duì)速度較大，充種時(shí)間短導(dǎo)致漏充率偏高；當(dāng)環(huán)槽凸臺(tái)深度r為0.6 mm時(shí)，充種區(qū)種子平均速度最大，型孔平均充種粒數(shù)增大且存在種子被環(huán)槽凸臺(tái)拖帶現(xiàn)象，造成重充率增大；華油雜62型孔環(huán)槽凸臺(tái)適宜深度r為0.5 mm，此時(shí)充種合格率為98.33%。采用相同方法得出航天新芝T31-8、五月慢的環(huán)槽凸臺(tái)深度r分別為0.2、0.4 mm時(shí)充種合格率較高，均為96.67%。

圖10 攪種結(jié)構(gòu)對(duì)充種區(qū)種子平均速度影響規(guī)律

分析可知，環(huán)槽凸臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)主要受種子三軸尺寸及球形度影響，避免環(huán)槽凸臺(tái)拖帶種子的前提下，環(huán)槽凸臺(tái)深度r取較大值能夠改善充種性能。結(jié)合表2可知，環(huán)槽凸臺(tái)深度r較優(yōu)值計(jì)算式為

(14)

ψ——球度，%

3品種預(yù)測值依次為0.47、0.24、0.39 mm，與仿真結(jié)果基本一致。

3.4 種層高度和轉(zhuǎn)速對(duì)充種性能影響

種層高度和轉(zhuǎn)速是影響充種性能的重要因素，在確定型孔輪結(jié)構(gòu)較優(yōu)參數(shù)基礎(chǔ)上，選取排種輪轉(zhuǎn)速n、種層高度hs(圖3)為試驗(yàn)因素，轉(zhuǎn)速取值范圍10～40 r/min，種層高度20～40 mm，兩因素均等間隔設(shè)置4個(gè)水平；以充種合格率、重充率、漏充率為試驗(yàn)指標(biāo)，開展雙因素全面仿真試驗(yàn)，每組試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)60穴，試驗(yàn)方案與仿真結(jié)果見表9。

表9 種層高度和轉(zhuǎn)速對(duì)充種性能影響仿真結(jié)果

在試驗(yàn)條件下排種輪轉(zhuǎn)速n、種層高度對(duì)充種合格率影響均不顯著(P>0.05)，集排器充種性能穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速對(duì)3種作物漏充率影響均極顯著(P<0.01),對(duì)華油雜62、航天新芝T31-8重充率影響顯著(P<0.05)，對(duì)五月慢重充率影響極顯著(P<0.01)；種層高度對(duì)3種作物漏充率影響均極顯著(P<0.01)，對(duì)華油雜62、五月慢品種的重充率影響極顯著(P<0.01)，對(duì)航天新芝T31-8重充率影響顯著(P<0.05)；較優(yōu)參數(shù)為轉(zhuǎn)速20～30 r/min，種層高度26.7～33.4 mm，3品種合格率為95.00%～98.33%。

4 集排器性能臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 充種性能臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證EDEM仿真的準(zhǔn)確性及臺(tái)架試驗(yàn)條件下實(shí)際充種效果，根據(jù)華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢較優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)：頂心距分別為58.0、58.0、58.6 mm，焦準(zhǔn)距p分別取0.78、0.93、0.81 mm，拋物線傾角θ1分別為46.21°、37.65°、48.98°，型孔寬度系數(shù)Kw取1.1、側(cè)邊傾角系數(shù)Kζ取1.0，環(huán)槽凸臺(tái)深度r分別為0.5、0.2、0.4 mm，3D打印各型孔輪；參照表9取華油雜62、航天新芝T31-8排種輪轉(zhuǎn)速n為30 r/min、種層高度hs為33.4 mm，五月慢排種輪轉(zhuǎn)速n為20 r/min、種層高度hs為26.7 mm；借助Phantom v1840型高速攝影儀拍攝充種過程，每個(gè)型孔輪統(tǒng)計(jì)60型孔，每個(gè)品種統(tǒng)計(jì)8個(gè)型孔輪共計(jì)480型孔，試驗(yàn)過程見圖11，試驗(yàn)結(jié)果見表10。由結(jié)果可知，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢仿真與臺(tái)架充種合格率相差分別為1.45、2.09、2.50個(gè)百分點(diǎn)，實(shí)際充種性能與仿真基本一致，仿真結(jié)果可用于預(yù)測實(shí)際充種效果，集排器充種性能良好。

圖11 充種性能驗(yàn)證試驗(yàn)

表10 各品種較優(yōu)型孔充種性能試驗(yàn)

4.2 排種性能臺(tái)架試驗(yàn)

為驗(yàn)證集排器排種性能，使用JPS-12型排種性能試驗(yàn)臺(tái)開展排種性能試驗(yàn)，以破損率、漏播率、穴粒數(shù)合格率、重播率與穴距合格率為評(píng)價(jià)指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)破損率時(shí)，試驗(yàn)前人工剔除破損種子，以25 r/min排種5 min，取樣不少于50 g，人工挑選出破碎種子并稱量，每組重復(fù)3次，統(tǒng)計(jì)得出各品種平均破損率分別為0.31%、0.41%、0.34%，均滿足國標(biāo)要求。穴粒數(shù)合格率與穴距合格率每次統(tǒng)計(jì)120穴，均重復(fù)測試5次取均值，(2±1)粒/穴為合格，華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢理論穴距分別為100、135、100 mm，排種性能試驗(yàn)臺(tái)種帶速度vm計(jì)算式為

(15)

試驗(yàn)效果見圖12，試驗(yàn)結(jié)果見表11。分析可知，因種子投種時(shí)間存在差異，落種過程種子與落種口、導(dǎo)種管碰撞等，造成穴粒數(shù)合格率均低于4.1節(jié)高速攝影得出的充種合格率，差值分別為4.88、4.58、5.16個(gè)百分點(diǎn)，穴距合格率分別為83.67%、81.83%、82.50%。

圖12 排種性能試驗(yàn)種子分布

表11 排種性能試驗(yàn)結(jié)果

5 田間試驗(yàn)

為驗(yàn)證小粒徑種子精量直播機(jī)田間作業(yè)性能，分別于2021年6月2日、9月27日在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)田開展芝麻、油菜播種試驗(yàn)，選用航天新芝T31-8、華油雜62品種，種層高度30 mm，直播機(jī)牽引動(dòng)力為東方紅LX-954型拖拉機(jī)，采用慢2擋，額定速度3.36 km/h，分別采用300、225 mm等行距播種6行芝麻和8行油菜，理論穴距分別為135、100 mm，試驗(yàn)過程及出苗效果見圖13。

圖13 田間播種試驗(yàn)

參照NY/T1143—2006《播種機(jī)質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》、NY/T2709—2015《油菜播種機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》，在播種20 d后隨機(jī)選取5廂，每廂隨機(jī)選取1 m，測得航天新芝T31-8平均出苗數(shù)為1.15株/穴，穴株數(shù)合格率85.77%((2±1)株/穴)，穴距合格率75.51%(68～203 mm)；華油雜62平均出苗數(shù)為1.16株/穴，穴株數(shù)合格率89.67%((2±1)株/穴)，穴距合格率81.54%(50～150 mm)，滿足芝麻、油菜精量穴播要求。

6 結(jié)論

(1)基于華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢種子物料特性與(2±1)粒/穴精量穴播農(nóng)藝要求，設(shè)計(jì)一種采用傾斜拋物線型孔充種、環(huán)槽凸臺(tái)攪種型孔輪，完成精量穴播集排器和直播機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(2)EDEM仿真分析了型孔和攪種結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)充種性能的影響規(guī)律，確定了型孔輪主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的較優(yōu)值，得出了依據(jù)種子物料特性確定拋物線頂點(diǎn)至型孔輪中心距離、型孔側(cè)邊傾角及環(huán)槽凸臺(tái)深度較優(yōu)值的計(jì)算方法。借助高速攝影儀與JPS-12型排種性能試驗(yàn)臺(tái)開展臺(tái)架驗(yàn)證試驗(yàn)，得出較優(yōu)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)條件下華油雜62、航天新芝T31-8、五月慢充種合格率分別為96.88%、94.58%、95.83%，穴粒數(shù)合格率分別為92.00%、90.00%、90.67%，穴距合格率分別為83.67%、81.83%、82.50%。

(3)田間試驗(yàn)表明，航天新芝T31-8平均出苗數(shù)為1.15株/穴，穴株數(shù)合格率85.77%((2±1)株/穴)，穴距合格率75.51%(68～203 mm)；華油雜62平均出苗數(shù)為1.16株/穴，穴株數(shù)合格率89.67%((2±1)株/穴)，穴距合格率81.54%(50～150 mm)，滿足芝麻、油菜精量穴播要求。