柔性機械式大豆精量排種器設計與試驗

侯守印 鄒 震 魏志鵬 祝祎璠 陳海濤

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

免耕是保護性農業的核心技術[1-5]。免耕作業時地表覆蓋大量作物殘茬，殘茬處理裝置工作時產生的碎秸、沙土等飄浮物被氣吸式排種器吸入種室內，造成排種工作部件堵塞而無法正常工作。

排種器是播種機的核心部件，高速、精量排種是現代農業的發展方向。從原理上排種器可分為氣吸式和機械式。氣吸式排種器能夠實現10 km/h以上的高速精量排種作業，由于排種原理的制約，導致其無法適應免耕播種環境[6-8]；機械式排種器則可避免碎秸、沙土進入排種室而導致的排種部件堵塞、排種質量降低的問題。大豆種植粒距較小，現有機械式排種器難以滿足大豆高速精量排種作業的要求。相關學者對機械式大豆排種器的高速化和精量化進行了研究。陳玉龍等[9]設計了一種大豆高速精密凸勺排種器，其靠種子自身重力實現充種和清種功能，由于無護種裝置，高速作業時漏播指數較高；劉宏新等[10]設計了一種對置斜盤式機械高速精密大豆排種器，由于采用硬接觸護種裝置，護種過程對種子尺寸要求較嚴格，種子尺寸不規則時破損指數較高；王業成等[11-12]設計了一種摩擦型立式圓盤大豆排種器，通過增大摩擦力提高大豆充種效率，但高速作業時摩擦力導致充種過程破損指數較高。

為解決大豆高速精量播種作業時機械式排種器排種性能差、種子破損指數高等問題[13-15]，本文設計一種柔性清護種機械式大豆精量排種器，通過增設充種傾角提高立式圓盤側向充種性能，通過柔性清護種毛刷與充種型孔在不同區域的配合控制種子的位置及運動，提高清護種質量，保證排種性能，從而實現大豆高速精量排種。

1 結構與工作原理

柔性機械式大豆精量排種器結構如圖1所示。主要由分體式殼體、排種盤、充種斜面、清種毛刷、護種毛刷等組成。充種斜面、清種毛刷和護種毛刷固裝在殼體上，排種盤通過法蘭與排種軸連接。分體式結構可實現大豆單、雙行排種。

圖1 排種器結構簡圖Fig.1 Structure diagram of seed-metering device1.分體式殼體 2.排種盤 3.安裝座 4.清種毛刷 5.投種口 6.護種毛刷 7.進種口 8.法蘭 9.排種軸 10.充種室 11.充種斜面

圖2 排種器工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of seed-metering device1.排種盤 2.護種毛刷 3.清種毛刷 4.充種斜面 5.投種口 6.型孔 7.導流槽

工作原理如圖2所示，排種器工作時，排種盤隨排種軸逆時針轉動，排種盤上的充種型孔經過由排種盤、充種斜面和分體式殼體組成的充種室時，在充種斜面和排種盤導流槽的作用下完成側向充種；充滿種子的型孔經過清種毛刷時，為實現單粒精量排種，清種毛刷清除型孔中多余的種子，被清除的種子流回充種室繼續參與后續充種；清種后的型孔旋轉至護種區，種子被封閉在由排種盤、護種毛刷和分體式殼體組成的柔性空間內，確保護種階段種子不會脫離型孔，同時柔性護種避免了種子與殼體摩擦、擠壓破損；排種盤轉動至投種區，型孔與護種毛刷、分體式殼體分離，種子在重力和離心力的作用下脫離型孔，經投種口完成投種作業。由于清種、護種過程均采用柔性部件，最大限度避免了種子的破損，為大豆高速排種奠定了基礎。

2 關鍵部件設計與參數確定

2.1 排種盤設計

2.1.1型孔結構

增大充種室內大豆種子群與型孔接觸面積，可以提高排種器充種性能，將型孔設計為開口沿排種盤圓周切線方向尺寸逐漸增大的倒梯形結構，如圖3a所示。

圖3 型孔結構簡圖Fig.3 Shape hole structure diagrams

為實現單粒精量播種，當型孔內充入多粒種子時，需確保多余種子被清除。由圖3可知，型孔頂邊長度l1和型孔軸向深度h1過大會造成多粒種子質心均位于型孔內部，影響清種效果，導致重播指數增加。為提高充種和清種性能，型孔結構尺寸需滿足

(1)

其中

式中β——型孔傾角，(°)

l2——型孔底邊長度，mm

r——大豆種子半徑，mm

h2——型孔徑向深度，mm

通過分析，充種過程中排種盤最大線速度與型孔傾角關系為

(2)

式中vmax——排種盤最大線速度，m/s

F——種子側充力，N

m——種子質量，kg

由式(2)可知，排種盤最大線速度與型孔傾角正相關，增大充種傾角可以提高排種盤最大線速度，但排種盤最大線速度過大會導致種子與型孔發生碰撞時沖量增加。查閱資料，型孔傾角為30°時可獲得最佳充種性能[16]。

選用“黑河43”大豆為研究對象，隨機抽取100粒大豆樣本進行測定，平均直徑為6.2 mm，將型孔傾角和大豆種子直徑代入式(1)可得型孔軸向深度范圍為3.3～8.9 mm，型孔徑向深度范圍為6.5～10.3 mm，根據型孔軸向深度和徑向深度越大，種子在型孔內穩定性越好，型孔軸向深度和徑向深度設計為8.5 mm和10 mm；型孔頂邊長度范圍為6.5～13.4 mm，增大型孔頂邊長度可以增加充種時間，型孔頂邊長度設計為13 mm，型孔底邊長度為8 mm。

為提高充種性能，在排種盤上設計與型孔底面相連的導流槽對充種室種子群進行擾動，并引導種子進入型孔，如圖2所示，試驗測定大豆種子與排種盤滾動摩擦角為18.6°，位置角δ設計為70°。

2.1.2型孔數與直徑的確定

型孔數和排種盤直徑是影響排種性能的關鍵參數，當排種粒距與作業速度一定時，增加型孔數可以降低排種盤轉速，增加排種器充種時間，提高充種性能。但型孔數的增加會導致排種盤直徑增大，過大的排種盤直徑會造成排種器結構尺寸增大和質量增加。型孔數可表示為[17-18]

(3)

其中

式中D——排種盤直徑，mm

vm——作業速度，m/s

c——地輪滑移率，%

vd——排種盤線速度，m/s

n——排種盤轉速，r/min

L——排種粒距，mm

免耕播種作業時由于受殘茬處理裝置限制，作業速度一般為7.2～10.8 km/h[19-20]，作業速度設計為10.8 km/h。根據大豆雙行種植農藝要求，單行粒距為8～10 cm，排種粒距設計為8 cm。地輪傳動滑移率為10%[21]，排種盤最大轉速為50 r/min，由式(3)可得排種盤型孔數為48。排種盤直徑與型孔結構尺寸及型孔數有關，可表示為

(4)

將型孔數、型孔頂邊長度和型孔徑向深度代入式(4)可得排種盤直徑為220 mm。

2.2 排種過程分析

通過對柔性機械式大豆精量排種器的充種、護種和投種過程分析，確定影響排種性能的關鍵參數，為參數組合優化試驗研究奠定理論基礎。

2.2.1充種過程

種子群在重力作用下進入充種斜面與排種盤形成的管狀空間內，在摩擦力的作用下隨排種盤運動，從管狀空間的另一側流出進入排種盤型孔，實現充種。

取圓弧充種區域內的種子群為研究對象，由于種子尺寸相對于種子管狀空間較小，為簡化分析過程，將其視為截面為梯形的連續體，如圖4所示。

圖4 種子群微分段受力分析Fig.4 Force analysis of seed group in micro segment

取種子微分段ds為研究對象，設種子流向為正向，對種子微分段進行受力分析，充種區域內的種子受排種盤支反力和摩擦力，殼體向上支反力和摩擦力，充種斜面支反力和摩擦力及頂部種子群重力共同作用。通過對種子群微分段受力分析，可得力學平衡方程為

Adp=μ1F1-μ2F2-μ2F3-μ2F4

(5)

其中

式中p——種子群截面壓力，MPa

A——種子群截面面積，mm2

d1——排種盤與充種斜面上端距離，mm

d2——排種盤與充種斜面下端距離，mm

H——充種高度，mm

F1——種子群微段左表面法向力，N

F2——種子群微段右表面法向力，N

F3——種子群微段下表面法向力，N

F4——種子群微段上表面法向力，N

μ1——種子與排種盤動摩擦因數

μ2——種子與充種斜面和殼體動摩擦因數

λ——端面壓力比

α——充種傾角，(°)

s——種子群微分段距充種起始處弧長，mm

整理式(5)可得

(6)

在種子群端面均勻分布初始截面壓力p0，其大小由排種器內種子群的高度、密度和內摩擦角等因素決定，根據散體理論深谷模型進行估算[22]，由式(6)可得種子群各截面壓力為

(7)

式中l0——充種區域種子群長度，mm

由式(7)可知，種子群截面壓力p與充種空間截面距充種室距離s呈指數關系增大，種子可獲得遠大于其自重的填充力，提高了種子充種性能和充種效率。端面壓力比與摩擦角有關，通過試驗測定端面壓力比為0.32，種子與排種盤、殼體動摩擦因數分別為0.337、0.344[10]，排種盤與充種斜面下端距離d2設計為10 mm，充種高度H為40 mm，將數據代入式(7)可知，種子群截面壓力隨充種傾角的增大呈先增大后減小趨勢，當充種傾角為70°時達到最大值。

2.2.2護種過程

根據排種器工作原理可知，完成充種的型孔旋轉至與護種毛刷接觸時，排種器進入護種過程。為解決機械式排種器護種階段種子容易破損問題，采用柔性護種毛刷與排種盤配合完成護種，護種過程種子被封閉在由排種盤、護種毛刷和殼體組成的柔性封閉空間，并隨排種盤旋轉，避免常規護種過程中出現夾種、嗑種和摩種現象。為保證護種過程種子運移的平穩性，不出現漏種，對護種過程的種子進行受力分析。護種毛刷對護種過程的種子起支撐作用，確保種子運移過程中不脫離型孔，當種子高出型孔頂平面時，護種毛刷對種子施加斜向型孔的支反力，克服種子與型孔間的摩擦力使種子完全進入型孔，毛刷屬于柔性部件，避免了護種過程種子的破損。在對護種過程種子受力分析時，忽略振動對種子受力狀態的影響，選取型孔內單粒種子質心O為原點，沿排種盤旋轉方向的切向和法向建立xOy坐標系，型孔內種子主要受自身重力、型孔側壁支反力N1、型孔內壁支反力N2、底面支反力N、型孔側壁摩擦力f1、型孔內壁摩擦力f2、徑向摩擦力f和離心力Fe的共同作用，如圖5所示。

圖5 護種過程種子受力分析Fig.5 Analysis of seed force in process of seed protection1.排種盤 2.護種毛刷

通過受力分析可得護種過程中種子受力平衡方程為

(8)

其中

式中Fm——毛刷支反力，N

θ——毛刷支反力與z軸夾角，(°)

η——種子相位角，(°)

μ——種子與排種盤靜摩擦因數

R——種子質心旋轉半徑，mm

排種盤轉動時，型孔內種子受到護種毛刷施加的力矩而產生自轉，導致種子與型孔之間摩擦而破損，為消除種子自轉，護種毛刷對種子施加的力矩需滿足

(9)

式中b——護種毛刷與種子之間力作用點距種子質心水平距離，mm

整理式(8)和式(9)可得

(10)

通過對護種過程受力分析，由式(10)可知，當排種盤型孔結構參數一定時，護種效果由種子與排種盤靜摩擦因數、護種毛刷與種子之間力作用點距種子質心水平距離決定，而護種毛刷與種子之間力作用點距種子質心水平距離由毛刷材料、護種距離決定，后文將通過多重比較和參數組合優化試驗確定護種毛刷材料和護種距離。

2.2.3投種過程

投種過程中，護種毛刷不再對型孔內種子提供支撐力，種子在離心力和重力作用下平行于排種盤轉動平面速度可分解為水平速度vx和豎直向下速度vy[23-24]，如圖6所示。

圖6 投種過程運動分析Fig.6 Motion analysis of seed dropping process

以種子質心O為原點在排種盤的轉動平面建立xOy直角坐標系，可得種子運動軌跡方程為

(11)

其中

式中X——水平方向位移，mm

Y——豎直方向位移，mm

vx——投種速度水平方向分量，m/s

vy——投種速度豎直方向分量，m/s

τ——投種角，(°)

t——投種時間，s

v——投種速度，m/s

整理式(11)可得種子在xOy面運動軌跡方程為

(12)

為保證投種質量，種子在型孔內運動至完全脫離型孔后不能與相鄰型孔碰撞，需滿足條件

(13)

其中

式中σ——種子脫離型孔過程排種盤轉角，(°)

t0——種子脫離型孔時間，s

由投種過程運動分析可知，當排種盤結構參數一定時，種子運動軌跡與排種盤轉速相關。投種角τ設計值為45°，排種盤最大轉速為50 r/min，將數據代入式(13)得種子脫離型孔時間小于1×10-4s，滿足投種作業要求。

3 參數優化試驗

3.1 試驗材料與試驗設備

選用“黑河43”大豆為試驗樣本，百粒質量為21.3 g，平均幾何尺寸為6.48 mm×5.66 mm×6.42 mm(對100粒種子進行測量取平均值)，試驗于2019年10月1—7日在東北農業大學排種實驗室JPS-12型排種器性能測試試驗臺(黑龍江省農業機械工程研究院)上實施，如圖7所示，試驗裝置為柔性機械式大豆精量排種器。

圖7 試驗裝置實物圖Fig.7 Physical diagram of test device1.控制與數據采集系統 2.試驗臺 3.排種器安裝架 4.排種器 5.傳動系統

3.2 試驗方案

大豆表皮強度較低，排種過程與護種部件碰撞、摩擦容易導致表皮破損，影響種子出苗，因此護種毛刷材質選取標準為材質柔軟、耐磨、成本低。取PE絲、豬鬃和尼龍作為護種毛刷材料進行單因素對比試驗，探究毛刷材料對排種性能指標的影響，確定清護種毛刷材料。

根據前文對充種過程和護種過程的理論分析，確定作業速度和充種傾角是影響排種器充種性能的關鍵參數，護種距離是影響護種性能和種子破損的關鍵參數，因此，選取作業速度、充種傾角、護種距離為試驗因素。采用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗方法，以作業速度、充種傾角和護種距離為試驗因素，粒距合格指數、漏播指數、重播指數和破損指數為性能評價指標，參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》實施。為實現排種器高速作業，選取作業速度范圍為7.2～14.4 km/h；通過前文理論分析，當充種傾角為70°時，排種器可獲得最佳充種性能，選取充種傾角范圍為50°～90°；合理的護種距離能夠保證護種過程的穩定性，同時避免種子破損，通過預試驗確定護種距離取值范圍為-3～1 mm。試驗因素編碼如表1所示。

表1 試驗因素編碼Tab.1 Test factors codes

3.3 試驗結果與分析

3.3.1護種毛刷材料對排種性能的影響

當作業速度為10.8 km/h，充種傾角為70°，護種距離為-1 mm時，對3種材料的護種毛刷進行對比試驗(排種性能測試試驗臺只能測試單行排種性能，試驗時雙行排種器各行分別測量，將兩行結果取平均值作為最終結果)，每組試驗重復3次，取平均值[25]，試驗結果如表2所示。

表2 毛刷材料對比試驗結果Tab.2 Comparison test results of brush materials %

由表2可知， 3種材料的護種毛刷排種合格指數均高于90%，對于合格指數的影響，豬鬃和尼龍材料之間無顯著性差異，而豬鬃、尼龍材料與PE絲之間均存在顯著性差異；對于漏播指數和重播指數的影響，尼龍和豬鬃之間無顯著性差異，而尼龍、豬鬃與PE絲之間均存在顯著性差異；對于破損指數的影響，3種材料之間均存在顯著性差異。PE絲材料護種毛刷排種效果最差，合格指數90.2%，漏播指數6.3%，漏播指數高的主要原因是PE絲材質剛度較小，無法提供護種階段種子需要的支撐力，導致種子脫離型孔，造成漏播。豬鬃材料的護種毛刷排種合格指數95.6%，漏播指數2.3%，破損指數0.78%，破損指數高的主要原因是豬鬃材質剛度較大，在高速排種過程容易造成種子表皮破損，如圖8所示。尼龍材料的護種毛刷，綜合性能較好，合格指數95.4%，漏播指數2.3%，破損指數0.15%。后續參數組合優化試驗清護種毛刷選用尼龍材料。

圖8 種子表皮破損Fig.8 Seed epidermis damaged

3.3.2參數組合優化試驗

運用三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗設計方法，共實施23組處理，每組處理重復3次，取平均值，試驗方案和結果如表3所示，X1、X2、X3為因素編碼值。應用Design-Expert 8.0.6.1軟件對試驗結果進行方差分析，結果如表4所示。

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test design and results

由表4可知，各試驗因素對合格指數均具有極顯著影響，影響由大到小依次為作業速度、護種距離、充種傾角；各試驗因素對漏播指數均具有極顯著影響，影響由大到小依次為護種距離、作業速度、充種傾角；作業速度和充種傾角對重播指數具有極顯著影響，護種距離影響不顯著，影響由大到小依次為作業速度、充種傾角、護種距離；各試驗因素對破損指數均具有極顯著影響，影響由大到小依次為護種距離、作業速度、充種傾角。

表4 方差分析Tab.4 Analysis of variance

如圖9a所示，作業速度對合格指數的影響比充種傾角顯著；合格指數隨作業速度的增大呈先升高后降低趨勢，并且下降趨勢逐漸明顯，主要是由于作業速度較低時導流槽對充種區種子擾動效果較差，導致充種質量下降，但作業速度較低時因型孔經過充種區時間較長，在較小側向填充力條件下，充種指數仍能達到92%以上，而隨作業速度增大，型孔經過充種區時間縮短，種子沒有足夠時間完成充種作業，導致合格指數下降；合格指數隨充種傾角的增大呈先升高后降低趨勢，這是由于種子側向填充力隨充種傾角的增大先增大后減小。

如圖9b所示，作業速度對合格指數的影響比護種距離顯著；在作業速度較低時，合格指數隨護種距離增大而降低，這是由于隨護種距離增大，護種毛刷提供型孔內種子的支反力減小，種子脫離型孔導致漏播指數升高、合格指數下降；在作業速度較高時，合格指數隨護種距離增大呈先升高后降低趨勢，主要是由于護種距離過小，高速作業時護種毛刷容易將型孔內的種子清除，漏播指數升高，導致合格指數降低；護種距離和作業速度交互作用對合格指數影響極顯著。

圖9 各因素交互作用對性能評價指標的影響Fig.9 Influences of interaction of various factors on performance evaluation index

如圖9c所示，護種距離對合格指數的影響比充種傾角顯著；合格指數隨護種距離增大而降低，并且下降趨勢加大；合格指數隨充種傾角增大呈先升高后降低趨勢；護種距離和充種傾角交互作用對合格指數影響不顯著。

如圖9d所示，作業速度對破損指數的影響比充種傾角顯著；在充種傾角較小時，破損指數隨作業速度增大而升高，在充種傾角較大時，破損指數隨作業速度增大呈先降低后升高趨勢，主要是由于隨作業速度增大，種子在充種時與型孔面沖擊力增大，導致破損指數升高，當充種傾角較大時，破損指數總體都在0.2%以上；在作業速度較小時，破損指數隨充種傾角增大呈先降低后升高趨勢，在作業速度較大時，破損指數隨充種傾角增大變化不明顯，主要是由于在作業速度較低時，破損指數主要由種子側向填充力決定，側向填充力隨充種傾角增大呈先增大后減小趨勢，未實現充種的種子容易被排種盤導流槽反復沖擊造成損傷，而在作業速度較高時，破損指數總體大于0.3%；作業速度和充種傾角交互作用對破損指數影響極顯著。

如圖9e所示，護種距離對破損指數的影響比作業速度顯著；破損指數隨護種距離增大呈先降低后升高趨勢，升高趨勢不明顯，主要是由于隨護種距離增大，種子受到護種毛刷側向支撐力減小，破損概率降低，當護種距離超過0 mm，即護種毛刷與排種盤之間無擠壓時，種子容易脫離型孔后多次充種導致破損指數升高；作業速度和護種距離交互作用對破損指數影響極顯著。

如圖9f所示，護種距離對破損指數的影響比充種傾角顯著；破損指數隨充種傾角增大呈先降低后升高趨勢，當護種距離較小時，破損指數總體高于0.3%；破損指數隨護種距離增大呈先降低后升高趨勢，當充種傾角較大時，破損指數總體高于0.2%；充種傾角和護種距離交互作用對破損指數影響極顯著。

3.4 參數優化與驗證試驗

3.4.1參數優化

試驗優化原則為在保證排種器工作性能前提下提高作業效率。在作業速度為7.2～14.4 km/h、充種傾角為50°～90°、護種距離為-3～1 mm的約束條件下應用Design-Expert 8.0.6.1軟件進行優化。根據上述分析，當作業速度為極限值14.4 km/h，充種傾角為70°時，合格指數大于90%、重播指數小于4%、漏播指數小于6%、破損指數小于0.4%，選取充種傾角為70°進行優化，優化結果如圖10所示。圖中黃色區域為最佳工作區域，當作業速度為7.6～12.2 km/h、護種距離為-2.1～0.6 mm時，排種合格指數大于94%、漏播指數小于3%、重播指數小于3%、破損指數小于0.2%。

圖10 優化結果Fig.10 Optimization result

護種距離對護種毛刷磨損影響較大，護種距離越小，護種毛刷受排種盤壓力越大，兩者之間均會造成較大磨損，為提高護種毛刷使用壽命，選取護種距離為-1.5 mm。由圖10可知，當作業速度為8～12 km/h，充種傾角為70°，護種距離為-1.5 mm時，排種性能指標在優化范圍內。

3.4.2驗證試驗

為驗證參數組合優化的正確性，在充種傾角為70°、護種距離為-1.5 mm，試驗材料為“黑河43”大豆種子條件下，測試排種器在作業速度8～12 km/h時排種性能。選取8、9、10、11、12 km/h 的5種作業速度進行驗證試驗，每組試驗重復5次取平均值為最終結果，試驗效果如圖11所示，試驗結果如圖12所示。

圖11 驗證試驗排種效果Fig.11 Verification effect of seed metering

圖12 驗證試驗結果Fig.12 Verification test results

驗證試驗結果表明，當作業速度為8～12 km/h時，排種器合格指數大于94%、漏播指數小于3%、重播指數小于3%、破損指數小于0.2%，排種性能評價指標結果均在優化區間范圍內，優化組合結果可信。

3.5 對比試驗

為證明柔性機械式大豆精量排種器相對于現有常規機械式排種器在排種性能方面的優越性，進行排種性能對比試驗。選取大豆排種技術比較成熟的窩眼輪式排種器為對照組，如圖13a所示。以作業速度為試驗因素，合格指數和破損指數為評價指標進行單因素對比試驗，每組試驗重復5次取平均值為最終結果，試驗結果如圖13c所示。

圖13 對比試驗結果Fig.13 Comparison test results

對比試驗結果表明：當作業速度為8 km/h時，窩眼輪式排種器合格指數僅為86.1%，而破損指數達到1.3%，并且當作業速度大于9 km/h時，排種器合格指數急劇下降，破損指數升高，說明窩眼輪式大豆排種器排種性能不符合高速排種作業要求。

4 結論

(1)設計了一種柔性機械式大豆精量排種器，解決了現有排種器難以滿足大豆免耕高速精量播種的問題。闡述了排種器的整體結構及工作原理，對排種盤和型孔結構進行了設計，同時對充種過程、護種過程和投種過程進行了理論分析，建立了相關參數數學模型，探明了影響排種性能的關鍵結構與工作參數，并確定了參數取值范圍。

(2)通過三因素五水平二次正交旋轉中心組合試驗，采用多目標優化方法，分析了各因素對排種性能評價指標的影響規律，對多目標優化求解獲得的最優組合參數進行了排種性能臺架驗證試驗。結果表明：當作業速度為8～12 km/h、充種傾角為70°、護種距離為-1.5 mm時，合格指數大于94%、漏播指數小于3%、重播指數小于3%、破損指數小于0.2%，滿足免耕大豆高速精量播種作業要求。