精密排種器組合式導種管設計與試驗

陳玉龍，韓 杰，蘭玉彬，張 猛，金亞琛，張 正，王文君

精密排種器組合式導種管設計與試驗

陳玉龍，韓 杰，蘭玉彬，張 猛，金亞琛，張 正，王文君※

（1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000；2. 山東理工大學生態無人農場研究院，淄博 255000；3. 山東省旱作智能農機裝備協同創新中心，淄博 255000）

針對不同排種速度下，種子投送軌跡的水平偏移量差異導致種子與導種管壁碰撞接觸點不同，造成粒距一致性降低的問題，該研究在傳統一體式固定導種管的基礎上設計一種由結合段和投送段兩段管體構成的組合式導種管，兩段管體由轉動副連接，在驅動機構作用下，可進行整體平移和繞轉動副的旋轉運動。對組合式導種管工作原理和投種過程進行理論分析，構建投種過程的種子動力學模型。運用離散元軟件EDEM建立種子—管體仿真模型，以作業速度和投送段末端傾角為因素進行仿真試驗，得到不同速度下兩管體的最佳姿態，構建作業速度與組合式導種管運動關系數學模型。搭建導種性能試驗平臺，設計組合式導種管運動控制系統，進行導種性能驗證試驗，結果表明，組合式導種管在2～12 km/h作業速度下的姿態對種子具有較好的引導效果，與導種管初次接觸后發生二次彈跳的種子占比小于 2.39%；組合式導種管在不同作業速度下的排種粒距合格率均高于傳統導種管，能夠準確還原排種器的本征排種性能，在作業速度為2～6 km/h時排種粒距合格率在96.35%左右，在12 km/h時降至84.17%；組合式導種管各速度下的排種粒距變異系數較傳統導種管平均降低24.65個百分點；在作業速度為2～12 km/h的變速過程中，組合式導種管的排種粒距合格率較傳統導種管平均提高15.10個百分點。組合式導種管均能夠適配多種工作速度，保證粒距均勻性，為播種機的高速導種提供新思路和技術參考。

離散元；高速攝像；組合式導種管；導種性能；投種軌跡

0 引 言

播種是農業生產過程中的重要環節，精密播種是指將種子按照農藝要求的行距、粒距和播深播到種溝內，粒距的合格率與一致性是播種性能的重要指標，研究表明符合農藝要求的一致粒距能夠提高作物產量[1-2]。現有精密排種器多采用高位投種方式，在排種器投種口和種溝間通過導種裝置過渡[3]。粒距分布規律與排種器的排種性能和導種管的引導效果具有直接關系。在排種性能可靠的情況下[4-5]，種子從離開排種器至落在種溝過程中的導種效果對播種性能具有顯著影響。

導種裝置[6]有多種形式，毛刷帶式、隔板帶式等強制輸送的導種裝置[7-9]，播種精度高，適應高速作業，但機構設計復雜，成本較高；氣流輸送式導種裝置[10]利用正壓氣流輸送種子，多應用于氣流輸送式播種機；導種管式欠約束導種裝置[11-13]，管體采用一體化設計，管道前壁由傾斜直線段加曲線段的兩段式曲線組成，利用導種管的曲線構造來約束種子運移自由度，使種子在導種過程中具有相對固定的運移軌跡，提高播種性能。導種管是應用最為廣泛的一種導種裝置，結構簡單，適應性強，但是對種子的約束效果較差，難以保證準確的導種效果。

為了提高導種管的導種效果，國內外研究人員展開了大量研究。Kocher等[14-15]研究不同磨損程度的導種管對播種性能的影響規律，結果表明磨損后的導種管播種性能明顯下降。Yazgi[16]對4種不同結構的導種管進行研究，結果表明導種管形狀、排種速度、種子粒距對播種性能的影響顯著。同時，利用CFD模擬和物理試驗對不同結構的導種管進行對比研究，結果表明種子釋放點對落種軌跡和粒距具有顯著影響[17]。Carpes等[18]利用兩種不同原理排種器對六種結構的導種管導種性能進行研究，結果表明拋物線形截面和出口角接近30°的導管播種效果最好。Savi等[19]對比了截面形狀分別為直線和曲線的兩種導種管作業性能，結果表明曲線截面導種作業效果優于直線截面。劉孝民等[20]對導種管的合理形狀進行理論分析，導出了導種曲線的數學表達式。王樂等[21]利用高速攝像對玉米種子的導種過程進行研究，結果表明種子落入導種管口的位置對播種均勻性具有重要因素。趙淑紅等[22]將導種管前壁設計成V型，結合柔性撥種輪，有效提高播種性能。李玉環等[23]在投種位置設計直線引導結構，實現直線投種，提高了播種性能。張順等[24]針對水稻內充氣力式精量排種器，設計了一種具有投種軌跡特征形狀的變截面矩形導種管。楊文彩等[25]以三七播種機為對象，通過擬合曲線設計了一種新型導種管。

綜上所述，研究人員利用理論分析、離散元仿真和高速攝像等方法，對多種作物的導種管進行研究分析，導種管投種過程分析是導種性能優化的重要依據[26]。研究重點集中在導種管形狀的優化，經過優化后的導種曲線可以實現某一特定作業速度的種子下落軌跡，但是很難適應不同的作業速度變化，當作業速度較小或較大時導種效果欠佳，播種性能降低。

為了提高導種管在不同作業速度下的導種性能，本文設計一種組合式導種管，該導種管分為上下2段管體，兩管體由轉動副連接，可進行整體平移和繞轉動副的圓周運動。通過管體的組合運動，引導不同作業速度下種子的投種軌跡，提高播種效果。

1 組合式導種管結構與工作原理

1.1 導種管結構

組合式導種管將傳統導種管一體化的直線段與圓弧段變為分離的2段管體，總體結構如圖1所示，

1.機架 2.轉速傳感器 3.排種器 4.結合段 5.驅動機構Ⅱ 6.投送段 7.驅動機構Ⅰ 8.過渡壁面 9.驅動機構Ⅲ

組合式導種管由結合段、投送段、速度傳感器、驅動機構Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等組成。其中結合段為傳統導種管的直線段，投送段結構與傳統導種管的圓弧段保持一致，采用過渡壁面降低導種管結合段與投送段在動作時產生的不光滑曲面對種子運動的影響；驅動機構動作改變管體姿態是改善種子運動軌跡的關鍵，驅動機構Ⅰ改變結合段的傾斜角度，驅動機構Ⅱ控制整個導種管的水平移動，驅動機構Ⅲ改變投送段的末端傾斜角度。

1.2 工作原理

排種器在不同作業速度下投出的種子下落軌跡存在較大的偏移，利用轉速傳感器檢測排種速度，通過驅動機構實現上下導種管的水平移動和旋轉運動。作業過程分為3個階段：入射階段、平穩運移階段和投送階段。入射階段時，導種管進行水平移動和結合段的旋轉運動，可以使不同作業速度的種子與導種管在同一投種高度接觸時保持較小的入射角度，減小種子與管壁的碰撞彈跳。種子與導種管前壁接觸后進入平穩運移階段，種子貼合管壁向下滑動，經過連接處進入投送段，在投種階段，改變投送段管體的傾斜角度，調整種子離開導種管的角度，可保證不同作業速度下種子落入種床的相對位置保持一致。

2 導種過程分析

為分析大豆種子在導種管內的運移情況，采用平面解析方法對組合式導種管前壁曲線進行分析。組合式導種管在傳統導種管的基礎上進行設計，以直線段和圓弧段兩部分交點為原點建立坐標系，如圖2所示。

注：B1、B2為傳統導種管前壁曲線起始、終止位置；y1、y2為傾斜直線段、圓弧段曲線。

傾斜直線段1的作用是迎合種子運動軌跡并為后續投種運動提供一定初速度，導種管直線段的水平傾角在75°～80°時，種子在導種管滑動順暢并對管壁產生足夠壓力，其傾斜角度與排種器配置相關[20]，此處設定水平傾角為80°；曲線段2為一段半徑為460 mm的圓弧，對管體前壁1、2坐標位置進行分析，得到管體傾斜直線段和圓弧曲線方程為

將種子自脫離排種盤至落入種床的運動分為3個階段：種子脫離排種盤進入導種管的入射階段、種子在導種管結合段運動的平穩運移階段以及種子進入導種管投送段后滑落至種床的投送階段，分別對3個階段的導種過程進行分析。

2.1 入射階段動力學分析

為保證不同作業速度的種子平穩有序射入導種管，投種軌跡與導種管接觸時應具有較小的入射角度，從而減小接觸時的彈跳現象。入射階段及平穩運移階段種子的運動及受力情況如圖3所示。導種管的上表面與投種點的豎直距離1由排種器及導種管的結構決定，本文中1為60 mm。

注：P’為投種點下方h處種子質心投種軌跡與導種管接觸的坐標位置；P為投種點下方h處導種管直線方程的坐標位置，100 mm；q為管體前壁與種子質心投種軌跡在點P處切線的夾角，（°）；a為結合段管體的傾角，（°）；A為結合段和投送段轉動中心；g為投種位置水平角度，（°）；w為排種盤角速度，rad·s-1；G為種子自身重力，N；FS1為種子在結合段所受摩擦力，N；FN為種子所受支持力，N；v0、vx、vy為排種瞬間種子的合速度、水平、豎直分速度，m·s-1；v1、v2為種子在結合段的初始、最終滑移速度，m·s-1；H1為導種管上表面與投種點的豎直高度,mm；H2為設定的種子與導種管接觸的豎直高度,mm；H3為種子與導種管接觸后運動的豎直高度,mm；H0為入射階段豎直高度，347 mm；S0為入射階段種子水平運移距離,mm。

種子脫離排種盤的瞬間速度為

式中為種子脫離排種器瞬間的運動速度，m/s；1為排種盤吸孔分布半徑，本文中為100 mm；為排種軸轉速，r/min，排種軸轉速與機具前進速度關系如下：

式中為機具作業速度，km/h；為作物株距，m，本文中取大豆株距為0.1 m；為排種盤孔數，本文取32個。

則不同作業速度下排種瞬間種子的水平、豎直分速度為

式中v為種子脫離排種器瞬間水平方向的運動速度，m/s；v為種子脫離排種器瞬間豎直方向的運動速度，m/s；為投種位置水平夾角，（°）。

種子排出后在重力作用做拋物運動[27]，運動軌跡為

式中為重力加速度，m/s2；為種子運動時間，s。

為減小不同作業速度種子與管壁接觸碰撞差異，假設各作業速度下種子的投種運動曲線與管壁初始接觸點在豎直方向上保持相同高度，即（x，-）。根據式（5）～（6）和接觸點坐標可以計算出此時的傾角，記為。為避免投種軌跡與導種管頂部碰撞，結合段管體以點為中心逆時針旋轉角度，的大小應剛好避免種子與管體頂部碰撞，同時保持種子與管壁碰撞角度維持較低水平，結合前期試驗確定=5°，則結合段管體的傾角為

以上下管體轉動中心所在水平線作為導種管運動基準軸線，將該數值和不同作業速度下計算得到的管體前壁傾角代入式（7），可得到不同作業速度種子的水平運移距離0。以作業速度為2 km/h時的結合段管體水平傾角及位置作為基準值，計算得到不同作業速度的水平運移距離差值即為組合式導種管水平移動距離，如表1所示。

表1 不同速度下結合段管體的理想位置姿態

2.2 平穩運移階段動力學分析

根據圖3，種子在平穩運移階段的受力關系為

式中為種子質量，g；為種子與管壁間的摩擦系數。

根據能量守恒定律，種子在結合段前壁上的滑移過程中有

式中1為種子在結合段的初始滑移速度，m/s；2為種子在結合段的最終滑移速度，m/s。

將公式（8）～（9）聯立后得到種子離開結合段時的速度為

由上述分析可知，種子在離開結合段時的最終滑移速度主要由排種器工作轉速、導種管前壁傾角等參數決定。根據結合段前壁傾角，可計算出種子在平穩運移階段的最終滑移速度，該速度為種子進入投送階段的初始速度。

2.3 過渡壁面分析

在作業速度發生變化時，結合段繞轉動中心進行一定幅度的轉動，受組合式導種管組合結構影響，轉動中心未在結合段與投送段管體的前壁面上，致使管體動作時兩段管體的前壁面連接處存在不平滑或不連續曲面，在連接位置通過一長度為20 mm、厚度為1 mm的柔性薄壁進行過渡，過渡壁面的上半部分與結合段固定連接，下半部分與投送段管體滑動接觸，確保種子平穩運移，如圖4所示。

注：E、F為柔性薄壁起始、終止位置。

在管體轉動時，曲線方程對應發生變化，為保證導種運動的規律性，對薄壁曲線進行分析。將兩段管體連接薄壁的曲線簡化為一段圓弧，建立直角坐標系，曲線點、點分別位于坐標系軸、軸上，則該曲線方程為2，其中為方程系數，弧段的曲率計算公式為

則薄壁曲線的曲率為

由式（12）可知，曲線斜率與曲線方程系數相關，而曲線方程變動與管體一定角度后的位置有關，經前述分析可知結合段管體的水平傾角為72.8°～82.8°，考慮投送段管體的轉動角度，以傳統導種管曲線段為初始位置前后各轉動5°，對曲線方程參數、曲線曲率進行計算。經計算得知在兩段管體配合的極限位置曲率變化幅度小于0.010 9，曲線弧長差值D小于1.5 mm，對種子運移過程的影響極小，可保證種子在該位置的平穩運移，使種子由結合段管體順利滑移至投送段管體。

2.4 投送階段動力學分析

在投送階段種子沿投送段管體運動過程如圖5所示。

注：FS2為種子在投送段所受摩擦力，N；vD為種子在投送段的速度, m·s-1；vQ為種子離開投送段的速度，m·s-1；vQx、vQy為種子離開投送段的水平、豎直分速度，m·s-1；Q為種子離開投送段的位置；b為投送段末端傾角，（°）；H4為投送段的豎直高度，mm；H5為種子離開投送段的位置Q到種床的豎直高度，mm；HD為投送階段豎直高度，mm；S1為投送段的水平投影距離，mm；S2為種子離開投送段的位置Q到種子落地的水平投影距離，mm。

當種子離開結合段進入投送段時，沿圓弧管體依靠重力下滑，種子進入投送段的初始速度為離開結合段的最終速度，種子的受力方程為

由微分方程可知：

聯立（13）～（14）得種子離開投送段的速度為

則種子離開投送段管體的水平、豎直分速度為

由式（16）得到種子離開導種管的運動軌跡為

由式（17）可計算得到種子離開投送段管體位置到種子落地的投種運動時間為

則投送階段種子水平運移距離S為

通過上述分析可知，對投送段管體末端傾角以及高度等參數進行計算，可得到種子經過投送階段下落后的水平移動距離，該距離與排種器工作轉速、結合段管體的水平位置和傾角及投送段管體的末端傾角有關。

3 投種過程離散元仿真試驗

3.1 仿真模型與參數

因為大豆種子及導種管表面無粘附作用，所以選擇Hertz-Mindlin（no slip）模型作為離散元仿真試驗中大豆與管壁間的接觸模型，導種管材料設為Somos8000樹脂，為探尋導種運移的基本規律，選擇半徑為3.75 mm的單球顆粒作為大豆種子模型，暫不考慮種子外形對運動的影響，仿真參數設置如表2[28]所示。

表2 離散元仿真參數

利用Solidworks軟件建立導種管幾何模型，保存為.stl格式并導入離散元軟件EDEM中。為了簡化仿真系統，省略排種器的取種和投種過程，在排種器的投種口處設置顆粒工廠，模擬排種器的投種環節。在距離導種管下邊緣10 cm處設置檢測單元（圖6），測定種子在經過檢測單元時的水平投影位置，模擬種子離開導種管落入種溝內的落點分布情況。

根據理論分析，得到不同排種速度下種子離開投種口瞬間的水平分速度和豎直分速度（表3），將水平和豎直分速度作為顆粒工廠生成顆粒的初始速度，準確模擬不同排種速度下的投種狀態。

圖6 排種過程EDEM仿真

表3 顆粒工廠初始條件

3.2 試驗方法與指標

在排種器不同作業速度下，分別對傳統導種管和組合式導種管進行導種性能仿真試驗。以作業速度和投送段末端傾角作為試驗因素，具體因素水平如表4所示。

表4 仿真試驗因素水平

仿真時，在不同作業速度下，改變投送段末端傾角，利用檢測單元記錄得到種子落點水平投影距離，每個速度下檢測5粒種子，對水平投影距離進行均值處理，當不同速度下種子在種床內與投種點豎直投影的水平距離變異系數小于5%時，認為落點具有較高的一致性。水平投影距離變異系數計算公式為

3.3 試驗結果與分析

利用Origin軟件對仿真結果進行處理得到不同速度下末端傾角與落點位置的關系，如圖7所示，并擬合得到兩者間的回歸方程，如式（21）。

圖7 末端傾角與落點位置關系

式中為機具前進速度，km/h。

種子落點的水平投影距離與管體末端傾角成線性反比關系，角度越大種子投出的距離越小。末端傾角一定時，落點水平投影距離隨速度增加而增大。各速度下傾角與投影距離擬合方程的斜率差異較小，保持相似的變化規律。

根據各速度下種子落點水平投影距離的交集區域，以排種速度12 km/h，投送段傾角55.0°時的落點水平投影距離作為基準，由12 km/h時的擬合方程得到基準值為234.6 mm，將該值代入各速度下的擬合方程式（21），求出2～10 km/h時水平投影距離為234.6 mm時，各速度對應的投送段末端傾角分別為42.8°、45.5°、48.0°、50.4°、52.3°。

根據擬合方程式（21）求得的各速度下投送段末端傾角值修正仿真模型，進行驗證試驗，同時以傳統導種管作為對照組試驗。在EDEM軟件后處理模塊查看各仿真過程中種子的位置坐標并記錄，利用Origin軟件對坐標數據進行分析處理得到傳統導種管和組合式導種管排種仿真導種軌跡，如圖8所示。

由圖8a可知傳統導種管導種彎曲變化明顯處為種子與導種管內壁的碰撞點，在2～4 km/h時排種器投出種子主要與導種管上半部分發生首次碰撞，種子落點的水平投影距離為153.8～161.8 mm，在6～10 km/h時，位于同一投種高度的種子水平偏移量明顯增加，首次碰撞主要發生在導種管曲線段，種子落點的水平投影距離為173.4～192.3 mm，在12 km/h時，種子與導種管后壁發生碰撞并反彈到前壁曲線段，種子落點的水平投影距離為179.5 mm。在2～12 km/h速度變化范圍內，落點的水平投影距離變異系數為12.6%。種子在不同作業速度下與導種管碰撞異位對后續的投種運動影響較大，種子落點位置較為分散。

圖8 傳統導種管與組合式導種管投種軌跡對比

組合式導種管的導種仿真軌跡較為平滑，在投種高度350 mm附近處軌跡出現小曲率變化，此時種子由結合段進入投送段圓弧管體。各速度下的軌跡同時出現小范圍彎曲，表明種子在導種管內均沿管體前壁運動，種子落點位于極近區域內。通過組合式導種管各部分協同動作，使種子在管內的運動較傳統導種管得到明顯改善，在2～12 km/h速度變化范圍內，落點的水平投影距離在236.3～238.2 mm，落點變異系數小于1%，提高了播種的粒距一致性。

3.4 管體與速度運動關系模型

為明確組合式導種管動作幅度與作業速度變化之間的動態關系，在離散元仿真結果的基礎上，設計驅動程序根據作業速度對組合式導種管的位置姿態實時調節，首先建立組合式導種管與作業速度的運動關系數學模型。

將組合式導種管在作業速度為2 km/h時的管體位置、水平傾角、末端傾角作為初始值，管體的位置姿態變化時根據初始值進行動作調整。由理論分析得到結合段管體在不同作業速度下的結合段水平傾角、不同作業速度下管體位置相對于初始位置的水平移動量；由虛擬仿真試驗得到投送段在不同作業速度下的末端傾角，確定組合式導種管在不同作業速度的水平位置、水平傾角及末端傾角。利用Matlab軟件將該3個變化量與速度間的對應關系進行擬合，得到組合式導種管水平位置、水平傾角、末端傾角與作業速度間的函數變化關系模型

式中f() 為水平位置函數，mm；()為管體水平傾角函數，（°）；()為投送段管體末端傾角函數，（°）。

4 樣機試驗

4.1 試驗條件與方法

為驗證仿真試驗結果及組合式導種管運動模型的準確性，進行臺架驗證試驗，試驗臺架如圖9所示。選用未分級的中黃37大豆種子為試驗對象，千粒質量為273.2 g，含水率為8%。通過3D打印加工導種管的上下管體，材料選用Somos8000，為便于觀察導種運動過程，利用透明亞克力玻璃加工導種管側壁。

1.計算機 2.運動控制系統 3.高速攝像機 4.氣吸式排種器 5.組合式導種管

控制系統包括微控制器、轉速傳感器、驅動器和執行元件。微控制器采用STM32F103C8T6單片機，轉速傳感器為OMRON E6B2-CWZ6C旋轉編碼器，線數2 000，安裝在排種試驗臺架驅動軸的一側，與驅動排種器的鏈輪同步轉動，間接測量得到排種器工作的實際轉速；執行元件為3個電動推桿（其中2個21 mm行程推桿分別控制上下導管的旋轉、1個75 mm行程推桿控制水平移動），電壓為12 V、電流為0.3 A、最大推力為32 N/m、速度為30 mm/s；驅動器采用L298N電機驅動模塊，功率為25 W。單片機首先利用定時器的編碼器功能，解析轉速傳感器輸出的脈沖信號，得到排種器的工作轉速，然后根據播種機作業速度與電動推桿位移的數學模型，得到排種器不同工作轉速下對應電動推桿的位移量，最后單片機發送相應的控制信號給L298N電機驅動器，實現對電動推桿的伸縮控制，完成導種管姿態實時調整（圖10）。

試驗在山東理工大學農機實驗室JPS-12型排種性能檢測試驗臺上進行，利用高速攝像機（FASTCAM Mini AX）對導種過程進行記錄并分析。

圖10 組合式導種管控制流程

根據 GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》，以合格率、重播率、漏播率、粒距變異系數為排種性能評價指標，根據大豆種植株距要求，確定試驗株距為10 cm。在定速排種效果對比試驗中，在機具前進速度為2、4、6、8、10、12 km/h，對比研究組合式導種管與傳統導種管的作業質量，每組試驗采集 251 粒種子進行統計，試驗重復3次。在變速排種效果對比試驗中，設定機具前進速度由2 km/h加速到12 km/h，對比組合式導種管與傳統導種管在加速時間分別為10、20和30 s時的作業質量，每組試驗重復3次。利用JPS-12試驗臺自身的數字圖像處理系統得到種子經過導種管后落在種床帶上的合格率、重播漏、漏播率和粒距變異系數。同時利用高速攝像機拍攝種子離開排種盤瞬間的取種情況，吸孔上只有1粒種子記為合格，吸孔上沒有種子記為漏播，吸孔上多于1粒種子記為重播。統計得到相應的合格率、重播漏和漏播率，此時的結果記作排種器的本征排種性能，通過和種床帶上的排種性能對比，分析導種管的導種效果。

4.2 試驗結果分析

4.2.1 導種軌跡測定

調整機具前進速度分別為2、4、6、8、10、12 km/h（排種器對應轉速為10.41、20.83、31.25、41.66、52.08、62.50 r/min），利用高速攝像對傳統導種管、組合式導種管導種情況進行分析。

不同排種速度時，種子進入導種管的入射角度存在較大差異，速度越大入射角度越大，導致種子與傳統導種管接觸的位置差異性大，如圖11a所示，種子流與導種管內壁發生碰撞，破壞原本有序的投種軌跡，對種子經過導種管后投出運動產生較大影響。同時，因為種子外形尺寸、吸附位置等的差異、所以在相同速度下的投種軌跡亦存在波動，且軌跡的波動區域大小隨速度增加而變大，對種子的粒距一致性造成負面影響。利用高速攝像在每個速度下記錄251粒種子在投種管內的二次彈跳情況，發現在2、4、6 km/h時發生二次彈跳的種子占比分別為26.29%、31.87%、16.33%；當速度在6～10 km/h時，種子越過導種管的直線段，直接與圓弧段發生接觸碰撞，并且絕大部分種子在第一次接觸后彈出導種管；當速度為12 km/h時，種子直接與導種管后壁發生碰撞，反彈回前壁后離開導種管。驗證試驗結果與仿真保持一致。

組合式導種管作業時，種子與導種管前壁的接觸點在豎直方向上高度保持一致，且排種軌跡與前壁面準確對接，如圖11b所示。隨著速度增加，組合管體在水平移動和旋轉運動耦合作用下，種子與導種管接觸位置相對傳統導種管一致性更高，降低投種軌跡波動對種子管內運動及后續投種運動的影響；種子與導種管初次接觸后，在2～12 km/h發生二次彈跳的種子占比小于2.39%，種子彈跳起伏小，后續運動均沿導種管前壁進行滾動或滑動，降低彈跳對種子運動的影響。

4.2.2 定速排種性能對比

在排種器下分別安裝組合式導種管和傳統導種管，進行排種性能試驗，并利用高速攝像機統計排種器的本征排種性能，結果如圖12所示。

由圖12a可知，排種器本征排種性能的排種粒距合格率與組合式導種管基本保持一致，隨著速度的增大二者的合排種粒距格率均出現小幅下降，二者差異較小。在2～6 km/h時，排種粒距合格率保持在96.35%上下浮動，速度大于6 km/h后，排種粒距合格率下滑，在12 km/h時，本征性能的排種粒距合格率降至89.18%，組合式導種管降至84.17%。

圖11 不同作業速度下導種軌跡對比

圖12 定速排種試驗結果

傳統導種管的排種粒距合格率隨速度增大呈先小幅增大后劇烈下降的趨勢，2 km/h時為88.46%，6 km/h時達到峰值93.70%，在12 km/h時降到55.28%，在高速時難以滿足精密播種要求。

由圖12b可知，排種器本征排種性能的漏播率與組合式導種管的漏播率基本保持一致，二者差異不明顯。在2～6 km/h時，漏播率在1.76%附近，隨著速度的增大二者的漏播率均出現小幅增大，在12 km/h時，排種器本征性能的漏播率增加至6.23%，組合式導種管的漏播率升至8.92%。

傳統導種管的漏播率隨速度增大呈先降低后增大的趨勢，2 km/h時為8.07%，6 km/h時達到最低值3.30%，隨后出現大幅增加，在12 km/h時達到26.07%。

如圖12c所示，排種器本征排種性能的重播率與組合式導種管的重播率在2～8 km/h時基本保持一致，重播率在2.21%附近。速度大于8 km/h時，組合式導種管的重播率逐漸上升，在12 km/h時達到6.86%，排種器本征性能的重播率穩定在4.59%。

傳統導種管的重播率在2～6 km/h時保持穩定在3.33%，當速度大于6 km/h時重播率出現較大幅度增大。在6 km/h時傳統導種管的重播率與本征性能較為接近，低速和高速時傳統導種管的重播率大于本征性能。

如圖12d所示，組合式導種管在2～6 km/h時排種粒距變異系數變化較小，在14.13%上下波動，當速度大于6 km/h時排種粒距變異系數逐漸增大，在12 km/h時達到20.50%。傳統導種管的排種粒距變異系數隨作業速度增加首先下降，在6 km/h時達到最小值16.61%后逐漸上升，在10 km/h以后保持在26.00%左右。組合式導種管的排種粒距變異系數明顯低于傳統導種管，不同速度下的排種粒距變異系數平均降低24.65個百分點。

4.2.3 變速排種性能對比

為研究機具速度變化時導種管對排種性能的影響，綜合播種機大田作業時的加速過程，確定速度變化區間為2～12 km/h，選取加速時間為10 、20 、30 s進行變速過程排種試驗。當加速時間為10 s時加速度為0.278 m/s2，增量式編碼器每20 ms采集一次轉速，在采集時間內速度變化0.02 km/h，編碼器再次采集到速度信號傳遞給控制器，控制器解析轉速后傳遞指令給驅動控制推桿動作，動作結束即為完成機構對速度變化的響應；采集時間較短、速度變化小，整個過程機構響應時間≤26 ms。兩種導種部件作業效果如圖13所示。

如圖13a所示，隨變速時間增加，組合式導種管與傳統導種管在變速過程中的排種粒距合格率均出現小幅升高。通過觀察管內種子運移狀態可知，低速投下的種子射入導種管后沿管壁滑移，隨著作業速度不斷增加，組合式導種管響應速度變化進行動作后，使低速投下的種子在運移過程中產生微小波動；當加速度減小，組合式導種管動作頻率、幅度降低，使種子滑移狀態波動性減小，排種粒距合格率小幅升高。組合式導種管在加速時間為10～30 s內的排種粒距合格率明顯高于傳統導種管，排種粒距合格率平均提高15.10個百分點。

如圖13b所示，兩種導種管的排種粒距變異系數隨加速時間增加無明顯變化，但組合式導種管的排種粒距變異系數明顯低于傳統導種管。在變速過程中，傳統導種管的排種粒距變異系數在20.30%左右，組合式導種管的排種粒距變異系數在16.54%上下浮動，平均降低3.76個百分點。

圖13 變速排種試驗結果

5 結 論

1）對傳統導種管進行優化，設計了一種組合式導種管，通過管體間協同動作提高不同作業速度下種子投種軌跡的一致性，對其工作原理和投種過程進行理論分析，確定結合段管體的調節規律。

2）借助離散元仿真試驗，研究組合式導種管投送段的運動規律，以排種器工作轉速和管體末端傾角作為因素，投種落點的水平投影距離為指標，試驗得到不同作業速度下的投送段管體最佳姿態，并進行驗證試驗，結果表明：組合式導種管的導種效果顯著優于傳統導種管，落點的變異系數小于1%。

3）設計組合式導種管運動控制系統，搭建導種性能物理試驗臺，高速攝像分析顯示，種子與組合導種管管壁接觸過程中發生二次彈跳的種子占比小于2.39%，管壁與投種軌跡準確契合；臺架試驗結果表明：組合式導種管能夠在各個排種速度下準確的還原排種器本身的排種性能，對投種軌跡的干擾較小；而傳統導種管僅能在設計速度時保持較優的排種效果，當速度小于或大于設計速度時，排種性能明顯下降；在相同變速條件下，組合式導種管的排種粒距合格率較傳統導種管平均提高15.10個百分點。排種效果明顯提高。

[1] Egli D B, Rucker M. Seed vigor and the uniformity of emergence of corn seedlings[J]. Crop Science, 2012, 52(6): 2774-2782.

[2] Celik A, Ozturk I, Way T R. Effects of various planters on emergence and seed distribution uniformity of sunflower[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2007, 23(1): 57-61.

[3] 顏丙新，付衛強，武廣偉，等. 基于衛星定位的玉米高位精播種子著床位置預測方法[J]. 農業機械學報，2021，52(2)：44-54.

Yan Bingxin, Fu Weiqiang, Wu Guangwei, et al. Seed location prediction method of maize high-height precision planting based on satellite positioning[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(2): 44-54. (in Chinese with English abstract)

[4] Yang L, Yan B X, Cui T, et al. Global overview of research progress and development of precision maize planters[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2016, 9(1): 9-26.

[5] 李玉環，楊麗，張東興，等. 氣吸式玉米高速精量排種器投種性能分析與結構優化[J]. 農業工程學報，2022，38(8)：1-11.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Performance analysis and structure optimization of the maize precision metering device with air suction at high-speed condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(8): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[6] 廖宜濤，李成良，廖慶喜，等. 播種機導種技術與裝置研究進展分析[J]. 農業機械學報，2020，51(12)：1-14.

Liao Yitao, Li Chengliang, Liao Qingxi, et al. Research progress of seed guiding technology and device of planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(12): 1-14. (in Chinese with English abstract)

[7] 康建明，向陽，張春艷，等. 氣吸滾筒式花生穴播器投種性能分析與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(14)：1-11.

Kang Jianming, Xiang Yang, Zhang Chunyan, et al. Analysis and experiments of the seed feeding performance of air-suction roller dibble for peanuts[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(14): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[8] 康建明，溫浩軍，王士國，等. 帶式導種裝置對排種均勻性影響的試驗研究[J]. 中國農機化學報，2015，36(5)：42-45.

Kang Jianming, Wen Haojun, Wang Shiguo, et al. Experimental study on impact of belt type conductor delivery on seeding uniformity[J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2015, 36(5): 42-45. (in Chinese with English abstract)

[9] Tang H, Xu C, Wang Z, et al. Optimized design, monitoring system development and experiment for a long-belt finger-clip precision corn seed metering device[J]. Frontiers in Plant Science, 2022, 13: 814747.

[10] 齊慶征，倪向東，康施為，等. 集排式排種器棉種氣流輸送排種性能試驗[J]. 甘肅農業大學學報，2021，56(2)：187-192，200.

Qi Qingzheng, Ni Xiangdong, Kang Shiwei, et al. Test on cotton seed pneumatic delivery performance of centralized seed-metering device[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2021, 56(2): 187-192, 200. (in Chinese with English abstract)

[11] 余佳佳，丁幼春，廖宜濤，等. 基于高速攝像的氣力式油菜精量排種器投種軌跡分析[J]. 華中農業大學學報，2014，33(3)：103-108.

Yu Jiajia, Ding Youchun, Liao Yitao, et al. High-speed photography analysis of dropping trajectory on pneumatic metering device for rapeseed[J]. Journal of Huazhong Agricultural University, 2014, 33(3): 103-108. (in Chinese with English abstract)

[12] 王泰恩，張寶庫. 零速投種導種筒工作面曲線設計的理論探討[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，1993，7(1)：46-50.

Wang Taien, Zhang Baoku. The theoretical exploration on working surface curve design of zero-speed seeding tube[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 1993, 7(1): 46-50. (in Chinese with English abstract)

[13] 張寶庫，郝恒昌，李延華. 精密播種機導種筒的理論分析與設計計算[J]. 黑龍江八一農墾大學學報，1988(2)：41-47.

Zhang Baoku, Hao Hengchang, Li Yanhua. Theoretical analysis and design of seed spout of the precision drill[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 1988(2): 41-47. (in Chinese with English abstract)

[14] Kocher M F, Coleman J M, Smith J A, et al. Corn seed spacing uniformity as affected by seed tube condition[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2011, 27(2): 177-183.

[15] Smith J A, Kocher M F. Evaluate Planter Meter and Seed Tube Systems for Seed Spacing Performance of Confection Sunflower Seed to Improve Plant Spacing in the Field[C]//2008 National Sunflower Workshop–national Sunflower Association, Mandan, ND, USA. 2008.

[16] Yazgi A. Effect of seed tubes on corn planter performance[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2016, 32(26): 73-790.

[17] Yazgi A, Demir V, Deirmenciolu A. Comparison of computational fluid dynamics-based simulations and visualized seed[J]. Turkish Journal of Agriculture and Forestry, 2020, 44(6): 599-611.

[18] Carpes D P, Alono A S, Rossato F P, et al. Effect of different conductor tubes on the longitudinal distribution of corn seeds[J]. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 2017, 21: 657-662.

[19] Savi D, Kmiecik L L, Strapasson Neto L S, et al. Influence of seed tube curvature on seed longitudinal distribution[J]. Engenharia Agrícola, 2020, 40: 732-739.

[20] 劉孝民，鄧江玉. 高速精密播種機導種管合理形狀的理論分析[J]. 農機化研究，1987(4)：35-39.

[21] 王樂，邱立春，李永奎. 玉米種子在導種管中運動過程的高速攝像分析[J]. 農機化研究，2010，32(10)：130-132.

Wang Le, Qiu Lichun, Li Yongkui. High-speed photography analysis on process of corn seeds moving in seed tube[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2010, 32(10): 130-132. (in Chinese with English abstract)

[22] 趙淑紅，陳君執，王加一，等. 精量播種機V型凹槽撥輪式導種部件設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(6)：146-158.

Zhao Shuhong, Chen Junzhi, Wang Jiayi, et al. Design and experiment on V-groove dialing round type guiding-seed device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(6): 146-158. (in Chinese with English abstract)

[23] 李玉環，楊麗，張東興，等. 氣吸式玉米高速精量排種器直線投種過程分析與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(9)：26-35.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Analysis and test of linear seeding process of maize high speed precision metering device with air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 26-35. (in Chinese with English abstract)

[24] 張順，李勇，王浩宇，等. 水稻內充氣力式精量穴播排種器導種管的設計與試驗[J]. 湖南農業大學學報(自然科學版)，2021，47(1)：71-80.

Zhang Shun, Li Yong, Wang Haoyu, et al. Design and experiment on the seed spout of inside-filling pneumatic type precision hole-seeding meter device for rice[J]. Journal of Hunan Agricultural University (Natural Sciences), 2021, 47(1): 71-80. (in Chinese with English abstract)

[25] 楊文彩，張效偉，仲廣遠，等. 三七育苗播種機導種管設計與試驗[J]. 華南農業大學學報，2022，43(1)：120-132.

Yang Wencai, Zhang Xiaowei, Zhong Guangyuan, et al. Design and experiment of seed tube of seedling planter for Panax notoginseng[J]. Journal of South China Agricultural University, 2022, 43(1): 120-132. (in Chinese with English abstract)

[26] 丁幼春，王凱陽，劉曉東，等. 中小粒徑種子播種檢測技術研究進展[J]. 農業工程學報，2021，37(8)：30-41.

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, et al. Research progress on seed sowing detection technology for small and medium particle Size[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 30-41. (in Chinese with English abstract)

[27] 劉文忠，趙滿全，王文明，等. 氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗[J]. 農業工程學報，2010，26(9)：133-138.

Liu Wenzhong, Zhao Manquan, Wang Wenming, et al. Theoretical analysis and experiments of metering performance of the pneumatic seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(9): 133-138. (in Chinese with English abstract)

[28] 張濤，劉飛，趙滿全，等. 大豆種子與排種器接觸物理參數的測定與離散元仿真標定[J]. 中國農業大學學報，2017，22(9)：86-92.

Zhang Tao, Liu Fei, Zhao Manquan, et al. Measurement of physical parameters of contact between soybean seed and seed metering device and discerte element simulation calibration[J]. Journal of China Agricultural University, 2017, 22(9): 86-92. (in Chinese with English abstract)

Design and experiment of the combined seed guiding tube for precision metering device

Chen Yulong, Han Jie, Lan Yubin, Zhang Meng, Jin Yachen, Zhang Zheng, Wang Wenjun※

(1.,,255000,;2.,,255000,;3.-,255000,)

High-speed seed guiding is of great significance to developing the precision metering seeder. Among them, the different horizontal offsets can be observed at the collision contact points between the seeds and the wall of the seed tube in the seeding trajectory at different seeding speeds. The resulting seed spacing cannot fully meet the agronomic requirements at present. In this study, a combined seed guiding tube was designed for the precision metering device, according to the traditional integrated fixed one. Two bodies were composed of the joint and delivery sections. A revolute pair was selected to connect the two bodies. The overall translation and rotation around the rotating pair were carried out under the action of the driving mechanism. A systematic analysis was made to determine the working principle of the combined seed guiding tube and the motion process of the seed discharging. The seed discharging process was also divided into the incident stage, the stable migration, and the delivery stage. The influencing factors were clarified using the dynamic analysis of the seed movement in the seed guiding tube during discharging. The seed-tube simulation model was then established using discrete element method (DEM) EDEM software. The simulation experiment was carried out with the working speed and the inclination angle of the end of the delivery section as the test factors, while the variation coefficient of the horizontal projection distance of the seed front point as the test index. The optimal attitude was obtained for the two tubes at different speeds. The mathematical model was constructed for the relationship between the working speed and the movement of the combined seed guiding tube. The test platform was built to design the motion control system of the combined seed guiding tube. Taking the Zhonghuang 37 soybean as the research object, the field test of seed guiding trajectory was carried out to verify the performance of seed guiding. The results showed that the better guiding performance of the seeds was achieved in the optimal attitude of the combined seed guiding tube at the working speed of 2-12 km/h. The seed-guiding trajectory was outstandingly better than the traditional one. Less than 2.39% proportion of seeds were found with the secondary bounce after the first contact with the seed guiding tube. A reduced impact was observed in the seed discharging trajectory on the movement of the seed guiding tube and the subsequent seed discharging movement. The comparative test was carried out at constant speed seeding. The results showed a higher qualified rate of seeding spacing was obtained in the combined seed guiding tube at different working speeds, compared with the traditional. The intrinsic seeding performance was also accurately restored in the seed metering device. Specifically, the qualified rate of seeding spacing was about 96.53%, when the working speed was 2-6 km/h, and then decreased to 84.17% at 12 km/h. The coefficient of variation of seed spacing of the combined seed guiding tube at each speed was 24.65 percentage points averages lower than before. Furthermore, the qualified rate of seeding spacing in the combined seed guiding tube was 15.10 percentage points average higher than before, whereas, the coefficient of variation of seeding spacing was 3.76 percentage points average lower than before, during the speed change of 2-12 km/h. Anyway, the combined seed tube can be expected to serve as a variety of working speeds for uniform seed spacing. The finding can provide new ideas and technical references for the high-speed seed guiding in the precision metering seeder.

discrete element; high-speed camera; combined seed guiding tube; seed guiding performance; seed discharging trajectory

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.002

S223.2

A

1002-6819(2022)-24-0014-11

陳玉龍，韓杰，蘭玉彬，等. 精密排種器組合式導種管設計與試驗[J]. 農業工程學報，2022，38(24)：14-24.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.002 http://www.tcsae.org

Chen Yulong, Han Jie, Lan Yubin, et al. Design and experiment of the combined seed guiding tube for precision metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(24): 14-24. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.24.002 http://www.tcsae.org

2022-09-09

2022-11-10

國家自然科學基金（51905318、52005307）；山東省引進頂尖人才“一事一議”專項（魯政辦字[2018]27號）

陳玉龍，博士，副教授，研究方向為智能農業裝備。Email：cyl06471@sdut.edu.cn

王文君，博士，副教授，研究方向為智能農業裝備。Email：wjwang2016@163.com

中國農業工程學會高級會員：蘭玉彬（E041200725S）