四桿平移式大豆小區育種排種器設計與試驗

頓國強 毛 寧 劉文輝 吳星澎 周 成 紀文義

(1.東北林業大學機電工程學院，哈爾濱 150040；2.湖州師范學院信息工程學院，湖州 313000；3.東北農業大學工程學院，哈爾濱 150030)

0 引言

大豆是東北地區主要的糧食作物，其生產的穩定性對保障糧食安全具有重要意義[1-2]。大豆育種技術的發展是品種改良和糧食增產的必經之路，育種機械的使用是提高作業效率保證育種質量的重中之重[3-4]。而我國大豆小區育種大多采用傳統的人力手工播種，嚴重影響了育種試驗的準確性、科學性、普遍性，所以大豆小區育種的研究非常必要[5]。

現階段小區育種試驗中所用到的大豆品種多且數量少，大豆的尺寸也存在較大差異，小區育種田間試驗機械化水平較低[6-7]。姜峰[8]研發了機動式大豆育種精密播種機，采用插裝式組合式箱體結構；趙宇[9]研發了2BXJ-6型大豆壟三栽培育種精量播種機，設計了一款配套于壟三栽培育種的插裝式排種器，可實現壟上等距雙條播的農藝要求；谷金龍等[10]設計了一種2BXJ-4(A)型插裝式大豆小區育種精密播種機，實際應用中播種空行程大，排種器箱體沉重，清換種作業操作繁瑣；黃珊珊等[11]設計了2BXJ_4A1型大豆小區育種精量播種機，采用弧形齒條機構預充種機構進行改進設計，縮短播種空行程，但上述4種播種機均采用整體插裝式排種器的方式完成清換種，清換種作業操作不夠便捷。因此，應創新清種原理，研發新型清種機構。

綜合國內相關研究[12]，為解決大豆小區育種作業時清換種問題，本文設計一種四桿平移式大豆小區育種排種器，通過理論分析確定其基本結構參數，采用離散元仿真軟件構造模型進行仿真[13]，模擬大豆小區育種排種器排種過程，分析排種盤轉速對下限角度的影響以及種箱厚度對殘余種子數的影響，優化確定排種器的最佳結構參數。最終通過田間試驗對所設計機具性能加以驗證。

1 排種器整體結構與工作原理

1.1 排種器整體結構

四桿平移式小區育種排種器[14]由殼體、清種毛刷、平行連桿(帶U型槽)、收種箱、投種箱、導種管、排種盤、排種軸、圓形套環、六方軸套組成，如圖1所示。殼體上部與排種盤形成種箱，清種毛刷固裝在種箱右側擋板處，排種軸穿過殼體中部，其一邊用于驅動，另一邊排種盤與六方軸套固裝并通過六方軸套套裝在排種軸上，手持六方軸套可將排種盤向外拉出，排種盤上的圓形套環的軸銷分別與平行連桿上的U型槽配合，殼體兩側靠平行連桿吊裝收種箱，進而實現收種箱的位置通過排種盤的拔出而進行相應的調整，投種箱位于收種箱右下部，導種管位于投種箱下部。

圖1 四桿平移式大豆小區育種排種器結構圖Fig.1 Structure diagrams of four-bar translational soybean plot seed metering device1.收種箱 2.平行連桿 3.U型槽 4.排種盤 5.殼體 6.清種毛刷 7.圓形套環 8.六方軸套 9.投種箱 10.導種管 11.排種軸

1.2 排種器工作原理

排種器的工作過程分為充種、清種和投種3個階段，當其工作時，排種軸驅動排種盤沿順時針方向轉動，種箱內的大豆種子在自身重力、摩擦力以及周圍種子擠壓的綜合作用力下落入型孔內進入充種區，如圖2所示，隨著排種盤一起運動，當型孔經過清種毛刷時，毛刷清除多余的種子后進入護種區，當型孔轉到導種管上方位置時進入投種區，大豆種子靠重力脫離型孔落入投種箱，通過投種箱下部導種管落入種溝，完成排種器的清種、排種作業。

圖2 排種器充種過程Fig.2 Filling process chart of seed metering device

當排種器在完成前一小區播種作業后，如圖3所示，手持六方軸套向外拉出，殼體下方由平行四桿吊裝的種箱在圓形套環與U型槽的配合下隨之向外運動，逆時針旋轉排種盤，種箱以及型孔內的種子依靠自身重力落入平行連桿連接的收種箱內，而后手持六方軸套將排種盤向里歸位，向排種箱內倒入下一小區的種子。由于排種器內為無死角結構，拔出排種盤后，種箱及型孔內均無種子殘留，排種器歸位后，種箱內只有下一小區的種子，避免了種子混雜問題，完成排種器的換種作業，依次循環，四桿平移式大豆小區育種排種器完成排種、清種、換種作業。

圖3 四桿平移式大豆小區育種排種器俯視圖Fig.3 Vertical view of four-bar translational soybean plot seed metering device1.平行連桿 2.六方軸套 3.排種盤 4.導種管 5.圓形套環 6.清種毛刷 7.收種箱 8.排種軸 9.殼體

傳統的大豆小區育種排種器多為插裝式結構，在進行清換種作業時，將整個的排種箱拔出，提前準備好盛裝種子的容器以防種子落入試驗田中，傾倒上一小區的種子后，還需手動轉動排種盤，清除護種區內殘余的種子，仔細檢查種箱內無種子殘留后，方可向種箱內倒入下一小區的種子，清換種作業操作費時費力，而四桿平移式大豆小區育種排種器在進行清換種作業時，無需將種箱拔出，箱體結構靈活，只需拉出、旋轉、歸位3個步驟就可輕松完成清換種作業，箱內結構無死角，排種、收種種箱分離，排種作業排種盤順時針旋轉，種子落入投種箱，清換種作業時，手持六方軸套逆時針旋轉排種盤，上一小區種子直接落入收種箱，不僅便于種子的收集，還從根本上解決了種子殘留的問題，整個清換種作業操作省時省力。

2 關鍵部件結構參數分析

2.1 充種下限角度

大豆充種過程可以近似看作物料過篩運動，當大豆沿排種盤表面運動時，除某些運動學要素外，還必須確定大豆能經過型孔的充種下限角度。當排種盤轉動后，大豆會以一定的下限角度θ充入型孔，下限角度會隨著排種盤轉速的變化而改變，不同轉速下的下限角度范圍不同，充種效果也不同，所以需對下限角度進行分析，排種盤結構參數如圖4所示。

圖4 排種盤結構示意圖Fig.4 Schematic of seed metering tray structure

根據圖4中幾何關系可知

(1)

式中N——單側型孔所對應的圓心角，(°)

S——排種盤圓心至型孔底部距離，mm

r——型孔外徑，mm

R——排種盤半徑，mm

H——型孔深度，mm

而排種盤軸向截面內，周向型孔數K與其單側對應的圓心角N、型孔間隔圓心角M有關[15]，即

(2)

式中L——型孔圓弧段圓心所在圓的半徑

小區育種作業時，排種盤的轉速n與播種機前進速度v的關系為

(3)

式中LS——株距，取80 mm

由公式(1)、(2)可知，當型孔外徑r與型孔間隔圓心角M一定時，增大型孔圓弧段圓心所在圓的半徑L，減小型孔深度H，單側型孔圓心角N減小，周向型孔數K增大，充種下限角度隨之增大，所以下限角度θ與周向型孔數K成正比例關系。由式(3)可知，當播種機前進作業時，其前進速度v與株距LS一定時，排種盤的轉速n與周向型孔數K成反比，所以排種盤的轉速n與下限角度θ成反比。因此，為提高排種盤的充種效果，可適當增大型孔圓弧段的圓心所在圓的半徑，即排種盤直徑，增加型孔數量，減小型孔深度，降低其作業速度。

2.2 型孔參數

2.2.1充種運動分析

大豆充填型孔過程一直處于運動的狀態，為了便于理論研究，忽略空氣阻力的影響，如圖5所示，選取位置A處于排種盤正半軸、位置B處于排種盤水平位置、位置C處于排種盤負半軸位置，對大豆掉落型孔運動過程進行分析。由于排種盤線速度大于大豆運動速度，致使大豆落入型孔的軌跡從右至左，為保證種子完全落入型孔，大豆重心位置O至少與型孔口持平。

圖5 大豆充填型孔位置圖Fig.5 Location map of soybean filling hole

根據位置A的幾何關系可知，大豆種子落入型孔時，種子重心至少經過距離

(4)

式中l——型孔直徑

α——重心O豎直下落高度與水平方向夾角

根據位置B的幾何關系可知，大豆種子落入型孔時，種子重心至少經過距離

h=r

(5)

根據位置C的幾何關系可知，大豆種子落入型孔時，種子重心至少經過距離

h

(6)

由此可見，大豆越接近排種排負半軸位置，重心經過距離越短，越容易充入型孔中。

2.2.2型孔尺寸確定

排種盤型孔大小應根據大豆的物料參數來確定，本文選取品種為黑河43大豆的物理參數為依據，其粒長7.85 mm、粒寬7.31 mm、粒厚6.38 mm，均徑為6.57 mm[16]。小區育種單粒精播時，排種盤型孔為半球形結構，型孔的邊緣增設倒角，型孔倒角比為0～0.3，這種設計易于種子填充，并可有效防止種子損傷。

由于大豆小區育種作業速度范圍為0.8～1.2 m/s[17]，計算排種盤轉速范圍為30～70 r/min，取30 r/min為實例，經計算得排種盤線速度v=204 mm/s。根據上述大豆充種運動規律，如圖6所示，研究大豆在不同位置A、B、C時型孔尺寸，α=45°、β=30°時，其幾何關系如圖7所示。

圖6 大豆充填型孔局部放大圖Fig.6 Enlarged view of soybean filling hole

圖7 位置A、C填充幾何關系圖Fig.7 Location A,C filling geometric relationship diagram

位置B時大豆處于水平運動，重心經過的距離h=r，排種盤型孔長度

(7)

l=vt

(8)

位置A時大豆處于排種盤正半軸位置，重心經過距離h>r，根據圖7中位置A幾何關系圖可知

(9)

位置C時大豆處于排種盤負半軸位置，重心經過距離h

(10)

位置A、B、C大豆落入型孔所需的時間分別為ta、tb、tc，位置A、B、C型孔所對應的長度分別為la、lb、lc。經計算得：ta=0.028 8 s，la=9.32 mm；tb=0.028 1 s，lb=9.12 mm；tc=0.022 5 s，lc=9.12 mm。

由此可見ta>tb>tc、la>lb=lc，大豆越接近負半軸位置，即下限角度越小充種效果越好，越接近正半軸位置，所需排種盤型孔直徑越大充種時間越長。為了使不同狀態下的大豆均能充入型孔，確定型孔直徑的范圍:lmax+0.5≤l≤lmax+1；型孔深度H的范圍:lmax-1≤H≤lmax-0.5[18]，型孔直徑l=10 mm，型孔深度H=7 mm。

2.2.3排種盤直徑

排種盤的形狀、尺寸對排種性能都有一定影響，通過增大排種盤的直徑和排種盤上型孔的數量，可以提高排種器的充種率，但是排種盤直徑過大，會致使與其關聯型孔尺寸增大，導致排種盤整體結構尺寸增加，以致于在播種機上安裝空間也增大，重量增加。排種盤的直徑過小會使排種盤曲率變小，不利于種子填充，嚴重影響排種器的充種性能，過小的排種盤也會導致排種盤上型孔數量減小，相同株距、作業速度下轉速較大，充種時間短，易產生漏播[19]。排種盤直徑的取值范圍一般為80～260 mm，本文所設計的手推式育種排種器，針對小區育種作業其作業速度通常很低，排種盤直徑對排種性能影響并不大。因此，本研究參照2BXJ-6型插裝式排種器設計排種盤直徑為130 mm。

2.2.4型孔數

排種盤上型孔數e與排種盤直徑L、機組前進速度v、排種盤轉速n、株距LS等因素相關，其計算公式為

(11)

式中δ——傳動輪的滑移率，為5%～12%

同一直徑的排種盤，增大型孔數量會使排種盤線速度降低，增強種子的填充性。經計算得本文設計的排種盤型孔數量為28。

2.3 毛刷角度

毛刷在整個作業過程中主要負責清種，使每個型孔內只有一粒種子，避免種箱內剩余少數種子產生不規則彈跳。毛刷角度的選擇可以近似為大豆在圓柱外表面上運動和脫離角的問題，如圖8所示。

圖8 毛刷角度分析圖Fig.8 Brush angle analysis chart

圖中F1為重力，F1=mg；F2=mgsinφ；F3=fN；F4為離心力，F4=mv2/r=mrφ2；φ為微粒在絕對運動中的角位移；γ為t=0時刻微粒在絕對運動中的起始角位移。作這些力在圓柱截面圓周切線和法線上的投影，寫出微分方程

rφ2=gsinφ±f(gcosφ-rφ2)

(12)

式(12)取積分得

(13)

其中C為任意常數，f為微粒的靜摩擦因數。當圓柱表面的圓周速度大于微粒速度時，即t=0，φ=γ，φ2=0，則

C=e-2fφ[3fsinγ-(1-2f2)cosγ]

(14)

(15)

當法向反力FN等于零的瞬間微粒脫離圓柱，得

3cosφ-6sinφ-2Ce-2fφ=0

(16)

y1=3(3cosφ-2fsinφ)

(17)

y2=2Ce-2fφ

(18)

求得方程的根φ=45°。小區育種排種器在保證清種效果的前提下，還要保證清種毛刷對種子的垂直分力盡量小，避免種箱剩余種子發生向外不規則彈跳。根據理論分析，確定毛刷的清種角度為45°時清種效果最佳。

3 種箱參數仿真試驗

3.1 仿真參數的設定

由于大豆種子表面沒有粘附力，大豆顆粒相互的接觸以及大豆顆粒與種刷壁面的接觸模型均選用Hertz-Mindlin(no-slip)模型，查閱文獻[20-21]確定其仿真參數如表1所示。自然界中的豆粒形態并不是嚴格意義上的球體，所以大豆顆粒采用橢球體模型，其能夠真實準確地模擬出大豆種子在排種器中的運動情況，選用試驗品種為黑河43，粒長7.85 mm，粒寬7.31 mm，粒厚6.38 mm，均徑6.57 mm，應用球面堆積構型法構造種子模型。

表1 全局變量參數Tab.1 Global variable parameters

3.2 下限角度仿真過程

3.2.1排種器仿真模型建立

以四桿平移式小區育種排種器為原模型，利用SolidWorks進行1∶1比例建模[22]，并對不必要的結構進行簡化處理，簡化后排種器主要由外殼體、型孔、排種盤、虛擬工廠4部分構成，如圖9所示。將模型轉換成step文件導入EDEM中，并按照表1設置參數。

圖9 下限角度仿真EDEM模型Fig.9 Lower limit angle simulation EDEM model1.虛擬工廠 2.外殼體 3.型孔 4.排種盤 5.大豆

3.2.2充種下限角度仿真過程

根據前文充種下限角度理論分析，確定排種盤的轉速與充種下限角度成反比例關系，排種盤的轉速是影響充種下限角度的關鍵參數，由于大豆小區育種對排種器的作業速度要求不高，機具作業速度小于1.5 m/s，在理論株距的前提下，計算得到排種盤的轉速范圍為30～70 r/min。設定大豆顆粒總數2 000個，生成速率1 000 m/s，且大豆直徑服從正態分布，計算得出種子半徑標準差0.297 mm，設置仿真的總時長為2 s，如圖10所示分別選取轉速為30、40、50、60、70 r/min進行仿真試驗。每個轉速隨機測量5次下限角度并記錄，一種轉速重復試驗3次避免偶然性因素，最終對比試驗數據且每種轉速選出5個最佳數值。

圖10 不同轉速下EDEM仿真圖Fig.10 EDEM simulation diagrams at different speeds

3.2.3下限角度方差分析

EDEM仿真過程中，隨著轉速提高，大豆的充種質量有所降低，充種下限角度也越來越小，由此看來，選取合適的下限角度作為種箱左側傾斜角度，不僅可以提高充種效率，而且可以合理地利用種箱空間。為進一步驗證排種盤轉速與充種下限角度之間的關系，分析離散元仿真試驗數據，以排種盤轉速為試驗因素，下限角度為試驗指標進行單因素試驗，由Design-Expert 8.0.6軟件計算分析，結果如表2所示。在下限角度數據分析中，排種盤轉速對下限角度影響極顯著(P=0.003 5)，下限角度隨排種盤轉速的增大逐漸減小，成反比例關系，驗證了理論分析結果。

表2 排種箱下限角度方差分析Tab.2 Variance analysis of lower limit angle of seed metering box

分別取每種轉速下限角度的均值，應用Origin對試驗結果進行線性擬合，擬合曲線如圖11所示，擬合曲線顯示下限角度與排種盤轉速呈線性相關。但在大豆小區育種實際作業過程中，手推式大豆小區育種農業機械作業速度較慢，參照文獻[23]，株距為6～8 cm、排種盤轉速為40 r/min時小區育種作業質量最優，所以選取40 r/min對應的平均下限角度119°作為種箱左側的傾斜角度。

圖11 下限角度擬合曲線Fig.11 Lower limit angle fitting curve

3.3 種箱厚度仿真過程

3.3.1種箱厚度EDEM仿真模型

為確保種箱厚度試驗真實，根據上述試驗選取119°作為種箱左側傾角，簡化毛刷選取45°作為種箱右側傾角。將簡化后的模型導入EDEM中，按照表1填寫參數。在種箱上部建立種子工廠，種箱厚度取8～16 mm，設置大豆的總數為100個，生成速率1 000 m/s，且大豆直徑服從正態分布，計算得出種子半徑標準差0.297 mm，產生大豆顆粒的總時間為2 s，為防止大豆的種群擾動作用對試驗結果造成影響，待大豆全部落入種箱穩定后，排種盤從2 s后以角速度30 rad/s開始轉動。設置仿真總時間為20 s，數據記錄間隔為0.005 s，仿真過程如圖12所示。

圖12 種箱厚度EDEM仿真圖Fig.12 EDEM simulation of seed box thickness1.種箱 2.排種盤 3.型孔 4.收種箱 5.護種板 6.大豆 7.虛擬工廠

3.3.2種箱厚度方差分析

導出9次仿真數據，應用Origin對試驗結果進行線性擬合，擬合圖如圖13所示，可以看出2 s后，種箱內殘余種子數隨著時間的推移逐漸減少，并最終保持一個穩定的數值不變，種箱厚度為8、9、10、11、16 mm時種箱內殘留種子數隨時間推移呈直線趨勢減小最后保持不變，排種效果比較穩定。種箱厚度為12、13、14、15 mm時種箱內殘留種子數隨時間推移逐漸減小但波動較大，排種效果相對較差。因此，種箱厚度的選擇還需進一步分析。

圖13 殘留種子數變化曲線Fig.13 Change curves of residual seed number

重復上述仿真試驗5次，記錄下5次仿真試驗各種箱厚度的種子殘留數，進一步研究排種器種箱厚度對種箱內殘留種子數的影響，分別取每種種箱厚度下殘留種子數的均值，應用Origin對試驗結果進行線性擬合，得到擬合曲線如圖14所示，說明種箱厚度對殘留種子數影響顯著。種箱內殘留種子數隨著種箱厚度先減小后增加，在11 mm時種箱內殘留種子數最少。因此，種箱厚度確定為11 mm。

圖14 種箱厚度擬合曲線Fig.14 Seed box thickness fitting curve

4 田間試驗

4.1 試驗材料

試驗大豆選取品種黑河43，百粒質量20 g，含水率12%，凈度98%。試驗儀器及設備主要有：根據仿真試驗中排種器的尺寸參數和利用3D打印技術加工的四桿平移式小區育種排種器樣機、皮尺(量程30 m；精度1 mm)、直尺(量程100 m；精度1 mm)、土壤濕度儀、土壤硬度儀、數碼相機等，試驗過程如圖15所示。

圖15 四桿平移式小區育種播種機田間試驗Fig.15 Field test of four-bar translational seeder for plot breeding

4.2 試驗過程

試驗于2020年9月在黑龍江省東北林業大學實施，土壤含水率25.5%，1～5 cm處土壤硬度4.88 kg/cm2。選取種子120粒，設定理論播深3～5 cm，小區試驗理論株距設置為5 cm，根據小區育種實際要求，機具的平均行進速度分別取1.8、2.7、3.6 km/h 3個水平，根據實際小區育種農藝要求，小區育種試驗田長度設置4 m，小區過道距離0.5 m，每個作業速度重復測試3次，對該播種機田間性能進行分析。

4.3 結果與分析

四桿平移式大豆小區育種排種器在試驗過程中種子順利落入投種箱并通過導種管落入種溝，在切換小區進行清換種作業時，手持六方軸套逆時針旋轉排種盤，種子順利落入收種箱內，而后向種箱內倒入下一小區種子進行再次作業，此過程證明該排種器可順利完成排種、清種、換種作業，清換種作業相較傳統插裝式排種器操作更加便捷省時省力。如表3所示，合格指數、漏播指數在車速1.8 km/h和2.7 km/h的情況下變化不大。隨著車速增加至3.6 km/h，合格指數降低，漏播指數增加。這主要是由于車速增加至3.6 km/h以后，排種盤的轉速變快，影響了排種器的充種性能，進而使得漏播指數、合格指數增加。在試驗理論粒距下，車速3.6 km/h時平均合格指數、重播指數、漏播指數分別為87.61%、6.63%、5.75%，根據JB/T 51017—1999《中耕作物精密播種機產品質量分等》，均達到優等品標準，從而證明本研究設計的四桿平移式大豆小區育種排種器在提高清換種效率的同時能夠保證工作質量。

表3 田間試驗結果Tab.3 Field test results

5 結論

(1)設計了四桿平移式小區育種排種器，理論分析了大豆充種下限角度與排種盤轉速的關系，并通過理論分析確定了排種器的排種盤直徑、型孔尺寸、型孔數量、毛刷角度的設計參數。

(2)單因素仿真試驗結果表明，下限角度隨排種盤轉速增大逐漸減小，成反比例關系，下限角度在119°時充種效果較好；種箱厚度試驗結果表明，種箱厚度為11 mm時，排種效果好且種箱內殘余種子數較少。

(3)田間試驗結果表明：本研究設計的四桿平移式大豆小區育種排種器在提高清換種效率的同時能夠保證工作質量，最高作業速度3.6 km/h時其平均合格指數87.61%、重播指數6.63%、漏播指數5.75%，均達到JB/T 51017—1999《中耕作物精密播種機產品質量分等》優等品的標準。