孟華　李曉紅　屈哲　李赫　余永昌　劉龍

摘要：為提高大豆種子在排種器的活躍度和充種性能，改善大豆播種過程中機械式排種器的工作性能，設計一種自擾動內充種式大豆精量排種器。闡述排種器的結構和工作原理，依據大豆種子的外形特征及主要物理參數，對單粒種子在型孔內的3種主要不同姿態進行分析，確定了排種盤直徑為140 mm、寬度為23 mm，型孔長度為7～11 mm、寬度和深度均為8 mm；根據工作原理與結構，分析排種器在充種、清種過程中種子受到擾種片的主要作用以及對排種性能的影響，并與傳統結構形式的排種盤進行對比分析。為確定排種器的最佳結構參數與轉速，運用EDEM仿真軟件，以排種器轉速、型孔長度和擾種片長度為研究對象、以排種合格率為試驗指標進行正交試驗。試驗結果表明，影響排種質量的因素大小依次為排種器轉速、型孔長度、擾種片長度；排種器最佳結構與工作參數為轉速33.8 r/min，型孔長度7.3 mm，擾種片長度7.7 mm，排種合格率為95.3%。臺架試驗結果表明，最優參數組合下排種合格率為94.8%，與預測值基本一致，相對誤差較小僅為0.5百分點，能夠滿足大豆單粒播種農藝需求。

關鍵詞：自擾動；內充種式；大豆；排種器；EDEM；試驗優化

中圖分類號：S223.2文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2023）11-0179-06

大豆富含大量的營養物質，是我國重要的糧食作物、油料作物和飼料來源之一［1-2］。在大豆生產全程機械化過程中，播種機作為其中關鍵的環節之一，直接影響播種質量和產量［3-5］。目前，播種機上配套使用的排種器主要分為機械式和氣力式兩大類，機械式相對于氣力式具有加工制造簡單、成本低、易于維修與更換等優勢，在播種機上應用最早，也最為廣泛。凌軒等為提高花生播種質量，降低傳統排種器漏播率，設計了一種花生內側充種式排種器［6］。陳欣等為提高不同尺寸種子的適應性，對現有排種器進行改進設計，使排種器型孔的長度實現可調［7］。李曉紅等為提高大豆播種質量，節約種子用量，設計了一種內充種式大豆排種器［8］。曾心玥等針對三七播種，設計了一種內充式三七精密排種器，得到最佳工作轉速范圍為31.1～37.8 r/min［9］。楊紅光等為提高花生播種機播種質量，對內充種式排種器進行性能分析，得出排種器轉速最佳參數為38 r/min［10］。李政權等為提高播種質量，對小麥種子在內充種式排種器工作過程中的排種性能進行了分析［11］。李智采用氣流對排種器內種子群進行擾動，增大種子活躍程度，使其更易進入型孔［12］。謝東波等以大蒜種子為研究對象，在現有的氣吸排種器上增加了擾種齒，提高了排種器單粒取種性能［13］。都鑫等以玉米種子為研究對象，在內充式排種器的基礎上增加擾種條，提高了種子在排種器內的充種性能［14］。

上述研究表明，內充種式排種器在多種作物播種過程中均有所使用，因此本研究設計了一種自擾動內充種式大豆精量排種器，通過在排種盤型孔徑向方向設置擾動結構，起到對種子群進行攪動的作用，使種子能更好地充入型孔，提高播種質量。

1總體結構與工作原理

自擾動內充種式大豆精量排種器主要由排種盤、外殼、護種板、進種口、軸套和強制排種板等組成，具體如圖1所示。

由圖2可知，排種盤外緣處設置有均布的型孔，靠近型孔處有相應的擾種片。以其中一個型孔作為研究對象，隨著排種盤的轉動，型孔首先經過種子群底層，在種子自重、種子間的擠壓力和離心力的共同作用下，最底層種子脫離種子群開始進入型孔的囊種空間。當攜種型孔運動至清種區時，由于該排種器結構的原理，型孔外的種子受到自重掉落至種子群，從而使型孔內只保留1粒種子。當型孔運動至護種區時，種子在護種板的作用下只在相鄰的2個型孔之間運動，直到運動至投種口上方。當型孔運動至投種區時（排種口上部），種子在自身重力、離心力以及強制排種板的共同作用下脫離型孔開始投種。

2關鍵結構與參數設計

2.1排種盤

排種盤直接影響充種性能，其結構尺寸的合理設計和參數是提高播種質量的必要條件，結構如圖3所示。排種盤由圓盤、型孔和擾種片組成，型孔均勻分布在排種盤的外緣處，實現囊種與排種；型孔四周沿排種盤徑向方向設置有相同數量的擾種片，與每個型孔位置一一對應，起到攪動種群，避免種子結拱的同時，使靠近型孔的種子在擾種片和離心力的共同作用下進一步充種，以提高充種效果。

根據相關文獻可知，排種盤直徑一般為80～200 mm［14-15］。 在相同作業速度條件下， 當排種盤直徑過小時，排種器轉速相對較高，型孔經過種子群時間過短，不利于種子進入型孔；當排種盤直徑過大時，排種器的加工成本、質量以及排種器的安裝空間要求較大，使播種機的生產成本過高。參考目前市場上常用的大豆排種器的尺寸［8］，窩眼輪式排種器排種盤直徑范圍為100～140 mm，根據實際需求確定排種盤的直徑D為140 mm，寬度W為23 mm。

2.2型孔參數確定

型孔結構和參數是排種盤的關鍵參數，在設計過程中具有重要作用，直接影響充種和清種質量［6］。以皖豆35大豆種子為研究對象，在確定排種器型孔參數前隨機選取100粒種子作為尺寸參考樣本，對其長度（d_l）、寬度（d_w）、厚度（d_h）進行測量統計。根據測量統計結果計算得到，長度（d_l）均值為 7.62 mm，寬度（d_w）均值為7.18 mm，厚度（d_h）均值為5.87 mm。

由于大豆種子在形態上屬于橢球類，與球類種子在排種器內的充種姿態有一定的差異性。大豆種子在排種器內的充種姿態有切向、徑向和軸向3種［16-17］，在排種工作時，種子主要以切向姿態存在［14］，且穩定程度最高。以單粒種子為研究對象，種子在型孔內的3種主要姿態如圖4所示。根據相關研究［7］，型孔的長度（l）、寬度（w）和深度（h）應為 0.8d_ll，d_wh，d_wh。通過計算可得：型孔長度（l）、寬度（w）、深度（h）取值范圍分別為6.096～11.43、7.18～8.805、7.18～8.805 mm，故選取l=7～11 mm、w=8 mm、h=8 mm進行仿真試驗。

2.3擾種片分析

相關研究表明，排種器作業過程中，當種子群底層與排種存在相對運動時才能充入型孔［18-19］。

作業過程中，當排種器轉速較高時，型孔經過種子群的時間相對較短，即種子充入型孔的有效時間變短，使種子未能及時充種或充種效果較差，易造成型孔空穴形成漏播。當排種器轉速較低時，種子群受到的運動程度隨之降低，即種子群活躍程度較低，易導致充種效果差，造成空穴漏播。故根據相關研究，對現有的內充種式排種器的結構進行改進，在排種盤上設置均勻分布的擾種片。由圖5可知，當型孔運動至種子群底層時，種子開始進入型孔囊種空間，通過對現有的排種器和擾動排種器進行對比分析可知，擾種片對型孔周圍的種子群具有支撐和擾動作用。為便于分析，以單粒種子為研究對象，種子在排種器轉速較高時，有無擾種片對充種過程的影響如圖5-a和圖5-b所示。排種盤加裝擾種片后，在相同參數條件下，種子除了受到排種盤的離心力之外，同時還受到擾種片的支撐和攪動作用，提高了種子群的活躍度和充種效果。

根據大豆播種農藝要求，每次只播1粒種子，即1粒/穴。由上述分析可知，擾種片在充種過程中能夠提高排種盤型孔充種質量，但同時對清種過程造成一定影響。排種盤有無擾種片、擾種片的尺寸均對清種有著重要影響，具體如圖6所示。排種盤無擾種片時，在清種過程中，多余的種子依靠自重從型孔及周邊脫離，完成清種（圖6-a）；當排種盤設置有擾種片時，在清種初期擾種片對多余的種子提供支撐力，使清種時間相對加長（圖6-b）。其中，擾種片的尺寸（長度）對清種效果有著重要影響，在實際工作過程中，當擾種片過長時，充種過程中在擾種片的作用下，脫離種子群進入型孔囊種空間的種子相對增加；當擾種片過長，使種子脫離較慢，直接影響緊靠型孔或囊種空間的多余種子，易造成重播。

3排種器工作性能的離散元仿真分析

3.1仿真平臺的搭建

首先利用SolidWorks軟件對設計排種器進行三維建模，并將模型進行簡化后導入仿真軟件EDEM 2.6中（圖7）。根據皖豆35大豆種子的實際幾何尺寸建模后在EDEM中利用球形顆粒進行填充，并設置顆粒間及顆粒與排種器間的接觸模型為 Hertz-Mindlin無滑動模型［20］。

3.2仿真參數設置

在離散元仿真計算時，對排種器材料進行設置，參數選取見表1。

3.3仿真試驗

3.3.1試驗設計該排種器的最佳性能為每個型孔內保留1粒種子，即每次排種時只排1粒。根據相關研究，選取排種器的轉速、擾種片的長度和型孔長度為試驗因素，以排種合格率為試驗指標進行三因素三水平正交試驗。根據相關研究［9］，內充種式排種器的最佳轉速為30～35 r/min，故選取排種器轉速分別為25、35、45 r/min；根據大豆種子實際長度，選取擾種片長度為0、5、10 mm；排種器型孔長度選取為7、9、11 mm（表2），寬度和深度均選取為 8 mm。在仿真試驗過程中，每組試驗參數重復3次，計算其平均值作為試驗結果，可以得到在不同參數下排種器的排種合格率，計算公式如下：

Y=n/N×100%。

式中：Y為排種合格率；n為型孔單粒排種次數；N為理論排種次數。

3.3.2試驗結果按照表2的試驗因素編碼在Design-Expert軟件中進行試驗方案制定，并對每個試驗方案進行3次重復試驗，取其平均值作為試驗指標（Y）的結果，具體見表3。

3.3.3排種合格率的回歸結果分析利用Design-Expert軟件對表3中的試驗結果（排種合格率）進行方差分析。根據試驗結果可得到其在不同試驗因素下的回歸方程，即

Y=97.400-1.560A-0.095B+1.080C-0.445AB-0.680AC+0.295BC-1.900A²-0.716B²-1.280C²。

式中：A、B、C分別為排種器轉速、擾種片長度、型孔長度對應的編碼值。

由表4方差分析結果可知，模型的P值極顯著（P<0.000 1），失擬項不顯著（P=0.099 9），模型的調整決定系數R²=0.996 7，說明所得回歸數學模型與實際結果擬合精度高，即此仿真模型的結果可用于排種器性能的分析和預測。根據系數的絕對值大小可知各因素對排種合格率的影響大小次序為A、C、B。

3.3.4排種合格率與各參數響應曲面分析由表3中試驗數據可得不同因素之間對試驗指標的二維和三維等高曲面圖，如圖8至圖10所示。

由圖8可知，排種器轉速（A）和擾種片長度（B）的二維等高曲線呈橢球形，說明這2個因素間的交互作用顯著。由三維等高曲線圖可知，排種合格率隨排種器轉速（A）變化的曲面變化相對明顯，而隨擾種片長度（B）變化的曲面變化相對平緩。當型孔長度（C）處于0水平、擾種片長度（B）為定值時，排種合格率隨著排種器轉速（A）的增大呈現先升高后降低的趨勢，這是因為種子群進入型孔過程中，隨著排種器轉速（A）的增大，擾種片對種子群的擾動作用加大，種子群的活躍度增大，提高了種子進入型孔的概率，使排種合格率呈現升高趨勢，排種合格率存在一個最優值；隨著排種器轉速（A）的繼續增大，型孔經過種子群底部時速度較快，使種子不能及時充入型孔而造成空穴，形成漏播。當排種器轉速（A）為定值時，排種合格率隨著擾種片長度（B）的增大呈現先升高后降低的趨勢，但曲面變化相對平緩，同樣也存在最優值。

由圖9可知，排種器轉速（A）和型孔長度（C）的二維等高曲線呈橢球形，說明這2個因素間的交互作用顯著。由三維等高曲線圖可以看出，排種合格率隨型孔長度（C）和排種器轉速（A）變化的曲面變化均明顯。當擾種片長度（B）處于0水平、型孔長度（C）為定值時，排種合格率隨排種器轉速（A）的增大呈現先增大后降低的趨勢，出現這樣趨勢的主要原因與上述分析相似。當擾種片長度（B）處于0水平、排種器轉速（A）為定值時，隨著型孔長度（C）的逐漸增大，型孔囊種空間也隨之增大，排種合格率逐漸升高，存在最優值；當型孔長度（C）的繼續增大，種子進入型孔以及清種時逐漸排種合格率先呈現上升趨勢，當型孔長度（C）為7.3 mm時，排種合格率達到最優值；隨著型孔長度（C）繼續增大，型孔囊種空間大于單粒種子，在充種時型孔內超過1粒種子，且在清種時多余的種子不易被清出，出現重播現象，造成排種合格率降低。

由圖10可知，擾種片長度（B）和型孔長度（C）的二維等高線呈橢球形，說明擾種片長度（B）和型孔長度（C）這2個因素間的交互作用顯著。由三維等高曲線圖可以看出，排種合格率隨型孔長度（C）變化的曲面變化相對明顯，而隨擾種片長度（B）變化的曲面變化相對平緩。當排種器轉速（A）處于0水平、擾種片長度（B）為定值時，排種合格率隨著型孔長度（C）的增大呈現升高趨勢，型孔內容種空間相對較大，種子進入型孔后在清種過程中可更好地保護種子不脫離型孔，使漏播的概率降低，排種合格率提高；隨著型孔長度（C）繼續增大，排種合格率存在最大值，即最優值；當型孔長度（C）繼續增大，型孔尺寸過大，重播概率增大，排種合格率逐漸降低。

由響應面BBD模型優化得到自擾動內充種式大豆精量排種器的排種性能試驗最佳參數：排種器轉速為33.8 r/min，擾種片長度為7.7 mm，型孔長度為7.3 mm，此時排種合格率最大（95.3%）。

4驗證試驗

為了檢驗該排種器的排種性能，根據仿真試驗得到最佳結構參數，利用3D打印技術將排種器進

行加工制造，并于2022年5月13日在河南農業大學機電工程學院農機試驗室進行試驗，將排種器搭建在STB-700排種器性能試驗臺上（中國農業大學研制）。

根據仿真試驗結果，在試驗前將排種器轉速設定為33.8 r/min。待排種器和排種試驗臺油膜輸送帶工作穩定后，統計100粒大豆種子（皖豆35）的排種合格率，進行3次重復試驗并取平均值，得到排種合格率為94.8%。與仿真試驗結果進行對比可知，在相同條件下兩者之間的相對誤差僅為0.5百分點，即說明該參數條件下的排種效果較好（圖11）。

5結論

設計了一種自擾動內充種式大豆精量排種器，通過對排種器的結構、工作原理進行分析；根據皖豆35大豆種子幾何尺寸和相關研究，初步確定了排種器關鍵結構和參數：排種盤直徑為 140 mm，寬度為 23 mm，型孔長度為7～11 mm，寬度和深度均為 8 mm。

利用EDEM軟件對排種器的轉速、擾種片長度和型孔長度在不同參數下進行仿真，采用響應曲面分析法對試驗結果進行分析，得到最佳組合參數為排種器轉速33.8 r/min，擾種片長度7.7 mm，型孔長度7.3 mm，排種合格率為95.3%。臺架試驗結果表明，在最佳參數組合下排種合格率為94.8%，能夠滿足實際播種要求。

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