稻麦兼用排种器检测与吹种装置性能模拟与试验.pdf

中国农业科技导报，2023，25（10）：99-108Journal of Agricultural Science and Technology稻麦兼用排种器检测与吹种装置性能模拟与试验梁玉玥1，2，郑侃2，夏俊芳2*（1.恩施职业技术学院，湖北 恩施 445000；2.华中农业大学工学院，武汉 430070）摘要：针对稻麦兼用排种器充种环节无法实现精确囊种的问题，设计了一种基于精确计数的吹种装置。根据平抛运动轨迹和文丘里原理分别设计稻麦检测装置和吹种装置，通过理论分析确定影响稻麦充种性能的关键因素，基于CFD（computational fluid dynamics）气固耦合方法仿真分析喷嘴结构形式、工作转速、气流入口压力对种子运动状态特性的影响，仿真试验验证检测与吹种装置的可行性，并开展台架试验确定粒间延时时间。结果表明，Type 3方形喷嘴管在喷嘴口处的速度分布较广且X方向速度分布更均匀，确定喷嘴管截面长度为18 mm，宽度为7 mm，高度为3 mm。气流入口压力和工作转速对种子运动特性有显著影响，合力和合速度均随气流入口压力和工作转速的增加而增加，确定水稻和小麦排种时较优的气流入口压力为300 Pa、工作转速为20 r min-1，在此作业条件下，种子间隔的仿真时间远小于理论时间，验证了检测与吹种装置的可行性。台架试验结果表明，在粒间延时时间为12 ms、入口压力为300 Pa、工作转速为20 r min-1时，水稻和小麦排种的合格率分别为90.7%和93.2%，满足稻麦兼用播种要求。研究结果可为机械式稻麦精量排种器结构优化设计提供参考。关键词：水稻；小麦；兼用排种器；精量计数；检测与吹种装置；仿真试验doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0405 中图分类号：S223.2文献标志码：A文章编号：10080864（2023）10009910Performance Simulation and Experiment on Detection and Seed Blowing Device for Rice and Wheat Seeding DeviceLIANG Yuyue1，2，ZHENG Kan2，XIA Junfang2*（1.Enshi Polytechnic College，Hubei Enshi 445000，China；2.College of Engineering，Huazhong Agricultural University，Wuhan 430070，China）Abstract：Aiming at the problem that the filling of seed metering device for both rice and wheat could not achieve accurate seed capsule，a seed blowing device based on accurate counting was designed.According to the horizontal throwing trajectory and Venturi principle，the rice and wheat detection and seed blowing device were designed，respectively.The key factors affecting the seed filling performance of rice and wheat were identified according to the theoretical study.Based on CFD gas-solid coupling method，effects of structural parameters including nozzle structure，working speed and air inlet pressure on motion characteristics of seeds in the process of detection and seed blowing were analyzed.The feasibility of detection and seed blowing device was verified by simulation experiment，and the bench test was carried out to determine the delay time between grains.The results showed that the velocity distribution of type 3 nozzle tube structure at the nozzle mouth was wide，and the velocity distribution at X direction was more uniform.It was determined that the section length，width，height of nozzle tube were 18，7，3 mm，respectively.The air inlet pressure and working speed had a significant impact on the seed movement characteristics，and the resultant force and combining speed increased with the increase of air inlet pressure and working speed.Therefore，during rice and wheat seed metering，the better air inlet pressure was 300 Pa and the working speed was 20 rmin-1.Under this operating condition，the simulation time of seed interval was much smaller than the theoretical time.Finally，the feasibility of the detection and seed blowing device was verified.The results of the bench test showed that the qualified rate of rice and wheat were 90.7%and 93.2%，respectively，when the intergranular delay 收稿日期：20220516；接受日期：20220723基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFD0301300）。联系方式：梁玉玥 E-mail：；*通信作者 夏俊芳 E-mail：中 国 农 业 科 技 导 报25 卷time was 12 ms，the inlet pressure was 300 Pa and the seed plate rotary speed was 20 rmin-1.The results provided reference for structural optimization design of mechanical seeding device for the rice and wheat.Key words：rice；wheat；dual use seed metering device；precise counting；detection and seed blowing device；simulation test水稻和小麦是人类最重要的粮食作物，长江中下游稻麦种植多以中稻和冬小麦为主，中稻的播种期为 45月、冬小麦的播种期为 910月，2种作物播种期不冲突，现有稻麦机具多为单体机，具有功能单一、利用率不高等特点1。目前，针对该地区稻麦轮作制度特点研制的兼用设备极少，为符合现代农业提出的节约能源、精量播种、保护性耕作等要求，积极推动稻麦轮作区开展水稻和小麦精量播种2-6，制造兼用机具可实现节约增效7，精确计数是稻麦兼用排种器精播技术研究中亟待解决的问题之一。Rajaiah等8设计了可调节排种播种量的闭环控制系统用于精密排种装置，可在最高残茬覆盖水平下，提高间距均匀性的播种精度。梅志雄等9设计了稻麦两用螺旋式排种器，通过配合调节出种孔长度、倾斜角、转速的方式实现稻麦兼用模糊精量排种。杜俊等10根据稻麦不同物料特性对滚筒上的窝眼进行设计，通过更换滚筒方式实现稻麦模糊精量兼用。何丽楠等11设计了螺旋槽式排种器结构，通过旋转手轮推动播量调节装置改变排种轮工作长度，控制排种轮槽大小实现模糊精量排种，以此解决稻麦播种不均匀问题。唐楠锐等12采用辅助充种搅种型孔实现水稻精量穴播。曹成茂等13在勺轮式排种器基础上设计了带有针对水稻种子的异型孔的气力式排种器，通过改变气吹角度配合调节气压大小，获得较好的排种效果。赵晓顺等14利用真空负压原理研制带吸种环槽的小麦精量排种器，实现小麦精播。基于差速原理和离散元法，赵金等15通过轮盘转动进行充种，可在种沟内形成有序的种带，实现小麦单粒精播。已有研究主要结合种子尺寸设计型孔结构来实现模糊精量囊种，为实现精量播种提供了重要借鉴，但在精量播种检测手段与性能评估方面较为薄弱，采用精确计数的方式达到精量排种仍需深入研究。针对上述问题，本研究设计了基于精确计数的吹种装置，根据平抛运动轨迹和文丘里原理分别设计稻麦检测装置和吹种装置，分析影响稻麦充种性能的关键因素，基于 CFD（computational fluid dynamics）气固耦合的方法对种子在检测与吹种装置中的移动过程进行气固两相流模拟，分析影响种子运动状态的最优参数组合，并进行仿真试验验证检测与吹种装置可行性，通过更改参数实现不同工作转速排种需求，为稻麦精量计数系统设计奠定基础。1材料与方法1.1试验材料选用水稻 黄华占鄂麦11 各1 000粒作为研究对象，经测量稻麦种子在长、宽、厚方向平均几何尺寸分别为 9.57 mm2.31 mm1.99 mm 和6.85 mm3.50 mm2.98 mm，采用旱作直播方式进行排种。1.2排种器整体结构与工作原理稻麦兼用气吹式精量排种器结构如图 1 所示，主要由振动供种装置、电磁阀、排序管、光电传感器、吹种喷嘴阀、上排种盘、下排种盘等组成。供种时，种箱里的种子在电磁激振作用下进行扩散运动，沿着螺旋导轨向上排序输送进入排123A5:145678910A 11注：1供种装置；2种箱；3螺旋导轨；4电磁阀；5排序管；6光电传感器；7吹种喷嘴；8充种管；9回种槽；10上排种盘；11下排种盘。Note：1Seed supply device；2Hopper；3Spiral guide；4Solenoid valve；5Sorting tube；6Photoelectric sensor；7Blow nozzle valve；8Seed filling tube；9Tank return seed；10Up seed plate；11Lower seed plate.图1排种器结构Fig.1Structure of seed metering device10010 期梁玉玥等：稻麦兼用排种器检测与吹种装置性能模拟与试验序管，经过排序管时形成单列连续种子流。种子经过检测装置下落时被光电传感器检测，单片机驱动电磁阀打开吹种喷嘴阀，由风泵提供的连续正压气流通过吹种喷嘴阀形成的高速气流将种子吹进充种管并落入上排种盘的型孔中，上排种盘由步进电机驱动并带动种子一起做旋转运动，下排种盘与机架相对固定，当种子经过下排种盘型孔处时随自重进入排种管，经排种管落入已开好沟的沟槽里，完成1次排种作业过程。在检测和吹气过程中设置精量计数环节，将U型EE-SX672-WR光电传感器欧姆龙自动化（中国）有限公司连接至STC89C52单片机普天科技（深圳）有限公司外部中断I/O口，将此信号作为单片机外部中断源，当单片机打开外部中断请求且外部中断触发时，单片机驱动电磁阀打开吹种喷嘴阀。同时单片机对种子数量进行累加，当计数到达设定值(水稻3粒、小麦1粒)时，单片机关闭外部中断请求且将电磁阀复位。单片机再次打开外部中断请求的间隔时间t，取决于上排种盘的转速n，即t=f(n)。1.3关键部件设计1.3.1检测装置设计稻麦种子通过振动排序装置可形成种子流，其种供速率分别为 19.6、13.9粒s-116，为了方便光电传感器更灵敏地检测到种子，设计检测装置使连续种子流在下落时形成短暂分离。种子下落时沿水平方向做匀速直线运动，竖直方向只受重力作用，做自由落体运动，以抛出点为原点，水平抛出方向为 X轴正方向、竖直向下方向为Z轴正方向建立坐标系，以水稻19.6粒s-1为基准计算，可得2粒种子平均间隔时间为50 ms，假设种子以与水平方向呈45开始下落，落下时种子速度方向与水平地面呈60，由平抛运动速度变化规律可知，连续相等的时间间隔内，竖直方向上的位移差相等，由式（1）可得位移差为24.5 mm。由此可见，种子在50 ms时间间隔内下降24.5 mm，足以让种子之间形成短暂分离，于是设置检测装置结构（图2）。z=gt2（1）式中，t为时间间隔，s；z为竖直方向位移差，mm。1.3.2吹种装置设计吹种装置是稻麦兼用气吹式排种器核心部件，吹种装置为非移动部件，其作用是将高速气流吹送种子在管道中形成气固两相流。吹种装置由种子入口、分料出口、气流入口、气 固 两 相 流 混 合 管 道 和 气 固 两 相 流 出 口 组成（图3）。根据文丘里原理采取方形管形式的喷嘴17，长度、宽度和高度分别为L、b和h。为了方便加工与安装，分料出口管道与气固两相流出口管道之间形成 45夹角，分料出口与供料口入口直径相同。吹种装置的工作原理为：将光电传感器检测到的种子，借助风泵产生的气流通过气流入口进入喷嘴处，将种子吹进气固两相流出口。种子入口承接供种装置输出的单列种子流，为便于传感5:1D1D2Lbh12345注：1气固两相流混合管道；2种子入口；3气流入口；4分料出口；5气固两相流出口。Note：1Gas-solid two phase flow mixing pipeline；2Seeds entrance；3Air inlet；4Parting outlet；5Gas-solid two phase flow outlet.图3吹种装置Fig.3Blowing device x,v0A4560ABBz,vzv1图2检测装置结构Fig.2Structure of detection-device101中 国 农 业 科 技 导 报25 卷器检测，使种子沿纵向方向掉落，设计种子入口的直径为10 mm，气固两相流出口为倾斜管道，与分料出口管道之间呈 45夹角，从喷嘴到气固两相流出口的截面积逐渐增大，气固两相流出口直径和气流入口直径均为 10 mm。由连续性方程可知，在流量稳定的前提下，通过缩小喷嘴横截面积能提高气流速度，设计喷嘴管的宽度小于10 mm，同时使气流覆盖到种子表面，喷嘴面积以稻麦几何尺寸长宽或长厚为19 mm2作为基准，初步确定方形喷嘴管的长为18 mm，宽为57 mm，高为35 mm。1.4检测与吹种装置气固耦合仿真1.4.1充种性能主要因素设置利用文丘里原理设计喷嘴结构，使气流在喷嘴与入口处产生较大的压力差，由于喷嘴处面积变小，根据连续性方程可知，在喷嘴处的气流速度将会增加产生高速气流将种子吹进气固两相流出口。因此，当气固两相流进入排种管时，种子流与气流将完成混合和输送过程。种子在运输过程中，稻麦排1穴的时间与排种盘转速有关，排1穴水稻需要在排种盘转动1/16转的时间内完成，即将3粒水稻吹至气固两相流出口所需的时间与工作转速之间的关系为15/4n，排1穴小麦需要在排种盘转动1/36转的时间内完成，即将1粒小麦吹至气固两相流出口所需的时间与工作转速之间的关系为5/3n。由此可见，喷嘴气流速度将明显影响输送性能，主要影响参数有喷嘴结构，即长度（L）、宽度（b）、高度（h）；工作转速（np）和气流入口压力（P）。喷嘴结构参数。根据1.3.2方形喷嘴管尺寸分析，设置3种（Type 1、Type 2、Type 3）截面积不同的方形喷嘴管，其参数如表1所示。工作转速。根据水稻和小麦种植农艺要求，稻麦精量播种合理株距分别为200、60 mm，水稻和小麦排种盘径向型孔数分别为16和36，由公式（2）可计算得出水稻和小麦上排种盘转速分别为18.75、27.78 rmin-1，在两端分别留有一定的富余度，取转速范围为1228 rmin-1。ip=D(1+)SZnp=60vmSZ（2）式中，D为地轮直径，取0.6 m；为地轮滑移系数，取0.1；S为株距，m；Z为排种盘径向型孔数量；vm为拖拉机前进速度，m s-1；ip为传动比，取1。气流入口压力。稻麦种子经传感器检测之后，将种子吹进气固两相流出口，此时种子受到重力（G）和吹种正压作用力（FQ）的作用，如图 4所示。要使种子能够顺利进入气固两相流管道，以某粒种子为研究对象，进行受力分析，建立力学方程如下。FQsin45 Gcos45FQ=PAcG=mg（3）式中，FQ为吹种正压作用力，N；G为种子质点的重力，N；Ac为喷嘴管面积，m2；P为吹种正压力，Pa；m为某粒种子的质量，kg。由式（3）可得临界吹种正压79 Pa，于是取气流入口压力为100500 Pa。1.4.2检测与吹种装置气固两相流仿真试验为保证充种管内种子连续稳定，分析种子在吹种过程中运动状态特性，利用编程软件VS 2010编写用户自定义UDF函数，对Fluent 19.0进行二次开表1不同截面积喷嘴结构参数Table 1Structural parameters of nozzle tubes with different cross-sectional areas(mm)喷嘴 Nozzle tubeType 1Type 2Type 3长度 Length181818宽度 Width567高度 Height54345FQG图4吹种时受力分析Fig.4Force analysis during seed blowing10210 期梁玉玥等：稻麦兼用排种器检测与吹种装置性能模拟与试验发，确定合适的充种性能参数。模型选择与网格划分。运用Cro-E软件对检测与吹种装置进行三维建模，并采用六面体结构化网格进行网格划分，吹种装置网格结构如图5所示。再进行CFD计算分析，根据种子在气流场中的运动为湍流运动17，且k-湍流模型对分岔流动具有较高的准确性及较小的误差性18，因此模拟计算采用自带的k-湍流模型对检测与吹种装置进行流场分析。仿真试验方法与设计。选择截面不同的方形喷嘴、工作转速、气流入口压力作为试验因素。为探究喷嘴截面对喷嘴气流速度的影响，首先结合表1参数进行仿真分析，令气流分布面积较大且气流速度高的最优截面类型为W。为探究工作转速、气流入口压力对种子运动特性的影响，采用最优截面类型W，稻麦供种速率分别为19.6、13.9粒s-1，试验设计水平见表2，对作用于种子的作用力和速度进行仿真试验。为验证排种时该吹种装置是否满足时间要求，对其进行仿真试验分析种子运动状态，并以种子间隔时间为参考讨论装置是否合理。在仿真过程中，通过编写UDF编译文件对水稻数量进行检测控制时，以理论时间t=190 ms为标准，检测水稻3粒并吹走的时间不足时间t，剩下的时间传感器暂停不检测，等到总时间到达t之后重新计数再进行下1个周期；对小麦数量进行检测控制时更改UDF编译文件，仅更改UDF文件中的时间间隔及数量要求，控制要求以理论时间t=100 ms为标准，检测数量为1粒小麦种子，其他要求与排种水稻要求一致。1.5台架试验选用宽度为6.35 mm的光电传感器，光电传感器紧贴喷嘴口进行安装，若种子在传感器正中间位置被检测到且留一定富余量，即种子到达喷嘴口的位移为3 mm，则有下落时间为17 ms，保留一定的电气延时，于是设定延时时间为 10、11、12、13、14 ms，排种转速设置为20 rmin-1，水稻供种电压为 110 V、小麦种供电压为 130 V，吹种气流均为300 Pa，设置每穴之间无延时，分别试验测定30 s内吹种数量，每组试验5次取平均值，得出最佳延时时间。再设置此延时时间，以合格率为指标评价排种效果。利用数字调压控制器调节供种装置工作电压，排种轴旋转5圈，重复试验5次，统计合格率求平均值。2结果与分析2.1喷嘴管截面形状对喷嘴气流速度影响分析图6所示的是不同类型喷嘴管截面形状对喷嘴气流速度流场分布，在水平1下进行仿真试验，取 Y=0 mm 切片的气流速度分布。由图 6 可知，3种类型的喷嘴管在喷嘴口处均可获得较高的气流速度，随着截面积长度增加，高气流集中在喷嘴口处。当传感器检测到下落的种子后，喷嘴口处出来的气流分布面积较大且气流速度高，比较3种不同类型的截面积可以看出，Type 3喷嘴管结构在喷嘴口处的速度分布较广，可以获得较高的喷嘴气流速度，其性能更优。2.2吹种装置多因素对种子运动特性的影响分析2.2.1对种子受力的影响以气流入口压力和工表2仿真试验设计水平Table 2Simulation test design level水平Level123气流入口压力Air inlet pressure/Pa100300500工作转速Working speed/（rmin-1）1220281234注：1气流压力入口；2气流速度入口；3气固两相流压力出口；4分料压力出口。Note：1Air pressure inlet；2Air velocity inlet；3Gas-solid two phase flow pressure outlet；4Discharge pressure outlet.图5吹种装置网格Fig.5Grid of blowing-device103中 国 农 业 科 技 导 报25 卷作转速为试验因素，对种子的作用力进行仿真试验。由表3可知，作用于稻麦上的合力变化均与气流入口压力和工作转速正相关，其中Z方向的力（Fz）主要有重力和浮力，其整体水平处于平稳状态，主要因为X方向的力（Fx）变化幅度较大导致合力（Fp）的增加。在同一气流入口压力下，工作转速设定为1228 rmin-1时，作用于水稻种子的X方向的力和合力基本保持稳定；在同一工作转速下，气流入口压力设定为 100500 Pa时，作用于水稻种子X方向的力和合力随工作转速的增加而逐渐增加。在同一气流入口压力下，工作转速设定为1228 rmin-1时，作用于小麦种子的X方向的力和合力与工作转速正相关；在同一工作转速下，气流入口压力设定为 100500 Pa时，作用于小麦种子的X方向的力和合力随气流入口压力的增加而逐渐增加。从表4可知，气流入口压力和工作转速均对作用于稻麦种子上的合力有显著影响。2.2.2对种子速度的影响以气流入口压力和工作转速为试验因素，对种子的运动速度进行仿真试验。由表5可知，作用于稻麦上的速度与气流入口压力和工作转速正相关，Z方向的速度（vz）在稳定范围内变化，整体水平处于平稳状态，主要因为 X 方向的速度（vx）变化幅度较大导致合速度（vp）的增加，在同一气流入口压力下，工作转速设定为2028 rmin-1时，作用于稻麦种子的X方向图6不同类型喷嘴管截面形状速度流场Fig.6Velocity flow field diagram of different types of nozzle tube section shape表3不同气流入口压力和工作转速下种子的受力Table 3Seed stress under different airflow inlet pressure and working speed气流入口压力Air inlet pressure/Pa100300500100300500100300500工作转速Working speed/（rmin-1）121212202020282828水稻响应值Rice response value/NFz2.0310-42.0710-42.1310-42.0710-42.1610-42.1810-42.2110-42.3410-42.2810-4Fx2.1710-33.2110-34.2410-32.2310-33.4110-35.3710-32.2510-34.3610-36.5110-3FP2.1810-33.2210-34.2510-32.2410-33.4210-35.4710-32.2810-34.3610-36.5310-3小麦响应值Wheat response value/NFz8.7510-59.0610-59.4110-51.1310-41.2610-41.1910-41.2410-41.3110-41.2810-4Fx9.7610-41.6410-33.0110-37.0110-42.4410-33.8210-31.3210-33.9810-35.3810-3FP9.8010-41.6410-33.0110-37.1010-42.4510-33.8510-31.3510-34.0010-35.3910-310410 期梁玉玥等：稻麦兼用排种器检测与吹种装置性能模拟与试验的速度和合速度随工作转速的增加而逐渐增加。在同一工作转速下，气流入口压力设定为 100500 Pa时，作用于稻麦种子的X方向的速度和合速度随气流入口压力的增加而逐渐增加。从表6可知，气流入口压力和工作转速均对作用于稻麦种子上的合速度影响极显著。当气流入口压力增加至500 Pa，工作转速增加至28 rmin-1，种子所受的作用力和速度都处于较大值，使相对速度增加，不利于后续投种。为使后续投种性能较好，应选择合适的工作参数使种子受到较高的作用力和速度，又能满足相对速度较小。因此，考虑气流入口压力为300 Pa、工作转速为20 rmin-1较适宜。2.3间隔时间仿真试验验证分析种子在气流场的分布情况可以通过种子的运动状态直观表达，设置气流入口压力为300 Pa，水稻供种速率为19.6粒s-1、小麦供种速率为13.9粒s-1，工作转速为20 rmin-1。排种水稻种子时以种子流进入检测装置开始进行1个周期的仿真试验，其仿真结果如图7所示，时间间隔统计见表7。仿真试验结果表明，对稻麦进行排种时，该检测吹种装置满足稻麦兼用要求。当排种水稻时，连续3粒稻种之间的间隔时间为9.19 ms，小于2粒稻种理论间隔时间60 ms；当排种小麦时，连续2粒小麦种之间的间隔时间为8.45 ms，小于2粒小麦种最小理论间隔时间 50 ms，说明在稻麦种子经过表5不同气流入口压力和工作转速下的种子速度Table 5Mean velocity under different airflow inlet pressure and working speed气流入口压力Air inlet pressure/Pa100300500100300500100300500工作转速Working speed/（rmin-1）121212202020282828水稻响应值Rice response value/（ms-1）vx20.1423.5126.6823.4227.9229.3026.2928.7630.67vz1.041.191.251.431.481.521.671.741.75vp20.1723.5426.7123.4626.5729.3426.3428.8130.72小麦响应值Wheat response value/（ms-1）vx22.2225.7628.9824.1028.5830.9927.4030.7933.10vz1.131.241.281.451.541.631.821.791.88vp22.2525.7929.0124.1428.6231.0327.4630.8433.15表4各因素对种子受力方差分析Table 4Variance analysis on various factors on force作物 Crop水稻 Rice小麦 Wheat方差来源 Source of variance工作转速 Working speed/（rmin-1）入口压力 Air inlet pressure/Pa误差 Error总和 Sum工作转速 Working speed/（rmin-1）入口压力 Air inlet pressure/Pa误差 Error总和 Sum平方和 Sum of squared1.3710-52.8110-67.8010-71.7210-51.4210-54.6610-61.3410-62.0210-5自由度 Degree of freedom22482248F值 F value35.017.2221.206.97P值 P value0.002 9*0.047 1*0.007 4*0.049 8*注：*和*分别表示在P0.05和P0.01水平影响显著。Note：*and*mean significant impacts at P0.05 and P0.01 levels，respectively.105中 国 农 业 科 技 导 报25 卷检测装置时，传感器有足够时间进行检测计数，并将信号发送给单片机，驱动电磁阀打开喷嘴阀进行吹种。表明该装置可以适应不同工作转速的排种要求。2.4台架验证试验分析为检验稻麦兼用排种器检测与吹种装置的试验效果，构建排种器检测与吹种装置试验装置。试验结果如表8所示，对水稻进行计数吹种时，随着延时时间增加，吹种数量先增加后减小，当延时时间为12 ms时，吹种数量最大，说明物料从传感器检测口到吹气口所需时间匹配单片机内部处理计算时间与延时时间之和；当延时时间大于12 ms时，种子经过喷嘴口时高速电磁阀还没有打开，导致种子无法进行精确控制；当延时时间小于12 ms时，种子还没有经过喷嘴口已经开始吹气，由于吹气口为矩形，在一定时间间隔内仍有气压，但会出图7种子运动状态Fig.7Motion state of seed表7种子间隔时间Table 7Seed spacing time（ms）时间间隔 Time intervalt1t2t3t4t5水稻 Rice11.17.010.19.010.2小麦 Wheat8.08.07.29.89.7表6各因素对种子速度方差分析Table 6Variance analysis on various factors on velocity作物 Crop水稻 Rice小麦 Wheat方差来源 Source of variance工作转速 Working speed/（rmin-1）入口压力 Air inlet pressure/Pa误差 Error总和 Sum工作转速 Working speed/（rmin-1）入口压力 Air inlet pressure/Pa误差 Error总和 Sum平方和 Sum of squared47.1140.121.2488.4663.0034.610.6998.30自由度 Degree of freedom22482248F值 F value76.2164.91182.47100.22P值 P value0.000 7*0.000 9*0.000 1*0.000 3*注：*和*分别表示在P0.05和P0.01水平影响显著。Note：*and*mean significant impacts at P0.05 and P0.01 levels，respectively.10610 期梁玉玥等：稻麦兼用排种器检测与吹种装置性能模拟与试验现因为气压不足引起漏吹现象，随着延时时间逐渐减少，漏吹现象明显增加。对小麦进行计数吹种时，当延时时间为12 ms时，吹种效果最佳。于是方便稻麦兼用机械结构选用一致，粒间延时时间设定为12 ms。设置此延时时间，以合格率为排种效果评价指标，得到当排种轴转速 20 rmin-1时，水稻和小麦排种的合格率分别为 90.7%和93.2%，满足稻麦兼用播种要求。3讨论目前，对稻麦兼用排种器的研究尚未深入开展采用精确计数方法实现精量排种。对于单体排种器的研究，精量排种的方法有较多研究，主要结合种子尺寸和穴播粒数设计型孔结构，通过机械或气力方式实现模糊精量囊种，在1个环节中实现模糊计数与囊种2个功能，通过试验调试在一定程度上提高模糊精量排种性能19。此外，光纤计数技术可用于油菜种子流的检测，以评估传感器精度对油菜种子播种量检测的影响，然而该技术在根据穴播粒数实现精确检测计数方面存在限制20。为实现稻麦兼用排种器精确检测计数的目的，本研究将计数、投种功能实现模块化设计，分别构建检测与吹种装置。通过平抛运动理论设计检测装置，根据种子流下落时产生一定的间距使用检测元件灵敏检测单粒种子；采用气固耦合方法分析各影响因素对种子运动状态特性的影响，获得最优工作参数组合：喷嘴管截面长度为18 mm、宽度为 7 mm、高度为 3 mm、气流入口压力为 300 Pa、工作转速为20 rmin-1。通过理论分析与仿真模拟相结合的方法确定稻麦理论间隔时间均大于仿真下落时间，验证了检测装置与吹种装置的可行性。为了兼顾稻麦农艺要求，确保检测到的种子顺利进入充种管进行囊种，本研究确定种子粒间延时时间为12 ms，得到水稻和小麦的合格率分别为 90.7%和 93.2%，说明检测与吹种装置精量排种合格率明显提升。本研究设计的稻麦精量排种器进一步提升了排种合格率，可为今后机械式稻麦精量排种器结构优化设计提供参考。在试验过程中，种子的检测环节被单独构建实现了精确计数效果。然而，通常情况下检测元件灵敏度受外界环境光照、振动等影响，对合格率造成一定影响。因此，在后续研究中进一步增强检测装置稳定性，使其具有较高抗干扰能力，同时可结合高速摄影以图片形式进行精准计数加强探索检测精度，为精量技术提供参考。参考文献1 丛锦玲,廖庆喜,曹秀英,等.油菜小麦兼用排种盘的排种器充种性能J.农业工程学报,2014,30(8):30-39.CONG J L,LIAO Q X,CAO X Y,et al.Seed filling performance of dual-purpose seed plate in metering device for both rapeseed&wheat seed J.Trans.Chin.Soc.Agric.Eng.,2014,30(8):30-39.2 邢赫,臧英,王在满,等.水稻气力式分层充种室设计与试验J.农业工程学报,2016,32(8):9-17.XING H,ZANG Y,WANG Z M,et al.Design and experiment of stratified seed-filling room on rice pneumatic device J.Trans.Chin.Soc.Agric.Eng.,2016,32(8):9-17.3 黄明涛.水稻机械化插秧技术分析与种植机械发展趋势探究J.黑龙江科技信息,2016(3):261.4 DICAJI H Z,TAHERI M R Y,MINAEI S.Air-jet seed knockout device for pneumatic precision planters J.Agric.Mech.Africa Latin Am.,2010,41(1):45-50.5 TOPAKCI M,KARAYEL D,CANAKCI M,et al.Sesame hill dropping performance of a vacuum se