稻麦油兼用高速气送式集排器型孔轮设计与试验.pdf

农业装备工程与机械化稻麦油兼用高速气送式集排器型孔轮设计与试验李晓冉，廖庆喜，王磊，李蒙良，杜文斌（1.华中农业大学工学院，武汉430070；2.农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉430070）摘要：针对水稻、小麦、油菜种子播量要求和外形尺寸差异大且稻麦种子流动性不足，导致气送式集排器兼用性不足、高速供种稳定性不佳的问题，该研究设计了一种稻麦油兼用型孔轮。阐述了高速供种工作原理，开展了供种环节充种、携种、投种阶段力学分析，基于最速降线原理设计了型孔壁面曲线，运用 EDEM 仿真对比分析了不同转速条件下种群运动状态。通过台架试验明确供种速率和供种稳定性较优的转速范围，并构建了稻麦油供种速率回归模型。台架试验结果表明：对于水稻和小麦种子，型孔轮个数 16、供种转速 3050r/min 和 5070r/min 时，供种速率稳定性变异系数小于 1%，水稻、小麦的供种速率分别为 1050.621535.87g/min 和 4171.825073.76g/min；对于油菜种子，型孔轮个数为 1，供种转速为 2030r/min 时，供种速率稳定性变异系数小于 0.5%，供种速率为 160.42227.45g/min；稻麦油供种速率回归模型预测值与试验值相对误差小于 2%。水稻旱直播、小麦、油菜田间播种试验表明，作业速度在 810km/h 时，集排器总排量稳定性变异系数分别为 1.32%、1.16%和 1.07%，满足稻麦油兼用播种作业标准要求。研究结果可为高速兼用气送式集排器结构改进提供参考。关键词：农业机械；试验；稻麦油兼用；高速气送式集排器；供种装置；型孔轮；最速降线doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202303044中图分类号：S223.2+3文献标志码：A文章编号：1002-6819(2023)-14-0035-14李晓冉，廖庆喜，王磊，等.稻麦油兼用高速气送式集排器型孔轮设计与试验J.农业工程学报，2023，39(14)：35-48.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303044http:/www.tcsae.orgLI Xiaoran,LIAO Qingxi,WANG Lei,et al.Design and experiments of the type-hole wheel with high-speed air-assistedcentralizedmeteringdeviceforrice,wheatandrapeseedJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2023,39(14):35-48.(in Chinese with English abstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202303044http:/www.tcsae.org0引言水稻、小麦和油菜是重要的粮油作物，稻-油(麦)轮作是长江中下游地区主要的种植模式1-2，水稻旱直播、小麦、油菜播种工序基本一致且冬小麦、冬油菜播期邻近3-5，研发稻麦油兼用高速精量直播机有利于提高机具利用率和作业效率，抢占农时，实现节本增效。气送式集排器具有作业高效、通用性强等优点6-9，目前气送式集排器多采用机械定量供种后气流输送分配成行的方式10-11，其中供种装置是实现稻麦油兼用、高速供种的关键部件2。高速播种时，单位时间内供种量增加，型孔轮转速增加，充种及投种时间缩短，且由于水稻、小麦种子形状不规则、表面粗糙，种子流动性差，充种阶段易充种不足，携种阶段种子受离心力作用易出现“飞种”现象，投种不及时易“卡种”损伤种子，造成高速供种稳定性不佳，影响后续输送、分配等串联环节进而影响高速排种精度。为提升稻麦等流动性不足种子的充种性能，周海波等12研制了双级振动外槽轮式定量供种装置，刘彩玲等13基于型孔轮式排种器设计了一种振动定向供种机构，解决了稻麦充种不均匀的问题，但供种量较大时精度有待提高。为实现气送式集排器供种装置兼用，德国阿玛松、奥地利奥地博田等企业生产的气送式集排器多采用机械槽轮式供种装置，针对不同作物设计系列槽轮，通过更换槽轮满足不同作物兼用需求14；雷小龙等2研制了油麦兼用倾斜锥孔轮式供种装置，通过调节型孔轮转速调节供种量，但供种量限制下作业速度有待进一步提高。为实现高速作业，戴亿政等15研制了无级可调槽轮式变速传动水稻供种装置，李兆东等16研制了具有倾斜抛物线型孔轮式小麦精量供种装置，王磊等17研制了基于外切圆弧型孔轮结构的油菜精量供种装置，均通过设计型孔曲线结构改善水稻、小麦和油菜等单一作物高速作业适应性。为便捷调节播量，常金丽等18设计的小麦旋进轴移式槽轮供种装置及王在满等19设计的水稻瓢形形状可变容积型孔，可分别实现水稻、小麦等单一作物供种量的无极调节。综上，目前学者针对水稻、小麦、油菜等单个作物的供种装置开展了深入研究，但由于水稻、小麦、油菜种子外形尺寸和播量要求差异较大，实现兼用的难度较大，鲜见满足稻麦油兼用高速稳定供种装置的相关研究。本文在现有研究基础上，针对气送式集排器高速作业时兼用性不足、供种稳定性不佳的问题，设计一种稻麦油兼用型孔轮，阐述高速供种原理，开展充种、携种、投种阶段力学分析，基于最速降线原理设计孔壁面曲线，通过快速调节型孔轮个数及转速实现调节播量和稻麦油收稿日期：2023-03-08修订日期：2023-06-08基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFD2000405）作者简介：李晓冉，博士生，研究方向为稻麦油兼用播种技术与装备。Email：通信作者：廖庆喜，教授，博士生导师，研究方向为油菜机械化生产技术与装备。Email：第39卷第14期农 业 工 程 学 报 Vol.39No.142023年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringJuly202335兼用，通过型孔轮螺旋排布增加充种区种群流动性提升高速供种稳定性。1总体结构与工作过程1.1总体结构稻麦油兼用气送式精量联合直播机（图 1）主要由旋耕装置、排肥装置、肥箱、排种电机、稻麦油兼用气送式集排器等组成，其中稻麦油兼用气送式集排器（图 2）主要由涵道风机、供种装置、分配装置、导种管等组成。4 5 61 2 37 8 9101114 13 121.排肥装置2.肥箱3.导种管4.波纹管5.分配装置 6.种箱7.排种电机8.供种装置 9.控制箱10.涵道风机11.文丘里管12.开沟器 13.开畦沟装置14.旋耕装置1.Fertilizerdevice2.Fertilizerbox3.Seedguidingpipe4.Corrugatedpipe5.Distribution device 6.Seed box 7.Seeding motor 8.Seed supply device9.Controlbox10.Culvertfan11.Venturitube12.Ditcher13.Borderopeningdevice14.Rotarytillagedevice图 1稻麦油兼用气送式精量联合直播机结构示意图Fig.1Schematicdiagramofair-assistedprecisioncombinedplanterforrice,wheatandrapeseed1 23456789101112 13 14 15161.涵道风机2.输气管3.文丘里管4.稻麦油兼用供种装置5.波纹管6.分配装置7.导种管8.种箱9.种层调节板10.搅种装置11.起充位置调节板12.供种机构13.空白轮14.传动轴15.型孔轮16.隔板1.Culvertfan2.Gaspipe3.Venturitube4.Rice,wheatandrapeseedseedsupplydevice5.Corrugatedpipe6.Distributiondevice7.Seedguidingpipe8.Seedbox9.Seedlayeradjustingplate10.Seedmixingdevice11.Seedfillingpositionadjustingplate12.Seedsupplymechanism13.Blankwheel14.Transmissionshaft15.Type-holewheel16.Divisionplate图 2稻麦油兼用气送式集排器结构示意图Fig.2Schematicdiagramofair-assistedcentralizedmeteringdeviceforrice,wheatandrapeseed稻麦油兼用供种装置为气送式集排器供种环节的主要工作部件，主要由种箱、供种机构、种层调节板、搅种装置等组成；供种机构主要由多个稻麦油兼用型孔轮、空白轮和隔板等组成，其中型孔轮是实现稻麦油兼用、高速稳定供种的关键部件；稻麦油兼用型孔轮集成多个最速降线型孔，型孔主要由型孔壁面和型孔底面组成。1.2工作过程稻麦油兼用高速气送式集排器工作过程主要包括供种、混种、分配和导种 4 个环节，其中供种环节包括充种、携种和投种 3 个阶段。集排器工作时，种子在供种装置作用下连续均匀落入下方文丘里管与涵道风机产生的输送气流混合成气固两相流，该两相流在波纹管中经气流加速和进一步均匀混合后在分配装置作用下均匀分配为多行种子流，经导种管落入种沟，完成排种。供种装置工作时，由步进电机驱动供种机构旋转，充种区种子随型孔轮转动囊入型孔，种子沿型孔侧壁曲面滑落至型孔底部并稳定运移至投种区，投种区内种子沿型孔侧壁曲面滑落，完成供种。2关键部件设计与分析2.1高速供种原理高速供种是气送式集排器实现高速作业的前提，其性能直接影响后续种子输送、分配等环节进而影响排种精度，供种环节各阶段区域分布如图 3 所示。123451.供种装置外壳2.种层调节板3.搅种装置4.供种机构5.起充位置调节板：充种区，角度范围为 30，40：携种区，角度范围为 40，150:投种区，角度范围为 150，2101.Seedsupplydeviceshell2.Seedlayeradjustingplate3.Seedmixingdevice4.Seedsupplymechanism5.Seedfillingpositionadjustingplate:Seedfillingarea,andtheanglerangeis30,40II:Seedcarryingarea,andtheanglerangeis40,150:Seedingfallingarea,andtheanglerangeis150,210图 3供种环节各阶段区域分布示意图Fig.3Regionaldistributiondiagramineachstageofseedsupplyprocess高速供种时，充种时间缩短易造成型孔充种不足，稻麦种子流动性不足造成充种稳定性不佳，携种阶段型孔内种子受离心力作用易出现“飞种”现象，投种时间缩短，投种不及时易产生“卡种”，损伤种子。最速降线是指在不考虑摩擦力时，质点从起点 O 运动至不在其垂直下方的终点 D 的下滑时间最短的曲线20-21（图 4），已有研究表明22-23基于最速降线原理设计的曲面结构有利于提高颗粒流动性及颗粒运动的均匀稳定性，因此基于最速降线原理开展稻麦油兼用型孔轮结构设计有利于增加稻麦等不规则种子流动性，提高充种稳定性及投种均匀性。最速降线几何含义如图 4 所示，半径 C1的圆沿直线 OD 滚动，圆上一点的轨迹即为 O、D 两点间的最速降线，解析方程式为36农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年x=C1(1sin1)y=C1(1cos1)（1）O1xyD注：O 为质点的运动起点，D 为质点的运动终点，1为质点的滚动转角，rad。Note:Oisthestartingpointofparticlemotion,Distheendpointofparticlemotion,1istherotationangleofparticle,rad.图 4最速降线几何含义Fig.4Geometricmeaningofbrachistochrone2.2供种装置工作过程力学分析为明确基于最速降线原理设计的型孔壁面曲线实现高速供种的可行性，开展供种环节充种、携种、投种阶段力学分析。2.2.1充种阶段充种性能是影响供种稳定性的主要因素24，高速供种时多粒种子同时进入型孔，以种群整体为对象进行充种阶段力学分析（图 5）。xFNFfFlFcFvGy注：G 为种群重力，N；FN为型孔侧壁对种群支持力，N；Ff为型孔与种子群间的摩擦力，N；Fc为种群所受离心力，N；Fv为种群所受垂直压力，N；Fl为种群所受侧向压力，N；为型孔轮角速度，rads1；为种群填充角，（）；为型孔充种侧壁切线与 y 轴负方向夹角，（）。Note:Gisthegravityoftheseedgroup,N;FNisthesupportforceofthetype-holesidewallontheseedgroup,N;Ffisthefrictionforcebetweenthetype-holeandtheseedgroup,N;Fcisthecentrifugalforceontheseedgroup,N;Fvistheverticalpressureontheseedgroup,N;Flisthelateralpressureontheseedgroup,N;istheangularvelocityofthetype-holewheel,rads1;istheseedgroupfillingangle,();istheanglebetweenthetangentlineofthetype-holefillingsidewallandthenegativedirectionofthey-axis,().图 5充种阶段种群受力分析Fig.5Forceanalysisoftheseedgroupinseedfillingprocess以种群质心为原点建立直角坐标系 Oxy，依据种群在充种区的受力和达朗贝尔原理，建立型孔内种子的受力平衡方程：Fc+FNsinFlcosFfcos(G+Fv)sin=0FNcos+Flsin+Ffsin(G+Fv)cos=0Ff=FNFc=m2rG=mg（2）式中 m 为种群质量，kg；r 为型孔轮半径，mm；为型孔与种子间的动摩擦系数；g 为重力加速度，m/s2。由式（2）得:=arctanD1sinD2cos+(G+Fv)FCD2sinD1cos+FcFlD1=FN(G+Fv)FlFfD2=FlFN+Ff(G+Fv)（3）由式（2）式（3）可知，当 Fl和 一定时，与 正相关，越小，越小，型孔与充种区种群接触时间增加，有效充种时间延长。2.2.2携种阶段充入型孔的种群随型孔轮由充种区逐渐过渡至投种区，携种过程中，种群沿型孔侧壁曲面滚落至型孔底部，为保证型孔内种群稳定运移至投种区，对携种阶段种群进行受力分析，如图 6 所示。yFcFN1GFf1x注：Ff1为携种过程中型孔与种群间的摩擦力，N；FN1为携种过程中型孔对种群的支持力，N；为重力与 y 轴正方向夹角，（）。Note:Ff1isthefrictionforcebetweenthetype-holeandtheseedgroupduringtheseedcarryingprocess,N;FN1isthesupportforceofthetype-holetotheseedgroupduringtheseedcarryingprocess,N;istheanglebetweenthegravityandthepositivedirectionofthey-axis,().图 6携种阶段种群受力分析Fig.6Forceanalysisoftheseedgroupinseedcarringprocess携种阶段种群受力平衡方程为Ff1Gsin=0Fc+FN1Gcos=0Ff1=FN1（4）式中 n 为型孔轮转速，r/min。随供种机构转速不断增加，种子所受离心力逐渐增大，当超过某一临界转速时，型孔内种群会出现“飞种”现象。在稳定运移的临界状态时种子仅受重力和离心力作用，由式（4）得型孔轮稳定携种的极限转速 n1max应满足：n1max30gcosr（5）式中 n1max为型孔轮稳定携种的极限转速，r/min。2.2.3投种阶段型孔内种群随供种机构到达投种区时，种子沿型孔侧壁滑落脱离型孔，完成投种，投种阶段种子受力分析如图 7 所示。第14期李晓冉等：稻麦油兼用高速气送式集排器型孔轮设计与试验37xFN2Ff2FcyG注：Ff2为临界状态时型孔对种群的摩擦力，N；FN2为临界状态时型孔侧壁对种群的支持力，N；为型孔投种侧壁切线与 y 轴负方向夹角，（）；为投种状态时重力与 x 轴负方向夹角，（）。Note:Ff2isthefrictionforceofthetype-holewheelontheseedgroupatthecriticalstate,N;FN2isthesupportforceofthetype-holesidewallsurfaceontheseedgroupatthecriticalstate,N;istheanglebetweenthetangentoftheseedfalling side wall and the negative direction of the y-axis,();is the anglebetweenthegravityandthenegativedirectionofthex-axisatseedfallingstate,().图 7投种阶段力学分析Fig.7Forceanalysisoftheseedgroupinseedfallingprocess种子脱离型孔前受力平衡，种群处于投种临界状态时的受力平衡方程如下：FN2cos+Ff2sinGcos=0FcGsin+FN2sinFf2cos=0Ff2=FN2（6）由式（6）可得=grsin()+cos()cos+sin（7）由式（7）可知，一定时，随 增加而增加，越大，越大，投种时间延长。最速降线型孔壁面切线角由型孔底部至孔口处逐渐变小，投种时，滑落距离最长的型孔底部种子首先出现落种趋势，可避免高速作业状态下种子投种不及时而产生的“卡种”现象。2.3型孔轮结构设计与参数分析2.3.1最速降线型孔型孔结构是影响集排器高速兼用稳定供种的重要因素，主要包括型孔尺寸和形状。由于相较于油菜种子稻麦种子的外形尺寸和播量要求较大且形状不规则、流动性较差，为实现稻麦油兼用，型孔结构参数的确定以稻麦种子为依据，同时兼顾油菜供种量。选取长江中下游地区具有代表性的杂交稻、小麦和油菜品种，测定其基础参数，结果见表 1。测定发现，杂交稻、小麦种子均呈纺锤形，球形度低且表面粗糙，种子流动性差；油菜种子球形度较高，种子流动性较好。表1杂交稻、小麦、油菜种子物理特性及充种姿态概率Table1Physicalcharacteristicandfillingattitudeprobabilityofhybridrice，wheatandrapeseedseeds项目 Items荃优 737Quanyou737郑麦 9023Zhengmai9023华油杂 62Huayouza62最大长度 Maximumlength/mm10.98.52.26最大宽度 Maximumwidth/mm2.93.62.07最大厚度 Maximumthickness/mm2.23.32.01球形度 Degreeofsphericity/%36.2454.6395.50千粒质量 Thousandseedweight/g24.0544.873.83滑动摩擦角（与 ABS）Slidingfrictionangle(withABS)/()28.8128.2222.73平躺姿态概率 Flatprobability/%51.0244.74侧卧姿态概率 Lateralprobability/%38.9538.70竖立姿态概率 Erectprobability/%10.0316.56平躺+侧卧姿态概率Flatandlateralprobability/%89.9783.44稻麦种子充种姿态可分为“平躺”、“侧卧”和“直立”3 种形态25-26，其概率与相应姿态的横截面积成正比27，由表 1 可知，杂交稻、小麦种子充种姿态均以“平躺+侧卧”为主，概率达 80%以上，因此型孔参数设计应满足种子“平躺+侧卧”姿态要求。依据杂交稻、小麦种子直播技术要求，单个型孔充种 38 粒28，型孔参数以最大值 8 粒为设计依据，为保证单个型孔容纳稻麦种子数量均能达到最高 8 粒，型孔参数以稻麦种子三轴尺寸中较大值为依据进行计算。如图 8 所示，当 8 粒种子均为“平躺”姿态时，型孔口宽度 A、孔底宽度 B 应满足 8 粒种子“平躺+侧卧”充种姿态的组合尺寸；同理当 8 粒种子均为“侧卧”姿态时，型孔高度 H 应满足“平躺+侧卧”充种姿态组合尺寸。结合相关文献29，型孔口宽度 A、孔底宽度 B、型孔高度 H 和型孔长度 L 具有如下关系：A=3kwWmaxB=2kwWmaxH=3khWmaxL=klLmax（8）式中 kw为宽度调节系数，kw=1.329；Wmax为小麦种子最大宽度，mm；kh为高度调节系数，kh=0.929；kl为长度调节系数，kl=1.529；Lmax为水稻种子最大长度，mm。BLAHa.正视图a.Front view b.侧视图b.Side view注：A 为型孔口宽度，mm；B 为型孔底宽度，mm；H 为型孔高度，mm；L 为型孔长度，mm。Note:A is the width of the type-hole,mm;B is the width of the type-holebottom,mm;Histheheightofthetype-hole,mm;Listhelengthofthetype-hole,mm.图 8种子平躺姿态充种示意图Fig.8Schematicdiagramofseedfillinginalyingposture为使型孔满足稻麦油兼用，根据表 1，Wmax、Lmax分别为3.6、10.9mm，由式（8）求得A 为14mm，B 为9mm，H 为 10mm，L 为 16mm。型孔壁面是影响充种及投种效果的重要结构，基于最速降线原理设计型孔壁面曲线，有利于延长充种和投种时间，增加稻麦等不规则种子流动性，提高充种稳定性及投种均匀性，实现高速稳定供种。由于实际作业时种子受摩擦力，因此在考虑摩擦力的前提下20对型孔壁面最速降线进行设计。以 x 轴向右、y 轴向下为正方向建立直角坐标系 Oxy，型孔曲线如图 9 所示，型孔曲线呈中心对称，对左壁面曲线 OD 进行设计，依据型孔结构参数，O、D 两点坐标为 O（0，0），D(2.5，10)。38农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年ODyABHx注：D 为型孔侧壁曲线终点。Note:Distheendpointoftheholesidewallcurve.图 9型孔曲线Fig.9Type-holecurve种子沿型孔侧壁由孔口滚落至孔底的过程中任意点处的速度 v 可表示为v=dSdt=1+y2dxdt（9）式中 v 为种子滚落过程中任意点处速度，m/s；S 为充种段曲线弧长，m；t 为时间，s；y为型孔侧壁曲线方程一阶导数。由式（9）求得：dt=1+y2dxv=1+y22g(yx)dx（10）式中 为型孔与种子间的动摩擦系数；(x,y)为种子在Oxy 坐标系的位置坐标，mm。对式（10）积分可得充种时种子由孔口沿型孔侧壁曲线运动至孔底的时间 Tl为Tl=wxD01+y22g(yx)dx（11）式中 xD为 D 点横坐标，mm。=arctan式（11）的极值曲线即为考虑摩擦力的最速降线，将 Oxy 坐标系顺时针旋转角度 得到在摩擦力作用下的OXY 坐标系（如图 10）并进行求解30，其中。OxyYXDPOxyYXDCEC3a.旋转坐标系的最速降线a.The brachistochrone of the rotatingb.组合最速降线b.Combination brachistochrone注：Oxy 为原坐标系；OXY 为旋转角度 后坐标系；P 为旋转后最速降线与 y 轴交点；C 为最速降线与 y 轴的交点；E 为最速降线与 X 轴的交点；C3为最速降线沿 X 轴方向平移量，mm。Note:Oxyistheoriginalcoordinatesystem;OXYisthecoordinatesystemaftertherotationangle;Pistheintersectionpointbetweenthebrachistochroneafterrotationandthey-axis;Cistheintersectionpointofthebrachistochroneandy-axis;EistheintersectionpointofthebrachistochroneandtheX-axis;C3isthetranslationamountofthebrachistochronealongtheX-axisdirection,mm.图 10考虑摩擦力的最速降线Fig.10Thebrachistochroneconsideringfrictionalforce由图 10a 旋转后的坐标系可以看出，曲线 OP 段进入 x0 区域，种子在 P 点速度小于其自由落体速度，因此该曲线不是从 O 点到 D 点的最优路径。由图 10b 可知，当种子在 OC 段自由落体后沿 CD 段滑落至 D 点时，种子运动时间 Tl为Tl=2ycg+wxD01+(y)22g(yux)dx（12）式中 yC为 C 点纵坐标，mm。当 C 的位置发生变化时有：T=12gyc(1y1+y2)yc（13）T为实现高速供种，尽量缩短充种时间，Tl取极小值，C 点满足极小值的条件为=0，y=，OC-CD 组合曲线即为考虑摩擦力的组合最速降线29。在 OXY 坐标系，CD 段最速降线的解析方程式为X=C2(1sin1)+C3Y=C2(1cos1)（14）式中(X,Y)为种子位置坐标，mm；C2为坐标系变换后图的半径，mm。其中 C 点坐标满足以下条件：dXdY?C=1cosCsinC=XC=C2(CsinC)+C3YC=C2(1cosC)XC=YC（15）式中（XC,YC）为 C 点坐标，mm；C为 C 点的转角，rad。由式（15）求得：=tanC2C=2arctan=2（16）考虑到水稻、小麦、油菜与型孔轮的摩擦系数不统一，为进一步研究摩擦系数与型孔曲线的关系，分别求解水稻、小麦和油菜的型孔侧壁组合最速降线方程并绘制对应曲线，如图 11。Ox/mmy/mmD2.52.01.51.00.512345678910CBA3.0水稻Rice小麦Wheat油菜Rapeseed3.54.0注：A为油菜型孔侧壁曲线直线段和最速降线段的交点；B为小麦型孔曲线直线段和最速降线段的交点；C为水稻 2 型孔曲线直线段和最速降线段的交点。Note:Aistheintersectionpointofthestraightlinesegmentandthesegmentoftherapeseedholesidewallcurve;Bistheintersectionpointofthestraightlinesegment and the brachistochrone segment of the wheat hole curve;C is theintersectionpointofthestraightlinesegmentandthesegmentofthericeholecurve.图 11稻麦油组合最速降线型孔壁曲线Fig.11Combinationbrachistochroneoftype-holewallcurveforrice,wheatandrapeseed第14期李晓冉等：稻麦油兼用高速气送式集排器型孔轮设计与试验39由图 11 可知，由于水稻、小麦的摩擦系数接近，其型孔壁曲线较为接近，且相较于油菜，稻麦的摩擦系数较大，其曲线更为陡峭，更有利于种子滑落。由于油菜种子球形度较好，水稻、小麦种子的表面粗糙且形状不规则、流动性不足，为实现稻麦油兼用，本文以水稻种子与型孔摩擦系数=0.55 为基准进行曲线方程求解。根据已确定的型孔结构参数可知 D 点坐标为 D（2.5，10），由式（17）将 D 点坐标由 Oxy 坐标系变换到 OXY 坐标系，求得 D坐标为（7，7.6）。XDYD=cos()sin()sin()cos()xDyD（17）已知=0.55，由式（16）求得 C为 1.01rad，将 C代入式（15）求得 C3=0.083C2，将 D坐标代入式（14），求得 D为 2.19rad。将 D坐标和 D代入式（14），求得 C2、C3分别为 4.8、0.4，C点坐标为（1.23，2.23），型孔壁面 OD 段曲线方程为OC:Y=1.82XCD:X=4.8(1sin1)+0.4Y=4.8(1cos1)（18）经计算 1的范围为 1.01，2.19rad。2.3.2型孔轮结构参数稻麦油兼用型孔轮集成多个最速降线型孔，需要确定型孔轮直径及单个型孔轮上的型孔个数。型孔轮上任意型孔旋转经过充种区种群的时间为有效充种时间 Tc：Tc=I=60I2n=30In（19）I式中为供种装置的充种区弧度，rad。由式（12）求得种子脱离种群由型孔入口滑落至型孔底部用时 Tl为 0.15s，为保证型孔轮高速旋转时有充足的充种时间，应保证：TlTc（20）将式（19）代入式(20)可得型孔轮转速 n 应满足：n30ITl（21）由图 3 可知为 1.22rad，由式（21）求得稳定充种极限转速 nmax为 77.7r/min。为保证极限转速条件下充种稳定性，型孔轮极限线速度 vxmax应小于 0.35m/s27，型孔轮半径 r 应满足：rvxmax301000nmax=43（22）综合考虑供种量和充种稳定性，取型孔轮半径 r 为40mm。为高效利用型孔轮空间，型孔轮圆周上均布的空白部分不大于型孔口处宽度，型孔个数 Z 应满足：d2AZ（23）为保证型孔轮齿上端强度，避免轮齿工作时断裂，最薄弱处厚度不低于 3mm，型孔个数 Z 应满足：dZ(A+3)（24）式中 d 为型孔轮直径，mm。联立式（23）和（24）的，型孔轮个数范围为8.97Z14.78（25）为降低型孔轮转速，保证充种时间，进而保证充种稳定性，选择单个型孔轮型孔个数 Z=14。根据型孔轮半径 r=40mm，由式（21）求得稳定充种时型孔轮的极限转速 nmax值为 77.7r/min，此转速远小于由式（5）求得稳定携种时型孔轮的极限转速n1max值149.6r/min，因此最速降线型孔轮在实现稳定充种的前提下，能够保证种子的稳定运移。2.3.3型孔轮个数及排布方式供种机构集成多个型孔轮，通过快速调节型孔轮个数满足播量差异和变尺度籽粒兼用要求。供种机构参数主要包括型孔轮个数及型孔轮排布方式。稻麦油兼用高速供种装置为气送式集排器提供稳定均匀的种子流，其供种量应满足播种机高速作业条件下农艺要求的播量，即：QS=nQhZNms500QM=5MBmvm3QSQM（26）式中 QS为单位时间供种量，g/min；QM为农艺要求的供种速率，g/min；Qh为单个型孔容纳种子数量；N 为型孔轮个数；vm为播种机作业速度，km/h；Bm为播种机作业幅宽，m；ms为种子千粒质量，g；M 为农艺要求播量，kg/hm2。结合长江中下游地区种植农艺要求，杂交稻、小麦、油菜的播量 M 分别为 37.5、150 和 6kg/hm2，当播种机作业幅宽 Bm为2m，作业速度 vm为 810km/h 时，由式（26）计算杂交稻、小麦、油菜的供种速率 QM范围分别为 10001250、40005000 和 160200g/min。为实现稻麦油兼用，应在满足小麦、水稻供种量需求的同时兼顾油菜种子。由式（26）得型孔轮个数 N 为N2500MBmvm3nZQhms（27）由于稻麦种子供种速率相对接近，稻麦型孔轮个数以小麦种子的相关数据为依据进行计算，通过调整供种转速满足水稻供种速率要求。小麦种子播量 M 为150 kg/hm2，作 业 幅 宽 Bm为 2 m，作 业 速 度 vm为10km/h，小麦种子千粒质量 ms为 44.87g，型孔个数 Z为 14 个，型孔轮转速 n 取极限转速 nmax，单个型孔容纳小麦种子数量 Qh为 38 粒，代入式（27），计算稻麦播种的型孔轮个数 N 为6.40N17.06（28）增加型孔轮个数可降低型孔轮转速，保证充种稳定性，但供种装置的体积随之增大，综合考虑，选取型孔轮个数为 16。由于油菜种子体积小，且供种量小，依据式（27）计算油菜高速作业时型孔轮个数的理论范围值。油菜种子平均直径为 2mm，依据型孔容纳油菜种子数量最多时40农业工程学报（http:/www.tcsae.org）2023年的理想排布状态27，根据最速降线型孔结构尺寸，计算单个型孔容纳油菜种子数量 Qh最多为 224。油菜种子播量 M 为 6kg/hm2，作业幅宽 Bm为2m，作业速度 vm为 10km/h，油菜种子千粒质量 ms为 3.83g，型孔个数 Z 为 14，型孔轮转速 n 取极限转速 nmax，因实际充种时难以保证所有型孔均达到理想充种，取单个型孔容纳油菜种子数量至少大于 Qh的 10%进行计算27，将数值代入式（27）得播种油菜时型孔轮个数 N 为N1.07（29）由计算结果可知，播种油菜时，仅需 1 个型孔轮即可满足播量要求。已有研究表明，增加种群扰动可显著提高充种性能31-32。为增加充种区种群流动性，减小充种阻力，改善充种与投种性能，型孔轮按螺旋方式排布，由式（31）求得相邻型孔轮错位角 1为 0.15rad。1=23Z（30）供种机构螺旋升角值与型孔轮个数相关，16 个型孔轮螺旋排布示意图如图 12，其螺旋升角为=arctanlr=arctanL(N1)1(N1)r（31）lr注：为型孔轮排布的螺旋升角，()；l 为型孔轮总长度，mm；为首尾型孔轮间的错位角，rad；r 为型孔轮半径，mm。Note:istherisingangleofthespiralarrangementofthetype-holewheel,();lis the total length of the type hole wheel,mm;is the misalignment anglebetweentheheadandtailtypeholewheels,rad;ristheradiusofthetypeholewheel,mm.图 12型孔轮螺旋排布示意图Fig.12Schematicdiagramofspiralarrangement经计算 16 个型孔轮螺旋排布的螺旋升角 为 70。2.4仿真试验为验证所设计型孔轮的供种性能，开展 EDEM 离散元仿真试验，观察不同转速条件下供种环节各阶段种群运动状态，探究型孔轮对水稻、小麦和油菜种子的兼用性和高速供种的稳定性。2.4.1仿真模型建立将供种装置模型简化，仅保留外壳、供种机构、搅种装置等关键部件，依据前文计算结果，水稻、小麦仿真模型型孔轮个数为 16 个，油菜仿真模型型孔轮个数为1 个，将简化后的模型导入 EDEM2020 前处理模块，在种箱上方添加颗粒工厂，使种子自由下落至充种室，仿真模型如图 13 所示。依据表