小麥寬苗帶高速排種系統(tǒng)設計與試驗

摘要：為改善小麥寬苗帶播種與玉米輪作種植質(zhì)量，開發(fā)一種與輪作種植相配套的寬苗帶小麥播種農(nóng)藝，并根據(jù)新開發(fā)農(nóng)藝的要求，設計一種小麥寬苗帶高速排種器。對其關鍵結構參數(shù)進行理論分析，建立確定排種器參數(shù)所需的理論數(shù)學模型。借助離散元仿真軟件，確定該排種器的結構參數(shù)。對所設計的小麥寬苗帶播種系統(tǒng)進行臺架試驗，結果表明，其播種總排量穩(wěn)定性變異系數(shù)、各行排量一致性變異系數(shù)和種子破碎率均滿足國家要求，試驗測得苗帶平均寬度為12 cm，與理論設計寬度相符合。開展田間試驗并利用Design-Expert對試驗所得數(shù)據(jù)進行回歸建模與方差分析，利用建立的優(yōu)化模型對回歸方程進行分析。當排種輪轉(zhuǎn)速為40 r/min、機具作業(yè)速度為10 km/h時，樣機的行間排量一致性變異系數(shù)最小為1.69%，苗帶分布合格率達到95.1%。

關鍵詞：小麥；寬苗帶；高速；排種；離散元

中圖分類號：S223.2" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 10?0017?08

Design and test of high speed seeding system for wheat wide seedling belt

Geng Duanyang1， Kang Yunyou2， Wang Wenli3， Zhang Yangmeng3， Zhu Junke1， Wang Xianliang1

（ 1. School of Agricultural Engineering and Food Science， Shandong University of Technology， Zibo， 255000， China;

2. Shandong Agricultural Machinery Technology Extension Station， Jinan， 274399， China;

3. Zibo Institute of Agricultural Machinery Research， Zibo， 255000， China）

Abstract： In order to improve the quality of wheat wide seedling belt sowing and corn rotation planting， a new agronomy of wide seedling belt wheat sowing matching with corn rotation planting was developed， and a high?speed metering device of wheat wide seedling belt was designed according to the requirements of newly developed agronomy. The key structural parameters were analyzed theoretically， and the theoretical model of parameter determination was established. With the help of discrete element simulation software， the structural parameters of the seed metering device were determined. The bench test of the designed wheat wide seedling belt sowing system was carried out. The results showed that the coefficient of variation of the total seeding displacement stability， the coefficient of variation of each row displacement consistency and the seed breakage rate all met the national requirements. The average width of the seedling belt measured in the test was 12 cm， which was consistent with the theoretical design width. The field experiment was carried out， and the regression modeling and variance analysis of the experimental data were carried out by Design-Expert. The regression equation was analyzed by using the established optimization model. The results showed that when the rotation speed of the metering wheel was 40 r/min and the operation speed of the machine was 10 km/h， the minimum coefficient of variation of the inter?row displacement consistency of the prototype was 1.69% and the qualified rate of the seedling belt distribution reached 95.1%.

Keywords： wheat; wide seeding belt; high speed; seeding; discrete element

0 引言

小麥作為我國北方地區(qū)主要糧食作物，其產(chǎn)量對國家糧食安全戰(zhàn)略具有舉足輕重的影響。近年來，雖然其種植面積有所下降（約為2.4×107 hm2左右），但其單產(chǎn)有所增加，年產(chǎn)量基本穩(wěn)定在（1.28～1.30）×109 t左右[1]。由于我國人口基數(shù)較大導致小麥缺口有增大的趨勢，如2022年累計進口9.96×106 t，較2020年增長15%以上，所以在擴大小麥種植面積潛力有限的條件下，提高小麥單產(chǎn)就成為保證小麥產(chǎn)量，保障國家糧食安全的主要手段。國外小麥播種機多為氣力式，其結構復雜、動力需求大、成本高[2]。2009年，中國工程院院士余松烈院士提出小麥寬苗帶播種技術，并證實了小麥寬苗帶種植農(nóng)藝可以提高小麥產(chǎn)量375～600 kg/hm2；但是由于寬苗帶涉及播種、開溝、種子分布等諸多問題，所以目前大多采用接近寬苗帶播種的小雙行播種農(nóng)藝。

在小麥寬苗帶相關研究方面，劉彩玲等[3， 4]設計了寬苗帶勾型窩眼輪式小麥精量播種器，在單個苗帶上可實現(xiàn)4行種子均勻交替排布，提高了排種均勻性；牛琪等[5]基于籽粒自流打散原理設計了斜置三角式分種裝置，提高了種子分布均勻性；翟萌萌[6]開發(fā)了燕尾槽播種鏟，種子通過兩次分散分布進入布種器，實現(xiàn)小麥寬幅精量播種；于興瑞[7]、張銀平[8]等設計了小麥離心分種器，種子在離心力作用下被均勻分配到導種管，提高了分種均勻性、降低了籽粒破碎率。目前雖然黃淮海地區(qū)出現(xiàn)了類寬苗帶效果的小雙行播種，但對種子在該區(qū)域的分布規(guī)律研究不夠，制約了小麥產(chǎn)量提高的潛力；其次，由于小雙行的播種，也影響了小麥玉米輪作種植模式的配套性，增加了玉米播種的難度。

針對上述問題，本文以山東省小麥玉米輪作的種植制度為基礎，結合小麥寬苗帶播種的農(nóng)藝要求，開發(fā)雙排斜外槽輪式排種器以及呈中間凸起的燕尾槽式寬苗帶布種器，建立排種器確定參數(shù)所需的理論數(shù)學模型，并通過EDEM仿真分析及試驗，獲得最優(yōu)工作參數(shù)，以期提高作業(yè)效果、充分發(fā)揮小麥增產(chǎn)潛力。

1 小麥寬苗帶種植農(nóng)藝的確定

山東地區(qū)糧食生產(chǎn)多為小麥玉米輪作種植，所以在確定小麥的寬苗帶播種農(nóng)藝時必須綜合考慮玉米的種植模式，以減少玉米/小麥根茬對小麥/玉米播種作業(yè)的影響，即在小麥/玉米播種時，其種植帶盡量避開玉米/小麥根茬。根據(jù)余松烈院士推薦的作業(yè)規(guī)范，小麥寬苗帶寬度與苗帶間距的比例為1∶（1.5～2）為佳，最終確定的小麥寬苗帶播種與玉米種植配套模式，如圖1所示。

考慮小麥行距較窄，田間秸稈容易擁堵開溝器，所以盡量選擇較寬的小麥行距，從而形成一個玉米行播種兩行小麥思想；進一步為了減少玉米根茬、秸稈對小麥播種的影響，則選在小麥播種的起始行緊貼玉米種植帶，如圖1所示。設玉米播種行距為l1，小麥苗帶寬度為[2l2]，按照余松烈院士推薦的高產(chǎn)小麥種植模式達到小麥播種寬度與苗帶間距比例為1∶（1.5～2）的要求，則可選小麥苗帶間距為[4l2]，從而有

[2l2+4l2+2l2=l1] （1）

[l1=8l2] （2）

在本設計中，玉米播種行距為60 cm，則小麥苗帶寬度[2l2=15] cm；兩苗帶間距[4l2=30] cm。

2 寬苗帶高速排種系統(tǒng)設計

針對當前小麥播種機外槽輪式排種器存在的諸多問題，結合當前土地集約化經(jīng)營模式的逐漸普及以及大馬力拖拉機的快速發(fā)展，開發(fā)適合大播量、高速作業(yè)、且對種子損傷小的小麥寬苗帶排種器已成為實現(xiàn)上述播種農(nóng)藝、提高小麥播種機械化技術水平的關鍵，所以首先對小麥寬苗帶高速播種系統(tǒng)進行研究。

2.1 排種輪結構與排種器結構的確定

一般來說，小麥排種輪多為直外槽輪式排種輪結構，該排種器雖然結構簡單，調(diào)整方便、且制造成本低廉，但由于結構限制，在播種過程由于齒脊阻隔出現(xiàn)種子流的脈動以及齒脊作用導致種子的損傷，從而使其多定位在低速、對播種質(zhì)量要求不嚴格的條件下使用。針對上述問題，為了消除傳統(tǒng)小麥播種存在的種子流脈動問題，本排種器將直外槽式排種輪改為斜外槽式排種輪結構，有效消除了播種過程種子流的脈動問題，提高了排種器播種的均勻性；進一步考慮斜外槽式排種輪作業(yè)過程會帶來軸向力影響軸承壽命的問題，所以又將單排斜槽改為雙排斜槽，且兩排斜槽成對稱結構，實現(xiàn)了排種器作業(yè)過程軸向力的自平衡；又考慮種子流動的順暢性以及分種過程種子向排種輪中部聚流而使種子出現(xiàn)擁堵、甚至擠傷的問題，所以兩排斜槽采用斷開錯位的方式進行分布，從而保證回流到中部的種子能轉(zhuǎn)向流入另一排的排種槽，既保證了外槽排種的均勻性，又避免了種子在此受到的損傷。斜槽的方向主要是考慮如果向外傾斜，則在排種過程會出現(xiàn)向兩邊聚流，而兩邊正好與排種盒側(cè)壁形成封閉空間，從而出現(xiàn)種子在此的擁堵和損傷現(xiàn)象，所以其外槽旋向確定為使種子向中部聚流的結構，具體如圖2所示。

在上述研究基礎上，借助傳統(tǒng)排種器結構比較成熟的優(yōu)勢，開發(fā)了基于寬苗帶播種的小麥排種器，其結構如圖3所示。該排種器主要由排種輪、排種盒、排種軸、回轉(zhuǎn)軸、排種舌和調(diào)節(jié)銷組成。工作時，排種輪在排種軸的驅(qū)動下沿著逆時針方向轉(zhuǎn)動，而小麥種子沿著排種盒后壁流向排種輪，并充滿排種輪外槽腔體，借助排種輪與排種舌的定容約束，使得位于排種輪外的種子被逐漸向排種輪中部匯聚，而多余的種子通過中部錯位間隙進入下一排種輪外槽腔體，從而保證了每個排種輪腔體分出種子數(shù)量的一致性，也避免了傳統(tǒng)外排種輪種子必須通過排種舌和排種輪強制作用進入下一外槽腔體出現(xiàn)的種子損傷問題。

2.2 排種器結構參數(shù)的確定

2.2.1 齒脊數(shù)的確定

齒脊數(shù)對有效充種容積比[k0]有很大的影響。如果齒脊數(shù)過少，則會影響排種的穩(wěn)定性；如果齒脊數(shù)過多，則又降低了充種的有效容積，所以本排種器的齒脊數(shù)根據(jù)影響排種均勻性最大的排種舌最小包角、種子的自然堆放角以及圓柱齒輪最少齒數(shù)來確定。由于種子的自然堆放角為[α0]（小麥種子堆放角為23°～38°），如圖3所示，所以其排種舌的最小包角

[βmin=2（90°-α0）] （3）

考慮在該包角內(nèi)，必須有3個齒脊才能形成2個相鄰、完整的封閉空間，完成對種子的精量排送，所以排種輪最少齒脊數(shù)

[Zmin=int360°βmin×2+1=int180°90°-α0×2+1] （4）

分別將小麥種子的堆放角最大及最小值代入式（4）中，則Zmin的取值應為5或者7。借助圓柱齒輪的設計理論，當齒數(shù)太少時，需要加快排種器轉(zhuǎn)速，齒頂部分才能獲得相同的線速度，由此帶來排量穩(wěn)定性會變差，所以排種器齒脊數(shù)的初值確定為7。

2.2.2 排種輪直徑的確定

排種輪直徑對播種均勻性和種子損傷率影響較為明顯。一般來說，當排種輪直徑增大時，排種器轉(zhuǎn)速可以適當降低，但是由此會造成排種均勻性的下降；反之，如果排種輪直徑減小，又會因轉(zhuǎn)速過高加劇種子損傷率。所以雖然《農(nóng)業(yè)機械設計手冊》推薦播麥類為主的排種輪直徑為40～51 mm，且以40 mm為多，但該理論值更適合低速播種，難以滿足高速作業(yè)的需求[9， 10]。

設外排種輪基圓直徑為d，槽深為h，則排種輪外徑為[D=d+2h]，如圖4所示，排種輪寬度為l，種子的容重為γ，圓環(huán)面積

[A0=π4[（d+2h）2-d2]=π4（h2+2dh）2] （5）

排種輪工作區(qū)容積

[V=A0l=πl(wèi)4（h2+2dh）] （6）

假設齒槽工作區(qū)的有效容積比為k0，充種率為η，種子容重為γ，則排種器每轉(zhuǎn)動1周，其排種量

[q=γVkη=π4γlk（h2+2dh）η] （7）

設排種器最大轉(zhuǎn)速為nmax，則最大理論排種量

[Q=qn=π4γlkn（h2+2dh）η] （8）

按照農(nóng)藝要求，小麥播種量一般為300～420 kg/hm2之間[11]，取最大播量[Qn=420] kg/hm2，代入上述公式，則排種輪直徑[D≈60] mm。

進一步，考慮該排種器在工作過程，需要多余的種子能在斜槽面推動下向排種輪中部聚流，再多的種子必須由第一個斜槽滑入下一排的錯位斜槽，所以根據(jù)可靠性理論中種子流動過程自動沿著阻力最小的方向運動，即沿著長軸方向穿過兩錯位分布的斜槽間隙，所以要求這兩個斜槽在此的間隙必須大于3倍的種子厚度[b']，由此確定了排種輪基圓直徑為

[πd≥Zmin?3b?2] （9）

代入相關數(shù)據(jù)可知，排種輪基圓直徑[d≥42.8] mm。

綜合考慮排量需要和斜外槽排種器螺旋面的厚度，最終取[D=60] mm。

2.2.3 斜排種輪角度確定

為了消除直外槽排種器存在的脈動問題，該排種輪的外槽設計為斜槽結構；為了消除分種過程的軸向力，將其斜槽設計為螺旋角相等的對稱結構，如圖5所示，設排種輪寬度l=2δ，斜槽與排種輪軸線夾角為α1。顯然，斜槽與排種輪軸線夾角為α1越大，則越有利于種子在分種過程向中部聚流，但是該角度過大，又容易出現(xiàn)自流，影響斜槽腔體的充滿度，故以臨界狀態(tài)為例，種子的受力情況如圖6所示。小麥種子受到前方種子對其的阻力N0、斜槽面對其支撐力N3以及阻止種子沿斜槽面滑向中部摩擦力F，記φ為種子與排種器材料之間的摩擦角，顯然，要保證種子受到前方阻力作用下向排種輪中部聚流，則小麥種子受到的阻力N0沿斜槽面的分力N1必須大于種子受到斜槽面的摩擦力。

[N1≥F] （10）

[N1=N0sinα1F=tanφN3] （11）

[N3=N2=N0cosα1] （12）

將式（11）、式（12）代入式（10）中，可以得出[α1≥φ]。結合對小麥種子與尼龍材料摩擦系數(shù)（本排種輪采用尼龍注塑而成）的測定，[φ=19°～28°]。故斜槽與排種輪軸線夾角[α1]的初值確定為30°。

2.2.4 排種輪寬度確定

排種槽寬度對排種量的調(diào)節(jié)范圍影響很大，如果該寬度過大，則對小播量的控制精度影響較大；如果該寬度過小，則在播量要求較大時，排種輪必須在較高轉(zhuǎn)速下工作，從而加大了種子損傷的風險；考慮本排種器要兼顧高低速播種的要求，以及其播量主要采用改變排種器轉(zhuǎn)速的方式來實現(xiàn)，所以該排種器只要滿足最小排量穩(wěn)定性要求即可。設種子的長度為[lz]，變異系數(shù)為[clz]，槽寬為δ，其變異系數(shù)為[cb]，故根據(jù)滿足種子順暢進入種槽的可靠性要求，有

[?（δ-lz（cbδ）2+（clzlz）2）≈1] （13）

查正態(tài)分布表可得

[δ-lz（cbδ）2+（clzlz）2=3.8] （14）

參考山東省種植最為廣泛的小麥為濟麥22，其種子長度均值為8 mm，變異系數(shù)0.1；槽寬的變異系數(shù)也為0.03，則計算可得[δ=11.3] mm，即排種器槽寬[δmin≥11.3] mm，即可在理論上保證種子順暢地充入種槽。

當然，也可以按照農(nóng)業(yè)機械設計手冊推薦的方法，即外排種輪排種器的δ≥（1.5～2）lz來確定，即δ≥12～16 mm。

由于該排種輪為兩邊完全對稱，結構相互錯位的螺旋槽結構組成，所以排種輪寬度為2δ。最終確定排種輪寬度為30 mm。

2.3 導種管結構確定

寬苗帶播種不是簡單的加寬小麥的播種寬度，而是需要考慮小麥生長過程的采光、通風以及土壤中水、肥供給的均衡性，根據(jù)小麥生長的邊際效應，即苗帶兩邊的植株有著比較充足的光、水、肥條件，而苗帶中部的植株水肥供給相對受限，最終決定了苗帶植株分布最佳為中疏邊密結構[12?14]，從而對導種提出了新的要求。

2.3.1 布種口結構

如前所述，排種器出來的種子力求分布均勻，而苗帶布種要求中疏邊密，所以要實現(xiàn)該農(nóng)藝，則必須對排種管結構進行改造，將燕尾槽式布種器設計為中間凸起。

2.3.2 種子在苗帶截面的分布模型

為了實現(xiàn)中疏邊密的播種要求，首先確定了種子在苗帶寬度的分布規(guī)律，取單位長度的苗帶進行布種量統(tǒng)計，設苗帶中部的種植密度為[q0]，兩邊的種植密度的增長率為[k']倍，則在苗帶寬度為[2l2]的邊際種植密度為[k'q0]，確定種子分布模型。如本研究考慮種子分布的連續(xù)性和降低布種口的制造工藝，選用了二次函數(shù)模型進行回歸，即以布種口中部為O點，建立如圖7所示的坐標系，則有

[y=a1x2+b1x+c1] （15）

由上所述，該二次函數(shù)通過點（-b，k'q0），（0，q0）和（b，k'q0），代入式（15）有

[a1=k'q0/b2b1=0c1=q0] （16）

即種子在苗帶寬度的分布模型為

[y=k'q0b2x2+q0] （17）

進一步，按照種子在布種口斜面均勻分布，要滿足上述農(nóng)藝布種要求，則布種口的曲線應該與上述種子分布模型正好相反。即

[y=-k'q0b2x2-q0] （18）

2.3.3 布種口角度的確定

為了保證從導種管出來的種子沿著布種口能穩(wěn)定滑落，要求布種口最高處與導種管的連線與水平面的夾角[?]大于種子與導種管之間的摩擦角[φ']以及種子的休止角[ζ]。

根據(jù)相關資料查閱，小麥種子與排種管的摩擦角為28.5°～36.8°，其休止角為23°～38°，結合該角度過大，則種子在水平方向的分速度越小，即作業(yè)速度對播種均勻性影響較大，故本研究將其確定為40°～45°。

根據(jù)理論分析并結合EDEM仿真優(yōu)化，得出當布種器的下種角[?=45°]，中間凸起的高度[h'=5] mm時，既能實現(xiàn)分種要求，又能保證排種順暢。其最終排種效果如圖8所示，苗帶兩邊密、中間疏，滿足新農(nóng)藝要求。對苗帶上種子分布情況進行統(tǒng)計和處理，得到苗帶種子分布曲線如圖9所示，陰影部分總面積為s，曲線為倒正態(tài)分布，函數(shù)表達式為

[fx=-12π?σe-x-μ22σ2+k] （19）

式中： k——調(diào)節(jié)系數(shù)。

其中[μ=0]；[σ=1]。

根據(jù)邊行優(yōu)勢和新農(nóng)藝要求，對苗帶種子分布合格率進行評定，若每組統(tǒng)計苗帶長度過長則影響評測準確性，確定為每1 m為一組檢測單位，分別記錄統(tǒng)計每組分布在[Q1]、[Q2]、[Q3]、[Q4]的種子數(shù)量，當[（Q3+Q4）/S≥0.7]時，即為合格。

3 離散元仿真

考慮到高速排種對種子的損傷較高，為降低種子的機械損傷，進一步優(yōu)化排種輪齒參數(shù)，在理論分析的基礎上應用EDEM仿真軟件，對關鍵參數(shù)排種輪齒脊數(shù)進行優(yōu)化分析并探索斜槽角度對排種效果的影響。

本研究所用小麥籽粒選用種植面積較廣、品質(zhì)較優(yōu)的濟麥22，隨機選取100粒籽粒，采用游標卡尺重復測量小麥籽粒長、寬、厚的尺寸參數(shù)取平均值。小麥籽粒模型的建立過程如圖10所示，小麥籽粒粘結模型由208個直徑為0.3 mm的球體顆粒粘結而成，其模型參數(shù)參考文獻[20]。

仿真過程采用顆粒替換實現(xiàn)在EDEM軟件中生成小麥籽粒離散元模型，之后立即給顆粒添BPM黏結模型以便牢固黏結，并通過改變排種輪齒脊數(shù)Z和斜槽角度ɑ1進行兩因素三水平仿真試驗，試驗指標為籽粒破碎率和排種均勻性，并將建立的排種器三維結構導入EDEM，得到排種器仿真模型，其仿真環(huán)境如圖11所示。

仿真試驗共分為9組，每組生成1 200粒小麥籽粒離散元模型進行試驗（表1），每組試驗重復5次找出發(fā)生破碎的籽粒（圖12（a）），統(tǒng)計其發(fā)生破碎籽粒的數(shù)量并取平均值，根據(jù)高速排種要求，排種輪轉(zhuǎn)速選為45 r/min，各組排種效果情況如圖12（b）所示。

從圖12（a）可以看出，籽粒最易在上下兩端較細處以及中間腹溝處斷裂破碎，符合小麥籽粒自身力學特性。從圖12（b）可以看出，在排種輪轉(zhuǎn)速相同的情況下，排種速度隨排種輪齒脊數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，原因是由于齒脊數(shù)的增加占據(jù)了排種空間；排種速度隨斜槽角度的增加呈緩慢下降趨勢，原因是由于角度變大，斜槽對種子摩擦力變小，滑移增加。籽粒破碎率隨排種輪齒脊數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸升高趨勢，原因是齒脊數(shù)增多，排種輪每轉(zhuǎn)一周齒脊與籽粒碰撞的次數(shù)增大；斜槽角度為10°時，籽粒破碎率急劇上升，原因是籽粒在相間齒槽內(nèi)流動性差，擠壓嚴重，斜槽角度為30°和50°時，籽粒破碎率相近且較低。綜合考慮最優(yōu)參數(shù)組合為：齒脊數(shù)為7，斜槽角度為30°，可在滿足高速排種的同時降低籽粒破碎。

4 試驗設計與結果分析

4.1 試驗條件

依據(jù)上述設計要求，研發(fā)了相應的試驗樣機，如圖13所示。本次試驗在臨淄富群農(nóng)機合作社進行，試驗田上茬作物為玉米，秸稈經(jīng)1次還田和2次旋耕處理，處理后秸稈較為細碎，且與土壤混合均勻。試驗條件為：耕層土壤深度為10 cm、20 cm、30 cm，土壤含水率分別為11.8%、19.7%、23.2%，土壤堅實度分別為1.1 MPa、3.7 MPa、4.6 MPa。試驗材料為濟麥22號，其物理特性為千粒質(zhì)量44.6 g，容重773.2 g/L，含水率11.2%，凈度99.2%以上，試驗用拖拉機為約翰迪爾-1204型拖拉機，作業(yè)速度為8 km/h以上。主要的試驗內(nèi)容包括：排種器性能試驗、總排量穩(wěn)定性試驗、各行排量一致性試驗、苗帶種子分布合格率試驗等。

4.2 性能試驗

根據(jù)國家標準GB/T 9478—2005《谷物條播機試驗方法》及機械行業(yè)標準JB/T 6274.1—2013《谷物播種機第1部分：技術條件》中規(guī)定的總排量穩(wěn)定性測試方法進行試驗。

1） 排種軸轉(zhuǎn)速分別設置為25 r/min、30 r/min、35 r/min、40 r/min 、45 r/min、50 r/min。

2） 每次試驗的排種時間設置為30 s。

3） 分別測量排種輪在不同轉(zhuǎn)速情況下排種器排出的種子質(zhì)量，每組試驗重復5次。

4） 計算平均排種量[x]、標準差S和變異系數(shù)φ、種子破碎率τ。為方便各行小麥種子的收集，試驗開始前需要用收集袋將排種口套住。

[x=1ni=1nxi] （20）

[S=1n-1（xi-x）2" " nlt;301n（xi-x）2" " " " " " "n≥30] （21）

其中，當[nlt;30]時，分母為[n-1]；當[n≥30]，分母為[n]。

[φ=100Sx] （22）

[Sp=Sin] （23）

[τ=τ1-τ0=Spx×100%-τ0] （24）

式中： Sp——平均破碎量，g；

Si——第i次破碎量，g；

n——試驗次數(shù)；

τ1——試驗后平均破碎率，%；

τ0——原始平均破碎率，%。

試驗結果如表2所示。由表2可以看出，在排種輪不同的轉(zhuǎn)速下，試驗過程中所測得的變異系數(shù)最大為0.59%，籽粒破碎率最大為0.35%，與離散元仿真試驗結果一致。根據(jù)國家標準中總排量變異系數(shù)值不大于1.3%，籽粒破碎率均小于0.4%，符合排種器的性能要求，且對高低速作業(yè)具有較為穩(wěn)定的作業(yè)性能。

4.3 各行排量一致性、苗帶種子分布合格率及播種密度試驗

各行排量一致性測試是考核不同行間排種器作業(yè)性能穩(wěn)定性的重要參數(shù)，根據(jù)國家標準GB/T 9478—2005《谷物條播機 試驗方法》規(guī)定的測試方法進行。

1） 機組前進速度分別取8 km/h、10 km/h、12 km/h，三個水平；排種軸轉(zhuǎn)速取30 r/min、35 r/min、40 r/min、45 r/min、50 r/min，三個水平。

2） 分別測定在不同水平組合下各行的排量一致性情況，每組測量時間為30 s。

3） 每次測量時從12行中任取6行進行稱重測量。

4） 計算各行平均排種量、標準差、變異系數(shù)、播種密度和分布合格率。試驗結果如表3所示。

分布合格率

[ψ=Ax] （25）

式中： A——符合寬苗帶正態(tài)分布的排種量，g。

由表3可以看出，在上述試驗條件下，樣機各行排量一致性變異系數(shù)[≤3.06%]，試驗測定值小于JB/T 6274.1—2013《谷物播種機第1部分：技術條件》中規(guī)定的各行排量一致性變異系數(shù)值3.9%，因此，氣力輸送式小麥排種系統(tǒng)的各行排量一致性符合相關標準的要求。

經(jīng)過排種器性能試驗、總排量穩(wěn)定性試驗、各行排量一致性試驗、苗帶種子分布合格率試驗，得到排種器的各項指標皆滿足國家技術要求。但是若機組前進速度過慢，排種輪轉(zhuǎn)速過快，就會造成播種密度過高，不僅浪費苗種還會降低小麥的抗倒伏能力，且不利于采光、通風；若機組前進速度過快，排種輪轉(zhuǎn)速過慢，就會造成播種密度過低，減產(chǎn)嚴重。所以根據(jù)文獻可知，小麥最佳播種密度在10.5～13.5 g/m2，且最低不低于9 g/m2，最高不超過15 g/m2。最佳的機組前進速度與排種輪轉(zhuǎn)速配比：機組前進速度為8 km/h，排種輪最佳轉(zhuǎn)速范圍為30～40 r/min；機組前進速度為10 km/h，排種輪最佳轉(zhuǎn)速范圍為35～45 r/min；機組前進速度為12 km/h，排種輪最佳轉(zhuǎn)速范圍為40～50 r/min。

5 結論

1） 針對山東省小麥玉米輪作的種植制度，結合小麥寬苗帶播種的農(nóng)藝要求，開發(fā)與玉米種植配套小麥寬苗帶播種新農(nóng)藝。

2） 設計小麥寬苗帶高速排種器，對排種器的關鍵參數(shù)進行理論分析和離散元仿真研究，確定齒脊數(shù)為7，排種輪直徑為60 mm，排種輪寬度為26 mm。

3） 基于寬苗帶播種和邊際效應的要求，建立布種器結構和苗帶種子分布的數(shù)學模型，為不同地區(qū)、不同要求下的寬苗帶布種器設計提供理論參考。

4） 對小麥排種器進行排種器性能試驗，籽粒破碎率最大為0.35%；總排量穩(wěn)定性試驗，最大變異系數(shù)為0.59%；各行排量一致性試驗，最大變異系數(shù)為3.06%；苗帶種子分布合格率試驗，合格率均大于92%。各項指標皆滿足國家技術要求。

5） 對依據(jù)小麥寬苗帶播種新農(nóng)藝所設計的寬苗帶播種系統(tǒng)進行試驗，該排種器對高低速有著良好的作業(yè)適應性，且在作業(yè)速度為12 km/h、排種輪轉(zhuǎn)速為45 r/min時，行間變異系數(shù)為1.83%，性能穩(wěn)定；在上述條件下，通過寬苗帶布種器形成的苗帶中種子分布合格率達到95.2%，實現(xiàn)小麥寬苗帶播種的農(nóng)藝要求；試驗測得苗帶平均寬度為12 cm，與理論設計寬度相符合。

參 考 文 獻

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