0 引言

小粒径种子是指平均直径小于3mm 的种子，主要包括油菜、谷子、芝麻以及部分蔬菜、花卉和林业种子等。我国小粒径种子机械化播种领域的难点是精量播种技术，传统精量播种技术已无法满足现阶段新设备、新农艺、新技术的要求，新兴精良播种技术是未来发展方向。其中，气力播种技术是新兴精良播种技术的主要代表。该技术在保证精量播种的前提下，还能减少种子的受损率，提高发芽率。目前，国内外对气力式排种器的研究还处于分析和实验阶段，具体投入到生产中的较少。小粒径气力滚筒式排种器是一款通用性的播种设备，相比国内推广的垂直圆盘气力式排种器，具有更好的播种均匀性和稳定性。目前，国内外对气力式排种器的研究虽多，但大部分都局限于气室结构对流场影响的分析，对气力式排种器的排种过程和种子运动轨迹的分析涉及甚少。例如，李继波的正负气压组合式油菜精量排种器的仿真分析及其试验研究，采用流固耦合方式对排种过程做了简易模拟，也仅仅证实了分析的可行性，尚未有实质性进展。

针对这些问题，为了模拟气力式排种器的排种轨迹，本文建立了影响排种轨迹的主要参数关系方程，利用 MATLAB 软件，分析排种过程中影响种子运动的相关因素，为后期分析气力式排种器落种均匀性和稳定性提供理论基础，为该机构的实际生产和推广应用提供必要的技术支撑和依据。

1 排种器结构和排种轨迹模型

1． 1 小粒径气力滚筒式排种器结构及原理

小粒径气力滚筒式排种器主要由种箱、排种滚筒、气室体架和排种管等组成，如图1 所示。

种箱通过紧固件固定在气室体架上，气室体架与排种滚筒构成封闭的负压气室和正压气室，负压气室贯穿种箱吸种区域和携种区域，正压气室连通排种管。其中，气室体架固定安装于播种机上，其负压出气口和正压进气口分别连接气泵吸气口和吹气口;而排种滚筒在正常工作情况下是匀速转动的，并将种箱中通过负压吸附的种子转动至排种区域通过正压吹送排种。

1． 2 排种轨迹模型

小粒径种子的物理特性各不相同，油菜籽形状趋于标准球形，有较强的韧性，具有典型的小粒径种子的特性，所以采用油菜籽作为研究对象。

建立油菜籽在正压区运动轨迹的模型假设如下:①排种滚筒转动到正压区，气流通过型孔对小粒径种子产生瞬间冲击力，使种子脱离排种滚筒;②小粒径种子脱离排种滚筒后，气流场对种子再无作用力;③种子脱离排种盘瞬间，其速度与脱离前的速度相等。此模型大体接近种子的真实轨迹，便于对种子轨迹进行直观分析，可将排种器模型和种子轨迹联系在一起，为排种器结构设计提供依据。

本文以此模型建立种子的运动学模型，并建立影响排种器排种轨迹的主要参数关系方程，通过 MAT-LAB 对方程进行处理，得出达到要求范围的水平位移所对应的主要参数阈值。

2 排种器排种过程相关参数优化

2． 1 排种瞬间种子受力模型

通过第2 种模型建立种子排种瞬间受力分析图，如图2 所示。

图2 中，A 为种子原点，B 为导管右端点，L 为种子运动的水平距离。为了使种子落种过程中不碰撞导种管，必须满足0 ＜L ＜0．04m(L 为 A 点到 B 点距离)。

建立种子的运动学模型为

F阻= F × cosα

F = PS

V平= V × sinα

V =π30× ωr

L = V平t +at22

F阻= ma

式中 F阻— F 在水平方向上的分力;F —气流通过排种孔对小粒径种子所产生的冲击力;α —投种角度;P —正压区排种孔处压强;S—种子受力面积;V平— V 在水平方向上的分速度;V —种子脱离排种滚筒瞬间的速度矢量;ω —排种滚筒转动的角速度，ω = 15r /min;r—排种滚筒半径;L —在水平面上种子运动的距离;t—运动时间;m—单粒种子质量;a—水平方向上的加速度。

2． 2 MatLab 分析模型

影响种子运动轨迹的主要因素是正压区排种孔压强和投种角度

建立正压区排种孔压强、投种角度与种子运动的水平位移之间的关系方程为

L = (0． 3 × sinα × π /20) －(0．045 × cosα × P/4．66)

由于上式反映的是种子最终位移的具体数值(包括负值)，无法从中明显观测到水平位移接近 0 时的投种角度和压强的对应关系，因此建立正压区排种孔压强、投种角度与种子运动的水平位移的绝对值之间的关系方程，即

L1= | L | = | (0． 3 × sinα × π /20) －(0．045 × cosα × P/4．66) |

由实验得出:正压区排种孔压强应该在 10 ～20Pa之间，才能保证吸附种子的同时又不因压力过大损伤种子。由理论分析可知:种子从排种到落地的时间 t基本在0．2 ～0．3s 之间，分析采用 t =0．3s。又由经验得出:投种角度在 45° ～90°之间，才能保证种子在落种过程中趋于垂直线。

针对上述分析和方程，为了更细致地观察排种孔压强、投种角度对水平位移的影响，建立了 4 种分析模型:模型1，正压区压强(0，20)，投种角度(0，π/2);模型2，正压区压强(0，20)，投种角度(π/4，π/2);模型3，正压区压强(10，20)，投种角度(0，π/2);模型4，正压区压强(10，20)，投种角度( π /4，π /2) 。

为了便于直观分析，用 MATLAB7． 0 软件对模型进行图像化处理，通过得出的曲面分析各因素对性能指标的影响规律以及排种性能指标的变化规律，得出最优参数。

2． 3 水平位移分析

图3 为种子 t =0．3s 时种子运动的最终位移等值线图。从模型1 中可以看出:投种角对水平位移的影响呈现一定的非线性，压强越大，变化越明显;模型 2是投种角在(π/4，π/2)时种子的水平位移，和模型 1类似，说明压强的影响大于投种角的影响;从模型 3可以观察到:排种孔压强在(10，20)时，随着投种角度的增大，水平位移逐渐增加，此阶段压强的影响不明显;模型4 是重点区域模型，从中可以看出:水平位移为0 时，投种角度基本保持在(1，2)之间。

2． 4 水平位移绝对值分析

图4 为水平位移绝对值等值线图。从模型1 中看出:在水平位移绝对值为 0 时，投种角与压强成一定的非线性关系;在投种角为(0，π/4)时，压强上升缓慢;在投种角为(π/4，π/2)时，压强上升迅速。模型2、模型 3 分别针对投种角度和压强范围局部化，投种角度对最大水平位移影响明显。模型 4 反映了两个参数具体范围内、水平位移趋于 0 时的对应关系。对比图3 和图4 中水平位移为 0 的曲线可知，左边都是负值，右边都是正值，所以选取参数时采用图中曲线偏右区域。

2． 5 最优水平位移对应关系

等直线图能看出一定关联，但还需要具体数值才能得出参数，所以需要导出水平位移等值线图中模型4 的数据。由于水平位移为 0 的投种角主要在后 6段，所以仅导出投种角后 6 段数据。表 1 为型孔压强和投种角度分别对应的种子运动距离。

从表1 中可以看出:随着压强的增大，种子运动距离呈减小趋势，其中最大投种角度1．5708(π/2)对应的种子运动距离为统一的 0． 047 1m。因为落种时间 t 是确定的，此时水平方向只有固定的速度，所以种子水平运动位移也是固定的。表1 中，1．4137(81°)、1． 492 3(85． 5°) 、1． 570 8(90°) 对应的各种压强下的种子运动距离都偏大，容易碰撞导管壁，所以排除;而1． 178 1(67． 5°) 对应的运动距离基本为负值，对应的种子运动过程会碰撞排种管左壁，所以也排除;当投种角度为 1． 256 6(72°)、压强在 10 ～15Pa 和投种角度为1．335 2(76．5°)、压强在 10 ～20Pa 时，所对应的种子运动距离都为正值，并且小于 0． 04m，因此这些数据对应的种子运动是符合要求的。

3 结论

1) 通过 Pro / E 软件绘制小粒径气力滚筒式排种器，简化结构并绘制排种瞬间种子受力分析图，为后期分析提供理论依据。

2) 根据排种过程实际情况，突出主要因素，忽略次要因素，建立了排种轨迹模型，既提高了分析效率又不失准确性。

3) 通过 MATLAB 软件分析关系方程，得出投种角度和正压区排种孔压强对种子水平位移的影响关系图，最后得出最优搭配表。当投种角度为 1． 256 6(72°)、压强在10 ～15Pa 和投种角度为1．335 2(76．5°)、压强在10 ～20Pa 时，种子运动水平位移在 0 ～0． 04m范围内，至此阈值范围确定。

参考文献（略）