预切种甘蔗链槽带式复合排种机构设计与试验

刘姣娣; 陈建龙; 邢钇浩; 许洪振; 邓惜时; 杜笑隆

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2504213

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (12) :4979-4990 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2504213

农业科学

预切种甘蔗链槽带式复合排种机构设计与试验

刘姣娣 ¹^,² ,
陈建龙 ¹^,² ,
邢钇浩 ³^,^* ,
许洪振 ¹^,² ,
邓惜时 ¹^,² ,
杜笑隆 ¹^,²

作者信息 +

Design and Experiment of the Chain-trough Belt Type Composite Seed Arrangement Mechanism for Pre-cut Sugarcane

LIU Jiao-di ¹^,² ,
CHEN Jian-long ¹^,² ,
XING Yi-hao ³^,^* ,
XU Hong-zhen ¹^,² ,
DENG Xi-shi ¹^,² ,
DU Xiao-long ¹^,²

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摘要

针对预切种式甘蔗种植机排种机构存在的充种力不足,种群易成拱及充种均匀性差等技术瓶颈,设计了一种链槽带式复合排种机构。该机构由链槽输送组件、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)摩擦带及储种箱等模块构成,通过引入摩擦带结构提升了蔗种充种驱动力,解决种群易成拱堵塞的难题进而提高排种装置对甘蔗种茎形态的适应性。研究系统阐述了排种机构的工作原理,并基于理论分析明确了链槽线速度、摩擦带倾角及摩擦带线速度为影响排种性能的核心因素。基于离散元法的EDEM仿真软件开展单因素仿真试验,揭示了各参数对充种合格指数与漏充指数的影响规律,进一步通过响应面法(box-behnken,BBD)的正交试验定量解析了参数间交互作用。结果表明:蔗槽线速度为首要影响因素,其最优参数组合为摩擦带倾角59.84°、摩擦带线速度0.63 m/s、蔗槽线速度0.1 m/s,此时仿真模型充种合格指数达99.01%,漏充指数仅0.99%。基于最优参数搭建台架进行实物验证,试验结果显示:机构平均充种合格指数为94.8%,漏充指数为5.2%,验证了复合排种机构具有良好的排种作业效果,为预切种式甘蔗排种装备的研发提供了参考。

Abstract

To address technical bottlenecks such as insufficient seed-filling force, arching of sugarcane seed pieces, and poor filling uniformity in the seeding mechanism of a pre-cut sugarcane planter, a chain-trough belt composite seed arrangement mechanism was designed. The mechanism comprised modular components including a chain-trough conveying assembly, a polyvinyl chloride (PVC) friction belt, and a seed storage bin. The mechanism improved the driving force for seed filling by introducing a friction belt structure, solved the problem of arching and blockage, and enhanced the adaptability of the seed metering device to the morphology of sugarcane seed stems. The working principle of the seeding mechanism was systematically explained, and based on theoretical analysis, the core factors affecting seeding performance were identified as chain groove linear velocity, friction belt inclination angle, and friction belt linear velocity. The EDEM (engineering discrete element method) software, based on the discrete element method, conducted single-factor simulation experiments to reveal the influence patterns of various parameters on the seed filling qualification index and the missing filling index. Furthermore, the interaction between parameters was quantitatively analyzed through orthogonal experiments using the response surface method (box Behnken, BBD). The results show that the linear velocity of the sugarcane trough is the primary influencing factor. The optimal parameter combination is a friction belt inclination angle of 59.84°, a friction belt linear velocity of 0.63 m/s, and a sugarcane trough linear velocity of 0.10 m/s. Under these conditions, the filling qualification index of the simulation model reaches 99.01%, and the missing filling index is only 0.99%. Bench test results indicate that the average filling qualification index of the mechanism is 94.8%, and the missing filling index is 5.2%, verifying that the proposed composite seeding mechanism has good operational performance.

Graphical abstract

关键词

蔗种 / 排种器 / 离散元法 / 预切种

Key words

sugarcane seed / seed arrangement mechanism / discrete element method / pre-cutting

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刘姣娣, 陈建龙, 邢钇浩, 许洪振, 邓惜时, 杜笑隆. 预切种甘蔗链槽带式复合排种机构设计与试验[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(12): 4979-4990 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504213

LIU Jiao-di, CHEN Jian-long, XING Yi-hao, XU Hong-zhen, DENG Xi-shi, DU Xiao-long. Design and Experiment of the Chain-trough Belt Type Composite Seed Arrangement Mechanism for Pre-cut Sugarcane[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(12): 4979-4990 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2504213

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根据联合国粮农组织统计数据,2024年,全球甘蔗种植面积约2.67×10¹¹ m²,中国甘蔗种植面积约为1.27×10¹⁰ m²,占全球总面积的4.74%,位居世界第四位^[1]。甘蔗作为中国制糖产业的核心原料,其产糖量占全国食糖总产量的90%以上,对保障国家食糖安全供给具有重要意义^[2]。其中,广西壮族自治区(以下简称广西)作为中国最大的甘蔗主产区,其甘蔗种植面积占全国总面积的60%以上,食糖产量占比超过全国总量的60%,长期稳居全国糖料蔗生产核心基地地位^[3],对维护国家食糖产业稳定发展发挥着关键作用。然而,当前广西甘蔗种植机械化水平仍存在提升空间。根据广西壮族自治区工业和信息化厅2025年12月发布的最新数据,全区甘蔗耕种收综合机械化率预计达73%,但种植环节的机械化率(即机械化种植率)尚未达到同等水平,仍面临技术瓶颈^[4]。具体而言,传统整秆实时切种模式因人工依赖度高、劳动强度大、播种均匀性差及芽苗损伤率高等问题^[5-7],制约了甘蔗种植效益与出苗质量。相较之下,预切种式种植技术因具备伤芽率低、种苗筛选可控、发芽率高及用种量经济等优势^[8-10],成为甘蔗种植机械化升级的重要方向。但由于甘蔗种茎存在形态特征差异、易成拱堆积、充种力不足等问题,导致现有排种机构普遍面临卡种、漏种等技术难题,造成预切种播种作业中漏种率高、均匀度差等问题,严重限制了该技术的推广应用。

针对上述挑战,中外学者围绕甘蔗排种机构开展了多维度研究。现有主流排种装置可分为链槽式、链勺式、辊式及振动式四大类^[11]。苏微等^[12]针对目前预切种式排种器普遍存在充种效果差、合格指数低等问题设计了一种链勺式甘蔗排种机构,由安装在提升链上的蔗勺从种箱中捞取蔗种后随传动链提升至投种口投种。李尚平等^[13]针对目前预切种式宽窄行甘蔗种植机排种系统存在漏种率高、卡种堵塞严重等问题设计了一种单辊排种器,降低了堵塞率。麻芳兰等^[14]针对预切种式甘蔗横向播种技术难题,研制了一种链槽式甘蔗横向排种器,蔗种在自身重力及其他蔗种影响下填充到输送链上的蔗槽中。黄敞等^[15]研究了振动式蔗种输送装置,其工作原理是利用偏心轮使种箱振动,确保种箱内蔗种顺利排出,进入输送链条进行输送。尽管上述装置在特定场景下表现出一定效果,但其充种机制仍依赖种茎自重及群体间相互作用,导致充种过程随机性强、种群易成拱阻塞^[16],难以满足均匀排种的农艺要求。因此,改进排种机构,提升充排种性能,仍是实现蔗种高效排种的关键。基于此,针对现有排种装置充种效果差、合格指数低等难题,设计一种链槽带式复合排种机构。该机构通过引入摩擦带设计,有效缓解种茎成拱现象并增强充种驱动力,结合理论分析、离散元仿真与台架试验,探明影响排种性能的关键因素,优化参数组合,最终搭建样机台架对仿真结果进行试验验证。为甘蔗排种机构的优化设计提供新思路。

1 整体结构与工作原理

1.1 整体结构

预切种甘蔗种植机链槽带式复合排种机构主要由输送链、蔗槽、聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)制摩擦带、储种箱、亚克力挡板、滚珠丝杆升降台、电机、传动部件等组成,如图1所示。不同部件通过铝型材支架搭建为一体,其中的链槽与PVC制摩擦带间的配合工作是实现有序排种的关键。

1.2 工作原理

机构工作前,将预先切好的蔗种码放在储种箱内。储种箱底板具有水平倾角,并与滚珠丝杆升降台滑块固接。机构工作时,随着滚珠丝杆升降台缓缓上升,储种箱内的上层蔗种沿种箱右侧落种斜板滚落到排种区。排种区是由两条PVC制摩擦带,两侧半透明亚克力挡板及链槽围成的倒梯形区域。储种箱一侧摩擦带顺时针旋转而另一侧摩擦带则相反。蔗种落入排种区后在自身重力,摩擦带摩擦力及种茎间作用力共同作用下沿充种口填充至下方蔗槽内,完成充种过程。此后在电机带动下蔗槽内的蔗种沿输送链运输至最左侧,依靠自身重力掉落到落种口内,完成落种过程。

2 关键部件参数设计

2.1 PVC制摩擦带

确定摩擦带外形尺寸参数,明确排种区蔗种工作容量,对后续蔗种充种理论分析至关重要。

2.1.1 摩擦带辊筒轴心间距

摩擦带辊筒轴心间距与蔗种外形尺寸及排种区工作容量设定密切相关。选择桂糖44号作为研究对象。为满足农艺要求,在蔗种切段时确保每根蔗种拥有2个蔗芽,长度(l)统一为200 mm^[17]。随机选取100根蔗种进行测量,统计数据得蔗种直径分布在24~33 mm,为便于分析计算,取种茎平均直径(d)为30 mm。由《农业物料学》^[18]可知,当蔗种堆积时由于蔗种间存在孔隙,蔗种孔隙体积(V₁)与蔗种占据容器总体积(V₂)之比称为孔隙率(ε),关系式为

(1)ε=$\frac{{V}_{1}}{{V}_{2}}$

蔗种不同的堆积方式具有不同的孔隙率。相较于整齐码放的堆积方式,蔗种在V形储物空间内倾向于堆积得更紧密,因此孔隙率也更小,两种堆积方式截面如图2所示。经过计算可得蔗种紧密堆积时孔隙率(ε)约为14.8%。

设定排种区蔗种工作容量为50根,为保证机构工作时蔗种不会滚落到排种区外,需留有足够的空间冗余,则排种区蔗种极限容量设定为100根。将排种区近似看作如图3所示的倒梯形,根据梯形各边几何关系及蔗种间孔隙率有

(2)

$\left\{\begin{array}{l}\frac{2h({L}_{1}+{L}_{2})}{2}=\frac{100\mathrm{\pi }{r}^{2}}{1-\epsilon }\\ \frac{h}{{L}_{1}}=\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha \\ {L}_{3}=\frac{{L}_{1}}{\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }\end{array}\right.$

式(2)中:L₁为摩擦带水平投影长度,mm;L₂为落种口宽度,mm;L₃为摩擦带辊筒轴心间距,mm;α为摩擦带与水平面夹角,(°);h为排种区高度,mm;r为蔗种半径,mm。

整理得

(3)L₃=$\frac{-{L}_{2}+\sqrt{{L}_{2}^{2}+\frac{400\mathrm{\pi }{r}^{2}}{(1-\epsilon )\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha }}}{2\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }$

由式(3)可知,L₃具体取值与落种口宽度(L₂)及摩擦带与水平面夹角(α)有关。对于L₂要求落种口仅能容纳一根蔗种下落,则其应满足d<L₂<2d,考虑到蔗种直径大小不一且存在一定弯曲度,取L₂=45 mm。对于α,为保证排种区具有适宜大小的空间及便于计算,暂取α=60°,最佳取值后续将通过理论分析和仿真试验进行确定。带入相关参数得L₃=395 mm。

2.1.2 摩擦带宽度

为避免蔗种从储种箱落种斜板掉落到排种区时卡种,同时给予蔗种一定的横向活动空间,摩擦带宽度(L₄)应满足:

(4)l<L₄<l+d

综合考量取L₄=220 mm。

2.2 蔗槽

合理的蔗槽结构参数有助于蔗种顺利充种落种,提升对种茎形态适应性,减少排种过程中的卡种和伤种现象。蔗槽外形及尺寸参数如图4所示。

(1)蔗槽底板宽度(A)。蔗种平均直径(d)为30 mm,考虑蔗种直径分布及弯曲度,取蔗槽底板宽度(A)为30 mm。

(2)蔗槽翼板宽度(B)。过长的翼板宽度会减少输送链承载链槽的数量,降低排种效率;过短则使得蔗槽数量过于密集,出现蔗种还未到达充种位蔗槽便驶离充种口的情况,进而导致卡种、漏种。综合考虑取翼板宽度(B)为20 mm。

(3)蔗槽槽口宽度(C)和蔗槽深度(H)。与翼板宽度(B)同理,过长的蔗槽宽度和蔗槽深度不仅会减少输送链承载链槽的数量,还会导致待充种蔗种过多嵌入到已充种蔗槽的剩余空间内。随着蔗槽向左移动,待充种蔗种下部不得不从蔗槽内翻越到蔗槽右翼板。伤种距离越大,蔗种受到的挤压和摩擦力越大,导致损伤蔗皮或蔗芽,甚至卡种漏种。如图5所示。

因此蔗槽深度应小于蔗种平均直径且蔗槽口宽度不宜过大。为保证蔗种顺利充种,C设为40 mm,H设为25 mm。

(4)蔗槽侧板水平倾角(θ)。作为从动参数,蔗槽侧板水平倾角(θ)当前值约为79°。为不影响蔗种充种过程,应满足θ≥α,若不满足,则需通过更改蔗槽其他参数进行调整。后续将对此条件进行说明并验证。

(5)蔗槽长度(D)。蔗槽长度应略长于蔗种平均长度,取D长度为220 mm。

3 蔗种充投种过程理论分析

充种过程中蔗种与蔗种间、蔗种与摩擦带间及蔗种与蔗槽间相互影响,组成复杂的动力学系统。为充分了解充投种过程,明确影响充投种性能的关键部件参数,需对充种和投种过程进行分析。

3.1 蔗种充种过程力学分析

在摩擦带的作用下,最左侧的蔗种层依次填充到蔗槽内,为充种层;在充种层蔗种消耗后中间部分蔗种向充种层流动补充,为备种层;最右侧的蔗层受到向上的摩擦力,有逆向移动趋势,为逆流层。为简化分析,将蔗种视为均匀圆柱体并简化排种机构,对待充种蔗种进行受力分析,如图6所示。

以空蔗槽左侧板顶点与待充种蔗种质心共垂线为分界线,将充种过程分为预充种阶段和充种阶段。在预充种阶段,受摩擦带与水平夹角(α)的影响,充种层蔗种数存在变动,设充种层蔗种数为n,由式(3)得

(5)n=$\frac{-{L}_{2}+\sqrt{{L}_{2}^{2}+\frac{400\mathrm{\pi }{r}^{2}}{(1-\epsilon )\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha }}}{2d\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }$

为便于分析,将充种层外的蔗种视为一个整体,如图7所示。

则有

(6)

$\left\{\begin{array}{l}N=\frac{G}{2n\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha }\\ G=(50-n)mg\\ {F}_{\mathrm{f}}=(n-1){\mu }_{1}(mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +N)\\ F=nmg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \end{array}\right.$

式(6)中:N为充种层单根蔗种受法向压力大小,N;G为非充种层蔗种总重力,N;m为单根蔗种质量,kg;g为重力加速度值,m/s²;F_f为待充种蔗种所受摩擦总力,N;μ₁为蔗种与摩擦带静摩擦因素;F为待充种蔗种受到沿摩擦带方向的充种层蔗种重力总分力,N。

在充种阶段,失去蔗槽翼板支撑的待充种蔗种在自身重力和充种层蔗种挤压下向下方蔗槽填充。由于待充种蔗种仅存在自身重力,而其余充种层蔗种还额外受到摩擦带斜向下的滑动摩擦力,因此充种层各蔗种加速度a_n大小关系有

(7)a₁≪a₂=a₃=…=a_n

故可将待充种蔗种视为在其他蔗种推动下作直线加速移动,方向为沿摩擦带向下,取a₁=a₂=…=a_n=a,即当充种层蔗种速度加速至与摩擦带线速度一致时,两者间的滑动摩擦力消失,又由于单一蔗种沿摩擦带方向重力分力小于摩擦带对其静摩擦力,所以摩擦带与充种层蔗种匀速同步移动,此时待充种蔗种不再受充种层蔗种影响并在自身重力作用下下落,具体运动过程如图8所示。

直线加速移动距离与摩擦带速度(v_m)及摩擦带与水平夹角(α)有关,v_m越大,α越小,加速直线移动距离也越大。为保证充种效率,取直线加速移动距离为x₁,当待充种蔗种质心越过蔗槽口水平线而蔗种不与蔗槽右侧壁产生干涉,视为蔗种充种成功。假设蔗槽移动速度足够慢,即v_c→0,若直线加速距离过长,导致充种过程蔗种与蔗槽发生干涉,仍会存在卡种现象。若不卡种,需有

(8)

$\left\{\begin{array}{l}{x}_{2}+r<C\\ \frac{r}{{x}_{2}}=\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha \end{array}\right.$

式(8)中:x₂为充种蔗种水平移动距离,mm;r为蔗种半径,mm。

整理得

(9)α>arctan$\frac{r}{C-r}$

代入相关数据得α>30.9°,因此摩擦带与水平夹角至少为30.9°,然而在工作状态下,蔗槽存在一定速度而不可能趋近为零,因此为保证蔗种能顺利充种,取α≥45°,此时满足前文蔗槽侧板水平倾角θ所提条件θ≥α,具体数值通过EDEM仿真确定。

结合式(5)~式(9)可得,蔗种直线加速过程中摩擦带线速度v_m和直线加速移动距离x₂存在关系

(10)

$\left\{\begin{array}{l}a=\frac{{\mu }_{1}(mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +N)+mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }{m}\\ {x}_{1}=\frac{r}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }=\frac{a{t}^{2}}{2}\\ {v}_{\mathrm{m}}\le at\end{array}\right.$

式(10)中:t为蔗种直线加速移动时间,s。

整理得

(11)v_m≤$\sqrt{\frac{2r\left[{\mu }_{1}\right(g\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha +N)+g\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha ]}{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha }}$

由式(11)可知,摩擦带线速度大小是影响蔗槽能否稳定充种的重要因素。当α取值最小时,直线加速距离最长,此时摩擦带线速度应取最大值,取α=45°,代入式(5)得此时充种层蔗种数n为9,分别代入式(11)得v_m≤1.13 m/s。具体数值后续将通过EDEM确定。

3.2 蔗种投种过程力学分析

蔗种填充至蔗槽后随输送链运输到落种口,蔗槽翻转后蔗种在自身重力作用下掉落到落种口内完成投种,其投种过程受力如图9所示。

为确保蔗种投种过程中不从蔗槽甩出而与落种口挡板发生碰撞,导致投种姿态变动,影响播种效果^[19],应满足条件:

(12)

$\left\{\begin{array}{l}{f}_{2}+mg\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \ge {F}_{\mathrm{r}}\\ {F}_{\mathrm{N}}=mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \\ {F}_{\mathrm{r}}=\frac{m{v}_{\mathrm{c}}^{2}}{R}\\ {f}_{2}={\mu }_{2}mg\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta \end{array}\right.$

式(12)中:F_N为蔗槽对蔗种支持力,N;f₂为蔗种与蔗槽间摩擦力,N;F_r为蔗种惯性离心力,N;R为蔗种质心回转半径,m;μ₂为蔗种与蔗槽静摩擦因数;β为蔗种重力与蔗槽对蔗种支持力夹角,(°)。

整理得

(13)v_c≤$\sqrt{Rg({\mu }_{2}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\beta +\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta )}$

由式(13)可得,链槽线速度v_c是影响蔗种能否稳定投种的重要因素,且与蔗种质心回转半径R、蔗种与蔗槽间静摩擦因数(μ₂)及蔗种重力与蔗槽对蔗种支持力夹角(β)有关。参考链轮传动设计标准并结合蔗槽厚度取蔗种质心回转半径(R)为 0.06 m;蔗槽材质为钢制,取β角函数,即

(14)f(β)=Rg(μ₂cosβ+sinβ)

令其导函数

(15)$\frac{\mathrm{d}f\left(\beta \right)}{\mathrm{d}\beta }$=Rg(cosβ-μ₂sinβ)=0

得到β≈67°,当0°<β<67°时,df(β)/dβ>0;当67°<β<90°时,df(β)/dβ<0。考察函数性质可知,f(β)为先递增后递减的凸函数,又f(0°)<f(90°),故β=0°时f(β)取得最小值,此时蔗槽左侧壁与水平面平齐,重力分力最小,蔗种最易发生甩出现象,故取β=0°作为计算临界角。查阅文献[20]可知,蔗种与钢制蔗槽间静摩擦因数μ₂为0.423,代入相关参数得v_c≤0.50 m/s,因此链槽线速度最大不宜超过0.50 m/s,否则将影响投种效果,具体数值后续将通过EDEM仿真确定。

4 仿真试验

4.1 建立仿真模型

为明确摩擦带倾角、摩擦带线速度和蔗槽线速度三因素参数范围,进行基于离散元法的EDEM(engineering discrete element method)单因素仿真试验。以新台糖44号双芽段蔗种为参考,采用多球聚合模型,按照平均直径、长度尺寸建立蔗种的颗粒模型,如图10所示。

为减少仿真过程计算量,将链槽简化为水平移动的足够长的蔗槽带,使用SolidWorks三维建模软件对蔗槽进行建模后转为IGS格式导入EDEM中,通过软件中Add Kinematic模块的Add Linear Translation功能实现蔗槽的水平移动动作。摩擦带和挡板则简化为一平面,利用仿真软件自带的建模功能按实际尺寸建立并添加相应的离散元仿真参数^[20],具体如表1所示。

使用moving plane模块内的active planes功能实现摩擦带摩擦面移动动作。由于蔗种、挡板和摩擦带表面均无黏附力,选用Hertz-Mindlin无滑动接触模型作为颗粒间及颗粒与模型间的接触模型^[21]。在排种区上方添加颗粒工厂,设定一定的颗粒生产速度来模拟种箱供种装置,当排种区内堆积蔗种数达到50时蔗槽开始移动充种,仿真总时长设定为45 s。

4.2 试验指标

基于前文的理论分析,摩擦带倾角、摩擦带线速度和蔗槽线速度分别取45°、1.1 m/s、0.5 m/s作为起始试验参数。为充分揭示不同参数对机构排种性能的影响,利用EDEM后处理功能中setup selections模块内的geometry bin功能分别在充种层和落种口处建立监测器^[22],如图11所示。通过获取不同试验参数下充种层蔗种与摩擦带间的总切向力(以下简称总切向力)和待充种蔗种充种过程平均速度,结合充种合格(蔗槽充入蔗种)指数(Y₁)、漏充(蔗槽未充入蔗种)指数(Y₂)综合评估机构充种性能。总切向力和待充种蔗种充种过程平均速度越大,说明充种层蔗种所受充种力越大,待充种蔗种充种过程越快,充种性能越好。

4.3 单因素仿真试验

4.3.1 摩擦带倾角

根据式(9)计算结果,摩擦带倾角优取45°、50°、55°、60°、65°五水平进行单因素仿真试验,摩擦带线速度设为0.6 m/s,蔗槽线速度设为0.3 m/s,每组试验重复三次,取平均值。仿真结果如表2所示。

由表2可知,随着摩擦带倾角的增加,充种合格指数呈现先增加后减少的趋势,漏充指数则相反。为深入揭示这一变化趋势的原因,通过监测器1和监测器2分别导出排种过程充种层与摩擦带间总切向力和待充种蔗种充种过程平均速度状态加以分析,数据写出时间间隔设置为0.5 s,时间变化曲线如图12所示。

由图12可知,随着摩擦带倾角的增加,待充种蔗种平均充种速度也逐渐增加,并在倾角达到60°后趋于稳定。总切向力总体也呈增加趋势,当倾角为60°时,总切向力曲线波动最小,最平稳,充种合格率达91.85%,表明此时充种层蔗种与摩擦带贴合较为紧密,充种过程平稳顺畅。当倾角为65°时,总切向力整体增大,曲线波动开始增加,究其原因是:摩擦带倾角增大到一定程度后缩减了排种区蔗种的容纳量使得蔗种纵向堆积高度变大,降低了蔗种间的堆积紧密度,进而导致充种层蔗种沿摩擦带的法向跃动增大,影响充种效果。因此为保证充种过程的平稳进行,摩擦带倾角取55°~65°较为合适。

4.3.2 摩擦带线速度

摩擦带线速度作为影响充种层蔗种充种效率与稳定性的关键参数,其选择对排种机构性能提升具有重要意义。为研究不同摩擦带速度对充种性能的影响,优选0.3、0.6、0.9、1.1 m/s进行试验,摩擦带倾角设为60°,蔗槽线速度设为0.3 m/s。每组试验重复三次,结果取平均值。仿真结果如表3所示。

结果(表3)显示,当摩擦带线速度介于0.3~0.9 m/s时,充种合格指数逐渐增加;当速度介于0.9~1.1 m/s时,充种合格指数降低,可见过快的摩擦带线速度影响了充种效果。为进一步研究摩擦带线速度大小对充种性能的影响,利用EDEM后处理功能导出不同摩擦带线速度情况下充种层蔗种平均速度随时间变化的曲线,如图13所示。

从图13可以看出,随着摩擦带线速度的增加,充种层蔗种平均速度也随之增加,其仿真全程均值分别为0.21、0.28、0.35、0.43 m/s。当蔗槽翼板移动到充种口时,充种层蔗种过快的速度更易推动待充种蔗种沿着翼板向逆流层滑动,导致下一个待充种的空蔗槽无蔗种充入,最终降低了充种合格率。为保证充种效率和合格率,取摩擦带线速度0.3~0.9 m/s。

4.3.3 蔗槽线速度

为探究蔗槽速度对充种性能的影响,保证充种过程稳定高效进行,优取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 m/s进行试验。摩擦带倾角取60°,摩擦带线速度取0.6 m/s。每组试验重复三次,结果取平均值。仿真结果如表4所示。

结果(表4)表明,当蔗槽线速度足够慢时,蔗种拥有充足的充种时间,充种合格率最高接近百分百。随着蔗槽线速度的提高,充种合格率逐渐下降且幅度越来越大,原因是较快的蔗槽线速度使得待充种蔗种质心还未穿越蔗槽口水平线便与蔗槽右侧壁发生干涉,导致蔗种被反挤出充种口,造成漏种甚至卡种。综合考虑充种效率与合格率,蔗槽线速度取0.1~0.3 m/s。

通过EDEM仿真试验,确定了各因素最佳取值范围分别为摩擦倾角55°~60°、摩擦带线速度0.3~0.9 m/s、蔗槽线速度0.1~0.3 m/s。

4.4 Box-Behnken响应面正交试验

为明确摩擦带倾角、摩擦带线速度及蔗槽线速度三者间的交互作用对充种性能的影响,确定最优因素参数组合,进行三因素三水平的响应面正交试验^[23-25]。每组试验重复三次,结果取平均值。试验编码及结果分别如表5、表6所示。

利用design-expert软件对充种合格指数试验数据进行方差分析,结果如表7所示。数据显示,模型P小于0.000 1,说明整体模型高度显著;失拟项 P=0.465 2,不显著,说明模型无其他影响充种合格率的因素遗漏。摩擦带倾角、摩擦带线速度及蔗槽线速度对充种合格率均有显著影响,主次顺序为:C蔗槽线速度、A摩擦带倾角、B摩擦带线速度。

剔除不显著交互项BC(摩擦带线速度—蔗槽线速度)后得到充种指数Y₁和漏充指数Y₂的回归模型方程式为

(16)Y₁=97.67+0.98A+0.91B-2.66C-1.16AB+1.38AC-7.70A²-2.98B²-1.36C²

(17)Y₂=2.34-0.99A-0.89B+2.65C+1.15AB-1.38AC-0.38BC+7.69A²+2.98B²+1.35C²

如图14所示为通过design-expert软件对数据进行绘制得到影响因素两两交互作用的充种合格指数Y₁响应曲面。图14(a)中蔗槽线速度固定为0.2 m/s,随着摩擦带倾角的提升,充种效率得到提升,充种过程较为平稳,充种合格指数均呈增加趋势。当倾角继续增大时,充种层蔗种法向跃动增大,影响了充种效果,导致充种合格指数下降。随着摩擦带线速度的提升,充种合格率也呈先增后减的趋势,原因是合适的摩擦带线速度有利于提升充种效率,提高充种性能,但速度过快时容易导致待充种蔗种越过充种口导致漏种。充种合格指数约在摩擦带倾角为60°及摩擦带线速度为0.6 m/s相交处取得极大值。图14(b)中充种合格指数随摩擦带倾角的增加呈先增后减的趋势,随蔗槽线速度的增加呈下降趋势,原因是蔗槽线速度越小,蔗种拥有越充足的充种时间,当蔗槽速度增大时缩减了蔗种充种时间预算,降低了蔗种充种成功的概率。充种合格指数约在摩擦带倾角为60°及蔗槽线速度为0.1 m/s相交处取得最大值。图14(c)中摩擦带倾角固定为60°,充种合格指数随摩擦带线速度和蔗槽线速度的提升均呈先增后减的趋势,具体原因如前所述。由响应面曲率变化梯度可知蔗槽线速度对充种合格指数的影响比摩擦带线速度的影响更为显著。充种合格指数约在摩擦带线速度为0.6 m/s及蔗槽线速度为0.1 m/s相交处取得极大值。

4.5 参数优化

为获取最佳因素参数组合,保证机构最佳工作状态,以充种合格指数最高、漏充指数最低为优化目标,结合各因素取值范围,得到目标函数和约束条件为

(18)

$\left\{\begin{array}{l}\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}{Y}_{1}(A,B,C)\\ \mathrm{m}\mathrm{i}\mathrm{n}{Y}_{2}(A,B,C)\\ 55°\le A\le 65°\\ 0.3\mathrm{m}/\mathrm{s}\le B\le 0.9\mathrm{m}/\mathrm{s}\\ 0.1\mathrm{m}/\mathrm{s}\le C\le 0.3\mathrm{m}/\mathrm{s}\end{array}\right.$

使用design-expert软件对目标函数进行求解得到当摩擦带倾角为59.84°、摩擦带线速度为0.63 m/s、蔗槽速度为0.1 m/s时,充种合格指数最高,为99.01%,漏充指数最低,为0.99%。若将优化方式改为充种合格指数目标值为96%,可以得到81种不同参数组合,其中蔗槽速度最高可达0.25 m/s,在有效提升排种效率的同时保持较高的充种合格率,提供不同参数组合选择。

5 台架验证试验

5.1 预切种式甘蔗排种机构样机

根据仿真优化结果研制预切种式甘蔗排种机构样机进行试验验证,简化后的台架整机如图15所示。

5.2 室内验证试验

试验选用桂糖44号作为试验蔗种,选用不同种径或带有一定弯曲度的蔗种进行试验,采用手动补种的方式模拟补种装置。摩擦带布置倾角为59.8°,采用两台步进电机分别控制摩擦带线速度和蔗槽线速度为0.63 m/s和0.1 m/s,以充种合格率作为试验评价指标,每组试验排种100根,共5组,试验地点为桂林理工大学机械工程实验室。试验结果如表8所示,结果表明:排种机构平均充种合格率为94.8%,漏充率为5.2%,与仿真最优参数下的充种合格指数存在一定偏差,对偏差来源进行分析可知主要有以下3个原因:①将蔗种离散元仿真模型简化为均匀粗细且笔直的外形,但实际试验蔗种存在一定弯曲度且无法保证粗细均匀,导致排种效果下降;②简易试验台架未加装对摩擦带及链槽的张紧承重装置,导致在蔗种群重力下压下出现细微形变,影响充种效果,此问题将在后续台架的改进中得到解决;③试验用蔗种在储存过程中受环境影响其质量、外皮摩擦特性等发生了变化,进而影响充种效果。总体上装置试验充种过程平稳,机构对不同蔗种形态适应性强,满足预切种式甘蔗排种机构性能要求。

6 结论

(1)针对现有预切种式甘蔗种植机排种机构存在的充种力不足,易成拱堵塞,充种效果差等问题,设计了一种链槽带式复合排种机构。通过对蔗种充投种过程进行理论分析,明确了影响充种性能的主要因素分别是摩擦带倾角、摩擦带线速度及蔗槽线速度。

(2)基于EDEM进行的单因素仿真试验明确了各因素较优取值范围分别为:摩擦带倾角取55°~65°、摩擦带线速度取0.3~0.9 m/s、蔗槽线速度取0.1~0.3 m/s。通过BBD响应面正交试验确定了各因素最优参数组合为摩擦带线倾角取59.84°、摩擦带线速度取0.63 m/s、蔗槽线速度取0.1 m/s,此时充种合格指数为99.01%,漏充指数为0.99%。

(3)以最优参数组合为参考搭建蔗种排种样机台架进行试验验证。最优参数组合下的排种机构充种合格指数为94.8%,漏充指数为5.2%。结果表明设计的链槽带式复合排种机构能够解决集聚种群易成拱堵塞的问题,对甘蔗种茎形态特征差异适应性强,排种性能较好,证明了机构的有效性。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	联合国粮农组织. 粮农组织统计数据库[DB/OL]. (2025-12-31)[2026-01-26]. https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL.

[2]	Food and Agriculture Organization of the United Nations. FAOSTAT[DB/OL]. (2025-12-31)[2026-01-26]. https://www.fao.org/faostat/en/#data/QCL.

[3]	王劼, 王灿雄, 朱朝枝. 基于面板模型的我国蔗糖产业国内竞争力分析[J]. 南方农业学报, 2018, 49(4): 812-817.

[4]	Wang Jie, Wang Canxiong, Zhu Chaozhi. Analysis of domestic competitiveness of China 's sucrose industry based on panel model[J]. Journal of Southern Agriculture, 2018, 49(4): 812-817.

[5]	李杨瑞. 广西甘蔗创新与展望[J]. 广西农学报, 2019, 34(4): 1-7.

[6]	Li Yangrui. Innovation and prospect of sugarcane in Guangxi[J]. Journal of Guangxi Agriculture, 2019, 34(4): 1-7.

[7]	广西壮族自治区工业和信息化厅. 智慧农机推动农业从“靠天吃饭”迈向“知天而作”[EB/OL]. (2025-12-16)[2026-01-26]. http://gxt.gxzf.gov.cn/wzsy/zwdt/gsgy_82316/t26858491.shtml.

[8]

Guangxi Zhuang Autonomous Region Department of Industry and Information Technology. Smart agricultural machinery promotes agriculture from “depending on heaven for food” to “working with knowledge of heaven”[EB/OL]. (2025-12-16)[2026-01-26]. http://gxt.gxzf.gov.cn/wzsy/zwdt/gsgy_82316/t26858491.shtml.

[9]	龚建华, 龙忠芳. 甘蔗种植机械化的发展与应对措施[J]. 南方农机, 2017, 48(13): 23, 31.

[10]	Gong Jianhua, Long Zhongfang. The development and countermeasures of sugarcane planting mechanization[J]. China Southern Agricultural Machinery, 2017, 48(13): 23, 31.

[11]	丘少锋, 庞少欢, 凌鸿, 等. 甘蔗机械种植不同下种模式的试验分析[J]. 广西农业机械化, 2015, 191(1): 15-16.

[12]	Qiu Shaofeng, Pang Shaohuan, Ling Hong, et al. Experimental analysis of different planting modes of sugarcane mechanical planting[J]. Guang Xi Agricultural Mechanization, 2015, 191(1): 15-16.

[13]	张超. 我国甘蔗种植机械化技术的应用[J]. 农业开发与装备, 2018(11): 183.

[14]	Zhang Chao. Application of sugarcane planting mechanization technology in China[J]. Agricultural Development & Equipments, 2018(11): 183.

[15]	陆秋懿, 李瑞, 郑再象, 等. 新型甘蔗种植机的设计与样机试验[J]. 农机化研究, 2020, 42(2): 79-84.

[16]	Lu Qiuyi, Li Rui, Deng Zaixiang, et al. Design and prototype test of new sugarcane planter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2020, 42(2): 79-84.

[17]	董学虎, 刘信鹏, 李明, 等. 我国甘蔗生产全程机械化发展趋势分析[J]. 农业开发与装备, 2018(12): 22-23.

[18]	Dong Xuehu, Liu Xinpeng, Li Ming, et al. Development trend analysis of sugarcane production mechanization in China[J]. Agricultural Development & Equipments, 2018(12): 22-23.

[19]	张升芬. 浅谈甘蔗种植机械化技术的推广与应用[J]. 南方农业, 2020, 14(21): 150-151.

[20]	Zhang Shengfen. Discussion on the promotion and application of sugarcane planting mechanization technology[J]. South China Agriculture, 2020, 14(21): 150-151.

[21]	麻芳兰, 梁叶杭, 李尚平, 等. 预切式甘蔗横向种植机供种装置的改进设计与试验研究[J]. 农机化研究, 2022, 44(5): 176-182.

[22]	Ma Fanglan, Liang Yehang, Li Shangping, et al. Improved design and experimental research on seed supply device of pre-cut sugarcane transverse planter[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2022, 44(5): 176-182.

[23]	苏微, 洪方伟, 赖庆辉, 等. 预切种甘蔗勺链式排种器设计与试验[J]. 农业机械学报, 2020, 51(10): 87-97.

[24]	Su Wei, Hong Fangwei, Lai Qinghui, et al. Design and test of pre-cutting and spoon seed-metering device for sugarcane[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2020, 51(10): 87-97.

[25]	李尚平, 黄宗晓, 张伟, 等. 预切种式宽窄行甘蔗种植机单辊排种系统设计与试验[J]. 农业机械学报, 2020, 51(4): 113-121.

[26]	Li Shangping, Huang Zongxiao, Zhang Wei, et al. Experiments and design on single-rolled seed-sowing system of pre-seed-cutting sugarcane planters with wide and narrow row spacing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2020, 51(4): 113-121.

[27]	麻芳兰, 刘天翔, 李尚平, 等. 预切种式甘蔗横向排种器设计与试验[J]. 农业机械学报, 2020, 51(7): 72-81.

[28]	Ma Fanglan, Liu Tianxiang, Li Shangping, et al. Design and test of transverse transplanter for pre-cut sugarcane[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2020, 51(7): 72-81.

[29]	黄敞, 刘江平, 董学虎, 等. 新型甘蔗种植机关键部件设计[J]. 广东农业科学, 2014, 41(22): 151-154, 237.

[30]	Huang Chang, Liu Jiangping, Dong Xuehu, et al. Design of key components of a new-type sugarcane planter[J]. Guangdong Agricultural Sciences, 2014, 41(22): 151-154, 237.

[31]	任杰, 韩阳. 粮食结拱机理及防范技术研究现状[J]. 河南科技, 2015(13): 102-104.

[32]	Ren Jie, Han Yang. Research status of grain arching mechanism and prevention technology[J]. Henan Science & Technology, 2015(13): 102-104.

[33]	中华人民共和国农业农村部. 甘蔗种茎生产技术规程:NY/T1785—2009[S]. 北京: 中国标准出版社, 2009.

[34]	Ministry of Agriculture and Rural Affairs of the People's Republic of China. Technical regulations for seedcane culture: NY/T 1785—2009[S]. Beijing: China Standards Press, 2009

[35]	马云海. 农业物料学[M]. 北京: 化学工业出版社, 2015.

[36]	Ma Yunhai. Physical properties of agricultural materials[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2015.

[37]	陈林涛, 刘兆祥, 牟向伟, 等. 预切种式木薯排种机构设计与试验[J]. 农业工程学报, 2023, 39(13): 55-67.

[38]	Chen Lintao, Liu Zhaoxiang, Mou Xiangwei, et al. Design and test of a seeding mechanism for pre-cut cassava seeding[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2023, 39(13): 55-67.

[39]	钟家勤, 陶利民, 李尚平, 等. 清种补种上提式甘蔗排种器设计与试验[J]. 农业工程学报, 2023, 39(13): 43-54.

[40]	Zhong Jiaqin, Tao Limin, Li Shangping, et al. Design and experiments of a seed clearing, reseeding and elevating type seed Metering device for sugarcane[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2023, 39(13): 43-54.

[41]	刘强, 张茜茜, 刘涛, 等. 基于EDEM的粮食立筒仓卸料动态侧压力研究[J]. 科学技术与工程, 2023, 23(32): 13927-13933.

[42]	Liu Qiang, Zhang Qianqian, Liu Tao, et al. Dynamic lateral pressure of grain silo discharge based on EDEM[J]. Science Techno-logy and Engineering, 2023, 23(32): 13927-13933.

[43]	牟向伟, 陈林涛, 马旭, 等. 预切种振动供种式木薯播种器勺链排种机构设计与试验[J]. 农业机械学报, 2023, 54(2): 20-31, 72.

[44]	Mou Xiangwei, Chen Lintao, Ma Xu, et al. Design and experiment of spoon chain seed metering mechanism of precutting vibration seed feeding cassava planter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural, 2023, 54(2): 20-31, 72.

[45]	许洪振, 杜笑隆, 刘姣娣, 等. 基于旋转正交试验的甘蔗切种刀具参数优化[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(13): 5384-5393.

[46]	Xu Hongzhen, Du Xiaolong, Liu Jiaodi, et al. Optimization of sugarcane seed cutting tool parameters based on orthogonal test[J]. Science Technology and Engineering, 2025, 25(13): 5384-5393.

[47]	丘燊, 张国梁, 曾昭宇, 等. 基于正交试验法的挤扩支盘桩加固公路软基参数敏感性[J]. 科学技术与工程, 2024, 24(29): 12675-12683.

[48]	Qiu Shen, Zhang Guoliang, Zeng Zhaoyu, et al. Sensitivity for factors of squeezed branch piles in soft foundation reinforcement of highway based on orthogonal test method[J]. Science Technology and Engineering, 2024, 24(29): 12675-12683.

[49]	王仁远, 朱永全, 高焱, 等. 基于正交试验的高海拔寒区隧道温度场影响因素及防冻措施[J]. 科学技术与工程, 2021, 21(19): 8225-8233.

[50]	Wang Renyuan, Zhu Yongquan, Gao Yan, et al. Orthogonal test on influencing factors of tunnel temperature field in high altitude and cold region and study on anti-freezing measures[J]. Science Technology and Engineering, 2021, 21(19): 8225-8233.

基金资助

国家自然科学基金(52265028)

广西省自然科学基金(2021GXNSFAA220102)

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Received	Published	Revised
2025-06-06	2026-04-28	2025-11-26
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2026-05-29

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