谷子穴播机勺链式导种装置纳种投种过程分析

Analysis of the seed receiving and throwing process of a spoon‐chain‐type seed guiding device for a grain hole seeder

摘要

目的 分析谷子穴播机勺链式导种装置的纳种投种过程，为进一步提高勺链式导种装置的工作性能提供参考。 方法 阐述了勺链式导种装置总体结构与工作原理，建立了纳种过程谷粒速度方向角和速度与型孔轮转速、正压吹力之间的关系模型，以及投种过程投种高度与播种机前进速度、勺链角速度、种勺距链轮旋转轴轴心距离、勺链底部距沟底距离的关系模型。分析了纳种过程谷粒第1次碰到种勺时速度随下落高度的变化规律，明确了投种阶段谷粒落种高度与播种机前进速度等相关参数的相互关系。结合单因素试验与高速摄像技术探究了排种器转速、正压吹力对谷粒脱离排种器排种过程和导种链轮转速、投种高度对导种装置投种过程的影响规律。 结果 理论分析表明，谷粒从排种口下落至种勺过程中，当正压吹力在0~1 kPa时，伴随型孔轮转速增加速度方向角变化较为平缓，为61°~62°。当型孔轮转速在10~20 r/min时，伴随正压吹力增加谷粒速度方向角变化较快，为61°~67°。谷粒从种勺下落至种床过程中，投种高度随着勺链转速增加而呈上凸型抛物线增加趋势，且随着播种机前进速度的增大，落种高度差从50 mm左右减少至20 mm左右。高速摄像测定试验表明，正压吹力越大，谷粒从排种器正面与侧面下落时的分布离散程度加剧，并且在相同落种高度下，正面下落种子偏移情况较侧面更加严重。随排种器转速的增加，谷粒群在排种器水平方向纳种轨迹的离散程度均有所增加，但趋势并不明显。投种高度在10~50 mm时，谷粒轨迹在导种装置的正面与侧面包含垂线、斜线两种。随链轮转速的增加，下落谷粒在导种装置水平方向的聚拢性逐渐变差。 结论 结合理论分析、高速摄像技术以及台架试验等方法阐明了谷子穴播机勺链式导种装置的纳种及投种机理，为后续装置结构及其工作参数优化提供了理论支撑。

Abstract

Objective This study analyzed the seed receiving and throwing process of a spoon-chain-type seed guiding device for a grain hole seeder，aiming to provide a reference for further improving its working performance. Method The overall structure and working principle of the spoon-chain-type seed guiding device were described.Relationship models were established for the speed and speed direction angle of millet versus the hole wheel speed and the positive pressure blowing force of the air nozzle on millet during the seed receiving process，and for the throwing height versus the forward speed of the seeder，the angular speed of the spoon chain，the distance from the seed spoon and the sprocket rotation axis，and the distance from the bottom of the spoon chain to the bottom of the ditch during the seed throwing process，and the change law of the speed of millet with the fal-ling height when it first touched the spoon in the seed receiving process was analyzed，and the interrelationships among the seed falling height at the seed throwing stage of the millet and related parameters such as the forward speed of the seeder were clarified.Using single-factor tests and high-speed camera technology，the effects of the seed-metering device speed and positive pressure blowing force on the seed detachment process from the seed-metering device，and the effects of the sprocket speed and the throwing height on the seed throwing process of the seed guide device were investigated. Result The theoretical analysis showed that during the process of seeds falling from the seed-metering device to the seed spoon，when the positive pressure blowing force was between 0-1 kPa，the change in speed direction angle with the increase in rotational speed of the hole wheel was relatively smooth，ranging from 61°-62°.When the speed of the hole wheel was 10-20 r/min，the change in the speed direction angle of millet was relatively rapid as the positive pressure blowing force increased，ranging from 61°-67°.In the process of seed falling from the seed spoon to the seedbed，the throwing height increased in a convex parabola as the sprocket speed increased，and the variation in throwing height decreased from about 50 mm to about 20 mm with the increase of the forward speed of the seeder.High-speed camera measurement showed that the greater the positive pressure blowing force，the more discrete the distribution of seeds falling from the front and side of the seed-metering device；under the same seed falling height，the deviation of seeds falling from the front was more serious than that from the side.With the increase of the seed-metering device speed，the horizontal dispersion of seed trajectories increased，but the trend was not obvious. When the throwing height was 10-50 mm，the trajectories on both the front and side of the guiding device included vertical and oblique lines.With the increase of the rotation speed of the seed guide sprocket，the horizontal convergence of the falling grains gradually deteriorated. Conclusion Based on theoretical analysis，high-speed camera techno-logy and bench test，the seed receiving and throwing mechanism of the spoon-chain-type seed guiding device for a grain hole seeder was clarified，which provided theoretical support for the subsequent optimization of the device structure and working parameter optimization.

Graphical abstract

关键词

谷子穴播机 / 勺链式导种装置 / 纳种投种机理 / 高速摄像技术

Key words

grain hole seeder / spoon-chain-type seed guiding device / mechanism of seed receiving and throwing / high-speed camera technology

穴播是谷子常见的播种方式之一，谷子穴播要求穴播机将谷粒群按当地农艺要求的播种密度，以一定的穴粒数、穴距、行距、播深将谷粒播入预定土壤的种床位置^［1-3］。导种环节是穴播机工作过程中使谷粒入土保持均匀有序状态的末端环节之一，该环节影响着谷粒运移过程的有序状态及其田间分布的均匀性^［4-6］。谷粒从排种器排种口进入导种装置的过程中，容易在排种器与导种管连接处发生碰撞而异位，装置投种时，因谷粒之间的振幅差异而影响谷粒的运动速度与轨迹，导致谷粒落入种床时间出现异步，进而影响穴播播种的作业质量^［7-9］。

近年来，高速摄像技术被广泛用于农业机械播种技术领域，为观察与分析谷粒在播种装置内的运动以及投射规律提供了有效手段^［10-13］。ABDO-LAZARE等^［14］利用高速摄影技术设计了一种实时监控投种轨迹的仪器，该仪器可以监测播种精度与播种穴距并进行投种过程的动力学分析，但该设备仅针对单粒播种的气力式排种器适用，无法识别谷粒重叠现象。YAZGI 等^［15］采用高速摄像技术研究了棉花排种过程中籽粒的运动轨迹及排种均匀性，并探究了其内部作用规律，为关键投种部件设计提供了依据。TANG等^［16］为分析玉米籽粒在排种管内运动机制，采用CFD-DEM耦合模拟技术模拟种子下落过程，并结合高速摄像技术对种子运动过程进行验证研究，二者测定结果高度吻合。唐汉等^［17］设计并搭建了排种轨迹空间测定试验台，以排种器工作转速及倾斜角度为试验因素进行了单因素试验，测定了玉米籽粒落种轨迹的运移分布。XING等^［18］采用高速摄影技术对排种器谷子群投种轨迹进行了拍摄与分析，对比了理论与实际投种轨迹的差别，并分析了投种轨迹的影响因素。马成成等^［19］利用高速摄像技术探究了带式高速导种装置不同拨指轮转速及纳种角度下玉米籽粒的纳种速度与纳种轨迹，分析了投种高度和投种角度对投种过程的影响规律。但目前尚未见将高速摄像技术应用于谷子穴播机导种装置的研究报道，现有这些结合高速摄像技术和图像处理技术的研究为勺链式导种装置纳种与投种运动规律的分析提供了借鉴。

为明确气力机械组合式排种器对勺链式导种装置纳种过程以及导种装置主要参数对投种过程的影响，本研究建立了不同阶段谷粒动力学模型，理论分析了谷粒的轨迹与速度等运动状态。通过自行搭建谷粒轨迹测定试验装置，利用高速摄像技术从正面、侧面两个方向拍摄了不同影响因素下导种装置纳种、投种过程的运动状况，以期为勺链式导种装置的优化设计提供理论支撑及技术参考。

1 勺链式导种装置总体结构与工作原理

勺链式导种装置如图1所示。该装置主要由前壳体、后壳体、传动轴、链条、链轮、种勺等部件组成，由电机驱动导种装置的主动链轮转动，进而带动种勺运动，种勺采用橡胶材料制作。导种装置的工作过程分为纳种、运种和投种3个环节。

工作时，种勺在纳种点收纳排种器排出的谷粒，跟随链条携种平稳向下运动。当种勺运动至投种点后，谷粒在重力和离心力的作用下离开种勺进入种沟，完成播种作业。

2 导种装置纳种与投种过程分析

谷粒群从排种器排种口下落至种勺及从种勺投至种沟的过程主要分为4个阶段：第1阶段为谷粒在正压吹力、自身重力共同作用下离开排种器；第2阶段为谷粒在自身重力作用下的下落过程；第3阶段为谷粒落入种勺后的运动过程；第4阶段为谷粒离开种勺落入种沟的过程。其中，前3个阶段为纳种过程，第4阶段为投种过程。

2.1 纳种过程分析

谷粒从排种器排种口下落至种勺的过程如图2所示。设第1阶段谷粒运动所用时间为t₁，从排种口排出的速度即初始速度为v₁，下落高度为h₁；第2阶段谷粒所用时间为t₂，初始速度为v₂，速度方向角为α，下落高度为h₂；第3阶段谷粒与种勺发生碰撞，碰撞初始速度为v₃，第1次碰到种勺时的速度方向角为β，随后开始第1次弹跳。由于谷粒弹跳是能量衰减的过程，因此种勺的高度只需考虑第1次弹跳即可，设第1次弹跳高度为h₃。

由于第1阶段时间相对较短，假设t₁为固定值，且该时间段内谷粒受到的正压吹力F_d 恒定不变，所受到的空气阻力忽略不计。

如图3所示，谷粒在第1阶段末的速度为：

\left\{\begin{array}{l}{v}_{\mathrm{2}x}=v_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\zeta -\frac{t_{\mathrm{1}}{F}_d\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\zeta }{m},\\ v_{\mathrm{2}y}=v_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\zeta +\frac{G{t}_{\mathrm{1}}+t_{\mathrm{1}}{F}_d\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\zeta }{m}\mathrm{。}\end{array}\right.（1）

其中

\left\{\begin{array}{l}G=mg,\\ v_{\mathrm{1}}=\omega r,\\ F_d=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{C}_d\rho v_q^{\mathrm{2}}{S}_D,\\ S_D=\frac{\mathrm{\pi }{d}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{4}}\mathrm{。}\end{array}\right.（2）

式中：v_2x 为t₁时间段谷粒在水平方向上的分速度，m/s；v₁为谷粒从排种口排出的初始速度，m/s；F_d 为谷粒受到的正压吹力，N；v_2y 为t₁时间段谷粒在竖直方向上的分速度，m/s；ζ为第1阶段排种角度，（^o）；m为谷子质量，kg；ω为型孔轮角速度，rad/s；C_d 为绕流阻力系数；v_q 为气流速度，m/s；ρ为空气密度，kg/m³；S_D 为谷粒绕流阻力特征面积，m/s；d₁为谷粒算术平均直径，m；r为型孔轮半径，m。

第1阶段结束时谷粒的速度方向角α为：

\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\alpha =\frac{m{v}_{\mathrm{1}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\zeta +G{t}_{\mathrm{1}}+t_{\mathrm{1}}{F}_d\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\zeta }{m{v}_{\mathrm{1}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\zeta -t_{\mathrm{1}}{F}_d\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\zeta }。（3）

根据排种器结构特点^［22］，ζ取30^o，型孔轮半径为50 mm，C_d 在真空度1.5~3.5 kPa条件下取值为0.14~0.50，谷粒在排种口受到的气流速度v_q 为1.91~4.8 m/s，ρ取1.29 kg/m³。另外，谷粒千粒质量平均值^［20-21］已知，当播种机前进速度为2~6 km/h，型孔轮转速n为12~36 r/min，正压吹力为1.3~2.9 kPa时，绘制谷子速度方向角与型孔轮转速、正压吹力的关系曲线如图4所示。图4中，在谷粒受到的正压吹力较低时，速度方向角随型孔轮转速变化较为平缓。伴随正压吹力逐渐增大，谷子速度方向角随型孔轮转速的增加呈现明显下降趋势。当型孔轮转速较低时，谷粒速度方向角随正压吹力的增加呈明显上升趋势。

根据公式（1）和（2），第2阶段谷粒下落的初速度v₂（第1阶段末速度）可表示为：

v_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}={\omega }^{\mathrm{2}}{r}^{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{2}G\omega r\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\zeta t_{\mathrm{1}}}{m}+\frac{(G+F_d{\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\zeta )}^{\mathrm{2}}{t}_{\mathrm{1}}^{\mathrm{2}}}{m^{\mathrm{2}}}\mathrm{。}（4）

当正压吹力为1.5~3.5 kPa，型孔轮转速为12~36 r/min，且其他条件不变时，绘制v₂与型孔轮转速、正压吹力的关系曲线如图5所示。图5表明，当正压吹力一定时，v₂随型孔轮转速n的增加呈凹形抛物线上升趋势。当n一定时，v₂随着正压吹力增加有上升的趋势但变化并不明显。

根据动能定理，谷粒在第2阶段的运动表达式为：

\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}m{v}_{\mathrm{3}}^{\mathrm{2}}-\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}m{v}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}=mg{h}_{\mathrm{2}}-F_k{h}_{\mathrm{2}}\mathrm{。}（5）

其中

F_k=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}CS\rho v_q^{\mathrm{2}}\mathrm{。}（6）

式中：v₃为第3阶段谷粒与种勺碰撞的初始速度，m/s；h₂为谷粒下落高度，m；F_k 为谷粒所受空气阻力，kN；C为空气阻力系数；S为谷粒迎风面积，m²。

根据公式（5）和（6），谷粒第1次碰撞种勺的初始速度v₃（第2阶段末速度）可表示为：

v_{\mathrm{3}}=\sqrt[]{\mathrm{2}(g{h}_{\mathrm{2}}-\frac{F_k{h}_{\mathrm{2}}}{m})+v_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}\mathrm{。}（7）

可知，v₃与空气阻力、谷子质量、谷粒第1阶段末速度以及第2阶段下落高度相关。当空气阻力忽略不计时，v₃可表示为：

v_{\mathrm{3}}=\sqrt[]{\mathrm{2}g{h}_{\mathrm{2}}+v_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}}\mathrm{。}（8）

当型孔轮转速n为12~36 r/min，排种口与种勺之间的距离为60~100 mm，正压吹力F_d 为3.5 kPa，且其他条件不变时，绘制不同型孔轮转速下v₃随下落高度的变化曲线如图6所示。图6表明，v₃随下落高度的增加呈现上凸型抛物线上升趋势。当下落高度一定，在型孔轮转速从12 r/min上升至36 r/min时，v₃亦随之增加，但增加的趋势随着下落高度的增加而逐渐降低。

根据图2，谷子第1次碰到种勺过程的运动方程为：

\left\{\begin{array}{l}x=v_{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha t_{\mathrm{2}},\\ h_{\mathrm{2}}=v_{\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\alpha t_{\mathrm{2}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}g{t}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}\mathrm{。}\end{array}\right.（9）

式中：x为t₂时间段谷子在水平方向上的位移，m。

式（10）可转化为运动轨迹方程，即有：

h_{\mathrm{2}}=\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{t}\alpha x+\frac{g{x}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}{v}_{\mathrm{2}}^{\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}{\mathrm{n}}^{\mathrm{2}}\alpha }\mathrm{。}（10）

当型孔轮转速n为12~36 r/min，排种口与种勺之间的距离为60~100 mm，正压吹力为3.5 kPa，且其他条件不变时，绘制谷粒在第2阶段的运动轨迹曲线如图7所示。图7显示，在不同型孔轮转速下第2阶段谷粒运动轨迹曲线均呈上凸型抛物线变化。在相同落种高度条件下，x随型孔轮转速的增大而增大。这一变化趋势在h₂小于20 mm时表现不明显，但随落种高度的增加，水平位移差距越大，这表明谷粒刚开始落下时水平位移随型孔轮转速变化不大，但随着落种高度的增加，谷粒水平位移受型孔轮转速的影响逐渐趋于明显。

2.2 投种过程分析

谷粒投种过程属于合成运动，可将谷粒看成质点，牵连运动为播种机水平方向的平行移动，相对运动为谷粒相对于链轮旋转轴轴心的圆周运动^［22］。设谷粒在第4阶段的绝对速度为v_a 、牵连速度为v_e 、相对速度为v_r 、谷粒绝对运动速度与牵连速度的夹角（以下简称谷粒投种角）为ψ。为防止谷粒下落过程轨迹发散，投种合速度方向应为竖直向下，谷粒在第4阶段的投种状态示意图如图8所示。

根据速度合成定理^［23-24］，速度投影方程为：

\left\{\begin{array}{l}{v}_r\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\psi =v_a,\\ v_r\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi =v_e\mathrm{。}\end{array}\right.（11）

将速度投影方程代入点的速度合成定理表达式，得：

\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi =\frac{v_e}{v_r}=\frac{v_d}{{\omega }_s{\lambda }_s}\mathrm{。}（12）

式中：ω_s 为勺链角速度，rad/s；λ_s 为谷子到链轮旋转轴间的距离，m；v_d 为播种机前进速度，m/s。

由公式（12）可知，ψ与播种机前进速度v_d 成正比，与勺链角速度ω_s 、种勺距链轮旋转轴轴心距离λ_s 成反比。设勺链底部距种沟距离为h₄，由图8得谷粒投种阶段投种高度h_l 为：

\begin{array}{l}{h}_l={\lambda }_s(\mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\psi )+\frac{l_s}{\mathrm{2}}+h_{\mathrm{4}}=\\ {\lambda }_s(\mathrm{1}-\frac{v_d}{{\omega }_s{\lambda }_s})+h_{\mathrm{4}}+\frac{l_s}{\mathrm{2}}\mathrm{。}\end{array}（13）

式中：l_s 为种勺直径，m。

综上可知，当种勺直径一定后^［23］，投种阶段的投种高度h_l 与播种机前进速度v_d 、勺链底部距种沟距离h₄成反比，与勺链角速度ω_s 、谷子到链轮旋转轴间的距离λ_s 成正比。在λ_s 为70 mm、h₄为20 mm、v_d 为2~6 km/h条件下，绘制投种阶段投种高度h₁与勺链转速n₁关系曲线如图9所示。图9表明，投种阶段投种高度h₁随着勺链转速n₁的增加而呈凸型抛物线增加趋势。当投种过程中种勺链轮转速一定时，投种高度差的变化幅度随播种机前进速度的增加而增大。

3 导种装置纳种与投种过程台架试验分析

3.1 试验材料与方法

3.1.1 试验条件

利用高速摄机对导种装置的纳种与投种过程进行台架试验分析。供试谷粒为‘张杂谷13号’，人工除去杂质，平均含水率为15.7%。于2024年12月在黑龙江八一农垦大学工程学院播种实验室开展台架试验，试验布置如图10所示。试验装置由JPS-16排种器性能检测试验台、高速摄像机、正负压型孔组合式排种器及计算机等组成。其中，高速摄像机采用广州荣峰光电科技有限公司生产的YA-2400型高速摄像机，包括主机、尼康F1.8摄像头、TEMA Classic 2D分析软件、RF-200W光源等。设置高速摄像的拍摄速度为800 帧/s，分辨率为2 048×1 024像素，提取数据的时间间隔为0.001 4 s。制作1 cm间隔的网格板对谷粒下落位移进行标定，网格板固定安装在排种器后侧，网格板顶线与排种器外壳底部平行。为使谷粒运移过程可视化，排种器外侧板、衔接管、导种装置侧板均采用透明材料。

3.1.2 试验方案

为深入探究勺链式导种装置的纳种及投种过程，利用高速摄像机分别从正面、侧面2个方向拍摄谷种群从排种器的排出（排种器转速24 r/min、正压吹力2.5 kPa）过程，以及从导种装置投种前后（链轮转速120 r/min、投种高度30 mm）的运动过程，通过TEMA Classic 2D分析软件（默认采用二维坐标系，以图像左下角顶点为坐标原点，水平向左为X/Z轴正方向，竖直向上为Y轴正方向）处理图像中谷粒下落过程的运动信息。

结合单因素试验及高速摄像技术分析不同参数条件下装置在纳种及投种时的种子运动状态。对于纳种过程，通过对谷粒第1至第3阶段的运动学分析可知，该过程谷粒运动与排种器转速、正压吹力有关。因此确定排种器转速、正压吹力为试验因素开展排种过程高速摄像试验。

根据实际工况与试验条件，确定正压吹力为1.7，2.1，2.5（对照组），2.9，3.3 kPa。通过播种机前进速度与排种器转速之间的关系，确定排种器转速为12，18，24（对照组），30，36 r/min。对于投种过程，通过对谷粒第4阶段的运动学分析可知，该过程谷粒运动与链轮转速、投种高度有关。由于导种装置内部有壳体阻挡无法拍摄，且壳体内下落高度固定，故从谷粒脱离装置壳体（可观测空间）时刻开始测定，即以图8中h₄为测定空间高度。因此确定种勺链轮转速、勺链底部距种沟距离h₄为试验因素开展投种过程高速摄像试验，根据导种装置实际作业条件，确定导种链轮转速为96，108，120（对照组），132，144 r/min，投种高度为10，20，30（对照组），40，50 mm。每组试验拍摄10 s，重复3次，结果取平均值。

3.2 纳种过程高速摄像试验

3.2.1 纳种过程谷粒下落轨迹分析

导种装置纳种过程谷粒的高速摄像轨迹及其拟合曲线如图11所示，从谷粒下落轨迹图（图11-A）可以看出，在纳种高度为60 mm时，随着运动时间的增加，4颗谷粒在X方向的轨迹间距（某一时刻同一批谷粒群中相距最远的2个谷粒之间的距离）呈逐渐增大趋势，从开始的8 mm左右增加至26 mm左右，这与4颗谷粒在水平方向的速度差异有关。利用Origin 2021软件对高速摄像机追踪的谷粒坐标进行曲线拟合，得到装置正面排种轨迹的拟合方程见表1。

表1显示，点#3、#4、#5和#6的轨迹均可用二次函数进行拟合，且决定系数（R²）均在0.99以上，表明谷粒从排种口排出后在排种器正面的运动轨迹可以近似看成抛物线，与前文理论分析结果相符。从侧面拍摄图像图11-B可以看出，由于正压气流的存在，该穴各粒种子的下落过程相对分散。在纳种高度为60 mm时，Z方向的轨迹间距从开始的15 mm左右增加至26 mm左右。另外，从表1导种装置侧面排种轨迹的拟合方程来看，谷粒点#4的轨迹接近一条垂线，而点#3、#5、#6和#7的轨迹可以通过二次函数进行拟合，说明谷粒在排种器侧面的运动轨迹存在差异，每穴籽粒在排种器正面、侧面运动轨迹的差异性导致其空间运动的复杂性。

3.2.2 正压吹力对谷粒排种过程的影响

在排种器正面方向，当谷粒群在Y方向下落35 mm左右时，伴随正压吹力从1.7 kPa增加至3.3 kPa，种子在X方向的最大轨迹间距分别为17，10，17，20，29 mm，平均运动速度分别为0.98，1.06，1.15，1.22和1.26 m/s。在排种器侧面方向，当谷粒群在Y方向下落62 mm左右时，伴随正压吹力增加谷粒群在Z方向的最大轨迹间距分别为17，12，18，17和18 mm，平均运动速度分别为1.01，1.10，1.20，1.28和1.35 m/s。在拍摄过程中观察到，谷粒下落时经常出现2粒或3粒黏结情况，这是谷粒群内部的互锁效应使谷粒下落轨迹更加收敛。正压吹力越大，会破坏谷粒之间的黏结状态，造成谷粒从排种器正面与侧面下落时的分布趋于离散，并且在相同落种高度下，正面较侧面的水平方向偏移更加严重，说明正压吹力对谷粒X方向轨迹的影响较Z方向更为明显。

3.2.3 排种器转速对谷粒排种过程的影响

在排种器正面方向，当谷粒群在Y方向下落40 mm左右时，伴随排种器转速从12 r/min增加至36 r/min，谷粒群在X方向的最大轨迹间距分别为15，13，17，15和21 mm，平均运动速度分别为1.07，1.11，1.15，1.20和1.26 m/s。在排种器侧面方向，当谷粒群在Y方向下落63 mm左右时，伴随排种器转速的增加谷粒群在Z方向的最大轨迹间距分别为11，17，18，20和28 mm，平均运动速度分别为1.10，1.13，1.20，1.25和1.29 m/s。在拍摄过程中观察到，随着排种器转速的增加谷粒群在X方向与Z方向排种轨迹的离散程度均呈增大趋势。这主要是因为排种器转速的增加会提高谷粒脱出排种器时的初速度，进而增加水平与竖直方向的速度分量，当谷粒下落过程中受空气阻力或与壳体发生轻微碰撞时，会使谷粒群水平方向轨迹间距增大。

3.3 投种过程高速摄像试验

3.3.1 投种过程籽粒下落轨迹分析

导种装置投种过程谷粒的高速摄像轨迹及其拟合曲线如图12所示。由正面拍摄的轨迹图（图12-A）可以看出，在投种高度为30 mm时，随着种子运动时间的增加，5颗谷粒在X方向的轨迹间距呈逐渐增大趋势，从开始的21 mm左右增加至28 mm左右。利用Origin 2021软件对追踪的籽粒坐标进行曲线拟合，得到谷粒投种轨迹拟合方程（表2）。

由表2可见，谷粒点#3的轨迹基本是一条垂线，呈竖直下落趋势。谷粒点#6的轨迹是一条斜线，但决定系数并不高，为0.655。点#4、#5、#7的轨迹可以用二次函数进行拟合，但只有点#7的决定系数在0.97以上，表明谷粒从种勺投出后在导种装置正面的运动轨迹包含垂线、斜线以及抛物线3种。从侧面拍摄轨迹图（图12-B）可以看出，这些谷粒种子的下落过程是竖直分散的，这与谷粒离开种勺时的相对位置与速度方向有关。在投种高度为30 mm时，随着种子下落时间增加谷粒群在Z方向的轨迹间距差异不大，从开始的21 mm左右增加至23 mm左右。从表2中侧面拍摄的投种轨迹的拟合方程来看，点#3和#7的谷粒轨迹接近一条垂线，而点#4、#5和#6的轨迹可以通过一次函数进行拟合，但决定系数并不高，分别为0.640，0.779和0.599，这说明谷粒在排种器侧面的运动轨迹主要有垂线、斜线2种。

3.3.2 投种高度对谷粒投种过程的影响

在导种装置正面方向，伴随投种高度从10 mm增加至50 mm，谷粒群在X方向的最大轨迹间距分别为8，8，12，8和11 mm，最大运动速度分别为1.59，1.63，1.68，1.74和1.84 m/s。在导种装置侧面方向，伴随投种高度增加谷粒群在Z方向的最大轨迹间距分别为20，10，10，13和17 mm，运动速度分别为1.58，1.64，1.67，1.73和1.80 m/s。在试验中观察到，任一水平投种高度的谷粒轨迹在导种装置的正面与侧面基本均为竖直下落，这是因为谷粒在脱离种勺时初速度方向与重力加速度方向均为竖直向下。但谷粒群在X方向与Z方向的轨迹间距随着投种高度的增加逐渐趋于离散。投种高度低时，谷粒下落时间相对较短，在水平方向的偏移量较小；投种高度高时，谷粒下落时间与水平方向的位移量随之增加，轨迹离散度上升。另外，谷粒脱离种勺后受重力加速度影响，速度逐渐增大，但在导种装置正面与侧面平均速度的差异并不明显。

3.3.3 导种链轮转速对谷粒投种过程的影响

在导种装置正面方向，随着导种链轮转速从96 r/min增加至144 r/min，谷粒群在X方向的最大轨迹间距分别为10，11，16，27和36 mm，最大运动速度分别为1.60，1.64，1.68，1.75和1.79 m/s。在导种装置侧面方向，伴随导种链轮转速增加谷粒群在Z方向的最大轨迹间距分别为11，21，21，15，36 mm，最大运动速度分别为1.59，1.63，1.67，1.72和1.76 m/s。在高速摄像拍摄过程中发现，脱离种勺的谷粒群下落时一般为竖直下落或者沿链轮转速切线方向下落，如果谷粒群离开种勺时处于互锁状态，那么下落轨迹相对集中，聚拢性会更好。

4 结 论

1）针对谷子穴播机勺链式导种装置的纳种投种过程，构建了谷粒从排种口下落至种勺过程的动力学模型。分析表明，谷粒从排种口下落至种勺过程中，当谷粒受到的正压吹力较低时，谷粒速度方向角随型孔轮转速变化较为平缓，随着正压吹力逐渐增大，速度方向角随型孔轮转速的增加而呈递减趋势。当型孔轮转速较低时，谷粒速度方向角随正压吹力增大而增大。谷粒下落至种勺的初速度随型孔轮转速增加而呈凹型抛物线增加趋势，随着正压吹力增大变化趋势趋于平缓。

2）建立了种勺中谷粒投种过程理论模型，阐明了播种机不同前进速度下投种高度与勺链转速的变化规律。分析表明，谷粒从种勺投出后，投种高度与播种机前进速度成反比，与勺链底部距沟底距离、勺链角速度、种勺距链轮旋转轴轴心距离成正比。投种高度随着勺链转速增加而呈凸型抛物线增加趋势，当投种过程中种勺链轮转速一定时，投种高度差的变化幅度随播种机前进速度的增加而增大。

3）结合高速摄像技术和单因素试验方法，分别从正面、侧面两个方向拍摄了谷粒离开排种器和种勺的运动过程。试验结果表明，在排种器转速为24 r/min、正压吹力为2.5 kPa时，谷粒从排种器排种口排出后的正面运动轨迹近似为抛物线，侧面轨迹相对分散且存在差异，导致其空间运动轨迹较为复杂。在链轮转速为120 r/min、投种高度为30 mm时，谷粒从种勺投出后的正面运动轨迹主要有垂线、斜线以及抛物线3种，而侧面轨迹主要有垂线、斜线2种。

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基金资助

国家自然科学基金项目(52275246)