基于多源数据融合与集成学习算法的枣树冠层氮含量反演研究

为解决玉米种子尺寸变异大和排种器取种精度低的问题，研究人员设计了一种带姿态调节凸起的玉米顶杆式精量排种器，通过DEM-MBD耦合仿真和台架试验优化了顶杆调节位置(7.03 mm)、角度(78.86°)和角速度(3.68 rad/s)等参数，使合格率达97.15%，漏播率2.06%，重播率0.79%，为机械式精量排种器设计提供了新思路。

　　

在玉米机械化种植领域，种子尺寸的显著差异一直是制约精量播种技术发展的瓶颈。传统机械式排种器对异形种子适应性差，常出现漏播、重播和机械损伤等问题。西北地区广泛种植的"郑单958"玉米种子存在44.3%的凹齿型、22.1%的球型和27.4%的锥型三种形态，其尺寸参数差异可达30%以上。现有研究多聚焦于气吸式排种器，但存在气室密封要求高、能耗大等缺点，而机械式排种器虽结构简单成本低，却难以兼顾不同形态种子的精准夹持。

针对这一难题，甘肃农业大学机电工程学院的Shuangcheng Li、Linrong Shi团队在《Smart Agricultural Technology》发表研究，创新性地设计出带姿态调节凸起的玉米顶杆式精量排种器。该装置通过滚筒驱动顶杆沿圆周轨迹运动，在顶杆调节杆控制下实现开合动作，配合种子夹持弹簧完成种子的定点投放。特别在内壁增设的姿态调节凸起能有效校正种子充填姿态，同时兼具清种功能防止多粒夹持。

研究采用多学科交叉的技术路线：首先基于1000粒玉米种子的形态测量数据，在SolidWorks中建立三种典型种子（凹齿型、球型、锥型）的离散元模型；其次通过DEM-MBD耦合仿真技术，在EDEM 2022.3和RecurDyn V9R2平台构建排种器-种子相互作用模型；最后结合Design Expert 13软件进行二次正交旋转组合试验优化。关键创新点包括首次系统分析种子充填姿态变化与取种精度的关系，以及将ABS材料（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）顶杆的微弹性变形特性应用于柔性夹持。

研究结果部分：

1. 1.

   姿态调节凸起对种子取种的影响

   仿真对比表明，带凸起结构的排种器使种子侧立充填比例显著降低。在凸起产生的翻转力矩M₃作用下，种子压力峰值从7.0 N降至3.6 N，姿态合格率从89.98%提升至95.75%。凸起两侧的延伸结构能引导多余种子分流，使种群速度波动范围缩小40%。

2. 2.

   单因素试验结果

   顶杆调节位置S的合理范围为4-14 mm，当S<4 mm时，球型种子因直径大于顶杆开度导致漏播率骤增至15%；调节角度ε在50°-130°区间呈现先增后减趋势，ε=78.86°时实现离心清种与夹持时机的平衡；排种器角速度ω超过4.68 rad/s时，种子动能波动加剧导致合格率跌破90%。

3. 3.

   参数优化结果

   通过响应面分析建立Y₁=96.76-0.83X₁-2.4X₂-1.88X₁X₃的回归模型，确定最优参数组合为：顶杆调节位置7.03 mm、调节角度78.86°、角速度3.68 rad/s。此时种子种群平均速度稳定在0.12-0.15 m/s，较无凸起结构降低27%。

台架验证试验显示，优化后排种器合格率达95.64%，较传统结构提升6个百分点，且种子机械损伤率降低至1.2%。研究创新性地将DEM-MBD耦合仿真应用于排种器优化设计，揭示了种子姿态调整力矩M₁、M₂与夹持精度的量化关系。

讨论部分指出，当前研究仍存在三方面局限：一是仅针对"郑单958"单一品种，未来需扩展至更多杂交品种；二是顶杆材料仅测试ABS，橡胶等柔性材料的减震效果有待验证；三是未考虑田间作业时振动对夹持稳定性的影响。这些发现为后续开发低损伤、抗振动的智能排种器提供了理论依据，对推动我国玉米机械化精量播种技术进步具有重要实践意义。