《Powder Technology》：Design and test of a precision maize seed metering device with a flexible top rod and posture adjustment based on DEM-MBD coupling
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•针对玉米种植，研究了一种具有低损伤特性的新型柔性顶杆精密排种装置。•设计了交错式姿态调节凸结构，用于主动调整种子的姿态。•通过DEM–MBD耦合仿真，分析了结构运动与种子行为之间的相互作用。•该结构通过柔性缓冲实现种子的稳定输送，减少重播现象。•台架试验验证了该设计在不同工作条
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针对玉米种植，研究了一种具有低损伤特性的新型柔性顶杆精密排种装置。
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设计了交错式姿态调节凸结构，用于主动调整种子的姿态。
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通过DEM–MBD耦合仿真，分析了结构运动与种子行为之间的相互作用。
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该结构通过柔性缓冲实现种子的稳定输送，减少重播现象。
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台架试验验证了该设计在不同工作条件下的有效性与适应性。
引言
玉米是中国种植面积最广、产量最高的主要农作物之一。其播种质量直接影响田间群体结构，进而决定最终产量。在国家粮食安全战略的背景下，高速、低损伤且单粒精量的玉米播种已成为玉米精量播种技术的发展方向，也是现代农业机械领域的重点研究内容[1]。作为播种机中的核心部件，排种装置的作用是按照农艺要求，以均匀的行距、株距和播种深度精确输送种子[2]。排种装置主要分为气动型和机械型两类。气动型排种装置对种子几何形状的适应性强，但需要气室具备较高的密封性能，且能耗高、运行成本大，这限制了其在山区等地区的应用[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。机械型排种装置则具有结构简单、成本低、维护方便的优点，因此被广泛用于丘陵和山区等复杂地形[9]、[10]。然而，传统的机械型排种装置对种子大小和形状的适应能力较差，作业时容易出现漏播和重播现象。同时，刚性接触容易对种子造成机械损伤，难以满足现代高效精准播种的要求。
为此，国内外学者对机械型排种装置进行了大量改进。耿等人[11]研制出了可伸缩指状拾种排种器，通过轨道与弹簧的协同控制，能够适应不同形态的种子。马等人[12]设计了一种主动夹紧式精密玉米排种装置，通过可伸缩的拾种滑块提高了不规则种子的播种合格率。吴等人[13]开发了顶杆夹紧式精密玉米排种装置，利用拾种块的夹紧系统实现种子的拾取。张等人[14]设计了采用双凹形拾种块的摆动夹紧式精密玉米排种装置，以提高其对种子尺寸的适应能力。王等人[15]设计了一种具有动定式指勺夹紧结构的精密玉米排种装置，通过调节指勺系统的开口大小，确保对不同尺寸种子的稳定夹紧。我们团队此前已完成一种刚性顶杆精密玉米排种装置的设计与参数优化，并通过离散元法-多体动力学（DEM-MBD）耦合仿真验证了其对不同形态种子的适应能力[16]。但这种刚性结构存在明显缺陷：顶杆缺乏缓冲和变形能力，高速拾种时容易对种子造成机械损伤；没有姿态校正机制，导致种子填充姿态稳定性差；且在高速条件下排种性能显著下降，无法满足高速低损伤作业的需求。
为解决这些问题，本研究在原有结构基础上进行了差异化创新改进：用柔性顶杆替代传统的刚性顶杆，以降低种子拾取时的损伤；在种箱内壁增设交错式姿态调节凸结构，实现对种子填充姿态的强制校正与稳定引导；通过耦合仿真与台架试验，系统优化并验证了关键结构参数。本研究旨在大幅提升该装置的排种精度与环境适应性，为玉米精量播种提供新的解决方案。
章节摘要
整体结构与工作原理
改进后的柔性顶杆排种装置采用模块化设计，是在原有刚性结构的基础上发展而来的。它主要由取种单元、种勺调节机构以及排种鸭嘴机构组成，如图1所示。核心组件包括均匀分布在固定基座上的8组取种单元，这些单元包含柔性顶杆、种勺固定杆、顶杆滚轮以及种子夹紧弹簧。与以往设计不同的是
种子夹紧姿态
为定量分析姿态调节凸结构如何调控种子填充姿态，我们研究了齿形玉米种子的夹紧过程。当有凸结构存在时（图11(a)），基部朝上的种子会进入调节区域；凸结构产生的侧向力会形成旋转力矩，通过顶杆将种子从基部夹紧。种勺壁与倾斜的凸结构共同作用，可实现单粒种子的集中夹紧，避免出现偏移、侧立或多粒种子共夹的情况。而如果没有凸结构时（图11
讨论
国外的玉米精量播种技术已从单纯的排种精度提升，发展到在高速作业条件下对种子全程运动轨迹的调控。典型的商业产品包括Precision Planting（美国）研发的Finger Meter和SpeedTube，它们通过指状夹紧与输送带传输的方式提高单粒种子率及株距一致性；约翰迪尔的ExactEmerge系统则采用BrushBelt结构来实现对种子的约束
结论
(1) 本研究通过提出一种集成TPU柔性顶杆与交错式姿态调节凸结构的新型精密玉米排种装置，对传统的刚性顶杆排种结构进行了创新性优化。与存在高种子损伤问题且高速稳定性差的传统刚性结构相比，这种组合结构利用TPU材料优异的弹性缓冲性能，实现了灵活的低损伤夹紧以及种子的主动姿态校正
作者贡献说明
李双成：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，验证，软件应用，正式分析，数据整理，概念构建。赵伟云：验证，方法论，正式分析，数据整理。史林荣：写作——审阅与编辑，监督，资源协调，项目管理，资金获取，概念构建。孙伯功：验证，方法论，数据整理。戴飞：方法论，正式分析。李辉：可视化处理，验证。马永超：可视化处理，
利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知利益冲突或个人关系。
作者声明存在以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系。
致谢
我们衷心感谢以下机构的支持：甘肃农业大学伏羲青年人才培育项目（项目编号：gaufx-05y02）、国家自然科学基金（项目编号：52365030）、甘肃农业大学科技创新基金-青年导师扶持计划项目（项目编号：GAUQDFC-2024-06）、甘肃省旱地农业装备产业研究院建设项目”以及甘肃省重大科学
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