氣送式高速玉米精量排種器設(shè)計與試驗

高筱鈞，徐 楊，張東興，楊 麗，魯 兵，蘇 媛，夏國藝，崔 濤

氣送式高速玉米精量排種器設(shè)計與試驗

高筱鈞，徐 楊，張東興，楊 麗，魯 兵，蘇 媛，夏國藝，崔 濤※

（1. 中國農(nóng)業(yè)大學工學院，北京 100083； 2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部土壤-機器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，北京 100083）

為滿足在高速條件下玉米精量播種的要求，從工作原理出發(fā)，設(shè)計一種可從根本上解決因高速作業(yè)帶來的充種性能不佳、清種結(jié)構(gòu)復雜等問題的高速精量排種器，其利用高速作業(yè)產(chǎn)生的離心力進行充種與清種，將現(xiàn)行的種子堆積依靠重力充種的形式改成氣送充種，對排種盤、型孔插件、護種板結(jié)構(gòu)形狀進行了理論分析和參數(shù)設(shè)計，采用文丘里管進行有序氣吹送種，型孔插件與護種板相配合充種與攜種，護種板寬度變化清種。分別對排種器工作速度、種子喂入速度、氣送風壓進行單因素試驗，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)為試驗指標，得出各因素對排種性能的影響，其中此工作原理下增加排種器工作速度不但不會增加漏充指數(shù)，反而降低并基本保持不變。為得到排種器的最佳性能參數(shù)，進行正交旋轉(zhuǎn)組合試驗并構(gòu)建各因素與指標間的關(guān)系式。采用響應曲面法對試驗結(jié)果進行目標優(yōu)化，并通過臺架試驗進行驗證：得到工作速度為9 km/h，種子喂入量為1.91 kg/min，氣送風壓為492.17 Pa時，排種合格指、漏播指數(shù)、重播指數(shù)分別為93.14%，1.00%，5.86%，經(jīng)臺架試驗驗證，優(yōu)化結(jié)果可靠。試驗結(jié)果表明此種氣送式高速玉米精量排種器很好的解決了在高速作業(yè)下充種難，清種復雜的問題，在高速工作條件下能保持良好的排種性能。

農(nóng)業(yè)機械；作物；設(shè)計；高速；玉米；向心力；回歸方程

0 引 言

所謂高速精量播種[1-2]是依托具有高速作業(yè)性能的精量播種機，依據(jù)農(nóng)藝所需要求，將種子按照粒距、行距、播深一致的標準播入土壤中并可準確定位的過程。高工作性能的高速精量播種機是得到優(yōu)良播種質(zhì)量的有效方式[3-5]，其可有效的節(jié)約種子、減少田間作業(yè)次數(shù)，同時還能達到苗全、苗齊、苗壯的效果，既降低成本又提高產(chǎn)量[6-7]。高速精量排種器作為核心機構(gòu)，其對高速作業(yè)的適應性以及工作性能成為了玉米播種技術(shù)的關(guān)鍵。

精密排種器按照大類可分為機械式排種器[8-10]和氣力式排種器[11]，其中機械式排種器又可分為圓盤式[12]、窩眼輪式[9]、勺輪式[13]以及指夾式[8,14]等，其優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡單易于加工且成本低，但由于其充種過程主要依靠重力或夾持作用，很難在高速作業(yè)下形成有效充種；氣力式排種器則可分為氣吹式[15-17]、氣吸式[18-19]和中央氣送式[20-21]3種，其優(yōu)勢則在于適用于高速作業(yè)且精度高不傷種，由于上述特點其應用日益增加[22-23]。但其充種形式均采用重力充種，在高速作業(yè)情況下特別是在充種過程對于玉米這種非類圓形種子的適應性較差，難以實現(xiàn)有效填充，易造成漏播率高[24-27]。為了有效解決充種難的問題，現(xiàn)有方式是應用機械攪動，如采用帶有凹槽的排種盤和有攪拌功能的型孔，或者采用氣流擾動以及電磁振動等方式。主要目的是增加種子流動性，提高充種性能[28-30]。上述學者均是采用種群堆積重力充種的方式并從提高種群的擾動性角度進行研究解決因種群堆積流動性差造成充種難的問題，而未從原理和結(jié)構(gòu)上根本的改變排種器工作方式以解決由于種群堆積重力充種帶來的在高速工作下難以充種的問題[31-34]。

基于上述問題，設(shè)計1種基于全新原理與結(jié)構(gòu)氣送式高速玉米精量排種器，其特點在于利用高速作業(yè)產(chǎn)生的離心力進行充種與清種，采用氣送喂種及型孔插件和護種板組合結(jié)構(gòu)，將原本高速作業(yè)產(chǎn)生的不利條件轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣麠l件，從根本上解決了傳統(tǒng)形式下高速作業(yè)時充種時間短難以充種的問題。對排種器展開以排種器工作速度、種子喂入速度、氣送風壓為因素的單因素試驗，得出對高速精量排種器工作性能的影響規(guī)律，同時為獲得較好的排種性能去探尋各最佳試驗因素組合，開展二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，為高速玉米精量排種器的設(shè)計提供參考。

1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

氣送式高速玉米精量排種器主要由后殼體、軸承、排種盤、型孔插件、軸、護種板、前殼體組成其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.后殼體 2.軸承 3.排種盤 4.型孔插件 5.軸 6.護種板 7.前殼體 8.分隔板 9.進種口 10.落種口

氣流從進風口吹入，將從喂入口進入的種子吹入文丘里管，形成均勻有序的種子流進入高速排種裝置[35]。如圖2所示，整個工作過程分為5個階段，包括種子填充、種子攜帶、清除多余種子、拋投種子以及過渡。軸轉(zhuǎn)動帶動排種盤轉(zhuǎn)動，排種盤轉(zhuǎn)動帶動與之連接的4個型孔插件轉(zhuǎn)動，種子從前殼體進種口隨氣流進入，充入下端的型孔插件。在型孔插件以及護種板的夾持作用下，充入型孔插件的種子隨之轉(zhuǎn)動，途徑充種區(qū)和攜種區(qū)后轉(zhuǎn)動到排種器正上方處，由于護種板在充種區(qū)和攜種區(qū)弧段的前端傾斜部與型孔插件貼合起到充種作用，在清種區(qū)由于其前端傾斜部分寬度變窄，此時型孔插件內(nèi)僅能容納單粒種子，多余的種子失去了護種板的支持力，做離心運動脫離型孔插件，甩到前殼體內(nèi)壁面并順著分隔板滑落回排種器底部，在氣流作用下與剛進入排種器的種子匯合，進行再次的充種。型孔插件內(nèi)留下的單粒種子繼續(xù)隨著型孔插件轉(zhuǎn)動，直到投種區(qū)失去了護種板的包裹，種子缺少了支持力，在自身重力作用下脫離型孔插件沿著落種口排出排種器，完成整個排種過程。

1.進風口 2.喂入口 3.文丘里管 4.玉米種子 5.種子分離裝置

I.充種區(qū) II.攜種區(qū) III.清種區(qū) IV.投種區(qū) V.過渡區(qū)

1.Air intake 2.Feeding entrance 3.Venturi tube 4.Maize 5.Seed segregation device

I. Filling place II. Carrying place III. Cleaning place IV. Dropping place V. Transition place

圖2 排種器工作原理圖

Fig.2 Schematic diagram of seed metering device

2 排種器關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計

2.1 排種盤直徑

排種盤直徑直接關(guān)系到排種器整體尺寸、排種盤線速度以及種子所需向心力等參數(shù)[20-21]。建立排種盤直徑對于充種影響的方程組

式中為排種盤轉(zhuǎn)過充種區(qū)的時間，s；l為充種區(qū)弧長，mm；為排種盤線速度，m/s；為排種盤直徑，mm；為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min；為充種區(qū)弧度，rad。

由式（1）整理得出

由式（2）表明，排種盤轉(zhuǎn)過充種區(qū)的時間僅與工作速度和充種區(qū)弧度有關(guān)，與排種盤直徑無關(guān)[36]。目前國內(nèi)外排種盤直徑多為140～260 mm，大直徑排種盤，可以增加排種盤線速度以及提高種子所需向心力，在高工作速度下，較大的離心力在充種區(qū)反而使得種子牢牢壓覆于型孔底部有利于充種，在清種區(qū)有利于多余種子甩出型孔，結(jié)合實驗室現(xiàn)有材料以及本排種器工作特點并兼顧排種器整體結(jié)構(gòu)需要，綜合考慮排種盤直徑選取200 mm，軸向等角度設(shè)有4個型孔插件槽，可更換不同形式的型孔插件以適應各類種子。材料選取高性能尼龍，由3D打印機制成。

2.2 型孔插件結(jié)構(gòu)設(shè)計

型孔插件的結(jié)構(gòu)關(guān)系到高速排種器的工作性能，因此有必要對其結(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)計。型孔插件結(jié)構(gòu)參數(shù)包括型孔底部寬度、型孔底部長度、型孔深度、型孔上端高度以及型孔插件前端傾角，如圖3所示。

注：W為型孔底部寬度，mm；L為型孔底部長度，mm；T為型孔深度，mm；H為型孔上端高度，mm；γ為型孔插件前端傾角，(°)。

此次排種器工作中所用的種子為未分級，因此型孔尺寸應當滿足所選玉米種子的通用性。選取1 000粒鄭單958玉米雜交種，其形狀可大致分為大扁、小扁、類大圓、類小圓4種，對其長、寬、厚3個方向進行測量，如圖4所示，得出其外形尺寸，如表1所示。

根據(jù)種子外形尺寸，型孔尺寸應滿足下式

式中D為型孔寬間隙，mm；D為型孔長間隙，mm；D為型孔深間隙，mm。

注：0為種子寬度，mm；0為種子長度，mm；0為種子厚度，mm。

Note:0is seed width, mm;0isseed length, mm;0is seed thickness, mm.

圖4 玉米種子

Fig.4 Seed of maize

表1 種子外形尺寸

根據(jù)（3）可知，型孔長度應該等于種子寬度的平均值0加上種子與型孔長度方向的間隙D，其中型孔長間隙D需要比種子平均寬度0小，這樣才能有效避免在型孔寬度方向上容納2個以上種子，以保證單粒精密播種。同理，型孔寬度尺寸的設(shè)計與型孔長度尺寸的設(shè)計一樣。對型孔深度，需要型孔能容納整個種子并且型孔深間隙D不足以保證另一顆種子重心以及大部分體積在型孔內(nèi)，這樣才可以保證在清種過程中多余的種子被清除。型孔上端凸起主要起到攪拌種群以及攜種作用，為了提高充種效果，型孔上端高度至少可以遮蓋到種子重心位置才能起到效果。

型孔長度、寬度、深度、上端高度均是依據(jù)測量種子尺寸值得到的，分別取10、9、12和8 mm，為配合護種板，前端傾角取30°。排種盤軸向?qū)ΨQ布置4個型孔插件。由于排種器的工作原理，增加工作速度不會對充種性能產(chǎn)生影響，因此不必像傳統(tǒng)排種器一樣，在高速作業(yè)下通過增加型孔的數(shù)量來降低排種盤轉(zhuǎn)速以確保充種性能。

2.3 型孔插件邊緣圓角的設(shè)計

位于型孔插件上端即將進入型孔的種子，在有無邊緣圓角的情況下，其受力分析如圖5所示。對比發(fā)現(xiàn)，在無圓角的情況下，水平方向種子受到與運動方向相反的摩擦阻力，阻礙其順利的進入型孔，而在有圓角的情況下，水平方向上產(chǎn)生了支持力F分力以及摩擦力分力且方向相反，其中F水平分力必定大于摩擦力水平分力，使得種子有了向前的加速度，加速進入型孔，從而提高型孔的充種率，型孔插件邊緣圓角設(shè)計為半徑4 mm的圓弧倒角。

注：v為種子前進速度，m·s-1；G為種子重力，N；Fn為種子受到的支持力，N；f為種子所受摩擦力，N。

2.4 護種板結(jié)構(gòu)設(shè)計

護種板的主要作用是協(xié)助型孔插件充種、攜種以及清種，其功能貫穿排種器工作過程，因此護種板對于排種器工作性能有著重要影響。護種板所覆蓋的區(qū)域主要包括充種區(qū)、攜種區(qū)以及清種區(qū)，所涉及到的參數(shù)有其前端傾角，充種區(qū)與攜種區(qū)護板前端寬度1，清種區(qū)前端護板寬度2，清種區(qū)后端護板寬度3，如圖6所示。

在充種過程中護種板與型孔插件相互配合，為了提高充種幾率，在充種與攜種區(qū)護板前端寬度1取17 mm。在清種區(qū)前端護種板寬度變窄，為了最大程度離心作用將多余種子清除，清種區(qū)前端護板寬度2需滿足遮蓋到種子重心位置，因此2取6 mm。多余種子清除后，為了保證型孔內(nèi)種子不被清除，適當增寬護種板寬度，因此，清種區(qū)后端護板寬度3取11 mm。材料選取透明有機玻璃，為了提高充種性能，護種板前端傾角取30°，與種子和有機板之間滑動角相同[37]。

注：W1為充種與攜種區(qū)護板前端寬度，mm；W2為清種區(qū)前端護板寬度，mm；W3為清種區(qū)后端護板寬度，mm；a為護種板前端傾角，(°)。

氣送式高速玉米精量排種器工作過程中，工作速度的不同導致種子所需向心力的改變，從而受力有所不同，如圖7所示。當工作速度較低情況下，種子受力如圖7a。

a.低速種子受力a. Force of seed in lower rotation speedb. 中速種子受力b. Force of seed in moderate rotation speed c. 頂點處種子受力c. Force of seed at top of plated. 高速種子受力d. Force of seed in higher rotation speed

此時工作速度較低，種子所需向心力較小，型孔內(nèi)種子與護種板沒有接觸，種子在方向的合力大于所需向心力。種子脫離型孔做近心運動，其受力分析如下式

逐漸提高工作速度，此時種子受力如圖7b所示。隨著工作速度的提高，種子所需向心力也隨之增加。在臨界狀態(tài)下，型孔內(nèi)種子與護種板無接觸，種子在方向的合力等于所需向心力，種子隨著排種盤做勻速圓周運動，其受力分析如下式

在此種狀態(tài)下，種子隨著排種盤運動到最高點處，此時種子受力如圖7c所示。此時種子的自身重力充當向心力，水平方向不受力，這是種子隨著排種盤做勻速圓周運動情況下，排種器的最低工作速度，種子受力分析如下式

式中為重力加速度，m/s2。

整理式（6）得出

又因

整理式（7）、（8）得出

計算式（9）排種盤最低轉(zhuǎn)速約為95 r/min。

再次提高工作速度，此時種子受力如圖7d所示。隨著工作速度進一步提高，種子與護種板接觸，護種板給予種子向心支持力，若工作速度再次提高，這種支持力將持續(xù)提高，使得種子牢牢壓覆于型孔內(nèi)，隨著排種盤一起做勻速圓周運動，使得此結(jié)構(gòu)適合高速作業(yè)，其受力分析如下式

從上述分析可以看出，此種工作原理的排種器很好的適應高速作業(yè)，不但不會因為工作速度的提高充種性能下降，反而有利于種子的填充。

2.5 充種區(qū)護種板的設(shè)計

在充種過程中，種子之間相互碰撞，不止一顆種子被充入型孔插件中，其中在型孔底端的種子受力如圖8a所示。

工作速度提高，種子所需向心力增加，同時護種板給予型孔底部種子的支持力以及種群對型孔底部種子的擠壓力均增大，使得型孔底部的種子被牢牢壓覆于型孔內(nèi)，因此在高工作速度下不會出現(xiàn)漏充的現(xiàn)象。此排種器種子通過高速氣流送入排種器內(nèi)，因此避免了傳統(tǒng)排種器因種群堆積排種盤在高速轉(zhuǎn)動下漏充嚴重的問題。

2.6 清種區(qū)護種板的設(shè)計

隨著高速旋轉(zhuǎn)的排種盤，型孔內(nèi)的種子到達排種盤頂端清種區(qū)，由于排種盤高速旋轉(zhuǎn)，種子所需向心力較大，且多來自護種板的支持力，當種子到達清種區(qū)由于護種板寬度驟減，型孔上部多余的種子瞬間失去了來自護種板的支持力，做離心運動，脫離型孔，其受力情況如圖8b所示。在型孔底部的種子被牢牢壓覆在型孔內(nèi)且清種區(qū)護種板寬度遮蓋型孔底部種子的重心位置，提供其足夠的向心力，不會脫離型孔，從而實現(xiàn)清除多余種子，保證單粒率。

a. 充種區(qū)種子受力a. Force of seed in filling placeb. 清種區(qū)種子受力b. Force of seed in cleaning place

2.7 投種區(qū)護種板的設(shè)計

在投種區(qū)，型孔內(nèi)種子失去護種板的支持力，種子做離心運動。在離心運動過程中，種子第1階段先脫離型孔，其受力運動情況如圖9a所示。第2階段中，種子脫離型孔的束縛，僅在自身重力的作用下，沿著排種盤切線方向做自由落體運動，從落種口排出，實現(xiàn)單粒播種，如圖9b所示。

a. 第1階段a. First stageb. 第2階段b. Second stage

3 試驗研究

3.1 試驗條件

試驗所用排種器為自主研發(fā)氣送式高速玉米精量排種器，所用排種性能檢測裝置為團隊自主研發(fā)設(shè)備，如圖10所示。試驗時，為排種器提供風壓的是檢測裝置內(nèi)置風機，種子經(jīng)由定量供種裝置送入到文丘里管內(nèi)，再由高速氣流吹入氣送式高速玉米精量排種器內(nèi)部，導種管置于出種口處，其內(nèi)部安裝有傳感器用于檢測排出種子粒距，相關(guān)數(shù)據(jù)將會傳輸?shù)斤@示器上。與國外相關(guān)檢測裝置對比發(fā)現(xiàn)，此檢測裝置測試結(jié)果可靠[38-39]。

1.器性能檢測儀 2.定量供種裝置 3.文丘里管 4.高速排種器 5.導種管

Fig10 Experiment equipment

試驗所用種子為未分等級的雜交品種鄭單958[40]，符合實際播種情況。試驗時設(shè)定株距為30 cm，根據(jù)國家標準[41]，選擇合格指數(shù)、重播指數(shù)以及漏播指數(shù)為試驗指標。

3.2 單因素試驗

種子喂入速度、工作速度、氣送風壓為試驗可變參數(shù)，也是影響排種性能的重要因素。其中定義種子喂入速度為試驗初始時間段內(nèi)喂入速度，此時速度大于排種速度，持續(xù)5 s，隨后調(diào)整喂入速度與排種速度保持一致，在后續(xù)的研究中將會針對排種器內(nèi)種子余量對排種性能的影響進行探討。排種速度與工作速度關(guān)系如下式

式中為排種速度，g/s；為排種器工作速度，km/h；為理論株距，m。

其中真實工作速度與排種盤轉(zhuǎn)速關(guān)系如下式

式中為型孔插件個數(shù)。

氣送風壓為投種口處風壓值。持續(xù)讀取200粒種子的指標數(shù)據(jù)，試驗每組進行3次取平均值。

3.2.1 工作速度對排種器工作性能的影響

本文所設(shè)計的排種器為氣送式高速精量排種器，因此工作速度均選取大于8 km/h。在風壓130 Pa，種子喂入速度為1 kg/min的情況下，分別對工作速度在8.3、9.8、12.1、14.3、15.8 km/h下進行排種性能試驗，試驗結(jié)果如圖11所示。

注：風壓130 Pa，種子喂入速度為1 kg·min-1。

如圖11所示，由于排種器工作速度的提高，出現(xiàn)排種合格指數(shù)整體上出現(xiàn)先上浮后連續(xù)降低并保持穩(wěn)定，而漏播指數(shù)并沒有因為工作速度的增加而增大，反而先下降后基本保持穩(wěn)定不變，重播指數(shù)始終變化不大保持穩(wěn)定，峰值在9.8 km/h處出現(xiàn)，此處合格指數(shù)為88.75%，漏播指數(shù)為9.58%，重播指數(shù)為1.67%。試驗中發(fā)現(xiàn)，開始工作速度較低的情況下，型孔底部的種子壓覆不牢靠，極易被甩出型孔插件造成漏播，隨著速度的提升，處于型孔底部的種子被緊緊壓覆，因此漏播指數(shù)降低，與理論分析結(jié)論一致。因此，在這種條件下，工作速度為9.8 km/h排種性能最佳。

3.2.2 種子喂入速度對排種器工作性能的影響

為了使得種子之間起到壓覆作用，種子喂入速度要大于排種速度，因此，選取1 kg/min及以上喂入速度。在風壓130 Pa，工作速度為14.3 km/h的情況下，分別對種子喂入速度在1、1.2、1.5、1.8、2 kg/min下進行排種性能試驗，試驗結(jié)果如圖12所示。

注：風壓130 Pa，工作速度為14.3 km·h-1。

如圖12所示，由于種子喂入速度的提高，出現(xiàn)排種合格指數(shù)先平穩(wěn)上浮后大幅降低后平穩(wěn)降低并保持穩(wěn)定，而漏播指數(shù)在如此高速作業(yè)情況下先下降后保持穩(wěn)定且基本趨于0，重播指數(shù)持續(xù)上升后保持穩(wěn)定，峰值在1.2 kg/min處出現(xiàn)，此處合格指數(shù)為91.33%，漏播指數(shù)為0.67%，重播指數(shù)為8.00%。試驗中發(fā)現(xiàn)，開始種子喂入速度較低的情況下，充種區(qū)種子量較少，型孔插件內(nèi)充入種子數(shù)量少甚至沒有，造成漏播指數(shù)較高。隨著種子喂入速度的提高，充種區(qū)內(nèi)有適量的種子，型孔插件內(nèi)充入一定數(shù)量的種子，由于一定數(shù)量的種子對處于型孔插件底部的種子產(chǎn)生壓覆作用，使其牢牢壓在底部，因此降低了漏播幾率。在種子喂入速度持續(xù)的增加，充種區(qū)種子過量，型孔插件內(nèi)充入過多的種子，種子之間相互擠壓，到清種區(qū)多余部分的種子不能及時清除造成重播指數(shù)持續(xù)上漲，但未出現(xiàn)漏播情況。因此，在種子喂入速度為1.2 kg/min時，排種器工作性能最佳。

3.2.3 氣送風壓對排種器工作性能的影響

通過前期試驗測量，氣送風壓不能低于100 Pa，種子才能送入排種器，因此在種子喂入速度為1.5 kg/min，工作速度為14.3 km/h的情況下，選取氣送風壓分別在130、215、340、465、550 Pa 5個水平下開展排種性能試驗，試驗結(jié)果如圖13所示。

注：種子喂入速度為1.5 kg·min-1，工作速度為14.3 km·h-1。

如圖13所示，由于氣送風壓的提升，出現(xiàn)排種合格指數(shù)持續(xù)上浮后略微降低，而漏播指數(shù)在如此高作業(yè)速度下先保持穩(wěn)定且趨于0后略有上升，重播指數(shù)持續(xù)下滑，峰值在465 Pa處出現(xiàn)，此處合格指數(shù)為91.80%，漏播指數(shù)為0，重播指數(shù)為8.20%。試驗中發(fā)現(xiàn)，開始風壓較低的情況下，充種區(qū)種子堆積較多，型孔內(nèi)充入過多的種子，種群內(nèi)相互碰撞擠壓，到清種區(qū)多余部分種子不能及時清除造成合重播指數(shù)高，但未出現(xiàn)漏播情況。隨著風壓的增加，充種區(qū)的種子逐漸疏散，堆積情況逐漸減少，使得型孔內(nèi)充入適量數(shù)量的種子，重播指數(shù)明顯下滑，合格指數(shù)上浮，漏播指數(shù)保持不變。當氣送風壓過高時，充種區(qū)種子受到較大曳力，出現(xiàn)種子速度大于排種盤轉(zhuǎn)速，型孔插件內(nèi)充入種子數(shù)量降低甚至沒有，導致漏充，此時漏播指數(shù)上浮，重播指數(shù)持續(xù)下落，合格指數(shù)回落。因此在這種條件下，氣送風壓為465 Pa排種性能最佳。

從上述單因素試驗中總結(jié)得出，此工作原理的排種器與傳統(tǒng)排種器[9-13]相比最大特點在于漏播指數(shù)不隨著工作速度的增加而增加，且在高速工作的情況下，即工作速度達到14.3 km/h時，漏播指數(shù)基本維持在1%以下，均低于傳統(tǒng)排種器漏播指數(shù)，這也使其更加適用于高速作業(yè)。

3.3 二次旋轉(zhuǎn)正交組合試驗

前期單因素試驗中試驗指標均出現(xiàn)了峰值，說明所選范圍合理，因此確定了工作速度取值范圍在8.3～15.8 km/h，種子喂入速度取值范圍在1~2 kg/min，氣送風壓范圍在130～550 Pa。選擇用正交組合試驗方法，尋找使得排種器具有最佳工作性能的因素組合。因素水平以及試驗安排如表2，表3所示。每組試驗進行3次取平均值。

表2 試驗因素和水平

表3 試驗設(shè)計及結(jié)果

3.4 模型建立與顯著性分析

為了建立合格指數(shù)1、漏播指數(shù)2和重播指數(shù)3的數(shù)學模型，應用Design-Expert8.0.6對試驗數(shù)據(jù)進行分析和擬合。

1）合格指數(shù)1

對試驗結(jié)果進行回歸擬合，建立合格指數(shù)1回歸數(shù)學模型如式（13），顯著性檢驗見表4

根據(jù)表4可知，模型的擬合度是顯著的（<0.05）。但其中一次項氣送風壓（3），二次項工作速度和氣送風壓的交互（13）、種子喂入速度和氣送風壓的交互（23）、工作速度二次方（12）、種子喂入速度二次方（22）以及氣送風壓二次方（32）的值都>0.1，說明其對排種合格指數(shù)的影響不顯著，其余各項均顯著，表明所選試驗因素對試驗指標的影響有二次關(guān)系。對式（13）系數(shù)的檢驗可以得出影響排種合格指數(shù)主次順序為種子喂入速度、工作速度和氣送風壓。

2）漏播指數(shù)2

對試驗結(jié)果進行回歸擬合，建立漏播指數(shù)2回歸數(shù)學模型如式（14），顯著性檢驗見表4

根據(jù)表4可知，模型擬合度為極顯著（<0.01）。但其中一次項工作速度（1），二次項工作速度和種子喂入速度的交互（12）、工作速度和氣送風壓的交互（13）、種子喂入速度和氣送風壓的交互（23）以及工作速度二次方（12）的值都>0.1，說明其對排種器漏播影響不顯著，其余各項均為極顯著或顯著，表明所選試驗因素對試驗指標的影響有二次關(guān)系。對式（14）系數(shù)的檢驗可以得出影響漏播指數(shù)主次順序為種子喂入速度、氣送風壓和工作速度。說明了工作速度并不影響漏播指數(shù)，此工作原理與結(jié)構(gòu)排種器適應高速作業(yè)。

3）重播指數(shù)3

對試驗結(jié)果進行回歸擬合，建立重播指數(shù)3回歸數(shù)學模型如式（15），顯著性檢驗見表4

根據(jù)表4可知，模型擬合度為極顯著（<0.01）。其中二次項工作速度和氣送風壓的交互（13）、種子喂入速度和氣送風壓的交互（23）、種子喂入速度二次方（22）以及氣送風壓的二次方方（32）值都>0.1，說明其對重播指數(shù)的影響不顯著，其余各項均為極顯著或顯著，表明所選試驗因素對試驗指標的影響有二次關(guān)系。對式（15）系數(shù)的檢驗可以得出影響重播指數(shù)主次順序為種子喂入速度、工作速度和氣送風壓。

表4 模型方差分析

3.5 試驗因素對指標的影響

為了分析各因素與指標之間關(guān)系，采用設(shè)計大師軟件得出試驗結(jié)果的響應曲面圖，如圖14所示。

圖14a、14b、14c是3因素對合格指數(shù)的影響：排種合格指數(shù)隨著工作速度的提高先上升后下降并保持穩(wěn)定，在 10.8～13.7 km/h有最大值；隨著種子喂入速度的增大先增后降，在1.2～1.5 kg/min有最大值；隨著氣送風壓的增大先增后降，在340～465 Pa有最大值。圖14d、14e、14f說明漏播指數(shù)隨工作速度的提高先下降后略有上浮并保持穩(wěn)定，隨種子喂入速度的提高先下降后上浮，隨氣送風壓的提高先下降后上浮。圖14g、14h、14i說明排種重播指數(shù)隨工作速度的提高先下降后上浮，隨種子喂入速度的提高而上浮，隨氣送風壓的提高而下降。

圖14 試驗因素對各指標的影響

3.6 參數(shù)優(yōu)化

選定合格指數(shù)最大，漏播指數(shù)最小，并結(jié)合各因素選取條件，對試驗指標進行優(yōu)化求解。

得出工作速度9 km/h，種子喂入量1.91 kg/min，氣送風壓492.17 Pa時，合格指數(shù)最高，漏播指數(shù)最低，重播指數(shù)合理，其數(shù)值分別為93.14%，1.00%，5.86%。

為了驗證優(yōu)化結(jié)果，在相同條件下進行驗證試驗，其結(jié)果為合格指數(shù)達到91.86%，而漏播指數(shù)為0.84%、重播指數(shù)為7.30%。由此可見，優(yōu)化結(jié)果可信。

4 結(jié) 論

1）充分利用高速作業(yè)下的特點設(shè)計了1種基于氣送式的高速玉米精量排種器，對其結(jié)構(gòu)以及工作原理進行了介紹，對其中的關(guān)鍵部件如排種盤、型孔插件、護種板參數(shù)進行了理論分析和設(shè)計，采用氣吹送種和型孔插件與護種板相配合的方式很好的解決了在高速作業(yè)下充種難，清種機構(gòu)結(jié)構(gòu)復雜的問題，在高速工作環(huán)境下排種器工作性能良好。

2）分別對工作速度、種子喂入速度、氣送風壓3個重要工作參數(shù)進行單因素試驗，得出此工作原理下增加排種器工作速度不但不會增加漏充指數(shù)，反而降低。在氣送風壓130 Pa，種子喂入速度1 kg/min固定不變時，工作速度在9.8 km/h，排種性能最佳。在氣送風壓130 Pa，工作速度14.4 km/h固定不變時，種子喂入速度在1.2 kg/min，排種性能最佳。在種子喂入速度1.5 kg/min，工作速度14.3 km/h固定不變時，氣送風壓在465 Pa，排種性能最佳。

3）以工作速度、種子喂入速度、氣送風壓為因素與排種性能建立了數(shù)學模型，并得出了各因素以及交互因素對排種性能的影響。

4）應用數(shù)據(jù)分析軟件Design-expert 8.0.6對試驗結(jié)果進行擬合與優(yōu)化分析，得到在工作速度為9 km/h，種子喂入量為1.91 kg/min，氣送風壓為492.17 Pa時，排種合格指數(shù)可高達93.14%，而漏播指數(shù)低至1.00%，重播指數(shù)為5.86%，優(yōu)化結(jié)果經(jīng)臺架試驗驗證可靠。

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Design and experiment of air-assisted high speed precision maize seed metering device

Gao Xiaojun, Xu Yang, Zhang Dongxing, Yang Li, Lu Bing, Su Yuan, Xia Guoyi, Cui Tao※

(1.,100083,; 2.,100083,)

In order to meet the requirements of maize precision seeding under high-speed conditions, from the working principle, we designed a high-speed precision seed metering device that could fundamentally solve the problems of poor filling performance and complex structure caused by high-speed operation. The device used the centrifugal force generated by high-speed operation to fill and clean seeds, and traditional seed stacking was changed into a gas-filled seed by means of gravity filling. Theoretical analysis and parameter design were carried out on the shape of seed tray, hole insert and seed plate. Seed supply mechanism was used for seed supply, and venturi tube was used for orderly gas blowing, and plug of type hole was matched with seed plate to fill and carry seeds, and changed width of the seed plate to clean seeds, and gravity of seeds and driving force of airflow were used for seeding. Single factor test was carried out on working speed of seed meter device, seed feeding speed and wind pressure. The qualified index, missing index and multiple index were used as test indicators to obtain the influence of various factors on seeding performance. The principle and structure of seed metering device was different from conventional seed metering device. In the case of increasing working speed of seed metering device, it did not increase missing index, but decreased and basically went to zero. When wind pressure was 130 Pa and seed feeding speed was 1 kg/min, the seeding performance was best when working speed was 9.8 km/h. When wind pressure was 130 Pa and working speed was 14.4 km/h, the seeding performance was best when seed feeding speed was 1.2 kg/min. When seed feeding speed was 1.5 kg/min and working speed was 14.3 km/h, the seeding performance was best when wind pressure was 465 Pa. In order to obtain the best performance parameter combination of seed metering device, the ternary quadratic regression orthogonal rotation combination test was carried out with above factors and test indexes, and the mathematical model between test index and test factor was established, and working principle and structure were obtained. Working speed had no significant effect on missing index for this metering device. The multi-objective optimization of the regression equation was carried out by using the response surface method. The optimal parameter range was: working speed was 9 km/h, seed feeding speed was 1.91 kg/min, and wind pressure was 492.17 Pa. Qualified index was 93.14%, missing index was 1.00%, and multiple index was 5.86%. It was verified by experiments and basically consistent with optimization results. It can be seen that working principle and structure of metering device had a low missing index, and missing index was not increased due to increase of working speed. It showed that this air-assisted high-speed maize precision seed metering device solved the problem of difficult to fill in high-speed operation, and its seed cleaning structure was simple, and could maintain good seeding performance under high-speed working conditions. It provided a reference for design and optimization of high-speed precision metering devices.

agricultural machinery; crops; design; high speed; maize; centripetal force; regression equation

高筱鈞，徐 楊，張東興，楊 麗，魯 兵，蘇 媛，夏國藝，崔 濤. 氣送式高速玉米精量排種器設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(23)：9－20.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.002 http://www.tcsae.org

Gao Xiaojun, Xu Yang, Zhang Dongxing, Yang Li, Lu Bing, Su Yuan, Xia Guoyi, Cui Tao. Design and experiment of air-assisted high speed precision maize seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(23): 9－20. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.002 http://www.tcsae.org

2018-07-03

2019-10-23

十三五國家重點研發(fā)計劃“精量播種技術(shù)裝備研發(fā)”（No.2017YFD0700703）；國家自然科學基金資助項目（51575515）；國家玉米產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目（CARS-02）

高筱鈞，博士生，研究方向為農(nóng)業(yè)機械裝備與計算機測控研究。Email：gxj_1234@126.com

崔 濤，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)機械裝備與計算機測控研究。Email：cuitao850919@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.23.002

S223.2+5

A

1002-6819(2019)-23-0009-12