集排式大豆精量排種器設計與試驗

王業成 靳亞東 羅嗣博 孫 浩 陳海濤

(東北農業大學工程學院， 哈爾濱 150030)

0 引言

排種器是播種機的核心部件，其性能是保證播種機播種質量的前提[1-4]。集排式排種器采用1個排種部件進行多行播種，可以簡化播種單體結構及傳動系統、減小播種機重量，降低成本，解決大豆窄行密植農藝對播種機的要求，進而實現寬幅、高效播種作業，成為排種器的發展方向[5-9]。

氣力式排種器，是利用氣流壓力差從種子群中攫取分離出單粒種子，并依次等間距地排出投入到種床中，實現精密播種作業。為了減小單粒種子從種子群間分離的阻力[10-12]，目前普遍采用機械攪拌種子方式和氣力、振動種子沸騰的方式[13-16]，強制種室內種子間的相對運動，便于單粒種子從種子群內分離。機械攪拌種子裝置和機械振動方式不能避免由重力引起的種子間作用力，其降低單粒種子從種子群間分離的阻力是有限的，而采用氣力沸騰的方式存在結構復雜，消耗風壓等問題，目前僅在室內、小粒種子和有粘性種子精量播種機上少量使用。

本文采用滑落吸種、碰撞清種的方式設計一種集排式精量排種器。吸種時種子在重力及滾筒摩擦力的作用下，與吸孔同向并加速向下運動，從而減小重力引起的種子間作用力，降低單粒種子從種子群內分離的阻力，同時增大吸種行程，降低種子相對滾筒速度，從而改善排種器充種性能，提高播種質量。

1 排種器結構與工作原理

如圖1所示，集排式精量排種器主要由種箱、殼體、滾筒、導種板、送種管、提升裝置及傳動裝置等組成。

圖1 排種器結構示意圖Fig.1 Structure diagrams of seed-metering device1.殼體 2.種室 3.種子 4.導種板 5.滾筒 6.送種管 7.進種管 8.提升裝置 9.種箱 10.傳動裝置 11.毛刷 12.氣室 13.板簧 14.連桿

如圖2所示，風機產生的正壓氣流通過進氣口進入排種器殼體內，在滾筒吸孔內外壓差的作用下種子吸附在滾筒吸孔上，實現充種過程。

圖2 排種器工作過程示意圖Fig.2 Schematic diagram for working process of seed-metering device1.殼體 2.種子 3.滾筒 4.壓種氣流 5.送種管 6.未被吸附種子 7.已吸附種子 8.自由滑落種子 9.提升裝置

當滾筒轉動時，種子群在滾筒摩擦力及其重力作用下，沿導種板由靜止以一定的加速度向下滑落，種子間距逐漸增大，從而減小了種子間作用力，降低了單粒種子從種子群內分離的阻力。加速滑落的種子在滾筒某一位置區域可以達到與滾筒表面相同的線速度，在該位置吸附種子，可以減小種子慣性力對吸種效果的影響。

清種時，加速下落的種子與滾筒上已吸附種子存在一定的速度差，通過導種板控制下落種子的軌跡、速度，使其與已吸附種子發生一系列輕微碰撞，使已吸附種子由靜摩擦狀態轉變為不穩定的動摩擦狀態，吸力較大的種子將擠掉吸力較弱的種子，實現清種過程。

投種時，滾筒的吸孔被密封，在重力及送種口氣流場的作用下，種子與滾筒表面分離，進入送種管，經送種管氣力運送至投種口進行投種，實現投種過程。未被吸附的種子通過提升裝置提升至滾筒上方的種室內，準備進行下次充種。

2 排種器關鍵部件設計與分析

2.1 排種滾筒設計

排種滾筒直徑為211 mm，采用1 mm彈性不銹鋼鋼板制成，兩端分別固定安裝有法蘭，以提高其剛度。

吸孔直徑d采用經驗公式[17]

d=(0.64～0.66)b

(1)

式中b——種子的平均寬度，mm

根據大豆幾何特性，大豆種子平均寬度b為5.1～7.3 mm[18]，由式(1)可得孔徑d為3.26～4.82 mm，取吸孔直徑為3.5 mm。

根據所播作物的株距和行距要求，考慮播種機作業速度及排種器性能等因素[19]，選擇周向吸孔數為45個，軸向每排吸孔間距為50 mm。

2.2 充種過程分析

排種器工作時，種子在滾筒摩擦力及其重力的作用下由靜止開始加速滑落。為簡化分析，忽略種子間作用力，種子未脫離滾筒時受力分析如圖3所示。

圖3 種子受力分析Fig.3 Force analysis for seed

沿種子滑落軌跡的切向、法向建立其動力學方程

(2)

其中

式中φ——種子相對初始位置的轉角，rad

s——種子相對初始位置的路程，mm

aτ——種子切向加速度，m/s2

an——種子法向加速度，m/s2

m——種子質量，gR——滾筒半徑，mm

ω——滾筒角速度，rad/s

FS——種子對滾筒的摩擦力，N

FQ——由吸孔內外壓差形成的種子吸附力，N

FN——滾筒對種子的支持力，N

f——滾筒與種子的摩擦因數

Φ——各種因素對種子所受吸附力影響的修正系數

Δp——殼體內氣壓，kPa

vr——種子與滾筒表面相對速度

當未吸附種子從滾筒表面滑落時，忽略種子受到的滾筒摩擦力及吸附力，由式(2)可得種子滑落線速度及滾筒對種子的支持力

(3)

(4)

當種子被滾筒吸孔吸附時，種子與滾筒表面相對速度vr=0，為保證種子被吸孔吸附，要求滾筒對種子的支持力FN>0，則

(5)

由式(5)可知，種子能否被滾筒吸孔吸附并隨滾筒轉動，與殼體內氣壓Δp、吸孔直徑d、滾筒角速度ω、種子物料特性(Φ、m)、滾筒半徑R等因素有關。

取播種機作業速度為4～12 km/h，即滾筒角速度ω為2.20～6.70 rad/s。取Φ=0.15，f=0.3，大豆顆粒質量m=0.256 g，吸孔直徑d=3.5 mm，滾筒半徑R=104.5 mm，可求得排種器工作時所需氣壓Δp為3.0～5.2 kPa。考慮到排種器實際作業情況復雜，本文考察排種器性能試驗時，氣壓取值范圍為3～7 kPa。

2.3 清種過程分析

當滾筒吸孔吸附多粒種子時，已吸附種子之間的間距變小，如果讓滑落種子從已吸附種子之間穿過，將與其發生碰撞，并擾動、清除多余吸附的種子。

分析下落種子與已吸附種子之間的相對速度，如圖4a、4b所示，取下落種子為動點，把動系固定在滾筒表面，應用點的速度合成定理

va=ve+vr

(6)

式中va——種子相對排種器的絕對速度，m/s

ve——滾筒表面的牽連速度，m/s

獲得相對速度與水平方向的夾角

(7)

式中k——絕對速度與牽連速度的比值

α——絕對速度(導種板)與牽連速度的夾角，rad

如圖4a所示，在充種區域初始階段，種子滑落的絕對速度va小于滾筒的牽連速度ve，此時相對速度vr隨著導種板夾角α減小、絕對速度va增大而減小。為提高充種質量，在充種區域應減小種子相對滾筒的速度vr，即減小導種板夾角α，使滑落的種子在重力作用下獲得較大的加速度，提高絕對速度va。如圖4b所示，在清種區域，種子下落速度va已經達到或大于滾筒的牽連速度ve，此時相對速度vr隨著導種板夾角α、絕對速度va的增大而增大。較大的相對速度vr可以提高種子間的碰撞強度。

圖4 種子運動分析Fig.4 Seed motion analyses1.下落種子 2.導種板 3.吸孔 4.已吸附種子

如圖4c所示，當下落種子從已吸附單粒種子中間穿過，不發生碰撞時，下落種子相對速度vr與水平方向的最大夾角

(8)

式中l0——吸孔之間臨界距離，mm

如圖4d所示，增大導種板夾角α可以在有限的下落高度S內，增加下落種子從吸孔中間穿過的次數p，提高種子間碰撞的頻率。當吸孔之間距離為l1時，下落種子通過吸孔次數p為

(9)

式中B——導種通道寬度，mm

根據導種板結構，得到S=300 mm、B=30 mm，由式(9)獲得通過吸孔次數p，如圖5所示。在絕對速度與牽連速度比值k相同的條件下，通過吸孔次數p隨導種板夾角α的增加而增大。當k<0.8時，通過吸孔次數p隨速度比值k的增加而增大；當k≥1時，速度比值k的變化對通過吸孔次數p的影響較小。

圖5 通過吸孔次數變化曲線Fig.5 Curves of number through suction hole

2.4 密封裝置

排種器密封結構決定著排種器工作的可靠性，密封裝置的結構簡圖如圖6所示。

圖6 密封裝置結構簡圖Fig.6 Structure diagram of sealing device 1.波紋管 2.氣室 3.連桿 4.板簧 5.導氣管 6.排種滾筒

導氣管固定安裝在排種器殼體上并與外界相通，4個板簧的兩端分別與導氣管2個連桿連接，連桿在2個板簧的限制下做水平移動，氣室與每個連桿端部的球鉸鏈連接，實現氣室在2個球鉸鏈處沿y方向及沿滾筒軸線方向位移的限制，在板簧水平彈性力及氣壓的作用下，浮動的氣室與滾筒以較大的力緊密貼合，同時氣室上固定柔性密封條以較小的貼合力實現氣室與滾筒之間間隙的密封，從而減少氣體的泄漏和減小密封部件工作阻力。

為了確保滾筒運轉平穩，避免氣室與滾筒之間自鎖，應合理設計氣室鉸接點位置。

氣室受力如圖7a所示，設氣室對滾筒的正壓力及摩擦力均勻分布，其合力作用線方程為

圖7 氣室受力圖Fig.7 Free body diagrams of air chamber

(10)

(11)

其中

∑M0(F)=-2qflR-2qfR2θ0

式中Fx——氣室與滾筒之間正壓力與摩擦力合力在x軸的分力，N

Fy——氣室與滾筒之間正壓力與摩擦力合力在y軸的分力，N

qf——氣室與滾筒之間摩擦力，N

qN——氣室與滾筒之間正壓力，N

l——氣室沿滾筒軸向邊長，mm

θ——正壓力與水平軸線的夾角，rad

θ0——氣室對應的圓心半角，rad

為使氣室正應力均勻分布，應取氣室的鉸接點位于氣室正壓力與摩擦力合力作用線上，保證氣室與滾筒之間的密封可靠性。

如圖7b所示，陰影區域為滾筒對氣室端部的全約束力作用線所在區域，其中φf為摩擦角。為了避免滾筒吸孔內殘留的種子可能與氣室之間出現自鎖現象，安裝氣室鉸接點A應位于全約束力作用線所在區域的外側，來保證排種滾筒轉動平穩。

取R=104.5 mm，l=210 mm，θ0=81°，f=0.3，可由式(11)得合力作用線方程y=0.3x-82.4。取鉸接點A位于合力作用線上，并靠近滾筒(氣室邊緣)處。考慮鉸接點結構安裝尺寸，如圖7所示，取鉸接點A的坐標xA=71 mm，yA=-61 mm，來實現氣室正壓力均勻分布和避免出現自鎖現象。

3 排種性能試驗

3.1 試驗材料及設備

本試驗選用“黑農38”大豆為樣本，千粒質量為265.6 g，三軸尺寸為(7.15±0.45) mm、(5.63±0.43) mm、(6.71±0.40) mm。試驗在東北農業大學農機實驗室進行。

如圖8所示，試驗裝置主要由JPS-12型排種器性能檢測試驗臺、U型壓力計、高速攝像機(PhantomV5.1-4G，Vision Research， Inc. USA)和傳動系統等組成。

圖8 試驗裝置Fig.8 Experimental device1.U型壓力計 2.集排式精量排種器 3.JPS-12型排種器性能檢測試驗臺 4.光源 5.高速攝像機

3.2 試驗方法

參照GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機試驗方法》，選取合格指數A、重播指數D、漏播指數M為測試指標，氣壓、作業速度為試驗因素，進行雙因素重復試驗。試驗因素和水平如表1所示。試驗共25組，每組重復3次，取3次測試數據的均值作為該組試驗結果。

表1 試驗因素與水平Tab.1 Factors and levels of experiment

應用高速攝像技術對每個吸孔吸附粒數進行測量，其拍攝速率為300 幀/s。每次試驗分別統計250個吸孔吸附種子的粒數，吸附1粒種子為單粒，吸附2粒及以上為多粒，未吸附種子為空穴。

各試驗指標為

(12)

(13)

(14)

式中n1——單粒種子個數

n2——多粒種子個數

n3——空穴個數

N′——理論排種個數

氣壓為排種器工作時，排種器殼體內的正壓值，采用U型壓力計進行測定。應用JPS-12型精密排種器性能檢測試驗臺進行作業速度的測量，測量誤差小于0.5%。

3.3 試驗結果與分析

如圖9a所示，當氣壓為3、4 kPa時，合格指數隨作業速度增大呈下降趨勢，當氣壓為3 kPa，作業速度為10～12 km/h時，合格指數小于95%，此時排種器不能滿足使用要求。當氣壓為5、6、7 kPa時，合格指數隨作業速度變化呈先上升后下降趨勢，合格指數大于95%，排種器滿足使用要求。

如圖9b所示，漏播指數隨作業速度增大呈上升趨勢，隨氣壓增大呈下降趨勢。其中，氣壓為3 kPa時，種子所受吸附力較小，漏播指數明顯高于其它氣壓，漏播指數隨作業速度顯著增大；氣壓為5～7 kPa時，種子所受吸附力較大，漏播指數小于2%。

如圖9c所示，重播指數一直保持較低水平。其中，當氣壓為3、4 kPa時，重播指數為0；氣壓為5、6、7 kPa時，重播指數小于2%，重播指數隨作業速度增大呈下降趨勢。

圖9 氣壓與作業速度對排種性能的影響Fig.9 Influence of air pressure and working speed on seed-metering performance

圖10 清種過程高速影像Fig.10 High-speed images of cleaning process

應用高速攝像技術觀察多余吸附種子被下落種子碰撞清除過程，如圖10a所示，氣壓為7 kPa，作業速度8 km/h，各幅圖片間隔時間2 ms，實線圓圈為已吸附種子，虛線圓圈為多余吸附種子。下落種子流與已吸附種子發生碰撞，干擾已吸附種子，吸力較大種子將擠掉吸力較弱種子，從第6幅圖片起，吸附力較弱種子逐漸遠離吸孔，直至脫離滾筒，完成清種過程。

已吸附種子被下落種子清除過程如圖10b所示，氣壓為3 kPa，作業速度10 km/h，各幅圖片間隔時間4 ms，實線圓圈為已吸附種子。下落種子流以較高的速度與已吸附種子發生碰撞，種子所受碰撞力大于其吸附力，使其脫離滾筒，發生漏播現象。

下落種子有必要采用導種板控制其運動軌跡、速度，來延長滾筒的吸附區域，降低滑落種子的速度，使滑落種子與滾筒吸孔的運動軌跡多次交叉，實現對已吸附種子進行多次小碰撞干擾，可靠地清除多余吸附種子，并避免單粒已吸附種子被清除，從而提高排種器的工作質量。

4 結論

(1)設計了一種滑落吸種、碰撞清種方式的集排式精量排種器，結構簡單，無機械清種裝置，種子適應性好，可滿足大豆精量播種的作業要求。

(2)對充種區域的種子進行運動分析，確定了種子吸附時排種器所需氣壓范圍，分析了下落種子相對滾筒的速度及其通過吸孔的次數。設計了多自由度密封結構，確定了氣室鉸接的結構參數，提高了氣室與滾筒密封的可靠性。分析并應用高速攝像技術觀察了排種器滑落吸種、碰撞清種的工作過程。

(3)試驗研究表明，當氣壓為3、4 kPa，作業速度為4～12 km/h時，合格指數隨作業速度增大呈下降趨勢；當氣壓為5、6、7 kPa，作業速度為4～12 km/h時，合格指數隨作業速度增大呈先上升后下降趨勢；漏播指數隨氣壓增大呈下降趨勢，且隨作業速度增大呈上升趨勢；重播指數一直保持較低水平。當氣壓為5 kPa、作業速度8 km/h時，合格指數大于95%，漏播指數小于2%，能適應高速作業。

1 張澤平，馬成林，王春檉.精播排種器及排種理論研究進展[J].吉林工業大學學報，1995，25(4)：112-116.

ZHANG Zeping，MA Chenglin，WANG Chuncheng. The development of the seed-metering device for precision planter and its theoretical study[J]. Journal of Jilin University of Technology，1995，25(4)：112-116.(in Chinese)

2 李國林，宋煒，毛俐，等.國內外幾種主要排種器的特點[J].農業科技與裝備，2011(8)：70-71，73.

LI Guolin，SONG Wei，MAO Li，et al. Features of some main seed-metering devices at home and abroad[J]. Agricultural Science and Technology and Equipment，2011(8)：70-71，73.(in Chinese)

3 王業成，邱立春，張文嬌，等.摩擦型立式圓盤精密排種器的設計與試驗[J].農業工程學報，2012，28(1)：22-26.

WANG Yecheng，QIU Lichun，ZHANG Wenjiao，et al. Design and experiment of friction vertical plate precision seed-metering device[J]. Transactions of the CSAE，2012，28(1)：22-26.(in Chinese)

4 陳玉龍，賈洪雷，王佳旭，等.大豆高速精密播種機凸勺排種器設計與試驗[J/OL].農業機械學報，2017，48(8)：95-104.http：∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170810&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.08.010.

CHEN Yulong，JIA Honglei，WANG Jiaxu，et al. Design and experiment of scoop metering device for soybean high-speed and precision seeder[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48(8)：95-104.(in Chinese)

5 秦軍偉，張曉輝，姜忠愛.探討集中式排種器的排種機理及其發展[J].農業裝備技術，2004，30(4)：22-23．

QIN Junwei，ZHANG Xiaohui，JIANG Zhongai. Research of seeding principles of centralized type seed meters and its development[J]. Agricultural Equipment & Technology，2004，30(4)：22-23.(in Chinese)

6 廖慶喜，張寧，張朋玲，等.一器多行離心式油菜排種器[J/OL].農業機械學報，2012，43(2)：48-52.http：∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20120210&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.02.010.

LIAO Qingxi，ZHANG Ning，ZHANG Pengling，et al. Centrifugal metering device for rapeseed[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2012，43(2)：48-52.(in Chinese)

7 常金麗，張曉輝.2BQ-10型氣流一階集排式排種系統設計與試驗[J].農業工程學報，2011，27(1)：136-141.

CHANG Jinli，ZHANG Xiaohui. Design and test of one-step centralized type pneumatic seeding system[J]. Transactions of the CSAE，2011，27(1)：136-141.(in Chinese)

8 張昆，衣淑娟.氣吸滾筒式玉米排種器充種性能仿真與試驗優化[J/OL].農業機械學報，2017，48(7)：78-86.http：∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20170710&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.07.010.

ZHANG Kun，YI Shujuan. Simulation and experimental optimization on filling seeds performance of seed metering device with roller of air-suction[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48(7)：78-86.(in Chinese)

9 倪向東，徐國杰，王琦，等.氣吸滾筒陣列式棉花精密排種器設計與試驗[J/OL].農業機械學報，2017，48(12)：58-67.http：∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20171207&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2017.12.007.

NI Xiangdong，XU Guojie，WANG Qi，et al. Design and experiment of pneumatic cylinder array precision seed-metering device for cotton[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48(12)：58-67.(in Chinese)

10 KUMAR V J F，DIVAKER C D. Influence of head geometry on the distributive performance of air-assisted seed drills[J]. Journal of Agricultural Engineering Research，2000，1(1)：81-95.

11 PRASANNA KUMAR G V， SRIVASTAVA BRIJESH， NAGESH D S, et al. Modeling and optimization of parameters of flow rate of paddy rice grains through the horizontal rotating cylindrical drum of drum seeder[J].Computers and Electronics in Agriculture，2009，65(1)：26-35.

12 叢錦玲，余佳佳，曹秀英，等.油菜小麥兼用型氣力式精量排種器[J/OL].農業機械學報，2014，45(1)：46-52.http：∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?flag=1&file_no=20140108&journal_id=jcsam.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2014.01.008.

CONG Jinling，YU Jiajia，CAO Xiuying，et al. Design of dual-purpose pneumatic precision metering device for rape and wheat[J/OL]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2014，45(1)：46-52.(in Chinese)

13 廖慶喜，雷小龍，廖宜濤，等.油菜精量播種技術研究進展[J/OL].農業機械學報，2017，48(9)：1-16.http：∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20170901&flag=1.DOI：10.6041/j.issn.1000-1298.2017.09.001.

LIAO Qingxi，LEI Xiaolong，LIAO Yitao，et al. Research progress of precision seeding for rapeseed[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2017，48(9)：1-16.(in Chinese)

14 張順，夏俊芳，周勇，等.氣力滾筒式水稻直播精量排種器的設計與試驗[J].農業工程學報，2015，31(1)：11-19.

15 祁兵，張東興，崔濤.中央集排氣送式玉米精量排種器設計與試驗[J].農業工程學報，2013，29(18):8-15.

QI Bing，ZHANG Dongxing，CUI Tao. Design and experiment of centralized pneumatic metering device for maize[J]. Transactions of the CSAE，2013，29(18):8-15.(in Chinese)

16 雷小龍，廖宜濤，李兆東，等.種層厚度對油麥兼用集排器供種裝置充種性能的影響[J].農業工程學報，2016，32(6)：11-19.

LEI Xiaolong，LIAO Yitao，LI Zhaodong，et al. Effects of seed layer thickness on seed filling performance of seed feeding device for rapeseed and wheat[J]. Transactions of the CSAE，2016，32(6)：11-19.(in Chinese)

17 中國農業機械化科學研究院.農業機械設計手冊：上冊[M].北京：中國農業科學技術出版社，2007.

18 王業成.摩擦式精密排種器的設計與試驗研究[D].沈陽：沈陽農業大學，2012.

WANG Yecheng. Design and experiment of friction precision seed-metering device[D]. Shenyang：Shenyang Agricultural University，2012.(in Chinese)

19 張德文.精密播種機械[M].北京：農業出版社，1982.