針孔管式小麥精準點播裝置設計與吸種性能研究

劉俊孝，王慶杰，李洪文，何 進，盧彩云

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針孔管式小麥精準點播裝置設計與吸種性能研究

劉俊孝，王慶杰※，李洪文，何 進，盧彩云

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083； 2. 農業農村部河北北部耕地保育科學觀測實驗站，北京 100083）

精準點播可保證播種作業的播量、播深及株距的均勻度，增強個體發育，但因小麥種子具有籽粒小、種植密度大等特點，目前尚缺少小麥精準點播裝備。針對這一問題，該文設計了一種基于氣力吸附、定點打穴、精準投種的針孔管式小麥精準點播裝置，并對其吸種性能進行研究。確定了該播種機構的工作原理及主要結構，通過理論計算，確定適宜株距為2.73 cm，針孔吸種管擾動距離為7.86 cm，應分3行排布。以吸種孔位置、吸種孔直徑和吸種面形狀為因素，以漏種指數、重種指數和單粒指數為指標進行正交試驗，得出最優參數組合為：吸種孔位置為頂面，吸種孔直徑為2 mm，吸種面形狀為凸面；在此條件下，試驗結果為漏種指數為4.1%，重種指數為7.3%，單粒指數為88.6%，滿足設計要求。

機械化；設計；農作物；小麥；針孔管式；吸附取種；定點打穴；精準點播

0 引 言

中國的小麥種植遍及全國，其主要種植方式以撒播或條播為主，該種植方式存在用種量大、個體發育差等問題[1]。隨著現代農業的快速發展，對小麥的播種質量要求也日益提高，小麥精量播種可保證田間播種量的一致性和穩定性，降低用種量，減少作物間對光照、水分和養料的競爭，增強個體發育[2]，具有節種、節水、節肥等優勢[3-4]，且研究表明[5-6]，保證播深及株距的均勻度對出苗時間、分蘗及產量具有顯著有益影響。但小麥的播種密度遠遠高于玉米、大豆等作物，排種器排出的種粒間距小，即使能夠排出均勻種子流，也極易被排出后發生的碰撞、滾動、彈跳等現象破壞[7-8]，無法實現精量、等粒距的高質量播種，因此，需要同步解決小麥精準投種的問題。控制種子在土壤中的空間分布，實現等播量、等粒距、等播深播種，提升小麥的播種質量。

近些年，國內外對于單粒點播技術與裝備的研究大多圍繞玉米、大豆等播種密度較小的作物[9]，而針對小麥等密植類作物的研究極少，僅有少數的精量排種及投種方面的研究。Yasir等[10]對氣力式小麥精密排種器進行改進，并采用ANSYS-CFX耦合方法對不同參數下的氣力分布進行了模擬。Lei等[11-12]采用DEM-CFD耦合方法，對氣力集排式播種機從氣場和種子運動兩方面研究和分析了喉部面積、喉部長度、氣流入口速度和進種率對作業效率的影響。趙曉順等[13-14]設計了一種小麥槽縫氣吸式排種器，對比分析了不同形式的槽縫結構對排種器吸種均勻性的影響，并進行了試驗優化。上述研究為小麥精量排種的實現打下堅實基礎，但并未涉及小麥的投種方面研究。定點投種方面的研究大多針對玉米等作物展開，John Deere 公司[15]研發了毛刷帶式輸種裝置用于將種子運送到種溝，通過實時調整毛刷帶轉速，可使種子落入種床的水平分速度與播種機前進速度抵消，達到零速投種。陳學庚等[16]設計了一種傳動與投種機構一體的帶式導種裝置，并確定了其主要結構參數。劉宏新等[17]研究了一種滾筒穴式免耕播種成穴機構，可實現在不對地表覆蓋物進行處理的情況下穿透成穴。

上述研究在定點投種方面進行了探索，為后續小麥精準播種技術的發展奠定了基礎，但由于播種密度的限制，很難應用于小麥精準點播。小麥投種的研究主要圍繞一溝多行及苗帶撒播等形式展開。劉彩玲等[18]在小麥精密排種器下接多行輸種槽，使各行種子獨立投送而互不干擾，提高行間種子分布均勻性。祝清震等[19]研究了苗帶撒播器的彈籽板球面半徑、安裝傾角和跨度等因素對小麥寬幅投種質量的影響，得出彈籽板具有較好的橫向勻種效果。牛琪等[20]設計了一種斜置三角式分種裝置將從輸種管落下的種子流經分種板橫向勻流投種，可提高投種均勻性。這些研究在一定程度上提高了種子行間（橫向）的均勻性，但種子均為自流下落，輸送過程種子仍處于不可控狀態，導致精量排種器排出的均勻種子流受到破壞，不能實現精準有序著床。目前，仍缺少配套的機械化小麥精準點播技術與裝備。

針對這一問題，本文研究了針孔管對小麥種子的吸附特性，設計了一種針孔管式小麥精準點播裝置，以期實現小麥種子定量分離，同時保持原有的均勻性投放在土壤中，做到小麥精準點播。

1 針孔管式小麥精準點播裝置設計

1.1 整體結構設計

結合打穴播種機、導種機構及排種器[21-22]的原理，創新提出了一種基于氣力吸附取種、定點打穴、精準投種的精準點播方法，并將取種部件、運輸導種部件與投種部件相融合，使得針孔吸種管同時具有排種器、導種裝置與打穴裝置的功能，使小麥在土壤中仍能夠保持原有的均勻性。根據該方法設計的針孔管式小麥精準點播裝置，其結構如圖1所示。

1.種箱 2.針孔吸種管 3.播種輪 4.氣力分配機構

1.Seed box 2. Pinhole seed suction tube 3.Seeding wheel 4.Pneumatic distribution mechanism

圖1 針孔管式小麥精準點播裝置

Fig.1 Pinhole-tube wheat precision seeding device

針孔管式小麥精準點播裝置主要由針孔吸種管、氣力分配機構、播種輪、種箱等四部分組成。針孔吸種管均勻安裝在播種輪的外側壁上，為可更換部件，可根據所需播種量改變針孔吸種管的排布，未安裝針孔吸種管的孔洞用橡膠塞封閉防止進土、漏氣，針孔吸種管通過狹長氣道管連接播種輪中心的氣力分配機構以獲取真空度，針孔吸種管為吸種、運種及投種的核心部件。氣力分配機構主要由與播種輪固聯在一起的氣力分配中心和氣力分配蓋兩部分組成，兩者可相對旋轉，播種輪通過與土壤的摩擦獲取旋轉動力，正壓與負壓也是利用旋轉進行切換。種箱安裝于播種輪側上方，種箱下部裝有柔性的單向通過裝置，針孔吸種管可低阻力通過而種子不會泄漏。

針孔管式小麥精準點播裝置基本結構尺寸：播種輪直徑為600 mm，裝置橫向最大寬度為170 mm，播種行距為200 mm，種箱容積10 L，播種帶寬度為80 mm。

1.2 工作原理

針孔管式小麥精準點播裝置的主要工作原理為：播種輪的外壁壓在土壤之上，將針孔吸種管插入土壤之中，當播種輪在地表滾動時，帶動針孔吸種管旋轉。氣力分配機構與風機連接，并分為負壓區與正壓區2個部分，分別為處于吸種位置和排種位置的針孔吸種管提供氣力，整個工作區域分為吸種、清種、運種、投種4個區域，其中吸種、清種、運種區域為負壓區，投種區域為負壓區，如圖2所示。帶有負壓的針孔吸種管通過種箱，拾取種子，并隨播種輪轉動將種子運輸到土壤之中，當針孔吸種管到達指定投種點時，正對應氣力分配機構的正壓區域，吸種孔由負壓改變為正壓，將種子吹入土壤，完成播種，同時正向氣流也可起到防止土壤進入并清潔氣道的作用，依次循環。

Ⅰ.吸種區域 Ⅱ.清種區域 Ⅲ.運種區域 Ⅳ.投種區域

Ⅰ.Sucking zone Ⅱ.Clearing zone Ⅲ.Carrying zone Ⅳ.Throwing zone

圖2 氣壓分配示意圖

Fig.2 Diagram of air pressure distribution

1.3 裝置參數設計

1.3.1 精準點播株距計算

相較于玉米、大豆等作物，小麥的播種密度大，取種單元在播種輪上的分布相對密集，應根據株距來設計取種單元的間隔距離。但常規衡量小麥播種密度的指標不是株距而是單位面積播種質量，而小麥各個品種的千粒重差異較大，以單位面積播種質量來計算株距會有誤差，因此以單位面積小麥基本苗數來計算更加準確。根據文獻可知，采取精量播種方法所需苗數相對較少，為90～150萬/hm2[23-24]。則可得

式中為縱向株距，cm；F為小麥種子發芽率，%；F為小麥田間出苗率，%；為行距，m；為公頃基本苗數。

根據文獻可知[25-26]，小麥種子發芽率F取90%，小麥田間出苗率取95%，行距取常用值0.2m，公頃基本苗數取150萬/hm2。解得植株的縱向株距（即在行進方向上株距）為2.84 cm。

解出的所需株距遠小于常規穴播機構，而針孔吸種管會在土壤中移動，若株距過小，則兩相鄰針孔吸種管會相互影響，甚至出現后一針孔吸種管會使前一種子移位的現象，影響播種質量。因此需要對針孔吸種管在土壤中的擾動距離進行研究。

1.3.2 土壤擾動距離研究

針孔吸種管在土壤中所擾動距離不僅僅是其直徑范圍，還應考慮其觸地后會因播種輪轉動及打滑等原因在土壤中產生的位移。當某一針孔吸種管接觸土壤瞬間，其位置關系如圖3所示。

注：l為針孔吸種管接觸地面瞬間其頂端與播種輪觸地點的距離，cm；為觸地的針孔吸種管與垂直方向夾角，(°)；l為角所對應的弧長，cm；為播種輪半徑，cm；l為針孔吸種管長度，cm。

Note:lis the distance between the top of the pinhole seed suction tube and the contact place of the seeding wheel when it touches the ground，cm；is the angle with the vertical direction and pinhole seed suction pipe when touchdown，(°)；lis the arc length corresponding to，cm；is the radius of seeding wheel，cm；lis the length of pinhole seed suction tube，cm.

圖3 針孔吸種管觸地位置關系示意圖

Fig.3 Schematic diagram of contact position relationship between pinhole seed suction tube and ground

根據圖3，可得

式中l為針孔吸種管擾動距離，cm；d為針孔吸種管直徑，cm；為播種輪滑移率，%。

針孔吸種管直徑應稍大于小麥種子，小麥種子長度一般不超過0.8 cm，綜合考慮取1 cm，播種輪為金屬制品，相較于橡膠制品滑移率較高，一般在14%～20%之間[27]，應取最大值以保證相鄰的針孔吸種管不會相互干擾，因此播種輪滑移率取20%，播種輪半徑取30 cm，針孔吸種管長度為小麥播深，取3 cm，因此可解得針孔吸種管擾動距離l為7.86 cm。

1.3.3 針孔吸種管分布設計

所得擾動距離l遠大于所需理論種植株距，考慮到寬幅播種有利于作物增產[28]，可分為多行種植以增大垂直株距（分排后，同一排兩相鄰針孔吸種管間的距離）。若按照垂直株距必須大于擾動距離來計算，最少需要將針孔吸種管分為3排。分排后兩植株的絕對株距為

式中為植株的絕對株距，cm；l為苗帶寬度，cm；N為針孔吸種管排數。

由式（6）可知，植株的絕對株距與針孔吸種管排數N呈負相關關系。而兩植株距離越遠越有利于植株個體發育[29-30]，因此針孔吸種管排數取最小值，為3排。當針孔吸種管分3排均布于播種輪圓周上時，針孔吸種管每排個數為

解得每排個數為22.12個，為避免播種量不足，向上取整得23，因此播種輪圓周上每排有23個針孔吸種管，每個吸種管角間距約為15.65°。對之前計算的株距進行修正則可得實際株距為2.73 cm。

2 針孔吸種管參數研究

2.1 吸種孔直徑設計

針孔吸種管吸引種子的形式是利用負壓使氣流產生運動，從而牽引種子吸附到吸種管之上，種子在被吸附過程中所受到的力無法利用簡單的壓強公式來計算，更多的是在吸種孔所營造的氣場中對種子的吸引力。而吸種孔中的氣流速度為[31]

式中為絕熱指數；R為氣體常數，J/(kg·K)；T為空氣絕熱溫度，K；P為排種器的氣體壓力，Pa；P為大氣壓力，Pa。

由式（8）可知，吸種孔中的氣流速度主要由吸種孔內外的壓差決定，但該速度并不能直接作用與種子，需要形成一定范圍的氣場，氣流流量與速度的轉換關系為

式中為通過吸種孔的流量，m3/s；為吸種孔直經，m。

吸種孔外部氣場的流動區域近似于半球形[32]。以平面頂吸式針孔吸種管為例，如圖4所示。

注：R為到吸種孔的距離，m；為吸種邊界與垂直的夾角，(°)。

Note:Ris the distance to the seed hole, m;is the angle between the seed absorption boundary and the vertical, (°).

圖4 針孔吸種管外部氣場截面示意圖

Fig.4 Schematic diagram of outside gas field of pinhole seed suction tube

假設氣體為等熵、無旋流動，通過截面的氣體體積流量與通過吸種孔的氣體體積流量相等，截面上的各點速度近似相等。則吸種孔氣流場中任意一點的氣體流速V為

式中V為氣流場中任意一點的氣體流速，m/s。

將式（8）、（9）帶入式（10）中，可得

由式（11）可知，氣場中的氣流速度與吸種孔的直徑成正比，而與種子與吸種孔的距離成反比，吸種孔直徑是影響吸種效果的關鍵參數之一。而吸種孔的直徑主要是由種子尺寸決定，對小麥種子進行測量，其種子長度范圍為4.46～7.93 mm，種子寬度范圍為2.0～4.26 mm，種子厚度范圍為1.81～3.98 mm。為防止小麥種子被吸入氣道內部損壞風機，其最大直徑只能取2mm。考慮到小吸種孔直徑易使吸附力不足造成漏種，而大孔徑易造成重種，因此選擇1，1.5，2 mm 3種孔徑進行試驗，以確定最佳吸種孔直經。

2.2 吸種孔位置研究

吸種孔在針孔吸種管上的位置對吸種效果也有顯著影響，理論上針孔吸種管的5個面均可布置吸種孔，分別為觸土面，觸土背面，左右兩側面及頂面。但若將吸種孔布置在左右側面，則針孔吸種管入土時種子處于無支撐的剪切力作用下，種子極易掉落在土壤表面，無法進入土壤之中，且其吸種時的力學模型與頂面基本相似，因此僅對吸種孔開在觸土面，觸土背面及頂面時種子的受力進行分析[33]。

針孔吸種管應為圓柱形結構，但為了使針孔吸種管更容易通過種箱下部的單向通過裝置，防止產生脈沖震動，對針孔吸種管進行優化，使其截面變為梭型，更有利于降低運行阻力，但布置吸種孔的面仍保持圓柱型結構，吸種孔開在觸土面，觸土背面的結構一致，僅安裝角度不同。針孔吸種管吸種孔位置示意圖如圖5所示。

圖5 針孔吸種管吸種孔位置示意圖

2.2.1 觸土背面吸種分析

首先對吸種孔布置于觸土背面的針孔吸種管進行吸種受力分析（以吸種面為平面為例），如圖6所示。

處于被吸附平衡狀態時的種子受到重力、離心慣性力、支持力、摩擦力F和吸附力F的作用達到受力平衡。即有

在方向

在方向

2.2.2 頂面吸種分析

對吸種孔布置于頂面的針孔吸種管進行吸種受力分析（以吸種面為平面為例），如圖7所示。

注：為小麥種子重力，N；F1為觸土背面吸種時針孔吸種管對種子的靜摩擦力，N；1為觸土背面吸種時小麥種子所受的離心慣性力，N；F1為觸土背面吸種時吸種孔對種子的吸附力，N；1為觸土背面吸種時針孔吸種管對種子的支持力，N；為播種輪角速度，rad·s-1；為針孔吸種管與水平面的夾角，(°)。

Note:is the gravity of wheat seeds, N;F1is the static friction force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;1is the centrifugal inertia force on wheat seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;F1is the suction force for seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;1is the supporting force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on reverse side of contact soil surface, N;is the angular velocity for sowing wheel, rad·s-1;isthe angle for pinhole seed suction tube and horizontal plane, (°).

圖6 觸土背面吸種時種子受力示意圖

Fig.6 Seed force diagram of absorbing seeds on reverse side of contact soil surface

注：F2為頂面吸種時針孔吸種管對種子的靜摩擦力，N；2為頂面吸種時小麥種子所受的離心慣性力，N；F2為頂面吸種時吸種孔對種子的吸附力，N；2為頂面吸種時針孔吸種管對種子的支持力，N。

Note:F2is the static friction force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on top surface, N;2is the centrifugal inertia force on wheat seeds when absorbing on top surface, N;2is the suction force for seeds when absorbing on top surface, N;2is the supporting force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on top surface, N.

圖7 頂面吸種時種子受力示意圖

Fig.7 Seed force diagram of absorbing seeds on top surface

即有

在方向

在方向

2.2.3 觸土面吸種分析

對吸種孔布置于觸土面的針孔吸種管進行吸種受力分析（以吸種面為平面為例），如圖8所示。

即有

在方向

在方向

2.2.4 各吸種孔位置所需吸力對比研究

對觸土面，觸土背面及頂面吸種的受力分析進行整理，并有摩擦力與支持力的關系為

注：F3為觸土面吸種時針孔吸種管對種子的靜摩擦力，N；3為觸土面吸種時小麥種子所受的離心慣性力，N； F3為觸土面吸種時吸種孔對種子的吸附力，N；3為觸土面吸種時針孔吸種管對種子的支持力，N。

Note:F3is the static friction force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on contact soil surface, N;3is the centrifugal inertia force on wheat seeds when absorbing on contact soil surface , N;3is the suction force for seeds when absorbing on contact soil surface, N;3is the supporting force of pinhole seed suction tube for seeds when absorbing on contact soil surface, N.

圖8 觸土面吸種時種子受力示意圖

Fig.8 Seed force diagram of absorbing seeds on contact soil surface

F=sin（18）

式中為小麥種子的內摩擦角，(°)。

可得

對式（19）、（20）、（21）進行計算，小麥的內摩擦角取20°，針孔吸種管與水平面的夾角可以為針孔吸種管位于種箱內的任意位置，取種箱吸種的中心區域20°，種子的離心慣性力為

=(+l)2（22）

式中為小麥種子質量，kg。

小麥千粒質量取46.5 g，小麥精準點播相較于條播結構復雜，其工作速度相較于條播機構較低，文中計算及試驗選用的前進速度為6 km/h，對應播種輪角速度為5.56 rad/s。可得

F3<F2<F1（23）

即同樣吸附一粒種子，觸土背面吸種所需的吸附力最大，觸土面吸種所需的吸附力最小，頂面吸種所需的吸附力介于兩者之間，理論上觸土面吸種的吸種指數應該最佳，但吸附力過大有可能會造成重種現象，吸附力不足又會導致吸種指數下滑，因此仍需通過試驗來確定最優的吸種孔位置。

2.3 吸種面形狀研究

吸種面形狀影響能夠為小麥種子提供支持力的面積，當該面積越大時，理論上種子越容易獲取支持力以維持種子平衡，并減少了所需的吸力，也就越容易被吸取，但過大的支持面積會導致重種現象增加。將針孔吸種管的吸種面形狀分為凹面，平面與凸面3種形式[34-35]（以頂面吸種為例進行分析），如圖9所示。

3種形式中凸面的支持面積最小，僅局限在吸種孔處，吸種面不會給予其他種子支撐，其重種現象應有所減少，但其吸種性能會有所降低。而吸種面形狀為凹面時其凹槽中可以容納多粒種子，支持面積最大，最易吸取種子，但由于有足夠的空間對小麥種子予以支撐，可能重種現象會較多，平面則介于兩者之間。具體何種形狀作業效果更好，仍需通過試驗予以證明。

圖9 三種形式吸種面剖面圖

3 試驗研究

3.1 試驗材料及設備

為研究針孔管式小麥精準點播裝置的吸種性能，加工了吸種試驗裝置，在搭建的播種裝置試驗臺上進行試驗。試驗所用小麥種子為煙農19，千粒質量46.5 g。由于裝置模型比較復雜，利用機加工制作成本較高，因此選擇3D打印技術進行加工，使用材料為未來8 000低粘度光敏樹脂，硬度79，斷裂延展率6%～9%，抗拉強度35 MPa。為方便觀察吸種過程及規律，種箱使用材料為透明光敏樹脂，硬度87，斷裂延展率10%，抗拉強度50 MPa。在試驗臺上播種輪為旋轉件無法被固定，整機質量完全由支撐架與氣力分配蓋的螺栓承受，氣力分配蓋為薄壁結構，載荷有限，考慮到本試驗僅進行吸種試驗，因此對模型進行簡化，將播種輪直徑減半，并將3排針孔吸種管簡化為1排，簡化后的試驗臺裝置如圖10a所示。

1.支撐架 2.種箱 3.氣力分配機構 4.針孔吸種管 5.播種輪 6.試驗臺梁架 7.高壓風機 8.播種裝置 9.直流電機 10.變頻器

1.Support frame 2.Seed box 3.Pneumatic distribution mechanism 4.Pinhole seed suction tube 5.Seeding wheel 6.Girder frame 7.High pressure air blower 8.Seeding apparatus 9.Direct current motor 10.Frequency converter

圖10 試驗樣機及試驗臺

Fig.10 Test prototype and test bench

試驗配套風機為德國好凱德2HB320H36高壓離心風機。吸氣管連接負壓接口，吹氣管連接正壓接口，為播種裝置提供氣源。變頻器為Rexroth VFC3610，動力為12V直流電機，播種裝置試驗臺如圖10b所示。

3.2 試驗設計

通過前期理論分析，得出對播種裝置性能有顯著影響的因素有吸種孔位置、吸種孔直徑和吸種面形狀。為研究上述3個因素對排種性能的影響，以煙農19為試驗對象，選取三因素三水平正交表安排試驗。試驗因素和水平如表1所示。

表1 試驗因素和水平

為方便因素變換，將針孔吸種管設計為可拆卸式，使用螺紋連接，樹脂材料攻絲偏差相對較大，連接較為松動，在試驗前使用熱熔膠將螺紋縫隙填充，亦可保證針孔吸種管氣密性。試驗所需針孔吸種管如圖11所示。

圖11 針孔吸種管實物圖

本文研究目標為吸種性能研究，不涉及投種方面，但需確定當下端吸種管觸碰土壤時，是否會對正處于吸種位置的針孔吸種管的吸種性能帶來顯著影響，因此將點播裝置安裝于傳送帶試驗臺，使其下端與土壤（已整備過的細碎土壤）緊密接觸，試驗土壤對吸種性能的影響，如圖12所示。試驗表明，土壤接觸對吸種性能方面影響不顯著，因此為更利于開展試驗研究，進行正交試驗時未添加土壤。

圖12 土壤對吸種影響試驗

在播種輪角速度為5.56 rad/s，真空度為6 kPa的條件下進行試驗，記錄試驗結果，試驗重復3次，選用漏種指數、重種指數和單粒指數為評價指標[36]。并對正交試驗結果進行極差分析，最佳參數組合的選擇依據為：漏種指數與重種指數越小，則作業效果越好，單粒指數越大，則作業效果越好。所測各指標平均值及基差分析結果如表2所示。

3.3 試驗結果分析

極差分析表明：吸種孔位置、吸種孔直徑和吸種面形狀3因素均對試驗結果有影響，對漏種指數的影響由大到小排列為吸種孔位置、吸種孔直徑、吸種面形狀，且吸種孔位置對漏種指數的影響極為顯著，遠超其他兩因素，最佳參數組合為232。對重種指數的影響由大到小排列為吸種孔位置、吸種面形狀、吸種孔直徑，最佳參數組合為323。對單粒指數的影響由大到小排列為吸種孔位置、吸種面形狀、吸種孔直徑，最佳參數組合為123。對3組最佳參數組合進行分析，可以看出各因素在3個指數上取得的最佳項存在差異，因此需對各項指標賦予權重，通過無量綱計算選取各項最優指標。

表2 試驗結果及分析

在小麥播種作業中首要原則為減少漏播情況的發生，允許發生少量的重播現象，因此漏種指數的權重應大于重種指數與單粒指數，而重種指數與單粒指數的權重應相同。因此憑借經驗為漏種指數，重種指數和單粒指數賦予的權重系數比例為5:1:1。權重影響指數計算公式為

式中可取，，；可取1，2，3；W為權重影響指數；1，2和3分別表示漏種指數，重種指數和單粒指數；1，2，3分別為漏種指數，重種指數和單粒指數所占的權重系數；為表2中所對應的分析項。計算結果如表3所示。

表3 權重影響指數計算結果

權重影響指數越小則作業效果越好，最終確定的最佳參數組合為133，即吸種孔位置為頂面，吸種孔直徑為2 mm，吸種面形狀為凸面。在其條件下，試驗結果為漏種指數為4.1%，重種指數為7.3%，單粒指數為88.6%，滿足設計要求。

將試驗結果與理論分析結果進行對比可以發現，重種指數和吸種孔直徑成正相關關系，漏種指數與單粒指數和吸種孔直徑成負相關關系，與理論分析結果一致。吸種孔位置對試驗的3項指標影響最顯著（<0.01），尤其是當吸種孔開在觸土背面時，漏種指數急劇上升，分析其主要原因是其運動為遠離種群方向，向上的運動會在吸種孔附近形成空腔，造成在合適的吸種范圍內種子較少，而吸種力又與距離成反比，且所需吸種力在3種吸種面形狀中最大，造成吸種效果較差。而吸種孔位置位于頂面與觸土面時，漏種指數相近且觸土面稍好，但重種指數與單粒指數頂面要遠優于觸土面，試驗結果也與理論分析結果相符。吸種面形狀對漏種指數影響相對較小，但對重種指數與單粒指數有較大影響。理論分析結果得出吸種能力由大到小為凹面，平面和凸面，但試驗結果表明，漏種指數凹面反而高于平面。對數據進行分析，發現當觸土背面吸種時，凹面吸種指數最低，影響了整體數據，而在觸土面與頂面吸種時與理論分析結果一致。產生該現象的原因為凹型布置在觸土面與頂面時，其轉動是貼合種群的過程，而布置在觸土背面時，其轉動是遠離種群的過程，凹型的側壁反而阻止了種子的進入，致使吸種能力下降。

4 結論與討論

1）提出了一種基于氣力吸附取種、定點打穴、精準投種的精準點播方法，并設計了針孔管式小麥精準點播裝置，確定了該播種機構的工作原理及主要結構，通過理論計算，確定適宜株距為2.73 cm，針孔吸種管在土壤內的擾動距離為7.86 cm，分3行排布，間隔角度15.65°。

2）對影響針孔吸種管吸種性能的因素進行理論分析，發現吸種孔位置、吸種孔直徑和吸種面形狀對吸種性能具有顯著影響（均有<0.05），并建立了不同吸種形式的力學模型。

3）通過正交試驗，確定了吸種孔位置、吸種孔直徑和吸種面形狀均對吸種效果有顯著影響。設定各評價指標權重，得出最優參數組合為吸種孔位置為頂面，吸種孔直徑為2 mm，吸種面形狀為凸面，該情況下漏種指數為4.1%，重種指數為7.3%，單粒指數為88.6%，滿足設計要求。試驗結果基本與力學分析結果一致，驗證了其準確性。

文中試驗條件相對于實際作業環境仍過于簡單，無法充分驗證該裝置在田間作業條件下的準確性和可靠性，尤其是僅考慮了吸種管結構對吸種性能的影響，未研究各結構形式與土壤接觸時和種子的相互作用情況。當針孔吸種管吸取的種子與土壤接觸，能否穩定的攜帶種子至指定位置實現精準點播，其攜種定點投放的能力可能與吸種管結構、吸種管頂部曲率半徑、播種輪直徑、針孔吸種管長度、機具前進速度等多個因素有關，仍有待進一步研究。

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Design and seed suction performance of pinhole-tube wheat precision seeding device

Liu Junxiao, Wang Qingjie※, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun

(1.,,100083,; 2.100083,)

Precise seeding on point is a wheat seeding method which can control the spatial distribution of seeds in the soil effectively and strive to achieve equal seeding amount, grain spacing and seeding depth, so as to further improve the seeding quality of wheat. In order to achieve this goal, the organic combination of precision seeding and accurate seed casting was put forward. The functions of quantitative seed separation and stable seed transportation of seeder were integrated into the seed casting device to change the form of seed transportation, so as to realize the precision fixed seeding of single grain of wheat. This paper put forward a method based on seed adsorption, point perforation and precision seeding. According to this method, the pinhole-tube wheat precision seeding device was designed. The main working principle is as follows: The outer wall of the seeding wheel is pressed on the soil, and the pinhole seed suction tube is inserted into the soil. When the seeding wheel rolls, the pinhole seed suction tube is driven to rotate. The pneumatic distribution mechanism is connected with the fan that is divided into negative pressure area and positive pressure area to provide pressure for the pinhole seed suction tube in the position of seeding and throwing. The pinhole seed suction tube with negative pressure picks up the seeds in the seed box, and transports the seeds to the soil with the rotation of the seeding wheel. When the pinhole seed suction tube reaches the designated seed drop point, it is in the positive pressure area of the pneumatic distribution mechanism. The seed suction hole changes from negative pressure to positive pressure, and seeds are blown into the soil to complete the sowing. According to the number of basic seedlings required by precision seeding method, the planting frequency was calculated to determine the plant spacing. The appropriate directional planting distance was 2.73 cm and the spacing angle in seeding wheel of pinhole seed suction tube was 15.65°. When the pinhole seed suction tube was inserted into the soil, the rotation of seeding wheel and other factors would produce displacement in the soil. The stirring distance in the soil was 7.86 cm by calculating, which was greater than the plant spacing. 3 rows should be arranged because of the less the row number of pinhole seed suction tube, the greater the absolute distance between 2 plants. The seed suction hole diameter had a great influence on seed suction effect by studying the principle of pinhole seed suction tube to absorb seed. The mechanical model of seed suction was established when seed suction holes were arranged in different positions of pinhole seed suction tube. The factors arranged from largest to smallest by the seed suction force requirement was reverse side of contact soil surface, top surface and contact soil surface. It was concluded that it would have a great influence on seed suction by analyzing the seed suction surface shape of pinhole seed suction tube. Therefore, the above 3 factors were taken as influencing factors, and the orthogonal test was conducted with the parameters of leakage seed index, multiple seed index and single seed index. The optimum combination was obtained as follows: the seed suction hole position was in the top surface, the seed suction hole diameter was 2 mm, and the seed suction surface shape was convex. Under the condition of optimal parameter combination, the experimental results showed that the leakage seed index was 4.1%, the multiple seed index was 7.3%, and the single seed index was 88.6%, which met the design requirements. By analyzing the experimental data, it was concluded that the 3 factors had significant influence on the experimental results. The reliability of the theoretical analysis results was verified by comparing with the experimental results. The rationality analysis of the differences between the results and analysis is carried out to lay a foundation for further research. It provides a reference for the design and performance improvement of precision seeding machinery and promotes the development of precise seeding on point of wheat.

mechanization; design; crops; wheat; pinhole-tube type; seed adsorption; point drilling; accurate point seeding

2019-01-09

2019-05-30

國家重點研發計劃項目（2016YFD0200600）、國家現代農業產業技術體系建設項目(CARS03)和教育部創新團隊發展計劃項目（IRT13039）聯合資助

劉俊孝，博士生，主要從事精量播種技術與裝備研究。Email：B20173070539@cau.edu.cn

王慶杰，教授，博士，博士生導師，主要從事保護性耕作技術與裝備研究。Email：wangqingjie@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.002

S223.2+3

A

1002-6819(2019)-11-0010-09

劉俊孝，王慶杰，李洪文，何 進，盧彩云. 針孔管式小麥精準點播裝置設計與吸種性能研究[J]. 農業工程學報，2019，35(11)：10－18. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.002 http://www.tcsae.org

Liu Junxiao, Wang Qingjie, Li Hongwen, He Jin, Lu Caiyun. Design and seed suction performance of pinhole-tube wheat precision seeding device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 10－18. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.002 http://www.tcsae.org