大豆小區育種氣吸式排種器設計與試驗

摘要：

針對大豆小區育種排種器在高速作業條件下的種子漏播、重播率高以及清換種作業過程煩瑣的問題，設計一款針對大豆小區育種的氣吸式排種器及其自動清換種裝置。在分析大豆種子充種過程中的受力情況以及種子的運動學模型的基礎上，設計一款氣吸式排種器；分析大豆小區育種的清換種過程，設計一套與排種器配套的自動清換種裝置，可以實現3 s內精確清換種；搭建試驗平臺，以充種合格率、漏播率、重播率為評價標準，對4種不同顆粒大小的大豆種子進行正交試驗。試驗結果表明：在4個不同排種盤轉速條件下（6r/min、9r/min、12r/min和15r/min），4種不同顆粒種子的平均合格指數為98.06%，平均漏播指數為0.84%，平均重播指數為1.10%，滿足大豆小區育種技術要求。

關鍵詞：大豆；氣吸式排種器；小區育種；自動清換種裝置；正交試驗

中圖分類號：S223.2

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2025） 03-0033-07

收稿日期：2023年9月13日" 修回日期：2023年12月13日*

基金項目：山東省重點研發計劃（重大科技創新工程）項目（2022CXGC020703）；山東省重點研發計劃（科技示范工程）項目（2022SFGC0203）

第一作者：楊帆，男，1998年生，山東鄒城人，碩士研究生；研究方向為智能農機裝備。E-mail： 488353010@qq.com

通訊作者：孫宜田，男，1980年生，山東滕州人，碩士，高級工程師；研究方向為農業裝備智能化控制技術。E-mail： sytde@163.com

Design and experiment of a pneumatic seed metering device for

soybean breeding in small plots

Yang Fan1，" 2， Teng Li3， Shen Jingxin2，" 4， Zhu Jinghong2，" 4， Sun Yongjia2， "4， Sun Yitian2，" 4

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong Agricultural University， Tai’an， 271018， China;

2. Shandong Academy of Agricultural Machinery Science， Jinan， 250103， China; 3. Weichai Lovol Intelligent

Agricultural Technology Co.， Ltd.， Weifang， 261206， China; 4. Huanghuaihai Key Laboratory of

Modern Agricultural Equipment， Ministry of Agriculture and Rural Affairs， Jinan， 250103， China）

Abstract：

In response to the problems of seed missing， high multiple seeding rate， and cumbersome seed cleaning and replacement process in seed metering devices for soybean small-plot breeding under high-speed operations， a pneumatic seed metering device and its automated seed cleaning and replacement device are designed specifically for soybean small-plot breeding. Based on an analysis of the forces acting on soybean seeds during the filling process and their kinematic model， a pneumatic seed metering device is developed. Additionally， to simplify the seed cleaning and replacement process for soybean small-plot breeding， an automated seed cleaning replacement device is designed， capable of precise seed cleaning and replacement within 3 s. A test platform is built， and orthogonal experiments are conducted using four different sizes of soybean seeds. The evaluation criteria include the qualified seeding rate， missing rate， and multiple seeding rate. The results show than under four different seed plate rotational speeds （6 r/min， 9 r/min， 12 r/min， and 15 r/min）， the average qualified rate of the four seed types is 98.06%， the average missing rate is 0.84% and the average multiple seeding rate is 1.10%， meeting the technical requirements for soybean small-plot breeding.

Keywords：

soybean; pneumatic seed metering device; small-plot breeding; automated seed cleaning and replacement device; orthogonal test

0 引言

大豆是我國的主要糧食作物［1］，被廣泛應用于豆制品加工、餐飲、食用油加工以及養殖業等行業。小區育種是實現培育良種與增產增收的重要手段［2］，大豆小區育種對取種精度和種距控制精度要求非常高，且播種品種繁多，在作業過程中需要進行不同品種的種子更換。開展大豆小區育種機械的研制對于選育新品種意義重大，其中適用于小區育種的排種器是大豆小區育種機械的核心部件，有利于保證精量播種和粒距均勻性［3］，其主要分為機械式和氣力式［4］。

在小區育種精細化播種機械的研究方面，國外很多科研機構與農機企業的研究遠遠領先于我國［5］。從20世紀30年代開始［6］，加拿大研究人員實現了小區育種播種機的零突破。近些年，奧地利與美國生產的排種器增加了離心力輔助充種設計［7］，能夠實現高速作業時精確排種。國內相對來說起步較晚，史嵩［8］、楊薇［9］以玉米為研究對象，采用Fluent—EDEM耦合仿真，設計了玉米的小區育種精量排種器。姜峰［10］、趙宇［11］研制了兩款大豆育種精密播種機，前者設計了一種插裝組合式育種排種器，可以實現不同品種的大豆單行和壟上雙行播種，但是播種合格指數僅有82%；后者則根據壟三栽培模式下的大豆小區育種農藝要求，設計了大豆壟三栽培育種精量播種機和配套的插裝式排種器，但是清換種過程煩瑣。劉艷芬等［12］設計出一種帶倒角的周邊式傾斜長方形型孔的水平圓盤排種器，合格指數較高，但其是針對玉米種子的，不適用于大豆小區育種。楊永振［13］設計了往復擺動式大豆小區育種排種器，雖然很好地解決了品種適應性差及種箱種子殘留問題，但其合格指數差異較大，不宜推廣。頓國強等［14］設計了四桿平移式大豆小區育種排種器，能夠很好地解決清換種煩瑣的問題，但是重播率大于6%，播種性能還有很大提升空間。

上述研究無法同時兼顧大豆小區育種作業農藝要求、高效清換種以及高播種合格率。為此，本文兼顧大豆小區育種作業時清換種煩瑣與合格率不高的問題，設計一款適用于大豆小區育種的氣吸式排種器。

1 整體結構與工作原理

1.1 排種器整體結構

大豆氣吸式排種器由電機驅動排種盤的傳動軸轉動，可以根據不同品種大豆小區育種農藝要求進行轉速的設定，從而起到控制種距的效果。氣吸式排種器［15］是通過吸風機使氣室內部產生負壓，將種子吸附到排種盤的吸種型孔上，從而實現單粒或多粒的精密播種［16， 17］。

其整體結構如圖1所示，主要包括排種盤和附屬機構。其中排種盤為本大豆小區育種氣吸式排種器的核心結構，包含排種圓筒及所附吸孔、傳動軸、軸承、氣壓阻斷器、吸氣管、前擋蓋、后擋蓋、前擋板、后擋板以及內部空腔氣吸室等部件；清換種機構主要由種倉、種室、清種氣閥、余種收集器、種室電控閥門、種倉電控閥門、接種器等結構組成。

排種盤為本大豆小區育種氣吸式排種器的核心結構，排種盤的傳動軸后測裝配有齒輪并通過傳動鏈與驅動電機相連接，可以根據不同品種大豆小區育種農藝要求進行轉速的設定。排種盤的設計裝配圖如圖2（a）所示，其爆炸圖如圖2（b）所示。

排種盤主要由內部氣吸室與外部排種圓筒構成。內部氣吸室是排種盤的內腔，氣吸室內設有由鋼珠及存放鋼珠的套筒組成的氣壓阻斷器，氣吸室圓心位置位于驅動電機連接的傳動軸，傳動軸外套有與吸風機連接的吸氣管，氣吸室前、后兩側分別有用于密封的擋板與擋蓋，傳動軸外端則連接軸承與傳動齒輪；外部排種圓筒主要就是由鋁合金鋼板制成的圓柱筒，圓柱筒曲面上設置有若干用于精確吸附單粒大豆種子的吸孔。

1.2 排種器工作原理

排種器工作過程分為充種、清種、投種、換種4個階段，如圖3所示。第一階段是充種。在這一階段，控制器控制相應編號的種倉電控閥門打開，種子由種倉落入種室中，與此同時，電機驅動排種盤的傳動軸轉動，帶動排種盤順時針旋轉，并且利用排種盤內部負壓把種子牢牢吸在吸孔中，至此完成充種工作。

第二階段是清種。被吸孔負壓吸住的種子隨排種盤繼續順時針旋轉，旋轉至最高點時，由清種氣閥把可能造成重播的多余種子清除掉，清掉的種子會重新進入種室之中，也可能落入接種器里，至此完成清種工作。

第三階段是投種。種子繼續隨排種盤順時針旋轉，旋轉到最低點時，氣壓阻斷器將種子與排種器內腔之間的負壓條件隔絕，吸孔吸力短暫消失，種子在重力作用下從吸孔處離開，從落種口排出［18］。

第四階段是換種。當完成一次充種、清種、投種循環之后，根據程序設計，排種器會自動啟動換種流程。換種流程如圖4所示，流程依次為：排種圓盤內部負壓釋放同時種室電控閥門打開，此時吸孔中的種子會因無負壓吸力而掉落，分別落入左側種室與右側接種器中，而種室中的全部種子會因種室電控閥門的開啟而自然下落到余種收集器中，完成上述操作后，種室電控閥門關閉，控制器控制相應編號的種倉電控閥門打開，再次執行充種過程。

傳統大豆小區育種排種器一般采用插裝式結構［6］，需要人工換種，且換種過程煩瑣，需要將整個排種箱拔出，然后換上下一品種種子，費時費力。大豆小區育種氣吸式排種器在進行清換種作業時，無需人工干預，根據程序自動化完成清換種工作，不僅節約人力物力，同時增強清換種工作的效率與質量，避免清換種過程中因箱內死角造成的清種不完全問題。

2 關鍵部件設計

2.1 排種盤設計

排種盤是排種器設計的核心，也是對排種效果影響最大的關鍵部件，主要包括排種盤和吸孔的設計。

2.1.1 排種盤結構參數

當前，市場上的氣吸式垂直圓盤排種器上的排種盤直徑多數為140～260mm。想要確定設計直徑，就需要綜合考慮圓盤半徑r、吸孔個數n、排種圓盤轉速np以及吸孔間圓心角θ之間的關系。具有以下關系：圓盤半徑r越大則吸孔個數n越多，吸孔間圓心角θ越小，在保證種距不變的前提下，圓盤轉速np則越小，這樣可以增加充種時間、降低漏播率；不過，這樣會使圓盤內腔變大，需要的壓力也增大，進而需要增大吸風機的負載。經過綜合考慮r、n、np、θ以及排種器工作效率與質量，鑒于大豆小區育種農藝要求，設定排種圓盤半徑r=163mm，其內徑為149mm，采用厚度為6.0mm鋁合金材料制作而成。

目前，市面上的氣吸式排種器大多采用排種盤底面攜種投種的設計［19，" 20］，鮮有將吸孔設置于側面（曲面）的。采用排種盤曲面吸孔的設計，可以有效增加種子與排種器的接觸時間，降低漏播率；同時，該設計能夠快速實現余種清理，不會在種室內產生種子殘留。

2.1.2 排種盤吸孔參數

吸孔直徑是影響氣吸式排種器排種效果的關鍵因素，吸孔直徑與種子直徑息息相關，通過分析大豆種子的外形特點等信息，采用損種率最低的圓形孔設計，即在排種器圓盤上鉆出一定數量的圓孔。

1） 吸孔直徑d。根據一般大豆直徑范圍可得到吸孔直徑范圍，如式（1）所示。

d=z×b

（1）

式中： z——

大豆吸孔與大豆種子直徑的關系參數，0.6lt;zlt;0.7；

b——大豆種子直徑，mm。

經過計算，可以得到吸孔直徑d為3.0～7.0mm，最終取吸孔直徑為4.0mm。

2） 吸孔個數n與吸孔間圓心角θ。吸孔的數量會影響圓盤轉速以及整個排種器的穩定性，吸孔數量過多則會使排種盤力學性能下降［21］，同時造成相鄰吸孔間的互相影響；吸孔數量過少則會在作業效率不變的條件下增加圓盤轉速np，降低排種盤的穩定性。吸孔個數、株距、圓盤轉速以及農機具前進速度滿足式（2）［22］。

Vm=npKn60

（2）

式中： Vm——農機具前進速度，km/h；

K——株距，m。

由式（2）可知，在農機具前進速度Vm與株距K保持不變的前提下，n與np成反比，同時，吸孔數量n越大則吸孔與種子的接觸時間增加，從而更有利于充種［27］。

綜合考慮大豆小區育種農藝要求并兼顧充種需求、作業速度等各方面要素，氣吸式排種器的排種圓盤選用的吸孔數量n=24、吸孔間圓心角θ=15°，滿足大豆小區育種的播種需求。

2.1.3 吸孔負壓參數

考慮到大豆種子的顆粒尺寸大小問題，為保證大豆種子根據預設實現單個吸孔吸附1粒大豆種子的設計需求，并完成精確投種，需要對內部負壓參數進行計算與設計，從而優化排種效果、提高排種精度，如圖5所示，對在排種圓盤上受負壓吸附時的大豆種子進行受力分析。

在排種過程中大豆種子被吸附需要滿足式（3）的關系。

P=d2Fa

（3）

式中： P——內部負壓提供的臨界吸附力，N；

F——

種子所受重力、離心力和種子間產生的內摩擦阻力的合力，N；

a——種子質心與排種盤的距離，mm。

根據吸附力與排種器內部負壓的關系

Hc=PS

（4）

S=πd24

（5）

整理可得

Hc=

Ff2+（1+2Ffcosβ）mg1+v4（lg2）+

2v2cosαlg１２×8aπd3

（6）

式中： Hc——

排種器內部氣吸室提供的臨界負壓，kPa；

S——吸孔斷面面積，m2；

Ff——

大豆種子顆粒之間的摩擦力，N；

α——

大豆種子所受的向心力與垂直方向的夾角，（°）；

β——

大豆種子所受的向心力與重力的合力與垂直方向的夾角，（°）；

m——單粒大豆種子的質量，g；

g——

重力加速度，取g=9.8m/s2；

v——

排種圓盤工作時的線速度，m/s；

l——

大豆種子質心到排種軸中心的距離，mm。

因式（6）所得排種器內部氣吸室提供的負壓Hc為理論臨界負壓，若要接近真實值并保障排種器運行效果，需在原有數據的基礎上乘以可靠性系數K1、K2［23］，則可得

Hc=

Ff2+（1+2Ffcosβ）mg1+v4（lg）2+

2v2cosαlg１２×8K1K2aπd3

（7）

式中： K1——

吸種可靠性系數，K1∈1.8，2.0；

K2——

工作可靠性系數，K2∈1.6，2.0。

對大豆種子在排種器的排種過程進行受力分析可以得出，當cosα=cosβ=1時，即當種子旋轉的圓心角與豎直方向夾角為90°時，負壓達到最大，此負壓值即為所求臨界負壓的最大值

Hcmax=8K1K2magπd31+μ+v2gl

（8）

式中： μ——

大豆種子間的摩擦系數，μ=（6～10）tanγ；

γ——

大豆種子的自然休止角，（°）。

綜上所述，種子被吸附時的臨界負壓與排種盤轉速、大豆種子質量以及大豆種子摩擦系數成正比，與大豆種子質心到排種軸中心的距離、吸孔直徑成反比。綜合考慮上述因素以及增大內部負壓會提高充種效率［24］，在兼顧設備與技術限制的基礎上，最終設定排種器內部負壓為30 kPa。

2.2 清換種機構設計

2.2.1 清種氣閥

如圖3所示，在排種盤正上方約10mm處放置一輸出壓力為30kPa清種氣閥，當種子旋轉至該區域附近時清種氣閥的氣壓負責將多余的種子清除掉，被清掉的種子則在重力的作用下重新回到左側的種室或進入右側的余種接收器里，從而保證每個吸孔攜帶一粒大豆種子的設計要求。

清種氣閥選用不銹鋼材質的扇形扁口噴頭，該扇形扁口噴頭具有可調球形萬向接頭，總方向調整角度達到45°，以便于在使用過程中根據清種實際情況進行調節。該清種氣閥固定在支架上并調節好清種角度，通過輸氣管連接吸風機（因不涉及機械結構設計情況，輸氣管線排布情況未在圖中顯現）。經過對不同型號的清種氣閥進行試驗比對，最終采用的清種氣閥規格如下：采用鴨嘴形噴頭，其縫寬約1.5mm，嘴長約15mm；噴嘴類型選用扇形結構，規格為23mm×12.5mm。

2.2.2 種倉及其電控閥門

自動換種是排種器的關鍵技術設計，實現自動化、程序化的清換種操作，可以大大降低人工清換種帶來的效率低下問題，也可以起到節省勞動力的作用。

種倉是種子的預存儲裝置，固定在支撐架上，位于排種盤正上方，共計兩排16個，可以在不施加人工干預的前提下完成16個不同大豆小區育種品種的排種需求。其規格為50mm×50mm×60mm的長方體設計并連有一段三棱柱，其中三棱柱的一側與正方體重合，采取平滑斜面設計，三棱柱斜面與豎直方向成45°，可以實現大豆種子的聚集下落并且不會有種子殘留問題。

種倉電控閥門選用的是XRN-φ25X50L型拉式圓柱電磁鐵，該產品可以瞬時產生較強電磁力，并且可以通過控制程序進行遠程自動化操作，其自重僅190 g，具有開閉迅速、省力省電、安全可靠以及便于操作等優點。電控閥門與可活動的種倉門相連接，由上位機控制PLC對拉式圓柱電磁鐵輸入電信號，電磁鐵將種倉門向上提升或者向下復位。

3 臺架試驗

設計的排種器種室范圍廣，大豆種子之間的壓力以及摩擦力較大，在排種圓盤高速轉動的條件下，大豆種子的吸附難度也隨之增大。排種圓盤的轉速對排種精度與效率的影響很大，因此，需要對排種盤轉速與種子漏播率L、重播率T、合格率H［25］關系進行測定，以達到最優的模型設計需求。L、T、H計算如式（9）～式（11）所示。

L=n2N×100%

（9）

T=n3N×100%

（10）

H=n1N×100%

（11）

式中： N——

排種器總計投種的理論數量，粒；

n1——

排種器單個吸孔吸附一粒種子的實際投種數量，粒；

n2——

排種器吸孔未能吸附種子的吸孔數量，個；

n3——

排種器吸孔吸附兩粒及以上種子的吸孔數量，個。

3.1 試驗設備與材料

根據大豆小區育種相關農藝要求，將排種器及其附屬清換種裝置進行加工及裝配，并在農業農村部黃淮海現代農業裝備重點實驗室內自主設計搭建大豆小區育種紙帶包裝試驗操作平臺（圖6），將排種器及清換種裝置置于試驗臺上，同時根據設計需要，在試驗臺內裝配有PLC控制系統、氣壓系統以及高速攝像機等輔助設備。

試驗選用荷豆33黃豆（以下簡稱為品種A）、魯黑豆22號黑豆（以下簡稱為品種B）、齊黃34黃豆（以下簡稱為品種C）、萊蕪紅小豆（以下簡稱為品種D）4個品種的大豆種子，其含水率、平均千粒質量、平均千粒體積以及等效半徑如表1所示，其中A、C兩個品種的大豆種子外形更近似于球形，B、D兩個品種則更近似于橢球形。

3.2 排種性能對比試驗

排種器的轉動速度對排種盤的充種性能有很大的影響，為探究排種器轉速與充種合格率漏播率、重揰率3項排種性能指標之間的關系，以排種器投種時吸孔吸附的種子數量作為評價標準，以排種器轉速、大豆品種作為影響因素進行試驗臺操作試驗。其中，當單個吸孔吸附的種子數量為1時，表示合格；當數量小于1時，表示漏播；當數量大于1時，表示重播。

為適應大豆小區育種農藝需求，同時兼顧實際情況，該氣吸式排種器設計排種速度為15r/min。基于此，針對不同轉速條件下的排種性能問題設計4組對比試驗，試驗臺試驗設定的排種盤轉速為6r/min、9r/min、12r/min、15r/min，選用上述A、B、C、D四種不同規格大豆種子，氣吸式排種器的吸附負壓設計為200 kPa，吸孔達到排種盤投種區最低點為終點。根據JB/T 10293—2013《單粒（精密）播種機技術條件》［26］，在不同速度條件下統一設定100粒的理論排種數量，即理論上設計為從第1粒種子投出開始吸孔經過最低點次數共計100次，試驗重復5次，利用高速攝像機記錄試驗過程，隨后進行各參數統計，平均求取各品種大豆種子在不同轉速條件下的合格率H、漏播率L、重播率T。

同時，為驗證清換種附屬裝置的工作情況，將4種不同的大豆種子分別置于1～4號種倉內，由PLC自動控制種倉及種室電控閥門的開閉，實現清換種的自動化，換種過程耗時約3 s。

3.3 試驗結果分析

通過對不同轉速條件下的排種盤漏播、重播情況進行對比分析，其試驗結果如圖7所示。可以看出，當排種盤轉速為6r/min時，4個品種大豆種子的播種合格率均高于98.6%，且均是由重播造成的不合格；4個品種的大豆種子中，品種D在各速度條件下的充種合格率平均值最高為99.15%；在不同速度條件下，品種B、品種D的充種合格率均在98.4%～99.4%的穩定區間內，漏播率、重播率均低于1.8%；品種C的漏播率與排種器大小有較明顯的正相關。

從圖7（a）可以看出，排種盤的轉速大小對品種B、品種D充種合格率的影響較小，且在各轉速條件下的充種合格率均能達到98.4%以上，能夠快速準確完成小區育種的排種需求；品種A的種子充種合格率波動相對較大，并且隨速度的變化有起伏，充種合格率最低值96.6%出現在排種盤轉速為12r/min時，合格率相對過低；品種C的種子顆粒相對品種A、品種B、品種D大了許多，導致種子之間的空隙更大，使該品種大豆種子的充種合格率隨排種盤轉速增加而呈直線下滑趨勢，因此，該排種器在高速運轉條件下不適合諸如D類品種大顆粒大豆種子的排種工作。

從圖7（b）可以看出，排種盤的轉速大小對品種B、品種D種子漏播率的影響很小，其中品種D的種子幾乎在各轉速條件下實現0漏播，僅在試驗中出現2次漏播情況，排種效果優；品種A的種子在各轉速條件下的漏播率也均低于1%，效果優于國標；品種C在排種盤低速轉動時和其他品種一樣漏播率為0，但當排種盤速度加快，漏播率直線上升，在15r/min時達到5.6%的漏播率。

從圖7（c）可以看出，相對于漏播率、充種合格率與轉速的關系，重播率隨轉速變化的變化程度并不大，而且沒有固定規律，但本文所設計的排種器的重播率均在2.5%以內，相較于其他研究者的研究有很大提升［27］。

綜上，品種B、品種D兩種顆粒較小的大豆能夠更好地完成投種動作，這兩種種子在各速度條件下的綜合充種合格率均在98.0%以上；以品種A為代表的中小型顆粒大豆品種更適宜的排種盤轉速為6r/min與15r/min，此時充種合格率分別為98.6%、98.4%；以品種C為代表的大型顆粒大豆品種排種盤轉速則需要在6r/min的低速條件下運行才會達到最佳合格指數99.6%，若排種速度加快則充種合格率會因為其漏播率的直線上升而迅速下降，嚴重影響播種質量。

4 結論

1） 針對大豆小區育種排種器漏播指數較高的問題，對氣吸式排種器進行優化設計，分別設計排種盤側面吸附結構、加裝清種氣閥；針對小區育種過程中需要頻繁清換種的需求，設計排種器附屬的自動化換種裝置，能夠實現3 s內的大豆種子品種的自動更換以及余種自動清除工作。

2） 為考查所設計排種器對不同大豆種子的通用性，選取不同顆粒類型的大豆種子進行臺架驗證試驗，結果表明，在4個不同排種盤轉速條件下（6r/min、9r/min、12r/min和15r/min），4種不同顆粒種子的平均合格指數為98.06%，平均漏播指數為0.84%，平均重播指數為1.10%，滿足大豆小區育種技術要求。

參 考 文 獻

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