崔 濤，韓丹丹，殷小偉，李克鴻，肖荔荔，楊 麗，張東興

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

·農(nóng)業(yè)裝備工程與機(jī)械化·

內(nèi)充氣吹式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

崔 濤，韓丹丹，殷小偉，李克鴻，肖荔荔，楊 麗，張東興※

（中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對(duì)內(nèi)充機(jī)械氣力組合式排種器工作壓強(qiáng)范圍窄，排種器在工作壓強(qiáng)范圍外工作時(shí)，合格指數(shù)低的問(wèn)題，該文基于氣吹式排種器氣流清種及氣壓式排種器種子壓附原理，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充氣吹式排種器，對(duì)清種-壓種組合式氣嘴的傾角和安裝位置進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。對(duì)清種氣嘴的截面傾角進(jìn)行流體仿真分析，并對(duì)不同類(lèi)型的玉米種子在不同工作壓強(qiáng)下進(jìn)行了排種器臺(tái)架試驗(yàn)。結(jié)果表明：不同類(lèi)型種子的合格指數(shù)呈現(xiàn)出大扁種子＞小扁種子＞小圓種子＞大圓種子的規(guī)律；工作壓強(qiáng)為4.5和5.0 kPa時(shí)，大扁種子和小扁種子的合格指數(shù)均達(dá)95%以上，該排種器適用于扁型種子的播種。

種子；農(nóng)業(yè)機(jī)械；試驗(yàn)；玉米；精量排種器；內(nèi)充氣吹式

0 引 言

播種質(zhì)量是影響玉米單產(chǎn)的重要因素之一，高性能的精量播種機(jī)是獲得優(yōu)良播種質(zhì)量的有效方式[1-3]。玉米機(jī)械化精量播種能節(jié)約良種、省去人工間苗、增加玉米產(chǎn)量、節(jié)本增收，近年來(lái)已成為玉米播種的主要發(fā)展方向。性能穩(wěn)定可靠、能適應(yīng)高速作業(yè)的精量排種器則是實(shí)現(xiàn)玉米機(jī)械化精量播種的關(guān)鍵部件。

目前，常用的玉米精量排種器按工作原理主要分為機(jī)械式、氣壓式、氣吸式和氣吹式4類(lèi)[4]。機(jī)械式（如指夾式）排種器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工制造成本低，在低速作業(yè)時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)精量播種，但在高速作業(yè)時(shí)，精確率低且種子機(jī)械破損率較高，一般作業(yè)速度不宜超過(guò)5 km/h[5-7]。氣吸式排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、對(duì)種子形狀適應(yīng)性差，密封性要求極高，播玉米等非圓形種子時(shí)重播及漏播率較高、動(dòng)力消耗大[8-10]；氣壓式排種器如中央集排式，由于排種速度較高，整機(jī)設(shè)備大，在國(guó)外高速精播大地塊應(yīng)用廣泛[11-12]；氣吹式排種器單粒性好，對(duì)種子大小、形狀的適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)密封性要求較低，但清種時(shí)容易卡種，導(dǎo)致排種器無(wú)法正常工作[13-14]。

現(xiàn)有精密排種器按充種方式劃分主要有內(nèi)充[15]、側(cè)充[16]、外充[17-18]、側(cè)充與外充相結(jié)合等方式，側(cè)充和外充均是依靠種子重力充種，當(dāng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，種子所受的離心力對(duì)充種不利，而內(nèi)充種能夠充分利用種子的重力和離心力，更有利于充種。

針對(duì)內(nèi)充種優(yōu)良的充填特性，馬連元等[19-21]分別設(shè)計(jì)了內(nèi)側(cè)充種式垂直圓盤(pán)排種器，應(yīng)用“填補(bǔ)空間”和“舀取”的原理，從種群中分離出單粒或定量的均勻的種子流，該類(lèi)排種器比傳統(tǒng)的機(jī)械式排種器有較高的充填極限速度，更有利于充種；廖慶喜等[22]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器，通過(guò)內(nèi)充種實(shí)現(xiàn)單粒取種，通過(guò)氣流壓力卸種，通過(guò)平衡氣孔調(diào)節(jié)氣流壓力，可以提高排種器播種均勻性。楊善東等[23-24]設(shè)計(jì)了內(nèi)充式側(cè)正壓玉米精量排種器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，風(fēng)機(jī)工作壓強(qiáng)為1.2 kPa、播種機(jī)作業(yè)速度為7.2 km/h，排種合格指數(shù)達(dá)到91.30%，能夠滿(mǎn)足實(shí)際作業(yè)要求，功耗較低。

劉佳等[25]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械氣力組合式玉米精量排種器，該排種器適用的工作壓強(qiáng)范圍較窄，當(dāng)工作壓強(qiáng)在0.7～1.6 kPa時(shí)，合格指數(shù)為95.41%～96.28%，當(dāng)在田間工作時(shí)，由于工作壓強(qiáng)難以精確控制，且由于毛刷清種不可靠，高壓工作時(shí)，存在重播率較高的問(wèn)題。

針對(duì)上述現(xiàn)象，為解決排種器充種過(guò)程中清種效果差，充種效果不佳的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種充種性能可靠，功耗低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的內(nèi)充氣吹式玉米精量排種器。該排種器利用機(jī)械內(nèi)充式排種器良好的充填性能，依靠種子自身重力及離心力充種，利用氣吹式排種器氣流清種及氣壓式排種器壓力附種的原理，結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)的清種-壓種組合氣嘴，清種氣嘴在完成清種保證型孔單粒性的同時(shí)，壓種氣嘴能夠有效地將種子壓附在型孔內(nèi)，使種子具有良好的穩(wěn)定性；采用半錐孔排種盤(pán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)種子在自身重力作用下投種，同時(shí)采用護(hù)種裝置，使得排種器在田間震動(dòng)的工況下，表現(xiàn)出良好的防震動(dòng)效果。

1 排種器的整體結(jié)構(gòu)及工作原理

內(nèi)充氣吹式玉米精量排種器主要由排種器底殼，排種盤(pán)，組合氣嘴，護(hù)種板組成，其中組合氣嘴分為清種氣嘴與壓種氣嘴，排種器底殼上分別開(kāi)有進(jìn)種口和投種口，排種器的工作過(guò)程由 4個(gè)階段組成，分別為充種、清種壓種、護(hù)種以及投種過(guò)程。內(nèi)充氣吹式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)充氣吹式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device

排種器工作時(shí)，風(fēng)機(jī)通過(guò)塑料軟管與組合氣嘴上方2個(gè)進(jìn)氣口相連，種子通過(guò)排種器底殼背面的輸種裝置到達(dá)進(jìn)種口；排種盤(pán)按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，型孔到達(dá)充種區(qū)Ⅰ后，種子在自身重力和離心力的共同作用下填充進(jìn)入其正下方或側(cè)下方的型孔內(nèi)，通常會(huì)有2～3粒種子充填進(jìn)入型孔，充種區(qū)域在型孔轉(zhuǎn)過(guò)進(jìn)種口的左邊緣時(shí)結(jié)束，充種角度為50°。

隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)，充有種子的型孔進(jìn)入清種區(qū)Ⅱ，由于排種盤(pán)型孔為半圓錐孔，將有一粒種子占據(jù)型孔底部形成完全充填狀態(tài)，而處于型孔上方的多余種子在清種氣嘴的高速氣流作用下被清出，落回充種區(qū)Ⅰ，壓種氣嘴相對(duì)均勻的氣流能夠?qū)⑿涂變?nèi)的單粒種子壓附在型孔底部，防止清種氣嘴的氣流再次將型孔內(nèi)的種子清出，清種及壓種區(qū)域在護(hù)種板處結(jié)束，清種及壓種范圍為22°；被壓附在型孔底部的單粒種子隨著排種盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)到達(dá)護(hù)種區(qū)Ⅲ，在護(hù)種板的托送、保護(hù)下，轉(zhuǎn)至投種口附近時(shí)，底殼對(duì)種子的支撐力消失，種子在自身重力作用下從型孔內(nèi)下落，在排種區(qū)Ⅳ完成投種工作。排種盤(pán)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，開(kāi)始下一個(gè)排種過(guò)程。

2 排種器關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 排種盤(pán)及型孔參數(shù)設(shè)計(jì)

該排種器采用內(nèi)充種的工作原理，排種盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以玉米種子的形狀尺寸為基礎(chǔ)，以順利實(shí)現(xiàn)單粒排種為目的。其排種的實(shí)現(xiàn)主要依靠?jī)?nèi)側(cè)面外緣周向開(kāi)有凹形型孔的排種盤(pán)，該型孔為圓錐型孔的一半，排種器底殼為一平面可與排種盤(pán)貼合，組成完整型孔，以便充種。該排種盤(pán)結(jié)構(gòu)有利于種子在充種區(qū)內(nèi)沿底殼面順利下滑進(jìn)入型孔，提高充種概率[26]。

排種盤(pán)型孔為底部開(kāi)有小孔的半圓錐型孔，主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括型孔深度H，型孔直徑D，型孔錐角θ，底孔直徑d，底孔高度h[13]等。

設(shè)計(jì)型孔時(shí)，型孔深度H應(yīng)保證長(zhǎng)度尺寸最大的玉米種子能夠進(jìn)入型孔，在型孔寬度方向，玉米種子寬度最大值應(yīng)小于型孔直徑D且大于底孔直徑d，如圖2所示，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

式中ε，ε＇為可靠性系數(shù)，扁粒種子寬度方向上的最大值b1=12 mm，扁粒種子在型孔中受力位置的寬度值b2=8 mm，圓粒種子厚度方向上的最大值c=8 mm，扁粒種子厚度方向最大值c＇=9.9 mm，扁粒種子長(zhǎng)度方向最大值l1=14 mm，扁粒種子 b2位置以上的長(zhǎng)度值 l2=12 mm，ε=1.8～2，ε＇=1.2[4]，d為底孔直徑，mm。由式（1）～（3），得出，D=21.6～24 mm。為便于加工固定且種子最大可能的充入型孔，取型孔直徑D=24 mm。型孔錐角滿(mǎn)足以下關(guān)系

式中D2為氣嘴內(nèi)徑，mm。代入式（1）、（5），圓整后取型孔深度H=22.5 mm，型孔錐角θ=60°。

圖2 型孔設(shè)計(jì)計(jì)算模型Fig.2 Design calculation model of hole

針對(duì)半盤(pán)型結(jié)構(gòu)，底孔的設(shè)計(jì)使其內(nèi)、外形成壓力差，從而將型孔底部的一顆種子牢牢地壓附在型孔底部，考慮到泄氣量的問(wèn)題，泄氣量越大，越有利于保留種子，但增加了2粒較小種子同時(shí)被壓附的概率，且清種時(shí)，多余的種子不易清出，造成重播；泄氣量小，型孔內(nèi)壓差小，對(duì)種子壓附力不足，清種時(shí)，種子易被吹出，造成漏播。該文取d=6 mm，底孔高度h=4 mm，實(shí)際開(kāi)孔面積為14.14 mm2。

依據(jù)機(jī)械氣力組合式排種器排種盤(pán)的設(shè)計(jì)原則，充種時(shí)間與排種盤(pán)轉(zhuǎn)速有關(guān)，而排種盤(pán)直徑增大并不能增加型孔在充種區(qū)停留的時(shí)間[25]。因此排種盤(pán)直徑的確定應(yīng)主要考慮錐孔的數(shù)目，同時(shí)兼顧排種器整體的結(jié)構(gòu)需要。這里取排種盤(pán)直徑為250 mm，錐孔數(shù)目N=22。

2.2 組合氣嘴的設(shè)計(jì)

2.2.1 組合氣嘴清種傾角及位置的設(shè)計(jì)

該排種器采用氣吹式排種器的清種原理，利用氣嘴產(chǎn)生的高速氣流吹出型孔中的多余種子，胡樹(shù)榮等[13]通過(guò)探測(cè)氣吹式排種器型孔內(nèi)的靜壓和速度分布，發(fā)現(xiàn)型孔內(nèi)的多余種子是當(dāng)型孔與氣嘴對(duì)過(guò)前后被吹出來(lái)的，而且當(dāng)氣嘴開(kāi)始全部對(duì)準(zhǔn)型孔的瞬間時(shí)氣嘴清種作用最強(qiáng)。因此，針對(duì)內(nèi)充氣吹式排種器，當(dāng)清種氣嘴與結(jié)束充種過(guò)程的型孔左邊沿相切時(shí)，清種氣流能夠沿著型孔左側(cè)內(nèi)壁平行進(jìn)入型孔中，此時(shí)清種效果最佳。因此，本文只需計(jì)算出當(dāng)清種氣嘴與型孔K左邊沿線(xiàn)AB相切時(shí)AB的斜率，即能得到清種氣嘴的傾角。

當(dāng)某一時(shí)刻型孔K沿縱坐標(biāo)OY方向順時(shí)針轉(zhuǎn)過(guò)角度α?xí)r，型孔K與清種氣嘴的相對(duì)位置如圖3a所示，對(duì)于型孔K，滿(mǎn)足以下幾何關(guān)系

其中，排種盤(pán)內(nèi)腔半徑R1=102.5 mm，排種盤(pán)外緣半徑R2=125 mm，底孔高度h=4 mm，底孔直徑d=6 mm，型孔錐角θ=60°，聯(lián)立式（6）～（9），解得BC=28.5 mm。

OB與型孔K中心軸線(xiàn)OC的夾角為β滿(mǎn)足以下關(guān)系

代入各值，計(jì)算取整后得β=8°。

在直角三角形ΔOFA中，存在以下幾何關(guān)系

式中γ為型孔K中心線(xiàn)OC與線(xiàn)OA的夾角，(°)。

如圖3所示，A、B點(diǎn)坐標(biāo)可分別表示為：

由式（13）、（14）可得到AB連線(xiàn)的斜率，即轉(zhuǎn)過(guò)α角的型孔K左邊沿AB的斜率為

式中α為型孔K中心線(xiàn)OC與縱坐標(biāo)OY的夾角，(°)。

這里，清種開(kāi)始的時(shí)間就是充種結(jié)束的時(shí)間，如圖3b所示，沿進(jìn)種口左邊沿作連線(xiàn)，該連線(xiàn)的位置即為充種結(jié)束臨界位置，此時(shí)對(duì)應(yīng)的角度即為α=45°，代入式（15）中，可以得到直線(xiàn)AB的斜率kAB=3.87。這樣我們可得到清種氣嘴與X軸的夾角φ值，即：φ≈75°。

圖3 氣嘴傾角設(shè)計(jì)Fig.3 Design of nozzle inclination angle

排種盤(pán)內(nèi)腔的空間厚度為25 mm，為了保證組合氣嘴不與排種盤(pán)產(chǎn)生干涉，該文選用外徑D1為20 mm，內(nèi)徑D2為16 mm的PVC硬質(zhì)塑料圓管。為了在有限的排種盤(pán)內(nèi)腔空間布置組合氣嘴，令清種氣嘴的左邊沿與K型孔左邊緣AB保證相切的關(guān)系，此時(shí)根據(jù)AB直線(xiàn)方程

當(dāng)y=0，即可得清種氣嘴左邊沿與X軸的交點(diǎn)和Y軸之間的距離L，經(jīng)計(jì)算取整后得L≈55 mm，由此我們可以得到清種氣嘴軸線(xiàn)與X軸交點(diǎn)到Y(jié)軸的距離l約為45 mm。

充入種子的型孔在經(jīng)過(guò)清種氣嘴后將有1顆種子被壓附在型孔底部，為防止種子在清種氣嘴氣流的干擾下被卷出型孔外，針對(duì)清種-壓種組合氣嘴和清種氣嘴2種結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體仿真，氣流運(yùn)動(dòng)跡線(xiàn)圖如圖4所示，當(dāng)只有清種氣嘴時(shí)，氣流會(huì)分別流向清種氣嘴前后的型孔內(nèi)，并在后側(cè)型孔內(nèi)形成渦流，該渦流易將種子卷出型孔。因此，需在清種過(guò)程結(jié)束后布置一壓種氣嘴，如圖4b所示，在該位置處的型孔上方有穩(wěn)定且分布均勻的靜壓力用來(lái)壓附型孔底部的種子，使種子不滑落、不被清出；壓種氣嘴的的作用越強(qiáng)，種子越能穩(wěn)定的轉(zhuǎn)動(dòng)到護(hù)種區(qū)。壓種氣嘴的傾角采用與清種氣嘴平行并列的位置，結(jié)構(gòu)參數(shù)與清種氣嘴相同。

圖4 不同氣嘴結(jié)構(gòu)氣流跡線(xiàn)圖Fig.4 Air trajectories of different nozzle structures

2.2.2 清種氣嘴出口截面大小的設(shè)計(jì)

氣嘴出口截面的傾角和面積大小直接關(guān)系到氣流的流向、風(fēng)速大小和型孔及周邊流線(xiàn)的分布，也決定了型孔內(nèi)多余種子是否能夠被清出。為了能夠得到清種氣嘴出口截面傾角λ對(duì)清種過(guò)程的影響，對(duì)清種過(guò)程中種子的受力情況進(jìn)行分析。

當(dāng)某一型孔剛結(jié)束充種過(guò)程進(jìn)入清種階段，有一粒種子占據(jù)型孔底部，假設(shè)該種子上方存在一顆多余種子需要被清出，此時(shí)上部的種子在受自身重力G、型孔內(nèi)壁對(duì)種子的支持力FN、摩擦力f、離心力J、繞流阻力FD，在清種氣流作用下，上部種子不再受型孔底部種子的支持力，清種過(guò)程中，種子的受力情況如圖5所示。

繞流阻力即黏性流體繞物體流動(dòng)時(shí)物體受到的阻力，其方向與流體流線(xiàn)方向一致。繞流阻力的計(jì)算式如下：

式中CD為繞流阻力系數(shù)；S為繞流物投影面積，m2；ρ為流體的密度，kg/m3；v0為清種氣嘴出口氣流速度，m/s。

圖5 清種過(guò)程種子受力分析圖Fig.5 Analysis of force diagram during seed clearing process

由清種過(guò)程中種子的受力分析可知

式中f=μ·FN，μ為種子與排種盤(pán)型孔之間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)，取玉米種子與有機(jī)玻璃的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.0931[27]；J=m·ω2·OO＇，鄭單958玉米種子的單粒質(zhì)量約為0.351g[4]，這里排種盤(pán)轉(zhuǎn)速取17.7 r/min，角速度ω=1.853 rad/s，對(duì)應(yīng)前進(jìn)速度為6 km/h；OO＇為排種盤(pán)圓心到上部種子重心的距離，假設(shè)種子距離底孔為一粒種子長(zhǎng)度方向的最小值，約為8.2 mm，此時(shí)OO＇有最大值約為110 mm。計(jì)算后得到

隨著前進(jìn)速度的增大，由以上各參數(shù)間的關(guān)系可知，所需清種氣流速度也將增大，而6 km/h是目前田間常用的作業(yè)速度，由此計(jì)算的清種氣嘴出口氣流速度是滿(mǎn)足清種條件的最低風(fēng)速。在此條件下，該排種器在清種過(guò)程中，清種氣嘴出口氣流速度至少要大于11.7 m/s?？紤]到流場(chǎng)中的氣流損失，在不增加進(jìn)氣口工作壓強(qiáng)的條件下，需改變氣流出口方式來(lái)進(jìn)一步滿(mǎn)足清種要求。

忽略清種氣嘴進(jìn)出口間氣流損失時(shí)，氣流流量滿(mǎn)足式（19）。

式中Qin為氣嘴進(jìn)口處流量，m3/s；vin為氣嘴進(jìn)口處氣流速度，m/s；Sin為氣嘴進(jìn)口處面積，m2；vout為氣嘴出口處氣流速度，m/s；Sout為氣嘴出口處面積，m2。

由式（19）可知，氣嘴出口流速與出口面積呈反比，為了增加出口氣流速度，可以通過(guò)減小出口面積的方式得以實(shí)現(xiàn)。本文將出口面積減小為總截面積的1/3，采用KANOMAX熱球式壓力風(fēng)速計(jì)（檢測(cè)精度為±0.01 kPa，正壓最大值5 kPa）測(cè)量出口處的風(fēng)速值由原來(lái)的1/3，采用壓力風(fēng)速儀測(cè)量出口處的風(fēng)速值由原來(lái)的18 m/s變?yōu)?0 m/s，足以滿(mǎn)足氣流速度對(duì)清種的要求。

2.2.3 清種氣嘴出口截面傾角的設(shè)計(jì)

影響清種氣嘴工作效果的因素除了出口截面面積的大小外，還與出口截面傾角有關(guān)。為探明清種氣嘴出口截面傾角對(duì)氣流的流向及型孔內(nèi)壓差的影響，清種氣嘴傾角的計(jì)算采用流體仿真的方式來(lái)確定，設(shè)計(jì)截面傾角λ分別為90°、75°、60°、45°和30°的清種氣嘴進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

當(dāng)工作壓強(qiáng)為3 kPa時(shí)，用壓力風(fēng)速計(jì)測(cè)量氣嘴進(jìn)口處風(fēng)速約為25 m/s，以此為仿真入口邊界條件，各型孔底部的出口為壓力出口，以90°和30°氣嘴截面傾角為例，其速度云圖如圖6所示。

圖6 不同出口截面傾角氣嘴流場(chǎng)分析速度云圖Fig.6 Flow field analysis of cleaning nozzles with different outlet cross section inclination angles

由圖6a可知，當(dāng)氣嘴截面傾角為90°時(shí)，清種氣嘴出口處會(huì)有部分高速氣流流向后方的型孔內(nèi)，從而影響壓種氣嘴壓附種子的能力，導(dǎo)致該型孔內(nèi)保留的單粒種子再次被卷出型孔外；當(dāng)氣嘴截面傾角較小為30°時(shí)，如圖6b所示，氣嘴出口處的氣流已不再產(chǎn)生向后側(cè)流動(dòng)的氣流分支，而是集中流向與氣嘴相對(duì)應(yīng)的型孔內(nèi)；而且小傾角的清種氣嘴在整個(gè)腔室內(nèi)所產(chǎn)生的高速氣流區(qū)域遠(yuǎn)大于90°傾角氣嘴，結(jié)合圖4b，氣流在完成清種過(guò)程后，在充種區(qū)所形成的從下往上流動(dòng)的回流可知，充種區(qū)內(nèi)，高速氣流區(qū)域越大，越易于將腔室內(nèi)的種群攪動(dòng)，種群的運(yùn)動(dòng)有利于充種過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

通過(guò)探測(cè)與清種氣嘴相對(duì)應(yīng)的型孔上部和下部M、N 2點(diǎn)的壓力值，并計(jì)算上下2點(diǎn)的壓差，結(jié)果如表1所示，隨著氣嘴出口截面傾角λ的減小，孔內(nèi)部產(chǎn)生的壓差值呈增大趨勢(shì)，其中當(dāng)氣嘴截面傾角為45°時(shí)，型孔內(nèi)的壓差值最大，由于本文設(shè)計(jì)的排種器采用的是壓力附種的原理，當(dāng)壓差越大時(shí)，越有利于清種并壓附剩余的單粒種子，結(jié)合以上各因素，清種氣嘴的截面傾角λ取45°。

表1 不同清種氣嘴出口截面傾角對(duì)型孔產(chǎn)生的壓差值Table 1 Pressure difference of different outlet section inclination angles of cleaning nozzles on hole

3 排種器性能試驗(yàn)

試驗(yàn)在JPS-12型排種器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，試驗(yàn)種子為河南省農(nóng)科院種業(yè)有限公司生產(chǎn)的秋樂(lè)牌鄭單958玉米雜交種，籽粒黃色，半馬齒型，千粒質(zhì)量 351 g，含水率12.5%，未分級(jí)[25]。根據(jù)GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[29]的規(guī)定，試驗(yàn)指標(biāo)包括合格指數(shù)（qualified index）：Q'=n1/N'×100%；重播指數(shù)（replay index）：R'=n2/N'×100%；漏播指數(shù)（leakage index）：L'=n3/N'×100%和變異系數(shù)V（variation coefficient）。其中n1為單粒排種數(shù)；n2是2粒以上排種數(shù)；n3則為漏排種數(shù)；N'是理論排種數(shù)。

3.1 工作壓強(qiáng)對(duì)排種性能的影響

本文試驗(yàn)旨在測(cè)試內(nèi)充氣吹式排種器的工作性能，首先分析工作壓強(qiáng)對(duì)排種器工作性能的影響，設(shè)計(jì)單因素試驗(yàn)，前進(jìn)速度取8 km/h，對(duì)應(yīng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為23.6 r/min，工作壓強(qiáng)范圍為5.0～7.0 kPa，間隔0.5 kPa取一水平，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，每次試驗(yàn)測(cè)定250粒種子，按照GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》[29]進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，取均值作為試驗(yàn)結(jié)果，各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總得內(nèi)充氣吹式玉米精密排種器播種指標(biāo)如表2所示。

表2 工作壓強(qiáng)單因素試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of single factor experiments of pressure

隨著工作壓強(qiáng)的升高，漏播指數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，重播指數(shù)比較穩(wěn)定，前后差異在1%左右，由于漏播指數(shù)的增加，合格指數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。整體上，該排種器在各工作壓強(qiáng)下的合格指數(shù)均能達(dá)到86.58%以上，為了探明種子形狀對(duì)播種效果的影響，對(duì)玉米種子進(jìn)行分級(jí)后繼續(xù)試驗(yàn)。

3.2 種子分級(jí)與工作壓強(qiáng)對(duì)排種性能的影響

為進(jìn)一步研究排種器的工作性能，對(duì)排種器進(jìn)行不同等級(jí)玉米種子的工作壓強(qiáng)單因素試驗(yàn)，以探究玉米種子類(lèi)型對(duì)排種器播種性能的影響。劉佳等對(duì)玉米種子分級(jí)處理對(duì)氣力式精量排種器播種效果的影響進(jìn)行了研究，研究表明種子分級(jí)對(duì)氣吹式排種器的合格指數(shù)影響顯著[30]。本文采用氣吹式排種器氣流清種的工作原理，在混合籽粒播種效果不佳的情況下，對(duì)玉米種子進(jìn)行分級(jí)處理。先由人工將玉米種子分為扁粒和圓粒，扁粒種子按照能否通過(guò)6 mm×10 mm的矩形孔[31]分為大小2級(jí)，而圓形種子則按照能否通過(guò)孔徑為8 mm的圓形孔[32]分為大小2級(jí)，種子分級(jí)效果如圖7所示。

圖7 種子分級(jí)后外觀Fig.7 Appearance of seed grading

試驗(yàn)的工作壓強(qiáng)范圍取4.0～8.0 kPa，前進(jìn)速度取8 km/h，對(duì)應(yīng)排種盤(pán)轉(zhuǎn)速為23.6 r/min，間隔0.5 kPa取1個(gè)水平，每一水平測(cè)量250個(gè)粒距，每個(gè)水平試驗(yàn)重復(fù)3次取均值。具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 排種器在不同類(lèi)型種子和不同工作壓強(qiáng)下的播種指數(shù)Table 3 Seeding index of seed metering device under differenttypes of seeds and different working pressures

試驗(yàn)表明：分級(jí)后的玉米種子的播種效果明顯優(yōu)于未分級(jí)的種子，可見(jiàn)種子形狀類(lèi)型對(duì)于內(nèi)充氣吹式排種器的播種性能有顯著影響。整體上，扁粒種子的漏播指數(shù)均在2%以下，重播指數(shù)在工作壓強(qiáng)為5.5 kPa以上時(shí)均小于3.5%，合格指數(shù)在5.0 kPa以上時(shí)均能達(dá)到95%以上。而圓粒種子相比扁平粒種子，其排種質(zhì)量不夠理想，圓粒種子的重播指數(shù)普遍高于扁粒種子，對(duì)于大圓粒種子，工作壓強(qiáng)大于6.0 kPa時(shí)，才能保證重播指數(shù)在3%以下，小圓粒種子需要工作壓強(qiáng)大于7.0 kPa時(shí)才能達(dá)到相同的工作性能；大圓粒種子的漏播指數(shù)均在 4%以上，小圓粒種子在工作壓強(qiáng)小于6.0 kPa時(shí)漏播指數(shù)才基本低于2%。隨著工作壓強(qiáng)的升高，漏播指數(shù)升高并超過(guò)2%；當(dāng)工作壓強(qiáng)大于5.5 kPa時(shí)，圓粒種子的合格指數(shù)才達(dá)到90%以上，且小圓粒種子在工作壓強(qiáng)達(dá)7.5 kPa時(shí)合格指數(shù)能夠達(dá)到95%以上。

相同工作壓強(qiáng)下，種子的合格指數(shù)基本上呈現(xiàn)大扁＞小扁＞小圓＞大圓種子的規(guī)律，說(shuō)明大扁粒種子的排種效果最為理想，在工作壓強(qiáng)4.5 kPa時(shí)就能保證合格指數(shù)達(dá)95%以上，小扁種子在工作壓強(qiáng)5.0 kPa時(shí)也能保證同樣的要求，試驗(yàn)結(jié)果表明，該排種器適應(yīng)于扁平類(lèi)種子，尤其適用于扁平大粒玉米種子。

3.3 前進(jìn)速度對(duì)排種性能的影響

根據(jù)表3不同種子類(lèi)型的播種性能隨工作壓力變化情況，選取扁粒種子進(jìn)行排種盤(pán)轉(zhuǎn)速的單因素試驗(yàn)，將工作壓力固定在8.0 kPa，試驗(yàn)選取排種盤(pán)轉(zhuǎn)速范圍17.7～35.5 r/min，對(duì)應(yīng)前進(jìn)速度為6 ～12 km/h，間隔1 km/h取一水平，每個(gè)水平測(cè)量250個(gè)粒距，重復(fù)3次試驗(yàn)取均值，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 前進(jìn)速度對(duì)扁粒種子播種情況的影響Table 4 Effect of forward speed on flat seed sowing

隨著前進(jìn)速度的提高，種子充填質(zhì)量下降，導(dǎo)致排種器的重播指數(shù)逐漸減小，漏播指數(shù)逐漸上升，合格指數(shù)呈下降趨勢(shì)，當(dāng)排種器前進(jìn)速度低于10 km/h時(shí)，作業(yè)效果較優(yōu)。

JB/T 10293-2001《單粒（精密）播種機(jī)技術(shù)條件》中要求精密播種機(jī)播種粒距在 200～300 mm時(shí)，粒距合格指數(shù)應(yīng)大于或等于80%，重播指數(shù)小于或等于15%，漏播指數(shù)小于或等于8%，合格粒距變異系數(shù)小于或等于30%[33]。分級(jí)后種子試驗(yàn)結(jié)果中的數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)高于此標(biāo)準(zhǔn)，表明該排種器能夠達(dá)到較高的精密播種質(zhì)量，具有較好的工作性能。

3.4 播種過(guò)程高速攝影分析

為探究該排種器適應(yīng)于扁粒種子的原因，采用高速攝影對(duì)扁粒種子和圓粒種子的工作過(guò)程進(jìn)行高速攝影觀察，如圖8所示。

由于圓粒種子較扁粒種子厚，排種盤(pán)在充種時(shí)，圓粒種子受垂直方向排種盤(pán)尺寸的限制，易形成2?；?粒種子并排卡在型孔內(nèi)的現(xiàn)象，清種氣嘴無(wú)法將并排卡在型孔內(nèi)的種子清出，易形成重播；當(dāng)有一粒圓粒種子占據(jù)型孔底部位置時(shí)，同樣受垂直方向排種盤(pán)尺寸的限制，使得占優(yōu)勢(shì)的種子并沒(méi)有處在緊挨底孔的位置，而是高于底孔一段距離，對(duì)底孔封閉不嚴(yán)而產(chǎn)生較大的氣流泄流現(xiàn)象使種子受力狀態(tài)不穩(wěn)定，這樣在清種氣嘴氣流的作用下，很容易被清出，形成漏播，而扁粒種子由于其厚度方向上尺寸較小，能夠與半盤(pán)結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，一旦在充種區(qū)進(jìn)入型孔底部就能保證其單粒性，故有很好的排種效果。

圖8 充種及清種過(guò)程和種子重漏播形成過(guò)程Fig.8 Seed filing,cleaning,replay and leakage formation process

圖9所示分別為扁粒和圓粒種子位于型孔內(nèi)時(shí)的氣流速度云圖，通過(guò)探測(cè)種子上部及下部U、V兩點(diǎn)的壓強(qiáng)值，其對(duì)種子產(chǎn)生的壓差值分別為3 163.9和484.4 Pa，氣流對(duì)扁粒種子產(chǎn)生的壓差值明顯高于圓粒種子，氣流對(duì)扁粒種子也會(huì)產(chǎn)生較大的壓附力，比圓粒種子更易將其壓附在型孔底部，從而也進(jìn)一步解釋了該排種器對(duì)扁粒種子播種效果優(yōu)于圓粒種子。

圖9 不同種子類(lèi)型在型孔內(nèi)的氣流速度云圖Fig.9 Air flow velocity contours of different seed types in hole

4 結(jié) 論

1）內(nèi)充氣吹式排種器采用半盤(pán)結(jié)構(gòu)的排種盤(pán)，通過(guò)與底殼形成的半圓錐體窩眼便于各類(lèi)種子靠自重充種和清種，適應(yīng)性好、傷種率低。

2）在相同工作壓強(qiáng)下，當(dāng)氣嘴出口截面為45°的組合氣嘴與水平方向成75°，清種氣嘴中心軸線(xiàn)與排種盤(pán)中心水平方向交點(diǎn)到排種盤(pán)中心豎直方向的距離為45 mm時(shí)，出口氣流速度能滿(mǎn)足工作要求，且對(duì)型孔內(nèi)的壓差最大，最易清除多余種子并壓附單粒種子，保證播種效果。

3）內(nèi)充氣吹式排種器對(duì)不分級(jí)種子的播種效果并非最佳，而對(duì)扁型種子的播種效果最好。當(dāng)工作壓強(qiáng)分別為4.5和5.0 kPa時(shí)，大扁粒種子和小扁粒種子的合格指數(shù)均達(dá)到了95%以上，效果明顯；當(dāng)排種器作業(yè)速度低于10 km/h時(shí)，大扁和小扁粒種子的作業(yè)效果均較好。

[1] 張澤平，馬成林，左春檉．精播排種器及排種理論研究進(jìn)展[J]．吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，25（4）：112－117．Zhang Zeping,Ma Chenglin,Zuo Chunsheng. The development of the seed-metering device for precision planter and theoretical study[J]. Journal of Jilin University of Technology,1995,25(4):112－117.(in Chinese with English abstract)

[2] 李成華，馬成林，于海業(yè)，等．傾斜圓盤(pán)勺式玉米精密排種器的試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1999，30(2)：38－42．Li Chenghua,Ma Chenglin,Yu Haiye,et al. An experimental study on the precision metering device with declined scooptype disc for maize[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1999,30(2):38－42.(in Chinese with English abstract)

[3] 李國(guó)林，宋煒，毛俐，等．國(guó)內(nèi)外幾種主要排種器的特點(diǎn)[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011，31（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,2011,31(8):70－71,73.(in Chinese with English abstract)

[4] 劉佳. 機(jī)械氣力組合式精量排種器設(shè)計(jì)研究[D]．北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013．Liu Jia. Design and Research of the Mechanical Pneumatic Combined Precision Seed Metering Device[D]. Beijing:China Agricultural University,2013.(in Chinese with English abstract)

[5] 周祖良，錢(qián)簡(jiǎn)可．指夾式玉米精密播種排種器[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1986，17（1）：47－53．Zhou Zuliang，Qian Jianke. The structure design of the picker finger seed metering units of precision corn seed drill[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1986,17(1):47－53.(in Chinese with English abstract)

[6] 廖慶喜，高煥文．玉米水平圓盤(pán)精密排種器種子破損試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，34(4)：57－59．Liao Qingxi,Gao Huanwen. Experimental study on corn seed damaging in a horizontal plate precision metering[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2003,34(4):57－59.(in Chinese with English abstract)

[7] 王金武，唐漢，周文琪，等．指夾式精量玉米排種器改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2015，46(9)：68－76．Wang Jinwu,Tang Han,Zhou Wenqi,et al. Improved design and experiment on pickup finger precision seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for AgriculturalMachinery,2015,46(9):68－76.(in Chinese with English abstract)

[8] 劉文忠，趙滿(mǎn)全，王文明，等．氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9)：133－138．Liu Wenzhong,Zhao Manquan,Wang Wenming,et al. Theoretical analysis and experiments of metering performance of the pneumatic seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(9):133－138.(in Chinese with English abstract)

[9] 鄧海燕，程禮波，杜瑞成．氣吸式精量播種機(jī)簡(jiǎn)述[J]．農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2007，43（12）：58－59．Deng Haiyan,Cheng Libo,Du Ruicheng. The introduction of the air suction seeder[J]. Agricultural Equipment and Vehicle Engineering,2007,43(12):58－59.(in Chinese with English abstract)

[10] 陳學(xué)庚，鐘陸明．氣吸式排種器帶式導(dǎo)種裝置的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28（22）：8－15．Chen Xuegeng,Zhong Luming. Design and test on belt-type seed delivery of air-suction metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(22):8－15.(in Chinese with English abstract)

[11] 祁兵，張東興，崔濤．中央集排氣送式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(18)：8－15．Qi Bing,Zhang Dongxing,Cui Tao. Design and experiment of centralized pneumatic seed metering device for maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(18):8－15.(in Chinese with English abstract)

[12] 祁兵，張東興，劉全威，等．集排式精量排種器清種裝置設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(1)：20－27．Qi Bing,Zhang Dongxing,Liu Quanwei,et al. Design and experiment of cleaning performance in a centralized pneumatic metering device for maize[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(1):20－27.(in Chinese with English abstract)

[13] 胡樹(shù)榮，馬成林，李慧珍，等．氣吹式排種器錐孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)排種質(zhì)量影響的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1981，12(3)：21－31．Hu Shurong,Ma Chenglin,Li Huizhen,et al. Effects of conical hole design parameters on seed-metering performancea study on the pneumatic seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1981,12(3):21－31.(in Chinese with English abstract)

[14] 劉佳，崔濤，張東興，等．氣吹式精密排種器工作壓力試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(12)：18－22．Liu Jia,Cui Tao,Zhang Dongxing,et al. Experimental study on pressure of air-blowing precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2011,27(12):18－22.(in Chinese with English abstract)

[15] 李政權(quán)，于建群，張尉林，等．內(nèi)充式排種器工作過(guò)程和性能的離散元法仿真分析[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27(11)：32－36．Li Zhengquan,Yu Jianqun,Zhang Weilin,et al. Simulation analysis of working process and performance of inside-filling seed metering device by discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2011,27(11):32－36.(in Chinese with English abstract)

[16] 張國(guó)忠，張沙沙，楊文平，等．雙腔側(cè)充種式水稻精量穴播排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，32(8)： 9－17．Zhang Guozhong,Zhang Shasha,Yang Wenping,et al. Design and experiment of double cavity side-filled precision hole seed metering device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2016,32(8):9－17.(in Chinese with English abstract)

[17] 左春檉，馬成林，張守勤．氣力輪式排種器動(dòng)壓充種機(jī)理及試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1998，29（增刊1）：51－54．Zuo Chunsheng,Ma Chenglin,Zhang Shouqin. The experimental study on the aerodynamic filling principle of pneumatic wheel-type seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1998,29(Suppl 1):51－54.(in Chinese with English abstract)

[18] 馬成林．氣吹排種器充填原理的研究[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1981，12(4)：1－13．Ma Chenglin. The study of the filling principle of air-blow type seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1981,12(4):1－13.(in Chinese with English abstract)

[19] 馬連元，劉俊峰，崔和瑞，等．內(nèi)側(cè)充種垂直圓盤(pán)排種器的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1996，27(增刊1)：43－47．Ma Lianyuan,Liu Junfeng,Cui Herui,et al. The structure principle and application of the vertical-plate feeding seedcell on inside precise seedmeter[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1996,27(Suppl 1):43－47.(in Chinese with English abstract)

[20] 孫玉濤，田立忠，尚書(shū)旗，等．花生播種機(jī)內(nèi)側(cè)充種式排種器的性能試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(增刊2)：84－89．Sun Yutao,Tian Lizhong,Shang Shuqi,et al. Experimental research on inside-filling metering device for peanut seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2012,28(Suppl 2):84－89.(in Chinese with English abstract)

[21] 張海飛，馬連元．計(jì)算機(jī)模擬內(nèi)側(cè)充種垂直圓盤(pán)排種器充種過(guò)程[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，1993，24（1）：49－54．Zhang Haifei,Ma Lianyuan. Simulated feeding process of the vertical seed plater for filling feed on inside by computer[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,1993,24(1):49－54.(in Chinese with English abstract)

[22] 廖慶喜，楊波，李旭，等．內(nèi)充氣吹式油菜精量排種器氣室流場(chǎng)仿真與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(4)：51－57. Liao Qingxi,Yang Bo,Li Xu,et al. Simulation and experiment of inside-filling air-blow precision metering device for rapeseed[J]. Transaction of Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(4):51－57.(in Chinese with English abstract)

[23] 楊善東，張東興，刁培松，等.側(cè)正壓玉米排種器的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(增刊1)：8－13. Yang Shandong,Zhang Dongxing,Diao Peisong,et al. Design and experiment of side positive pressure seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2015,31(Suppl 1):8－13.(in Chinese with English abstract)

[24] 楊善東，張東興，高振強(qiáng)，等. 側(cè)正壓玉米排種器流場(chǎng)模擬與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（增刊1）：35－39. Yang Shandong,Zhang Dongxing,Gao Zhengqiang,et al. Flow field simulation and working parameters analysis of side positive pressure maize seeding device[J]. Transactionsof the Chinese Society for Agricultural Machinery,2014,45(Suppl 1):35－39.(in Chinese with English abstract)

[25] 劉佳，崔濤，張東興，等．機(jī)械氣力組合式玉米精密排種器[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，43(2)：43－47．Liu Jia,Cui Tao,Zhang Dongxing,et al. Mechanical pneumatic combined maize precision seed metering device[J]. Transaction of Chinese Society for Agricultural Machinery,2012,43(2):43－47.(in Chinese with English abstract)

[26] 趙月霞．機(jī)械式精密排種器關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．南京：京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2003．Zhao Yuexia. Study on Key Technology of Mechanical Precision Metering Device[D]. Nanjing:Nanjing Agricultural University,2003.(in Chinese with English abstract)

[27] 崔濤，劉佳，楊麗，等．基于高速攝像的玉米種子滾動(dòng)摩擦特性試驗(yàn)與仿真[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29(15)：34－41. Cui Tao,Liu Jia,Yang Li,et al. Experiment and simulation of rolling friction characteristic of corn seed based on highspeed photography[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2013,29(15):34－41.(in Chinese with English abstract)

[28] 丁祖榮．流體力學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[29] 全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法：GB/T 6973-2005[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005:1．

[30] 劉佳，崔濤，張東興，等．玉米種子分級(jí)處理對(duì)氣力式精量排種器播種效果的影響[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(9)：109－113．Liu Jia,Cui Tao,Zhang Dongxing,et al. Effect of maize seed grading on sowing quality by pneumatic precision seedmetering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(9):109－113.(in Chinese with English abstract)

[31] 全國(guó)篩網(wǎng)篩分和顆粒分檢方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．工業(yè)用篩板板厚＜3 mm的圓孔和方孔篩板：GB/T10612-2003 [S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：1．

[32] 全國(guó)篩網(wǎng)篩分和顆粒分檢方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．長(zhǎng)圓孔、長(zhǎng)方孔和圓孔篩板：GB/T 12620－2008[S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：1．

[33] 全國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)．單粒(精密)播種機(jī)技術(shù)條件：JB/T 10293-2001[S]．北京：機(jī)械科學(xué)研究院，2001：1．

Design and experiment of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device

Cui Tao,Han Dandan,Yin Xiaowei,Li Kehong,Xiao Lili,Yang Li,Zhang Dongxing※
(College of Engineering,China Agricultural University,Beijing 100083,China)

Combined with the good filling performance of the inside-filling seed metering device,in this study,one kind of combined nozzles was designed using the principle of gas cleaning of air-blowing seed metering device and the principle of pressing seeds of air pressure seed metering device. At the same time,the semi disc structure of seeding plate was used. The conical stepped hole was adopted in the form of hole,so as to achieve the seed charge under self-gravity. The obliquity of combined nozzles was designed as 75°,the distance between the intersection of the center axis of clearing nozzle and the horizontal direction of the center of seeding plate and vertical direction of the center of seeding plate was about 45mm through the design calculation of the structure and position size of combined nozzles. The function and necessity of pressing nozzle was determined through the comparison of fluid simulation of single cleaning nozzle and combine nozzles. We concluded that the flow velocity of the outlet was at least 11.7 m/s to satisfy the cleaning condition through the analysis of the force of the seed in the hole during cleaning process. The outlet air flow speed was increased by reducing outlet area of cleaning nozzle due to the outlet velocity of the air nozzle was inversely proportional to the outlet area. Finally,the outlet area was defined as 1/3 of the total area of cleaning nozzle. By means of the fluid simulation of gas nozzles with different cross sections,this research produced that the larger inclination angle of cleaning nozzle,the larger area of high speed air flow which generated by the gas nozzle in the whole chamber and which was more difficult to produce vortex in the rear side hole. The differential pressure generated by the gas nozzle with 45° in the hole was the largest by detecting the pressure value of the upper and lower part of the hole with different dip angles. Therefore,the single seed was the most easily attached to the inside of the hole under this inclination angle gas nozzle. According to the simulation results,the angle between the section of nozzle and the pipe wall was 45°. The bench tests were carried out on the seed metering device according to the performance indexes such as working pressure,replay index,leakage index and the qualified rate of grain distance. Experimental results showed that the qualified index was above 86.58% which the effect was not the best under the working pressure was 5 kPa or above when the seeds were not graded. Through the classification of maize seeds and seeds of different types of the qualified index of different kinds of seeds basically had such regular:big flat＞small flat＞small circle＞big circle through the classification of maize seeds. The qualified index of big flat could reach more than 95% under the pressure of 4.5 kPa and the small flat seeds could also achieve the same sowing condition under the pressure of 5.0 kPa. The theoretical foundation was provided for the improvement research of the following seed metering device through analyzing the reasons of replay leakage of flat and circle seeds combined with high speed imaging technology.

seed;agricultural machinery;experiments;maize;precision metering device;inside-filling air-blowing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01002

S223.2

A

1002-6819(2017)-01-0008-09

崔 濤，韓丹丹，殷小偉，李克鴻，肖荔荔，楊 麗，張東興. 內(nèi)充氣吹式玉米精量排種器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(1)：8－16.

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.008 http://www.tcsae.org

Cui Tao,Han Dandan,Yin Xiaowei,Li Kehong,Xiao Lili,Yang Li,Zhang Dongxing. Design and experiment of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2017,33(1):8－16.(in Chinese with English abstract)

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.01.008 http://www.tcsae.org

2016-05-29

2016-11-25

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（2014XJ011）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375483）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51575515）；農(nóng)業(yè)部土壤-機(jī)器-植物系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目

崔 濤，男，河南鄭州人，講師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與計(jì)算機(jī)測(cè)控研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。

Email：cuitao850919@163.com

※通信作者：張東興，男，河北衡水人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備與計(jì)算機(jī)測(cè)控研究。北京 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，100083。Email：zhangdx@cau.edu.cn