劉艷芬，林 靜，李寶筏，馬 鐵，宋健鵬，田 陽

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玉米播種機水平圓盤排種器型孔設(shè)計與試驗

劉艷芬1,2，林 靜1※，李寶筏1，馬 鐵1，宋健鵬1，田 陽1

（1. 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；2. 青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，青島266109）

為滿足水平圓盤排種器在高速條件下的精密排種要求，從排種器的工作原理出發(fā)，對排種盤型孔的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸進行分析，設(shè)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。為了得到排種器的最佳性能參數(shù)，以排種器轉(zhuǎn)速、型孔倒角長度、型孔傾角為試驗因素，以排種合格指數(shù)、重播指數(shù)、漏播指數(shù)為試驗指標進行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗，建立試驗指標與試驗因素間的數(shù)學(xué)模型。應(yīng)用響應(yīng)面法對回歸方程進行多目標優(yōu)化，得到最佳參數(shù)為：排種器轉(zhuǎn)速為33 r/min，倒角長度為7 mm，型孔傾角為61°，此時排種的合格指數(shù)為92.47%，重播指數(shù)為3.56%，漏播指數(shù)為3.97%。在最優(yōu)參數(shù)組合下，臺架試驗驗證排種器的排種合格指數(shù)為92.13%，重播指數(shù)為4.01%，漏播指數(shù)為3.86%，田間驗證試驗表明，當排種器轉(zhuǎn)速調(diào)整為33 r/min時，其線速度為0.41 m/s，播種機組前進速度為8.6 km/h，水平圓盤排種器的播種性能指標滿足單粒精密播種的農(nóng)藝要求，且對不同品種的玉米種子具有良好的適應(yīng)性。該研究可為機械式精密排種器的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

農(nóng)業(yè)機械；種子；設(shè)計；響應(yīng)面法；水平圓盤排種器；參數(shù)優(yōu)化；試驗；回歸方程

0 引 言

排種器作為播種機的核心部件，按工作原理分為氣力式和機械式2大類。目前東北地區(qū)玉米播種主要使用氣力式和機械式中的指夾式排種器，專家學(xué)者對兩者作了大量而深入的研究[1-6]。生產(chǎn)實際中，這兩種排種器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，或能耗大或加工要求高，價格普遍偏高。

機械式中的水平圓盤排種器具有囊種性能較好、結(jié)構(gòu)簡單、便于制造、工作可靠等優(yōu)點[7]。20世紀70年代，水平圓盤排種器開始出現(xiàn)并在幾年內(nèi)發(fā)展成為早期較成熟的精密排種器之一[8]，當時前蘇聯(lián)棉花、玉米等少數(shù)作物播種機上大多采用水平圓盤排種器[9]。Shein[10]改進水平圓盤排種器設(shè)計，使之能夠適應(yīng)多作物播種。Singh等[11-12]優(yōu)化排種器結(jié)構(gòu)，試驗表明種子的幾何尺寸決定著排種器型孔的形狀、尺寸等參數(shù)，直接影響排種精度。在國內(nèi)，梁天也等[13]改進設(shè)計水平圓盤排種器清種裝置，臺架試驗表明排種性能有了大幅提高：種子破碎率由8%～20%降低到1%～5%，空穴率由0.5%～7.0%降低到0.2%～1.1%。趙武云等[14]設(shè)計的玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機采用水平圓盤精量排種器，能保證1穴2粒的取種精度，田間試驗種子破碎率為0.3%，空穴率為0.6%，穴粒數(shù)合格率為98.2%。廖慶喜等[15-17]以種子的幾何尺寸為依據(jù)，從排種器工作原理出發(fā)，建立型孔參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，為水平圓盤排種器型孔參數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)；排種性能試驗表明合理匹配種子幾何尺寸和型孔參數(shù)，可有效提高水平圓盤排種器的工作性能；破損試驗證明影響種子破損的主要因素是動、定盤間隙和推種器彈簧壓力。石林榕等[18]通過離散單元法對排種進行仿真試驗，表明優(yōu)化排種器的動盤速度、動盤厚度、型孔圓角半徑這3個性能參數(shù)，可顯著提高水平圓盤排種器的播種合格指數(shù)。

有學(xué)者指出，水平圓盤排種器作業(yè)性能不夠穩(wěn)定，一般只能在排種盤圓周速度為0.23～0.35 m/s，機組前進速度為6～7 km/h的范圍內(nèi)高質(zhì)量地完成播種工作[19-20]，難以滿足生產(chǎn)實際中日益提高的作業(yè)效率。

本文基于中國玉米種子的幾何尺寸開展研究，在理論分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一種帶有倒角的傾斜縱向長方形型孔的水平圓盤排種器，優(yōu)化求解獲得水平圓盤排種器最優(yōu)性能參數(shù)組合。通過臺架試驗和田間試驗，驗證水平圓盤排種器的排種性能以及對不同品種玉米種子的適應(yīng)性，以期為水平圓盤精密排種器的參數(shù)選擇和優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

1 排種器的結(jié)構(gòu)與工作原理

水平圓盤排種器工作時，播種機地輪獲取的動力由鏈輪6傳至主軸5、經(jīng)大小錐齒輪嚙合4，帶動驅(qū)動盤11和卡在驅(qū)動盤上的動排種盤1一起進行旋轉(zhuǎn)運動。種箱12內(nèi)的玉米種子在重力、離心力和種子群力的作用下囊入型孔內(nèi)，完成充種過程；在動排種盤旋轉(zhuǎn)過程中，清種刷9刮掉多余的種子，完成清種過程；型孔內(nèi)的單粒種子被帶至投種室10內(nèi)，當動排種盤1的型孔跟定排種盤2上的排種孔8相對應(yīng)時，種子在自身重力和型孔后壁的壓力作用下，離開動排種盤型孔穿過投種盒7落入排種管內(nèi)，完成投種、導(dǎo)種的過程。水平圓盤排種器結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

1. 動排種盤 2. 定排種盤 3. 底座 4. 大小錐齒輪嚙合 5. 主軸 6. 鏈輪 7. 投種盒 8. 排種孔 9. 清種刷 10. 投種室 11. 驅(qū)動盤 12. 種箱

2 排種器型孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

排種器的充種過程，也就是種子從排種盤上落入型孔的過程，是水平圓盤排種器排種過程中最關(guān)鍵的兩個環(huán)節(jié)之一，直接影響著排種性能。傳統(tǒng)的水平圓盤排種器在高速情況下，往往種子來不及充填型孔，極易造成漏播，影響播種效果。本文所設(shè)計的充種型孔的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸使其更易于充種，保證水平圓盤排種器在高速播種時也能保持良好的排種性能。

種子落入型孔有4種可能性：側(cè)臥、側(cè)立、直立和平躺，如圖2所示。對種子進行自由落體實驗，得種子落下后4種狀態(tài)的概率分別為31%、17%、13%、39%。為了保證單粒精密播種，即每一型孔只能落入一粒種子，則種子落入型孔內(nèi)只能是側(cè)臥或側(cè)立的方式[21]，如圖2a、圖2b。東北地區(qū)玉米籽粒形狀大多偏扁平，因此采用周邊式縱向長方形型孔。所謂周邊式是指型孔位于排種盤的周邊。

根據(jù)種子的形狀和尺寸確定型孔尺寸的變化范圍，然后用試驗設(shè)計的方法來確定最優(yōu)取值[22]。

a. 側(cè)臥 b. 側(cè)立 c. 直立 d. 平躺

選取3種東北地區(qū)具有代表性的扁平玉米品種：丹玉336、丹玉508、沈玉26。從每份種子中隨機抽取1 000粒，測量其尺寸并計算平均值，得平均長度0、平均寬度0、平均厚度0，如表1所示。

表1 玉米種子的外形尺寸

根據(jù)玉米種子尺寸，排種器型孔尺寸和要求為

式中為型孔長度，mm；為型孔寬度，mm；為型孔深度，mm；為槽長間隙，mm；為槽寬間隙，mm；為槽深間隙，mm。

由式（1）可見，型孔寬度是在種子厚度0的基礎(chǔ)上增加槽寬間隙但要小于種子平均寬度0，這樣才能避免圖2c、圖2d的發(fā)生，以保證單粒精密播種。對型孔深度，只要能保證種子重心以及大部分體積在型孔內(nèi)，進入投種室時不會被清種刷清理掉即可，也就是說，型孔深度即動排種盤厚度以種子不退出型孔為條件，因此，型孔深度是用種子平均寬度0減去槽深間隙求得。

根據(jù)測得的種子尺寸值，型孔長度取11 mm，寬度取6 mm，深度即動排種盤厚度取6 mm。

此排種器用于兩行玉米播種機，種箱體積根據(jù)播種機的播種量確定，考慮到種箱體積以及在播種機上的安裝空間，排種器的排種盤直徑取236 mm。

2.1 型孔后上緣小圓角的設(shè)計

位于排種盤上型孔后端附近的種子受到的支撐力來自型孔上緣，如圖3所示。

將圖3a、圖3b相比較發(fā)現(xiàn)，種子所受重力（N）、種子群力水平分力F（N）、種子群力豎直分力F（N）是一致的，差別在于圖3b中型孔后方上緣處半徑為1 mm的小圓角的存在，使得0（N）、（N）方向較圖3a中發(fā)生了變化。此時0通過小圓角的法線方向斜向上，即0有了水平分力，0向前的水平分力必定大于摩擦力向后的水平分力，作用于其前方種子，必然會加速前方種子囊入型孔，從而提高型孔的充種率。

注：v為前進速度，m·s–1；G為種子重力，N；N0為種子受到的支撐力，N；F為種子所受摩擦力，N；Fx為種子群力的水平分力，N；Fy為種子群力的豎直分力，N；L為型孔長度，mm。

2.2 型孔倒角的設(shè)計

對于排種盤上型孔前端附近的種子，設(shè)其質(zhì)心在￠點，質(zhì)心距離種子胚芽端為（mm），距離排種盤高度為（mm）。首先對不帶前倒角的型孔進行分析。

令坐標原點在型孔的最左上點，軸沿種子相對排種盤的速度方向，軸沿排種盤半徑方向，軸豎直向上，建坐標系如圖4a所示。

注：h為種子質(zhì)心高于排種盤的高度，mm；c為種子質(zhì)心與胚芽端距離，mm；o￠為種子質(zhì)心；O為坐標系原點；X和Z為坐標軸；l1為種子開始翻轉(zhuǎn)下落時質(zhì)心水平坐標，mm；d為種子質(zhì)心與型孔后壁間的水平距離，mm；θ為型孔倒角，（°）；L1為倒角長度，mm。

研究單粒玉米種子囊入型孔的過程。種子囊入型孔的過程中起主要作用的是種子相對排種盤的相對速度v，如果v過小，則排種頻率過低，導(dǎo)致播種效率低下；v過大，則種子來不及充填型孔，必然會造成漏播。所以，要使排種器有良好的排種性能，就要研究種子能夠通過型孔的最大極限速度。假設(shè)玉米種子以其胚芽端趨近型孔，當質(zhì)心點￠移動到坐標原點上方時，種子開始傾斜，接著在力矩′1作用下產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)做旋轉(zhuǎn)運動。因此，可以認為種子質(zhì)心的運動軌跡是一條拋物線，而種子本身從原點開始作自由落體的同時作旋轉(zhuǎn)運動[23]。則穿過型孔時，玉米種子質(zhì)心的運動方程為

式中為玉米種子落入型孔過程中質(zhì)心通過的水平距離，mm；v為種子與排種盤的相對速度，m/s；為種子質(zhì)心從開始到落入型孔所用時間，s；為種子落入型孔過程中質(zhì)心通過的豎直距離，mm；為重力加速度，m/s2。

可求得種子落入型孔所需時間為

型孔長度最小取值

（3）

式中為種子質(zhì)心與胚芽端之間的距離，mm。

前蘇聯(lián)院士郭遼契金提出，種子囊入型孔的基本條件是，單粒玉米種子在排種盤上的相對速度最大極限須符合

若在型孔上緣前端加工角度為的倒角，將坐標原點置于倒角左上角點建立坐標系，如圖4b所示。則玉米種子質(zhì)心的運動方程為

（5）

式中1為倒角長度，mm。

經(jīng)過變化求解得單粒玉米種子在排種盤上的相對極限速度為

由此可見，種子的相對極限速度與倒角長度、種子的質(zhì)心位置有關(guān)。倒角長度過大，種子下落過程中可能會跟倒角發(fā)生碰撞，會影響種子落入型孔；倒角長度過小，則發(fā)揮不了該有的作用。本文取=30°，并通過后續(xù)試驗來求取倒角長度1的最佳取值。

比較式（4）和式（6）可得，型孔前倒角可以有效提高種子與排種盤之間的相對速度，，有利于型孔前緣的種子更穩(wěn)定更高效地落入型孔。

同理，為提高型孔側(cè)緣種子的相對速度，使之能夠穩(wěn)定高效地落入型孔，在型孔的側(cè)面同樣加工出傾角為30°的倒角，倒角長度等尺寸由后續(xù)試驗求得。前倒角和側(cè)面倒角的俯視圖能夠表達其真實形狀，如圖5所示。

2.3 傾斜型孔的設(shè)計

水平圓盤排種器的排種過程中第二個最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是投種，即種子穿過型孔落入導(dǎo)種管的過程。隨著排種盤圓周速度的增大，彈性推種器往往來不及把種子從充種型孔中完全推出，容易造成漏播?？梢娫诟咚偾闆r下，推種器起不到應(yīng)有的作用，依靠推種器來幫助完成投種過程變得不可靠[24]。為此，本文所設(shè)計的排種器不設(shè)推種器，而是靠改變型孔的結(jié)構(gòu)形狀來有效完成這個過程。所設(shè)計的型孔后壁具有較大的反向斜面，這樣種子從充種型孔中下落時，豎直方向受力除了種子自身的重力外，還有型孔后壁的反向斜面給予種子的推力的豎直向下的分力cos。同時，將型孔后壁4 mm高度以下部分加工成豎直壁，這樣即便是種子胚芽端朝向型孔后緣時也不會被型孔尖角夾住，而是被豎直壁推著隨動排種盤一起轉(zhuǎn)動，從而不會產(chǎn)生夾籽的情況，受力如圖6所示。玉米種子經(jīng)過分級、型孔長度比種子長度尺寸大、有反向斜面的型孔結(jié)構(gòu)，排種器通過這3個方面來確保種子能夠從充種型孔中順利高效下落，完成投種的過程。

1.前倒角 2.側(cè)面倒角

注：J為種子隨排種盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力，N；Nk為型孔對種子的推力，N；Ff為型孔對種子的摩擦力，N；N1為型孔對種子胚芽端的推力，N；φ為型孔傾角，（°）。

型孔內(nèi)的玉米種子隨著排種盤剛好轉(zhuǎn)動到投種口的瞬間，種子受力分析如圖6a所示。對此時的玉米種子建立運動微分方程

式中為種子隨排種盤轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力，N；N為型孔對種子的推力，N；F為型孔對種子的摩擦力，N；為型孔傾角，（°）；為種子質(zhì)量，g；為種子下落瞬間加速度，m/s2；為種子隨排種盤轉(zhuǎn)動的角速度，rad/s；為種子離排種盤中心距離，mm；為型孔對種子的摩擦系數(shù)。

整理可得種子下落瞬間加速度

當cos-sin>0時，有>，也就是說，當型孔傾角滿足時，型孔后緣會給種子施加下壓力，有利于排種器更好地完成投種過程。

由式可見，種子下落的加速度受下列因素的影響：排種盤轉(zhuǎn)動的角速度、種子離排種盤中心距離、型孔對種子的摩擦系數(shù)、型孔傾角。通過后續(xù)試驗求得型孔傾角的最佳取值。

2.4 型孔數(shù)目的確定

已知播種機排種地輪直徑（mm），播種時地輪滑移率為（%），則播種粒距D為[25]

式中D為播種要求的種子粒距，mm；為播種作業(yè)時地輪滑移率，%；M為播種時機組前進速度，m/s；為排種盤轉(zhuǎn)速，r/min；0為型孔數(shù)目。

播種機從地輪到排種器經(jīng)過鏈傳動、錐齒輪傳動兩級傳動，兩級總傳動比用表示。帶入式（9）可得排種盤充種型孔數(shù)量為

式中為播種地輪直徑，mm；為播種傳動比。

由式（10）可見，在、、不變的情況下，充種型孔數(shù)量0與播種粒距D成反比。

根據(jù)東北玉米壟作區(qū)的種植經(jīng)驗，播種粒距D取270 mm；滑移率= 8%，地輪半徑為450 mm，傳動比=0.32，將以上參數(shù)帶入式（10）可得0=17.78，取整，得排種盤充種型孔數(shù)量為18。

排種盤上相鄰兩個型孔間部分稱為型孔間隔墻。型孔間隔墻厚度必須要大于型孔的尺寸，才能防止種子間的混亂現(xiàn)象發(fā)生。機械式的排種器的型孔一般都是沿圓周均勻配置的，數(shù)目滿足如下公式

式中為型孔間隔墻厚度，mm。

將0=18、=118=11帶入式（11）可得，=30 mm>。因此，排種盤型孔數(shù)目選定18是可取的。

至此，所設(shè)計的帶有倒角的傾斜縱向長方形型孔的動排種盤的示意圖如圖7所示。

3 試驗研究

3.1 試驗條件

臺架試驗于2015年7月18日在遼寧省農(nóng)業(yè)機械化研究所進行，所用裝置為黑龍江省農(nóng)業(yè)機械工程科學(xué)研究院研制的JPS-12型計算機視覺排種器試驗臺，如圖8所示。購買的種子是售前分級過的，因此在試驗前只需進行簡單分級，將體積超過均值太大者剔除。從20 kg丹玉508玉米種子中隨機抽取種子作為試驗材料，保證每組試驗測定的玉米種子為2 000粒。

試驗時，將自制水平圓盤排種器固定在安裝架上，通過步進電機改變排種器主軸的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。種床帶速度可調(diào)范圍為1.5～12 km/h，排種軸轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍為15～120 r/min。種床帶運動模擬播種機田間工作情況。粘種油液壓系統(tǒng)將粘種油從油箱壓到種床帶上，經(jīng)油刷涂成一條粘油帶，排種器排出的玉米種子落至粘油帶上，計算機視覺系統(tǒng)實時采集數(shù)據(jù)，以便精確計算排種器的各個性能指標。

圖8 計算機視覺排種器試驗臺

3.2 試驗因素與試驗指標

排種盤轉(zhuǎn)速、倒角長度、型孔傾角是影響水平圓盤排種器充種和投種過程的重要參數(shù)，將其作為試驗的3個因素。根據(jù)玉米播種要求，以排種合格指數(shù)（%）、重播指數(shù)（%）、漏播指數(shù)（%）作為試驗指標。試驗根據(jù)GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[26]的要求進行。、、的計算公式如下

（13）

（14）

式中為試驗測定的種子數(shù)目；1為試驗測定區(qū)間內(nèi)的合格種子數(shù)目；2為試驗測定區(qū)間內(nèi)的重播種子數(shù)目；0為試驗測定區(qū)間內(nèi)的漏播種子數(shù)目。

試驗通過落在種帶上的種子粒距來考察排種器的排種性能。D為理論粒距，D為實測粒距，當0.5D<D≤1.5D時，為合格；D≤0.5D時，為重播；D>1.5D時，為漏播。根據(jù)我國東北壟作區(qū)玉米播種的農(nóng)藝要求，D取270 mm。

根據(jù)水平圓盤排種器的工作特點確定各因素的取值變化范圍為：排種器轉(zhuǎn)速為20～48 r/min，倒角長度為5～9 mm，型孔傾角為35°～75°。試驗因素水平編碼如表2所示。

表2 試驗因素水平編碼

自制9種不同規(guī)格的排種盤，通過更換不同的排種盤實現(xiàn)排種器結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變；排種器轉(zhuǎn)速由排種試驗臺的步進電機控制，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速實現(xiàn)排種器轉(zhuǎn)速的改變。根據(jù)central composite design（CCD）試驗設(shè)計原理，進行三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計[27-28]，根據(jù)設(shè)計進行試驗，每次試驗重復(fù)3次求取平均值作為試驗指標，并對影響試驗指標的試驗因素進行優(yōu)化。試驗方案及性能指標如表3所示。

3.3 試驗結(jié)果與分析

采用Design-expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行回歸分析，以確定3個試驗指標在不同試驗因素影響下的變化規(guī)律。排種的合格指數(shù)回歸方程的顯著性分析結(jié)果見表4。

模型的<0.01，說明模型極顯著，而失擬項的檢驗結(jié)果不顯著（=0.265 6>0.05），說明試驗指標回歸方程與試驗數(shù)據(jù)的擬合程度良好。而且1、2、3、13、12、22、32對方程影響極顯著，12和23對方程影響顯著，得合格指數(shù)的因素編碼回歸方程為

式中1為合格指數(shù)，%；1、2、3分別為排種盤轉(zhuǎn)速、倒角長度、型孔傾角的編碼值。

表3 試驗方案及結(jié)果

注：1、2、3分別為1、2、3的水平編碼值。

Note:1,2and3respectively represent coded values of1,2and3.

對因素編碼回歸方程系數(shù)進行檢驗可得，影響合格指數(shù)的試驗因素的主次順序為：排種器轉(zhuǎn)速>型孔傾角>倒角長度。合格指數(shù)1（%）的回歸方程為

式中1、2、3分別為排種盤轉(zhuǎn)速、倒角長度、型孔傾角。

通過合格指數(shù)方差分析發(fā)現(xiàn)，3個試驗因素對合格指數(shù)的影響都顯著，并且3個因素之間兩兩存在交互作用。

運用同樣的方法，剔除不顯著項，得重播指數(shù)因素編碼回歸方程為

式中2為重播指數(shù)，%。

表4 合格指數(shù)方差分析

對式（17）的回歸系數(shù)進行檢驗得出，影響重播指數(shù)的各試驗因素的主次順序為：倒角長度>排種器轉(zhuǎn)速>型孔傾角。則重播指數(shù)2(%)的回歸方程為

通過重播指數(shù)方差分析發(fā)現(xiàn)，3個試驗因素對合格指數(shù)的影響都顯著，并且排種盤轉(zhuǎn)速和型孔傾角、倒角長度和型孔傾角之間存在交互作用。

對于漏播指數(shù)，剔除不顯著項，得到漏播指數(shù)因素編碼回歸方程為

式中3為漏播指數(shù)，%。

對式（19）的回歸系數(shù)進行檢驗得出，影響漏播指數(shù)的各因素的主次順序為：排種器轉(zhuǎn)速>型孔傾角>倒角長度。則排種漏播指數(shù)3（%）的回歸方程為

通過漏播指數(shù)方差分析發(fā)現(xiàn)，3個試驗因素對合格指數(shù)的影響都顯著，并且排種盤轉(zhuǎn)速和倒角長度之間存在交互作用。

3.4 試驗因素對指標的影響

根據(jù)所建立的排種合格指數(shù)的回歸方程，應(yīng)用軟件Design-expert 8.0.6軟件得到響應(yīng)曲面，以便能直觀的看出試驗指標與各因素之間的關(guān)系，結(jié)果如圖9所示。

圖9a、9b、9c是三因素對合格指數(shù)的影響：播種合格指數(shù)隨著排種器轉(zhuǎn)速的提高先增后降，在25～35 r/min有最大值；隨著倒角長度的增大先增后降，在5.5～7.5 mm有最大值；隨著型孔傾角的增大先增后降，在55°～65°有最大值。圖9d、9e、9f說明排種重播指數(shù)隨排種器轉(zhuǎn)速的提高而降低，隨倒角長度的增大而增加，隨型孔傾角的增大先降后增。圖9g、9h、9i說明排種漏播指數(shù)隨著排種器轉(zhuǎn)速、倒角長度、型孔傾角這三個因素的增大都呈先降后增的趨勢。

3.5 參數(shù)優(yōu)化

為得到排種器的排種合格指數(shù)最大，重播指數(shù)和漏播指數(shù)最小，根據(jù)JB/T 10293-2001《單粒（精密）播種機技術(shù)條件》中的要求[29]，播種合格指數(shù)≥80.0%，重播指數(shù)≤15.0%，漏播指數(shù)≤8.0%。采用多目標的非線性優(yōu)化理論和方法，結(jié)合試驗因素的約束條件，對已得出的回歸方程進行優(yōu)化分析[30]。目標函數(shù)及約束條件為：

利用Design-expert 8.0.6軟件對回歸方程進行優(yōu)化求解，圓整優(yōu)化參數(shù)得：排種器轉(zhuǎn)速為33 r/min，倒角長度為7 mm，型孔傾角為61°。選取排種盤材料為尼龍，測得靜摩擦系數(shù)為0.42，帶入公式（8）得符合，即型孔傾角取值合理。

根據(jù)優(yōu)化得到的最優(yōu)參數(shù)，進行5次重復(fù)臺架試驗，試驗結(jié)果平均值見表5?？梢娫谧顑?yōu)參數(shù)作用下，實際結(jié)果與理論結(jié)果近似。

表5 水平圓盤排種器的最優(yōu)性能及相應(yīng)參數(shù)

4 田間性能驗證試驗

4.1 試驗?zāi)康?/p>

為驗證臺架試驗的有效性，檢驗所設(shè)計水平圓盤排種器的工作性能，進行了田間驗證試驗。試驗時，將最優(yōu)性能參數(shù)組合下的水平圓盤排種器安裝于懸掛式免耕施肥播種機上[31]，調(diào)整排種器轉(zhuǎn)速至33 r/min左右。

為驗證排種器對不同品種的適應(yīng)性，試驗選取丹玉336、沈玉26、丹玉508三個品種的玉米種子作為試驗材料。試驗于2016年4月29日在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)科技試驗田進行，試驗所用田塊長326 m，寬67 m，是玉米秸稈高留茬免耕地塊。配套動力為東方紅354拖拉機。

4.2 田間工況

試驗田土壤類型為棕壤土。土壤容重用環(huán)刀法測定3次取平均值為1.23 g/cm3。土壤堅實度用SC900型數(shù)字式土壤緊實度測量儀（測壓范圍0～7 MPa，測量深度0～45 cm，美國芝加哥Spectrum 技術(shù)公司）測定10次取平均值，得到結(jié)果為平均土壤緊實度在0 cm（地表）處平均土壤緊實度為140 kPa，5 cm處為386 kPa，10 cm處為474 kPa，15 cm處為825 kPa。土壤含水率用SM-2型高精度土壤水分測量儀（精度±5%，澳作生態(tài)儀器有限公司）測定10次取平均值，得到結(jié)果為0～10 cm的播種層土壤平均含水率為12.6%，10～20 cm的種下土壤平均含水率為15.3%。土壤溫度測定10次取平均值，結(jié)果為5 cm處土壤平均溫度為16.1 ℃，10 cm處土壤平均溫度為12.9 ℃，15 cm處土壤平均溫度為11.7 ℃。前茬作物為玉米，收割后留茬高度平均值為15.3 cm。

4.3 田間性能試驗結(jié)果

田間作業(yè)時，機組前進速度為8.6 km/h，排種器轉(zhuǎn)速為33 r/min，線速度為0.41 m/s，理論播種粒距為270 mm。試驗重復(fù)5次，每次測定種子不少于1 000粒，依據(jù)GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》進行統(tǒng)計處理，結(jié)果見表6。

表6 田間試驗結(jié)果

由表6可知，水平圓盤排種器對3個玉米品種的播種合格指數(shù)均大于80%。因為沈玉26品種籽粒之間尺寸差異較大，而且尺寸均值小于另外2個品種，因而在田間播種時合格指數(shù)最低，重播指數(shù)明顯高于另外2個品種。從田間性能驗證試驗的結(jié)果看，所設(shè)計水平圓盤排種器的排種性能能夠滿足精密播種的農(nóng)藝要求，而且對不同玉米品種的適應(yīng)性良好。

5 結(jié) 論

1）本文設(shè)計了一種帶有倒角的周邊式傾斜縱向長方形型孔的水平圓盤排種器。通過對其工作原理的分析，對排種盤型孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了設(shè)計，要求排種器在高速工作條件下能保持良好的排種性能，并能滿足玉米精確播種的農(nóng)藝要求。

2）采用三元二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計，建立排種性能指標（合格指數(shù)、漏播指數(shù)、重播指數(shù)）與排種盤轉(zhuǎn)速、型孔倒角長度、傾角3個試驗因素間的回歸數(shù)學(xué)模型，得各試驗因素對試驗指標的影響和交互作用關(guān)系。

3）使用Design-expert 8.0.6軟件對試驗結(jié)果進行分析，并利用響應(yīng)面法對回歸方程進行多目標優(yōu)化，得到最優(yōu)參數(shù)為排種器轉(zhuǎn)速為33 r/min，倒角長度為7 mm，型孔傾角為61°。此時，排種合格指數(shù)為92.47%，重播指數(shù)為3.56%，漏播指數(shù)為3.97%；臺架驗證試驗得實際排種合格指數(shù)為92.13%，重播指數(shù)為4.01%，漏播指數(shù)為3.86%。

4）將最優(yōu)性能參數(shù)組合下的水平圓盤排種器安裝于懸掛式免耕施肥播種機上，進行田間性能驗證試驗。試驗結(jié)果表明，當排種器轉(zhuǎn)速為33 r/min，線速度為0.41 m/s，機組前進速度為8.6 km/h時，排種器的排種性能指標滿足精密播種的農(nóng)藝要求，而且對不同尺寸的玉米品種均有良好的適應(yīng)性。

[1] 劉月琴，趙滿全，劉飛，等．基于離散元的氣吸式排種器工作參數(shù)仿真優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(7)，65－72．Liu Yueqin, Zhao Manquan, Liu Fei, et al. Simulation and optimization of working parameters of air suction metering device based on discrete element[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(7): 65－72. (in Chinese with English abstract)

[2] 韓豹，楊亞楠，孟繁超，等．氣吸滾筒式自動清堵排種器的改進設(shè)計與性能試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2016，32(19)：18－25．Han Bao, Yang Ya’nan, Meng Fanchao, et al. Improved design and performance experiment on air-suction drum-type seed metering device with auto-cleaning block[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 18－25. (in Chinese with English abstract)

[3] 翟建波，夏俊芳，周勇．氣力式雜交稻精量穴直播排種器設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2016，47(1)：75－82. Zhai Jianbo, Xia Junfang, Zhou Yong. Design and experiment of pneumatic precision hill-drop drilling seed metering device for hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(1): 75－82. (in Chinese with English abstract)

[4] 王金武，唐漢，王奇，等．基于EDEM軟件的指夾式精量排種器排種性能數(shù)值模擬與試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2015，31(21)：43－50. Wang Jinwu, Tang Han, Wang Qi, et al. Numerical simulation and experiment on seeding performance of pickup finger precision seed-metering device based on EDEM[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(21): 43－50. (in Chinese with English abstract)

[5] 王延耀，李建東，王東偉，等．氣吸式精密排種器正交試驗優(yōu)化[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2012，43(增刊)：54－58.Wang Yanyao, Li Jiandong, Wang Dongwei, et al. Orthogonal experiment optimization on air-suction precision seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2012, 43(Supp.): 54－58. (in Chinese with English abstract)

[6] 李旭．氣力式油菜精量排種器工作機理與試驗研究[D]．武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

Li Xu. Experimental Study & Working Mechanism of Pneumatic Precision Metering Device for Rape Seed[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[7] 李寶筏．農(nóng)業(yè)機械學(xué)[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003.

[8] Datta R K. Development of some seeders with particular reference to pneumatic seed drills[J]. The Harvester, Indian Institute of Technology, Kharagpur, India, 1974, 31(16): 26－29.

[9] 張波屏．精密播種機械工程[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1979．

[10] Shein T. Evaluation of Different Metering Devices for Multi-crop Seeding[D]. Philippines: Philippines University, Los Banos, College, Laguna, 1988.

[11] Singh R C, Singh G, Saraswat D C. Optimisation of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting cottonseeds[J]. Biosystems Engineering, 2005, 92(4): 429－438.

[12] Maleki MR, Mouazen AM, De Ketelaere B, et al. A new index for seed distribution uniformity evaluation of grain drills[J]. Biosystems Engineering, 2006, 94(3): 471－475.

[13] 梁天也，巴曉斌，時景云，等．精播丸?；衩追N子水平圓盤排種器清種裝置的改進[J]．吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，23(1)：101－103.Liang Tianye, Ba Xiaobin, Shi Jingyun, et al. Improvement on cleaning device of horizontal disc type seeder for pelleted corn seeds[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2001, 23(1): 101－103. (in Chinese with English abstract)

[14] 趙武云，戴飛，楊杰，等．玉米全膜雙壟溝直插式精量穴播機設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2013，44(11)：91－97.Zhao Wuyun, Dai Fei, Yang Jie, et al. Design and experiment of direct insert precision hill-seeder with corn whole plastic-film mulching on double ridges[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(11): 91－97. (in Chinese with English abstract)

[15] 廖慶喜，高煥文，臧英．玉米水平圓盤精密排種器型孔的研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(2)：109－113. Liao Qingxi, Gao Huanwen，Zang Ying. Experimental study on the cell of the horizontal plate precision meter for corn seed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(2): 109－113. (in Chinese with English abstract)

[16] 廖慶喜，高煥文．玉米水平圓盤精密排種器排種性能試驗研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2003，19(1)：99－103. Liao Qingxi, Gao Huanwen. Experimental study on performance of horizontal disc precision meter for corn seed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2003, 19(1): 99－103. (in Chinese with English abstract)

[17] 廖慶喜，高煥文．玉米水平圓盤精密排種器種子破損試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，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)

[18] 石林榕，吳建民，孫偉，等．基于離散單元法的水平圓盤式精量排種器排種仿真試驗[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(8)：40－48. Shi Linrong, Wu Jianmin, Sun Wei, et al. Simulation test for metering process of horizontal disc precision metering device based on discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(8): 40－48. (in Chinese with English abstract)

[19] 曹文，丁俊華，李再臣．機械式精密排種器的研究與設(shè)計[J]．農(nóng)機化研究，2009，31 (7)：142－145. Cao Wen, Ding Junhua, Li Zaichen. Research and design ofmechanical precision metering[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2009, 31 (7): 142－145. (in Chinese with English abstract)

[20] 王金武，唐漢，周文琪，等．指夾式精量玉米排種器改進設(shè)計與試驗[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，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 Agricultural Machinery, 2015, 46(9): 68－76. (in Chinese with English abstract)

[21] 鎮(zhèn)江農(nóng)業(yè)機械學(xué)院吉林工業(yè)大學(xué)合編．農(nóng)業(yè)機械理論及設(shè)計(上冊)[M]．北京：北京工業(yè)出版社，1961.

[22] 王峰霞．圓盤型孔式精密排種器的研究[D]．楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2014． Wang Fengxia. The Study on Disc-shaped Hole Precision Metering Mechanism[D]. Yangling: Northwest A&F University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[23] 張波屏．播種機械設(shè)計原理[M]．北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[24] 張德文．精密播種機械[M]．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1982.

[25] А.Б．盧里耶，А.?。窳_姆勃切夫斯基．農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計和計算[M]．袁佳平，汪裕安，顧永康，譯．北京：中國農(nóng)業(yè)機械出版社，1983．

[26] 全國農(nóng)業(yè)機械標準化技術(shù)委員會．單粒(精密)播種機試驗方法：GB/T 6973-2005[S]. 北京：中國標準出版社，2006．

[27] 徐中儒．回歸分析與試驗設(shè)計[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1998.

[28] 任露泉．試驗優(yōu)化設(shè)計與分析(第二版)[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[29] 全國農(nóng)業(yè)機械標準化技術(shù)委員會．單粒(精密)播種機技術(shù)條件：JB/T 10293-2001[S]．北京：機械科學(xué)研究院，2001．

[30] 王玉順．試驗設(shè)計與統(tǒng)計分析SAS實踐教程[M]．西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012．

[31] 林靜，劉艷芬，李寶筏．一種懸掛式免耕施肥播種機：ZL 2015 20639315.0[P]．2015-12-30．

Design and experiment of horizontal disc seed metering device for maize seeder

Liu Yanfen1,2, Lin Jing1※, Li Baofa1, Ma Tie1, Song Jianpeng1, Tian Yang1

(1.110866,;2.266109,)

Seed metering device as the core component of seeding machine, plays a vital role in seeding performance of a seeder. At present, most of the corn seeder in Northeast China use pneumatic seed metering device or finger-clamping metering device which is accurate but expensive, while horizontal disc seed metering device has the advantages of easy falling into the hole, simple structure and low price, but it’s not suitable for high seeding speed. To meet the precision seeding requirements under high speed conditions, the working principle of the metering device was analyzed. As corn accurate seeding requires uni-grain, i.e. into each hole only a seed, the state of the seed falling into the hole can only be side lying or side standing. By studying the shape and size of flat corn seeds used in Northeast China, longitudinal rectangular holes adequate for flat seeds were determined with specific size of 11 mm length, 6 mm width and 6 mm depth. Combined with stress analysis and kinematic analysis, a seed metering disc with inclination hole and small fillet chamfer, which was suitable for high working speed, was designed. Small fillet on the rear edge was bound to accelerate the speed of seeds falling into holes, so as to improve the filling rate of the holes. Front chamfer and side chamfer of the holes on seeding disc could effectively improve the relative speed of seeds, and it made the nearby seeds more stable and more efficient to fall into the holes. Inclination hole was a type of hole which was opposite to the rotation direction of the seed metering disc. When the seeds fell from the filling hole, the force at the vertical direction it suffered not only contained its own gravity, but also the component of vertical downward force given by the reverse slope of the inclined holes. The vertical force could ensure the seed to drop from the holes to the guide tube effectively. It changed the way of the traditional horizontal disc metering device relying solely on seed gravity free falling movement, and ensured the seeding process could be completed successfully. In order to improve the working performance and get the best performance parameters of the seed metering device, a quadratic orthogonal rotary composite experiment was designed. The seed metering device’s rotational speed, chamfer length and inclination angle of hole were taken as experimental factors, and the qualified index, the multiple index and the missing index were evaluated. The experiment was carried out on the JPS-12 seeding test bench. Using Design-expert 8.0.6 software, the mathematical models of experimental factors and test indices were established based on the experimental data obtained from the bench test. Response surface methodology (RSM) was used for multi-objective optimization of the regression equation. Test results showed that when the rotational speed of seed metering device was 33 r/min, the chamfer length was 7 mm and the inclination angle of hole was 61°, the qualified index was 92.47%, the multiple index was 3.56%, and the missing index was 3.97%. On this basis, field experiment was carried out to verify the working performance of the seed metering device and to test the adaptability of different corn seed varieties. Field validation test showed that when the seed metering device speed was 33 r/min, the line speed of seeding disc was 0.41 m/s, and the unit forward speed was 8.6 km/h, the seeding performance index could meet the agronomic requirements of precision seeding. It also proved that the seed metering device had a good adaptability for different corn varieties and a good seeding performance. The research provides a reference method for designing and analysis of mechanical precision seed metering device.

agricultural machinery; seeds; design; response surface methodology (RSM); horizontal disc seed metering device; parameters optimization; experiment; regression equation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.005

S233.2

A

1002-6819(2017)-08-0037-10

2016-07-20

2017-04-04

國家自然科學(xué)基金項目（51275318）；公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201503116-09）

劉艷芬，女，博士生，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，110866。Email：liu_yanfen@163.com

林 靜，女，遼寧昌圖人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機械化及智能化裝備研究。沈陽 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，110866。 Email：synydxlj69@163.com

劉艷芬，林 靜，李寶筏，馬 鐵，宋健鵬，田 陽.玉米播種機水平圓盤排種器型孔設(shè)計與試驗[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(8)：37－46. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.005 http://www.tcsae.org

Liu Yanfen, Lin Jing, Li Baofa, Ma Tie, Song Jianpeng, Tian Yang. Design and experiment of horizontal disc seed metering device for maize seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 37－46. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.005 http://www.tcsae.org