陳美舟，刁培松，張銀平，高琪珉，楊 壯，姚文燕

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大豆窄行密植播種機(jī)單盤雙行氣吸式排種器設(shè)計(jì)

陳美舟，刁培松※，張銀平，高琪珉，楊 壯，姚文燕

（山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，淄博 255000）

為滿足大豆窄行密植播種作業(yè)要求，解決傳統(tǒng)大豆播種機(jī)窄行密植行距過大，不易調(diào)節(jié)，排種性能差等問題，設(shè)計(jì)了一種單盤雙行氣吸式排種器，闡述了其基本結(jié)構(gòu)與工作原理，并對(duì)工作過程及關(guān)鍵部件進(jìn)行了理論分析，確定了影響排種性能的主要因素，利用搭建的單盤雙行氣吸式排種器試驗(yàn)裝置進(jìn)行單因素試驗(yàn)，得到排種性能較好情況時(shí)負(fù)壓真空度、排種盤轉(zhuǎn)速以及單圈吸種孔數(shù)的合理變化范圍。以負(fù)壓真空度、排種盤轉(zhuǎn)速和單圈吸種孔數(shù)為試驗(yàn)因素，以合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行3因素3水平正交試驗(yàn)。結(jié)果表明：對(duì)合格指數(shù)、漏播指數(shù)和重播指數(shù)各指標(biāo)影響最顯著的因素分別為排種盤轉(zhuǎn)速、負(fù)壓真空度、負(fù)壓真空度；當(dāng)參數(shù)組合為單圈吸種孔數(shù)64孔、排種盤轉(zhuǎn)速18 r/min、負(fù)壓真空度5 kPa時(shí)，內(nèi)圈合格指數(shù)為98.45%，重播指數(shù)為0.72%，漏播指數(shù)為0.53%；外圈合格指數(shù)為97.82%，重播指數(shù)為0.63%，漏播指數(shù)為1.35%，對(duì)該因素組合進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，各指標(biāo)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求。該文設(shè)計(jì)的單盤雙行氣吸式排種器實(shí)現(xiàn)了播種單體120 mm窄行密植播種，排種性能好，為黃淮海地區(qū)大豆密植播種機(jī)的研發(fā)提供參考。

機(jī)械化；設(shè)計(jì)；農(nóng)作物；大豆排種器；單盤雙行；窄行密植；氣吸式

0 引 言

大豆“窄行密植”是目前國(guó)際上大豆栽培應(yīng)用面積較大，發(fā)展較快的一項(xiàng)先進(jìn)的栽培技術(shù)[1-3]。實(shí)踐證明，這種栽培技術(shù)一般可比常規(guī)壟作栽培增產(chǎn)15%以上[4]。但中國(guó)對(duì)于大豆窄行密植播種機(jī)的研究多以東北黑土地壟作種植模式為主，針對(duì)黃淮海地區(qū)大豆窄行密植模式應(yīng)用和專用配套機(jī)型的研究較少[5-6]?，F(xiàn)有窄行大豆播種機(jī)主要通過調(diào)節(jié)左右單體行距和前后交錯(cuò)配置播種單體實(shí)現(xiàn)窄行播種，播種行距通常在200 mm以上[7]，受制于自身復(fù)雜結(jié)構(gòu)和窄行距播種易擁堵的問題，2種形式均難以達(dá)到黃淮海地區(qū)120 mm播種行距的要求。因此，研究一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且適用于120 mm窄行距播種要求的大豆排種器具有重要的價(jià)值。

國(guó)外很早就開展了大豆“密植”模式的研究，20世紀(jì)70年代初美國(guó)的Cooper[8]提出了大豆高產(chǎn)“SSS”模式，通過減少相鄰行間大豆種植的行距，以實(shí)現(xiàn)大豆增產(chǎn)的窄行密植栽培方法。Cooper[9]研究發(fā)現(xiàn)，播種行距降低到18 cm時(shí)，較傳統(tǒng)78 cm行距種植時(shí)能增產(chǎn)45%。國(guó)內(nèi)對(duì)于大豆密植增產(chǎn)技術(shù)的研究起步較晚，苗保河[10]對(duì)大豆波浪冠層栽培模式增產(chǎn)增效的機(jī)理進(jìn)行了研究，并在波浪栽培模式基礎(chǔ)上提出了寬窄行密植模式。目前，中國(guó)窄行密植模式主要針對(duì)東北地區(qū)，黃淮海和長(zhǎng)江流域多為等寬行播種[11]，這主要受制于當(dāng)?shù)卮蠖共シN機(jī)多為玉米、大豆通用機(jī)型，以及農(nóng)民傳統(tǒng)種植觀念的影響[12]。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的大型精密窄行密植播種機(jī)發(fā)展極為成熟，如馬斯奇奧公司生產(chǎn)的MT-12型氣吸式精密播種機(jī)即可通過調(diào)節(jié)相鄰播種單體的間距實(shí)現(xiàn)寬窄行密植播種，播種單體間距最小可達(dá)25 cm[13]。國(guó)外的大豆播種機(jī)雖然很先進(jìn)，但其體積龐大，價(jià)格昂貴，并不適合中國(guó)的種植模式與現(xiàn)狀。

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)大豆密植播種機(jī)械的研究也不斷深入，李杞超等[14]針對(duì)研究發(fā)現(xiàn)的東北地區(qū)種植密度27～35萬株/hm2高產(chǎn)模型，提出播種單體前后交錯(cuò)排列以實(shí)現(xiàn)窄行播種的設(shè)計(jì)方案。陳立東等[15]研制了一種雙條式氣吸式排種器，采用吸氣側(cè)傳動(dòng)，同時(shí)與衩形導(dǎo)種管配合使用實(shí)現(xiàn)精密排種。國(guó)內(nèi)對(duì)于其他作物種子的密植排種器也有研究，康建明等[16]研制的超窄行棉花精量排種器盡管能實(shí)現(xiàn)40 mm最小行距的變化，但采用的是在并列的2個(gè)排種器之間安裝同步器的方法，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易調(diào)節(jié)，且可靠性差。

現(xiàn)有的大豆排種器并不能滿足黃淮海地區(qū)120 mm窄行密植的播種要求，因此，本文設(shè)計(jì)了一種單盤雙行氣吸式排種器，該排種器的單個(gè)排種盤上有內(nèi)、外雙圈吸種孔，通過與安裝在排種器下方的分種器配合使用可實(shí)現(xiàn)播種單體120 mm窄行距密植播種，克服了傳統(tǒng)的通過調(diào)節(jié)左右單體行距和前后交錯(cuò)配置播種單體實(shí)現(xiàn)窄行播種的局限，大大縮小了窄行行距，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了空間，另外通過不同角度分種器的使用可實(shí)現(xiàn)行距的變化，排種性能穩(wěn)定，提高了大豆播種機(jī)窄行密植的適應(yīng)性。

1 大豆窄行密植增產(chǎn)模式

為了達(dá)到增產(chǎn)增收的目的，黃淮海地區(qū)采用寬窄行密植平播栽培模式，即以窄行行距120 mm，寬行行距380 mm，交替排列，如圖1所示。這種栽培模式優(yōu)化了植株布局，寬窄行交替使得寬行行間距大，通風(fēng)性能和透光效果好，提高植株中下部的光合作用；窄行行間距小，大豆植株密度大，增大了大豆冠層光合作用面積，進(jìn)而提高大豆產(chǎn)量[17-19]。

圖1 “120 mm+380 mm”窄行密植模式

2 單盤雙行氣吸式排種器設(shè)計(jì)

2.1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖2所示，單盤雙行氣吸式排種器主要由儲(chǔ)種箱、殼體、排種盤、密封件、種室、內(nèi)外清種器、吸氣室等組成，其中排種盤將排種器內(nèi)部腔體分隔為種室和吸氣室。該排種器的單個(gè)排種盤上有內(nèi)、外雙圈吸種孔，通過與安裝在排種器下方的分種器配合使用實(shí)現(xiàn)單個(gè)排種盤雙行排種。該方案能滿足120 mm窄行行距播種的農(nóng)藝要求，且僅需1次傳動(dòng)即可完成動(dòng)力傳輸。

排種器的工作過程包括內(nèi)外圈充種、清種、阻氣投種以及雙行排種過程，結(jié)構(gòu)如圖2所示。工作時(shí)，風(fēng)機(jī)通過塑料軟管與吸氣管相連，使得吸氣室形成負(fù)壓。種室與外界相通，種室為正常大氣壓環(huán)境。儲(chǔ)種箱內(nèi)的大豆種子落入排種盤的充種區(qū)，種子在負(fù)壓的作用下吸附到排種盤內(nèi)、外圈吸種孔上，完成內(nèi)、外圈充種。通過鏈傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)，種子隨排種盤到達(dá)清種區(qū)，當(dāng)發(fā)生1孔吸多粒的情況時(shí)，內(nèi)、外清種器可將多余的種子清除，避免重播。隨后，被吸附的種子在持續(xù)負(fù)壓的作用下到達(dá)投種區(qū)，吸氣室一側(cè)的堵氣板先后堵住單個(gè)外、內(nèi)圈吸種孔，負(fù)壓消失，種子失去吸附力，在重力作用下被釋放。外、內(nèi)圈種子分別落入分種器左、右分種管內(nèi)，隨后落入種溝內(nèi)，完成單盤雙行的精確排種過程。

1. 分種器 2. 殼體 3. 儲(chǔ)種箱 4. 外清種器 5. 內(nèi)清種器 6. 吸氣管 7. 端蓋 8. 吸氣室 9. 密封件 10. 排種盤 11. 種室

2.2 各階段工作過程分析

根據(jù)排種時(shí)各區(qū)域的不同功能，將吸氣室劃分為充種區(qū)、清種區(qū)、送種區(qū)和外投種點(diǎn)4個(gè)區(qū)域，各區(qū)域角度如圖3所示。工作過程中，排種盤做低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[20-21]，吸氣室為等勢(shì)流場(chǎng)，內(nèi)部的各部分壓力相等。在等勢(shì)流場(chǎng)中，由伯努利方程可知整個(gè)流場(chǎng)壓力處處相等[22-23]。

圖3 排種器工作區(qū)域劃分

2.2.1 充種過程分析

在不考慮播種過程振動(dòng)的情況下，將大豆種子近似看作球體。充種過程中種子的受力分析如圖4所示。以外圈種子為質(zhì)點(diǎn)建立三維坐標(biāo)系，軸正向?yàn)榉N子離心力方向，軸正向?yàn)榭諝饧胺N子間摩擦阻力的方向，軸正向?yàn)榕欧N盤的法向量方向。

大豆種子在充種過程中受力平衡方程如下

由式（1）可知充種過程中種子在平面受到的約束力可表示為

注：G為種子重力，N；J為種子所受離心力，N；Ff為空氣及種子間摩擦阻力，N；Q為種子所受G、J、Ff的合力，N；T為吸種孔對(duì)種子的支持力，N；Tx、Ty、Tz分別為T在x、y、z軸上的分力，N；Txy為Tx和Ty的合力，N；Fp為種子所受吸附力，N；ω為排種盤角速度，rad·s-1；O為排種盤中心；θ為種子重心與排種盤中心的連線與豎直方向的夾角，(°)；β為重力與y軸的夾角，(°)；r為排種盤半徑，m；r0為外圈吸種孔所在圓周半徑，m；D為種子直徑，m；a為吸種作用點(diǎn)到吸種孔軸線的距離，m；b為吸種作用點(diǎn)到合力Q的距離，m；d為吸種孔直徑，m；α為吸種孔錐角，(°)。

吸種孔處種子受力平衡，則

因此，吸種孔處的負(fù)壓真空度的臨界值為

式中為充種過程中種子可以被吸取的理論負(fù)壓真空度，kPa；為吸種孔上種子受力的面積，m2。實(shí)際作業(yè)中，種子受到空氣阻力、自身振動(dòng)及種子大小形狀不一致等外部因素的影響，且為了保證吸種可靠性，吸種過程中實(shí)際最小負(fù)壓真空度0min應(yīng)為

式中1為外部條件系數(shù)，即為影響種子吸種過程空氣阻力、外部振動(dòng)等因素的外部影響系數(shù)，1一般為1.8～2，取1=1.8；2為吸種可靠性系數(shù)，為彌補(bǔ)種子大小形狀及種間碰撞等因素造成計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差，2一般為1.8～2，取2=2[24]。

由式（5）可知，充種過程中，吸氣室所需負(fù)壓真空度與吸種孔錐角、種子的線速度（由排種器轉(zhuǎn)速和吸種孔分布半徑?jīng)Q定）、種子的理化性質(zhì)等因素有關(guān)。

2.2.2 送種過程分析

送種區(qū)環(huán)境相對(duì)平穩(wěn)，吸種孔處的種子隨排種盤轉(zhuǎn)動(dòng)作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，種子受力平穩(wěn)，少了種子之間的沖擊及架空現(xiàn)象的影響，可看作不受空氣阻力和其它摩擦力，此時(shí)F=0。由式（3）可知，在吸附面積不變的情況下，送種過程中所需實(shí)際最小負(fù)壓真空度1min為

此時(shí)，+=90°。綜上可以看出，在均勻流場(chǎng)中，充種區(qū)所需的最小負(fù)壓真空度遠(yuǎn)大于送種區(qū)，因此只要滿足充種區(qū)域的真空度要求，即可滿足送種需求。

2.2.3 投種過程分析

投種時(shí)，吸氣室對(duì)種子的吸附力消失，種子受到自身重力和空氣阻力的作用，以一定的初速度作拋物線運(yùn)動(dòng)，此時(shí)運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)較低，空氣阻力忽略不計(jì)。建立如圖5所示的平面直角坐標(biāo)系，對(duì)前后脫離吸種孔的外、內(nèi)圈的種子進(jìn)行投種運(yùn)動(dòng)分析。

由圖5可知，前后脫離外、內(nèi)圈吸種孔的種子落地后在水平方向的距離差為

其中，前后脫離外、內(nèi)圈的種子在離開排種盤時(shí)在水平方向的距離差D為

由式（7）和（8）可知，種子在脫離吸種后的運(yùn)動(dòng)軌跡與投種角度、吸種孔分布半徑、以及排種盤角速度等因素有關(guān)。因此，在投種位置選定時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮上述參數(shù)。

2.3 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.3.1 排種盤

通過對(duì)排種過程的分析，結(jié)合黃淮海地區(qū)作業(yè)環(huán)境及播種要求，設(shè)計(jì)排種盤由2 mm不銹鋼板沖壓而成，中心為邊長(zhǎng)16 mm的正六邊形的通孔，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

吸種孔直徑=0.64～0.66[25]，其中為大豆種子的平均寬度，中黃系列大豆種子的平均寬度為6.5 mm，故確定吸種孔直徑為4.5 mm。排種器理論株距設(shè)計(jì)為80 mm，結(jié)合排種盤大小，單圈吸種孔數(shù)范圍應(yīng)為40～72孔，吸種孔錐角=90°。

注：v為排種盤前進(jìn)速度，m·s-1；h為排種盤距離地面的高度，m；θ0、θ1分別為外、內(nèi)圈種子離開排種盤瞬間，排種盤中心與種子連線與水平面夾角，(°)；r1為內(nèi)圈吸種孔所在圓周半徑，m；v0、v1分別為外、內(nèi)圈種子離開排種盤的初速度，m·s-1；v0x、v0y分別外圈種子在水平和豎直方向的分速度，m/s；v1x、v1y分別內(nèi)圈種子在水平和豎直方向的分速度，m·s-1；β0、β1分別為外、內(nèi)圈種子的初速度v0、v1與豎直方向的夾角，(°)；H0y、H1y分別為外、內(nèi)圈種子離開排種盤時(shí)距離地面的高度，m；Lx為外、內(nèi)圈種子落地時(shí)在水平方向的距離差，m；L0、L1為外、內(nèi)圈種子落到地上的水平距離，m；DL為外、內(nèi)圈種子離開排種盤時(shí)在水平方向的距離差，m。

圖6 排種盤示意圖

靜止?fàn)顟B(tài)下種室內(nèi)的種子由于相互摩擦及碰撞不易吸附在吸種孔上，因此在排種盤上安裝攪種片式攪種裝置，該裝置在種室內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)種子形成沖擊作用，使種子呈現(xiàn)浮動(dòng)狀態(tài)，懸浮狀態(tài)下的種子易吸附在吸種孔上，有利于提高充種率。

2.3.2 組合式清種器

內(nèi)清種器清種位置位于內(nèi)、外圈吸種孔之間，靠近內(nèi)側(cè)，通過剛性沖擊，輔助外清種器清理位于內(nèi)、外圈吸種孔之間或內(nèi)圈吸種孔吸附的多余種子。外清種器為滑塊刮板式，通過調(diào)節(jié)清種間隙可適應(yīng)設(shè)計(jì)需求緩慢增加推力，避免外側(cè)種子沖擊刮落而影響內(nèi)圈種子正常吸種。外清種器可針對(duì)不同清種量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以4°為單次調(diào)節(jié)量，最多增加32°，滑塊刮板最大調(diào)節(jié)行程為20 mm，如圖7所示。

1. 調(diào)節(jié)桿 2. 上固定板 3. 導(dǎo)軌蓋板 4. 滑塊刮板 5. 連接桿 6. 轉(zhuǎn)軸 7.內(nèi)清種器

2.3.3 分種器

分種器需保證外圈投種點(diǎn)投出的種子進(jìn)入前側(cè)分種管，內(nèi)圈投種點(diǎn)投出的種子進(jìn)入后側(cè)導(dǎo)種管，從而形成雙行種子流。設(shè)計(jì)時(shí)要求不出現(xiàn)堵塞和斷流的現(xiàn)象，分流后的種子平穩(wěn)有序，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

注：λ為前側(cè)分種管與后側(cè)分種管的夾角，(°)；δ為后側(cè)分種管與豎直方向的夾角，(°)。

根據(jù)對(duì)投種過程的分析，確定投種點(diǎn)的位置，據(jù)此確定分種器的關(guān)鍵參數(shù)。分種器采用25 mm′15 mm的不銹鋼管及擋板等部件焊接折彎形成。大豆的自然休止角=23.5°～40°[26]，為保證種子的流通性能，前后分種管的分叉角應(yīng)滿足：

根據(jù)對(duì)不同品種大豆種子流通性能的預(yù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分叉角取100°時(shí)流動(dòng)性最好。

3 排種性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)對(duì)象及物理特性

大豆品種中黃13，千粒質(zhì)量230.4 g，自然休止角32.5°，長(zhǎng)軸平均直徑7.5 mm，短軸平均直徑6.6 mm。

3.2 試驗(yàn)條件與方法

為了考察單盤雙行氣吸式排種器的排種性能，搭建了單盤雙行氣吸式排種器試驗(yàn)臺(tái)，如圖9所示。試驗(yàn)在山東德農(nóng)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司進(jìn)行。

1. 機(jī)架 2. 輸送帶 3. 排種器 4. 吸氣裝置 5. 傳動(dòng)系統(tǒng) 6. 調(diào)速電機(jī)

為防止種子落到輸送帶上出現(xiàn)彈跳現(xiàn)象，設(shè)計(jì)分種器的排種口距離傳送帶30 mm。試驗(yàn)前檢測(cè)排種器吸氣室處氣壓，以避免負(fù)壓長(zhǎng)距離傳遞過程的壓力損失導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。輸送帶的調(diào)速范圍為0.19～3.8 m/s，即模擬播種機(jī)的前進(jìn)速度。

根據(jù)對(duì)排種過程的分析，負(fù)壓真空度、排種盤轉(zhuǎn)速和單圈吸種孔數(shù)對(duì)排種作業(yè)有較大影響，因此選擇三者為試驗(yàn)因素，進(jìn)一步分析各因素對(duì)排種性能的影響。

負(fù)壓真空度：合適的負(fù)壓真空度能保證種子被吸附而不發(fā)生一孔多種的情況，考慮到氣吸式大豆排種器的理想負(fù)壓為3 kPa[27]，該排種器采用的是單個(gè)排種盤上2圈排種孔，負(fù)壓要求更大，因此預(yù)試驗(yàn)即從3 kPa開始進(jìn)行的試驗(yàn)。經(jīng)預(yù)試驗(yàn)確定，負(fù)壓真空度取3、3.5、4、4.5、5、5.5、6 kPa。

排種盤轉(zhuǎn)速：根據(jù)預(yù)調(diào)節(jié)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，排種盤轉(zhuǎn)速低于6 r/min時(shí)，因攪種不充分會(huì)出現(xiàn)種子架空現(xiàn)象，而轉(zhuǎn)速超過24 r/min時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重漏播情況，綜合考慮，排種盤轉(zhuǎn)速重點(diǎn)考察6、9、12、15、18、21、24 r/min對(duì)排種性能的影響。

單圈吸種孔數(shù)：內(nèi)、外圈吸種孔分布半徑不變時(shí)，吸種孔數(shù)改變，相鄰種子間距離發(fā)生變化，對(duì)充種過程有影響。單圈吸種孔數(shù)可調(diào)范圍40～72孔，分別取40、48、56、64、72孔，因此需加工不同孔數(shù)排種盤。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

單盤雙行氣吸式排種器試驗(yàn)臺(tái)旨在考察排種器的排種性能，因此，根據(jù)《GB/T6973-2005單粒（精密）播種機(jī)試驗(yàn)方法》選擇漏播指數(shù)、重播指數(shù)、合格指數(shù)作為試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)[28]，公式如下

式中0為漏播數(shù)；1為重播數(shù)；2為合格數(shù)；為理論排種數(shù)。確定理論粒距為r，前進(jìn)方向相鄰種子的實(shí)際距離為，當(dāng)>1.5r為漏播，<0.5r為重播，0.5r<<1.5r時(shí)為合格[29]。每組試驗(yàn)重復(fù)5次，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同因素對(duì)內(nèi)、外圈排種性能的影響

圖10為吸氣室負(fù)壓真空度、排種盤轉(zhuǎn)速和單圈吸孔種數(shù)對(duì)排種性能的影響。圖10a顯示，負(fù)壓真空度對(duì)內(nèi)、外圈排種性能的趨勢(shì)相似，隨著負(fù)壓真空度的增加，合格指數(shù)先增加后減小，漏播指數(shù)逐漸減小，重播指數(shù)緩慢增加。負(fù)壓真空度較低時(shí)，吸氣室不足以吸取種子，充種率低造成漏播；隨著負(fù)壓真空度增加，排種性能提升并達(dá)到峰值，但負(fù)壓真空度過高時(shí)，過強(qiáng)的吸附力使吸種孔出現(xiàn)一孔多吸的現(xiàn)象，重播現(xiàn)象劇增，導(dǎo)致總體合格指數(shù)降低。排種器內(nèi)圈的合格指數(shù)總是略高于外圈，這是因?yàn)橥馊ξN孔分布半徑大，種子的線速度較大，產(chǎn)生的離心力較大，在充種區(qū)域內(nèi)種子，種子不易被吸住。負(fù)壓真空度在4.5～5.5 kPa范圍內(nèi)，排種器工作性能最好，在此范圍內(nèi)，內(nèi)、外圈合格指數(shù)均大于91%。

如圖10b所示，排種盤轉(zhuǎn)速對(duì)內(nèi)、外圈排種性能的趨勢(shì)相似，隨著排種盤轉(zhuǎn)速的增加，合格指數(shù)先增加后減小，漏播指數(shù)和重播指數(shù)變化趨勢(shì)較小。排種盤轉(zhuǎn)速較慢時(shí)，因攪種不充分易出現(xiàn)種子架空現(xiàn)象，種子不易吸附，易出現(xiàn)漏播，清種器在低速下對(duì)一孔多吸的種子沖刷較弱而產(chǎn)生重播現(xiàn)象；排種盤轉(zhuǎn)速較快時(shí)，經(jīng)過充種區(qū)域的時(shí)間減少，充種的成功率降低，因此漏播情況出現(xiàn)的幾率就會(huì)增加。排種盤轉(zhuǎn)速在15~21 r/min，排種器工作性能最佳，在此范圍內(nèi)內(nèi)、外圈合格指數(shù)均大于89%。

由10c可知，隨著吸種孔數(shù)的增加，內(nèi)、外圈的合格指數(shù)先增加后降低，64孔時(shí)達(dá)到峰值，此時(shí)播種性能較好，內(nèi)圈合格指數(shù)為98.34%，外圈合格指數(shù)為數(shù)97.65%。單圈吸種孔數(shù)較少時(shí)，其合格指數(shù)在90%以上，排種性能較好；吸種孔數(shù)過多時(shí)，由于吸種孔分布半徑不變，因此種子間距縮小，相鄰吸種孔上吸附的種子之間夾取種子，造成幾個(gè)吸種孔吸取一片種子的情況，形成種子群，重播情況增加，由于種子群的形成，清種器的沖擊沖刷在將多吸的種子除掉時(shí)，正常吸附的種子也被清掉，造成漏播情況出現(xiàn)。排種盤單圈吸種孔數(shù)在56、64、72孔時(shí)，排種器工作性能最好，在此范圍內(nèi)內(nèi)、外圈合格指數(shù)均大于95%。

注：圖10a中，排種盤轉(zhuǎn)速15 r·min-1，單圈吸種孔數(shù)56孔；圖10b中，負(fù)壓真空度5 kPa，單圈吸種孔數(shù)56孔；圖10c中，負(fù)壓真空度5 kPa，排種盤轉(zhuǎn)速15 r·min-1。

4.2 正交試驗(yàn)

通過分析負(fù)壓真空度、排種盤轉(zhuǎn)速、單圈吸種孔數(shù)對(duì)排種性能影響的單因素試驗(yàn)，得到排種性能較好情況時(shí)各因素的合理變化范圍：負(fù)壓真空度為4.5～5.5 kPa，排種盤轉(zhuǎn)速15～21 r/min，單圈吸種孔數(shù)56、64、72孔，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)3因素3水平正交試驗(yàn)，選擇正交表L9（34）進(jìn)行試驗(yàn)[30-31]，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，因素水平設(shè)計(jì)見表1，試驗(yàn)方案與結(jié)果見表1。

由表2可以看出，內(nèi)圈合格指數(shù)和重播指數(shù)普遍大于外圈合格指數(shù)，內(nèi)圈漏播指數(shù)小于外圈漏播指數(shù)。對(duì)于單排雙行氣吸式排種器而言，內(nèi)圈排種性能優(yōu)于外圈，這是因?yàn)橥馊ξN孔的分布直徑大于內(nèi)圈，相同的條件時(shí)，外圈吸種孔處種子線速度大，受到的離心力較大，種子不易吸附，造成外圈漏播指數(shù)比內(nèi)圈漏播指數(shù)大。表3為排種性能試驗(yàn)結(jié)果的極差分析。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

表2 排種性能試驗(yàn)結(jié)果

表3 排種性能試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由表3可知，影響試驗(yàn)合格指數(shù)的主次因素為、、，最優(yōu)組合為222；影響試驗(yàn)漏播指數(shù)的主次因素為、、，最優(yōu)組合為131；影響試驗(yàn)重播指數(shù)的主次因素為、、，最優(yōu)組合為333。本試驗(yàn)重點(diǎn)應(yīng)考慮合格指數(shù)，因此確定最優(yōu)組合為222。在該組合下進(jìn)行試驗(yàn)，重復(fù)5次取平均值，結(jié)果得單圈吸種孔數(shù)64孔，排種盤轉(zhuǎn)速18 r/min，負(fù)壓真空度5 kPa。此時(shí)，內(nèi)圈合格指數(shù)為98.45%，重播指數(shù)為0.72%，漏播指數(shù)為0.53%；外圈合格指數(shù)為97.82%，重播指數(shù)為0.63%，漏播指數(shù)為1.35%。各項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（100 mm<種子粒距120 mm≤200 mm時(shí)，合格指數(shù)≥75%，重播指數(shù)≤20%，漏播指數(shù)≤10%）[32]。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種大豆窄行密植播種機(jī)單盤雙行氣吸式排種器，采用內(nèi)、外雙圈吸種孔的單排種盤，通過與分種器配合使用，可實(shí)現(xiàn)播種單體120 mm窄行距密植播種，滿足黃淮海地區(qū)大豆寬窄行密植平播栽培模式。

通過分析吸氣室負(fù)壓真空度、排種盤轉(zhuǎn)速、單圈吸種孔數(shù)對(duì)排種性能影響的單因素試驗(yàn)，得到排種性能較好情況時(shí)各因素的合理變化范圍，得到排種性能較好情況時(shí)各因素的合理變化范圍：負(fù)壓真空度為4.5～5.5 kPa，排種盤轉(zhuǎn)速15～21 r/min，單圈吸種孔數(shù)56、64、72孔，且內(nèi)圈排種性能優(yōu)于外圈。

采用三因素三水平正交試驗(yàn)，確定影響合格指數(shù)的因素主次為：排種盤轉(zhuǎn)速>負(fù)壓真空度>單圈吸種孔數(shù)；影響漏播指數(shù)的因素主次為：負(fù)壓真空度>排種盤轉(zhuǎn)速>單圈吸種孔數(shù)；影響重播指數(shù)的因素主次為：負(fù)壓真空度>排種盤轉(zhuǎn)速>單圈吸種孔數(shù)。確定最佳參數(shù)組合；單圈吸種孔數(shù)64孔，排種盤轉(zhuǎn)速18 r/min，負(fù)壓真空度5 kPa，此時(shí)，內(nèi)圈合格指數(shù)為98.45%，重播指數(shù)為0.72%，漏播指數(shù)為0.53%，外圈合格指數(shù)為97.82%，重播指數(shù)為0.63%，漏播指數(shù)為1.35%。驗(yàn)證試驗(yàn)表明在此參數(shù)組合下，排種性能較好，各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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Design of pneumatic seed-metering device with single seed-metering plate for double-row in soybean narrow-row-dense-planting seeder

Chen Meizhou, Diao Peisong※, Zhang Yinping, Gao Qimin, Yang Zhuang, Yao Wenyan

(255000,)

Narrow-row-dense planting technology of soybean can generally increase production by more than 15% compared with conventional ridge cultivation. However, it has less research on this model and supporting equipment in the Huang-huai-hai area. At present, the traditional soybean planter has such problems as large sowing distance, poor seed-metering performance, poor stability of the device and complex structure. Due to the above problems, it’s difficult to meet the requirement of narrow-row-dense planting operation of soybean. Therefore, a novel design of a pneumatic seed-metering device with single seed-metering plate for double-row was presented, which could realize 120 mm narrow-row spacing sowing together with the distributor. Despite a large number of study of other seed-metering devices, this pneumatic seed-metering device with single seed-metering plate for double-row could overcome the traditional limitations of regulating the row spacing by adjusting spacing between left and right monomers or mounting the monomers front and after. In addition, the row spacing could be changed through the use of different angle distributor, which was impossible for other seed-metering devices. Its basic structure and working principle were analyzed. It could determine the influence factors of seed-metering performance through the mechanical and dynamic analysis of the movement of seeds in filling zone, carrying zone and outside throwing point. To verify the feasibility of 120 mm narrow-row spacing sowing, the test device of pneumatic seed-metering device was built, which included the conveyor belt, seed-metering device, suction belt and transmission system, and the whole structural working mechanism of the machine was introduced in detail in this research. Three parameters, i.e. negative pressure vacuum, seed-metering plate’s rotational speed and suction holes number of each lap were chosen as the influence factors of the test experiment. And the test index included leak seeding index, repeating sowing index and qualified index of inner and outer which could represent the seed-metering performance of the seed-metering device. Through the single factor experiment, the impacts of three factors were analyzed. Reasonable variation rage of various factors for better seed-metering performance was determined, while the negative pressure vacuum raged from 4.5 to 5.5 kPa, the seed-metering plate’s rotational speed raged from 15 to 21 r/min and the suction holes number of each lap was changed in 3 levels of 56, 64, 72 in turn. According to the single factor test results, three-factor and three-level orthogonal experiment was carried out. The results showed that the factors had significant influence on the seed-metering performance of the outer and inner, and the inner was always better than the outer. The order of influence factors on qualified index was seed-metering plate’s rotational speed, negative pressure vacuum and suction holes number of each lap; the order of influence factors on repeating sowing index was negative pressure vacuum, seed-metering plate’s rotational speed and suction holes number of each lap; the order of influence factors on leak seeding index was negative pressure vacuum, seed-metering plate’s rotational speed and suction holes number of each lap. The optimal conditions were as below: the suction holes number of each lap was 64, the seed-metering plate’s rotational speed was 18 r/min and the negative pressure vacuum was 5 kPa. Under the above conditions, the inner qualified index was 98.45%, the inner repeating sowing index was 0.72% and the inner leak seeding index was 0.53%. In addition, the outer qualified index was 97.82%, the outer repeating sowing index was 0.63%, and the leaking seeding index was 1.35%. The verification test showed that the seed-metering device had good performance and the test index was better than this given in industrial standard. This research provides a reference for the research and development of pneumatic seed-metering device for the soybean narrow-row and close planting seeder.

mechanization; design; crops; soybean seed-metering device; single seed-metering plate for double-row; narrow-row-dense planting; pneumatic

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.002

S223.2

A

1002-6819(2018)-21-0008-09

2018-07-02

2018-09-10

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助（2017YFD0700703-03）和山東省農(nóng)機(jī)裝備研發(fā)創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2017YF054）

陳美舟，博士生，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化體系及裝備研究。Email：chenfeng2830@163.com

刁培松，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事旱作農(nóng)業(yè)機(jī)械化體系及裝備研究。Email：dps2003@163.com

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