內充氣吹式玉米精量排種器設計與試驗

崔 濤，韓丹丹，殷小偉，李克鴻，肖荔荔，楊 麗，張東興

（中國農業大學工學院，北京 100083）

·農業裝備工程與機械化·

內充氣吹式玉米精量排種器設計與試驗

崔 濤，韓丹丹，殷小偉，李克鴻，肖荔荔，楊 麗，張東興※

（中國農業大學工學院，北京 100083）

針對內充機械氣力組合式排種器工作壓強范圍窄，排種器在工作壓強范圍外工作時，合格指數低的問題，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，設計了一種內充氣吹式排種器，對清種-壓種組合式氣嘴的傾角和安裝位置進行設計計算。對清種氣嘴的截面傾角進行流體仿真分析，并對不同類型的玉米種子在不同工作壓強下進行了排種器臺架試驗。結果表明：不同類型種子的合格指數呈現出大扁種子＞小扁種子＞小圓種子＞大圓種子的規律；工作壓強為4.5和5.0 kPa時，大扁種子和小扁種子的合格指數均達95%以上，該排種器適用于扁型種子的播種。

種子；農業機械；試驗；玉米；精量排種器；內充氣吹式

0 引 言

播種質量是影響玉米單產的重要因素之一，高性能的精量播種機是獲得優良播種質量的有效方式[1-3]。玉米機械化精量播種能節約良種、省去人工間苗、增加玉米產量、節本增收，近年來已成為玉米播種的主要發展方向。性能穩定可靠、能適應高速作業的精量排種器則是實現玉米機械化精量播種的關鍵部件。

目前，常用的玉米精量排種器按工作原理主要分為機械式、氣壓式、氣吸式和氣吹式4類[4]。機械式（如指夾式）排種器結構簡單、加工制造成本低，在低速作業時能夠實現精量播種，但在高速作業時，精確率低且種子機械破損率較高，一般作業速度不宜超過5 km/h[5-7]。氣吸式排種器結構復雜、對種子形狀適應性差，密封性要求極高，播玉米等非圓形種子時重播及漏播率較高、動力消耗大[8-10]；氣壓式排種器如中央集排式，由于排種速度較高，整機設備大，在國外高速精播大地塊應用廣泛[11-12]；氣吹式排種器單粒性好，對種子大小、形狀的適應性較強，對密封性要求較低，但清種時容易卡種，導致排種器無法正常工作[13-14]。

現有精密排種器按充種方式劃分主要有內充[15]、側充[16]、外充[17-18]、側充與外充相結合等方式，側充和外充均是依靠種子重力充種，當排種盤轉動時，種子所受的離心力對充種不利，而內充種能夠充分利用種子的重力和離心力，更有利于充種。

針對內充種優良的充填特性，馬連元等[19-21]分別設計了內側充種式垂直圓盤排種器，應用“填補空間”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，該類排種器比傳統的機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]設計了一種內充氣吹式油菜精量排種器，通過內充種實現單粒取種，通過氣流壓力卸種，通過平衡氣孔調節氣流壓力，可以提高排種器播種均勻性。楊善東等[23-24]設計了內充式側正壓玉米精量排種器，結構簡單，風機工作壓強為1.2 kPa、播種機作業速度為7.2 km/h，排種合格指數達到91.30%，能夠滿足實際作業要求，功耗較低。

劉佳等[25]設計了一種機械氣力組合式玉米精量排種器，該排種器適用的工作壓強范圍較窄，當工作壓強在0.7～1.6 kPa時，合格指數為95.41%～96.28%，當在田間工作時，由于工作壓強難以精確控制，且由于毛刷清種不可靠，高壓工作時，存在重播率較高的問題。

針對上述現象，為解決排種器充種過程中清種效果差，充種效果不佳的問題，本文設計了一種充種性能可靠，功耗低，結構簡單的內充氣吹式玉米精量排種器。該排種器利用機械內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，結合創新設計的清種-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，壓種氣嘴能夠有效地將種子壓附在型孔內，使種子具有良好的穩定性；采用半錐孔排種盤結構，實現種子在自身重力作用下投種，同時采用護種裝置，使得排種器在田間震動的工況下，表現出良好的防震動效果。

1 排種器的整體結構及工作原理

內充氣吹式玉米精量排種器主要由排種器底殼，排種盤，組合氣嘴，護種板組成，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有進種口和投種口，排種器的工作過程由 4個階段組成，分別為充種、清種壓種、護種以及投種過程。內充氣吹式玉米精量排種器結構如圖1所示。

圖1 內充氣吹式玉米精量排種器結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device

排種器工作時，風機通過塑料軟管與組合氣嘴上方2個進氣口相連，種子通過排種器底殼背面的輸種裝置到達進種口；排種盤按順時針方向旋轉，型孔到達充種區Ⅰ后，種子在自身重力和離心力的共同作用下填充進入其正下方或側下方的型孔內，通常會有2～3粒種子充填進入型孔，充種區域在型孔轉過進種口的左邊緣時結束，充種角度為50°。

隨著排種盤的轉動，充有種子的型孔進入清種區Ⅱ，由于排種盤型孔為半圓錐孔，將有一粒種子占據型孔底部形成完全充填狀態，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Ⅰ，壓種氣嘴相對均勻的氣流能夠將型孔內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的種子清出，清種及壓種區域在護種板處結束，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的轉動到達護種區Ⅲ，在護種板的托送、保護下，轉至投種口附近時，底殼對種子的支撐力消失，種子在自身重力作用下從型孔內下落，在排種區Ⅳ完成投種工作。排種盤繼續轉動，開始下一個排種過程。

2 排種器關鍵部件參數設計

2.1 排種盤及型孔參數設計

該排種器采用內充種的工作原理，排種盤的結構設計以玉米種子的形狀尺寸為基礎，以順利實現單粒排種為目的。其排種的實現主要依靠內側面外緣周向開有凹形型孔的排種盤，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貼合，組成完整型孔，以便充種。該排種盤結構有利于種子在充種區內沿底殼面順利下滑進入型孔，提高充種概率[26]。

排種盤型孔為底部開有小孔的半圓錐型孔，主要設計參數包括型孔深度H，型孔直徑D，型孔錐角θ，底孔直徑d，底孔高度h[13]等。

設計型孔時，型孔深度H應保證長度尺寸最大的玉米種子能夠進入型孔，在型孔寬度方向，玉米種子寬度最大值應小于型孔直徑D且大于底孔直徑d，如圖2所示，設計參數如下：

式中ε，ε＇為可靠性系數，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，扁粒種子長度方向最大值l1=14 mm，扁粒種子 b2位置以上的長度值 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。型孔錐角滿足以下關系

式中D2為氣嘴內徑，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 型孔設計計算模型Fig.2 Design calculation model of hole

針對半盤型結構，底孔的設計使其內、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粒較小種子同時被壓附的概率，且清種時，多余的種子不易清出，造成重播；泄氣量小，型孔內壓差小，對種子壓附力不足，清種時，種子易被吹出，造成漏播。該文取d=6 mm，底孔高度h=4 mm，實際開孔面積為14.14 mm2。

依據機械氣力組合式排種器排種盤的設計原則，充種時間與排種盤轉速有關，而排種盤直徑增大并不能增加型孔在充種區停留的時間[25]。因此排種盤直徑的確定應主要考慮錐孔的數目，同時兼顧排種器整體的結構需要。這里取排種盤直徑為250 mm，錐孔數目N=22。

2.2 組合氣嘴的設計

2.2.1 組合氣嘴清種傾角及位置的設計

該排種器采用氣吹式排種器的清種原理，利用氣嘴產生的高速氣流吹出型孔中的多余種子，胡樹榮等[13]通過探測氣吹式排種器型孔內的靜壓和速度分布，發現型孔內的多余種子是當型孔與氣嘴對過前后被吹出來的，而且當氣嘴開始全部對準型孔的瞬間時氣嘴清種作用最強。因此，針對內充氣吹式排種器，當清種氣嘴與結束充種過程的型孔左邊沿相切時，清種氣流能夠沿著型孔左側內壁平行進入型孔中，此時清種效果最佳。因此，本文只需計算出當清種氣嘴與型孔K左邊沿線AB相切時AB的斜率，即能得到清種氣嘴的傾角。

當某一時刻型孔K沿縱坐標OY方向順時針轉過角度α時，型孔K與清種氣嘴的相對位置如圖3a所示，對于型孔K，滿足以下幾何關系

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

OB與型孔K中心軸線OC的夾角為β滿足以下關系

代入各值，計算取整后得β=8°。

在直角三角形ΔOFA中，存在以下幾何關系

式中γ為型孔K中心線OC與線OA的夾角，(°)。

如圖3所示，A、B點坐標可分別表示為：

由式（13）、（14）可得到AB連線的斜率，即轉過α角的型孔K左邊沿AB的斜率為

式中α為型孔K中心線OC與縱坐標OY的夾角，(°)。

這里，清種開始的時間就是充種結束的時間，如圖3b所示，沿進種口左邊沿作連線，該連線的位置即為充種結束臨界位置，此時對應的角度即為α=45°，代入式（15）中，可以得到直線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 氣嘴傾角設計Fig.3 Design of nozzle inclination angle

排種盤內腔的空間厚度為25 mm，為了保證組合氣嘴不與排種盤產生干涉，該文選用外徑D1為20 mm，內徑D2為16 mm的PVC硬質塑料圓管。為了在有限的排種盤內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保證相切的關系，此時根據AB直線方程

當y=0，即可得清種氣嘴左邊沿與X軸的交點和Y軸之間的距離L，經計算取整后得L≈55 mm，由此我們可以得到清種氣嘴軸線與X軸交點到Y軸的距離l約為45 mm。

充入種子的型孔在經過清種氣嘴后將有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，針對清種-壓種組合氣嘴和清種氣嘴2種結構進行流體仿真，氣流運動跡線圖如圖4所示，當只有清種氣嘴時，氣流會分別流向清種氣嘴前后的型孔內，并在后側型孔內形成渦流，該渦流易將種子卷出型孔。因此，需在清種過程結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定且分布均勻的靜壓力用來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，種子越能穩定的轉動到護種區。壓種氣嘴的傾角采用與清種氣嘴平行并列的位置，結構參數與清種氣嘴相同。

圖4 不同氣嘴結構氣流跡線圖Fig.4 Air trajectories of different nozzle structures

2.2.2 清種氣嘴出口截面大小的設計

氣嘴出口截面的傾角和面積大小直接關系到氣流的流向、風速大小和型孔及周邊流線的分布，也決定了型孔內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對清種過程的影響，對清種過程中種子的受力情況進行分析。

當某一型孔剛結束充種過程進入清種階段，有一粒種子占據型孔底部，假設該種子上方存在一顆多余種子需要被清出，此時上部的種子在受自身重力G、型孔內壁對種子的支持力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時物體受到的阻力，其方向與流體流線方向一致。繞流阻力的計算式如下：

式中CD為繞流阻力系數；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 清種過程種子受力分析圖Fig.5 Analysis of force diagram during seed clearing process

由清種過程中種子的受力分析可知

式中f=μ·FN，μ為種子與排種盤型孔之間的滾動摩擦系數，取玉米種子與有機玻璃的滾動摩擦系數為0.0931[27]；J=m·ω2·OO＇，鄭單958玉米種子的單粒質量約為0.351g[4]，這里排種盤轉速取17.7 r/min，角速度ω=1.853 rad/s，對應前進速度為6 km/h；OO＇為排種盤圓心到上部種子重心的距離，假設種子距離底孔為一粒種子長度方向的最小值，約為8.2 mm，此時OO＇有最大值約為110 mm。計算后得到

隨著前進速度的增大，由以上各參數間的關系可知，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速度，由此計算的清種氣嘴出口氣流速度是滿足清種條件的最低風速。在此條件下，該排種器在清種過程中，清種氣嘴出口氣流速度至少要大于11.7 m/s。考慮到流場中的氣流損失，在不增加進氣口工作壓強的條件下，需改變氣流出口方式來進一步滿足清種要求。

忽略清種氣嘴進出口間氣流損失時，氣流流量滿足式（19）。

式中Qin為氣嘴進口處流量，m3/s；vin為氣嘴進口處氣流速度，m/s；Sin為氣嘴進口處面積，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，可以通過減小出口面積的方式得以實現。本文將出口面積減小為總截面積的1/3，采用KANOMAX熱球式壓力風速計（檢測精度為±0.01 kPa，正壓最大值5 kPa）測量出口處的風速值由原來的1/3，采用壓力風速儀測量出口處的風速值由原來的18 m/s變為40 m/s，足以滿足氣流速度對清種的要求。

2.2.3 清種氣嘴出口截面傾角的設計

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。為探明清種氣嘴出口截面傾角對氣流的流向及型孔內壓差的影響，清種氣嘴傾角的計算采用流體仿真的方式來確定，設計截面傾角λ分別為90°、75°、60°、45°和30°的清種氣嘴進行仿真試驗。

當工作壓強為3 kPa時，用壓力風速計測量氣嘴進口處風速約為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，當氣嘴截面傾角為90°時，清種氣嘴出口處會有部分高速氣流流向后方的型孔內，從而影響壓種氣嘴壓附種子的能力，導致該型孔內保留的單粒種子再次被卷出型孔外；當氣嘴截面傾角較小為30°時，如圖6b所示，氣嘴出口處的氣流已不再產生向后側流動的氣流分支，而是集中流向與氣嘴相對應的型孔內；而且小傾角的清種氣嘴在整個腔室內所產生的高速氣流區域遠大于90°傾角氣嘴，結合圖4b，氣流在完成清種過程后，在充種區所形成的從下往上流動的回流可知，充種區內，高速氣流區域越大，越易于將腔室內的種群攪動，種群的運動有利于充種過程的實現。

通過探測與清種氣嘴相對應的型孔上部和下部M、N 2點的壓力值，并計算上下2點的壓差，結果如表1所示，隨著氣嘴出口截面傾角λ的減小，孔內部產生的壓差值呈增大趨勢，其中當氣嘴截面傾角為45°時，型孔內的壓差值最大，由于本文設計的排種器采用的是壓力附種的原理，當壓差越大時，越有利于清種并壓附剩余的單粒種子，結合以上各因素，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型孔產生的壓差值Table 1 Pressure difference of different outlet section inclination angles of cleaning nozzles on hole

3 排種器性能試驗

試驗在JPS-12型排種器性能檢測試驗臺上進行，試驗種子為河南省農科院種業有限公司生產的秋樂牌鄭單958玉米雜交種，籽粒黃色，半馬齒型，千粒質量 351 g，含水率12.5%，未分級[25]。根據GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[29]的規定，試驗指標包括合格指數（qualified index）：Q'=n1/N'×100%；重播指數（replay index）：R'=n2/N'×100%；漏播指數（leakage index）：L'=n3/N'×100%和變異系數V（variation coefficient）。其中n1為單粒排種數；n2是2粒以上排種數；n3則為漏排種數；N'是理論排種數。

3.1 工作壓強對排種性能的影響

本文試驗旨在測試內充氣吹式排種器的工作性能，首先分析工作壓強對排種器工作性能的影響，設計單因素試驗，前進速度取8 km/h，對應排種盤轉速為23.6 r/min，工作壓強范圍為5.0～7.0 kPa，間隔0.5 kPa取一水平，每組試驗重復3次，每次試驗測定250粒種子，按照GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[29]進行統計，取均值作為試驗結果，各次試驗數據匯總得內充氣吹式玉米精密排種器播種指標如表2所示。

表2 工作壓強單因素試驗結果Table 2 Results of single factor experiments of pressure

隨著工作壓強的升高，漏播指數呈現上升趨勢，重播指數比較穩定，前后差異在1%左右，由于漏播指數的增加，合格指數呈現先上升后下降的趨勢。整體上，該排種器在各工作壓強下的合格指數均能達到86.58%以上，為了探明種子形狀對播種效果的影響，對玉米種子進行分級后繼續試驗。

3.2 種子分級與工作壓強對排種性能的影響

為進一步研究排種器的工作性能，對排種器進行不同等級玉米種子的工作壓強單因素試驗，以探究玉米種子類型對排種器播種性能的影響。劉佳等對玉米種子分級處理對氣力式精量排種器播種效果的影響進行了研究，研究表明種子分級對氣吹式排種器的合格指數影響顯著[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，對玉米種子進行分級處理。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6 mm×10 mm的矩形孔[31]分為大小2級，而圓形種子則按照能否通過孔徑為8 mm的圓形孔[32]分為大小2級，種子分級效果如圖7所示。

圖7 種子分級后外觀Fig.7 Appearance of seed grading

試驗的工作壓強范圍取4.0～8.0 kPa，前進速度取8 km/h，對應排種盤轉速為23.6 r/min，間隔0.5 kPa取1個水平，每一水平測量250個粒距，每個水平試驗重復3次取均值。具體試驗結果如表3所示。

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

試驗表明：分級后的玉米種子的播種效果明顯優于未分級的種子，可見種子形狀類型對于內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均在2%以下，重播指數在工作壓強為5.5 kPa以上時均小于3.5%，合格指數在5.0 kPa以上時均能達到95%以上。而圓粒種子相比扁平粒種子，其排種質量不夠理想，圓粒種子的重播指數普遍高于扁粒種子，對于大圓粒種子，工作壓強大于6.0 kPa時，才能保證重播指數在3%以下，小圓粒種子需要工作壓強大于7.0 kPa時才能達到相同的工作性能；大圓粒種子的漏播指數均在 4%以上，小圓粒種子在工作壓強小于6.0 kPa時漏播指數才基本低于2%。隨著工作壓強的升高，漏播指數升高并超過2%；當工作壓強大于5.5 kPa時，圓粒種子的合格指數才達到90%以上，且小圓粒種子在工作壓強達7.5 kPa時合格指數能夠達到95%以上。

相同工作壓強下，種子的合格指數基本上呈現大扁＞小扁＞小圓＞大圓種子的規律，說明大扁粒種子的排種效果最為理想，在工作壓強4.5 kPa時就能保證合格指數達95%以上，小扁種子在工作壓強5.0 kPa時也能保證同樣的要求，試驗結果表明，該排種器適應于扁平類種子，尤其適用于扁平大粒玉米種子。

3.3 前進速度對排種性能的影響

根據表3不同種子類型的播種性能隨工作壓力變化情況，選取扁粒種子進行排種盤轉速的單因素試驗，將工作壓力固定在8.0 kPa，試驗選取排種盤轉速范圍17.7～35.5 r/min，對應前進速度為6 ～12 km/h，間隔1 km/h取一水平，每個水平測量250個粒距，重復3次試驗取均值，試驗結果如表4所示。

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

隨著前進速度的提高，種子充填質量下降，導致排種器的重播指數逐漸減小，漏播指數逐漸上升，合格指數呈下降趨勢，當排種器前進速度低于10 km/h時，作業效果較優。

JB/T 10293-2001《單粒（精密）播種機技術條件》中要求精密播種機播種粒距在 200～300 mm時，粒距合格指數應大于或等于80%，重播指數小于或等于15%，漏播指數小于或等于8%，合格粒距變異系數小于或等于30%[33]。分級后種子試驗結果中的數據均遠高于此標準，表明該排種器能夠達到較高的精密播種質量，具有較好的工作性能。

3.4 播種過程高速攝影分析

為探究該排種器適應于扁粒種子的原因，采用高速攝影對扁粒種子和圓粒種子的工作過程進行高速攝影觀察，如圖8所示。

由于圓粒種子較扁粒種子厚，排種盤在充種時，圓粒種子受垂直方向排種盤尺寸的限制，易形成2粒或3粒種子并排卡在型孔內的現象，清種氣嘴無法將并排卡在型孔內的種子清出，易形成重播；當有一粒圓粒種子占據型孔底部位置時，同樣受垂直方向排種盤尺寸的限制，使得占優勢的種子并沒有處在緊挨底孔的位置，而是高于底孔一段距離，對底孔封閉不嚴而產生較大的氣流泄流現象使種子受力狀態不穩定，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，能夠與半盤結構相適應，一旦在充種區進入型孔底部就能保證其單粒性，故有很好的排種效果。

圖8 充種及清種過程和種子重漏播形成過程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時的氣流速度云圖，通過探測種子上部及下部U、V兩點的壓強值，其對種子產生的壓差值分別為3 163.9和484.4 Pa，氣流對扁粒種子產生的壓差值明顯高于圓粒種子，氣流對扁粒種子也會產生較大的壓附力，比圓粒種子更易將其壓附在型孔底部，從而也進一步解釋了該排種器對扁粒種子播種效果優于圓粒種子。

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

4 結 論

1）內充氣吹式排種器采用半盤結構的排種盤，通過與底殼形成的半圓錐體窩眼便于各類種子靠自重充種和清種，適應性好、傷種率低。

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

3）內充氣吹式排種器對不分級種子的播種效果并非最佳，而對扁型種子的播種效果最好。當工作壓強分別為4.5和5.0 kPa時，大扁粒種子和小扁粒種子的合格指數均達到了95%以上，效果明顯；當排種器作業速度低于10 km/h時，大扁和小扁粒種子的作業效果均較好。

[1] 張澤平，馬成林，左春檉．精播排種器及排種理論研究進展[J]．吉林工業大學學報，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，等．傾斜圓盤勺式玉米精密排種器的試驗研究[J]．農業機械學報，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] 李國林，宋煒，毛俐，等．國內外幾種主要排種器的特點[J]．農業科技與裝備，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. 機械氣力組合式精量排種器設計研究[D]．北京：中國農業大學，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，錢簡可．指夾式玉米精密播種排種器[J]．農業機械學報，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．玉米水平圓盤精密排種器種子破損試驗[J]．農業機械學報，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)

[7] 王金武，唐漢，周文琪，等．指夾式精量玉米排種器改進設計與試驗[J]．農業機械學報，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 AgriculturalMachinery,2015,46(9):68－76.(in Chinese with English abstract)

[8] 劉文忠，趙滿全，王文明，等．氣吸式排種裝置排種性能理論分析與試驗[J]．農業工程學報，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．氣吸式精量播種機簡述[J]．農業裝備與車輛工程，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] 陳學庚，鐘陸明．氣吸式排種器帶式導種裝置的設計與試驗[J]．農業工程學報，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計與試驗[J]．農業工程學報，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計與性能試驗[J]．農業工程學報，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] 胡樹榮，馬成林，李慧珍，等．氣吹式排種器錐孔的結構參數對排種質量影響的研究[J]．農業機械學報，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研究[J]．農業工程學報，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，于建群，張尉林，等．內充式排種器工作過程和性能的離散元法仿真分析[J]．農業工程學報，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] 張國忠，張沙沙，楊文平，等．雙腔側充種式水稻精量穴播排種器的設計與試驗[J]．農業工程學報，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．氣力輪式排種器動壓充種機理及試驗研究[J]．農業機械學報，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]．農業機械學報，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．內側充種垂直圓盤排種器的結構、原理和應用[J]．農業機械學報，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，尚書旗，等．花生播種機內側充種式排種器的性能試驗[J]．農業工程學報，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．計算機模擬內側充種垂直圓盤排種器充種過程[J]．農業機械學報，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．內充氣吹式油菜精量排種器氣室流場仿真與試驗[J]. 農業機械學報，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.側正壓玉米排種器的設計與試驗[J]. 農業工程學報，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，等. 側正壓玉米排種器流場模擬與試驗[J]. 農業機械學報，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．機械氣力組合式玉米精密排種器[J]．農業機械學報，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．機械式精密排種器關鍵技術研究[D]．南京：京農業大學，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摩擦特性試驗與仿真[J]．農業工程學報，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[M]．北京：高等教育出版社，2003．

[29] 全國農業機械標準化技術委員會．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，2005:1．

[30] 劉佳，崔濤，張東興，等．玉米種子分級處理對氣力式精量排種器播種效果的影響[J]．農業工程學報，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] 全國篩網篩分和顆粒分檢方法標準化技術委員會．工業用篩板板厚＜3 mm的圓孔和方孔篩板：GB/T10612-2003 [S]．北京：中國標準出版社，2003：1．

[32] 全國篩網篩分和顆粒分檢方法標準化技術委員會．長圓孔、長方孔和圓孔篩板：GB/T 12620－2008[S]．北京：中國標準出版社，2008：1．

[33] 全國農業機械標準化技術委員會．單粒(精密)播種機技術條件：JB/T 10293-2001[S]．北京：機械科學研究院，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. 內充氣吹式玉米精量排種器設計與試驗[J]. 農業工程學報，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

中央高校基本科研業務費專項資金資助（2014XJ011）；國家自然科學基金資助項目（51375483）；國家自然科學基金資助項目（51575515）；農業部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室資助項目

崔 濤，男，河南鄭州人，講師，主要從事農業機械裝備與計算機測控研究。北京 中國農業大學工學院，100083。

Email：cuitao850919@163.com

※通信作者：張東興，男，河北衡水人，教授，博士生導師，主要從事農業機械裝備與計算機測控研究。北京 中國農業大學工學院，100083。Email：zhangdx@cau.edu.cn