大豆窄行密植播種機單盤雙行氣吸式排種器設計

陳美舟，刁培松，張銀平，高琪珉，楊 壯，姚文燕

?

大豆窄行密植播種機單盤雙行氣吸式排種器設計

陳美舟，刁培松※，張銀平，高琪珉，楊 壯，姚文燕

（山東理工大學農業工程與食品科學學院，淄博 255000）

為滿足大豆窄行密植播種作業要求，解決傳統大豆播種機窄行密植行距過大，不易調節，排種性能差等問題，設計了一種單盤雙行氣吸式排種器，闡述了其基本結構與工作原理，并對工作過程及關鍵部件進行了理論分析，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裝置進行單因素試驗，得到排種性能較好情況時負壓真空度、排種盤轉速以及單圈吸種孔數的合理變化范圍。以負壓真空度、排種盤轉速和單圈吸種孔數為試驗因素，以合格指數、漏播指數和重播指數為指標進行3因素3水平正交試驗。結果表明：對合格指數、漏播指數和重播指數各指標影響最顯著的因素分別為排種盤轉速、負壓真空度、負壓真空度；當參數組合為單圈吸種孔數64孔、排種盤轉速18 r/min、負壓真空度5 kPa時，內圈合格指數為98.45%，重播指數為0.72%，漏播指數為0.53%；外圈合格指數為97.82%，重播指數為0.63%，漏播指數為1.35%，對該因素組合進行試驗驗證，各指標優于行業標準要求。該文設計的單盤雙行氣吸式排種器實現了播種單體120 mm窄行密植播種，排種性能好，為黃淮海地區大豆密植播種機的研發提供參考。

機械化；設計；農作物；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”是目前國際上大豆栽培應用面積較大，發展較快的一項先進的栽培技術[1-3]。實踐證明，這種栽培技術一般可比常規壟作栽培增產15%以上[4]。但中國對于大豆窄行密植播種機的研究多以東北黑土地壟作種植模式為主，針對黃淮海地區大豆窄行密植模式應用和專用配套機型的研究較少[5-6]?，F有窄行大豆播種機主要通過調節左右單體行距和前后交錯配置播種單體實現窄行播種，播種行距通常在200 mm以上[7]，受制于自身復雜結構和窄行距播種易擁堵的問題，2種形式均難以達到黃淮海地區120 mm播種行距的要求。因此，研究一種結構簡單且適用于120 mm窄行距播種要求的大豆排種器具有重要的價值。

國外很早就開展了大豆“密植”模式的研究，20世紀70年代初美國的Cooper[8]提出了大豆高產“SSS”模式，通過減少相鄰行間大豆種植的行距，以實現大豆增產的窄行密植栽培方法。Cooper[9]研究發現，播種行距降低到18 cm時，較傳統78 cm行距種植時能增產45%。國內對于大豆密植增產技術的研究起步較晚，苗保河[10]對大豆波浪冠層栽培模式增產增效的機理進行了研究，并在波浪栽培模式基礎上提出了寬窄行密植模式。目前，中國窄行密植模式主要針對東北地區，黃淮海和長江流域多為等寬行播種[11]，這主要受制于當地大豆播種機多為玉米、大豆通用機型，以及農民傳統種植觀念的影響[12]。歐美等發達國家的大型精密窄行密植播種機發展極為成熟，如馬斯奇奧公司生產的MT-12型氣吸式精密播種機即可通過調節相鄰播種單體的間距實現寬窄行密植播種，播種單體間距最小可達25 cm[13]。國外的大豆播種機雖然很先進，但其體積龐大，價格昂貴，并不適合中國的種植模式與現狀。

國內學者針對大豆密植播種機械的研究也不斷深入，李杞超等[14]針對研究發現的東北地區種植密度27～35萬株/hm2高產模型，提出播種單體前后交錯排列以實現窄行播種的設計方案。陳立東等[15]研制了一種雙條式氣吸式排種器，采用吸氣側傳動，同時與衩形導種管配合使用實現精密排種。國內對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現40 mm最小行距的變化，但采用的是在并列的2個排種器之間安裝同步器的方法，結構復雜，不易調節，且可靠性差。

現有的大豆排種器并不能滿足黃淮海地區120 mm窄行密植的播種要求，因此，本文設計了一種單盤雙行氣吸式排種器，該排種器的單個排種盤上有內、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現播種單體120 mm窄行距密植播種，克服了傳統的通過調節左右單體行距和前后交錯配置播種單體實現窄行播種的局限，大大縮小了窄行行距，且結構簡單，節省了空間，另外通過不同角度分種器的使用可實現行距的變化，排種性能穩定，提高了大豆播種機窄行密植的適應性。

1 大豆窄行密植增產模式

為了達到增產增收的目的，黃淮海地區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。這種栽培模式優化了植株布局，寬窄行交替使得寬行行間距大，通風性能和透光效果好，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，進而提高大豆產量[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計

2.1 排種器結構與工作原理

如圖2所示，單盤雙行氣吸式排種器主要由儲種箱、殼體、排種盤、密封件、種室、內外清種器、吸氣室等組成，其中排種盤將排種器內部腔體分隔為種室和吸氣室。該排種器的單個排種盤上有內、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現單個排種盤雙行排種。該方案能滿足120 mm窄行行距播種的農藝要求，且僅需1次傳動即可完成動力傳輸。

排種器的工作過程包括內外圈充種、清種、阻氣投種以及雙行排種過程，結構如圖2所示。工作時，風機通過塑料軟管與吸氣管相連，使得吸氣室形成負壓。種室與外界相通，種室為正常大氣壓環境。儲種箱內的大豆種子落入排種盤的充種區，種子在負壓的作用下吸附到排種盤內、外圈吸種孔上，完成內、外圈充種。通過鏈傳動驅動排種盤轉動，種子隨排種盤到達清種區，當發生1孔吸多粒的情況時，內、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負壓的作用下到達投種區，吸氣室一側的堵氣板先后堵住單個外、內圈吸種孔，負壓消失，種子失去吸附力，在重力作用下被釋放。外、內圈種子分別落入分種器左、右分種管內，隨后落入種溝內，完成單盤雙行的精確排種過程。

1. 分種器 2. 殼體 3. 儲種箱 4. 外清種器 5. 內清種器 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

根據排種時各區域的不同功能，將吸氣室劃分為充種區、清種區、送種區和外投種點4個區域，各區域角度如圖3所示。工作過程中，排種盤做低速旋轉運動[20-21]，吸氣室為等勢流場，內部的各部分壓力相等。在等勢流場中，由伯努利方程可知整個流場壓力處處相等[22-23]。

圖3 排種器工作區域劃分

2.2.1 充種過程分析

在不考慮播種過程振動的情況下，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。以外圈種子為質點建立三維坐標系，軸正向為種子離心力方向，軸正向為空氣及種子間摩擦阻力的方向，軸正向為排種盤的法向量方向。

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為吸種作用點到吸種孔軸線的距離，m；b為吸種作用點到合力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壓真空度，kPa；為吸種孔上種子受力的面積，m2。實際作業中，種子受到空氣阻力、自身振動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，吸種過程中實際最小負壓真空度0min應為

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

由式（5）可知，充種過程中，吸氣室所需負壓真空度與吸種孔錐角、種子的線速度（由排種器轉速和吸種孔分布半徑決定）、種子的理化性質等因素有關。

2.2.2 送種過程分析

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

此時，+=90°。綜上可以看出，在均勻流場中，充種區所需的最小負壓真空度遠大于送種區，因此只要滿足充種區域的真空度要求，即可滿足送種需求。

2.2.3 投種過程分析

投種時，吸氣室對種子的吸附力消失，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動，此時運動速度相對較低，空氣阻力忽略不計。建立如圖5所示的平面直角坐標系，對前后脫離吸種孔的外、內圈的種子進行投種運動分析。

由圖5可知，前后脫離外、內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、內圈的種子在離開排種盤時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動軌跡與投種角度、吸種孔分布半徑、以及排種盤角速度等因素有關。因此，在投種位置選定時，應重點考慮上述參數。

2.3 關鍵部件設計

2.3.1 排種盤

通過對排種過程的分析，結合黃淮海地區作業環境及播種要求，設計排種盤由2 mm不銹鋼板沖壓而成，中心為邊長16 mm的正六邊形的通孔，結構如圖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。排種器理論株距設計為80 mm，結合排種盤大小，單圈吸種孔數范圍應為40～72孔，吸種孔錐角=90°。

注：v為排種盤前進速度，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為內圈吸種孔所在圓周半徑，m；v0、v1分別為外、內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、內圈種子的初速度v0、v1與豎直方向的夾角，(°)；H0y、H1y分別為外、內圈種子離開排種盤時距離地面的高度，m；Lx為外、內圈種子落地時在水平方向的距離差，m；L0、L1為外、內圈種子落到地上的水平距離，m；DL為外、內圈種子離開排種盤時在水平方向的距離差，m。

圖6 排種盤示意圖

靜止狀態下種室內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，該裝置在種室內轉動對種子形成沖擊作用，使種子呈現浮動狀態，懸浮狀態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

內清種器清種位置位于內、外圈吸種孔之間，靠近內側，通過剛性沖擊，輔助外清種器清理位于內、外圈吸種孔之間或內圈吸種孔吸附的多余種子。外清種器為滑塊刮板式，通過調節清種間隙可適應設計需求緩慢增加推力，避免外側種子沖擊刮落而影響內圈種子正常吸種。外清種器可針對不同清種量進行調節，以4°為單次調節量，最多增加32°，滑塊刮板最大調節行程為20 mm，如圖7所示。

1. 調節桿 2. 上固定板 3. 導軌蓋板 4. 滑塊刮板 5. 連接桿 6. 轉軸 7.內清種器

2.3.3 分種器

分種器需保證外圈投種點投出的種子進入前側分種管，內圈投種點投出的種子進入后側導種管，從而形成雙行種子流。設計時要求不出現堵塞和斷流的現象，分流后的種子平穩有序，結構如圖8所示。

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

根據對投種過程的分析，確定投種點的位置，據此確定分種器的關鍵參數。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滿足：

根據對不同品種大豆種子流通性能的預試驗發現，分叉角取100°時流動性最好。

3 排種性能試驗

3.1 試驗對象及物理特性

大豆品種中黃13，千粒質量230.4 g，自然休止角32.5°，長軸平均直徑7.5 mm，短軸平均直徑6.6 mm。

3.2 試驗條件與方法

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臺，如圖9所示。試驗在山東德農農業機械有限公司進行。

1. 機架 2. 輸送帶 3. 排種器 4. 吸氣裝置 5. 傳動系統 6. 調速電機

為防止種子落到輸送帶上出現彈跳現象，設計分種器的排種口距離傳送帶30 mm。試驗前檢測排種器吸氣室處氣壓，以避免負壓長距離傳遞過程的壓力損失導致試驗數據不準確。輸送帶的調速范圍為0.19～3.8 m/s，即模擬播種機的前進速度。

根據對排種過程的分析，負壓真空度、排種盤轉速和單圈吸種孔數對排種作業有較大影響，因此選擇三者為試驗因素，進一步分析各因素對排種性能的影響。

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

排種盤轉速：根據預調節試驗發現，排種盤轉速低于6 r/min時，因攪種不充分會出現種子架空現象，而轉速超過24 r/min時，出現嚴重漏播情況，綜合考慮，排種盤轉速重點考察6、9、12、15、18、21、24 r/min對排種性能的影響。

單圈吸種孔數：內、外圈吸種孔分布半徑不變時，吸種孔數改變，相鄰種子間距離發生變化，對充種過程有影響。單圈吸種孔數可調范圍40～72孔，分別取40、48、56、64、72孔，因此需加工不同孔數排種盤。

3.3 評價指標

單盤雙行氣吸式排種器試驗臺旨在考察排種器的排種性能，因此，根據《GB/T6973-2005單粒（精密）播種機試驗方法》選擇漏播指數、重播指數、合格指數作為試驗評價指標[28]，公式如下

式中0為漏播數；1為重播數；2為合格數；為理論排種數。確定理論粒距為r，前進方向相鄰種子的實際距離為，當>1.5r為漏播，<0.5r為重播，0.5r<<1.5r時為合格[29]。每組試驗重復5次，取平均值作為試驗結果。

4 結果與分析

4.1 不同因素對內、外圈排種性能的影響

圖10為吸氣室負壓真空度、排種盤轉速和單圈吸孔種數對排種性能的影響。圖10a顯示，負壓真空度對內、外圈排種性能的趨勢相似，隨著負壓真空度的增加，合格指數先增加后減小，漏播指數逐漸減小，重播指數緩慢增加。負壓真空度較低時，吸氣室不足以吸取種子，充種率低造成漏播；隨著負壓真空度增加，排種性能提升并達到峰值，但負壓真空度過高時，過強的吸附力使吸種孔出現一孔多吸的現象，重播現象劇增，導致總體合格指數降低。排種器內圈的合格指數總是略高于外圈，這是因為外圈吸種孔分布半徑大，種子的線速度較大，產生的離心力較大，在充種區域內種子，種子不易被吸住。負壓真空度在4.5～5.5 kPa范圍內，排種器工作性能最好，在此范圍內，內、外圈合格指數均大于91%。

如圖10b所示，排種盤轉速對內、外圈排種性能的趨勢相似，隨著排種盤轉速的增加，合格指數先增加后減小，漏播指數和重播指數變化趨勢較小。排種盤轉速較慢時，因攪種不充分易出現種子架空現象，種子不易吸附，易出現漏播，清種器在低速下對一孔多吸的種子沖刷較弱而產生重播現象；排種盤轉速較快時，經過充種區域的時間減少，充種的成功率降低，因此漏播情況出現的幾率就會增加。排種盤轉速在15~21 r/min，排種器工作性能最佳，在此范圍內內、外圈合格指數均大于89%。

由10c可知，隨著吸種孔數的增加，內、外圈的合格指數先增加后降低，64孔時達到峰值，此時播種性能較好，內圈合格指數為98.34%，外圈合格指數為數97.65%。單圈吸種孔數較少時，其合格指數在90%以上，排種性能較好；吸種孔數過多時，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，正常吸附的種子也被清掉，造成漏播情況出現。排種盤單圈吸種孔數在56、64、72孔時，排種器工作性能最好，在此范圍內內、外圈合格指數均大于95%。

注：圖10a中，排種盤轉速15 r·min-1，單圈吸種孔數56孔；圖10b中，負壓真空度5 kPa，單圈吸種孔數56孔；圖10c中，負壓真空度5 kPa，排種盤轉速15 r·min-1。

4.2 正交試驗

通過分析負壓真空度、排種盤轉速、單圈吸種孔數對排種性能影響的單因素試驗，得到排種性能較好情況時各因素的合理變化范圍：負壓真空度為4.5～5.5 kPa，排種盤轉速15～21 r/min，單圈吸種孔數56、64、72孔，在此基礎上，設計3因素3水平正交試驗，選擇正交表L9（34）進行試驗[30-31]，每組試驗重復3次，因素水平設計見表1，試驗方案與結果見表1。

由表2可以看出，內圈合格指數和重播指數普遍大于外圈合格指數，內圈漏播指數小于外圈漏播指數。對于單排雙行氣吸式排種器而言，內圈排種性能優于外圈，這是因為外圈吸種孔的分布直徑大于內圈，相同的條件時，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，造成外圈漏播指數比內圈漏播指數大。表3為排種性能試驗結果的極差分析。

表1 正交試驗因素水平

表2 排種性能試驗結果

表3 排種性能試驗結果極差分析

由表3可知，影響試驗合格指數的主次因素為、、，最優組合為222；影響試驗漏播指數的主次因素為、、，最優組合為131；影響試驗重播指數的主次因素為、、，最優組合為333。本試驗重點應考慮合格指數，因此確定最優組合為222。在該組合下進行試驗，重復5次取平均值，結果得單圈吸種孔數64孔，排種盤轉速18 r/min，負壓真空度5 kPa。此時，內圈合格指數為98.45%，重播指數為0.72%，漏播指數為0.53%；外圈合格指數為97.82%，重播指數為0.63%，漏播指數為1.35%。各項指標遠優于行業標準（100 mm<種子粒距120 mm≤200 mm時，合格指數≥75%，重播指數≤20%，漏播指數≤10%）[32]。

5 結 論

本文設計了一種大豆窄行密植播種機單盤雙行氣吸式排種器，采用內、外雙圈吸種孔的單排種盤，通過與分種器配合使用，可實現播種單體120 mm窄行距密植播種，滿足黃淮海地區大豆寬窄行密植平播栽培模式。

通過分析吸氣室負壓真空度、排種盤轉速、單圈吸種孔數對排種性能影響的單因素試驗，得到排種性能較好情況時各因素的合理變化范圍，得到排種性能較好情況時各因素的合理變化范圍：負壓真空度為4.5～5.5 kPa，排種盤轉速15～21 r/min，單圈吸種孔數56、64、72孔，且內圈排種性能優于外圈。

采用三因素三水平正交試驗，確定影響合格指數的因素主次為：排種盤轉速>負壓真空度>單圈吸種孔數；影響漏播指數的因素主次為：負壓真空度>排種盤轉速>單圈吸種孔數；影響重播指數的因素主次為：負壓真空度>排種盤轉速>單圈吸種孔數。確定最佳參數組合；單圈吸種孔數64孔，排種盤轉速18 r/min，負壓真空度5 kPa，此時，內圈合格指數為98.45%，重播指數為0.72%，漏播指數為0.53%，外圈合格指數為97.82%，重播指數為0.63%，漏播指數為1.35%。驗證試驗表明在此參數組合下，排種性能較好，各項指標優于行業標準。

[1] 中國國家統計局. 中國統計年鑒2015[EB/OL]. [2014- 12-31] http: //www. stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2015/indexch.

[2] 姚巧倩，曹寶明. 中國大豆進出口量與大豆價格關系的分析[J]. 滁州學院學報，2015，17(1)：32－35. Yao Qiaoqian, Cao Baoming. Research on the price of soybean affected by its volumes of China’s export and import[J]. Journal of Chuzhou University, 2015, 17(1): 32－35. (in Chinese with English abstract)

[3] 丁喬，楊廣林，楊悅乾，等. 大豆窄行平播密植栽培模式及配套機器系統的研究[J]. 東北農業大學學報，2005，36(2)：222－224. Ding Qiao, Yang Guanglin, Yang Yueqian, et al. Research on narrow path horizontal seed close planting mode and whole mechanize production system of soybean[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2005, 36(2): 222－224. (in Chinese with English abstract)

[4] 張澤平，馬成林，王春檉. 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, Wang Chuncheng. The development of the seed-metering device for precision planter and its theoretical study[J]. Journal of Jilin University of Technology, 1995, 25(4): 112－117. (in Chinese with English abstract)

[5] 張兵，李丹，張寧. 黃淮海地區大豆主要種植模式及效益分析[J]. 大豆科學，2011，30(6)：987－992. Zhang Bing, Li Dan, Zhang Ning. Soybean planting patterns and benefit analysis of Huang-Huai-Hai region[J]. Soybean Science, 2011, 30(6): 987－992. (in Chinese with English abstract)

[6] Hwang E Y, Song Q, Jia G, et al. A genome-wide association study of seed protein and oil content in soybean[J]. Bmc Genomics, 2014, 15(1): 1－12.

[7] Zhou H B, Chen Y, Sadek M A. Modeling of soil-seed contact using the discrete element method(DEM)[J]. Biosystems Engineering, 2014, 121: 56－66.

[8] Cooper R L. Response of soybean cultivars to narrow rows and planting rates under weed-free conditions[J]. Agronomy Journal, 1977, 69(1): 89－92.

[9] Cooper R L. High-yield-system-in place(HYSIP) concept for soybean production[J]. Journal of Production Agriculture, 1990, 82(1): 59－64.

[10] 苗保河. 大豆波浪冠層栽培模式高產優質生理生態機制研究[D]. 泰安：山東農業大學，2007. Miao Baohe. Study on Physiological and Ecological Mechanism of High Yield and Quality of Waving-canopy Cultural Type in Soybean[D]. Tai’an: Shandong Agricultural University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[11] 陳玉龍，賈洪雷，王佳旭，等. 大豆高速精密播種機凸勺排種器設計與試驗[J]. 農業機械學報，2017，48(8)：95－104. Chen Yulong, Jia Honglei, Wa Jiaxu, et al. Design and experiment of scoop metering device for soybean high-speed and precision seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2017, 48(8): 95－104. (in Chinese with English abstract)

[12] 趙佳樂，賈洪雷，姜銘鑫，等. 大豆播種機偏置雙圓盤氣吸式排種器[J]. 農業機械學報，2013，44(8)：78－83. Zhao Jiale, Jia Honglei, Jiang Mingxin, et al. Suction type offset double disc seed metering device of soybean seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2013, 44(8): 78－83. (in Chinese with English abstract)

[13] 常金麗，張曉輝. 2BQ-10型氣流一階集排式排種系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，2011，27(1)：136－141. Chang Jinli, Zhang Xiaohui. Design and test of one-step centralized type pneumatic seeding system[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(1): 136－141. (in Chinese with English abstract)

[14] 李杞超，紀文義，趙宇，等. 2BZJ-12型大豆窄行平作精密播種機設計與性能試驗研究[J]. 東北農業大學學報，2013，44(5)：85－89. Li Qichao, Ji Wenyi, Zhao Yu, et al. Design and experimental of 2BZJ-12 type of using for narrow-row, flat planting and close seeder of soybean[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2013, 44(5): 85－89. (in Chinese with English abstract)

[15] 陳立東，何堤. 論精密排種器的現狀及發展方向[J]. 農機化研究，2006，28(4)：16－18. Chen Lidong, He Di. Discussion on the current situation of the planting device and developing direction[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2006,28(4): 16－18. (in Chinese with English abstract)

[16] 康建明，陳學庚，王士國，等. 超窄行棉花精量排種器設計與性能試驗[J]. 甘肅農業大學學報，2016，51(2)： 134－139. Kang Jianming, Chen Xuegeng, Wang Shiguo, et al. Design and experiment of precise metering device for cotton ultra narrow row[J]. Journal of Gansu Agricultural University, 2016, 51(2): 134－139. (in Chinese with English abstract)

[17] 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. Experiment 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)

[18] 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 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)

[19] 王漢羊. 2BMFJ-3型麥茬地免耕覆秸大豆精密播種機的研究[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2013. Wang Hanyang. Study on 2BMFJ-3 Type No-till Soybean Precision Planter with Straw-covering in Wheat Stubble Fields[D]. Harbin: Northeast Agricultural University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[20] 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 pheumatic 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)

[21] 丁祖榮. 工程流體力學[M]. 北京：機械工業出版社，2013.

[22] 李旭. 氣力式油菜精量排種器工作原理與試驗研究[D]. 武漢：華中農業大學，2012. Li Xu. Experimental Study ＆Working Mechanism of Pneumatic Precision Metering Device for Rapeseed[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[23] 陳進，李耀明，王希強，等. 氣吸式排種器吸孔氣流場的有限元分析[J]. 農業機械學報，2007，38(9)：59－62. Chen Jin, Li Yaoming, Wang Xiqiang, et al. Finite element analysis for the sucking nozzle air field of air-suction seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2007, 38(9): 59－62. (in Chinese with English abstract)

[24] 中國農業機械化科學研究院. 農業機械設計手冊[M]. 北京：機械工業出版社，2007.

[25] 耿端陽. 新編農業機械學[M]. 北京：國防工業出版社，2011.

[26] 孫裕晶，馬成林，牛序堂，等. 基于離散元的大豆精密排種過程分析與動態模擬[J]. 農業機械學報，2006，37(11)：45－48. Sun Yujing, Ma Chenglin, Niu Xutang, et al. Discrete element analysis and animation of soybean precision seeding process based on CAD boundary model[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2006, 37(11): 45－48. (in Chinese with English abstract)

[27] 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)

[28] 中國國家標準化管理委員會. 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.

[29] 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]. 農業工程學報，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)

[30] 任露泉. 試驗設計及其優化[M]. 北京：科學出版社，2009.

[31] Karayel D. Performance of a modified precision vacuum seeder for no-till sowing of maize and soybean[J]. Soil and Tillage Research, 2009, 104(1): 121－125.

[32] 中國國家標準化管理委員會. 單粒（精密）播種機技術條件：JB/T10293-2013[S]. 北京：中國標準出版社，2013.

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

國家重點研發計劃資助（2017YFD0700703-03）和山東省農機裝備研發創新計劃項目（2017YF054）

陳美舟，博士生，主要從事旱作農業機械化體系及裝備研究。Email：chenfeng2830@163.com

刁培松，教授，博士生導師，主要從事旱作農業機械化體系及裝備研究。Email：dps2003@163.com

陳美舟，刁培松，張銀平，高琪珉，楊 壯，姚文燕. 大豆窄行密植播種機單盤雙行氣吸式排種器設計[J]. 農業工程學報，2018，34(21)：8－16. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.002 http://www.tcsae.org

Chen Meizhou, Diao Peisong, Zhang Yinping, Gao Qimin, Yang Zhuang, Yao Wenyan. Design of pneumatic seed-metering device with single seed-metering plate for double-row in soybean narrow-row-dense-planting seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(21): 8－16. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.21.002 http://www.tcsae.org