氣吸型孔組合式小麥精密排種器設計與參數優化

程修沛，盧彩云，孟志軍，于佳楊

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氣吸型孔組合式小麥精密排種器設計與參數優化

程修沛1，盧彩云1，孟志軍2，于佳楊3

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083； 2. 北京農業智能裝備技術研究中心，北京 100097； 3. 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司，北京 100080）

針對當前小麥籽粒小、播量大、形狀不規則，傳統排種器難以實現精密播種等問題，該文設計了一種氣吸型孔組合式小麥精密排種器。排種器采用氣流-型孔組合式工作原理，氣流負壓吸種與型孔充種相結合能夠使其獲得良好單粒充種性能。根據小麥精密播種的粒距要求和三維尺寸，通過理論分析，確定了排種器的型孔輪半徑為50 mm，以6°螺旋升角布置三排型孔，每排30個型孔，型孔為長槽形，長、寬、深分別為8.5、5和2.5 mm；通過流場分析，研究了不同吸孔孔徑對氣流變化的影響，確定了吸孔的孔徑范圍1.4～1.8 mm。搭建試驗臺，以氣流負壓、吸孔直徑和型孔輪轉速為試驗因素，以重復充種率、漏充率和充種合格率為試驗指標，進行三因素三水平正交試驗，并分析各試驗因素對于性能指標的影響顯著性。通過極差和方差分析，得到氣吸型孔組合式小麥精密排種器較優的組合參數為負壓3 500 Pa、吸孔直徑1.6 mm、排種型孔輪轉速40 r/min時，進行試驗驗證，其重復充種率為5.1%、漏充率為4.7%，充種合格率為90.2%。該排種器能夠滿足小麥的精密排種對充種性能的要求，在一定程度上促進了小麥精密播種的發展。

機械化；農作物；設計；氣吸型孔組合式；精密排種器；小麥；充種；試驗

0 引 言

小麥是中國的主要糧食作物之一，據2017年中國統計年鑒數據顯示，全國小麥種植面積約為2 418.7萬hm2，產量12 884.5萬t[1]，對國家糧食安全和社會穩定具有重要的影響。但中國小麥傳統播種主要方式為撒播和條播，存在著播量高、水肥施用量大等問題，致使群體密度大、個體吸收養分和光照不足，易倒伏且穗粒小，嚴重限制了小麥單產的提高[2-3]。小麥精密播種技術作為一種先進的農作物種植方法，改變傳統條播堆積的作業方式，精確控制播量、粒距和田間分布均勻性，使得單株作物能夠充分高效利用水、肥、光、氣等自然資源，在降低播種量、減少成本的前提下，保證小麥的高產穩產[4-6]。

精密排種器是實現精密播種的關鍵部件之一，直接影響了精密播種作業效果[7-10]。目前，小麥排種器以外槽輪式為主，依靠重力和種子之間摩擦力進行充種、排種作業，充種隨機性強、排種脈動性高、穩定性差，易出現缺苗斷壟或集堆擁擠的現象[11]，難以實現小麥的精密排種。而現有精密排種器的研究和應用多以玉米、大豆等大粒種子為主[12-16]，小籽粒、經濟作物等精密排種方面也逐漸在開展研究[17-18]。

近些年，小麥精密排種方面研究較少，僅有少數學者開展了嘗試和試驗研究。Wintersteiger公司[19]研制了一種基于徑向槽排種盤和螺旋槽排種盤的組合式小麥精密排種器，應用于小區小麥育種試驗，但作業速度低、結構復雜、價格昂貴，難以適用于大田小麥精密播種作業；大田作業中，國外多以氣力集排式排種器應用于大幅寬的小麥精量播種機，通過氣流對落種進行重新分配到各行，播種效果比外槽輪式排種器有較大提高[20-21]。王瑞雪等[22]設計了一種雙吸盤小麥精密排種器，改進傳統氣吸式精密排種器結構，并進行二次回歸正交試驗，分析了各因素對于排種效果的影響；趙曉順等[23]研究了負壓式小麥精量排種器，采用吸種環槽形式，并通過臺架試驗確定其較優的結構參數；梁素鈺等[24]對小區用小麥精密排種器進行改進，并通過性能試驗分析其可行性。上述研究在理論或試驗平臺上做了有益的探討，為后續小麥精密播種技術的發展奠定了基礎，但存在著結構復雜、充種效果差、排種性能穩定性不高等問題，與大田作業的小麥精密排種要求還存在一定的差距。

本文研究了一種氣吸型孔組合式小麥精密排種器，采用氣流-型孔相結合的工作原理，以解決小麥籽粒小、形狀不規則所引起的充種效果差、排種性能不穩定等問題，改善充種效果，獲得良好的充種性能，以期為小麥精密排種器的研究和發展提供參考。

1 整體機構與工作原理

1.1 排種器結構

氣吸型孔組合式小麥精密排種器主要由種盒固定架、排種盒、隔種清種刷、傳動軸、型孔輪、導種板等組成，如圖1所示。其中，傳動軸由實心段和空心段組成，靠近鏈輪一側為實心段，另一側為空心段，空心部分的排種軸、型孔輪以及左右封閉部件組成密閉的吸種室；排種盒內安裝有導種板，起到種子定向作用；隔種清種刷與型孔輪之間有一定的距離，能夠清除多余的種子；型孔輪上布置有型孔、吸孔和投種槽；排種盒下方的圓弧面上布置的投種片和型孔輪上開有的投種槽共同配合作用完成投種作業。

1.固定架 2.排種盒 3.隔種清種刷 4.型孔輪 5.傳動鏈輪 6.傳動軸 7.進氣口 8.導種板

1.2 工作原理

氣吸型孔組合式小麥精密排種器在作業過程中，根據功能的不同主要分為5個區域，分別為充種區、清種區、導種區、投種區和過渡區，如圖2所示。電機作為動力源，通過傳動鏈輪驅動排種器轉動，負壓風機通過管道與空心排種軸相連，型孔輪內部的真空吸室產生負壓，從而使型孔輪內外側形成壓差；種子落入種盒過程中在導向板的導向作用下，按長軸方向平行于型孔輪徑向排列，位于型孔輪的充種區；工作時，在充種區，種子在自身重力以及型孔輪的摩擦力下落入型孔，并在型孔輪內外氣壓差作用下被吸附；當種子旋轉經過清種區時，隔種清種刷與型孔輪距離較小，不足以使并列充入型孔的多粒種子通過，型孔內在已充入一粒種子后，多余種子在隔種清種刷的阻擋作用下留在充種區，使得型孔內保留一粒種子；種子離開清種區后進入導種區，此階段小麥種子在吸孔氣吸的吸附力作用下進行穩定輸種；到達投種區后，插入投種槽的投種片阻斷了種子的去路，投種片推力克服了內外氣壓差所形成的吸附力，將種子推出型孔，并在重力作用下完成投種過程；隨后型孔轉至過渡區，準備下一輪充種、排種作業。

Ⅰ.充種區 Ⅱ.清種區 Ⅲ.導種區 Ⅳ.投種區 Ⅴ.過渡區

2 關鍵結構設計與參數分析

小麥精密播種要求播后小麥以規定的行距、粒距和播深在田間合理、均勻分布，使每一粒種子在土壤中擁有足夠的空間，能夠更好的吸收土壤中養分，提高對陽光和水分的利用率。本文針對傳統外槽輪排種器存種脈動性、播后均勻性差、易堆積等問題不能實現小麥精密播種，本文以小麥三維尺寸為基礎，進行小麥精密排種器的設計。

2.1 小麥三維尺寸

小麥種子的三維尺寸是型孔輪等結構參數設計的參考基礎，因此為了后續確定型孔輪的結構參數，以京冬22號為研究對象，隨機選取100粒種子測量其長、寬、厚3個方向上的外形尺寸，結果如表1所示。

表1 小麥三維尺寸

經過測量，小麥種子長度范圍5.4～7.8 mm，寬度范圍2.4～4.2 mm，厚度范圍2.6～3.7 mm，各方向尺寸具有一定范圍，但尺寸基本符合正態分布；由表1可知，小麥種子平均長度6.8 mm，平均寬度3.4 mm，平均厚度3.0 mm，小麥的寬度與厚度較為接近，約為長度的二分之一。因此，小麥種子能夠簡化為橢球體，便于后期排種器關鍵結構的設計和參數確定。同時，小麥的三維尺寸對于小麥精密排種器的結構參數有一定的影響，當不同品種之間三維尺寸相差較大時，其參數應根據所播小麥品種尺寸進行設計，并盡可能的增大適應性。

2.2 小麥精密排種粒距的確定

小麥精密播種使種子以一定的行距、粒距和播深播入田間，在行距確定、播深一致的情況下，小麥播種粒距取決定于小麥播量。

小麥粒距指相鄰2粒種子的距離，計算公式為

式中1為排種粒距，cm；為每公頃播種長度，m；為每公頃播種粒數；為公頃面積，10 000 m2；為行距，m；為公頃播種量，kg/hm2；1為千粒質量，kg。

由小麥粒距計算式（1）可知，小麥粒距與播種量成反比，播量越大，粒距越小，在其他參數固定的情況下，粒距的大小主要由播量所決定。根據小麥精密播種的種量要求，取90～120 kg/hm2，行距0.2 m，千粒質量0.04 kg，計算可得小麥粒距范圍1.67～2.22 cm。小麥精密排種粒距的計算，為后續的型孔個數和分布的設計提供依據。

2.3 型孔輪設計

型孔輪是氣吸型孔組合式小麥精密排種器的核心部件，其設計與參數是否合理對于整個排種器的排種性能具有重要的影響。型孔輪布置有用于充種的型孔，型孔中心設置用于吸附種子進行穩定攜種、輸種的吸種孔，以及配合清種的投種槽，結構如圖3所示。型空輪的主要參數包括型孔輪半徑、型孔尺寸與排布、吸孔的形狀與尺寸等，這些參數是保證充種、攜種和投種的關鍵。

1.型孔 2.吸孔 3.投種槽

2.3.1 型孔輪半徑確定

型孔輪半徑是決定其線速度的關鍵參數，然而線速度又受到播量（即株距，型孔數量）的影響。轉速一定的情況下，型孔輪半徑過大不僅使得真空吸室體積增大，滿足吸附種子的風機所提供的負壓越大，而且造成線速度過大，排種性能達不到播種要求；減小型孔輪半徑能夠降低線速度，但過小會大大增加型孔輪曲率，充種效果差，出現漏充種現象。同時，型孔輪半徑過小，分布的型孔個數減小，為了保證播量則必須增加轉速，而轉速過高又會降低排種性能。

因此，考慮小麥精密播種的農藝要求、真空吸室體積以及排種性能等因素，排種型孔輪半徑50 mm，長度80 mm。

2.3.2 型孔尺寸與排布

型孔是排種器充種的關鍵結構，其形狀、尺寸以及排布直接影響排種作業質量。目前排種器的型孔多采為半球形，適用于球形或丸粒化種子，但小麥種子形狀類橢球，在半球形型孔的情況下充種性能差，不能滿足精量播種的要求。因此，本文根據測得小麥種子三維尺寸數據，設計型孔形狀為類橢球形，既要保證種子易落入型孔，又要利于清除多余的種子，如圖4所示。

注：L1為型孔的長度，mm；H1為型孔的深度，mm；B1為型孔的寬度，mm；R為型孔過渡半徑，mm；L2為型孔底部長度，mm。

為了保證一粒種子順利充滿型孔，且不至于太小導致充不上種子，則型孔在尺寸上應滿足

式中max為小麥最大長度，mm；min為小麥最小長度，mm；max為小麥最大寬度，mm；max為小麥最大厚度，mm；min小麥最小厚度，mm。

其中，型孔長度大于小麥最大顆粒長度，小于最小顆粒長度的2倍，既要滿足單個種子充入，又要防止兩個顆粒前后相接充入；型孔寬度要大于最大小麥寬度，便于種子的充入，因是類橢球形，寬度也不易過大，應小于種子最小長度，防止部分種子橫躺著進入型孔；型孔的厚度要滿足充入后重心位于型孔內，單粒種子能夠不被隔種清種刷帶出型孔，又利于清除多余種子。根據2.1節測得小麥種子數據，并根據預試驗，確定型孔尺寸：1=8.5 mm，1=2=5 mm，1=2.5 mm，2=1?2=3 mm。

相同播量下，型孔輪上型孔的數量越多，排種輪轉速降低，有利于改善型孔的充種性能，但型孔數量受到型孔輪直徑和粒距的限制。型孔個數的計算公式為

式中為型孔的個數；為型孔輪直徑，mm；v為播種機作業速度，m/s；為型孔輪線速度，m/s；為型孔輪轉速，r/min。

由式（3）可知，型孔數量與作業速度成正比，與型孔輪線速度暨轉速成反比，增加型孔個數可以提高播種作業速度，降低型孔輪轉速，有利于提高作業效率和改善排種質量。根據精密排種的粒距要求，本文以粒距1在1.67～2.22 cm、v取1.2 m/s、一般取2060 r/min，得到型孔數量在65～216之間取值。

綜合考慮，型孔排布受到型孔輪半徑、粒距以及型孔尺寸的限制，本文設計型孔輪數量90個，粒距1.67～2.22 cm之間的調節可以通過調整轉速的方式實現，單排不足以滿足分布，采用多排型孔排列方式，在型孔輪軸向上交錯布置三排，呈螺旋排列，螺旋角6°，每排30個型孔，每排型孔都開有投種槽，與投種片配合投種。

2.3.3 吸孔設計與仿真分析

吸孔是氣吸型孔組合式排種器對吸附能力影響最為關鍵的因素，吸孔處吸附力大小的計算公式為

式中為吸孔吸附力，N；0為大氣氣壓，kPa；1為吸室內氣壓，kPa；為吸孔橫截面積，m2。

通過式（4）發現，吸孔吸附力與吸室內外氣壓差、橫截面積成正比。當型孔輪吸室內外壓差一定時，吸孔橫截面積越大，吸附力越大，但過大易吸附多粒種子；橫截面積較小時，吸孔的吸附能力不足，易造成漏種。因此，必須選擇吸孔合適的橫截面積，提高充種、穩定輸種性能。傳統圓形孔易出現較小種子被吸入型孔輪的吸室內部，不僅出現漏播，還會造成結構破壞。因此，本文設計為長槽形吸種孔，位于型孔的底部，結構如圖5所示。

1.型孔 2.吸孔

1. Type hole 2. Suction hole

注：x為吸孔直角邊，mm；x為吸孔直徑，mm。

Note:xis length of right-angle side on suction hole, mm;xis diameter of suction hole, mm.

圖5 吸孔形狀示意圖

Fig.5 Schematic diagram suction hole shape

根據小麥籽粒的三維尺寸和精密排種要求，長槽孔x=1 mm，x取1.2～2.0 mm之間，并通過CFD對型孔輪部以及型孔周圍的流場進行仿真，分析不同吸孔孔徑對于流場變化的影響[25]。本文采用標準-模型[26-27]，分別對x=1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 mm不同孔徑條件下的氣壓以及流場分布進行仿真研究。設置型孔輪進氣口為壓力入口，壓強為0，型孔輪出氣口設置為壓力出口。以壓強為?2 000 Pa為例，仿真時間5 s，得到不同吸孔下的型孔輪內部氣體壓力云圖和吸孔橫截面壓力云圖，如圖6－10所示，其他負壓條件下的變化趨勢類似。不同直徑的吸孔縱向截面氣流速度云圖見圖11。

圖6 1.2 mm孔徑吸孔壓力云圖

圖7 1.4 mm孔徑吸孔壓力云圖

圖8 1.6 mm孔徑吸孔壓力云圖

圖9 1.8 mm孔徑吸孔壓力云圖

圖10 2.0 mm孔徑吸孔壓力云圖

圖11 1.2和1.8 mm孔徑吸孔速度云圖

由圖6a、7a、8a、9a、10a可知，不同吸孔對于型孔輪內部的壓力云圖分布規律沒有影響，基本呈現中心為圓形區域、外側為環形區域，且環形區域負壓值大于圓形區域。但隨著吸孔孔徑的增大，型孔輪內部的負壓逐漸減小，這是由于吸孔直徑逐漸增大，外部氣體流入型孔輪內部，造成進入型孔輪內部的氣壓存在不同程度的衰減，吸孔越大，衰減越快。

由圖6b、7b、8b、9b、10b可知，吸孔橫截面壓力云圖由中心向外側環狀分布，且外側負壓小于內側，吸孔孔徑越小，吸孔中心氣壓越大。此外，對不同吸孔直徑下的流速進行分析可知，不同孔徑的吸孔速度云圖由吸孔向型孔輪呈放射狀，吸孔中心處氣流速度最大，隨著吸孔直徑增加，中心較高速度區域面積逐漸較小，氣流速度逐漸減小，深顏色區域變小變淡，如圖11所示，吸孔直徑為1.2 mm時，吸孔中心流速明顯高于吸孔直徑為1.8 mm的中心流速。

通過分析可得，隨著吸孔尺寸的增加，吸孔的負壓、流速逐漸減小。吸孔直徑1.2 mm時，負壓與流速最大，但此時吸孔與小麥籽粒接觸面積較小，影響了種子吸附，易受到種子間作用力脫離型孔；吸孔直徑2.0 mm時，雖然接觸面積較大，但吸孔氣壓損失較大，流速衰減較快。因此，綜合考慮，吸孔直徑設計在1.4～1.8 mm之間選擇，以滿足排種要求。

2.4 導種板設計

本文設計中，小麥類橢球形，型孔和吸孔均設計為長槽形。為了能夠提高小麥充入型孔的充種率，在排種盒內設計倒“V”型導種板，結構如1.1小節圖1所示，相鄰最小間距為5 mm，小于小麥長軸尺寸，從而使小麥長軸沿型孔輪徑向方向排列，即長軸方向與長槽形平行，減小沿型孔輪軸向排列的可能小，便于充種。

2.5 隔種清種刷與投種片設計

隔種清種刷采用尼龍材料，設置于型孔輪的上方，固定在排種盒上，隔種清種刷的底部與型孔輪之間的距離較小，不足以多粒種子同時通過，當型孔內充入一粒種子后，多余的種子在隔種清種刷的阻擋作用下被留在充種區，以保證型孔內單粒吸附，安裝位置如1.1小節圖1所示。

投種片設計為A型凸起，設置在排種盒下部的圓弧，位于型孔輪外側，處于投種槽內，工作時阻斷種子的去路，將種子推出型孔再依靠重力投種。同時，投種片插入到投種槽，其頂部與型孔的底部位于同一平面，能夠在一定程度上將少量的雜質或破損顆粒阻擋出型孔，防止堵塞型孔，投種片結構如圖12所示。

1.排種盒 2.種盒固定架 3.投種片

3 試驗與結果分析

3.1 試驗條件與方法

3.1.1 試驗設備

試驗設備為搭建的小麥精密排種試驗臺，結構如圖13所示，主要包括臺架、氣吸型孔組合式小麥精密排種器、調速電機、負壓風機、變頻器、U型壓力計等。其中，型孔輪、排種盒、投種片均采用樹脂材料，3D打印而成；排種器轉速由調速電機驅動，轉速0～90 r/min可調；負壓風機可通過變頻器進行調節，最大流量320 m3/h，壓力范圍?4 400～0 Pa；U型壓力計量程±5 000 Pa。

1.負壓風機 2.變頻器 3.臺架 4.排種器固定架 5.U型壓力計 6.調速電機 7.控制柜 8.輸送帶 9.排種器 10.排種盒

3.1.2 試驗因素選擇

通過仿真分析以及預試驗發現，氣吸型孔組合式小麥精密排種器進行充種作業時，氣流負壓、吸孔直徑以及型孔輪轉速對于充種性能都具有重要的影響。為了進一步得到小麥精密排種器的較優參數組合，以氣流負壓、吸孔直徑以及型孔輪轉速為試驗因素，設計三因素三水平正交試驗，通過極差和方差試驗分析各個試驗因素對試驗指標的影響規律，以期得到較優的參數組合。

氣流負壓：氣流負壓的較小，吸孔吸附力較小，漏充情況增加，氣流負壓較大又會造成單個吸孔吸附多粒種子，因此根據前期fluent分析不同氣流負壓條件下吸室氣壓和流速變化，并進行預試驗，最終選擇2 500、3 000和3 500 Pa進行試驗。

吸孔直徑：吸孔直徑過大過小均不利于吸孔進行吸附種子，通過本文不同吸孔直徑的氣流仿真分析，得到吸孔直徑設計在1.4～1.8 mm之間選擇較為合適，因此正交試驗選擇1.4、1.6以及1.8 mm進行試驗。

型孔輪轉速：通過前期的單因素試驗發現，型孔輪的轉速較小時，充種區小麥種子流動性差、擾動性較低，存在部分區域不足以將種子帶動落入型孔被吸孔吸附，造成漏充率較高；當型孔輪線速度過快，擾動性過大，種子進入型孔時間變小，來不及被吸孔吸附，就會被后續種子推出型孔，從而造成漏充現象增加，重復充種率下降、漏充率升高，充種合格率下降。因此，綜合選擇型孔輪轉速30、40和50 r/min進行試驗。

3.1.3 試驗指標

試驗以重復充種率、漏充率和充種合格率為試驗評價指標，試驗方法參照標準GB/T 6973-2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[28]進行，并分析各個因素對于排種器工作性能的影響規律。

1）當型孔內的種子多于1粒為重復充種，計算公式為

式中1為重復充種率，%；1為型孔內多于1粒種子的數量；0為試驗中所有型孔數量。

2）當型孔經過充種區后未完成充種為漏充，計算公式為

式中2為漏充率，%；2為型孔內未完成充種的數量。

3）當型孔經過充種區、清種區后，型孔內剩余小麥籽粒為1粒，則視為充種合格，計算公式為

式中為充種合格率，%；′為型孔內剩余1粒小麥的個數。

3.2 正交試驗

3.2.1 正交試驗設計

以氣流負壓、吸孔直徑以及型孔輪轉速為試驗因素，設計三因素三水平正交試驗，試驗因素水平如表2所示。試驗按照L9（34）正交表進行設計，共9組試驗，每組試驗重復3次，取均值進行記錄。

表2 試驗因素水平

3.2.2 試驗結果與分析

正交試驗方案與試驗結果如表3所示。為了確定各試驗因素對于試驗指標的影響，對各個試驗指標進行極差分行和方差分析，如表4和表5所示。

表3 試驗結果

表4 極差分析結果

表5 方差分析結果

注：0.05（2,2）=19，0.01（2,2）=99。α（2,2）>0.01（2,2），具有非常顯著的影響，用“**”表示；0.05（2,2）<α（2,2）<0.01（2,2），具有顯著的影響，用“*”表示。

Note:0.05(2,2)=19,0.01(2,2)=99.α(2,2)>0.01(2,2), represent very significance, denoted as **;0.05(2,2)<α(2,2)<0.01(2,2), represent significance, denoted as *.

由極差分析試驗結果可知，極差越大說明試驗因素水平的改變對于試驗指標的影響越大，對于小麥重復充種率，影響主次順序依次是、、，即型孔輪轉速對小麥重復充種率影響最大，吸孔直徑次之，氣流負壓影響較小；對于漏充率和充種合格率，影響試驗指標的主次順序依次是氣流負壓>型孔輪轉速>吸孔直徑。

由方差分析可得，氣流負壓對重復充種率具有顯著的影響，吸孔直徑、型孔輪轉速對重復充種率具有非常顯著的影響；氣流負壓、型孔輪轉速對漏充率和充種合格率均具有非常顯著的影響，吸孔直徑對漏充率和充種合格率具有顯著的影響。

重復充種率的較優組合112，漏充率較優組合322，充種合格率較優組合322。為了保證小麥的田間基本苗，優先考慮充種合格率和漏充率這兩項試驗指標，即較高的充種合格率和較小的漏充率，綜上考慮，氣吸-型孔組合式小麥精密排種器的較優組合為322，即氣流負壓3 500 Pa、吸孔直徑1.6 mm、型孔輪轉速40 r/min。

3.3 優化參數試驗驗證

根據正交試驗的極差和方差分析，得到氣流負壓3 500 Pa、吸孔直徑1.6 mm、型孔輪轉速40 r/min為小麥精密排種器的較優參數組合。為了驗證在較優參數組合條件下，小麥精密排種器的重復充種、漏充以及充種合格能夠達到較好的試驗結果，進行試驗驗證，試驗進行3次重復，取均值。試驗結果如表6所示，平均重復充種率5.1%、漏充率4.7%，充種合格率90.2%，漏充率較低，3次充種合格率均高于85%，平均充種合格率高于90%，滿足小麥精密播種對于充種性能的要求。

表6 驗證試驗結果

4 結論與討論

本文采用氣流-型孔組合式工作原理，設計了一種氣吸型孔組合式小麥精密排種器，提高了小麥排種器的充種性能，實現了小麥的精密播種。

1）對排種器關鍵結構和參數進行設計，型孔輪半徑50 mm，型孔和吸孔均設計為長槽孔，其中，型孔三排呈螺旋排布，螺旋角6°，每排30個型孔，每個型孔長度8.5 mm，寬度5 mm，深度2.5 mm；

2）對不同吸孔孔徑條件下型孔吸室進行流體仿真分析，研究了孔徑對于流場壓力和流速的影響規律，確定了吸孔孔徑的取值范圍1.4～1.8 mm；

3）進行三因素三水平正交試驗，通過極差、方差分析得到吸孔直徑、氣流負壓和排種型孔輪轉速對于排種器充種性能的影響；在氣流負壓3 500 Pa、吸孔直徑1.6 mm、型孔輪轉速40 r/min時，重復充種率5.1%、漏充率4.7%，充種合格率90.2%，氣吸型孔組合式小麥精密排種器的充種性能較好，滿足小麥精密播種作業要求。

由于試驗臺加工精度、密封等原因的影響，氣流負壓自管道進入型孔輪吸氣室存在著不同程度的衰減，會對試驗造成一定程度的影響，因此后續設計中要特別注意氣體密封，盡量減小氣壓損失。

[1] 中華人民共和國國家統計局. 2017中國統計年鑒[M]. 中國統計出版社，2017.

[2] 梁素鈺，封俊，曾愛軍. 我國小麥精密播種機的現狀與發展趨勢[J]. 農業機械學報，1998，29(增刊1)：81－84.

LiangSuyu, FengJun, CengAijun. The situation and prospect of wheat precision planters in China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 1998, 29(Supp.1): 81－84. (in Chinese with English abstract)

[3] 徐冬. 小麥精密播種機械的研究與應用[J]. 農業科技與裝備，2015(6)：79－80.

Xu Dong. Research and application of wheat precision seeding machinery[J]. Agricultural Science & Technology and Equipment, 2015(6):79－80.(in Chinese with English abstract)

[4] 郭愛兵，路志國，郭鵬飛，等. 我國小麥精播技術研究現狀及發展趨勢[J]. 現代農業科技，2015(6)：75－76.

[5] 何亮. 小麥精量播種高產栽培技術要點[J]. 北京農業，2015(12)：56.

[6] 郭愛兵，路志國，郭鵬飛，等. 小麥精密播種技術探討[J]. 農業科技通訊，2015(6)：212－214.

[7] 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(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(4):16－18.(in Chinese with English abstract)

[8] 胡靖明，楊梅，孫步功，等. 氣吹式小粒種子精量排種器氣室仿真[J]. 林業機械與木工設備，2016(7)：12－14.

Hu Jingming, Yang Mei, Sun Bugong, et al. Simulation of air-blow precision metering device for small seeds[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment, 2016(7):12－14.(in Chinese with English abstract)

[9] Yang Li, Yan Bingxin, Cui Tao, et al. Global overview of research progress and development of precision maize planters[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2016, 9(1):9－26.

[10] 王業成，邱立春，張文嬌，等. 摩擦型立式圓盤精密排種器的設計與試驗[J].農業工程學報，2012，28(1)：22－26.

Wang Yecheng, Qiu Lichun, Zhang Wenjiao, et al. Design and experiment of friction vertical plate precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(1):22－26.(in Chinese with English abstract)

[11] 劉立晶，劉忠軍，楊學軍，等. 氣流輸送式小麥免耕播種機設計和試驗[J].農業機械學報，2011，42(2)：54－57.

Liu Lijing, Liu Zhongjun, Yang Xuejun, et al. Design and test on pneumatic no-till wheat planter[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(2): 54－57.(in Chinese with English abstract)

[12] 陳黎卿，解彬彬，李兆東，等. 基于雙閉環PID模糊算法的玉米精量排種控制系統設計[J]. 農業工程學報，2018，34(9)：33－41.

Chen Liqing, Xie Binbin, Li Zhaodong, et al. Design of control system of maize precision seeding based on double closed loop PID fuzzy algorithm[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(9): 33－41. (in Chinese with English abstract)

[13] 付威，李樹峰，孫嘉憶，等. 強制夾持式玉米精量排種器的設計[J]. 農業工程學報，2011，27(12)：38－42.

Fu Wei, Li Shufeng, Sun Jiayi, et al. Design of compulsory clamp-type precision seed-metering device for corn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 38－42. (in Chinese with English abstract)

[14] 耿端陽，李玉環，孟鵬祥，等. 玉米伸縮指夾式排種器設計與試驗[J]. 農業機械學報，2016，47(5)：38－45.

Geng Duanyang, Li Yuhuan, Meng Pengxiang, et al. Design and test on telescopic clip finger type of metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(5): 38－45. (in Chinese with English abstract)

[15] Liu Hongxin, Guo Lifeng. Study on multi-size seed-metering device for vertical plate soybean precision planter[J]. Int J Agric & Biol Eng, 2015,8(1):1－8.

[16] Karayel D, Barut Z B, ?zmerzi A. Mathematical modelling of vacuum pressure on a precision seeder[J]. Biosystems Engineering, 2004,87(4):437－444.

[17] 高筱鈞，周金華，賴慶輝. 中草藥三七氣吸滾筒式精密排種器的設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(2)：20－28.

Gao Xiaojun, Zhou Jinhua, Lai Qinghui. Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed-metering device for panaxnotoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(2):20－28.(in Chinese with English abstract)

[18] Reis A V D, Forcellini FA. Precision mechanical seed meter for small seeds: Functional tests[J]. Revista Brasileirade Engenharia Agricolae Ambiental, 2009,13(5):651－656.

[19] Precisionspacedplanters, Wintersteiger[EB/OL]. [2018-09-13].https://www.wintersteiger.com/en/Plant-Breeding-and-Research/Products/Product-Range/Precision-spaced-planters/58-Monoseed-TC.html.

[20] 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)

[21] 張曉輝，王永振，仉利，等. 小麥氣力集排器排種分配系統設計與試驗[J]. 農業機械學報，2018，49(3)：59－67.

ZhangXiaohui, WangYongzhen, ZhangLi, et al. Design and experiment of wheat pneumatic centralized seeding distributing system[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(3):59－67.(in Chinese with English abstract)

[22] 王瑞雪，儀垂杰，林海波，等. 雙吸盤小麥精密排種器參數設計與優化[J]. 中國農業大學學報，2009，14(4)：109－113.

Wang Ruixue, Yi Chuijie, Lin Haibo, et al. Research andoptimization of parameter design for double air-suctionplate wheat precision seed metering device[J]. Journal of China Agricultural University, 2009, 14(4):109－113.(in Chinese with English abstract)

[23] 趙曉順，于華麗，馬躍進，等. 負壓式小麥精量排種器參數優化與試驗[J]. 農業工程學報，2017，33(11)：11－18.

Zhao Xiaoshun, Yu Huali, Ma Yuejin, et al. Parameter optimization and experiment of negative pressure precision seed-metering device for wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11):11－18.(in Chinese with English abstract)

[24] 梁素鈺，封俊，曾愛軍，等. 新型組合吸孔式小麥精密排種器性能的試驗研究[J]. 農業工程學報，2001，17(2)：84－87.

LiangSuyu, FengJun, ZengAijun, et al. Performance experiments of the seed-meter device with combined suckers[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE),2001, 17(2):84－87.(in Chinese with English abstract)

[25] 戴億政，羅錫文，王在滿，等. 氣力集排式水稻分種器設計與試驗[J]. 農業工程學報，2016，32(24)：36－42.

DaiYizheng, LuoXiwen, WangZaiman, et al.Designand experiment of rice pneumatic centralized seed distributor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(24):36－42.(in Chinese with English abstract)

[26] 吳民生，段文廣. 計算流體動力學(CFD)在流體機械領域的應用[J]. 裝備制造技術，2008(12)：36－37.

Wu Minsheng, Duan Wenguang. Applications of computational fluid dynamics in fluid machinery field[J]. Equipment Manufacturing Technology, 2008(12):36－37.(in Chinese with English abstract)

[27] 余金偉，馮曉鋒. 計算流體力學發展綜述[J]. 現代制造技術與裝備，2013(6)：25－26.

[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.

Design and parameter optimization on wheat precision seed meter with combination of pneumatic and type hole

Cheng Xiupei1, Lu Caiyun1, Meng Zhijun2, Yu Jiayang3

(1. College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China; 2. Beijing Research Center of Intelligent Equipment for Agriculture, Beijing 100097, China; 3.Beijing Haihong Jiacheng Intellectual Property & Partners, Beijing 100080, China)

Wheat is one of the main food crops, which has an important on the national life and social stability. At present, there are many problems in the traditional sowing of wheat, such as large amount of seeding, low utilization ratio of water and fertilizer, and high cost. In order to solve those problems, the wheat precision seeding technology has been proposed that ensures even and reasonable distribution of wheat seeds in the field. Aiming at the requirements of wheat precision seeding, a wheat precision seed meter, including metering box, seed separating and cleaning brush, type hole wheel, transmission axis, airflow entering mouth, seed leading board, and transmission sprocket, was designed with combination of pneumatic and type hole wheel, and it could achieve better single filling performance. And the type hole wheel was arranged with type hole, suction hole and seed-falling groove. Amount of seeds were poured into the metering box, wheat were arranged along the radial direction of the type hole wheel under the guidance of seed leading board. The seed was filled with the type hole by its own gravity and the friction force of type hole wheel, then the seed was adsorbed by the airflow through suction hole. When type hole wheel carrying seeds through seed-cleaning zone, more than one seed on the type hole fell back into metering box in the action of seed separating and cleaning brush, therefore one seed was kept in the type hole. After that, the wheat seed was transported stably by adsorption force. In the seed-falling zone, the seed overcame the adsorption force and dropped from type hole under seed-falling plate barrier force and gravity, complete the seeding process. According to three dimensions size of wheat, the main structure parameters and motion parameters of wheat precision seed meter were determined that diameter parameters of type hole wheel were 100 mm, type hole wheel surface with 3 rows, both type hole and suction hole were long slots. 3 rows of type holes with spiral angles of 6° and 30 type holes were in each row. Each type hole had length of 8.5 mm, a width of 5 mm, and a depth of 2.5 mm. By the fluid dynamics software, the influences of different diameter of suction hole on type hole wheel fluid field were simulated and analyzed, and results showed that more ideal diameter parameters of suction hole were 1.4-1.8 mm. In order to get the optimal combination of parameters of the wheat precision seed meter, the three-factor and three-level orthogonal test was designed with airflow negative pressure, suction hole diameter and rotation speed of type hole wheel as test factors. Airflow negative pressure was set at 2 500, 3 000 and 3 500 Pa, suction hole diameter was selected 1.4, 1.6 and 1.8 mm, and rotation speed of type hole wheel was changed in 30, 40 and 50 r/min. A total of 9 groups of tests were performed that each group of tests was repeated 3 times, and the average of test results was recorded. According to the range analysis, the rotation speed of type hole wheel hadgreatest influence on the multiple rate of wheat, followed by the diameter of the suction hole, and the influence of the airflow negative pressure was small. For the missing rate and seed-filling qualified rate, the order of affecting indicators was the airflow negative pressure, the rotation speed of the type hole wheel, and the diameter of the suction hole. Through analysis of variance, the airflow negative pressure had a significant effect on the multiple rate of wheat, and had a very significant effect on the missing rate and seed-filling qualified rate.The suction hole diameterhad a very significant effect on the multiple rate, and had a significant effect on the missing rate and seed-filling qualified rate. The rotation speed of type hole wheel had a very significant effect on the multiple rate, the missing rate, and seed-filling qualified rate. The airflow negative pressure and the rotation speed of type hole wheel had significant effects on the multiple rate, and had a very significant impact on the missing rate and seed-filling qualified rate. The tests revealed that when the airflow negative pressure was 3 500 Pa, the suction hole diameter was 1.6 mm, and the rotation speed of type hole wheel was 40 r/min, which was a better combination of parameters. By experiment, the missing rate was 5.1%, multiple rate was 4.7%, and seed-filling qualified rate was 90.2%, which reached the requirements of wheat precision sowing. This seed meter improves the filling effect and obtains better parameters, which provides reference for the research and development of the wheat precision seed meter.

mechanization; crops; design; combination of pneumatic and type hole wheel; precision seed meter; wheat; seed-filling; experiment

程修沛，盧彩云，孟志軍，于佳楊. 氣吸型孔組合式小麥精密排種器設計與參數優化[J]. 農業工程學報，2018，34(24)：1－9. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.001 http://www.tcsae.org

Cheng Xiupei, Lu Caiyun, Meng Zhijun, Yu Jiayang. Design and parameter optimization on wheat precision seed meter with combination of pneumatic and type hole[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(24): 1－9. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.001 http://www.tcsae.org

2018-09-13

2018-12-05

北京市自然科學基金資助項目（3174050）；基本科研業務費青年教師創新項目（2018QC153）

程修沛，博士生，主要從事小麥耕播技術與裝備研究。 Email：chengxiupei7088@163.com

盧彩云，副教授，博士生導師，主要從事農業機械化技術與裝備研究。Email：lucaiyun@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.24.001

S223.2+3

A

1002-6819(2018)-24-0001-09