氣吸式玉米高速精量排種器直線投種過程分析與試驗

李玉環，楊 麗，張東興，崔 濤，張凱良，解春季，楊瑞梅

氣吸式玉米高速精量排種器直線投種過程分析與試驗

李玉環，楊 麗※，張東興，崔 濤，張凱良，解春季，楊瑞梅

（1. 中國農業大學工學院，北京 100083；2. 農業農村部土壤-機器-植物系統技術重點實驗室，北京 100083）

為解決氣吸式玉米精量排種器在高速作業條件下投種過程種子與導種管碰撞異位造成排種粒距合格率下降和排種粒距變異系數增大的問題，該文提出了一種利用推種裝置配合種盤吸孔實現直線投種的方法，并對直線投種原理進行分析，闡明直線投種過程中種子與排種器的運動和力學關系，明確種盤吸孔曲線方程，確定了推種裝置結構曲線參數方程。選取投種位置和作業速度為主要因素進行全因素試驗，對試驗結果進行顯著性分析，確定了因素與指標的回歸方程，以排種粒距合格率、漏播率以及排種粒距變異系數為尋優條件，確定較優的投種位置為直線推種區角度=15°，直線落種角度=21°，并進行驗證試驗。試驗結果表明，作業速度12 km/h時，排種粒距合格率為98.68%，漏播率為0.69%，排種粒距變異系數為15.03%，與理論優化結果基本一致。進行了直線投種方式與原有阻氣投種方式的對比試驗，結果表明，各個作業速度下排種器性能指標均有所提升，且提升幅度隨著作業速度的提高而增大，在作業速度14 km/h時，直線投種較原有阻氣投種排種粒距合格率提高4.22個百分點，漏播率降低4.20個百分點，排種粒距變異系數降低4.55個百分點，采用直線投種方式可大大改善播種效果，提高作業速度。

農業機械；種子；試驗；氣吸式排種器；高速精量；排種盤；直線投種

0 引 言

機械化精量播種是依據農藝要求的播種密度，按照一致行距、均勻粒距和精確深度將種子播入土壤并準確定位，作為機械化種植的主要方式，已被廣泛應用[1-5]。精量排種器作為精量播種機的核心部件，其工作性能直接影響播種質量。氣吸式精量排種器具有播種精度高、對種子尺寸要求不嚴、適應性強以及作業速度高等諸多優點，在高速精量播種機上應用最為廣泛[6-9]。國內外眾多學者對氣吸式排種器做了大量研究，但大部分是針對充種功能的實現，對均勻投種的研究相對較少。

國外學者研究表明采用不同的導種管對排種器性能有影響[10]，選擇合適的導種裝置可保證播種粒距均勻性[11]。國外播種機企業現在多采用二次投種裝置實現種子的平穩運移[12-14]，美國John Deere公司采用毛刷帶式輸種裝置用于種子的二次投種，可通過實時調整毛刷帶的轉速，使種子落入種床的水平分速度與播種機前進速度抵消，達到零速投種[15]。Precision Planting公司研發的Speedtube安裝在排種口處，采用相對旋轉的取種輪將種子轉移至傳動帶上的隔斷，并運送至種溝，傳動帶與播種機前進速度匹配，保證了種子落地平穩性[16]。Maschio公司研發的Chrono高速播種機采用高速氣流送種技術，脫離排種器的種子在高速氣流的作用下播入種溝，減少了導種管內的碰撞異位，保證了株距的均勻性[17]。關于均勻投種國內學者也進行了相關研究，劉立晶等[18]采用三維逆向工程技術改進了弧形導種管，提高了播種精度。陳學庚等[19]開發了一種與取種盤轉速、播種機行走速度相關、傳動與投種機構一體的帶式導種裝置，并確定了該氣吸式排種器帶式導種裝置的主要結構參數，提高了播種精度。劉全威等[20-21]提出一種機械玉米籽粒導送機構及精確投種方法，通過帶輪傳送提高播種均勻性與平穩性。投種的研究主要通過改善導種管結構形式和采用二次投種原理實現種子在導種管內的平穩運移，缺少關于種子脫離種盤至進入導種裝置實現平穩有序落種的相關研究[22-25]。在高速作業工況下，種子脫離種盤平穩有序地進入導種裝置有利于減少種子在導種管內碰撞異位造成的株距均勻性差、重漏播增加的情況發生，研究種子平穩有序地投種技術，對改善排種器性能，在不增加二次投種裝置下提高排種器作業速度，實現精量播種作業具有重要意義。

為改善氣吸式排種器高速作業狀態下播種的均勻性，實現高速精量播種作業，對投種過程進行研究，提出一種直線推種裝置配合種盤吸孔實現直線投種的方法，明確種子整個投種過程的運動和力學關系，確定直線投種部件的關鍵參數，提高高速作業工況下的播種質量。

1 投種過程對播種株距均勻性的影響

1.1 原投種過程分析

現有氣吸式精量播種機多采用高位投種，落種口與地面種溝間的距離較大，需要配備導種管進行導種作業[26-28]。前期研制的氣吸式精量排種器采用普通阻氣投種、導種管導種的方式，試驗研究發現，在高速作業工況下，由于種子外形尺寸存在差異、機具振動較大，導致落種位置不同，種子射入導種管的角度存在差異，易與導種管內壁產生碰撞，破壞原本有序的種子流，降低播種粒距均勻性，影響播種質量[29-30]。如圖1所示，根據種子脫離排種器進入導種管的入射情況，可將種子射入導種管情況分為4種：種子射入導種管的角度偏向導種管后方，且角度較小，種子產生與播種機前進方向相反的較大分速度，下落過程中不與導種管后壁碰撞，延緩投種（圖1中的1）；種子射入導種管的角度偏向導種管后方，且角度較大，種子產生與播種機前進方向相反的較小分速度，與導種管接觸，導種管不起作用，造成提前投種（圖1中的2）；種子射入導種管的角度偏向導種管前方，種子產生與播種機前進方向相同的分速度，與導種管前壁產生碰撞，延緩投種（圖 1中的3）；以上3種情況均會造成播種株距均勻性下降。第4種為種子沿著導種管前壁豎直射入導種管，緊貼導種管前壁運動，均勻有序地落入種溝（圖1中的4）。綜上4種情況，在高速作業情況下，造成導種管內碰撞異位加劇的主要原因是種子脫離種盤時產生了不同大小的水平方向分速度，因此本文提出一種直線投種方法，以避免投種過程中產生水平分速度，使種子呈直線穩定有序狀態落入導種管，在不增加二次投種裝置下提高播種機作業質量。

1.2 排種器結構與工作原理

以前期研制的氣吸式高速精量排種器為載體，在前殼體上安裝直線推種裝置，與種盤配合作用實現直線投種功能，實現高速（本研究的高速精量排種器旨在實現10 km/h以上作業速度）工況下的精量（依據玉米播種的農藝要求，精量播種為滿足國標要求的基礎上，實現單粒率高、株距均勻性好的機械化播種）播種作業。具有直線投種功能的氣吸式高速精量排種器結構如圖2所示，主要由卸種擋板、前殼體、后殼體、種盤、清種機構、直線推種裝置、傳動軸、吸道等組成。其中種盤和直線推種裝置為實現直線投種的核心部件，種盤沿周向開有充種條孔，固定在傳動軸上，與后殼體緊密貼合形成吸孔；直線推種裝置結構如圖3所示。工作時，直線推種裝置與種盤配合作用，將投種區隨種盤做圓周運動的種子引導為豎直向下的直線運動，以實現直線投種作業。

1.土壤 2.種溝 3.導種管 4.卸種擋板 5.快卸裝置 6.前殼體 7.后殼體 8.種盤 9.清種機構 10.傳動軸 11.清種機構調節裝置 12.直線推種裝置 13.進氣口

1.前殼體 2.直線推種裝置 3.直線推種裝置安裝定位銷 4.殼體安裝定位銷

工作過程中，種子在負壓作用下吸附在型孔上，經過清種機構將多余的種子清除，保留單孔單粒種子，在直線推種裝置和排種盤吸孔的共同作用下種子沿著推種裝置豎直向下運動，到達投種位置時氣流阻斷種子脫離種盤，沿豎直方向進入導種管，沿導種管落入種溝，完成排種作業。

2 直線投種過程分析

直線投種主要包括直線推種和直線落種2個過程。直線推種通過直線推種裝置和種盤吸孔配合作用將種子由隨種盤的圓周運動引導為豎直向下的勻速直線運動，是實現直線投種的前提；直線落種是種子脫離種盤的吸附力后不受橫向力的干擾，在重力作用下繼續保持豎直向下的直線運動，穩定有序地沿豎直方向落入導種管，是實現直線投種的關鍵。

2.1 直線推種過程

為保證種子在投種過程中具有豎直向下的勻速直線運動，對推種階段種子運動進行分析，如圖4所示。工作過程中，種盤在傳動軸的帶動下做角速度為的順時針轉動，種子吸附在種盤吸孔上，進入投種區之前隨種盤做角速度為的圓周運動，進入投種區，在直線推種裝置和種盤的配合作用下，種子由圓周運動變為豎直向下直線運動。設玉米種子為動點，在時間內，從點運動到1點，動坐標11以角速度順時針轉動，動點1具有垂直于種盤法線的牽連速度和與吸孔相切的相對速度，為保證種子以恒定的絕對速度向下運動，需牽連速度v和相對速度v的合速度始終豎直向下且大小不變，種子在1點的速度為：

注：t為排種盤轉動時間，s；α為直線投種區角度，（°）；ω 為排種盤角速度，rad· s-1；ωt為排種盤在t時間內轉過的角度，（°）；M為種子動點；M1為種子轉過角度ωt后的位置點；v為種子的絕對速度，m·s-1；vr為種子與吸孔的相對運動速度，m·s-1；ve為排種盤對種子的牽連運動速度，m·s-1。

為實現種子均勻有序的直線運動，需要使吸孔形狀曲線方程與種子相對運動軌跡曲線方程相同。經過時間后，種子由點運動到1點，在定坐標系中（，0），1（，||）（其中為排種盤的吸孔處半徑），設在動坐標系11中1（1，1），1點在動坐標系11中相對于定坐標系的運動軌跡即為種子的相對運動軌跡，由動坐標系11與定坐標系的關系可知：

由式（2）可知，種子相對運動軌跡為一條以(=)為基圓、為半徑的漸開線，按照種子相對運動軌跡確定種盤吸孔形狀，吸孔即可與直線推種裝置配合實現種子在投種區的直線運動。

2.2 直線落種過程

種子進入投種區在推種裝置和種盤吸孔的配合作用下以絕對速度豎直向下運動，運動至投種位置后氣流阻斷種子脫離種盤，直線推種裝置不再對種子產生力的作用，種子在重力作用下豎直向下加速運動至導種管，完成直線落種。直線落種是直線投種的關鍵，只有保證種子脫離種盤后不受水平方向力的干擾，在重力作用下加速下落，才能實現種子均勻有序下落的直線投種作業，因此需對種子在直線推種階段進行受力分析，明確種子在脫離種盤前的力學關系。以型孔中心為原點建立坐標系222，如圖5所示，2軸正向為直線推種裝置對種子的推力方向，2軸正向為種子所受重力的反向。種子吸附在型孔處，未脫離種盤吸附力的情況下，種子在投種區受力平衡：

注：為排種盤吸孔處半徑，mm；為種子相對于水平面轉過的角度，（°）；為種子的自身重力，N；N、N為種子所受支持力在軸和軸的分力，N；F、F為種子所受摩擦力在軸和軸的分力，N；為種子所受離心力，N；J、J為種子所受離心力在軸和軸的分力，N；F為直線推種裝置對種子的推力，N；1為種子進入導種管的速度，m·s-1。

Note:is the radius of seed-metering plate at the suction hole, mm;is the rotation angle of the seed relative to the horizontal plane, (°) ;is gravity of the seed, N;N,Nare the components of the seed's supporting force on the-axis and-axis, N;F,Fare the components of the friction force on the-axis and-axis of the seed, N;is centrifugal force on the seed, N;J,Jare the components of the centrifugal force on the-axis and-axis of the seed, N;Fis the thrust of the linear seed pushing device on the seed, N;1is the speed of the seed enter the seed tube, m·s-1.

圖5 直線投種過程受力分析

Fig.5 Force analysis of linear seeding process

由式（3）可知，推種階段種子在2方向受到的推力F和離心力在2方向的分力J與摩擦阻力F和支持力N平衡，在2方向受到的重力和離心力在2方向的分力J與摩擦阻力F和支持力N平衡，種子豎直向下勻速直線運動。種子到達投種位置，氣流阻斷，種子脫離種盤，推力F、摩擦阻力F、離心力和支持力均不再作用，且種子在進入直線落種階段時僅有豎直向下的速度，不會與直線推種裝置碰撞偏離直線落種軌跡，通過對投種區末端流場的測量發現投種區末端氣流壓力分布均勻且數值較小，對種子運動干擾較小，可忽略不計，因此種子脫離種盤后僅受自身重力作用，不受橫向力的干擾，繼續保持速度方向豎直向下，可實現直線落種。

3 直線投種關鍵參數

3.1 投種區域劃分

為確定合適的直線推種裝置，保證穩定有序的直線投種作業，首先要對投種區進行劃分。依據種子在投種區平穩運移的原則，將整個投種區劃分為投種過渡區（角度），直線推種區（角度），直線落種區（角度），如圖6所示。投種過渡區起到引導穩定吸附種子進入直線推種區的作用；直線推種區將穩定吸附的種子直線向下引導，保證種子具有豎直向下的絕對速度；到達投種位置，氣流阻斷，種子沿豎直方向脫離種盤，進入直線落種區，豎直加速脫離排種器進入導種管，完成投種作業。各功能區域大小是保證平穩導種、直線推種、直線落種的關鍵。

注：β為投種過渡區角度，（°）；δ為直線推種區角度，（°）；θ為直線落種區角度，（°）；A1為弧線引導段起點；A2為弧線引導段中間點；A3為弧線引導段末端點；A4為弧線引導段初始位置的型孔；A5為弧線引導段中間位置的型孔；A6為直線引導段末端。

投種過渡區將種子順暢引導至直線推種段，避免高速作業情況下種子與推種裝置碰撞，投種過渡區角度過大會增加種子與推種裝置的摩擦接觸距離，降低過渡階段運移的平穩性；過小，摩擦接觸運移距離縮短，減弱了過渡段的引導作用，增加了碰撞情況的發生，結合前期試驗確定投種過渡區域角度為30°。

投種位置決定了直線推種區和直線落種區范圍大小，是直線推種區與直線落種區的分界點，在直線推種區種子沿直線推種裝置向下運動至投種位置后，氣流阻斷，種子脫離種盤進入直線落種區，投種位置可用直線推種區角度（阻斷氣流位置與軸的夾角）和直線落種區角度（阻斷氣流位置與排種口的夾角）來表示。投種位置過高（即過小，過大）時，種子脫離種盤后易受種腔內氣流、種盤、推種裝置干擾，偏離直線運動軌跡，增加了碰撞異位情況發生，影響排種器的排種質量；投種位置過低（即過大，過小）時，氣流阻斷位置距離排種口位置過近，排種口氣流較強，對脫離種盤種子干擾較強，運動軌跡難以保證一致。結合直線推種裝置和排種盤尺寸參數確定直線推種區角度與直線落種區角度的和為36°，其中最佳投種位置、合適的直線推種區角度和直線落種區角度通過后續試驗進一步確定。

3.2 推種裝置參數確定

推種裝置主要起到引導種子直線運動的作用。吸附在種盤上的種子進入投種區與推種裝置引導面接觸，沿著推種裝置引導面完成直線投種。推種裝置的引導面由引導種子由圓周運動變為直線運動的引導線沿垂直種盤方向拉伸形成，如圖6所示，引導線主要由弧形引導段和直線引導段36組成，弧形引導段對應投種過渡區，直線引導段對應直線推種區和直線落種區。在坐標系中，設各點坐標為1（1，1）、2（2，2）、3（3，3）、4（4，4），5（5，5），6（6，6）。由于種子進入投種過渡段在型孔上的吸附狀態不同，有長度方向吸附、寬度方向吸附和厚度方向吸附幾種情況，為滿足種子引導段平滑過渡的要求，需要各個吸附姿態的種子在弧段上均能與推種裝置接觸，即在弧線引導段初始點1種子沿長度方向開始接觸，在弧線引導段中間點2沿寬度方向開始接觸，在弧線引導段末端點3與吸孔接觸，其中1與4在一條直線上，距離為種子長度的一半，2與5在一條直線上，距離為種子寬度的一半，由幾何關系有：

由式（4）可知，點1、2、3、4、5、6的坐標位置與排種盤吸孔處半徑、種子的長度和寬度、投種過渡區角度直線推種區角度直線落種區角度以及吸孔直徑有關。本文排種盤周向均勻布置25個吸孔，=82.5 mm，吸孔直徑=5 mm。本文以鄭單958玉米種子為研究對象，對1 000粒種子的外形尺寸參數進行測量，得到種子的平均長、寬為=11.2 mm，=8.9 mm，將上述參數帶入式（4）中，得到各點坐標：1（66.6，38.5）、2（75.4，18.2）、3（80，0）、4（71.4，41.3）、5（79.7，21.4），6（80，58.1）。為保證吸附在型孔上的種子平穩過渡到直線推種段，引導段形狀為圓弧形，依據圓曲線方程的確定方法，設13弧線為圓心1（，）、半徑1的圓上的弧段，則有：

(-)2(-)212（5）

過渡段經過1、2、3，將3點的坐標帶入式（5）中可得

通過式（6）可得13弧線的圓心1（-11.05，-10.11），半徑1=91.6 mm，帶入式（6）可得過渡段13的弧線方程為

(11.05)2(10.11)291.62（7）

種子經過弧段13進入直線引導段36，36為豎直方向的直線，點3（6）在軸坐標即為直線引導段所在位置，由此確定投種直線引導段的位置坐標=80，將引導弧線沿垂直種盤的方向拉伸即可獲得推種裝置引導面。

4 排種性能試驗

4.1 試驗材料與設備

試驗選用未分級處理的鄭單958玉米種子為試驗對象，千粒質量為308.1 g。排種器安裝在中國農業大學自主研發的排種器性能檢測試驗臺[31]上，如圖7所示，主要包括排種器性能檢測儀、導種管、臺架和具有直線投種功能的氣吸式高速精量排種器。將排種器安裝在試驗臺架上，排種器下方裝有導種管，排種器性能檢測儀通過導種管上的紅外傳感器采集排種信息，傳送給檢測儀終端，計算并顯示排種粒距合格率、漏播率、重播率和排種粒距變異系數等排種性能參數。

1.排種器性能檢測裝置 2.導種管 3.臺架 4.氣吸式玉米高速精量排種器

4.2 試驗方法與指標

選取影響排種器投種作業性能的排種器作業速度和投種位置為試驗因素進行全因素試驗[32]，其中排種器作業速度水平根據高速作業工況下的要求選取，確定8、10、12和14 km/h共4個水平。投種位置是劃分直線推種區和直線落種區的分界點，可用直線推種區角度和直線落種區角度來表示，通過前文理論分析確定直線推種區角度和直線落種區角度的和為36°，為獲取較優的投種位置，根據全因素試驗水平選取方法，選取投種位置為水平位置（即=0°，=36°）、中間位置（即=18°，=18°）和末端位置（即=36°，=0°）3個水平，各因素的水平如表 1所示。其中，投種位置通過更換后殼體末端阻氣件進行調節，如圖8所示。

表1 試驗因素水平表

1.后殼體 2.水平位置阻氣件 3.中間位置阻氣件 4.末端位置阻氣件

結合前期工作壓力試驗，確定試驗工作壓力為3.5 kPa；根據玉米種植株距要求，確定試驗株距為25 cm。根據GB/T 6973—2005《單粒（精密）播種機試驗方法》[33]進行試驗，每組試驗統計251粒種子，重復3次。

4.3 試驗結果與分析

對試驗結果進行顯著性分析，結果如表2所示，表中數據格式為平均值±標準差。

由表2可知，投種位置對排種粒距合格率有顯著影響，在各個作業速度下，投種位置在中間位置（=18°，=18°）時排種粒距合格率顯著優于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°），播種效果更好。作業速度對排種粒距合格率也存在顯著影響，在作業速度大于10 km/h時，各個投種位置下排種粒距合格率均隨著作業速度的增大顯著降低，且在投種位置為中間位置（=18°，=18°）時，排種粒距穩定性相對于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°）更好，播種效果更佳。投種位置和作業速度對漏播率均具有顯著性影響，投種位置在中間位置（=18°，=18°）時，對作業速度的適應性最好，在12 km/h以下漏播率沒有顯著升高，投種位置在水平位置（=0°，=36°）時對作業速度的適應性較好，在10 km/h以下漏播率沒有顯著升高；投種位置在末端位置（=36°，=0°）時，對作業速度的適應性最差，隨著作業速度的升高，漏播率顯著增加。投種位置對排種粒距變異系數有顯著性影響。在投種位置為中間位置（=18°，=18°）時，相對于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°）排種粒距變異系數最小，排種過程中的彈跳最少，排種均勻性最好。作業速度對排種粒距變異系數也具有顯著性影響，在各個投種位置條件下，隨著作業速度的升高，種子的彈跳碰撞異位情況加劇，粒距均勻性降低，排種粒距變異系數均顯著升高。

表2 雙因素試驗結果

注：不同小寫字母a～i表示處理間在0.05水平差異顯著。

Note: Different small letters a-i indicated that there was significant difference between the treatments at 0.05 level.

全因素試驗結果表明，投種位置為中間位置（=18°，=18°）時排種性能各項指標均顯著優于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°），播種效果更佳。原因在于投種位置過高時，種子脫離種盤后在排種器內運動距離過大，易受種腔內氣流、種盤、推種裝置干擾，偏離直線運動軌跡，產生碰撞異位，造成粒距均勻性下降，排種粒距合格率降低，漏播率升高；投種位置過低時，氣流阻斷位置距離排種口位置過近，排種口氣流對脫離種盤的種子干擾較強，運動軌跡難以保證，造成株距均勻性降低，排種粒距合格率降低，漏播率升高。

4.4 回歸分析

對試驗結果進行回歸分析，各因素及其交互作用對排種粒距合格率1、漏播率2、排種粒距變異系數3的影響如表3所示。作業速度1、投種位置2對排種粒距合格率、漏播率和排種粒距變異系數均有顯著性影響，作業速度1、投種位置2的交互作用對排種粒距合格率影響顯著。

根據方差分析結果，考慮各個因素及其交互作用對指標的影響，得到3個性能指標的擬合回歸方程：

表3 各參數對排種性能的顯著性分析

注：＞0.05表示不顯著；*表示顯著，0.01<≤0.05；**表示極顯著，≤0.01。

Note:＞0.05 means not significant; * means significant, 0.01<≤0.05; ** means highly significant,≤0.01.

根據試驗結果和擬合回歸方程，以合格率、漏播率以及變異系數為尋優條件采用Design-Expert軟件進行處理[34]，得出較優投種位置為=15°，=21°，作業速度12 km/h時，排種粒距合格率為98.54%，漏播率為0.79%，排種粒距變異系數為15.19%。

4.5 優化結果驗證與對比試驗

為驗證上述試驗優化得到的最佳投種位置，在投種位置=15°、=21°的條件下進行驗證試驗。為考察直線投種方式對排種器性能改善效果，采用同一排種器結構增加直線投種和原有阻氣投種（在投種位置阻斷氣流，靠種子自身重力實現投種作業）進行對比試驗。選取作業速度為8、10、12和14 km/h。在相同試驗條件下選用玉米品種鄭單958進行試驗，每組試驗統計251粒種子，以排種粒距合格率、漏播率和排種粒距變異系數為評價指標，每組試驗重復3次，試驗結果如表4所示。

表4 優化結果驗證試驗及對比試驗結果

優化驗證試驗結果表明，在投種位置為=15°和=21°、作業速度12 km/h時，排種粒距合格率為98.68%，漏播率為0.69%，排種粒距變異系數為15.03%，與理論優化結果基本一致。因此確定直線推種區范圍角度為15°，直線落種區范圍角度為21°。

對比試驗結果表明，采用直線投種方式在各個作業速度條件下排種器性能均有所改善，且隨著作業速度的提高，改善效果越明顯。在14 km/h時，較原有阻氣投種的排種粒距合格率提高4.22個百分點，漏播率降低4.20個百分點，排種粒距變異系數降低4.55個百分點。采用原有阻氣投種方式，由于種子外形尺寸存在差異，導致落種位置不同，進入導種管的角度不穩，易與導種管內壁產生碰撞異位，且隨著作業速度的增加，碰撞異位情況越嚴重，采用直線投種方式可大大改善播種效果，提高作業速度。

對試驗結果進一步分析可知：隨著作業速度的升高，原有阻氣投種和直線投種均表現出排種器作業效果變差的趨勢，這與氣吸式排種器相關研究結果一致[35-37]。究其原因在于，隨著作業速度的升高，充種時間縮短，清種沖擊變大，投種碰撞彈跳加劇，導致播種作業效果變差，是由排種器綜合性能決定的。而直線投種在各個作業速度條件下對排種器性能均有所改善，且隨著作業速度的升高，改善效果越明顯。

4.6 品種適應性試驗

為考察具有直線投種功能的氣吸式高速精量排種器對不同品種的適應性，選取應用較廣的先玉335、登海605和京農科728玉米種子進行適應性試驗，選取作業速度為8、10、12和14 km/h，采用相同試驗條件，考察排種粒距合格率、漏播率和排種粒距變異系數3個評價指標，試驗結果如表5所示。

表5 品種適應性試驗結果

適應性試驗結果表明，在作業速度8～14 km/h時，先玉335、登海605和京農科728的排種性能相較于鄭單958有所降低，但排種粒距合格率均大于96.5%，漏播率均小于1.8%，排種粒距變異系數均小于17.7%，滿足精量播種要求。對于不同品種的玉米種子，在不改變排種器及直線推種裝置結構時，具有直線投種功能的氣吸式玉米高速精量排種器仍然表現出良好的排種效果，對種子具有良好的適應性。究其原因在于，推種裝置參數確定時僅有弧形引導段是根據鄭單958玉米種子外形尺寸參數確定的，弧形引導段主要起到平滑引導過渡的作用，播種先玉335、登海605和京農科728玉米種子時，弧形引導段的平滑引導過渡作用有所下降，會導致極少數的種子提前掉落造成排種性能稍差，但仍能保證良好的排種效果。

5 結 論

1）針對氣吸式玉米精量排種器在高速作業條件下投種過程中種子在導種管內碰撞異位造成播種質量下降的問題，提出一種直線投種方法，并對直線投種原理進行分析，明確種子在投種過程中的運動和受力關系，確定了推種裝置引導曲線參數。

2）選取投種位置和作業速度為主要因素進行全因素試驗，并對試驗結果進行顯著性分析，確定了因素與指標的回歸方程，以排種粒距合格率、漏播率以及排種粒距變異系數為尋優條件，確定較優的投種位置為=15°，=21°。在較優投種位置下進行驗證試驗，試驗結果表明，在12 km/h時，排種粒距合格率為98.68%，漏播率為0.69%，排種粒距變異系數為15.03%，與理論優化結果基本一致。

3）采用同一排種器結構增加直線投種方式和原有阻氣投種方式進行對比試驗，試驗結果表明，直線投種方式在各個作業速度條件下對排種器性能均有所改善，且隨著作業速度的提高，改善效果越明顯。在作業速度14 km/h時，較原有阻氣投種的排種粒距合格率提高4.22個百分點，漏播率降低4.20個百分點，排種粒距變異系數降低4.55個百分點，表明高速作業條件下，采用直線投種方式可大大改善播種效果，提高作業速度。

4）適應性試驗結果表明，在作業速度8～14 km/h時，先玉335、登海605和京農科728的排種粒距合格率均大于96.5%，漏播率均小于1.8%，排種粒距變異系數均小于17.7%，滿足精量播種要求，具有直線投種功能的氣吸式高速精量排種器對種子具有良好的適應性。

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Analysis and test of linear seeding process of maize high speed precision metering device with air suction

Li Yuhuan, Yang Li※, Zhang Dongxing, Cui Tao, Zhang Kailiang, Xie Chunji, Yang Ruimei

(1.,,100083,; 2.,100083,)

In order to solve the problems that the seed and seed tube collision may reduce the qualified seeding rate and increase the coefficient of variation during the seeding process of the air suction precision maize seed metering device at high working speed, a method of seed throwing in a straight line by using linear seeds pushing device and suction hole of seed plate was presented in this paper. The linear seeds throwing process included three stages. Firstly, seeds attached to the seed plate steadily move in a circle with the seed plate during the range of transition area. Secondly, the seeds moved straight down at an absolute velocity with the seeds linear pushing device during the range of linear pushing area. Finally, seeds entered into the range of linear falling area and accelerated straight down, and then entered the seed tube, the seeds in the seed tube evenly and orderly dropped into the seed ditch. The principle of seed falling in a straight line was analyzed, the motion and mechanical relationships between the seeds and the air suction precision maize seed metering device during the seeds linear falling process were explained, the curve equation of suction hole of seed plate was defined, the structural curve equation of the seed pushing device was determined. In order to explore the effects of seed feeding position and working speed on the seed metering performance of seed metering device, the whole factor test was carried out with the seed feeding position and working speed as the influencing factors, and with the qualified rate of seeding spacing, the missing seeding rate and the coefficient of variation of seeding spacing as the test indexes. In addition, the significance of the test results was analyzed, and the regression equations of each factor and test indexes were determined. The maize seeds of Zhengdan 958 were used as objects of indoor bench test. The results showed that the optimal seed feeding position was that the angle of the linear seed pushing area was 15°and the angle of linear seed falling area was 21°. The verification test results showed that the qualified seeding spacing rate was 98.68%, the missing seeding rate was 0.69%, and the coefficient of variation of seeding spacing was 15.03% at the working speed of 12 km/h, which was consistent with the theoretical optimization results. The comparison tests were conducted between the linear seeding and the ordinary choke seeding. The results showed that all the indexes improved at all working speed on the basis of meeting the national standard requirements. With the working speed increased, the improvement effect became better. At the working speed of 14 km/h, compared with the ordinary choke seeding, the qualified rate of seeding spacing was increased by 4.22 percentage points, the missing seeding rate was reduced by 4.20 percentage points, and the coefficient of variation of seeding spacing was reduced by 4.55 percentage points, which indicated that the linear seeding could effectively improve the seeding effects at high working speed The results of adaptability tests showed that the seeding performance of Xianyu 335, Denghai 605 and Jingnongke 728 was lower than that of Zhengdan 958, but the qualified rate of seeding spacing was higher than 96.5%, the missing seeding rate was lower than 1.8%, and the coefficient of variation of seeding spacing was lower than 17.7%, which still met the requirements of the precision sowing.

agricultural machinery; seeds; experiments; air suction seed metering device; high speed precision; seed plate; linear seed falling

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.003

S233.71

A

1002-6819(2020)-09-0026-10

李玉環，楊麗，張東興，等. 氣吸式玉米高速精量排種器直線投種過程分析與試驗[J]. 農業工程學報，2020，36(9)：26-35.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.003 http://www.tcsae.org

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Analysis and test of linear seeding process of maize high speed precision metering device with air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 26-35. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.09.003 http://www.tcsae.org

2019-12-22

2020-04-23

十三五國家重點研發計劃“精量播種技術裝備研發”（NO.2017YFD0700703）；國家自然科學基金資助項目（51575515）；國家玉米產業技術體系建設項目（CARS-02）

李玉環，博士生，研究方向為農業裝備設計與理論研究。Email：18612897966@163.com

楊麗，博士，教授，博士生導師，主要從事農業裝備智能化和玉米生產全程機械化研究。Email：yangli@cau.edu.cn

中國農業工程學會會員：楊麗（E041200411S）