气吸式玉米高速精量排种器直线投种过程分析与试验

李玉环，杨 丽，张东兴，崔 涛，张凯良，解春季，杨瑞梅

气吸式玉米高速精量排种器直线投种过程分析与试验

李玉环，杨 丽※，张东兴，崔 涛，张凯良，解春季，杨瑞梅

（1. 中国农业大学工学院，北京 100083；2. 农业农村部土壤-机器-植物系统技术重点实验室，北京 100083）

为解决气吸式玉米精量排种器在高速作业条件下投种过程种子与导种管碰撞异位造成排种粒距合格率下降和排种粒距变异系数增大的问题，该文提出了一种利用推种装置配合种盘吸孔实现直线投种的方法，并对直线投种原理进行分析，阐明直线投种过程中种子与排种器的运动和力学关系，明确种盘吸孔曲线方程，确定了推种装置结构曲线参数方程。选取投种位置和作业速度为主要因素进行全因素试验，对试验结果进行显著性分析，确定了因素与指标的回归方程，以排种粒距合格率、漏播率以及排种粒距变异系数为寻优条件，确定较优的投种位置为直线推种区角度=15°，直线落种角度=21°，并进行验证试验。试验结果表明，作业速度12 km/h时，排种粒距合格率为98.68%，漏播率为0.69%，排种粒距变异系数为15.03%，与理论优化结果基本一致。进行了直线投种方式与原有阻气投种方式的对比试验，结果表明，各个作业速度下排种器性能指标均有所提升，且提升幅度随着作业速度的提高而增大，在作业速度14 km/h时，直线投种较原有阻气投种排种粒距合格率提高4.22个百分点，漏播率降低4.20个百分点，排种粒距变异系数降低4.55个百分点，采用直线投种方式可大大改善播种效果，提高作业速度。

农业机械；种子；试验；气吸式排种器；高速精量；排种盘；直线投种

0 引 言

机械化精量播种是依据农艺要求的播种密度，按照一致行距、均匀粒距和精确深度将种子播入土壤并准确定位，作为机械化种植的主要方式，已被广泛应用[1-5]。精量排种器作为精量播种机的核心部件，其工作性能直接影响播种质量。气吸式精量排种器具有播种精度高、对种子尺寸要求不严、适应性强以及作业速度高等诸多优点，在高速精量播种机上应用最为广泛[6-9]。国内外众多学者对气吸式排种器做了大量研究，但大部分是针对充种功能的实现，对均匀投种的研究相对较少。

国外学者研究表明采用不同的导种管对排种器性能有影响[10]，选择合适的导种装置可保证播种粒距均匀性[11]。国外播种机企业现在多采用二次投种装置实现种子的平稳运移[12-14]，美国John Deere公司采用毛刷带式输种装置用于种子的二次投种，可通过实时调整毛刷带的转速，使种子落入种床的水平分速度与播种机前进速度抵消，达到零速投种[15]。Precision Planting公司研发的Speedtube安装在排种口处，采用相对旋转的取种轮将种子转移至传动带上的隔断，并运送至种沟，传动带与播种机前进速度匹配，保证了种子落地平稳性[16]。Maschio公司研发的Chrono高速播种机采用高速气流送种技术，脱离排种器的种子在高速气流的作用下播入种沟，减少了导种管内的碰撞异位，保证了株距的均匀性[17]。关于均匀投种国内学者也进行了相关研究，刘立晶等[18]采用三维逆向工程技术改进了弧形导种管，提高了播种精度。陈学庚等[19]开发了一种与取种盘转速、播种机行走速度相关、传动与投种机构一体的带式导种装置，并确定了该气吸式排种器带式导种装置的主要结构参数，提高了播种精度。刘全威等[20-21]提出一种机械玉米籽粒导送机构及精确投种方法，通过带轮传送提高播种均匀性与平稳性。投种的研究主要通过改善导种管结构形式和采用二次投种原理实现种子在导种管内的平稳运移，缺少关于种子脱离种盘至进入导种装置实现平稳有序落种的相关研究[22-25]。在高速作业工况下，种子脱离种盘平稳有序地进入导种装置有利于减少种子在导种管内碰撞异位造成的株距均匀性差、重漏播增加的情况发生，研究种子平稳有序地投种技术，对改善排种器性能，在不增加二次投种装置下提高排种器作业速度，实现精量播种作业具有重要意义。

为改善气吸式排种器高速作业状态下播种的均匀性，实现高速精量播种作业，对投种过程进行研究，提出一种直线推种装置配合种盘吸孔实现直线投种的方法，明确种子整个投种过程的运动和力学关系，确定直线投种部件的关键参数，提高高速作业工况下的播种质量。

1 投种过程对播种株距均匀性的影响

1.1 原投种过程分析

现有气吸式精量播种机多采用高位投种，落种口与地面种沟间的距离较大，需要配备导种管进行导种作业[26-28]。前期研制的气吸式精量排种器采用普通阻气投种、导种管导种的方式，试验研究发现，在高速作业工况下，由于种子外形尺寸存在差异、机具振动较大，导致落种位置不同，种子射入导种管的角度存在差异，易与导种管内壁产生碰撞，破坏原本有序的种子流，降低播种粒距均匀性，影响播种质量[29-30]。如图1所示，根据种子脱离排种器进入导种管的入射情况，可将种子射入导种管情况分为4种：种子射入导种管的角度偏向导种管后方，且角度较小，种子产生与播种机前进方向相反的较大分速度，下落过程中不与导种管后壁碰撞，延缓投种（图1中的1）；种子射入导种管的角度偏向导种管后方，且角度较大，种子产生与播种机前进方向相反的较小分速度，与导种管接触，导种管不起作用，造成提前投种（图1中的2）；种子射入导种管的角度偏向导种管前方，种子产生与播种机前进方向相同的分速度，与导种管前壁产生碰撞，延缓投种（图 1中的3）；以上3种情况均会造成播种株距均匀性下降。第4种为种子沿着导种管前壁竖直射入导种管，紧贴导种管前壁运动，均匀有序地落入种沟（图1中的4）。综上4种情况，在高速作业情况下，造成导种管内碰撞异位加剧的主要原因是种子脱离种盘时产生了不同大小的水平方向分速度，因此本文提出一种直线投种方法，以避免投种过程中产生水平分速度，使种子呈直线稳定有序状态落入导种管，在不增加二次投种装置下提高播种机作业质量。

1.2 排种器结构与工作原理

以前期研制的气吸式高速精量排种器为载体，在前壳体上安装直线推种装置，与种盘配合作用实现直线投种功能，实现高速（本研究的高速精量排种器旨在实现10 km/h以上作业速度）工况下的精量（依据玉米播种的农艺要求，精量播种为满足国标要求的基础上，实现单粒率高、株距均匀性好的机械化播种）播种作业。具有直线投种功能的气吸式高速精量排种器结构如图2所示，主要由卸种挡板、前壳体、后壳体、种盘、清种机构、直线推种装置、传动轴、吸道等组成。其中种盘和直线推种装置为实现直线投种的核心部件，种盘沿周向开有充种条孔，固定在传动轴上，与后壳体紧密贴合形成吸孔；直线推种装置结构如图3所示。工作时，直线推种装置与种盘配合作用，将投种区随种盘做圆周运动的种子引导为竖直向下的直线运动，以实现直线投种作业。

1.土壤 2.种沟 3.导种管 4.卸种挡板 5.快卸装置 6.前壳体 7.后壳体 8.种盘 9.清种机构 10.传动轴 11.清种机构调节装置 12.直线推种装置 13.进气口

1.前壳体 2.直线推种装置 3.直线推种装置安装定位销 4.壳体安装定位销

工作过程中，种子在负压作用下吸附在型孔上，经过清种机构将多余的种子清除，保留单孔单粒种子，在直线推种装置和排种盘吸孔的共同作用下种子沿着推种装置竖直向下运动，到达投种位置时气流阻断种子脱离种盘，沿竖直方向进入导种管，沿导种管落入种沟，完成排种作业。

2 直线投种过程分析

直线投种主要包括直线推种和直线落种2个过程。直线推种通过直线推种装置和种盘吸孔配合作用将种子由随种盘的圆周运动引导为竖直向下的匀速直线运动，是实现直线投种的前提；直线落种是种子脱离种盘的吸附力后不受横向力的干扰，在重力作用下继续保持竖直向下的直线运动，稳定有序地沿竖直方向落入导种管，是实现直线投种的关键。

2.1 直线推种过程

为保证种子在投种过程中具有竖直向下的匀速直线运动，对推种阶段种子运动进行分析，如图4所示。工作过程中，种盘在传动轴的带动下做角速度为的顺时针转动，种子吸附在种盘吸孔上，进入投种区之前随种盘做角速度为的圆周运动，进入投种区，在直线推种装置和种盘的配合作用下，种子由圆周运动变为竖直向下直线运动。设玉米种子为动点，在时间内，从点运动到1点，动坐标11以角速度顺时针转动，动点1具有垂直于种盘法线的牵连速度和与吸孔相切的相对速度，为保证种子以恒定的绝对速度向下运动，需牵连速度v和相对速度v的合速度始终竖直向下且大小不变，种子在1点的速度为：

注：t为排种盘转动时间，s；α为直线投种区角度，（°）；ω 为排种盘角速度，rad· s-1；ωt为排种盘在t时间内转过的角度，（°）；M为种子动点；M1为种子转过角度ωt后的位置点；v为种子的绝对速度，m·s-1；vr为种子与吸孔的相对运动速度，m·s-1；ve为排种盘对种子的牵连运动速度，m·s-1。

为实现种子均匀有序的直线运动，需要使吸孔形状曲线方程与种子相对运动轨迹曲线方程相同。经过时间后，种子由点运动到1点，在定坐标系中（，0），1（，||）（其中为排种盘的吸孔处半径），设在动坐标系11中1（1，1），1点在动坐标系11中相对于定坐标系的运动轨迹即为种子的相对运动轨迹，由动坐标系11与定坐标系的关系可知：

由式（2）可知，种子相对运动轨迹为一条以(=)为基圆、为半径的渐开线，按照种子相对运动轨迹确定种盘吸孔形状，吸孔即可与直线推种装置配合实现种子在投种区的直线运动。

2.2 直线落种过程

种子进入投种区在推种装置和种盘吸孔的配合作用下以绝对速度竖直向下运动，运动至投种位置后气流阻断种子脱离种盘，直线推种装置不再对种子产生力的作用，种子在重力作用下竖直向下加速运动至导种管，完成直线落种。直线落种是直线投种的关键，只有保证种子脱离种盘后不受水平方向力的干扰，在重力作用下加速下落，才能实现种子均匀有序下落的直线投种作业，因此需对种子在直线推种阶段进行受力分析，明确种子在脱离种盘前的力学关系。以型孔中心为原点建立坐标系222，如图5所示，2轴正向为直线推种装置对种子的推力方向，2轴正向为种子所受重力的反向。种子吸附在型孔处，未脱离种盘吸附力的情况下，种子在投种区受力平衡：

注：为排种盘吸孔处半径，mm；为种子相对于水平面转过的角度，（°）；为种子的自身重力，N；N、N为种子所受支持力在轴和轴的分力，N；F、F为种子所受摩擦力在轴和轴的分力，N；为种子所受离心力，N；J、J为种子所受离心力在轴和轴的分力，N；F为直线推种装置对种子的推力，N；1为种子进入导种管的速度，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.

图5 直线投种过程受力分析

Fig.5 Force analysis of linear seeding process

由式（3）可知，推种阶段种子在2方向受到的推力F和离心力在2方向的分力J与摩擦阻力F和支持力N平衡，在2方向受到的重力和离心力在2方向的分力J与摩擦阻力F和支持力N平衡，种子竖直向下匀速直线运动。种子到达投种位置，气流阻断，种子脱离种盘，推力F、摩擦阻力F、离心力和支持力均不再作用，且种子在进入直线落种阶段时仅有竖直向下的速度，不会与直线推种装置碰撞偏离直线落种轨迹，通过对投种区末端流场的测量发现投种区末端气流压力分布均匀且数值较小，对种子运动干扰较小，可忽略不计，因此种子脱离种盘后仅受自身重力作用，不受横向力的干扰，继续保持速度方向竖直向下，可实现直线落种。

3 直线投种关键参数

3.1 投种区域划分

为确定合适的直线推种装置，保证稳定有序的直线投种作业，首先要对投种区进行划分。依据种子在投种区平稳运移的原则，将整个投种区划分为投种过渡区（角度），直线推种区（角度），直线落种区（角度），如图6所示。投种过渡区起到引导稳定吸附种子进入直线推种区的作用；直线推种区将稳定吸附的种子直线向下引导，保证种子具有竖直向下的绝对速度；到达投种位置，气流阻断，种子沿竖直方向脱离种盘，进入直线落种区，竖直加速脱离排种器进入导种管，完成投种作业。各功能区域大小是保证平稳导种、直线推种、直线落种的关键。

注：β为投种过渡区角度，（°）；δ为直线推种区角度，（°）；θ为直线落种区角度，（°）；A1为弧线引导段起点；A2为弧线引导段中间点；A3为弧线引导段末端点；A4为弧线引导段初始位置的型孔；A5为弧线引导段中间位置的型孔；A6为直线引导段末端。

投种过渡区将种子顺畅引导至直线推种段，避免高速作业情况下种子与推种装置碰撞，投种过渡区角度过大会增加种子与推种装置的摩擦接触距离，降低过渡阶段运移的平稳性；过小，摩擦接触运移距离缩短，减弱了过渡段的引导作用，增加了碰撞情况的发生，结合前期试验确定投种过渡区域角度为30°。

投种位置决定了直线推种区和直线落种区范围大小，是直线推种区与直线落种区的分界点，在直线推种区种子沿直线推种装置向下运动至投种位置后，气流阻断，种子脱离种盘进入直线落种区，投种位置可用直线推种区角度（阻断气流位置与轴的夹角）和直线落种区角度（阻断气流位置与排种口的夹角）来表示。投种位置过高（即过小，过大）时，种子脱离种盘后易受种腔内气流、种盘、推种装置干扰，偏离直线运动轨迹，增加了碰撞异位情况发生，影响排种器的排种质量；投种位置过低（即过大，过小）时，气流阻断位置距离排种口位置过近，排种口气流较强，对脱离种盘种子干扰较强，运动轨迹难以保证一致。结合直线推种装置和排种盘尺寸参数确定直线推种区角度与直线落种区角度的和为36°，其中最佳投种位置、合适的直线推种区角度和直线落种区角度通过后续试验进一步确定。

3.2 推种装置参数确定

推种装置主要起到引导种子直线运动的作用。吸附在种盘上的种子进入投种区与推种装置引导面接触，沿着推种装置引导面完成直线投种。推种装置的引导面由引导种子由圆周运动变为直线运动的引导线沿垂直种盘方向拉伸形成，如图6所示，引导线主要由弧形引导段和直线引导段36组成，弧形引导段对应投种过渡区，直线引导段对应直线推种区和直线落种区。在坐标系中，设各点坐标为1（1，1）、2（2，2）、3（3，3）、4（4，4），5（5，5），6（6，6）。由于种子进入投种过渡段在型孔上的吸附状态不同，有长度方向吸附、宽度方向吸附和厚度方向吸附几种情况，为满足种子引导段平滑过渡的要求，需要各个吸附姿态的种子在弧段上均能与推种装置接触，即在弧线引导段初始点1种子沿长度方向开始接触，在弧线引导段中间点2沿宽度方向开始接触，在弧线引导段末端点3与吸孔接触，其中1与4在一条直线上，距离为种子长度的一半，2与5在一条直线上，距离为种子宽度的一半，由几何关系有：

由式（4）可知，点1、2、3、4、5、6的坐标位置与排种盘吸孔处半径、种子的长度和宽度、投种过渡区角度直线推种区角度直线落种区角度以及吸孔直径有关。本文排种盘周向均匀布置25个吸孔，=82.5 mm，吸孔直径=5 mm。本文以郑单958玉米种子为研究对象，对1 000粒种子的外形尺寸参数进行测量，得到种子的平均长、宽为=11.2 mm，=8.9 mm，将上述参数带入式（4）中，得到各点坐标：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）。为保证吸附在型孔上的种子平稳过渡到直线推种段，引导段形状为圆弧形，依据圆曲线方程的确定方法，设13弧线为圆心1（，）、半径1的圆上的弧段，则有：

(-)2(-)212（5）

过渡段经过1、2、3，将3点的坐标带入式（5）中可得

通过式（6）可得13弧线的圆心1（-11.05，-10.11），半径1=91.6 mm，带入式（6）可得过渡段13的弧线方程为

(11.05)2(10.11)291.62（7）

种子经过弧段13进入直线引导段36，36为竖直方向的直线，点3（6）在轴坐标即为直线引导段所在位置，由此确定投种直线引导段的位置坐标=80，将引导弧线沿垂直种盘的方向拉伸即可获得推种装置引导面。

4 排种性能试验

4.1 试验材料与设备

试验选用未分级处理的郑单958玉米种子为试验对象，千粒质量为308.1 g。排种器安装在中国农业大学自主研发的排种器性能检测试验台[31]上，如图7所示，主要包括排种器性能检测仪、导种管、台架和具有直线投种功能的气吸式高速精量排种器。将排种器安装在试验台架上，排种器下方装有导种管，排种器性能检测仪通过导种管上的红外传感器采集排种信息，传送给检测仪终端，计算并显示排种粒距合格率、漏播率、重播率和排种粒距变异系数等排种性能参数。

1.排种器性能检测装置 2.导种管 3.台架 4.气吸式玉米高速精量排种器

4.2 试验方法与指标

选取影响排种器投种作业性能的排种器作业速度和投种位置为试验因素进行全因素试验[32]，其中排种器作业速度水平根据高速作业工况下的要求选取，确定8、10、12和14 km/h共4个水平。投种位置是划分直线推种区和直线落种区的分界点，可用直线推种区角度和直线落种区角度来表示，通过前文理论分析确定直线推种区角度和直线落种区角度的和为36°，为获取较优的投种位置，根据全因素试验水平选取方法，选取投种位置为水平位置（即=0°，=36°）、中间位置（即=18°，=18°）和末端位置（即=36°，=0°）3个水平，各因素的水平如表 1所示。其中，投种位置通过更换后壳体末端阻气件进行调节，如图8所示。

表1 试验因素水平表

1.后壳体 2.水平位置阻气件 3.中间位置阻气件 4.末端位置阻气件

结合前期工作压力试验，确定试验工作压力为3.5 kPa；根据玉米种植株距要求，确定试验株距为25 cm。根据GB/T 6973—2005《单粒（精密）播种机试验方法》[33]进行试验，每组试验统计251粒种子，重复3次。

4.3 试验结果与分析

对试验结果进行显著性分析，结果如表2所示，表中数据格式为平均值±标准差。

由表2可知，投种位置对排种粒距合格率有显著影响，在各个作业速度下，投种位置在中间位置（=18°，=18°）时排种粒距合格率显著优于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°），播种效果更好。作业速度对排种粒距合格率也存在显著影响，在作业速度大于10 km/h时，各个投种位置下排种粒距合格率均随着作业速度的增大显著降低，且在投种位置为中间位置（=18°，=18°）时，排种粒距稳定性相对于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°）更好，播种效果更佳。投种位置和作业速度对漏播率均具有显著性影响，投种位置在中间位置（=18°，=18°）时，对作业速度的适应性最好，在12 km/h以下漏播率没有显著升高，投种位置在水平位置（=0°，=36°）时对作业速度的适应性较好，在10 km/h以下漏播率没有显著升高；投种位置在末端位置（=36°，=0°）时，对作业速度的适应性最差，随着作业速度的升高，漏播率显著增加。投种位置对排种粒距变异系数有显著性影响。在投种位置为中间位置（=18°，=18°）时，相对于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°）排种粒距变异系数最小，排种过程中的弹跳最少，排种均匀性最好。作业速度对排种粒距变异系数也具有显著性影响，在各个投种位置条件下，随着作业速度的升高，种子的弹跳碰撞异位情况加剧，粒距均匀性降低，排种粒距变异系数均显著升高。

表2 双因素试验结果

注：不同小写字母a～i表示处理间在0.05水平差异显著。

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

全因素试验结果表明，投种位置为中间位置（=18°，=18°）时排种性能各项指标均显著优于水平位置（=0°，=36°）和末端位置（=36°，=0°），播种效果更佳。原因在于投种位置过高时，种子脱离种盘后在排种器内运动距离过大，易受种腔内气流、种盘、推种装置干扰，偏离直线运动轨迹，产生碰撞异位，造成粒距均匀性下降，排种粒距合格率降低，漏播率升高；投种位置过低时，气流阻断位置距离排种口位置过近，排种口气流对脱离种盘的种子干扰较强，运动轨迹难以保证，造成株距均匀性降低，排种粒距合格率降低，漏播率升高。

4.4 回归分析

对试验结果进行回归分析，各因素及其交互作用对排种粒距合格率1、漏播率2、排种粒距变异系数3的影响如表3所示。作业速度1、投种位置2对排种粒距合格率、漏播率和排种粒距变异系数均有显著性影响，作业速度1、投种位置2的交互作用对排种粒距合格率影响显著。

根据方差分析结果，考虑各个因素及其交互作用对指标的影响，得到3个性能指标的拟合回归方程：

表3 各参数对排种性能的显著性分析

注：＞0.05表示不显著；*表示显著，0.01<≤0.05；**表示极显著，≤0.01。

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

根据试验结果和拟合回归方程，以合格率、漏播率以及变异系数为寻优条件采用Design-Expert软件进行处理[34]，得出较优投种位置为=15°，=21°，作业速度12 km/h时，排种粒距合格率为98.54%，漏播率为0.79%，排种粒距变异系数为15.19%。

4.5 优化结果验证与对比试验

为验证上述试验优化得到的最佳投种位置，在投种位置=15°、=21°的条件下进行验证试验。为考察直线投种方式对排种器性能改善效果，采用同一排种器结构增加直线投种和原有阻气投种（在投种位置阻断气流，靠种子自身重力实现投种作业）进行对比试验。选取作业速度为8、10、12和14 km/h。在相同试验条件下选用玉米品种郑单958进行试验，每组试验统计251粒种子，以排种粒距合格率、漏播率和排种粒距变异系数为评价指标，每组试验重复3次，试验结果如表4所示。

表4 优化结果验证试验及对比试验结果

优化验证试验结果表明，在投种位置为=15°和=21°、作业速度12 km/h时，排种粒距合格率为98.68%，漏播率为0.69%，排种粒距变异系数为15.03%，与理论优化结果基本一致。因此确定直线推种区范围角度为15°，直线落种区范围角度为21°。

对比试验结果表明，采用直线投种方式在各个作业速度条件下排种器性能均有所改善，且随着作业速度的提高，改善效果越明显。在14 km/h时，较原有阻气投种的排种粒距合格率提高4.22个百分点，漏播率降低4.20个百分点，排种粒距变异系数降低4.55个百分点。采用原有阻气投种方式，由于种子外形尺寸存在差异，导致落种位置不同，进入导种管的角度不稳，易与导种管内壁产生碰撞异位，且随着作业速度的增加，碰撞异位情况越严重，采用直线投种方式可大大改善播种效果，提高作业速度。

对试验结果进一步分析可知：随着作业速度的升高，原有阻气投种和直线投种均表现出排种器作业效果变差的趋势，这与气吸式排种器相关研究结果一致[35-37]。究其原因在于，随着作业速度的升高，充种时间缩短，清种冲击变大，投种碰撞弹跳加剧，导致播种作业效果变差，是由排种器综合性能决定的。而直线投种在各个作业速度条件下对排种器性能均有所改善，且随着作业速度的升高，改善效果越明显。

4.6 品种适应性试验

为考察具有直线投种功能的气吸式高速精量排种器对不同品种的适应性，选取应用较广的先玉335、登海605和京农科728玉米种子进行适应性试验，选取作业速度为8、10、12和14 km/h，采用相同试验条件，考察排种粒距合格率、漏播率和排种粒距变异系数3个评价指标，试验结果如表5所示。

表5 品种适应性试验结果

适应性试验结果表明，在作业速度8～14 km/h时，先玉335、登海605和京农科728的排种性能相较于郑单958有所降低，但排种粒距合格率均大于96.5%，漏播率均小于1.8%，排种粒距变异系数均小于17.7%，满足精量播种要求。对于不同品种的玉米种子，在不改变排种器及直线推种装置结构时，具有直线投种功能的气吸式玉米高速精量排种器仍然表现出良好的排种效果，对种子具有良好的适应性。究其原因在于，推种装置参数确定时仅有弧形引导段是根据郑单958玉米种子外形尺寸参数确定的，弧形引导段主要起到平滑引导过渡的作用，播种先玉335、登海605和京农科728玉米种子时，弧形引导段的平滑引导过渡作用有所下降，会导致极少数的种子提前掉落造成排种性能稍差，但仍能保证良好的排种效果。

5 结 论

1）针对气吸式玉米精量排种器在高速作业条件下投种过程中种子在导种管内碰撞异位造成播种质量下降的问题，提出一种直线投种方法，并对直线投种原理进行分析，明确种子在投种过程中的运动和受力关系，确定了推种装置引导曲线参数。

2）选取投种位置和作业速度为主要因素进行全因素试验，并对试验结果进行显著性分析，确定了因素与指标的回归方程，以排种粒距合格率、漏播率以及排种粒距变异系数为寻优条件，确定较优的投种位置为=15°，=21°。在较优投种位置下进行验证试验，试验结果表明，在12 km/h时，排种粒距合格率为98.68%，漏播率为0.69%，排种粒距变异系数为15.03%，与理论优化结果基本一致。

3）采用同一排种器结构增加直线投种方式和原有阻气投种方式进行对比试验，试验结果表明，直线投种方式在各个作业速度条件下对排种器性能均有所改善，且随着作业速度的提高，改善效果越明显。在作业速度14 km/h时，较原有阻气投种的排种粒距合格率提高4.22个百分点，漏播率降低4.20个百分点，排种粒距变异系数降低4.55个百分点，表明高速作业条件下，采用直线投种方式可大大改善播种效果，提高作业速度。

4）适应性试验结果表明，在作业速度8～14 km/h时，先玉335、登海605和京农科728的排种粒距合格率均大于96.5%，漏播率均小于1.8%，排种粒距变异系数均小于17.7%，满足精量播种要求，具有直线投种功能的气吸式高速精量排种器对种子具有良好的适应性。

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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

李玉环，杨丽，张东兴，等. 气吸式玉米高速精量排种器直线投种过程分析与试验[J]. 农业工程学报，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

十三五国家重点研发计划“精量播种技术装备研发”（NO.2017YFD0700703）；国家自然科学基金资助项目（51575515）；国家玉米产业技术体系建设项目（CARS-02）

李玉环，博士生，研究方向为农业装备设计与理论研究。Email：18612897966@163.com

杨丽，博士，教授，博士生导师，主要从事农业装备智能化和玉米生产全程机械化研究。Email：yangli@cau.edu.cn

中国农业工程学会会员：杨丽（E041200411S）