陈海涛，李桐辉，王洪飞，王 宇，王 星



气吸滚筒式垄上三行大豆密植排种器设计与参数优化

陈海涛，李桐辉，王洪飞，王 宇，王 星

（东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030）

针对1.1 m大垄垄上三行密植大豆栽培技术配套播种机不得不采用单行播种单体前后错排使用，导致播种机结构复杂、通过性差等问题，研究设计了一种与垄上三行大豆密植栽培模式配套的气吸滚筒式大豆排种器。通过理论分析初步确定其主要结构参数并建立充种过程力学模型，运用三因素五水平二次正交旋转中心组合试验方法，以真空度、作业速度、型孔孔径为试验因素，以粒距合格指数、重播指数、漏播指数、各行排量一致性变异系数为目标函数，参照国标GB6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》实施参数优化试验。结果表明：当参数组合为型孔孔径4.5 mm、真空度4.7～5.9 kPa、作业速度低于9.1 km/h时，该排种器的合格指数≥95%、重播指数≤3%、漏播指数≤2%、各行排量一致性变异系数≤6.5%。研究结果为气吸滚筒式三行大豆排种器的开发奠定了基础。

机械化；设计；优化；大垄三行；大豆；气吸滚筒；排种器；排种性能

0 引 言

在北方寒区大豆的种植模式中，大垄三行密植模式逐渐普及，该种植模式不仅能够合理利用垄上面积，提高植株光能利用率，提高产量，还可以提高大豆栽培抗旱抗涝的能力，达到节本增效的目的[1]。目前用于大豆垄上三行种植模式的播种机每个播种单元组采用3个单行排种器前后错排并联使用，这不仅导致播种单元组结构复杂化、播种机输气管路结构复杂难于布置、增加成本，而且降低播种机的通过性[2]。排种器是播种作业的核心关键部件，其排种性能的优劣是影响播种机作业质量的重要因素之一[3]。气力式排种器以其在种子适应性、排种精度、作业效率等方面的优势逐渐被认可，而且气力式排种器在播种机高速作业条件下仍能达到良好的播种效果[4-9]。气力式排种器主要分为气吹式、气压式、气吸式，气吸式精量排种器是依靠真空度将种子均匀的分布在种盘表面完成播种作业过程，以其良好的播种效果为大多数高速精密播种机所采用。故针对北方寒区大豆大垄三行的种植模式研发了气吸滚筒式三行大豆排种器，解决传统大豆密植模式中“一器一行”大豆排种器引起的播种单体结构复杂问题，可在1.1 m大垄上同时实现三行大豆的播种作业。

国内外学者对气吸排种器的研究多集中于气吸圆盘排种器和气吸滚筒排种器。Karayel等[10]建立了种子物理属性参数与气室真空度之间的数学模型，并确定了播种不同作物所需的真空压力；Yazgi等[11]以玉米和棉花种子为研究对象，分析了作业速度和型孔数对垂直圆盘气吸排种器播种粒距均匀性的影响；Singh等[12-14]优化了气吸排种器播种不同作物时的结构和工作参数。在国内，李明等[15]研制了一种可实现一器多行的气力式滚筒油菜排种器，并开展了相关因素对排种性能影响的试验研究；梅婷等[16]研制了一种烟草种子气力滚筒排种器，以滚筒转速、吸种和吹种压力及振动幅度为试验因素对该排种器适应性进行试验；庞昌乐等[17]研制了一种避免型孔堵塞的气吸式双层滚筒水稻排种器，并通过试验得出最佳工作参数；王朝辉等[18]研究了滚筒转速、振动频率及种层厚度对超级稻育秧气吸滚筒排种装置吸种性能的影响；倪向东等[19]研制了气吸滚筒阵列式棉花精密排种器，并对排种器排种性能进行试验研究。综上所述，现有气吸圆盘排种器主要以单行为主，不能满足垄上三行密植农艺要求，气力式滚筒排种器多采用正压辅助排种，正负压结合对排种器结构提出更高要求，且大多用于播种油菜、水稻、烟草等小粒径作物，而用于播种多行大豆等大粒径作物的排种器的研究相对较少。

研究旨在针对大豆大垄三行种植模式要求，设计一种气吸滚筒式三行排种器，探寻真空度、作业速度、型孔孔径对其排种性能影响规律和最佳工作参数组合，以期为气吸滚筒式三行大豆排种器的设计开发提供参考。

1 种植模式与农艺要求

大垄垄上三行密植栽培大豆技术主要通过减小大豆植株间的行距来扩大种植密度进而实现密植栽培，提高单位面积的保苗株数来提高作物产量，该种植模式每公顷保苗株数为48～51万株，大豆大垄三行密植模式是指在1.1 m大垄的垄台上均匀种植三行大豆，充分利用垄台的边际效应，最外侧两行大豆行距为400 mm，大豆各行行间距为200 mm，大豆大垄三行的种植行距示意图如图1所示。

图1 大垄三行行距示意图

2 排种器结构与工作原理

气吸滚筒式三行大豆排种器整体结构如图2所示，由排种滚筒总成、种箱总成、卸压装置三部分组成。排种滚筒总成由端盖、凹槽隔板、侧板、排种滚筒、主轴、轴承、骨架密封圈、石棉密封垫、传动链轮构成，种箱总成由卸种板、种箱、种箱高度调节板、清种装置构成，卸压装置由弹性卸压轮构成。

1.端盖 2. 凹槽隔板 3.侧板 4.排种滚筒 5.主轴 6.轴承 7.骨架密封圈 8.石棉密封垫 9.传动链轮 10.卸种板 11.种箱 12.种子高度调节板 13.清种装置 14.弹性卸压轮

滚筒内空心轴两端装有隔板，在隔板上设有密封凹槽，在槽内注入固态润滑油，该装置既起到润滑作用又能满足密封要求。主轴的两端装有骨架密封圈和密封轴承，起到多重密封的作用，保证真空气室内的密封性。排种器作业时，主轴固定，滚筒在固定链轮驱动下绕定轴转动，滚筒内的空气通过主轴轴孔进入主轴，主轴一端被封住，另一端连接风机，内部空气被风机吸走，整个滚筒内形成负压腔，种箱内吸种孔附近的种子在内外压差作用下被吸附在型孔处，随即被吸附的种子随滚筒转动，转至顶部清种区，在清种装置作用下，型孔处多余的种子被清除，保证每个型孔处只保留一粒种子。当种子随滚筒转至落种区时，在弹性卸压轮作用下，型孔处的压差瞬间消失，种子依靠自身重力投种，完成整个排种过程。

3 关键部件设计和参数确定

3.1 排种滚筒的设计

3.1.1 排种滚筒结构的设计

排种滚筒是此排种器实现精量播种的重要部件，排种滚筒的结构决定了其余部件的结构尺寸[20-22]。排种滚筒的主要结构参数包括滚筒直径、型孔数量、型孔孔径。滚筒直径大小决定排种器结构尺寸，建立滚筒直径与充种时间的方程如式（1）所示。

式中为冲种区弧长，mm；为充种时间，s；为型孔处线速度，m/s；为排种滚筒直径，mm；为排种滚筒转速，r/min；为充种区的弧度，rad。

由式（1）整理得

由式（2）可知，排种滚筒经过充种区的时间与滚筒转速和充种区弧度有关，其直径大小并不影响滚筒的充种效果。查阅相关资料，目前现有气力滚筒式排种器滚筒直径范围为140～240 mm。滚筒直径增大可以增加型孔数从而降低滚筒转速，提高播种合格率，但直径过大会影响排种器与播种单体间的空间结构布局，同时也会增大负压腔的体积，易出现漏气情况，对密封精度提出更高要求，风机消耗功率也相应增加，而滚筒直径过小，增加了滚筒对种箱内种层高度的敏感性。因此综合考虑，排种滚筒直径取200 mm。为满足大豆垄上三行密植模式的要求，垄上播种行距设计为200 mm，因此滚筒长度为500 mm。

3.1.2 型孔数量

当作业速度v与粒距确定的情况下，排种滚筒圆周上吸孔的数量增加能够降低滚筒的线速度，延长充种的时间，但型孔数量过多，需要风机提供的负压增加，本文设计的作业速度v≤12 km/h，滚筒线速0≤0.3 m/s,查阅播种机械设计原理相关资料，结合播种机作业规范和排种滚筒结构参数[20,23]，型孔数量应满足关系式（3），即。

式中为排种频率；为型孔数；为两型孔间的弧长，mm；为播种粒距，mm；max为种子的最大尺寸，mm。由式（3）得，滚筒直径为200 mm时，型孔数目范围为34.89≤≤41.04，选取型孔数目为40。

3.1.3 型孔孔径

排种器型孔孔径的大小取决于种子的几何属性，选取东北寒区主栽大豆品种黑农48作为研究对象，含杂率小于0.1%，无破碎种子，含水率均小于12%。随机选取200粒种子，进行几何属性的测量，用精度为0.01的游标卡尺测量每粒种子的三轴尺寸，取其算术平均值作为参考值，计算出种子的算术平均直径，得出大垄密植栽培地区主栽大豆品种种子粒径分布如图3所示。

图3 大豆种子平均直径分布

结果表明大豆种子平均直径服从正态分布（6.91，0.0441），根据“3”原则，所测大豆种子平均粒径集中分布在6.3～7.5 mm之间。

型孔孔径由公式（4）[20]计算，参照大豆气吸排种器排种盘吸孔直径参照表[23]，型孔孔径范围为3.8～5.2 mm。

=(0.6～0.7)（4）

式中为型孔直径，mm；为球形大豆种子直径，mm。

3.2 清种装置的设计

为了能够有效地清除型孔上吸附的多粒种子，使每个型孔仅保留单粒种子，设计一种刮片式清种装置。其中左右清种片为主要工作部件，采用1 mm厚的硅胶片制成，清种作用部分设计为光滑圆弧形状，避免清种时出现损伤种子现象，左右清种片非凸起部分间宽度约为种子平均粒径的3倍，不在同一水平位置的凸起部分间宽度约为种子平均粒径的1.5倍，保证左右清种片能够依次对多余的种子进行清除且保证单粒种子能够顺利通过。清种片间距示意图如图4所示。

注：w为清种片凸起部分间宽度，mm；W为清种片非凸起部分间宽度，mm。

清种片的长度增加可有效地提高清种效果，但清种片过长会使种子进入清种片末端与滚筒的间隙内导致卡种现象。因此清种片长度设计应满足左右两清种片能够依次完成清种过程的要求且避免出现卡种现象。图5为清种装置间隙示意图。

1.清种片 2.滚筒

1.Seed cleaning sheet 2.Cylinder

注：为滚筒直径，mm；为清种片长度，mm；为清种片凸起部分与滚筒间隙，mm；为清种片末端与滚筒间隙，mm。

Note:is the diameter of cylinder, mm;is the length of the seed clearing sheet, mm;is the clearance between raised parts of seed cleaning sheet and cylinder, mm;is the clearance between the ends of seed cleaning sheet and cylinder, mm.

图5 清种装置间隙示意图

Fig.5 Diagram of clearance of seed clearing device

如图5所示，清种片末端与滚筒间间隙为，清种片凸起部分与滚筒间间隙为，根据几何关系可得清种片长度的表达式如式（5）所示。

为了增强清种效果，清种片凸起部分与滚筒间隙取0.5 mm，为防止卡种，清种片末端与滚筒间隙取1.8 mm，滚筒直径为200 mm，将各参数代入式（5），可求出清种片长度上限值为32.434 mm，取清种片长度=32 mm。

3.3 卸压装置的设计

为了保证种子在投种区能够自由投种，设计了一种可隔绝型孔内外压差的卸压装置，其具体结构如图6所示。卸压装置由连接部分和卸压部分组成，连接部分主要由连接环、螺栓、上连接杆、销轴、下连接杆、弹簧等构成；卸压部分由尼龙轮和橡胶通过强粘性胶粘合在一起制成。

1.连接环 2.螺栓 3.上连接杆 4.销轴 5.下连接杆 6.尼龙轮 7.橡胶 8.弹簧

工作时，两连杆通过销轴进行铰接，并用弹簧连接两连杆，使其具有一定的弹性，使卸压轮在弹簧和橡胶弹性形变的作用下紧贴滚筒内壁。

3.4 充种区力学分析

充种区充种分为2个过程，首先是在负压作用下将种箱中种子吸附至滚筒外壁，之后将吸附的种子带出种群并随滚筒转动。

3.4.1 种子在流场中受力分析

由于滚筒内部存在负压，型孔外的空气进入滚筒内部，型孔附近形成一定的压力差，产生气流扰动，因此在型孔处存在一定的流场。以单粒大豆种子为研究对象，分析种子在流场中受到的气流作用，确定影响吸附力的因素，种子在流场中受力如图7所示。

注：P1为滚筒内部压强，Pa；P0为滚筒外部压强，Pa；r为种子中心与型孔的距离，mm。

滚筒内部产生的负压为1，外部的大气压为0，种子所受的压强差为0-1，据伯努利原理可得[24-25]

式中为空气密度，kg/m3；为空气流速，m/s；为种子中心与型孔的距离，m；为种子偏离型孔中心的横向距离，m；为有效吸附面积，m2；为空气流量，m3/s；为型孔半径，m；1为常数，随增大而减小；2为常数，可取0.2～0.3。

式中为种子半径，mm。

通过单个型孔的空气流量如式（8）所示。

式中Δ为型孔内真空度，Pa；为型孔阻力系数。

可将种子近似为球形，对种子受力在其平面上积分，结合式（8）可得种子在流场中受到的气流场作用力如式（9）所示。

种子在流场中受到气流场作用力的大小影响种子被吸附的效果，由式（9）可得，种子在流场中受到的气流场作用力与型孔直径、型孔内真空度Δ和种子中心与型孔的距离密切相关。该排种器种箱内种子紧贴滚筒外壁，保持较小的吸种距离，所以种子受到的气流作用力主要影响因素为型孔直径和型孔内真空度。

3.4.2 吸附过程力学分析

假设种子为均匀球体，合力作用于质心，并且每个型孔仅吸附单粒种子，气室内负压腔为定常流，此时种子需克服重力、气流作用力和种群内其余种子的作用力随滚筒一起转动，以滚筒径向为方向，切向为方向，建立坐标系，研究该过程种子的受力[26-27]，该阶段种子的运动及受力如图8所示。

注：FD为吸孔处气流对种子的绕流阻力（吸附力），N；FL为吸孔处气流对种子的绕流升力，N；G为种子的重力，N；Nz为种子受到种箱内种子的支持力，N；ƒz为种间摩擦力，N；Ng为种子受到滚筒的支持力，N；ƒg为种子受到滚筒的摩擦力，N；Pc为种子受到的离心力，N；α为吸附力与水平方向夹角，(°)；θ为ƒz与y轴方向夹角，(°)；ω为滚筒角速度，rad·s-1。

建立种子受力平衡方程如式（10）所示。种子所受的气流作用力分为绕流阻力和绕流升力，由型孔内外压差形成，其方程如式（11）所示。

式中f为种间摩擦力，N；N为种子受到滚筒的支持力，N；φ为大豆种子与滚筒间摩擦角，(°)；φ为大豆种子内摩擦角，(°)；为大豆种子质量，kg；为滚筒半径，m。

式中A为种子绕流阻力特征面积，m/s；C为绕流阻力系数；C为绕流升力系数。

联立方程（10）、（11）可得型孔内真空度Δ如式（12）所示。

由式（12）可得，种子被吸附时型孔内的真空度与滚筒转速、吸种角度、种子质量及内摩擦角等因素有关。在种子被成功吸附的前提下，滚筒转速越高，所需提供的真空度越大。取播种机作业速度为6～12 km/h，即滚筒角速度为2.60～6.70 rad/s，通过试验测得种子百粒重为22.4g，φ为24.9°，φ为19.5°，取==20°，可求得排种器工作时所需真空度Δ=3.2～6.8 kPa。考虑到排种器实际作业情况复杂，本文考察排种器性能试验时，真空度值取值范围为3～7 kPa。

4 排种器参数优化试验

4.1 试验材料与仪器设备

试验材料为黑农48号大豆种子。在东北农业大学排种器试验室内的JPS-12排种器性能检测试验台上实施试验，利用风压测量仪（加野麦克斯KANOMAX KA31，精度0.01 kPa）测量气室内真空度，试验装置如图9所示。

图9 排种装置试验台

4.2 试验设计与方法

采用3因素5水平二次正交旋转中心组合试验方法，按照国家标准GB6973-2005《单粒(精密)播种机试验方法》实施试验，选取真空度、作业速度、型孔孔径为试验因素，以粒距合格指数、重播指数、漏播指数、各行排量一致性变异系数为目标函数[28-29]，试验因素编码水平如表1所示，每组试验均重复3次，取其平均值作为试验结果。采用Design-Expert 6.0.10软件进行数据处理和统计分析。

表1 试验因素水平表

4.3 试验结果与分析

4.3.1 试验结果

试验结果如表2所示。

表2 试验结果

4.3.2 模型建立与显著性检验

对试验结果进行方差分析，结果如表3所示。

表3 方差分析结果

注：<0.01(极显著，**)，<0.05(显著，*)。

Note:<0.01 (Highly significant, **),<0.05 (Very significant, *).

1）合格指数回归模型建立

根据方差分析表3可得，在信度为0.05的条件下，排种器合格指数的二次回归模型极显著（<0.01），回归模型失拟项=0.195 5，表现为不显著，回归方程的决定系数2为0.964 5，说明回归方程的预测值与实际值拟合良好。其中作业速度和型孔孔径的交互项23影响不显著，将其剔除后所得回归方程如式（13）所示。

式中1为合格指数；1、2与3为真空度、作业速度、型孔孔径因素水平的编码值。

2）重播指数回归模型建立

根据方差分析表3可得，在信度为0.05的前提下，排种器重播指数的二次回归模型极显著（<0.01），回归模型失拟项=0.077 6，表现为不显著，回归方程的决定系数2为0.951 5，说明回归方程的预测值与实际值拟合良好。其中作业速度与型孔孔径的交互项23和真空度与作业速度的交互项12的值均大于0.05，此两项交互作用对重播指数影响不显著，将其剔除后所得回归方程如式（14）所示。

式中2为重播指数。

3）漏播指数回归模型建立

根据表3可知，在信度为0.05的条件下，排种器漏播指数的二次回归模型极显著（<0.01），回归模型失拟项=0.067 6，表现为不显著，不存在其余影响漏播指数的因素，回归方程的决定系数2为0.963 0，表明回归方程的预测值与实际值拟合良好。其中型孔孔径的二次项32、作业速度与型孔孔径的交互项23和真空度与型孔孔径的交互项13的值均大于0.05，影响不显著，剔除不显著交互项和二次项后所得回归方程如式（15）所示。

式中3为漏播指数。

4）各行排量一致性变异系数回归模型建立

对试验结果进行方差分析，结果如表3所示，在信度为0.05的条件下，排种器各行排量一致性变异系数的二次回归模型极显著（<0.01），回归模型失拟项=0.244 7，表现为不显著，回归方程的决定系数2为0.961 6，说明回归方程的预测值与实际值拟合良好。其中真空度与型孔孔径的交互项13和作业速度与型孔孔径的交互项23影响不显著，将其剔除后所得回归方程如式（16）所示。

式中4为各行排量一致性变异系数。

4.3.3 各因素对各性能指标的影响

1）各因素对性能指标影响贡献率分析

参考试验回归设计中各因素对指标影响贡献率计算方法[30]，得到各因素对合格指数、重播指数和漏播指数影响的贡献率如表4所示。

表4 各因素对各性能指标的贡献率

2）各因素对性能指标影响效应分析

采用降维法将型孔孔径和作业速度调至零水平，绘制出每组显著的交互作用分别对合格指数、重播指数、漏播指数、各行排量一致性变异系数影响的响应曲面图，如图10和11所示。

图10 交互作用对合格指数的影响

真空度和作业速度在型孔孔径为零水平时对合格指数的影响响应曲面如图10a所示。当型孔孔径水平处于4.5 mm时，作业速度相同的条件下，随着真空度的增加，合格指数呈现先升高后降低的趋势且变化幅度较大。合格指数随作业速度的提高逐渐降低，且随着真空度增加，合格指数降低幅度越来越大。真空度和型孔孔径在作业速度为零水平时对合格指数影响响应曲面图如图10b所示。当作业速度为9km/h时，合格指数随真空度和型孔孔径增加呈现先增大后减小的变化趋势。真空度和孔径较低时，易出现型孔未吸附种子的情况，真空度和孔径过大时，易出现型孔吸附多粒种子，导致合格指数降低。

真空度和型孔孔径在作业速度为零水平时对重播指数影响响应曲面如图11a所示。在作业速度为9km/h条件下，真空度一定时，当孔径小于4.5 mm时，重播指数基本保持恒定，当孔径大于4.5 mm时，重播指数缓慢升高。型孔孔径一定时，重播指数随真空度的增加大幅度升高，气室内真空度过大型孔会吸附多粒种子，造成重播指数升高。

真空度和作业速度在型孔孔径为零水平时对漏播指数影响响应曲面如图11b所示。当型孔孔径为4.5 mm时，真空度确定的条件下，漏播指数随着作业速度的增加而升高，主要由于作业速度提升时，滚筒转速相应提高，经过充种区吸种时间变短，不利于充种。在作业速度确定的条件下，漏播指数随真空度的增加缓慢降低，真空度增加使型孔处的吸附力变大，种子易被吸附，致使漏播指数降低。

图11 交互作用对其余指标的影响

真空度和作业速度在型孔孔径为零水平时对各行排量一致性变异系数的影响响应曲面如图11c所示。在型孔孔径水平处于4.5 mm条件下，作业速度一定时，各行排量一致性变异系数随真空度增加呈现先降低后升高的趋势。真空度一定时，各行排量一致性变异系数随作业速度增加逐渐升高且变化幅度较大。高速作业时，种子所受的离心力较大，导致种子难以被型孔成功吸附，排种过程的稳定性受到影响，致使各行排量一致性变异系数升高。

4.4 参数优化与验证试验

在各项性能指标符合国家标准JB/T6973-2005《单粒（精密）播种机技术条件》和JB/T6274.1-2001《谷物播种机技术条件》基础上，按照高合格指数、低重播指数、低漏播指数、低各行排量一致性变异系数的优化原则，在真空度3～7 kPa，作业速度6～12 km/h、型孔孔径3.8～5.2 mm约束条件下进行优化求解。在型孔孔径为4.5 mm，真空度为4.7～5.9 kPa，作业速度低于9.1 km/h的参数组合条件下，合格指数≥95%，重播指数≤3%，漏播指数≤2%，各行排量一致性变异系数≤6.5%。

为了验证优化分析结果的正确性，在相同条件下，以黑农48大豆种子为试验材料进行验证试验。选取优化后得到的最佳工作参数真空度5.4 kPa、作业速度7.5 km/h、型孔孔径4.5 mm实施验证试验，进行10次重复试验，取其平均值作为试验结果，得到实际数值与优化值对比结果如表5所示。验证试验结果表明，优化结果可信。

表5 实际值与优化值对比结果

5 结 论

1）针对中国东北寒区1.1 mm垄上三行大豆密植栽培模式设计了一种与之配套的气吸滚筒式大豆排种器，影响其粒距合格指数的因素主次顺序为真空度、作业速度、型孔孔径，影响其重播指数的因素主次顺序为真空度、型孔孔径、作业速度，影响其漏播指数的因素主次顺序为真空度、作业速度、型孔孔径，影响其各行排量一致性变异系数的因素主次顺序为作业速度、真空度、型孔孔径。

2）对于东北寒区主栽大豆品种，该三行气吸滚筒式大豆排种器最佳结构与工作参数组合为：型孔孔径4.5 mm、真空度4.7～5.9 kPa、作业速度低于9.1 km/h，在此条件下其粒距合格指数≥95%，重播指数≤3%，漏播指数≤2%，各行排量一致性变异系数≤6.5%。

[1] 孙殿君，蒋洪蔚，胡国华. 大豆垄上三行“大垄密”栽培技术[J]. 大豆科技，2014(1)：20－24. Sun Dianjun, Jiang Hongwei, Hu Guohua. Cultivation technique of “Wide ridge dense planting” in soybean[J]. Soybean Science and Technology, 2014(1): 20－24. (in Chinese with English abstract)

[2] 赵清华，许万同，张伟，等. 大豆大垄密植栽培技术模式及配套机械化系统研究[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，2009，21(3)：46－48. Zhao Qinghua, Xu Wantong, Zhang Wei, et al. Grand ridge soybean planting and cultivation techniques of pattern matching system of mechanized research[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2009, 21(3): 46－48. (in Chinese with English abstract)

[3] 张秀花，夏玲，马洪亮，等. 精密播种机的可靠性研究[J]. 农业机械学报，2004，35(2)：62－64.

Zhang Xiuhua, Xia Ling, Ma Hongliang, et al. Reliability improvement of a precision planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2004, 35(2): 62－64. (in Chinese with English abstract)

[4] 李国林，宋炜，毛俐，等. 国内外几种主要排种器的特点[J]. 农业科技与装备，2011(8)：70－71.

Li Guolin, Song Wei, Mao Li, et al. Features of some main seed-metering devices at home and abroad[J]. Agricultural Science & Technology & Equipment, 2011(8): 70－71. (in Chinese with English abstract)

[5] 廖庆喜，张猛，余佳佳，等. 气力集排式油菜精量排种器[J]. 农业机械学报，2011，42(8)：30－34. Liao Qingxi, Zhang Meng, Yu Jiajia, et al. Pneumatic centralized metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011, 42(8): 30－34. (in Chinese with English abstract)

[6] 高筱钧，周金华，赖庆辉. 中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(2)：20－28. Gao Xiaojun, Zhou Jinhua, Lai Qinghui. Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed-metering device for panax notoginseng[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Translations of the CSAE), 2016, 32(2): 20－28. (in Chinese with English abstract)

[7] 雷小龙，廖宜涛，丛锦玲，等. 油菜小麦兼用气送式直播机集排器参数优化试验[J]. 农业工程学报，2018，34(12)：16－26. Lei Xiaolong, Liao Yitao, Cong Jinling, et al. Parameters optimization and experiment of air-assisted centralized seed-metering device of direct seeding machine for rape and wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Translations of the CSAE), 2018, 34(12): 16－26. (in Chinese with English abstract)

[8] Li Ming, Liao Qingxi, Liao Yitao, et al. Analysis on seeding process of pneumatic cylinder-type centralized rapeseed precision metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2014, 30(23): 17－27.李明，廖庆喜，廖宜涛，等. 气力滚筒式油菜集排器排种过程分析[J]. 农业工程学报，2014，30(23)：17－27. (in English with Chinese abstract)

[9] Hardin I V R G H. Pneumatic conveying of seed cotton: Minimum velocity and pressure drop[J]. Transactions of the ASABE, 2014, 57(2): 391－400.

[10] Karayel D, Wiesehoff M, Özmerzi A, et al. Laboratory measurement of seed drill seed spacing and velocity of fall of seeds using high-speed camera system[J]. Computers & Electronics in Agriculture, 2006, 50(2): 89－96.

[11] Yazgi A, Degirmencioglu A. Measurement of seed spacing uniformity performance of a precision metering unit as function of the number of holes on vacuum plate[J]. Measurement, 2014, 56(10): 128－135.

[12] Singh R C, Singh G, Saraswat D C. Optimisation of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting mustard seeds[J]. International Agricultural Engineering Journal, 2006, 15(2): 31－41.

[13] Singh R C, Singh G, Saraswat D C. Optimisation of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting cottonseeds[J]. Biosystems Engineering, 2005, 92(4): 429－438.

[14] Singh R C, Singh G, Saraswat D C. Optimisation of design and operational parameters of a pneumatic seed metering device for planting of groundnut (Arcahis hypogaes) seeds[J]. Indian Journal of Agricultural Sciences, 2007, 77(1): 40－42.

[15] 李明，刘晓辉，廖宜涛，等. 气力滚筒式油菜精量集排器[J]. 农业机械学报，2013，44(12)：68－73. Li Ming, Liu Xiaohui, Liao Yitao, et al. Pneumatic cylinder-type centralized precision metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2013, 44(12): 68－73. (in Chinese with English abstract)

[16] 梅婷，谢方平，李旭，等. 小粒径作物种子气力式排种器适应性试验[J]. 湖南农业大学学报，2014，40(2)：216－220.

Mei Ting, Xie Fangping, Li Xu, et al. Adaptability experiment on pneumatic metering device for small-sized seeds[J]. Journal of Hunan Agricultural University, 2014, 40(2): 216－220. (in Chinese with English abstract)

[17] 庞昌乐，鄂卓茂，苏聪英，等. 气吸式双层滚筒水稻播种器设计与试验研究[J]. 农业工程学报，2000，16(5)：52－55.

Pang Changle, E Zhuomao, Su Congying, et al. Design and experimental study on air-suction two-layer cylinder rice seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Translations of the CSAE), 2000, 16(5): 52－55. (in Chinese with English abstract)

[18] 王朝辉，马旭，贾瑞昌. 工作参数对超级稻育秧播种部件吸种性能的影响[J]. 农业工程学报，2009，25(8)：88－92.

Wang Zhaohui, Ma Xu, Jia Ruichang. Effects of working parameters on seed suction performance of seeder device for super hybrid rice seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Translations of the CSAE), 2009, 25(8): 88－92. (in Chinese with English abstract)

[19] 倪向东，徐国杰，王琦，等. 气吸滚筒阵列式棉花精密排种器设计与试验[J]. 农业机械学报，2017，48(12)：58－67.

Ni Xiangdong, Xu Guojie, Wang Qi, et al. Design and experiment of pneumatic cylinder array precision seed-metering device for cotton[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(12): 58－67. (in Chinese with English abstract)

[20] 张波屏. 播种机械设计原理[M]. 北京: 机械工业出版社，1982.

[21] 中国农业机械化科学研究院. 陈志. 农业机械设计手册[M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2007.

[22] 李兆东，雷小龙，曹秀英，等. 油菜精量气压式集排器的设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(7)：9－17.

Li Zhaodong, Lei Xiaolong, Cao Xiuying, et al. Design and experiment of pneumatic-typed precision centralized metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Translations of the CSAE), 2015, 31(7): 9－17. (in Chinese with English abstract)

[23] 张德文，李林，王惠民. 精密播种机械[M]. 北京：中国农业出版社，1982.

[24] 吴望一. 流体力学.下册[M]. 北京：北京大学出版社，1983.

[25] 徐挺. 相似理论与模型试验[M]. 北京：中国农业机械出版社，1982.

[26] 张顺，夏俊芳，周勇，等. 气力滚筒式水稻直播精量排种器的设计与试验[J]. 农业工程学报，2015，31(1)：11－19.

Zhang Shun, Xia Junfang, Zhou Yong, et al. Design andexperiment of pneumatic cylinder-type precision direct seed-metering device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(1): 11－19. (in Chinese with English abstract)

[27] 赵湛，李耀明，陈进，等. 气吸滚筒式排种器吸种过程的动力学分析[J]. 农业工程学报，2011，27(7)：112－116.

Zhao Zhan, Li Yaoming, Chen Jin, et al. Dynamic analysis on seeds pick-up process for vacuum-cylinder seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Translations of the CSAE), 2011, 27(7): 112－116. (in Chinese with English abstract)

[28] 中国国家标准化管理委员会.单粒（精密）播种机：GB/T 6973-2005[S]. 北京：中国标准出版社，2005.

[29] 中国国家标准化管理委员会.种子条播机：GB/T 9748-2005[S]. 北京：中国标准出版社，2005.

[30] 徐中儒. 农业试验最优回归设计[M]. 哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，1988.

Design and parameter optimization of pneumatic cylinder ridge three-row close-planting seed-metering device for soybean

Chen Haitao, Li Tonghui, Wang Hongfei, Wang Yu, Wang Xing

(,,150030,)

Reasonable planting pattern can increase soybean yield. At present, soybean cultivation models in the cold region of northeast China mainly include conventional ridge planting mode, three row planting pattern on big ridge and four row planting mode on big ridge. The compact planting pattern of big ridge three-row is becoming popularizing gradually. The big ridge three-row reduces the row spacing, increases plant spacing and plant density than the traditional planting pattern. This way of planting soybean increases crop yield by reducing row spacing between soybean plants to increase planting density and to increase the number of plants protected per unit area. The three-row soybean planting pattern means that three rows of soybean are planted evenly on the ridge table of 1.1 m big ridge, and the marginal effect of the ridge platform is fully utilized. The outermost two rows of soybean are 400 mm apart and the spacing of each row of soybean is 200 mm. According to the agronomic requirement and technology for the model of compact planting soybean with three rows on 1.1 m grand ridge, the problem of compact structure and poor passing ability on planting unit are caused by the matching planter that uses single-row planting unit devices in dislocation parallel. The pneumatic cylinder precision seed-metering device for soybean matching compact planting soybean with three rows on 1.1 m grand ridge is designed, combined the features of mechanical clearing and gravitational dropping. The structural parameters of the key components of the three-row soybean seed-metering device on ridge are determined. The diameter of the cylinder is 200 mm, the length of the cylinder is 500 mm, the axial hole of the cylinder is 3 rows and the distance is 200 mm, and the number of single row holes is 40. The sealing problem of the pneumatic cylinder seed-metering device is solved through the innovative design of the structure. In order to effectively remove multiple seeds adsorbed on the hole and keep only one seed in each hole, a scraper seed cleaning device is designed. In order to ensure that the seed can be planted freely in the seeding area, a pressure relief device for isolating the pressure difference inside and outside the hole is designed. In this study, the key structural parameters and the mechanical model of seed-filling process were determined through theoretical analysis. The experiment was employed through the method of quadratic orthogonal rotating center combination of three factors and five levels according to the GB6973-2005 national standard. In test, soybean seed Heinong 48 was selected as experimental material. Combining with extensive pre-experiment and theoretical analysis, the vacuum degree, forward speed and hole diameter were taken as main influencing factors, the seed qualified index, multiple index, missing index and variation coefficient of apiece row seeding mass were taken as response index. The results showed that: the order of the contribution rates on the effect of qualified index was vacuum degree, working speed, hole diameter, the order of the contribution rates on the effect of multiple index was vacuum degree, hole diameter, working speed, the order of the contribution rates on the effect of missing index was vacuum degree, working speed, hole diameter, the order of the contribution rates on the effect of variation coefficient of apiece row seeding mass was, working speed, vacuum degree, hole diameter. The optimal combination of parameters was as follows, the hole diameter was 4.5 mm, the vacuum degree was between 4.7 and 5.9 kPa, the working speed was lower than 9.1 km/h, and under the optimal combinations, the qualified index was not less than 95%, the multiple index was not morethan 3%, the missing index was not morethan 2%, and the variation coefficient of apiece row seeding mass was not morethan 6.5%. The verification test was repeated 10 times on the JPS-12 seed-metering test beds, the results were indicated that the actual test results were in agreement with the optimization results. The results of the research laid a foundation for the development of pneumatic cylinder grand ridge three-row seed-metering device for soybean, and provided a reference for the research of soybean narrow-row and flat-dense planter.

mechanization; design; optimization; three rows of big ridge; soybean; pneumatic cylinder; seed-metering device; seeding performance

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.003

S223.2

A

1002-6819(2018)-17-0016-09

2018-03-20

2018-06-30

公益性行业（农业）科研专项经费项目（201303011）；现代农业产业技术体系建设专项资金资助（GARS–04）

陈海涛，教授，博士生导师，主要从事农业机械装备及生物质材料研究。Email：htchen@neau.edu.cn

陈海涛，李桐辉，王洪飞，王 宇，王 星. 气吸滚筒式垄上三行大豆密植排种器设计与参数优化[J]. 农业工程学报，2018，34(17)：16－24. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.003 http://www.tcsae.org

Chen Haitao, Li Tonghui, Wang Hongfei, Wang Yu, Wang Xing. Design and parameter optimization of pneumatic cylinder ridge three-row close-planting seed-metering device for soybean[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(17): 16－24. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.17.003 http://www.tcsae.org