中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验

高筱钧，周金华，赖庆辉（昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500）



中草药三七气吸滚筒式精密排种器的设计与试验

高筱钧，周金华，赖庆辉※
（昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500）

摘要：因中草药三七种植属于密集型精密种植模式，尚无满足种植要求的播种机，为解决三七机械化精密播种问题，研究设计了一种气吸滚筒式精密排种器。该文阐述了三七气吸滚筒式精密排种器的工作原理，确定了其主要结构参数，构建了充种和投种过程种力学模型。以云南文山三七种子为播种对象，采用二次旋转正交组合试验方法，对排种器进行了排种性能试验研究，并通过投种对比试验验证了零速投种的必要性。建立了负压、前进速度、吸种角度3个主要因素与合格率、漏播率、重播率的数学模型，分析了各个因素及交互作用对合格率的影响规律，并进行了参数优化与验证试验。影响排种合格率的因素主次顺序为负压、前进速度和吸种角度；确定最佳参数组合为吸种角度为20°，负压值660～720 Pa，前进速度在0.72～0.76 m/s，可获得合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%。经试验验证，试验结果与优化结果基本一致，满足三七精密播种的种植要求。试验结果表明此种气吸滚筒式精密排种器对于三七种子具有很好的播种适应性。该研究为应用于田间阴棚内播种的气吸滚筒式精密排种器的设计提供了参考。

关键词：机械化；优化；设计；三七；零速投种；排种器

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. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.004http://www.tcsae.org

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 （Transactions of the CSAE）， 2016， 32（2）: 20－28. （in Chinese with English abstract）doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.004http://www.tcsae.org

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0　引　言

三七是中国名贵中药材，在中国市场需求量大，在云南省被广泛种植。截止2014年12月份三七的种植面积已达到4万hm2。三七播种的行距和株距均需控制在50 mm左右，属于密集型精密播种，且三七种子形状和大小不规则，当前还没有满足这种精度要求的播种机[1]。现行的播种方式主要以手工点播为主，三七每公顷播种量270～300万粒，劳动强度大，因此实现三七的机械化播种成为必然之举。为实现精密播种，需依据三七种子的特性以及种植要求对排种器进行设计与试验。

国内外先进的播种机普遍采用气吸式工作原理[2-6]，主要是因为气吸式排种器具有对种子尺寸要求不高、不伤种子、适应性强、易于实现精密播种等优点。在国外，Singh R C 等[7-8]对气力式排种器播种棉花、大豆和花生等不同种子时的结构和运行参数进行了优化，Karayel D等[9]研究并获得了气室真空度与种子千粒质量、吸孔截面积、种子球度、种子密度等参数间的回归方程。

在国内，目前对播种玉米、油菜、水稻以及大豆等作物的气力式排种器的研究也已趋成熟，并得到了广泛的推广[10-14]。在气力式精密种植领域，李兆东等[15]研制了一种油菜精量气压式集排器，并对其排种性能进行了试验研究；张顺等[16]研制了一种气力滚筒式水稻直播精量排种器，并对其排种性能进行了试验研究；张国忠等[17]研制了一种可同时吸附多粒稻种的具有群布吸孔的吸种盘并应用于垂直圆盘式直播排种器上；王朝辉等[18]研制了一种双吸孔气力滚筒式排种器，并对其进行了播种性能试验研究；左彦军等[19]研制了一种气吸窝眼滚筒式排种器的结构，并对其运行参数进行了优化。上述气力式排种器大都用于穴盘播种，且排种性能有待提高，不适用于密集播种，而中草药三七属于田间阴棚内密集型种植模式，故现有气力式排种器不能满足三七的种植要求。

由于三七种子破损将严重影响其出苗率，且种子形状和大小不规则，种植要求又属于精密播种，为此本文采用气吸式工作原理，设计了一种适合田间阴棚内播种的气吸滚筒式精密排种器，对排种器进行了投种对比试验，并展开负压、前进速度、吸种角度对排种器排种性能影响的试验研究，寻求上述试验因素间的最佳参数组合，以期获得较高的合格率，为气吸滚筒式三七精密排种器的设计提供参考。

1　排种器结构与工作原理

三七气吸滚筒式精密排种器主要由种箱、滚筒、空心轴、绝压隔板、直线轴承弹簧组合及传动链轮组成，其整体结构如图1所示。

图1　气吸滚筒排种器结构示意图Fig.1　Structure diagram of pneumatic cylinder seed-metering device

滚筒2内部有空心轴3与绝压隔板8，空心轴3通过与风机连接为滚筒2内部提供负压，绝压隔板8通过与直线轴承弹簧组件9的配合，紧紧压在滚筒2内壁，堵住吸种孔4，隔断负压。种箱角度调节板14用来调节吸种角度。排种器工作时，接口7与风机相连接。滚筒2内部的空气通过轴孔10进入空心轴3，再由接口7被风机吸走，这样滚筒2内部形成了负压腔11。当滚筒2转动时，吸种孔4附近的种子在吸种孔4内外压差的作用下被吸附在吸种孔4处，并随着滚筒2一起转动。当种子转动到绝压隔板8处时，由于绝压隔板8堵住了吸种孔4，瞬间隔绝了滚筒2内部的负压，种子失去了因内外压差产生的吸附力，因此种子在随滚筒2转动的惯性和种子自身重力作用下脱落，实现了整个排种的过程。

2　排种器关键部件设计与参数分析

2.1空心轴轴孔大小位置的设计

空心轴是气吸式滚筒排种器实现精量排种的关键部件，而空心轴轴孔大小和位置直接影响滚筒腔体内负压以及流场的均匀性，从而影响排种器的排种性能。空气从轴孔进入空心轴，并由空心轴一端的接口排出。轴孔的分布为周向3个轴孔，轴向等距分布5个轴孔，空心轴下端不开孔有利于投种，具体位置如图2。

图2　空心轴结构示意图Fig.2　Structure diagram of hollow shaft

为了确定腔体内空气流动状态，需对其雷诺数Re进行计算，计算式为式（1）。

式中Re为雷诺数；ρ为空气密度，kg/m3；μ为空气动力黏度，kg/ms；v为空气平均流速，m/s；z为空心轴轴径直径，m。

空心轴轴径为30 mm，空气平均流速均在10 m/s以上，得出Re值远大于紊流流动的临界值，故整个过程空气的运动形态为紊流，紊流流动产生压力降为式（2）。

式中Hloos为压力降，Pa；f为摩阻系数；C为孔长，m；j为轴孔直径，m；g为重力加速度，m/s2。

由式（2）可知，压降主要与空心轴轴孔孔径和孔长，即轴孔的位置有关系。为了减小压降以及保证流场的均匀性，本文采用CFD模拟不同孔径、孔距条件下空心轴腔体内和滚筒腔体内流场情况，可观察出轴孔孔径与位置对于压降和流场的影响，图3为不同空心轴下腔体内部流场速度云图。

图3　不同空心轴下腔体内部流场速度云图Fig.3　Velocity contour of inside the cavity in different hollow shafts

模拟过程采用κ-ε模型，选取轴孔为压力进口边界条件，接口为压力出口边界条件，壁面采用无滑移边界条件。从图3a、图3b 2个云图可以看出在孔距为50 mm情况下，当孔径为12 mm时，靠近接口处的轴孔流速和流量较大而远端的轴孔流速流量较小，导致腔体内靠近右端的吸种孔流量过大，流速过快，出现较大的涡流和回流。孔径为4 mm的轴孔处出现了较大的压降，能量损耗较大。从图3c、图3d 2个云图可以看出在孔径为8 mm情况下，当孔距为70 mm时，从近接口端到远端，由于距离差异较大，造成各轴孔的压降变化较大，所以各个轴孔的流速、流量差距较大，导致腔体内流场不均匀。孔距为20 mm的流场，由于轴孔较为集中，腔体内离轴孔较近一端的吸种孔处空气流速较快，流量较大，孔与孔之间产生干扰，导致出现较大涡流和回流，影响吸种孔处的流量与流速，整个流场分布不均匀。

图4为轴孔孔径为8 mm，孔距为50 mm的速度云图。由图4可知，轴孔均有流量流入，且未出现局部流量流速过大的情况，腔体内未出现较大涡流和回流现象，吸种孔处的流速流量及空气运动轨迹基本一致。

图4　轴孔孔径8 mm、孔距50 mm的速度云图Fig.4　Velocity contour of axle hole aperture of 8 mm and pitch-row of 50 mm

为了进一步说明在轴孔孔径为8 mm，孔距为50 mm情况下滚筒腔体内流场均匀稳定，分别对上述不同孔径与孔距的排种器进行流体仿真，接口处压力设置为−8 kPa，模拟完成后分别测量图3、图4中的12个吸种孔的负压值，从测量结果中发现中在轴孔孔径为8 mm，孔距为50 mm情况下吸种孔处负压值最大，为−1.623 kPa，即能量损耗最小，且变异系数最小，为1.07%，即各个吸种孔差异不大，流场均匀，利于提高排种性能。

2.2滚筒结构与吸种孔直径的设计

排种器滚筒直径大小决定了排种器整体尺寸、滚筒线速度以及种子所需向心力等参数[20-21]。建立滚筒直径对于充种影响的方程组

式中t为滚筒转过充种区的时间，s；lc为充种区弧长，m；s为滚筒线速度，m/s；d为滚筒直径， m；n为滚筒转速，r/min；δ为充种区弧度，rad。

由式（3）整理得出

由式（4）表明，滚筒转过充种区的时间t仅与滚筒转速和充种区弧度有关，与滚筒直径无关[15]。目前国内外气吸滚筒式排种器的滚筒直径多为140～260 mm，大直径滚筒，可以增加吸种孔的数量从而降低滚筒转速，增加合格率，但是相应的也增大了负压腔的空间，需要风机提供的空气流量也相应增加，能耗必然增加，也易出现漏气现象；综合考虑滚筒直径选取200 mm，材料选取厚度为1 mm的不锈钢铁皮。

2.2.1三七种子几何特性

选取200粒试验所用的三七种子，用游标卡尺对每粒种子的长、宽、高进行测量。每粒种子测5次，取平均值作为种子的长、宽、高三轴尺寸。同时对种子的三轴尺寸进行统计分析，以确定种子平均直径的分布情况[22-23]。图5为三七种子图。

图5　三七种子Fig.5　Seed of Panax notoginseng

通过测量得到种子的平均直径为5.62 mm，标准差为0.33，直径基本呈正态曲线分布，种子直径主要集中分布在5.0～6.3 mm之间。

种子长度分布在5.2～7.2 mm范围内；种子宽度分布在4.8～6.8 mm范围内；种子高度分布在4.0～6.0 mm范围内。据式（5）可知，三七种子的球度为90.86%，三七种子可将其近似作为球体。

式中Sp为球度，%；L为种子长度，m；D为种子宽度，m；H为种子高度，m。

2.2.2滚筒长度与吸种孔位置尺寸的设计

设计滚筒上吸种孔周向孔数时，既要考虑到增加吸种孔数量有利于充种，又要考虑到2孔之间的弧长Δl不小于2粒种子的最大尺寸[16]。

式中Δl为两吸种孔之间的弧长，m；lmax为种子最大尺寸，m。

由于三七种子最大尺寸为7.2 mm，综上两点考虑，滚筒周向吸种孔的数量为12个，即两孔之间的弧长为49.72 mm，满足上式。为实现“一器多行”，滚筒轴向吸种孔的个数为6个，因为三七播种的行距和株距均需控制在50 mm×50 mm左右，所以滚筒轴向吸种孔间隔为50 mm，滚筒长度为326 mm。吸种孔的径k参考经验公式（7）[20]。

式中k为吸种孔直径，m。由上述可知于三七种子平均直径为5.62 mm，形状近似球体，从式（7）中可以得到吸种孔直径的数值范围，即3.37～3.93 mm。为了便于实际加工，选择吸种孔直径为3.5 mm。

2.3充种区吸种压差及吸种角度

在充种过程中，分为2个阶段。第一个阶段为种子未与滚筒接触，而受到吸附作用。第二个阶段为种子被吸附在滚筒上，并与其一起转动。吸附阶段种子的运动与受力如图6[24]。

通过分析可知，种子受到的吸附力要克服种子自身的重力和种群之间的摩擦力，因此吸附力至少要大于第二阶段的吸附力，种子才可以被成功吸附，因此对第二阶段进行力学分析。

式中FX为种子所受X方向的合力，N；FY为种子所受Y方向的合力，N；ƒt为种子受到滚筒的摩擦力，N；Nq为种子受到种群的支持力，N；ƒq为种子受到种群的摩擦力，N；Nt为种子受到滚筒的支持力，N；G为种子自身重力，N；ɑ为Nq与水平方向的夹角，（°）；θ为吸种角，（°）；m为种子质量，kg； FQ2为第二阶段的种子所受吸附力，N；ω为滚筒转速，rad/s；φq为三七种子的自然休止角32，（°）；φt为三七种子与滚筒间的滑动摩擦角24，（°）；R为滚筒半径，m。

图6　吸附阶段受力分析Fig.6　Force analysis of absorbing stage

种子所受到的吸附力实质上是由于吸种孔内外压差形成的，其方程式为

式中FQ为种子所受吸附力，N；Φ为流场比例系数0.65；ΔPN为负压值，Pa。

为了让种子能够被成功吸附，种子所受到吸种孔内外压差形成的吸附力FQ不应小于第二阶段的吸附力FQ2。联立式（8）～式（10）得出种子所需吸附力FQ最小值，即FQ与FQ2相等时为最小值。

式中FQmin为所需最小吸附力，N。

当ɑ＝90°时，种群的支持力与种子自身重力相等，此时方程可以简化为

从式（12）中得出：种子能否被吸附与种子物料特性、滚筒转速、吸种角度、负压相关。为分析吸种负压、吸种角对排种性能的影响，结合前期大量试验，本文选取吸种负压在500～850 Pa、吸种角度在0～40°范围。

2.4投种区投种角度

被吸附的种子随着滚筒一起转动，当转动到投种区时，由于绝压隔板堵住了吸种孔，瞬间使得吸种孔内外压力一致，失去了吸附力的种子脱离滚筒，由于滚筒一方面自身转动，另一方面向前移动，下落的种子在惯性的作用下一方面保持所在吸种孔处的线速度，另一方面在自身重力的作用下做自由落体运动。图7为投种过程运动分析图。

图7　投种过程运动分析图Fig.7　Movement analysis diagram of dropping process

为了保证投种的均匀性，需确定绝压隔板的安装角度β，即投种角度，使其投种状态为零速投种，即下落过程中种子x方向合速度为0。

式中T为吸种孔处的线速度，m/s；T1为排种器的前进速度，m/s；β为T与x轴之间的夹角，（°）；Tx为T在x轴方向的分速度，m/s。

整理式（13）得

由式（14）表明，投种角度需根据排种器前进速度、滚筒转速以及滚筒直径来确定。排种器前进速度在0.35～1 m/s，由于排种过程需满足三七种植株距要求且要达到零速投种，因此经计算得出调整绝压隔板安装角度β为17°，即投种角度为17°。

3　排种性能试验

3.1试验准备

试验所用的种子均为云南文山三七种子，试验时所用种子含水率为57%，千粒质量为69.77 g[22]。试验在自行设计的试验台上进行，试验台配置德国高瑞生产的型号为GHBH002341R5的高压风机；青岛卓成生产的型号为MS-130ST-M10015电机，功率为1.5 kW；额定流量为120 m3/h。U型测压管测量滚筒上吸种孔处的风压，气吸滚筒式排种器试验平台如图8所示。

图8　气吸滚筒式排种器试验平台Fig.8　Platform of pneumatic cylinder precision seed-metering device

3.2试验方法

试验依据《单粒（精密）播种机试验方法》（GB/T6973－2005），选用漏播率、合格率和重播率作为衡量排种器工作质量的性能指标，并且将其作为试验目标[25]，根据前期试验研究，结合相关学者的研究成果[24，26-28]，影响排种性能的主要参数吸种负压值、排种器前进速度以及吸种角度，故选取负压X1、前进速度X2、吸种角度X3作为此次试验的3个主要试验因素。试验在15 m长的土槽轨道上进行，试验前通过控制风机流量并用U型测压管进行测量负压值，直到达到试验要求。根据三七种植农艺要求，在确定前进速度的情况下，通过更换传动链轮进行传动比的调整。根据前进速度来调节绝压隔板的安装角度。通过变频器调节轨道小车的前进速度，在速度稳定的情况下进行试验。试验结束后测量种子之间的株距与行距，每组试验重复3次取平均值。

3.3投种对比试验

为了表明调节绝压隔板安装角度以达到零速投种的效果，设计了一组投种对比试验。在相同的试验环境下，一组排种器调节绝压隔板安装角度，另一组不进行调节，以排种合格率、漏播率、重播率为评价指标，进行试验，同样每组试验重复3次取平均值，试验参数如表1。

表1　投种对比试验Table 1　Contrast test of dropping seeds

投种对比试验结果表明，通过调整绝压隔板安装角度从原本的合格率79.7%，重播率11.2%，漏播率9.1%优化到了合格率89.3%，重播率7.9%，漏播率2.8%，大幅度提高合格率，降低重播率和漏播率。试验时发现，调整安装角一组进行试验时，投种过程中，种子大都以自由落体形式掉落土槽中，有较小的跳动后，停稳在土壤上，而未调整安装角一组，投种过程中，种子以平抛的形式落入土槽中，种子不但有较大的跳动而且有很大的滚动，严重影响种子之间的行距与株距。因此通过调整安装角以求达到零速投种可以提高排种器的排种性能。

3.4二次旋转正交组合试验

通过前期大量的单因素试验确定了前进速度的取值范围在0.35～1.00 m/s，负压值取值范围在500～850 Pa，吸种角度范围在0～40°。为了找到这3个因素的最佳参数，使得此排种器排种性能最佳，本文选择了试验次数少，计算方便，可以避免回归系数间相关性的二次旋转正交组合试验方法，试验因素和水平如表2所示。在根据三因素二次旋转正交组合试验表进行试验，每组试验重复3次取平均值。试验方案与试验结果见表3。

表2　试验因素和水平Table 2　Factors and levels of test

表3　试验设计方案及响应值结果Table 3　Experiment design and response values

3.5回归数学模型的建立与显著性检验

采用Design-Expert8.0.6软件对试验数据进行多元回归拟合，对试验结果进行回归分析，可以得到合格率Y1、漏播率Y2和重播率Y3的回归方程。

1）合格率Y1回归模型的建立与显著性检验

通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，得到各因素对排种合格率Y1影响的回归模型如式（15）。回归方程的显著性检验如表4所示。

式中Y1为排种合格率，%；X1为负压值；X2为排种器前进速度；X3为吸种角。

根据表4可知，这个模型的拟合度是极显著的（P＜0.01）。但负压和前进速度的交互项（X1X2）的P值、负压和吸种角度的交互项（X1X3）的P值以及前进速度和吸种角度的交互项（X2X3）的P值均＞0.1，说明负压和前进速度的交互项、负压和吸种角度的交互项以及前进速度和吸种角度的交互项对排种合格率的影响不显著，其他各项的 F 检验均极显著或显著，说明相关试验因素对响应值的影响存在二次关系。对于失拟项P＝0.413，不显著，说明不存在其他影响指标的主要因素存在。剔除不显著因素后的回归模型如式（16）。

通过对式（16）回归系数的检验得出，影响排种合格率的因素主次顺序为负压、前进速度和吸种角度。

2）漏播率Y2回归模型的建立与显著性检验

通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，得到各因素对漏播率Y2影响的回归模型如式（17）。回归方程的显著性检验如表4所示。

式中Y2为排种漏播率，%。

根据表4可知，这个模型的拟合度是极显著的（P＜0.01）。但负压和吸种角度的交互项（X1X3）的P值＞0.1，说明负压和吸种角度的交互项对漏播率的影响不显著，其他各项的F检验均极显著或显著，说明相关试验因素对响应值的影响存在二次关系。对于失拟项P＝0.1101，不显著，说明不存在其他影响指标的主要因素存在。剔除不显著因素后的回归模型如式（18）。

通过对式（18）回归系数的检验得出，影响漏播率的因素主次顺序为负压、前进速度和吸种角度。

3）重播率Y3回归模型的建立与显著性检验

通过试验以及对试验数据进行多元回归拟合，得到各因素对重播率Y3影响的回归模型如式（19）。回归方程的显著性检验如表4所示。

式中Y3为排种重播率，%。

表4　回归方程方差分析Table 4　Variance analysis of regression equation

根据表4可知，这个模型的拟合度是极显著的（P＜0.01）。但负压和吸种角度的交互项（X1X3）的P值、负压的二次项（X12）的P值、前进速度的二次方项（）的P值以及吸种角度的二次方项（）的P值均＞0.1，说明负压和吸种角度的交互项、负压的二次项、前进速度的二次方项以及吸种角度的二次方项对重播率的影响不显著，其他各项的F检验均极显著或显著，说明相关试验因素对响应值的影响存在二次关系。对于失拟项P＝0.078，不显著，说明不存在其他影响指标的主要因素存在。剔除不显著因素后的回归模型如式（20）。

通过对式（20）回归系数的检验得出，影响重播率的因素主次顺序为前进速度、负压和吸种角度。

3.6各因素对排种合格率的影响

通过Design-Expert8.0.6对数据进行处理，可得到负压X1、前进速度X2、吸种角度X3对合格率的影响，影响响应曲面如图9。任意固定某个因素的水平，根据响应曲面图，分析其余2个因素间的交互作用对排种合格率的影响。

3.6.1前进速度和吸种角度的交互作用对排种合格率的影响

交互因素对排种合格率响应面曲线如图9所示。图9a为负压值在675 Pa时，前进速度与吸种角度对排种合格率交互作用的响应曲面图。由图9a可知，排种器在前进速度为0.6～0.8 m/s时，吸种角度在14°～26°时，排种合格率较高。前进速度一定时，随着吸种角度的增大，排种合格率先上升后下降。吸种角度一定时，随着前进速度的增大，排种合格率同样先上升后降低。前进速度为0.64 m/s，吸种角度为20°时，排种合格率最高。

3.6.2负压和前进速度的交互作用对排种合格率的影响

交互因素对排种合格率响应面曲线如图9所示。图9b为吸种角度为20°时，负压和前进速度对排种合格率交互作用的响应曲面图。由图9b可知，排种器在负压为650～730 Pa时，前进速度在0.58～0.78 m/s时，排种合格率为90%以上。前进速度一定时，随着排种器腔内负压的增大，排种合格率先上升后下降。负压一定时，随着前进速度的增大，排种合格率同样先上升后降低。负压为650 Pa，前进速度为0.66 m/s时，排种合格率最高。

3.6.3负压和吸种角度的交互作用对排种合格率的影响

交互因素对排种合格率响应面曲线如图9所示。图9c为前进速度为0.68 m/s时，负压和吸种角度对排种合格率交互作用的响应曲面图。由图9c可知，排种器在负压为650～740 Pa，吸种角度在13º～27 °时，排种合格率较高。吸种角度一定时，随着排种器腔内负压的增大，排种合格率先上升后下降。负压一定时，随着吸种角度的增大，排种合格率同样先上升后下降。负压为680 Pa，吸种角度为20°时，排种合格率最高。

图9　交互因素对合格率的影响Fig.9　 Effects of interactive factors on eligible rate

3.7最佳参数优化

设定合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%，吸种角度为20°，优化得最佳参数范围如图10所示。由图10可知，在吸种角度为20°时，吸种负压与前进速度都处于最佳值的区域图，其中灰色区域为参数优化区域，即负压在660～720 Pa，前进速度在0.72～0.76 m/s时，可获得合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%。

对优化后的理论结果进行试验验证。在相同的试验条件下选取吸种角度为20°，负压值为695 Pa，前进速度为0.75 m/s进行3次重复验证试验，得到排种器合格率平均值为93.28%，且均大于90.2%；漏播率平均值为3.17%，且均小于4.9%；重播率平均值为3.55%，且均小于5.3%，试验结果与优化结果基本相符。

图10　参数优化分析图Fig.10　Figure of parameters optimize and analysis

4　结　论

本文采用负压与可调式绝压隔板组合作用技术，设计了一种一器6行的气吸滚筒式三七精密排种器。

1）通过调节绝压隔板安装角度，达到零速投种，可以大幅度提高合格率，降低重播率和漏播率。从原本的合格率79.7%，重播率11.2%，漏播率9.1%优化到了合格率89.3%，重播率7.9%，漏播率2.8%。

2）采用三因素五水平二次正交旋转组合试验方法进行试验，并对试验结果进行方差分析，得出影响排种合格率的因素主次顺序为负压、前进速度和吸种角度。

3）利用Design-Expert 8.0.6进行数据优化处理，以排种合格率、漏播率、重播率为评价指标，得出最佳参数范围在吸种角度为20°，负压值在660～720 Pa，前进速度在0.72～0.76 m/s时，可获得合格率大于90.2%，漏播率小于4.9%，重播率小于5.3%，经试验验证，与优化结果基本一致。

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Design and experiment of pneumatic cylinder precision seed-metering device for panax notoginseng

Gao Xiaojun, Zhou Jinhua, Lai Qinghui※
（College of Modern Agriculturɑl Engineering， Kunming University of Science ɑnd Technology， Kunming 650500， Chinɑ）

Abstract:Notoginseng is one of rare medicinal herbs in China， and it is mainly grown in Yunnan Province. Market demand of notoginseng is very large， and hence， until December 2014， the planting area of notoginseng has reached 40000 hm2. At present， the main planting pattern is through manual operation， and the labor intensity is very high and the sowing quality is discrepant. However， there is no precision seeding device suitable for notoginseng. Therefore， the mechanization planting of notoginseng has important practical significance. Notoginseng is planted on small plots of land， the planting density and the requirement of seeding precision are high， so we designed a small sized precision metering device. The liquidity of the seeds is not good and the shape of seeds is irregular for notoginseng， so we chose the pneumatic seed-metering device to adapt to the characteristics of the seeds accordingly. In order to meet the precision seeding requirements of notoginseng planting， a unique pneumatic cylinder-type precision metering device was designed. This device integrated the features of vacuum suction，insulated pressure for seed-clearing and zero speed of seed dropping. In this paper， the main structure and the working principle of the metering device were expounded. The pitch-row of the hollow shaft was determined and the stability of the flow field was ensured by the flow field analysis through the computational fluid dynamics （CFD） software. The key structure parameters were determined through theoretical calculation according to planting requirements. The contrast test of dropping seed indicated that zero speed of seed dropping was necessity. According to the extensive testing combined with the experimental results of relevant scholars， the main factors which affected seeding performance of pneumatic cylinder precision seed-metering device were determined， which were forward velocity， negative pressure and adsorption angle. During the test process， in order to reach zero speed of seed dropping， the installation angle of adjustable insulated pressure plate was changed with forward velocity. The notoginseng seeds in Wenshan were chosen for sowing object. Based on the three-factor five-level quadratic orthogonal rotating combination test method， the influences of forward velocity， negative pressure and adsorption angle on sowing performance were explored. The experimental results showed that the influence of negative pressure on the qualified rate was very significant （P＜0.01）， and the influences of forward velocity and adsorption angle were significant （P＜0.05）. The regression equations of the 3 factors were fitted through the processing by Design Expert 8.0.6 （experimental design expert） software. Based on the results of examination， we found that the fitting of the equations was good， the best parameter combination was adsorption angle of 20°， negative pressure value of 660-720 Pa and forward velocity of 0.72-0.76 m/s， and under the optimal condition， the qualified index was greater than 90.2， the missing index was less than 4.9， and the multiple index was less than 5.3. The pneumatic cylinder precision seed-metering device met the standard and requirements by comparing the results with the national standard and notoginseng planting requirements. This approach of research is suitable for the exploitation of notoginseng seed-metering， and provides a theoretical reference for the design of pneumatic cylinder precision seed-metering device for Panax notoginseng.

Keywords:mechanization; optimization; design; panax notoginseng; zero speed of seed dropping; seed-metering device

通信作者：※赖庆辉，男，黑龙江五大连池人，博士，副教授，主要从事农业机械装备与计算机测控研究。昆明昆明理工大学现代农业工程学院，650500。Email：laiqinghui007@163.com

作者简介：高筱钧，男，黑龙江齐齐哈尔人，主要从事农业机械装备与计算机测控研究。昆明昆明理工大学现代农业工程学院，650500。

基金项目：国家自然科学基金（51305187）；云南省重点新产品开发计划项目（2014BC007）；昆明理工大学自然科学研究基金资助项目（KKSY201323067，KKSY201323025）

收稿日期：2015-07-13

修订日期：2015-12-10

中图分类号：S223.2

文献标志码：A

文章编号：1002-6819（2016）-02-0020-09

doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2016.02.004