玉米播种机水平圆盘排种器型孔设计与试验

刘艳芬，林 静，李宝筏，马 铁，宋健鹏，田 阳



玉米播种机水平圆盘排种器型孔设计与试验

刘艳芬1,2，林 静1※，李宝筏1，马 铁1，宋健鹏1，田 阳1

（1. 沈阳农业大学工程学院，沈阳 110866；2. 青岛农业大学机电工程学院，青岛266109）

为满足水平圆盘排种器在高速条件下的精密排种要求，从排种器的工作原理出发，对排种盘型孔的结构形状和尺寸进行分析，设计出一种带倒角的周边式倾斜长方形型孔的水平圆盘排种器。为了得到排种器的最佳性能参数，以排种器转速、型孔倒角长度、型孔倾角为试验因素，以排种合格指数、重播指数、漏播指数为试验指标进行三元二次回归正交旋转组合试验，建立试验指标与试验因素间的数学模型。应用响应面法对回归方程进行多目标优化，得到最佳参数为：排种器转速为33 r/min，倒角长度为7 mm，型孔倾角为61°，此时排种的合格指数为92.47%，重播指数为3.56%，漏播指数为3.97%。在最优参数组合下，台架试验验证排种器的排种合格指数为92.13%，重播指数为4.01%，漏播指数为3.86%，田间验证试验表明，当排种器转速调整为33 r/min时，其线速度为0.41 m/s，播种机组前进速度为8.6 km/h，水平圆盘排种器的播种性能指标满足单粒精密播种的农艺要求，且对不同品种的玉米种子具有良好的适应性。该研究可为机械式精密排种器的优化设计提供理论参考。

农业机械；种子；设计；响应面法；水平圆盘排种器；参数优化；试验；回归方程

0 引 言

排种器作为播种机的核心部件，按工作原理分为气力式和机械式2大类。目前东北地区玉米播种主要使用气力式和机械式中的指夹式排种器，专家学者对两者作了大量而深入的研究[1-6]。生产实际中，这两种排种器结构复杂，或能耗大或加工要求高，价格普遍偏高。

机械式中的水平圆盘排种器具有囊种性能较好、结构简单、便于制造、工作可靠等优点[7]。20世纪70年代，水平圆盘排种器开始出现并在几年内发展成为早期较成熟的精密排种器之一[8]，当时前苏联棉花、玉米等少数作物播种机上大多采用水平圆盘排种器[9]。Shein[10]改进水平圆盘排种器设计，使之能够适应多作物播种。Singh等[11-12]优化排种器结构，试验表明种子的几何尺寸决定着排种器型孔的形状、尺寸等参数，直接影响排种精度。在国内，梁天也等[13]改进设计水平圆盘排种器清种装置，台架试验表明排种性能有了大幅提高：种子破碎率由8%～20%降低到1%～5%，空穴率由0.5%～7.0%降低到0.2%～1.1%。赵武云等[14]设计的玉米全膜双垄沟直插式精量穴播机采用水平圆盘精量排种器，能保证1穴2粒的取种精度，田间试验种子破碎率为0.3%，空穴率为0.6%，穴粒数合格率为98.2%。廖庆喜等[15-17]以种子的几何尺寸为依据，从排种器工作原理出发，建立型孔参数的数学模型，为水平圆盘排种器型孔参数的设计提供依据；排种性能试验表明合理匹配种子几何尺寸和型孔参数，可有效提高水平圆盘排种器的工作性能；破损试验证明影响种子破损的主要因素是动、定盘间隙和推种器弹簧压力。石林榕等[18]通过离散单元法对排种进行仿真试验，表明优化排种器的动盘速度、动盘厚度、型孔圆角半径这3个性能参数，可显著提高水平圆盘排种器的播种合格指数。

有学者指出，水平圆盘排种器作业性能不够稳定，一般只能在排种盘圆周速度为0.23～0.35 m/s，机组前进速度为6～7 km/h的范围内高质量地完成播种工作[19-20]，难以满足生产实际中日益提高的作业效率。

本文基于中国玉米种子的几何尺寸开展研究，在理论分析的基础上，设计出一种带有倒角的倾斜纵向长方形型孔的水平圆盘排种器，优化求解获得水平圆盘排种器最优性能参数组合。通过台架试验和田间试验，验证水平圆盘排种器的排种性能以及对不同品种玉米种子的适应性，以期为水平圆盘精密排种器的参数选择和优化设计提供理论参考。

1 排种器的结构与工作原理

水平圆盘排种器工作时，播种机地轮获取的动力由链轮6传至主轴5、经大小锥齿轮啮合4，带动驱动盘11和卡在驱动盘上的动排种盘1一起进行旋转运动。种箱12内的玉米种子在重力、离心力和种子群力的作用下囊入型孔内，完成充种过程；在动排种盘旋转过程中，清种刷9刮掉多余的种子，完成清种过程；型孔内的单粒种子被带至投种室10内，当动排种盘1的型孔跟定排种盘2上的排种孔8相对应时，种子在自身重力和型孔后壁的压力作用下，离开动排种盘型孔穿过投种盒7落入排种管内，完成投种、导种的过程。水平圆盘排种器结构示意如图1所示。

1. 动排种盘 2. 定排种盘 3. 底座 4. 大小锥齿轮啮合 5. 主轴 6. 链轮 7. 投种盒 8. 排种孔 9. 清种刷 10. 投种室 11. 驱动盘 12. 种箱

2 排种器型孔结构设计

排种器的充种过程，也就是种子从排种盘上落入型孔的过程，是水平圆盘排种器排种过程中最关键的两个环节之一，直接影响着排种性能。传统的水平圆盘排种器在高速情况下，往往种子来不及充填型孔，极易造成漏播，影响播种效果。本文所设计的充种型孔的结构形状和尺寸使其更易于充种，保证水平圆盘排种器在高速播种时也能保持良好的排种性能。

种子落入型孔有4种可能性：侧卧、侧立、直立和平躺，如图2所示。对种子进行自由落体实验，得种子落下后4种状态的概率分别为31%、17%、13%、39%。为了保证单粒精密播种，即每一型孔只能落入一粒种子，则种子落入型孔内只能是侧卧或侧立的方式[21]，如图2a、图2b。东北地区玉米籽粒形状大多偏扁平，因此采用周边式纵向长方形型孔。所谓周边式是指型孔位于排种盘的周边。

根据种子的形状和尺寸确定型孔尺寸的变化范围，然后用试验设计的方法来确定最优取值[22]。

a. 侧卧 b. 侧立 c. 直立 d. 平躺

选取3种东北地区具有代表性的扁平玉米品种：丹玉336、丹玉508、沈玉26。从每份种子中随机抽取1 000粒，测量其尺寸并计算平均值，得平均长度0、平均宽度0、平均厚度0，如表1所示。

表1 玉米种子的外形尺寸

根据玉米种子尺寸，排种器型孔尺寸和要求为

式中为型孔长度，mm；为型孔宽度，mm；为型孔深度，mm；为槽长间隙，mm；为槽宽间隙，mm；为槽深间隙，mm。

由式（1）可见，型孔宽度是在种子厚度0的基础上增加槽宽间隙但要小于种子平均宽度0，这样才能避免图2c、图2d的发生，以保证单粒精密播种。对型孔深度，只要能保证种子重心以及大部分体积在型孔内，进入投种室时不会被清种刷清理掉即可，也就是说，型孔深度即动排种盘厚度以种子不退出型孔为条件，因此，型孔深度是用种子平均宽度0减去槽深间隙求得。

根据测得的种子尺寸值，型孔长度取11 mm，宽度取6 mm，深度即动排种盘厚度取6 mm。

此排种器用于两行玉米播种机，种箱体积根据播种机的播种量确定，考虑到种箱体积以及在播种机上的安装空间，排种器的排种盘直径取236 mm。

2.1 型孔后上缘小圆角的设计

位于排种盘上型孔后端附近的种子受到的支撑力来自型孔上缘，如图3所示。

将图3a、图3b相比较发现，种子所受重力（N）、种子群力水平分力F（N）、种子群力竖直分力F（N）是一致的，差别在于图3b中型孔后方上缘处半径为1 mm的小圆角的存在，使得0（N）、（N）方向较图3a中发生了变化。此时0通过小圆角的法线方向斜向上，即0有了水平分力，0向前的水平分力必定大于摩擦力向后的水平分力，作用于其前方种子，必然会加速前方种子囊入型孔，从而提高型孔的充种率。

注：v为前进速度，m·s–1；G为种子重力，N；N0为种子受到的支撑力，N；F为种子所受摩擦力，N；Fx为种子群力的水平分力，N；Fy为种子群力的竖直分力，N；L为型孔长度，mm。

2.2 型孔倒角的设计

对于排种盘上型孔前端附近的种子，设其质心在¢点，质心距离种子胚芽端为（mm），距离排种盘高度为（mm）。首先对不带前倒角的型孔进行分析。

令坐标原点在型孔的最左上点，轴沿种子相对排种盘的速度方向，轴沿排种盘半径方向，轴竖直向上，建坐标系如图4a所示。

注：h为种子质心高于排种盘的高度，mm；c为种子质心与胚芽端距离，mm；o¢为种子质心；O为坐标系原点；X和Z为坐标轴；l1为种子开始翻转下落时质心水平坐标，mm；d为种子质心与型孔后壁间的水平距离，mm；θ为型孔倒角，（°）；L1为倒角长度，mm。

研究单粒玉米种子囊入型孔的过程。种子囊入型孔的过程中起主要作用的是种子相对排种盘的相对速度v，如果v过小，则排种频率过低，导致播种效率低下；v过大，则种子来不及充填型孔，必然会造成漏播。所以，要使排种器有良好的排种性能，就要研究种子能够通过型孔的最大极限速度。假设玉米种子以其胚芽端趋近型孔，当质心点¢移动到坐标原点上方时，种子开始倾斜，接着在力矩´1作用下产生翻转做旋转运动。因此，可以认为种子质心的运动轨迹是一条抛物线，而种子本身从原点开始作自由落体的同时作旋转运动[23]。则穿过型孔时，玉米种子质心的运动方程为

式中为玉米种子落入型孔过程中质心通过的水平距离，mm；v为种子与排种盘的相对速度，m/s；为种子质心从开始到落入型孔所用时间，s；为种子落入型孔过程中质心通过的竖直距离，mm；为重力加速度，m/s2。

可求得种子落入型孔所需时间为

型孔长度最小取值

（3）

式中为种子质心与胚芽端之间的距离，mm。

前苏联院士郭辽契金提出，种子囊入型孔的基本条件是，单粒玉米种子在排种盘上的相对速度最大极限须符合

若在型孔上缘前端加工角度为的倒角，将坐标原点置于倒角左上角点建立坐标系，如图4b所示。则玉米种子质心的运动方程为

（5）

式中1为倒角长度，mm。

经过变化求解得单粒玉米种子在排种盘上的相对极限速度为

由此可见，种子的相对极限速度与倒角长度、种子的质心位置有关。倒角长度过大，种子下落过程中可能会跟倒角发生碰撞，会影响种子落入型孔；倒角长度过小，则发挥不了该有的作用。本文取=30°，并通过后续试验来求取倒角长度1的最佳取值。

比较式（4）和式（6）可得，型孔前倒角可以有效提高种子与排种盘之间的相对速度，，有利于型孔前缘的种子更稳定更高效地落入型孔。

同理，为提高型孔侧缘种子的相对速度，使之能够稳定高效地落入型孔，在型孔的侧面同样加工出倾角为30°的倒角，倒角长度等尺寸由后续试验求得。前倒角和侧面倒角的俯视图能够表达其真实形状，如图5所示。

2.3 倾斜型孔的设计

水平圆盘排种器的排种过程中第二个最关键的环节是投种，即种子穿过型孔落入导种管的过程。随着排种盘圆周速度的增大，弹性推种器往往来不及把种子从充种型孔中完全推出，容易造成漏播。可见在高速情况下，推种器起不到应有的作用，依靠推种器来帮助完成投种过程变得不可靠[24]。为此，本文所设计的排种器不设推种器，而是靠改变型孔的结构形状来有效完成这个过程。所设计的型孔后壁具有较大的反向斜面，这样种子从充种型孔中下落时，竖直方向受力除了种子自身的重力外，还有型孔后壁的反向斜面给予种子的推力的竖直向下的分力cos。同时，将型孔后壁4 mm高度以下部分加工成竖直壁，这样即便是种子胚芽端朝向型孔后缘时也不会被型孔尖角夹住，而是被竖直壁推着随动排种盘一起转动，从而不会产生夹籽的情况，受力如图6所示。玉米种子经过分级、型孔长度比种子长度尺寸大、有反向斜面的型孔结构，排种器通过这3个方面来确保种子能够从充种型孔中顺利高效下落，完成投种的过程。

1.前倒角 2.侧面倒角

注：J为种子随排种盘转动产生的离心力，N；Nk为型孔对种子的推力，N；Ff为型孔对种子的摩擦力，N；N1为型孔对种子胚芽端的推力，N；φ为型孔倾角，（°）。

型孔内的玉米种子随着排种盘刚好转动到投种口的瞬间，种子受力分析如图6a所示。对此时的玉米种子建立运动微分方程

式中为种子随排种盘转动产生的离心力，N；N为型孔对种子的推力，N；F为型孔对种子的摩擦力，N；为型孔倾角，（°）；为种子质量，g；为种子下落瞬间加速度，m/s2；为种子随排种盘转动的角速度，rad/s；为种子离排种盘中心距离，mm；为型孔对种子的摩擦系数。

整理可得种子下落瞬间加速度

当cos-sin>0时，有>，也就是说，当型孔倾角满足时，型孔后缘会给种子施加下压力，有利于排种器更好地完成投种过程。

由式可见，种子下落的加速度受下列因素的影响：排种盘转动的角速度、种子离排种盘中心距离、型孔对种子的摩擦系数、型孔倾角。通过后续试验求得型孔倾角的最佳取值。

2.4 型孔数目的确定

已知播种机排种地轮直径（mm），播种时地轮滑移率为（%），则播种粒距D为[25]

式中D为播种要求的种子粒距，mm；为播种作业时地轮滑移率，%；M为播种时机组前进速度，m/s；为排种盘转速，r/min；0为型孔数目。

播种机从地轮到排种器经过链传动、锥齿轮传动两级传动，两级总传动比用表示。带入式（9）可得排种盘充种型孔数量为

式中为播种地轮直径，mm；为播种传动比。

由式（10）可见，在、、不变的情况下，充种型孔数量0与播种粒距D成反比。

根据东北玉米垄作区的种植经验，播种粒距D取270 mm；滑移率= 8%，地轮半径为450 mm，传动比=0.32，将以上参数带入式（10）可得0=17.78，取整，得排种盘充种型孔数量为18。

排种盘上相邻两个型孔间部分称为型孔间隔墙。型孔间隔墙厚度必须要大于型孔的尺寸，才能防止种子间的混乱现象发生。机械式的排种器的型孔一般都是沿圆周均匀配置的，数目满足如下公式

式中为型孔间隔墙厚度，mm。

将0=18、=118=11带入式（11）可得，=30 mm>。因此，排种盘型孔数目选定18是可取的。

至此，所设计的带有倒角的倾斜纵向长方形型孔的动排种盘的示意图如图7所示。

3 试验研究

3.1 试验条件

台架试验于2015年7月18日在辽宁省农业机械化研究所进行，所用装置为黑龙江省农业机械工程科学研究院研制的JPS-12型计算机视觉排种器试验台，如图8所示。购买的种子是售前分级过的，因此在试验前只需进行简单分级，将体积超过均值太大者剔除。从20 kg丹玉508玉米种子中随机抽取种子作为试验材料，保证每组试验测定的玉米种子为2 000粒。

试验时，将自制水平圆盘排种器固定在安装架上，通过步进电机改变排种器主轴的转速调节。种床带速度可调范围为1.5～12 km/h，排种轴转速可调范围为15～120 r/min。种床带运动模拟播种机田间工作情况。粘种油液压系统将粘种油从油箱压到种床带上，经油刷涂成一条粘油带，排种器排出的玉米种子落至粘油带上，计算机视觉系统实时采集数据，以便精确计算排种器的各个性能指标。

图8 计算机视觉排种器试验台

3.2 试验因素与试验指标

排种盘转速、倒角长度、型孔倾角是影响水平圆盘排种器充种和投种过程的重要参数，将其作为试验的3个因素。根据玉米播种要求，以排种合格指数（%）、重播指数（%）、漏播指数（%）作为试验指标。试验根据GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》[26]的要求进行。、、的计算公式如下

（13）

（14）

式中为试验测定的种子数目；1为试验测定区间内的合格种子数目；2为试验测定区间内的重播种子数目；0为试验测定区间内的漏播种子数目。

试验通过落在种带上的种子粒距来考察排种器的排种性能。D为理论粒距，D为实测粒距，当0.5D<D≤1.5D时，为合格；D≤0.5D时，为重播；D>1.5D时，为漏播。根据我国东北垄作区玉米播种的农艺要求，D取270 mm。

根据水平圆盘排种器的工作特点确定各因素的取值变化范围为：排种器转速为20～48 r/min，倒角长度为5～9 mm，型孔倾角为35°～75°。试验因素水平编码如表2所示。

表2 试验因素水平编码

自制9种不同规格的排种盘，通过更换不同的排种盘实现排种器结构参数的改变；排种器转速由排种试验台的步进电机控制，通过调节电机转速实现排种器转速的改变。根据central composite design（CCD）试验设计原理，进行三元二次回归正交旋转组合设计[27-28]，根据设计进行试验，每次试验重复3次求取平均值作为试验指标，并对影响试验指标的试验因素进行优化。试验方案及性能指标如表3所示。

3.3 试验结果与分析

采用Design-expert 8.0.6软件对试验结果进行回归分析，以确定3个试验指标在不同试验因素影响下的变化规律。排种的合格指数回归方程的显著性分析结果见表4。

模型的<0.01，说明模型极显著，而失拟项的检验结果不显著（=0.265 6>0.05），说明试验指标回归方程与试验数据的拟合程度良好。而且1、2、3、13、12、22、32对方程影响极显著，12和23对方程影响显著，得合格指数的因素编码回归方程为

式中1为合格指数，%；1、2、3分别为排种盘转速、倒角长度、型孔倾角的编码值。

表3 试验方案及结果

注：1、2、3分别为1、2、3的水平编码值。

Note:1,2and3respectively represent coded values of1,2and3.

对因素编码回归方程系数进行检验可得，影响合格指数的试验因素的主次顺序为：排种器转速>型孔倾角>倒角长度。合格指数1（%）的回归方程为

式中1、2、3分别为排种盘转速、倒角长度、型孔倾角。

通过合格指数方差分析发现，3个试验因素对合格指数的影响都显著，并且3个因素之间两两存在交互作用。

运用同样的方法，剔除不显著项，得重播指数因素编码回归方程为

式中2为重播指数，%。

表4 合格指数方差分析

对式（17）的回归系数进行检验得出，影响重播指数的各试验因素的主次顺序为：倒角长度>排种器转速>型孔倾角。则重播指数2(%)的回归方程为

通过重播指数方差分析发现，3个试验因素对合格指数的影响都显著，并且排种盘转速和型孔倾角、倒角长度和型孔倾角之间存在交互作用。

对于漏播指数，剔除不显著项，得到漏播指数因素编码回归方程为

式中3为漏播指数，%。

对式（19）的回归系数进行检验得出，影响漏播指数的各因素的主次顺序为：排种器转速>型孔倾角>倒角长度。则排种漏播指数3（%）的回归方程为

通过漏播指数方差分析发现，3个试验因素对合格指数的影响都显著，并且排种盘转速和倒角长度之间存在交互作用。

3.4 试验因素对指标的影响

根据所建立的排种合格指数的回归方程，应用软件Design-expert 8.0.6软件得到响应曲面，以便能直观的看出试验指标与各因素之间的关系，结果如图9所示。

图9a、9b、9c是三因素对合格指数的影响：播种合格指数随着排种器转速的提高先增后降，在25～35 r/min有最大值；随着倒角长度的增大先增后降，在5.5～7.5 mm有最大值；随着型孔倾角的增大先增后降，在55°～65°有最大值。图9d、9e、9f说明排种重播指数随排种器转速的提高而降低，随倒角长度的增大而增加，随型孔倾角的增大先降后增。图9g、9h、9i说明排种漏播指数随着排种器转速、倒角长度、型孔倾角这三个因素的增大都呈先降后增的趋势。

3.5 参数优化

为得到排种器的排种合格指数最大，重播指数和漏播指数最小，根据JB/T 10293-2001《单粒（精密）播种机技术条件》中的要求[29]，播种合格指数≥80.0%，重播指数≤15.0%，漏播指数≤8.0%。采用多目标的非线性优化理论和方法，结合试验因素的约束条件，对已得出的回归方程进行优化分析[30]。目标函数及约束条件为：

利用Design-expert 8.0.6软件对回归方程进行优化求解，圆整优化参数得：排种器转速为33 r/min，倒角长度为7 mm，型孔倾角为61°。选取排种盘材料为尼龙，测得静摩擦系数为0.42，带入公式（8）得符合，即型孔倾角取值合理。

根据优化得到的最优参数，进行5次重复台架试验，试验结果平均值见表5。可见在最优参数作用下，实际结果与理论结果近似。

表5 水平圆盘排种器的最优性能及相应参数

4 田间性能验证试验

4.1 试验目的

为验证台架试验的有效性，检验所设计水平圆盘排种器的工作性能，进行了田间验证试验。试验时，将最优性能参数组合下的水平圆盘排种器安装于悬挂式免耕施肥播种机上[31]，调整排种器转速至33 r/min左右。

为验证排种器对不同品种的适应性，试验选取丹玉336、沈玉26、丹玉508三个品种的玉米种子作为试验材料。试验于2016年4月29日在沈阳农业大学科技试验田进行，试验所用田块长326 m，宽67 m，是玉米秸秆高留茬免耕地块。配套动力为东方红354拖拉机。

4.2 田间工况

试验田土壤类型为棕壤土。土壤容重用环刀法测定3次取平均值为1.23 g/cm3。土壤坚实度用SC900型数字式土壤紧实度测量仪（测压范围0～7 MPa，测量深度0～45 cm，美国芝加哥Spectrum 技术公司）测定10次取平均值，得到结果为平均土壤紧实度在0 cm（地表）处平均土壤紧实度为140 kPa，5 cm处为386 kPa，10 cm处为474 kPa，15 cm处为825 kPa。土壤含水率用SM-2型高精度土壤水分测量仪（精度±5%，澳作生态仪器有限公司）测定10次取平均值，得到结果为0～10 cm的播种层土壤平均含水率为12.6%，10～20 cm的种下土壤平均含水率为15.3%。土壤温度测定10次取平均值，结果为5 cm处土壤平均温度为16.1 ℃，10 cm处土壤平均温度为12.9 ℃，15 cm处土壤平均温度为11.7 ℃。前茬作物为玉米，收割后留茬高度平均值为15.3 cm。

4.3 田间性能试验结果

田间作业时，机组前进速度为8.6 km/h，排种器转速为33 r/min，线速度为0.41 m/s，理论播种粒距为270 mm。试验重复5次，每次测定种子不少于1 000粒，依据GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》进行统计处理，结果见表6。

表6 田间试验结果

由表6可知，水平圆盘排种器对3个玉米品种的播种合格指数均大于80%。因为沈玉26品种籽粒之间尺寸差异较大，而且尺寸均值小于另外2个品种，因而在田间播种时合格指数最低，重播指数明显高于另外2个品种。从田间性能验证试验的结果看，所设计水平圆盘排种器的排种性能能够满足精密播种的农艺要求，而且对不同玉米品种的适应性良好。

5 结 论

1）本文设计了一种带有倒角的周边式倾斜纵向长方形型孔的水平圆盘排种器。通过对其工作原理的分析，对排种盘型孔的结构参数进行了设计，要求排种器在高速工作条件下能保持良好的排种性能，并能满足玉米精确播种的农艺要求。

2）采用三元二次回归正交旋转组合设计，建立排种性能指标（合格指数、漏播指数、重播指数）与排种盘转速、型孔倒角长度、倾角3个试验因素间的回归数学模型，得各试验因素对试验指标的影响和交互作用关系。

3）使用Design-expert 8.0.6软件对试验结果进行分析，并利用响应面法对回归方程进行多目标优化，得到最优参数为排种器转速为33 r/min，倒角长度为7 mm，型孔倾角为61°。此时，排种合格指数为92.47%，重播指数为3.56%，漏播指数为3.97%；台架验证试验得实际排种合格指数为92.13%，重播指数为4.01%，漏播指数为3.86%。

4）将最优性能参数组合下的水平圆盘排种器安装于悬挂式免耕施肥播种机上，进行田间性能验证试验。试验结果表明，当排种器转速为33 r/min，线速度为0.41 m/s，机组前进速度为8.6 km/h时，排种器的排种性能指标满足精密播种的农艺要求，而且对不同尺寸的玉米品种均有良好的适应性。

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Design and experiment of horizontal disc seed metering device for maize seeder

Liu Yanfen1,2, Lin Jing1※, Li Baofa1, Ma Tie1, Song Jianpeng1, Tian Yang1

(1.110866,;2.266109,)

Seed metering device as the core component of seeding machine, plays a vital role in seeding performance of a seeder. At present, most of the corn seeder in Northeast China use pneumatic seed metering device or finger-clamping metering device which is accurate but expensive, while horizontal disc seed metering device has the advantages of easy falling into the hole, simple structure and low price, but it’s not suitable for high seeding speed. To meet the precision seeding requirements under high speed conditions, the working principle of the metering device was analyzed. As corn accurate seeding requires uni-grain, i.e. into each hole only a seed, the state of the seed falling into the hole can only be side lying or side standing. By studying the shape and size of flat corn seeds used in Northeast China, longitudinal rectangular holes adequate for flat seeds were determined with specific size of 11 mm length, 6 mm width and 6 mm depth. Combined with stress analysis and kinematic analysis, a seed metering disc with inclination hole and small fillet chamfer, which was suitable for high working speed, was designed. Small fillet on the rear edge was bound to accelerate the speed of seeds falling into holes, so as to improve the filling rate of the holes. Front chamfer and side chamfer of the holes on seeding disc could effectively improve the relative speed of seeds, and it made the nearby seeds more stable and more efficient to fall into the holes. Inclination hole was a type of hole which was opposite to the rotation direction of the seed metering disc. When the seeds fell from the filling hole, the force at the vertical direction it suffered not only contained its own gravity, but also the component of vertical downward force given by the reverse slope of the inclined holes. The vertical force could ensure the seed to drop from the holes to the guide tube effectively. It changed the way of the traditional horizontal disc metering device relying solely on seed gravity free falling movement, and ensured the seeding process could be completed successfully. In order to improve the working performance and get the best performance parameters of the seed metering device, a quadratic orthogonal rotary composite experiment was designed. The seed metering device’s rotational speed, chamfer length and inclination angle of hole were taken as experimental factors, and the qualified index, the multiple index and the missing index were evaluated. The experiment was carried out on the JPS-12 seeding test bench. Using Design-expert 8.0.6 software, the mathematical models of experimental factors and test indices were established based on the experimental data obtained from the bench test. Response surface methodology (RSM) was used for multi-objective optimization of the regression equation. Test results showed that when the rotational speed of seed metering device was 33 r/min, the chamfer length was 7 mm and the inclination angle of hole was 61°, the qualified index was 92.47%, the multiple index was 3.56%, and the missing index was 3.97%. On this basis, field experiment was carried out to verify the working performance of the seed metering device and to test the adaptability of different corn seed varieties. Field validation test showed that when the seed metering device speed was 33 r/min, the line speed of seeding disc was 0.41 m/s, and the unit forward speed was 8.6 km/h, the seeding performance index could meet the agronomic requirements of precision seeding. It also proved that the seed metering device had a good adaptability for different corn varieties and a good seeding performance. The research provides a reference method for designing and analysis of mechanical precision seed metering device.

agricultural machinery; seeds; design; response surface methodology (RSM); horizontal disc seed metering device; parameters optimization; experiment; regression equation

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.005

S233.2

A

1002-6819(2017)-08-0037-10

2016-07-20

2017-04-04

国家自然科学基金项目（51275318）；公益性行业（农业）科研专项（201503116-09）

刘艳芬，女，博士生，主要从事旱作农业机械化及智能化装备研究。沈阳 沈阳农业大学工程学院，110866。Email：liu_yanfen@163.com

林 静，女，辽宁昌图人，教授，博士生导师，主要从事旱作农业机械化及智能化装备研究。沈阳 沈阳农业大学工程学院，110866。 Email：synydxlj69@163.com

刘艳芬，林 静，李宝筏，马 铁，宋健鹏，田 阳.玉米播种机水平圆盘排种器型孔设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(8)：37－46. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.005 http://www.tcsae.org

Liu Yanfen, Lin Jing, Li Baofa, Ma Tie, Song Jianpeng, Tian Yang. Design and experiment of horizontal disc seed metering device for maize seeder[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(8): 37－46. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.08.005 http://www.tcsae.org