油菜精量直播机气力式排种系统稳压控制方法与试验

廖宜涛，舒彩霞，廖庆喜，韦跃培，王 磊，王 都，郑 娟

油菜精量直播机气力式排种系统稳压控制方法与试验

廖宜涛，舒彩霞，廖庆喜，韦跃培，王 磊，王 都，郑 娟

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

针对气力式油菜精量联合直播机因拖拉机后输出轴转速变化影响气力系统中风机工作转速，导致排种器工作气压波动，进而降低排种性能的问题，提出一种基于溢流释压的气力系统稳压控制方法，即通过测试风机实际转速变化情况、风机转速与气力系统气压关系，确定溢流阀预设气压值，根据该预设值计算溢流阀的释压弹簧结构参数和工作参数，并通过流量-压力理论分析和稳压控制性能试验验证参数有效性。以2BFQ-6型油菜精量联合直播机气力系统为对象，利用该方法开展稳压控制试验：通过田间测试确定播种机组在田间稳定作业时风机工作转速变异系数达8.15%，结合测定的气力系统风机转速与气压关系，确定风机实际工作转速应在2 020～2 620 r/min范围内，正负气压阀溢流稳压控制预设值分别为1 000和−5 500 Pa；通过溢流释压阀结构及释压特性分析，确定采用中径30 mm、节距10 mm、有效圈数8圈、线径为1.0、1.5 mm的碳素钢丝圆柱螺旋弹簧作为正、负压释压阀的释压弹簧，其弹簧调节螺栓预压缩量分别为6.7和7.8 mm；稳压控制验证试验表明设计的稳压控制系统将排种器气室正压、负压偏差率分别降低45%和110%，使气室气压保持在适宜范围内，气压控制响应灵敏性及稳定性均满足要求；当风机工作转速在2 000～2 700 r/min范围内变化时，排种器的排种量变异系数减小2.68%，提高了排种稳定性。研究表明提出的溢流释压稳压控制方法可有效解决油菜直播机田间作业时排种器工作气压波动大、排种量稳定性差的现实问题，可为播种机设计、气力式排种系统性能优化提供参考。关键词：机械化；控制；种子；油菜精量联合直播机；气力式排种系统；溢流释压；稳压控制；试验

廖宜涛，舒彩霞，廖庆喜，韦跃培，王 磊，王 都，郑 娟. 油菜精量直播机气力式排种系统稳压控制方法与试验[J].农业工程学报，2017，33(15)：49－56. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.006 http://www.tcsae.org

Liao Yitao, Shu Caixia, Liao Qingxi, Wei Yuepei, Wang Lei, Wang Du, Zheng Juan. Air pressure stabilizing method and experiment of pneumatic seed-metering system of precision rapeseed planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(15): 49－56. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.006 http://www.tcsae.org

0 引 言

气力式排种技术具有对种子品种与形状适应性强、伤种率低、易实现精量播种等特点，在国内外得到了广泛的研究和应用[1-4]。其中排种器工作气压稳定性是影响排种性能的关键因素之一[5-7]。特别是采用气力式排种器播种油菜、谷子、蔬菜等小粒径种子，因种子粒径小、质量轻，排种过程更易受气压波动的影响：吸种负压绝对值过大会导致重吸增加，重播指数高，吸种负压绝对值过低，漏吸增加，漏播指数高[8-11]；投种正压变化过大会影响投种轨迹，影响播种均匀性[12-13]。正负气压组合式油菜精量排种器采用负压吸种、正压投种，前期研究表明排种器正压气室气压在200～400 Pa，负压气室气压在−4 000～−3 000 Pa区间内，排种效果较好[14-15]。

现有气力式播种机气力系统的风机主要由拖拉机后动力输出轴通过带传动驱动[16-18]。播种机组田间作业时，存在田块地表与土壤物理特性差异、机手操作及机组负载波动等因素，影响拖拉机发动机及后输出轴转速、导致风机工作转速变化，进而造成排种器工作气压波动、影响排种效果。在播种机气力系统设计中，保证排种器处于适宜的工作气压范围，是保证播种效果的关键[9,19-21]。

为解决播种机田间作业时风机工作转速波动、气力系统气压供给不稳定的问题，有研究提出将风机安装在拖拉机上由发动机直接驱动，或采用液压马达、电机等驱动，但存在受发动机工作状态波动影响、配套拖拉机动力要求高、需要对配套拖拉机改装、成本高、适用性差等问题[22-23]。在气压或液压系统中，溢流阀被广泛的用于压力调节，使系统满足工作要求[24-26]。其中直动溢流释压阀依靠气流直接作用在阀芯上，通过与释压弹簧的作用力相互平衡，自动控制阀口启闭，结构简单、工作可靠[27]。在高压风机排风系统中，常将释压阀安装在风机出口或入口管道上，当气力系统气压值大于预设值时，释压阀将压力通过风流释放出，保护高压风机，但现有RV-01、RV-02型释压阀调节压力在0～30 000 Pa和0～60 000 Pa，采用的释压弹簧刚度大，阀口开度变化引起的压力变化大，不适用于气力式播种机的低压气力系统释压要求。本文以2BFQ-6型油菜精量联合直播机为对象，针对直播机组田间作业时风机转速变化引起气压波动，影响排种器工作稳定性的问题，提出了一种基于直动溢流释压的播种机气力系统稳压控制方法，以期有效提高排种系统排种稳定性。

1 基本结构与工作原理

1.1 气力排种系统基本结构与工作过程

气力排种系统如图1所示，是直播机的关键部件，主要包括风机、总输气管与分配管、正负气压组合式油菜精量排种器[15,28]。工作时拖拉机后动力输出轴驱动风机运转，产生的负、正气压经气流输送和分配管为排种器吸种、携种过程提供气吸力，为投种过程提供气吹力；排种盘由地轮驱动而转动，将种子由充种区运移至投种区，然后在正压气流与重力作用下与型孔分离，经导种管播入田间。

图1 直播机气力式油菜精量排种系统Fig.1 Pneumatic seed-metering system of rapeseed planter

1.2 气压控制系统基本结构

气力系统的稳压控制由2个溢流释压阀执行，分别安装于总负压和总正压输气管上，构成如图2所示气压稳定控制系统。

图2 气压稳定控制系统示意图Fig.2 Schematic of air pressure stabilizing system

释压阀实物如图3a所示，其结构组成如图3b。其中基座顶部为释压阀出气口，罩壳底部是进气口，阀芯与导杆刚性连接，向上移动开启最大高度Smax为11 mm；弹簧置于阀芯与滑块中间，装配后阀体内弹簧可伸长最大长度Hmax为65 mm；调节螺栓预缩压量ΔL与阀口开度X之和不大于25 mm。

工作时进口气流经导流阀座作用在阀芯底部端面，气力系统管道内气压低于预设值P0时，阀芯底部端面产生的压力低于弹簧预压紧力F0，阀芯在弹簧作用下与导流阀座接触，阀口闭合；当气力系统气压增加，进气口气压增加，在阀芯底部端面产生的压力高于弹簧压紧力F0时，阀芯上升，释压阀开启。溢流释压时，正压输气管上释压阀可使多余气体回流至大气中，负压输气管上释压阀可使大气中适量空气流入管道内；压力越大，阀口开度越大，溢流量越大，形成动态平衡，保证气力系统气压稳定。改变调节螺栓预缩压量ΔL，可改变弹簧压紧力F0，即可调整释压预设值P0。

图3 释压阀实物与结构示意图Fig.3 Physical photograph and structure of relief valve

1.3 释压特性分析

对阀芯受力状态分析可得式（1）～（14）[29-30]。阀口处于开启临界状态时，阀芯受力平衡方程：

式中P0为释压预设值，Pa；A0为阀芯底部端面受力面积，mm2；k为释压弹簧刚度系数，N/mm；H0为弹簧自由高，mm；Hmax为阀体内弹簧可伸长最大长度，mm；ΔL为调节螺栓预缩压量，mm；D5为阀芯外径，mm；D2为阀芯内径，mm；n为弹簧有效圈数；t为弹簧节距，mm；dt为弹簧线径，mm；G为弹簧线材刚性模量，MPa；Dm为弹簧中径，mm。

阀口打开时，阀芯受力平衡方程：

式中P为进气口气压，Pa；X为阀口开度，mm；Fw为稳态液动力，因阀芯为平底阀体，其值近似为0，忽略不计。

综合（1）～（5）得：

阀口开启溢流时的压力-流量方程：

式中Q为溢流量，m3/h；ΔP为释压阀阀芯两侧的工作压差，近似等于进气口气压值P；ρ为空气密度，1.29 kg/m3；Cd为流量系数，一般取0.77～0.80；A为释压阀过流面积，mm2。设A1为进气口处截面，A2为阀侧面，A3为阀芯阀座间截面，则：式中D4为进气口内径，mm；D3为导流阀座外径，mm；D6为阀腔内径，mm；D1为导杆外径，mm。

根据阀体结构参数可得X≤3.8 mm时，A=A3，则

由式（1）、（5）、（12）得释压阀Q-P关系方程如下

当阀口开度X＞3.8 mm时，A=A2，Q-P关系方程为

由上述分析可知，气力系统的溢流释压效果与释压阀的阀口过流面积A、弹簧线径dt、有效圈数n、阀口开度X、调节螺栓预压缩量ΔL等参数有关。

1.4 播种机气力系统稳压控制方法

根据播种机气力排种系统结构、释压阀结构及释压特性提出播种机气力系统稳压控制方法，实施步骤如下：1）测定播种机组田间作业工况下，拖拉机后动力输出轴的转速变化范围；2）测定气力排种系统总输气管、排种器气室的气压值和配套风机工作转速的关系；3）根据排种器工作气压下限值和拖拉机后动力输出轴转速下限值设计播种机风机的传动比，计算出风机实际工作转速范围，确定排种器实际工作气压值变化区间，进而确定气力系统中溢流阀预设气压值；4）通过分析计算确定释压弹簧结构参数，并根据其流量-压力特性曲线分析释压阀是否满足气力系统稳压控制要求；5）试验验证释压阀对气力系统的稳压控制效果。

2 试验设备与方法

2.1 直播机组田间作业风机转速测试

以2BFQ-6型油菜精量联合直播机为对象，于2014年5月7日在黄冈市团风县开展田间作业风机转速测试，如图4所示。拖拉机型号为博马854，后动力输出轴额定转速为760 r/min；试验用播种机配套风机为额定功率2 200 W漩涡风机，为排种器同时提供吸种负压和投种正压，带传动比0.25，额定转速2 800 r/min；利用自制磁感应式转速仪（采用速为SW6234C型转速测量仪标定，误差小于0.3%）采集风机转速，数据采集频率为1 Hz。机组由启动到持续作业完一厢为一次测试，总计测试8次；其中拖拉机以低4挡作业4次，用于分析同一挡位作业条件下风机转速变化情况；以低1挡、低2挡、低3挡、中2挡作业各1次，用于分析不同挡位条件下风机转速变化情况。

图4 田间作业现场风机转速测试Fig.4 Field testing of air pump rotating speed

2.2 气力系统总输气管和排种器气室气压关系试验

利用图5所示油菜气力式精量排种系统试验台开展试验[9]，测定风机在100～2 700 r/min范围内气力系统总输气管和排种器气室气压，以确定气力系统风机传动比和实际工作转速、溢流阀预设气压值P0和溢流弹簧参数。

试验中总输气管和气室正压采用CP113-PO 型微差压变送器（法国KIMO，量程为0～5 000 Pa，精度±1%测量值）；负压值采用CP114-PO 型（法国KIMO，量程为−49 033～0 Pa，精度±1%）；气力系统试验台中数据巡检仪以1 Hz频率采集气压值并将其存储至PC机用于分析；排种器以20 r/min正常排种，试验用油菜籽为“华油杂62”商品化种子。

2.3 气力系统稳压控制试验

利用油菜气力式精量排种系统试验台开展气力系统溢流稳压控制效果验证试验，包括1）气压偏差率：在安装和未安装稳压控制释压阀状态下，将风机从0加速至设计最高转速，加速时间为8 min，保持1 min后减速至0，采集该过程中排种器正负气室气压值用于分析，每组数据重复3次。2）气压控制灵敏性：气力系统安装释压阀，将风机分别从0加速至1 400、1 800、2 200、2 600 r/min，加速时间5 s，保持6 s后减速至0，采集该过程中排种器正、负气室气压，试验重复3次。3）气压控制稳定性：气力系统安装释压阀，将风机从0加速至2 600 r/min，加速时间5 s，保持10 s后减速至0；重复5个周期，采集排种器正负气室气压值，用于稳压控制稳定性分析。4）排种量稳定性：风机转速水平取2 000、2 100、2 200、2 300、2 400、2 500、2 600、2 700 r/min，分别测量安装和未安装释压阀状态下排种器3 min内的排种量，试验重复3次。

图5 油菜直播机气力式精量排种系统试验台Fig.5 Experimental platform of pneumatic seed-metering system of rapeseed planter

3 结果与分析

3.1 机组田间作业时风机转速分析

通过试验测试机组田间作业时风机转速变化，不考虑启停阶段，机组在稳定作业时间段内风机转速在2 340～3 000 r/min内，由传动比计算得拖拉机后动力输出轴工作转速约为585～750 r/min。选取机组稳定作业时间段内风机转速进行统计分析，如表1所示。机组作业8次，每次持续稳定作业阶段，风机转速都会发生随机性波动，变异系数在2.09%～4.34%之间；其中低1挡作业时风机转速波动最大，变异系数达4.34%；低4挡作业4次，风机转速变异系数在2.14%～3.18%之间；表明机组在持续稳定作业过程中，拖拉机的后动力输出轴转速也会发生变化。表1中各次试验的风机转速平均值差异较大，在2 400～2 903 r/min之间；统计分析低1挡到中2挡作业的风机转速平均值可知：不同挡位之间风机平均转速的变异系数为8.15%（低4挡作业时取第1次平均值2 448 r/min用于计算）；以低4挡重复作业4次，各次风机平均转速之间的变异系数仍达7.70%。试验证明机组作业时，拖拉机后动力输出轴转速会发生变化，进而导致风机转速波动。

表1 风机转速统计Table 1 Statistics of air pump rotating speed

3.2 气力系统稳压控制参数分析

输气总管和排种器气室气压与风机转速的关系如图6所示。风机转速1 300 r/min时，排种器正压气室气压约200 Pa，正压总管气压约1 000 Pa；负压气室气压约−600 Pa，负压总管气压约−1 700 Pa。风机转速2 000 r/min时，正压气室气压约300 Pa，正压总管气压约1 900 Pa；负压气室气压达到−3 000 Pa，负压总管气压约−5 500 Pa。

图6 风机转速与气力系统气压值关系曲线Fig.6 Curves of air pump rotating speed and air pressure of pneumatic system

直播机田间作业时负压绝对值不小于3 000 Pa[14-15]，按拖拉机后动力输出轴转速585 r/min、风机转速保持2 000 r/min以上设计，风机传动比i 取0.29，则风机实际工作转速范围为2 020～2 620 r/min。由图6可知，当风机以转速上限值2 620 r/min工作，正压总管气压约为2 700 Pa，正压室气压大于400 Pa，投种均匀性会下降；负压总管气压约为−10 000 Pa，负压室气压约−7 000 Pa，会导致重吸增加、重播率增大。因此需在气力系统中安装释压阀进行稳压控制。为保证排种器排种效果，正压释压阀预设气压值P0+应为1 000 Pa，最佳调节范围为1 000～2 700 Pa，负压释压阀预设气压值P0-应为−5 500 Pa，可调范围为−10 000～−5 500 Pa。

选用中径Dm=30 mm，节距t=10 mm系列碳素钢丝圆柱螺旋弹簧，G=79 000 MPa，由方程（1）～（4）求解得到弹簧线径dt、有效圈数n、预压缩量ΔL等参数与释压阀预设气压值P0的关系如图7所示。由图7可知，要满足释压阀预设气压值，选用线径越小的弹簧，要求其有效圈数越多，调整螺栓预压缩量越大；选用线径过大的弹簧，较小的预压缩量即引起较大的气压值变化；线径在0.9～1.2 mm范围内的弹簧适用于气力系统正压释压，线径在1.4～1.6 mm范围内的弹簧适用于负压释压。根据标准弹簧参数，选用弹簧有效圈数为8，线径1.0、1.5 mm的弹簧用于正、负压释压，其弹簧调节螺栓预压缩量应分别设置为6.7和7.8 mm。

图7 释压阀性能与释压弹簧参数关系Fig.7 Relation of relief valve performance and relief spring parameter

根据式（13）、（14）计算的正负压释压阀的流量-压力特性曲线如图8所示。

图8 释压阀流量-压力特性曲线Fig.8 Air flow and air pressure characteristics of relief valve

当阀口开度X在3.8 mm以内时，系统溢流释压后正压总管气压在1 000～1 160 Pa，负压总管气压绝对值在5 500～6 300 Pa间，阀口开度随气力系统流量增加而增大，过流面积A增大，溢流量增大，气力系统气压随溢流量增大而缓慢增加，溢流释压效果明显；当阀口开度大于3.8 mm后，过流面积A恒定，系统气压随溢流量的增大而大幅增加，溢流稳压能力下降；当正压总管内气流经溢流释压后气压大于1 460 Pa、负压总管内气流释压后气压绝对值大于7 850 Pa以上时，正、负压管释压阀口开度均达到最大值11 mm；理论分析表明释压阀能参数满足气力系统稳压控制要求。

3.3 稳压控制性能分析

3.3.1 气压偏差率

气力系统在有无释压阀稳压状态下，排种器气室气压随风机转速变化的情况如图9所示。风机加速约240 s后，排种器正压气室达到200 Pa，此时正压释压阀打开，开始溢流释压，气力系统内正压随风机转速增加保持稳定；风机加速约320 s后，正压管释压阀开度大于3.8 mm，气力系统正压随风机转速升高、流量增大而逐渐升高；约360 s后，负压气室达到−3 000 Pa，负压释压阀打开，开始溢流释压，系统负压基本保持稳定；风机加速约430 s后，负压管释压阀开度大于3.8 mm，气力系统负压随风机转速升高、流量增大而逐渐升高；稳压控制效果与理论计算结果一致。

图9 有无释压阀时排种器气室气压变化曲线Fig.9 Pressure change curves of air pressure chamber of seed-metering device with and without relief valve

无释压阀稳压控制时，风机转速2 620 r/min时，排种器正压室气压达到440 Pa，正压偏差率为120%，负压室负压达到−7 200 Pa，负压偏差率为140%；安装释压阀后排种器正压范围200～350 Pa，偏差率75%，负压范围为−3 900～−3 000 Pa，偏差率30%；通过释压阀稳压使排种器正压、负压气压偏差率分别降低45%、110%，稳压控制效果较好；风机在2 020～2 620 r/min工作内，通过稳压控制可保证排种器工作在适宜气压下。

3.3.2 气压控制灵敏性与稳定性

风机从0分别加速至1 400、1 800、2 200、2 600 r/min等4个转速水平，加速时间5 s，保持6 s后减速至0，排种器正、负气室气压值随时间变化关系如图10a、10b所示，释压阀均能及时开启与关闭，稳压控制灵敏性较好。风机从0加速至2 600 r/min，加速时间5 s，保持10 s后减速至0，重复5个周期，排种器正、负气室气压值随时间变化关系如图10c、10d所示，气压变化过程基本一致，表明稳压控制的稳定性较好。

图10 稳压控制灵敏性与稳定性Fig.10 Air pressure regulating sensitivity and stability

稳定性试验中风机转速保持2 600 r/min时气压值统计结果如表2。由表2可知单个周期内，气力系统正、负压波动变异系数绝对值分别在3.65%和7.35%以下，该波动与排种盘旋转、排种盘与气室装配误差、吸种状态等有关[9]，且波动气压范围在排种器允许工作范围以内；统计分析5个周期的正、负压平均值可知重复周期之间的正、负压变异系数绝对值分别为0.72%和0.94%，表明系统稳压控制重复性高、一致性较好，系统稳定性好。

表2 稳压控制稳定性数据统计Table 2 Statistics of air pressure stability

3.3.4 排种量稳定性

气力系统在有无释压阀稳压控制状态下，排种器在风机转速2 000～2 700 r/min、3 min内排种量数据统计如表3所示。风机在各转速水平下3次重复的排种量变异系数均不大于1%，表明在稳定的气压条件下，排种器的排种稳定性较好。无稳压控制时，排种量随风机转速增加而明显增加，风机2 700 r/min时的排种量比2 000 r/min时高11.37%，表明随着风机转速增大，气力系统负压变大，排种器重吸增加；通过释压阀稳压控制后排种量随风机转速增加而缓慢增加，风机2 700 r/min时的排种量比2 000r/min时高2.93%，表明风机转速较大时，释压阀进行溢流释压，排种器工作气压稳定在适宜范围内，重吸增加不明显。统计分析不同风机转速水平的排种量平均值可得：无稳压控制时，不同风机转速水平之间的排种量变异系数为3.84%，表明气力系统气压出现波动，排种器的排量稳定性会下降；经释压阀稳压控制后，不同风机转速水平之间的排种量变异系数为1.16%，降低了2.68%，表明在不稳定的风机转速下，气力系统通过稳压控制能有效提高排种量稳定性。

表3 排种器排种量统计Table 3 Seeding quantity statistics of seed-metering device

4 结论与讨论

本文提出一种基于溢流释压的气力系统稳压控制方法，即通过测试风机实际转速变化情况、风机转速与气力系统气压关系，确定溢流阀预设气压值，据该预设值计算溢流阀的释压弹簧结构参数和工作参数，并通过流量-压力理论分析和稳压控制性能试验验证参数有效性。

1）以2BFQ-6型油菜精量联合直播机为研究对象，播种机在田间稳定作业时风机工作转速变异系数达8.15%，风机实际转速在2 020～2 620 r/min范围内，正负气压阀溢流稳压控制预设值分别为1 000和−5 500 Pa。

2）气力式排种系统稳压控制正、负压释压阀采用中径30 mm、节距10 mm、有效圈数8圈、线径分别为1.0、1.5 mm的碳素钢丝圆柱螺旋弹簧，弹簧调节螺栓预压缩量分别为6.7、7.8 mm，可将排种器气室正压、负压偏差率分别降低45%和110%，使气室气压保持在适宜范围内，排种器的排种量变异系数减小2.68%，气压控制响应灵敏性及稳定性均满足要求。

本文开展了基于溢流释压的油菜精量联合直播机气力系统稳压控制方法研究，试验验证了释压阀的稳压控制效果，对其他规格弹簧、气力传输管道布局及管径大小等因素对排种器正负压的影响有待进一步研究。

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Air pressure stabilizing method and experiment of pneumatic seed-metering system of precision rapeseed planter

Liao Yitao, Shu Caixia, Liao Qingxi, Wei Yuepei, Wang Lei, Wang Du, Zheng Juan
(1. College of Engineering, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. Key Laboratory of Agricultural Equipment in Mid-lower Yangtze River, Ministry of Agriculture, Wuhan 430070, China)

The tractor load keeps varying randomly during the tractor - pneumatic planter unit working. It could cause the air pressure in pneumatic precision seed-metering system to become not as constant as the design due to the working speed fluctuation of air pump on the planter led by the variation in rotation velocity of the tractor’s power output shaft. Consequently, it would deteriorate the distribution uniformity of seeds in the field and worsen the growth and final yield of crops. To solve this problem, an effective air pressure stabilizing method of pneumatic seed-metering system was proposed based on spring-loaded air pressure relief valve. The first step was to measure the rotation velocity of the tractor’s power output shaft in the field. After that, the relationships of the speed of the air pump and the air pressure of the pipeline and the seed-metering device were determined through the bench test. Then, the predetermined control point value of air pressure relief valve was estimated, and the structure and working parameters of air pressure relief valve spring were calculated and selected. Additionally, theoretical analysis and experiments were performed to demonstrate the efficiency of the selected relief valve. A practical engineering in precision combined rapeseed planter, called 2BFQ-6, was used to demonstrate the application of proposed air pressure stabilizing method. A field test was conducted to determine the working speed of the air pump and a laboratory test was implemented to confirm the relationships of the air pump working speed, air pressure in the pipes and air pressure in the chamber of seed-metering device. The test results showed that the coefficient of variation of working speed of the air pump was less than 4.38% when the tractor was working with the same gear, and the coefficient of variation was less than 9.2% as the tractor was working with different gear. To ensure persistent seeding of the seed-metering device, the working speed of the air pump should be in the range of 2 020-2 620 r/min. In order to stabilize air pressure of the pneumatic seed-metering system, the predetermined point value of relief valves were 1 000 and -5 500 Pa with positive and negative air pressure respectively. A type of spring-loaded air pressure relief valve was selected and its construction and working parameters were calculated and analyzed. Carbon steel wire cylindrical spiral spring was employed in the valve. The intermediate diameter and the pitch of the spring were 30 and 10 mm respectively. The number of active coils of the spring was 8. The line diameter of the spring was 1.0 mm for positive pressure relief and 1.5 mm for negative pressure relief. The precompression distance of adjustment bolts were 6.7 and 7.8 mm for positive and negative pressure relief respectively. Theoretical analysis based on air pressure - flow rate characteristics verified that the relief valve used in this pneumatic seed-metering system could be used for air pressure adjusting. Furthermore, air pressure and seeding quantity experiments were performed to evaluate the performance of the selected valve as well as to confirm the feasibility of the proposed stabilizing method. The results showed that the positive and negative air pressure of the seed-metering device could range from 200 to 350 Pa and from -3 900 to -3 000 Pa respectively by employing the relief valves, under which the pneumatic seed-metering system could work stably, showing a contrast to the speed fluctuation of the air pump. The air pressure stabilizing system decreased the deviation rate of the positive and negative air pressure in the air chamber of seed-metering device by 45% and 110%, respectively, which facilitated the pressure-regulating response sensitivity and stability to satisfy the requirement. With the increase of the air pump working speed from 2 000 to 2 700 r/min, the coefficient of variation of seeding quantity was 3.84% without the air pressure stabilizing. However, it was reduced to 1.16% when the air pressure stabilizing method with the customized valves was applied, which decreased by 2.68%, indicating the improvement of seeding quantity stability. The research has confirmed that the air pressure stabilizing method by employing air pressure relief valve can effectively solve the problems that the working pressure in the seed-metering device fluctuates when the rapeseed planter works in the field. The method can provide a technical reference for pneumatic planter design and optimization.

mechanization; control; seed; pneumatic precision combined planter for rapeseed; pneumatic seed-metering system; overflow and air pressure relief; air pressure stabilizing; experiment

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.15.006

S223.2+4

A

1002-6819(2017)-15-0049-08

2017-01-12

2017-05-28

国家自然科学基金资助项目（51405180）；国家油菜产业体系专项资助项目（CARS-13）；农业部科研杰出人才及创新团队资助项目；湖北省重大技术创新专项资助项目（2016ABA094）

廖宜涛，男，湖北荆州人，博士，副教授，主要从事现代农业装备设计与测控研究。武汉 华中农业大学工学院，430070。

Email：liaoetao@mail.hzau.edu.cn