排种盘和负压腔室同步旋转气吸式玉米精量排种器设计

颜丙新，张东兴,2，崔 涛，和贤桃，丁友强，杨 丽



排种盘和负压腔室同步旋转气吸式玉米精量排种器设计

颜丙新1，张东兴1,2，崔 涛1，和贤桃1，丁友强1，杨 丽1※

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

针对传统气吸式排种器工作时排种盘与负压腔室的密封垫之间相对转动，易导致密封垫磨损，从而造成排种器密闭性下降、风压需求增加、作业精度降低等问题，设计了一种排种盘和负压腔室同步旋转的气吸式排种器，将排种盘与负压腔室固定连接，作业时同步旋转，使排种盘和密封垫之间不产生相对运动，达到无摩擦、低气压损失、高排种精度的效果。基于机械扰种和重力辅助充种原理，将该排种器排种盘设计为带直线凸起的环形锥台，分析确定了排种器工作区域，计算了排种盘的关键结构参数。以含水率为12.8%，千粒质量为351 g的郑单958未分级种子为试验对象，借助中国农业大学自主研发的排种器性能检测仪对该排种器作业效果进行了室内试验，结果表明：作业速度10 km/h以下，所研制的排种器在负压值–3.5～–5.5 kPa时，粒距合格指数均能达到91.6%，漏播指数均小于5.2%，重播指数均小于5.4%，各项指标优于国标要求，能实现有效排种。与Kverneland排种器的对比试验表明，要达到相同合格指数，设计的盘室同步气吸式精量排种器所需负压值更低。

机械化；种子；设计；气吸式；排种器；机械扰种；重力辅助

0 引 言

机械化精密播种是目前玉米的主要播种方式，精量排种器是实现玉米机械化精密播种的关键核心部件[1-5]。气吸式排种器是主要的精量排种器之一，因其对种子适应性强、损伤小、适宜高速作业、播种精度高等优点，在实际生产中应用最为广泛[6- 7]。因此国内外学者对气吸式排种器进行了大量研究，杨丽等[8]针对气吸式排种器播种玉米时漏播率高、地头漏播严重的问题，设计了一种采用机械托种盘辅助附种的气吸式精量排种器，利用托种盘窝眼对种子的托附和夹持作业，实现对气吸式排种器的辅助充种；赵佳乐等[9]设计了一种偏置双圆盘气吸式排种器，通过分析排种器取种、排种等作业原理，优化设计了关键工作部件。Karayel D等[10]通过试验发现了气吸式排种器对不同种子的最佳工作压力，并建立了风压值与种子不同物理特性间的数学模型。Onal I等[11]通过空气动力学分析发现26孔的排种盘最适宜气吸式排种器播种玉米。

传统气吸式排种器为达到良好的排种效果，通过增加排种盘与密封垫之间的接触力来保证其负压腔室的密封性，这就加剧了排种盘与密封垫之间的摩擦，易导致密封垫的磨损[12]，从而造成排种器风压需求增加、作业精度降低等问题。目前该问题的解决多通过改善密封垫抗噪性能实现。

Kverneland公司研制了一种排种盘和负压腔室同步旋转的气吸式排种器[13]，排种盘与负压腔室之间无相对转动，避免了密封垫磨损老化的问题，但对风压需求较传统排种器更高，能耗更大。

本文针对上述问题，在Kverneland气吸排种器基础上进一步改进，将排种盘与负压腔室固定连接，作业时同步旋转，使排种盘和负压腔室的密封垫之间不产生相对运动，无摩擦，以期解决密封垫易磨损需更换的问题，提高排种器使用寿命；同时设计了环状锥台型排种盘，该排种盘型孔均布于锥台侧面，其充种区设置在锥台第一象限内，可借助重力辅助充种，减小工作风压需求，降低能耗。

1 主要结构和工作原理

1.1 排种器结构

排种盘和负压腔室同步旋转气吸式玉米精量排种器结构如图1所示，主要由种群调节板1、储种箱2、空气室后壁面3、排种盘4、清种刀5、空气室前壁面6、前壳体7、卸种板8、进气管9、轴承10、链轮11、后壳体12等组成。该排种器空气室后壁面、排种盘和空气室前壁面三者固定连接，组成负压腔室，并通过空气室后壁面与链轮固定，型孔均布于环状锥形圆台排种盘侧面，进气管固定于后壳体并与负压腔室连通。其中排种盘是排种器核心工作部件，其侧面与前壳体和后壳体形成圆环型空间，是主要工作区间。按不同功能和作业顺序工作区间可分为充种区I、清种区II、携种区III、卸种区IV和过渡区V，如图2所示。

1. 种群调节板 2. 储种箱 3. 空气室后壁面 4. 排种盘 5. 清种刀 6. 空气室前壁面 7. 前壳体 8. 卸种板 9. 进气管 10. 轴承 11. 链轮 12. 后壳体

Ⅰ. 充种区Ⅱ. 清种区Ⅲ. 携种区Ⅳ. 卸种区Ⅴ. 过渡区

Ⅰ. Filling zone Ⅱ.Clearing zone III.Carrying zone Ⅳ.Unloading zone Ⅴ. Transition zone

注：α(=1,2,3,4,5)为对应工作区间的角度范围。

Note:α(=1,2,3,4,5) is the angle range of corresponding workspace.

图2 排种器工作区域划分

Fig.2 Partition of seed-metering device working area

1.2 工作原理

排种器工作过程分为辅助充种、碰撞清种、单粒携种、阻气卸种和无种过渡5个过程。作业时，储种箱内的种子落入位于排种盘侧面上方的充种区，一粒或多粒种子在重力的作用下填充到型孔处或分散在型孔周边，来自风机的负压气流经过进气管通过负压腔室将负压传递到型孔处，使种子被吸附在型孔上，完成充种。链轮带动负压腔室绕进气管转动，种子随排种盘到达清种区。在清种区，沿排种盘侧面圆周方向安装有锯齿形圆弧清种刀，型孔处种子经过清种刀时受到间隔碰撞干扰，吸附力不占优势的种子离开型孔，在重力作用下沿圆弧和锥角母线方向，落回充种区，吸附力占优势的种子被保留下来，保证排种单粒性。随后，单粒种子在持续负压气流的作用下通过携种区，到达卸种区。卸种区的卸种板从负压腔室内侧封闭型孔，阻断气流，种子失去吸附力，在重力作用下被释放，完成投种。排种盘继续旋转经过过渡区，返回充种区，进入下一个工作循环。

2 工作区域划分

为降低充种风压，达到重力辅助充种的目的，在充种区，种群应位于型孔上方，从而使种子重力产生指向型孔的分量。为此将充种区设置在排种盘水平中线上方右侧第一象限的区域Ⅰ，如图2所示，与水平面夹角1Î(0°～45°)。

充填在型孔区域的种子，随排种盘转动至清种区，为使不占优势的种子受到清种刀碰撞后，在重力作用下顺利落回充种区而不被带到携种区，需保证圆周方向排种盘对种子的拖带作用力小于重力沿回落方向的分力。为此对种子在排种盘上的滑落状况进行受力分析，如图3所示。

注：G为种子重力，N；g为种子重心与排种盘中心的连线与水平方向的夹角，（°）；Ff为种子所受摩擦阻力，N；Fcf为种子所受离心力，N；Fp为种子所受吸附力，N；FN为排种盘对种子的支持力，N；Rh为型孔所在圆周半径，m。

多余种子落回充种区有3种运动状态：滑动、滚动、滑动兼滚动。种子在排种盘上的滑动摩擦力大于其滚动摩擦力，若满足纯滑动状态下顺利回落的种子，即可保证其他2种状态下也顺利回落。故以滑动状态的种子回落为例进行受力分析。

多余种子脱离型孔后不受吸附力作用，在回落过程中，种子径向受力平衡，此时种子的受力情况如下。

种子顺利落回而不被拖带的条件为

式中为种子重力，N；为种子重心与排种盘中心的连线与水平方向的夹角，（°）；F为种子所受摩擦阻力，N；F为F最大值，N；F为种子所受离心力，N；F为种子所受吸附力，N；为玉米种子与排种盘的静摩擦系数，取0.482。

当F=0时，F=sin，此时计算得种子重力分量与摩擦力相等时的角度=70°，所以清种区域Ⅱ的范围为2∈(45°～70°)。

在卸种区，卸种板从型孔内侧阻断气流，断绝气流对种子的吸附，种子在重力作用下离开排种器，落入种沟。种子落地瞬间，与地表接触碰撞造成弹跳，导致株距的变异，触地时的速度越大，弹跳越严重，株距变异系数越大[14-15]。减小接触速度能有效降低株距变异系数[16]。

如图4种子运动分析示意图所示，在排种盘型孔所在平面内，建立平面直角坐标系，坐标原点与种子离开排种盘时的位置处在同一竖直直线上。

注：VC为种子触地速度，m·s–1；VCX为种子触地速度的水平分量，m·s–1；VCY为种子触地速度的竖直分量，m·s–1；Vh为型孔线速度，m·s–1；VX为种子离开排种盘瞬间水平分速度，m·s–1；VY为种子离开排种盘瞬间竖直分速度，m·s–1；Vf为播种机前进速度，m·s–1；d为种子脱离排种盘瞬间，排种盘中心与种子连线与水平面夹角，（°）；t为种子离开排种盘到触地所用时间，s；h为种子离开排种盘时距离地表的高度，m；g为重力加速度，m·s–2。

气吸式排种器采用高位投种，种子脱离排种器，经过导种管，落入种床过程中，种子受到的空气阻力较小，在此忽略不计。种子从离开排种盘到接触种床过程，相对于地表的运动轨迹可表示为

种子接触种床时的速度为

式中V为种子离开排种盘后的速度，m/s；V为种子离开排种盘后速度的水平分量，m/s；V为种子离开排种盘后速度的竖直分量，m/s；V为播种机前进速度，m/s；V为型孔所在圆周线速度，m/s；为种子脱离排种盘瞬间，排种盘中心与种子连线与水平面夹角，（°）；为为种子离开排种盘到触地所用时间，s；为重力加速度，m/s2。

将式（7）和式（8）代入式（6）整理得

播种机前进速度和排种器型孔所在圆周线速度可表示如下：

式中R为型孔所在圆周半径，m；n为排种盘转速， r/min；为型孔数；为理论株距，m。

所以有

式中为通过辅助角公式变换得到的辅助角，（°）。

由式（12）可知，种子落地速度由①、②、③ 3项决定。①项受型孔所在圆周线速度即排种盘转速影响（株距和型孔数确定的情况下，排种盘转速与作业速度成正比）；②项受种子在空中运动的时间影响，该时间与排种盘转速和落种高度有关；①、②项提到的因素对③项均有影响，另外③项受角影响。其中，排种盘转速由实际工作状况确定，落种高度与排种器安装位置有关，只有为排种器结构确定。③项为0时，角度对触地速度V的贡献值最大，此时

可知，最优角度与排种盘转速、落种高度及运动时间有关。

随着排种器作业速度和安装位置高度等因素的变化，值存在差异，无法确定唯一的最优值。为保证种子在阻断气流期间有充足时间脱离型孔而不被重新吸附，设定气流阻断区间长度为30°；并借鉴应用范围较广、作业性能优良的美国Precision Planting vSet气吸式排种器[17]（该排种器卸种点位置通过实际测量获得）卸种点位置角度作为新设计排种器卸种区起始点角度，初步设定卸种区Ⅳ范围为4∈(205°～235°)。

携种区Ⅲ位于清种区结束点和卸种区开始点之间，3∈(70°～205°)。卸种区结束点和充种区开始点之间为过渡区Ⅴ，该区域没有种子参与，范围为5∈(235°～360°)。

3 排种盘设计

排种盘是将种子从种群分离的关键部件，对于充分充种、有效清种和顺利投种有重要意义。排种盘如图5所示，排种盘呈环状锥形圆台状，型孔均布在圆台侧面，为充种区种群提供承托，有助于实现重力辅助充种，锥形侧面为清理后的种子提供母线方向加速度，改变回落路径，防止回落种子与来种干涉。型孔外侧均布有异形突起，其在排种盘经过种群时，挠动种群，增加种子的活跃度，提高充种性能。异形凸起结构将在下文通过仿真试验确定。

1. 锥形圆台盘2. 型孔3. 异型凸起

1. Plate with circular truncated cone 2. Seed cell 3. Shaped bluge

注：为排种盘锥角，（°）。

Note:is cone angle of metering plate, (°).

图5 排种盘示意图

Fig.5 Structure of metering plate

3.1 排种盘主要参数

传统气吸式排种器均为垂直圆盘式，被清理的种子依靠重力直接落回充种区，等待下次填充。此环状锥形圆台排种盘，种子被清理后，需经过圆台侧面回落至充种区。为使所清种子不干扰下一粒来种，在母线方向增加倾角，用于为种子提供沿母线方向的加速度，如图5所示。倾角过大会造成重力分量对充种的辅助作用减小，倾角过小又不足以提供沿母线方向的加速度。因此在测量种子与排种盘之间摩擦角为25.5°，并综合考虑辅助充种和顺利清种，选取倾角=64°。

3.2 型孔数和型孔直径确定

排种盘型孔数根据式（10），并结合设计需求进行计算。其中根据农业机械设计手册：排种盘吸孔处的线速度一般不应大于0.35 m/s，即V≤0.35 m/s，排种器最高作业速度设计为16 km/h，即V≤16 km/h，理论株距设计为=25 cm。计算得型孔数最少为24.2个。结合参考文献[11]试验结论，本设计中型孔数取26个。

当型孔完成填充，排种盘吸附种子后做匀速圆周运动，这个过程种子受力平衡，如图3所示。

排种盘切向

排种盘法向

式中为排种盘角速度，rad/s；为型孔处压力，Pa；为型孔面积，m2。

联立整理式（14）、（15）得吸附种子的最小理论 压力：

考虑吸种可靠性系数1=1.8～2，外界条件系数2=1.6～2，式（16）演化为：

式中为种子质量，kg；为型孔半径，m。

由式（17）可知，型孔半径越小，所需风压越大；转速越快，所需风压越大。所以选取大孔径来降低风压需求。型孔直径=(0.64～0.66)，其中为种子平均宽度，因郑单958种子平均宽度为8.3 mm，故确定型孔直径为5.4 mm。

3.3 扰种机构设计

充种区不同位置的种子在任意时刻受力不同，位于种群底部，靠近型孔的种子受流场作用力较大[18]，更易被吸附，处在种群最外边缘，接近清种区的种子，受其他种子作用力最小，最易被吸附，自此向种群内侧，种子被吸附的机会逐渐降低。减小种群内相互作用力，提高种群内种子的活跃度，有助于提高充种概率[19-20]。祁兵等利用气流对种群进行扰动，增加种群空间膨胀状态，提高充种性能[21]；李耀明等将机械振动引入播种试验台，减小种子间摩擦，提高吸种率[22-23]；史嵩等通过仿真和试验发现较大的种群扰动强度会在瞬间降低种子内摩擦阻力，使种子更容易被气流压力压附在型孔上[2]。本排种器根据扰动充种原理，在排种盘周向均匀布置扰种机构。设计的3种扰种机构分别是：圆形凸台、直线条状凸台和斜线条状凸台。凸台高度取0.6 mm，圆形凸台直径取10 mm，条状凸台宽度取8 mm。

3.3.1 扰种效果仿真

为探明3种扰种机构的作业效果，以种群内各时刻种子动能平均值为指标（动能平均值越大说明种群扰动强度越大，充种性能越好）进行仿真试验，试验采用的4种排种盘形式如图6所示，P1盘为无凸起排种盘作为对照组，P2盘在型孔周围增加圆形凸台，P3盘在型孔周围沿侧面母线方向添加直线条状凸台，P4盘在型孔周围与侧面母线成45°夹角添加斜线条状凸台。

注：P1盘为无凸起排种盘作为对照组；P2盘在型孔周围增加圆形凸台；P3盘在型孔周围沿侧面母线方向添加直线条状凸台；P4盘在型孔周围与侧面母线成45°夹角添加斜线条状凸台。

将排种盘角速度在其工作速度范围内分为6个梯度，分别是1.57、2.11、2.66、3.2、3.75、4.29 rad/s，对应排种器作业速度分别为6、8、10、12、14、16 km/h。在各速度梯度下进行仿真试验，并获取各个速度下种子的平均动能。

采用EDEM软件进行仿真，排种盘材料为有机玻璃，选用Hertz-Mindin（no slip）模型[24]。主要仿真参数如表1和表2[25]。

表1 玉米种子和排种盘物理特性

表2 玉米种子和玉米种子、玉米种子和排种盘碰撞参数

仿真用玉米籽粒采用8球面填充，仿真颗粒数量设置为50，时间步长设置为1´10–5s，总时间设置为6 s。

3.3.2 仿真结果分析

种群扰动会在瞬间降低种子间内摩擦阻力[26]，从而使种子更容易被负压气流吸附在型孔上。种子的平均动能反应了种群被扰动的强度。提取各时间步下种子颗粒的平均动能，仿真数据从3 s开始，6 s结束。用种子在不同时间步下的平均动能之和表示种群的总动能，并绘制4种排种盘在不同转速下总动能变化趋势图，如图7所示。相同转速下，各排种盘总动能均满足如下顺序：P3>P4>P2>P1。

图7 颗粒总动能与排种器转速关系

以转速3.2 rad/s为例对不同排种盘下种子平均动能随仿真时间步长变化情况进行考察，如图8所示。从仿真结果可知，不同的扰种机构作用下充种区种子平均动能存在很大差异。颗粒平均动能，受P1盘影响最小，除第4 s左右的异常突变外，无明显波动；受P3盘影响最显著，波动强度最剧烈，受P4盘影响次之。平均动能波动趋势与总动能变化趋势一致，顺序为P3>P4>P2>P1。较高的动能反应较高的扰种强度，所以选择在型孔周围沿侧面母线方向添加直线条状凸台的P3盘作为本文的扰种方案。

图8 排种盘在转速为3.2 rad·s–1时颗粒平均动能随时间步长变化情况

4 试验与分析

4.1 试验设备与材料

试验用排种器分别为自主研发的气吸式玉米精量排种器（简称P排种器）和Kverneland气吸式排种器（简称K排种器）。排种检测装置选用中国农业大学自主研发的排种器性能检测仪，如图9所示。试验时，排种器安装在排种器性能检测仪的安装架上，通过检测仪配套的电机驱动排种盘转动，通过检测仪风机为排种器提供负压，导种管安装于排种器投种口下方，用于检测排种器性能的传感器安装在导种管中间。作业时，当种子经过导种管时，触发传感器，检测仪通过记录相邻种子见的时间间隔并同时将其转换为实际株距的方法，计算和判断排种情况，并将计算的重播指数，漏播指数和合格指数直接输出到显示器上。该检测仪对气吸式排种器的检测结果与美国Precision Planting 研发的MeterMax检测仪相比合格指数误差不超过0.7%[27]。

1.排种器性能检测仪 2. 导种管 3. K排种器 4. P排种器

1. Seed meter’s performance detection 2. Seeds tube 3. Metering device K 4. Metering device P

注：Kverneland气吸式排种器简写为K；排种盘和负压腔室同步旋转气吸式玉米精量排种器简写为P。下同。

Note:Kverneland vacuum seed-metering device is abbreviated to meter K;Pneumatic maize precision seed-metering device with a synchronous rotating seed plate and vacuum chamber is abbreviated to meter P. Same as below.

图9 排种器试验现场

Fig.9 Metering device testing site

试验用种子选用郑单958型未分级种子，其千粒质量为351 g，含水率为12.8%。

根据GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》的规定，各性能指标计算公式如式（18）所示。

4.2 试验方法

气吸式排种器作业效果受作业速度和工作风压等工作参数影响[28-32]。为考察P排种器的工作性能，对比P、K两排种器的作业效果，本文以作业速度和工作风压为试验因素，以粒距合格指数、漏播指数和重播指数为试验指标，进行双因素试验。排种器工作风压分为3、3.5、4、4.5、5和5.5 kPa共6个梯度。排种器前进速度分为4、6、8、10、12 km/h共5个梯度。设置理论株距为25 cm。其他条件保持一致。

4.3 试验结果分析

该试验为双因素等重复试验，每个排种器进行30组试验，每组重复3次，取平均值作为试验结果记录分析。

4.3.1 P排种器试验结果分析

表3为P排种器在不同作业速度和风压值下的试验结果。整体上看，除负压值–3 kPa下，作业速度为12 km/h时排种器粒距合格指数为77.5%，低于国家合格标准外，P排种器在其他试验条件下粒距合格指数均在85%以上。相同风压条件下，随速度的增加，漏播指数有所增加，在4～8 km/h之间，漏播指数增加幅度较小，从数值上看，均小于3.4%；当速度达到10 km/h时，漏播指数增加幅度增大，这种变化随着负压值的增加而减小。在各试验条件下，重播指数在1.7%～5.4%之间，变化稳定。试验结果表明，作业速度在4～10 km/h内，P排种器在负压值–3.5～–5.5 kPa条件下，盘室同步气吸式精量排种器粒距合格指数均能达到91.6%以上，漏播指数均小于5.2%，重播指数均小于5.4%。各项指标均优于国标要求。

表3 P排种器在不同作业速度和风压值下的试验结果

注：为合格指数；为重播指数；为漏播指数。

Note:is thequalified index;is the multiple index;is the missing index.

4.3.2 P、K排种器对比结果分析

P、K两排种器在不同风压和作业速度下的合格指数如表4所示。作业速度在10 km/h以下，P排种器在负压值–3.5 kPa时合格指数均能达到90%；而K排种器，负压值–5.5 kPa条件下，10 km/h的合格指数仍未达到90%。

相同作业速度下，达到相同的合格指数，P排种器较K排种器所需风压更低。相同速度下，K排种器作业效果随负压值增加得到改善，两排种器合格指数差值随着负压值的增加总体呈减小趋势。

相同风压下， K排种器粒距合格指数随速度变化范围大，P排种器变化范围小。以相同风压下不同速度合格指数标准差考察这一变化，如表5所示。K排种器合格指数随速度变化的标准差均大于P排种器。说明P排种器合格指数受速度影响较K排种器小，适应速度范围更广，作业更稳定。

在结构上，K排种器为垂直圆盘排种器，型孔位于排种盘正面，充种过程需要克服种群作用力和种子的重力；而P排种器排种盘型孔周向布置，充种区位于型孔上方，重力分量指向型孔，实现了重力辅助充种；同时P排种盘沿侧面母线方向添加直线条状凸台，作为扰种结构，作业时扰动种群，减小了种群间的作用力，降低了充种的阻力。故所需作业风压低于K排种盘。上述试验结构表明，通过排种器结构的变化实现重力辅助充种和机械扰种对降低气吸式排种器的风压需求有借鉴意义。

表4 P、K排种器合格指数对比

注：D为K排种器合格指数与P排种器合格指数之差。

Note:Dis the difference value of qualified index between meter K and P.

表5 不同风压下合格指数标准差

5 结 论

1）设计了一款排种盘和负压腔室同步旋转气吸式玉米精量排种器设计，阐述了其基本结构和工作原理，对其排种盘关键参数进行了设计，对排种盘扰种机构进行了仿真选型，该排种器从结构上避免了排种盘与密封垫相对运动造成的磨损，其重力辅助充种降低了风压需求，改善了充种效果。

2）以含水率为12.8%，千粒质量为351 g的郑单958未分级种子为试验对象，借助中国农业大学自主研发的排种器性能检测仪对该排种器作业效果进行了室内试验，以作业速度和工作风压为试验因素，以粒距合格指数、漏播指数和重播指数为试验指标，进行了双因素等重复试验，试验表明：在作业速度4～10 km/h，负压值–3.5～–5.5 kPa条件下，盘室同步气吸式精量排种器粒距合格指数均能达到91.6%以上，漏播指数均小于5.2%，重播指数均小于5.4%。满足国标要求，能实现有效排种。

3）与Kverneland排种器对比试验表明：–3～–5 kPa条件下，相同作业速度时，达到相同的合格指数，P排种器较K排种器所需风压更低，说明重力辅助充种在一定程度降低了排种器风压需求。相同风压下，K排种器粒距合格指数随速度变化范围大，P排种器变化范围小，说明P排种器粒距合格指数受速度影响较K排种器小，适应速度范围更广，作业更稳定。

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Yan Bingxin, Zhang Dongxing, Cui Tao, He Xiantao, Ding Youqiang, Yang Li.Design of pneumatic maize precision seed-metering device with synchronous rotating seed plate and vacuum chamber[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(23): 15－23. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.003 http://www.tcsae.org

Design of pneumatic maize precision seed-metering device with synchronous rotating seed plate and vacuum chamber

Yan Bingxin1, Zhang Dongxing1,2, Cui Tao1, He Xiantao1, Ding Youqiang1, Yang Li1※

(1.100083,; 2.100083,)

Aiming at the problems of airtightness reduction, vacuum pressure demand increase and planting precision decline, which are caused by the friction between seed plate and sealing gasket of vacuum chamber in traditional vacuum precision seed-metering device, a new type of vacuum precision seed-metering device with synchronously rotating seed plate and vacuum chamber was designed in this study. Different from the traditional vacuum seed-metering device with relatively rotating seed plate and vacuum chamber, in the new seed-metering device, the seed plate and the vacuum chamber were fixed together so that they rotated synchronously during the process of operation with no friction between each other, resulting in no pressure loss and high planting accuracy. A circular frustum plate with rectangular embossment was designed based on mechanical disturbance and gravity-assisted filling principle. Different from traditional metering plates, the cells of the newly designed plate were distributed on a tapered profile, instead of on a sub face. Working area was divided into five zones: filling zone, clearing zone, carrying zone, unloading zone and transition zone, based on the working principle and force analysis. The force of filling process and clearing process, the trajectory and speed of seeds were also analyzed. And the parameters of each metering-device working zone was analyzed and determined. Specially, the filling zone was in the first quadrant，the angle ranged from 0°to 45° (horizontal direction of first quadrant is set to 0°, and the angle circulated counterclockwise). The component force of seeds gravity to the holes in this area reduced the pressure requirements for filling process. The scope of the other four zones were 45° to 70°, 70° to 205°, 205° to 235°and 235°to 360°, respectively. The main structural parameters of the plate were defined based on mechanics and kinematics analysis. Plate was found to be 26 holes with the diameter of 5.4 mm. A 64°angle between radial direction and cone bus was determined for the falling back of extra seeds in clearing zone. Four kinds of plates with different disturbance structures were designed, and the disturbance structures helped to improve the activeness of seeds. The influence of four different mechanical disturbance structures on seed kinetic energy was simulated by EDEM (higher kinetic energy refers to higher seeds activity, and higher seed activity refers to easier filling process). Average particle kinetic energy changing with time step of the four different plates was recorded. Simulation results showed that the plate with rectangular embossment along the direction of generating line brought the highest kinetic energy and the plate with no disturbance structure indicated the minimum kinetic energy. To measure the performance of this newly designed seed-metering device, a two-factor contrast test was carried out in different velocity and pressure. The operation effects were examined by a testing instrument for maize (Zea mays) precision seed meter’s performance detection developed by China Agricultural University. Qualified index, missing index and multiple index were recorded. Experiment results showed that the qualified index of seed spacing exceeded 91.6%, the missing index below 5.2% and the multiple index below 5.4% for the newly designed metering device, when the operation velocity was under 10 km/h and the negative pressure value ranged from -3.5 to -5.5 kPa. The results above could completely meet the requirement of the technical specifications of quality evaluation for drills in China. To achieve the same qualified index, the pressure demand of the newly designed metering device was lower compared with the Kverneland metering device. The standard deviation of qualified index within various velocities under same pressure was calculated. The result showed that the standard deviation of qualified index qualified index of Kverneland metering device was greater than the newly designed one, indicating that the newly designed one had a wider range of velocity adaptation and more stable working status. The gravity helped to reduce the air pressure requirements for vacuum precision seed meters.

mechanization; seeds; design; pneumatic; seed-metering device; mechanical disturbance; gravity-assisted

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.23.003

S223.2+3

A

1002-6819(2017)-23-0015-09

2017 -05-17

2017 -08-31

玉米免耕精播和深松（中耕）追肥关键技术集成研究与示范（2013BAD08B01-3）；国家自然科学基金资助项目（51375483；51575515）

颜丙新，博士生，主要从事农业机械装备设计与理论研究。 Email：ybx0122@126.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全程机械化研究。Email：yl_hb68@126.com