气吸式排种器扁平种子吸附姿态调节机构设计与试验

陈玉龙，刘泽琪，韩　杰，赵露强，隋新辉，张敬文，兰玉彬

·农业装备工程与机械化·

气吸式排种器扁平种子吸附姿态调节机构设计与试验

陈玉龙，刘泽琪，韩杰，赵露强，隋新辉，张敬文，兰玉彬※

（1. 山东理工大学农业工程与食品科学学院，淄博 255000； 2. 山东理工大学生态无人农场研究院，淄博 255000；3. 山东省旱作智能农机装备协同创新中心，淄博 255000）

针对气吸式排种器在进行扁平形状种子排种时，充种性能不稳定，排种效果不佳的问题，该研究以扁平玉米种子为作业对象，从种子的吸附姿态调节入手，设计一种具有倾斜凸台式取种结构的气吸式排种器。对排种器的倾斜凸台作业过程进行理论分析和设计计算，针对平面盘、凹槽盘和凸台盘3种排种盘的作业过程进行离散元仿真分析，结果表明：凸台盘对种群的扰动能力、离散程度和扭矩高于其他排种盘，倾斜凸台在取种过程中能够改变种子的姿态，实现种子扁平面与吸孔表面间的平行吸附。台架试验结果表明，凸台盘的单粒吸附率优于凹槽盘和平面盘，随着前进速度升高，单粒吸附率先增大后减小，8 km/h时达到最高值91.70%；随着负压增大，单粒吸附率变化趋势相同，3 kPa时达到最高值90.84%；凸台盘的稳定吸附率和平行吸附率随速度增大出现小幅降低，随负压增大逐渐升高并在3 kPa趋于稳定，凸台盘的吸附性能优于其他两种排种盘，同时3种排种盘在取种时的平行吸附率与投种位置的稳定吸附率呈正比。前进速度4～8 km/h时，凸台盘的排种合格率稳定在98%以上，随后逐渐下降，12 km/h时降至93.18%；田间试验结果表明，排种器作业性能随前进速度升高而降低，12 km/h时，凸台盘的合格率降为90.34%，漏播率升高至6.52%，满足精密播种要求。倾斜凸台式取种结构能够对扁平种子吸附姿态进行有效调节，提高吸附稳定性和排种器作业性能，研究结果可为扁平种子高速精量取种提供技术参考。

农业机械；离散元；气吸式排种器；扁平种子；吸附姿态；高速摄像

0 引 言

播种是农业生产的重要环节，精量播种是将种子按照农艺要求的播量、播深和粒距播入土壤中的种植方法，研究表明，精量播种可以在节约种子、减少间苗的同时有效提高作物产量[1]，是国内外主流的播种模式。精密排种器[2]是实现精量播种的核心装备，按作业原理可分为机械式（指夹式[3-4]、圆盘式[5-7]、型孔轮式[8-9]）、气力式（气吸式[10-11]、气吹式[12-13]、气压式[14-15]）等多种形式，其中气吸式排种器具有种子适应性强、颗粒损伤小、作业速度高等多种优势，被国内外广泛应用。

相比于大豆类圆形种子，打瓜、玉米等形状不规则的扁平种子在气吸排种过程中，由于种群流动性差、充种效果和吸附稳定性差等，高速精密排种的作业难度更大[16]。国内外研究学者针对扁平种子的气吸式排种性能开展了大量研究。

Karayel等[17]利用3种不同吸孔结构的排种盘分别对西瓜和甜瓜种子进行投种均匀性试验，发现前进速度和排种盘对投种平均粒距没有影响，但是每穴的种子数量有变化，随着前进速度增加，粒距变异系数和每穴种子数增加，同时开发了一种人工神经网络模型估计精密播种机气吸式排种器的最佳负压值，其中玉米为4.0 kPa，打瓜为2.5 kPa，计算成功率超过99%[18]。Celik等[19]对比了4种不同形式排种器的葵花种子播种性能，其中免耕播种机的粒距一致性和出苗率最高，气吸式精密播种机的播深一致性最优。Yazgi等[20]研究了扁平和圆形玉米种子排种器在不同排种速率和机器倾角时的作业性能以及投种轨迹范围，结果显示扁平种子的投种轨迹范围略大于圆形种子，在排种速率为800粒/min，倾角为−2.6°时，扁平种子作业性能最佳，而圆形种子的最佳作业性能则出现在排种速率409.4粒/min，倾角为0°时。Abdolahzare等[21]基于遗传规划和高速摄像方法构建气吸排种器作业参数（前进速度和负压）与种子物理特性间的数学模型，得到玉米的最佳工作速度在2.5～4 km/h之间，负压为4.0 kPa，西瓜为6～8.5 km/h和4.5 kPa。

国外研究重点关注排种器结构和作业参数对玉米、打瓜、葵花等扁平种子排种作业性能的影响，对吸附姿态的研究较少。国内袁月明等[22]采用高速摄像技术分析水稻芽种的气吸排种工作过程，芽种在排种盘上有3种吸附姿态，种子沿长轴方向被吸附为正常吸附姿态，吸附姿态是影响排种均匀性的主要因素，而吸附姿态与吸孔数量和负压有关。李凤丽等[23-24]借助高速摄像机对食葵种子的气吸取种过程进行记录，结果显示种子离开种群后的吸附姿态对落种精度有影响，最佳吸附姿态是种子中部被吸附且长轴方向与排种盘吸孔的切线方向重合，吸附姿态与作业速度及负压有关，且吸附姿态会改变投种时机造成提前或延迟投种。臧英等[25]设计一种杂交稻单粒气力式排种器，通过排种盘上的导流槽对吸孔处稻种的姿态进行改变，同时结合吸孔外侧的辅助吸种装置对稻种进行提速并对吸种位置限制，提高了稻种的吸附精度。丁力等[26]研究了扁平玉米种子吸附姿态对气吸排种作业性能的影响，分析得出，平躺吸附比例与合格指数成正比；侧躺吸附比例与重播指数成正比；竖直吸附比例对漏播有显著影响。李玉环等[27-28]在气吸排种器的投种位置设计直线投种装置，改变投种阶段种子的吸附姿态实现直线投种，并提出一种末端拨离+直线投种方法，解决投种位置不一致和横向飞种问题。

以上研究仅关注吸附姿态对投种性能的影响，并未对吸附姿态的调节方法开展研究。本文选取扁平玉米种子为对象，以气吸式排种器充种过程中玉米种子的吸附姿态调节为目的，设计一种在吸附瞬间调整种子与吸孔相对位置关系的倾斜凸台式取种结构，构建充种过程中种子在倾斜凸台式取种结构作用下的运动模型，通过离散元仿真试验和物理试验相结合，探究吸附姿态对排种性能的影响。

1 扁平种子气吸取种吸附姿态分析

传统气吸式排种器在播种玉米时，主要有2种吸附姿态（图1），种子扁平面与吸孔表面平行吸附（图1a），此时，被吸附种子与种群接触面积小，与吸孔的迎风面接触面积大，受种群内摩擦阻力较小，吸孔吸附力F较大，所以在随着排种盘做携种运动的过程中不易滑落；另一种姿态为种子扁平面与吸孔表面垂直吸附（图1b），此时，被吸附种子与种群接触面大，但是和吸孔的迎风面积小，受到种群内摩擦阻力较大，受到吸孔吸附力F较小，导致在随着排种盘做携种运动的过程中易滑落。

由于玉米种子尺寸的差异性，种子吸附姿态对排种器的排种性能具有显著影响[26]。利用格兰垂直圆盘排种器进行扁平玉米种子排种预试验，利用高速摄像机采集取种及携种过程的吸附姿态及投种状态，统计离开种群瞬间吸孔上单粒种子的吸附状态，分别统计100粒平行吸附和垂直吸附的吸孔，观察种子从离开种群到脱离排种盘这段时间内的状态变化。预试验在前进速度4、6、8、10、12 km/h下进行，以稳定吸附率（吸孔在投种位置时仍有单粒种子吸附）、漏吸率（吸孔在达到投种位置过程中吸附的种子提前掉落）为试验指标，结果如图2所示。

注：v为吸孔处线速度，m·s-1；Ff为种群内摩擦阻力，N；Fp为吸孔吸附力，N；G为重力，N。

图2 吸附姿态对排种性能的影响

由图2可知，平行吸附时的稳定吸附率明显大于垂直吸附，且随着速度的增大，稳定吸附率变化较小，始终保持在97%以上，而垂直吸附时的稳定吸附率在4 km/h时为96.16%，12 km/h时为84.16%，下降了12.00个百分点。平行吸附和垂直吸附的漏吸率与稳定吸附率呈现完全相反的变化，平行吸附时的漏吸率始终小于3%且变化较小；垂直吸附时的漏吸率较高，在4 km/h时为3.84%，12 km/h时为15.84%，上升了12.00个百分点。

2 吸附姿态调节机构及其工作原理

通过对扁平种子取种过程的受力分析和预试验结果可知，扁平种子的平行吸附是较优吸附姿态。气吸式排种器的种子吸附大多数发生在种群表面附近，吸附姿态在吸附瞬间确定。本文从吸附瞬间的姿态调节入手，设计气吸式扁平种子排种器，如图3所示。相较于传统气吸式排种器，该排种器在排种盘上设有沿圆周均匀分布的倾斜凸台，凸台与吸孔一一对应，吸孔对应每个凸台的中间位置。凸台上表面的倾斜方向平行于排种盘切线方向。倾斜凸台在取种过程中调节种子的吸附姿态，实现平行吸附。

1.排种盖 2.排种盘 3.排种轴 4.负压壳 5.倾斜凸台

在气吸取种过程中，倾斜凸台在经过种群时，靠近排种盘表面的扁平种子与倾斜凸台发生碰撞，种子以凸台边缘为支撑点翻转贴合在凸台上表面，种子扁平面的中间部位与负压吸孔重合，形成平行吸附。

3 关键部件设计

3.1 扁平玉米种子三轴尺寸测量

种子的三轴尺寸是凸台和吸孔等参数设计的重要依据，本文以纯玉958玉米种子为作业对象，经过分级处理筛选出厚度小于6 mm且宽厚比大于1.6的扁平玉米种子，随机选取100粒测量长、宽、厚尺寸，按照长宽比将扁平玉米种子分为圆扁型和长扁型，定义长宽比小于1.2为圆扁形，其余为长扁形。如表1所示。

表1 扁平玉米种子三轴尺寸

3.2 排种盘及倾斜凸台结构设计

排种盘作为气吸式排种器的核心部件，其尺寸影响排种器的整体尺寸、吸孔数目、气室负压等。研究表明[29]，吸孔的充种时间为

式中为充种时间，s；为充种角，rad；为排种盘转速，r/min。

由式（1）可知，充种时间与充种角和排种盘转速有直接关系，而排种盘直径与吸孔在充种区的滞留时间无关，增大排种盘直径并不能增加吸孔的充种时间。传统气吸式排种器的排种盘直径一般在140～260 mm，本文选取排种盘直径为170 mm，玉米气吸式排种器的吸孔直径一般在4～5.5 mm，本文选取吸孔直径为5 mm。

作业过程中，凸台与种子的接触主要有4种情况：种子长轴方向平行于排种盘表面、种子短轴方向平行于排种盘表面、种子长轴方向垂直于排种盘表面、种子短轴方向垂直于排种盘表面。合理的凸台结构是扁平种子姿态调节的基础，倾斜凸台的主要设计参数包括倾斜凸台底圆半径、倾斜凸台上表面高度和倾斜凸台表面与排种盘切向夹角。

为使种子能够翻转至凸台表面，倾斜凸台上表面高度应不大于玉米种子最大厚度max的一半，太大，种子无法翻转至凸台表面，反之则无法使种子发生翻转。为使翻转后的种子扁平面与吸孔表面平行吸附，种子翻转至凸台表面后，种子扁平面与凸台表面的重叠范围应包含吸孔，种子在凸台表面可翻转的最小长度1应不小于种子最小厚度max的一半，保证种子扁平面足以覆盖吸孔。由于排种盘转动会带动种子翻滚滑落，种子扁平面与吸孔重叠的最小长度2应不大于种子最大宽度min的1.5倍。同时为了防止漏吸和重吸，倾斜面长应大于种子最大长度max而小于种子最小宽度min的2倍。

因此倾斜凸台的尺寸应满足：

根据表1的种子的尺寸计算得到倾斜凸台上表面高度<2.7 mm，倾斜凸台底圆半径为5～9 mm，倾斜凸台表面与排种盘切向夹角为0°～20°。为保证倾斜凸台的适应性，本文取=2 mm，=7.5 mm，=10°。

3.3 种子与凸台碰撞过程的受力分析

种子与倾斜凸台的碰撞运动过程如图4所示，将运动过程简化为姿态1、姿态2、姿态3。姿态1时种子受凸台上表面支持力F1和自身重力；姿态2时下种子受倾斜凸台支持力F2、摩擦力F2和力、吸孔吸附力以及种群内摩擦力合力1；姿态3时种子受倾斜凸台支持力F、吸孔吸附力F、重力、离心力以及种群内摩擦力合力。

姿态1发生翻滚是倾斜凸台调节种子姿态变化的基础，由于凸台高度小于种子厚度的一半，所以支持力F1和重力作用点不同，因此产生一个使种子发生转动的力矩0：

由姿态1到姿态2的过程中，将种子看作材质均匀的刚体，以点为转动中心，以过点且与平行于排种盘表面方向为轴，以种子的转动方向为正，建立刚体转动微分方程：

式中J为转动惯量，kg/m2；1为姿态1到姿态2所用时间，s。

注：Fn1为姿态1时种子受凸台上表面支持力，N；Fn2为姿态2时种子受倾斜凸台支持力，N；Ff2为姿态2时种子受摩擦力，N；Q1为姿态2时种子受力G、吸孔吸附力以及种群内摩擦力合力，N；Fn为姿态3时种子受倾斜凸台支持力，N；Q为姿态3时种子受力G、离心力以及种群内摩擦力合力，N；A为力Fn1作用点，B为种子质心，a为力Fn1作用点A到种子质心B的距离，mm；O为姿态1到姿态2的转动中心点，M0为姿态1时产生的转动力矩，N·m, ω1为种子由姿态1到姿态2过程中角速度，rad·s-1；ω2为由种子姿态2到姿态3过程中角速度，rad·s-1。

将式（3）代入式（4）可得

对式（5）积分，解得：

同理，设姿态2到姿态3所用时间为2，角速度为2，可得：

解得：

则姿态1到姿态3的整个过程所用时间为

由式（9）可知，种子翻转至吸附所用的时间与支持力F1作用点到种子质心的距离和合外力1有关，增大以及负压吸附力F可以有效降低种子翻转所用时间，提高充种效率。

通过对姿态3的种子受力分析可知，要保证种子吸附后于掉落，需满足：

式中0为吸孔两侧压差，Pa；为吸孔横截面积，mm2；为种子厚度，mm。

整理得：

由式（11）可知，随着的增大，0变小，倾斜凸台式取种孔结构可有效降低充种负压。

4 吸附姿态调节过程仿真分析

排种盘对种群的扰动能力对充种性能有重要影响，因此应用EDEM仿真软件对排种器的工作过程进行仿真，探寻排种盘对种群的扰动特性。

4.1 仿真模型构建

为了明确倾斜凸台式取种结构的工作性能，另外选取2种常见的吸孔结构进行对比，如图5所示，一种为目前应用最为广泛的吸孔表面与排种盘处于同一平面的平面盘，记为A盘；另一种为吸孔表面与排种盘面处于同一平面，但吸孔所在圆周上存在深度2 mm、宽度15 mm的环形凹槽，吸孔相对于凹槽底面有2 mm凸起，记为B盘，称为凹槽盘；本文倾斜凸台式排种盘记为C盘，称为凸台盘。为了减少其他变量对试验结果的影响，3种排种盘吸孔直径、吸孔位置和吸孔数量都保持一致。

图5 3种排种盘

在Solidworks中建立玉米种子三维模型，并将三维模型作为颗粒模板导入到EDEM中。在EDEM中利用多球面填充方式堆积成与种子外形轮廓相似的颗粒体。

4.2 仿真参数设定

因为玉米种子间及种子与排种器间无黏附作用，所以仿真采用Hertz-Mindlin无滑动接触模型，根据文献[30-31]设置离散元仿真参数，如表2所示。

表2 玉米种子与排种盘仿真参数

排种盘转速设为46.3 r/min，此时对应的作业速度为8 km/h。在前处理中创建2个颗粒工厂，根据不同结构的种子比例分别生成218个长扁形颗粒和382个圆扁形颗粒，共计600个颗粒。

4.3 仿真结果分析

在EDEM后处理模块中，利用Imported Geometry Bin Group功能，在排种器充种区内导入外圆半径78 mm、内圆半径60 mm、圆心角为90°、厚度15 mm的弧形区作为检测区域，用来获取充种区内种群运动状态随时间的变化趋势，检测从种群运动稳定阶段开始，本文取3～10 s时间内的检测数据。

4.3.1 排种盘结构对充种区种群扰动性能的影响

充种区内种群的流动速度与排种盘对充种区种群扰动强度有直接关系，种群速度越高，排种盘的扰动强度越大，排种盘的有效取种转速越快。各排种盘在充种区监测区域内种群平均速度随时间的变化如图6所示。在3～10 s时间范围内，平面盘的平均速度在6.0×10-5～8.0×10-4m/s之间波动，所有采样点的平均速度为2.7×10-4m/s；凹槽盘的平均速度在2.8×10-3～2.8×10-2m/s之间波动，所有采样点的平均速度为1.2×10-2m/s；凸台盘的平均速度在0.04～0.20 m/s之间波动，所有采样点的平均速度为0.13 m/s。凸台盘对种子的扰动能力最强，凹槽盘次之，平面盘对种子的扰动能力较低。

图6 各排种盘的种群平均速度

4.3.2 排种盘结构对充种区种子姿态调节性能的影响

在EDEM后处理模块中，通过Manual Selection功能，标记单粒种子，研究不同姿态种子在充种区与排种盘碰撞后的运动状态。在仿真试验过程中可以观察到，倾斜凸台式取种结构可以调节种子的运动状态，扁平种子分别以不同的姿态与倾斜凸台相遇：种子扁平面分别平行和垂直于排种盘表面，2种姿态的种子在与凸台边缘碰撞后沿边缘发生翻转，形成平行吸附。而平面盘和凹槽盘都未观察到明显且规律性的种子运动状态。

充种区种子的密度反应排种盘对种群离散程度的影响，如图7所示，凹槽盘在充种区检测区域种子数最大，为38.48粒；其次为平面盘，为31.28粒，凸台盘的种子数最少，为26.52粒，通过倾斜凸台对种子的扰动，提高了充种区种群离散程度，降低了吸附种子受到的种群内摩擦阻力，提高了充种性能。

注：不同字母代表差异显著（P<0.05）。

充种区种子的扭矩反应排种盘对单个种子翻转程度的影响，扭矩越大种子在吸孔周围越容易改变姿态，进一步反应排种盘结构对种子姿态的调节性能。各种盘检测区内种子的扭矩如图8所示，平面盘和凹槽盘的种子扭矩在1.0×10-5N·m以下波动，凹槽盘的种子扭矩略大于平面盘，但二者之间差异不显著。凸台盘的扭矩最高，在2.9×10-5～2.5×10-4N·m之间波动，说明倾斜凸台式取种结构能够有效实现种子的翻转，调节种子在充种区的吸附姿态。

图8 各排种盘种群扭矩

5 样机试验与分析

5.1 试验材料与方法

5.1.1 试验台架

试验采用分级选出具有扁平特征的纯玉958玉米种子，其千粒质量为340g，含水率为12.6%，试验分为台架试验和田间验证试验，其中台架试验在山东理工大学排种试验室JPS-12型排种性能试验台上进行，排种试验系统还包括高速摄像系统、U型气压计（量程为6 kPa），如图9所示，其中高速摄像系统包含摄像机（FASTCAM Mini AX）、笔记本电脑、补光灯。

1.高速摄像机 2.补光灯 3.排种器 4.笔记本电脑 5.JPS-12型排种性能试验台 6.U型气压计

利用3D打印制作仿真试验所采用的3种排种盘，通过台架试验验证不同排种盘结构的作业性能。以速度、负压为试验因素，作业速度选取4、6、8、10和12 km/h共5个水平，负压选取2、2.5、3、3.5和4 kPa共5个水平。利用高速摄像系统采集充种、携种和投种过程影像，统计并分析充种性能、吸附稳定性和排种性能。

5.1.2 取种性能试验方法

利用高速摄像机对准充种位置，记录离开种群瞬间吸孔上的种子数量，每组试验记录连续251个吸孔影像进行统计，每组重复3次取平均值作为试验结果。参照GB/T 6973-2005《单粒（精密）播种机试验方法》，以单粒吸附率、重吸率和漏吸率作为充种性能的评价指标。

式中为单粒吸附率，%；为重吸率，%；为漏吸率，%；1为吸附单粒种子的吸孔数；2为吸附多粒种子的吸孔数；3为未吸附种子的吸孔数；为统计的吸孔数。

5.1.3 吸附姿态调节性能试验方法

利用高速摄像机同时拍摄种群上边缘和投种区域影像。在种群上边缘记录吸孔离开种群瞬间的吸附状态，统计吸孔上单粒吸附的情况并计算平行吸附的几率，跟踪单粒吸附的吸孔至投种区域并统计投种时的稳定吸附率。在统计过程中没有统计重吸的吸孔，因此最终姿态仅有单粒吸附和漏吸2种情况，所以仅以单粒吸附的种子在排种过程的稳定吸附率作为吸附稳定性评价指标，同时记录种子离开种群瞬间的平行吸附率。

式中为稳定吸附率，%；4为脱离排种盘时为单粒吸附的种子至投种区域仍为单粒吸附的种子数；为平行吸附率，%；5为离开种群瞬间种子扁平面与吸孔表面平行吸附的吸孔数。

5.1.4 排种性能试验方法

根据取种性能试验和吸附稳定性试验结果选出工作性能最佳的排种器，利用试验台检测排种器的排种性能，同时在相同作业参数下进行田间验证试验。试验数据统计方法参照上文，以合格率和漏播率为试验指标。

田间验证试验于2022年6月20 - 21日在山东省淄博市临淄区朱台镇山东理工大学生态无人农场进行，播种前茬作物为小麦，留茬高度约为0.15 m，土壤含水率14.6%，采用DEBONT（德邦大为）1505型免耕精量播种机，机具幅宽3 m，播种行数5行，动力采用发动机额定功率156 kW的DEUTZ-FAHR（道依茨法尔）2104轮式拖拉机，如图10所示。

图10 田间试验

5.2 结果与分析

5.2.1 取种性能试验结果

取种性能试验时，分别在负压为3 kPa时进行作业速度单因素试验，在作业速度为8 km/h时进行负压单因素试验。

作业速度单因素试验结果如图11所示，3种排种盘在不同作业速度下的单粒吸附率均呈现显著差异。在4 km/h时，凸台盘的单粒吸附率为86.73%，与凹槽盘差异不显著，但是显著优于平面盘的80.48%；在6 km/h时，凸台盘与凹槽盘的差异显著，且随着作业速度的增大，3个排种盘间的差异逐渐增大，在12 km/h时，凸台盘为88.18%，凹槽盘为79.28%，平面盘为61.88%；凸台盘的单粒吸附率由4 km/h时的86.73%达到8 km/h时的最大91.70%，上升了4.97个百分点；凹槽盘的单粒吸附率逐渐降低，4～12 km/h下降了4.65个百分点；平面盘的单粒吸附率下降幅度最大，从4 km/h的80.48%，下降到12 km/h的61.88%，降低了18.60个百分点。

注：同一因素水平下不同字母代表差异显著（P<0.05）。下同。

在4 km/h时，3种排种盘的重吸率差异不显著，维持在13.41%～14.48%；随着作业速度的增大，各排种盘的重吸率均呈现降低趋势。在6～12 km/h时，平面盘重吸率下降了8.99个百分点，凸台盘下降了5.18个百分点，凹槽盘下降了1.77个百分点。

在各作业速度下，凸台盘的漏吸率最低，平面盘最高。随着速度的增大，3种排种盘的漏吸率均逐渐升高，其中平面盘的漏吸率上升幅度显著高于凹槽盘和凸台盘，在4 km/h时为5.05%，12 km/h时达到34.79%，凸台盘的漏吸率变化幅度最小，12 km/h时为7.04%。随着作业速度的增加，排种盘转速升高，吸孔在充种区停留时间缩短，种子与吸孔接触时间减少，造成漏吸率升高，试验证明，仅靠吸孔的负压不足以使扁平种子在速度较高时吸附成功，使得平面盘的充种性能明显低于凹槽盘和凸台盘。负压不变的情况下，在4～12 km/h范围内，凸台盘的各项指标明显优于平面盘和凹槽盘。

负压单因素试验结果如图12所示。各排种盘在不同负压下的单粒吸附率均呈现出显著差异。在2 kPa时，凸台盘的单粒吸附率为85.92%，凹槽盘为72.24%，平面盘为61.22%，不同排种盘的单粒吸附率之间差异显著，而且此时的单粒吸附率相比于其他负压处于最低水平；随着负压的增大，3个排种盘间的差异逐渐减小，在4 kPa时，凸台盘的单粒吸附率为83.80%，凹槽盘为77.69%，平面盘为73.78%；在2～4 kPa时，凸台盘的单粒吸附率呈先增大后减小的趋势，在3 kPa时达到最大，为90.84%；凹槽盘和平面盘同样是先增大后减小，凹槽盘在3 kPa时最大，为82.07%，平面盘在3.5kPa时最大，为74.50%。

图12 负压对取种性能的影响

随着负压的增大，各排种盘的重吸率均呈现明显的增大趋势，且3个排种盘之间差异不显著。在2 kPa时，凸台盘的重吸率为5.18%，凹槽盘为2.46%，平面盘为2.72%。在4 kPa时，凸台盘为15.27%，凹槽盘为18.59%，平面盘为17.13%。

随着负压的增大，各排种盘的漏吸率均显著降低，且3个排种盘之间存在显著差异。平面盘的漏吸率始终维持较高水平，凸台盘始终保持较低水平。在2 kPa时，凸台盘的漏吸率为8.90%，凹槽盘为25.30%，平面盘为36.06%。在4 kPa时，凸台盘的漏吸率为0.93%，凹槽盘为3.72%，平面盘为10.09%，与2 kPa时相比，平面盘下降了25.97个百分点，凹槽盘下降了21.58个百分点，而凸台盘下降了7.97个百分点。且在3～4 kPa之间，凸台盘的漏吸率趋于稳定，保持较低水平。

5.2.2 吸附姿态对取种性能影响

利用高速摄像机记录吸孔离开种群时单粒平行吸附及投种瞬间的吸附情况，统计结果如图13所示。

图13 各排种盘的吸附特性

当负压稳定在3 kPa时，在不同作业速度下，凸台盘的平行吸附率始终高于其他2个排种盘，在4 km/h时，平行吸附率为84.21%，随着作业速度增大，平行吸附率逐渐下降，在12 km/h时为76.72%，下降了7.49个百分点。凹槽盘和平面盘的平行吸附率较低，在4～6 km/h时，二者之间差异不显著，都在55%左右，当速度增加到8～12 km/h后，平面盘的平行吸附率逐渐减低，在12 km/h时降低到41.28%。

随着作业速度的增大，各盘在投种位置的稳定吸附率都呈降低趋势。凸台盘的稳定吸附率保持在较高的稳定水平，随作业速度变化不显著，在4 km/h时最大，为98.64%，在12 km/h时最小，为95.59%。凹槽盘的稳定吸附率随速度变化不显著，稳定在93%左右。平面盘的稳定吸附率随着作业速度增大稳定吸附率出现显著降低，在4 km/h时最大，为94.34%，在12 km/h时最小，为85.56%。

随着作业速度的增大，排种盘转速升高，种子受到的离心力逐渐增大，垂直吸附的种子发生转动，部分发生掉落，导致投种位置的稳定吸附率降低。而平行吸附的种子在跟随吸孔快速转动过程中稳定吸附在吸孔上，在投种位置仍然保持较高的稳定吸附率。

当作业速度为8 km/h时，随着负压的增大，各盘的平行吸附率都呈先升高并逐渐稳定的趋势。在每个负压水平下，凸台盘的平行吸附率维持较高水平，且大幅高于其他2排种盘，最大值为在3 kPa时的84.68%，在2 kPa时最低为77.36%。在2～2.5 kPa时，凹槽盘的平行吸附率高于平面盘，但是在3～3.5 kPa时，平面盘和凹槽盘平行吸附率差异不明显，均保持在55%附近。

随着负压的增大，各盘在投种位置的稳定吸附率同样是先升高并保持稳定。在每个负压水平下，各盘的稳定吸附率有显著差异，凸台盘显著高于凹槽盘，凹槽盘显著高于平面盘。在2 kPa时，各盘的稳定吸附率最低，凸台盘、凹槽盘和平面盘分别为94.36%、90.25%、84.28%，负压达到3 kPa后，各盘的稳定吸附率保持稳定，凸台盘、凹槽盘和平面盘分别为98.74%、93.84%、89.11%。

平行吸附的种子所受到的吸附力最高，所以吸附稳定性较高，尤其是在负压较低时，仍然能够实现稳定吸附。

5.2.3 排种性能试验结果

分别在JPS-12型排种性能试验台和田间对倾斜凸台式排种器进行种性能试验。田间试验设定播种行距60 cm，株距20 cm，深度4 cm，工作负压3.0 kPa，误差为±0.5 kPa，试验地长约100 m，前后各留10 m启动和停止缓冲区，数据统计方法参照台架试验，排种性能试验结果如图14所示。

图14 作业速度对排种性能的影响

当负压稳定在3 kPa时，随着作业速度的增加，台架试验的排种合格率在4～8 km/h范围内变化不大，维持在98%以上，当作业速度大于到8 km/h时，排种合格率逐渐下降，12 km/h最低，为93.18%。漏播率随作业速度的增加呈上升趋势，在4～8 km/h范围内变化不大，均小于1%，当作业速度大于8 km/h时，漏播率逐渐上升，12 km/h时最高，为5.90%。

田间试验的排种性能相比于台架试验有所降低，排种合格率随作业速度增大逐渐降低，在4 km/h时为96.65%，12 km/h时降低至90.34%；而漏播率逐渐增大，4 km/h时为2.12%；12 km/h时增加到6.52%。原因在于田间作业环境较复杂，机具振动、落地弹跳等导致作业性能下降。

通过台架和田间试验，参照NY/T 1143-2006《播种机质量评价技术规范》，倾斜凸台式排种器能够满足12 km/h的精密播种作业要求。

6 结 论

1）为提高扁平种子的气吸取种性能，设计了一种倾斜凸台式取种结构，通过对充种过程分析，明确了倾斜凸台结构对种子吸附姿态的调节原理，对倾斜凸台的主要参数进行设计，确定凸台高度为2 mm、半径为7.5 mm，凸台表面与排种盘切向夹角为10°。

2）运用离散元软件对3种排种盘充种过程进行仿真分析。结果表明，倾斜凸台式取种结构可以改变种子的充种姿态对种群扰动能力最大，且充种区种群离散程度最好，可实现种子扁平面平行吸附。

3）搭建试验台架，以作业速度和负压为因素进行台架试验，利用高速摄像对取种和投种过程进行记录分析，结果显示，凸台盘在不同的试验因素水平下，其充种性能均优于其他2种排种盘，单粒吸附率保持在83.80%～91.70%；种子在取种瞬间的平行吸附率与投种时的单粒吸附率正相关，凸台盘的平行吸附率最高，在76.72%～84.68%之间。

4）分别在台架和田间进行凸台盘的排种性能试验，结果表明，排种性能随作业速度增加逐渐下降，12 km/h时台架试验合格率为93.18%，漏播率为5.90%，田间试验结果略有降低，合格率90.34%，漏播率6.52%，但仍满足精密播种要求。

[1] Egli D B, Rucker M. Seed vigor and the uniformity of emergence of corn seedlings[J]. Crop Science, 2012, 52(6): 2774-2782.

[2] 杨丽，颜丙新，张东兴，等. 玉米精密播种技术研究进展[J]. 农业机械学报，2016，47(11)：38-48.

Yang Li, Yan Bingxin, Zhang Dongxing, et al. Research progress on precision planting technology of maize[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016,47(11): 38-48. (in Chinese with English abstract)

[3] 王金武，唐汉，周文琪，等. 指夹式精量玉米排种器改进设计与试验[J]. 农业机械学报，2015，46(9)：68-76.

Wang Jinwu, Tang Han, Zhou Wenqi, et al. Improved design and experiment on pickup fingerprecision seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2015，46(9): 68-76. (in Chinese with English abstract)

[4] 刘忠军，刘立晶，杨学军，等. 指夹式玉米免耕精密播种机的设计与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(增刊2)：1-6.

Liu Zhongjun, Liu Lijing, Yang Xuejun, et al. Design and experiment of no-till precision planter for corn[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(Supp.2): 1-6. (in Chinese with English abstract)

[5] 刘宏新，王福林，杨广林. 新型立式复合圆盘大豆精密排种器研究[J]. 农业工程学报，2007，23(10)：112-116.

Liu Hongxin, Wang Fulin, Yang Guanglin. New vertical composite plate soybean precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2007, 23(10): 112-116. (in Chinese with English abstract)

[6] 石林榕，吴建民，孙伟，等. 基于离散单元法的水平圆盘式精量排种器排种仿真试验[J]. 农业工程学报，2014，30(8)：40-48.

Shi Linrong, Wu Jianmin, Sun Wei, et al. Simulation test for metering process of horizontal disc precision metering device based on discrete element method[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(8): 40-48. (in Chinese with English abstract)

[7] 张学军，陈勇，史增录，等. 双仓转盘式棉花竖直圆盘穴播排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(19)：27-36.

Zhang Xuejun, Chen Yong, Shi Zenglu, et al. Design and experiment of double-storage turntable cotton vertical disc hole seeding and metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(19): 27-36. (in Chinese with English abstract)

[8] 朱德泉，李兰兰，文世昌，等. 滑片型孔轮式水稻精量排种器排种性能数值模拟与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(21)：17-26.

Zhu Dequan, Li Lanlan, Wen Shichang, et al. Numerical simulation and experiment on seeding performance of slide hole-wheel precision seed-metering device for rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 49(5): 108-115. (in Chinese with English abstract)

[9] 都鑫，刘彩玲，姜萌，等. 自扰动内充型孔轮式玉米精量排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2019，35(13)：23-34.

Du Xin, Liu Cailing, Jiang Meng, et al. Design and experiment of self-disturbance inner-filling cell wheel maize precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(13): 23-34. (in Chinese with English abstract)

[10] 李兆东，何顺，钟继宇，等. 油菜扰动气力盘穴播排种器参数优化与试验[J]. 农业工程学报，2021，37(17)：1-11.

Li Zhaodong, He Shun, Zhong Jiyu, et al. Parameter optimization and experiment of the disturbance pneumatic plate hole metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(17): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[11] Bakhtiari M R, Ahmad D. Design of a vacuum seed metering system for kenaf planting[J]. Agricultural Engineering International: Cigr Journal, 2017, 19(3): 23-31. (in Chinese with English abstract)

[12] 刘佳，崔涛，张东兴. 气吹式精密排种器工作压力试验研究[J]. 农业工程学报，2011，27(12)：18-22.

Liu Jia, Cui Tao, Zhang Dongxing, et al. Experimental study on pressure of air-blowing precision seed-metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2011, 27(12): 18-22. (in Chinese with English abstract)

[13] 崔涛，韩丹丹，殷小伟，等. 内充气吹式玉米精量排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(1)：8-16.

Cui Tao, Han Dandan, Yin Xiaowei, et al. Design and experiment of inside-filling air-blowing maize precision seed metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(1): 8-16. (in Chinese with English abstract)

[14] 史嵩，张东兴，杨丽，等. 气压组合孔式玉米精量排种器设计与试验[J]. 农业工程学报，2014，30(5)：10-18.

Shi Song, Zhang Dongxing, Yang Li, et al. Design and experiment of pneumatic maize precision seed-metering device with combined holes[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(5): 10-18. (in Chinese with English abstract)

[15] 殷小伟，杨丽，张东兴，等. 气压式玉米精量播种机均匀低损配气机构设计与试验[J]. 农业工程学报，2016，32(19)：9-17.

Yin Xiaowei, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Design and experiment of balance and low-loss air allotter in air pressure maize precision planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(19): 9-17. (in Chinese with English abstract)

[16] Yang L, Yan B X, Cui T, et al. Global overview of research progress and development of precision maize planters[J]. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2016, 9(1): 9-26.

[17] Karayel D, Özmerzi A. Effect of forward speed on hill dropping uniformity of a precision vacuum seeder[J]. Horttechnology, 2004, 14(3): 364-367.

[18] Karayel D, Güngör O, Šarauskis E. Estimation of optimum vacuum pressure of air-suction seed-metering device of precision seeders using artificial neural network models[J]. Agronomy, 2022, 12(1600): 1-11.

[19] Celik A, Ozturk I, Way T R. Effects of various planters on emergence and seed distribution uniformity of sunflower[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2007, 23(1): 57-61.

[20] Yazgi A, Taylor R K, Navid H, et al. Performance modeling and seed releasing characteristics of a corn planter metering unit using response surface methodology[J]. Applied Engineering in Agriculture, 2017, 33(2): 181-189.

[21] Abdolahzare Z, Mehdizadeh S A. Nonlinear mathematical modeling of seed spacing uniformity of a pneumatic planter using genetic programming and image processing[J]. Neural Computing and Applications, 2018, 29: 363-375.

[22] 袁月明，马旭，朱艳华，等. 基于高速摄像技术的气吸式排种器投种过程的分析[J]. 吉林农业大学学报，2008，30(4)：617-620.

Yuan Yueming, Ma Xu, Zhu Yanhua, et al. Analysis of working process for seed-metering device based on high speed video camera system technique[J]. Journal of Jilin Agricultural University, 2008,30(4): 617-620. (in Chinese with English abstract)

[23] 李凤丽，赵满全，刘飞，等. 气吸式排种装置工作过程及种子运动情况分析[J]. 农机化研究，2018，40(1)：150-154.

Li Fengli, Zhao Manquan, Liu Fei, et al. Analysis on the working process and the movement of seeds of air suction metering equipment[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(1): 150-154. (in Chinese with English abstract)

[24] 李凤丽，陈江辉，刘飞，等. 基于高速摄像技术种子吸附姿态对排种性能的影响[J]. 中国农业大学学报，2018，23(4)：128-136.

Li Fengli, Chen Jianghui, Liu Fei, et al. Influence of seed adsorption posture on seeding performance based on high speed camera technology[J]. Journal of China Agricultural University, 2018, 23(4): 128-136. (in Chinese with English abstract)

[25] 臧英，何思禹，王在满，等. 气力式包衣杂交稻单粒排种器研制[J]. 农业工程学报，2021，37(1)：10-18.

Zang Ying, He Siyu, Wang Zaiman, Liu Shuncai, Wang Xuguo, Wen Zhiqiang. Design of pneumatic single seed metering device for coated hybrid rice[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 10-18. (in Chinese with English abstract)

[26] 丁力，杨丽，张东兴，等. 气吸式玉米排种器吸附姿态对投种性能的影响分析[J]. 农业机械学报，2021，52(7)：40-50.

Ding Li, Yang Li, Zang Dongxing, et al. effect of seed adsorption posture of corn air-suction metering device on seed feeding performance[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(7): 40-50. (in Chinese with English abstract)

[27] 李玉环，杨丽，张东兴，等. 气吸式玉米高速精量排种器投种性能分析与结构优化[J]. 农业工程学报，2022，38(8)：1-11.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Performance analysis and structure optimization of the maize precision metering device with air suction at high-speed condition[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(8): 1-11. (in Chinese with English abstract)

[28] 李玉环，杨丽，张东兴，等. 气吸式玉米高速精量排种器直线投种过程分析与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(9)：26-35.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Analysis and test of linear seeding process of maize high speed precision metering device with air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 26-35. (in Chinese with English abstract)

[29] 高丽萍，施彬彬，廖庆喜，等. 正负气压组合油菜精量排种器锥孔盘排种性能[J]. 农业工程学报，2022，38(6)：22-33.

Gao Liping, Shi Binbin, Liao Qingxi, et al. Seeding performance of conical-hole seeding plate of the positive and negative pressure combination precision seed metering device for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(6): 22-33. (in Chinese with English abstract)

[30] 王美美，王万章，杨立权，等. 基于响应面法的玉米籽粒离散元参数标定[J]. 华南农业大学学报，2018，39(3)：111-117.

Wang Meimei, Wang Wanzhang, Yang Liquan, et al. Calibration of discrete element model parameters for maize kernel based on response surface methodology[J]. Journal of South China Agricultural University, 2018, 39(3): 111-117. (in Chinese with English abstract)

[31] 崔涛，刘佳，杨丽，等. 基于高速摄像的玉米种子滚动摩擦特性试验与仿真[J]. 农业工程学报，2013，29(15)：34-41.

Cui Tao, Liu Jia, Yang Li, et al. Experiment and simulation of rolling friction characteristic of corn seed based on high-speed photography[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(15): 34-41. (in Chinese with English abstract)

Design and experiments of the flat seed-adsorbing posture adjustment mechanism for the air-suction metering device

Chen Yulong, Liu Zeqi, Han Jie, Zhao Luqiang, Sui Xinhui, Zhang Jingwen, Lan Yubin※

(1.,,255000,; 2.,,255000,; 3.,25500,)

An air-suction metering device has been widely used to improve the performance of large-size seed crop planting. Among them, the flat seeds cannot fit with the suction hole in an air-suction metering device, due to the irregular structure and large difference in size. The low stability of adsorption can lead to low seeding performance in this case. There are the horizontal and vertical adsorption postures of the flat corn seeds and the suction surface in the traditional air suction seed metering device in the pre-test. The adsorption posture of the seeds has also posed an important influence on the filling and seeding performance. Specifically, the higher the horizontal adsorption ratio is, the better the filling and seeding performance is. In this study, a new air-suction metering device was designed with an inclined convex structure for the seed picking, in order to adjust the adsorption posture of flat corn seeds. A stable adsorption posture was then reached to separate from the population for high seeding accuracy. The corn seeds were first graded, according to the triaxial dimensions. The flat seeds were then selected to divide into circle and length flat forms. A theoretical analysis was also carried out for the operation process of the inclined convex seed metering device. A force analysis was performed on the flat seeds and convex collision, in order to clarify the influence mechanism of the inclined convex on the posture of the flat seeds during the filling process. Three types (plane, groove, and convex) of discs were utilized for the discrete element simulation. Simulation results showed that the convex disc was achieved in the maximum disturbance ability, dispersion degree, and torque, compared with the rest. The tilted convex plate was used to change the attitude of the seed during the seed picking. The parallel adsorption was then realized between the flat surface of the seed and the suction surface. A bench test was carried out under different operating parameters. The results showed that the single adsorption rate of the convex disc was significantly better than that of the groove and plane disc. Moreover, the single adsorption rate first increased, and then decreased with the increase of forward speed and negative pressure, reaching the highest value of 91.70% at 8 km/h, and 90.84% at 3kPa, respectively. The stable and parallel adsorption rate of the convex disc decreased slightly with the increase of the speed, whereas, increased gradually with the increase of negative pressure, where was tended to be stable at 3kPa. The adsorption performance of the convex disc was better than the rest. At the same time, the parallel adsorption rate of the three seed discs was also proportional to the stable adsorption rate. Specifically, the qualified rate of the convex disc was stable at 98%, and then gradually decreased to 93.18% at 12 km/h, particularly at the forward speed of 4-8 km/h. The field tests showed that the lowest qualified rate of the convex disc was 90.34%, and the highest missing rate was 6.52% at the speed of 12 km/h. The convex-type seed metering device can fully meet the requirements of precision sowing. The inclined convex seed-picking structure can be expected to effectively adjust the adsorption posture of flat seeds for better adsorption stability and the working performance of the seed-metering device. This finding can also provide the technical reference for the high-speed and accurate seed-picking of flat seeds.

agricultural machinery; discrete element; air-suction metering device; flat seeds; adsorption posture; high-speed photography

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.001

S223.2

A

1002-6819(2022)-23-0001-11

陈玉龙，刘泽琪，韩杰，等. 气吸式排种器扁平种子吸附姿态调节机构设计与试验[J]. 农业工程学报，2022，38(23)：1-11.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.001 http://www.tcsae.org

Chen Yulong, Liu Zeqi, Han Jie, et al. Design and experiments of the flat seed-adsorbing posture adjustment mechanism for the air-suction metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(23): 1-11. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.23.001 http://www.tcsae.org

2022-09-09

2022-11-11

国家自然科学基金项目（51905318）；山东省引进顶尖人才“一事一议”专项（鲁政办字[2018]27号）

陈玉龙，博士，副教授，研究方向为智能农业装备。Email：cyl06471@sdut.edu.cn

兰玉彬，博士，教授，研究方向为精准农业航空及无人农场应用技术。Email：ylan@sdut.edu.cn

中国农业工程学会高级会员：兰玉彬（E041200725S）